无刷直流电机驱动控制系统的研制_图文

1、广东工业大学硕士学位论文无刷直流电机驱动控制系统的研制 姓名:卢小锦申请学位级别:硕士专业:控制理论与控制工程 指导教师:曾岳南20090501摘要摘要无刷直流电动机是现代工业设备中重要的运动部件,保留了有刷直 流电动机宽阔而平滑的优良调速性能,同时又克服了有刷直流电动机机 械换向带来的一系列的缺点,在各个领域中得到广泛应用。本论文阐述了无刷直流电动机的系统构成和工作原理,分析了无刷 直流电动机的数学模型、等效电路、传递函数以及调速原理。采用转速 电流双闭环控制与H PWM.L ON的脉宽调制方法驱动控制无刷直流电 机,并在MATLAB/Simulink平台上进行了计算机仿真。仿真结果表明,

2、控制系统有较好的动静态特性。论文还分析了经典PID控制和模糊控制 各自的优缺点,并介绍了结合二者优点的模糊自适应PID控制的优点。 在MATLAB/Simulink平台进行了基于模糊自适应PID控制器的无刷直 流电机控制系统的计算机建模仿真。与采用经典PID控制器的控制系统 相比,采用模糊自适应PID控制器的控制系统的动静态特性都得到改善。 本论文设计了无刷直流电机控制系统的硬件,包括控制单元、功率 变换单元,并进行了电磁兼容性设计。控制单元以TI的TMS320F2812 DSP控制器为核心,设计了位置传感器接口电路、人机界面电路、电平 转换电路、电流采样电路以及采样调理电路等。功率变换单元以

3、三菱的 IPM PS21563.P为核心,设计了整流电路、逆变电路、能耗制动电路以 及多项保护电路。设计了基于TMS320F2812DSP控制器的速度电流双 闭环电机驱动控制程序、位置检测程序、电流采样程序、人机界面程序 以及各项安全保护程序等。在对硬件部分和软件部分进行调试后,对控制系统进行了实验,通 过实验波形,检验了控制系统的工作性能。本文最后对整个系统的设计 进行了总结,并对本系统存在的问题和后续的研究工作提出了自己的看 法看法。关键词:BLDC;DSP;MATLAB/Simulink;模糊自适应PID广东工业大学硕士学位论文ABSTRACTBrushless DC Motor(BLD

4、Cis an important moving part of modern industry equipments.BLDC retains the performance of broad and smooth speed control,at thesame time BLDC overcomes a series of disadvantages brought by the Brush DCMotor mechanical commutator.Therefore,BLDC is widely used in various fields.In this paper,the syst

5、em composition and working principle of BLDC is expanded.The mathematical model,equivalent circuit and transfer function of BLDC is derived.The speed control principle of BLDC is analyzed.Speed、current closedloop control and the method of pulse width modulation H PWM.L ON are used to drive BLDC.All

6、these have been simulated on the computer with MATLAB/Simulink platforms.And the result of simulation shows that the static and dynamic characteristics of the contro l system are good.In this paper,the respective advantages and disadvantages of classic PIDcontrol and fuzzy control are analyzed.The a

7、dvantages of fuzzy adaptive PID control which combines the advantages of classic PID control and fuzzy control are introduced.The control system of BLDC which based on fuzzy adaptive PID controller has been simulated on the computer with MATLAB/Simulink platforms.Compared with control system based o

8、n classic PID control,the static and dynamic characteristics of the control system based on fuzzy self-adaptive PID control are improved.In this paper,the devices of the control system of BLDC are designed, including control unit,power conversion unit.And the electromagnetic compatibility is designe

9、d.The control unit uses TMS320F2812DSP from TI as the core.The position sensor interface circuit,man-machine interface circuit,level-shifting circuit,the current sampling circuit and sampling circuit are designed for the control unit.The power conversion unit uses ABSTRACTIPM PS21563.P from Mitsubis

10、hi as the core.The rectifier circuit,inverter circuit,power consumption and a number of brake circuit protection circuits are designed for the power conversion unit.Themotor drive control procedures based onTMS320F2812DSP controller,position testing procedures,current sampling procedures,humanmachin

11、e interface and security procedures are designed.The control system is tested after debugging the hardware and software. Through experiment waveform,the performance o f the contro l system is verified.AT the end,the design of the system is summarized.And put forward the opinion on the existing probl

12、ems of the system and further studies.Key words:BLDC,DSP,MATLAB/Simulink,Fuzzy Adaptive PIDIII广东1=业大学硕士学位论文独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是 我个人在导师的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,不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明,并 表示了谢意。本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师

