無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

1、第五章 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)一、無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理二 、無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)模型三、無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)四、無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制五 、無刷直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)戰(zhàn)講解三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱無刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)相比，由于去除了滑動(dòng)接觸機(jī)構(gòu)，因而消除了故障的主要根源。無刷直流電動(dòng)機(jī)將作為信息時(shí)代的主要執(zhí)行部件在各行各業(yè)會(huì)得到最廣泛的應(yīng)用。第一節(jié) 無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理1、無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)無刷直流電動(dòng)機(jī)屬于三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的范疇，磁場(chǎng)來自電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵。在轉(zhuǎn)子上安置永久磁鐵的方式有兩種。一種是將成形永久磁鐵裝在轉(zhuǎn)子外表，即所謂外裝式

2、；另一種是將成形永久磁鐵埋入轉(zhuǎn)子里面，即所謂內(nèi)裝式，如下圖。根據(jù)永久磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子上的方法的不同，永久磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種，從而有如圖5-3所示的永久磁鐵轉(zhuǎn)子的不同結(jié)構(gòu)。根據(jù)確定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的每相勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)分布的不同，三相永磁同步電動(dòng)機(jī)可分為兩種類型：正弦波型和方波型永磁同步電動(dòng)機(jī)，前者每相勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)分布是正弦波狀，后者每相勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)分布呈方波狀。2、無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理永磁無刷直流電機(jī)是一種具有定子繞組和磁性轉(zhuǎn)子的電機(jī)?？刂茻o刷直流電機(jī)的框圖如下圖，主要由功率邏輯開關(guān)單元和HALL位置傳感器的信號(hào)處理單元兩局部組成。功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一

3、定的邏輯關(guān)系分配給無刷直流電機(jī)定子各相繞組，以便使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩，而各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來自HALL傳感器的信號(hào)。由于無刷直流電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，梯形波的平頂寬度為，因此常采用兩兩導(dǎo)通模式來控制三相無刷直流電機(jī)，每只開關(guān)管導(dǎo)通電角度，每時(shí)刻只有兩相繞組導(dǎo)通，另一相繞組浮空，每隔電角度就有一只開關(guān)管關(guān)斷，另一只開關(guān)管開通。并且三相逆變電路上橋臂和下橋臂都只有一個(gè)功率開關(guān)器件導(dǎo)通，也就是運(yùn)行過程中必有一相的上下2個(gè)功率開關(guān)器件始終處于關(guān)斷狀態(tài)。無刷直流電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)主要由轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生，且磁感應(yīng)強(qiáng)度沿圓周分布為梯形波。其氣隙磁場(chǎng)感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)和供電電流之間的關(guān)系如下圖。為實(shí)

4、現(xiàn)定子正常的換流，就要正確的檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信息?；魻栁恢脗鞲衅魇抢么琶艋魻栐z測(cè)轉(zhuǎn)子的永磁磁極的位置?；魻杺鞲衅髑对跓o刷直流電機(jī)的定子中，在空間上呈角度分布如圖的H1、H2、H3。假設(shè)當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體N極接近霍爾元件時(shí)，輸出信號(hào)為高電平，而當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體S極接近霍爾元件時(shí)，輸出信號(hào)為低電平，轉(zhuǎn)子永磁磁極間決定霍爾輸出電平上升沿或下降沿的位置。3個(gè)霍爾傳感器輸出上下電平兩種狀態(tài)一共存在6種組合狀態(tài)，如下圖。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，采用一定的PWM調(diào)制方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)，直流無刷電機(jī)PWM控制模式有：l) ON_PWM；2PWM_ON；3H_PWM_L_ON；4H_ON_L_PWM；5H_PWM_L_PW

