方波調(diào)速系統(tǒng)

1、實(shí)驗(yàn)九 基于DSP的方波無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握方波無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）的組成、工作原理及性能特點(diǎn)。2熟悉DSP控制的（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)的組成及工作原理。3了解無轉(zhuǎn)子位置傳感器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測的工作原理、特點(diǎn)與實(shí)現(xiàn)方法。4研究速度調(diào)節(jié)器采用不同控制方法（PID控制、FUZZY控制以及PID-FUZZY控制），對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的影響；并研究速度調(diào)節(jié)器采用PID控制時(shí)參數(shù)變化對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的影響。5掌握方波無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法，包括虛擬儀器的使用（注意無上位機(jī)時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無虛擬儀器功能，有關(guān)虛擬儀器的取消）。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1熟悉BLDC

2、M實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的配置與結(jié)構(gòu)，連接有關(guān)線路，組成BLDCM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。2在有與無轉(zhuǎn)子位置傳感器情況下，分別測量電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，并對該兩種檢測方法進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比較。3分別在有與無轉(zhuǎn)子位置傳感器情況下，研究電機(jī)的起動(dòng)性能，并進(jìn)行性能比較。4對功率晶體管基極驅(qū)動(dòng)波形、電機(jī)定子線電壓波形、定子電流波形等進(jìn)行測試。5對速度調(diào)節(jié)器采用不同控制方法的系統(tǒng)，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性研究；并研究速度調(diào)節(jié)器控制參數(shù)改變對系統(tǒng)性能的影響。三實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成及工作原理永磁式同步電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，特別是具有其它電機(jī)所無法比擬的高效率而得到了人們越來越多的關(guān)注。永磁同步電動(dòng)機(jī)可按工作原理、驅(qū)動(dòng)電流和控制方式的不同，分為具有

3、正弦波反電勢的永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）和具有方波（或梯形波）反電勢的永磁同步電動(dòng)機(jī)，后者又稱為無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）?；贒SP的方波無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖76所示。調(diào)速系統(tǒng)由稀土永磁方波電動(dòng)機(jī)PM、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器（光電編碼器，選件）、由功率管構(gòu)成的逆變器IV以及以DSP（TMS320F240）為核心的數(shù)字控制器等構(gòu)成。系統(tǒng)已配備與上位機(jī)通訊的接口和軟件，用戶選用上位機(jī)后，可以方便地在上位機(jī)人機(jī)界面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、觀察和記錄實(shí)驗(yàn)曲線。圖76 (a) 主電路（b）反電勢波形（c）轉(zhuǎn)子位置與繞組饋電的關(guān)系圖77 BLDCM的主電路、反電勢波形、轉(zhuǎn)子位置與繞組饋電

4、的關(guān)系系統(tǒng)也可工作在無轉(zhuǎn)子位置傳感器狀態(tài)，這時(shí)轉(zhuǎn)子位置可通過觀測器獲得，兩種工作狀態(tài)通過開關(guān)K切換。系統(tǒng)可以不選用光電編碼器，而利用轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果用戶選用光電編碼器，則一方面可以在電機(jī)無轉(zhuǎn)子位置傳感器情況下進(jìn)行起動(dòng)特性研究，另一方面則可以將現(xiàn)有系統(tǒng)擴(kuò)展成高精度位置伺服系統(tǒng)。BLDCM系統(tǒng)中的逆變器（IV）工作在自控式變頻工作狀態(tài)，即它的輸出頻率控制不是獨(dú)立的，而是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置來決定，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)過一定角度后，逆變器中該導(dǎo)通的功率管才進(jìn)行切換，使定子合成磁勢前進(jìn)一步，以此循環(huán)。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過該角度的時(shí)間快了，逆變器功率管切換的頻率也高，使定子合成磁勢前進(jìn)

5、的速度也快了，這樣，定子合成磁勢旋轉(zhuǎn)的速度與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度保持在同步狀態(tài)，從而不會(huì)造成失步，由此可見，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測是不可缺少的。為了檢測轉(zhuǎn)子位置，可以用在電機(jī)上安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器的方法，也可以用轉(zhuǎn)子位置觀測器的方法（電機(jī)上不安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器）。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，當(dāng)工作在無位置傳感器時(shí)，使用的是“反電勢法”檢測轉(zhuǎn)子位置，它通過檢測定子繞組開路相的感應(yīng)電勢過零點(diǎn)，來間接得到轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。系統(tǒng)主電路、反電勢波形以及轉(zhuǎn)子位置與繞組饋電的配合關(guān)系如圖77所示。在T0時(shí)刻，轉(zhuǎn)子d軸位于圖c）中D0位置，即轉(zhuǎn)子d軸超前定子繞組A軸的位置為，為產(chǎn)生最大平均電磁轉(zhuǎn)矩，逆變器功率管應(yīng)為VG5、VG6導(dǎo)通，其余

