（控制理论与控制工程专业论文）基于无刷电机的工业缝纫机伺服系统研制.pdf

摘要 捅安 随着缝制业的不断发展，目前缝制机械技术已经全面进入机电一体化阶段。 在不断追求缝制速度和缝制质量的| j 提下，结合实际情况研制了高速y i , l k 平缝机 伺服控制系统。 本论文研究了高速工业缝纫机伺服控制系统的组成结构、控$ l j t j 。案和系统的 硬软件设计等问题。在详细分析工业缝纫机的工作原理和伺服技术的基础上，提 出了速度、电流和位置三闭环控制的方案。采用无刷直流电机作为系统的驱动部 件，并详细介绍了无刷电机的组成原理和控制方法，利用m a t l a b 对无刷电机的 控制系统进行了详细的仿真分析。论文还对控制律进行了讨论、分析、并接合实 际情况，选用了分段双环的p i 算法和迭代学习控制技术。对系统制动问题进行了 重点讨论，提出能耗制动和反接制动相结合的方法。 硬件部分选用8 0 c 1 9 6 m c 单片机为核心控制器，利用单片机内部的波形发生器 产生一路占空比可调的p w m 波来控制电机的电压，采用硬件电路对无刷电机的换 相进行控制，再加上由栅极驱动芯片i r 2 1 3 6 5 为核心的功率驱动部分，以及实用 的隔离抗干扰技术，从而实现了一套简单、可靠、商效的伺服系统硬件电路设计。 软件部分的设计主要采用c 语言和汇编语言，利用模块化设计方法，设计了 系统主程序、调速和电流控制、键盘和显示、制动以及各缝纫模式等程序模块。 论文最后对系统的运行情况进行了测试。 关键词：工业缝纫机，无刷直流电动机，制动，功率驱动 西北工业大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e e d l et r a d ec o n t i n u o u s l y , t h et e c h n o l o g yo fi n d u s t r y s a r t o r i u sh a se n t e r e dt h em a c h i n eu n i t e de l e c t r i c i t ys t a g ea tp r e s e n t u n d e rt h es i t u a t i o n o fp u r s u i n gs e ws p e e da n dq u a i i t y ；h a v ed e v e l o p e dt h eh i g h s p e e di n d u s t r ys a r t o r i u s s c r v oc o n t r o ls y s t e m ，w i t hav i e wo f r e a l i t y t h ed i s s e r t a t i o nh a ss t u d i e dt h ep r o b l e m so fs t r u c t u r e ，c o n t r o ls t r a t e g y , h a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n , a b o u tt h eh i g h s p e e di n d u s t r ys a r t o r i u ss e w oc o n t r o ls y s t e m o n t h eb a s i so fd e t a i l e da n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo fi n d u s t r ys a r t o r i u sa n ds e t v oc o n t r o l t e c h n o l o g y , c o n t r o lp r o j e c to ft h r e ec l o s e dl o o pw h i c hi n c l u d ev e l o c i t y , c u r r e n ta n d p o s i t i o nc l o s e dl o o p i s d e s i g n e d b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o m ri su s e df o r t h e s e r v o m o w r ，a n dp a r t i c u l a ri n t r o d u c e di t ss t r u c t u r ep r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o d ， d e t a i l e dm o d e l i n gi sm a d eb ym a t l a b t h es u b s e c t i o nr e f o r m a t i v ep ic o n t r o l a r i t h m e t i ca n di n t e r a c t i v el e a r n i n gc o n t r o la r em o s ta p p l i c a b l eo f m a n yp o s s i b l ec h o i