方波调速系统.doc

实验九 基于DSP的方波无刷直流电动机（BLDCM）调速系统一实验目的1掌握方波无刷直流电动机（BLDCM）的组成、工作原理及性能特点。2熟悉DSP控制的（BLDCM）调速系统的组成及工作原理。3了解无转子位置传感器实现电动机转子位置检测的工作原理、特点与实现方法。4研究速度调节器采用不同控制方法（PID控制、FUZZY控制以及PID-FUZZY控制），对系统稳态、动态特性的影响；并研究速度调节器采用PID控制时参数变化对系统稳态特性的影响。5掌握方波无刷直流电动机调速系统的实验研究方法，包括虚拟仪器的使用（注意无上位机时，实验系统无虚拟仪器功能，有关虚拟仪器的取消）。二实验内容1熟悉BLDCM实验系统的配置与结构，连接有关线路，组成BLDCM实验系统。2在有与无转子位置传感器情况下，分别测量电机转子位置信号，并对该两种检测方法进行优缺点比较。3分别在有与无转子位置传感器情况下，研究电机的起动性能，并进行性能比较。4对功率晶体管基极驱动波形、电机定子线电压波形、定子电流波形等进行测试。5对速度调节器采用不同控制方法的系统，进行稳态特性、动态特性研究；并研究速度调节器控制参数改变对系统性能的影响。三实验系统组成及工作原理永磁式同步电动机以其结构简单、运行可靠，特别是具有其它电机所无法比拟的高效率而得到了人们越来越多的关注。永磁同步电动机可按工作原理、驱动电流和控制方式的不同，分为具有正弦波反电势的永磁同步电动机（PMSM）和具有方波（或梯形波）反电势的永磁同步电动机，后者又称为无刷直流电动机（BLDCM）。基于DSP的方波无刷直流电动机调速系统原理框图如图76所示。调速系统由稀土永磁方波电动机PM、电机转子位置传感器、转速传感器（光电编码器，选件）、由功率管构成的逆变器IV以及以DSP（TMS320F240）为核心的数字控制器等构成。系统已配备与上位机通讯的接口和软件，用户选用上位机后，可以方便地在上位机人机界面上进行实验操作、观察和记录实验曲线。图76 (a) 主电路（b）反电势波形（c）转子位置与绕组馈电的关系图77 BLDCM的主电路、反电势波形、转子位置与绕组馈电的关系系统也可工作在无转子位置传感器状态，这时转子位置可通过观测器获得，两种工作状态通过开关K切换。系统可以不选用光电编码器，而利用转子位置信号检测电机的转速。如果用户选用光电编码器，则一方面可以在电机无转子位置传感器情况下进行起动特性研究，另一方面则可以将现有系统扩展成高精度位置伺服系统。BLDCM系统中的逆变器（IV）工作在自控式变频工作状态，即它的输出频率控制不是独立的，而是根据电机转子的位置来决定，只有当转子位置转过一定角度后，逆变器中该导通的功率管才进行切换，使定子合成磁势前进一步，以此循环。随着电机转速的上升，转子转过该角度的时间快了，逆变器功率管切换的频率也高，使定子合成磁势前进的速度也快了，这样，定子合成磁势旋转的速度与转子的旋转速度保持在同步状态，从而不会造成失步，由此可见，转子位置信号的检测是不可缺少的。为了检测转子位置，可以用在电机上安装转子位置传感器的方法，也可以用转子位置观测器的方法（电机上不安装转子位置传感器）。实验系统中，当工作在无位置传感器时，使用的是“反电势法”检测转子位置，它通过检测定子绕组开路相的感应电势过零点，来间接得到转子的位置信号。系统主电路、反电势波形以及转子位置与绕组馈电的配合关系如图77所示。在T0时刻，转子d轴位于图c）中D0位置，即转子d轴超前定子绕组A轴的位置为，为产生最大平均电磁转矩，逆变器功率管应为VG5、VG6导通，其余均为关断，即C、B相导通，A相不导通。绕组C、B相中电流流向是：从C端流入，Z端流出，又从Y端流入再从B端流出，如图c)所示。