（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）基于模糊控制的永磁無刷直流電機調速系統(tǒng)研究.pdf

哈爾濱工程大學碩士學位論文 a b s t r a c t b r u s h l e s sd cm o t o rh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e r e l i a b l e o p e r a t i o na n de a s ym a i n t e n a n c eo fd cm o t o r a tt h es a m et i m e i th a st h e a d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y n oe x c i t a t i o nl o s sa n de a s i l ya d j u s t i n gs p e e do fa c m o t o r i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r yc o n t r o ld o m a i n s m a l la n d m e d i u m s i z e dp o w e ro ft h es p e e dc o n t r o ls y s t e mi sg r a d u a l l yb e i n gr e p l a c e db y t h eb r u s h l e s sd cm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e m t h et h e s i si sb a s e do nt h i s c o n s i d e r a t i o n t h er e s e a r c ho ft h eb r u s h l e s sd cm o t o rs p e e dc o n t r o lt e c h n o l o g y a n dm e t h o d sh a sb e e nd o n e t h eb a s i cc o m p o n e n tp a n s t h eb a s i cr u n n i n gp r i n c i p l ea n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e io ft h eb r u s h l e s sd cm o t o ra r ee x p o u n d e di nt h et h e s i s t h e na l la 1 1 d i g i t a l d o u b l e 1 0 0 ps p e e dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d i nm a t l a b 7 0 s i m u l i n kw i n d o w t h e s i m u l a t i o nm o d e lo ft h ep o s i t i o ns e n s o rp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r s p e e dc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e d as e l f a d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d l o w s p e e d m e d i u m s p e e da n dh i g h s p e e dp e r f o r m a n c eo ft h em o t o r h a sb e e ns t u d i e d a so p p o s e dt ot h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e r t h es y s t e mh a sa b e t t e rs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e a n dh a sa s t r o n ga d a p t a b i l i t yi nc h a n g e so f t h ep a r a m e t e r sa n dt h el o a dd i s t u r b a n c e a n da c h i e v e sg o o dc o n t r o le f f e c t t h er o t o rp o s i t i o ns i g n a ld e t e c t i o nt h e o r ya n df o r p h a s em o t o rc o n t r o lt h e o r y o ft h ep o s i t i o ns e n s o rb r u s h l e s sd cm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e mh a v ea l s ob e e n d i s c u s s e d t h e nb a s e so ns i m u l a t i o nt h e o r y ao v e r a l ld e s i g no ft h ep o s i t i o ns e n s o r b r u s h l e s sd cm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e mi sp u tf o r