（通信与信息系统专业论文）基于直流无刷电机的纠偏控制系统设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来由于电子技术的飞速发展，针对直流无刷电机的控制涌现出许多新的 方法和技术，因其优越的性能，它的应用领域越来越广。本文设计了一款基于直 流无刷电机的纠偏控制系统，在直流无刷电机的良好性能的基础上，实现了高效、 快速的纠偏控制。 文章依据自动控制的理论，将整个系统设计为由三个闭环构成的系统，内环 为电流环，主要用以限制系统的的最大电流，保障系统安全，及时的抑制电压的 扰动作用；中间环为速度环，它的输出为电流环的输入，它的输出幅值限定了允 许最大电流，速度环的引入能够增强对负载变化的抗干扰；外环为位置环，根据 传感器反馈的实际位置信息与给定值进行对比，输出信号至速度环，完成对位置 控制的功能。 本文从纠偏控制系统入题，介绍了其基本工作原理和当前的发展状况，提出 了以直流无刷电机为执行机构的纠偏控制系统设计。然后详细介绍了直流无刷电 机的结构、工作原理、控制方法，分析建立的电机的数学模型，以此为基础对整 个三闭环系统进行动态分析，做出系统每个环路的动态结构图，依据闭环的动态 结构图，对所设计的各个环路的调节器进行了m a t l a b 的仿真分析，验证所设计 的调节器是否合理。在理论分析的基础上，本文给出了系统的硬件实现电路和软 件的设计流程，实现文章中所设计的基于直流无刷电机的纠偏控制系统。 在理论上对三闭环系统进行了分析和建立数学模型后，根据实际直流无刷电 机的参数计算给出各个调节器的时间常数和反馈比例系数，仿真分析调节器的性 能。通过仿真分析所给定参数的调节器的性能后文章根据参数给出各调节器的实 现方法，电流调节器采用硬件电路的方法来实现，转速调节器和位置调节器根据 其时域方程进行离散变换，求出他们的差分方程然后通过软件编程的方法来实 现。 系统采用s t 公司的s t m 3 2 单片作为控制核心，来完成整个纠偏控制系统 的控制，系统的纠偏传感器采用的是超生波传感器，执行机构以直流无刷电机为 驱动部分。在软件设计上根据要实现的功能，进行模块化的设计，使整个系统结 构清晰。 关键词：直流无刷电机；纠偏；闭环控制；建模仿；s t m 3 2 。 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yi nt h el a s td e c a d e ，t h e r ea r e m a n ya d v a n c e dm e t h o d s a n dt e c h n i q u e st o w a r d s t h ec o n t r o lo fb l d c i t s i n c r e a s i n g l yw i ( 1 er a n g eo fa p p l i c a t i o n si sd u e t ot h ei m p r o v e df u n c t i o no fb l d c i n t h i sr e p o r t ，ad e s i g n e dd e v i a t i o nc o n t r o ls y s t e mf o rb l d ci sd e s i g n e dt oa c h i e v ea l l e f f i c i e n ta n de f f e c t i v ed e v i a t i o nc o n t r o lb a s e do ng o o dp e r f o r m a n c eo fb r u s h l e s s d i r e c tc u r r e n tm o t o r t h ew h o l ed e v i a t i o nc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e dt oc o n s i s to ft h r e er i n g c l o s i n g sa c c o r d i n gt oa u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y ：t h ei n n e rl o o pa sc u r r e n tl o o pi s m a i n l yu t i l i z e dt ol i m i tt h r e s h o l dc u r r e n t ，s e c u r i t ys y s t e ma n dt oi n h i b i tv o l t a g e d i s t u r b a n c e ；i n t e r m e d i a t el o o pi sc o n s i d e r e da ss p e e dr i n g ，a n di t so u t p u tw a si n n e r l o o p si n p u t i t so u t p u ta m p l i t u d el i m i t e da l l o w e dt h r e s h o l dc u r r e n t t h ei n t r o d u c t i o n o fs p e e dl o o pc a nb eu s e dt os t