[工程科技]电机调速.doc

沈阳化工大学本科毕业论文题 目：直流无刷电动机控制系统设计院 系： 信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期：2011年 06月 27日论文答辩日期：2011年 06月 29日 沈阳化工大学学士学位论文 摘要摘要 20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。无刷直流电动机控制系统是一种新型的调速系统，该系统具有良好的运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。 本系统设计是一套基于PIC单片机的直流无刷电机控制器。通过软件编程,单片机产生一定占空比的PWM波形,通过调整PWM波的占空比来控制功率管的开关时间,实现对无刷直流电动机的调速。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。论文根据系统的要求完成了整体方案设计和系统选型，针对所设计的控制方案对控制系统的软、硬件设计作了详细论述。硬件部分先作了整体设计，然后介绍了以PIC16F877A单片机为核心的硬件构成，对其外围电路等作了详细阐述;进而介绍了高性能六输出MOS栅极驱动器IR2130。软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图。论述了软件的设计思想和方法;实现了对直流无刷电动机按控制要求运行的功能。利用PIC系列芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。关键词: 无刷直流电动机；脉宽调制；PIC单片机 沈阳化工大学学士学位论文 Abstract Abstract In the last years , Brushless DC Motor had made a rapid development with the development of new Permanent Magnetic Materials, Microelectronics, Automatic Control technology and electronics ,especially the development of High Power Switching Device. BLDC has a outstanding development in many new fields including Aerospace , medical treatment , information , household appliances and industrial automation in additions to the traditional applications of munitions industry. The brushless DC motor control system is a new speed-variable system. It offers excellent characteristics of operation, control and shows great developing potentiality. This design is a system of BLDCM multiple speeds Based on PIC MCU is designed. Through the software programming , microcontroller produces PWM waves with certainly duty ratio, by adjusting the value of PWM waves to control power tube switch time ,thus , realize the speed control of brushless dc motor. PWM control technology with the good advantage of simple control, flexible and dynamic response and makes the most widely used control method in power electronic technology but it is also the hot spot of people research. This design is a system of DC motor multiple speeds Based on PIC MCU is designed，as its necessary test equipment. It finished the total Project design of system and model selection .The hard ware and software design of the system according to the Preceding solutions are discussed detailed. For the hardware Part after a dissertation on the whole design，the core hardware of the control system is the PIC MCU，the Paper introduced the details of some hardware Problem，especially the external circuit . Then introduces