c e s a f t e re x h a u s t i v ed i s c u s s i o n ，i n v e s t i g a t i o n ，s i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o n t h et h e o r yo f s y s t e mb r a k i n gi sm a i n l ya n a l y z e d ，b r a k i n ga n do r i e n t a t i o np r o b l e mi ss o l v e db yt h e c o m b i n e de n e r g yc o n s u m p t i o nb r e a k i n ga n d p l u gb r a k i n g t h eh a r d w a r eh a sm c u8 0 c 1 9 6 m ca st h en u c l e u sc o n t r o l l e ro f s y s t e m t h ew a v e f o r mg e n e r a t o ri nm c ug e n e r a t e sap w mw a v ew h o s ep u l s ed u t yf a c t o ri sa d j u s t a b l e ， t h ev o l t a g eo f t h em o t o ri sc o n t r o lb yp w mw a v e t h ep h a s ec o m m u t a t i o no f b r u s h l e s s d cm o t o ri sc o n t r o l l e db yh a r d w a r e p o w e rm o s f e ta n dg a t ed r i v e ri ci r 2 1 3 6 5 c o m p o s e st h ep o w e rd r i v ec k c u i t i na d d i t i o nt os o m ea n t i i n t e r f e r e n c et e c h n i q u ei s a p p l i e d ；as u i to fs i n g l e ，t r u s t w o r t h ya n dh i g he f f i c i e n c ys e r v os y s t e mh a r d w a r ec i r c u i t i s c o m e i l l b e i n g t h em o d u l ed e s i g nm e t h o di sa d o p t e d , t h es y s t e ms o f tw a r ei sd i v i d e di n t om a n y m o d u l e s ，s u c ha ss y s t e mm a i np r o g r a m , v e l o c i t ya n dc u r r e n ts u b p r o g r a m ，k e y b o a r da n d d i s p l a ys u b p r o g r a m ，b r e a k i n ga n ds e wm o d es u b p r o g r a me t o t h eo p e r a t i o no ft h e s y s t e mi st e s t e df i n a l l y k e yw o r d s ：i n d u s t r ys a r t o r i u ss e r v os y s t e m ，b r u s h i e s sd cm o t o r , b r a k e ，p o w e r d r i v e 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查 阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和翔。：编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 盔! 盟翊 圳年j 月巧日 指导教师签名： v 同年5 月；9 曰 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所 知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已 申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：鸯! 垫圈 2 。7 年j 月q 日 西北工业大学硕士论文 第章绪论 第一章绪论 本章介绍了高速工业平缝机( 简称工缝机) 的发展现状，国内市场的需求。概 述了高速工业平缝机计算机控制系统的分类，基本组成、和功能。最后提出了本 文要研究的内容及结构安排。 1 1 课题背景 1 1 1 工业缝纫机的发展 工业缝纫机是应用于工业大生产的缝纫机，它具有缝纫速度高，可自动进行 前后加固缝、定长缝、分段定长缝、剪线、抬压脚、扫线头等功能的智能缝纫机。 