r e n g t h e nt h ea n t i - j a m m i n go fl o a d m a s t e r ；o u t e rl o o pi s a l s on a m e dp o s i t i o nl o o p c o m p a r e dt h ea c t u a lp o s i t i o nf r o ms e n s o rw i t hg i v e nv a l u e t h eo u t p u ts i g n a li st r a n s m i t t e dt os p e e dl o o p ，t h e nt oc o n t r o lc h a n g i n gp o s i t i o n t h ef i r s tp a r to fr e p o r ti sa b o u td e v i a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，i t sb a s i cp r i n c i p l eo f o p e r a t i o na n dc u r r e n td e v e l o p m e n ts i t u a t i o n t h ed e s i g n e dd e v i a t i o nc o n t r o ls y s t e m f o rb r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o ri ss u g g e s t e d i nt h ef o l l o w i n gp a r t ，t h es t r u c t u r e ， o p e r a t i o np r i n c i p l e ，a n dc o n t r o lm e t h o d ，a n dm o t o r sm a t h e m a t i cm o d e lo ft h es y s t e m a r ed e s c r i b e di nd e t a i l e d ，a n dt h e nt h r e er i n gc l o s i n gs y s t e m sa r ea n a l y z e db a s e do n t h ei n f o r m a t i o na b o v e d y n a m i cs t r u c t u r ed r a w i n go fe a c hr i n gw i l lb ep r o v i d e d ， w h a ti sm o r e ，m a t l a bs i m u l a t i o na n a l y s i so fr e g u l a t o ri ne a c hd e s i g n e dr i n gi su s e dt o c h e c kt h ef u n c t i o no fd e s i g n e dr e g u l a t o r s i nt h en e x tp a r t ，h a r d w a r ec i r c u i ta n d s o f t w a r ef l o ww i l lb ep r e s e n t e db a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t oi m p l e m e n tt h e d e s i g n e dd e v i a t i o nc o n t r o ls y s t e mf o rb r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r i nt h e o r y , t h et h r e ec l o s e d l o o ps y s t e ma n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ， c a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so ft h ea c t u a lb l d cg i v e st h er e g u l a t o rt i m e c o n s t a n to ft h ef e e d b a c ks c a l ef a c t o r , t h es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c eo f t h er e g u l a t o r t h ea r t i c l ea c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r sg i v e nb ya d j u s t i n gt h e p a r a m e t e r so ft h ep e r f o r m a n c et h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i s ，g i v e nt h ei m p l e m e n t a t i