the high performance six output grid IR2130 MOS drive. The method of software Planning for it is also discussed. For the software Part，with the Introduction of modular design concept some Procedure flow charts of main Program subroutine are offered. It discusses the software design ideas and methods; The realization of brushless DC motor control requirements according to the function of the operation. This new family of PIC enables cost-effective design of controllers for DC motors which can fulfill more conditions，consisting of fewer system component，lower system cost and increased Performances.Key Words : BLDCM; PWM; PIC MCU沈阳化工大学学士学位论文 目录目 录第一章 绪论11.1直流无刷电动机发展概况11.2 直流无刷电动机的国内外研究现状21.3本文研究的内容3第二章 直流无刷电动机42.1直流无刷电动机的优点42.2直流无刷电动机的结构及基本原理42.2.1直流无刷电动机结构42.2.2直流无刷电动机工作原理62.3直流无刷电动机的运行特性10第三章 直流无刷电动机控制系统方案设计143.1直流无刷电机控制技术的发展143.2直流无刷电动机的调速方法和调速性能163.3直流无刷电动机控制系统常用控制策略173.4直流无刷电动机控制系统的总体设计19第四章 直流无刷电动机控制系统硬件接口电路设计204.1控制系统硬件接口电路总体设计204.2单片机发展状况204.3 PIC16F877A单片机简介214.4 PIC单片机外围电路简介244.5六输出高压驱动器IR2130简介26第五章 控制系统软件设计295.1 MPLAB软件介绍295.2 MPLAB ICD2介绍305.3单片机常用功能模块介绍315.3.1 输入/输出端口315.3.2中断315.4 PID控制简介335.5 控制系统软件程序设计34第六章 总结39参考文献40致 谢41附 录42沈阳化工大学学士学位论文 第一章 绪论第1章 绪论1.1直流无刷电动机发展概况 电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已经遍及国民经济的各个领域。电动机主要有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种类型。与交流电动机相比，直流电动机具有良好的起动性能和宽广平滑的调速特性，其运行效率高，因而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和起动设备等需要经常起动并调速的场合中。但传统的直流电动机的换向是依靠换向器和电刷进行换流，在频繁的运转过程中，由于换向器和电刷的摩擦，一方面消耗电刷，使我们不得不定期检查和更换电刷，耗时耗力，寿命短；另一方面又产生电火花、电磁干扰，影响附近的电气设备。 因此，早在1917 年，Boliger 就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机(BLDCM: Brushless Direct Current Motor)的基本思想。1955年，美国D.Harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，这就是现代直流无刷电机的雏形1。 在进入20世纪60年代以后，电力电子技术和计算机技术的应用使电机的发展经历了持久的革命性的变化。作为机电一体化的产品，无刷直流电动机也得以发展，并开始进入初步的应用阶段。无刷直流电动机既具有普通直流电动机调速性能好的特点，又具有交流电动机结构简单、便于维护的特点，因此得到了一定范围内的初步应用。 自20世纪70年代开始，稀土永磁材料的发展，使无刷直流电动机有了进一步的发展，但由于永磁材料的价格昂贵，研究开发重点只能在航空、航天领域用的电动机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。 在进入80年代后较低价格的钦铁硼永磁材料的出现，使无刷直流电机能够进入普通民用的市场提供了可能，几十瓦到几百瓦无刷直流电动机开始在医疗器械、仪器仪表、化工、纺织以及家用电器等民用领域初显身手。 进入二十一世纪，随着电力半导体器件的飞速发展，如GTR、CTO、MOSFET、IGBT的相继出现，另外微处理器、集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的变化，这些开关器件在向高频化、智能化、大容量化的方向发展，使无刷直流电动机的很重要的一个环节逆变器的价格下降，使无刷直流电动机的成本进一步的下降，其控制技术更加成熟2。 目前稀土永磁材料开发技术的成熟和方兴未艾的电力电子技术的发展，使得无刷直流电动机正朝着高速化、高转矩、多功能化、低成本化的方向发展。1.2 直流无刷电动机的国内外研究现状 随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。