13、的指导下取 得的,论文成果归广东工业大学所有。申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任,特此 声明。论文作者签字:指导教师签字: p碍 咏牵砷年多月眵日第一章绪论第一章绪论1.1课题研究的背景及意义无刷直流电动机是一种新型直流电机,它是现代工业设备中重要的 运动部件。无刷直流电动机用一套电子换向装置代替了有刷直流电动机 的机械换向装置,既保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能, 又克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列的缺点。因此,在各个 领域中得到广泛应用¨一J.,”。早在1917年就有人提出用整流管代替机械电刷换相装置,但由于当 时电力电子器件仅处于初级发展时

14、期,使得直流无刷电机只能处于实验 室研究阶段。随着晶体管的研制成功,1955年美国哈里森等人首次申请 了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机机械电刷的专利,这标志着无 刷直流电动机的诞生。但这种电机的一个致命的弱点就是没有启动转矩 协钆”,其次由于信号电势的前沿陡度不大,晶体管的功耗大,因此不能产 品化。经过多年的努力,人们找到了用位置传感器和电子换相电路代替 机械电刷换相装置。随后,包括磁电耦合式和光电耦合式的位置传感器 在内的各种传感器相继问世,1962年美国人霍尔试制成功了借助霍尔元 件实现换相的永磁无刷直流电动机,开创了永磁无刷电动机产品化的新 纪元。自从无刷直流电动机诞生以来,人们把它

15、应用于各个领域,从而 使其获得了快速发展。1978年西德的MANNESMANN公司正式推出MAC经 典无刷直流电动机及其驱动器,上世纪80年代国际上先后研制成方波无 刷电机和正弦波无刷电机。此外,由于上世纪70年代以来,电力电子工 业得到了飞速的发展,许多新型的高性能半导体开关器件,如GTO、 MOSFET、IGBT等的相继出现,以及高性能的永磁材料钐钴、钕铁硼等问 世,均为无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。如今无刷电动机集 特种电机、检测元件、控制软件与硬件于一体,体现着当今应用科学的 许多最新成果,是机电一体化的高技术产物。在计算机软硬盘驱动器、 光盘驱动器、激光打印机、摄像机、录像机

16、以及化工、采矿、航天航空、广东工业大学硕士学位论文机器人等领域有着广阔的应用前景¨,。目前,无刷直流电动机的转速、电流控制多采用传统的PID控制。 PID控制器是经典控制理论应用中最成功的代表,但并非是万能的控制 器。因为经典控制理论研究的是线性时不变的控制问题,然而实际控制 系统多少含有非线性。另外,实际的控制系统中被控对象的参数也会或 多或少的变化,或者存在系统的数学模型难以建立等问题。所以,用经 典控制理论设计的PID控制器有时难免会使控制系统不能满足性能指标 要求。PID控制中还有一个关键的问题就是PID参数的整定,传统的整 定方法是在获得被控对象的数学模型的基础上按照某种整

17、定原则来进行 PID参数的整定。而实际的工业生产过程往往具有非线性、时变不确定 性,难以建立精确的数学模型,应用常规的PID控制不能达到理想的控 制效果。另外,在实际生产现场中,PID参数整定与自整定的方法很多, 但往往难以实施或效果不理想,常规PID控制器参数常常整定不良、性 能欠佳,变化适应性较差n”。自查得(Zadeh提出模糊集合理论和模糊推理规则后,模糊逻辑控制 已被成功地用于许多控制系统。在实践应用中,模糊控制器是易于控制、 易于掌握的较理想的非线性控制器,是一种语言控制器,不依赖被控对 象的精确数学模型,可以用于控制那些系统模型无法确定的系统。抗干 扰能力强,响应速度快,对系统参数

18、的变化有较强的鲁棒性。但模糊控 制本身消除系统稳态误差的性能比较差,难以达到较高的控制精度n o,”1。 将传统PID算法与模糊算法复合,取长补短,将能大大提高控制系 统的各种性能指标。目前,各类用于电机控制的高性能的单片机及数字信号处理器(DSP 的功能越来越丰富,运算速度也有了质的飞跃,而且价格越来越低廉。 美国TI公司出品的DSP芯片被广泛应用于运动控制系统,其内部具有 电机控制单元,功能强大,其中C28x系列时钟频率达150MHz,可以实 现性能优良的复杂控制算法。为实现高品质的无刷直流电动机控制系统 提供了有力保障n2,”,。基于DSP的无刷直流电机控制系统的研究具有重要的现实意义和

19、 广阔的发展前景¨¨“”,。2第一章绪论1.2无刷直流电机控制技术的研究热点无刷直流电机由于调速性能好、效率高、体积小、重量轻,得到广 泛的应用。国内外专家学者对无刷直流电机控制技术进行了大量的研究 工作。目前,无刷直流电机控制系统的研究热点归纳如下:1.无位置传感器的转子位置检测和估算 由于无刷直流电机用电 子换相装置取代了物理电刷,所以精确控制无刷直流电机转速的一个关 键因素是正确定位转子位置。目前,无位置传感器的无刷直流电机驱动 方案正成为一个研究热点。较为成熟的无位置传感器位置信号检测方法 主要有4种:反电动势法n¨¨¨¨“、