o n o ft h er e g u l a t o r , c u r r e n tr e g u l a t o ru s e st h eh a r d w a r ec i r c u i tt oa d j u s tt h es p e e da n d p o s i t i o na d j u s t m e n ta c c o r d i n gt ot h et i m ed o m a i ne q u a t i o n sa r ed i s c r e d i t e dt r a n s f o r m ， h 武汉理工大学硕士学位论文 f i n dt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o nt h e nb ea c h i e v e dt h r o u g hs o f t w a r ep r o g r a m m i n g s t m 3 2s i n g l ec h i pi ns tc o m p a n yi st a k e na sk e yp a r to ft h i ss y s t e mt oc o n t r o l t h ew h o l ed e v i a t i o nc o n t r o ls y s t e m t h ed e v i a t i o ns e n s o ro ft h i ss y s t e mi su l t r a s o n i c s e n s o r , a n db r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o ri sc o n s i d e r e da sd r i v ep a r ti no p e r a t i o n s t r u c t u r e t h es o f t w a r es h o u l db ed e s i g n e da sm o d u l a rd e s i g n ，t oe n s u r et h ec l e a r s t r u c t u r eo fw h o l es y s t e m k e yw o r d s ：b l d c ；d e v i a t i o n ；c l o s e d - l o o pc o n t r o l ；s i m u l a t i o nm o d e l i n ga n d a n a l y s i s ；s t m 3 2 i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 在钢铁、纺织、印刷、标签、贴标、造纸、塑料薄膜、橡胶轮胎等卷材生产 行业中，在生产过程中，卷材在进行喷涂、印刷、冲切、层合、分切或其他需要 卷绕的生产环节中，卷材的边缘始终要在允许偏差内保持整齐一致，卷材边缘一 旦没有对齐，偏移基准位置超出允许值就会引起后续的过程出错，导致材料浪费 或停工，因此在处理加工卷材的时候，需要对卷材的边缘进行及时的调整，使整 个卷材的边缘能够在一致保持预定位置内，这个调整卷材边缘位置的过程就称之 为纠偏。 现代意义的纠偏涉及甚广，在包装，印刷，标签，建筑材料，纸浆，生活用 纸，金属加工，无纺布等行业都是必不可少的。一个完整的纠偏控制系统它由三 大单元组成：对卷材边缘偏差值获取的纠偏传感器单元，完成系统调控的控制器 单元，执行控制器纠偏指令，推动卷材回到基准位置的纠偏执行机构。 纠偏系统驱动器作为纠偏系统的重要组成部分，电机选取的不同对整个系统 的精度、效率都有很大的影响。一般的纠偏系统多采用直流电机或者交流异步电 机来作为驱动系统，一些对纠偏精度和速度要求高的机器上，会采用能够精密控 制的伺服电机。出于对性能和成本的问题思考，人们开始寻找性能优良、价格低 廉的电机，以设计出性价比高的纠偏控制系统，在这个背景下以直流无刷电机为 纠偏执行机构的纠偏控制系统开始逐渐出现在市场上。 直流无刷电机作为一种新型无极变速电机，由于其优越的性能越来越受到人 们的关注。直流无刷电机拥有和直流电机一样良好的调速性能，它采用电子换向 器，没有电刷的限制，所以其结构简单，无需经常维护，其高效率和低发热量的 特性，使它非常适合使用在需连续长时间工作的环境中。在纠偏控制系统中使用 直流无刷电机作为系统的执行机构的驱动电机，能够实现低成本、高效率稳定的 控制。 近几年国内的纠偏市场需求变大，许多小的卷材生产厂家无法承担高价的进 口纠偏控制系统，对高性能、低成本的纠偏控制系统有很大的需求，本课题研究 的基于直流无刷电机的纠偏控制系统就是在一环境下进行的。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 研究系统的现状和发展趋势 在欧美国家由于工业的迅速发展，很早就开始对纠偏控制系统进行研究了， 在上世纪2 0 年代，德国的e + l 公司就已经开始之力于纠偏控制系统的研究了。 本世纪随着科技和电子技术的不断发展，对于纠偏控制系统的研究也取得很大的 发展，德国的e + l 、f i f e 、日本的三桥对纠偏控制系统的研究获得突破性的进 展，在精度、响应速度和稳定性上都有很大的提高，整个纠偏控制系统应用领域 也越来越广。 