传统的模拟控制方法已逐渐被已微控制器为核心的数字控制方法所取代。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制方法（PWM 和 SVPWM），变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以，应用先进控制算法，开发全数字化的智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。 在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合，以MCS51为代表的单片机已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，系统芯片化的方向不断前进。 目前国际上对直流无刷电动机控制技术的研究主要集中在以下几个方面：1、采用智能功率模块作为电机的驱动，由于智能功率模块在内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，并且具有高电流密度、高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点，因此特别适合无刷直流电机控制系统。2、研制更加适合于无刷电动机控制的微处理器，随着高速MCU和DSP技术的发展，无刷直流电机控制技术取得了迅猛的发展，使其体积更小，价格也大大降低，确保系统具有优越的控制性能。3、采用现代控制理论和智能控制策略，如神经网络、模糊控制、专家系统等，使得无刷电机调速向着智能化、网络化方向发展，如2003年日本索尼公司生产的娱乐机器狗，由于采用了大量人工智能技术，使其能对不同的外部刺激做出相关的响应。 我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。主要集中在一些科研单位和大专院校。为解决宇航导弹、卫星及其它军事设备，其后逐步出现在数控机床、工业机器人等用途。目前我国的无刷电机研究已出现良好的势头，尤其在近十几年来，随着电机技术及其相关学科的发展，无刷直流电动机得到了日益广泛的应用。我国在小功率无刷直流电机方面已从研究阶段步入生产阶段。但是大功率永磁无刷直流电机我国研究起步较晚，与国际有较大差距口。1.3本文研究的内容 本文以无刷直流电动机为控制对象，提出基于PIC16F877A单片机的直流无刷电动机调速系统的设计方案。本文研究的主要内容是：1、系统地总结了直流无刷电动机的基本结构和工作原理并以三相星形绕组半控电路为例分析了其运行特性。2、分析了直流无刷电动机控制系统的发展状况及常用控制策略。3、设计了无刷直流电机控制系统的硬件电路，包括微处理器的选择、主电路的设计、驱动逆变电路的设计等。4、对控制系统进行软件编程，整个控制系统软件采用主程序、服务子程序和中断子程序所组成。主程序完成芯片初始化、变量的初始化等。服务子程序完成A/D转换、数字PI控制、PWM产生等。3沈阳化工大学学士学位论文 第二章 直流无刷电动机第2章 直流无刷电动机2.1直流无刷电动机的优点 一般说来，有刷直流电动机效率很高，就其特性而言，堪称理想的电动机。但是需要用电刷环流却是一个缺陷。由此引起磨损，产生火花，又引起噪音，这对周围电子线路带来恶劣影响。因此，出现了以晶体管之类半导体开关取代电刷及整流子式机械类开关的电动机，这就是无刷直流电动机。无刷直流电动机克服了有刷直流电动机由于电刷环流而引起的磨损，产生火花而又引起噪音，及其对周围电路带来恶劣影响。无刷直流电动机反馈装置简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电动机和逆变器各自潜力得到充分发挥。且调速性能优越，体积小，重量轻，转动惯量小，不存在励磁损耗1。同时，无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便的一系列优点，又具备有刷直流电动机的运行效率高、等诸多特点。克服了无线电干扰以及寿命短等弊病，且降低了制造成本，简化了电动机维修,故无刷直流电动机在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、及计算机驱动器以及家用电器等方面得到了广泛的应用。2.2直流无刷电动机的结构及基本原理2.2.1直流无刷电动机结构无刷直流电动机是机电一体化产品，其与传统意义上的电机的区别在在于没有换向器和电刷，是用电子换向器来代替机械换向装置的电机，其定子绕组结构跟一般的感应电动机的区别不是很大，其主要组成部分包括:电动机本体(定子和转子)、转子位置传感器和电子开关电路三部分1。其原理框图如图2.1所示。 图2.1 直流无刷电动机的原理框图（1） 电动机本体 无刷直流电机本体在结构上与永磁同步电动机相似，其定子绕组一般为多相(三相、四相、五相不等)，转子由永久磁钢按一定的极对数组成。构成无刷直流电机转子的永久磁钢与永磁有刷电机中所使用的永久磁钢的作用相似，都是在电机的气隙中建立足够的磁场。其不同之处在于，无刷直流电机中永久磁钢装在转子上，而有刷直流电机的磁钢装在定子上。永久磁钢目前多使用稀土永磁材料，由于转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可近似分为正弦波和方波(梯形波)两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势也有两种形式，一种为正弦波形，另一种为方波(梯形波)。习惯上将反电动势为正弦波电动机称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)；而方波(梯形波)电动机在原理和控制方式上基本与直流电动机类似，故称为无刷直流电机2。