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基于盘式电机驱动的柴油机调速技术研究 摘要 随着当今社会环境污染和能源危机问题日益严重，人们对柴油机的经济性、有害排 放、可靠性等提出了更高的要求，这就要求采用多种措施对柴油机进行高精度、全工况 的优化控制。对于柴油机来说，传统的机械控制已经无法满足日益苛刻的要求。由于电 控系统具有控制精度高、响应速度快、控制策略灵活、适应性强的特点，柴油机电控化 成为现代柴油机技术发展的趋势。 柴油机电子调速系统的执行机构是控制系统的重要组成部分。根据执行机构高效 率、低功耗、大驱动能力、快速响应、安装空间等要求，选用为狭窄空间设计的盘式电 机，其轴向结构紧凑、驱动能力大。本课题基于盘式电机设计了一种能对其进行精确、 快速实时控制的数字化控制系统，通过电机调节柴油机油泵齿条位置，以达到控制柴油 机转速的目的。 根据柴油机及盘式电机执行机构的工作原理，应用m a t l a b s i m u l i n k 建立整个调速系 统的模型。针对传统p i d 控制算法存在的不足，对其进行了改进，将模糊控制适应性强 和p i d 控制稳态误差小等优点结合起来，提出了适合本系统的模糊p i d 切换控制算法， 该算法取代传统的p i d 控制器用以改善无刷电机控制的动态和稳态性能。 本课题以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，完成了控制系统的软硬件设计，包括盘式电机执 行器的驱动电路，电机的速度、电流、位置等信号采集电路，柴油机的转速采集及给定 电路、保护电路等。为提高系统的可移植性和实时性，采用模块化设计思想等完成了系 统软件设计。 本课题对各功能子模块及驱动控制模块进行了测试试验，运用m a t l a b s i m u l i n k 平台 及c c s 软件对控制系统进行了仿真实验与模拟试验。结果表明，实验波形与理论分析 基本一致，一定程度上证明了此控制系统的可行性。 关键词：柴油机：盘式电机：控制算法；执行器：驱动 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc o n t e m p o r a r ys o c i e t y , a sm o r ea t t e n t i o n sa r ep a i do ne n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n d e n e r g yc r i s i si s s u e s ，d i e s e le n g i n e sa r er e q u e s t e dt ob em o r ee c o n o m i c ，r e l i a b l ea n dh a v el e s s n o x i o u se m i s s i o n s t h ec o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a lc o n t r o lo fd i e s e le n g i n e sc a n n o ts a t i s f i e d t h e s er e q u i r e m e n t s t h ee l e c t r o n i cc o n t r o lo fd i e s e le n g i n e sh a sc h a r a c t e r i s t i c so fm o r e a c c u r a t ea n df l e x i b l ec o n t r o l ，f a s t e rr e s p o n s ea n dh i g h e ra d a p t a b i l i t y , s ot h ed i e s e le l e c t r o n i c c o n t r o li sb e c o m i n gt h ec u t t i n ge d g eo fd i e s e lt e c h n o l o g y 1 1 1 ea c t u a t o ro fd i e s e le l e c t r o n i cs p e e dc o n t r o ls y s t e mi so n eo ft h em a j o rc o m p o n e n t so f c o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so fa c t u a t o r , s u c h 豁h i g he f f i c i e n c y , l o wc o n s u m i n g ， h i g hd r i v i n gp o w e r , h i g hr e s p o n d i n gs p e e d ，l i m i t e df i t t i n gr o o m ，t h i st h e s i sc h o o s e st h ed i s c b r u s h l e s sd cm o t o rw h i c hi s s p e c i a l l yd e s i