纵观国内外缝制机械技术的发展历程，缝制效率和缝制质量的提高大体上经 历了专用化、高速化等几个发展阶段，目前缝制机械技术的发展已经全面进入一 个新阶段，即机电一体化阶段。国内机电一体化缝纫机生产起步于上世纪8 0 年代 中期，然而碍于条件发展得较慢，就目前国内市场而言，以平缝机为例，机电一 体化的电脑平缝机约占平缝机市场2 0 的市场份额。t 目前世界缝制设备发展的最高水平和发展方向是省力、高效、自动化和集成 化。我国的缝制设备产品大都是单一的裸机，自动化水平不高，更谈不上集成化， 功能性附件的开发方面基本是空白。国际上有实力的大公司依据其雄厚的技术基 础和强大的开发能力，牢牢掌握着各种核心技术和开发的主动权。我国产品缺少 创新，没有在品种、档次及质量水平上形成自己的独特优势。尽管中国工业缝纫 机行业已出现了一些重视技术创新的企业，但相当多企业在技术研发上还是未走 出“引进、仿制、跟在别人后面发展”的阶段，缺乏拥有自主知识产权的技术和 产品，因此和世界先进水平的差距没有质的突破。 我国缝纫机出口产品以中低端为主，高端高价产品涉及较少这是因为我国的 产品质量尚不十分稳定，整体水平与德、美、日还存在一定差距，在品牌创建方 面也存在不足。我国缝纫机生产企业必须抓住机遇，加快技术改造力度，提高技 术含量，开发适销对路的新品种，提高产品档次和质量，争创世界名牌，以品牌 来多创汇。 1 1 2 工业缝纫机的需求 国内工业缝纫机的需求量现在正以指数增长趋势在稳步增长。2 0 0 0 年我国的 西北工业大学硕士论文第一章绪论 智能化工业缝纫机保有量不超过2 万台，到了2 0 0 4 年，每年对于智能化工业缝纫 机的需求就超过5 万台，而且这一需求还在不断飞速增大。一台工业缝纫机的整 套设备售价为5 0 0 0 元人民币，但其中的控制器依赖进口，就需要花费3 0 0 0 元人 民币，开发拥有自主产权的智能控制器就显的非常的重要和迫切，但由于国内相 应的研发起步较晚，技术水平也不高，而且能够从事智能化可控工业缝纫机电机 系统生产的电机企业更是少之又少，总体生产的智能化工业缝纫机控制系统远远 小于市场的需求。以缝制机械行业2 0 0 5 年统计的工业缝纫机产量7 0 0 万台为计算 基数，“十一五”期间行业机电一体化产品占2 5 一3 0 计算，那么可以预见每年 将有2 0 0 万套左右的工业缝纫机电控系统的市场容量。预计到2 0 1 0 年，中国缝制 机械行业年产值将达6 0 0 亿元以上。飞速增大的市场空间与相对短缺的供应水平 构成了极大的对比，因而也鲜明体现出智能化工业缝纫机控制系统的巨大前景和 发展空间。 1 1 3 缝纫机伺服系统的现状 平缝机伺服系统按伺服电机的种类一般可分为以下几种，即摩擦片式、涡流 式、混合步进电机、电磁离合器电机、直流伺服电机、永磁同步电机。 摩擦片式电子定位针电动机伺服系统起步快，但速度和针位控制精度差，且 摩擦片的磨损会影响定位可靠性，需经常保养和维修。 涡流式电子定位针电动机伺服系统虽然定位精度较高，但起步慢，噪声和振 动大，不受制衣行业的欢迎。 混合式步进电机定位系统虽具有控制方便的优点，但起动频率、运行频率达 不到高速工缝机的要求，定位精度仍不理想。 电磁离合器电机伺服系统调速范围广、速度调节平滑、起动转矩大，但具有 寿命短、体积大、效率低、噪音大的缺点。 直流电动机伺服系统，运行效率高、无励磁损耗、调速性能好，运行可靠， 但是，直流有刷电机均采用机械方式换相，在电刷和换相器之间存在机械摩擦， 由此带来了噪声、火花、无线电干扰机及寿命短等缺点。 永磁无刷直流电机以其控制方式简单近年来得到了广泛的应用。永磁无刷直 流电机利用电子换相器取代了机械电刷和机械换相装置，克服了有刷电机的电刷 和换相器所带来的一系列缺点，如噪声、电磁干扰、换相火花、电刷磨损和可靠 性差等。永磁无刷直流电机即具有直流电机优良的调速性能，又具有交流电机结 构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点。 交流永磁同步电机与无刷直流电机的区别在于气隙中的磁场分布，无刷直流 电机是梯形磁感分布，永磁同步电机是正弦波分布。永磁同步电机与无刷直流电 2 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 机相比最突出的优点是高效节能，其功率因数可近似为1 ，再者由于正弦的气隙磁 感分布使其运行对电网的谐波污染很小，可以称作绿色电机。交流永磁同步电机 的控制方法比永磁无刷直流电机复杂，但是以高效节能的优点，随着电子技术及 控制技术的发展，它渐渐的纳入了人们的视野，可以认为永磁同步电机是平缝机 的未来。 1 2 工缝机的组成和功能概述 工缝机是适应高效，大规模使用的智能缝纫机。它主要由控制盒，驱动电机， 缝纫机头，操作键盘，脚踏板这几个部分组成。工缝机通过键盘设定缝纫指令， 由控制盒控制电机和电磁阀等部件按照指令带动机头的机械部分进行缝纫。通过 脚踏板人工的控制缝纫机的启动、停止和缝纫的速度 工缝机具有自动剪线，自动挑线，自动反缝，根据操作指令进行模式缝纫的 功能。