（電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)論文）基于模糊控制的永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究.pdf

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t b r u s h l e s sd cm o t o rh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e r e l i a b l e o p e r a t i o na n de a s ym a i n t e n a n c eo fd cm o t o r a tt h es a m et i m e i th a st h e a d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y n oe x c i t a t i o nl o s sa n de a s i l ya d j u s t i n gs p e e do fa c m o t o r i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r yc o n t r o ld o m a i n s m a l la n d m e d i u m s i z e dp o w e ro ft h es p e e dc o n t r o ls y s t e mi sg r a d u a l l yb e i n gr e p l a c e db y t h eb r u s h l e s sd cm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e m t h et h e s i si sb a s e do nt h i s c o n s i d e r a t i o n t h er e s e a r c ho ft h eb r u s h l e s sd cm o t o rs p e e dc o n t r o lt e c h n o l o g y a n dm e t h o d sh a sb e e nd o n e t h eb a s i cc o m p o n e n tp a n s t h eb a s i cr u n n i n gp r i n c i p l ea n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e io ft h eb r u s h l e s sd cm o t o ra r ee x p o u n d e di nt h et h e s i s t h e na l la 1 1 d i g i t a l d o u b l e 1 0 0 ps p e e dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d i nm a t l a b 7 0 s i m u l i n kw i n d o w t h e s i m u l a t i o nm o d e lo ft h ep o s i t i o ns e n s o rp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r s p e e dc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e d as e l f a d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d l o w s p e e d m e d i u m s p e e da n dh i g h s p e e dp e r f o r m a n c eo ft h em o t o r h a sb e e ns t u d i e d a so p p o s e dt ot h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e r t h es y s t e mh a sa b e t t e rs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e a n dh a sa s t r o n ga d a p t a b i l i t yi nc h a n g e so f t h ep a r a m e t e r sa n dt h el o a dd i s t u r b a n c e a n da c h i e v e sg o o dc o n t r o le f f e c t t h er o t o rp o s i t i o ns i g n a ld e t e c t i o nt h e o r ya n df o r p h a s em o t o rc o n t r o lt h e o r y o ft h ep o s i t i o ns e n s o rb r u s h l e s sd cm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e mh a v ea l s ob e e n d i s c u s s e d t h e nb a s e so ns i m u l a t i o nt h e o r y ao v e r a l ld e s i g no ft h ep o s i t i o ns e n s o r b r u s h l e s sd cm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e mi sp u tf o r w a r d t i s3 2 b i tf i x e d p o i n t d s pc o n t r o l l e rt m 3 2 0 l f 2 81 2i su s e da st h ec o n t r o l l e ro ft h es p e e dc o n t r o l s y s t e mi no r d e rt oc o n t r o lt h et h r e e p h a s eb r u s h l e s sd cm o t o r t h em a i nc i r c u i t p o w e rc o n v e r s i o nc i r c u i t d r i v ec i r c u i t v o l t a g ea n dc u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t s e r i a l c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t m o n i t o r i n gc i r c u i ta n do t h e rh a r d w a r ec i r c u i ta r ed e s i g n e d t h e n t h es o f t w a r ed e s i g no ft h ec o r r e s p o n d i n gp r o c e d u r e si ss t u d i e d k e yw o r d s b r u s h l e s sd cm o t o r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n s e l f a d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l l e r 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 本論文的所有工作 是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 由 作者本人獨(dú)立完成的 有關(guān)觀點(diǎn) 方法 數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用己在 文中指出 并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng) 除文中已注明引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何其他個(gè)人或集體己經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的作品成果 對(duì) 本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均已在文中以明確方式 標(biāo)明 本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān) 作者 簽字 夸f 斤潛 日期 p 7 年 月扣日 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文授權(quán)使用聲明 本人完全了解學(xué)校保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有關(guān)規(guī)定 即研究生在校 攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱工程大學(xué) 哈爾濱 工程大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件 本人允許哈爾濱工程大學(xué)將論文的部分或全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫(kù)進(jìn)行檢索 可采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本 學(xué)位論文 可以公布論文的全部?jī)?nèi)容 同時(shí)本人保證畢業(yè)后結(jié)合 學(xué)位論文研究課題再撰寫(xiě)的論文一律注明作者第一署名單位為哈 爾濱工程大學(xué) 涉密學(xué)位論文待解密后適用本聲明 本論文 曰在授予學(xué)位后即可口在授予學(xué)位1 2 個(gè)月后口 解密后 由哈爾濱工程大學(xué)送交有關(guān)部門(mén)進(jìn)行保存 匯編等 作者 答 7 鉚月m導(dǎo)師 簽字 人大 豸 一 y n 日期 l d 年 月卜日 d 以r 年叼月 護(hù)日 7 哈爾濱丁程大學(xué)碩 學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 課題背景 永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)是一種新型調(diào)速系統(tǒng) 該系統(tǒng)具有良好的運(yùn) 行 控制及經(jīng)濟(jì)性能 顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?