（2） 转子位置传感器 位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信号，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相1。位置传感器种类很多，目前在无刷直流电动机常用的有电磁式位置传感器、光电式位置传感器和磁敏式位置传感器等2。 电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关电路等多种类型。在直流无刷电动机中，用的较多的是开口变压器。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、结构简单等优点，但这种传感器体积较大，信噪比较低，同时其输出波形为交流，一般需要经整流、滤波后方可使用。 光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电机转子一起旋转的遮光部分和固定不动的光源及光电管等部件组成，有绝对式编码器和增量式编码器之分。它具有定位精度高、价格便宜、易加工等特点，但对恶劣环境的适应能力较差，输出信号需加整形电路处理。 磁敏式位置传感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随周围磁场变化而变化的原理制成。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。常见的类型有霍尔元件或霍尔传感器、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。一般说来，它对环境适应能力较强，输出信号好，成本低廉，但精度不高。 除上述传感器之外，还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位置传感器。但是，这些元件成本较高、体积较大、所配线路复杂，因而在一般直流无刷电动机中很少采用。 此外，近来出现了利用电动机定子绕组的反电动势作为转子磁钢的位置信号，该信号检出后，经数字电路处理，并送给逻辑开关电路去控制直流无刷电动机的换向。由于他省去了位置传感器，使无刷电动机的结构更加紧凑近年来的应用日趋广泛。 （3） 电子开关电路 电子开关线路是BLDCM的独特组成部分，由驱动电路和控制电路两部分组成，在BLDCM中起着换向控制电路的作用，用来控制电机定子绕组中各相通电的顺序和时间。 控制电路根据位置传感器的位置信号和电流检测信号产生驱动电路所需的开关信号，提供给驱动电路正确的逻辑关系，控制电机的转速(或转矩)、转向、电流以及保护电机的过流、过压、过热等。 驱动电路是电子开关线路的核心，功能是将直流电源的功率以一定的逻辑关系向无刷直流电动机定子上的各相绕组输出电功率，从而使电动机产生持续不断的转矩，驱动电动机的转子转动。 电子换向电路分为桥式和非桥式两种，虽然电枢绕组与电子换向电路的连接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形全控状态和三相星形半控状连接，还有三相角接全控电路和一些其他控制方式。综上所述，组成直流无刷电动机各主要部件的框图如图2.2所示。2.2.2直流无刷电动机工作原理 众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持互相垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停运转。直流无刷电动机为了实现五点刷换向，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，他不能与运动中转子磁钢所产生的的永磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机的本体外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换向装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中转子磁钢产生的永磁磁场，在空间中始终保持在（ /2）rad左右的电角度。 图2.2 直流无刷电动机的组成框图 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各项绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。直流无刷电动机控制器主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路如图2.3所示，其特点是简单，一个功率管控制一相通断，每个绕组只通电1/3时间，另外2/3时间处于断开状态，所以其利用率低，另外其运行过程中转矩波动较大，故在要求较高的场合，一般均采用三相全控电路。 在三相无刷直流电动机全控式电路的运行方式中，导通方式有很多种，最常见的有两两导通方式和三三导通方式。为了更加清晰地阐述这种直流无刷电动机的工作原理和特点，因本文导通方式采用两两导通方式，现以三相星形联结两两导通方式为例来说明直流无刷电动机的运行方式。电路图如图2.4所示。 图2.3 三相半控电路图2.4三相星形联结全控桥式电路 其为三相星形联结全控桥式电路，其中VF1、VF2、VF3、VF4、VF5、VF6为六只MOSFET功率管，其绕组的开关作用所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（60电角度）换相一次，每一次换相一个功率管，每一个功率管导通120电角度。 