電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)集成設(shè)計-課程報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上Harbin Institute of Technology無刷直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)集成設(shè)計的分析課程名稱： 電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的集成設(shè)計院 系： 電氣工程系 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 楊貴杰 2015年5月11日無刷直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)集成設(shè)計的分析摘要：以方波驅(qū)動無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)為例，分析了無刷直流電的研究概況，工作原理和數(shù)字控制系統(tǒng)的集成設(shè)計思想、原理、結(jié)構(gòu)特點和驅(qū)動控制方法。其中，驅(qū)動控制方法主要以目前比較熱的無位置傳感器控制技術(shù)為例進(jìn)行分析。無位置傳感技術(shù)主要介紹反電動勢檢測法，并結(jié)合實驗室研究內(nèi)容進(jìn)行了仿真分析。關(guān)鍵詞: 無刷直流電機(jī)，研究概況，工作

2、原理，數(shù)字控制系統(tǒng)，無位置傳感器技術(shù)1. 無刷直流電機(jī)研究概況無刷直流電動機(jī)（Brushless DC Motor）是在有刷直流電動機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。有刷直流電動機(jī)從19世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當(dāng)一段時間內(nèi)一直在運動控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但其有機(jī)械接觸的電刷換向器結(jié)構(gòu)一直是直流電動機(jī)的一個致命弱點，這降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場合中的應(yīng)用。例如在航空上，電刷磨損和換向火花是非常嚴(yán)重的問題，直接影響到維護(hù)性和可靠性。為了取代有刷直流電動機(jī)的機(jī)械換向裝置，人們進(jìn)行了長期的探索。早在 1917 年，Bolgior 就提出了用整流管代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械電刷，從而

3、誕生了無刷直流電動機(jī)的基本思想。1955 年，美國的 D.Harrison 等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電動機(jī)機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷直流電動機(jī)的誕生。無刷直流電動機(jī)的發(fā)展在很大程度上取決于電力電子技術(shù)的進(jìn)步。在無刷直流電動機(jī)發(fā)展的早期，由于當(dāng)時大功率開關(guān)器件僅處于初級發(fā)展階段，可靠性差，價格昂貴，加上永磁材料和驅(qū)動控制技術(shù)水平的制約，使得無刷直流電動機(jī)自發(fā)明以后的一個相當(dāng)長的時期內(nèi)，性能都不理想，只能停留在實驗室階段，無法推廣使用。1970 年以來，隨著電力半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的全控型半導(dǎo)體功率器件：如（GTR、MOSFET、IGBT 等）相繼問世，加之高磁能永

4、磁材料的陸續(xù)出現(xiàn)，均為無刷直流電動機(jī)廣泛應(yīng)用奠定了堅定的基礎(chǔ)，無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)因而得到了迅速的發(fā)展。在 1978 年漢諾威貿(mào)易博覽會上，前聯(lián)邦德國的 MANNESMANN 公司正式推出了 MAC 無刷直流電動機(jī)及其驅(qū)動器，引起了全世界各國的關(guān)注，隨即在國際上掀起了研制和正式生產(chǎn)無刷直流系統(tǒng)的熱潮，這也標(biāo)志著無刷直流電動機(jī)走向?qū)嵱秒A段。我國對于無刷直流電動機(jī)的研究起步較晚。1987 年，在北京舉辦的聯(lián)邦德國金屬加工設(shè)備展覽會上，SIEMENS 和 BOSCH 兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動器，引起了國內(nèi)有關(guān)學(xué)者的廣泛注意，自此國內(nèi)掀起了研制開發(fā)和技術(shù)引進(jìn)的熱潮。經(jīng)過多年的努力，目前，國內(nèi)

5、已有無刷直流電動機(jī)的系列產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。自 20 世紀(jì) 90 年代以來，隨著人們生活水平的提高，現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動化、家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來越趨向于高效率化、小型化和高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點，無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長。尤其在節(jié)能已成為時代主題的今天，無刷直流電動機(jī)高效率的特點更顯示了其巨大的應(yīng)用價值1。2. 無刷直流電機(jī)原理無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)主要由永磁無刷直流電機(jī)、逆變器、位置傳感器和控制器幾部分組成，如圖1所示。無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁鋼按一定極對數(shù)2p=2、4組成三相定子繞組，分別與電子開關(guān)線路中相