其應(yīng)用從最初的軍事工業(yè) 向航空航天 醫(yī)療 信息 家電以及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域迅速發(fā)展 尤其值得指 出的是 我國(guó)稀土資源豐富 稀土磁鋼生產(chǎn)已達(dá)到國(guó)際水平 如果充分利用 和發(fā)揮我國(guó)在這方面的優(yōu)勢(shì) 大力發(fā)展稀土永磁電機(jī) 形成無(wú)刷直流電機(jī) b r u s h l e s sd cm o t o r 簡(jiǎn)稱b l d c m 系列產(chǎn)品 將對(duì)提高我國(guó)機(jī)電產(chǎn)品在 國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力具有戰(zhàn)略意義 本文正是考慮到這一點(diǎn) 對(duì)無(wú)刷直流電機(jī) 的控制技術(shù)與控制方法進(jìn)行研究 1 2 無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展歷程 一個(gè)多世紀(jì)以來(lái) 電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置 其應(yīng)用范圍己遍及國(guó) 民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域及人們的日常生活之中 電動(dòng)機(jī)的主要類型有 同步電動(dòng) 機(jī) 異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)三種 其容量小到幾瓦 大到上千萬(wàn)瓦 眾所 周知 電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)動(dòng)效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn) 但傳統(tǒng)的直流電動(dòng) 機(jī)均采用電刷 以機(jī)械方法進(jìn)行換向 因而存在相對(duì)的機(jī)械磨擦 由此帶來(lái) 了噪聲 火花 無(wú)線電干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn) 再加上制造成本高及維 修困難等缺點(diǎn) 從而大大限制了它的應(yīng)用范圍 致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上 大 多數(shù)均采用三相異步電動(dòng)機(jī) 隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展 人們生活水平的提高 需要不斷地開(kāi)發(fā)各種新 型電動(dòng)機(jī) 科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步 新技術(shù)新材料的不斷涌現(xiàn) 更促進(jìn)了電動(dòng)機(jī)產(chǎn) 品的不斷推陳出新 針對(duì)上述傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的弊病 早在本世紀(jì)3 0 年代 就有人開(kāi)始研制以電子換向來(lái)代替電刷機(jī)械換向的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 并取得 了一定的成果 但由于當(dāng)時(shí)的大功率電子器件僅處于初級(jí)發(fā)展階段 沒(méi)能找 到理想的電子換向元器件 使得這種電動(dòng)機(jī)只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段 無(wú)法推 廣使用 1 9 5 5 年美國(guó)d h a r r i s o n 等人首次申請(qǐng)了用晶體管換相電路代替機(jī) 械電刷的專利 標(biāo)志著現(xiàn)代無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的誕生 但由于電動(dòng)機(jī)尚無(wú)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 而不能產(chǎn)品化 爾后又經(jīng)過(guò)人們多年的努力 借助于霍爾元件來(lái)實(shí)現(xiàn)換向的 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)終于在1 9 6 2 年問(wèn)世 從而開(kāi)創(chuàng)了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品化的新 紀(jì)元 7 0 年代以來(lái) 隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展 許多新型的高性能半導(dǎo) 體功率器件 如g t r m o s f e t i g b t 等相繼出現(xiàn) 以及高性能的永磁材料 如釤鈷 釹鐵硼等的問(wèn)世 均為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基 礎(chǔ) 電子換相的無(wú)刷直流電機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段 是在1 9 7 8 年的m a c 經(jīng)典 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的推出 之后 國(guó)際上對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了 深入的研究 先后研制成方波無(wú)刷電機(jī)和正弦波直流無(wú)刷電機(jī) 2 0 多年以來(lái) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 隨著永磁新材料 微電子技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)特別是大功 率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)不 是專指具有電子換相的直流電機(jī) 而是泛指具有有刷直流電動(dòng)機(jī)外部特性的 電子換相電機(jī)瞪 1 3 無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 在結(jié)構(gòu)上 與有刷直流電機(jī)不同 無(wú)刷直流電機(jī)的定子繞組作為電樞 勵(lì)磁繞組由永磁材料所取代 按照流入電樞繞組的電流波形的不同 直流無(wú) 刷電動(dòng)機(jī)可分為方波直流電動(dòng)機(jī) b l d c m 和正弦波直流電動(dòng)機(jī) p m s m b l d c m 用電子換相取代了原直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換相 由永磁材料做轉(zhuǎn)子 省去了電 刷 而p m s m 則是用永磁材料取代同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組 省去了勵(lì)磁 繞組 滑環(huán)和電刷 在相同的條件下 驅(qū)動(dòng)電路要獲得方波比較容易 且控 制簡(jiǎn)單 因而b l d c m 的應(yīng)用較p m s m 要廣泛的多姐 1 4 無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一般由電動(dòng)機(jī)本體 電子換相電路和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路 三部分組成 電子換相電路一般由控制部分和驅(qū)動(dòng)部分組成 而對(duì)轉(zhuǎn)子位置 的檢測(cè)一般用位置傳感器來(lái)完成 工作時(shí) 控制器根據(jù)位置傳感器測(cè)得的電 機(jī)轉(zhuǎn)子位置有序的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路中的各個(gè)功率管 