20、续流二极管法心”、电感法托3,和状态观 测法旺“。其中最常见和应用最广泛的有一种是反电动势法。但是这种方 法的基本原理是建立在忽略电枢反应影响的前提下的,这在原理上就存 在一定误差。尤其是对于大功率无刷直流电机,电枢反应对气隙合成磁 场的影响更明显,使得反电动势过零点与总的感生电动势过零点不重合, 误差更大,导致检测出的转子位置误差增大。当电机静止或转速较低的 时候,反电动势为零或很小,很难通过反电动势过零点检测来得到正确 的位置信号,电机起动困难,带负载起动能力差,调速范围较有位置传 感器的方案小。因此,研究如何在无位置传感器无刷直流电机控制系统 中更精确地检测转子位置信号就成为十分重要的课

21、题。2.应用直接转矩控制 转矩波动是无刷直流电机控制有待改进的 一个重要方面。直接转矩控制是根据给定的电磁转矩指令与电机的实际 电磁转矩观测值相比较得到转矩误差,确定转矩的调节方向,然后根据 定子磁链的大小与相位角确定选择合适的定子电压空间矢量,从而确定 三相电压源逆变器的开关状态,使交流电机的电磁转矩快速跟踪外部给 定的电磁转矩指令值。2005年,国外有研究人员首次提出尝试将直接转 矩控制算法引入无刷直流电机驱动控制应用上。近两年我国的工程研究 人员也着手进行这方面的应用研究,以求精确控制无刷直流电机的电磁 转矩心钉。3.先进控制算法的研究 普通PID控制只适合于可以用固定的数 学模型所描述

22、的控制系统,当系统中存在未知或变化的动态量时,这种3广东工业大学硕士学位论文控制方式就不能取得很好的效果,当系统的参数变化过大时,控制系统 甚至会不稳定。由于无刷直流电机是一个非线性、多变量、强耦合的系 统,应用经典PID控制难以达到较高的控制要求。所以研究人员开始运 用智能控制理论设计无刷直流电机控制系统心”,目前发展比较成熟的智 能控制策略大都是将模糊控制结合经典PID控制心”、神经网络控制心”、 自适应控制他”、遗传算法阳们等。下面就主要的几种控制策略作简单介绍。 模糊控制和PID相结合的FUZZY-PID控制:如何在较宽的调速范围 内提高电流调节特性及减小力矩波动一直是交流伺服系统研究

23、的焦点。 对于速度闭环,速度调节器大部分采用数字PID调节器,只不过有些系 统对其进行了一定程度的改进,如变系数等。这对多变量、非线性、强 耦合的交流伺服系统来说有局限性。模糊控制一直是近年来研究的热点, 它不依赖于被研究对象精确的数学模型,对系统动态响应有较好的鲁棒 性,但难以消除调节终了时系统的稳态误差,而模糊控制和PID相结合 的控制方法可很好地解决这一不足,若将两者结合起来则系统同时兼有 两种方法的双重优点¨”。FUZZY-PID复合控制有三种方案¨23钉:(1模糊控制器用来修正PID 控制器的主要参数,在动态过程中,应用模糊推理改变算法的参数,以 得到最快上升时间

24、而不出现输出超调;(2模糊控制器和PID控制器串接, 模糊控制输出经PID算法后作为对象的控制输入,在跟踪初始阶段偏差 较大,模糊输出大,控制输入大,响应加快;当偏差减小时,模糊输出 变小,使跟踪不出现超调;(3模糊控制器和PID控制器并接,偏差较大 时模糊控制起作用,达到加速过度过程的目的;偏差较小时,PI起作用, 保证稳态控制精度。神经网络和模糊控制相结合的复合控制¨.,35.神经网络即具有非线性 映射的能力,可逼近任何线性和非线性模型,又具有自学习、自收敛性。 神经网络控制即可用于线性对象,也可用于非线性对象,对被控对象无 须精确建模,对参数变化有较强的鲁棒性。神经网络一般和模

25、糊控制相 结合,通常有两种结合方式:一种是在大误差范围内采用模糊控制器来 改善性能提高快速性,同时在小误差范围内采用神经网络控制器达到精 确定位的目的;另一种是利用神经网络来实现模糊控制规则的映射。模 4第一章绪论糊控制利用人脑的直觉经验推理出一系列控制规则,无须对被控对象精 确建模,对伺服系统存在的未知因素和参数漂移不敏感,只是定位精度 不高,易发生超调和振荡,但在误差大范围内收敛速度比神经网络控制 器快。经实验验证,采用这种结合方式的伺服系统定位精度高、无超调。 遗传算法和模糊控制的结合¨¨7,:近年来,遗传算法受到了国内外的 重视,成为研究的热点之一。遗传算法是能得到