w a r d t i s3 2 b i tf i x e d p o i n t d s pc o n t r o l l e rt m 3 2 0 l f 2 81 2i su s e da st h ec o n t r o l l e ro ft h es p e e dc o n t r o l s y s t e mi no r d e rt oc o n t r o lt h et h r e e p h a s eb r u s h l e s sd cm o t o r t h em a i nc i r c u i t p o w e rc o n v e r s i o nc i r c u i t d r i v ec i r c u i t v o l t a g ea n dc u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t s e r i a l c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t m o n i t o r i n gc i r c u i ta n do t h e rh a r d w a r ec i r c u i ta r ed e s i g n e d t h e n t h es o f t w a r ed e s i g no ft h ec o r r e s p o n d i n gp r o c e d u r e si ss t u d i e d k e yw o r d s b r u s h l e s sd cm o t o r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n s e l f a d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l l e r 哈爾濱工程大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 本論文的所有工作 是在導師的指導下 由 作者本人獨立完成的 有關觀點 方法 數(shù)據(jù)和文獻的引用己在 文中指出 并與參考文獻相對應 除文中已注明引用的內容外 本論文不包含任何其他個人或集體己經(jīng)公開發(fā)表的作品成果 對 本文的研究做出重要貢獻的個人和集體 均已在文中以明確方式 標明 本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔 作者 簽字 夸f 斤潛 日期 p 7 年 月扣日 哈爾濱工程大學 學位論文授權使用聲明 本人完全了解學校保護知識產(chǎn)權的有關規(guī)定 即研究生在校 攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權屬于哈爾濱工程大學 哈爾濱 工程大學有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件 本人允許哈爾濱工程大學將論文的部分或全部內容編入有關數(shù)據(jù) 庫進行檢索 可采用影印 縮印或掃描等復制手段保存和匯編本 學位論文 可以公布論文的全部內容 同時本人保證畢業(yè)后結合 學位論文研究課題再撰寫的論文一律注明作者第一署名單位為哈 爾濱工程大學 涉密學位論文待解密后適用本聲明 本論文 曰在授予學位后即可口在授予學位1 2 個月后口 解密后 由哈爾濱工程大學送交有關部門進行保存 匯編等 作者 答 7 鉚月m導師 簽字 人大 豸 一 y n 日期 l d 年 月卜日 d 以r 年叼月 護日 7 哈爾濱丁程大學碩 學位論文 第1 章緒論 1 1 課題背景 永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)是一種新型調速系統(tǒng) 該系統(tǒng)具有良好的運 行 控制及經(jīng)濟性能 顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?其應用從最初的軍事工業(yè) 向航空航天 醫(yī)療 信息 家電以及工業(yè)自動化領域迅速發(fā)展 尤其值得指 出的是 我國稀土資源豐富 稀土磁鋼生產(chǎn)已達到國際水平 如果充分利用 和發(fā)揮我國在這方面的優(yōu)勢 大力發(fā)展稀土永磁電機 形成無刷直流電機 b r u s h l e s sd cm o t o r 簡稱b l d c m 系列產(chǎn)品 將對提高我國機電產(chǎn)品在 國際市場的競爭力具有戰(zhàn)略意義 本文正是考慮到這一點 對無刷直流電機 的控制技術與控制方法進行研究 1 2 無刷直流電機的發(fā)展歷程 一個多世紀以來 電動機作為機電能量轉換裝置 其應用范圍己遍及國 民經(jīng)濟的各個領域及人們的日常生活之中 電動機的主要類型有 同步電動 機 異步電動機與直流電動機三種 其容量小到幾瓦 大到上千萬瓦 眾所 周知 電動機具有運動效率高和調速性能好等諸多優(yōu)點 但傳統(tǒng)的直流電動 機均采用電刷 以機械方法進行換向 因而存在相對的機械磨擦 由此帶來 了噪聲 火花 無線電干擾以及壽命短等致命弱點 再加上制造成本高及維 修困難等缺點 從而大大限制了它的應用范圍 致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上 大 多數(shù)均采用三相異步電動機 隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展 人們生活水平的提高 需要不斷地開發(fā)各種新 型電動機 科學技術的進步 新技術新材料的不斷涌現(xiàn) 更促進了電動機產(chǎn) 品的不斷推陳出新 針對上述傳統(tǒng)直流電動機的弊病 