進(jìn)行有序換流 以驅(qū)動(dòng)直 流電動(dòng)機(jī) 1 4 1 電動(dòng)機(jī)本體的發(fā)展 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電動(dòng)機(jī)基本一樣 但它的電樞 繞組放在定子上 轉(zhuǎn)子減輕了重量 簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu) 提高了性能 使其可靠性 得以提高 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展是分不開(kāi)的 磁性材料的發(fā) 展過(guò)程基本上經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段 鋁鎳鈷 鐵氧體磁性材料 釹鐵硼 n d f e b 釹鐵硼有高磁能積 它的出現(xiàn)引起了磁性材料的一場(chǎng)革命 第三 代釹鐵硼永磁材料的應(yīng)用 迸一步減少了電機(jī)的用銅量 促使無(wú)刷電機(jī)向高 效率 小型化 節(jié)能的方向發(fā)展n 目前 為提高電動(dòng)機(jī)的功率密度 出現(xiàn)了橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī) 其定子齒 槽與電樞線圈在空間位置上相互垂直 電機(jī)中的主磁通沿電機(jī)軸向流通 這 種結(jié)構(gòu)提高了氣隙磁密 能夠提供比傳統(tǒng)電機(jī)大得多的輸出轉(zhuǎn)矩n 該類型電 機(jī)正處于研究開(kāi)發(fā)階段 1 4 2 電子換相電路的發(fā)展 1 控制電路 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路中的功率開(kāi)關(guān)器件 來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)向 轉(zhuǎn)矩以及保護(hù)電機(jī) 包括過(guò)流 過(guò)壓 過(guò)熱等保 護(hù) 2 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制器 當(dāng)前主要有專用集成電路 a s i c 控制 器 微處理器 m c u 和數(shù)字信號(hào)處理器 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 簡(jiǎn) 稱d s p 等三種方式 對(duì)于專用集成電路 a s i c a p p i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t 現(xiàn)在幾乎所有先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的半導(dǎo)體廠商 都能提供 自己開(kāi)發(fā)的電機(jī)控制專用集成電路 對(duì)電機(jī)控制要求不高的場(chǎng)合 由專業(yè)集 成電路組成控制電路是簡(jiǎn)單實(shí)用的方法 但使用時(shí)靈活性較差 受到的限制 過(guò)多 現(xiàn)在市面上的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器大多采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) 應(yīng)用較 多的是8 0 9 6 系列產(chǎn)品 但單片機(jī)的處理能力有限 特別是需要處理的數(shù)據(jù)量 大 實(shí)時(shí)性和精度要求高時(shí) 單片機(jī)往往不再能滿足要求 因此 人們便自 然地想到了d s p 由于d s p 可對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理 其運(yùn)算速度比 單片機(jī)快一個(gè)數(shù)量級(jí) 特別是d s p 器件還提供了高度專業(yè)化的指令集 提高 了數(shù)字濾波器的運(yùn)算速度 這樣使得它在控制器的規(guī)則實(shí)施 矢量控制和矩 陣變換方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì) 若要無(wú)刷直流電機(jī)完成一些較復(fù)雜的控制 功能 如電壓電流雙閉環(huán)調(diào)速 轉(zhuǎn)子電流正弦波驅(qū)動(dòng) 則必須要用運(yùn)動(dòng)控制 專用微處理器 運(yùn)動(dòng)控制專用微處理器種類很多 尤其以t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 8 系列和a d 公司的a d m c 3 x x 系列d s p 單片電機(jī)控制器為最佳 它們都是將電機(jī) 控制所需的外圍功能電路集成在一個(gè)d s p 芯片內(nèi) 其具有體積小 結(jié)構(gòu)緊湊 易于使用 可靠性的特點(diǎn) 運(yùn)算速度可達(dá)2 0 1 5 0 m i n p s 指令周期僅為幾十 納秒 與普通的m c u 相比 運(yùn)算及處理能力增強(qiáng)1 0 5 0 倍 確保了系統(tǒng)具有 更優(yōu)越的控制性能 另外 采用d s p 的專用集成塊的另 優(yōu)點(diǎn)就是 可以降 低系統(tǒng)對(duì)傳感器等外圍器件的要求 通過(guò)復(fù)雜的算法可以達(dá)到同樣的控制性 能 這樣 降低了成本 提高了可靠性 有利于專利技術(shù)的保密 因此 采 用d s p 作為控制芯片將是今后的發(fā)展方向協(xié)1 2 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路輸出電功率 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電樞繞組 并受控 于控制電路 驅(qū)動(dòng)電路由大功率開(kāi)關(guān)器件組成 正是由于晶閘管的出現(xiàn) 直流電動(dòng)機(jī) 才從有刷實(shí)現(xiàn)到無(wú)刷的飛躍 但由于晶閘管是只具備控制接通 而無(wú)自關(guān)斷 能力的半控性開(kāi)關(guān)器件 其開(kāi)關(guān)頻率較低 不能滿足無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)性能的 進(jìn)一步提高 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展 7 0 年代和8 0 年代先后出現(xiàn)了 全控型功率開(kāi)關(guān)器件 其中有可關(guān)斷晶體管 g t o 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 m o s f e t 絕緣柵雙極性晶體管 i g b t 集成門(mén)極換流晶閘管 i g c t 及 近年新開(kāi)發(fā)的電子注入增強(qiáng)柵晶體管 i e g t h 隨著這些功率器件性能的不 斷提高 相應(yīng)的無(wú)劇電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路也獲得了飛速發(fā)展 目前 全控型開(kāi) 關(guān)器件正在逐漸取代線路復(fù)雜 體積龐大 功能指標(biāo)低的普通晶閘管 驅(qū)動(dòng) 電路己從線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制的開(kāi)關(guān)狀態(tài) 相應(yīng)的電路組成也由功 率管分立電路轉(zhuǎn)成模塊化集成電路 為驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)智能化 高頻化 小型 化創(chuàng)造了條件 哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 4 3 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路的發(fā)展 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一閉環(huán)的機(jī)電一體化系統(tǒng) 它是通過(guò)轉(zhuǎn)子磁極位 置信號(hào)作為電子開(kāi)關(guān)線路的換相信號(hào) 因此 準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置 并根據(jù)轉(zhuǎn) 子位置及時(shí)對(duì)功率器件進(jìn)行切換 是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵 用位置傳感器來(lái)作為轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)裝置是最直接有效的方法 一般將 位置傳感器安裝于轉(zhuǎn)子的軸上 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)檢測(cè) 最早的位置傳感 器是磁電式的 既笨重又復(fù)雜 已被淘汰 目前磁敏式的霍爾位置傳感器廣 泛應(yīng)用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中 另外還有光電式的位置傳感器 位置傳感器的 存在 