g n e df o rl i m i tf i t t i n gr o o m t h es t r u c t u r a l a r r a n g e m e n ti nt h el o n g i t u d i n a ld i r e c t i o no fb l d c m i st i g h t ，a n di t sd r i v i n gf o r c ei sb i g ，s oi t i ss u i t a b l ef o ri m p l e m e n t i n gi n s t r u m e n t i nt h i st h e s i s ，ad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mw h i c hc a n a c c u r a t e l ya n dr e a lt i m ec o n t r o li sd e s i g n e db a s e do nb l d c mi sd e s i g n e d t l l i ss y s t e m a d j u s t st h er a c kp o s i t i o n so f o i lp u m p st h r o u g hb l d c ma ss ot oc o n t r o ld i e s e le n g i n es p e e d u n d e rm a t l a b s i m u l i n k ，t h ew h o l es p e e d a d j u s t m e n tm o d e li sb u i l ta p p l i c a t i o nb a s e do n t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fd i e s e le n g i n ea n dc o n t r o la c t u a t o ro fb l d c m c o m b i n i n gt h e s t r e n g t ho ft r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ( h i g ha d a p t a b i l i t y ) a n df u z z yc o n t r o la l g o r i t h m ( s m a l l c o n t r o le r r o ri ns t e a d ys t a t e ) ，a ni n t e l l i g e n tf u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o l l e rw a sd e v e l o p e d t h er e s u l t ss h o wt h eg r e a ti m p r o v e m e n to ft h eb l d c mc o n t r o lp e r f o r m a n c ei nd y n a m i ca n d s t e a d ys t a t e ，e s p e c i a l l yi n c r e a s i n gt h es y s t e mr e s p o n s es p e e da n dc o n t r o la c c u r a c y 黝ah a r d c o r eo ft m s 3 2 0 f 2 812 。t h i st h e s i sc o m p l e t e st h ed e s i g no fs o f t w a r ea n d h a r d w a r ec o n t r o l s y s t e m s ，i n c l u d i n g t h ed r i v i n gc i r c u i t so fd i s ct y p eb l d c m ，s i g n a l s a c q u i s i t i o nc i r c u i t sf o rt h es p e e d ，c u r r e n ta n dp o s i t i o no fm o t o r , a n df o rt h es p e e da n dt h e p r o t e c to fd i e s e le n g i n e t h ei d e ao fm o d u l a r i z a t i o ns o f t w a r ed e s i g ni sa d o p t e di no r d e rt o i m p r o v et h et r a n s p l a n t a t i o na n dr e a lt i m eo ft h es y s t e m s r n l et e s t sa n de x p e r i m e n t so fd i f f e r e n ts u b m o d u l e sa n dd r i v i n gc o n t r o lm o d u l ea r e p r e s e n t e di nt h i st