空心杯電機(jī)的PWM調(diào)制及PI控制方法

1、空心杯電機(jī)的PWM 調(diào)制及 PI 控制方法 作者：趙華, 凌志浩 轉(zhuǎn)貼自 : 本站原創(chuàng)更新時(shí)間:2008-8-511:10:00 文章錄入：sws 摘 要 : 由于空心杯無刷直流電動(dòng)機(jī)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使它具有體積小、響應(yīng)速度快、拖動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。本文就如何運(yùn)用PWMB制和pi控制對(duì)空心杯電機(jī)進(jìn)行調(diào)速進(jìn)行了研究和探討。關(guān)鍵詞 : 空心杯無刷直流電動(dòng)機(jī); 脈寬調(diào)制; 比例積分控制;The PWM and Pi Control Method of the Drug Cup MotorZhao huaAbstract:Because of the special cons

2、truction of the drag cup brushless DC motor, it owns small capacity, high response speed, good drive performance, etc. it is widely used in each f ield of national economy. This dissertation will carry on how to apply PWM and Pi control in to velocity modulation.Key words: drag cup brushless DC moto

3、r; PWM; Pi control;1 引言空心杯無刷直流電機(jī)保持著有刷直流電機(jī)的優(yōu)良機(jī)械及控制特性，在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電機(jī)一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子上放置永久磁鋼。空心杯無刷直流電機(jī)的電樞繞組像交流電機(jī)的繞組一樣，采用多相形式，經(jīng)由逆變器接到直流電源上，定子采用位置傳感器或無位置傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子換向代替有刷直流電機(jī)的電刷和換向器，各項(xiàng)逐次通電產(chǎn)生電流，和轉(zhuǎn)子磁極主磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)1。和有刷直流電機(jī)相比，空心杯無刷直流電機(jī)由于消除了電機(jī)滑動(dòng)接觸機(jī)構(gòu)，因而消除了故障的主要根源。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，也就沒有了電的損耗1。又由于主磁場(chǎng)是恒定的，因此鐵損也是極小的。除軸

4、承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磨損外，轉(zhuǎn)子的損耗很小，因而進(jìn)一步增加了工作的可靠性。正是由于空心杯電動(dòng)機(jī)這種的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，才使它具有十分突出的節(jié)能、控制和拖動(dòng)特性。隨著稀土磁材料和功率半導(dǎo)體器件性能、價(jià)格比的不斷提高，新的控制技術(shù)不斷出現(xiàn)，小功率、高性能調(diào)速電機(jī)和伺服電機(jī)（ 均為空心杯無刷直流電機(jī)）在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用變得越來越廣泛。本文就空心杯無刷直流電機(jī)的PWMB制和 Pi 控制的方法展開討論。2空心杯電機(jī)的PWMB制和PI控制方法2.1 PWMI制方式對(duì)于兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)的空心杯無刷直流電動(dòng)機(jī)，在一個(gè)周期內(nèi)，每個(gè)功率開關(guān)器件導(dǎo)通120度電角度，每隔60度有兩個(gè)開關(guān)器件切換。因此，PWIMI 制方式可以有以下五種

5、：（1）on_pwm型、（2）pwm_on型、（3）H_pwm-L_on型、（4） H_on-L_pwnffl和（5）H_pwm-L_pwnfi1。前四種方式又稱為半橋臂調(diào)制方式，即在任意一個(gè)60度區(qū)間，只有上橋臂 或下橋臂開關(guān)進(jìn)行斬波調(diào)制。其中，方式(1)和(2)為雙管調(diào)制方式，即在調(diào)制過 程中上橋臂和下橋臂的功率開關(guān)都參與斬波調(diào)制。方式(3)和(4)又稱為單管調(diào)制方式，即在調(diào)制過程中只有上橋臂或下橋臂的功率開關(guān)參與斬波調(diào)制。方式 (5) 又稱為全橋調(diào)制方式，即在任意一個(gè) 60度區(qū)間內(nèi)，上、下橋臂的功率開關(guān)同時(shí) 進(jìn)行斬波調(diào)制。在全橋調(diào)制方式中，功率開關(guān)的動(dòng)態(tài)功耗是半橋調(diào)制方式中的兩倍。與半橋