早在本世紀3 0 年代 就有人開始研制以電子換向來代替電刷機械換向的無刷直流電動機 并取得 了一定的成果 但由于當時的大功率電子器件僅處于初級發(fā)展階段 沒能找 到理想的電子換向元器件 使得這種電動機只能停留在實驗室階段 無法推 廣使用 1 9 5 5 年美國d h a r r i s o n 等人首次申請了用晶體管換相電路代替機 械電刷的專利 標志著現(xiàn)代無刷電動機的誕生 但由于電動機尚無起動轉矩 而不能產(chǎn)品化 爾后又經(jīng)過人們多年的努力 借助于霍爾元件來實現(xiàn)換向的 無刷直流電動機終于在1 9 6 2 年問世 從而開創(chuàng)了無刷直流電動機產(chǎn)品化的新 紀元 7 0 年代以來 隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展 許多新型的高性能半導 體功率器件 如g t r m o s f e t i g b t 等相繼出現(xiàn) 以及高性能的永磁材料 如釤鈷 釹鐵硼等的問世 均為無刷直流電動機的廣泛應用奠定了堅實的基 礎 電子換相的無刷直流電機真正進入實用階段 是在1 9 7 8 年的m a c 經(jīng)典 無刷直流電動機及其驅動器的推出 之后 國際上對無刷直流電動機進行了 深入的研究 先后研制成方波無刷電機和正弦波直流無刷電機 2 0 多年以來 哈爾濱工程大學碩士學位論文 隨著永磁新材料 微電子技術 自動控制技術以及電力電子技術特別是大功 率開關器件的發(fā)展 無刷電動機得到了長足的發(fā)展 無刷直流電動機已經(jīng)不 是專指具有電子換相的直流電機 而是泛指具有有刷直流電動機外部特性的 電子換相電機瞪 1 3 無刷直流電機的結構特點 在結構上 與有刷直流電機不同 無刷直流電機的定子繞組作為電樞 勵磁繞組由永磁材料所取代 按照流入電樞繞組的電流波形的不同 直流無 刷電動機可分為方波直流電動機 b l d c m 和正弦波直流電動機 p m s m b l d c m 用電子換相取代了原直流電動機的機械換相 由永磁材料做轉子 省去了電 刷 而p m s m 則是用永磁材料取代同步電動機轉子中的勵磁繞組 省去了勵磁 繞組 滑環(huán)和電刷 在相同的條件下 驅動電路要獲得方波比較容易 且控 制簡單 因而b l d c m 的應用較p m s m 要廣泛的多姐 1 4 無刷直流電機的發(fā)展 無刷直流電動機一般由電動機本體 電子換相電路和轉子位置檢測電路 三部分組成 電子換相電路一般由控制部分和驅動部分組成 而對轉子位置 的檢測一般用位置傳感器來完成 工作時 控制器根據(jù)位置傳感器測得的電 機轉子位置有序的觸發(fā)驅動電路中的各個功率管 進行有序換流 以驅動直 流電動機 1 4 1 電動機本體的發(fā)展 無刷直流電動機在電磁結構上和有刷直流電動機基本一樣 但它的電樞 繞組放在定子上 轉子減輕了重量 簡化了結構 提高了性能 使其可靠性 得以提高 無刷電動機的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展是分不開的 磁性材料的發(fā) 展過程基本上經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段 鋁鎳鈷 鐵氧體磁性材料 釹鐵硼 n d f e b 釹鐵硼有高磁能積 它的出現(xiàn)引起了磁性材料的一場革命 第三 代釹鐵硼永磁材料的應用 迸一步減少了電機的用銅量 促使無刷電機向高 效率 小型化 節(jié)能的方向發(fā)展n 目前 為提高電動機的功率密度 出現(xiàn)了橫向磁場永磁電機 其定子齒 槽與電樞線圈在空間位置上相互垂直 電機中的主磁通沿電機軸向流通 這 種結構提高了氣隙磁密 能夠提供比傳統(tǒng)電機大得多的輸出轉矩n 該類型電 機正處于研究開發(fā)階段 1 4 2 電子換相電路的發(fā)展 1 控制電路 無刷直流電動機通過控制驅動電路中的功率開關器件 來控制電機的轉速 轉向 轉矩以及保護電機 包括過流 過壓 過熱等保 護 2 哈爾濱工程大學碩士學位論文 對于無刷直流電動機的控制器 當前主要有專用集成電路 a s i c 控制 器 微處理器 m c u 和數(shù)字信號處理器 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 簡 稱d s p 等三種方式 對于專用集成電路 a s i c a p p i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t 現(xiàn)在幾乎所有先進工業(yè)國家的半導體廠商 都能提供 自己開發(fā)的電機控制專用集成電路 對電機控制要求不高的場合 由專業(yè)集 成電路組成控制電路是簡單實用的方法 但使用時靈活性較差 受到的限制 過多 現(xiàn)在市面上的無刷直流電動機控制器大多采用單片機來實現(xiàn) 應用較 多的是8 0 9 6 系列產(chǎn)品 但單片機的處理能力有限 特別是需要處理的數(shù)據(jù)量 大 實時性和精度要求高時 單片機往往不再能滿足要求 因此 人們便自 然地想到了d s p 由于d s p 可對輸入輸出數(shù)據(jù)進行高速處理 其運算速度比 單片機快一個數(shù)量級 特別是d s p 器件還提供了高度專業(yè)化的指令集 提高 了數(shù)字濾波器的運算速度 這樣使得它在控制器的規(guī)則實施 矢量控制和矩 陣變換方面具有得天獨厚的優(yōu)勢 若要無刷直流電機完成一些較復雜的控制 功能 如電壓電流雙閉環(huán)調速 轉子電流正弦波驅動 則必須要用運動控制 專用微處理器 運動控制專用微處理器種類很多 尤其以t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 8 系列和a d 公司的a d m c 3 x x 系列d