（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp工业缝纫机运行控制研究.pdf

浙江大学硕士学位论文a b s t r a i ：t a b s t r a c t p e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e da n de f f i c i e n c yc o u l db ee n h a n c e db ya p p l y i n gt h e b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ( b l d c m ) t ot h ei n d u s t r i a ls e w i n gm a c h i n e w h i c h 缸 c o n t r o l l e db yt h ei n t e l l i g e n t - c o n t r o l l e r i nt h i st h e s i s s p e e d - t r a c ej so b t a i n e db y s p e e d - c u r r e n td o u b l ec l o s e d - l o o pv i at h ei n t e l l i g e n t - - c o n t r o l l e r , w h i l es p a c e - o r i e n t a t i o n i so b t a i n e db yt h em o d i f i e df i r m - t o r q u ee x p e c t a b l es h i f tm e t h o d t h ea c h i e v e m e n to f s u c hi m p o r t a n tf u n c t i o nl a y sag o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h b a s e do np r e v i o u ss t u d i e s ，t h i st h e s i sw a sf o c u s e dp r i m a r i l yo ns e v e r a la s p e c t sa s f o l l o w s ： f i r s t 耽c o m p a r i s o n sw e r em a d eb e t w e e no t h e rm o t o r sa n dt h eb l d c mw h i c hi s d u r a b l ea n dh a ss m a l l - i n e r t i aa n df a s t - s t a r t u pa d v a n t a g e i ng e n e r a l ，t h i sm a c h i n ei s c o n t r o l l e db ym e a n so ft h r e e - p h a s e - s i x - s t a t e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb l d c ma r e i n t r o d u c e da c c o r d i n gt ob o t hl o a d sc o n n e c t i n gm o d ea n ds w i t c h sm o d e t om a t c h p r a c t i c e ，t h r e e - p h a s e - a n g l e - c o n n e c t i o na n d2 - 2r o u t e - m o d ew e r ea d o p t e di nt h i st h e s i s s e c o n d l y , t h em a t h e m a t i cm o d e lo fb l d c mw a se s t a b l i s h e d ，w h i c hl a i da f o u n d a t i o nf o rd o u b l ec l o s e d - l o o p f o l l o w i n gt h i s ，t h eo p e r a t i n gm e c h a n i s mo ft h e m a c h i n ew a sa n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h e nh l - p w m - o ns t r a t e g yw a sp r o p o s e dt o c o n t r o lt h em a c h i n e i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h es m a l l e s tt o r q u e - r i p p l ea n dq