（电路与系统专业论文）飞轮无刷直流电机调速系统研究.pdf

摘要 摘要 无刷直流电机因其既具有传统直流电机的优点，又具有体积小、重量轻、效 率高、转动惯量小和调速性能优越等优点，在小功率，高转速的调速领域都占据 着主要位置。随着智能化、数字化的发展，基于无刷直流电机的调速系统得到了 广泛的应用。 本文基于大力矩飞轮调速系统的开发，研究了无负载情况下的无刷直流电机 调速系统的运行过程及控制特性，针对不同运行阶段的控制需求，提出了以系统 双闭环控制、电机换向控制及电流上限控制为核心的综合控制策略，设计了整个 调速系统的控制方案，采用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具对整个系统进行了仿 真。 本文以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型数字信号处理器作为系统主控核心，设计 整个飞轮调速系统的硬件架构，包括d s p 主控板电路、三相全桥式逆变电路及 电机传感器信号测量电路，以软件程序实现系统控制算法。最后，在完成的调速 系统上进行实验，通过获取的实验数据对系统控制性能进行评估，对控制策略进 行分析研究。实验结果表明，整个飞轮调速系统运行稳定可靠，所采用的控制策 略切实有效，使电机在各调速阶段都取得了较好的控制效果。同时，针对实验中 发现的系统控制不足之处，提出了新想法，为进一步应用奠定了基础。 关键词：无刷直流电机，无负载调速系统，d s p 技术 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a ld cm o t o r ，b l d c m ( b r u s h l e s sd cm o t o r ) a l s oh a ss m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，h i g he f f i c i e n c y , s m a l lm o m e n to fi n e r t i aa n dt h e s u p e r i o rs p e e dc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，s oi to c c u p yt h em a i na r e a sa tl o wp o w e ra n d l l i g h - s p e e dg o v e r n o r w i t l lt h ei n t e l l i g e n ta n dd i g i t a lt r e n d s ，b l d c m b a s e ds p e e d c o n t r o ls y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e d b a s e do nt h el a r g et o r q u ef l y w h e e ls p e e dc o n t r o ls y s t e m , w es t u d i e dt h ec a s eo f n o l o a ds p e e dc o n t r o ls y s t e ma n di t sc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c s ，p u tf o r w a r dai n t e g r a t e d c o n t r o l s t r a t e g y w i t hd u a l d o s e d l o o p c o n t r o l m e t h o d , r e v e r s i n gc o n t r o l a n d u p p e r - c u r r e n tl i m i tc o n t r o l ，d e s i g n e dt h e w h o l es p e e dc o n t r o ls y s t e ma n dt h e n o p e r a t i n g s i m u l a t i o nb ym a t l a b s i m u l i n kt o o l s u s i n g t i st m s 3 2 0 f 2 812d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ra sc o r ec o n t r o l l e r , w ed e s i g n e d t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ef o rt h ef l y w h e e ls p e e dc o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed s p m a i nc o n t r o lb o a r d ，t h r e e - p h a s ei n v e r t i n gc i r c u i ta n dm e a s u r i n gc i r c u i t sf o rt h em o t o r s e n s o rs i n g a l s t h e n ，w ea c h i e v e dt h es y s t e mc o