（电机与电器专业论文）基于adsp的高速无刷直流电机控制系统研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee n e 唱yp r o b l e mh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti s s u et h ep e o p l ef a c i n gi nm e2 ls t c e n t u r y h i g hs p e e df l y w h e e le n e 曙ys t o r a g eu s i n g m o t o rm a t c h e s b y t h en u m e r i c d u a l c l o s e d l o o pc o n t r o lt r e a ta san e we n e 唱ys t o r a g ew a y ，h a st h el a 唱ee n e 唱ys t o r a g ed e n s i t y ， h i g he m c i e n c y d i s p e r s i n ga r r a n g e m e n t ，f a c i l i t ya n dn e x i b l ec o n t r o l ，a n ds oo nm a n ym e r i t s ，t h u s h a st h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h ee l e c t r i c a ls y s t e m ，t h ea e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s ，a n dm a n y o t h e rf i e l d s t h eh i g hs p e e db m s h l e s sd cm o t o rc o n t r o ls y s t e mm i sp a p e rs t u d yi sj u s tm em o t o r s u b s y s t e mo ft h ef l y w h e e le n e 唱ys t o r a g es y s t e m t h er e s e a r c hp a p e rb e g i nw i t hh i g hs p e e db r u s h l e s sd cm o t o rs t r u c t u r ep r i n c i p l ea n dt h e d u a l - c l o s e d - l o o pc o n t r 0 1s y s t e mr e a l i z a t i o np r i n c i p l e ，d e s i g na n dc o m p l e t eac l o s e l o o pb r u s h l e s s d cm o t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns p e c i a le l e c t r i c a lm a c h i n e r yc o n t r o lc h i pm ea d ic o r p o r a t i o n s a d s p 219 9 2 t h eh a r d w a r ed e s i g nm a i n l yi n c l u d e st l l ed r i v ea n dc o n t r o lc i r c u i t ，t h ep o s i t i o n e x a m i n a t i o nc i r c u i t 、e x t e m a lr e g u l a t ec i r c u i t 、d i g i t a l t oa n a l o ga n da n a l o gt od i g i t a lc i r c u i td e s i g n t h es o f t w a r ea s p e c tp r o g r a mt 1 1 es y s t e mu n d e rm ea d ic o r p o r a t i o n sd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t v i s u a l d s p 3 5 + + ，i te m p h a s i z e so nt h ep w mw a v ep u l s eg e n e r a t i o nm e t l l o d 、p ia d j u s t m e n t a l g o r i t h mr e s e a r c h a n dr e a l i z a t i o n 、r o t a t e s p e e dp r e c i s i o nc a l c u l a t em e m o dr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t 、 e x t e m a lf l a s hm e m o r yr e a d i na n db o o tf