s p 單片電機控制器為最佳 它們都是將電機 控制所需的外圍功能電路集成在一個d s p 芯片內 其具有體積小 結構緊湊 易于使用 可靠性的特點 運算速度可達2 0 1 5 0 m i n p s 指令周期僅為幾十 納秒 與普通的m c u 相比 運算及處理能力增強1 0 5 0 倍 確保了系統(tǒng)具有 更優(yōu)越的控制性能 另外 采用d s p 的專用集成塊的另 優(yōu)點就是 可以降 低系統(tǒng)對傳感器等外圍器件的要求 通過復雜的算法可以達到同樣的控制性 能 這樣 降低了成本 提高了可靠性 有利于專利技術的保密 因此 采 用d s p 作為控制芯片將是今后的發(fā)展方向協(xié)1 2 驅動電路 驅動電路輸出電功率 驅動電動機的電樞繞組 并受控 于控制電路 驅動電路由大功率開關器件組成 正是由于晶閘管的出現(xiàn) 直流電動機 才從有刷實現(xiàn)到無刷的飛躍 但由于晶閘管是只具備控制接通 而無自關斷 能力的半控性開關器件 其開關頻率較低 不能滿足無刷直流電動機性能的 進一步提高 隨著電力電子技術的飛速發(fā)展 7 0 年代和8 0 年代先后出現(xiàn)了 全控型功率開關器件 其中有可關斷晶體管 g t o 電力場效應晶體管 m o s f e t 絕緣柵雙極性晶體管 i g b t 集成門極換流晶閘管 i g c t 及 近年新開發(fā)的電子注入增強柵晶體管 i e g t h 隨著這些功率器件性能的不 斷提高 相應的無劇電動機的驅動電路也獲得了飛速發(fā)展 目前 全控型開 關器件正在逐漸取代線路復雜 體積龐大 功能指標低的普通晶閘管 驅動 電路己從線性放大狀態(tài)轉換為脈寬調制的開關狀態(tài) 相應的電路組成也由功 率管分立電路轉成模塊化集成電路 為驅動電路實現(xiàn)智能化 高頻化 小型 化創(chuàng)造了條件 哈爾濱丁程大學碩士學位論文 1 4 3 轉子位置檢測電路的發(fā)展 永磁無刷直流電動機是一閉環(huán)的機電一體化系統(tǒng) 它是通過轉子磁極位 置信號作為電子開關線路的換相信號 因此 準確檢測轉子位置 并根據(jù)轉 子位置及時對功率器件進行切換 是無刷直流電動機正常運行的關鍵 用位置傳感器來作為轉子的位置檢測裝置是最直接有效的方法 一般將 位置傳感器安裝于轉子的軸上 實現(xiàn)轉子位置的實時檢測 最早的位置傳感 器是磁電式的 既笨重又復雜 已被淘汰 目前磁敏式的霍爾位置傳感器廣 泛應用于無刷直流電動機中 另外還有光電式的位置傳感器 位置傳感器的 存在 增加了無刷直流電動機的重量和結構尺寸 不利于電機的小型化 旋 轉時傳感器難免有磨損 且不易維護 同時 傳感器的安裝精度和靈敏度直 接影響電機的運行性能 另一方面 由于傳輸線太多 容易引入干擾信號 由于是硬件采集信號 更降低了系統(tǒng)的可靠性 為適應無刷電動機的進一步 發(fā)展 無位置傳感器應運而生 它一般利用電樞繞組的感應反電動勢來間接 獲得轉子磁極位置 與直接檢測法相比 省去了位置傳感器 簡化了電動機 本體結構 取得了良好的效果 并得到了廣泛的應用 但靠反電動勢進行位 置檢測的無位置傳感器無刷電動機 由于靜止時不產(chǎn)生反電動勢 因而如何 順利啟動是該電機需要解決的問題 1 1 5 無刷直流電機的應用 由于無刷直流電動機既具有交流電動機的結構簡單 運行可靠 維護方 便等一系列優(yōu)點 又具有直流電動機的運行效率高 無勵磁損耗以及調速性 能好的特點 故在當今國民經(jīng)濟的各個領域 如醫(yī)療器械 儀表儀器 化工 輕紡以及家用電器等方面的應用日益普及 無刷直流的應用主要分為以下幾 類 1 定速驅動機械 一般工業(yè)場合不需要調速的領域以往大多是采用三相或單相交流異步和 同步電機 隨著電力電子技術的進步 在功率不大于l o k w 且連續(xù)運行的情況 下 為了減少體積 節(jié)省材料 提高效率和降低能耗 越來越多的電機正被 無刷直流電機逐步取代 如自動門 電梯 水泵 風機等 2 調速驅動機械 速度需要任意設定和調節(jié) 控制精度要求不高的調速系統(tǒng)可分為兩種 一種是開環(huán)調速系統(tǒng) 另一種是閉環(huán)調速系統(tǒng) 此時的速度反饋器件多采用 低分辨率的脈沖編碼器或交 直流測速等 通常采用的電機主要有三種 直 流電機 交流異步電機和無刷直流電機 這在包裝機械 食品機械 印刷機 械 物料輸送機械 紡織機械和交通車輛中有大量應用 調速應用領域最初 用得最多的是直流電機 隨著交流調速技術特別是電力電子技術和控制技術 的發(fā)展 交流變頻技術獲得了廣泛應用 變頻器和交流電動機迅速滲透到原 來直流調速系統(tǒng)的絕大多數(shù)應用領域 近幾年來 由于無刷直流電機體積小 4 哈爾濱工程大學碩十學位論文 重量小和高效節(jié)能等一系列優(yōu)點 中小功率的交流變頻系統(tǒng)正逐步被無刷直 流電機系統(tǒng)所取代 特別是在紡織機械 印刷機械等原來應用變頻系統(tǒng)較多 的領域 而在一些直接由電池供電的直流電機應用領域 則更多的由無刷直 流電機所取代 3 精密控制 伺服電動機在工業(yè)自動化領域的高精度控制中扮演了一個十分重要的角 色 應用場合不同 對伺服電動機的控制性能要求也不盡相同 在實際應用 中 伺服電動機有各種不同的控制形式 轉矩控制 電流控制 速度控制 位置控制 無刷直流電機由于其良好的控制性能 在高速 高精度定位系統(tǒng) 中逐步取代了直流電機與步迸電機 成為其首選的伺服電機之一n 叮 目前 掃描儀 攝影機 c d 唱機驅動 醫(yī)療診斷c t 計算機硬盤驅動及數(shù)控車床驅 動中等都廣泛采用了無刷直流電機伺服系統(tǒng)用于精密控制 4 其他應用 家用電器 大型同步電機啟動等 1 6 課題研究的主要內容 永磁無刷直流電機調速系統(tǒng)具有良好的運行 控制及經(jīng)濟性能 其應用 