n t r o la l g o r i t h mw i t hs o f t w a r ep r o g r a m s f i n a l l y , w es t u d i e de x p e r i m e n t a l l yo nt h ec o m p l e t e ds y s t e m w ea s s e s s e dt h e p e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o ls t r a t e g yb yt h ea c q u i r e de x p e r i m e n t a ld a t aa sw e l la s c o r r e s p o n d i n ga n a l y s i s 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l y w h e e ls p e e dc o n t r o ls y s t e mw a s r u n n i n gs t a b l ya n dr e l i a b l y , t h ec o n t r o ls t r a t e g yw a su s e de f f e c t i v e l y , s ot h em o t o r o b t a i n e dab e t t e rc o n t r o le f f e c ta tv a r i o u ss p e e ds t a g e s a tt h es a m et i m e , t ot h e c o n t r o ld e f i c i e n c i e ss h o w e di ne x p e r i m e n t ，w ep u tf o r w a r ds o m en e wm e t h o d sf o rt h e f b i t h e ra p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r , n o l o a ds p e e dc o n t r o ls y s t e m ，d s pt e c h n o l o g y c l a s s i f i c a t i o nc o d e ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无刷直流电机调速系统的发展现状 1 1 1 无刷直流电机的广泛应用 一直以来，直流电机因其优良的转矩控制特性，以及宽阔而平滑的调速性 能，在调速应用领域占有重要地位。近年来，随着高性能永磁材料、微电子技 术、自动控制技术和电力电子技术的快速发展，永磁直流无刷电机得到迅速的发 展。由于克服了机械换向装置的固有缺点，直流无刷电机既具有传统直流电机的 优点，如较好的机械特性和调节特性，启动转矩大、过载能力强、调节方便、动 态性能好等优点，又具有调速性能优越，体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、 不存在励磁损耗问题等优点。直流无刷电机因其电枢绕组驱动电流形状的不同而 分为两种类型：一种是方波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为方波( 梯形波) ， 通常被称为无刷直流电机( b r u s h i e s sd cm o t o r - b l d c m ) ；另一种是正弦波永磁 同步电动机，其电枢驱动电流为正弦波，常称其为无刷同步电机( p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r p m s m ) 。与p m s m 相比，b l d c m 具有明显的优越性，反 馈装置更简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机和逆 变器电路各自的潜力得到充分的发挥。因此，无刷直流电机的应用和研究受到了 广泛的重视，凭其技术优势在许多场合取代了其他种类的电动机，在小功率，高 转速的调速领域，如航天航空、机器人、数控机床等精密传动领域，无刷电流电 机都占据着主要位置。 1 1 2p 删调速系统的发展 p w m ( 脉冲宽度调制) 是利用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制的一种 非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等众多领域。自2 0 世纪7 0 年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并生产出多种既能控制其导通又 能控制其关断的全控型器件，如门级可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g r t ) 、 电力场效应管( p - m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 等，这些全控型器件 性能优良，由它们构成的p w m 直流调速系统近年来在中小功率直流传动中得到迅 猛的发展。p w m 信号是一系列可变脉宽的脉冲信号，这些脉冲覆盖了几个定长 周期，从而可以保证每个周期都有脉冲输出。