無刷直流電機(jī)快速制動(dòng)準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、無刷直流電機(jī)快速制動(dòng)準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安陽工學(xué)院電子信息與電氣工程系 秦長海 （河南安陽）摘要：介紹了一種在直流電機(jī)斷電制動(dòng)時(shí)直流電機(jī)被短接，利用直流電機(jī)慣性所產(chǎn)生的電流能在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與慣性旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場，使電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生很大的阻尼磁場，使無刷直流電機(jī)快速制動(dòng)的新方案。利用PLC在電機(jī)斷電制動(dòng)時(shí)，有三個(gè)傳感器檢測出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，測算出電機(jī)的起控位置，使電機(jī)能夠準(zhǔn)確定位的新設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)該方案運(yùn)行可靠準(zhǔn)確。關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)（BLDC） 快速制動(dòng) PLC定位系統(tǒng) 1、 引言無刷直流電機(jī)Brushless DC motor (BLDCM)因其體積小、性能好、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、輸出轉(zhuǎn)矩

2、大；既具有交流電機(jī)簡單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機(jī)運(yùn)行效率高，不受機(jī)械換向限制，調(diào)速性能好，易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速等特點(diǎn)，備受廣泛關(guān)注。隨著BLDCM應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，對電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求越來越高，既要考慮成本低廉、控制算法合理，又需兼顧控制性能好、開發(fā)周期短等問題。BLDCM控制系統(tǒng)的發(fā)展，使得需要研究的控制對象和系統(tǒng)越來越復(fù)雜。而直流電機(jī)在其制動(dòng)控制上很難做到快速制動(dòng)和準(zhǔn)確定位的控制，本文介紹一種無刷直流電機(jī)快速制動(dòng)和制動(dòng)時(shí)的準(zhǔn)確定位新的控制方案。2，控制系統(tǒng)快速制動(dòng)定位的設(shè)計(jì)PLC轉(zhuǎn)速設(shè)定微機(jī)信號K剎車接口電路剎車預(yù)制動(dòng)電路ABC三相驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)傳感器圖1 直流無刷電機(jī)

3、制動(dòng)定位控制框圖直流無刷電機(jī)快速制動(dòng)準(zhǔn)確定位控制原理框圖如圖1所示。其基本工作過程為：需要?jiǎng)x車制動(dòng)時(shí)，按下剎車制動(dòng)開關(guān)K ，剎車預(yù)制動(dòng)電路發(fā)出制動(dòng)信號， 驅(qū)動(dòng)電路工作，電源開關(guān)K1被打開（圖中未畫出），使直流電機(jī)斷電，緊接著開關(guān)K2 驅(qū)動(dòng)電路工作，使的K2閉合，直流電機(jī)被短接，利用TDB-4C01-0150制動(dòng)單元使直流電機(jī)慣性所產(chǎn)生的電流能在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與慣性旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場，使電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生很大的阻尼磁場，從而使直流電機(jī)快速制動(dòng)達(dá)到制動(dòng)目的。在電機(jī)斷電制動(dòng)時(shí)，由三個(gè)角位移傳感器檢測出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速的高低，測算并確定電機(jī)的起控位置，傳輸?shù)絇LC，PLC控制電機(jī)使電機(jī)在設(shè)計(jì)的位置能

4、夠完全停止。主控制器PLC，采用的是日本三菱公司的FX2N-64MR,是微型PLC中的頂尖產(chǎn)品，具有高速、高性能的特點(diǎn)，一條基本指令運(yùn)算時(shí)間為0.08s,一條應(yīng)用指令運(yùn)算時(shí)間約為1.52-100s，并具有FX2N-20GM的定位單元可以擴(kuò)展，便于實(shí)現(xiàn)定位控制。 ABC三相驅(qū)動(dòng)電路采用美國國際整流器公司專用MOS驅(qū)動(dòng)芯片IR2102，可驅(qū)動(dòng)MOSFET 或IGBT。該芯片的應(yīng)用簡化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。IR2102內(nèi)部采用自舉技術(shù)設(shè)計(jì)出懸浮電源，實(shí)現(xiàn)一相兩個(gè)N溝道逆變橋輸出電路的控制。3電機(jī)準(zhǔn)確定位的方法3.1 通過控制開始制動(dòng)的時(shí)刻，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的如果要使電機(jī)在制動(dòng)時(shí)，不論電機(jī)的轉(zhuǎn)速高低，都能

