無刷直流電機驅動控制系統(tǒng)的研制_圖文

1、廣東工業(yè)大學碩士學位論文無刷直流電機驅動控制系統(tǒng)的研制 姓名:盧小錦申請學位級別:碩士專業(yè):控制理論與控制工程 指導教師:曾岳南20090501摘要摘要無刷直流電動機是現(xiàn)代工業(yè)設備中重要的運動部件,保留了有刷直 流電動機寬闊而平滑的優(yōu)良調速性能,同時又克服了有刷直流電動機機 械換向帶來的一系列的缺點,在各個領域中得到廣泛應用。本論文闡述了無刷直流電動機的系統(tǒng)構成和工作原理,分析了無刷 直流電動機的數(shù)學模型、等效電路、傳遞函數(shù)以及調速原理。采用轉速 電流雙閉環(huán)控制與H PWM.L ON的脈寬調制方法驅動控制無刷直流電 機,并在MATLAB/Simulink平臺上進行了計算機仿真。仿真結果表明,

2、控制系統(tǒng)有較好的動靜態(tài)特性。論文還分析了經典PID控制和模糊控制 各自的優(yōu)缺點,并介紹了結合二者優(yōu)點的模糊自適應PID控制的優(yōu)點。 在MATLAB/Simulink平臺進行了基于模糊自適應PID控制器的無刷直 流電機控制系統(tǒng)的計算機建模仿真。與采用經典PID控制器的控制系統(tǒng) 相比,采用模糊自適應PID控制器的控制系統(tǒng)的動靜態(tài)特性都得到改善。 本論文設計了無刷直流電機控制系統(tǒng)的硬件,包括控制單元、功率 變換單元,并進行了電磁兼容性設計?？刂茊卧訲I的TMS320F2812 DSP控制器為核心,設計了位置傳感器接口電路、人機界面電路、電平 轉換電路、電流采樣電路以及采樣調理電路等。功率變換單元以

3、三菱的 IPM PS21563.P為核心,設計了整流電路、逆變電路、能耗制動電路以 及多項保護電路。設計了基于TMS320F2812DSP控制器的速度電流雙 閉環(huán)電機驅動控制程序、位置檢測程序、電流采樣程序、人機界面程序 以及各項安全保護程序等。在對硬件部分和軟件部分進行調試后,對控制系統(tǒng)進行了實驗,通 過實驗波形,檢驗了控制系統(tǒng)的工作性能。本文最后對整個系統(tǒng)的設計 進行了總結,并對本系統(tǒng)存在的問題和后續(xù)的研究工作提出了自己的看 法看法。關鍵詞:BLDC;DSP;MATLAB/Simulink;模糊自適應PID廣東工業(yè)大學碩士學位論文ABSTRACTBrushless DC Motor(BLD

4、Cis an important moving part of modern industry equipments.BLDC retains the performance of broad and smooth speed control,at thesame time BLDC overcomes a series of disadvantages brought by the Brush DCMotor mechanical commutator.Therefore,BLDC is widely used in various fields.In this paper,the syst

5、em composition and working principle of BLDC is expanded.The mathematical model,equivalent circuit and transfer function of BLDC is derived.The speed control principle of BLDC is analyzed.Speed、current closedloop control and the method of pulse width modulation H PWM.L ON are used to drive BLDC.All

6、these have been simulated on the computer with MATLAB/Simulink platforms.And the result of simulation shows that the static and dynamic characteristics of the contro l system are good.In this paper,the respective advantages and disadvantages of classic PIDcontrol and fuzzy control are analyzed.The a

7、dvantages of fuzzy adaptive PID control which combines the advantages of classic PID control and fuzzy control are introduced.The control system of BLDC which based on fuzzy adaptive PID controller has been simulated on the computer with MATLAB/Simulink platforms.Compared with control system based o

8、n classic PID control,the static and dynamic characteristics of the control system based on fuzzy self-adaptive PID control are improved.In this paper,the devices of the control system of BLDC are designed, including control unit,power conversion unit.And the electromagnetic compatibility is designe

9、d.The control unit uses TMS320F2812DSP from TI as the core.The position sensor interface circuit,man-machine interface circuit,level-shifting circuit,the current sampling circuit and sampling circuit are designed for the control unit.The power conversion unit uses ABSTRACTIPM PS21563.P from Mitsubis

10、hi as the core.The rectifier circuit,inverter circuit,power consumption and a number of brake circuit protection circuits are designed for the power conversion unit.Themotor drive control procedures based onTMS320F2812DSP controller,position testing procedures,current sampling procedures,humanmachin

11、e interface and security procedures are designed.The control system is tested after debugging the hardware and software. Through experiment waveform,the performance o f the contro l system is verified.AT the end,the design of the system is summarized.And put forward the opinion on the existing probl

12、ems of the system and further studies.Key words:BLDC,DSP,MATLAB/Simulink,Fuzzy Adaptive PIDIII廣東1=業(yè)大學碩士學位論文獨創(chuàng)性聲明秉承學校嚴謹?shù)膶W風與優(yōu)良的科學道德,本人聲明所呈交的論文是 我個人在導師的指導下進行的研究工作及取得的研究成果,盡我所知, 除了文中特別加以標注和致謝的地方外,論文中不包含其他人已經發(fā)表 或撰寫過的研究成果,不包含本人或其他用途使用過的成果。與我一同 工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明,并 表示了謝意。本學位論文成果是本人在廣東工業(yè)大學讀書期間在導師