從最初的軍事工業(yè) 向航空航天 醫(yī)療 信息 家電以及工業(yè)控制各個領域 迅速發(fā)展 在此背景下 本文對無刷直流電機調速系統(tǒng)做了如下研究 1 分析無刷直流電機調速系統(tǒng)的基本結構 工作原理和運行特性 2 在m a t l a b 7 o s i m u l i n k 環(huán)境下 搭建無刷直流電機調速系統(tǒng)仿真 模型 設計自適應模糊p i d 控制器 研究電機在啟動 穩(wěn)定運行 突加負載 等情況下調速系統(tǒng)的靜 動態(tài)性能 并與采用常規(guī)p i d 控制器的無刷直流電 機調速系統(tǒng)進行了對比分析 3 結合t i 公司d s p 控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 特點 以三相星形無刷直流 電機為控制對象 設計主電路 功率驅動電路 電壓和電流檢測電路 串口 通訊電路及保護電路等硬件電路 4 編寫 調試系統(tǒng)相應的軟件 5 總結系統(tǒng)在調試過程中出現(xiàn)的一些實際問題并且尋求相應的解決辦 法 哈爾濱t 稗大學碩十學位論文 第2 章無刷直流電機的基本原理及調速策略 2 1 無刷直流電機的基本組成 無刷直流電動機是一種新型的直流電動機 它是利用裝有的永磁體轉子 取代普通有刷直流電動機定子磁極 用具有多相繞組的定子來取代電樞 用 電子換向器取代機械換向器和電刷 無刷直流電機主要是由電動機本體 位 置傳感器和電子開關三部分組成 如圖2 1 所示n 它具有效率高 調速范圍 寬 啟動迅速 機械特性和調節(jié)特性好 壽命長 維護方便 可靠性高 無 換向火花等諸多優(yōu)點 圖2 i 無刷直流電動機結構原理圖 2 1 1 電機本體 電機本體在結構上與永磁同步電機類似 也是由定子和轉子兩大部件組 成 但沒有鼠籠型繞組和其它啟動裝置 定子是由硅鋼沖片與分布在它們槽 內的繞組以及機殼 端蓋 軸承等部件組成 定子繞組采用整距集中式繞組 二 般制成多相 三相 四相 五相不等 但應用最多的是三相 轉子是由永 磁材料制成 具有一定磁極對數(shù) 2 p 2 4 的永磁體 通常由轉軸 永久磁鋼 磁軛等部件構成 圖2 1 所示的電動機本體為三相兩極 三相定 子繞組 a 相 b 相 c 相 分別與功率開關器件 v l v 2 v 3 連接 電機轉子的永久磁鋼與永磁有刷電機中的永久磁鋼的作用類似 均是在 6 哈爾濱工程大學碩十學位論文 電動機氣隙中建立足夠的磁場 不同點在于 無刷直流電機的永久磁鋼安裝 在轉子上 而有刷直流電機的永久磁鋼安裝在定子上 無刷直流電機轉子的 結構可分為兩種 一種是將瓦片狀的永磁體貼在轉子表面上 稱為凸極式 另 種是將永磁體嵌入到轉子的鐵心中 稱為嵌入式 為了能產(chǎn)生梯形波反 電動勢 無刷直流電動機的轉子磁鋼的形狀成弧形瓦片形 氣隙磁場成梯形 分布 當定子繞組某一相通電時 該電流與轉子永磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相 互作用而產(chǎn)生轉矩 驅動轉子旋轉 同時 位置傳感器將轉子磁鋼位置信號 變換為電信號 來控制電子開關導通與關斷 從而使定子各相繞組按照一定 的順序導通 定子相電流也隨轉子位置變化按照一定的規(guī)律換相 由于電子 開關的導通順序與轉子轉角同步 因而起到了機械換向器的換向作用 無刷直流電機就結構而言 相當于由永磁同步電機 轉子位置傳感器和 電子開關組成的電動機系統(tǒng) 無刷直流電機原理框圖如圖2 2 所示n 圖2 2 無刷直流電機原理框圖 2 1 2 電子開關 無刷直流電機電子開關是用來控制電機定子各相繞組通電順序和時間 的 主要由功率邏輯開關單元和位置傳感器位置信號處理單元兩個部分組成 功率邏輯開關單元將電源的功率按照一定的邏輯關系分配到無刷直流電機定 子各相繞組 從而使電機產(chǎn)生持續(xù)的轉矩 帶動電機旋轉 功率邏輯開關單 元是無刷直流電機控制電路的核心部分 位置傳感器輸出的位置信號則決定 了各相繞組導通順序和導通時間的長短 不過位置傳感器所產(chǎn)生的位置信號 一般不能直接用于控制功率邏輯開關單元 而是需要經(jīng)過一定的邏輯處理后 才可以去控制邏輯開關單元 電子開關相當于逆變器的作用 根據(jù)霍爾位置 傳感器輸出的位置信號來判斷要觸發(fā)功率開關管 正確換相 只是電子開關 的輸出頻率是不可調節(jié)的 它的頻率受控于轉子位置信號 電子開關通常采用全控式功率開關管 并且采用橋式電路聯(lián)接方式 電 子開關與電樞繞組有多種聯(lián)接形式 但應用最廣泛的是三相星形聯(lián)結 驅動 電路的作用是將控制電路輸出信號進行功率放大 同時向各開關管輸出能使 其飽和導通及可靠關斷的驅動信號 2 1 3 轉子位置傳感器 位置傳感器在無刷直流電機中起著測定轉子磁極位置的作用 為電子開 7 呤爾濱丁程大學碩十學位論文 關提供信息 確保定子繞組正確換相 位置傳感器的原理是將轉子磁鋼磁極 的位置信號轉換為電信號 然后去控制定子繞組換相 位置傳感器安裝在電 機轉子的轉軸上 位置傳感器種類較多 常用于無刷直流電機控制系統(tǒng)的位 置傳感器有電磁式位置傳感器 光電式位置傳感器和磁敏式位置傳感器 本系統(tǒng)中 無刷直流電機自身帶有霍爾位置傳感器 它與電機同軸安裝 并且多只按照空間均勻分布 霍爾位置傳感器是磁敏式位置傳感器中的一種 它是用于測量鐵類物體的位置或對轉速進行測量 分類有模擬型霍爾傳感器 內置磁鐵霍爾傳感器 霍爾位置傳感器廣泛應用于無刷直流電機 齒輪位置 齒輪轉速 閥門位置 磁盤速度 流速感應 速度感應等領域m 2 2 無刷直流電機工作原理 無刷直流電機將電樞安裝在定子上 而把轉子做成永磁體 這樣的結構 恰好與有刷直流電機相反 同時 為了使電機的轉子旋轉 必須使定子電樞 各相繞組按照一定的規(guī)律不斷地換相通電 這樣才能使定子磁場隨著轉子的 