方波調速系統(tǒng)

1、實驗九 基于DSP的方波無刷直流電動機（BLDCM）調速系統(tǒng)一實驗目的1掌握方波無刷直流電動機（BLDCM）的組成、工作原理及性能特點。2熟悉DSP控制的（BLDCM）調速系統(tǒng)的組成及工作原理。3了解無轉子位置傳感器實現電動機轉子位置檢測的工作原理、特點與實現方法。4研究速度調節(jié)器采用不同控制方法（PID控制、FUZZY控制以及PID-FUZZY控制），對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性的影響；并研究速度調節(jié)器采用PID控制時參數變化對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的影響。5掌握方波無刷直流電動機調速系統(tǒng)的實驗研究方法，包括虛擬儀器的使用（注意無上位機時，實驗系統(tǒng)無虛擬儀器功能，有關虛擬儀器的取消）。二實驗內容1熟悉BLDC

2、M實驗系統(tǒng)的配置與結構，連接有關線路，組成BLDCM實驗系統(tǒng)。2在有與無轉子位置傳感器情況下，分別測量電機轉子位置信號，并對該兩種檢測方法進行優(yōu)缺點比較。3分別在有與無轉子位置傳感器情況下，研究電機的起動性能，并進行性能比較。4對功率晶體管基極驅動波形、電機定子線電壓波形、定子電流波形等進行測試。5對速度調節(jié)器采用不同控制方法的系統(tǒng)，進行穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性研究；并研究速度調節(jié)器控制參數改變對系統(tǒng)性能的影響。三實驗系統(tǒng)組成及工作原理永磁式同步電動機以其結構簡單、運行可靠，特別是具有其它電機所無法比擬的高效率而得到了人們越來越多的關注。永磁同步電動機可按工作原理、驅動電流和控制方式的不同，分為具有

3、正弦波反電勢的永磁同步電動機（PMSM）和具有方波（或梯形波）反電勢的永磁同步電動機，后者又稱為無刷直流電動機（BLDCM）?；贒SP的方波無刷直流電動機調速系統(tǒng)原理框圖如圖76所示。調速系統(tǒng)由稀土永磁方波電動機PM、電機轉子位置傳感器、轉速傳感器（光電編碼器，選件）、由功率管構成的逆變器IV以及以DSP（TMS320F240）為核心的數字控制器等構成。系統(tǒng)已配備與上位機通訊的接口和軟件，用戶選用上位機后，可以方便地在上位機人機界面上進行實驗操作、觀察和記錄實驗曲線。圖76 (a) 主電路（b）反電勢波形（c）轉子位置與繞組饋電的關系圖77 BLDCM的主電路、反電勢波形、轉子位置與繞組饋電

4、的關系系統(tǒng)也可工作在無轉子位置傳感器狀態(tài)，這時轉子位置可通過觀測器獲得，兩種工作狀態(tài)通過開關K切換。系統(tǒng)可以不選用光電編碼器，而利用轉子位置信號檢測電機的轉速。如果用戶選用光電編碼器，則一方面可以在電機無轉子位置傳感器情況下進行起動特性研究，另一方面則可以將現有系統(tǒng)擴展成高精度位置伺服系統(tǒng)。BLDCM系統(tǒng)中的逆變器（IV）工作在自控式變頻工作狀態(tài)，即它的輸出頻率控制不是獨立的，而是根據電機轉子的位置來決定，只有當轉子位置轉過一定角度后，逆變器中該導通的功率管才進行切換，使定子合成磁勢前進一步，以此循環(huán)。隨著電機轉速的上升，轉子轉過該角度的時間快了，逆變器功率管切換的頻率也高，使定子合成磁勢前進

5、的速度也快了，這樣，定子合成磁勢旋轉的速度與轉子的旋轉速度保持在同步狀態(tài)，從而不會造成失步，由此可見，轉子位置信號的檢測是不可缺少的。為了檢測轉子位置，可以用在電機上安裝轉子位置傳感器的方法，也可以用轉子位置觀測器的方法（電機上不安裝轉子位置傳感器）。實驗系統(tǒng)中，當工作在無位置傳感器時，使用的是“反電勢法”檢測轉子位置，它通過檢測定子繞組開路相的感應電勢過零點，來間接得到轉子的位置信號。系統(tǒng)主電路、反電勢波形以及轉子位置與繞組饋電的配合關系如圖77所示。在T0時刻，轉子d軸位于圖c）中D0位置，即轉子d軸超前定子繞組A軸的位置為，為產生最大平均電磁轉矩，逆變器功率管應為VG5、VG6導通，其余