6、應(yīng)的功率開關(guān)器件連接，磁極位置傳感器跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接。無刷直流電動機(jī)的工作是通過逆變器功率管按一定的規(guī)律導(dǎo)通關(guān)斷，使電機(jī)定子電樞產(chǎn)生按60電角度不斷前進(jìn)的磁勢，帶動電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。下面以圖2所示的兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機(jī)為例來說明其工作原理。電機(jī)本體的電樞繞組為三相星形連接，極對數(shù)為1，位置傳感器與電機(jī)本體同軸，控制電路對位置信號進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到圖3（a）所示的位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使VT1、VT6導(dǎo)通，即A、B兩相繞

7、組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)VT1流入A相繞組，再從B相繞組流出，經(jīng)VT6回到電源的負(fù)極。電驅(qū)繞組在空間產(chǎn)生的磁動勢Fa如圖3（a）所示，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過60電角度，到達(dá)圖3（b）所示位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使VT1、VT2，A、C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)VT1流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)VT2回到電源的負(fù)極。電驅(qū)繞組在空間產(chǎn)生的磁動勢Fa如圖3（b）所示，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動。圖1 無刷直流電機(jī)組成圖2 三相無刷直流電機(jī)系統(tǒng)原理圖 （a）磁極處于B相平

8、面 （b）磁極處于A相平面圖3 無刷直流電機(jī)工作原理圖轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過 60電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯以次為（VT1、VT6），（VT1、VT2），（VT3、VT2），（VT3、VT4），（VT5、VT4），（VT5、VT6），（VT1、VT6）。在此期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。在圖 3（a）到圖 3（b）的 60電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場沿順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而定子合成磁場在空間保持圖 3（a）中 Fa的位置靜止。只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場沿順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn) 60電角度，到達(dá)圖3（b）所示的 Fa位置時，定子合成磁場才從圖 3（a）的 Fa位置到圖 3

9、（b）中的 Fa位置?？梢?，定子合成磁場在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，每個步進(jìn)角是 60電角度。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 60電角度時，逆變器開關(guān)管之間就進(jìn)行一次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次?？梢?，電機(jī)有六種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組中流過電流的時間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 120電角度，每個開關(guān)管的導(dǎo)通角為 120度，故該逆變器為 120導(dǎo)通型。這種工作方式也就是最常用的兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)。無刷直流電動機(jī)的基本物理量有電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流、反電動勢和轉(zhuǎn)速等，這些物理量的表達(dá)式與電動機(jī)氣隙磁場、繞組形式有十分密切的關(guān)系。對于采用稀土永磁材料的電動機(jī)，其氣隙磁場一般為方波，其理想波形見 4 所

10、示。對于方波氣隙磁場，當(dāng)定子繞組采用集中整矩繞組，方波磁場在定子繞組中感應(yīng)的電動勢為梯形波。方波氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間的寬度應(yīng)大于 120電角度，從而使得在定子電樞繞組中感應(yīng)的梯形波反電動勢的平頂寬應(yīng)大于 120電角度。方波電動機(jī)通常采用方波電流驅(qū)動，由電子換向器向方波電動機(jī)提供三相對稱的、寬度為 120電角度的方波電流。方波電流應(yīng)位于梯形波反電動勢的平頂寬度范圍內(nèi)，如圖5所示。 圖4 理想方波氣隙磁場 圖5 梯形波反電勢和方波電流無刷直流電機(jī)的電動勢方程如式（1）所示，電磁轉(zhuǎn)矩方程如式（2）所示。其中為電動勢常數(shù)，為電機(jī)轉(zhuǎn)速，為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，為電樞電流。 （1） （2）3. 無刷直流電機(jī)數(shù)字控制系