随着科技的不断的进步，纠偏控制系统的种类也越来越多，根据传感器的不 同，纠偏控制器有光电传感器纠偏系统、超声波纠偏控制系统、c c d 纠偏控制 系统等；根据驱动电机类型的不同也有交流纠偏系统和直流纠偏系统；根据工作 方式的不同可以分为l p c ( l i n ep o s i t i o nc o n t r o l l e r ) 、e p c ( e d g ep o s i t i o n c o n t r o l l e r ) 和c p c ( c e n t e r i n gp o s i t i o nc o n t r o l l e r ) 。纠偏控制器的大的生产厂商也 向多元化发展。针对不同的行业，不同的客户生产专用或通用的纠偏产品，纠偏 控制系统近年来也得到了很大的发展。 国内市场上对纠偏控制系统的研究起步晚，上世纪8 0 年代到9 0 年代主要的 纠偏产片都是依靠从德国和日本进口，整个系统的成本都非常高。由于电子技术 的飞速发展，国内市场的开始出现自己的纠偏产品，但是发展还是较为缓慢，较 之于国外的纠偏系统，国内生产的其精度和稳定性方面存在着一定的差距，许多 高性能的纠偏控制系统仍需要从国外进口，成本也很高。 1 3 研究目标和内容 论文的研究目标是在分析和掌握了国内外各种的纠偏控制系统的工作原理 和优缺点的前提下，来设计一款符合当前国内工控市场需求纠偏控制系统，它既 有国外纠偏控制系统的优越性能，也能符合是市场需要的低成本的要求，研究的 主要着手点在执行机构电机的选择和控制上。 整个系统设计需要解决的核心问题是对直流无刷电机的驱动和控制，由于直 流无刷电机的优越的性能和，非常符合本次设计的要求。论文首先分先直流无刷 电机的工作原理，根据自动控制原理的理论，设计了纠偏控制器的三闭环系统， 依此分析系统，建立数学模型并进行了m a t l a b 仿真。 论文需要解决的关键问题： ( 1 ) 依据自动控制系统的基本原理，对系统进行闭环分析和建模； ( 2 )直流无刷电机的驱动控制算法； ( 3 ) 根据理论分析的结果，实际完成纠偏控制系统的设计。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文的框架 论文一共有7 章，文章开始介绍了研究背景和纠偏控制系统的基本工作原 理，以及纠偏控制系统的发展现状。在介绍了纠偏控制系统的基本原理后，根据 自动控制系统的基本原理对纠偏控制系统的三闭环系统进行了分析和建模，并进 行了m a t l a b 仿真，论文最后给出了系统是实际实现的硬件电路和软件的实现方 法。文章每个章节的主要内容如下： 第1 章绪论部分讲叙了论文的背景，纠偏控制系统的现状和发展趋势。 第2 章分析和介绍了纠偏控制系统的工作原理和类型，比较了几种不同的 纠偏控制系统，提出了基于直流无刷电机的纠偏控制系统的设计。 第3 章介绍了直流无刷电机的的基本结构和工作原理，建立直流无刷电机 的数学模型。 第4 章以自动控制系统的理论为基础，介绍了系统的三闭环结构，对纠偏 控制系统的电流环、速度环和位置环分别进行了分析和建模；最后在已建立的数 学模型和闭环的动态结构图的基础上，对各环的调节器进行m a tl a b 仿真，分析 各调节器的性能。 第5 章按照纠偏控制系统的功能模块，描述了系统的硬件电路设计。 第6 章对系统的部分的调试结果进行了分析。 第7 章对论文进行了总结，并对整个设计提出了更深层的展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章纠偏控制系统介绍 2 1 纠偏控制系统的基本工作原理 纠偏控制系统按照其功能它可分为3 个功能单元模块，分别是完成偏差采集 的传感器单元模块、控制整个系统保证系统正常运行的控制器模块，以及执行控 制器纠偏指令完成纠偏控制的执行机构单元。在实际应用中的纠偏控制系统的一 般结构如图2 1 所示。 蟊订彰b 车窜 图2 一i 纠偏控制系统一般结构示意图 纠偏传感器通过支架安装固定在机器上，卷材在通过传感器时，传感器检测 卷材的边缘，将检测到的边缘位置信号处理成单片机能识别的电信号，位置信号 送至控制器后，控制器将接收到的位置信号与设定的基准位置的值进行比较，判 断偏移量和偏移方向是否一致，对比后控制器根据偏移量和偏移的方向产生控制 指令，控制执行机构推动卷材回到基准位置内运行。 依据纠偏控制系统一般机构，图2 2 为本次设计的基于直流无刷电机的纠偏 控制系统的简化的机构框图，系统的传感器为超声波传感器，主控制芯片为s t 公司的s t 3 2 f 1 0 3 单片机，执行机构以直流无刷电机为驱动电机。 4 武汉理工大学硕士学位论文 控制器 执行机构 传感器l 液晶显示 b l d c f 行一 推动杆 u 升天重莉八 一 单片机 jl 运行准备 一 _ 一 + oi 强制左 j ， 电机驱动模块 强制右 一 键盘输入 一。一一i ；。一一一； 图2 - 2 基于直流无刷电机的纠偏控制系统结构框图 系统的传感器使用的是超声波传感器，它针对透明和不透明的材料均能使 用，在工作过程中不受外部光照的影响，对使用环境要求不高，能够适应各种恶 劣的环境。在系统运行前通过键盘手动设定参数，定好基准位置后，卷材如果相 对于基准位置发生偏移，便会遮挡住超声波传感器发出的超生波信号，传感器将 位置变差信号转换为连续变化的电压信号，这样既能知道偏移的方向又能精确的 测出偏移量的大小，电压信号经过隔离处理后，送入单片机的a d 。