無刷直流電動機控制系統(tǒng)

1、無刷直流電動機控制系統(tǒng)無刷直流電動機控制系統(tǒng)姓名：王輝姓名：王輝學(xué)號：學(xué)號：1372140013721400日期：日期：20132013年年1212月月1717日日目錄目錄1.無刷直流電動機簡介無刷直流電動機簡介 2.控制系統(tǒng)總體設(shè)計控制系統(tǒng)總體設(shè)計 3. 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 4.控制系統(tǒng)的模糊控制系統(tǒng)的模糊PI控制控制 1.1 無刷直流電動機的特點無刷直流電動機的特點1.無刷直流電動機簡介無刷直流電動機簡介 除了具有除了具有調(diào)速范圍寬、起動力矩大、效率高調(diào)速范圍寬、起動力矩大、效率高等優(yōu)點以外，等優(yōu)點以外，還具有如下特點：還具有如下特點：(1)(1)與電子技術(shù)相結(jié)合，采用電子驅(qū)

2、動調(diào)節(jié)器實現(xiàn)電子換與電子技術(shù)相結(jié)合，采用電子驅(qū)動調(diào)節(jié)器實現(xiàn)電子換向代替機械接觸換向，壽命長，工作可靠性高。向代替機械接觸換向，壽命長，工作可靠性高。(2)(2)電機結(jié)構(gòu)上，定子繞組與機殼相接觸，散熱面積大，電機結(jié)構(gòu)上，定子繞組與機殼相接觸，散熱面積大，散熱效果好。永磁材料作轉(zhuǎn)子，無通電繞組，幾乎無損散熱效果好。永磁材料作轉(zhuǎn)子，無通電繞組，幾乎無損耗和發(fā)熱，效率高。耗和發(fā)熱，效率高。(3)(3)可工作于高真空、有腐蝕性氣體介質(zhì)和液體介質(zhì)等特可工作于高真空、有腐蝕性氣體介質(zhì)和液體介質(zhì)等特殊環(huán)境中。殊環(huán)境中。(4)(4)數(shù)字化技術(shù)、現(xiàn)代控制理論結(jié)合，有較好的可控性。數(shù)字化技術(shù)、現(xiàn)代控制理論結(jié)合，有較

3、好的可控性。 1.2 無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)無刷直流電動機(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)為了去掉電刷，將電樞放到定子上，而轉(zhuǎn)子做成永磁體。為了使電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來，必須使定子電樞各相繞組不斷地換向通電。 無刷直流電動機一般由電動機本體、轉(zhuǎn)子位置檢電動機本體、轉(zhuǎn)子位置檢測電路測電路和電子換相電路電子換相電路三部分組成。 2.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.控制系統(tǒng)總體設(shè)計控制系統(tǒng)總體設(shè)計 無刷直流電動機控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖無刷直流電動機控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖它以主控模塊為核心，以信號檢測模塊和電動機驅(qū)動模塊為外圍電路

4、組合而成。 2.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計控制系統(tǒng)總體設(shè)計 2.2.1 控制部分總體設(shè)計控制部分總體設(shè)計 無刷直流電動機的控制電路一般有專用集成電路專用集成電路、微處理微處理器器和數(shù)字信號處理器數(shù)字信號處理器三種形式。 綜合考慮以上三種控制形式的優(yōu)點和缺點，本控制系統(tǒng)采用微處理器作為無刷直流電動機控制的主控芯片。2.3.2 驅(qū)動部分總體設(shè)計驅(qū)動部分總體設(shè)計 電子換相電路的控制選擇場效應(yīng)管場效應(yīng)管（MOSFET）作為驅(qū)動電路的開關(guān)器件。 綜合考慮繞組的利用率、轉(zhuǎn)矩的波動、電路成本因素，本控制系統(tǒng)采用三相星形全橋三相星形全橋驅(qū)動方式來驅(qū)動電機三相星形全橋驅(qū)動電路圖三相星形全橋驅(qū)動電路圖根據(jù)電機轉(zhuǎn)子的置，

