（电机与电器专业论文）永磁无刷直流电机与低速同步电机的应用系统设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a e t t h i st h e s i sd r e s e n t st w op a r t so fc o n t e n t ，o n ep a r ti sa p p l i c a t i o n s v s t e md e s i g no np e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s sd cm o t o ra n dt h eo t h e ri s o nl o ws p e e ds y n c h r o n o u s 瑶o t o r 丁w op a r tsg oi n t od e t a ila b o u td e s i g n r e q u i r e m e n t s ，d e s i g ni d e a ， h a r d w a r e ， s o f t 、 吼r ea n de t c e x p e r i m e n t a l o s c i l l o g r a ma n dt e s td a t aa r eg i v e na tt h el a s tc h a p t e r so ft w op a r t s i no r d e rt ot e s t i f vv a l i d i t ya n df e a s i b i l i t vo fs y s t e ma p p l i e a t i o n a p p l i c a t i o ns y s t e 撒o fp e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s si ) cm o t o ru t i l i z e s m c u a t 8 9 c 5 2a n db r u s h l e s sd em o t o rc o n t r o l l e r m c 3 3 0 3 5t oc l o s e d l o o 口 c o n t r 0 1c 峨b r h s h l e s s1 ) cm o t o r a sar e s u l t ，m o t o rs p e e dc a nb ea d j u s t a b l e f r o m1 0 r p mt o2 2 0 0 r p m a p p l i c a t i o ns y s t e mi se l b l et od e 七e c ts o m ee r r o r s 1 nm o t o r sr u n ，s u c na so v e r v o l t a g e ， u n d e r v o i t a g e ，o v e r c u r r e n t ， o v e r 一- l o a d i n ga n ds t a lli n g ，a n de x e e u t em e a s u r e st op r o t e c tm o t o rf r o m b e i n gd 锄a g e d o v e r v o l t a g ea n du n d e r v 0 1 t a g ep r o t e c t i o ni si h 峨l e m e n 七e d b yh a r d w a r ea n do v e r c u r r e n tp r o t e c t i o ni sb y 黼3 3 0 3 5c o m p o n e n ti n s i d e p r o t e c t i v ef n n c t i b o t hh a r d w a r ea n ds o f t l r 氇r ee 8 r r i e so u to v e r l o a d i n g a n ds t a l l i n gp r o t e c t i o n t h i st h e s i sa l s ot l e o r e t i c a l l yp r e s e n t s s o f t w a r ed e s i g ni d e ao n 珂o t o ro v e r l o a d i n ga n ds t a l l i n gp r o t e c t i o n 。a b o v e m e a s u r e sh e l pb r u s h l e s si ) cm o t o rr l mm o r es a f e l ya n dr e l i a b l ya n dp e r f e c t t h ee n t i r ea p p l i c a t i o ns y s t e m 。 