u i c k s l o w i n g - d o w nc o u l db er e a l i z e db yt h i ss t r a t e g y t or e d u c ef u r t h e rt h et o r q u e - r i p p l e ， c o m m u t a t i o n - d e l a y - c o m p e n s a t i o nw a sa d o p t e db a s e do nh l - p w m - - o ns t r a t e g y t h i r d 耽i nt h i st h e s i ss o m ee f f e c t i v ep a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e db yo n - l i n et e s t i n g i no r d e rt oc o n t r o lt h er u n n i n go ft h em a c h i n e , w h i c hw a sb a s e do ni t sm a t h e m a t i c m o d e l a l s o ，t h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s ，i n c l u d i n gp r e f e r a b l ea n t i - d i s t u r b a n c ea n d s p e e d - t r a c ew h i c hw e r eb a s e do nt h es p e e da n d c u r r e n tc l o s e d l o o p ，w e r er e a l i z e d i na d d i t i o n ，d e t a i l so fi t ss t o pp r o c e s sw e r ea n a l y z e da n df o u rd i f f e r e n tm e t h o d s w e r ea d o p t e dr e s p e c t i v e l yt om a k es u r et h ep r e c i s i o ns t o p p o s i t i o n c o m p a r e dt ot h e f i r m - d t i m e a d j u s t a b l em e t h o d 、c o m m u t a t i o n - d e l a yc o m p e n s a t i o n a n dt h e t r a d i t i o n a lf i r m - t o r q u ee x p e c t a b l es h i f tm e t h o d ，t h em o d i f i e df i r m - t o r q u ee x p e c t a b l e l j 浙江大学硕士学位论文 a b s t l 认c t s h i f tm e t h o dc o b l db e t t e rf i n i s ht h et a s k f o l l o w i n gt h i s ，d s p - c m o sc h i p ，w h i c hh a se x c d l e n tp e r f o r m a n c ea n d i su s e di n t h em o t o r - c o n t r o l l i n gf i e l d ，w a si n t r o d u c e db r i e f l y a tl a s t , r e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sm e n t i o n e da b o v ew e r eo v e r v i e w e d a n dt h e f o l l o w i n gt a s k sa l ep r e s e n t e dt oi m p r o v e f u r t h e r p e r f o r m a n c eo f t h es e w i n gm a c h i n e k e y w o r d ：b l d c m ；h i ，p w m - l - o n ；d s p ；p i 1 1 1 浙江大学硕士学位论文第一章 第一章绪论 国内人口多、服装需求大预示着缝纫机的巨大需求。春秋换装现象进一步促进服 装市场的繁荣。如仍采用传统的家庭作坊式缝制，无疑降低了生产效率。为了提高服 装制衣生产效率及减低劳动强度，工业缝纫机的研发和应用应运而生。 本文在以前成果的基础上，先详细阐述直流无刷电机的运行原理，而后就缝纫机 的重点问题，如转矩脉动问题和停机位置精确度问题给予重点分析。 1 1 工业缝纫机优势及现状u 2 1 采用工业缝纫机进行服装制衣可以大幅度提高生产效率，具有明显的社会效益。 