h e s i s ；s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sb a s e do nm a t l a b s i m u l i n kp l a t f o r ma n dc c s s o f t w a r es y s t e ma r ea l s oc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee x p e r i m e n t a lw a v es h a p e s c o m p l yw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s s ot h ec o n t r o ls y s t e mi sp r o v e dt ob ef e a s i b l e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；d i s ct y p eb l d c m ；c o n t r o la l g o r i t h m ；a c t u a t o r ；d r i v e r 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 由于能源危机、环境污染日益严重，人们对柴油机的经济性、排放性能和可靠性 等提出了更高的要求。对于柴油机来说，在其燃烧室及进排气系统已确定的情况下， 传统的机械控制已无法满足新的要求【i 2 】。由于电控系统具有控制精度高、响应速度快、 控制策略灵活、适应性强等特点，它的应用有效地改善了柴油机的动、稳态性能，提 高了柴油机的经济性、降低了排放，已然成为现代柴油机技术发展的趋势【3 , 4 1 。作为柴 油机调节控制核心的电子调速系统，也得到了快速发展。 采用电子调速技术是提高柴油机调速技术指标的主要途径，执行机构又是柴油机 电子调速系统中的关键部件，也是对柴油机实施调控的唯一手段，它将电控系统的控 制信号转化为机械动作，驱动齿条运动，从而达到控制油量的目的。因此，执行机构 的性能直接影响整个柴油机电子调速系统的性能。 为适应柴油机非线性、时变性、负载变化剧烈、工作环境恶劣、可靠性要求高等 特点，执行机构必须满足低功耗、动态响应快、环境适应性强等特殊要求。在执行器 选型确定的情况下，其工作性能完全取决于控制器的设计，在控制方面要充分考虑到 调节精度、动态响应特性、抗干扰能力等一系列问题。美国、德国、挪威、日本等许 多发达国家纷纷投入大量的人力、物力进行柴油机电子调速执行机构的研究，并开发 出电液、电磁、有限转角力矩电机等一系列性能优良的产品。执行器的选型与控制是 整个电子调速系统设计中的一个重点，也是一个难点。 本课题来源于对6 2 0 型柴油机用调速系统国产化研制项目。6 2 0 型柴油机电控系 统的执行机构原采用德国进口的有刷直流电机，由于其采用电刷以机械方式换向，工 作中存在机械摩擦，并由此带来电磁干扰、换向火花以及寿命短等问题，极大的影响 了执行器的可靠性和使用寿命。本课题的主要目的是采用盘式无刷直流电机( 以下均 称为无刷电机) 代替原有的有刷电机作为执行机构应用于柴油机的电子调速系统中， 并解决有关的软硬件设计问题。 1 2 不同执行机构在柴油机调速系统中的应用情况 目前在柴油机调速系统中，应用较多的执行机构有比例电磁铁( 线性螺线管) 、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电液式执行器、步进电机、直流伺服电机等，它们各有优缺点。国内研发应用较多的 电子调速执行器是比例电磁铁执行器和电液式执行器。 1 、比例电磁铁 在国内中小型柴油机电子调速系统中应用较多的执行器是比例电磁铁执行器。它 是用电磁力作为驱动力，一般用回位弹簧提供复位力，控制信号为电流信号。这种执 行器的优点是结构简单、控制方便、响应速度较快。为了保证电磁铁处于某一状态， 该执行器需要一定的保持电流，且位移和维持电流越大，造成功耗增大，电磁铁特性 受负载参数的影响也很大【5 】。文献 6 】指出目前电子调速器普遍存在自身功耗较高( 一 般为3 0 8 0 w ) 的缺点，主要是执行部件中复位弹簧的存在造成的。另外，根据其工 作原理，比例电磁铁的驱动能力不会太大，只能用于中小型功率的柴油机上。 2 、电液式执行器 对于大功率柴油机一般采用电液式执行器。该执行器主要由电液转换元件和液压 油缸组成，采用液压作为驱动力，其特点是驱动力大、电功耗低。但由于液压执行机 构对零件加工精度要求高，并需要外加液压驱动源等因素，使系统结构复杂，加工精 度要求高，调试、维修困难，限制了使用。 3 、步进电机 步进电机是一种把电脉冲信号转换成角位移的电气机械，它只能在一定脉冲电源 供电下才能运行。其角位移量与输入脉冲数严格成正比，起动能力强。采用步进电机 的控制系统结构简单、调试方便、工作可靠。 应用于电子调速器的不足是：步进电机存在低频振荡、失步和高频失步等缺陷； 输出扭矩随运行转速急剧下降；因存在步距的限制，造成其输出不连续，可能影响调 速精度；功耗、噪声和振动较大。 4 、直流伺服电动机 直流伺服电动机的作用是将控制电压信号转换成转轴上的角速度输出，通过改变 控制电压的极性和大小，就能改变电动机的转向和转速。