a p p l i c a t i o f ls y s 七e 瓣o f1 0 唧s p e e ds y n c h r o n o 拉sm o t o ru s e sp r i n c i p a la n d s u b o r d i n a t ec o n t r o lm o d e p e r s o n a lc o m d u t e ra sam a s t e rc o n t r o l1 e rc a n c o 姗u n i c a t ew i t hd s pd e v i c ea sas l a ec o n t r o l l e ri nv i r t t l eo fc o 鹾d o r t 。 m a s t e rc a ns e n do r d e r st os l a v ea n dr e c e i v ei n f o r 皿a t i o nf r o ms 1 8 v e s l a v e c o n t r o ls y s t e ma d o p t st id i g t a ls i g n a lp r o c e s s o r t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa n dd o e s o r i e n t a t i o na n dp o s i t 主o n e s t i m 8 t et o1 2l o w + 一s p e e ds y n c h r o n o u s 氆o t o r s w i t hg a li n t e r f a c e o nt h eb a s eo fm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc a m 堆e c h a n i s m 。 t h et h e s i sd o e ss t r i c td e d u c t i o na n df i n d sr e l a t i o nb e t w e e ns h a f t e l e v a t i n ga n g l ea n dm e c h a n i c a la n g l eo fl o w s p e e ds y n e h r o n o u s 瓣o t o r s o f t w a r ei nd s p 2 4 0 7 ar e l a t e sc a l c u l a t i n g t i m eo fv 0 1 t a g e c l l r r e n td h a s e d i f f e r e n c et om e c h a n i c a la n 9 1 eo fs y n c h r o n o u sm o t o r a tl a s ta p p li c a t i o n s y s t e md o e sa p p r o x i m a t ee s t i m a t et oc a mp o s i t i o nd e p e n d l n go nt 量l r e e v a r i a b l er e l a t i o n s 。 k e y _ 啪：o v e r 一1 0 a d i n g ；s t a l l j n g ；p w m ； p ic o n t r o l l e r ；g a li n t e r f a c e c 8 孤；s h a te l e v 鑫t i n g8 n g l e i i 瀣江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。l 永磁无届直流电机应用系统设计的课蓬来源 永磁无刷直流电机( 以下简称“无剜电机”) 具备络构简单、运行可靠、维护 方便等一系列优点，同时也县备调速性能好，运行效率离、无励磁损耗等诸多特点， 故禚当今高精度报纸印刷传动系统中的应用日益普及。 在实际卷简报纸印刷机器中的墨辊电机，多采用带减速机构的无刷电机驱动。 在使用一段时间后，出现了较高的故障率，但无刷电机本体本身并没有烧坏，所以 无剃电杌的控剖方案有待改避。 无刷电机驱动控镧器，“般对控裁器本身具有良始的过流保护，而对电机的过 压保护，欠压保护，过载保护、堵转保护等方面设计不足。减速机构长期运行后润 滑条件下降会引起电机过载，所以需要指示电机的实际负载状态，以保护电机和及 时提示润滑状态的变坏。 永磁无刷直流电机应用系统的设计就是基于此目的，设计了一套无刷电机的控 制器，不仅能够对无刷电褪遂行实时速度 l j 环控制、无极平涛调速，诼且还能够诗 算和鼹示无届i 宅视的当前转速和受载状况，同辩进行避压、欠压、堵转和过载检测 弓保护。本控制器是使用单片机a t 8 9 c 5 2 + 无刷电机专用集成控制芯片m c 3 3 0 3 5 模式来实现。 本课题经设计调试已圆满宪成，经测试证明电机运行稳定，性能良好，达到高 性能印刷机系统的要求。 无尉电枧的额定参数： 额定电压：| 8 v 额定电流：5 9 5 a 额定转速：1 7 8 5r p m 额定功率：1 6 8 w 绝缘等级：f 浙江大学硕士学位论文 l 。2 低速同步毫机应用系统设计的课题来源 在菜一特定项目中，鸯一个特殊的应爝场合，需要蹋低速圈步电枧驱动凸轮弹 簧机构运动。特别之处在于，不设立机械稔测元件，搿直接利用自身电气参数，在 控制低速同步电机定位运行的澍时推算出凸轮当前豹运行使置。