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稀土永磁无刷直流电动机伺服作动系统马瑞卿刘卫国李钟明摘要介绍了一种简单实用的滑模变结构控制技术，给出了系统直线位移闭环控制结构框图及各环节的传递函数和硬件实现电路。叙词永磁电机无刷直流电动机伺服控制RARE EARTH PERMANENT MAGNEY BRUSHLESS DC MOTORSERVO ACTUACTING SYSTEMAbstractThe thesis introduces a simple,practical slip form structure transformation technique and points out flow-chart of linear displacement loop control and transfer function of all links and hardware realizing circuit.Keywordspermanent magnet electric machine,brushless dc motor,servo control1引言稀土永磁无刷直流电动机由稀土永磁同步电机、逆变控制器及转子位置检测器构成，它具有体积小、重量轻、效率高、惯量小和响应快的特点，同时还保留有类似直流电动机优良的控制特性。由于这种电机采用电子换向器代替了机械换向装置，因而克服了电刷和换向器所带来的一系列缺点，如噪声、电磁干扰、换向火花、电刷磨损和可靠性差等。近几年，随着稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比的不断提高，稀土永磁无刷直流电动机作为中小功率高性能调速电机和军民用伺服控制电机应用越来越广泛，大有逐步取代普通直流有刷伺服电动机的趋势。为此，本文针对某直线伺服作动系统，采用稀土永磁无刷直流电动机，介绍了一种简单实用的滑模变结构控制技术，文中给出了系统直线位移闭环控制结构框图，介绍了系统控制方法，给出了各环节的传递函数和硬件实现电路。2系统控制原理2.1系统构成本系统各个环节构成如图1所示，其中电机本体是一台三相稀土永磁同步电动机，定子采用整距绕组，其反电势具有梯形波，转子励磁采用钕铁硼(NdFeB)稀土永磁材料，在转子一侧端部铝盘上嵌有两个180的瓦片磁钢，并由铝盘与主磁场隔开，然后与转子本体固定成一体，作为转子位置的敏感磁场。转子位置传感器采用三个磁敏式霍尔开关检测器件UGN3119U，当转子旋转一周时，三个传感器输出相差120、占空比为0.5的周期脉冲A、B、C。电机转子轴经多级齿轮减速器驱动直线作动器的蜗轮蜗杆机构，而直线位移检测采用精密滑线变阻器，变阻器中心点接地，两端接5V稳压直流电源，移动触头由蜗杆带动，从而使触头上可输出正比于位移量的电压信号，用于系统位移反馈。电机功率逆变电路采用三相桥式逆变器，并由直流48V经滤波电容供电，其6个功率开关采用高频MOSFET器件IRF530，逆变器直流回路电流经敏感器件LEM模块LA-25NP来实现电流检测，用于电流限幅和过流保护。功率逆变器开关器件采用6路集成芯片IR2130来驱动，PWM产生电路采用单极性定频调宽集成电路SG3525，其输出脉冲宽度正比于加在电机定子绕组上的电压平均值，并由此来实现斩波调压调速控制。电机正反转控制通过给定位移参考电压和反馈值比较来完成，综合电路是一片GAL16V8，用于开关器件栅极控制逻辑处理和换向信号的脉冲分配，而速度指令产生电路是由滑模变结构控制器来实现。图1系统各环节构成框图2.2系统控制原理作为机电一体化的无刷直流电动机，位置闭环是其一大特色，它是电机实现自电子换向的前提，所以本直线作动系统的控制主要表现为直线位移的闭环控制，如图2所示，P(S)是PWM功率放大电路，它根据转速调节指令Udj产生PWM脉冲，从而对电机施加一个正比于速度指令的电压调节值，是一个比例放大系数K1，而G1(S)是无刷直流伺服电机的传递函数，其一般式是：(1)式中Ti电机电磁时间常数TD电机机电时间常数图2直线作动系统控制结构图一般机电时间常数取决于电机电参数和转动惯量，且TDTi。当忽略电磁时间常数时，电机传递函数可近似为惯性环节。(2)G2(S)是直线作动器和减速器传递函数，由于输入是电机速度，输出是位移，其形式为：(3)H(S)是位移量反馈环节，一般是一个比例环节，即H(S)K3。