5、M。無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號(hào)HA、HB、HC在每360電角度內(nèi)給出了6個(gè)代碼，按其順序排列，6個(gè)代碼是101、100、110、010、011、001。當(dāng)然，這一順序與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)，如果轉(zhuǎn)向反了，代碼出現(xiàn)的順序也將倒過來。傳感器：H1=1 H2=0 H3=1導(dǎo)通相：BC傳感器：H1=1 H2=0 H3=0導(dǎo)通相：BA傳感器：H1=1 H2=1 H3=0導(dǎo)通相：CA傳感器：H1=0 H2=1 H3=0導(dǎo)通相：CB傳感器：H1=0 H2=1 H3=1導(dǎo)通相：AB傳感器：H1=0 H2=0 H3=1導(dǎo)通相：AC傳感器：H1=1 H2=0 H=1導(dǎo)通相：BC第二節(jié) 無刷直流電動(dòng)機(jī)的根

6、本公式和數(shù)學(xué)模型為簡(jiǎn)化分析，做出以下假設(shè)：不考慮齒槽效應(yīng)和磁路飽和；忽略磁滯、渦流、集膚效應(yīng)和溫度對(duì)參數(shù)的影響；在上述條件下，無刷直流電機(jī)定子三相繞組的電壓平衡方程可表示為 式中： ， ， 為電機(jī)三相繞組的相電壓；，為電機(jī)三相繞組的相電流；，為電機(jī)三相繞組的相反電動(dòng)勢(shì)；，為三相繞組的電阻；，分別為三相繞組的自感；由于假定定子繞組對(duì)稱，那么有；且有；。于是式5-1可以改寫為假設(shè)定子三相繞組為Y型接法，且沒有中點(diǎn)，那么有整理后可得 無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為:可以清楚地看到，當(dāng)轉(zhuǎn)子在每個(gè)60扇區(qū)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子磁場(chǎng)是保持在固定位置不變的，在每個(gè)扇區(qū)中，定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的夾角是在從60到120的范圍內(nèi)變

7、化，進(jìn)入了新的一個(gè)扇區(qū)，由于定子磁場(chǎng)向前跨越了60，使得定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的夾角又重復(fù)前一個(gè)扇區(qū)內(nèi)的變化。對(duì)于這類電動(dòng)機(jī)來說，定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子之間的夾角的變化，是導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的主要原因。諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)電樞反響的影響相電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由于機(jī)械加工引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)第三節(jié) 無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的分析 無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極采用瓦形磁鋼，經(jīng)專門的磁路設(shè)計(jì)，可獲得梯形波的氣隙磁場(chǎng)，感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)也是梯形波的， 然而由于繞組電感的作用，換相時(shí)電流波形不可能突跳，其波形實(shí)際上只能是近似梯形的，因而通過氣隙傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率也是梯形波。每次換相時(shí)平均電磁轉(zhuǎn)矩都會(huì)波動(dòng)一些，如下圖。由于

8、PWM逆變器每隔60度換相一次，故實(shí)際的轉(zhuǎn)矩波形每隔60度出現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)， 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制 以調(diào)制方式on_pwm為例說明，其調(diào)制方式如下圖。a在上橋臂從A相換到B之前 上橋臂從A相換到B相的換相過程，由圖可知，換流時(shí)刻為150度時(shí)刻，如果在換相期間，認(rèn)為反電勢(shì)為恒定，即：在上橋臂從A相換到B之前，如果=on時(shí)，逆變器和無刷直流電機(jī)定子中的電流流向如下圖；當(dāng)=off時(shí)，逆變器和無刷直流電機(jī)定子中的電流流向如下圖。換相前定子繞組中點(diǎn)電壓表達(dá)式： 其中 那么中性點(diǎn)的平均電壓為：C相繞組電壓： b在上橋臂從A相到B相換相期間 如果時(shí)，逆變器和無刷直流電機(jī)定子中的電流流向如下圖；當(dāng)時(shí)，逆變器

9、和無刷直流電機(jī)定子中的電流流向如下圖。可得換相時(shí)定子繞組中點(diǎn)電壓表達(dá)式： 其中 那么中性點(diǎn)的平均電壓：C相繞組電壓 為了減少無刷直流電機(jī)換相期間的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，通過調(diào)節(jié)換相期間PWM的占空比，使非換相繞組兩端電壓在換相前和換相期間相等。 即： 三無刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)現(xiàn) 英飛凌XC16系列MCU芯片的片上事件管理模塊資源具有專門的霍爾傳感器接口，此單元能方便控制無刷直流電機(jī)。根據(jù)CAP1、CAP1、CAP3接收到的霍爾傳感器信號(hào)，發(fā)出相應(yīng)PWM1到PWM6信號(hào)驅(qū)動(dòng)三相全橋式電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制 第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制伺服系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由主電路和控制電路組成，系統(tǒng)