此应嗣系统要求圈 时驱动1 2 套低速溺步电援凸轮弹簧摄构，并且要求下搜机系统具备耩上位橇系统 串行通讯的能力。两且，上饺级系统可以发送运行控铡命令，下位桃一低速薅步电 枫应用系统能够及时、准确地摄告电枫实繇运行状况筹鞋凸轮当翦的运符使置。 低速翱步电机应蠲系统麟是在此基磁上设计开发的。考虑到应愆系统需要圆对 控制1 2 台低速同步电视，实时性要求离，并且需簧和上位机遴行高速的串行数攒 通信，所以处理器决定采用砸公司生产的强4 s 3 2 0 u 2 4 0 7 ad s p 处溅器。此应用 系统就是以d s p 2 4 0 7 a 为主要按制器件通过g a l 器件接目完成对1 2 台低速同步电 杌定位控制和凸轮位置估簿的一个应阐系统。 由予系统要求同步电机转速非常馒，因j 墩对于低速同步电橇的选型就显得非常 的霹要。出予对项羁本曳和电机成本的考虑，姥系统选鲻了定予圭2 糨正交绕组构 成的低速阉步奄枫，控制方泫简单可靠。 限于实验条件的限制，本课题只完成了处理器d s p 2 4 0 7 a 能够对一台低速同步电 机进行司靠的定位操作，并且能够根据阉步电机自身的电气参数估算出凸轮当前的 运幸亍位置。 低速同步电机的电气参数： 电压：2 2 0 v 频率：5 0 h z电流：o 0 7 5 a 电容：o ，4 7 涮5 0 0 v 转速：6 洲蕊n转媛：3 黜m 电阻：1 o i ( 8 w 该同步电机经减遮齿轮箱( 传动比：5 0 ：1 ) 后，转速变为1 2 r ，咖n 。潜要特别说明 的愚，上述的电枣、电疆参数是单相2 2 0 伏、频率为5 0 h z 交流电供宅时采用的r c 移相电路参数，而实际电路采用的燕两相芷交m o s 张t 驱动电路，不采用r c 移楣 电路，所以r c 参数取值仅作参考。 浙江大学硕士学位论文 第二章永磁无刷直流电机应用系统的设计方法 2 1 永磁无刷直流电6 凡及其控制技术的简要介绍 2 1 1 永磁无刷直流电机的结梅”1 永磁凭威壹流电机的基本结毒龟见溺2 1 。无捌赢流电机的转予是由永磁材料剖 成的、嶷有一定磁极对数的永磁体。与永磁同步伺服电机非常类似，转子的结构分 为两种：一种是凸极式，另一种是嵌入式。但是与永磁同步伺服电机的转予宥所区 裂，为了能产生梯形波的感应电动势，无嗣直流电机的转子磁钢豹形状至弧形，磁 极下定转子气隙均匀，气隙磁场呈梯形分布。定予上有电枢，这一点与永磁有刷直 流电机正好相反，永磁有刷直流电机的电枢安装在转子上，而永磁体装在定子上。 阁2 一l 永磁无刷直流电机的结构示意阁 无劂直流电机的定予电枢绕组采用整距集中式绕组。绕组的相数有二、三、四、 五相，应用最多的是三相和四相。备相绕组分别与外部的电子开关电路相连，开关 浙江大学硕士学位论文 电路中的开关管受位置传感器的信号控制。 2 1 2 永磁无刷直流电机工作原理2 1 1 1 实际运用中，无刷直流电机功率主回路以三相桥式为主，为便于分析，下面以 三相半桥式永磁无刷直流电机系统为例来分析无刷直流电机的工作原理及过程。 图2 2三相半桥无刷直流电机原理图 三相桥式无刷直流电机系统见图2 2 。三个光电元件h 1 、h 2 、h 3 沿转子圆周 相隔1 2 0 。分布，固定在定子上，开有1 2 0 。缺口的遮光盘与电机转子同轴安装。当转 子转动到图示位置时，遮光盘缺口经过h l 而使其受光输出高电平，v t l 被触发导通， 电源输入的直流电流入a 相绕组a x ，a 相轴线方向产生电枢磁势f a ( 见图2 3 a 图) ，此时，a 相磁动势f a 在顺时针方向上领先转子磁动势f f l 5 0 。，两磁动势相互 作用产生驱动转矩，驱动转子沿顺时针方向转动。当转子磁极转到图2 3b 图位 置时，遮光盘的缺口刚好转到光电元件h 2 位置，h 2 受光输出高电平，而此时h 1 又 被遮光盘遮住，输出低电平，因此v t 2 被触发导通，直流电源从a x 断开后输入b 相绕组b y ，电流完成换向，此时转子磁势滞后b 相绕组磁势1 5 0 。，与a 图中转子 磁势与a 相绕组磁势位置相同，定转子间又产生驱动转矩，驱动转子继续沿顺时针 方向转动。假如转子转到b 图位置时不对其进行电流换向，而继续让a 相绕组a x 浙江大学硕士学位论文 导通，那么，转子继续转过3 0 。后定转子问的作用转矩将减小到零，转子转到水平 位置后将不再转动，显然，电机将无法正常运转，因此需要在b 图位置时对定子 a a c b 图2 3 定子绕组通电顺序及电枢磁势位置图 绕组进行电子换向。当转子转到图2 3c 位置时，遮光盘缺口转到h 3 位置，h 3 输 出高电平驱动v t 3 导通，v t l 、v t 2 截止，电机定子绕组由b 相向c 向换流，电机定 转子绕组驱动转矩连续产生，电机转子连续沿顺时针放行运行，直到电机转子回到 a 图位置，新的换向周期又将开始，无刷直流电机正是在运行过程中这样不停的对 定子绕组进行电流换向，保证定转子磁动势在空问上保持9 0 。左右的电角度，不间 断的产生驱动转矩，使电机正常持续运行。定子三相绕组的电流波形是1 2 0 。