6、均為關(guān)斷，即C、B相導(dǎo)通，A相不導(dǎo)通。繞組C、B相中電流流向是：從C端流入，Z端流出，又從Y端流入再從B端流出，如圖c)所示。這時(shí)，定子的合成磁勢為c）中所示，它與轉(zhuǎn)子磁勢的夾角為。設(shè)電磁轉(zhuǎn)矩使電機(jī)轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，在t0時(shí)轉(zhuǎn)子剛轉(zhuǎn)過，這時(shí)d軸與A軸重合，即，A相反電勢eA為零。若能測出這個(gè)反電勢過零時(shí)刻，并延遲周期的時(shí)間，即在T1時(shí)刻，轉(zhuǎn)子已轉(zhuǎn)到D1位置，且定子合成磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢的夾角為，為保證繼續(xù)產(chǎn)生最大的平均電磁轉(zhuǎn)矩，逆變器功率管必須從VG5、VG6導(dǎo)通改變?yōu)閂G6、VG1導(dǎo)通。VG6、VG1導(dǎo)通后，定子合成磁勢向前轉(zhuǎn)過，從而使兩個(gè)磁勢的夾角又變成，這樣轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，逆變器功率管不斷

7、換流，使定、轉(zhuǎn)子兩個(gè)磁勢夾角始終在范圍內(nèi)變化。根據(jù)對稱性，只要能夠測出各相繞組反電勢的過零時(shí)刻并做適當(dāng)延遲，就可確定方波無刷直流電機(jī)的換流時(shí)序，保證電機(jī)運(yùn)行在自同步方式。但是，繞組反電勢是難以直接檢測的，因此采用變通形式如“端電壓法”，以A相為例，如上所述，在T0T1期間，A相不導(dǎo)通，認(rèn)為A相電壓UAn等于反電勢eA，那么端電壓為UAN=UAn+UnN=eA+ UnN，在T0時(shí)刻，eA=0，B、C兩相電流相反，并假設(shè)其阻抗相等，因此，UnN = Ud/2，這樣UAn =0，UnN = Ud/2，所以只要檢測到UAN Ud/2的過零時(shí)刻，就可以間接地檢測到eA的過零時(shí)刻（UAN - UnN= U

8、AN - Ud/2=UAn=ea=0）。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，只需隨時(shí)檢測三相繞組的端電壓UAN、UBN、UCN（即U、V、W與N之間的電壓），并分別減去Ud/2；一旦未導(dǎo)通相的端電壓減去Ud/2后之值為零，則再延時(shí)，即可發(fā)出逆變器功率管的換流信號(hào)，這就是“端電壓法”的基本原理。由上述BLDCM工作原理分析可見：BLDCM可以看成是采用電子換向的直流電動(dòng)機(jī)，也可以看成是使用直流電源并由逆變器供電的交流同步電動(dòng)機(jī)，又可以看成是一臺(tái)具有轉(zhuǎn)子位置反饋的閉環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。BLDCM屬于兩相饋電電機(jī)，無論轉(zhuǎn)子處于什么位置，都只有兩相繞組通電，從主電路的等值電路圖，可推導(dǎo)出其轉(zhuǎn)速表達(dá)式如下式所示：式中：R=2r1

9、，r1 為電機(jī)的一相等效電阻； ke 為電勢系數(shù)； Ud0= Ud×D 為加到兩相繞組間的直流電壓平均值，其中Ud為直流母線電壓，D為PWM調(diào)制波的占空比。由上式可見，我們只需對三相橋式逆變器進(jìn)行PWM調(diào)制（請?zhí)貏e注意，這里不是異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的SPWM調(diào)制而是雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中介紹的直流PWM調(diào)制），就可方便地改變其直流端電壓，從而實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，這與普通有刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速是非常相似的，改變占空比D，從而得到一組互相平行的機(jī)械特性曲線，其開環(huán)機(jī)械特性較硬，具有較寬的調(diào)速范圍?？傊珺LDCM具有同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，故而簡單、牢固、免維修；又具有普通有刷直流電動(dòng)機(jī)

10、的調(diào)速性能，故而調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、且調(diào)速性能優(yōu)良。因此，BLDCM獲得了日益廣泛的應(yīng)用。特別是近幾年來，它在家用電器（特別是在空調(diào)器中的應(yīng)用，國外有人稱之為直流變頻）與伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，充分顯示了它的優(yōu)越性。四實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1MCL14 DSP控制的直流方波無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2主控制屏3方波無刷直流電機(jī)光電編碼器發(fā)電機(jī)機(jī)組4雙蹤示波器5上位機(jī)（包括軟件）和串口聯(lián)接線（選件）五實(shí)驗(yàn)步驟1見圖78，連接主電路、電流檢測、過流保護(hù)、頻/壓（f/v）轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的連線，并將U相定子電流取樣電阻短接。（有上位機(jī)時(shí)，連接上位機(jī)與組件間的串口通訊線。）2檢查給定電位器是否放在零位（要求電位器左旋到底）