这个定长周期称之为p w m 载波周 期，它的倒数称为p w m 载波频率。在电机控制系统中，p w m 信号控制电子开关 第一章绪论 线路中功率开关器件的导通和关闭，为电机的绕组提供期望的电流和能量。与老 式的可控直流电源调速系统相比，p w m 调速系统有以下优点： a 采用全控器件的p w m 调速系统，其脉宽调制电路的开关频率高，一般在几 k h z 几十k h z 之间，因此系统的频带宽，响应速度快，动态抗干扰能力强。 b 由于开关频率高，仅靠电动机的电枢电感的滤波作用就能获得脉动很小的 直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速性能好，稳速精度高，调速范围宽， 同时电动机的损耗和发热都很小。 c p w m 系统中，主电路的电力电子器件工作在开关状态，损耗小，装置效率 高。 d 主电路所需的功率元件少，线路简单，控制方便。 1 1 3 数字化发展趋势 传统的直流无刷电机调速控制系统一般是由模拟分立元件构成。模拟控制系 统价格便宜，使用方便，在很长一段时间里，它们是构成各类电机控制系统的主 要手段。然而，模拟元器件的物理特性决定了它们具有本质上的缺陷，例如元器 件会随着时间的推移而老化；另外，现代电子系统的一个设计原则就是要提高集 成度，同时便于维护、为将来的产品升级留有余地。而模拟控制系统由于采用硬 接线方式构成，一经投用，基本上没有升级的可能。由于模拟控制系统的本质缺 陷，使它难以满足现代电子系统的设计要求。因此，数字控制系统应运而生。数 字控制系统一般以可编程的微处理器为硬件核心，将预先编好的控制软件放在系 统存储器中，在硬件的辅助下，通过软件的执行来完成预期的功能。由于控制系 统的主要功能由软件来实现，从而使得这些电子产品很容易通过修改软件来实现 升级。另外，随着微处理器处理能力的不断提高，在一个系统中实现多种功能变 得更容易、更方便。 在以前对电机的控制策略还不丰富，控制算法还不复杂，控制精度要求不高 的时候，通用单片机开始在电机控制系统中广泛应用。在单片机控制系统中，单 片机作为系统的控制核心，主要用来完成一些控制算法，同时还要处理一些输入 输出、显示任务等。单片机的使用使电机控制系统的性能得到了很大的提高。然 而，受单片机本身结构的限制，难以适应一些高控制要求的系统设计需求，如高 速控制系统等；对于一些可以提高系统性能的控制算法，如k ai m a n 滤波、模糊控 制、神经网络控制等，也很难做到实时控制。此外，现代电机广泛采用p w m 控制 方法，而在一般的单片机中，都没有可产生p w m 脉冲波的硬件设备。为了产生p w m 波，在单片机中都是通过软件编程来实现，这也从另一个侧面限制了该类系统性 能的提高。因此，基于单片机的电机控制系统主要适用于那些控制精度以及性能 2 第一章绪论 要求不高的场合。而采用d s p 实现数字化处理和控制已经成为未来的发展趋势。 美国德州仪器( t i ) 公司推出了面向运动控制、电机控制的t m s 3 2 0 x 2 8 x x 系歹u d s p 控制器，为电机控制系统的设计注入了新的活力。t m s 3 2 0 x 2 8 x x 系列d s p 控制器， 具有很快的执行速度，同时配合专用的p w m 脉冲发生电路、a d 转换器、数字i 0 接口等用于控制的片上外设，使得它们从硬件机制上可以较好地满足任意电机控 制系统的需求；可以实时地执行一些高精度的复杂控制算法；使用芯片上具有的 通信机制，如c a n 接口、串行外设接口等，可以更容易地实现该系统与其他系统 之间信息的交换。 可以看到，基于d s p 控制器构成的电机控制系统具有传统的单片机电机控制 系统和专用电机控制系统的优势，同时又克服了它们各自的缺点，如外设和存储 器集成在芯片内，可节省印制电路板面积、减少系统中元器件的个数、提高了c p u 的处理能力、提高了系统的可靠性等。另外，随着电子技术的不断发展，d s p 控 制器芯片的成本也在不断下跌。这些都使得基于d s p 的电机控制系统逐渐成为应 用的主流。 1 1 4 控制算法的发展 电机控制系统常用pid 控制。pid 控制是控制系统中技术成熟且广泛应用的一 种控制方法，它的结构简单，不需要系统的确切数学模型，参数易调整，在长期 的应用中积累了丰富的经验。将p l d 控制应用到数字系统中，通过软件可以实现， 对于大多数控制对象都能获得满意的控制效果，故工程实践中多采用p id 作为系 统控制算法。同时，随着控制理论研究的不断深入，出现了许多先进的智能控制 算法。目前，专家系统，模糊控制和神经网络是三个重要的理论和方法。通过将 先进的智能控制算法与传统的p i d 控制相结合，可以解决许多复杂的问题，如非 线性系统控制，参数的自适应调整等等。 可以看出，采用以微处理器为基础的数字控制技术，以现代智能控制为代表 的控制策略，实现全数字化、智能化是未来高精度、高可靠性的无刷直流电机调 速系统的重要发展方向。 1 2 无刷直流电机的无负载调速问题 目前，无刷直流电机的调速系统基本上都是基于有负载情况下进行研究的。 然而，在个别特殊的应用领域，需要在无负载的情况下进行无刷直流电机调速系 统的控制研究。在大力矩飞轮调速系统中，飞轮调速通过无刷直流电机及相应的 控制机构完成，飞轮和电机采用一体化设计。在实际运行过程中，飞轮在转动中 第一章绪论 受到的各种摩擦力基本上可忽略不计，因此可认为其工作于无负载情况下。 虽然同为无刷直流电机调速系统，在有负载情况下和在无负载情况下，其运 行过程和控制特性都存在着很大的区别。