工业缝纫机用智能控制器的出现，是计算机、芯片控制应用领域的重要成果。 国内生产工业缝纫机著名厂家，如“上工、标准、华南”等，它们的产品在国内 占有很大的市场份额，促进了缝纫机市场工业化推广。但缝纫机市场需求远远超过技 术发展，更新速度快，导致产品生产规模较小。 发展到今天，缝纫机配件包括电机、传感器、电脑控制器等在内，性能都有很大 提高( 可靠性和稳定性等) ，这为缝纫机的大批量生产提高了可能性。现在国内的缝 纫机行业已经解决了近1 0 年的难题，缝制水平大大提高。在市场迅速推广的带动下， 国内一些特种缝纫机的大型企业，在研制平缝机用控制电机方面，开始对控制器进行 研制并尝试应用，这些表明了工业缝纫机市场很有发展潜力。 1 2 直流无刷电机 工业缝纫机一般由电动机拖动。电机拖动有机械式，也有皮带轮式。机械式依靠 电机与缝纫机的齿轮啮合，而皮带轮式则依靠皮带软连接电机与缝纫机。由于皮带轮 与电机转子保持一定的松弛度，存在返程误差和弹性张力误差。这个误差只可能影响 停机位，而不会影响转子位置的检测结果，不会影响电机正常运行。 在工业产品小型化趋势下，越来越多采用交流伺服电机，一般采用惯量小的直流 无刷电机或者永磁同步电机作为伺服电机，完成频繁的起停控制。实际上这两种电机 同属于永磁电机，只不过控制方式不一样而已。下面简单对电机进行介绍。 1 2 1 电机的分类 一般来说，电机可分为直流电机和交流电机。 直流电机依据励磁的产生方法，又可以分成他励、并励、自励等不同形式的直流 浙江大学硕士学位论文第一章 电机。普通直流有刷电机运行可靠和易于控制，但由于电刷引起换相火花、噪声等缺 点，需要定期维护，且装机容量不能超过1 0 6 k w r m 3 1 。 交流电机依据转子旋转速度与交流电磁场速度的关系，分成同步电机和异步电 机。同步电机，指得是电机运行速度和交流电磁场速度相同，而异步电机( 又称感应 电机“) 则存在转差率。假设同步速度为，电机正常运行时转差率为s ，电机实际 转速为n ，则存在如下关系3 “一： ：6 0 f ( 1 1 ) p 珂= ( 1 一s ) n o ( 1 - 2 ) 其中，厂为定子电源频率； p 为电机极对数； s 为转差率； 为定子磁场旋转速度。 同步电机一般用作发电机或者功率补偿机，而异步电机则更多的用在工业生产， 作为拖动原动力。交流电机容量大，应用场合多，但是控制复杂，无疑在中小功率应 用场合带来不便。 可喜的是在上世纪8 0 年代，采用永磁稀土元素将转子制成永磁式转子形成的永 磁电机问世。永磁电机就是通过合理设计，将磁势设计成梯形、方波形或者别的所需 形状。永磁电机无需专门考虑励磁，大大简化电机的控制。 永磁电机又根据磁势的波形，分为方波形、梯形、正弦形永磁电机1 6 1 。后者磁势 为正弦的，一般称作永磁同步电机( p m s m ) ，而前两者一般称为直流无刷电动机。 永磁同步电机的磁势为正弦型，但采用合适的策略电流既可以为正弦型也可以为 方波型。这两种永磁电机运行情况分别如图1 1 a 、b 所示，a 图为磁势和电流均为正弦 型永磁同步电机；b 图所示为磁势正弦、电流方波型永磁同步电机。图中l 表示a 相 电磁力矩，l 表示合成力矩。从图中可看出，前者合成力矩无脉动，而后者存在6 倍 电机磁势频率的转矩脉动，脉动系数为o 1 4 。 2 浙江大学硕士学位论文第一章 卜 l f ； l 卜 、 卞7 、 i ，弋、l1 、” 。_ 。 - j ；l 一” 7rn 、小l 厂、厂、l 厂、厂、i 厂、” a ) 电流为正弦型b ) 电流为方波型 图1 1 两种永磁同步电机 直流无刷电机的电流为方波形，其中磁势为梯形的直流无刷电动机称为梯形直 流无刷电动机；磁势为方波的称为方波型。其磁势波形分别如图1 2 中的( a ) 和( b ) 。 jc 堕l 以八 广1 卜型 ( a ) 梯形直流无刷电动机( b ) 方波型直流无刷电动机 图1 2梯形、方波型直流无刷电动机的磁势 进一步可以看到，直流无刷电机是永磁自同步交流电机。自同步，表明电机依靠 自身的转速来控制电机本身的换相。电机旋转速度快，则换相频率高；反之则换相频 率低。只要通过外界传感器或者别的方法得到换相时刻，就可以正常运行起来。直流 无刷电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载起动的同步电机那样在转 子上另加起动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。 若将电机与逆变器看作一个整体作为广义上的电机，则从电源一侧来看输入端为 直流电源，跟普通的直流电机类似，所以称作直流无刷屯机。从控制策略来看，完全 可以把它当作直流电机来看待，图1 3 即为典型的直流无刷电机机械特性，与普通直 流电机无异。 一 一崔” 浙江大学硕士学位论文 第一章 图1 3 典型的直流无刷电机机械特性及样图 1 2 2 直流无刷电机的特点订1 直流无刷电机的特点和优点，促使针对直流无刷电机的研究方兴未艾。总体说来， 直流无刷电机有如下特点： 普通直流电机换相依靠换向器和电刷，换向器与相绕组相连。当电机旋转时电刷 与换向器接触，自动的换相。