各功率管的导通顺序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、。当功率管VF1和VF2导通时，电流从VF1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VF2管回到电源。其转子位置如图2.5所示。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩为负，它们合成的转矩如图2.6a）所示，其大小为Ta，方向在Ta和-Tc的角平分线上。当电动机转过60后，由VF1VF2通电换成VF2VF3通电。这时，电流从VF3流入B相绕组，再从C相绕组流出，经VF2回到电源，此时合成的转矩如图2.6b）所示其大小同样为Ta，但合成转矩矢量方向就随着转过60电角度，但大小始终保持Ta不变。图2.6c）示出了全部合成转矩的方向。每次一个功率管参与换相，保证开关损耗最小。图2.5 Y联结两两通电模式转子位置示意图图2.6 Y联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图 所以，同样一台直流无刷电动机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相Y联结全控电路，在两两换相的情况下，其合成转矩增加了倍。每隔60电角度换向一次，每个功率管通电120，每个绕组通电240，其中正向通电和反向通电各120,其输出转矩波形如图2.7所示，由图可知，其转矩波动比三相半控时小得多。图2.7 全控桥输出波形 2.3直流无刷电动机的运行特性要十分精确地分析直流无刷电动机的运行特性，是很困难的。一般工程应用中均作如下假定：（1） 电动机的气隙磁感应强度沿气隙按正弦分布。（2） 绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙所产生的影响忽略不计。（3） 控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降为恒值。（4） 各绕组对称，其对应的电路完全一致，相应的电气时间常数忽略不计。（5） 位置传感器等控制电路的功耗忽略不计。下面以三相星形绕组半控电路为例，推导出直流无刷电动机稳态运行的基本方程，由于假设转子磁钢所产生的磁感应强度在电动机气隙中是按正弦规律分布的，即 （2-1）这样,如果定子某一相绕组中通一持续的直流电流，所产生的转矩为 （2-2）式中ZD每相绕组的有效导体数；L绕组中导线的有效长度，即磁钢长度；r电动机中气隙半径；I绕组相电流。就是说某一相通以不变的直流后，它和转子磁场作用所产生的转矩也将随转子位置的不同而按正弦规律变化。 它对外负载讲，所得的电动机的平均转矩为零。但在直流无刷电动机三相半控电路的工作情况下，每相绕组中通过1/3周期的矩形波电流。该电流和转子磁场作用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相当于1/3周期的一段，且这一段曲线与绕组开始通电时的转子相对位置有关。显然在瞬间导通晶体管产生最大的平均转矩的这种情况下，绕组通电120度的时间里，载流导体正好处在比较强的气隙磁场中。所以它所产生的转动脉动最小，平均值较大。习惯上把这一点选作晶体管开始导通的基准点，定为 r=0。在r=0的情况下，电动机三相绕组轮流通电时所产生的总转矩如图2.8a所示。如若晶体管的导通时间提前或滞后，则均将导致转矩的脉动值增加，平均值小。当r30时，电动机的瞬时转矩过零点，如图2.8b所示。这就是说，当转子转到某几个位置时，电动机产生的转矩为零，电动机起动时会产生死点。当 r30后，电动机转矩的瞬时值将出现负值，则总输出转矩的平均值更小。因此，在三相半控的情况下，特别是在起动时，r不宜大于30，而在直流无刷电动机正常运行时，总是尽力把r 角调整到0，使电动机产生的平均转矩Ta最大。当r=0时，可以求得输出转矩的平均值： (2-3) (2-4)电动机在电动转矩的作用下转动后，旋转的转子磁场就要切割定子绕组，在各相绕组上感生出电动势，当其转速n不变时，该电动势波形也是正弦波，相位同转矩相位一致。在本电路中，每相绕组在一个周期中只通电2/3 ，一个周期为2，因此仅在这 2/3期间对外加电压起作用。所以对外加电压而言，感生电动势波形如图2.9所示。同理可按下式求得感生电动势的平均值： (2-5) (2-6)图2.8 三相直流无刷电动机半控桥转矩 图2.9 三相直流无刷电动机半控电路的反电动势从上面的平均转矩和平均反电动势，便可求得直流无刷电动机稳定运行时的电压平衡方程式，为此首先定义反电动势系数和转矩系数： (2-7) (2-8) 对于某个具体的电动机，它们为常数。当然，其大小同主回路的接法以及功率晶体管的换相方式有关。假定各项绕组对称、相应的时间常数忽略不计，则直流无刷电动机三相半控桥的电压平衡方程组为： (2-9) 其中 Ea=Ken、Ta=KTI将其代入（2-9）式整理后，可得其机械特性方程为 (2-10)式中 n电动机转速（r/min ）； U电源电压（V）； U 功率管管压降（V）；Kc电动势系数；Ta电动机产生的电动转矩平均值（Nm）；KT转矩系数； R电动机的内阻（）。从式(2-9)和(2-10)可知，直流无刷电动机的机械特性方程同一般他励电动机的机械特性方程在形式上完全一致。只不过其中的转矩和反电动势运用平均转矩和平均反电动势的概念。 直流无刷电动机动态结构如图2.10所示。图2.10直流无刷电动机动态结构图其传递函数为： (2-11)式中 K1-电动势传递函数，K1=1/Ke; K2-转矩传递系数，K2=R/KeKT; Te-电磁时间常数，Te=RGD2/(375KeKT)。