13、的指導下取 得的,論文成果歸廣東工業(yè)大學所有。申請學位論文與資料若有不實之處,本人承擔一切相關責任,特此 聲明。論文作者簽字:指導教師簽字: p礙 詠牽砷年多月眵日第一章緒論第一章緒論1.1課題研究的背景及意義無刷直流電動機是一種新型直流電機,它是現(xiàn)代工業(yè)設備中重要的 運動部件。無刷直流電動機用一套電子換向裝置代替了有刷直流電動機 的機械換向裝置,既保留了有刷直流電動機寬闊而平滑的優(yōu)良調速性能, 又克服了有刷直流電動機機械換向帶來的一系列的缺點。因此,在各個 領域中得到廣泛應用¨一J.,”。早在1917年就有人提出用整流管代替機械電刷換相裝置,但由于當 時電力電子器件僅處于初級發(fā)展時

14、期,使得直流無刷電機只能處于實驗 室研究階段。隨著晶體管的研制成功,1955年美國哈里森等人首次申請 了用晶體管換相線路代替有刷直流電動機機械電刷的專利,這標志著無 刷直流電動機的誕生。但這種電機的一個致命的弱點就是沒有啟動轉矩 協(xié)釓”,其次由于信號電勢的前沿陡度不大,晶體管的功耗大,因此不能產 品化。經過多年的努力,人們找到了用位置傳感器和電子換相電路代替 機械電刷換相裝置。隨后,包括磁電耦合式和光電耦合式的位置傳感器 在內的各種傳感器相繼問世,1962年美國人霍爾試制成功了借助霍爾元 件實現(xiàn)換相的永磁無刷直流電動機,開創(chuàng)了永磁無刷電動機產品化的新 紀元。自從無刷直流電動機誕生以來,人們把它

15、應用于各個領域,從而 使其獲得了快速發(fā)展。1978年西德的MANNESMANN公司正式推出MAC經 典無刷直流電動機及其驅動器,上世紀80年代國際上先后研制成方波無 刷電機和正弦波無刷電機。此外,由于上世紀70年代以來,電力電子工 業(yè)得到了飛速的發(fā)展,許多新型的高性能半導體開關器件,如GTO、 MOSFET、IGBT等的相繼出現(xiàn),以及高性能的永磁材料釤鈷、釹鐵硼等問 世,均為無刷電動機的廣泛應用奠定了堅實的基礎。如今無刷電動機集 特種電機、檢測元件、控制軟件與硬件于一體,體現(xiàn)著當今應用科學的 許多最新成果,是機電一體化的高技術產物。在計算機軟硬盤驅動器、 光盤驅動器、激光打印機、攝像機、錄像機

16、以及化工、采礦、航天航空、廣東工業(yè)大學碩士學位論文機器人等領域有著廣闊的應用前景¨,。目前,無刷直流電動機的轉速、電流控制多采用傳統(tǒng)的PID控制。 PID控制器是經典控制理論應用中最成功的代表,但并非是萬能的控制 器。因為經典控制理論研究的是線性時不變的控制問題,然而實際控制 系統(tǒng)多少含有非線性。另外,實際的控制系統(tǒng)中被控對象的參數(shù)也會或 多或少的變化,或者存在系統(tǒng)的數(shù)學模型難以建立等問題。所以,用經 典控制理論設計的PID控制器有時難免會使控制系統(tǒng)不能滿足性能指標 要求。PID控制中還有一個關鍵的問題就是PID參數(shù)的整定,傳統(tǒng)的整 定方法是在獲得被控對象的數(shù)學模型的基礎上按照某種整

17、定原則來進行 PID參數(shù)的整定。而實際的工業(yè)生產過程往往具有非線性、時變不確定 性,難以建立精確的數(shù)學模型,應用常規(guī)的PID控制不能達到理想的控 制效果。另外,在實際生產現(xiàn)場中,PID參數(shù)整定與自整定的方法很多, 但往往難以實施或效果不理想,常規(guī)PID控制器參數(shù)常常整定不良、性 能欠佳,變化適應性較差n”。自查得(Zadeh提出模糊集合理論和模糊推理規(guī)則后,模糊邏輯控制 已被成功地用于許多控制系統(tǒng)。在實踐應用中,模糊控制器是易于控制、 易于掌握的較理想的非線性控制器,是一種語言控制器,不依賴被控對 象的精確數(shù)學模型,可以用于控制那些系統(tǒng)模型無法確定的系統(tǒng)?？垢?擾能力強,響應速度快,對系統(tǒng)參數(shù)

18、的變化有較強的魯棒性。但模糊控 制本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差,難以達到較高的控制精度n o,”1。 將傳統(tǒng)PID算法與模糊算法復合,取長補短,將能大大提高控制系 統(tǒng)的各種性能指標。目前,各類用于電機控制的高性能的單片機及數(shù)字信號處理器(DSP 的功能越來越豐富,運算速度也有了質的飛躍,而且價格越來越低廉。 美國TI公司出品的DSP芯片被廣泛應用于運動控制系統(tǒng),其內部具有 電機控制單元,功能強大,其中C28x系列時鐘頻率達150MHz,可以實 現(xiàn)性能優(yōu)良的復雜控制算法。為實現(xiàn)高品質的無刷直流電動機控制系統(tǒng) 提供了有力保障n2,”,?；贒SP的無刷直流電機控制系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實意義和