而直流无刷电机依靠位置检测或者反电势过零点检测法， 来控制电子换向器进行换相。 与感应电动机相比，直流无刷电机具有更大的功率密度，更高的效率和更好的控 制性能，主要表现在如下方面： ( 1 ) 由于采用高磁能永磁材料，直流无刷电机体积得以减小，可以具有较低的惯性， 更快的响应速度、更高的转矩惯量比； ( 2 ) 由于没有转子损耗，也无须定子励磁电流分量，所以直流无刷电机具有较高的 效率和功率密度。对于同等容量的输出，感应电机需要更大功率的整流器和逆变器； ( 3 ) 由于没有转子发热，直流无刷电机也无须考虑转子冷却问题； ( 4 ) 尽管感应电机系统应用普遍和成熟，但由于其非线性本质，控制系统极为复杂。 永磁同步电机把交流电机复杂的磁场定向控制转化为转子位置定向控制，而直流无刷 电机则进一步将其简化为离散六状态控制，无须坐标变换。 与永磁同步电机相比，直流无刷电机同样具有明显的优势： ( 1 ) 直流无刷电机采用方波形电流供电，可以提供更高的转矩体积比，相同条件下， 输出转矩大1 5 ； ( 2 ) 在电动机中产生梯形波的磁场分布和梯形波的感应电动势要比产生j 下弦波的 磁场分布和正弦变化的电动势简单，因此直流无刷电机结构简单、制造成本更低； 4 浙江大学硕士学位论文 第一章 ( 3 ) 永磁同步电机定子电流是转子位置的正弦函数，系统需要高分辨率的位置传感 器，构造复杂且价格昂贵； ( 4 ) 产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单，控制也 简单得多，因此直流无刷电机控制简单、控制成本较低。 由于采用电力电子器件代替机械换相，直流无刷电机克服了有刷直流电机的致命 缺点，因此具有鲜明的优点： ( 1 ) 可靠性高，寿命长。它的工作期限主要取决于轴承及其润滑系统，高性能的直 流无刷电机工作寿命可达数十万小时，而有刷直流电机寿命一般比较短，在高温下甚 至只有几分钟； ( 2 ) 无电气接触火花，机械噪声低，无线电干扰少，不必进行经常的维修，可工作 于高真空、不良介质环境； ( 3 ) 可在高速下工作，专门设计的高速直流无刷电机工作转速可以达到每分钟1 0 万转以上； 但是直流无刷电机在实际应用中也存在如下弱点： ( 1 ) 必须与一定的电子换相线路配套使用，从而使总成本增加； ( 2 ) 不能工作在高温、大电流下长时间工作，否则会对永磁材料进行去磁。 从直流无刷电机特点来看优点远远多于弱点，具有良好性能，促使其在工业上的 应用越来越广。 1 2 3 直流无刷电机换相控制及实现2 7 1 从上述论述可以发现，要想得到最大的力矩和平稳运行，必须保持电流和磁势同 相位，时刻注意磁势和换相时刻的配合，因此必须检测转子磁极的位置。检测方法包 括有位置传感器检测法和无位置传感器检测法： ( 1 ) 有位置传感器检测法 采用位置传感器检测换相时刻的方法很多，包括电磁式传感器、磁敏式位置传感 器和光电式传感器等。 电磁式传感器 电磁式传感器是利用电磁效应来测量转子位置，检测方法有开口变压器、铁磁谐 振电路、接近开关电路等类型。其中开口变压器使用的较多。此种类型传感器特点就 是输出信号大、工作可靠、寿命长、适用性强，缺点则是体积大、信噪比低，需整流、 浙江大学硕士学位论文第章 滤波之后才可使用。 磁敏式传感器 常见的磁敏式传感器是由霍尔元件或者霍尔集成电路构成的。磁敏式传感器检测 方式结构简单、性能可靠成本低，目前应用最多。 光电式传感器 光电式传感器检测法，就是由装在电机转子上的遮光盘和固定不动的光电器件组 成。一般分成简单式、增量式和绝对式检测三种。简单式的光电传感器是靠转盘对光 的遮挡与否获得转子位置信号，如图1 4 所示，其中“是输出信号。 每一 茸二 垄坦l 图1 4简单式光电传感器 ( 2 ) 无位置传感器检测法 无位置传感器检测转子的方法，主要依赖反电势的过零点。普通直流电机，反电 势过零点处就是换流处。而直流无刷电机依据不同的负载接法和导通模式其换相时刻 略有不同，但反电势过零点仍是换相关键点。为了得到换相时刻，可以采取反电势法、 二极管状态检测法、三次谐波检测法、瞬时电压方程法等。 反电势法 反电势法是迄今为止最为成熟的方法。由直流无刷电机运行时的磁势和电流波形可 以看出：反电势过零点后再经过3 0 。电角度，即为该相换相点。实际应用中，反电势 难以测取，一般通过检测端电压来获得反电势过零点。所以这种方法又称为端电压法。 这种方法的缺陷则是在起动阶段( 即低速时) 端电压检测误差大，所以一般采用 三阶段来起动( 即采用专门的起动电路，先使电机以他控方式起动，当电机具有一定 的初速度和电动势后，再切换到自控变频状态) 。 续流二极管工作状态检测法 一 通过对逆变器开关管施加特殊时序的斩波信号，使电机绕组的续流电流沿着特定 6 浙江大学硕士学位论文 第一章 的回路流通。当流过绕组的反电势过零时，与断开相开关管并联的续流二极管中将流 过续流电流，通过检测该续流二极管导通与否，就可以获得反电势过零点并得出换相 时刻。 这种方法实际检测的是绕组反电势，但是检测灵敏度较高，在电机额定速度2 以 上即有效，起动容易，调速比大；缺点则是实现电路稍微复杂些。 三次谐波检测法 其原理为：对于磁势为梯形波的直流无刷电机，其磁势经过傅立叶分解，可以发 现除基波分量之外，还含有较大的三次谐波分量。