首先在有负载情况下，电机一旦超速， 往往可以通过负载来进行能耗制动而减速；负载越大，转速波动越小，控制特性 也越好，在零速附近也不易出现转速震荡；而在无负载情况下，电机一旦超速， 由于无法利用负载来进行能耗制动，为了达到所需的调速性能指标，比如在一定 时间内超速的电机转速必须降至可接受的稳态转速范围内，因此必须通过电流来 进行反向制动。由于存在了电流的突变，会带来大噪声、强干扰、转速波动大及 稳态调节时间变长等问题。因此，采用的控制策略过于刚性的话，甚至会出现电 机转速剧烈震荡，系统无法工作的问题；此外在无负载情况下，当电机运行于零 速附近的低速状态下，更易出现电机在正反向之间反复震荡的情况，导致电机无 法静止而长期处于堵转状态，引起电流过大甚至使电机烧毁。 因此，针对无刷直流电机的无负载调速控制，我们不仅要考虑无负载情况下 系统运行带来的噪声干扰，过流保护等问题，关键是要在分析系统运行的基础上， 找到合适的控制策略，尽可能减小电流制动导致的转速震荡，来满足无负载情况 下的无刷直流电机调速控制的性能指标要求。 1 3 论文研究内容及创新点 本论文依托于“大力矩飞轮调速系统控制”项目，根据项目的设计要求开展 研究，主要研究内容包括： a 根据项目提出的总体性能要求，提出可行的系统总体设计方案。在研究三 相无刷直流电机运行的基础上，设计合理的系统控制结构及调速方案。 b 为调速系统设计高性能的控制器。针对无负载情况下的电机运行及电流反 向制动的需求，研究并设计在不同的转速，不同的运行状态下的系统控制策略及 控制参数整定方法。 c 建立有效的系统仿真模型。为了对系统方案的可行性及所设计算法的控制 性能，在方案阶段实现有效的评估，我们需要对调速系统建立一个仿真模型。鉴 于m a t l a b 中s i m u l l n k 的强大仿真能力，我们选择s i m u l l n k 作为系统仿真平台进行 系统仿真研究。 d 飞轮调速系统的软硬件实现。采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 f f ! | d s p 控制器及相 关器件，完成整个大力矩飞轮调速控制系统的硬件设计。在实现所设计的调速系 统的过程中，需要考虑如何合理的使用d s p 资源，简化整个系统的硬件设计，提 高系统可靠性，降低功耗等等。完成硬件设计后，根据d s p 芯片的编程特点，设 计整个系统的软件流程，通过高级语言编写的软件程序来实现系统的控制方案 4 第一章绪论 和算法，最后用实验来检验整个系统的控制性能和可靠性。 论文的主要创新点在于：对无负载情况下的飞轮调速系统控制进行研究，分 析系统调速过程中出现的各种问题，找到相应的解决方法及合理的控制策略；利 用d s p 控制器完成整个飞轮调速系统的软硬件设计。 论文的安排如下： 第二章：介绍无刷直流电机的基本结构，重点阐释三相星型全控方式下无刷 直流电机的运行过程及原理。 第三章：研究大力矩飞轮调速系统的工作原理及控制需求，提出了以系统双 闭环控制、电机换向控制及电流上限控制为核心的综合控制策略，设计了整个调 速系统的控制方案。 第四章：搭建基于m a t l a b s i m u l i n k 的飞轮调速系统仿真平台，并对系 统的性能及控制策略进行仿真研究。 第五章：设计基于d s p 控制的飞轮调速系统硬件电路，进行系统软件程序 的开发。 第六章：介绍设计完成的飞轮调速系统并进行实验，根据实验得到的数据对 系统性能及采用的控制策略加以验证。 第七章：对本文的工作进行总结，并对下一步的工作做出展望。 5 第二章无刷直流电机结构及原理 2 1 引言 第二章无刷直流电机结构及原理 无刷直流电机( b l d c m ) 与有刷直流电机相比，用电子换相电路代替了机械 换相装置，在内部结构上有了显著的变化，所以两者的运行特性和控制方法也有 很大区别。对于本论文中飞轮调速系统所使用的电机一三相星型连接无刷直流电 机，需要其三相绕组交替通电，以特定的组合方式换相，才能产生方向不变的转 矩，使电机持续运转。基于上述考虑，本章以绕组为三相星型接法的电机为例， 对无刷直流电机的基本结构和运行原理进行讨论。另外因为建模仿真的需要，还 在本章最后讨论了无刷直流电机的基本数学描述。 2 2 无刷直流电机的基本结构 无刷直流电机主要由电机本体、转子位置传感器和电子开关线路( 逆变电路) 三部分组成，如图2 - 1 所示。直流电源通过电子开关线路向电机定子绕组供电， 由位置传感器检测电机转子位置，发出电信号控制电子开关的导通和关断，在适 当的时候向电动机的不同绕组通电，驱动电机旋转。 图2 - 1 无刷直流电机结构 6 第二章无刷直流电机结构及原理 电机本体 无刷直流电机本体主要包括定子和转子两部分，在结构上和永磁同步电机相 似，但是没有笼型绕组和其他启动装置。定子绕组一般为多相( 三相、四相、五 相不等) ，转子由永磁材料按一定极对数p ( 2 p = 2 ，4 ，) 组成。按定子三相绕 组所加电压波形( 也称为驱动方式) 进行分类，可分为正弦波驱动和方波驱动两 种基本形式。无刷直流电机采用的是方波驱动方式。方波驱动是在定子绕组中按 一定顺序通以方波电流，使定子三相绕组合成气隙磁场类似于跳跃式前进的旋转 磁场，从而产生相应的电磁转矩使转子旋转。 转子位置传感器 转子位置传感器是无刷直流电机的重要组成部分，作用是检测转子磁极相对 于定子绕组的位置信号，为电子开关线路提供正确的换相信息。转子位置传感器 的种类包括磁敏式、光电式和电磁式等，其中在无刷直流电机中使用最普遍的是 磁敏式位置传感器。