r o mm e t h o ds u c ha st h o s ea s p e c t ，p r o v i d e p a r to fc o n t r o ls y s t e mp r i m ep m g r a m a f t e rc o m p l e t et h ea b o v eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，t h ea n i c l et a k et h eh i g hs p e e d b r u s h l e s sd cm o t o ra st h eo b j e c t ，a n do nad e b u g g i n gp l a t f o 姗w i t l lt h ed y n a m o m e t e rc o n t r o l l e r e x p e r i m e n tt 1 1 ew h o l ec o n t r o ls y s t e ma to p e na n dc l o s el o o ps i t u a t i o n f i r s t l y ，t a l ( et 1 1 eh i g hs p e e dm o t o re x p e r i m e n ta tu n l o a da n dl o a ds i t u a t i o n ，f u l l s c a l er e c o r d p r o f i l ea n da n a l y s i s ；d ot h eh i g hs p e e dm o t o rh i g h s p e e dm n n i n ge x p e r i m e n tr e c o r d st l l ed a t aa n d a n a l y s e ，a c c o r d i n gt h ee x p e r i m e n tp h e n o m e n ap r o v i d et h ep w mf 沱q u e n c yc h o o s i n gm e m o da t t h ed i f ! i e r e n tr o t a t es p e e d ；d e s i g nt 1 1 eo p e nl o o pt i m i n gs y s t e m ，o b s e r v ed i f f 宅r e n te x t e m a lr e g u l a t e c o n d i t i o n ，s y s t e mr o t a t e s p e e da n dp w mc h o pw a v es i t u a t i o nr e c o r dr e s u l ta n da n a l y s i s ，r e c o r d s p e e ds y n c h r o n o u sc h a n g ew i t ht h ee x t e m a lr e g u l a t ec u r v ea n da n a l y s e s e c o n d l y e x p e r i m e n tm ec o n t r o ls y s t e ma b o u ts i n g l es p e e dl o o p ，c o n s i s tl o a dp e r f o m a n c e a n dr e s i s td i s t u r bp e o r m a n c e ，v a l i d a t et h er i g h td e s i g no ft 1 1 es p e e dl o o p ；e x p e r i m e n tc u n e n t i n t e m a l l o o pv i ac h a n g em ef e e d b a c kc h a n n e lc o e m c i e n t ，t h r o u g ht h et h e o r yc o n s t r u e ，p r o t r a c tt | l e f e e d b a c kc u r r e n tc h a n g e dv o l t a g ew i t hs y s t e md u t y c y c l ea n dr o t a t e s p e e dc h a n g ec u e ； e x p e r i m e n tt 1 1 ed u a l - l o o pc o n t r o l ，c o n s i s t1 0 a dp e r f o r m a n c ea n dr e s i s td i s t u r bp e 渤r m a n c e ，g e t a c r o s sc o m p a r et h ee x p e r i m e n tr e s u l tw i t l ls i n g l es p e e d l o o pa n da n a l y s e ，t 1 1 ed o u b l ec l o s e - l o o p c o n t r o ls y s t e mc a nc h a n g em o r eb r i s k l yw h e