电机数字控制系统集成设计-课程报告

Harbin Institute of Technology 无刷直流电机数字控制系 统集成设计的分析 课程名称 电机数字控制系统的集成设计 院 系 电气工程系 姓 名 学 号 指导教师 杨贵杰 2015 年 5 月 11 日 无刷直流电机数字控制系统集成设计的分析 摘要 以方波驱动无刷直流电动机系统为例 分析了无刷直流电的研究概况 工作原理和 数字控制系统的集成设计思想 原理 结构特点和驱动控制方法 其中 驱动控制方法主 要以目前比较热的无位置传感器控制技术为例进行分析 无位置传感技术主要介绍反电动 势检测法 并结合实验室研究内容进行了仿真分析 关键词 无刷直流电机 研究概况 工作原理 数字控制系统 无位置传感器技术 1 无刷直流电机研究概况 无刷直流电动机 Brushless DC Motor 是在有刷直流电动机的基础上发展起来的 有 刷直流电动机从 19 世纪 40 年代出现以来 以其优良的转矩控制特性 在相当一段时间内 一直在运动控制领域占据主导地位 但其有机械接触的电刷换向器结构一直是直流电动机 的一个致命弱点 这降低了系统的可靠性 限制了其在很多场合中的应用 例如在航空上 电刷磨损和换向火花是非常严重的问题 直接影响到维护性和可靠性 为了取代有刷直流 电动机的机械换向装置 人们进行了长期的探索 早在 1917 年 Bolgior 就提出了用整 流管代替有刷直流电机的机械电刷 从而诞生了无刷直流电动机的基本思想 1955 年 美 国的 D Harrison 等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械电刷的专利 标志着现代无刷直流电动机的诞生 无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步 在无刷直流电动机 发展的早期 由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段 可靠性差 价格昂贵 加上 永磁材料和驱动控制技术水平的制约 使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时 期内 性能都不理想 只能停留在实验室阶段 无法推广使用 1970 年以来 随着电力半 导体工 业的飞速发展 许多新型的全控型半导体功率器件 如 GTR MOSFET IGBT 等 相 继问世 加之高磁能永磁材料的陆续出现 均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚定的基 础 无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展 在 1978 年汉诺威贸易博览会上 前联 邦德国的 MANNESMANN 公司正式推出了 MAC 无刷直流电动机及其驱动器 引起了 全世界各国的关注 随即在国际上掀起了研制和正式生产无刷直流系统的热潮 这也标志 着无刷直流电动机走向实用阶段 我国对于无刷直流电动机的研究起步较晚 1987 年 在北京举办的联邦德国金属加工 设备展览会上 SIEMENS 和 BOSCH 两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器 引起 了国内有关学者的广泛注意 自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮 经过多年的努 力 目前 国内已有无刷直流电动机的系列产品 形成了一定的生产规模 自 20 世纪 90 年代以来 随着人们生活水平的提高 现代化生产 办公自动化 家用电器 工业机器人 等设备都越来越趋向于高效率化 小型化和高智能化 作为执行元件的重要组成部分 电 机必须具有精度高 速度快 效率高等特点 无刷直流电动机的应用也因此而迅速增长 尤其在节能已成为时代主题的今天 无刷直流电动机高效率的特点更显示了其巨大的应用 价值 1 2 无刷直流电机原理 无刷直流电机的控制系统主要由永磁无刷直流电机 逆变器 位置传感器和控制器几 部分组成 如图 1 所示 无刷直流电机转子由永磁钢按一定极对数 2p 2 4 组成三相 定子绕组 分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接 磁极位置传感器跟踪转子与 电动机转轴相连接 无刷直流电动机的工作是通过逆变器功率管按一定的规律导通关断 使电机定子电枢产生按 60 电角度不断前进的磁势 带动电机转子旋转来实现的 下面以图 2 所示的两相导通星形三相六状态无刷直流电动机为例来说明其工作原理 电机本体的电枢绕组为三相星形连接 极对数为 1 位置传感器与电机本体同轴 控制电 