26、全局最优解、算法简单、 可并行处理等优点。而模糊控制具有一些局限性,由于模糊控制器的设 计参数很多(模糊控制规则及规则可信度、输入/输出的比例因子、输入 输出变量各模糊子集的隶属度函数以及模糊控制器本身的非线性等原 因,至今仍缺乏有效通用的模糊控制器设计和调整方法,而只能依靠设 计者的经验和反复调试。最近出现了一些用遗传算法优化模糊控制设计 参数的研究成果。若这一思想应用于交流伺服系统,即把用遗传算法优 化隶属度参数的模糊控制器应用于无刷直流电动机交流伺服系统,从理 论上来说,是完全切实可行的。4. 正弦波驱动方式 与方波驱动方式相比正弦波驱动方式下无刷 直流电动机运行更平稳,低振荡,低噪声。

27、但是由于其要求配备高分辨 率的位置传感器,成本较高,以前仅在一些要求较高的伺服系统使用。 近年,无传感器、简易位置传感器正弦波换相控制技术的出现将大大促 进无刷直流电动机控制正弦化趋势的形成。在国外已经有公司生产出三 相无刷直流电动机正弦波控制的专用芯片n”。1.3课题研究的工作内容本课题的主要研究内容包括简述无刷直流电动机控制系统的计算机 仿真模型并对控制策略进行仿真验证;研制无刷直流电动机控制系统的 硬件系统、软件系统;进行模糊自适应PI控制算法在无刷直流电机控制 系统中应用的仿真研究。本文用六个章节系统地阐述了本课题的研究工作,如下所述:1.第一章说明课题研究背景,课题开展的意义以及无刷

28、直流电机控 制技术的研究热点。5广东工业大学硕士学位论文2.第二章阐述了无刷直流电动机的基本结构、数学模型及其基本工 作原理,制定无刷直流电动机控制系统的控制策略并在计算机上利用 MATLAB建模仿真。简述了模糊控制、传统PID控制算法各自的优缺点, 利用MATLAB仿真研究无刷直流电动机的模糊自适应PI控制。3.第三章介绍了硬件系统的设计,其中控制电路主要包括转子位置 检测电路、电流采样电路、人机界面电路、电平转换电路;驱动电路主 要包括整流电路、逆变电路、故障检测电路、保护电路等。4.第四章介绍了软件系统的设计,包括转子位置检、速度估算程序、 电流采样程序、PI调解器算法程序,人机界面程序

29、以及系统保护程序。 5.第五章介绍了控制系统的运行试验。给出了试验波形。6第二章无刷直流电机控制系统设计第二章无刷直流电机控制系统设计2.1无刷直流电机的基本结构及其基本工作原理众所周知,有刷直流电机具有旋转的电枢和固定磁场,因此有刷直 流电机必须有一个滑动的接触机构一电刷和换向器,通过它们把电流 馈给旋转着的电枢。无刷直流电机具有旋转的磁场和固定的电枢,结构 上其转子和定子的位置与有刷直流电机相反。这样,电子换相线路中的 功率开关器件,如晶闸管、晶体管、功率MOSFET或IGBT(绝缘栅双 极型晶体管等可以直接与电枢绕组连接。在电机内,装有一个转子位 置传感器,用来检测转子在运行过程中的位置

30、。它与电子换相线路一起, 代替了有刷直流电机的机械换相装置。综上所述,无刷直流电机由电机 本体、转予位置传感器和电子换相线路三大部分组成n”,如图2.1。图21无刷直流电动机组成框图Fig 21Block diagram of BLDC1.电机本体 电机本体包括定子和转子两部分,定子绕组一般为多 相(二相、三相、四相、五相不等;转子由永磁材料按照一定极对数 (2p=2,4,组成,按照其结构分两种:一种是将瓦片状的永磁体贴在 转子外表上,称为凸极式;另一种是将永磁体嵌到转子铁心中,称为嵌 入式。为了能产生梯形波感应电动势,无刷直流电动机的转子磁钢的形 状呈弧形(瓦片型,磁极下定转子气隙均匀,气隙