增加了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重量和結(jié)構(gòu)尺寸 不利于電機(jī)的小型化 旋 轉(zhuǎn)時(shí)傳感器難免有磨損 且不易維護(hù) 同時(shí) 傳感器的安裝精度和靈敏度直 接影響電機(jī)的運(yùn)行性能 另一方面 由于傳輸線太多 容易引入干擾信號(hào) 由于是硬件采集信號(hào) 更降低了系統(tǒng)的可靠性 為適應(yīng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步 發(fā)展 無(wú)位置傳感器應(yīng)運(yùn)而生 它一般利用電樞繞組的感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)來(lái)間接 獲得轉(zhuǎn)子磁極位置 與直接檢測(cè)法相比 省去了位置傳感器 簡(jiǎn)化了電動(dòng)機(jī) 本體結(jié)構(gòu) 取得了良好的效果 并得到了廣泛的應(yīng)用 但靠反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行位 置檢測(cè)的無(wú)位置傳感器無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 由于靜止時(shí)不產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì) 因而如何 順利啟動(dòng)是該電機(jī)需要解決的問(wèn)題 1 1 5 無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用 由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 運(yùn)行可靠 維護(hù)方 便等一系列優(yōu)點(diǎn) 又具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高 無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性 能好的特點(diǎn) 故在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域 如醫(yī)療器械 儀表儀器 化工 輕紡以及家用電器等方面的應(yīng)用日益普及 無(wú)刷直流的應(yīng)用主要分為以下幾 類 1 定速驅(qū)動(dòng)機(jī)械 一般工業(yè)場(chǎng)合不需要調(diào)速的領(lǐng)域以往大多是采用三相或單相交流異步和 同步電機(jī) 隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步 在功率不大于l o k w 且連續(xù)運(yùn)行的情況 下 為了減少體積 節(jié)省材料 提高效率和降低能耗 越來(lái)越多的電機(jī)正被 無(wú)刷直流電機(jī)逐步取代 如自動(dòng)門(mén) 電梯 水泵 風(fēng)機(jī)等 2 調(diào)速驅(qū)動(dòng)機(jī)械 速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié) 控制精度要求不高的調(diào)速系統(tǒng)可分為兩種 一種是開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 另一種是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 此時(shí)的速度反饋器件多采用 低分辨率的脈沖編碼器或交 直流測(cè)速等 通常采用的電機(jī)主要有三種 直 流電機(jī) 交流異步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī) 這在包裝機(jī)械 食品機(jī)械 印刷機(jī) 械 物料輸送機(jī)械 紡織機(jī)械和交通車輛中有大量應(yīng)用 調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域最初 用得最多的是直流電機(jī) 隨著交流調(diào)速技術(shù)特別是電力電子技術(shù)和控制技術(shù) 的發(fā)展 交流變頻技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用 變頻器和交流電動(dòng)機(jī)迅速滲透到原 來(lái)直流調(diào)速系統(tǒng)的絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 近幾年來(lái) 由于無(wú)刷直流電機(jī)體積小 4 哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文 重量小和高效節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn) 中小功率的交流變頻系統(tǒng)正逐步被無(wú)刷直 流電機(jī)系統(tǒng)所取代 特別是在紡織機(jī)械 印刷機(jī)械等原來(lái)應(yīng)用變頻系統(tǒng)較多 的領(lǐng)域 而在一些直接由電池供電的直流電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域 則更多的由無(wú)刷直 流電機(jī)所取代 3 精密控制 伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的高精度控制中扮演了一個(gè)十分重要的角 色 應(yīng)用場(chǎng)合不同 對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的控制性能要求也不盡相同 在實(shí)際應(yīng)用 中 伺服電動(dòng)機(jī)有各種不同的控制形式 轉(zhuǎn)矩控制 電流控制 速度控制 位置控制 無(wú)刷直流電機(jī)由于其良好的控制性能 在高速 高精度定位系統(tǒng) 中逐步取代了直流電機(jī)與步迸電機(jī) 成為其首選的伺服電機(jī)之一n 叮 目前 掃描儀 攝影機(jī) c d 唱機(jī)驅(qū)動(dòng) 醫(yī)療診斷c t 計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)及數(shù)控車床驅(qū) 動(dòng)中等都廣泛采用了無(wú)刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)用于精密控制 4 其他應(yīng)用 家用電器 大型同步電機(jī)啟動(dòng)等 1 6 課題研究的主要內(nèi)容 永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行 控制及經(jīng)濟(jì)性能 其應(yīng)用 從最初的軍事工業(yè) 向航空航天 醫(yī)療 信息 家電以及工業(yè)控制各個(gè)領(lǐng)域 迅速發(fā)展 在此背景下 本文對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)做了如下研究 1 分析無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 工作原理和運(yùn)行特性 2 在m a t l a b 7 o s i m u l i n k 環(huán)境下 搭建無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真 模型 設(shè)計(jì)自適應(yīng)模糊p i d 控制器 研究電機(jī)在啟動(dòng) 穩(wěn)定運(yùn)行 突加負(fù)載 等情況下調(diào)速系統(tǒng)的靜 動(dòng)態(tài)性能 并與采用常規(guī)p i d 控制器的無(wú)刷直流電 機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析 3 結(jié)合t i 公司d s p 控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 特點(diǎn) 以三相星形無(wú)刷直流 電機(jī)為控制對(duì)象 設(shè)計(jì)主電路 功率驅(qū)動(dòng)電路 電壓和電流檢測(cè)電路 串口 通訊電路及保護(hù)電路等硬件電路 4 編寫(xiě) 調(diào)試系統(tǒng)相應(yīng)的軟件 5 總結(jié)系統(tǒng)在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的一些實(shí)際問(wèn)題并且尋求相應(yīng)的解決辦 法 哈爾濱t 稗大學(xué)碩十學(xué)位論文 第2 章無(wú)刷直流電機(jī)的基本原理及調(diào)速策略 2 1 無(wú)刷直流電機(jī)的基本組成 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種新型的直流電動(dòng)機(jī) 它是利用裝有的永磁體轉(zhuǎn)子 取代普通有刷直流電動(dòng)機(jī)定子磁極 用具有多相繞組的定子來(lái)取代電樞 用 電子換向器取代機(jī)械換向器和電刷 無(wú)刷直流電機(jī)主要是由電動(dòng)機(jī)本體 位 置傳感器和電子開(kāi)關(guān)三部分組成 如圖2 1 所示n 它具有效率高 調(diào)速范圍 寬 啟動(dòng)迅速 機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性好 