工缝机的机头的转动是通过伺服电机来驱动的；自动剪线、自动挑线、自 动反缝等功能分别由剪线阀、挑线阀、反缝阀与机械机构配合来完成的；还可以 通过操作面板实现与控制系统的信息交换，信息设置，并有液晶显示器l c d 来显 示系统当前的状态；可以由脚踏板提供调速、剪线、挑线和制动等信号来控制系 统的运转。另外，也可以通过键盘来设置用户需要的功能，例如是否需要剪线， 是否需要反缝，设置最大转速，设置需要缝纫的针数等一系列参数，而仅由脚踏 板提供起动信号，即可完成相应的功能，操作简单。 1 3 论文研究的内容和结构 根据系统性能指标的要求，查找资料，进行系统方案的论证和设计，提出了 带转速、电流和位置的三闭环伺服控制系统。并详细介绍了无刷电机的结构和原 理，利用m a t l a b 对无刷电机的控制系统进行了建模仿真，并增加了对逆变桥续流 二极管的仿真。对传统的p i d 控制进行了分析，结合系统的实际情况确定了速度 和电流环的分段p i 算法的控制规律。 系统的快速制动是伺服系统的重要指标，也是系统的难点论文对系统的制 动过程能量转换进行了分析和研究，最后提出了能耗制动和反接制动相互结合的 方案，并且在反接制动阶段中采用迭代学习控制的方法达到准确的停位。 系统硬件电路部分，主要介绍了核心控制器、电机位置译码电路、电磁阀控 制电路、功率驱动电路、电流采样电路等，并从工程方面介绍了一些基本的抗电 磁干扰的措施。 系统软件的设计与调试。使用模块化的程序设计法，分别实现系统的各种功 能。其中包括系统初始化模块、电流和电压调速模块、各种缝纫模式控制模块、 3 西北工业大学硕士论文第一章绪论 系统制动模块、人机交互模块等部分。并介绍了常用软件抗干扰的一些措施。最 后对系统进行了测试和分析。 以下是本文的结构安排： 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 工缝机伺服系统设计 无刷直流电机伺服系统建模与仿真 系统三环调节的算法和原理 系统硬件电路的设计 系统软件设计 测试结果 总结与展望 4 西北工业大学硕士论文第二章工缝机伺服系统设计 第二章工缝机伺服系统设计 本章介绍工业缝纫机伺服控制系统的组成原理及其实现方案，对伺服电机的 选用、电机原理以及电机的传递函数进行详细分析和讨论。 2 1 系统组成 如图2 - 1 所示的工缝机的详细结构，主要由主控板、驱动板、伺服电机( 无刷 电机带位置传感器) 、脚踏板、电磁阀、缝纫机机体、机头传感器、操作显示面板 等几部分组成。其中电磁阀和机头针位速度传感器是集成在缝纫机体上的。伺服 电机和电机位置传感器集成在一起。主控板和驱动板装在一个称之为控制盒的箱 体中。 操 蚓电机位置传感器 作 蛳飞 显 1 卜 不 n 面 板 主 控 板 刮塞黟 机 脚 卜 孵 体 踏 扳 1 ， 圈2 - 1 工缝机伺服系统结构图 主控板是系统的控制核心，根据设定的要求控制系统其它部分进行有序的工 作，同时对伺服电机进行速度和位置的准确控制。驱动板主要起到功率驱动的作 用，它驱动电机运转。操作面板提供人机接口，可以设定当前的缝纫模式或系统 参数，比如最大速度、反缝速度、是否自动剪线等。脚踏板传感器为系统提供缝 纫起始结束信号、剪线信号、抬压脚信号等。电磁阀接收来自主控板的信号指示， 完成剪线、吸放反缝阀、抬压脚、扫线头等动作。机头位置传感器给主控板提供 针位及速度信号。伺服电机通过皮带带动缝纫机机头旋转进行缝纫。 2 2 系统性能指标要求 工业高速自动剪线平缝机控制系统要求的技术指标很多，也很具体，在这里 5 西北工业大学硕士论文 第二章工缝机伺服系统设计 我们对其中几个最重要的指标进行介绍( 参照项目的技术附件) 叙述如下： 1 可实现自动剪线，自动反缝，自动挑线等功能，并符合实际缝纫需要； 2 根据踏板踩下的位置进行速度的线性调节； 3 起动轻柔、迅速，并有软启动设置，升速从o r p m 到4 5 0 0 r p m 时间 2 0 0 m s 4 缝纫时反缝线迹重合精度要好，误差1 0 ； 5 停针迅速准确，要求缝纫机停位精度控制在皮带轮对应的上针位2 5 度 下针位5 度以内，速度从4 5 0 0 r p m 减到o r p m 时间 1 2 0 m s ； 6 控制系统出现故障时可以进行相应的处理： 7 系统具有一定的抗干扰能力。 其中第5 条定位技术是工业缝纫机的关键性技术之一，要求高速平缝机能够 快速准确的停在上针位或下针位，如何使高速平缝机能够稳定的快速准确的停位 是本系统的重点和难点。 2 3 控制方案分析与总体设计 图2 - 2 系统控制原理图 缝纫机伺服系统是一个多变量、非线性、强耦合、大滞后系统。系统的性能指 标要求系统有良好的快速性和速度稳定性。启动快速，调速平滑且有一定的抗干扰 能力。系统希望速度能及时跟踪给定，当负载变化或者出现扰动时，系统能立即补 偿，使用速度开环系统是无法达到要求的。因此为了满足系统的抗干扰性和快速性， 应采用速度闭环控制。但是，仅仅对速度的控制是远远满足不了缝纫机伺服系统的 其它要求，如启动快速、精确定位、快速停车等技术指标需要对转矩进行良好的控 制才能达到，所以要提高系统的性能转矩控制是关键。电机的转矩和电流有密切的 关系，只要很好的控制电机的电流就能对转矩进行良好的控制，所以要在系统中设计 电流环，来控制电机电流的变化，这样不但可以减少转矩的脉动，还可以在快速启 动时，防止出现过载电流，损害系统。由于系统需要快速准确的停位，所以需要设 置位置控制环以达到要求。