19、 廣闊的發(fā)展前景¨¨“”,。2第一章緒論1.2無刷直流電機控制技術的研究熱點無刷直流電機由于調速性能好、效率高、體積小、重量輕,得到廣 泛的應用。國內外專家學者對無刷直流電機控制技術進行了大量的研究 工作。目前,無刷直流電機控制系統(tǒng)的研究熱點歸納如下:1.無位置傳感器的轉子位置檢測和估算 由于無刷直流電機用電 子換相裝置取代了物理電刷,所以精確控制無刷直流電機轉速的一個關 鍵因素是正確定位轉子位置。目前,無位置傳感器的無刷直流電機驅動 方案正成為一個研究熱點。較為成熟的無位置傳感器位置信號檢測方法 主要有4種:反電動勢法n¨¨¨¨“、

20、續(xù)流二極管法心”、電感法托3,和狀態(tài)觀 測法旺“。其中最常見和應用最廣泛的有一種是反電動勢法。但是這種方 法的基本原理是建立在忽略電樞反應影響的前提下的,這在原理上就存 在一定誤差。尤其是對于大功率無刷直流電機,電樞反應對氣隙合成磁 場的影響更明顯,使得反電動勢過零點與總的感生電動勢過零點不重合, 誤差更大,導致檢測出的轉子位置誤差增大。當電機靜止或轉速較低的 時候,反電動勢為零或很小,很難通過反電動勢過零點檢測來得到正確 的位置信號,電機起動困難,帶負載起動能力差,調速范圍較有位置傳 感器的方案小。因此,研究如何在無位置傳感器無刷直流電機控制系統(tǒng) 中更精確地檢測轉子位置信號就成為十分重要的課

21、題。2.應用直接轉矩控制 轉矩波動是無刷直流電機控制有待改進的 一個重要方面。直接轉矩控制是根據(jù)給定的電磁轉矩指令與電機的實際 電磁轉矩觀測值相比較得到轉矩誤差,確定轉矩的調節(jié)方向,然后根據(jù) 定子磁鏈的大小與相位角確定選擇合適的定子電壓空間矢量,從而確定 三相電壓源逆變器的開關狀態(tài),使交流電機的電磁轉矩快速跟蹤外部給 定的電磁轉矩指令值。2005年,國外有研究人員首次提出嘗試將直接轉 矩控制算法引入無刷直流電機驅動控制應用上。近兩年我國的工程研究 人員也著手進行這方面的應用研究,以求精確控制無刷直流電機的電磁 轉矩心釘。3.先進控制算法的研究 普通PID控制只適合于可以用固定的數(shù) 學模型所描述

22、的控制系統(tǒng),當系統(tǒng)中存在未知或變化的動態(tài)量時,這種3廣東工業(yè)大學碩士學位論文控制方式就不能取得很好的效果,當系統(tǒng)的參數(shù)變化過大時,控制系統(tǒng) 甚至會不穩(wěn)定。由于無刷直流電機是一個非線性、多變量、強耦合的系 統(tǒng),應用經典PID控制難以達到較高的控制要求。所以研究人員開始運 用智能控制理論設計無刷直流電機控制系統(tǒng)心”,目前發(fā)展比較成熟的智 能控制策略大都是將模糊控制結合經典PID控制心”、神經網(wǎng)絡控制心”、 自適應控制他”、遺傳算法陽們等。下面就主要的幾種控制策略作簡單介紹。 模糊控制和PID相結合的FUZZY-PID控制:如何在較寬的調速范圍 內提高電流調節(jié)特性及減小力矩波動一直是交流伺服系統(tǒng)研究

23、的焦點。 對于速度閉環(huán),速度調節(jié)器大部分采用數(shù)字PID調節(jié)器,只不過有些系 統(tǒng)對其進行了一定程度的改進,如變系數(shù)等。這對多變量、非線性、強 耦合的交流伺服系統(tǒng)來說有局限性。模糊控制一直是近年來研究的熱點, 它不依賴于被研究對象精確的數(shù)學模型,對系統(tǒng)動態(tài)響應有較好的魯棒 性,但難以消除調節(jié)終了時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,而模糊控制和PID相結合 的控制方法可很好地解決這一不足,若將兩者結合起來則系統(tǒng)同時兼有 兩種方法的雙重優(yōu)點¨”。FUZZY-PID復合控制有三種方案¨23釘:(1模糊控制器用來修正PID 控制器的主要參數(shù),在動態(tài)過程中,應用模糊推理改變算法的參數(shù),以 得到最快上升時間

24、而不出現(xiàn)輸出超調;(2模糊控制器和PID控制器串接, 模糊控制輸出經PID算法后作為對象的控制輸入,在跟蹤初始階段偏差 較大,模糊輸出大,控制輸入大,響應加快;當偏差減小時,模糊輸出 變小,使跟蹤不出現(xiàn)超調;(3模糊控制器和PID控制器并接,偏差較大 時模糊控制起作用,達到加速過度過程的目的;偏差較小時,PI起作用, 保證穩(wěn)態(tài)控制精度。神經網(wǎng)絡和模糊控制相結合的復合控制¨.,35.神經網(wǎng)絡即具有非線性 映射的能力,可逼近任何線性和非線性模型,又具有自學習、自收斂性。 神經網(wǎng)絡控制即可用于線性對象,也可用于非線性對象,對被控對象無 須精確建模,對參數(shù)變化有較強的魯棒性。神經網(wǎng)絡一般和模