三次谐波分量的一个周期对应基波 分量的1 2 0 。电角度，其相邻两次过零点间隔6 0 。电角度，正好与电机相邻两次换相 的时间间隔相同，只是相差9 0 。电角度。因此将反电势的三次谐波分量相移9 0 。之 后，得到的信号就可以作为转子位置信号，其每一个过零点均对应着一个电流换相点。 瞬时电压方程法 利用电机各相瞬时电压和电流方程，实时计算电机由静止到正常运转时任一时刻 转子的位置，控制电机的运行。该方法不需要专门的起动线路，电路简单，起动转矩 大。但对电机模型的依赖性大，当电机参数发生漂移时，容易造成建模误差大，使控 制精确度受到影响。还有一个缺点则是，此种方法实行在线运算，计算量大，耗时多， 所以必须采用高速的处理芯片和高速a d 转换器。 综上所述，无位置传感器检测法的实现，一般都是通过解算得到换相时刻，进行 换相控制字的改变。 1 2 4 直流无刷电机闭环系统 本处以有位置传感器检测法来举例，说明直流无刷电机的运行过程，并且绘出闭 环系统的控制框图。 图1 5 为磁势、位置信号、开关管导通模式图。如图所示，前三个信号邑、品、 & 即为转子位置的检测信号，以领先& 1 2 0 。电角度，& 领先品1 2 0 。电角度。每个 信号维持1 8 0 。电角度，而电机采用1 2 0 。电角度导通模式。在逆变器三相电机负载 中，定义每6 0 。电角度为一个状态，此时对应着一个开关模式，而后6 0 。电角度为 另一个开关模式。这样，在一个完整的电周期中，就有六个状态，这种运行模式称为 三相六状态模式。在实际安装位置传感器时，还可以保持三个信号领先角度为6 0 。， 7 浙江大学硕士学位论文第一章 而不是1 2 0 。，这样做只是变化了位置检测结果，对电机正常运行无影响。 1 0 ，v n b 扰似r ：z 剐7 b z 删m x 罚一 ；芦荦i 垡簟，l 一1 v ，4l 、厂r 8 7 自：2 自、l 、厂r 61 一 l 、厂r 3 l p “笔； 一 i 秦l 吩7 ”。，- ，z o z 棚 、厂r 2 一 v t 。” 一“1 一 图1 5 带位置检测的换相规律 从图1 5 可以看出，当电机某相磁势不是最大时，该电流要关断。而阴影部分则 表示电流导通，在零轴上面，表示流过上桥臂；在下面则表示流过下桥臂。 还可以发现：三个位置信号，可以采用信号电平式换相，或者采用上升、下降沿 作为换相时刻。前者在程序中采用的是查询方式，而后者可以采用捕获中断方式。查 询方式能够自起动，而捕获边沿方式存在自启动问题，需要二次定位。相比较而言， 后者方式更优，因为它不占用主程序时间，而前者需时刻查询换相字，占用c p u 资源。 开关模式还与检测信号硬件的安装有关，位置前移3 0 。或者6 0 。其开关模式就 大不相同，相当于硬件提前了换相字时刻。 如果位置前移量不是一个时间区段，可能增加换相字判断的复杂度。如电机运行 于三相六状态，每个区段为6 0 。电角度。硬件位置前移或后移6 0 。，带来的影响只 是换相字前移或后移一个。若是位移只变化3 0 。电角度，则在一个完整的6 0 。电角 度里，还要区分此3 0 。是属于前一个区段还是后一个区段，无疑增加难度。 实际上最直接相关的是磁势和开关状态，如前面分析一样，当此相磁势( 绝对值) 最大时此相必须开通，以获得最大的力矩和稳定的速度。 如前文所述，广义的直流无刷电机包括了逆变器，所以其控制可以看成普通的直 流电机来控制，其闭环控制框图如图1 6 所示 6 1 。在第三章里面，为了达到电机运行 的控制，为系统设计了两个调节器，速度调节器a s r 和电流调节器a c r 。 浙江大学硕士学位论文 第一章 图1 6直流无刷电机闭环控制系统 图中换相字控制框图，表示的就是确定开关模式。电机正常运行时，处于三相六 状态，即完整的一个电周期分成6 个6 0 。的电角度，分别控制着开关管的导通模式。 1 2 5 直流无刷电机的应用场合一1 直流无刷电机众多优良性能，促使越来越多领域采用直流无刷电机。 ( 1 ) 家庭办公 家庭小家电可以用直流无刷电机作为原动力。家用电器例如家用空调器，既是耗 电大件，又是噪声的主要来源，其发展趋势是使用能无极调速的永磁无刷直流电动机。 在日本，无级调速的空调已占市场分额的7 0 以上，它既能根据室温的变化，自动 调整到适宜的转速下长时间运转，减少了噪声和振动，使人的感觉更为舒适，还比不 调速的空调器节电1 3 。其它如电冰箱、洗衣机、除尘器、风扇等也在逐步改用无刷 直流电动机。在电脑设备中，计算机用音圈电机与磁盘驱动器采用直流无刷电机，利 用了直流无刷电机噪声小、定位准、响应快等特点，具有广泛的发展前景，但技术难 度很大。 ( 2 ) 交流伺服 电动汽车是当前汽车发展的新方向，一些发达国家每年均投入大量经费用于研制 和开发，其中电机和传动系统是电动汽车的心脏，稀土永磁电机以其体积小、效率高、 性能优异而成为各国研制新一代电动汽车的首选方案。电动车用电机的开发应用，不 仅对于我国汽车工业的发展和生活环境的改善具有重要意义，也是2 1 世纪发展的主 流，是电机学科研究和发展的方向。 9 浙江大学硕士学位论文第一章 ( 3 ) 其他领域 由于直流无刷电机体积小，将它应用到航空航天等领域具有独特优点。