因此系统采用三闭环控制方案。如图2 - 2 所示的系统控 制原理图。为了使电流环、速度环都能发挥各t l 的作用，在系统中分别设置电流调 6 西北工业大学硕七论文第二章工缝机伺服系统设计 节器，速度调节器。两者之间串级连接，内环为电流环，外环为速度环。同时还设 置了位置环通过位置调节器直接对脉宽进行控制，达到及时准确的停位。 2 4 伺服电机选择 无刷直流电机既具有直流电机运行效率高、无励磁损耗以及调速性好等特点， 又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点。因此广泛应用于 各种驱动装置和伺服系统中。 无刷直流电机利用电子换相器取代了机械接触换相，克服了电刷和换相器所 带来的噪声、电磁干扰、电气接触火花、电刷磨损和可靠性差等一系列问题，电 机运行稳定、寿命长、稳定性高。电机的定子为电枢绕组且与机壳相接触，散热 面积大，效果好。转予为永磁材料，无通电绕组，几乎无损耗和发热，效率高。在 所有类型的电机中，无刷电机的损耗最小、效率最高。从提高效率节约能源的方 面看，无刷直流电机也有优势。无刷直流电机在快速性、可控性、可靠性、体积、 重量，效率以及耐受环境性方面具有明显的优势，随着稀土永磁材料和功率半导 体器件性价比的不断提高，无刷直流电机作为中小功率高性能调速电机和伺服电 机在工业上的应用将越来越广泛。所以本系统采用永磁无刷直流电机为执行机构。 2 5 无刷直流电机的组成及工作原理 2 5 1 无刷直流电机的组成 无刷直流电机的结构原理如图2 3 所示。其主要由电机本体、电子开关线路和 位雹传感器三部分组成，可以认为它们组成了一个“电动机系统”。 图2 - 3 无刷直流电机原理图 一般的永磁式直流电机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是为了在电机气 隙中产生磁场。电枢绕组通电后产生反磁场，由于电刷的换相作用使两个磁场的 方向在直流电机运行的时候一直保持垂直，因此产生最大转矩驱动电机转子旋转。 7 西北工业大学硕士论文 第二章工缝机伺服系统设计 无刷直流电机却不同，其电枢装在定子上。永磁体装在转子上。其定子绕组采用 整距集中式绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ；转子磁钢按一定对数 ( 2 p = 2 ，4 ，) 组成，形状为弧形( 瓦片状) ，这样可以使磁极下定转子气隙均匀， 气隙磁场呈梯形分布。 图2 3 中的电机本体为三相两极式。三相绕组分别与外部的电子开关线路连 接，而各绕组的导通顺序及时间由位置传感器信号决定。但位最传感器信号一般 不能直接控制电子开关单元，往往需要经过一定的逻辑电路才能对电子开关单元 加以控制。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子磁钢产生的磁场相互作用 而产生转矩以驱动转子旋转，再由位置传感器把转予磁钢位置转换成位置信号， 经过一定的逻辑电路去控制各电子开关单元，从而使定子各相绕组按定的次序 导通，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 顺序与转子转角同步，所以它起到了机械换相器的作用。因此就形成了如图2 - 4 所示的无刷直流电机的原理框图。 臣三卜怔至卜毋 il 臣堕 一 图2 - 4 无刷直流电机的原理框图 2 s 2 无刷直流电机的基本工作原理 无刷直流电机为了实现无电刷换相，把直流电机的电桁绕组放在定子上，把 永磁磁钢放在转子上。但仅这样做还是不行的，它还要利用位置传感器、控制电 路以及功率逻辑开关电路共同构成的换相装置，使得无刷直流电机在运行过程中 定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁铜历产生的永磁磁场，在空间始终保持 在( 9 0 0 ) 左右的电角度，从而产生最大转矩驱动电动机不停转动。 为了更加清楚的说明永磁无刷直流电机的工作原理和特点，下面以三相星形 联结全控桥电路为例加以说明。如图2 - 5 所示为三相无刷直流电机全控桥驱动电 路，电路中电机的三相绕组为星形联结。v i 、v 2 、v 6 为六只功率m o s f e t 管，起绕组的开关作用。它们的通电方式又可分为三三导通方式和两两导通方式 两种 三三导通方式是指任意瞬阃均有三个功率管同时导通，每隔6 0 。电角度换相 一次。每个功率管导通1 8 0 。电角度。各功率管的导通顺序是v l v 2 v 3 、v 2 v 3 v 4 、 s 西北工业大学硕士论文第二章工缝机伺服系统设计 v 3 v 4 v 5 、v 4 v 5 v 6 、v 5 v 6 v i 、v 6 v i v 2 、v i v 2 v 3 、。本系统主要采用三相星 形联结全控桥两两通电方式。 图2 - 5 三相星形联结全控桥电路 下面重点介绍一下两两通电方式。两两通电方式是指任意瞬间均有两个功率 管同时导通，每隔6 0 。电角度换相一次，每个功率管导通1 2 0 。电角度。各功率 管的导通顺序是v l v 2 、v 2 v 3 、v 3 v 4 、v 4 v 5 、v 5 v 6 、v 6 v l 、v l v 2 、。当功率管v l 和v 2 导通时，电流经过v i 管流入a 相绕组，然后再从c 相绕组流出。