单片机接收 到信号进行综合处理，产生p w l v l 波输入至电机控制模块来控制电机转动，推动推 杆将卷材从偏移位置拖回至基准位置。 有三个开关量的输入来控制电机的运行方向，要保持系统正常的运行的必须 要接通“运行准备 开关，该输入是系统的输入使能端，一方面它能使纠偏控制 系统与卷材生产机器同步的运行，另一方面，在系统因故障发生报警时可以切断 这个开关的输入，使系统能及时的停止工作。液晶显示模块会实时显示当前卷材 的偏移状况，系统在进入自动运行状态前需要手动进行设置运行的参数，自动运 行前需要进行行程测量及检测推动杆最大运行范围，检查电机有没有卡死，手动 运行校准检测器，确定纠偏的运行方向，并设定好纠偏增益的p i 值，以便能使 系统发挥最好的纠偏性能，达到高精度的效果，在设值好各项参数后，控制系统 进入自动运行状态，进行实时控制。 在整个纠偏控制系统中，对直流无刷电机的控制为核心部分，如何能快速、 稳定的完成纠偏响应，是整个系统需要解决的关键问题。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 纠偏控制的工作模式和类型 纠偏控制系统有多种的控制方式，分别为l p c ( l i n ep o s i t i o nc o n t r o l l e r ) 、 e p c ( e d g ep o s i t i o nc o n t r o l l e r ) 和c p c ( c e n t e r i n gp o s i t i o nc o n t r o l l e r ) 。 所谓l p c 就是对卷材边缘的标记线进行检测的纠偏控制；e p c 主要是对材料边缘 及图案的深浅分界等进行检测跟踪；c p c 是通过对材料的两个边缘的检测，自动 实现对材料中心的跟踪。在实际的生产应用中纠偏控制控系统根据控制对象的不 同，纠偏控制系统有三种工作模式：收卷模式、放卷模式和中间导向模式。 收卷模式下传感器安装在收卷车上，随着收卷车一起移动，驱动器驱动收卷 轴轴向移动，通过对卷料边缘位置检测，推动卷轴运动，使卷轴的轴向与物料边 缘始终保持9 0 。垂直，从而使收料卷边保持齐整。图2 - 3 为在收卷模式下纠偏 控制。 图2 - 3 纠偏控制系统在收卷端的应用 放卷模式下传感器固定安装于支架上，执行器接收控制器信号控制放卷轴轴 向移动，放卷端纠偏控制主要是在放卷轴预先没有卷齐的情况下，通过控制，使 物料从放卷端的预定位置放出，物料的放卷边缘能够齐整。图2 - 4 为放卷模式 下的纠偏控制结构图。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 4 纠偏控制系统在放卷端的应用 在中间导向工作模式下，纠偏控制系统的传感器安装在物料输出面的边缘， 执行机构( 滚轮导向系统) 沿物料输入面动作，来纠正物料跑偏。中间导向模式 整个机构的运行平稳，效果明显。图2 5 为纠偏控制系统工作在中间导向模式下 的结构图。 滚轮导向系统 控制器 图2 - 5 纠偏控制系统的中间导向工作模式 纠偏控制系统按工作方式来分主要由数字纠偏控制系统和模拟量纠偏控制 系统，对于精度要求不高的纠偏系统主要采用数字量纠偏控制系统，模拟量纠偏 控制系统则主要用于精度要求高的产品线上。 数字量的纠偏控制系统主要应用在一些要求低成本，对纠偏精度要求低的场 合。数子量纠偏控制系统传感器主要为光电传感器，它输入到控制器的信号只是 高低变化的电平，只能表示偏移量发生的方向，无法表示偏移的大小，这种纠偏 系统选取的执行电机一般多为没有调速性能交流同步电机。数字量控制器的纠偏 控制系统一般为开环控制系统，执行机构根据传感器传来高低电平信号一直相对 于基准位置左右抖动以保证卷材的边缘保持在预定位置内【1 2 】。这种数字量的纠 偏控制器虽然纠偏精度不高，但其低成本的优势使他在国内仍然占有很大的市 场。图2 - 6 为数字量纠偏控制系统的一般结构图。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 数字量纠偏控制系统的一般框图 在需要复杂的计算和高精度的环境下会选用模拟量纠偏控制系统，这种纠偏 系统的主控芯片会用一些功能强大的m c u ，以便满足高精度和快速处理的需求。 模拟量纠偏控制系统传感器部分多会选择红外线传感器、超声波传感器或者 更高级的选择c c d 传感器，这些能够输入是连续变化的电流或电压信号的传感 器，不仅能够反应偏差的方向还能精确的采集偏差的大小，这样信号经过m c u 处理信号，执行机构能精确调速和定位。模拟量纠偏控制系统的执行机构一般会 采用需要复杂控制算法的伺服电机，采用闭环控制，以达到快速而精确的纠偏控 制。在高性能的m c u 支持下，这种纠偏控制系统能配合各种传感器和执行机构 进行纠偏控制。目前国内市场这种高端的纠偏控制系统市场需求还是很大，但是 因为高成本的因素这种纠偏控制系统在国内应用还不广泛。图2 7 为模拟量纠偏 控制系统的一般结构。 图2 7 模拟量纠偏控制系统的一般机构 两种类型的纠偏控制系统都有各自的优势，本课题希望能设计出一款低成本 高性能的模拟量纠偏控制系统，以期来满足当前国内市场对该类产品日渐增长的 需求。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 纠偏控制系统执行机构电机选型 纠偏控制系统的执行机构主要由电机和推动杆构成，电动机的选取对纠偏控 制系统的效率和精确度都有很大的影响。 