壽命長(zhǎng) 維護(hù)方便 可靠性高 無(wú) 換向火花等諸多優(yōu)點(diǎn) 圖2 i 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 2 1 1 電機(jī)本體 電機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電機(jī)類似 也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部件組 成 但沒(méi)有鼠籠型繞組和其它啟動(dòng)裝置 定子是由硅鋼沖片與分布在它們槽 內(nèi)的繞組以及機(jī)殼 端蓋 軸承等部件組成 定子繞組采用整距集中式繞組 二 般制成多相 三相 四相 五相不等 但應(yīng)用最多的是三相 轉(zhuǎn)子是由永 磁材料制成 具有一定磁極對(duì)數(shù) 2 p 2 4 的永磁體 通常由轉(zhuǎn)軸 永久磁鋼 磁軛等部件構(gòu)成 圖2 1 所示的電動(dòng)機(jī)本體為三相兩極 三相定 子繞組 a 相 b 相 c 相 分別與功率開(kāi)關(guān)器件 v l v 2 v 3 連接 電機(jī)轉(zhuǎn)子的永久磁鋼與永磁有刷電機(jī)中的永久磁鋼的作用類似 均是在 6 哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文 電動(dòng)機(jī)氣隙中建立足夠的磁場(chǎng) 不同點(diǎn)在于 無(wú)刷直流電機(jī)的永久磁鋼安裝 在轉(zhuǎn)子上 而有刷直流電機(jī)的永久磁鋼安裝在定子上 無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的 結(jié)構(gòu)可分為兩種 一種是將瓦片狀的永磁體貼在轉(zhuǎn)子表面上 稱為凸極式 另 種是將永磁體嵌入到轉(zhuǎn)子的鐵心中 稱為嵌入式 為了能產(chǎn)生梯形波反 電動(dòng)勢(shì) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的形狀成弧形瓦片形 氣隙磁場(chǎng)成梯形 分布 當(dāng)定子繞組某一相通電時(shí) 該電流與轉(zhuǎn)子永磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相 互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 同時(shí) 位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置信號(hào) 變換為電信號(hào) 來(lái)控制電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷 從而使定子各相繞組按照一定 的順序?qū)?定子相電流也隨轉(zhuǎn)子位置變化按照一定的規(guī)律換相 由于電子 開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步 因而起到了機(jī)械換向器的換向作用 無(wú)刷直流電機(jī)就結(jié)構(gòu)而言 相當(dāng)于由永磁同步電機(jī) 轉(zhuǎn)子位置傳感器和 電子開(kāi)關(guān)組成的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 無(wú)刷直流電機(jī)原理框圖如圖2 2 所示n 圖2 2 無(wú)刷直流電機(jī)原理框圖 2 1 2 電子開(kāi)關(guān) 無(wú)刷直流電機(jī)電子開(kāi)關(guān)是用來(lái)控制電機(jī)定子各相繞組通電順序和時(shí)間 的 主要由功率邏輯開(kāi)關(guān)單元和位置傳感器位置信號(hào)處理單元兩個(gè)部分組成 功率邏輯開(kāi)關(guān)單元將電源的功率按照一定的邏輯關(guān)系分配到無(wú)刷直流電機(jī)定 子各相繞組 從而使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)的轉(zhuǎn)矩 帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn) 功率邏輯開(kāi)關(guān)單 元是無(wú)刷直流電機(jī)控制電路的核心部分 位置傳感器輸出的位置信號(hào)則決定 了各相繞組導(dǎo)通順序和導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短 不過(guò)位置傳感器所產(chǎn)生的位置信號(hào) 一般不能直接用于控制功率邏輯開(kāi)關(guān)單元 而是需要經(jīng)過(guò)一定的邏輯處理后 才可以去控制邏輯開(kāi)關(guān)單元 電子開(kāi)關(guān)相當(dāng)于逆變器的作用 根據(jù)霍爾位置 傳感器輸出的位置信號(hào)來(lái)判斷要觸發(fā)功率開(kāi)關(guān)管 正確換相 只是電子開(kāi)關(guān) 的輸出頻率是不可調(diào)節(jié)的 它的頻率受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào) 電子開(kāi)關(guān)通常采用全控式功率開(kāi)關(guān)管 并且采用橋式電路聯(lián)接方式 電 子開(kāi)關(guān)與電樞繞組有多種聯(lián)接形式 但應(yīng)用最廣泛的是三相星形聯(lián)結(jié) 驅(qū)動(dòng) 電路的作用是將控制電路輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大 同時(shí)向各開(kāi)關(guān)管輸出能使 其飽和導(dǎo)通及可靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 2 1 3 轉(zhuǎn)子位置傳感器 位置傳感器在無(wú)刷直流電機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用 為電子開(kāi) 7 呤爾濱丁程大學(xué)碩十學(xué)位論文 關(guān)提供信息 確保定子繞組正確換相 位置傳感器的原理是將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極 的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 然后去控制定子繞組換相 位置傳感器安裝在電 機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上 位置傳感器種類較多 常用于無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的位 置傳感器有電磁式位置傳感器 光電式位置傳感器和磁敏式位置傳感器 本系統(tǒng)中 無(wú)刷直流電機(jī)自身帶有霍爾位置傳感器 它與電機(jī)同軸安裝 并且多只按照空間均勻分布 霍爾位置傳感器是磁敏式位置傳感器中的一種 它是用于測(cè)量鐵類物體的位置或?qū)D(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量 分類有模擬型霍爾傳感器 內(nèi)置磁鐵霍爾傳感器 霍爾位置傳感器廣泛應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī) 齒輪位置 齒輪轉(zhuǎn)速 閥門(mén)位置 磁盤(pán)速度 流速感應(yīng) 速度感應(yīng)等領(lǐng)域m 2 2 無(wú)刷直流電機(jī)工作原理 無(wú)刷直流電機(jī)將電樞安裝在定子上 而把轉(zhuǎn)子做成永磁體 這樣的結(jié)構(gòu) 恰好與有刷直流電機(jī)相反 同時(shí) 為了使電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 必須使定子電樞 各相繞組按照一定的規(guī)律不斷地?fù)Q相通電 這樣才能使定子磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子的 位置不斷變化 使定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終保持9 0 空間角度 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩來(lái) 推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布 氣隙磁場(chǎng)感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)和定子繞組 相電流如圖2 3 所示m l 3 0 1 5 0 0 2 l o 3 3 0 a 一 t r 3 0 0 1 5 0 0 2 i 妒 3 3 儼 l 圖2 3 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布 感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)和相電流 轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)切割定子繞組 每相定子繞組感應(yīng)電 勢(shì)波形與主磁場(chǎng)基本一致 如圖2 3 所示 為了方便起見(jiàn) 將其視為梯形波 哈爾濱t 稗大學(xué)碩十學(xué)位論文 i i i 一 i it i i i i i i i i