特别应该 提出的是用于微电子机械系统中的电磁型超微电动机。超微电动机有数种，其中电磁 型超微电动机输出力矩大、运行寿命长、转换效率高以及速度可调、转向可逆等一系 列优点而倍受重视。超微电动机仅为数毫米，甚至于以微米计算。 1 3 研究背景及课题目标 从当前市场来看，缝纫机停机位置对产品的性能至关重要，所以本篇特别关注停 机精度。工业缝纫机停机位置，一般采用上针位或者下针位为目标，要求电机制动停 机时，针位要停在上针位便于剪线；或者停于下针位便于倒缝。 本文针对缝纫机的智能控制，在阐述直流无刷电机运行特点基础上，利用d s p 对 直流无刷电机进行控制，主要目标是速度闭环、位置停机控制。这两个目标的实现为 进一步工作奠定了基础。 综上本文课题目标包含： 。 ( 1 ) 要求电机在2 0 0 1 0 4 0r m 时速度可调； ( 2 ) 要求电机在停机时主轴位置偏差不超过2 。，即位置误差不超过2m n l 。 1 4 小结 本章首先介绍工业缝纫机市场的现状，为缝纫机智能控制器的研制提供了市场导 向。接着文章分析直流无刷电机和其他电机的异同，重点比较了直流无刷电机 ( b l d c m ) 、交流电机和永磁同步电机( p m s m ) 的异同。 针对直流无刷电机的换相问题，文章还专门介绍了换相字的获取和换相时刻的判 断，阐述有位置传感器和无位置传感器的各种实现方法。文章着重分析三相六状态的 运行模式：即针对三相电机在每个完整的3 6 0 。电周期，按照开关模式分成6 个区段， 每个区段为6 0 。电角度。 基于直流无刷电机的优势，本章还特别介绍了直流无刷电机的应用领域，表明此 类永磁自同步电机具有很大的应有前景。针对本课题文章提出了具体目标，即实现稳 速和较高的停机精度。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章 第二章直流无刷电机运行原理 正如前面章节所言，包括逆变器部分时电机可以看成直流无刷电动机，从闭环控 制策略来看完全可以将其理解为直流电机，直流无刷电动机还有它的特殊性。本章先 介绍了工业缝纫机系统的电路组成，然后专门来研讨直流无刷电动机的控制模型和控 制方案，最后采用延迟换相策略减小转矩脉动。 2 1 工业缝纫机系统组成 整个工业缝纫机控制系统，包括系统主电路板和控制板，其中主电路板为逆变器 提供电源及为i p m 提供驱动电源等；而控制板则负责输出p w m 波形和各种信号的检 测、控制( 包括保护信号) 等。 2 1 1 主电路的选择n 1 a c d c a c 变频器是目前中小型电机变频器调速电源的主要形式。一般来说，变 频器先把市电( 交流电) 经过整流得到直流电压，而后经过逆变器输出频率连续可调 的三相交流电。主电路有两种形式：电压型和电流型。 ( 1 ) 电压型逆变器 电压型逆变器用得比较广，直流输出侧的大电容吸收储能。典型电路如图2 1 ( a ) 。 为了防止通电瞬时电流过大，在直流母线侧串联起动电阻r l ，正常运行时要用继电器 s l 短接，减小能耗。 a ) 、电压型逆变器”、电流型逆变器 图2 1两种类型逆变器 电压型逆变器的优点是电压储能大，纹波小；缺点则是当电机处于再生发电制动 时，回馈的电能会使电容侧电压泵升，若不做具体的措施则会危害主电路的安全，所 以一般需要加上能量泄放电路，如图中的r b 电阻。 浙江大学硕士学位论文第二章 ( 2 ) 电流型逆变器 电流型逆变器的储能元件为电感，完成主电路和负载之间的无功能量流动。采用大 电感作为储能元件，直流输出电流平稳，负载的所得到的力矩平滑，电机运行平稳。 电流型逆变器电路图如图2 1 ( b ) 所示。 此种逆变器的优点是：易于实现电机四象限运行，电机再生制动时能量交换迅速； 缺点则是电感滤波器体积大、发热多、效率降低，不适合机电成品的一体化。 综上所述本系统采用电压型逆变器，主电路图见附录1 所示。 2 1 2 控制电路的设计 在控制电路板中，需要给缝纫机提供驱动信号和保护信号。驱动信号由d s p 发出， 而后经过光耦隔离驱动i p m 模块，完成电路的通断，实现直流无刷电机的换流控制。 i p m 模块的内部结构见附录2 。此处主要介绍系统的两个保护信号，一个为i p m 输出 过热警报输出；另一个为主电路过压警报输出。 ( 1 ) 过热警报输出 一 i p m 模块它本身有相应的保护引脚，当逆变器发生短路、过热等错误时，保护引 脚发出下跳沿，输出低电平。如图2 2 所示电路，将故障信号隔离传递输出到d s p 的 p d p i n t a b 引脚。当电路运行时若发生故障，则光耦原边侧输入为下降沿跳变，经过 光耦隔离传输之后，此下降沿跳变输入到d s p 控制板启动保护程序，i p m 模块维持自 锁2 0 m s 左右。 图2 2 过热保护电路 ( 2 ) 过压警报输出 当电机正常运行时，主电路的电压不会超过i p m 的额定电压。当逆变器中发生能 量回馈时，电压在能量增多的过程中被迫上升。在图2 3 所示电路中，当电压过高时 光耦原边侧产生一个上跳沿，作为保护信号，同时开通能量泄放电路，能量泄放到制 动电阻发热耗能，为系统提供安全保障。