磁敏式位置传感器利用电流的磁效应进行工作，由与转子极 对数相同的永磁检测转子和多个空间分布均匀的磁敏元件( 通常是霍尔元件构 成) 。对于极对数为1 的三相无刷直流电机，其位置传感器的数量是3 ，安装位置 应当间隔1 2 0 。电角度。霍尔器件在磁场的作用下产生霍尔电动势，经整形、放 大后得到所需要的电压信号，即电机转子位置信号。无刷直流电机中一般采用具 有开关特性的霍尔集成电路，由霍尔元件、放大电路和功率输出电路三部分组成， 其原理框图及输出特性如图2 - 2 所示。当外加磁感应强度低于曰。p 时，输出电压 由低变高，传感器处于关状态；当外加磁感应强度高于既p 时，输出电平由高变 低，传感器处于开状态。 u o 3 2 l o b 肼b hb o rb 图2 2 霍尔集成电路原理框图及输出特性 7 第二章无刷直流电机结构及原理 电子开关线路( 逆变电路) 电子开关线路用来控制电机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率 逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控 制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑分配关系分配给无刷直流电 机定子上的各相绕组，以使电机产生持续不断的转矩，各相绕组导通的顺序和时 间主要取决于来自位置传感器的信号。但位置传感器所产生的信号一般不能直接 用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关 单元。 图2 - 3 为一本体为三相两极的无刷直流电机的换相控制框图，三相定子绕组 分别与电子开关线路中相应的功率开关器件相连。在图中，a 相、b 相、c 相绕组 分别与功率开关v t 卜，t 2 、v t 3 - v t 4 、v t 5 - v t 6 相连，位置传感器的跟踪转子与电 机转轴相连接。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子磁极所产生的磁场相 互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置信号换成电信号， 去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子 位置变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步 的，因而起到了机械换向器的换向作用。因此，所谓无刷直流电机，就其基本结 构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电机以及位置传感器三者 组成的“电动机系统”。 u d 图2 - 3 三相无刷直流电机换相控制框图 感器 第二章无刷直流电机结构及原理 2 3 三相无刷直流电机的运行原理 2 3 1 无刷直流电机的基本工作原理 一般永磁直流电机的定子由永磁钢组成，其基本作用是在电机气隙中产生磁 场。其电枢绕组通电后产生反应磁场，由于电刷的换相作用，使得这两个磁场的 方向在直流电动机的运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电 机不停地运转。无刷直流电机为了实现无电刷换向，首先要求把一般直流电机的 电枢绕组放在定子上，把永磁钢放在转子上，这与传统有刷直流永磁电机的结构 正好相反。但是，这样还是不够的，因为用一般直流电源给定子上的各绕组供电， 只能产生固定磁场，它不能与运动中的转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以 产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，无刷直流电动机除了由定子和转子 组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同组成 换相装置，使得无刷直流电动机在运行过程中由定子绕组产生的磁场和转动中的 转子磁钢产生的永久磁场在空间中始终保持在9 0 度左右的电角度。 无刷直流电动机的控制方法和运行方式也因电动机本体的绕组方式不同而 各异，而本文中所使用的无刷电机为三相绕组，所以下面着重说明三相绕组无刷 直流电动机的运行原理，其它绕组型的电机类推可得。 2 3 2 三相全控桥电路的工作原理 三相绕组无刷直流电机绕组的连接方式有星型连接和三角形连接两种，前者 应用较广。其电子开关线路又有半控桥和全控桥两种方式。半控桥由三个功率管 组成，全控桥由六个功率晶体管组成，图2 - 4 所示为三相星型全控桥电路的基本 结构。 u d 图2 4 三相星型全控桥电路原理图 9 第二章无刷直流电机结构及原理 全控桥虽然结构较为复杂，但是相对于半控桥来说优点十分明显；其输出转 矩更大，波动更小，且绕组的利用率更高。所以在要求较高的场合，一般都采用 全控桥电路。 三相星型全控桥电路的通电方式又分为两两导通方式和三三导通方式。下面 就重点讨论星型连接下这两种方式的工作原理。 a 两两导通方式 两两导通方式就是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1 6 周期( 6 0 。电 角度) 换相一次，每次只换相一个功率管，每个功率管导通1 2 0 。