31、磁场呈梯形分布。7广东工业大学硕士学位论文2.转子位置传感器 位置传感器在无刷直流电动机中起着检测转 子磁极位置的作用,安装在定子线圈的相应位置上。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互相作用而产生转矩,驱动 转子旋转,再由位置传感器将转子磁极位置变换成电信号,去控制电子 换向线路,从而使定子各相绕组按一定次序通电,使定子相电流随转子 位置的变化按一定的次序换向,从而使电动机能够连续工作。位置传感器种类较多且各具特点,目前在无刷直流电动机中常用的 位置传感器有以下几种形式。(1电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现 其位置测量作用的,有开口变压器、铁磁谐振电

32、路、接近开关等多种类 型。在无刷直流电动机中应用较多的是开口变压器。电磁式位置传感器 具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、 结构简单和紧凑等优点。但这种传感器信噪比较低,体积较大,同时其 输出波形为交流,一般需整流、滤波后方可使用。(2光电式位置传感器 这种传感器是利用光电效应制成的,由跟 随电动机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组 成。它性能较稳定,但存在输出信号信噪比较大、光源灯泡寿命短、使 用环境要求高等缺陷。(3磁敏式位置传感器 这种传感器是指它的某些电参数按一定规 律随周围磁场变化而变化的半导体敏感元件。其基本原理为霍尔效应和 磁阻效应。常

33、见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。这种传感器结构简单、体积小、灵敏度高、寿命 长、成本低,但是输出的电势信号比较低,需要用外加电路将信号放大。 除上述三大类传感器外,还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位 置传感器。但是,这种元件成本较高、体积较大、所配线路复杂,因而 在一般无刷直流电动机中很少采用。此外,利用电动机定子绕组的反电 动势作为转子磁钢的位置信号,该信号检出后,经数字电路处理,并送, 给逻辑开关电路去控制无刷直流电动机的换相。由于它省去了位置传感 器,使得无刷直流电动机的结构更加紧凑。3.电子开关电路 无刷直流电动机的工作离不开电子开关电路,直

34、8第二章无刷直流电机控制系统设计流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电。开关电路将位置传感器检 测到的转子位置信号进行处理,按一定的逻辑代码输出,触发功率开关, 从而自动地控制了一些绕组通电,一些绕组断电,实现了电子换向。无刷直流电动机的电子开关电路主要由功率逻辑控制开关单元和位 置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑控制开关单元是控制电 路的核心,其作用是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动 机定子上的各相绕组,以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组 导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。早期的无刷直流电动机的开关电路大多由晶闸管组成,由于其关断 要借助于反电动势或

35、电流过零,而且晶闸管的开关频率较低,使得逆变 器只能工作在较低频率范围内。随着新型可关断全控型器件的发展,在 中小功率的电动机中换向器多由功率MOSFET或IGBT构成,具有控制 容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。2.1。2无刷直流电机的基本工作原理电动新31瓶 s蜒 s哐 、 i 一 /厂 Dc一=C ,A相 B相一 Io“ 300V 一 >诞.、掰L s哐 夕堆 L /pwml.6仓 籽程l 驱动电路 I气>、 电子控制电路 l控制f IL. 图2.2无刷直流电动机控制系统的基本工作原理图Fi92-2Working principle diagram of BLDC con

36、trol system普通直流电动机使用电刷换向,使得定子磁场在电机运行过程中始 终保持与电枢磁场垂直从而产生最大转矩,使电机运转。,无刷直流电动 机的运行原理和有刷直流电动机基本相同,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 9广东T业大学硕士学位论文矩,且转矩只与电枢电流的大小有关。无刷直流电机的运行根据检测出 的转子位置信号,通过驱动电路驱动各功率开关管的导通与关断,从而 控制定子绕组的通断,在定子上产生旋转磁场,拖动转子旋转。直流电动机电枢磁势轴线与励磁磁势轴线互差90。电角度时,产生 的电磁转矩最大。对于三相六状态无刷直流电动机,只能控

37、制电枢磁势 轴线与励磁磁势轴线间夹角尽量靠近90。电角度,即120。至60。电角 度之间。当转子永磁体位于图2.3(a所示位置时,转子位置传感器输出 磁极位置信号,经过控制电路驱动逆变器,使功率开关管Sl、S4导通, 即绕组A、B相通电,A相进B相出,电枢绕组在空间的合成磁势为Fa, 转子磁势为Ff,如图2.3(a所示。此时两磁势轴线间夹角为120。电角 度,定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为:电源正极一S 1管一A相绕组一B相绕组一s4管一电源负极。当转子旋转 过60。电角度,到达图2.3(b中所示位置时,两磁势轴线间夹角为60。 电角度,此时位置传感器输出信号,经逻辑