宽的矩 形波，这样产生的电枢磁动势是跳变的步进磁动势，转子每旋转一周有三种磁状态， 每种状态持续1 3 周期，由此产生的驱动转矩也是跳变的三种状态的转矩，这种转 矩脉动很大，低速运行时会造成转速波动，通常在具体应用上不采用这种电路，而 采用三相桥式主电路结构。 浙江大学硕士学位论文 2 2 永磁无刷直流电机的控制策略与实现方法 任何电动机的调速系统都以转速为给定量，并使电动机的转速跟随给定量进行 控制。为了使系统具有良好的调速性能，通常要构建一个闭环系统。一般来说，电 动机的闭环调速系统可是单闭环系统( 速度闭环) ，也可以使双闭环系统( 速度外环 和电流内环) 。本课题采用的是单闭环系统设计( 速度闭环) 。 在电机的速度闭环控制中，速度调节器一般采用p i 调节器，即比例积分调节 器。 常规的模拟p i 控制系统原理框图见图2 4 。该系统有模拟p i 调节器和被控对 象组成。图中，r ( t ) 是给定值，y ( t ) 是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构 成控制偏差e ( t ) 。 e ( t ) = r ( t ) 一y “)( 2 1 ) e ( t ) 作为p i 调节器的输入，u ( t ) 作为p i 调节器的输出和被控对象的输入。所 以模拟p i 控制器的控制规律为 u ( c ) = k p + 去f e ( t ) d t i + u o ( 2 _ 2 ) 式中k p 一比例系数。 t i 一积分常数。 图2 4 模拟p i 控制系统原理图1 0 1 比例调节的作用是对偏差瞬间作出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生 控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数，比 浙江大学硕士学位论丈 例系数越大，控制越强，但过大会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。 积分调节的作用是消除静态误差。但它也会降低系统的响应速度，增加系统的 超调量。 实际课题中的永磁无刷直流电机的速度闭环控制系统框图见下图2 5 。 图2 5 永磁无刷直流电机p i 控制系统框图 单片机a t 8 9 c 5 2 采样无刷直流电机上的霍耳传感器位置信号，通过计算得到 速度反馈量。给定速度与这一速度反馈量形成偏差，经速度p i 调节后形成p w m 占 空比的控制量，实现电动机的速度闭环控制。位置传感器输出的位置量还用于控制 换向。 2 3 电机过载堵转保护的理论依据 2 3 1 电机的热耗分布 电机在运行过程中，除了将电能主要部分转化为机械能以外，还产生一定的损 耗，这种损耗转变为热能，致使电机发热和温度升高。电机温度升高过程比较复杂， 因为电机内部有绕组、铁芯等多个热源、各热源之间存在热交换，而且每个部分散 热条件也不同。为了计算电机中温度分布情况，常常将电机发热看作是等温固体的 发热过程，并且将电机损耗所发出的热量分为两部分，一部分被电机吸收在电机内 部提高电机的温度，另一部分则发散到周围空间。故物体热平衡方程式为： q df = 口a g df + c m d 目 ( 2 3 ) 式中t 、q 一分别为时间和温升 第三章永磁无刷直流电机应用系统的硬件设计 任何一个复杂系统稳定而可靠豹工作几乎都离不开合理的硬馋结构设计与良 好的软件代码编写，系统的性能是由软硬件共同决定的。无刷电机调速系统的设计 也同样包含硬件设计部分与软件编写部分，本章将着重阐述控制系统的硬件设计。 3 1 永磁无刷直流电机应用系统的硬件设计框图及原理 图3 1 无刷廒流电机控制器的硬件设计框图 如图3 1 所示，无刷直流电枧按制方法采雳的是有位置健感爨的速度 l l 环p i 控制。无刷直流电机是三相星型连接，全桥驱动方式。无刷电机控制器m c 3 3 0 3 5 内 部转子位鬣传感器译码电路将转子上霍耳位置信号转换成六路驱动信号驱动电机 旋转。单片机a t 8 9 e 5 2 完成对电机转速的计算，势通过模拟p i 调节器，把速度信 号反馈给无剥电机控带l 器m c 3 3 0 3 5 ，从而构成了无利电机速度闭环p i 控制系统；同 时单片机对直流供电电压、直流母线电流进行采样处理，能够对过压、欠压、过流、 堵转、过载等错误信息加以实时检测和保护。显示电路用于显示实时转速和盛流母 浙扛大学硕士学位论文 线电流大小。外界输入输出接口是处于实际项目的考虑，需要达到隔离悬浮地的目 的，所以选用了光电耦台器件对系统内洳信号进行瞩离。 3 2 主要控制耱件的介绍 3 。2 。1 无厢g 直流电机控制器掘3 3 0 3 5 和电子溺遮器麴c 3 3 9 2 7 1 m c 3 3 0 3 5 ( 如图3 2 所示) 是m o t o r o l a 公司称之为第二代的无刷直流电动机控 裁器专用集成电路系列。癸接功率开关器件看，可用来控制三桷( 全波或半波) 、 两相翻网摆无刷壹浚电动机，还可黻羽作直流电动帆的控制。热上片凇33039鸯 子测速器做f v 转换，引入测速反馈盾，可构成闭环速度调节系统。 