电角度，各功 率管的导通顺序依次是v t i v t 4 、v t i v t 6 、v t 3 v t 6 、v t 3 v t 2 、v t 5 v t 2 、v t 5 v t 4 当功率管v t i 和v t 4 导通时，其他四个晶体管处于截止状态。电流经v t l 管，从a 相绕组流入，b 相绕组流出，再由v t 4 管回到电源。将a 相磁场见与b 相磁场见的 方向表示成与电流方向一致，两者的合成磁场召。即为此时电机的电枢磁场。曰。的 大小和方向如图2 - 5 ( a ) 所示。如此时磁极所在位置恰好使磁极磁场召，在空间 上滞后b 。9 0 。电角度，则电机处于最大电磁转矩状态，在这个电磁转矩作用下， 转子将作逆时针方向旋转，同时使曰，和尻之间的夹角减小。 ( a )( b ) 图2 - 5 两两导通方式下的电机运行过程 当电机逆时针方向转过6 0 。电角度以后，由v t i 、v t 4 通电换成v t i 、v t 6 通电， 此时产生的电枢磁场也逆时针方向转过6 0 。电角度，如图2 - 5 ( b ) 所示，使电机 又处于最大电磁转矩状态。 因此只要根据磁极不同位置，以恰当的顺序去导通和关断各相所连接的晶体 1 0 第二章无刷直流电机结构及原理 管，保持磁极磁场滞后电枢磁场_ 定电角度的位置关系，便可使无刷直流电机产 生一定的电磁转矩而稳定运行。各相电流的波形平顶宽度为1 2 0 。的方波，如图 2 - 6 所示。所以两两导通方式本质上是一种梯形电流控制策略，所以常用于反电 动势为梯形波的无刷直流电机( b l d c m ) 。 i a o o iii 鲫1 2 护1 中跚中埘 函 iii 一 - j 伊1 2 舻舯胛t 竺 面 i i ii pn 俨中跚埘埘 b 三三导通方式 图2 6 两两导通方式下的电机相电流波形图 三三导通方式是指每一瞬间均有三个功率开关导通，每隔6 0 。换相一次，每 个功率管通电1 8 0 。，导通顺序是v t i v t 6 v t 3 、v t 6 v t 3 v t 2 、v t 3 v t 2 v t 5 、v t 2 v t 5 v t 4 、 v t 5 v t 4 v t i 、v t 4 v t i v t 6 、v t i v t 6 v t 3 当v t 4 v t l v t 6 导通时，电流从v ，i 1 流入a 相 绕组，经b 相和c 相绕组( 这时b 、c n 相绕组并联) 分别从v t 4 和v t 6 流出，这时流 过b 相和c 相绕组的电流分别为流过a 相绕组的一半。将a 相磁场曰。、b 相磁场既和 c 相磁场曰，的方向表示成与电流方向一致，三者的合成磁场e 即为此时电机的电 枢磁场。召，的大小和方向如图2 - 7 ( a ) 所示。如此时磁极所在位置恰好使磁极 磁场曰，在空间上滞后只9 0 。电角度，则电机处于最大电磁转矩状态，在这个电 磁转矩作用下，转子将作逆时针方向旋转，同时使曰，和e 之间的夹角减小。 第二章无刷直流电机结构及原理 f 面丽埙 一 ( a ) ( b ) 图2 7 两两导通方式下的电机运行过程 经过6 0 。电角度后换相到v t l v t 6 v t 3 通电，即关断v t 4 ，导通v t 3 ，这时电流 分别从v t l 和v t 3 流入，经过a 相和b 相绕组( 想当于a 相和b 相并联) 再流入c 相绕 组，经v t 6 流出，此时产生的电枢磁场也逆时针方向转过6 0 。电角度，如图2 7 ( b ) 所示，使电机又处于最大电磁转矩状态。 三三导通方式的相电流波形如图2 - 8 所示，这种方式本质上是一种正弦波电 流控制策略，所以常用于反电动势为正弦波的永磁同步电机( p m s m ) 。 ； o o 。厂厂卜 q ：p 3 咿姘6 1 厂h 厂一 卵1 2 q ，面 厂厂h 一 ，1 咿2 4 0 。3 l 乞。 图2 8 三三导通方式下的电机相电流波形图 1 2 第二章无刷直流电机结构及原理 2 4 无刷直流电机的数学描述 永磁无刷直流电机的转子为用磁钢，通过定子电枢绕组励磁，其气隙磁通密 度为方波分布，反电势波形为梯形波，定子相电流波形为方波。理想状态下，在 每半个周期内，方波电流的持续时间为1 2 0 。电角度，梯形波反电动势的平滑部 分也为1 2 0 。，两者应严格同步。要十分精确地分析无刷直流电机的运行特性是 很困难的。它涉及非线性理论和数值解法等诸多问题，在一般工程应用上尚无此 必要。故在此文中作如下假定： ( a ) 三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称； ( b ) 忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； ( c ) 电枢绕组在定子内表面均匀连续分布： ( d ) 磁路不饱和，不记涡流和磁滞损耗。 电机三相绕组的电压平衡方程式可表示为： 卜 时 0 o i i o o ，o l qq r l c+ 圣 ( 1 ) 式中：“。、”。为定子相绕组电压( v ) ：i o 、i b 、为定予相绕组电流( a ) ：e a 、 、巳是定子相绕组电动势( v ) ；l 为每相绕组的自感( h ) ；m 为每两相绕组之间 的互感( h ) 。 设三相绕组为星型连接，且没有中线，则有： f 4 + 厶+ = 0 ( 2 ) 并且抱= m i , + 帆。 ( 3 ) 将上述两式代入式( ) 得到电压方程为： 卜 时言三班 + j _ 三 - l 三0 二j 夏d 卜 + 刨 ( 4 ) 对于三相无刷直流电机，其定子绕组产生的电磁转矩表达式为t 1 t = 二( e 。