位置不斷變化 使定子磁場與轉子磁場始終保持9 0 空間角度 產(chǎn)生轉矩來 推動轉子旋轉 無刷直流電動機永磁轉子磁場分布 氣隙磁場感應反電動勢和定子繞組 相電流如圖2 3 所示m l 3 0 1 5 0 0 2 l o 3 3 0 a 一 t r 3 0 0 1 5 0 0 2 i 妒 3 3 儼 l 圖2 3 轉子磁場分布 感應反電動勢和相電流 轉子以恒定轉速旋轉 轉子主磁場切割定子繞組 每相定子繞組感應電 勢波形與主磁場基本一致 如圖2 3 所示 為了方便起見 將其視為梯形波 哈爾濱t 稗大學碩十學位論文 i i i 一 i it i i i i i i i i i i i i i i 平頂寬度為1 2 0 電角度 為了輸出恒定的電磁功率和轉矩 在三相定子繞 組中加入方波電流 導通時間為1 2 0 電角度 某一相定子繞組感應反動電 勢和電流波形圖2 3 已經(jīng)給出 圖2 4 三相星形連接全橋驅動電路 為了清晰地闡述無刷直流電動機的工作原理和特點 下面以三相星形繞 組全橋驅動為例 來加以說明 圖2 4 為三相無刷直流電動機星形連接全橋 驅動方式電路圖 六只功率開關管v t l v t 6 構成功率逆變器 六只功率逆變 器為1 2 0 導電方式 1 2 0 導電方式就是在每一個瞬間有兩支功率管導通 每隔1 6 周期 6 0 電角度 換相一次 每次換相一個功率管 每個功率管 導通1 2 0 電角度 各功率管的導通順序為 v t l v t 6 一v t l v t 2 一v t 2 v t 3 一 v t 3 v t 4 一v t 4 v t 5 一v t 5 v t 6 一v t l v t 6 一 當功率管v t l v t 6 導通時 電流從 v t l 管流入a 相繞組 再從b 相繞組流出 經(jīng)v t 6 管流回電源負極 無刷直 流電動機運行原理簡述如下 當轉子處于圖2 5 a 所示位置時 功率開關v t l v t 6 導通 電流從a 相繞組流入 從b 相繞組流出 此時a b 兩相繞組電流產(chǎn)生的合成電樞磁場 尾與轉子磁場辟之間的夾角為1 2 0 兩者相互作用產(chǎn)生電磁轉矩 該轉矩 使轉子沿逆時針方向旋轉 隨著轉子轉動 轉子磁場屏與定子磁動勢尼一間的 夾角逐漸減小 當轉子磁極旋轉到定子磁場尼 與轉子磁場屏之間的夾角為 6 0 時 定子繞組開始換流 此時 v t l v t 2 導通 定子磁場民比尼跳躍 前進6 0 變成圖2 5 b 所示位置 而定子磁場只 與轉子磁場屏之間的 夾角又變成1 2 0 轉子繼續(xù)沿逆時針旋轉 依此類推 由圖2 5 可知 在一個周期內 定子三相繞組在空間上共產(chǎn)生六個定子 合成磁勢 分別是尼 尼 凡 屁 尼 和凡 轉子每轉過6 0 電角度 功 率開關管切換一次 定子繞組就換流一次 相應的定子合成磁勢也跳變一次 每個定子合成磁勢在作用時間上持續(xù)1 6 周期 6 0 電角度 在這六個連續(xù) 跳變的定子合成磁勢作用下 轉子磁勢隨轉子旋轉 由于定子合成磁勢呈步 進運動 所以產(chǎn)生的電磁轉矩將呈現(xiàn)波動 盡管定子合成磁勢是跳變的 但 它的平均轉速卻與轉子轉速保持同步 在平均意義上 定子合成磁勢f 與轉 子磁勢屏相對靜止 轉子轉速為同步轉速 定子合成磁勢f 的跳變的原因是 功率開關器件的切換 而開關器件的切換是根據(jù)轉子位置檢測信號來控制的 9 哈爾濱 r 樣大學碩十號 市論文 我們知道 只有當轉子的磁勢屏的軸線與定子合成磁勢 的軸線相互垂直時 電動機才能產(chǎn)生最大的電磁轉矩 轉子連續(xù)旋轉 因此它的磁勢軸線是連續(xù) 變化的 但定子合成磁勢卻是每隔6 0 電角度跳變一次 兩者不可能一直保 持垂直 不過我們可以使定子合成磁勢尸與轉子磁勢最之間的夾角在6 0 1 2 0 范圍內變化 這樣 無論是在功率開關器件導通過程中還是換流瞬間 尸與屏之間的夾角在平均意義上接近9 0 亦即在平均意義上互相垂直 這 樣也就獲得了最大的電磁轉矩 a 4 b b a a b a 圖2 5 三相全控橋的六種通電情況示意圖 根據(jù)圖2 5 所示的 f b 全控橋的六種通電情況 總結出三相星形連接全 橋驅動的通電規(guī)律如表2 1 所示1 表2 1三相星形連接全橋驅動通電規(guī)律 通電順序 正轉 逆b l 宅 f 轉子位置 o 6 06 0 1 2 01 2 0 1 8 01 8 0 2 4 0 2 4 0 一3 0 0 3 0 0 3 6 0 電角度 開關管 1 61 23 23 45 45 6 a 相正向通電正向通電不導通反向通電反向通電不導通 b 相 反向通電不導通正向通電正向通電不導通反向通電 c 相 不導通反向通電反向通電不導通正向通電正向通電 l o 哈爾濱工程大學碩士學何論文 2 3 無刷直流電機數(shù)學模型 電機常用的建立數(shù)學模型方法有d q o 坐標變換法 頻域傅立葉分解法和 時域狀態(tài)方程法 無刷直流電機轉子磁場 反電動勢為梯形波 其中包含有 較多的高次諧波 都考慮將會非常繁瑣 但只考慮基波又會帶來較大誤差 因而不適合采用d q o 坐標變換法和傅立葉分解法來建立模型 不過 直接建 立電機時域狀態(tài)方程和電機數(shù)學模型則非常方便 并且可以獲彳導比較準確的 結果 以三相永磁無刷直流電機為例 為了簡化分析 在允許范圍內作如下假 定 i 1 定子繞組星形連接 并且完全對稱 2 不考慮電樞反應 氣隙磁場近似為梯形波 平頂寬度為1 2 0 電角 度 3 忽略齒槽效應 4 忽略磁路飽和 5 電機參數(shù)恒定 6 電機穩(wěn)態(tài)運行 電樞導體連續(xù)均勻分布在電樞表面上 不計渦流和磁滯損耗 轉速穩(wěn)定 耋 蘭蘭 差 妻蘭鏨 丟 差 圣 c 2 一 蔞 三蘭蘭 差 三 上 p 三呈肘 丟 差 圣 c 2 3 2 3 2 轉矩方程 墊 盥 2 5 2 3 3 運動方程 等 t 一瓦一丑國 2 6 2 3 4 