这时，定子的合成磁势为c）中所示，它与转子磁势的夹角为。设电磁转矩使电机转子按逆时针方向旋转，在t0时转子刚转过，这时d轴与A轴重合，即，A相反电势eA为零。若能测出这个反电势过零时刻，并延迟周期的时间，即在T1时刻，转子已转到D1位置，且定子合成磁势与转子磁势的夹角为，为保证继续产生最大的平均电磁转矩，逆变器功率管必须从VG5、VG6导通改变为VG6、VG1导通。VG6、VG1导通后，定子合成磁势向前转过，从而使两个磁势的夹角又变成，这样转子继续旋转，逆变器功率管不断换流，使定、转子两个磁势夹角始终在范围内变化。根据对称性，只要能够测出各相绕组反电势的过零时刻并做适当延迟，就可确定方波无刷直流电机的换流时序，保证电机运行在自同步方式。但是，绕组反电势是难以直接检测的，因此采用变通形式如“端电压法”，以A相为例，如上所述，在T0T1期间，A相不导通，认为A相电压UAn等于反电势eA，那么端电压为UAN=UAn+UnN=eA+ UnN，在T0时刻，eA=0，B、C两相电流相反，并假设其阻抗相等，因此，UnN = Ud/2，这样UAn =0，UnN = Ud/2，所以只要检测到UAN Ud/2的过零时刻，就可以间接地检测到eA的过零时刻（UAN - UnN= UAN - Ud/2=UAn=ea=0）。具体实现时，只需随时检测三相绕组的端电压UAN、UBN、UCN（即U、V、W与N之间的电压），并分别减去Ud/2；一旦未导通相的端电压减去Ud/2后之值为零，则再延时，即可发出逆变器功率管的换流信号，这就是“端电压法”的基本原理。由上述BLDCM工作原理分析可见：BLDCM可以看成是采用电子换向的直流电动机，也可以看成是使用直流电源并由逆变器供电的交流同步电动机，又可以看成是一台具有转子位置反馈的闭环控制步进电动机。BLDCM属于两相馈电电机，无论转子处于什么位置，都只有两相绕组通电，从主电路的等值电路图，可推导出其转速表达式如下式所示：式中：R=2r1，r1 为电机的一相等效电阻； ke 为电势系数； Ud0= UdD 为加到两相绕组间的直流电压平均值，其中Ud为直流母线电压，D为PWM调制波的占空比。由上式可见，我们只需对三相桥式逆变器进行PWM调制（请特别注意，这里不是异步机变频调速系统中的SPWM调制而是双闭环可逆直流脉宽调速系统实验中介绍的直流PWM调制），就可方便地改变其直流端电压，从而实现无级调速，这与普通有刷直流电动机的调压调速是非常相似的，改变占空比D，从而得到一组互相平行的机械特性曲线，其开环机械特性较硬，具有较宽的调速范围。总之，BLDCM具有同步电动机的结构，故而简单、牢固、免维修；又具有普通有刷直流电动机的调速性能，故而调速系统结构简单、容易实现、且调速性能优良。因此，BLDCM获得了日益广泛的应用。特别是近几年来，它在家用电器（特别是在空调器中的应用，国外有人称之为直流变频）与伺服系统中的应用，充分显示了它的优越性。四实验设备和仪器1MCL14 DSP控制的直流方波无刷电机调速系统2主控制屏3方波无刷直流电机光电编码器发电机机组4双踪示波器5上位机（包括软件）和串口联接线（选件）五实验步骤1见图78，连接主电路、电流检测、过流保护、频/压（f/v）转换等环节的连线，并将U相定子电流取样电阻短接。（有上位机时，连接上位机与组件间的串口通讯线。）2检查给定电位器是否放在零位（要求电位器左旋到底）。3经接线检查无误后，合上MCL14组件左下方的电源开关，这时系统缺省设置在开环控制方式下。4如需转换控制方式，须待电机停止后再按控制方式按钮，相应控制方式指示灯亮。5系统设置于开环工作状态，分别在有与无位置传感器情况下，进行电机转子位置信号检测实验。