系统广义对象为G0(S)P(S).G1(S).G2(S)，即(4)为了提高系统快速响应性，本系统采用变结构控制，即控制器是一个比例与常值切换的简单滑模变结构控制。令位移误差量eL为给定值Lg与反馈值Lf之差，若eL经图2中绝对值函数后，则当eL(为可调值)时，系统为常值K0控制，这时PWM占空比为1，电机加全压输入，高速运行，以使eL迅速减小。当eL时，电机采用比例调节，随着eL减小，PWM占空比成比例K减小，电机端电压和转速也成比例减小，以利于电机无超调地逼近eL0，这里取误差量绝对值是因为系统另设有正反转判别电路，当eL0时，电机正转，eL0为反转。一旦正反转确定以后，电机调节仅为斩波调速，速度调节指令只跟误差大小有关，与其正负无关。由于系统根据eL所处不同范围采用不同控制结构，所以只要选择合适的参数K0、K、K1、K2、K3和KD值就可实现滑模变结构控制，从而产生不同的速度调节指令Udj。3系统各环节电路实现3.1电机正反转判别及速度指令生成电路普通直流电动机正反转控制是依靠改变定子端电压的极性来实现，而无刷直流电动机则依靠改变换相顺序来改变正反转向，为此本文采用图3电路来实现正反转控制和速度指令生成，当位移设定值大于反馈值时，eL0，比较器A1输出为高电平，电机应正转，这时综合电路GAL16V8将三相霍尔位置传感器输出信号进行处理，并按如下逻辑关系和先后顺序循环换相。图3正反转判别及速度指令生成电路A A B B C C 这6个换相逻辑信号经驱动电路被分别分配到三相桥式逆变器6个功率开关器件的栅极S1S6，就可实现电机正转；反之eL0时，换相顺序为上述正转时箭头反方向。不难看出，这时电机采用120通电方式，工作于三相6状态，这样可使三相桥式逆变器避免直通危险。图3中F1和F2为由LM358构成的单电源反相器，M1和M2为非门，A1和A2为LM311构成的单电源比较器，T1T4为三极管9013，RF为正反转信号输出(RF1为正转，RF0为反转)，Udj为输出的速度指令。电路在工作时，A1的同相端B点电压为UBUgUf，代表误差eL，若UB0，电机正转，RF为高电平，T2导通，T1载止，C点电位为KUB，反之RF为低电平，T2截止，T1导通，C点电位为KUB，从而实现了误差的绝对值函数，其中K由电位器W1调节。而比较器A2用于判别C点电位是否大于VREF，VREF代表(由电位器W2调节)。当KUBVREF时，T3导通，T4截止，Udj5V，从而实现常值控制，这时PWM占空比为1，电机为全压加速运行；反之T4导通，T3截止，UdjKUB，电机按误差成比例减速。调节电位器W0，作动器即可实现快速直线位移跟踪。3.2PWM生成电路PWM生成电路采用SG3525芯片，外围电路如图4所示，该电路内部自带振荡器，振荡频率决定于CT和RT，当电容CT和电阻RT固定以后，其输出PWM为定频信号，芯片1、2两脚为内部误差放大器的反相和同相端，PWM的占空比取决于1、2两端的电位差，所以SG3525为定频调宽PWM生成电路。其中死区设置由7脚电阻R13决定，而8脚电容C3用于实现软起动，当eL时，全压加速运行需短时软起动，可选一小电容C3；当eL时，无需软起动，该电容可由三级管To切除。SG3525的15脚为芯片的15V电源，16脚为参考电压，13脚为输出PWM高电平电压，14脚和11脚为两相互差180、占空比小于0.5的PWM信号，R16、R17为上拉电阻。为了扩大PWM占空比调节，其两相输出经一或门M0合为一种PWM，这样占空比可达00.98，将PWM信号送GAL16V8中与换相逻辑分别相与，即可得到综合的斩波控制信号。图4PWM定频调宽生成电路该电路设置了电流限幅控制，一旦电流超过某值(不大于过流保护值)，SG3525的1脚因IP为高电平使电位抬高，这样1、2两脚电位差值减小，PWM占空比会自动降低，达到限流的目的。若限流电路失效，产生过流，则过流电路会发出一信号送入10脚，SG3525会快速封锁PWM输出，实现过流保护。考虑到无刷直流电机静差率的限制，一般电机转速不可能在某一最低转速下还能带动负载，所以当eLe0时，电机会停转而不可能实现eL0，为此设置了电位器W3和二级管D构成的嵌位电路，保证了在eLe0时，2脚电位始终为一定值，使电机低速匀速转动，直到eL0时，封锁10脚使电机因PWM信号为零而停转。4结语本文采用全硬件实现了稀土永磁无刷直流电动机直线作动系统位移闭环控制，其实时性好、电路简单、易于调试和工程实现。由于控制器采用了滑模变结构控制，系统快速响应大大提高，同时可作到无超调和抗负载扰动，但