狀態(tài)方程 料而 1 f p 北o l 蚓 糾浯7 2 4 無刷直流電機機械特性及傳遞函數(shù) 哈爾濱工程大學碩七學位論文 速成正比 電磁轉矩與定子電流成正比 假定無刷直流電機穩(wěn)定運行 首先定義反電動勢系數(shù)和轉矩系數(shù) k 二 2 一l o 口 玎 坼 孕 2 1 1 z 對于特定的電動機 它們均為常數(shù) 系數(shù)的大小同主回路的接法 如三 相半控 三相全控 以及功率晶體管的換相方式 如兩兩換相 三三換相 都有關系 前面已經(jīng)假定各相繞組對稱 相應的時間常數(shù)忽略不計 這樣 得到無 刷直流電動機的電壓平衡方程為 u 一 u e 打 2 1 2 將 2 1 0 和 2 11 帶入 2 1 2 整理后 得到無刷直流電動機機械特性 方程為 u hun 一 三一1 z 2 一1 3 l 么一上j k k p k r 式中 n 一電動機轉速 r m i n u 電源電壓 v u 一功率管管壓降 v 疋 一一 電動勢系數(shù) z 一一 電磁轉矩平均值 n m k 轉矩系數(shù) 一 電動機內阻 q 由公式 2 1 3 可知 無刷直流電機的機械特性方程同一般他勵方式有 刷直流電機的機械方程在形式上完全一致 只不過是其中的轉矩和反電動勢 采用平均值的概念 這是由于無刷直流電機的反電動勢和轉矩波動較大 在以上假定條件不變的情況下 無刷直流電機的動態(tài)特性可描述為 u 一 u e i r z 耳i 等等 1 4 e x o 式中 瓦一一負載轉矩 n m g d 2 轉子飛輪力矩 n i l l g d 2 4 9 j 為轉動慣量 經(jīng)拉氏變換后 得到 哈爾濱 二稗大學碩十學位論文 u s 一a u s p s i f s t o s k r i s 黔馳 等似j 1 5 e s 疋甩 j 根據(jù)方程組 2 1 5 求出無刷直流電動機動態(tài)結構圖 如圖2 6 所示 死似 圖2 6 無刷直流電動機動態(tài)結構圖 無刷直流電動機傳遞函數(shù)為 礦礦 玎 s 土u j 一旦乃 2 1 6 一 1 jl r s 式中 五一一電動勢傳遞系數(shù) k 1 k 丘一一 轉矩傳遞系數(shù) 砭 l 疋硨 t 電磁時間常數(shù) z r g d 2 3 7 5 k o k 2 5 無刷直流電機調速策略 通過分析無刷直流電機的數(shù)學模型 可以看出 無刷直流電機機械特性 方程同一般有刷直流電機機械特性方程在形式上完全一致 因此無刷直流電 機的調速方法和有刷直流電機調速方法也類似 一般有刷直流電機調速方法 包括 弱磁調速 電樞串電阻調速 改變電樞端電壓調速n 由于無刷直流 電動機通過永磁鐵勵磁 所以只能通過改變電樞回路電阻或調節(jié)電樞端電壓 的方法來進行調速 改變電樞回路電阻調速方法的優(yōu)點是設備簡單 調節(jié)方便 但這種方法 在調速過程中轉速會出現(xiàn)較大波動 而且只能進行有級調速 調速平滑性差 機械特性軟 并且要在調速電阻上消耗能量 效率也低 所以這種方法只能 用在調速性能要求不高的場合 改變電樞端電壓調速方法主要是從額定電壓 向下降低電樞端電壓 從電機額定轉速向下調速 這種方法屬于恒轉矩調速 它的主要優(yōu)點是 降壓調速機械特性曲線是與固有機械特性曲線平行的一簇 直線 無論滿載 輕載或者空載 都有明顯的調速效果 降壓調速機械特性 1 4 哈爾濱 程大學碩士學何論文 i m l i t i i i 置 曲線硬度不變 與固有機械特性曲線硬度相同 電機在低速運行時 負載擾 動所引起的轉速波動不是很大 穩(wěn)定性也比較好 調速范圍也比較廣 可以 通過平滑地改變電樞兩端電壓來實現(xiàn)無級調速 并且這種方法在調速過程中 能量損耗比較小 調速效率高 因此它被廣泛應用在對啟 制動和調速性能 要求較高的場合 這種方法的缺點是所需的可調壓電源設備投資較高 調節(jié)電樞端電壓需要有專門的可控直流電源 本文選用的是脈寬調制 p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n 簡稱p n 變換器 通過脈寬調拳4 變換器進行 調制的方法又稱為p w m 調制方法 它的原理是用恒定直流電源或不可控整流 電源供電 對開關器件進行通斷控制 從而將直流電壓斷續(xù)地加到負載上 通過改變開關器件導通和關斷的時間來改變負載上直流電壓的平均值 將固 定電壓的直流電源變成電壓平均值可調的直流電源 構成脈寬調制變換器 的開關器件過去用的較多的是普通晶閘管 它本身沒有自關斷能力 因此限 制了脈寬調制變換器的性能 目前脈寬調制變換器大都采用全控型器件 比 如功率晶體管 g t r 可關斷晶閘管 g t o 功率場效應管 p m o s f e t 絕 緣柵雙極晶體管 i g b t 等 采用全控型器件的p w m 調速系統(tǒng) 其脈寬調制 電路的開關頻率可高達2 0 k h z 以上 因此系統(tǒng)的頻帶寬 響應速度快 動態(tài) 抗擾能力強 本文就采用了這種調速方法 圖2 7 三相無刷直流電動機調速系統(tǒng)控制框圖 圖2 7 為 h 無刷直流電動機調速系統(tǒng)控制框圖 從圖中可以看出 該系統(tǒng)是一個典型轉速 電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng) 在速度環(huán)中 通過霍爾位置 傳感器可以檢測出轉子位置 d s p 根據(jù)轉子位置信號間接計算出轉子轉速 反饋到轉速給定端 給定轉速與實際轉速形成偏差 這個偏差經(jīng)過轉速調節(jié) 器后產(chǎn)生參考電流 同時 霍爾位置傳感器輸出的位置信號還直接用于無刷 直流電機的換相控制 在電流環(huán)中 實際電流是通過檢測采樣電阻r 上的壓 降間接測量得出的 參考電流與實際電流形成的偏差經(jīng)過電流調節(jié)器后形成 p w m 占空比控制量 