在运动控制中对于执行元件的基本要求大概有以下4 点： ( 1 ) 惯量小、动力大，能够适应起停频繁的要求； ( 2 ) 体积小，重量轻； ( 3 ) 便于安装和维修； ( 4 ) 适宜进行计算机控制，这类器件最方便的是电气式执行元件【3 4 1 。 运动控制中最常用的电机主要有直流( d c ) 电机、交流( a c ) 电机和步进电 机三大类【7 1 2 6 - - 2 7 ，交流电机应用于运动控制中主要有感应电机和同步电机两大类， 交流同步电机现在应用广泛的为自控同步电机也即直流无刷电机，所以本节中主 要介绍自控同步电机。图2 8 为电机基本分类。 图2 - 8 执行电动机的种类 1 、直流电机 直流电机是最早投入使用的电机，直流电机因为其低成本和其良好可控性现 在仍得到广泛的应用。与交流电机相比较，直流电机在控制方便、工作特性的线 性度好等方面有着较好的有点。目前在要求较高的调速装置的运动控制系统中， 都会采用直流电机与整流行调速装置组合使用1 3 8 】【7 1 。 直流无刷电机的缺点是：有换向器和电刷之间的滑动接触，接触电阻的变化 使工作性能的稳定性受到影响；电刷下的火花换向器需要经常维护，使其不能在 易爆炸的环境下使用，且产生无线电干扰，又因控制电源是直流，使得放大元件 变得复杂【3 7 1 。 2 、步进电机 步进电机由于控制系统结构简单、维修方便，控制为全数字化，符合当前数 字化控制发展趋势的要求，在当前也得到了比较广泛的应用。 步进电机是一种使用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应角位 9 嚣 ，j、l 嚣囫 武汉理工大学硕士学位论文 移的执行器。其转子角位移与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，只 要通过控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序就可获得所需的转角、 转速及转向。通过计算机很容易实现步进电机的开环数字控制【4 l j 。 步进电机最大的缺点在于其容易失步，特别是在大负载和较高的速度的情况 下，失步更容易发生。步进电机能耗较高，速度却不高，功率越大移动速度就越 低，所以它无法使用在精度要求高、反应速度快的系统中【7 1 。 3 、交流感应电机 交流电机与直流电机比较具有结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便、 无火花、无电磁干扰等优点，适合直流电机不能胜任的工作环境，但存在的缺点 是机械特性和调节特性具有非线性，转矩小，效率低。因此，人们很早就开始探 索直流电机的无刷化，以使它同时具有直、交流电机的优点。 做为交流电机的一种交流感应电机具有交流电机同样的特性，交流感应电机 主要用于普通的驱动，难以经济地实现在较宽范围内平滑的调速，必须从电网吸 收滞后的励磁电流，也因此使得电网功率因数变坏。 4 、直流无刷电机( 自控同步电机) 直流无刷电机也即自控同步电机属于交流电机的一种，具有机构简单、运行 可靠、效率较高等优点。与交流感应电机相比，采用永磁铁励磁，消除了励磁损 耗及有关的杂散损耗，效率得到提高。 直流无刷电机与一般的直流电机有相同的工作原理，直流无刷电机没有机械 换向的电刷，其换向装置采用电子换向器件，直流无刷电机的驱动电流是交流形 式的，它是以自控方式运行的，因此不需要再外加启动绕组，也不会在负载发生 突变是产生振荡或是失步拉3 1 。直流无刷电机既有有直流电机的优良的调速性能、 高运行效率的特点，又有交流电机的简单结构、方便维护的优点。 与直流电机、步进电机和交流感应电机相比较，直流无刷电机有许多的优越 性能，随着电力电子技术的迅速发展，直流无刷电机也得到了广泛的应用，在本 次纠偏控制系统的设计选择的是直流无刷电机作为系统执行机构的驱动电机。以 下文章的内容将对直流无刷电机进行详细的介绍和描述，并以此为基础来规划设 计整个纠偏控制系统。 2 4 本章小结 本章开始对纠偏控制系统的基本工作原理进行了详细的介绍，对数字量和模 量的纠偏控制系统的组成和应用的场合进行分析。在对纠偏控制系统的基本原理 进行了分析介绍后，根据需求对纠偏控制系统的执行机构的电机的选择来做描述 和分析，比较常用的的电机的优缺点，选择直流无刷电机。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章直流无刷电机分析及建模 3 1 直流无刷电机基本结构和工作原理 直流无刷电机又称为b l d c ，它属于同步电机的一种，它的定子和转子产生 的磁场为同频率，它不会产生感应电机遇到的“差频”问题【2 9 】。从结构上看， 直流无刷电机可以看做是由永磁同步电机、电子换向电路和转子位置传感器构成 的一个系统。直流无刷电机可配置为单相、两相和三相，当前数三相电机最受欢 迎，使用也最为普遍，本文主要讨论的是三相无刷直流电机。图3 1 为典型直流 无刷电动机基本结构图1 3 州。 图3 1 直流无刷电机的一般结构框图 直流无刷电机作为同步电机的一种，根据电机学同步电机的理论有【l 】： n = 1 2 0 事f n ， ( 3 一1 ) 式中n 表示为转子的转速，7 r 为旋转磁场的频率，刀表示转子磁极对数。 