传统直流电机作为机电能量 转换装置，具有良好的线性机械特性、调速范围宽、起动转矩大、控制电路简单，适 用于中、大功率随动系纠引。 应用于电子调速器的不足是：采用机械机构( 电刷) 进行换向，存在机械摩擦、 电磁干扰、换向火花以及寿命短等缺点；同时，因其输出为电机转动，而由转动到直 线运动由传动机构来完成，所以造成惯性大，动态性能差，机械损失比较大。 2 第1 章绪论 5 、无刷直流电机 在直流伺服电动机中有一类叫做无刷直流电机【9 】。它是利用电子换相技术代替传 统直流电机的电刷换向的一种新型直流电动机，通常采用永磁体为转子，没有励磁损 耗；发热的电枢绕组通常装在外面的定子上，这样热阻较小，散热容易【1 0 , 1 1 】。因此， 无刷电机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修方便，既具备一 般直流电动机运行效率高、起动转矩大i l2 1 、调速范围宽等优点，又具有交流电动机结 构简单、运行可靠和维修方便等特点，可在低速甚至是堵转的情况下运行【” 1 6 1 ，原理 上很适合于大功率柴油机电子调速执行机构的应用。 1 3 无刷电机技术在国内外发展应用情况 针对无刷直流电机存在多变量、非线性、时变性的特点，对于其控制技术的研究 主要集中在速度、电流、位置三个方面。本课题主要研究的是无刷电机的位置控制( 技 术) ，即位置伺服系统。 以快速、精确跟踪和定位为主要目标的位置伺服系统，是现代高科技各领域中不 可缺少、应用十分广泛的一种自动控制系统。其控制原理经历了开环位置伺服系统、 半闭环位置伺服系统、全闭环位置伺服系统、混合闭环位置伺服系鲥1 7 1 。 7 0 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件 以及高性能永磁材料不断投放市场，国际上逐渐形成了无刷直流电机的研究热潮，为 其应用打下了良好的基础。因为无刷直流电机具有优异的性能，在位置伺服系统中作 为执行机构得到了广泛的应用。一些公司的电机产品已经占据了不同的应用领域。 f u n k 、u s a 的产品主要应用于工厂自动化领域，p a p s t 的产品主要应用于仪器设备 领域，k o l l n n o r g 的产品主要应用于国防和航天领域【l 引。如文献 1 9 将无刷电机 应用于工业缝纫机中，采用了模糊p i d 控制和电流预估的方法，设计了数字位置伺服 控制系统；深海机械手 2 0 1 、二次离散滤波器( 2 l 】中的位置伺服控制系统也均采用无刷电 机，取得了良好的应用效果。 虽然无刷电机在不同领域的位置伺服系统得到了广泛应用，但是无刷电机作为柴 油机电子调速系统执行机构的研究，在国内还鲜见相关研究报道。若将其作为电子调 速系统执行机构，必须对其控制的快速响应、精确定位等方面的提出严格要求。 首先，实现对无刷电机的控制，本身就是技术上的一个难点。 在控制程序的算法上，对其控制的实时性要求更高。传统的p i d 控制虽然控制原 哈尔滨工程大学硕士学位论文 理简单、应用广泛，但其主要是控制具有确定模型的线性过程。在稳定状态下运行时， 当遇到外界比较强烈的干扰，传统的p i d 控制超调较大，稳态恢复时间较长，影响了 控制系统对整体动、静态性能的进一步提高，很难达到较高的控制精度。 近年来，针对无刷电机多变量、非线性、强耦合的系统特点，人们将智能p i d 控 制器、模糊控制、自适应控制、人工神经网络、专家控制等技术引入电机控制，取得 了良好的效果。文献【2 2 】提出一种基于免疫遗传算法的递归模糊神经网络控制器的设 计方法，并应用于无刷直流电机三闭环控制系统的位置调节器中，实现系统精确的位 置控制。在与传统p i d 位置控制器仿真比较中，采用该方法的系统显示出良好的控制 性能和效果。 在控制程序的结构上，将无刷电机作为柴油机电子调速系统的执行器，必须考虑 电机本身的三闭环系统与柴油机的转速环的闭环融合问题，如图1 1 。其次，对于柴油 机这种大型高速的运动机械，必须通过相应的技术手段来保证其安全工作，延长使用 寿命，因此相应的故障检测及保护措施是必不可少的。另外，在保证满足设计要求的 情况下，还应考虑系统的经济性与通用性。 图1 1 系统控制流程图 1 4 本文所做的工作 本文的主要研究内容为：以基于盘式电机驱动的柴油机调速技术研究为课题，采 用1 r i 公司的高速数字信号处理器芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为主控芯片，通过扩展相关电路 采集柴油机转速、无刷直流电机的位置、电流和速度等信号，采用先进控制算法对上 述参数进行多闭环实时控制，由此可以实现精确控制电机转动位置的系统功能，通过 电机调节柴油机油泵齿条位置，以达到控制柴油机转速的目的。 系统采用p w m 方式实现对无刷直流电机的控制。其基本原理是通过d s p 的p w m 输出端口经功率驱动模块对电机进行控制，其中位置信号和电流信号形成反馈，而位 置检测的同时可以计算出电机转速参数。因此可以对电机进行速度环、电流环、位置 环的三闭环控制，进而间接控制柴油机转速。 4 第1 章绪论 本课题的研究内容具体如下： 1 、方案论证，掌握盘式电机的结构、工作原理，使用s i m u l i n k 完成其数学模型 的建立，并进行控制策略的仿真优化研究。 