nt h ee x t e m a lr e g u l a t ea n dd i s t u r bc h a n g e ，f i n a l l y t e s t i f yt h ec u r r e n tl o o pf u n c t i o nr e a l i z a t i o n 【k e y w o r d s 】h i g hs p e e db 1 1 l s h l e s sd cm o t o r ，c o n t r o l ，d s p ，d u a lc l o s el o o p ，r o t a t es p e e d c a l c u l a t e ，r e s i s td i s t u r b i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：垒f 墨墨日期：! ：! 圭匆 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：鱼f 盏墨导师签名：拙丝 日期：z ，。侔均 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高速电机控制研究背景 1 1 1 高速电机概述 一般认为转速高于1 2 0 0 0 r m i n 的电机均为高速电机范畴。高速电机与普通电机相比 较，不仅具有体积小、重量轻、功率密度高、转动惯量较小、响应快，转矩惯量比较高等 诸多优点；而且对于高速负载，用高速电机直接驱动可以省去机械传动装置，避免了传动装 置引起的损耗、机械振动与噪声，从而使设备体积减小，运行效率和运行精度得以提高。高 速电机是集材料技术、电力电子技术、控制技术以及电机设计、制造于一体的高科技含量的 新型机电产品，因而，高速电机的研究与发展也是上述科学最新成果的体现。 目前，国内外应用于高速传动领域的高速电机从原理上主要分为高速感应电机、交流同 步电机、开关磁阻电机和直流电机四类u 引。相比于其它类型的电机，高速直流电机具有结 构简单、高可靠性、低成本、可维护性好、效率高等优越性，高速直流电机又分高速有刷直 流电动机、高速无刷直流电机。高速有刷的直流电动机由于需要机械式换向器，可靠性差， 需要经常维护；换向时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应 用。为了克服机械式换向器带来的缺点，以电子换向取代机械式换向器的高速无刷直流电动 机应运而生。 高速无刷直流电动机，电子换向引入替代了传统的整流子换向，完全克服了有刷直流电 机的不足，有着许多不可比拟的优点。 1 、由于采用了可靠性强的电子元件换向，不存在碳刷与整流子的磨损，使电机不仅能 适应长时工作，而且运行可靠，维护简单。 2 、由于采用了高性能的稀土永磁材料，使高速无刷直流电机的性能得到改善，机械特 性硬，同时，电机的体积有显著减小。 3 、由于采用了电子换向，不存在整流子与碳刷间的摩擦，使得电机的机械噪声降低。 其噪声为电磁噪声与风扇噪声，由逆变器开关元件引起的电磁噪声可以通过提高开关频率而 得到有效降低u 。4 j 。 1 1 2 高速电机控制研究现状 随着先进控制算法的研究发展，先前难以实现的复杂的控制算法，现在则可以借助于数 字信号处理器的运算处理能力得以实现。另外针对于高速电机还要求有很高的转速稳定度， 所以在完成换相算法的同时，还要完成复杂的稳速调速算法，必须用闭环调速系统控制电机 转速，这极大的增加了处理器的计算量，因此高速电机控制器设计选用计算速度非常高的 d s p 芯片。以d s p 为核心的控制系统并不是一个纯硬件的控制电路，而是配合软件系统来 控制高速无刷直流电机，为控制系统的设计带来更大的灵活性，而软件设计就必然涉及到控 制算法的研究和应用，不同的控制算法将会直接影响控制效果的好坏。 传统的电机控制策略一般都是基于拉普拉斯变换的经典控制理论，对应单输入单输出， 以p i d 控制为代表，是目前在永磁无刷直流电机控制中应用最广泛也是最成熟的控制方法。 东南大学硕士学位论文 现代控制理论的成熟为解决经典控制理论的局限性提供了新思路。现代控制理论以状态变量 为基础，对应多输入，多输出，目前应用于永磁无刷直流电机的控制方法主要集中在模型参 考自适应、滑模变结构、状态观测器等方面。但是经典控制理论和现代控制理论都有一个共 同的局限性，即被控对象的数学模型必须预先知道，但是在实际应用中，很多被控对象的模 型极其复杂，很难建立数学模型。大量文献采用的状态估计和参数识别等方法也大都基于线 性模型；自适应控制技术能够提高系统鲁棒性，但它只适合小范围的模型不确定因素，如受 控对象的结构和参数变化缓慢，非线性不是很严重的场合。随着人工智能技术的发展，专家 系统、模糊理论、人工神经元网络等智能控制的最新成果开始进入电机控制领域，给进一步 提高永磁无刷直流电机的控制性能提供了一条全新的途径1 5 。1 l 。 北京航空航天大学房建成领导的课题组对高速无刷直流电机的数字闭环控制进行了较 为全面的研究，采用软件锁相环算法，使转速精度控制在了0 0 2 【l 1 5 1 ；西北工业大学的李 钟明领导的课题组对高速永磁发电机系统的控制设计进行了深入研究，对高速无刷直流发电 机的整流线路方式、降低整流电压脉动分量等提出了一些针对性的见解【l6 | ；美国的c e n t r a l f l o r i d a 大学的l i m e iz h a o 对高速永磁正弦波控制器的最优化进了研究，并对电机的相电流 所含谐波进行了分析u7 | ；韩国的y o o n h ok i m 基于t m s 3 2 0 c 2 l d s p 将神经网络，模糊控制 等智能控制算法应用于高速感应电机无位置传感器控制进行设计，实验结果较为理想【l 引。 