电机在生产出来后转子磁极对数就是固定的值，所以想要改变电机的转速，可以 通过改变旋转磁场的频率来改变。在一定的额定负载范围内，负载发生变化时可 以通过控制电机旋转磁场的频率来维持电机的转速。 直流无刷电机的定子结构跟感应电机的定子相似，它的定子绕组的多是三个 星型连接的绕组，绕组由许多线圈相互连接构成，沿定子圆周均匀的分布，在通 电后形成均匀分布的磁极。直流无刷电机的转子是由永磁体够成，一般为2 8 对，常用的都为6 对，他们的n 、s 极交替排列。直流无刷电机要实现换向，完 成自运行的工作方式，就必须要检测到转子运行的位置，因此在电机内嵌有位置 传感器，用来检测转子的位置，多数的直流无刷电机都是在定子上嵌入三个霍尔 传感器【2 6 j 。图3 2 是直流无刷电机实际的构造图。 r 叼l x 逛动橇绫嬲爱 飞卜广、- 再一兰连 霍尔传惹嚣 图3 - 2 直流无刷电机的构造图 无刷直流电机的电枢绕组一般为星型绕组，它的绕组形式与交流电机的绕组 方式非常的相似，常用的电机控制电子换向电路一般为桥式，图3 3 为三相星形 桥式换向的电路【2 4 1 。 图3 - 3 直流无刷电机三相桥式换向电路 电机要正常的转起来，就必选要检测转子的位置，根据电机霍尔传感器的脉 冲信号，确定转子的位置后，控制器控制图：3 - 3 中晶体管的通断，送电流至电机 的三相绕组线圈，电流依序流入三相线圈后便会产生一个顺向或者逆向的旋转磁 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 场，与永磁转子的相互作用，拖动转子同步转动。表3 - 1 为图3 - 3 所示的各晶体 管的换向时序和电机线圈绕组的导通顺序n 副。 表3 1 三相六状态工作方式电枢绕组与晶体管的导通顺序 电角度0 。 6 0 。1 2 0 。1 8 0 。2 4 0 。3 0 0 。3 6 0 。 步骤 123456 导通顺序 u vw vw u v t ll1o000 t 20o1lo0 t 3 0 o0ol1 t 4 0 o0 ll 0 t 5lo0ool t 60l1ooo 在表3 1 中“l 代表导通状态，“0 ”代表断开，导通顺序表示的是电流的 流向。在第1 步，晶体管t l 和t 5 导通，电流经u 流向v ，使两相线圈导通， 在转子装过转过6 0 。电角度后，单片机信号控制t 1 和t 6 导通，u 、w 两相导 通，依次类推，这样通过换向，定子就产生一个持续的旋转磁场，转子每转过 6 0 。定子绕组产生的磁场就换向一次。 从上面运行的过程来看，定子绕组产生磁动势每过6 0 。电动角就改变一次 方向，6 0 。电角度内，定子绕组磁动势位置不变，永磁转子转过6 0 。定子磁 动势是一个跳跃式的旋转的磁动势，这样定子和转子磁动势之间的夹角呈周期性 的变化，这种跳跃式的变化就导致了电磁转矩的波动，使电机运行不够平滑，定 子绕组的反电动势为方波形式。在实际电机控制中，为了减小电机的电磁转矩的 波动，通常通过软件算法对控制电机的p w m 波进行调制，使电机绕组的反电动 势以接近正弦波的形式运行，这就产生了直流无刷电机的s p w m 控制和s v p w m 控制。 图3 4 是霍尔传感器信号的变化和电机绕组反电动势的时序关系，当霍尔信 号发生换向时，控制器就控制绕组的通断，使定子绕组的反电动势方向改变，从 而改变定子旋转磁场的方向。反电动势是直流无刷电机在转动时绕组产生的电 压，与供电电压方向相反，反电动势会在下节详细介绍【l 。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 个电弼期 1 拿龟鹚期 - 一r r 一r 1 p 0 i 1 8 0 ii 3 鼬 l 5 4 0 ii 7 2 0 蚤e r l j j l 传感豢l 辕如l 口 反电动辨 u + v v + w w + u 图3 - 4 霍尔传感器信号与绕组反电动势时序图 3 2 直流无刷电机的工作特性 l 、反电动势 直流无刷电机在正常转动运行时，每相绕组都会产生反电动势电压，其方向 与绕组的供电电压方向相反，该反电动势的极性与励磁电压相反，常用的直流无 刷电机有梯形反电动势和正弦反电动势电机两种。它主要由三个因素确定： 1 ) 转子的角速度； 2 ) 转子磁体产生的磁场； 3 ) 定子绕组的匝数； 公式2 为反电动势的数学计算方法。 反电动势= 仁知n l r b o ) ( 3 2 ) 其中：n 是每相绕组的匝数； ，是转子的长度；，是转子的长度； b 是转子磁场密度；c o 是电机的角速度； 电机设计生产完后，转子磁场以及定子线圈的匝数都是固定的，决定反电动 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 势的因素就只有角速度，也可以说是转子的转速，转子转速的增加反电动势也会 增加，反电动势会影响电机的转矩和转速特性1 9 。 2 、电机的转速转矩特性 b l d c 电机运转时有两个参数来描述电机的转矩：峰值转矩l 以及额定转 矩z ，在电机转速到达额定转速前其转矩都是保持恒定值不变的，电机的最大 的转速可超过额定转速的1 5 0 ，当超过额定转速后电机的转矩开始下降。图3 5 为b l d c 的一般的转速转矩特性。在电机连续运转的时候，电机的负载会增加 一直到额定的转矩i l 刨。 额 jl j i 峰值转矩 印 。 