無刷直流電機快速制動準確定位控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、無刷直流電機快速制動準確定位控制系統(tǒng)的設(shè)計安陽工學(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斷電制動時直流電機被短接，利用直流電機慣性所產(chǎn)生的電流能在電機內(nèi)產(chǎn)生一個與慣性旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場，使電機內(nèi)部產(chǎn)生很大的阻尼磁場，使無刷直流電機快速制動的新方案。利用PLC在電機斷電制動時，有三個傳感器檢測出電機的轉(zhuǎn)速，測算出電機的起控位置，使電機能夠準確定位的新設(shè)計，經(jīng)實驗該方案運行可靠準確。關(guān)鍵詞：無刷直流電機（BLDC） 快速制動 PLC定位系統(tǒng) 1、 引言無刷直流電機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；既具有交流電機簡單，運行可靠，維護方便等優(yōu)點，又具有直流電機運行效率高，不受機械換向限制，調(diào)速性能好，易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速等特點，備受廣泛關(guān)注。隨著BLDCM應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，對電機控制系統(tǒng)設(shè)計要求越來越高，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。而直流電機在其制動控制上很難做到快速制動和準確定位的控制，本文介紹一種無刷直流電機快速制動和制動時的準確定位新的控制方案。2，控制系統(tǒng)快速制動定位的設(shè)計PLC轉(zhuǎn)速設(shè)定微機信號K剎車接口電路剎車預(yù)制動電路ABC三相驅(qū)動電路電機傳感器圖1 直流無刷電機

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

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，一條基本指令運算時間為0.08s,一條應(yīng)用指令運算時間約為1.52-100s，并具有FX2N-20GM的定位單元可以擴展，便于實現(xiàn)定位控制。 ABC三相驅(qū)動電路采用美國國際整流器公司專用MOS驅(qū)動芯片IR2102，可驅(qū)動MOSFET 或IGBT。該芯片的應(yīng)用簡化了驅(qū)動電路的設(shè)計。IR2102內(nèi)部采用自舉技術(shù)設(shè)計出懸浮電源，實現(xiàn)一相兩個N溝道逆變橋輸出電路的控制。3電機準確定位的方法3.1 通過控制開始制動的時刻，達到準確定位的目的如果要使電機在制動時，不論電機的轉(zhuǎn)速高低，都能

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

6、動程序應(yīng)包括測速，轉(zhuǎn)子位置檢測和計算制動參數(shù)Tzd執(zhí)行制動，下面分別介紹。3.2.1 測速在電機動力輸入軸端部安裝一個角位移傳感器，使該軸每轉(zhuǎn)一周可以向PLC的高速計數(shù)端子發(fā)出12個脈沖，并在高速計數(shù)器上獲得該脈沖的計數(shù)值。當電動機轉(zhuǎn)動時，高速計數(shù)器的計數(shù)值就會不斷累加。通過編程，可以在規(guī)定的時刻將該計數(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時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速值。當T保持不變時，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中計數(shù)脈沖來自主傳動軸的信號，該信號頻率與角位移傳感器檢測的主機轉(zhuǎn)速成正比。圖2b中的時鐘脈沖是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)速的高低選用適當周期。當轉(zhuǎn)速一定時，時鐘周期選得大，則測速時間長，該轉(zhuǎn)速的脈沖數(shù)值也就大，建立數(shù)學(xué)模型時就可以細分，產(chǎn)生更精確的制動效果。反之，如果時鐘周期選得小，則制動效果就粗糙些。用戶可根據(jù)機械設(shè)備的情況自行選定。圖2c中的脈沖是對圖2b的時鐘脈沖進行前沿和后沿微分，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。用該信號從計數(shù)

8、器中取出當前計數(shù)值N1和N2，由程序計算出其差值N。3.2.2 轉(zhuǎn)子位置檢測控制無刷直流電機時，PLC控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子的當前轉(zhuǎn)動位置，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。無刷直流電機的轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器來檢測的。該系統(tǒng)設(shè)計采用了3個光電式位置傳感器(霍爾元件)，它們是利用光電效應(yīng)制成的，跟隨電機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成。 隨著電機轉(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)子的當前位置。再通過改變PWM信號的占空比控制

9、驅(qū)動電路，改變驅(qū)動電路中控制器件的導(dǎo)通順序，實現(xiàn)電機的換相控制并調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。3.2.3制動時間參數(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的制動延時參數(shù)。數(shù)學(xué)函數(shù)式Tzd=f(N)要適合電機控制對象的機械慣量，還要滿足電機控制對象電機的制動要求：即當N值增大時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PLC控制程序設(shè)計數(shù)學(xué)曲線圖從圖3可以看到制動參數(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)計中為了方便將轉(zhuǎn)速分為三個區(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；這樣可以實現(xiàn)準確定位。4、制動定位程序設(shè)計有了Tzd值就可以實施制動，在PLC中Tzd作為計時器的參數(shù)，當計時參數(shù)到預(yù)定值后就可以接通制動。由于電機控制對象的慣性較大，應(yīng)盡早利用變頻調(diào)速器的降頻制動功能先把轉(zhuǎn)速降下來進行制動。而電磁制動則是經(jīng)Tzd延時才能實現(xiàn)。所以將轉(zhuǎn)速分為三個區(qū)域來作為控制的選擇比較方便，可以容易的實現(xiàn)快速制動和準確定位，制動定位過程由PLC控制電磁制動器來完成。通過采用不同的數(shù)學(xué)函數(shù)去控制電磁制動開始的時刻，可以很方便地控制動量的變化，從而達到

11、所要求的制動精度。由于制動的準確性取決于諸多因素如轉(zhuǎn)動慣量，制動電機摩擦制動效果，降頻制動曲線的斜率等，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。上述制動定位控制過程可由PLC軟件控制，其制動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？接受計數(shù)脈沖1000 n1200？停機到位計數(shù)脈沖轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速n啟動Tm1停機啟動Tm2停機啟動Tm3停機YNNNYY圖4 PLC制動定位控制程序流程圖5 實驗結(jié)果 在硬件電路的基礎(chǔ)上，通過軟件編程得到圖5所示的實驗結(jié)果曲線。從實驗曲線上可以看出，轉(zhuǎn)速為1200轉(zhuǎn)/分，制動時

12、間也只有0.05ms,制動時間是滿足設(shè)計要求的。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)計的無刷直流電機快速制動準確定位控制系統(tǒng)，解決了無刷直流電機控制系統(tǒng)中PWM信號的生成、電機速度反饋及電機電流反饋問題，很容易地完善整個控制系統(tǒng)，方便地實現(xiàn)了保護功能，極大地簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性，減小了無刷直流電機系統(tǒng)的體積，降低了成本，整個控制系統(tǒng)定位精度小于1mm。采用軟件控制的停機方式，使該控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，維修容易及不用準確計算機械慣量等優(yōu)點，該設(shè)計具有推廣應(yīng)用的價值。參考文獻：1.朱善君等.可編程序控制系統(tǒng)原理應(yīng)用維護.清華大學(xué)出版社，1993 p138-1