11、統(tǒng)簡介數(shù)字控制系統(tǒng)采用微處理器（MCU、DSP、ARM、FPGA）實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的計算和調(diào)節(jié)、開關(guān)管通斷選擇、電流環(huán)控制等。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)、外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)。內(nèi)、外環(huán)的響應(yīng)時間常數(shù)不同。電流環(huán)響應(yīng)時間要短，一般轉(zhuǎn)速環(huán)時間常數(shù)是電流環(huán)時間常數(shù)的幾十倍。然而，兩個控制環(huán)的采樣時間可以采用不同的值，一般轉(zhuǎn)速環(huán)的采樣時間是電流環(huán)采樣時間的310倍2。在伺服系統(tǒng)中，小的電流環(huán)采樣時間可以減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動，尤其是對于無刷直流電機(jī)這種存在轉(zhuǎn)矩脈動電機(jī)；還可以獲得更好的低速性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，達(dá)到更好的綜合性能。另一方面，電流環(huán)減小，對系統(tǒng)的軟硬件的要求就提出了更高的要求。控制算法不能過于復(fù)雜，處理器的處理速度

12、以及容量要足夠快、足夠大。當(dāng)然，在性能指標(biāo)和系統(tǒng)成本中間要折衷考慮。實驗室中的無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)的電流環(huán)采樣時間是100s，速度環(huán)采樣時間是電流環(huán)采樣時間的10倍，即1ms。在無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制系統(tǒng)中，由于不需要測速元件，硬件電路設(shè)計相對而言更加簡單，成本更低。無刷直流電機(jī)的電流傳感器一般可以采用成本低廉，性能可靠的IR2175。IR2175是專為電機(jī)驅(qū)動設(shè)計的單片電流檢測集成芯片。它通過外接分流電阻測量電機(jī)的相電流，不需要A/D轉(zhuǎn)換芯片就可以自動將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字PWM信號輸出，可以直接與處理器連接。與傳統(tǒng)的霍爾電流傳感器相比，IR2175具有溫漂低、數(shù)

13、字PWM輸出、電路設(shè)計簡單、無需A/D轉(zhuǎn)換器的特點，為廠家節(jié)省成本，在風(fēng)機(jī)領(lǐng)域和不要求精度的電機(jī)驅(qū)動場合得到廣泛的應(yīng)用。 無刷直流電機(jī)的處理器可以選擇英飛凌單片機(jī)或DSP處理器，如TI公司的定點型TMSF2808數(shù)字信號處理器。無刷直流電機(jī)相當(dāng)于定子和轉(zhuǎn)子位置互換，機(jī)械換向器由電子換向器（微處理器和三相全橋逆變電路）替代的直流電機(jī)，因此無刷直流電機(jī)的內(nèi)環(huán)和外環(huán)的控制系統(tǒng)帶寬設(shè)計可以參考直流電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計較為簡單。4.無刷直流電機(jī)無位置傳感器技術(shù)檢測無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度的方法有反電勢過零點檢測法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法、定子三次諧波檢測法等。4.1反電勢檢測法圖6 三相反

14、電勢隨轉(zhuǎn)子位置變化圖反電勢檢測法是目前較常用無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)：檢測圖6的反電勢,過零點的時刻并延遲30電角度時間后切換開關(guān)狀態(tài)。最成熟的反電勢檢測法是端電壓檢測方法3。推導(dǎo)過程如下：若電機(jī)定子繞組Y型連接，三相繞組端電壓方程 (3)式中： 端電壓；中性點電壓； 繞組等效電感。采用120電角度兩兩導(dǎo)通換相方式，假設(shè)此時C相反電勢過零，于是有： (4)又,將式(4)中三個端電壓方程相加： (5)從圖6中可以很明顯看出反電勢過零點時三相反電勢的和等于零，有： (6)非導(dǎo)通相反電勢： (7)即通過檢測非導(dǎo)通相的端電壓并與中點電壓比較就可以得到反電勢過零點，同樣的方法可以得到A相和B相的反電