3 2 i 1 无刷直流电机控制器戡3 3 0 3 5本集成电路的主要组成部分包括：转子位置赞感器译码嚣电路 带瀑度补偿的内部基准电源 频率可设定的锯齿波振荡器 误差放大器 脉蛮调制( p w m ) 比较器 输出驱动电路 欠电压鸷锬保护、芯冀过热缳势等故障埝出 限流电路 该集成电路的典型控制功能包括p w m 开环速度控制、使能控制( 起动或停止) 、 正反转控制葶鞋姥耗制动控剿，适当烟上一些终躺元件，可实现软起动。 浙江大学硕士学位论文 的信号。再经有外接定时元件c t 和r t 的单稳态电路，从5 脚输出的f o u t 信号的 占空比与电动机转速有关，其直流分量与转速成正比。此信号在外接低通滤波器处 理后，即可得到与转速成正比的测速电压。在后面第四章软件设计中，会更加详细 介绍单片机a t 8 9 c 5 2 是如何实现电子测速器m c 3 3 0 3 9 的应用功能的。 图3 3 m c 3 3 0 3 9 内部原理框图3 6 1 1 4 浙江大学硕士学位论文 3 。3 永磁秃刷直流电机应用系统的硬件电路设计 3 2 1 单片枇鸺9 c 5 2 控制电路 ；鳘 嚣 嚣 7 g蹲 嚣 1 0辨 l l醛 l j缚 l l懈 ， 图3 。”4 单片机a t 8 9 c 5 2 控制电路 在无刷直流电机应用系统中，单片机a t 8 9 c 5 2 实现豹功能包括如下几个方面： 1 ) 采样霍耳传感器位置信号，生成速度反馈信号，经外界p i 调节器送入无刷直流 电机控制器m c 3 3 0 3 5 ，构成速度闭环控制，这样就省去了电子测遮器m c 3 3 0 3 9 。 浙江大学硕士学位论文 2 ) 利用单片机的串行口，实现了四位静态显示电路输出接口。 3 ) 应用单片机的普通1 0 口线( p 2 0 一p 2 2 ) 构成虚拟1 2 c 总线，完成对直流母线 电流的a d 数据采样接口。 4 ) 提供外界输入信号的采样接口。 5 ) 提供错误检测与保护的输入输出接口。 如图3 4 所示，p 1 _ 卜p 1 3 完成对无刷机霍耳位置传感器信号的采样，经单片 机计算后由p 1 o 口生成速度反馈信号，完全取代了电子测速器m c 3 3 0 3 9 的功能。利 用单片机a t 8 9 c 5 2 的串口t 皿( p 3 1 ) 、r x d ( p 3 o ) ，实现了电机实时转速和直流母线 电流的四位静态显示输出电路。普通i o 口线p 1 5 一p 1 7 与p 2 5 一p 2 7 作为外界输入输 出接口。p o o p 0 4 作为错误信息指示灯输出口线。 图中下侧的2 个接口电路主要是连接主控制板和显示板的接口电路。需要特别 强调的是下侧显示板接口电路中的两个按键r s t 、d i s p ，按键r s t 用于系统复位，按 键d i s p 用于电机实时转速和直流母线电流的切换，缺省显示的是电机实时转速。功 能的具体实现将在软件设计中详细阐述。 3 2 2 无刷直流电机控制器舵3 3 0 3 5 控制电路 我们知道，单片机也可以实现控制器m c 3 3 0 3 5 的应用功能，但是本课题中单片 机a t 8 9 c 5 2 主要用于显示、保护、闭环控制等，无刷直流电机的核心控制由专用控 制器m c 3 3 0 3 5 来实现。考虑到上一章对器件m c 3 3 0 3 5 做过介绍，所以这里只简要介绍 一下实际课题中控制器m c 3 3 0 3 5 管脚的设置功能。如图3 5 所示，h a l l 接口是连接 无刷直流电机霍耳传感器位置信号的接口，提供无刷电机的转子位置信号。s p e e d 输入口线是电机给定速度，考虑到外界给定速度的调压范围是。一1 0 v ，而已知控制 器m c 3 3 0 3 5 的速度调压范围是o 一6 2 5 v ，所以外界给定速度需要经过串联电阻分压 后才能输入到控制器m c 3 3 0 3 5 中，做到电压匹配。 s p e e d f b ( p 1 0 ) 是由单片机产生的速度反馈信号，经p i 速度调节器( 由c 8 以及控 制器m c 3 3 0 3 5 内部的运算放大器构成) 送入控制器m c 3 3 0 3 5 ，形成速度闭环控制，经 浙江大学硕士学位论文 速度p i 调节后形成p w m 占空比的控制量，送入无刷电机的三相全桥驱动电路。 j 3 接口是系统开环闭环的转换接口，短接1 、2 系统闭环，速度反馈信号 s p e e d f b ( p 1 o ) 送入控制器m c 3 3 0 3 5 ；短接2 、3 系统开环，速度反馈信号断开，c 8 被 短路。设置j 3 接口的目的是便于硬件调试。 图3 5 无刷直流电机控制器m c 3 3 0 3 5 控制电路 3 2 3 无刷直流电机三相全桥变频驱动电路 三相无刷直流电机的功率主回路有桥式和非桥式两种结构，分别对应三相三状 态和三相六状态两种运行方式。从降低控制线路损耗来看，桥式主回路每次至少有 两个功率管导通，而非桥式只有一个，因此线路损耗是非桥式的两倍。但是由于非 桥式对电机绕组的利用率仅为桥式的1 2 ，为达到相同的功率每相绕组的匝数几乎 是桥式的两倍，在槽面积接近的情况下，线圈的线径变细，长度增加导致电机的铜 耗上升很多，甚至超过控制线路损耗的减少量。在电机设计中，分别对两种运行方 浙江大学硕士学位论文 式进行计算比较也得出三相六状态的效率比三状态器高的结论。并且非桥式电路在 运行过程中其转矩的波动较大，所以本课题采用三相全桥驱动电路，如图3 6 所示。 