i i i i i i 平頂寬度為1 2 0 電角度 為了輸出恒定的電磁功率和轉(zhuǎn)矩 在三相定子繞 組中加入方波電流 導(dǎo)通時(shí)間為1 2 0 電角度 某一相定子繞組感應(yīng)反動(dòng)電 勢(shì)和電流波形圖2 3 已經(jīng)給出 圖2 4 三相星形連接全橋驅(qū)動(dòng)電路 為了清晰地闡述無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理和特點(diǎn) 下面以三相星形繞 組全橋驅(qū)動(dòng)為例 來(lái)加以說(shuō)明 圖2 4 為三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)星形連接全橋 驅(qū)動(dòng)方式電路圖 六只功率開(kāi)關(guān)管v t l v t 6 構(gòu)成功率逆變器 六只功率逆變 器為1 2 0 導(dǎo)電方式 1 2 0 導(dǎo)電方式就是在每一個(gè)瞬間有兩支功率管導(dǎo)通 每隔1 6 周期 6 0 電角度 換相一次 每次換相一個(gè)功率管 每個(gè)功率管 導(dǎo)通1 2 0 電角度 各功率管的導(dǎo)通順序?yàn)?v t l v t 6 一v t l v t 2 一v t 2 v t 3 一 v t 3 v t 4 一v t 4 v t 5 一v t 5 v t 6 一v t l v t 6 一 當(dāng)功率管v t l v t 6 導(dǎo)通時(shí) 電流從 v t l 管流入a 相繞組 再?gòu)腷 相繞組流出 經(jīng)v t 6 管流回電源負(fù)極 無(wú)刷直 流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理簡(jiǎn)述如下 當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖2 5 a 所示位置時(shí) 功率開(kāi)關(guān)v t l v t 6 導(dǎo)通 電流從a 相繞組流入 從b 相繞組流出 此時(shí)a b 兩相繞組電流產(chǎn)生的合成電樞磁場(chǎng) 尾與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)辟之間的夾角為1 2 0 兩者相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 該轉(zhuǎn)矩 使轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn) 隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng) 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)屏與定子磁動(dòng)勢(shì)尼一間的 夾角逐漸減小 當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)到定子磁場(chǎng)尼 與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)屏之間的夾角為 6 0 時(shí) 定子繞組開(kāi)始換流 此時(shí) v t l v t 2 導(dǎo)通 定子磁場(chǎng)民比尼跳躍 前進(jìn)6 0 變成圖2 5 b 所示位置 而定子磁場(chǎng)只 與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)屏之間的 夾角又變成1 2 0 轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 依此類推 由圖2 5 可知 在一個(gè)周期內(nèi) 定子三相繞組在空間上共產(chǎn)生六個(gè)定子 合成磁勢(shì) 分別是尼 尼 凡 屁 尼 和凡 轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)6 0 電角度 功 率開(kāi)關(guān)管切換一次 定子繞組就換流一次 相應(yīng)的定子合成磁勢(shì)也跳變一次 每個(gè)定子合成磁勢(shì)在作用時(shí)間上持續(xù)1 6 周期 6 0 電角度 在這六個(gè)連續(xù) 跳變的定子合成磁勢(shì)作用下 轉(zhuǎn)子磁勢(shì)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 由于定子合成磁勢(shì)呈步 進(jìn)運(yùn)動(dòng) 所以產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩將呈現(xiàn)波動(dòng) 盡管定子合成磁勢(shì)是跳變的 但 它的平均轉(zhuǎn)速卻與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持同步 在平均意義上 定子合成磁勢(shì)f 與轉(zhuǎn) 子磁勢(shì)屏相對(duì)靜止 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速 定子合成磁勢(shì)f 的跳變的原因是 功率開(kāi)關(guān)器件的切換 而開(kāi)關(guān)器件的切換是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)來(lái)控制的 9 哈爾濱 r 樣大學(xué)碩十號(hào) 市論文 我們知道 只有當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁勢(shì)屏的軸線與定子合成磁勢(shì) 的軸線相互垂直時(shí) 電動(dòng)機(jī)才能產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn) 因此它的磁勢(shì)軸線是連續(xù) 變化的 但定子合成磁勢(shì)卻是每隔6 0 電角度跳變一次 兩者不可能一直保 持垂直 不過(guò)我們可以使定子合成磁勢(shì)尸與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)最之間的夾角在6 0 1 2 0 范圍內(nèi)變化 這樣 無(wú)論是在功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通過(guò)程中還是換流瞬間 尸與屏之間的夾角在平均意義上接近9 0 亦即在平均意義上互相垂直 這 樣也就獲得了最大的電磁轉(zhuǎn)矩 a 4 b b a a b a 圖2 5 三相全控橋的六種通電情況示意圖 根據(jù)圖2 5 所示的 f b 全控橋的六種通電情況 總結(jié)出三相星形連接全 橋驅(qū)動(dòng)的通電規(guī)律如表2 1 所示1 表2 1三相星形連接全橋驅(qū)動(dòng)通電規(guī)律 通電順序 正轉(zhuǎn) 逆b l 宅 f 轉(zhuǎn)子位置 o 6 06 0 1 2 01 2 0 1 8 01 8 0 2 4 0 2 4 0 一3 0 0 3 0 0 3 6 0 電角度 開(kāi)關(guān)管 1 61 23 23 45 45 6 a 相正向通電正向通電不導(dǎo)通反向通電反向通電不導(dǎo)通 b 相 反向通電不導(dǎo)通正向通電正向通電不導(dǎo)通反向通電 c 相 不導(dǎo)通反向通電反向通電不導(dǎo)通正向通電正向通電 l o 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)何論文 2 3 無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型 電機(jī)常用的建立數(shù)學(xué)模型方法有d q o 坐標(biāo)變換法 頻域傅立葉分解法和 時(shí)域狀態(tài)方程法 無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng) 反電動(dòng)勢(shì)為梯形波 其中包含有 較多的高次諧波 都考慮將會(huì)非常繁瑣 但只考慮基波又會(huì)帶來(lái)較大誤差 因而不適合采用d q o 坐標(biāo)變換法和傅立葉分解法來(lái)建立模型 不過(guò) 直接建 立電機(jī)時(shí)域狀態(tài)方程和電機(jī)數(shù)學(xué)模型則非常方便 并且可以獲彳導(dǎo)比較準(zhǔn)確的 結(jié)果 以三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)為例 為了簡(jiǎn)化分析 在允許范圍內(nèi)作如下假 定 i 1 定子繞組星形連接 并且完全對(duì)稱 2 不考慮電樞反應(yīng) 氣隙磁場(chǎng)近似為梯形波 平頂寬度為1 2 0 電角 度 3 忽略齒槽效應(yīng) 4 忽略磁路飽和 5 電機(jī)參數(shù)恒定 6 電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 電樞導(dǎo)體連續(xù)均勻分布在電樞表面上 不計(jì)渦流和磁滯損耗 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定 耋 蘭蘭 差 妻蘭鏨 丟 差 圣 c 2 一 蔞 三蘭蘭 差 三 上 p 三呈肘 丟 差 圣 c 2 3 2 3 2 轉(zhuǎn)矩方程 墊 盥 2 5 2 3 3 運(yùn)動(dòng)方程 等 t 一瓦一丑國(guó) 2 6 2 3 4 狀態(tài)方程 料而 1 f p 北o l 蚓 糾浯7 2 4 