f 口+ e b 毛+ p 。i 。) ( 5 ) c ， 运动方程为：j d ，o 。, ：疋一瓦一b r o ( 6 ) a i 式中：为电磁转矩( n m ) ；疋为负载转矩( n m ) ；b 为阻尼系数 ( n m j r a d ) ；j 为转子的转动惯量( k g m 2 ) ；d o ) d t 为转子机械角加速度 ( r a d s 2 ) 。 第二章无刷直流电机结构及原理 2 5 本章小结 在本章中，我们通过对三相无刷直流电机在星型连接方式下的运行过程，了 解了无刷直流电机的基本结构及运行原理，最后对无刷直流电机进行了数学上的 描述。在后面的研究中，我们将根据无刷直流电机的运行原理进行控制系统的设 计，根据无刷直流电机的数学描述完成电机调速系统的仿真。 1 4 第三章飞轮调速系统及其控制 3 1 引言 第三章飞轮调速系统及其控制 大力矩飞轮调速控制系统按功能划分有：主控制器部分、电机功率驱动部分、 电机信号采样部分、c a n 通信部分及电源部分。由于飞轮电机不带负载，其摩擦 力可忽略不计，所以负载力矩基本等于零。这种无负载调速系统，有别于一般的 带负载调速系统。对这种调速系统的控制，并且要取得高性能的控制效果，是一 个值得研究的重点。 3 2 飞轮调速系统 3 2 1 系统工作原理 整个飞轮调速系统的系统结构及工作原理如图3 1 所示。 广 广 l 时钟电路ii 电源转换电路i 图3 1 飞轮调速系统原理框图 主控制器部分采m d s p 控制器实现，通过d s p 自身丰富的硬件资源以及软件 程序设计，完成整个飞轮调速系统的运行控制；电机的位置、速度及电流信息分 第三章飞轮调速系统及其控制 别通过各采样接口反馈至u d s p ，f l j d s p 的控制软件进行相应的位置、速度及电流 控制，位置信息由电机内置霍尔传感器产生，速度信息由电机上安装的光电编码 器输出转速脉冲及方向信息，电流信息由采样电阻对电机电流采样后获得。d s p 的p w m 发生电路产生p w m 波形，经驱动电路及大功率桥电路后驱动电机运转； d s p 与上位机之间通过c a n 总线及相应的通信协议进行通信，上位机通过c a n 总线向d s p 发送控制指令，而d s p 通过c a n 总线接收指令及上传相关数据；电源 转换电路分为数字电源部分和功率电源部分两块，分别对数字控制部件和电机驱 动部件进行供电。 3 2 2 系统反馈组成 位置反馈 飞轮上的无刷直流电机采用三相六状态的星形接法，通过三相全控功率桥逆 变电路驱动。电机内置霍尔传感器，根据霍尔传感器感应到的电机转子目前所在 位置，决定三组功率晶体管上下管的开启或关闭顺序。当电机转子转动到霍尔传 感器感应出另一组信号的位置时，再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可 以往同一方向持续转动。当控制部分决定要电机转子停止，则关闭功率晶体管； 要电机反向转动则采用相反的功率晶体管开启顺序。霍尔信号为三路，每路信号 根据是否上拉分为0 、l 两种状态，三路输出的组合产生0 0 1 、0 1 0 、0 1 l 、1 0 0 、1 0 1 、 1 l o 六个有效信号，来指示电机转子的位置。通常电机每转导致霍尔信号变化的 次数还与电机的极对数有关，关系为，= 6 事p ，其中，为霍尔信号变化次数，p 为 电机的极对数，即对p 对极的电机来说，每转霍尔输出信号变化6 p 次。因此， 在有些对转速控制精度不高的场合，也可以通过霍尔信号的变化进行测速。 速度反馈 通过光电编码器产生的正交编码脉冲( q e p ) 对电机转速进行测量。正交编 码脉冲是由两个具有变化频率和1 4 个周期( 9 0 。) 当固定相移的两个脉冲序列a 、 b 组成的，如图1 0 所示。如果将脉冲序列a 超前序列b 1 4 个周期( 9 0 。) 认为是 电机正转方向，如图3 2 ( a ) ；那么序列b 超前序列a 1 4 个周期即为电机反转方 向，如图3 2 ( b ) 。通过对正交编码脉冲计数及先导序列的检测，即可得到电机 的转速及转向信息。当采用刻线数为2 5 6 线的光电编码器时，则电机每转由光电 编码器产生两路2 5 6 个脉冲的正交编码脉冲。而我们对正交编码脉冲电路计数时， 通常对每路脉冲的上升沿和下降沿均进行计数，故实际计数脉冲数为每转1 0 2 4 ( 2 5 6 4 ) 个脉冲。因此，当调速采样周期为5 0 m s 时，可以达到1 1 7 2 转分的转 1 6 第三章飞轮调速系统及其控制 速分辨率。 b 路 电流反馈 ( _ ) 正向 b 路 图3 2 正交编码脉冲输出 ( b ) 反向 在三相无刷直流电机的运行控制中，需要获知流经电机实际电流值，以进行 电流控制和力矩控制。因此，我们通过采样电阻将电机中的电流转换为电压信号， 经过一系列的滤波电路后，反馈至处理器的a d 采样端，由处理器获得当前流经 电机的实际电流值。 3 3p i d 控制原理 pid 控制是工业过程控制中常用的控制方法，因为pid 控制器结构简单，实现 简易，且能对很多被控对象进行有效的控制。pid 控制器是一种线性控制器，它 根据给定值，( f ) 与系统实际输出值y ( t ) 之间的偏差：e ( t ) = r ( t ) - y ( t ) ，将偏差的 比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 三个环节通过线性组合的方式构成控制量，进 而对被控对象进行控制，故称plo 控制器。