6、均為關斷，即C、B相導通，A相不導通。繞組C、B相中電流流向是：從C端流入，Z端流出，又從Y端流入再從B端流出，如圖c)所示。這時，定子的合成磁勢為c）中所示，它與轉子磁勢的夾角為。設電磁轉矩使電機轉子按逆時針方向旋轉，在t0時轉子剛轉過，這時d軸與A軸重合，即，A相反電勢eA為零。若能測出這個反電勢過零時刻，并延遲周期的時間，即在T1時刻，轉子已轉到D1位置，且定子合成磁勢與轉子磁勢的夾角為，為保證繼續(xù)產生最大的平均電磁轉矩，逆變器功率管必須從VG5、VG6導通改變?yōu)閂G6、VG1導通。VG6、VG1導通后，定子合成磁勢向前轉過，從而使兩個磁勢的夾角又變成，這樣轉子繼續(xù)旋轉，逆變器功率管不斷

7、換流，使定、轉子兩個磁勢夾角始終在范圍內變化。根據對稱性，只要能夠測出各相繞組反電勢的過零時刻并做適當延遲，就可確定方波無刷直流電機的換流時序，保證電機運行在自同步方式。但是，繞組反電勢是難以直接檢測的，因此采用變通形式如“端電壓法”，以A相為例，如上所述，在T0T1期間，A相不導通，認為A相電壓UAn等于反電勢eA，那么端電壓為UAN=UAn+UnN=eA+ UnN，在T0時刻，eA=0，B、C兩相電流相反，并假設其阻抗相等，因此，UnN = Ud/2，這樣UAn =0，UnN = Ud/2，所以只要檢測到UAN Ud/2的過零時刻，就可以間接地檢測到eA的過零時刻（UAN - UnN= U

8、AN - Ud/2=UAn=ea=0）。具體實現時，只需隨時檢測三相繞組的端電壓UAN、UBN、UCN（即U、V、W與N之間的電壓），并分別減去Ud/2；一旦未導通相的端電壓減去Ud/2后之值為零，則再延時，即可發(fā)出逆變器功率管的換流信號，這就是“端電壓法”的基本原理。由上述BLDCM工作原理分析可見：BLDCM可以看成是采用電子換向的直流電動機，也可以看成是使用直流電源并由逆變器供電的交流同步電動機，又可以看成是一臺具有轉子位置反饋的閉環(huán)控制步進電動機。BLDCM屬于兩相饋電電機，無論轉子處于什么位置，都只有兩相繞組通電，從主電路的等值電路圖，可推導出其轉速表達式如下式所示：式中：R=2r1

9、，r1 為電機的一相等效電阻； ke 為電勢系數； Ud0= Ud×D 為加到兩相繞組間的直流電壓平均值，其中Ud為直流母線電壓，D為PWM調制波的占空比。由上式可見，我們只需對三相橋式逆變器進行PWM調制（請?zhí)貏e注意，這里不是異步機變頻調速系統(tǒng)中的SPWM調制而是雙閉環(huán)可逆直流脈寬調速系統(tǒng)實驗中介紹的直流PWM調制），就可方便地改變其直流端電壓，從而實現無級調速，這與普通有刷直流電動機的調壓調速是非常相似的，改變占空比D，從而得到一組互相平行的機械特性曲線，其開環(huán)機械特性較硬，具有較寬的調速范圍。總之，BLDCM具有同步電動機的結構，故而簡單、牢固、免維修；又具有普通有刷直流電動機

10、的調速性能，故而調速系統(tǒng)結構簡單、容易實現、且調速性能優(yōu)良。因此，BLDCM獲得了日益廣泛的應用。特別是近幾年來，它在家用電器（特別是在空調器中的應用，國外有人稱之為直流變頻）與伺服系統(tǒng)中的應用，充分顯示了它的優(yōu)越性。四實驗設備和儀器1MCL14 DSP控制的直流方波無刷電機調速系統(tǒng)2主控制屏3方波無刷直流電機光電編碼器發(fā)電機機組4雙蹤示波器5上位機（包括軟件）和串口聯接線（選件）五實驗步驟1見圖78，連接主電路、電流檢測、過流保護、頻/壓（f/v）轉換等環(huán)節(jié)的連線，并將U相定子電流取樣電阻短接。（有上位機時，連接上位機與組件間的串口通訊線。）2檢查給定電位器是否放在零位（要求電位器左旋到底）

11、。3經接線檢查無誤后，合上MCL14組件左下方的電源開關，這時系統(tǒng)缺省設置在開環(huán)控制方式下。4如需轉換控制方式，須待電機停止后再按控制方式按鈕，相應控制方式指示燈亮。5系統(tǒng)設置于開環(huán)工作狀態(tài)，分別在有與無位置傳感器情況下，進行電機轉子位置信號檢測實驗。（1）撳選擇“有無位置傳感器”按鈕，使系統(tǒng)工作在有位置傳感器狀態(tài)（“有傳感器”指示燈亮）；然后啟動電機，將速度設定電位器順時針旋轉到二分之一額定轉速（nn/2）左右的位置，用雙線示波器同時測量與記錄電機的位置傳感器輸出PSU、PSV與地之間的波形，并觀察兩波形之間的相位關系。（2）待電機停止后，撳選擇“有無位置傳感器”按鈕，使系統(tǒng)工作在無位置傳感