38、变换后使开关管S4截止, S6导通,Sl仍导通。则绕组A相、C相通电,A进C出,电枢绕组在 空间合成磁场如图2.3(c中Fa。此时定转子磁势轴线间夹角又恢复至120。电角度,在定转子磁场相互作用下,使转子继续沿顺时针方向转动。 电流流通路径为:电源正极一S1管一A相绕组一C相绕组一S6管一电源 负极,依此类推。当转子继续沿顺时针每转60。电角度时,功率开 关管的导通逻辑为￥6S3一S3S2一￥2S5一S5S4一S4S1一S1S6,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。10第二章无刷直流电机控制系统设计z>n BaS4S1导通b￥4S1导通 c￥6S1导通 图2.3

39、无刷直流电机工作原理图 Fi92-3Working principle diagram of BLDC 在图2.3(a到(b的60。电角度范围内,转子磁场顺时针连续转动,而定子合成磁场在空间保持图2.3(a中Fa的位置不动,只有当转予磁场 转过60。电角度到达图2.3(b中Ff的位置时,定子合成磁场才从图2.3(a 中Fa位置顺时针跃变至图2.3(c中Fa的位置。而后每换一次向,合成 磁势矢量方向就转过60。电角度。由此可以看出,星形三相六状态两相 导通方式所产生的合成磁势不是一个连续的旋转磁势,而是一个跳跃式 的步进磁势,每个步进角是60。电角度。当转子每转过60。电角度时, 逆变器开关管之

40、间就进行一次换流,定子磁状态就改变一次。可见,电 机有6个磁状态,每一状态都是两相绕组导通,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也是120。,故 该逆变器为120。导通型。2.2无刷直流电机的数学模型由于无刷直流电动机的气隙磁场、反电动势以及电流是非正弦的,如果要精确的分析电机,需要涉及非线性理论、数值解法等复杂的问题, 因此做出以下假设来建立数学模型。(1电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波分布。(2定子齿槽的影响忽略不计。(3电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计。(4忽略电机中的磁滞和涡流损耗。(5三相绕组完全对称。姻苹 姻譬 姻幂 建一x广东工

41、业大学硕士学位论文三;=三兰兰差+笼笔爹P差+三;c2-,U口、6、IIc一一定子相绕组电压。i。、ib、t一一定子相绕组电流;e。、%、ec一一定子相电动势;三;=r三兰兰芝+孝一M三一M量一MP差+圣c2-3,图2.4无刷直流电动机的等效电路Fi924Equivalent circuit ofBLDC无刷直流电动机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似,其电磁转 矩大小与磁通和电流幅值成正比:. 疋:型立垫立丝 (2.4。 W式中:w为电动机转子的角速度。为了产生恒定的电磁转矩,要求 12第二章无刷直流电机控制系统设计在每半个周期内,方波电流的持续时间为l 20。.电角度,梯形波反电势 的平顶

42、部分要在120。电角度以上,两者应严格同步,理想情况下,任 何时刻定子绕组只有两相导通,所以电磁转矩可以变为:乏=2E。I册/w (25 式中:厶为定子绕组各相反电势的幅值;L为定子绕组各相电流的幅值。又因为无刷直流电动机的定子绕组各相反电动势的幅值为:主磁通为:。:召I 2lrr (2.7 Pm于是有:巳=訾(Im"刀-K也刀(2-8式中:K。=NP。/60为电势系数,N为相绕组等效匝数,p。为极对 数,n为电机转速。因此电磁转矩表达式可化为:r:2E。,。/w:K。L竺 (2.9 由式(2.9可以看出,无刷直流电动机电磁转矩大小与磁通和电流 幅值大小成正比,所以控制逆变器输出方波

43、电流的幅值即可控制无刷直 流电动机的转矩。再加上转子运动方程:dw/dt=(r一乃一Bw/d (2-10 式中tZ为负载转矩;B为粘滞阻尼系数;J为转子及负载的转动惯量。这样就构成了完整的三相无刷直流电动机的数学模型。无刷直流电动机的运行特性和传统直流电动机基本相同,其动态特 性结构图可以采用直流电动机通用的动态特性结构图,如图2.5所示。 13广东工业大学硕士学位论文u(s+卜E(s图2-5无刷直流电动机动态特性结构图Fi92-5Dynamic characteristics structure ofBLDC由无刷直流电动机动态结构图可求得其传递函数为:砸=志一去乃 (2.11 式子中:K为

44、电动势传递系数, K1=1/Ce,e为电动势系数;心为转矩传递系数,K:=R/CeCi,R为电动机内阻,C,为转矩 系数;乙为机电时间常数,乙=RGD2/375CeCl,G为转子重量,D为 转子直径。无刷直流电动机的调速方法:对于星形连接的三相无刷直流电动机,在理想条件下,任何时刻只 有两相定子绕组通电。令加在两相通电绕组上的平均电压为:Ud=2E。-I-ImR=2K。刀+ImR (212 可以得到转速为:刀:丝二生:墨 (2.13 肛前 u。" 式子中:瓦为电动机各相反电动势。L为各相相电流;刀为无刷直流电动机转速5R为回路等效电阻,包括电动机两相电阻和管压降的等效电阻。 .由式(