5、通過電壓V1V6控制 6 個 MOSFET 有序通斷，使任意時刻電機 A、B、C 三相繞組兩相通電，通電繞組產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場始終保持相互作用，推動轉(zhuǎn)子按照操控人員的意圖轉(zhuǎn)動。 根據(jù)復(fù)用原則、模塊化原則、標準化原則對無刷直流電動機控制系統(tǒng)進行設(shè)計，將整個控制系統(tǒng)分成幾個主要模塊：控制控制模塊、驅(qū)動模塊、檢測模塊模塊、驅(qū)動模塊、檢測模塊和電源模塊。電源模塊。3.無刷直流電動機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計無刷直流電動機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1 控制模塊設(shè)計控制模塊設(shè)計3.1.1 主控芯片主控芯片 ATmega16 采用ATMEL公司的8位單片機ATmega16作為無刷直流電動機控制系統(tǒng)的主控芯片，其完成

6、的主要工作是：輸入信號處理，速度模糊輸入信號處理，速度模糊 PI 調(diào)節(jié)，電子換向，電機保護調(diào)節(jié)，電子換向，電機保護。3.1.2 控制模塊具體實現(xiàn)控制模塊具體實現(xiàn)(1)主控芯片的最小實現(xiàn)主控芯片的最小實現(xiàn)主控芯片建立起最小實現(xiàn)之后，其他的外圍模塊就可以連接到這個最小系統(tǒng)上，實現(xiàn)各個模塊功能。ATmega16 的最小系統(tǒng)原理圖的最小系統(tǒng)原理圖(2)控制模塊電路控制模塊電路PB4、PB5、PB6 負責(zé)三相星形全橋電路三個上側(cè)驅(qū)動輸出的控制，PA0、PA1、PA2、PB0、PB1、PB2 負責(zé)三個下側(cè)驅(qū)動輸出的控制?？刂颇K結(jié)構(gòu)方框圖控制模塊結(jié)構(gòu)方框圖3.2 驅(qū)動模塊設(shè)計驅(qū)動模塊設(shè)計3.3 檢測模塊設(shè)

7、計檢測模塊設(shè)計 無刷直流電動機控制系統(tǒng)的檢測模塊包括數(shù)字信數(shù)字信號檢測號檢測和模擬信號檢測模擬信號檢測。數(shù)字信號檢測部分包括正反轉(zhuǎn)控制、上下位限值控制、故障信號檢測。此部分的硬件設(shè)計只需把相應(yīng)的管腳與主控芯片的 I/O 管腳相連。模擬信號檢測包括電機的速度給定值、24V 供電電壓和流經(jīng)電機繞組的電流的檢測。3.3.1 速度給定值檢測速度給定值檢測速度給定值檢測電路原理圖速度給定值檢測電路原理圖當(dāng) R1 的 2 端和 3 端的電阻R23= 0時，R1 的 2 端的電壓 U 2 = 0V，對應(yīng)無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速 0。當(dāng) R1 的 2 端和 3 端的電阻 R 23 = 10K時，R1 的 2 端的

8、電壓U 2 = 4.55V，對應(yīng)無刷直流電動機的最大轉(zhuǎn)速。3.3.2 電源電壓檢測電源電壓檢測電源電壓檢測電路原理圖電源電壓檢測電路原理圖當(dāng)當(dāng)Vcc24V 時，單片機時，單片機 A/D 口獲得的電壓約為口獲得的電壓約為 2.72V。3.3.3 電動機電流檢測電動機電流檢測 本控制系統(tǒng)采用的電流檢測方法是在無刷直流電動機的繞組電流流進 GND 前，串聯(lián)大功率檢測電阻。假設(shè)繞組電流為 I，檢測電阻為 R，電阻兩端的電壓測得值為 U。則可以得到 I=U/R，實現(xiàn)繞組電流值的檢測。直流電動機電流檢測示意圖直流電動機電流檢測示意圖3.4 電源模塊設(shè)計電源模塊設(shè)計4.1 模糊控制簡介模糊控制簡介4. 控制

