無刷直流電機(jī)控制體系設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)論文

1、無刷直流電機(jī)控制體系設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)論文1.1課題背景及選題意義1.1.1電力電子及微處理器技術(shù)對(duì)無刷直流電機(jī)發(fā)展*傳統(tǒng)信號(hào)處理方法分為兩大類: 時(shí)域分析和頻域分析。時(shí)域分析常常是直接利用回波時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析并給出結(jié)果 , 是最簡(jiǎn)單而且最直接的方法, 特別是當(dāng)信號(hào)中明顯含有簡(jiǎn)諧成分、周期成分或瞬時(shí)脈沖成分更為有效。(1) 小型化和集成化微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)的發(fā)展將使電機(jī)控制系統(tǒng)朝控制電路和傳感器高度集成化的方向發(fā)展 , 如將電流、電壓、速度等信號(hào)融合后在進(jìn)行反饋 , 可使無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單而可靠。另外 , 由于無刷直流電機(jī)采用稀土永磁材料制作轉(zhuǎn)子 , 轉(zhuǎn)子側(cè)無熱源 , 故電機(jī)內(nèi)部溫

2、升較傳統(tǒng)直流電機(jī)小很多 , 使無刷直流電機(jī)逆變器控制電路裝入電機(jī)內(nèi)部成為可能。逆變器與電機(jī)二者融為一體,使無刷直流電機(jī)與電子技術(shù)結(jié)合得更緊密, 產(chǎn)品的附加值更高 , 整個(gè)控制系統(tǒng)也將朝小型化、集成化方向發(fā)展。(2) 控制器全數(shù)字化無刷直流電機(jī)性能的改善和提高 , 除了與電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁材料及電子驅(qū)動(dòng)電路密切相關(guān)外 , 更與其控制器密切相關(guān)。因此 , 也可以從提高電機(jī)控制器的性能著手來提高無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的整體性能。高速微處理器及高密度可編程邏輯器件技術(shù)的出現(xiàn) ,為此提供了可行的方案和可靠的保證。例如, 在一些對(duì)控制成本和空間要求嚴(yán)格的應(yīng)用中 , 增加位置傳感器不太實(shí)用或無法接受, 而 DSP等

3、芯片固有的高速計(jì)算能力正可被用來實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制。許多硬件工作 , 如傳統(tǒng)的 PID 模擬電路 , 信號(hào)處理電路和邏輯判斷電路等都可以由軟件來實(shí)現(xiàn) , 從而進(jìn)一步減少了系統(tǒng)硬件電路的體積、提高了系統(tǒng)的可靠性和效率。 另外一些相對(duì)復(fù)雜的控制算法也可以通過 DSP、CPLD或者 FPGA等芯片來實(shí)現(xiàn) , 這不但可以提高無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性 , 也為其接口的通用化和控制的全數(shù)字化方向發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的堪礎(chǔ)。 控制器的全數(shù)字化將使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單 , 促使柔性控制算法在電機(jī)控制中的應(yīng)用 , 同時(shí)還易與上層和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信 , 便于系統(tǒng)故障的監(jiān)視和診斷。(3)

4、 驅(qū)動(dòng)電路的幵關(guān)頻率一般在 2-5kHz, 該頻率范圍內(nèi)引起的噪聲在人耳聲頻范圍之內(nèi) , 不利于人的身心健康。 同時(shí) , 在繞組電感不夠大時(shí) , 繞組電流波形不太平滑、 波動(dòng)較大。采用 MOSFET和 IGBT之后 ,開關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫茲以上。這樣 , 不論是電磁噪聲還是電流波形都能得到改善。因此 , 在利用軟幵關(guān)等新技術(shù)來降低開關(guān)損耗、增加幵關(guān)壽命 , 并保證系統(tǒng)效率不變或提高的前提下 , 提高驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)系統(tǒng)控制的綠色化 PWM控制。而在器件開關(guān)頻率受限條件下 , 則可采用新的調(diào)制模式來提高 PWM調(diào)制的工作頻率, 從而達(dá)到降低無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng) , 提高系統(tǒng)效