45、2.13P-Y知,无刷直流电动机的转速调节可以通过改变外施平均 电压来实现。调节电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电 源有三种:旋转变流机组、静止可控整流器、脉宽调制变换器。通过脉 14第二章无刷直流电机控制系统设计宽调制变换器进行调制的方法又称为PWM调制方法。它是用恒定直流 电源或不可控整流电源供电,利用开关器件来实现通断控制,将直流电 压断续加到负载上,通过通、断电时间的变化来改变负载上直流电压的 平均值,将固定直流电源变成平均值可调的直流电源。受到器件容量限 制,PWM直流调速只能用于中、小功率系统。本文所控电机为小功率电 动机,所以就采用PWM调制方法来控制电动机。2.3有

46、位置传感器的直流无刷电动机控制策略为使电动机在起动阶段能维持最大允许起动力矩,充分利用电动机 的过载能力获得最快起动效果,并且系统可在稳态条件下实现转速无静 差的理想效果(如图2-6所示,本系统采用了是转速、电流双闭环控制策 略“”。f图2.6调速系统起动过程中的理想电流、转速的波形图Fi92-6Ideal waveform of current and speed in the startingprocess of the speed control system电流和转速调节器的作用分析如下:1.电流调节器的作用:(1启动时,由于转速调节器输出饱和,电流调节器的输入参考为电 机允许的最大过

47、载电流,使电机以最大的加速度加速,实现了电动机的 快速启动;(2当电流环所包含的通道上出现干扰时,电流调节器可快速产生调 节作用,使电流维持不变,消除干扰量对转速产生影响。2.转速调节器的作用:(1稳定转速,使转速跟随参考转速变化,从而实现稳定运行时无静 15广东工业大学硕士学位论文差:(2在负载变化(或各环节产生扰动使转速出现偏差时,则可以依 靠转速调节器的调节作用来消耗转速偏差,保持转速恒定。(3当电动机过载甚至堵转时,由于转速调节器的输出饱和作用,对 电流参考量进行限幅,限制过大的电流,起到快速保护的作用。采用上述双闭环策略,结合数字控制的特点,本文设计了无刷电机 数字运动控制系统总体结

48、构,如图2.7所示。图2.7控制系统总体方案Fi92-7Overall program of control system2.4无刷直流电动机控制系统的仿真根据前面介绍的无刷直流电动机的工作原理、数学模型以及系统控 制方案设计,下面运用Matlab/simulink建立无刷直流电动机的仿真模型。 本文所采用的仿真软件是Matlab及Simulink工具箱。Matlab是由 Mathworks公司开发的当今很流行的科学计算软件。现在的Matlab最新 版本由主包、Simulink以及功能各异的工具箱组成,以矩阵运算为基础, 把计算、可视化、程序设计融合到了一个简单易用的交互式上作环境中。 在这里

49、可以实现工程计算、算法研究、符号运算、建模和仿真、原型开 发、数据分析和可视化、科学和工程绘图、应用程序设计(包括图形用户 界面设计等功能。Simulink是Matlab的一个用来进行动态系统建模、仿真和综合分析 的软件包,它支持线性和非线性系统仿真,可以进行连续系统、离散系 统、混合系统的动态仿真。它具有模块化、可封装、面向结构图编程及 可视化等特点,用户可以方便定制和创建自己的模型、模块,这样可提 16第二章无刷直流电机控制系统设计高系统仿真的效率和可靠性。图2-8无刷直流电机控制系统仿真建模组成框图Fi92-8Block diagram of simulation model of BL

50、DC control system如图2.8所示,BLDC建模仿真系统采用双闭环控制方案例:转速 环由PI调节器构成,电流环同样由PI调节器构成。根据模块化建模的 思想,将图中所示的控制系统分割为各个功能独立的子模块,图2-9为 在Simulink下BLDC控制系统建模的整体框图,其中主要包括:无刷 直流电机本体模块、电流调节模块、速度调节模块、PWM生成模块、电 压逆变模块、电流检测模块。通过这此功能模块的有机整合,就可在 Matlab/Simnlink中搭建出BLDC控制系统的仿真模型,实现PID控制策 略仿真。1.BLDC本体模块 电机本体模块是整个仿真系统的核心,仿真中我 们使用MAT