5、停在同一位置，則首先需要知道電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速的高低去控制制動(dòng)過程。制動(dòng)過程的原理是：在電機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)物的某一位置上安裝一個(gè)角位移傳感器。當(dāng)停止按鈕按下或緊急事故停機(jī)信號發(fā)出后，使機(jī)器進(jìn)入制動(dòng)程序。制動(dòng)動(dòng)作應(yīng)在經(jīng)過角位移傳感器位置后的某個(gè)時(shí)刻開始，我們把從角位移傳感器到制動(dòng)動(dòng)作開始的這段時(shí)間稱作制動(dòng)參數(shù)Tzd。電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)使Tzd置小些，盡量早地執(zhí)行制動(dòng)的動(dòng)作。在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)使Tzd置大些，適當(dāng)晚地執(zhí)行制動(dòng)的動(dòng)作。用這種方法就可以使電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速情況下準(zhǔn)確地停在同一位置。制動(dòng)位置與停止位置、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：S=2R*N* Tzd/60 (1)3.2制動(dòng)程序的設(shè)計(jì)根據(jù)上述原理，制

6、動(dòng)程序應(yīng)包括測速，轉(zhuǎn)子位置檢測和計(jì)算制動(dòng)參數(shù)Tzd執(zhí)行制動(dòng)，下面分別介紹。3.2.1 測速在電機(jī)動(dòng)力輸入軸端部安裝一個(gè)角位移傳感器，使該軸每轉(zhuǎn)一周可以向PLC的高速計(jì)數(shù)端子發(fā)出12個(gè)脈沖，并在高速計(jì)數(shù)器上獲得該脈沖的計(jì)數(shù)值。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就會不斷累加。通過編程，可以在規(guī)定的時(shí)刻將該計(jì)數(shù)值取出并放在數(shù)據(jù)存儲器N1中，然后經(jīng)過0.05ms再將該計(jì)數(shù)值取出并放在數(shù)據(jù)存儲器N2中，那么N=N2-N1的值就表示在T=T2-T1=0.05 s時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速值。當(dāng)T保持不變時(shí)，N值越大表明轉(zhuǎn)速越高。這樣就可以把轉(zhuǎn)角信號轉(zhuǎn)換成速度信號，如圖2所示。NtttNN000(a)(b)(c)圖2

7、 測速脈沖波形示意圖圖2a中計(jì)數(shù)脈沖來自主傳動(dòng)軸的信號，該信號頻率與角位移傳感器檢測的主機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。圖2b中的時(shí)鐘脈沖是PLC控制器中提供的，它有3種周期即0.01ms，0.03 ms 和0.05ms；可根據(jù)轉(zhuǎn)速的高低選用適當(dāng)周期。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，時(shí)鐘周期選得大，則測速時(shí)間長，該轉(zhuǎn)速的脈沖數(shù)值也就大，建立數(shù)學(xué)模型時(shí)就可以細(xì)分，產(chǎn)生更精確的制動(dòng)效果。反之，如果時(shí)鐘周期選得小，則制動(dòng)效果就粗糙些。用戶可根據(jù)機(jī)械設(shè)備的情況自行選定。圖2c中的脈沖是對圖2b的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行前沿和后沿微分，以便取出間隔為0.01ms、0.03ms和0.05ms的信號，該信號的寬度是應(yīng)用程序的循環(huán)周期的一半。用該信號從計(jì)數(shù)

8、器中取出當(dāng)前計(jì)數(shù)值N1和N2，由程序計(jì)算出其差值N。3.2.2 轉(zhuǎn)子位置檢測控制無刷直流電機(jī)時(shí)，PLC控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)位置，發(fā)送相應(yīng)的控制字，通過改變PWM脈沖信號的占空比控制電機(jī)。無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器來檢測的。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了3個(gè)光電式位置傳感器(霍爾元件)，它們是利用光電效應(yīng)制成的，跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動(dòng)的光源及光電管等部件組成。 隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，光電管間歇接收從光源發(fā)出的光，不斷導(dǎo)通和截止，從而產(chǎn)生一系列“0”和“l(fā)”的信號。這些脈沖信號通過I0端口傳輸給DSP，DSP讀取霍爾元件的狀態(tài)值，以確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置。再通過改變PWM信號的占空比控制