25、糊控制相 結合,通常有兩種結合方式:一種是在大誤差范圍內采用模糊控制器來 改善性能提高快速性,同時在小誤差范圍內采用神經網(wǎng)絡控制器達到精 確定位的目的;另一種是利用神經網(wǎng)絡來實現(xiàn)模糊控制規(guī)則的映射。模 4第一章緒論糊控制利用人腦的直覺經驗推理出一系列控制規(guī)則,無須對被控對象精 確建模,對伺服系統(tǒng)存在的未知因素和參數(shù)漂移不敏感,只是定位精度 不高,易發(fā)生超調和振蕩,但在誤差大范圍內收斂速度比神經網(wǎng)絡控制 器快。經實驗驗證,采用這種結合方式的伺服系統(tǒng)定位精度高、無超調。 遺傳算法和模糊控制的結合¨¨7,:近年來,遺傳算法受到了國內外的 重視,成為研究的熱點之一。遺傳算法是能得到

26、全局最優(yōu)解、算法簡單、 可并行處理等優(yōu)點。而模糊控制具有一些局限性,由于模糊控制器的設 計參數(shù)很多(模糊控制規(guī)則及規(guī)則可信度、輸入/輸出的比例因子、輸入 輸出變量各模糊子集的隸屬度函數(shù)以及模糊控制器本身的非線性等原 因,至今仍缺乏有效通用的模糊控制器設計和調整方法,而只能依靠設 計者的經驗和反復調試。最近出現(xiàn)了一些用遺傳算法優(yōu)化模糊控制設計 參數(shù)的研究成果。若這一思想應用于交流伺服系統(tǒng),即把用遺傳算法優(yōu) 化隸屬度參數(shù)的模糊控制器應用于無刷直流電動機交流伺服系統(tǒng),從理 論上來說,是完全切實可行的。4. 正弦波驅動方式 與方波驅動方式相比正弦波驅動方式下無刷 直流電動機運行更平穩(wěn),低振蕩,低噪聲。

27、但是由于其要求配備高分辨 率的位置傳感器,成本較高,以前僅在一些要求較高的伺服系統(tǒng)使用。 近年,無傳感器、簡易位置傳感器正弦波換相控制技術的出現(xiàn)將大大促 進無刷直流電動機控制正弦化趨勢的形成。在國外已經有公司生產出三 相無刷直流電動機正弦波控制的專用芯片n”。1.3課題研究的工作內容本課題的主要研究內容包括簡述無刷直流電動機控制系統(tǒng)的計算機 仿真模型并對控制策略進行仿真驗證;研制無刷直流電動機控制系統(tǒng)的 硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng);進行模糊自適應PI控制算法在無刷直流電機控制 系統(tǒng)中應用的仿真研究。本文用六個章節(jié)系統(tǒng)地闡述了本課題的研究工作,如下所述:1.第一章說明課題研究背景,課題開展的意義以及無刷

28、直流電機控 制技術的研究熱點。5廣東工業(yè)大學碩士學位論文2.第二章闡述了無刷直流電動機的基本結構、數(shù)學模型及其基本工 作原理,制定無刷直流電動機控制系統(tǒng)的控制策略并在計算機上利用 MATLAB建模仿真。簡述了模糊控制、傳統(tǒng)PID控制算法各自的優(yōu)缺點, 利用MATLAB仿真研究無刷直流電動機的模糊自適應PI控制。3.第三章介紹了硬件系統(tǒng)的設計,其中控制電路主要包括轉子位置 檢測電路、電流采樣電路、人機界面電路、電平轉換電路;驅動電路主 要包括整流電路、逆變電路、故障檢測電路、保護電路等。4.第四章介紹了軟件系統(tǒng)的設計,包括轉子位置檢、速度估算程序、 電流采樣程序、PI調解器算法程序,人機界面程序

29、以及系統(tǒng)保護程序。 5.第五章介紹了控制系統(tǒng)的運行試驗。給出了試驗波形。6第二章無刷直流電機控制系統(tǒng)設計第二章無刷直流電機控制系統(tǒng)設計2.1無刷直流電機的基本結構及其基本工作原理眾所周知,有刷直流電機具有旋轉的電樞和固定磁場,因此有刷直 流電機必須有一個滑動的接觸機構一電刷和換向器,通過它們把電流 饋給旋轉著的電樞。無刷直流電機具有旋轉的磁場和固定的電樞,結構 上其轉子和定子的位置與有刷直流電機相反。這樣,電子換相線路中的 功率開關器件,如晶閘管、晶體管、功率MOSFET或IGBT(絕緣柵雙 極型晶體管等可以直接與電樞繞組連接。在電機內,裝有一個轉子位 置傳感器,用來檢測轉子在運行過程中的位置

30、。它與電子換相線路一起, 代替了有刷直流電機的機械換相裝置。綜上所述,無刷直流電機由電機 本體、轉予位置傳感器和電子換相線路三大部分組成n”,如圖2.1。圖21無刷直流電動機組成框圖Fig 21Block diagram of BLDC1.電機本體 電機本體包括定子和轉子兩部分,定子繞組一般為多 相(二相、三相、四相、五相不等;轉子由永磁材料按照一定極對數(shù) (2p=2,4,組成,按照其結構分兩種:一種是將瓦片狀的永磁體貼在 轉子外表上,稱為凸極式;另一種是將永磁體嵌到轉子鐵心中,稱為嵌 入式。為了能產生梯形波感應電動勢,無刷直流電動機的轉子磁鋼的形 狀呈弧形(瓦片型,磁極下定轉子氣隙均勻,氣隙

31、磁場呈梯形分布。7廣東工業(yè)大學碩士學位論文2.轉子位置傳感器 位置傳感器在無刷直流電動機中起著檢測轉 子磁極位置的作用,安裝在定子線圈的相應位置上。當定子繞組的某一 相通電時,該電流與轉子磁極所產生的磁場互相作用而產生轉矩,驅動 轉子旋轉,再由位置傳感器將轉子磁極位置變換成電信號,去控制電子 換向線路,從而使定子各相繞組按一定次序通電,使定子相電流隨轉子 位置的變化按一定的次序換向,從而使電動機能夠連續(xù)工作。位置傳感器種類較多且各具特點,目前在無刷直流電動機中常用的 位置傳感器有以下幾種形式。(1電磁式位置傳感器 電磁式位置傳感器是利用電磁效應來實現(xiàn) 其位置測量作用的,有開口變壓器、鐵磁諧振電