51、LAB7.1自带的无刷直流电动机模型(见图210,可以在模型 的属性框可配置电机的各种电气参数。仿真中电机的参数配置如图所示。17广东I业大学坝七学位*文图2-9无刷直流电机控制系统仿真模型Fi929Simulation model of BLDC control systemFmm化“E宙宣蕾冒_v vch.ctt 。:-j -日t-., sr rf.口h,:E:0s+LH日53Fd一"Hn.ffd.:口?;盏篓=笋=!一图2-10电机模块参数配置Fi92一l 0Configuration parame'【ers of electrical module2.电流、速度调节模

52、块 电流、速度调节器均采用PI调节器。 PI调节器的结构如图211所示。对于电流调节器,输入为参考电流 和检测电流的差值,输出为占空比。对于速度调节器输入为参考转速和 实际转速的差值,输出为参考电流的幅值。其中,PI调节器由比例环节、 积分环节和饱和限幅环节构成。庶卜1 I.一。广t习 。 7匕1J 限幡 。图2-11PI调节器内部结构图Fi92-11Internal structure of PI regulator3.PWM波生成模块 方案中采用了单斩式(HpwmLonPWM调制方 式。该调制方式对上桥臂功率管进行PWM调制,下桥臂功率管恒导通。 这种PWM调制方式通过对上桥臂进行PWM调

53、制,调节输入电动机电压的 大小。占空比a控制每个PWM波周期中,功率管开通与断开的时间。同 时根据转子位置检测信号的状态值控制功率管的导通和关断的逻辑顺 序。根据霍尔位置信号制定的导通逻辑表格表2-1,该模块仿真模型如 图2-12。表2-1开关管导通逻辑表Table21Logical table of switchingHalll Hall2Hall3S1S2S3S4S5S6 O l 0PWM OFF OFF ON OFF OFF 011PWM OFF OFF OFF OFF ON 001OFF OFF PWM OFF OFF ON 10l OFF ON PWM OFF OFF OFF l 0

54、0OFF ON OFF OFF PWM OFF l 10OFF OFF OFF ON PWM OFF 注:halll、hall2、hall3表示电机的三路霍尔位置信号。S1、S2、S3、S4、 S5、S6分别表示六只功率管,PWM表示该管进行PWM调制。ON表示该管导通,OFF 表示该管关断。19广东工业大学硕士学位论文Oonamt图2.12PWM波生成模块内部结构图Fi92-12Internal structureof PWM wave generation module其中在模型中,根据转子的绝对位置信号,使用M语言编写了该导 通逻辑表,程序代码如下:Log.mfunction Log=l

55、og(thetatheta=mod(mod(theta,360,72;if(theta>=O&(theta<12log=1O O O 0l】;elseif(theta>=12&(theta<24log=【O O 1O 0l】;elseif(theta>-24&(theta<36log=【0110O 0】;elseif(theta>=36&(theta<48log=【O 1O O 10】;elseif(theta>=48&(theta<60log=00011O】;elseif(theta>=

56、60&(theta<72log=1O 01O 0】;end第二章无刷直流电机控制系统设计4.电流检测模块 理想情况下,无刷直流电机处在两相导通三相六 状态模态,每一时刻两相导通,另外一相悬空。其三相电流与电角度对 应图形如图2-15。因此,可以通过对转子的位置角来判断电机的三相电 流导通情况从而决定对哪一相进行电流采样。本模型中我们的电流采样原则是对导通两相中的电流值为正值的那 相进行电流采样。例,当0:240。300。或0:300。360。,C 相为非换相相,且它的电流值为正值,此时可以检测C相电流绝对值作 为电流反馈值,其它时刻的检测值以此类推。相电流与电角度关系图见 图21

57、3,电流检测模块如图214。J L流 llJ l流I lJ IiI流 Il l图2.13相电流与电角度相位图Fi9213Phasic diagram of phase current and electric degrees图2.14电流检测模块Fi92-14Current sampl ing module21广东I业大学硕±学位论文仿真中,BLDC参数设置为:定子相绕组电阻R=2875o,定子相 绕组自感L=0.0085L,转动惯量J=O 008kg m2,额定转速2000r/rain,极 对数p=5.500V直流电源供电。为了验证所设计的BLDC控制系统仿真 模型的静、动态性能,

58、系统空载起动,待进入稳态后,在t-005s时突加 负载T=I 5Nm,可得到系统转速、转矩、A相电流和A相反电动势、反 馈电流仿真曲线如下各图所示。图2.15转速响应曲线Fi9215Speed response cutvg图2.15为转速响应曲线,由图形可看出控制系统在对阶跃输入具有 较小超调,较小的调节时间。对突加扰动具有较快的反应速度,能迅速 调整回到设定值。图2.16反馈电流曲线Fi92I 6Feedback correncurve图2一16为反馈电流波形。反馈电流为电流环的反馈值,由于无刷直第=章无刷直流电机控制秉统设计流电机的相电流是交流电,但是电流参考值是直流量,所以反馈电流是 采样所得的交