9、驅(qū)動(dòng)電路，改變驅(qū)動(dòng)電路中控制器件的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換相控制并調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3.2.3制動(dòng)時(shí)間參數(shù)Tzd的確定數(shù)值N還必須用數(shù)學(xué)函數(shù)式Tzd=f(N)轉(zhuǎn)為Tzd值才能作為PLC的制動(dòng)延時(shí)參數(shù)。數(shù)學(xué)函數(shù)式Tzd=f(N)要適合電機(jī)控制對象的機(jī)械慣量，還要滿足電機(jī)控制對象電機(jī)的制動(dòng)要求：即當(dāng)N值增大時(shí)Tzd則相應(yīng)減小，可用下面的數(shù)學(xué)曲線來描述，如圖3所示。圖3直流無刷電機(jī)PLC控制程序設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)曲線圖從圖3可以看到制動(dòng)參數(shù)Tzd隨N值增大而減小，通過調(diào)整數(shù)學(xué)函數(shù)式及其參數(shù)就能找到最佳的Tzd值。在本設(shè)計(jì)中為了方便將轉(zhuǎn)速分為三個(gè)區(qū)域：即N500； 500 N1000; 1000 N1200,在N5

10、00范圍，Tzd0.01 ms；在500 N1000范圍，Tzd0.03 ms；在1000 N1200范圍，Tzd0.05 ms；這樣可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。4、制動(dòng)定位程序設(shè)計(jì)有了Tzd值就可以實(shí)施制動(dòng)，在PLC中Tzd作為計(jì)時(shí)器的參數(shù)，當(dāng)計(jì)時(shí)參數(shù)到預(yù)定值后就可以接通制動(dòng)。由于電機(jī)控制對象的慣性較大，應(yīng)盡早利用變頻調(diào)速器的降頻制動(dòng)功能先把轉(zhuǎn)速降下來進(jìn)行制動(dòng)。而電磁制動(dòng)則是經(jīng)Tzd延時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。所以將轉(zhuǎn)速分為三個(gè)區(qū)域來作為控制的選擇比較方便，可以容易的實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)和準(zhǔn)確定位，制動(dòng)定位過程由PLC控制電磁制動(dòng)器來完成。通過采用不同的數(shù)學(xué)函數(shù)去控制電磁制動(dòng)開始的時(shí)刻，可以很方便地控制動(dòng)量的變化，從而達(dá)到

11、所要求的制動(dòng)精度。由于制動(dòng)的準(zhǔn)確性取決于諸多因素如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，制動(dòng)電機(jī)摩擦制動(dòng)效果，降頻制動(dòng)曲線的斜率等，所以要根據(jù)現(xiàn)場情況確定數(shù)學(xué)函數(shù)式和參數(shù)，只要改變PLC控制器的程序參數(shù)即可。上述制動(dòng)定位控制過程可由PLC軟件控制，其制動(dòng)定位控制程序流程圖如圖4所示。初始化設(shè)置參數(shù)Tm1, Tm2 ,Tm3n500?500 n1000？接受計(jì)數(shù)脈沖1000 n1200？停機(jī)到位計(jì)數(shù)脈沖轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速n啟動(dòng)Tm1停機(jī)啟動(dòng)Tm2停機(jī)啟動(dòng)Tm3停機(jī)YNNNYY圖4 PLC制動(dòng)定位控制程序流程圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在硬件電路的基礎(chǔ)上，通過軟件編程得到圖5所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線。從實(shí)驗(yàn)曲線上可以看出，轉(zhuǎn)速為1200轉(zhuǎn)/分，制動(dòng)時(shí)

12、間也只有0.05ms,制動(dòng)時(shí)間是滿足設(shè)計(jì)要求的。T(ms)n100012005000.050.040.030.010圖5 PLC控制系統(tǒng)跟蹤特征曲線圖6 結(jié)束語采用PLC為核心設(shè)計(jì)的無刷直流電機(jī)快速制動(dòng)準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)，解決了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中PWM信號的生成、電機(jī)速度反饋及電機(jī)電流反饋問題，很容易地完善整個(gè)控制系統(tǒng)，方便地實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能，極大地簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減小了無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的體積，降低了成本，整個(gè)控制系統(tǒng)定位精度小于1mm。采用軟件控制的停機(jī)方式，使該控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，維修容易及不用準(zhǔn)確計(jì)算機(jī)械慣量等優(yōu)點(diǎn)，該設(shè)計(jì)具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。參考文獻(xiàn)：1.朱善君等.可編程序控制系統(tǒng)原理應(yīng)用維護(hù).清華大學(xué)出版社，1993 p138-1