2 、控制器软、硬件设计：在已有的i c e t e k f 2 8 1 2 a 评估板的基础之上，完成了 系统的软硬件设计，包括电机驱动模块，电机电流、位置检测电路，保护电路，柴油 机转速检测及给定电路等模块。利用专用开发软件c c s 3 3 ，使用c 语言编程，采用 模块化设计思想，增强程序的可读性，完成软件设计。 3 、试验验证：完成软硬件的设计后，对系统进行试验调试，分析结果，得出结论。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计方案 2 1 总体方案的技术要求 本课题以t b d 6 2 0 型柴油机为研究对象，针对以盘式无刷直流电机为执行器的数 字式电子调速器进行研究与设计。该柴油机具体的性能参数如表2 1 所示。系统所要 采集的状态参数如表2 2 所示。 表2 16 2 0 型柴油机主要性能参数 发动机缸数及布置型式v 8 1 2 1 6 ；夹角9 0 。 缸径行程，m m 1 7 0 1 9 5 单缸排量，d m 3 4 4 3 标定功率，k w 8 8 0 2 0 3 2 标定转速，r m i n 1 5 0 0 发火转速，r m i n 1 5 0 ( 5 ) 最低稳定转速，r m i n 6 0 0 表2 2 状态参数量 采集量范围 柴油机转速( r m i n ) o 2 0 0 0 电机位置( 。) 0 3 6 0 电机电流( a )1 5 6 本系统以设计高性能的电子调速器为目标，采集传感器信号并对柴油机的状态进 行检测，实现基本的调速功能，本文设计的数字式电子调速器满足以下技术要求： ( 1 ) 通过电位计设定转速，实现基本调速功能。当负载变化时，维持转速稳定； 当设定值变化时，调节转速达到设定值，保证发动机转速恒定在静态调速率的范围内； ( 2 ) 监测参数：执行电机位置、执行电机电流、柴油机转速等； ( 3 ) 实现执行机构的快速准确定位。 2 2 执行器的选择 通过1 2 节对不同执行机构在柴油机电子调速系统中的应用情况及有缺点比较， 本课题选择了在位置伺服系统中越来越受到人们青睐的无刷直流电机，该类电机结构 简单、可控可靠性强、起动转矩大、调速范围宽。尤其是为狭窄空间设计的盘式无刷 6 第2 章系统总体设计方案 直流电机，作为无刷电机的一种特殊的结构形式，其设计扁平，轴向结构更为紧凑， 可适用于严格要求薄型安装的场合。 盘式无刷直流电机采用无铁心电枢结构，不存在普通圆柱式电机由于齿槽引起的 转矩脉动，转矩输出平稳：电枢绕组电感小，具有良好的换向性能；由于电枢绕组两 端面直接与气隙接触，有利于电枢绕组散热，可取较大的电负荷；转动部分只是电枢 绕组，转动惯量小，具有优良的快速反应性能，可用于频繁起动和制动的场合。基于 盘式永磁直流电动机优良的性能和较短的轴向尺寸，非常适合作为柴油机的执行机 j 孓 ； 眨 - 工 ， 一 三 l j 卜芦 卜 所示。实物图如图2 2 所示。 t j 图2 】盘式电机典型结构【3 3 】 ( a ) 结构示意图( b ) 永磁体排列方式 l 一端盖2 换向器3 电刷4 永磁体 5 电枢6 端盖7 轴承8 轴 2 3 微处理器的选择 图2 2 盘式无刷直流电机典型实物图 在整个柴油机调速控制系统中，其核心部件为控制器及其对应的控制策略。基于 无刷直流电机的柴油机调速控制系统是以控制无刷电机来实现控制柴油机转速，这种 方法使得在微处理器选择时，即要满足控制系统的实时性要求，又要具备丰富的内部 资源和充分的接口容量。 对无刷电机的控制发展至今，单片机和专用的控制器，虽然已取得了一些成果， 但是其实时性、数据处理速度等方面尚有缺陷。2 0 世纪8 0 年代初，随着微电子技术 的发展出现了数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，即d s p ，它是专门用于完成 各种实时数字信息处理，并在数字信号处理的各种理论和算法基础上发展起来的【3 4 i 。 d s p 芯片一改传统的冯诺依曼结构，采用了程序存储区及其总线与数据存储区及其总 哈尔滨工程大学硕士学位论文 线相分开的哈佛结构，同时在硬件上设置了乘法累加器，可在单个指令周期内完成乘 法累加运算，这些特点都大大提高了系统的运算速度，从而保证了整个系统实时性。 在无刷直流电动机控制系统中引入d s p 技术，大大提高了系统的集成度，改善其运算 性能以及运算速度。 从市场现状可以看出：由于单片机价格低廉，软件开发容易，使得其在柴油机数 字控制系统的市场上占尽先机。但由于这类单片机的运算处理速度不快、内部资源和 接口容量有限，因此系统精度的提高相对受到了影响。随着d s p 技术的应用越来越广 泛，利用d s p 强大的数据处理能力和先进的电力电子技术，对柴油机组进行实时监控 是有现实意义的，并为柴油机的全面自动化打好基础。 2 4 硬件电路总体设计 结合柴油机调速控制系统的要求，本课题所设计的硬件资源如下表所示： 表2 3 硬件资源介绍 转速给定电路1 路 转速信号调理电路 2 路 转速保护电路 1 路 电机电流检测电路3 路 电机位置检测电路1 路 电机驱动电路 1 路 电机电压保护电路2 路 电机过流保护电路3 路 电机掉电保护电路l 路 电源电路5 路 8 第2 章系统总体设计方案 系统结构如下所示： 图2 3 系统框图 各模块结构框图如下所示： 洲鸺 亟互卜匝亘固困 图2 4 电机驱动电路图 图2 5 电机电流图 r 一信号调理电路卜一程控振荡器卜- 提供叫磁信号提供基是电压 l _ ! ! i i 鋈l i 篁二上正弦信号+ 臣i j i j i ； ! 