6、 調(diào)制方式相比，全橋調(diào)制方式降低了系統(tǒng)效率，給散熱帶來困難。因此，考慮到 功率開關(guān)的動(dòng)態(tài)功耗，在PWMB制方式上應(yīng)選擇半橋調(diào)制方式。 同時(shí)，在半橋調(diào) 制方式中，雙管調(diào)制方式不增加功率開關(guān)的動(dòng)態(tài)損耗，并解決了由單管調(diào)制所造成的功率開關(guān)散熱不均，提高了系統(tǒng)的可靠性，但是實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜。因此，本 設(shè)計(jì)采用較容易實(shí)現(xiàn)的H_pwm-L_o弱調(diào)制方式，即在各自的120度導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)， 上橋臂功率開關(guān)通過PW贏制，下橋臂開關(guān)管包通。2.2 PI控制方法在模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，PI控制算法的模擬表達(dá)式為：方(1)式中，為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；或0為偏差信號(hào)，它等于給定量與輸出量之差； 必為比例系數(shù)；如為積分時(shí)間常數(shù)。由于

7、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算 控制量。因，為了使計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)式(1),必須將其離散化，用離散的差分方程 來代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。連續(xù)系統(tǒng)的離散化，即L 肛(X =0,1,2, , n)積分用累加求和近似得M jJ 式中，T為采樣周期； 3 為系統(tǒng)第j次采樣時(shí)刻的偏差值。將式(3)代入式(1),則可得到離散的PI表達(dá)式加(4)式中，T為采樣周期；成幻為系統(tǒng)第k次采樣時(shí)刻的偏差值； ©為系統(tǒng)第j次采樣時(shí)刻的偏差值；為調(diào)節(jié)器第k次采樣時(shí)刻的輸出信號(hào)；k為采樣序號(hào), k=0,1,2, , 0如果采樣周期T取得足夠小，該算式可以很好的逼近模擬算式，因而使被 控

8、過程與連續(xù)控制過程十分接近。由于式（4）表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)得 位置,所以通常把式（4）稱為PI的位置式控制算式或位置式 PI控制算法 其控制原理圖如圖1所示3。圖1 PI位置式控制原理圖如果在式（4）中，令方（稱為積分系數(shù)）建因 =弱 E 3- 此即為離散化的位置式PI控制算法得編程表達(dá)式。由式（5）可以看出，每次輸出與過去的所有狀態(tài)有關(guān)，要想計(jì)算",須將 歷次“少相加，計(jì)算復(fù)雜，浪費(fèi)內(nèi)存。下面，我們來推導(dǎo)計(jì)算較為簡(jiǎn)單的遞推算式。為此，對(duì)式（5）作如下變動(dòng)：考慮到第k-1次采樣時(shí)有使式（5）兩邊對(duì)應(yīng)減去式（6）,得"因一U pt -。=q00tAe5 4明整理得工

9、'''(8)oo = Af（L . 一）式中， 野，勰=珞式（8）就是PI位置式算式的遞推形式3 ,稱為PI的增量式控制算式或增量 式PI控制算法，本設(shè)計(jì)就是采用這種算法進(jìn)行PI控制的。3.1電源電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用性價(jià)比較高的C8051F330單片機(jī)芯片作為系統(tǒng)的控制器。為了使芯片能正常工作，.需要在該芯片的引腳提供一個(gè) 3.3V的電源。為此，本設(shè)計(jì)采用ROH檄司的BA033CC受用穩(wěn)壓芯片為C8051F33曜供電源，它的最大 輸出電流1A,最高輸入電壓35V,內(nèi)置過壓彳護(hù)電路，3.3V穩(wěn)壓輸出。圖2穩(wěn)壓電源電路圖其穩(wěn)壓電路如圖2所示，其中E+由外接電源提供。電容C1