5、率的目的。 另外 , 電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率管 , 尤 是 MOSFET,在大電流下管壓降大 , 功率管的損耗也大。因此 , 在允許范圍內(nèi) , 控制時(shí)宜選用高電壓、 低電流功率管或采用高電壓、低電流供電方式 , 則功率管壓降占母線的比例會(huì)較小 , 這樣可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率。二無刷直流電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型無刷直流電機(jī)由于用電流轉(zhuǎn)向裝置取代了直流電機(jī)的換向器 , 使得直流電機(jī)的換向問題得以解決 , 與此同時(shí)它還保留了直流電機(jī)的良好特性。無刷直流電機(jī)既具有直流電機(jī)調(diào)速性能好、 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn) , 又具有交流屯機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。近年來, 隨卷 Hi 力電子技術(shù)、永磁材料和計(jì)算機(jī)控制技

6、術(shù)的出現(xiàn)了各種各樣結(jié)構(gòu)各異 - 的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī) , 具有廣闊的應(yīng)用前景和強(qiáng)大的生命力。永磁無刷直流電機(jī)具有高效、 高功率密度、高可靠性等特點(diǎn) ,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域 , 如電動(dòng)車、醫(yī)療器械、儀器儀表、工業(yè)自動(dòng)化、精密電子儀器與設(shè)備、航空航天等方面的應(yīng)用日益廣泛。2.1無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)思想利用電子開關(guān)電路代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向器。普迎有刷直流電機(jī)由于電刷的換向作用, 使得電樞磁場(chǎng)和主磁場(chǎng)的方向在電機(jī)運(yùn)行的過程中始終保持相互垂直, 這樣能夠產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩 , 從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)下去。無刷直流電機(jī)取消電刷實(shí)現(xiàn)了無機(jī)械接觸換相, 做成“倒裝式直流電機(jī)” 的結(jié)構(gòu) ,

7、 將電樞繞組和永磁磁鋼分別放在定子和轉(zhuǎn)子側(cè)。無刷直流電機(jī)必須具有由控制電路、功率逆變橋和轉(zhuǎn)子位置傳感器共同組成的換相裝置以實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度和方向的控制因此, 可以認(rèn)為無刷直流電機(jī)是典型的機(jī)屯一體化器件 , 其基本結(jié)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)控制電路及轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成 , 轉(zhuǎn)子位置傳感器是無刷直流電機(jī)的重要組成部分, 它的作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置、 . 為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信總,即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào), 然后去控制定子繞組換相,使電機(jī)電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按一定次序換相 , 通過氣隙形成步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) , 驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。位置傳感器的種類浪多 , 并且都

8、各具特點(diǎn)。目前在無刷直流電機(jī)中應(yīng)片 較多的位置傳感器主要有磁敏式、電磁式、光電式等 ?。霍爾位置傳感器是磁敏式位置傳感器的一種 , 由于其體積小 , 使用方便并且價(jià)格低廉 , 故無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中一般將其作為轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置。三 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和控制策略. 24-303.1系統(tǒng)的整體方案.243.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .24-253.3控制芯片 .25-283.4控制技術(shù) .28-293.5控制策略 .293.6本章小結(jié) .29-30四 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì). 30-414.1總體硬件結(jié)構(gòu) .304.2 DSP 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) .30-334.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) .33-384.4采樣檢測(cè)電路設(shè)計(jì) .

9、38-404.4.1電流采樣電路 .384.4.2轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路 .38-404 5本章小結(jié) .40-41五 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .41-535.1軟件開發(fā)環(huán)境介紹 .41-425.2控制系統(tǒng)軟件概述 .42-465.3數(shù)字 PID 算法及其在本系統(tǒng)中的應(yīng)用. 46-515.3.1 PID控制. 47-495.3.2 PID算法在本系統(tǒng)中的應(yīng)用 .49-515.4三相全橋調(diào)制方式 .51-525.5本章小結(jié) .52-53結(jié)論隨著各種控制理論 , 數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)的發(fā)展以及它們?cè)陔姍C(jī)控制中的廣泛應(yīng)用 , 屯機(jī)的控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了全新的階段。木文對(duì)拙于 DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研宂 , 完成了控制系統(tǒng)的軟、硬件部分的設(shè)汁 , 本文所做的主要工作包括 :(1) 閱讀大量的文獻(xiàn)資料 , 介紹了無刷直流電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì), 對(duì)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展以及特點(diǎn)進(jìn)行了詳盡的敘述。(2) 研究無刷直流電機(jī)的基本原理 , 數(shù)學(xué)模型、調(diào)速原理。(3) 在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分