至至卜正弦信号_ - 】至至霎至至二卜- 二! i i ! ! ! j i 困 l 一余弦信号一余弦信号j 图2 6 电机输出位置速度图 2 5 软件系统总体设计 图2 7 柴油机转速图 控制系统的软件由主程序和若干个功能子程序组成，其中主程序主要完成软硬件 功能的初始化、控制流程等功能，转速采集、控制算法的实现和控制信号输出由中断 服务程序完成，状态参数的采集由各功能模块程序完成。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 控制程序均采用模块化设计，在每个功能模块中，将少量与其它模块共享的变量 屏蔽后，该模块即可独立于其它模块运行，这有利于整个系统程序的修改和调试。软 件总体设计时，需要考虑各端口的配置情况，充分合理的利用现有资源，具体情况如 表2 4 。 表2 4 端口配置介绍 序号引脚名称端口功能 序号引脚名称 端口功能 la d i n a 3 给定转速信号 7s p s o m a 电机位置输出 2a d i n a 0 a 相电流检测 8 s p i s t e a 电机位置片选信号 3a d i n a l b 相电流检测 9s p s o m a 电机位置时钟信号 4a d i n a 2 c 相电流检测 1 0t c l k i n a 5p w m 7 1 2 p w m 信号输出 l1c a p l 转速检测信号 6i 0 1 i 0 6 保护电路 1 2c a p 2 2 6 本章小结 本章根据柴油机参数和控制要求，主要介绍了系统的总体方案设计，并对硬件模 块划分和软件总体设计分别进行了介绍，给出了系统结构框图，为以后的工作奠定了 坚实的基础。 1 0 第3 章系统数学模型的建立及仿真 第3 章系统数学模型的建立及仿真 3 1 无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机，又称为无机械电刷和换向器的直流电机( b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n t m o t o r ，简称b l d c m ) ，和传统有刷直流电机相比，省去了机械换向器和电刷，通过 电子换向来实现无刷运行。它主要由电机本体( 包括定子绕组和永磁转子) 、位置传感 器和电子换相电路三大部分组成，如图3 1 所示。 电动机 电子开关线路 图3 1 无刷直流电机组成框图【3 6 】 无刷直流电机的转子由永磁材料制成的，是具有一定磁极对数的永磁体。定子由 3 个空间完全对称的单相集中绕组组成，各相绕组分别与外部的电子开关电路相连， 开关电路中的开关管受位置传感器的信号控制。三相无刷直流电机从驱动方式来说， 主要有3 种形式：两相通电模式、三相通电模式和两相三相混合通电模式。 为了获得最大的电磁转矩，无刷电机需要工作在三相全桥驱动、定子绕组两两导 通、三相六状态的方式，电机每隔1 6 周期( 6 0 。电角度) 换相一次，每一功率器件 导通1 2 0 。电角度。 直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的 位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而自动控制哪些绕组通电， 哪些绕组断电，实现电子换向。 下面以二相导通星形三相六状态无刷直流电动机为例具体说明其工作原理。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c c ( a )( b ) 图3 2 稀土永磁无刷直流电机工作原理示意图 在b l d c m - e 作过程中，假设当转子位于图3 2 ( a ) 所示位置时为0 。，相带a 、b 、c 在n 极下，相带a 、b ，、c 在s 极下，此时a 相正向通电，b 相反相通电，c 相不通电，产 生的定子磁场与转子磁场相互作用，使转子逆时针恒速转动。当转过6 0 。后，若转子继 续转下去，在同一磁极下的电枢绕组中就有部分导体的电流方向不一致，它们相互抵消， 削弱磁场，使电磁转矩减小。为避免出现这样的结果，在6 0 。1 2 0 。区间，使b 相断电， c 相反向通电，如图3 2 ( b ) 。如此下去，转子每转过6 0 。就必须换相一次，电动机就会平 稳的旋转下去。 3 2 无刷直流电机模型的建立 本课题中采用的是三相，极对数为1 2 的无刷电机，该电机为无槽结构3 7 1 ，电机 定子绕组为y 型连接。在此结构基础上，根据具体参数，建立数学模型，并做如下假 设以简化分析过程【3 8 】： ( 1 ) 忽略电机铁心饱和，不考虑涡流和磁滞的损耗； ( 2 ) 不计电枢，气隙磁场分布近似认为是平顶宽度为1 2 0 。电角度的梯形波【4 1 】； ( 3 ) 忽略齿槽效应，电枢导体连续均匀分布于电枢表面； ( 4 ) 驱动系统逆变电路的功率管与续流二极管均具有理想的开关特性； ( 5 ) 电机定子三相完全对称，绕组电阻、电感参数完全相同。 