32、路、接近開關等多種類 型。在無刷直流電動機中應用較多的是開口變壓器。電磁式位置傳感器 具有輸出信號大、工作可靠、壽命長、使用環(huán)境要求不高、適應性強、 結構簡單和緊湊等優(yōu)點。但這種傳感器信噪比較低,體積較大,同時其 輸出波形為交流,一般需整流、濾波后方可使用。(2光電式位置傳感器 這種傳感器是利用光電效應制成的,由跟 隨電動機轉子一起旋轉的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組 成。它性能較穩(wěn)定,但存在輸出信號信噪比較大、光源燈泡壽命短、使 用環(huán)境要求高等缺陷。(3磁敏式位置傳感器 這種傳感器是指它的某些電參數(shù)按一定規(guī) 律隨周圍磁場變化而變化的半導體敏感元件。其基本原理為霍爾效應和 磁阻效應。常

33、見的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻器 及磁敏二極管等多種。這種傳感器結構簡單、體積小、靈敏度高、壽命 長、成本低,但是輸出的電勢信號比較低,需要用外加電路將信號放大。 除上述三大類傳感器外,還有正余弦旋轉變壓器和編碼器等多種位 置傳感器。但是,這種元件成本較高、體積較大、所配線路復雜,因而 在一般無刷直流電動機中很少采用。此外,利用電動機定子繞組的反電 動勢作為轉子磁鋼的位置信號,該信號檢出后,經數(shù)字電路處理,并送, 給邏輯開關電路去控制無刷直流電動機的換相。由于它省去了位置傳感 器,使得無刷直流電動機的結構更加緊湊。3.電子開關電路 無刷直流電動機的工作離不開電子開關電路,直

34、8第二章無刷直流電機控制系統(tǒng)設計流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電。開關電路將位置傳感器檢 測到的轉子位置信號進行處理,按一定的邏輯代碼輸出,觸發(fā)功率開關, 從而自動地控制了一些繞組通電,一些繞組斷電,實現(xiàn)了電子換向。無刷直流電動機的電子開關電路主要由功率邏輯控制開關單元和位 置傳感器信號處理單元兩個部分組成。功率邏輯控制開關單元是控制電 路的核心,其作用是將電源的功率以一定邏輯關系分配給無刷直流電動 機定子上的各相繞組,以便使電動機產生持續(xù)不斷的轉矩。而各相繞組 導通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。早期的無刷直流電動機的開關電路大多由晶閘管組成,由于其關斷 要借助于反電動勢或

35、電流過零,而且晶閘管的開關頻率較低,使得逆變 器只能工作在較低頻率范圍內。隨著新型可關斷全控型器件的發(fā)展,在 中小功率的電動機中換向器多由功率MOSFET或IGBT構成,具有控制 容易、開關頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點。2.1。2無刷直流電機的基本工作原理電動新31瓶 s蜒 s哐 、 i 一 /廠 Dc一=C ,A相 B相一 Io“ 300V 一 >誕.、掰L s哐 夕堆 L /pwml.6倉 籽程l 驅動電路 I氣>、 電子控制電路 l控制f IL. 圖2.2無刷直流電動機控制系統(tǒng)的基本工作原理圖Fi92-2Working principle diagram of BLDC con

36、trol system普通直流電動機使用電刷換向,使得定子磁場在電機運行過程中始 終保持與電樞磁場垂直從而產生最大轉矩,使電機運轉。,無刷直流電動 機的運行原理和有刷直流電動機基本相同,即在一個具有恒定磁通密度 分布的磁極下,保證電樞繞組中通入的電流總量恒定,以產生恒定的轉 9廣東T業(yè)大學碩士學位論文矩,且轉矩只與電樞電流的大小有關。無刷直流電機的運行根據(jù)檢測出 的轉子位置信號,通過驅動電路驅動各功率開關管的導通與關斷,從而 控制定子繞組的通斷,在定子上產生旋轉磁場,拖動轉子旋轉。直流電動機電樞磁勢軸線與勵磁磁勢軸線互差90。電角度時,產生 的電磁轉矩最大。對于三相六狀態(tài)無刷直流電動機,只能控

37、制電樞磁勢 軸線與勵磁磁勢軸線間夾角盡量靠近90。電角度,即120。至60。電角 度之間。當轉子永磁體位于圖2.3(a所示位置時,轉子位置傳感器輸出 磁極位置信號,經過控制電路驅動逆變器,使功率開關管Sl、S4導通, 即繞組A、B相通電,A相進B相出,電樞繞組在空間的合成磁勢為Fa, 轉子磁勢為Ff,如圖2.3(a所示。此時兩磁勢軸線間夾角為120。電角 度,定轉子磁場相互作用拖動轉子順時針方向轉動。電流流通路徑為:電源正極一S 1管一A相繞組一B相繞組一s4管一電源負極。當轉子旋轉 過60。電角度,到達圖2.3(b中所示位置時,兩磁勢軸線間夾角為60。 電角度,此時位置傳感器輸出信號,經邏輯