15、勢過零點，將反電勢過零點信號延遲30度電度角就得到六個離散的轉(zhuǎn)子位置信號，為換相控制電路提供正確的換相信息，進(jìn)而實現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制。圖7是反電勢檢測電路實現(xiàn)示意圖。圖7 反電勢檢測電路示意圖 4.2 轉(zhuǎn)速模塊和電流采樣模塊電機(jī)轉(zhuǎn)速和每相反電勢過零點的頻率成正比，因而可以用嵌入式處理器中的計數(shù)器Timer模塊在單位時間內(nèi)對反電勢過零點計數(shù)，得到的數(shù)值換算成rpm值作為轉(zhuǎn)速反饋。電流采樣方式有（1）使用霍爾電流傳感器；（2）使用電阻和線性光耦；（3）在直流母線上接入采樣電阻測量直流母線上的電流，然后采用擴(kuò)展的軟硬件設(shè)計計算得出電流值。若選擇母線電流，需要注意到開光管的PWM調(diào)制會使

16、得母線電流含有明顯的諧波分量，因而需要對母線電流適當(dāng)?shù)臑V波。對三相電流采樣時，需要在每個電流環(huán)中斷選擇三相電流中的正電流值作為電流反饋，同樣需要加濾波環(huán)節(jié)。4.3 PI調(diào)節(jié)器速度和電流調(diào)節(jié)器是普通的離散化的數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，可以附加抗飽和積分的算法。也可以采用神經(jīng)元調(diào)節(jié)器等比較特殊的調(diào)節(jié)器。4.4 無刷直流電機(jī)的啟動無刷直流電機(jī)的啟動分為三步：第一步，轉(zhuǎn)子預(yù)定位；第二步，他控式加速；第三步，切換到自控式運行。在第一步中，給電機(jī)的指定兩相繞組通電，產(chǎn)生一個合成磁場，在該磁場的作用下將轉(zhuǎn)子定為到合成磁場的軸線方向。在第二步中，按照預(yù)先設(shè)定好的換向順序，輪流換向，換向頻率和PWM占空比同比例增大，轉(zhuǎn)速

17、逐漸穩(wěn)步升高。在第三步中，此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速足夠高，反電勢明顯可以檢測到過零點，此時切換到自控式運行。切換速度一般在15%左右3。 4.5無刷直流電機(jī)無位置傳感器技術(shù)的關(guān)鍵（1）無刷直流電機(jī)如何從開環(huán)啟動加速并且能夠平滑地過渡到自控式運行是一個比較關(guān)鍵的技術(shù)點。在切換過程中轉(zhuǎn)速不應(yīng)出現(xiàn)波動，電流不應(yīng)出現(xiàn)明顯的畸變。（2）無刷直流電機(jī)的反電勢檢測環(huán)節(jié)在加入濾波環(huán)節(jié)之后，檢測到的過零點會有相移。因而濾波環(huán)節(jié)的選擇以及加入濾波環(huán)節(jié)后的相位補償也是比較關(guān)鍵的技術(shù)。（3）無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動的抑制問題。（4）負(fù)載出現(xiàn)較大擾動時無刷直流電機(jī)的魯棒性。5.Matlab仿真 仿真條件：電機(jī)給定轉(zhuǎn)速1000rpm

18、，仿真時間0.2s；電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量3e-4 (kg.m2),極對數(shù)為4；0.04s切換到反電勢檢測位置信號運行，0.14s突加負(fù)載2N.m。圖8基于反電勢過零點檢測的MATLAB仿真圖9由霍爾位置信號過渡到反電勢檢測位置信號圖10 仿真波形（由上而下依次為：a相電流,b相電流 ,c相電流、電磁轉(zhuǎn)矩Te）圖11速度波形4. 結(jié)語無刷直流電動機(jī)雖然已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段，但是相對于其它類型電動機(jī)，還是一種新型電動機(jī)，有著更優(yōu)越的性能。本文首先簡單闡述了無刷直流電機(jī)的研究概況，又詳細(xì)描述了其基本工作原理，并簡要分析了無刷直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)集成設(shè)計的思想、原理及運行特點，接著以無位置傳感器技術(shù)為例對其控制方法進(jìn)行了分析，具體主要是反電勢過零測試法。無刷直流電機(jī)通過數(shù)字控制系統(tǒng)的集成設(shè)計在許多領(lǐng)域都有了以前所達(dá)不到的水平。在醫(yī)療、