其控制规律为： o ) = k p p ( f ) + i 1c p ( f ) 出+ 乃d e ，( t ) 1 f q 口f 简单来说，三种环节的控制作用如下： ( 1 ) 比例环节。误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，是被控制量朝着 误差减小的方向变化，其控制作用的强弱取决于比例系数k 。比例控制的缺点 是对于系统阶跃响应值为一有限值的被控对象存在静差，加大k 。可以减小静差， 但k 。过大时，会破坏系统的动态性能，甚至使闭环系统不稳定。 ( 2 ) 积分环节。它能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差。积分控制的 缺点在于积分作用具有滞后特性。如果积分控制作用太强就会使系统的动态性能 变差，甚至使系统变得不稳定。 ( 3 ) 微分环节。它能对误差进行微分，敏感于误差的变化趋势，增大微分控 制可以加快系统响应，使超调量减小，增加系统稳定性。它的缺点是对于干扰同 1 7 第三章飞轮调速系统及其控制 样敏感，使系统抑制干扰能力降低。 在数字控制系统中，使用的是数字p id 控制器，它可以表示为： ( 七) 一“( 七一1 ) = k p e ( k ) - e ( k 1 ) 】+ 墨i p ( 后) + 【p ( 七) 一2 e ( k - 1 ) + p ( j | 一2 ) 】。其 中k p 、k ，和k d 分别称为比例、积分和微分系数，互为采样时间。在本文中， 我们采用d s p 软件编程的方式实现p i d 控制，故采用的也为数字式的p l d 控制方式。 3 4 速度及电流双闭环控制 当电机转动起来后，根据霍尔传感器信号变化及电机实际速度与设定速度的 误差来决定大功率管导通顺序以及导通时间长短。速度不够则加长导通时间，速 度过头则减短导通时间，这部份工作就由p w m 控制来完成。p w m 是决定电机转 速快或慢的方式，如何产生这样的p w m 是达到精准速度控制的核心。为了满足 系统超调小、抗扰动能力强，实时性、快速响应性好的要求，飞轮调速系统采用 转速、电流双闭环的控制策略。 对于要加入转速和电流两个闭环的调速系统，为了在启动过程中只有电流负 反馈起作用以保证最大允许工作电流，不应让它和转速负反馈同时加到一个调节 器的输入端；到达稳态转速后又希望能使转速恒定，静态误差尽可能小，应只要 转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要作用。转速、电流双闭环调速系统应该 能够做到既有转速和电流两种负反馈作用，又能使它们在不同的阶段起主要作 用。 如图3 3 所示为转速、电流双闭环控制的原理框图。为了实现转速和电流两 种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个p i d 调节器，分别调节转速和电流， 两者之间实行串级连接。 图3 3 电机双闭环控制原理框图 其中外环为速度环，用于控制电机的实际转速跟随设定的速度变化，消除稳 1 8 第三章飞轮调速系统及其控制 态速度误差。当电机实际转速小于( 或大于) 设定转速时，速度环根据其误差做 出同时增大电流( 或减小) 电流的决定，最终通过反复调整，给出准确的电机参 考电流。同时，速度环对其参考电流的输出进行限幅，来控制允许的最大电流上 限值。由于在速度环中加入微分环节容易导致其输出变化加剧，使电流环的控制 不稳定，通常在速度环中去掉微分调节，只采用p i 控制算法。 内环为电流环，用来加快系统的动作速度，减小调节时间，起超前控制的作 用，同时保证电枢电流在动态过程中不超过允许值，对p w m 占空比上限进行约 束，防止调整中出现过流情况。当速度环给出准确的参考电流值后，电流环首先 采样流过电机的实际电流，当发现电机实际电流小于( 或大于) 参考电流时，便 作出增大或减小p w m 输出脉宽的调节决策，使流经电机的实际电流准确趋近速 度环给出的参考电流值。在电机运行过程中，当出现电机过流时，电流环将迅速 减小p w m 占空比来减小电流，起到保护电机的作用。 3 5 无负载情况下的调速系统运行 飞轮电机在转动过程中，不论是工作在正向运转还是反向运转，都处于无负 载运行状态中。由于没有负载的能耗制动，如果我们不加以控制，飞轮转速一旦 超过所设定的转速就会处于滑行状态，此时电流为零，无法进行转速的调整。因 此，我们需要施加一定的反向制动力矩，来减缓飞轮的转速，使其向设定转速靠 近。当飞轮正向超速时，需要给它施加负向力矩；当飞轮负向超速时，需要给它 施加正向力矩。对正负向力矩的施加是通过控制三相桥中晶体管的导通顺序来实 现。我们可以将飞轮的运行过程分成三个阶段，如图3 - 4 所示。图中，( i ) 部分 为调速阶段，( i i ) 部分为稳速阶段，( i i i ) 部分为零速( 超低速) 阶段。下面我 们分别从系统双闭环和电流控制两方面来探讨无负载情况下电机的运行过程。 芟o- i l 商 i i i 一 一 5 0 啦 i 、 ) l l i 一一 0 0 0 -i 一 o 一 时间( s ： 雕 l ： 0 0 - i+ i 。 图3 4 飞轮电机阶段运行过程图 1 9 第三章飞轮调速系统及其控制 ( 1 ) 调速阶段 调速阶段是一个飞轮的当前转速与设定转速之前存在较大偏差，经控制后当 前转速不断向设定转速靠近的过程。对正反双向运行的电机来说，又可以分为正 向加速、反向加速、正向减速和反向减速的调