最后经过 v 2 管流回电源。如果设定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那从绕组流出的电 流所产生的转矩为负，他们所合成的转矩的大小和方向如图2 - 6 ( 1 ) 所示，大小为 3 t a ，方向在t a 和- - t o 的角平分线上。当电机转过6 0 。后，功率管v 1 和v 2 导 通换成v 2 和v 3 导通。现在电流流过v 3 流入b 相绕组然后从c 相绕组流出，然后 经过v 2 管流回电源，此时合成的转矩如图2 6 ( 2 ) 所示，其大小也是3 t a 。但方 向转过了6 0 。的电角度，在t b 和- - t c 的角平分线上。当每次有一个功率管换相， 合成转矩的方向就转过6 0 4 的电角度，可是大小始终保持3t a 不交。如图2 - 6 ( 3 ) 标出了全部合成转矩的大小和方向 ( 1 )( 2 ) ( 3 ) ( 1 ) ；v ! v 2 导通合成转矩( 2 ) ；v 2 v 3 导通合成转矩( 3 ) ；两两通电的合成转矩矢量图 图2 - 8 星形联结绕组两两通电方式的合成转矩矢量图 2 5 3 电机位置传感器 无刷直流电机中位置传感器的作用是测定转子磁极位置，为逻辑开关电路提 供正确的换相信息，它把转子磁钢磁极的位置信号转化成电信号，然后去控制定 子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。目前在无刷直流电动机中常用 9 西北工业大学硕士论文 第二章工缝机伺服系统设计 的有以下几种形式。 1 光电式位置传感器 光电式传感器是利用光电效应制成的，由跟随电机转子一起旋转的遮光板和 固定不动的光源及光电管组成。原理是采用3 个相隔1 2 0 。的光电管作位置检测元 件，一个带1 2 0 。电角度缺口的遮光板( 缺口数等于电机的极对数) ，当缺口正对 某光电管时，光源正好照到这个光电管上，产生“亮电流”输出。没有照到时产生 “暗电流”输出。光电管随着转子的转动而轮流输出“亮电流”或“暗电流”信 号，并转换成高低电压逻辑信号，以此来表示转子的磁极位置。光电式位置传感 器性能稳定，但有输出信号信噪比较大、光源寿命短、使用环境要求较高等缺陷。 2 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器利用电磁效应来测量转子的磁极位置，有开口变压器、铁 磁谐振电路接近开关等多种类型，有在无刷直流电机中开口变压器用的较多。电 磁式位置传感器有输出信号大、工作可靠、寿命长、对环境适应性强等优点，但 是体积较大、输出波形为交流，一般需要经整流、滤波才能应用。 3 磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器主要是基于霍尔效应和磁阻效应制成的，有霍尔元件、霍 尔集成电路、磁敏电阻器、磁敏二极管等。霍尔集成电路就是将霍尔元件与半导 体集成电路一起制作在一块硅外延片上构成的。 霍尔元件是一种常用的磁敏元件，在霍尔开关元件的输入端通过控制电流， 当霍尔元件受外磁场的作用时，其输出端便会感应出电压信号，当没有外界磁场 作用时，其输出端没有电压信号。在电机非负载轴边安装一小定子与- 4 , 转子( 跟 踪转子) ，小定子固定在电机端部，在小定子内圆上互隔1 2 0 。安装3 个霍尔元件， 而小转子同心安装在电机转子的延伸轴上，同转予一起旋转，小转子表面上安装 有同电机转子相同极对数的永磁材料，并在安装时与电机转子的磁极轴相对齐， 这样小转子的磁极位置就直接反映了电机转予的磁极位置并在霍尔元件上感应出 相应的状态信号。 本系统采用开关型霍尔位置传感器来检测转子磁极位置。转子位置传感器输 出信号h l 、h 2 、h 3 在每3 6 0 。电角度内给出了6 组逻辑信号，其顺序为，1 0 1 、1 0 0 、 1 1 0 、0 1 0 、0 1 1 、0 0 1 。这一顺序与电机的转动方向有关，如果转向相反，则逻辑 信号的输出顺序也相反。开关霍尔转子位置传感器具有体积小、重量轻、响应快、 工作频率高、功耗低、简单可靠的优点，因此开关式霍尔位置传感器在无刷直流 电机中应用比较普遍。 目前还出现了利用绕组反电势作为转子磁极位置检测信号的无位置传感器无 刷直流电机。它省去了位置传感器使无刷电机的结构更加紧凑，现在的应用也日 益广泛。 i o 西北工业大学硕士论文第二章工缝机伺服系统设计 2 5 4 无刷电机的传递函数 无刷直流电动机的机械特性方程同一般直流他励电动机的在形式上完全一 样，( 如式2 - i ) 只是其中的转矩和反电势运用平均转矩和平均反电势的概念，只是 由于它的反电势和转矩的波动比较大的缘故。 t = r g d 2 ( 3 7 5 k 。