转矩 短时转矩 区域 审j士螺 a p - 砖形 一 t r 连续转速 区域 一 ! 转速 最大转速 额是 1r 转浈 图3 - 5 转速转矩特性 在经常要带负载启动、停止和反转的电机应用需要比额定转矩更大的转矩， 但需要大转矩的时间通常都很短。电机在从静止状态启动时以及加速运行时，都 会需要比额定转矩更大的转矩来克服负载以及电机本身的惯性，电机只要能按照 转矩曲线运转，便能提供足够的转矩，最高能达到电机的峰值转矩【2 5 1 。 3 3 直流无刷电机的数学模型 上面讨论了二相导通的三相六状态的b l d c 电机的工作原理，本节以该种 状态对电机的数学模型进行分析。直流无刷电机属于交流电机中永磁同步电机， 在交流拖动控制系统中对同步电机进行建模都假定电机满足以下条件： ( 1 ) 电机的三相绕组是1 2 0 。对称分布，电机为方波型气隙磁场，定子的 电流和转子磁场对称分布【2 】2 6 5 2 6 8 ； ( 2 ) 电机的换相过程，电机齿槽等产生的干扰忽略其影响； ( 3 ) 定子表面的电枢绕组，分布均匀连续； ( 4 ) 忽略磁滞、涡流和磁饱和的影响，电机磁路做线性处理，方便使用叠 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 加原理来处理和分析f 1 8 】【3 。 根据二相导通的三相桥式y 型连接的直流无刷电机的等效电路图如图3 - 6 所示，电机的中点与直流母线共地，在静止的a b c 坐标上建立电机的数学模 型【l o l 。 + u d e i = 莒昙量 差 + 丢 差 毫兰荔 + 圣 c 3 3 ， i a + + i c = 0 ( 3 4 ) 三三 = 季三兰 篆 + 丢 差 j m 三 必呈m + 圣 c 3 6 ， “z = p 4 + 矾+ i d l a ( 三一m ) ( 3 7 ) 假设电枢绕组中的方波反电动势峰值为e ，流过绕组的峰值电流为，p ，在 武汉理工大学硕士学位论文 一般情况下，同时只有两相导通，从逆变器直流侧看过去，为两相绕组串联，则 电机的电磁功率：已= 2 e p i p 。 由电机学的相关公式知道，在忽略了电流换向过程的影响，电机的转矩t e 与 功率匕的关系为： t e2 詈= 2 e p l i , 0 3 ( 3 - 8 ) 从上式可以看出无刷直流电机的电磁转矩特性与直流电机基本相同，可以通 过改变输入电流来实现电机平滑的调速瞰】，这样其控制系统也和直流调速系统 一样。 当图3 7 中t 1 和t 5 导通时，电路a 、b 两相导通，c 相此时关断，则有 = - i b ，i c = 0 ，并 t e 4 = - - e b ，由式3 5 可以得到直流无刷电机的动态方程： “一一z f 曰= 2 r + 2 ( z m ) _ d i a + 2 p 彳 ( 3 9 ) a t 采用p w m 控制驱动电机时，令它的占空比为p ，则有输出平均电压 “一一“矗= p u d ，设电磁时间常数为巧，t - - 生；堕式3 - 9 则可以表示为： p g d - - 2 e 彳= 2 r ( 乃百d i a + i a ) ( 3 - 1 0 ) 令电机负载转矩为瓦( 聊) ，电机的的磁极对数为挖。，电机转子的转动惯 量j ( k g e m 2 ) ，电机的反电动势系数为k 。( v r m i n ) ，转矩系数为k ( n e m a ) 根据电机和电力拖动的理论则有： e 4 = 一e 口= k e 0 3 ( 3 一1 1 ) 瓦= 2 n 口k e i a = k i a ( 3 1 2 ) 疋嚣 ( 3 - 1 3 ) 从式3 一1 2 可以看出，直流无刷电机的转矩特性和直流电机一样，它与电流 的大小成正比，这样可以根据直流电机的分析方法对直流无刷电机做出其动态结 构副3 2 1 。这样根据式3 1 0 3 。1 3 ，在令初始状态为零，求各式的拉普拉斯变换， 求出传递函数，便可做出如图3 7 的直流无刷电机的动态结构图。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 本章小结 图3 8 直流无刷电机的动态结构图 本章首先分析了直流无刷电机的基本结构，给出了它的结构框图，在此基础 上对它的工作原理进行了介绍，了解直流无刷电机的基本工作原理后，作出了直 流无刷电机的工作特性曲线，分析了它的转速和转矩变化的关系。 在充分的了解了直流的无刷电机的基本结构和工作原理后，对它进行了数学 分析，并根据自动控制学的基本原理建立了直流无刷电机的数学模型，作出了它 的动态结构图，为后面的章节来设计整个系统做准备。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章基于直流无刷电机纠偏控制系统的分析建模 本设计采用直流无刷电机来作为纠偏系统的执行机构，以s t m 3 2 单片机为 控制核心，通过闭环控制实现对整卷材料高速、高精度和高效率纠偏。按照自动 控制的理论来分析系统，系统由三个闭构成，分别为电流环、速度环、位置环， 图4 1 为本课题按自动控制原理设计的纠偏控制系统的结构框图。 电流环的主要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，在突加控制 作用时，能够将超调量控制在尽可能小的范围，在外加电压波动时能够及时的调