控制功率開關器件的導通與關斷 實現(xiàn)對無刷直流電機 的速度控制 2 6 本章小結 本章詳細分析了無刷直流電動機的基本組成 各組成部分的特點和功能 哈爾濱工程大學碩士學位論文 并且以三相星形繞組全橋驅動1 2 0 方式為例 分析了無刷直流電機轉子主 磁場 相電流波形和反電動勢的波形 闡述了無刷直流電動機的工作原理 給出了六支功率開關管的導通規(guī)律 本章還建立了無刷直流電動機的數(shù)學模 型 得出了無刷直流電機電壓方程 轉矩方程 運動方程 狀態(tài)方程 并且 分析了無刷直流電機的機械特性和傳遞函數(shù) 最后確定了無刷直流電機的控 制策略和調速方法 采用p w m 調制方法 通過調節(jié)電機電樞端電壓的方法來 實現(xiàn)無刷直流電機的轉速控制 哈爾濱工稃大學碩十學位論文 第3 章自適應模糊p id 控制器設計 3 1 模糊控制基本理論 在傳統(tǒng)的控制領域里 控制系統(tǒng)動態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的 最主要關鍵 系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細 則越能達到精確控制的目的 然而 對于復雜的系統(tǒng) 由于變量太多 往往難以正確的描述系統(tǒng)的動態(tài) 于是工 程師便利用各種方法來簡化系統(tǒng)動態(tài) 以達成控制的目的 但卻不盡理想 換言之 傳統(tǒng)的控制理論對于明確系統(tǒng)有強而有力的控制能力 但對于過于 復雜或難以精確描述的系統(tǒng) 則顯得無能為力了 因此便嘗試著以模糊數(shù)學 來處理這些控制問題n 自從l a z a d e h 發(fā)展出模糊數(shù)學之后 對于不明確系統(tǒng)的控制有極 大的貢獻 自七十年代以后 便有一些實用的模糊控制器相繼的完成 使得我們在控制領域中又向前邁進了一大步 下面將對模糊控制理論做 簡單介紹 圖3 1 模糊邏輯系統(tǒng)基本結構框圖 圖3 1 為一般模糊控制系統(tǒng)的結構框圖 此框圖包含了四個主要部 分 即 模糊化 控制規(guī)則 模糊推理及模糊判決 下面將就每一部分 做詳細地說明 3 1 1 模糊化 模糊化是將測量值以適當?shù)谋壤D換到論域的數(shù)值 即模糊變量 值 并且利用自然語言形式來描述測量物理量的過程 依適合的自然語 言值 i i n g u i s i t cv a l u e 求該值相對之隸屬度 此自然語言變量我們 稱之為模糊子集合 f u z z ys u b s e t s 模糊變量值通常劃分為3 級以上 比如7 級劃分的情況是 負大 n b 負中 麟 負小 n s 零 0 正小 p s 正中 蹦 正大 p b 如果 劃分的級數(shù)更多 可以在負中左右加上 負中大 和 負中小 等 若從7 級中去掉負中 n m 和正中 p m 就是5 級 若將5 級劃分中間的零 o 改 為正零 n o 和負零 p o 就是6 級洶 只有使用這些模糊變量的賦值詞 集 合 作為輸入量 才能進行模糊邏輯推理 哈爾濱工程大學碩十學何論文 3 1 2 模糊控制規(guī)則 模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心 規(guī)則的正確與否直接影響控制器的 性能 而規(guī)則數(shù)目的多寡也是一個重要因素 模糊控制規(guī)則的取得方式 專家的經(jīng)驗和知識 操作員的操作模式 學 習 專家的經(jīng)驗和知識 操作員的操作模式可整理為i f t h e n 的型式 構成 一組控制規(guī)則 模糊控制規(guī)則的型式主要可分為兩種 1 狀態(tài)評估模糊控制規(guī)則 狀態(tài)評估 s t a t ee v a l u a t i o n 模糊控制規(guī)則為類似人類的直覺思考 所以大多數(shù)的模糊控制器都使用這種模糊控制規(guī)則 其型式如下 r i i fx l i sa i l a n dx 2i sa i 2 a n dx r li sa i nt h e nyi sc i 其中x 1 x 2 x n 及y 為語言變量或稱為模糊變量 代表系統(tǒng)的狀態(tài)變量 和控制變量 a i1 a i 2 a i n 及c i 為語言值 代表論域中的模糊集合 其 次還有另一種表示法 是將后件部改為系統(tǒng)狀態(tài)變量的函數(shù) 其型式如下 r i i fx 1 i sa i l a n dx ni sa i nt h e ny f l x l x 2 x n 2 目標評估模糊控制規(guī)則 目標評估 o b j e c te v a l u a t i o n 模糊控制規(guī)則能夠評估控制目標 并且 預測未來控制信號 其型式如下 r i i f ui sc i 一 xi sa 1a n dyi sb 1 t h e nui sc i 3 1 3 模糊推理 模糊推理就是依據(jù)模糊控制規(guī)則 由測量值的模糊集得出控制量的模糊 集 模糊控制理論發(fā)展至今 模糊推理的方法大致可分為三種 第一種推理 法是依據(jù)模糊關系的合成法則 第二種推理法是依據(jù)模糊邏輯的推論法簡化 而成 第三種推理法和第一種相類似 只是其后件部分改由一般的線性式組 成的 模糊推論大都采三段論法 可表示如下 條件命題 i fxi sat h e nyi sb 事實 xi sa 結論 yi sb 表示法中的條件命題相當于模糊控制中的模糊控制規(guī)則 前件部和后件 部的關系 可以用模糊關系式來表達 至于推論演算 則是將模糊關系和模 糊集合a 進行合成演算 得到模糊集合b 推論算法可以下式表示 b a r 3 1 4 模糊判決 模糊判決就是在實行模糊控制時 依據(jù)控制規(guī)則進行模糊推理演算 然