国外特定于针对高速永磁方波无刷直流电机控制研究较少。 当前高速电机控制的研究热点主要集中在转矩脉动控制与最佳换向、无位置传感器的转 子位置检测、弱磁调速，以及采用数字信号处理器的控制算法等研究领域。转矩脉动的存在 限制了位置控制精度和速度控制性能的进一步提高；最佳换向是为了使高速无刷直流电动机 的输出转矩最大，脉动最小，实现效率最高的机电能量转换。对于无位置传感器的研究，主 要集中于研究如何在大功率无刷直流电机中补偿反电动势法造成的转子位置信号误差，如何 克服反电动势法中电机起动困难，以及扩大电机调速范围等问题。弱磁控制的多数可行办法 案需要对电机本身进行改造，如在定子上增加辅助励磁绕组，或是安装特殊结构的复合转子 等方法 1 9 - 2 5 】。 1 2 高速电机控制课题的研究意义 由于高速电机的内在优越性，高速电机已经在许多领域获得了广泛的应用，并且这个领 域仍在不断扩大，因而高速电机控制研究具有较高的现实意义，另外高速无刷直流电动机是 典型的机电一体化产品，采用先进的控制策略可以进一步提高系统的整体性能。 高速电机的应用领域主要有【l 2 乱弱j ： l 、在压缩机、离心机、分子泵等涡轮机械中的应用 高速化是涡轮机械电气传动的一个显著趋势，以核物理、电真空、表面科学以及半导体 产业和薄膜工业领域中应用较广的分子泵为例，涡轮分子泵可以通过高速连续排气来获得理 想的清洁超高真空，分子泵的涡轮转子的圆周速度越高，泵的抽速和压缩比越大，抽真空性 能越好。因而作为分子泵运行的驱动电机的转速越来越高( 每分钟高达几万转) 并且可调。 2 、高速加工中心的应用 近年来，以高速加工中心为代表的高速加工技术在航空航天工业、汽车工业和模具工业 中得到了广泛的应用。高速加工技术能够在单一工序中既切除大量多余材料，又可达到很高 的加工精度和表面质量，从而可省去后续的精加工工序，大幅度减少了零件的加工时间，提 高了劳动生产率。为提高控制精度，高速加工中心一般采用电气直接传动，即将电主轴( 主 轴电机) 与机械负载直接连接，省去了传统的机械变速装置。因此高速加工中心的可靠性及 其加工精度主要取决于电主轴的性能。世界各工业先进国家的著名电机和控制厂商都竞相进 2 第一章绪论 行高速主轴电机及其控制系统的开发，比较著名的公司和机构主要有德国的p a u lm q l l e r ( g m n 产品制造者) 、瑞士i b a g 公司、f i s h e r 公司、美国e x c e l 公司等。 3 、飞轮蓄能装置中的应用 飞轮蓄能系统( f l y w h e e le n e r g ys t o r a g es y s t e m ，f w e s s ) ，又称飞轮电池，是利用电 机( 飞轮) 高速旋转积蓄能量的一种储能装置。与其它分布式蓄能装置相比，飞轮蓄能装置 重量轻、使用寿命长、效率高、无化学污染，对运行环境无特殊要求，因而在航空、电动汽 车等领域得到了广泛应用。飞轮蓄能的概念提出较早，但以高速电机技术为代表的材料学、 电力电子技术等学科的飞速发展才使飞轮蓄能技术逐渐重新引起人们重视的关键。本课题中 所研究的高速无刷直流电机控制系统属于飞轮储能系统中的电机子系统。 能源问题是21 世纪整个人类所面临的重大课题之一。飞轮储能技术以其原理正确、转 换效率高、充放电迅捷、不受地理环境的限制、可就近分散放置、不污染环境、单位质量储 能密度大、应用前景广等突出优势而备受国内外学术界的广泛重视，并有可能成为2 1 世纪 能量存储的新技术。 飞轮储能装置的基本原理是：储能时，电能通过电力电子变换装置变换后控制电机转动， 电机带动飞轮加速转动，电能转化为机械能储存下来。当需要释放能量时电机作为发电机， 由飞轮带动其转动将机械能转化为电能经电力电子装置变换后输送给配电系统【2 昏3 0 】。飞轮储 能系统基本构成图如图1 一l 所示。 图l 一1 飞轮储能系统基本构成图 目前，美国、日本、德国等发达国家在飞轮储能系统研究方面处于领先行列，其飞轮系 统也已经从实验室研究转变为面向实际应用，并向产业化、市场化方向发展【3 五3 5 j 。目前国内 从事飞轮储能系统研究的相关单位有清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华北电力大学、 北京飞轮储能柔性研究所等，其中清华大学储能实验室为国内飞轮技术领先者。市场调研表 明，飞轮技术具有巨大的市场潜力和广阔的发展前景，我国在此领域的研究，距离国外先进 水平还有较大差距p6 | 。因此，从事进行与飞轮技术相关的研究，具有现实意义。 1 3 本论文的主要工作 本文围绕与高速无刷直流电机数字控制系统做了一系列工作，以高速无刷直流电机作为 控制对象，形成了一套基于a d i 公司a d s p 2 1 9 9 2 芯片为核心的高速无刷直流电机双闭环控 制系统雏形，控制系统包括硬件设计与软件设计，最后在开环与闭环两种软件硬件模式下对 控制系统进行了实验研究探讨，并对其中波形进行了较为详细的分析比较。 