本设计选用m a x o n 公司的无刷电机e c 9 0 ，其具体技术参数为： 1 2 第3 章系统数学模型的建立及仿真 表3 1 电机参数介绍 参数值参数值 极对数 1 2 工作电压( v ) 2 4 功率( w ) 6 0 相数 3 转矩系数( n m a ) 0 2 1 7 转动惯量( k g m 2 ) 3 0 6 x1 0 - 4 空载转速( r m i n )1 5 6 0 标定转速( r m i n ) 1 2 4 0 连续运转最大电流( a ：1 7 8 起动电流( a ) 1 5 6 相电阻( q ) 2 3 相电感( h )2 5 1 0 - 3 机械时间常数( s ) o 0 1 5 速度系数( r m i n v ) 4 4 根据基尔霍夫电流定律，三相电流满足+ + f c = 0 ，由于绕组电阻、电感参数 圣三圣 = 蚕昙量 差 + 三i 肘三 - 三互 丢 耋 c 3 ， 隧u 船- ( e a - 驯e , ) 立眦i ：0 mm - l 篙om 协2 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 并且 e d = k n ( 3 3 ) 式中：k 一电机绕组反电势系数，由电机结构决定，k = 1 4 4 = 0 0 2 2 7 3 v r r a i n ； p 。一电机a 相的反电动势，v ； 一转速，r r a i n 。 由于e = t 。o j - - 巳，则电磁转矩为： z ：p ( e , , i , , + e t , i b + e c i c ) ( 3 4 ) q 在两两导通情况下，上式可简化为： z = 群f ( 3 5 ) 式中：z 一电磁转矩，n m ； 厨一电机的转矩系数； 尸一电机极对数； q 一电机机械角速度，r a d s 。 电机运动方程为： i t ：j 睾- i - 马，q ( 3 6 ) 以l 式中：z 一负载转矩，n m ； ，一转子转动惯量，k g i n 25 院阻尼系数，n m s 。 由于电流变化比转速变化过程快得多，而反电动势仅与转速有关，故可假设电流 变化时，反电动势不变。通过以上几式可得： d d t “ b z ( - q 假设 1 l m o 1 m 一工 1 m 一三 1 l m 0 oo j o m l j 二。 三一朋 。 三 “黜一( 匕一) “盯一( e b 一印) ? c a 一( e c e 爿) 瓦一互 1 4 r一只 0月 一ro 0o 0o ro ro o 生 j b 0 q ( 3 7 ) 第3 章系统数学模型的建立及仿真 1 ( z 一膨) 0 1 ( m 一三) o 1 ( m - l ) 1 ( z - m ) o 0 一( 一e d u b c 一( e b e c l 一( 一) z 一乏 oo 1 ( e 一三) 0 1 ( l 一肘) 0 q、jj 。 b f c q = a 。 足一足 0天 一只0 00 则系统的状态方程为： ；三? 凰+ 彳材 无刷电机的本体模型详见附图7 和附图8 。 3 3 柴油机模型的建立 00 一r0 r0 0 一b v = b ， ( 3 8 ) 面向控制分析的发动机模型主要是用来对发动机控制系统进行设计、改良和评估。 一般用于控制分析的柴油机动态模型分为三类：线性模型、准线性模型和非线性模型 h 8 1 。由于考虑到柴油机瞬时动态响应的实时性要求，模型的建立不宜复杂，往往用些 表格或线性的方程来拟合复杂的变量间关系，使得计算简单、量小。由于硬件运行速 度的限制，到目前为止，在柴油机控制领域中，应用最广泛的是准线性模型，该模型 简单、计算时间短、使用方便，且能满足控制设计的要求。 本文建立了一个以齿条位移量为输入、柴油机转速为输出的准线性仿真模型，如 图3 4 所示。 图3 4 柴油机模型 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 1 供油及其滞后模块 柴油机喷油泵的微分万程如f ： g = 卺矽 式中：x ：竽一喷油泵齿条位移办的相对量； g ：垒一循环供油量g 石的相对量； 吒一柴油机燃油供给装置的自平衡系数。 9 一放大系数。 当喷油泵齿条位置改变以后，柴油机功率和扭矩并不会马上改变， 滞后过程，这一过程形成一个纯滞后环节。纯滞后环节的传递函数为： g f ( s ) = 万1 而1 式中：f 一滞后时间，s 。 根据经验公式，可知 吲1 1 5 ) 器她。2 ( 3 9 ) 而是有一时间 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 式中：7 一冲程数， 一气缸个数， 吃一柴油机转速，r m i n 。 3 3 2 充气效率碾，模块 本文认为气缸充气效率仅为发动机转速的函数，因此可由发动机台架实验数据得 到不同转速时对应的充气效率，然后用最d , - 乘法编程拟合在整个工况下的充气效率 曲线，如图3 5 所示。并将该曲线固化在m a t l a b s i m u l i n k 的一维查表模块中。 1 6 第3 章系统数学模型的建立及仿真 n 衡 n 7 5 a 7 4 5 a 7 4 n 7 3 8 o 7 3 0 7 2 5 o 7 2 0 7 1 5 o 7 1 n 鼍瓷r 存万i 赢1 蠡广矗矿型矗j 蠡- 高r 喘 转遣r n l * 3 3 3 气体流量模块 图3 5 充气效率曲线 这里发动机的气体流量用q m 。表示。