10、7 C18起穩(wěn)壓作 用，消除振蕩和外界干擾，LED燈檢驗(yàn)有無輸出電壓，R6限制流過LED燈的電流。 3.2主電路設(shè)計(jì)圖3所示的是三相橋式主電路。圖中，上橋臂三個(gè)開關(guān)管Q1、Q3 Q5是P溝道功率MOSFET柵極電位低電平時(shí)導(dǎo)通；下橋臂三個(gè)開關(guān)管 Q2、Q4 Q6是N 溝道功率MOSFET柵極電位高電平時(shí)導(dǎo)通。這六個(gè) MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)由芯 片IR2103s提供。在三角形聯(lián)結(jié)定子繞組的每一相繞組上都并聯(lián)了阻容濾波電路， 由于空心杯電機(jī)定子繞組的阻值只有幾歐姆甚至零點(diǎn)幾歐姆，而阻容濾波電路的電阻有20K,所以阻容濾波電路不會(huì)對(duì)定子繞組的電流和端電壓波形造成不利影 響。當(dāng)然實(shí)際的硬件電路還包括

11、C8051F330的單片機(jī)芯片、與仿真器的接口電路、 直流母線穩(wěn)壓電路及其檢測(cè)電路、逆變驅(qū)動(dòng)電路及反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)回路和轉(zhuǎn)速設(shè)定 值采樣電路等。這里由于篇幅所限不再贅述。圖3二相橋式主電路4軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖4所示。在主程序開始，先關(guān)閉了看門狗功能，因?yàn)榭撮T 狗功能會(huì)限制對(duì)某些PCA寄存器的訪問。接著，完成系統(tǒng)初始化，包括：系統(tǒng)時(shí) 鐘、I/O 口、ADC定時(shí)器、PCA中斷和變量的初始化。等待系統(tǒng)上電后，檢測(cè) 電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定，起動(dòng)電機(jī)，并使電機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)， 反電動(dòng)勢(shì)為零，這將導(dǎo)致電機(jī)無法正常換相，而且堵轉(zhuǎn)電流很大，容易燒壞電機(jī)。 因此，若反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)超時(shí)，即電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)

12、，使系統(tǒng)重啟，以保護(hù)電機(jī)不會(huì)長(zhǎng)時(shí) 間受大電流沖擊。當(dāng)設(shè)定的旋轉(zhuǎn)方向與電機(jī)實(shí)際的旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)， 需要先讓電 機(jī)制動(dòng)，然后再反向起動(dòng)。下面對(duì)程序中的幾個(gè)重要模塊作簡(jiǎn)要介紹。圖4主程序流程圖4.1 PWM調(diào)制4.1.1 PWM 頻率為了使電機(jī)空載或輕載時(shí)電流連續(xù)，PWMJ頻率需要在15KHz以上，但過高 的PWMffi率會(huì)使MOSFET功耗增加，溫度升高，甚至導(dǎo)致 MOSFET壞。所以， 本設(shè)計(jì)使PCAS時(shí)器工作在16位PWM1式，PCA6時(shí)器時(shí)鐘采用系統(tǒng)時(shí)鐘的12 分頻，即2.0417MHz,從0xFF87開始計(jì)數(shù)，直到0x0000溢出。這樣，PWMJ頻 率為2.0417M /0x0078=17

13、KHz,剛好符合要求。由于 PCA4時(shí)器不是從0x0000 開始計(jì)數(shù)，所以每次溢出中斷后，必須在中斷服務(wù)程序中對(duì) PCA£時(shí)器重新賦初 值，這樣才能保證PWMJ頻率名!持在17KHz4.1.2 PWM占空比調(diào)節(jié)方法PWIMJ占空比可以通過改變寄存器 PCA0CPH0PCA0CPL的值來調(diào)節(jié),從而 達(dá)到調(diào)速的目的。在本設(shè)計(jì)中，由 PI控制算法的控制量來對(duì)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。 由于要滿足17 KHz的PW哪率，PC順時(shí)器是從0xFF87開始計(jì)數(shù)的，所以用匚 設(shè)定寄存器PCA0CPH0PCA0CPL的值時(shí)，應(yīng)該作出相應(yīng)的調(diào)整，使寄存器 PCA0 CPH0 PCA0CPL的值在0xFF870xF