38、變換后使開關管S4截止, S6導通,Sl仍導通。則繞組A相、C相通電,A進C出,電樞繞組在 空間合成磁場如圖2.3(c中Fa。此時定轉子磁勢軸線間夾角又恢復至120。電角度,在定轉子磁場相互作用下,使轉子繼續(xù)沿順時針方向轉動。 電流流通路徑為:電源正極一S1管一A相繞組一C相繞組一S6管一電源 負極,依此類推。當轉子繼續(xù)沿順時針每轉60。電角度時,功率開 關管的導通邏輯為￥6S3一S3S2一￥2S5一S5S4一S4S1一S1S6,則轉 子磁場始終受到定子合成磁場的作用并沿順時針方向連續(xù)轉動。10第二章無刷直流電機控制系統(tǒng)設計z>n BaS4S1導通b￥4S1導通 c￥6S1導通 圖2.3

39、無刷直流電機工作原理圖 Fi92-3Working principle diagram of BLDC 在圖2.3(a到(b的60。電角度范圍內,轉子磁場順時針連續(xù)轉動,而定子合成磁場在空間保持圖2.3(a中Fa的位置不動,只有當轉予磁場 轉過60。電角度到達圖2.3(b中Ff的位置時,定子合成磁場才從圖2.3(a 中Fa位置順時針躍變至圖2.3(c中Fa的位置。而后每換一次向,合成 磁勢矢量方向就轉過60。電角度。由此可以看出,星形三相六狀態(tài)兩相 導通方式所產生的合成磁勢不是一個連續(xù)的旋轉磁勢,而是一個跳躍式 的步進磁勢,每個步進角是60。電角度。當轉子每轉過60。電角度時, 逆變器開關管之

40、間就進行一次換流,定子磁狀態(tài)就改變一次。可見,電 機有6個磁狀態(tài),每一狀態(tài)都是兩相繞組導通,每相繞組中流過電流的 時間相當于轉子旋轉120。電角度,每個開關管的導通角也是120。,故 該逆變器為120。導通型。2.2無刷直流電機的數(shù)學模型由于無刷直流電動機的氣隙磁場、反電動勢以及電流是非正弦的,如果要精確的分析電機,需要涉及非線性理論、數(shù)值解法等復雜的問題, 因此做出以下假設來建立數(shù)學模型。(1電動機的氣隙磁感應強度在空間呈梯形(近似為方波分布。(2定子齒槽的影響忽略不計。(3電樞反應對氣隙磁通的影響忽略不計。(4忽略電機中的磁滯和渦流損耗。(5三相繞組完全對稱。姻蘋 姻譬 姻冪 建一x廣東工

41、業(yè)大學碩士學位論文三;=三蘭蘭差+籠筆爹P差+三;c2-,U口、6、IIc一一定子相繞組電壓。i。、ib、t一一定子相繞組電流;e。、%、ec一一定子相電動勢;三;=r三蘭蘭芝+孝一M三一M量一MP差+圣c2-3,圖2.4無刷直流電動機的等效電路Fi924Equivalent circuit ofBLDC無刷直流電動機的電磁轉矩方程與普通直流電動機相似,其電磁轉 矩大小與磁通和電流幅值成正比:. 疋:型立墊立絲 (2.4。 W式中:w為電動機轉子的角速度。為了產生恒定的電磁轉矩,要求 12第二章無刷直流電機控制系統(tǒng)設計在每半個周期內,方波電流的持續(xù)時間為l 20。.電角度,梯形波反電勢 的平頂

42、部分要在120。電角度以上,兩者應嚴格同步,理想情況下,任 何時刻定子繞組只有兩相導通,所以電磁轉矩可以變?yōu)?乏=2E。I冊/w (25 式中:厶為定子繞組各相反電勢的幅值;L為定子繞組各相電流的幅值。又因為無刷直流電動機的定子繞組各相反電動勢的幅值為:主磁通為:。:召I 2lrr (2.7 Pm于是有:巳=訾(Im"刀-K也刀(2-8式中:K。=NP。/60為電勢系數(shù),N為相繞組等效匝數(shù),p。為極對 數(shù),n為電機轉速。因此電磁轉矩表達式可化為:r:2E。,。/w:K。L竺 (2.9 由式(2.9可以看出,無刷直流電動機電磁轉矩大小與磁通和電流 幅值大小成正比,所以控制逆變器輸出方波

43、電流的幅值即可控制無刷直 流電動機的轉矩。再加上轉子運動方程:dw/dt=(r一乃一Bw/d (2-10 式中tZ為負載轉矩;B為粘滯阻尼系數(shù);J為轉子及負載的轉動慣量。這樣就構成了完整的三相無刷直流電動機的數(shù)學模型。無刷直流電動機的運行特性和傳統(tǒng)直流電動機基本相同,其動態(tài)特 性結構圖可以采用直流電動機通用的動態(tài)特性結構圖,如圖2.5所示。 13廣東工業(yè)大學碩士學位論文u(s+卜E(s圖2-5無刷直流電動機動態(tài)特性結構圖Fi92-5Dynamic characteristics structure ofBLDC由無刷直流電動機動態(tài)結構圖可求得其傳遞函數(shù)為:砸=志一去乃 (2.11 式子中:K為

44、電動勢傳遞系數(shù), K1=1/Ce,e為電動勢系數(shù);心為轉矩傳遞系數(shù),K:=R/CeCi,R為電動機內阻,C,為轉矩 系數(shù);乙為機電時間常數(shù),乙=RGD2/375CeCl,G為轉子重量,D為 轉子直徑。無刷直流電動機的調速方法:對于星形連接的三相無刷直流電動機,在理想條件下,任何時刻只 有兩相定子繞組通電。令加在兩相通電繞組上的平均電壓為:Ud=2E。-I-ImR=2K。刀+ImR (212 可以得到轉速為:刀:絲二生:墨 (2.13 肛前 u。" 式子中:瓦為電動機各相反電動勢。L為各相相電流;刀為無刷直流電動機轉速5R為回路等效電阻,包括電動機兩相電阻和管壓降的等效電阻。 .由式(