路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号 驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器 的功率开关管 使电机的各相绕组按一定的顺序工作 转子旋转到图 3 a 所示的位置时 转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换 后驱动逆变器 使 VT1 VT6 导通 即 A B 两相绕组通电 电流从电源的正极流出 经 VT1 流入 A 相绕组 再从 B 相绕组流出 经 VT6 回到电源的负极 电驱绕组在空间产生 的磁动势 Fa 如图 3 a 所示 此时定转子磁场相互作用 使电机的转子顺时针转动 当 转子在空间转过 60 电角度 到达图 3 b 所示位置时 转子位置传感器输出的信号经控 制电路逻辑变换后驱动逆变器 使 VT1 VT2 A C 两相绕组通电 电流从电源的正极 流出 经 VT1 流入 A 相绕组 再从 C 相绕组流出 经 VT2 回到电源的负极 电驱绕组在 空间产生的磁动势 Fa 如图 3 b 所示 此时定转子磁场相互作用 使电机的转子继续顺 时针转动 图 1 无刷直流电机组成 图 2 三相无刷直流电机系统原理图 a 磁极处于 B 相平面 b 磁极处于 A 相平面 图 3 无刷直流电机工作原理图 转子在空间每转过 60 电角度 逆变器开关就发生一次切换 功率开关管的导通逻辑 以次为 VT1 VT6 VT1 VT2 VT3 VT2 VT3 VT4 VT5 VT4 VT5 VT6 VT1 VT6 在此期间 转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用 沿 顺时针方向旋转 在图 3 a 到图 3 b 的 60 电角度范围内 转子磁场沿顺时针连续旋转 而定子 合成磁场在空间保持图 3 a 中 Fa 的位置静止 只有当转子磁场沿顺时针连续旋转 60 电角度 到达图 3 b 所示的 Fa 位置时 定子合成磁场才从图 3 a 的 Fa 位置到图 3 b 中的 Fa 位置 可见 定子合成磁场在空间不是连续旋转的 而是一种跳跃式旋转 磁场 每个步进角是 60 电角度 转子每转过 60 电角度时 逆变器开关管之间就进行一次 换流 定子磁状态就改变一次 可见 电机有六种磁状态 每一状态有两相导通 每相绕 组中流过电流的时间相当于转子旋转 120 电角度 每个开关管的导通角为 120 度 故该逆 变器为 120 导通型 这种工作方式也就是最常用的两相导通星形三相六状态 无刷直流电动机的基本物理量有电磁转矩 电枢电流 反电动势和转速等 这些物理 量的表达式与电动机气隙磁场 绕组形式有十分密切的关系 对于采用稀土永磁材料的电 动机 其气隙磁场一般为方波 其理想波形见 4 所示 对于方波气隙磁场 当定子绕组采 用集中整矩绕组 方波磁场在定子绕组中感应的电动势为梯形波 方波气隙磁感应强度在 空间的 宽度应大于 120 电角度 从而使得在定子电枢绕组中感应的梯形波反电动势的平顶宽应大 于 120 电角度 方波电动机通常采用方波电流驱动 由电子换向器向方波电动机提供三相 对称的 宽度为 120 电角度的方波电流 方波电流应位于梯形波反电动势的平顶宽度范围 内 如图 5 所示 图 4 理想方波气隙磁场 图 5 梯形波反电势和方波电流 无刷直流电机的电动势方程如式 1 所示 电磁转矩方程如式 2 所示 其中为 e K 电动势常数 为电机转速 为转矩常数 为电枢电流 n T K a I 1 me EK n 2 eTa TK I 3 无刷直流电机数字控制系统简介 数字控制系统采用微处理器 MCU DSP ARM FPGA 实现电机转速的计算和调 节 开关管通断选择 电流环控制等 内环为电流环 外环为转速环 内 外环的响应时 间常数不同 电流环响应时间要短 一般转速环时间常数是电流环时间常数的几十倍 然 而 两个控制环的采样时间可以采用不同的值 一般转速环的采样时间是电流环采样时间 的 3 10 倍 2 在伺服系统中 小的电流环采样时间可以减小系统的转矩脉动 尤其是对于无刷直流 电机这种存在转矩脉动电机 还可以获得更好的低速性能 提高系统的稳定性 达到更好 的综合性能 另一方面 电流环减小 对系统的软硬件的要求就提出了更高的要求 控制 算法不能过于复杂 处理器的处理速度以及容量要足够快 足够大 当然 在性能指标和 系统成本中间要折衷考虑 实验室中的无刷直流电机和永磁同步电机的控制系统的电流环 采样时间是 100 s 速度环采样时间是电流环采样时间的 10 倍 即 1ms 在无刷直流电机 的无位置传感器控制系统中 由于不需要测速元件 硬件电路设计相对而言更加简单 成 本更低 无刷直流电机的电流传感器一般可以采用成本低廉 性能可靠的 IR2175 IR2175 是专 