47沈阳化工大学学士学位论文 第三章 直流无刷电动机控制系统方案设计第三章 直流无刷电动机控制系统方案设计 3.1直流无刷电机控制技术的发展 电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。 常规控制器(PID控制)尽管控制精度较高，但它需要建立描述动态系统的精确的数学模型，对于未知动态变化的系统要建立精确的数学模型是比较困难的。比如干扰、参数漂移和噪声等不可能在很高的精度下进行模型化。 直流无刷电机是一个多变量、非线性、强耦合的对象，因此利用模糊控制、神经网络控制、自适应控制、专家系统等具有自学习、自适应、自组织功能的智能控制来进行无刷直流电机的控制是一种有效的手段，控制器的计算和存储能力的不断增强也为这些先进控制算法的实现提供了有利的条件3。 直流无刷电动机控制技术发展经历了如下的发展过程：(1)无位置传感器控制 对于无刷电动机，由于它具有体积小，重量轻，结构简单，维护方便，运行可靠的优点所以备受欢迎。但是无刷电动机要实现旋转，就要实时的检测出转子的位置实现正确换相。所以位置的检测和换相技术的研究是直流无刷电动机控制目前的一个方面。最常用的方式是采用传感器的方式4。这种方式可以正确的检测转子位置信号，但是由于传感器的安装不仅会使电机的体积增大，而且传感器也难于安装和维修。因此无传感器的传动控制引起国内外学术界很大的重视，成为近年的研究热点。 但是由于定子反电动势和电机的转速成正比，所以在电机静止时反电动势为零，没有换相信号，电机不能自启动。为了实现启动必须外加启动信号，使电动机转子向确定的方向加速，绕组中产生反电动势，然后再用模拟开关切换到反电动势检测换相的方式。在启动方式中主要有外同步方式和预定位方式两种。外同步驱动方式启动是以变频方式同步拖动电机转子旋转，需要专门的脉冲分配电路提供各相导通的控制信号，因此启动电路比较复杂；预定位方式启动的控制电路相对简单，但是为了起动可靠，必须设计起动控制电路并且合理的调整电路参数。 目前对电路要求比较简单的启动方法是：启动时首先施加激励电压，应用主动检测方法测得响应电流，利用相电流和相电感的关系得出转子的初始位置。这里要求确切的知道相电流和相电感的关系。(2)变结构控制 由无刷电机组成的控制系统，为了提高它的控制性能，人们也在使用一些新型的控制策略。变结构控制由于具有响应速度快、对控制对象参数变化及外部扰动不灵敏、物理实现简单等优点，人们开始将直流无刷电机采用变结构控制。变结构开关模式既可以由系统的传递函数导出，也可根据系统的最大速度、最大加速度等系统参数设计，都会使系统的位置控制达到较好的控制效果。(3) 模糊控制和PID相结合的Fuzzy-PID控制 在控制系统中，如何在较宽调速范围内提高电流调节特性以及减小力矩波动一直是系统研究的焦点。模糊控制是近年来研究的热点，它不依赖于被控对象的精确的数学模型，对系统的动态响应有较好的鲁棒性；PID 控制方法可以很好的消除系统的稳态误差，所以人们将两者结合也用于直流无刷电机的控制系统，使系统同时兼有两种方法的优点。采用 Fuzzy-PID复合控制，系统具有Fuzzy和PID控制的双重优点，响应快，速度无超调，调速范围宽，可达 1:10000，定位精度高，在不同的负载下具有较强的鲁棒性。(4)神经网络和模糊控制相结合的复合控制 神经网络既具有非线性映射的能力，能够逼近任何线性和非线性模型，又具有自学习、自收敛性，而且对被控对象无需精确建模，对参数变化具有较强的鲁棒性。由于神经网络算法的优点，人们开始研究神经网络和模糊控制相结合的控制算法并且将其应用在直流无刷电机控制中。通常有两种结合方式：一种是在大误差范围内采用模糊控制来改善性能，提高快速性，同时在小误差范围内采用神经网络控制器达到精确定位的目的；另一种是利用神经网络来实现模糊控制规则的映射。实践证明这种控制算法可以达到很好的动、静态性能，完全可以用于高精度的定位系统。3.2直流无刷电动机的调速方法和调速性能 众所周知，直流电动机转速n的表达式为 (3-1)式中U一电枢端电压;I一电枢电流;R一电枢电路总电阻;一每极磁通量;K一电动机结构参数。因此可知，直流电动机的调速方法有三种:(1)调节电枢供电电压U。改变电枢供电电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下调速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速系统来说，这种方法最好。I的变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。(2)改变电机的主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通，从电动机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。因为无刷直流电动机的定子磁场多由永磁铁产生，所以这种调速方法不适用于无刷直流电动机。(3)改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但只能是有级调速，调速平滑性差，机械特性软;空载时几乎没什么调速作用;在调速电阻上消耗大量的电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用，而对于无刷直流电动机，其调速多采用调压调速。(4)采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法 其方法就是相当于直流电电压变化，功率及转速变化。脉宽调制（PWM）是调整脉冲的宽度而不是频率。“脉冲宽了”指的是高电平时间长了，低电平时间短了，是通过改变电机电枢电压接通时间和通电周期的比值（即占空比)来控制电机速度，这种方法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。