电机数字控制系统集成设计-课程报告

HarbinInstituteofTechnology无刷直流电机数字限制系统集成设计的分析课程名称：电机数字限制系统的集成设计院系：电气工程系姓名：学号：指导老师：杨贵杰2015年5月11日无刷直流电机数字限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探讨概况，工作原理和数字限制系统的集成设计思想、原理、结构特点和驱动限制方法。其中，驱动限制方法主要以目前比较热的无位置传感器限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，并结合试验室探讨内容进行了仿真分析。关键词:无刷直流电机，探讨概况，工作原理，数字限制系统，无位置传感器技术无刷直流电机探讨概况无刷直流电动机（BrushlessDCMotor）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年头出现以来，以其优良的转矩限制特性，在相当一段时间内始终在运动限制领域占据主导地位。但其有机械接触的电刷换向器结构始终是直流电动机的一个致命弱点，这降低了系统的牢靠性，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特别严峻的问题，干脆影响到维护性和牢靠性。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究。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，标记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，牢靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动限制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自独创以后的一个相当长的时期内，性能都不志向，只能停留在试验室阶段，无法推广运用。1970年以来，随着电力半导体工业的飞速发展，很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接连出现，均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚决的基础，无刷直流电动机系统因而得到了快速的发展。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，这也标记着无刷直流电动机走向好用阶段。我国对于无刷直流电动机的探讨起步较晚。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留意，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，形成了肯定的生产规模。自20世纪90年头以来，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，电机必需具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电动机的应用也因此而快速增长。尤其在节能已成为时代主题的今日，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]。无刷直流电机原理无刷直流电机的限制系统主要由永磁无刷直流电机、逆变器、位置传感器和限制器几部分组成，如图1所示。无刷直流电机转子由永磁钢按肯定极对数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肯定的规律导通关断，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，限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限制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按肯定的依次工作。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限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限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，使电机的转子接着顺时针转动。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，而是一种跳动式旋转磁场，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，定子磁状态就变更一次。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、绕组形式有特别亲密的关系。对于采纳稀土永磁材料的电动机，其气隙磁场一般为方波，其志向波形见4所示。对于方波气隙磁场，当定子绕组采纳集中整矩绕组，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。方波电动机通常采纳方波电流驱动，由电子换向器向方波电动机供应三相对称的、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志向方波气隙磁场图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。其中为电动势常数，为电机转速，为转矩常数，为电枢电流。（1）（2）无刷直流电机数字限制系统简介数字限制系统采纳微处理器（MCU、DSP、ARM、FPGA）实现电机转速的计算和调整、开关管通断选择、电流环限制等。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，两个限制环的采样时间可以采纳不同的值，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。限制算法不能过于困难，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。试验室中的无刷直流电机和永磁同步电机的限制系统的电流环采样时间是100μs，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限制系统中，由于不须要测速元件，硬件电路设计相对而言更加简洁，成本更低。无刷直流电机的电流传感器一般可以采纳成本低廉，性能牢靠的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，不须要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，可以干脆与处理器连接。与传统的霍尔电流传感器相比，IR2175具有温漂低、数字PWM输出、电路设计简洁、无需A/D转换器的特点，为厂家节约成本，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限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，设计较为简洁。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反电势检测法图6三相反电势随转子位置变更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,,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)式中：—端电压；—中性点电压；—绕组等效电感。采纳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)又,将式(4)中三个端电压方程相加：(5)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)非导通相反电势：(7)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，为换相限制电路供应正确的换信任息，进而实现无刷直流电机的无位置传感器限制。图7是反电势检测电路实现示意图。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）运用霍尔电流传感器；（2）运用电阻和线性光耦；（3）在直流母线上接入采样电阻测量直流母线上的电流，然后采纳扩展的软硬件设计计算得出电流值。若选择母线电流，须要留意到开光管的PWM调制会使得母线电流含有明显的谐波重量，因而须要对母线电流适当的滤波。对三相电流采样时，须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，同样须要加滤波环节。4.3PI调整器速度和电流调整器是一般的离散化的数字PI调整器，可以附加抗饱和积分的算法。也可以采纳神经元调整器等比较特别的调整器。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；其次步，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。在其次步中，根据预先设定好的换向依次，轮番换向，换向频率和PWM占空比同比例增大，转速渐渐稳步上升。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；0.04s切