巧) ( 2 一1 ) 式中： k 电动势系数： 瓦电机产生的平均转矩； b 转矩系数； 矗电动机的内阻： 无刷直流电机的动态特性可用以下方程组来表示【1 1 ： u - a u = e + 肛 ( 2 - 2 ) = 局， ( 2 - 3 ) 乃一瓦= 等妄 防4 ) 疋= k e n ( 2 - 5 ) 式中： 拧电动机转速( r m i n ) ； 【，电源电压( v ) ； a ( ，功率管管压降( v ) ； z 电动机负载转矩； g d 2 电动机转子飞轮力矩( n 埘2 ) ，g d 2 = 4 m ( j 为转动惯量) ； e 感生电动势的平均值； 式( 2 - 2 ) 到( 2 - 5 ) 经过拉氏变换后，得到 u ( s ) - a u ( s ) = 疋+ r l ( s ) ( 2 - 6 ) r a s ) = 晦l ( s ) ( 2 - 7 ) t a 加驰) = 等s n ( s ) ( 2 - 8 ) e ( s ) = l n ( s ) ( 2 - 9 ) 根据式( 2 - f i ) 到( 2 - 9 ) 可得到如图2 7 所示得无刷直流电机动态结构图 西北工业大学硕士论文第二章工缝机伺服系统设计 图2 7 无届直流电机动态结构图 同时也可求得其传递函数为 m ) = 去) 一1 母k 2 z c ( 2 - 1 。) 其中： 墨电动势传递系数，k i = i k , ； 如转矩传递系数，局= r 疋巧： e 电磁时间常数，t = r g d 2 ( 3 7 5 k , 砗) 。 1 2 西北工业大学硕士论文 第三章无刷直流电机伺服系统建模与仿真 第三章无刷直流电机伺服系统建模与仿真 本章首先介绍无刷直流电机的数学模型和直流脉宽调速原理，然后利用 m a t l a b 建立无刷直流电机伺服系统仿真模型，得到仿真结果并分析系统的运行特 性。 3 1 无刷直流电机的数学模型 在此，以三相星形联结两两通电方式为例分析无刷直流电机的数学模型。为了 便于分析，作以下的假定； 1 三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转予磁场分布皆对称； 2 忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； 3 ，电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； 4 磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。 则三相绕组的电压平衡方程可表示为： + ( 3 一1 ) 式中：e a ，e b ，巳为定子各相绕组反电动势( v ) ；，毛，为定子各相绕组电流( a ) ； u a ：, u 。，“。为定子各项绕组电压( v ) ；r 。，r b ，震。为定子各项绕组电阻( q ) ；l o ，厶，t 为定子各相绕组自感( h ) ；厶。，三。，厶。，l 。，屯，比为定子各项绕组互感( h ) ；圪为 绕组中点电压。由于转子是永磁的，忽略它的磁阻影响，可以认为 l a b ，上。，l 。，工。，瓦，l a , 为常值，与转予位置无关，且三项对称的，则： l 。= l b = l 。= 厶； l o z , = k = k = k = 乞= 如= 肼； r 。= r b = 也= r ； 于是代入( 3 1 ) 式得 又因为 + 毛+ 乏= 0 撇旧协。， ( 3 3 ) 1，j 圪圪 _。l + 1j 乞乞 1，j l“vk 丌o o o o i 业 k k t鼬厶如厶伽如 -。l d 一出 + 1j 0b0 = i o i o j 皿 o o & o 心o 屯o o 如如如 膨厶m厶肜膨 。l d 一席 + 1，_1 l“，l口毛 =iii且 o o r 0 r o r o o 。l i i 1，j m m 西北工业大学硕士论文第三章无刷直流电机伺服系统建模与仿真 茎 = 蚕三兰 1 + 丢 i 三墨 i + 三 + 差 。一a ， 图3 - 1 永磁无刷直流电机等效电路 将式( 3 - 3 ) 的三行相加可以得出三相绕组中点电压表达式： 圪= 型争堕一半( 3 - 5 ) 月 3 2 脉宽调速原理 根据采样理论中的重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的 环节上，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积，效果基本相同指环节的输出响 应波形基本相同。 上述结论是p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制的重要理论基础。根据这一 理论基础可以用一系列等幅而不等宽的脉冲代替一个正弦波，也可以用一系列等 幅等宽的脉冲表示一个等幅连续的波。本系统主要采用脉冲调宽，既脉冲的周期 保持不变，只改变脉冲的占空比的方式，改变加到电机绕组的电压的平均值来控 制电机的速度变化。 3 3 无刷直流电机控制系统仿真方案 无刷直流电机控制系统的m a t l a b 仿真的总体结构，如图3 2 所示，其主要由 永磁无刷电机模块( b l d c ) 、换相控制和功率逆变模块( i p m ) 、电流选择模块 ( i s e l e c t ) 、和控制模块( p i d e o n t r 0 1 ) 4 部分组成。永磁无刷电机模块是根据无刷 电机的数学模型搭建的一个永磁无刷电机的m a r l a b 模型；换相控制和功率逆变模 块根据输入的三相电流和转子的位置信号( a n g l e ) 产生逆变器的六路开关信号， 1 4 西北工业大学硕士论文 第三章无刷直流电机伺服系统建模与仿真 再经过功率逆变模块给输出三相交流电；控制模块包含电流环和速度环的控制算 法，它根据输入的电流和速度控制输出的p w m 波的脉宽；电流选择模块根据位置 信号为控制模块提供反馈电流。 