论文的具体工作如下： 1 、原理部分：研究总结了本文研究控制对象高速无刷直流电机结构特点，并对高速电 机运行进行了分析，并对驱动控制方法进行选择探讨，最后研究了双闭环控制特性， 3 东南大学硕士学位论文 为系统的硬件、软件设计及调试作准备。 2 、硬件部分：设计双闭环控制系统运行所需的硬件部分，其中包括双闭环控制系统硬 件整体设计、驱动控制电路研究设计，外部给定电路设计，转子位置检测电路设计 其中包括霍尔元器件的安装方式选择及霍尔电平转换电路使用比较，探讨研究各个 模块的设计思路。 3 、软件部分：设计高速无刷直流电机双闭环控制系统的软件整体结构并进行功能分析， 给出程序设计流程图并研究说明。子程序模块设计包括p w m 脉冲波产生，数模 ( d a ) 、模数( a d ) 转换，p i 调节算法研究设计，对电机的转速计算算法进行探讨、 给出转速计算舍入较为精确方法，并对算法程序单步执行验证，研究基于 a d s p 2 1 9 9 2 的外部存储器程序烧写方法。软件设计中，部分模块设计给出相应源程 序。 4 、开环控制特性研究部分：指出本文开环控制系统的工作环境，然后在开环模式下分 别对控制系统空载及负载情况下进行实验研究，给出实测的波形并进行波形分析， 进行高速电机开环高压高速实验，观测电机及控制器在高速情况下的状态，对实验 数据进行记录分析，对实验中遇到的问题进行分析并提出解决办法，进行开环调速 实验验证系统数模转换、模数转换硬件软件设计及转速计算方法。给出转速跟随外 部给定变化曲线。 5 、闭环控制特性研究部分：对系统转速环、电流环及双闭环运行情况下进行探讨。转 速环研究包括负载特性，及抗扰特性研究；电流环为变反馈系数研究，并对实验现 象进行解释说明；双闭环运行情况下对负载特性、及抗扰特性进行研究，将双闭环 情况和单转速环情况下的实验结果进行对比。 6 、总结与展望：对项目工作进行总结、给出调试经验，提出下一步的研究方向展望。 4 第二章高速无刷直流电机驱动控制原理 第二章高速无刷直流电机驱动控制原理 2 1 高速无刷直流电机运行机理 2 1 1 高速无刷直流电机结构特点 高速无刷直流电机与普通电机相比较，由于转速较高，因而有一系列突出的结构特点。 1 、高速电机的几何尺寸远小于相同输出功率中低速电机，功率密度较大 由电机基本原理可知，电机的功率为转矩与转速的乘积。当功率恒定时，转速越高，转 矩越小，因而高速电机相比于相同输出功率中低速电机具有体积小、重量轻、功率密度高等 特点。 2 、高速电机定转子与普通电机略有不同 无刷直流电机实现高速运行，首先要求电机本体要适合于高速运行，电机的转子应有足 够的机械强度和良好的动平衡性，以避免高速运行时离心力作用使转子受到损坏。同时转子 表面要求光滑，以减少高速运行时的噪声和机械损耗。另外电机在高转速条件下运行，受临 界弯曲转速的限制，电机转子的外径与长度必须遵守一定的约束，否则，电机的机械强度便 会受到破坏，其次高速电机还要选用适合于高速运行的轴承并保证良好的润滑。高速无刷直 流电机的转子结构通常有两种形式：埋入式磁钢转子和表面磁钢转子。埋入式磁钢转子机械 强度较高，但高速运行时表面损耗较大。对于高速无刷直流电机定子，通常分为正弦波无刷 直流电机和方波无刷直流电机：正弦波无刷直流电机希望在绕组中获得正弦波形式的反电 势，其绕组形式采用短距、分布或分数形式，以尽可能削弱其它次谐波，从而保留基波；而 对于方波b l d c m 为了获得顶宽为1 2 0 。的方波或梯形波，定子绕组采用整距、集中的形式。 这两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同。本文研究高速电机转子磁钢为表面 叠装方式安装，外套一层铝壳，定子为集中整距绕组三相四极y 型连接，采用外定子内转 子结构。其定转子结构图如图2 1 所示。 ( a ) 高速电机转子( b ) 高速电机定子 图2 1 本文控制用高速电机定转子结构图 3 、高速电机可直接与驱动负载相连 对于高速情况下负载，用高速电机直接驱动可以省去机械转动装置，避免了传动装置弓 5 东南大学硕士学位论文 起的损耗、机械振动与噪声，从而使设备体积减少，运行效率和运行精度得以提高。 4 、高速电机其机械摩擦损耗以及发热损耗较大。 5 、高速电机转动惯量小、响应更快，具有较高的转矩惯量比n ，2 3 引。 本文研究高速无刷直流电机外型如图2 2 所示、高速电机参数如表2 1 所示。 图2 2 本文研究高速电机外型图 表2 1 高速无刷直流电机参数 额定直流电压( v ) 1 1 0额定功率( w )3 0 0 磁极极对数( p )2额定转速( ，m ) 2 0 0 0 0 起动电流( a ) 1 5 2 9 6额定电流( a )3 1 9 每相电阻( q ) 7 5 0 c0 4 2 9 7每相电感( h )1 6 3 e 0 4 2 1 2 高速无刷直流电机运行分析 高速无刷直流电机运行是通过逆变器功率器件随转子的不同位置相应地快速改变其不 同的触发组合状态来实现的，因此准确检测转子的位置并根据转子位置准确切换功率器件的 触发组合状态是控制高速无刷直流电机正常运行的关键。 有刷直流电机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产主的磁场与电枢绕组通电后产生的磁 场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电机运转。