10、的主電路和一般傳動(dòng)系統(tǒng)相同，主要由逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路組成?？刂齐娐分饕蒟C167CSEVM板、信號(hào)調(diào)理板、通訊接口組成。 伺服系統(tǒng)研究硬件電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 控制、檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 采用Infineon的XC167CS單片機(jī)作為控制核心 電流檢測(cè) 電壓檢測(cè)電路 位置、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路 伺服系統(tǒng)研究控制程序設(shè)計(jì) XC167 單片機(jī)系統(tǒng)資源分配 伺服系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) PWM信號(hào)生成 速度檢測(cè) 軟件強(qiáng)制保護(hù) 直流母線電壓檢測(cè) 通訊局部 霍爾信號(hào)檢測(cè) 主程序 換相中斷子程序 AD采樣中斷子程序 CAN中斷子程序 軟件強(qiáng)制保護(hù)中斷子程序 T7周期中斷和CC2捕抓中斷子程序 伺服系統(tǒng)研究四伺服系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)

11、 伺服系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由主電路和控制電路組成，系統(tǒng)的主電路和一般傳動(dòng)系統(tǒng)相同，主要由逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路組成?？刂齐娐分饕蒟C164EVM板、信號(hào)調(diào)理板、通訊接口板組成。其中XC164EVM板主要完成控制算法的計(jì)算以及PWM波形的產(chǎn)生，信號(hào)調(diào)理電路主要完成電流電壓的采樣，速度脈沖的整形處理，保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)和DA顯示的功能。通訊接口板主要實(shí)現(xiàn)微處理器與上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)之間的通訊功能，以完成參數(shù)設(shè)置及信息顯示。第五節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)戰(zhàn)講解硬件電路設(shè)計(jì)給出了轉(zhuǎn)子位置變化過程中，霍爾傳感器狀態(tài)的變化和繞組中的換相邏輯?；魻栃盘?hào)100110010011001101000/111正轉(zhuǎn)矩高壓側(cè)導(dǎo)通BBC

12、CAA故障處理低壓側(cè)導(dǎo)通CAABBCMCMOUTS0 x25020 x29080 x0B040 x1A100 x16010 x3420負(fù)轉(zhuǎn)矩高壓側(cè)導(dǎo)通CCBBAA低壓側(cè)導(dǎo)通BAACCBMCMOUTS0 x26100 x32040 x13080 x19020 x0D200 x2C01霍爾信號(hào)檢測(cè) 位置反響單元 采用HEDL 5540型光電編碼器，為500線，3通道，最高工作頻率為100KHz，經(jīng)編單片機(jī)增量接口模塊倍頻電路四倍頻后輸出為2000線正交信號(hào)。以此脈沖信號(hào)用作轉(zhuǎn)速計(jì)算及位置定位。 電流傳感器 電流測(cè)量一般有電阻分壓法測(cè)電流，感應(yīng)變壓器測(cè)電流，霍爾電流傳感器測(cè)電流。圖所示為霍爾電流傳感

13、器的工作原理。在實(shí)驗(yàn)裝置中，采用LEM公司的LTSR+6-NP電流霍爾傳感器。 該傳感器可具有三個(gè)不同的量程分別為：2A檔、3A檔、6A檔。其對(duì)應(yīng)的最大測(cè)量范圍可根據(jù)下式計(jì)算得到，分別為：本系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)機(jī)組的額定電流有效值為。取過載倍數(shù)為，那么最大電流。由此可見，為了最大程度利用電流傳感器的量程范圍，提高測(cè)量精度，應(yīng)采用檔的連接方式。圖5-36為直流側(cè)電流的檢測(cè)電路原理圖。圖中，IN1表示直流側(cè)電流輸入端，OUT1為直流側(cè)電流輸出端，REF為內(nèi)部偏置電壓輸出，Vo為測(cè)量輸出。由于該LEM的輸出直接為電壓量，故不再需要輸出端采樣電阻，其兩個(gè)電壓輸出經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后直接送入單片機(jī)的A/D采樣端口口和口