無(wú)刷直流電機(jī)機(jī)械特性及傳遞函數(shù) 哈爾濱工程大學(xué)碩七學(xué)位論文 速成正比 電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比 假定無(wú)刷直流電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行 首先定義反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù) k 二 2 一l o 口 玎 坼 孕 2 1 1 z 對(duì)于特定的電動(dòng)機(jī) 它們均為常數(shù) 系數(shù)的大小同主回路的接法 如三 相半控 三相全控 以及功率晶體管的換相方式 如兩兩換相 三三換相 都有關(guān)系 前面已經(jīng)假定各相繞組對(duì)稱 相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)忽略不計(jì) 這樣 得到無(wú) 刷直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程為 u 一 u e 打 2 1 2 將 2 1 0 和 2 11 帶入 2 1 2 整理后 得到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性 方程為 u hun 一 三一1 z 2 一1 3 l 么一上j k k p k r 式中 n 一電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 r m i n u 電源電壓 v u 一功率管管壓降 v 疋 一一 電動(dòng)勢(shì)系數(shù) z 一一 電磁轉(zhuǎn)矩平均值 n m k 轉(zhuǎn)矩系數(shù) 一 電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻 q 由公式 2 1 3 可知 無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性方程同一般他勵(lì)方式有 刷直流電機(jī)的機(jī)械方程在形式上完全一致 只不過(guò)是其中的轉(zhuǎn)矩和反電動(dòng)勢(shì) 采用平均值的概念 這是由于無(wú)刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大 在以上假定條件不變的情況下 無(wú)刷直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性可描述為 u 一 u e i r z 耳i 等等 1 4 e x o 式中 瓦一一負(fù)載轉(zhuǎn)矩 n m g d 2 轉(zhuǎn)子飛輪力矩 n i l l g d 2 4 9 j 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 經(jīng)拉氏變換后 得到 哈爾濱 二稗大學(xué)碩十學(xué)位論文 u s 一a u s p s i f s t o s k r i s 黔馳 等似j 1 5 e s 疋甩 j 根據(jù)方程組 2 1 5 求出無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 如圖2 6 所示 死似 圖2 6 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)為 礦礦 玎 s 土u j 一旦乃 2 1 6 一 1 jl r s 式中 五一一電動(dòng)勢(shì)傳遞系數(shù) k 1 k 丘一一 轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù) 砭 l 疋硨 t 電磁時(shí)間常數(shù) z r g d 2 3 7 5 k o k 2 5 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速策略 通過(guò)分析無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 可以看出 無(wú)刷直流電機(jī)機(jī)械特性 方程同一般有刷直流電機(jī)機(jī)械特性方程在形式上完全一致 因此無(wú)刷直流電 機(jī)的調(diào)速方法和有刷直流電機(jī)調(diào)速方法也類似 一般有刷直流電機(jī)調(diào)速方法 包括 弱磁調(diào)速 電樞串電阻調(diào)速 改變電樞端電壓調(diào)速n 由于無(wú)刷直流 電動(dòng)機(jī)通過(guò)永磁鐵勵(lì)磁 所以只能通過(guò)改變電樞回路電阻或調(diào)節(jié)電樞端電壓 的方法來(lái)進(jìn)行調(diào)速 改變電樞回路電阻調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單 調(diào)節(jié)方便 但這種方法 在調(diào)速過(guò)程中轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng) 而且只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速 調(diào)速平滑性差 機(jī)械特性軟 并且要在調(diào)速電阻上消耗能量 效率也低 所以這種方法只能 用在調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合 改變電樞端電壓調(diào)速方法主要是從額定電壓 向下降低電樞端電壓 從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速 這種方法屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 它的主要優(yōu)點(diǎn)是 降壓調(diào)速機(jī)械特性曲線是與固有機(jī)械特性曲線平行的一簇 直線 無(wú)論滿載 輕載或者空載 都有明顯的調(diào)速效果 降壓調(diào)速機(jī)械特性 1 4 哈爾濱 程大學(xué)碩士學(xué)何論文 i m l i t i i i 置 曲線硬度不變 與固有機(jī)械特性曲線硬度相同 電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí) 負(fù)載擾 動(dòng)所引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)不是很大 穩(wěn)定性也比較好 調(diào)速范圍也比較廣 可以 通過(guò)平滑地改變電樞兩端電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速 并且這種方法在調(diào)速過(guò)程中 能量損耗比較小 調(diào)速效率高 因此它被廣泛應(yīng)用在對(duì)啟 制動(dòng)和調(diào)速性能 要求較高的場(chǎng)合 這種方法的缺點(diǎn)是所需的可調(diào)壓電源設(shè)備投資較高 調(diào)節(jié)電樞端電壓需要有專門(mén)的可控直流電源 本文選用的是脈寬調(diào)制 p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n 簡(jiǎn)稱p n 變換器 通過(guò)脈寬調(diào)拳4 變換器進(jìn)行 調(diào)制的方法又稱為p w m 調(diào)制方法 它的原理是用恒定直流電源或不可控整流 電源供電 對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行通斷控制 從而將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上 通過(guò)改變開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間來(lái)改變負(fù)載上直流電壓的平均值 將固 定電壓的直流電源變成電壓平均值可調(diào)的直流電源 構(gòu)成脈寬調(diào)制變換器 的開(kāi)關(guān)器件過(guò)去用的較多的是普通晶閘管 它本身沒(méi)有自關(guān)斷能力 因此限 制了脈寬調(diào)制變換器的性能 目前脈寬調(diào)制變換器大都采用全控型器件 比 如功率晶體管 g t r 可關(guān)斷晶閘管 g t o 功率場(chǎng)效應(yīng)管 p m o s f e t 絕 緣柵雙極晶體管 i g b t 等 采用全控型器件的p w m 調(diào)速系統(tǒng) 其脈寬調(diào)制 電路的開(kāi)關(guān)頻率可高達(dá)2 0 k h z 以上 因此系統(tǒng)的頻帶寬 響應(yīng)速度快 動(dòng)態(tài) 抗擾能力強(qiáng) 本文就采用了這種調(diào)速方法 圖2 7 三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制框圖 圖2 7 為 h 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制框圖 從圖中可以看出 該系統(tǒng)是一個(gè)典型轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 在速度環(huán)中 通過(guò)霍爾位置 傳感器可以檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置 d s p 