课题中选两无刷蠢流电机豹额定电滚为6 a ，电搬堵转、过载情况下电流可以达 到2 0 a ，所以m o s f e t 的电流容量必须是2 0 a 以上，考虑一定的安垒余量后最终选择n 沟道增强型m o s f e t 一7 5 n f 7 5 。器件容景为v d s 。= 7 5 v ，i d = 8 0 a ，r d s ( o n ) s a 玎c 对蓖渡蓐 ：_l - -一b r一t 1，_ _ _ _- 。赢忍墨 - _ o - 。 l l - p ( c 1 )s z 5 0 i，0 v瑚3 3 u m 洲f 、二j j c _ 觯g e c l ，z ；0 翰日甜 f 抽晦c i l l 瓣驰睁瞻垃葫p 酗c l，1 8 。均9 r s f 蓼托拍s 芸：囊播鲫滟x ( c z )s e 8 3 3 鲫 一| 一6 6 6 6 列 坪。g ( c z )z 1 咒u f r 哪( c z l 1 0 6 ，s 1 9 】州z 功m d c c z)9 3 5 u s 图5 6u c 对地的电压测试波形 4 0 c h ll ：l z 0 0u d i v 北瓤l l 同虿露玎 型篓i ：l 曼鲤e 。州l 丁 a u t 0 1 2 4u k 1 王：生 z 钓w 嘣l v 狲筘i _ i l 善 触t o 1 鹬封 塑墼兰堡圭兰! 丝墨 m 砣dl z z卫 z k s ，s5 崎孙 ；10 k 宴a 直液母蛾电漉采样镀静 心帆黼蝴i 缎。抵 p _ p ( c 1 )5 3 3 3 3 3 u 7n a x ( c 1 ) 4 3 3 3 3 3 u t ，0 0 0 舳t t 嚣；哺o l u f 嗍i c l 蚋5 0 2 4 9 h z p o d ( c 1， 1 0 0 5 0 s p 二掣c c z )自3 ：3 3 3 啪睫x ( c z )7 6 66 6 孙q 喃6 。6 6 5 却一 ，a f 嘲 c z )i ，9 6 0 7 斛k 泡 轴叼d ( c zs l e 旺s 图5 7 直流母线电流的聚样波形 ) p p 嘲 1 3 5 j z k s ，s 翱碱“ s t 。_ i - i j f h _ _ _ _ _ _ - 。i 1 ili 翮腿嘲矸 ；蔷i 萏；描瀛 r 一 聃峨c l 孽叼s 融s p p ( c z ，：3 主z 5 0 8 v融c z ) ：3 。嘲3 3 v h w r r ，1o “i 1 埘r r 、， ：，n l t 一u ；蔷磁，! i i 磊i 猫 弛o d ( 倥) 1 6 2 0 n s 图5 8 反馈脉冲波形 4 1 c h l1 ：1 z 0 ev d i v d cf u l l 瑚g ec h l ， 觚t 0 1 z 唾u 稍ii ：l z 。u 畦i v d cp u l l m 非c h l ， p 毗t o 1 。z 唾u 浙江大学硕士学位论文 图5 9电机在加速过程中的反馈电压波形 州l1 ：l z b bu ，哇i v 吼驴c h lf 触t 0 1 z 哇u 图5 8 是无刷壹流电机稳速在2 o r 盟时的反馈脉冲波形：图5 9 所示的是电 机在加速过程中的反馈脉冲波形。此波形与第网帮叙述的电子测速器粥3 3 0 3 9 的输 出时序非常相似，进步验证了无刷赢流电机的闭环运行成功。 5 2 其他调试波形及结果 外界控制系统通过应用系统的外界输入接口，能够对无刷盥流电机进行可靠地 复位、运行、停止、正反转控制。i 蹦位静态显示电路能实时跟踪电机转速丽交佬， 转换按键可以实现当前赢流母线电流的显示。 显示娅板上的各种状态指示灯能够显示当前电机的运行状况，包括电机运行正 常、过篷、欠压、过载、堵转五平孛运行状况，共根据现有实验条捧进行了有效的模 拟测试，得到了成功验证。 实际调试中观察到，无刷直流电机无论在高速还是低速阶段运行都相当的平 浙江大学硕士学位论文 第六章低速同步电机应用系统歉设计方法 6 。l 低速同步电机龋轮机构的数学模型 低速同步电机凸轮机构的数学模型如下图6 1 所承。可以假定凸轮的初始位鬣 处于最下端，嘲心位于点c ( o ，1 ) ，与低速同步电机的圆定连接点设定为坐标系原点 o ( o ，o ) ，其中o p o e ；横杆鞠与凸轮衣平楣切，切点为点e ( o ，1 ) ，横枰固定支点为点 p ( 一8 ，1 ) 。 凸轮机构在低速同步电机的带动下以坐标系原点o 为固定点逆时针或顺时针旋 转，从丙捻秀横杆上下数点p 为圆心傲圆弧运动。在横杼上点r 处施热了一个向下的 拽力f ，拉力会随着横杆的上升而增大，也就是施加在凸轮上的力矩会随着横杆抬升 角度a 1 f a 的增大而增大。换句话说，低速同步电机以恒定转速旋转时，负载转矩是 时宓| 变化的。 嚣乡彳蕊 飞 二= 一厂 慨谯 q l 拉力f yl、 矧蛳 ，乙_ j 心矽 f 圈6 1 低速同步电机灶轮机构的数学模型 横杆抬升角度a l f 8 ( 以下简写成“a ”) 与低速同步电机视械角度s i t a ( 以下简 碍成“0 ”) 之间的数学关系见如下推导公式。 浙江大学硕士学位论文 假设凸轮从最下蠛视始位置逆时针旋转，诧时低速同步电梳的橇城兔度0 设定 为0 度。