14、FFF的范圍內(nèi)。4.1.3 PWM對(duì)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)的影響及解決方案因?yàn)椴捎昧?PWMB制方式，在PWMfc形輸出低電平時(shí)，直流母線電壓與電機(jī) 的定子繞組斷開，使端電壓波形不再是平滑的梯形波，不能用于反電動(dòng)勢(shì)過零檢 測(cè)。因此，本設(shè)計(jì)在PCA定時(shí)器每次溢出中斷時(shí)，即PWMfc形下降沿，清零反電 動(dòng)勢(shì)檢測(cè)標(biāo)志位flagEMF,啟動(dòng)定時(shí)器T1,使定時(shí)器T1在PWMfc形高電平中間這一時(shí)刻產(chǎn)生中斷，如圖5所示。而定時(shí)器T1的中斷服務(wù)程序使反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè) 的標(biāo)志位flagEMF置1,表示此時(shí)可以進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)，同時(shí)關(guān)閉定時(shí)器T1,小波形 myinnnnnrLrLftagf LIF-I啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)筮Fl：出

15、中航等到下一次PCA定時(shí)器溢出中斷時(shí)再啟動(dòng)它。T1圖5 PWM波形與定時(shí)器T1的關(guān)系4.2 PI控制本設(shè)計(jì)采用統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的換相次數(shù)來計(jì)算電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。如果采樣周期太短會(huì)使測(cè)得的換相次數(shù)很少，甚至不到一次，乘以反饋系數(shù)后會(huì)產(chǎn)生很大的 誤差。所以，本設(shè)計(jì)的采樣周期為0.3s,即每隔2400次T0中斷進(jìn)行一次采樣， 即調(diào)用PI控制子程序。PI子程序的框圖如圖6所示。其中，反饋系數(shù)的選取， 應(yīng)該使全壓起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速反饋值等于最大轉(zhuǎn)速設(shè)定值 （全壓起動(dòng)指直流母線電壓 為24V,占空比為100%這樣，才能使數(shù)字PI控制器給出正確的控制量。圖6 PI控制子程序流程圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果本課題經(jīng)過理論研究、硬件設(shè)計(jì)

16、、軟件編程和系統(tǒng)調(diào)試，完成了空心杯無刷 直流電動(dòng)機(jī)PW皿制和PI控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。上橋臂驅(qū)動(dòng)芯片輸出的 PWMS形如圖7所示。圖7上橋臂驅(qū)動(dòng)芯片輸出的PW快形空心杯電機(jī)運(yùn)行時(shí)的端電壓波形如圖 8所示。由圖可見，空心杯電機(jī)的端電 壓是一個(gè)不平滑的梯形波，這是由于 PWMT至，它始終在0Us之間變化。圖8空心杯電機(jī)的端電壓波形由于時(shí)間與能力有限，本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)還有待于進(jìn)一步的改進(jìn)，比如：1 .修正PI控制參數(shù)，使空心杯電機(jī)具有更好的運(yùn)行特性。2 .完善反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)方法，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)3 .加上過流保護(hù)References11 .孫建忠，白鳳仙主編.特種電機(jī)及其控制.北京：中國(guó)水利水

17、電出版 社，2005: 1-77【2】. 張琛編著.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996: 124-131【3】.賴壽宏主編.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000: 86-102【4】.朝光鮮等.無刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組的星形和三角形聯(lián)接J.微電機(jī)， 2003, 36(1):3-651.陳伯時(shí)主編.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).第三版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20036. 婁柯，施火泉.基于C8051F單片機(jī)的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制J.電機(jī)與控制應(yīng)用，2006 , 33(3)【7】.謝世杰，陳生潭，樓順天.數(shù)字PID算法在無刷直流電機(jī)控制器中的應(yīng)用J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2004, (2):59-6181 .婁柯，施火泉.基于C8051F單片機(jī)的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制 J. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2006 ， 33(3)【 9】 . 謝世杰，陳生潭，樓順天. 數(shù)字 PID 算法在無刷直流電機(jī)控制器中的應(yīng)用 J. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2004， (2):59-61【 10】 . T. Saku