2020年無刷直流電機(jī)控制體系設(shè)計和實現(xiàn)論文

無刷直流電機(jī)控制體系設(shè)計和實現(xiàn)論文 對無刷直流電機(jī)發(fā)展的影響傳統(tǒng)信號處理方法分為兩大類:時域分析和頻域分析。時域分析常常是直接利用回波時域信號進(jìn)行分析并給出結(jié)果,是最簡單而且最直接的方法,特別是當(dāng)信號中明顯含有簡諧成分、周期成分或瞬時脈沖成分更為有效。 (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),為此提供了可行的和可靠的保證。例如,在一些對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用或無法接受,而DSP等芯片固有的高速計算能力正可被用來實現(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,信號處理電路和邏輯判斷電路等都可以由軟件來實現(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。另外一些相對復(fù)雜的控制算法也可以通過DSP、CPLD或者FPGA等芯片來實現(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)展提供了堅實的堪礎(chǔ)。控制器的全數(shù)字化將使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更加簡單,促使柔性控制算法在電機(jī)控制中的應(yīng)用,同時還易與上層和遠(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)驅(qū)動電路的幵關(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,在繞組電感不夠大時,繞組電流波形不太平滑、波動較大。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)動電路的開關(guān)頻率可實現(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,提高系統(tǒng)效率的目的。另外,電機(jī)驅(qū)動功率管,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較小,這樣可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率。 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、起動轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點,又具有交流屯機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點。近年來,隨卷Hi力電子技術(shù)、永磁材料和計算機(jī)控制技術(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,在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域,如電動車、醫(yī)療器械、儀器儀表、工業(yè)自動化、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,使得電樞磁場和主磁場的方向在電機(jī)運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)動電機(jī)不停地運轉(zhuǎn)下去。無刷直流電機(jī)取消電刷實現(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),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)由電動機(jī)本體、驅(qū)動控制電路及轉(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)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號,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,驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。位置傳感器的種類浪多,并且都各具特點。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??；魻栁恢脗鞲衅魇谴琶羰轿恢脗鞲衅鞯囊环N,由于其體積小,使用方便并且價格低廉,故無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中一般將其作為轉(zhuǎn)子位置檢測裝置。 3.1 系統(tǒng)的整體方案. 24 3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu). 24-25 3.3 控制芯片. 25-28 3.4 控制技術(shù). 28-29 3.5 控制策略. 29 3.6 本章小結(jié) .29-30 四 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計. 30-41 4.1 總體硬件結(jié)構(gòu) .30 4.2 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計. 30-33 4.3 驅(qū)動電路設(shè)計.33-38 4.4 采樣檢測電路設(shè)計. 38-40 4.4.1 電流采樣電路 .38 4.4.2 轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路. 38-40 4 5 本章小結(jié). 40-41 五 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 .41-53 5.1 軟件開發(fā)環(huán)境介紹. 41-42 5.2 控制系統(tǒng)軟件概述. 42-46 5.3 數(shù)字PID算法及其在本系統(tǒng)中的應(yīng)用. 46-51 5.3.1 PID控制. 47-49 5.3.2 PID算法在本系統(tǒng)中的應(yīng)用 .49-51 5.4 三相全橋調(diào)制方式. 51-52 5.5 本章小結(jié). 52-53 隨著各種控制理論,數(shù)字信號處理器(DSP)的發(fā)展以及它們在電機(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,對電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展以及特點進(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)計部分