14、。主回路 系統(tǒng)主回路采用典型的三相全控電路 驅(qū)動(dòng)電路 由于XC167輸出的PWM信號(hào)無法直接驅(qū)動(dòng)MOSFET，因此需要驅(qū)動(dòng)電路，現(xiàn)采用IR公司的2130驅(qū)動(dòng)芯片。 注：欠壓檢測(cè)故障綜合電路 故障綜合電路主要實(shí)現(xiàn)發(fā)生故障時(shí)各類故障的鎖存和綜合，提供硬件脈沖封鎖信號(hào)、C_TRAP信號(hào)軟件強(qiáng)制中斷和各個(gè)故障信號(hào)的鎖存，實(shí)現(xiàn)硬件層面上的脈沖封鎖和軟件層面上的強(qiáng)制中斷保護(hù)，形成兩層保護(hù)。圖5-38為故障綜合電路原理圖。由圖知，當(dāng)有過壓故障、欠壓故障、過流故障發(fā)生時(shí)，相應(yīng)故障引腳電平被拉低，這時(shí)上方相應(yīng)二極管導(dǎo)通，C_TRAP引腳被拉低。該信號(hào)被拉低做兩件事，第一、其控制驅(qū)動(dòng)芯片使能腳，使驅(qū)動(dòng)輸出高阻，封

15、鎖MOSFET；第二、該信號(hào)直接連至CPU的CTRAP引腳，該引腳拉低時(shí)CPU首先封鎖單片機(jī)PWM輸出，接著進(jìn)入CTRAP中斷，讀取故障源，并做相應(yīng)的處理。其中故障源由RS觸發(fā)器4404D鎖存并由單片機(jī)復(fù)位?？刂瞥绦蛟O(shè)計(jì)XC167單片機(jī)作為整個(gè)矢量控制系統(tǒng)的控制核心，需要完成的功能包括：各種霍爾、電流、速度等信號(hào)的采樣，PWM驅(qū)動(dòng)波形的生成，故障保護(hù)，通信等。XC167單片機(jī)內(nèi)部擁有豐富的資源，合理的利用這些資源來實(shí)現(xiàn)上述功能，將大大減少軟件的工作量。現(xiàn)把其的資源分配如下：信號(hào)生成：利用CAPCOM6中的多通道模式，結(jié)合檢測(cè)到的霍爾信號(hào)，由T13產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，開關(guān)頻率為，死區(qū)時(shí)間可設(shè)，取

16、,輸出引腳、控制三路上橋臂，、控制三路下橋臂。2速度檢測(cè)：光電編碼器A、B兩路測(cè)速脈沖送入單片機(jī)正交編碼電路輸入引腳、，經(jīng)內(nèi)部4倍頻及判別轉(zhuǎn)相后利用定時(shí)器T4進(jìn)行計(jì)數(shù)； A路脈沖同時(shí)送往CC2捕獲輸入引腳，用于捕抓T4和T7的計(jì)數(shù)值，其中T7為高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器。3. 軟件強(qiáng)制保護(hù)：將故障綜合信號(hào)送往單片機(jī)強(qiáng)制中斷輸入引腳引腳，進(jìn)行軟件強(qiáng)制保護(hù)。4.直流母線電壓檢測(cè)：利用片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，采樣頻率為5Mhz，采樣精度為10位。5. 通訊局部： 利用TWINCAN通訊口中的一個(gè)實(shí)現(xiàn)CAN通訊。6霍爾信號(hào)檢測(cè)：利用、復(fù)用為CCU6單元中的霍爾信號(hào)采樣端口，實(shí)現(xiàn)霍爾信號(hào)檢測(cè)。系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件由上位機(jī)智能監(jiān)控軟件