无刷直流电机的运行原 理和有刷直流电机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通 入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。 无刷直流电机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换向驱动电 路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的快速导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定 子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变 电枢的通电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩 使无刷直流电机运转起来。下面以二相导通星形三相六状态无刷直流电动机为例结合图2 3 无刷电机控制系统基本结构图及图2 4 高速永磁无刷直流电动机工作原理示意图来分析 其工作原理。 6 第二章高速无刷直流电机驱动控制原理 + 高速功率电机开关 图2 3 高速无刷直流电机控制系统基本结构图 o a o a ( a ) ( b ) 图2 - - 4 高速永磁无刷直流电动机工作原理示意图3 8 1 z b 当转子稀土永磁体位于图2 _ 4 ( a ) 所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号， 经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管图2 3 中啊、导通，即此时定转 子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通路经为，电源正极_ 管一a 相绕组 一b 相绕组_ v 6 e 一电源负极。当转子转过6 0 0 电角度，到达图2 叫( b ) 中位置时， 位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管嘿截止，导通，此时嵋仍导通。则绕 组a 、c 通电，a 进c 出，电枢绕组在空间合成磁场如图2 _ 4 ( b ) 中兄。此时定转子磁 场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极j 啊管一a 相绕 组j c 相绕组j c 相绕组- - - 管一电源负极，依此类推。当转子继续沿顺时针每转过 6 0 。 电角度时，功率开关管的导 通逻辑为 7 东南大学硕士学位论文 喝一啊啊一喝喝一嘎睨一嘎嘿，则转子磁场始终受到定子合成 磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。各相绕组导通时电流波形如图2 5 所示。 图2 - - 5 各相绕组导通电流波形俐 由以上可以看出，在换相的过程中，定子各相绕组在气隙中所产生的旋转磁场不是连续 变化的，而是步进式的。桥式逆变电路向方波电动机提供宽为1 2 0 。电角的三相对称方波电 流，每相绕组通电2 4 0 。电角，定子步进磁场的步进角等于6 0 。电角。转子磁极上的永磁体 产生的磁势是跟随转子连续旋转的，但定子绕组所产生的合成磁势却是每隔6 0 0 或1 2 0 。电 角度跳跃前进的，因此，这两个磁势之间的平均速度相等，是保持“同步”的，但瞬时速度 不同，两者之间的相对位置也是在时刻变化的，所以，由它们相互作用所产生的转矩除了平 均转矩外，还存在着脉动分量。从控制的角度来看，这个脉动分量的大小和绕组开始导通瞬 间合成磁势与转子磁势之间的相对位置有关，决定于开关管触发导通的相位，在设计中应尽 可能减小这一脉动分量。此外，还可以看出，改变逆变器功率开关的导通顺序，就可以改变 电枢绕组所产生的合成磁势的旋转方向，从而改变电机的旋转方向 3 9 - 4 3 1 。 2 2高速无刷直流电机的驱动控制方法 2 2 1 位置检测方案选择 通常无刷直流电机控制方式由其有无位置传感器可分为有位置传感器和无位置传感器 两种方式。有位置传感器方式即利用传感器得到的不同位置信号经过门电路、模拟开关或专 用芯片就可以得到不同的触发逻辑信号，实现触发状态的自动切换，随着微处理器的应用， 也可以通过软件来进行切换。无刷电机常用的位置传感器有磁电感应式、磁敏式和光电式。 磁电式位置传感器既笨重又复杂，所以在方波电机中早已被淘汰。光电式如光电码盘因高精 度的特点而广泛应用于伺服系统中。磁敏式霍尔位置传感器由于体积小，简单可靠、安装灵 活方便、易于实现机电一体化等优点，是目前应用最为广泛的位置传感器。目前，在无刷电 动机中位置传感器除了有电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器三种， 其余还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位置传感器，但是这些元件成本较高，体积较大， 而且所配电路复杂，因而在一般的直流无刷电动机中很少采用m j 。 无位置传感器方式指的是不直接在无刷直流电动机的定子上安装位置传感器来检测转 8 第二章高速无刷直流电机驱动控制原理 子位置，而是通过“反电势法”、状态观测法、电感法等特殊的方法检测转子位置。