12、器狀態(tài)（“無傳感器”指示燈亮）；然后啟動電機，用雙線示波器測量與記錄端電壓與(-Ud/2)比較后比較器輸出Ou、Ov與地之間的波形，并觀察兩波形之間的相位關系。6系統(tǒng)處于開環(huán)控制狀態(tài)，起動電機到二分之一額定轉速（nn/2）左右，測試并記錄下列波形。（1）功率晶體管基極控制波形；用雙蹤示波器測試DSP輸出功率晶體管基極控制信號1（對應于Ug）、2（對應于Vg）與GND之間波形，并分析兩波形間的相位關系。（2）電機定子線電壓（U、V之間）波形；（3）電機定子電流波形；將U相定子電流取樣電阻短接線拆除，用示波器觀測并記錄定子電流取樣電阻兩端波形，測試完畢后仍將該電阻短接。（4）軸編碼器輸出波形（無編

13、碼器系統(tǒng)不做）將電機起動到nn/2左右，觀測編碼器輸出脈沖，記錄脈沖周期以及電機的實際速度。（用于實驗報告中計算編碼器每轉脈沖數）7電機起動性能測試（無編碼器系統(tǒng)不做）（1）不用位置傳感器，使系統(tǒng)仍工作在開環(huán)控制狀態(tài)，起動電機并將轉速調節(jié)到nn/2左右，按停機按鈕，然后再按起動按鈕，用示波器觀測并記錄f/v輸出Un=f（t）曲線，連續(xù)測試三次。（2）用位置傳感器時，步驟同上，連續(xù)測試并記錄Un=f（t）曲線三次。（3）將電機速度調節(jié)到 nn/10左右，分別在用與不用位置傳感器條件下，測試并記錄Un=f（t）曲線，連續(xù)測試三次。8速度調節(jié)器改變時系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)機械特性測試電機在高速與中速條件下，負載從

14、輕載按一定間隔加到額定負載（考慮到主回路母線電流Id與電機定子電流I1間存在固定的比例關系，為簡單計，以母線電流近似地代替電機定子電流，Id可在01.0A范圍內變化），在速度調節(jié)器采用下列控制方式時分別測出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)機械特性曲線：（1）開環(huán)控制；（2）PID控制；（3）模糊控制（FUZZY）；（4）模糊-PID控制。9不同控制方式時的系統(tǒng)動態(tài)特性研究調節(jié)電機速度到nn/2左右，用示波器觀察并記錄在不同控制方式時的下列動態(tài)波形：（1）突加給定時的n=f（t）（即Un=f（t）與id= f（t）（即UFI=f（t），起動電機到nn/2左右，按停機按鈕待停機后再按起動按鈕，即可觀察上述波形。（2）突減

15、給定時的n=f（t）與id= f（t）起動電機到nn/2左右，按停機按鈕即可觀察上述波形。10速度調節(jié)器在不同P、I、D參數時的系統(tǒng)動態(tài)特性研究系統(tǒng)處于PID控制狀態(tài)，調節(jié)電機速度到nn/2左右，用示波器觀察并記錄不同P、I、D參數時的動態(tài)波形Un=f（t）。（注意：須待電機停機后才能改變PID參數。）注意，選用上位機后，可在上位機人機界面上完成實驗操作、觀察和記錄實驗曲線。請在實驗前仔細閱讀“MCL-14上位機程序使用說明”，以便掌握具體操作方法。六實驗報告1畫出有與無轉子位置傳感器時測得的電機轉子位置信號，并在無位置傳感器的波形圖上標出該相反電勢的過零時刻，對這兩種檢測方法的優(yōu)缺點進行分析比較。2帶有選件編碼器的系統(tǒng)，畫出軸編碼器的輸出波形，并計算出該編碼器的每轉脈沖數。3畫出下列波形（1）功率晶體管驅動波形，并注明每個周期中功率管的導通時間；（2）電機定子線電壓波形；（3）電機定子電流波形。4帶有編碼器的系統(tǒng)，根據實驗記錄，畫出起動波形，并對該兩種起動方法的優(yōu)缺點進行分析比較。（1）在0 nn/2左右范圍內分別在用與不用位置傳感器條件下Un=f（t）波形；（2）在0 nn/10左右范圍內分別在用與不用位置傳感器條件下Un=f（t）波形；（3）對實驗中的兩種起動方法進行性能比較。