凸轮径以固定点o 做逆时针旋转时，凸轮圆心则以o 点为圆心，以o c 为半径 做匀速圆周运动。 在设定坐标系下，凸轮强心方程： x 2 + y 2 = l ( 6 1 ) 由公式( 6 1 ) 可以推出凸轮圆心坐标与低速同步电视机械角度的关系： x = s i n o ，y = 一c o s o ( 6 2 ) 凸轮圆周方程： ( x s i n 0 ) 2 + ( y 十c o s 0 ) 2 = 4 横杆p q ( 凸轮切线) 的直线方程： y - 1 = 峨肼8 ) k ：横杆踯的直线斜率，k 2 t g a ( 旺 詈) 对凸轮圆髑方程求导数，同样可以 ! 导到横栉鞠的壹线斜率 1 ， n vs 1 n 廿一x a 一一 d x c o s 0 + y 联立方程( 6 3 ) ，( 6 4 ) ，( 6 6 ) 可以褥到： 8 k + k s i n e + c o s 0 + 1 = 2 而 把方程( 8 一毋代入上式( 6 7 ) 可叛缛到： s i n 0 【( 8 + s i n 0 ) + c o s a ( 1 + c o s e ) = 2 ( 6 3 ) ( 6 4 ) ( 6 5 ) ( 6 6 ) ( 6 7 ) ( 6 8 ) 浙进大学硕士学位论文 利用和鍪化积公式得到 s 呻咖雨忝季焉i 丽2 忑蒸彖蓊 。) 0 ( 洲r 蟒2 l 惘s 眵姗l 甾蛹+ 2 c o s e 7 1 + c o s e 其中a n 丫端面 最终可以得到横杆抬升角度旺和低速同步电机的机械角度0 的数学关系： 归a r c s m 孺菰志i 蔗一a 烈a n 苌器 ( 6 _ 埘 6 6 + l6 s i 壬1 9 + 2 c o s e8 + s i n 8 、”。7 当凸轮点f 旋转至i 点a 时，此时e 一耳，代入上次褥到 横秆抬升角度0 c = a 1 c s i n 丢= 1 4 4 8 。 由数学几钶知识可戬诞黉褥裂懿下结论： 当凸轮点f 旋转至4 点b 时，即o b 垂直于横杆蹭，此时的横杆捻升角度c e 取褥最大 僮，最大儋为： 鼢燃：a r c s i l l 喜一a r c t a l l 三：2 1 8 4 5 0 7 1 2 5 。：1 4 7 2 。 6 5 8 此时低速同步电机的桃械角度为： 。：a r c c o s 去a r c c o s l 善+ 1 8 0 0 ：8 2 8 7 。6 8 1 5 。+ 1 8 0 0 ：1 9 4 7 2 0 0 = a r c c o s l 二a r c c o s 0 二+ 1 8 0 0 = 8 2 8 7 0 6 8 】5 0 + 】8 0 0 ：1 9 4 7 2 0 6 56 5 浙江大学硕士学垃论文 6 2 低速同步电机的控制策略与实现方法 本课题选用的低速同步电机是定子由2 相正交绕组构成的低速同步电机，控制 方法篱单易行。最简单的控制方法如下图6 2 所示， 图6 2 两相低速同步电机的简易控制线路 上图6 2 中，r 1 c 1 构成了移相电路，当控制开关s 1 连接“逆”触点时，相电压 u b 连接正弦交流市电2 2 0 v 5 0 h z ，u a 超前u b 相位大约以角度，网步电辊逆时针旋转； 当控翻开关s l 连接“颓”艇点时，相电压u a 连接市电2 2 0 v 5 0 h z ，u b 超前u a 稳位大 约角度，同步电机顺时针旋转。 r 1 c 1 移相电路的移位相角的计算如下： r l 子笔= 1 0 0 町= _ _ 熹i = 忑= 1 0 0 啦i 6 7 7 2 5 5 = 6 7 7 3 2 9 么8 9 1 5 4 0 。w c l 。1 0 0 兀0 0 4 7 l c r 6 。一 洮、 岛豹电压波形如下图6 3 ，踅中可甄清楚羹壁卷爨潍奄压波形经过r 1 e l 移相 电路盾滞后于u a 电压波形大约噘角度。 本课题因为需要定位控制，即凸轮转动到任何位嚣停l | = ，保持足够的静态力矩， r c 移相电路是无法实现定位控制的。本课题采用的控制策略是双h 桥脉冲控制方式， 浙江大学硕士学位论文 电气连接如图6 4 所示。 a 图6 3u a 和u b 的电压波形 图6 4 低速同步电机的双h 桥脉冲控制方式 上图所示的双h 桥脉冲控制方式，d r o d r 7 是脉冲输入信号，如图6 5 所示，改 变输入脉冲频率，可以改变低速同步电机的同步转速。图6 6 是低速同步电机在脉 冲信号输入后的定子二相绕组l 1 、l 2 上的相电压波形，由图中可以看出，l 1 、l 2 上 的相电压波形u a 超前于u b 相位角9 0 度，符合定子两相正交绕组的驱动原理，低速同 步电机逆时针旋转。表6 1 是低速同步电机的命令控制字。 塑鎏茎兰堡主兰垡兰奎 图6 5d r 0 - d r 7 脉冲输入波形 图6 6 低速网步电机两相绕组l 1 、l 2 上的电压波形 k 同步电机逆时针旋转 同步电机顺雕。