45、2.13P-Y知,無刷直流電動機的轉速調節(jié)可以通過改變外施平均 電壓來實現(xiàn)。調節(jié)電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電 源有三種:旋轉變流機組、靜止可控整流器、脈寬調制變換器。通過脈 14第二章無刷直流電機控制系統(tǒng)設計寬調制變換器進行調制的方法又稱為PWM調制方法。它是用恒定直流 電源或不可控整流電源供電,利用開關器件來實現(xiàn)通斷控制,將直流電 壓斷續(xù)加到負載上,通過通、斷電時間的變化來改變負載上直流電壓的 平均值,將固定直流電源變成平均值可調的直流電源。受到器件容量限 制,PWM直流調速只能用于中、小功率系統(tǒng)。本文所控電機為小功率電 動機,所以就采用PWM調制方法來控制電動機。2.3有

46、位置傳感器的直流無刷電動機控制策略為使電動機在起動階段能維持最大允許起動力矩,充分利用電動機 的過載能力獲得最快起動效果,并且系統(tǒng)可在穩(wěn)態(tài)條件下實現(xiàn)轉速無靜 差的理想效果(如圖2-6所示,本系統(tǒng)采用了是轉速、電流雙閉環(huán)控制策 略“”。f圖2.6調速系統(tǒng)起動過程中的理想電流、轉速的波形圖Fi92-6Ideal waveform of current and speed in the startingprocess of the speed control system電流和轉速調節(jié)器的作用分析如下:1.電流調節(jié)器的作用:(1啟動時,由于轉速調節(jié)器輸出飽和,電流調節(jié)器的輸入?yún)⒖紴殡?機允許的最大過

47、載電流,使電機以最大的加速度加速,實現(xiàn)了電動機的 快速啟動;(2當電流環(huán)所包含的通道上出現(xiàn)干擾時,電流調節(jié)器可快速產生調 節(jié)作用,使電流維持不變,消除干擾量對轉速產生影響。2.轉速調節(jié)器的作用:(1穩(wěn)定轉速,使轉速跟隨參考轉速變化,從而實現(xiàn)穩(wěn)定運行時無靜 15廣東工業(yè)大學碩士學位論文差:(2在負載變化(或各環(huán)節(jié)產生擾動使轉速出現(xiàn)偏差時,則可以依 靠轉速調節(jié)器的調節(jié)作用來消耗轉速偏差,保持轉速恒定。(3當電動機過載甚至堵轉時,由于轉速調節(jié)器的輸出飽和作用,對 電流參考量進行限幅,限制過大的電流,起到快速保護的作用。采用上述雙閉環(huán)策略,結合數(shù)字控制的特點,本文設計了無刷電機 數(shù)字運動控制系統(tǒng)總體結

48、構,如圖2.7所示。圖2.7控制系統(tǒng)總體方案Fi92-7Overall program of control system2.4無刷直流電動機控制系統(tǒng)的仿真根據(jù)前面介紹的無刷直流電動機的工作原理、數(shù)學模型以及系統(tǒng)控 制方案設計,下面運用Matlab/simulink建立無刷直流電動機的仿真模型。 本文所采用的仿真軟件是Matlab及Simulink工具箱。Matlab是由 Mathworks公司開發(fā)的當今很流行的科學計算軟件。現(xiàn)在的Matlab最新 版本由主包、Simulink以及功能各異的工具箱組成,以矩陣運算為基礎, 把計算、可視化、程序設計融合到了一個簡單易用的交互式上作環(huán)境中。 在這里

49、可以實現(xiàn)工程計算、算法研究、符號運算、建模和仿真、原型開 發(fā)、數(shù)據(jù)分析和可視化、科學和工程繪圖、應用程序設計(包括圖形用戶 界面設計等功能。Simulink是Matlab的一個用來進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析 的軟件包,它支持線性和非線性系統(tǒng)仿真,可以進行連續(xù)系統(tǒng)、離散系 統(tǒng)、混合系統(tǒng)的動態(tài)仿真。它具有模塊化、可封裝、面向結構圖編程及 可視化等特點,用戶可以方便定制和創(chuàng)建自己的模型、模塊,這樣可提 16第二章無刷直流電機控制系統(tǒng)設計高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。圖2-8無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真建模組成框圖Fi92-8Block diagram of simulation model of BL

50、DC control system如圖2.8所示,BLDC建模仿真系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案例:轉速 環(huán)由PI調節(jié)器構成,電流環(huán)同樣由PI調節(jié)器構成。根據(jù)模塊化建模的 思想,將圖中所示的控制系統(tǒng)分割為各個功能獨立的子模塊,圖2-9為 在Simulink下BLDC控制系統(tǒng)建模的整體框圖,其中主要包括:無刷 直流電機本體模塊、電流調節(jié)模塊、速度調節(jié)模塊、PWM生成模塊、電 壓逆變模塊、電流檢測模塊。通過這此功能模塊的有機整合,就可在 Matlab/Simnlink中搭建出BLDC控制系統(tǒng)的仿真模型,實現(xiàn)PID控制策 略仿真。1.BLDC本體模塊 電機本體模塊是整個仿真系統(tǒng)的核心,仿真中我 們使用MAT