图3 心无刷直流电机控制系统m a t i a b 仿真总体图 3 4 无刷直流电机本体模块建立 无刷电机本体的m a t l a b 仿真模块如图3 3 所示。它左边的4 个输入按从上到 下的顺序，u a 、u b 、u c 为三相线电压，t 1 为负载转矩；右边的9 个输出按从上到 下的顺序，i a 、i b 、i c 分别为三相绕组的电流，t e 为输出转矩，w n 为转速，i n g l e 为电角度，最后的e a 、e b 、e c 分别为三相的反电势。 图3 3 无刷电机本体的m a t l a b 仿真模块 无刷电机本体的m a t l a b 仿真模块内部主要是由三相绕组模块、反电势模块、 转速和转矩模块这三部分构成的。下面介绍其内部的各个模块。， 3 4 1 三相绕组的模型建立 根据式( 3 4 ) 建立三相绕组的模型，主要是根据输入的三相线电压和各自的 西北工业大学硕士论文 第三章无刷直流电机伺服系统建模与仿真 反电势来计算各相的电流值，其仿真的模型如图3 - 4 所示。 图3 - 4 三相绕组的m a t l a b 模型 其中u a 、u b 、u c 为三相线电压，e a 、e b 、e c 分别为三相的反电势，i a 、i b 、 i c 分别为三相绕组的电流。图3 4 中的v n 模块是根据式( 3 5 ) 所建立三相绕组 中点电压模型，它的内部结构如图3 5 所示。 3 4 2 反电势建模 踟 e a h 轴 e b 嘞 跏 e c h 图3 - 5 三相绕组中点电压模型 ： ；、； ， | _ ：户一 一 ；0 o ! 矿 ：0 夕 一 j 、j：j ， 一一一一一 ”一，一 图3 - 6 三相反电势波形图 1 6 西北工业大学硕士论文第三章无刷直流电机伺服系统建模与仿真 电枢绕组的反电势的波形与气隙磁场波形，转子转速和转子相对于定子绕组 每相的位置有关。根据3 1 节的四个假设，无刷电机的反电势的波形如图3 - 6 所 示是一组梯形波。 由图3 - 6 可以看出，以6 0 。为一个换相阶段，把转子运行一个周期的3 6 0 。分 为6 个阶段，在每个阶段内，每一相的波形都可以用一段直线来表示。由某时刻 的转子位置和速度，通过直线方程就可以求得该时刻的反电势波形，即分段线性 法建立梯形反电势波形。具体方法如下： 由于图3 6 中的瓦可由下式求得： 既= k 国( 3 6 ) 其中墨为反电势系数；为角速度。 以a 相为例，在仿真时我们根据图3 6 的e a 建立一个分段函数z ( 0 1 ，根据口 值不同厂( 护) 取不同的值。 表3 - ! 口o 三 石2 i t2 i t4 i t4 i t5 z5 z 2 万万 万 33333 33 3 f ( o ) 1 三饵一 l1 _ 疖6 ( 3 z i t 一1 ) - 1 6 、 2 7 则： e a = 瓦，( 口) ( 3 - 7 ) 其他两相的反电势同理可得。在m a t l a b 中利用个s - f u n c t i o n 来实现三相的 反电势波形的模拟。 根据无刷直流电机的电磁转矩方程： 互= ( e 口厶+ e b l b + e c i o ) d o ( 3 - 8 ) 把三相绕组的反电势代入( 3 8 ) 得到： z = k 【，( e ) x 1 0 + 石( 口) 厶+ 五( d 】 ( 3 - 9 ) 令k o = k j ( o ) ，瓦= k 石( 目) ，= k 正( 印为电磁转矩系数，则得到： 乙= ( k a 厶+ 厶+ k ，c ) ( 3 - l o ) 所以我们可以得到无刷直流电机的转矩是每相的转矩系数和该相电流的乘积 的总合。 根据以上的分析，搭建的无刷直流电机的反电势和电磁转矩系数的仿真模型 如图3 - 7 所示。图中输入部分：w n 为转速，a n g l e 为电角度；输出部分e a 、e b 、 e c 为三相反电势，t a l 、t b l 、t c l 为三相转矩系数，a n g l e 仍为电角度。 1 7 西北工业大学硕士论文 第三章无刷直流电机伺服系统建模与仿真 图3 - 7 无刷直流电机反电势和转矩系数仿真模块 3 4 j 转速和转矩建模 根据无刷直流电机的运动方程： r , - r _ b j 鼍 其中：正为电磁转矩；乏为负载转矩；b 为电磁阻尼系数； 量；田为电机机械转速。 转子电角度方程为： o = p p 出 ( 3 - 1 1 ) j 为转子转动惯 ( 3 1 2 ) 其中p 为电机的极对数。 根据式( 3 1 0 ) 来搭建电磁转矩模块，根据式( 3 一1 1 ) 来搭建转速和转矩的 关系模块，建立的仿真模块如图3 8 所示。 图3 - 8 转速和转矩模块图 图3 8 中的名字为h x m s t a r t 的s 函数的作用是模拟电机启动时当电磁转矩和 1 8 西北工业大学硕士论文第三章无刷直流电机伺服系统建模与仿真 负载转矩的特点，由于工业缝纫机的负载转距都是摩擦性负载，所以只有电磁转 矩大于负载转矩的时候电机的转子才会转动。 3 5 速度控制和电流控制模块 笆) - _ j a ) 一 图3 - 9 速度和电流控制算法仿翼模块 图3 2 中的p