忽略残余废气系数，气体流量为： 舻揣( 3 - 1 2 ) 式中：卜发动机气缸总排量，m 3 。 发动机气体流量模型如图3 6 所示。 v 图3 6 气体流量的m a 廿a b s i m u l i n k 模型 3 3 4 指示热效率纪模块 本文中仅考虑指示热效率随燃空比的变化。由发动机试验数据算得燃空比数值， 采用最小二乘法拟合在整个燃空比范围内的指示热效率曲线，如图3 7 所示。指示热 效率的模型中，为单位时间喷入气缸内的供油量，单位为k g s ，如图3 8 所示。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j ，。i矗、 t y 。b 1 魄3 ：i ! 吐21 i 魏o 如 耳 i 一一一一f 一一 ， 、 一一一一一一r 一一一一 一一一 - j 一_ l _ 一i - - 燃空比 图3 7 指示热效率曲线 图3 8 指示热效率的m a t l a b s i m u l i n k 模型 3 3 5e n g i n e 模块 由牛顿第二定律可得发动机转动的平衡方程： m i m f m 尸u c + j _ 夏z - d i n 对两端进行拉氏变换得 m ，( s ) 一m ，( s ) 一m 。( s ) = d 3 z _ o _ s n 指示转矩 摩擦损失转矩为 ”q 删l 熹 m r = 1 0 0 0 ( 7 5 + 揣+ o 4 & 2 ) 矿 4 万) 式中：妒负载转矩，n m ； 以一柴油机的当量转动惯量，k g m 2o s 卜活塞平均速度，m s ： 以一负载的转动惯量，k g m 2 ； g 啦厂。供油率，k g s ： 吼删一燃油的低热值，j k g 。 e n g i n e 内部结构如图3 9 所示。 ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) 第3 章系统数学模型的建立及仿真 置| 宣；宣l i 昌暑宣n r | d - - i i 宣i 昌宣薯置i 皇暑每i 暑暑i _ _ _ 墨宣i i 宣| 1 +q 心 a m r n 酬砸 。二已， r z s r x l n m i产 刊w m m f i h 儿 图3 9e n g i n e 的m a t l a b s i m u l i n k 模型 3 4 系统控制策略研究与设计 目前，对于无刷电机的控制大多采用三闭环，即电流环、速度环和位置环。 电流环的设计必须考虑电流的快速跟随性能。也就是说，当电流给定发生变化的 时，控制系统必须迅速做出响应，使输出电流跟踪给定电流的变化。在本设计中，每 一个p w m 周期对电流采样一次。这里电流的采样频率为1 0 k h z ，周期为0 1 m s 。由于 电流环的响应速度很快，因此采用p i 控制算法，并没有引入微分环节，以避免微分因 子的加入造成电流环的振荡。另外对于本电机，电磁时间常数z = l r = 1 0 9 m s ，机 械时间常数t m = 1 5 m s ，由- t - e g 磁时间常数远小于机械时间常数t m ，电流调节比转速的 变化过程快得多，也比反电动势变化快得多，因而电流调节可忽略反电动势的影响。 速度环作为三环控制中的中间环节，它与系统硬件部分没有任何直接联系。速度的 给定由位置环调节的结果产生，速度环的调节结果则作为电流环的给定，显然，转速环 在三环控制中起着承上启下的作用。而且速度环增加了系统抗负载干扰能力，抑制转角 位置的波动。由于反馈速度利用反馈的位置信号微分得到，这对反馈的位置信号提出了 较高的要求。速度环的控制算法与电流环的控制算法差别不大，在这里同样采用p i 调节。 位置环作为无刷电机三环控制的第三环，直接决定无刷电机的动、静态性能，也是 控制器设计中最关键的部分之一。 传统的p i d 算法虽然具有结构简单，鲁棒性较强的特点，随着工业的发展，对象的 复杂程度不断加深，尤其对于大滞后、时变的、非线性的复杂系统，常规p i d 控制的缺 陷就逐渐暴露了出来。因此必须对传统的p i d 控制算法进行改进，使其尽可能的兼顾各 项性能指标。 当误差较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；而当误差较小时，控制量的选择 要注意超调的发生，以系统的稳定性为主要出发点。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为了满足无刷电机在柴油机调速控制系统中精确性和实时性的要求，本文选择了模 糊控制与p i d 控制切换结合的方法。结合模糊控制灵活而适应性强的优点和p i d 控制精 度高和易于实现的特点，在偏差较大时采用模糊控制技术，以提高系统的响应速度，加 快响应过程；而在偏差较小时采用p i d 控制技术，避免模糊控制稳态误差大的弊端，消 除静态误差，提高控制精度。这样既保持了传统p i d 控制器的优点又克服了模糊控制的 稳态静态问题，从而达到提高系统控制性能的目的。 模糊控制的工作过程是根据检测到的电机位置，计算偏差与偏差变化率。由于此时 的位置偏差与偏差率为精确值，需要经过模糊化处理，得到模糊量。而模糊控制器是根 据模糊量，按照模糊推理原则，计算得到的控制模糊量。最后，把模糊推理量去模糊处 理，变为精确量，从而精确控制电机的位置。控制系统结构如图3 1 0 所示。 参 输 图3 1 0 控制