针旋转 控制命令字控制命令字 殍通管子控制字 导通管子控制字 ( 二避制表示)( 二进制表示) q 0 、q 1 c 31 1 0 0 0 0 1 1 q o 、q 1 c 31 l o 0 0 0 1 1 q 6 、q 7q 6 、q 7 q 0 、q l 3 30 0 1 1 0 0 l l q 2 、q 3 e cl1 0 0 1 1 0 0 q 4 、q 5q 6 、q 7 |q 2 、q 3 3 e o o l l l l o o q 2 、q 3 3 c 0 0 1 1 l l o o q 4 、奄5舛、妫 q 2 、q 3 c c1 1 0 0 1 1 0 0 q o 、q 1 3 30 0 1 1 0 0 1 1 q 6 、q 7q 4 、q 5 备、往：控制命令字八位二进制数( 从低蛰高) 分别对应m o s f e t 管子0 0 一q 7 。 表6 1 低速同步电机命令控制字 浙江大学硕士学位论文 6 3 低速同步电机凸轮机构的定位控制 应用系统要求凸轮机构能够定位控制，即凸轮旋转到任何位置上停止，并且保 持足够大的静态力矩。简单的r c 移相电路无法对电机实行定位操作，而采用了双h 桥脉冲控制方式就能解决这一问题，使低速同步电机做正反转一次，由于本身低速 同步电机转速慢，经过齿轮箱变速后，此时的凸轮状态就停在原处不动，即定位在 某一位置上。凸轮定位时定子两相正交绕组上的电压波形如下图6 7 所示。 o 图6 7凸轮定位时定子两相正交绕组上的电压波形 如上图所示，在u a 第一个周期内，定子绕组l 1 的相电压u a 超前绕组l 2 上的相电 压u b 相位9 0 度；在第二个周期内，相电压u b 超前u a 相位9 0 度。低速同步电机在图示 两相电压供电下，会正转一圈再反转一圈，一直循环下去，凸轮则在原来位置保持 静止，即凸轮进行了定位操作。 需要特别说明的是绕组l 1 ，l 2 上的相电压u a ，u b 电压是交流脉冲电压，主要是 考虑到m o s f e t 驱动器件i r 2 1 1 3 外围自举电容的充电问题。举例来说，当管子q o 、q 1 导通时，绕组l 1 上获得正向电压，即u a 为正，此时h 桥右侧桥臂的驱动器件i r 2 1 1 3 外围自举电容处于充电状态；当管子q 2 、q 3 导通时，绕组l l 上获得反向电压，即u a 为负，此时h 桥左侧桥臂的的驱动器件i r 2 1 1 3 外围臼举电容处于充电状态。 总而言之，当绕组相电压为正时，h 桥右侧桥臂驱动自举电容充电；当绕组相 电压为负时，h 桥左侧桥臂驱动自举电容充电。 浙江大学硬士学垃论文 7 。2 低速同步电机应用系统的硬件电路设计 7 2 1 3 0 0 伏直流供电电源产生电路 硬件电路如下图7 2 所示，2 2 0 伏市电通过变压比为1 ：1 的隔离变压器与内部 系统隔离开来。隔离盛豹交流电压通过桥式整流，r c 滤波后可以获得3 0 0 v 煎流电压 辕出。为了降低电阻嚣上豹功率损耗，特选用电隧很小的康铜丝代替。r 1 2 ，d 1 9 构 成直流电压正常输出的指示电路。 置瞳毯0 1 0 圈7 2 3 0 0 伏直流供电电源产生电路 7 。2 2 低速同步电机交攘驱动电路 图7 3 低速同步电机变频驱动电路 浙江大学硕士学位论文 1 5 v 时其功耗仅为1 6 w 。 ( 3 ) i r 2 1 1 3 的合理设计，使其输入级电源与输出级电源可应用不同的电压值， 因而保证了其输入与c m 0 s 或t t l 电平兼容，而输出具有较宽的驱动电压范围，它允 许的工作电压范围为5 2 0 v 。同时允许逻辑地与工作地之间有一5 5 v 的电位差。 ( 4 ) 在i r 2 1 1 3 内部不但集成有独立的逻辑电源与逻辑信号相连接来实现与用 户脉冲形成部分的匹配，而且还集成有滞后和下拉特性的施密特触发器的输入级， 及对每个周期都有上升或下降沿触发的关断逻辑和两个通道上的延时及欠压封锁 单元，这就保证了当电路电压不足时封锁驱动信号，防止被驱动功率m o s 器件退出 饱和区进入放大区而损坏。 ( 5 ) i r 2 1 1 3 完善的设计，使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延 时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率m o s 器件的驱动信号之间有 一互锁时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率m 0 s 器件同时导通，发生 直流电源直通而短路的危险。 ( 6 ) 由于i r 2 11 3 是应用无闩锁c m o s 技术制作的，因而决定了其输入输出可承受 大于2 a 的反向电流。它的最高工作频率较高，内部对信号的延时极小。对两个通 道来说，其典型开通延时为1 2 0 n s ，而关断延时为9 4 n s ，且两个通道之间的延时误 差不超过l o n s ，因而决定了i r 2 1 1 3 可用来实现最高工作频率大于1 姗z 的门极驱 动。 ( 7 ) i r 2 1 1 3 的输出级采用推挽结构来驱动所需驱动的功率m o s f e t 或i g b t ，因而 它可输出最大为2 a 的驱动电流，且开关速度较快，当所驱动的功率m o s 器件的栅 极等效电容为1 0 0 0 p f 时，该开关时间的典型值为2 5 n s 。 i r 2 1 1 3 的典型电气连接如下图7 4 所示，引脚1 0 ( l i n ) 和1 2 ( h i n ) 为同一桥臂的 两个驱动信