所以， 无位置传感器控制研究的核心和关键是架构一转子位置信号检测电路，从硬件和软件两个方 面来间接获得可靠的转子位置信号，应用最为广泛的当属反电势法。 高速电机工作电流、反电势波形畸变较为严重，因此不适合采用无位置传感器控制，加 以本系统电机与控制器的的设计仍处于实验室研究阶段，故选用霍尔电磁传感器用于转子位 置检测的依据，无位置传感器控制实现有待项目的进一步研究开发。 磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体磁敏元件， 其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前常用的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁 敏电阻器及磁敏二极管等多种。其内部电路及其实物图如图2 6 所示。 ( a ) 霍尔集成电路 图2 - - 6 磁敏式霍尔传感器4 5 1 ( b ) 霍尔实物图 由图中可以看出磁敏式霍尔传感器通过简单开环放大器( 运算放大器) 实现对驱动输出 级的驱动。 2 2 2 控制方式的选择 通常高速无刷直流电机控制由其信号处理方式大致可分为模拟方式和数字方式。 高速无刷直流电机控制模拟方式指的是以专用集成电路为核心，配以少量的外围电路实 现控制系统设计，该种方式设计简单。无刷直流电机的模拟伺服系统控制具有以下优点m 。川： 1 、抗干扰能力强，一般不会因为峰值噪声导致致命的误动作。 2 、可用常规示波器、仪表等直接读取信息，容易随时把握系统工作的基本情况。 其主要缺点是： 1 、对微弱信号信噪分离困难，很难将控制精度提高到1 以上的级别。 2 、在零点附近容易受到温度漂移的影响，使位置控制产生零点漂移误差。模拟系统的 这种本质缺陷使它很难满足高精度位置伺服控制的要求，目前已经逐渐为数字伺服系统所取 代。 高速无刷直流电机的数字控制方式是指以微处理器为核心，由微处理器实现换相及转速 控制的解决方案。微处理器可以采用p c 、单片机或d s p ，其中d s p 是目前运算速度最快的 微处理器，并且具有丰富的控制资源，而且还具有接v i 能力强，方便、灵活等特点。而随着 微电子技术和计算机技术的发展，尤其是高速d s p 的出现，数字控制系统控制性能又得到 进一步提高。与模拟系统相比，数字伺服系统的优点是： 1 、可以通过增加数字信息的位长，达到要求的控制精度。 2 、对逻辑电平以下的漂移、噪声不予响应，零点定位精度可以充分得到保证，容易与 9 东南大学硕士学位论文 计算机进行数据交换。 但也存在下述缺点： 1 、噪声峰值大于逻辑电平时，对数据最高位和最低位的干扰出错程度是相同的，这就 可能对系统产生致命的危害。 2 、传送数据时一般须采用前沿陡的矩形波，从而要求系统的数字电路部分具有很宽的 通频带。 通过对以上特性比较，可以看出采用数字信号处理器的数字控制电路将是无刷直流电机 中控制系统设计的发展方向，综合考虑在高速飞轮储能系统对控制系统运算能力、稳速、及 调速精度等方面的要求，最终决定采用全数字的控制方式来实现高速电机控制系统的设计。 为了使电机控制系统既可以适用于一般的应用场合，又可以满足一些高精度、高性能的 控制要求。一些d s p 生产商推出了面向运动控制、电机控制的专用d s p 处理器，如t i 公 司的t m s 3 2 0 x 2 4 x x 系列、模拟器件公司的a d s p 2 1 9 9 x 系列以及m o t o r o l a 公司的 d s p 5 6 f 8 0 x 系列等。这类d s p 将高速d s p 核与专用的p w m 脉冲发生器、模拟数字转换器、 数字i o 接口、大容量的片上存储器等外设集成在一起，使得它们从硬件机制上能够较好地 满足任意电机控制系统的要求。它们可以实时地执行一些高精度的复杂控制算法，减少从传 感器信号采样到控制命令输出之间的延迟，高效地处理能力使得它们可以减少转矩脉动和谐 波误差，改善速度控制中的动态性能；而且，此类d s p 芯片大多功耗极低；片上的大容量 存储器一般可满足用户程序和数据存储的需要；使用芯片上具有的通信机制，如串行外设接 口、c a n 接口等，可以更容易地实现该系统与其他系统之间地信息交互。 由此可以看出，基于d s p 的电机控制系统具有传统的单片机电机控制系统和专用芯片 电机控制系统的优势，即专用的电机控制机制、用户可编程、扩展能力强、功能强大等；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，可减少电路板面积、减少系统 中元器件个数、提高c p u 处理能力、提高系统的可靠性等。并且随着d s p 控制器芯片成本 不断下跌，使得最终电子系统的成本得到极大降低。考虑到，本系统最终的目标是应用于飞 轮系统中的高速无刷直流电机，储能飞轮装置中控制电机的转速高达2 0 0 0 0 r p m ，因此，对 处理器的速度要求极高，芯片必须能在很短的时间里处理相对较多的信息，从实时性能方面 考虑，需要选取处理速度尽可能高的芯片。 综合以上因素，选择了d s p 芯片作为控制系统中央处理单元，目前在电机控制领域， 较为成熟的d s p 芯片有t i 公司的t m s 3 2 0 x 2 4 x x 系列d s p 、a d i 公司的a d s p 2 1 9 9 2 等。