（1）揿选择“有无位置传感器”按钮，使系统工作在有位置传感器状态（“有传感器”指示灯亮）；然后启动电机，将速度设定电位器顺时针旋转到二分之一额定转速（nn/2）左右的位置，用双线示波器同时测量与记录电机的位置传感器输出PSU、PSV与地之间的波形，并观察两波形之间的相位关系。（2）待电机停止后，揿选择“有无位置传感器”按钮，使系统工作在无位置传感器状态（“无传感器”指示灯亮）；然后启动电机，用双线示波器测量与记录端电压与(-Ud/2)比较后比较器输出Ou、Ov与地之间的波形，并观察两波形之间的相位关系。6系统处于开环控制状态，起动电机到二分之一额定转速（nn/2）左右，测试并记录下列波形。（1）功率晶体管基极控制波形；用双踪示波器测试DSP输出功率晶体管基极控制信号1（对应于Ug）、2（对应于Vg）与GND之间波形，并分析两波形间的相位关系。（2）电机定子线电压（U、V之间）波形；（3）电机定子电流波形；将U相定子电流取样电阻短接线拆除，用示波器观测并记录定子电流取样电阻两端波形，测试完毕后仍将该电阻短接。（4）轴编码器输出波形（无编码器系统不做）将电机起动到nn/2左右，观测编码器输出脉冲，记录脉冲周期以及电机的实际速度。（用于实验报告中计算编码器每转脉冲数）7电机起动性能测试（无编码器系统不做）（1）不用位置传感器，使系统仍工作在开环控制状态，起动电机并将转速调节到nn/2左右，按停机按钮，然后再按起动按钮，用示波器观测并记录f/v输出Un=f（t）曲线，连续测试三次。（2）用位置传感器时，步骤同上，连续测试并记录Un=f（t）曲线三次。（3）将电机速度调节到 nn/10左右，分别在用与不用位置传感器条件下，测试并记录Un=f（t）曲线，连续测试三次。8速度调节器改变时系统稳态机械特性测试电机在高速与中速条件下，负载从轻载按一定间隔加到额定负载（考虑到主回路母线电流Id与电机定子电流I1间存在固定的比例关系，为简单计，以母线电流近似地代替电机定子电流，Id可在01.0A范围内变化），在速度调节器采用下列控制方式时分别测出系统稳态机械特性曲线：（1）开环控制；（2）PID控制；（3）模糊控制（FUZZY）；（4）模糊-PID控制。9不同控制方式时的系统动态特性研究调节电机速度到nn/2左右，用示波器观察并记录在不同控制方式时的下列动态波形：（1）突加给定时的n=f（t）（即Un=f（t）与id= f（t）（即UFI=f（t），起动电机到nn/2左右，按停机按钮待停机后再按起动按钮，即可观察上述波形。（2）突减给定时的n=f（t）与id= f（t）起动电机到nn/2左右，按停机按钮即可观察上述波形。10速度调节器在不同P、I、D参数时的系统动态特性研究系统处于PID控制状态，调节电机速度到nn/2左右，用示波器观察并记录不同P、I、D参数时的动态波形Un=f（t）。（注意：须待电机停机后才能改变PID参数。）注意，选用上位机后，可在上位机人机界面上完成实验操作、观察和记录实验曲线。请在实验前仔细阅读“MCL-14上位机程序使用说明”，以便掌握具体操作方法。六实验报告1画出有与无转子位置传感器时测得的电机转子位置信号，并在无位置传感器的波形图上标出该相反电势的过零时刻，对这两种检测方法的优缺点进行分析比较。2带有选件编码器的系统，画出轴编码器的输出波形，并计算出该编码器的每转脉冲数。3画出下列波形（1）功率晶体管驱动波形，并注明每个周期中功率管的导通时间；（2）电机定子线电压波形；（3）电机定子电流波形。4带有编码器的系统，根据实验记录，画出起动波形，并对该两种起动方法的优缺点进行分析比较。（1）在0 nn/2左右范围内分别在用与不用位置传感器条件下Un=f（t）波形；（2）在0 nn/10左右范围内分别在用与不用位置传感器条件下Un=f（t）波形；（3）对实验中的两种起动方法进行性能比较。5