51、LAB7.1自帶的無刷直流電動機模型(見圖210,可以在模型 的屬性框可配置電機的各種電氣參數(shù)。仿真中電機的參數(shù)配置如圖所示。17廣東I業(yè)大學壩七學位*文圖2-9無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真模型Fi929Simulation model of BLDC control systemFmm化“E宙宣蕾冒_v vch.ctt 。:-j -日t-., sr rf.口h,:E:0s+LH日53Fd一"Hn.ffd.:口?;盞簍=筍=!一圖2-10電機模塊參數(shù)配置Fi92一l 0Configuration parame'【ers of electrical module2.電流、速度調節(jié)模

52、塊 電流、速度調節(jié)器均采用PI調節(jié)器。 PI調節(jié)器的結構如圖211所示。對于電流調節(jié)器,輸入為參考電流 和檢測電流的差值,輸出為占空比。對于速度調節(jié)器輸入為參考轉速和 實際轉速的差值,輸出為參考電流的幅值。其中,PI調節(jié)器由比例環(huán)節(jié)、 積分環(huán)節(jié)和飽和限幅環(huán)節(jié)構成。庶卜1 I.一。廣t習 。 7匕1J 限幡 。圖2-11PI調節(jié)器內部結構圖Fi92-11Internal structure of PI regulator3.PWM波生成模塊 方案中采用了單斬式(HpwmLonPWM調制方 式。該調制方式對上橋臂功率管進行PWM調制,下橋臂功率管恒導通。 這種PWM調制方式通過對上橋臂進行PWM調

53、制,調節(jié)輸入電動機電壓的 大小。占空比a控制每個PWM波周期中,功率管開通與斷開的時間。同 時根據(jù)轉子位置檢測信號的狀態(tài)值控制功率管的導通和關斷的邏輯順 序。根據(jù)霍爾位置信號制定的導通邏輯表格表2-1,該模塊仿真模型如 圖2-12。表2-1開關管導通邏輯表Table21Logical table of switchingHalll Hall2Hall3S1S2S3S4S5S6 O l 0PWM OFF OFF ON OFF OFF 011PWM OFF OFF OFF OFF ON 001OFF OFF PWM OFF OFF ON 10l OFF ON PWM OFF OFF OFF l 0

54、0OFF ON OFF OFF PWM OFF l 10OFF OFF OFF ON PWM OFF 注:halll、hall2、hall3表示電機的三路霍爾位置信號。S1、S2、S3、S4、 S5、S6分別表示六只功率管,PWM表示該管進行PWM調制。ON表示該管導通,OFF 表示該管關斷。19廣東工業(yè)大學碩士學位論文Oonamt圖2.12PWM波生成模塊內部結構圖Fi92-12Internal structureof PWM wave generation module其中在模型中,根據(jù)轉子的絕對位置信號,使用M語言編寫了該導 通邏輯表,程序代碼如下:Log.mfunction Log=l

55、og(thetatheta=mod(mod(theta,360,72;if(theta>=O&(theta<12log=1O O O 0l】;elseif(theta>=12&(theta<24log=【O O 1O 0l】;elseif(theta>-24&(theta<36log=【0110O 0】;elseif(theta>=36&(theta<48log=【O 1O O 10】;elseif(theta>=48&(theta<60log=00011O】;elseif(theta>=

56、60&(theta<72log=1O 01O 0】;end第二章無刷直流電機控制系統(tǒng)設計4.電流檢測模塊 理想情況下,無刷直流電機處在兩相導通三相六 狀態(tài)模態(tài),每一時刻兩相導通,另外一相懸空。其三相電流與電角度對 應圖形如圖2-15。因此,可以通過對轉子的位置角來判斷電機的三相電 流導通情況從而決定對哪一相進行電流采樣。本模型中我們的電流采樣原則是對導通兩相中的電流值為正值的那 相進行電流采樣。例,當0:240。300。或0:300。360。,C 相為非換相相,且它的電流值為正值,此時可以檢測C相電流絕對值作 為電流反饋值,其它時刻的檢測值以此類推。相電流與電角度關系圖見 圖21

57、3,電流檢測模塊如圖214。J L流 llJ l流I lJ IiI流 Il l圖2.13相電流與電角度相位圖Fi9213Phasic diagram of phase current and electric degrees圖2.14電流檢測模塊Fi92-14Current sampl ing module21廣東I業(yè)大學碩±學位論文仿真中,BLDC參數(shù)設置為:定子相繞組電阻R=2875o,定子相 繞組自感L=0.0085L,轉動慣量J=O 008kg m2,額定轉速2000r/rain,極 對數(shù)p=5.500V直流電源供電。為了驗證所設計的BLDC控制系統(tǒng)仿真 模型的靜、動態(tài)性能,

58、系統(tǒng)空載起動,待進入穩(wěn)態(tài)后,在t-005s時突加 負載T=I 5Nm,可得到系統(tǒng)轉速、轉矩、A相電流和A相反電動勢、反 饋電流仿真曲線如下各圖所示。圖2.15轉速響應曲線Fi9215Speed response cutvg圖2.15為轉速響應曲線,由圖形可看出控制系統(tǒng)在對階躍輸入具有 較小超調,較小的調節(jié)時間。對突加擾動具有較快的反應速度,能迅速 調整回到設定值。圖2.16反饋電流曲線Fi92I 6Feedback correncurve圖2一16為反饋電流波形。反饋電流為電流環(huán)的反饋值,由于無刷直第=章無刷直流電機控制秉統(tǒng)設計流電機的相電流是交流電,但是電流參考值是直流量,所以反饋電流是 采樣所得的交