即供电电压是宽度可调的脉冲电压，当脉冲最宽时，相当于直流电，功率最大，转速最高。脉冲宽度减脉冲频率并没有变。脉宽调制并不是直接调整电机的速度，而是改变电机的功率或扭矩。扭矩大了，换向加快，转速就提高了。 自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器直流电机调速系统，PWM的H型属于调压调速，PWM的H桥能实现大功率调速；国内的超大功率调速还要依靠可控硅实现可控整流来实现直流电机的调压调速。采用直流极式控制的桥式PWM变换器。与V-M系统相比在很多方面有较大的优越性：1、主电路线路简单，需用的功率器件少。2、开关频率高，电流容易连续，谐波少，电极损耗及发热都较小。 3、低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1：20000左右。4、若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。5、功率开关器件工作在开关状态，通道损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率高。6、直流电机采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高5。 由于以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能中。已完全取代了V-M系统。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。3.3直流无刷电动机控制系统常用控制策略 在无刷直流电动机的控制中，最早用模拟电路及分离式元件组成的电路来控制电机，由于其控制电路复杂，且存在零点漂移现象，稳定性不强。因此，逐步被高级的数字控制方式所取代，这些高级的数控方式主要采用单片机或DSP控制。近来随着电子器件工艺水平的提高及集成度的提高，高性能的专用模拟芯片由于其低廉的控制成本，用这些芯片来控制电机又逐渐越来越多。 以下简要介绍这几种控制芯片。（1）单片机控制 与复杂的模拟电路相比，单片机具有以下特点。电路更简单，运算快，程序修改方便。模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子分立元件，使电路复杂;采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可以通过软件实现。微处理器有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等。另外单片机灵活性和适应性强，微处理器的控制方式是由软件完成的，如果需要修改控制规律，一般不必改变芯片的硬件电路，只需修改程序即可，非常方便。无零点漂移，控制精度高数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论被控量的大或小，都可以保证足够的控制精度。多机联网工作使单片机有较强的控制功能、低廉的成本。人们在选择电动机控制器时，常常是在满足功能的需要的同时，优先选择成本低的控制器。因此，单片机往往成为优先选择的目标。从最近的统计数字也可以看出，世界上每年要有25亿片各种单片机投入使用，单片机是目前世界使用量最大的微处理器。 近些年来，随着微电子技术的发展，新一代的功能更全、运算速度更快的单片机不断发展。内部增加了很多模块，如PWM发生模块、比较和捕捉模块、A/D转换模块、看门狗、串行总线接口、D/A转换模块、内部FLASH存储器甚至CAN通讯模块等，大大减少了单片机的必需的外扩的引脚，单片机的外形越来越小，但功能却大大增强。由于采用了流水线技术，执行指令和提取指令可同时完成，因此，新一代的单片机比老一代的单片机速度快了数倍甚至几十倍以上。此外，采用了休眠省电工作方式、纳瓦技术及3.3V供电，使得单片机的功耗降低，这对于移动设备中电动机控制是相当有意义的。例如可以有效提高诸如数码摄像机、笔记本、电脑等设备的不插电使用时间。（2）DSP控制 数字信号处理器是近年来迅猛发展的新一代数字微处理器，随着价格的大幅度下降，逐渐进入运动控制领域。美国TI公司的C2000系列、AD公司的ADMC系列、PIC公司的dsPIC系列，这些都是以DSP为内核的集成电动机控制嵌入式芯片。DSP不但具有高速信号处理能力和数字控制功能，而且还具有电动机控制所必需的外围功能。在电动机控制控制器中采用DSP，不但可以实现诸如矢量控制、直接转矩控制等控制算法，而且也为现代控制理论及智能控制理论的实现提供了硬件条件6。（3）高性能专用集成芯片 随着IC技术的发展，模拟器件的集成度也越来越高，性能也越来越好。行业专用模拟芯片由于其价格低廉，定制方便，因此大量使用在一些对控制性能要求不是很高的场合。如Micro Linear公司的ML4425/4428无位置传感器无刷电动机专用控制芯片、安森美公司的 330系列等。这些芯片满足基本的电动机调速及控制功能，价格比起数字式芯片又具有一定优势，因此，低端市场很大。3.4直流无刷电动机控制系统的总体设计 为了实现按要求调节无刷直流电动动机转速的目的，基于实际情况，决定采用以基于PIC单片机为核心的控制系统要达到所需控制要求，通过设计出直流无刷电动机控制系统的硬件接口电路，设计出控制系统的软件程序，使得PIC单片机能够控制输出脉冲宽度，进而控制输出电压，以达到控制电机转速的目的。直流无刷电动机控制器系统结构图如图3.1。图3.1直流无刷电动机速控制器系统结构图沈阳化工大学学士学位论文 第四章 直流无刷电动机控制系统硬件接口电路设计第四章 直流无刷电动机控制系统硬