其 中，t i 的2 4 x x 系列d s p 速度在4 0 m 左右，而a d i 的2 1 9 9 x 系列速度达到了1 6 0 m ，由于 处理器的速度直接关系到控制系统的性能，在成本允许的情况下，应尽可能选取速度高的芯 片。由于a d s p 2 1 9 9 2 突出的速度优势，再考虑到其适应恶劣工业环境的能力，在本文中， 选择了a d s p 2 1 9 9 2 作为高速无刷直流电机控制电路的核心控制芯片。 2 2 3 调速方法 无刷直流电机与有刷直流电机两者基本原理相同，但两者结构、换向方式和调速控制方 法上又有区别。根据有刷直流电机的调速理论，有刷直流电机的转速可表示： ：生掣譬纽(，min)(2-1n m )= o i ，j) e 九 、。 式中n 为电机转速，u 为电枢电压，u 为电刷压降和功率管饱和管压降，l 为电枢电流， 1 0 第二章高速无刷直流电机驱动控制原理 吃为电枢回路总电阻，e 为电势常数，九为每极磁通。 由式( 2 1 ) 可以看出，通常有三种途径调节有刷直流电机的转速： 1 、调节电枢供电电压。 2 、改变每极磁通。 3 、改变电枢回路电阻。 永磁无刷直流电机调速，通常采用调节电枢电压方式调速。大功率晶体管p w m 驱动控 制是目前应用极为广泛的永磁无刷直流电机调压调速方式，此种方式由p w m 波驱动功率管 所组成的三相逆变桥调节电机供电平均电压从而调节转速，具体控制手段为斩波控制，可实 现宽范围的速度控制。p w m 斩波控制方式具有大功率可控器件少，线路简单、调速范围宽、 快速性好、电流波形系数好，损耗小、功率因数高，对用户使用有利等等多方面优点【5 1 i 。 2 3 双闭环控制特性研究 ( 一) 双闭环控制系统整体结构 通过p w m 波驱动方式调速，即c p u 通过调节驱动波形的脉冲宽度( 逆变电路功率管 输出占空比) 来调节输出电压，输出最低电压为0 ，最高电压为1 0 0 占空比的电源电压。 在占空比保持恒定的条件下，随着负载的改变电机的转速有明显的变化，特别是在负载较轻、 电流出现断续时转速的变化更大。这样的调速系统无调速精度可言，只能用于调速要求不高 的场合。 为了保证调速的精度，一般须采用速度负反馈的办法形成所谓速度闭环控制系统，将速 度给定信号与实际速度反馈信号相比较，将它们的差额经放大以后去控制逆变电路的输出电 压，使系统向消除差额的方向调节，以使实际转速最后等于给定值。仅由速度闭环的调速系 统在调速过程中，例如当速度给定发生突变时，逆变器的输出电压很大，可能引起电机电枢 电流剧增，使逆变器损坏，此外，电流的急剧变化也会导致转矩的剧变，对传动系统产生猛 烈的冲击，这是不允许的，为此，在调速系统中还必须采取限制电流冲击的措施。为了达到 较好的静态和动态性能，本文系统采用电流、速度双闭环控制方案。图2 7 为无刷直流电 机双闭环系统结构图。 这里应该注意的是永磁无刷直流电机双闭环控制系统，构成闭环调压控制后，通过调压 进行调速，随着转速的变化，实时位置检测装置而检测的位置信号发生变化，由于换向逻辑 一定因而换向信号变化，则电机换向频率变化，这样最终结果将导致电机的供电频率在电机 的调速过程中跟随转速而变化。 东南大学硕士学位论文 图2 - - 7 无刷直流电机双闭环控制系统结构图3 8 】 双闭环控制系统工作过程为：当电流调节器的给定信号m 。大于电流反馈信号“一时，经 过调节p w m 波占空比，使逆变电路输出电压升高，电枢电流增大；反之，电枢电流减小， 力图使电枢电流与电流给定值相等。而在速度环中输入端送入给定信号“。，由它规定电机 运行的速度；另一端送入来自与电机同轴的测速发电机t g 的速度反馈信号“ ，两者之差 “。输入到速度调节器，经p i 调节后的输出信号u 。则作为电流给定信号输入送到电流调 节器，通过前面所讲的电流调节环的控制作用调节电机的电枢电流，。和转矩t ，使电机转 速发生变化，最后达到给定转速。 ( 二) 双闭环控制系统特点分析 双闭环调速系统连接上的特点是速度调节器的输出作为电流调节器的给定来控制电动 机的电流和转矩。这样做的好处在于可以根据给定速度与实际速度的差额及时地控制电机的 转矩，使在速度差值比较大时电机转矩大，速度变化快，以便尽快地把电机转速拉向给定 值实现调速过程的快速性；而当转速接近给定值时又能使电机的转矩自动减小，这样可以 避免过大的超调，使转速很快达到给定值，做到静态无差。 此外，由于电流环的等效时间常数一般比较小，当系统受到外来干扰时它能比较迅速地 做出响应，抑制干扰的影响，提高系统运行的稳定性和抗干扰能力。而且双闭环系统有以速 度调节器的输出作为电流调节器的输入给定值的特点，速度调节器的输出限幅值也就限定了 电枢电流，对逆变电路起到有效的保护作用。因此双闭环系统在现代电机调速系统中得到了 极广泛的应用。 ( 三) 双闭环控制系统静动态特性分析 ( 1 ) 静特性 分析静特性的关键是掌握调节器的稳态特征。一般存在两种情况：饱和一输出达到限幅 值；不饱和一输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输 出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。 实际上正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有 转速调节器饱和