根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)間接計(jì)算出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 反饋到轉(zhuǎn)速給定端 給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速形成偏差 這個(gè)偏差經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 器后產(chǎn)生參考電流 同時(shí) 霍爾位置傳感器輸出的位置信號(hào)還直接用于無(wú)刷 直流電機(jī)的換相控制 在電流環(huán)中 實(shí)際電流是通過(guò)檢測(cè)采樣電阻r 上的壓 降間接測(cè)量得出的 參考電流與實(shí)際電流形成的偏差經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器后形成 p w m 占空比控制量 控制功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷 實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī) 的速度控制 2 6 本章小結(jié) 本章詳細(xì)分析了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本組成 各組成部分的特點(diǎn)和功能 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 并且以三相星形繞組全橋驅(qū)動(dòng)1 2 0 方式為例 分析了無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子主 磁場(chǎng) 相電流波形和反電動(dòng)勢(shì)的波形 闡述了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 給出了六支功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通規(guī)律 本章還建立了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模 型 得出了無(wú)刷直流電機(jī)電壓方程 轉(zhuǎn)矩方程 運(yùn)動(dòng)方程 狀態(tài)方程 并且 分析了無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性和傳遞函數(shù) 最后確定了無(wú)刷直流電機(jī)的控 制策略和調(diào)速方法 采用p w m 調(diào)制方法 通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)電樞端電壓的方法來(lái) 實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制 哈爾濱工稃大學(xué)碩十學(xué)位論文 第3 章自適應(yīng)模糊p id 控制器設(shè)計(jì) 3 1 模糊控制基本理論 在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的 最主要關(guān)鍵 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì) 則越能達(dá)到精確控制的目的 然而 對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng) 由于變量太多 往往難以正確的描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 于是工 程師便利用各種方法來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài) 以達(dá)成控制的目的 但卻不盡理想 換言之 傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力 但對(duì)于過(guò)于 復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng) 則顯得無(wú)能為力了 因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué) 來(lái)處理這些控制問(wèn)題n 自從l a z a d e h 發(fā)展出模糊數(shù)學(xué)之后 對(duì)于不明確系統(tǒng)的控制有極 大的貢獻(xiàn) 自七十年代以后 便有一些實(shí)用的模糊控制器相繼的完成 使得我們?cè)诳刂祁I(lǐng)域中又向前邁進(jìn)了一大步 下面將對(duì)模糊控制理論做 簡(jiǎn)單介紹 圖3 1 模糊邏輯系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖 圖3 1 為一般模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 此框圖包含了四個(gè)主要部 分 即 模糊化 控制規(guī)則 模糊推理及模糊判決 下面將就每一部分 做詳細(xì)地說(shuō)明 3 1 1 模糊化 模糊化是將測(cè)量值以適當(dāng)?shù)谋壤D(zhuǎn)換到論域的數(shù)值 即模糊變量 值 并且利用自然語(yǔ)言形式來(lái)描述測(cè)量物理量的過(guò)程 依適合的自然語(yǔ) 言值 i i n g u i s i t cv a l u e 求該值相對(duì)之隸屬度 此自然語(yǔ)言變量我們 稱之為模糊子集合 f u z z ys u b s e t s 模糊變量值通常劃分為3 級(jí)以上 比如7 級(jí)劃分的情況是 負(fù)大 n b 負(fù)中 麟 負(fù)小 n s 零 0 正小 p s 正中 蹦 正大 p b 如果 劃分的級(jí)數(shù)更多 可以在負(fù)中左右加上 負(fù)中大 和 負(fù)中小 等 若從7 級(jí)中去掉負(fù)中 n m 和正中 p m 就是5 級(jí) 若將5 級(jí)劃分中間的零 o 改 為正零 n o 和負(fù)零 p o 就是6 級(jí)洶 只有使用這些模糊變量的賦值詞 集 合 作為輸入量 才能進(jìn)行模糊邏輯推理 哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)何論文 3 1 2 模糊控制規(guī)則 模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心 規(guī)則的正確與否直接影響控制器的 性能 而規(guī)則數(shù)目的多寡也是一個(gè)重要因素 模糊控制規(guī)則的取得方式 專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí) 操作員的操作模式 學(xué) 習(xí) 專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí) 操作員的操作模式可整理為i f t h e n 的型式 構(gòu)成 一組控制規(guī)則 模糊控制規(guī)則的型式主要可分為兩種 1 狀態(tài)評(píng)估模糊控制規(guī)則 狀態(tài)評(píng)估 s t a t ee v a l u a t i o n 模糊控制規(guī)則為類似人類的直覺(jué)思考 所以大多數(shù)的模糊控制器都使用這種模糊控制規(guī)則 其型式如下 r i i fx l i sa i l a n dx 2i sa i 2 a n dx r li sa i nt h e nyi sc i 其中x 1 x 2 x n 及y 為語(yǔ)言變量或稱為模糊變量 代表系統(tǒng)的狀態(tài)變量 和控制變量 a i1 a i 2 a i n 及c i 為語(yǔ)言值 代表論域中的模糊集合 其 次還有另一種表示法 是將后件部改為系統(tǒng)狀態(tài)變量的函數(shù) 其型式如下 r i i fx 1 i sa i l a n dx ni sa i nt h e ny f l x l x 2 x n 2 目標(biāo)評(píng)估模糊控制規(guī)則 目標(biāo)評(píng)估 o b j e c te v a l u a t i o n 模糊控制規(guī)則能夠評(píng)估控制目標(biāo) 并且 預(yù)測(cè)未來(lái)控制信號(hào) 其型式如下 r i i f ui sc i 一 xi sa 1a n dyi sb 1 t h e nui sc i 3 1 3 模糊推理 模糊推理就是依據(jù)模糊控制規(guī)則 由測(cè)量值的模糊集得出控制量的模糊 集 模糊控制理論發(fā)展至今 模糊推理的方法大致可分為三種 第一種推理 法是依據(jù)模糊關(guān)系的合成法則 第二種推理法是依據(jù)模糊邏輯的推論法簡(jiǎn)化 而成 第三種推理法和第一種相類似 只是其后件部分改由一般的線性式組 成的 模糊推論大都采三段論法 可表示如下 條件命題 i fxi sat h e nyi sb 事實(shí) xi sa 結(jié)論 yi sb 表示法中的條件命題相當(dāng)于模糊控制中的模糊控制規(guī)則 前件部和后件 部的關(guān)系 可以用模糊關(guān)系式來(lái)表達(dá) 至于推論演算 則是將模糊關(guān)系和模 糊集合a 進(jìn)行合成演算 得到模糊集合b 推論算法可以下式表示 b a r 3 1 4 模糊判決 模糊判決就是在實(shí)行模糊控制時(shí) 依據(jù)控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理演算 然