为电机驱动设计的单片电流检测集成芯片 它通过外接分流电阻测量电机的相电流 不需 要 A D 转换芯片就可以自动将输入的模拟信号转化为数字 PWM 信号输出 可以直接与处 理器连接 与传统的霍尔电流传感器相比 IR2175 具有温漂低 数字 PWM 输出 电路设 计简单 无需 A D 转换器的特点 为厂家节省成本 在风机领域和不要求精度的电机驱动 场合得到广泛的应用 无刷直流电机的处理器可以选择英飞凌单片机或 DSP 处理器 如 TI 公司的定点型 TMSF2808 数字信号处理器 无刷直流电机相当于定子和转子位置互换 机械换向器由电子换向器 微处理器和三 相全桥逆变电路 替代的直流电机 因此无刷直流电机的内环和外环的控制系统带宽设计 可以参考直流电机的双闭环调速系统设计 设计较为简单 4 无刷直流电机无位置传感器技术 检测无刷直流电机的转子位置角度的方法有反电势过零点检测法 续流二极管工作状 态检测法 定子三次谐波检测法等 4 1 反电势检测法 eA eB eC O O O Q1Q2Q3 Q4Q5Q6 Q1Q2 Q3Q4Q5 Q6 Q1 Q2Q3Q4 Q5 Q6 t t t 电流导通区 图 6 三相反电势随转子位置变化图 反电势检测法是目前较常用无刷直流电机转子位置检测技术 检测图 6 的反电势 A e B e 过零点的时刻并延迟 30 电角度时间后切换开关状态 最成熟的反电势检测法是端电压 C e 检测方法 3 推导过程如下 若电机定子绕组 Y 型连接 三相绕组端电压方程 3 i i i A AOAAN B BOBBN C COCCN di uRLMeU dt di uRLMeU dt di uRLMeU dt 式中 端电压 AOBOCO uuu 中性点电压 N U 绕组等效电感 LM 采用120 电角度两两导通换相方式 假设此时C相反电势过零 于是有 4 i i A AOAAN B BOBBN COCN di uRLMeU dt di uRLMeU dt ueU 又 将式 4 中三个端电压方程相加 AB ii 5 3 AOBOCOABCN uuueeeU 从图6中可以很明显看出反电势过零点时三相反电势的和等于零 有 6 3 AOBOCO N uuu U 非导通相反电势 7 Ncoc Uue 即通过检测非导通相的端电压并与中点电压比较就可以得到反电势过零点 同样的方 法可以得到A相和B相的反电势过零点 将反电势过零点信号延迟30度电度角就得到六个离 散的转子位置信号 为换相控制电路提供正确的换相信息 进而实现无刷直流电机的无位 置传感器控制 图7是反电势检测电路实现示意图 Ud Cd T1T3T5 T4 T6T2 D1D3 D5 D4D6 D2 R R R eA eB eC N iA iB iC A B C 分压滤波电路 O UA UB UC 图 7 反电势检测电路示意图 4 2 转速模块和电流采样模块 电机转速和每相反电势过零点的频率成正比 因而可以用嵌入式处理器中的计数器 Timer 模块在单位时间内对反电势过零点计数 得到的数值换算成 rpm 值作为转速反馈 电流采样方式有 1 使用霍尔电流传感器 2 使用电阻和线性光耦 3 在直流母线 上接入采样电阻测量直流母线上的电流 然后采用扩展的软硬件设计计算得出电流值 若 选择母线电流 需要注意到开光管的 PWM 调制会使得母线电流含有明显的谐波分量 因 而需要对母线电流适当的滤波 对三相电流采样时 需要在每个电流环中断选择三相电流 中的正电流值作为电流反馈 同样需要加滤波环节 4 3 PI 调节器 速度和电流调节器是普通的离散化的数字 PI 调节器 可以附加抗饱和积分的算法 也 可以采用神经元调节器等比较特殊的调节器 4 4 无刷直流电机的启动 无刷直流电机的启动分为三步 第一步 转子预定位 第二步 他控式加速 第三步 切换到自控式运行 在第一步中 给电机的指定两相绕组通电 产生一个合成磁场 在该 磁场的作用下将转子定为到合成磁场的轴线方向 在第二步中 按照预先设定好的换向顺 序 轮流换向 换向频率和 PWM 占空比同比例增大 转速逐渐稳步升高 在第三步中 此时电机的转速足够高 反电势明显可以检测到过零点 此时切换到自控式运行 切换速 度一般在 15 左右 3 4 5 无刷直流电机无位置传感器技术的关键 1 无刷直流电机如何从开环启动加速并且能够平滑地过渡到自控式运行是一个比较 关键的技术点 在切换过程中转速不应出现波动 电流不应出现明显的畸变 2 无刷直流电机的反电势检测环节在加入滤波环节之后 检测到的过零点会有相移 因而滤波环节的选择以及加入滤波环节后的相位补偿也是比较关键的技术 3 无刷直流电机的转矩脉动的抑制问题 4 负载出现较大扰动时无刷直流电机的鲁棒性 5 Matlab 仿真 仿真条件 电机给定转速 1000rpm 仿真时间 0 2s 电机转动惯量 3e 4 kg m2 极对数 为 4 0 0