制动电阻r 与电机飞轮转矩有密切关系，准 浙江大学硕士学位论文第二章 确计算制动电阻比较困难，通常情况采用经验公式取一个近似的值。选取泄放电阻的 经验公式为： r _ 2 u ( 2 1 ) l e 制动电阻功率户为：尸= a 譬 ( 2 2 ) 其中为额定电流，口为制动频率，范围为( o - 1 ) 之间。 图2 3 欠过压警报输出 2 2 直流无刷电动机的数学模型n 2 7 1 直流无刷电动机绕组三相对称，内部一般星型连接或者三角形连接。其模型可以 如下图2 4 示出( 这里假设星型接法) 。 以直流电源地为参考点，设三相a 、b 、c 的电势分别为、和，则可以列 f 妻1 = 享享量 i + p 乞乏罨 差 + 圣 + f 誊i c z s ， 浙江大学硕士学位论文 第二章 考虑到i a + + i c = o ，则式子( 2 3 ) 可以写成： 囊 = 5 享呈 差 + p 三j _ 三 肘三蔓 篷 + 圣 + 基 c 2 。 蹦嘲小甜刚刻 p 5 ， 无刷电机的电磁转矩可以表示为： r e = ( e i a + e b b 螺( 2 - 6 ) 疋= 2 ( 2 7 ) 乃一t = ，a 出r o = 丽g d 2i d m ( 2 - 8 ) c = 詈 ( 2 。9 ) 2 3 直流无刷电动机的运行方式订1 2 3 1 星型连接 浙江大学硕士学位论文第二章 中性点，可外接或不外接。 图2 5 星型连接主电路 ( 1 ) 二二导通方式 二二导通方式是指任一时间两个开关管导通。这种工作方式就是两相导通星型三 相六状态方式，即转子每经过6 0 。电角度，定子绕组就换相一次，定子合成磁场状态 就发生一次改变。可以看出电机有六种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导 通时问对应于转子旋转1 2 0 。电角度。这种方式是直流无刷电机最常用的工作方式。 图2 6 为二二导通方式运行时的规律，阴影部分表示相绕组流过电流( 下同) 。 vtlv t 巧荔磊孙 镌荔易孙一 瞄毖鲜 一 卜1 斤 _ v r 6以荔翕孙 计6 。 城允例l 忆i 瞄缁缮黝 一 。 ji 翕肌以荔荔孙lv t 2 一 、n 劬够j ；彤斜； 澎；彩煳爿一 015、 7 n 、 w t w t w t 图2 6 二二导通时的反电势及开关开通情况 由图2 6 可见如果忽略换相过程的影响，当梯形反电势的平顶宽度大于等于1 2 0 。 电角度时，电机的转矩脉动为o 。因此直流无刷电机在设计时，应尽量增大磁极的极 弧系数，以获得足够宽的磁密分布波形，从而得到平顶部分较宽的反电势波形。此时 假定电流为平顶波，电机工作在两相导通三相六状态模式时，总的电磁力矩就为每相 电磁力矩的两倍。 ( 2 ) 三三导通方式 三三导通就是指任一瞬间三个开关管导通。其导通规律如图2 7 所示。 浙江大学硕士学位论文 第二章 、厂r 1v t l 甥荔易云翕捌i 彦易云易聂切一 j ，z 计； ，能 7 x t 棚 一 卜啼1 7 v t 8彰哆“彬缁嬲髯删o - 6 厅。 弼彩彭渤猢 、虎；够疑磬彭彭彭缎蝴； 一 森 v t 2 一 ij1 7 彦翕云荔荔疡；n 一 忆陵弼澎蚴搦澎乒v l 阮；彩z ；澎蜘一 图2 7 三三导通时开关导通规律 可见在三三导通方式下，各相绕组不是在反电势波形的平顶部分换相，而是在过 零点时刻换相。所以在电枢电流和转速相同的情况下，三三导通方式比二二导通方式 的电磁力矩小，同时瞬间还存在脉动。 比较这两种通电方式可见：在二二通电方式下，每个管子均有6 0 。电角度的不导 通时间，不可能发生直通短路故障。而在三三导通方式下，因为每个管子导通1 8 0 。 电角度，一个管子的导通和关断稍有延迟，就可能发生直通短路，导致开关器件损坏 和主电路故障。两相导通三相六状态工作方式很好的利用了方波形气隙磁场的平顶部 分，使电机出力大，转矩平稳特性好。所以两相导通三相六状态工作方式更常用。 三相六状态工作模式采用三个位置传感器即可区分实现。三个位置传感器输出共 八种状态，其中两种状态无效。 2 3 2 三角形连接 若绕组实际采用三角形接法，电压型主电路也可以有两种工作方式。其主电路如 图2 8 所示，负载为三角形连接，三相顺序如图。 ( 1 ) 一- - - - 导通方式 图2 8 负载三角形接法 6 浙江大学硕士学位论文第二章 这种导通方式的导通顺序为：v t l 、v t 2 一v t 2 、v t 3 - ，v t 3 、v t 4 一 4 、v t 5 专v t 5 、 v t 6 寸v t 6 、v t l 。图2 9 为此种导通方式下的磁势、电流规律。 vtl、厂r1 mz z l f oo4 ； j wz ；一 | 丝纠l !入 v t e 广一 么簋幽 v -b l 嵫髻笾学l i _ 1 l膨荡荔荔；r 、厂r 2 ：5 “7 1 a 一 r 坨l 一 一l ! 1 l l。一i一 ；l ll 一 一 图2 9 三角形连接二- 二导通模式 ( 2 ) 三三导通方式 这种导通方式每一时刻有三个管子参与动作开通，其导通顺序为v t - 、v t 2 、 v t 3 j v t 2 、v t 3 、v t 4 斗v t 3 、v t 4 、v t 5 一v t a 、v t 5 、v t 6 寸v t 5 、v t 6 、v t i 专v t 6 、 v t l 、v t 2 。