9、系統(tǒng)的模糊控制系統(tǒng)的模糊 PI 控制控制 模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control)簡稱模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制技術(shù)。模糊控制實質(zhì)上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。對那些時變的非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型的時候，利用具有智能的模糊控制器能給出有效的控制模糊控制的基本思想模糊控制的基本思想：把人類專家對特定的被控對象或過程的控制策略總結(jié)成一系列以“IF(條件)THEN(作用)”形式表示的控制規(guī)則，通過模糊推理得到控制作用集，作用于被控對象或過程。4.2 模糊模糊 PI 控制算法原

10、理控制算法原理4.2.1 常規(guī)常規(guī) PI 控制算法原理控制算法原理 通常依據(jù)控制器輸出與執(zhí)行機構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系，將基本數(shù)字 PI 算法分為位置式位置式 PI和增量式增量式 PI 兩種。(1)位置式位置式 PI 控制算法控制算法 基本 PI 控制器的理想算式為u (t)控制器(也稱調(diào)節(jié)器)的輸出；e (t)控制器的輸入，常常是設(shè)定值與被控量之差，即 e (t )= r(t)c(t)；Kp控制器的比例放大系數(shù)；Ti 控制器的積分時間。(2)增量式 PI 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 u (k)。增量式 PI 控制算式： u( k) = u(k) u(k 1) = Kp e(k) + Kie(k

11、)式中： e ( k)=e(k)e(k1)。利用u ( k)= u(k1)+u(k)來程序化完成 增量式算法優(yōu)點：算式中不需要累加?？刂圃隽?u (k)的確定僅與最近 2 次的采樣值有關(guān)，容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果，同時減小了運算量。4.2.2 模糊模糊 PI 控制算法原理控制算法原理 采用的模糊控制把一些具有模糊性的成熟經(jīng)驗和規(guī)則有機地融入到控制策略中，具有較強的魯棒性。 模糊控制器常有三種類型：一維模糊控制器，二維模糊控制器，三維模糊控制器。二維模糊控制器結(jié)構(gòu)圖二維模糊控制器結(jié)構(gòu)圖如圖所示，模糊控制器根據(jù)設(shè)定值與被控量的偏差及偏差變化量，實時改變 PI控制器的Kp和Ki以滿足不同

12、 e 和 ec 對控制器參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。4.3 模糊模糊 PI 控制算法設(shè)計控制算法設(shè)計模糊控制算法設(shè)計的步驟如下：模糊控制算法設(shè)計的步驟如下：確定輸入量和控制量的論域及模糊參考集；確定輸入量和控制量的論域及模糊參考集；確定模糊關(guān)系矩陣；確定模糊關(guān)系矩陣；輸入量模糊化，模糊推理計算，模糊判決；輸入量模糊化，模糊推理計算，模糊判決；得到模糊控制查詢表；得到模糊控制查詢表；采用增量式采用增量式 PI 控制算式控制算式(5-5)得到控制器輸出得到控制器輸出 u (t)。4.4 模糊模糊 PI 控制的實驗結(jié)果控制的實驗結(jié)果實驗所用電機的參數(shù)為：額定電壓 24V，額定功率 250W，額定轉(zhuǎn)速 2000 轉(zhuǎn)/分。速度給定值設(shè)定為 2000 轉(zhuǎn)/分，每隔 50ms 對電機的轉(zhuǎn)速進行記錄。(1) 常規(guī)常規(guī) PI 控制實驗控制實驗 (2) 模糊模糊 PI 控制實驗控制實驗(3) 常規(guī)常規(guī) PI 控制與模糊控制與模糊 PI 控制實驗結(jié)果對比分析控制實驗結(jié)果對比分析在無刷直流電動機控制系統(tǒng)中模糊 PI 控制的響應(yīng)速度比常規(guī)