此时的磁势、电流波形如图2 1 0 所示。 v t lv l 。爱m ( 掘c 会_ v t 4 勿：扬“( c 象j j ! “好“| e “! ；i i v t 6 切结：。必二砖c 。犯鬈 h v 1 _ 8 _ 。 i ：w 1 f 2 、， o ，z ，所一 ： 一 骗ln麦伸，_ 似( 州袁c 口 ；、厂r 2 一 v ；l i llli 一 3旷。l ij 一 图2 1 0 三角形连接三三导通模式 综上所述，可以发现三角形连接三三导通方式和星型连接二二导通时情形相似； 三角形连接二二导通和星型连接三三导通连接相似。所不同的是在星型连接时二二导 通为绕组串联；而三角形连接时两绕组是并联。 绕组到底是星型接法抑或三角形连接，由电机的制造工艺决定。本试验所用电机 绕组内部星型接法，采用二二导通模式。 浙江大学硕士学位论文 第二章 2 4 直流无刷电机的控制策略 直流无刷电动机的控制策略很多，见诸于各种研究文章鸭一j 仉i l l 。直流无刷电动 机永磁自同步特点，有不少的控制方案来控制它的运行。只要有位置检测并且适时换 相，则电机即可正常运行。 2 4 1 控制策略比较 由文献【1 】和 7 1 可知，控制电动机的策略有不下5 种，包括p w m o n 、o n p w m 、 h - p w m - l o n 、h o n l p w m 和第五种h p w m l p w m 。这五种控制策略，均是在 电动机1 2 0 。运行方式下进行的。下面简单介绍一下这5 种调制方式，其时序图如图 2 1 1 所示： ( 1 ) p w m - o n 型：在1 2 0 。导通区间，各开关管前6 0 。采用p w m 调制，后6 0 。则 恒通； ( 2 ) o n p w m 型：在1 2 0 。导通区间，各开关管前6 0 。恒通，后6 0 。采用p w m 调 制； ( 3 ) h p w m l o n 型：在1 2 0 。导通区间，上桥臂开关管采用p w m 调制，下桥臂 恒通； ( 4 ) h o n l p w m 型：在各自的1 2 0 6 导通区间，上桥臂开关管恒通，下桥臂采用 p w m 调制； ( 5 ) h p w m l - p w m 型：在1 2 0 。导通区间，上下桥臂均采用p w m 调制。 t 1 t 4 t 3 t 6 t 5 t 2 t 1 t 4 t 3 t 6 t 5 t 2 l 褊晶卢气2 3 伊4 ，4 一b - 5 ：一 i | | | i i i n n n n n n 一 口n f l l l n i i ii 一 1 ) p w m o n ；氚揣i - z n ，”1 3 卜4 3 旷6 。一 i t l n l ln n n l l f l n n n n一 n n n n n n n n n n n n t 1 t 4 t 3 t 6 t 5 t 1 t 4 t 3 t 6 t 5 t 2 6 1 ，l 一22 3 3 4 ；4 - 5 。5 - 6 6 0 。1 2 0 。1 8 0 。2 4 0 03 0 0 。3 6 0 。 2 、o n p w m n 1 1 1 1 丌n 1 1 1 1 n n n n n； 1 n n n n n ； nn n n n n n n n n n n n n n n n n 一 3 ) h p w m - l o n4 ) h o n - l p w m 浙江大学硕士学位论文第二章 t l t 4 t 3 t 6 t 5 t 2 nn n n n n hn n n f l n n h n f l n n nn n n n n t一 1 n n n n nn nn n n n r ln f l n n n n nn n n n t n nn nn h n n n n n n一 ”h p w m l - p w m 图2 1 i 直流无刷电机的5 种p w m 调制方式 综合来看前4 种是半桥调制；第5 种则是全桥调制，它的开关损耗是其他类别的2 倍左右。因此第5 种在实际中很少采用。 文献【1 】在理论分析、仿真和实验的基础上，最后得出结论：不论上桥臂换相还 是下桥臂换相，属于开通管进行p w m 调制而非换相管恒通的调制方法所产生的换相 转矩脉动均比属于非换相管进行p w m 调制而开通管恒通的调制方法产生的换相转矩 脉动要小，更比采用h p w m l p w m 调制方式时产生的换相转矩脉动小i l l 。文献【1 】 最后还提出了p w m - o n p w m 调制策略，可以完全消除非导通相的续流电流，消除因 此产生的非换相转矩脉动。 本文介绍第六种调制方式称为h l p w m o n 模式，具有更快实现能量回馈和停机 制动的特点t 2 1 。h l p w m o n 模式其开关周期波形如图2 1 2 所示，可知此种开关方 式属于半桥调制方式。 1 4 61 4 z3 6 23 6 4 5 2 45 2 6 0 0 n 0 0 n o n n 7 1 1 0 1 n 0 1 1 n 1 1 n 广 ： ，