11、。3經(jīng)接線檢查無誤后，合上MCL14組件左下方的電源開關(guān)，這時(shí)系統(tǒng)缺省設(shè)置在開環(huán)控制方式下。4如需轉(zhuǎn)換控制方式，須待電機(jī)停止后再按控制方式按鈕，相應(yīng)控制方式指示燈亮。5系統(tǒng)設(shè)置于開環(huán)工作狀態(tài)，分別在有與無位置傳感器情況下，進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測實(shí)驗(yàn)。（1）撳選擇“有無位置傳感器”按鈕，使系統(tǒng)工作在有位置傳感器狀態(tài)（“有傳感器”指示燈亮）；然后啟動(dòng)電機(jī)，將速度設(shè)定電位器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到二分之一額定轉(zhuǎn)速（nn/2）左右的位置，用雙線示波器同時(shí)測量與記錄電機(jī)的位置傳感器輸出PSU、PSV與地之間的波形，并觀察兩波形之間的相位關(guān)系。（2）待電機(jī)停止后，撳選擇“有無位置傳感器”按鈕，使系統(tǒng)工作在無位置傳感

12、器狀態(tài)（“無傳感器”指示燈亮）；然后啟動(dòng)電機(jī)，用雙線示波器測量與記錄端電壓與(-Ud/2)比較后比較器輸出Ou、Ov與地之間的波形，并觀察兩波形之間的相位關(guān)系。6系統(tǒng)處于開環(huán)控制狀態(tài)，起動(dòng)電機(jī)到二分之一額定轉(zhuǎn)速（nn/2）左右，測試并記錄下列波形。（1）功率晶體管基極控制波形；用雙蹤示波器測試DSP輸出功率晶體管基極控制信號(hào)1（對應(yīng)于Ug）、2（對應(yīng)于Vg）與GND之間波形，并分析兩波形間的相位關(guān)系。（2）電機(jī)定子線電壓（U、V之間）波形；（3）電機(jī)定子電流波形；將U相定子電流取樣電阻短接線拆除，用示波器觀測并記錄定子電流取樣電阻兩端波形，測試完畢后仍將該電阻短接。（4）軸編碼器輸出波形（無編

13、碼器系統(tǒng)不做）將電機(jī)起動(dòng)到nn/2左右，觀測編碼器輸出脈沖，記錄脈沖周期以及電機(jī)的實(shí)際速度。（用于實(shí)驗(yàn)報(bào)告中計(jì)算編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)）7電機(jī)起動(dòng)性能測試（無編碼器系統(tǒng)不做）（1）不用位置傳感器，使系統(tǒng)仍工作在開環(huán)控制狀態(tài)，起動(dòng)電機(jī)并將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到nn/2左右，按停機(jī)按鈕，然后再按起動(dòng)按鈕，用示波器觀測并記錄f/v輸出Un=f（t）曲線，連續(xù)測試三次。（2）用位置傳感器時(shí)，步驟同上，連續(xù)測試并記錄Un=f（t）曲線三次。（3）將電機(jī)速度調(diào)節(jié)到 nn/10左右，分別在用與不用位置傳感器條件下，測試并記錄Un=f（t）曲線，連續(xù)測試三次。8速度調(diào)節(jié)器改變時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性測試電機(jī)在高速與中速條件下，負(fù)載從

14、輕載按一定間隔加到額定負(fù)載（考慮到主回路母線電流Id與電機(jī)定子電流I1間存在固定的比例關(guān)系，為簡單計(jì)，以母線電流近似地代替電機(jī)定子電流，Id可在01.0A范圍內(nèi)變化），在速度調(diào)節(jié)器采用下列控制方式時(shí)分別測出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性曲線：（1）開環(huán)控制；（2）PID控制；（3）模糊控制（FUZZY）；（4）模糊-PID控制。9不同控制方式時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究調(diào)節(jié)電機(jī)速度到nn/2左右，用示波器觀察并記錄在不同控制方式時(shí)的下列動(dòng)態(tài)波形：（1）突加給定時(shí)的n=f（t）（即Un=f（t）與id= f（t）（即UFI=f（t），起動(dòng)電機(jī)到nn/2左右，按停機(jī)按鈕待停機(jī)后再按起動(dòng)按鈕，即可觀察上述波形。（2）突減

15、給定時(shí)的n=f（t）與id= f（t）起動(dòng)電機(jī)到nn/2左右，按停機(jī)按鈕即可觀察上述波形。10速度調(diào)節(jié)器在不同P、I、D參數(shù)時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究系統(tǒng)處于PID控制狀態(tài)，調(diào)節(jié)電機(jī)速度到nn/2左右，用示波器觀察并記錄不同P、I、D參數(shù)時(shí)的動(dòng)態(tài)波形Un=f（t）。（注意：須待電機(jī)停機(jī)后才能改變PID參數(shù)。）注意，選用上位機(jī)后，可在上位機(jī)人機(jī)界面上完成實(shí)驗(yàn)操作、觀察和記錄實(shí)驗(yàn)曲線。請?jiān)趯?shí)驗(yàn)前仔細(xì)閱讀“MCL-14上位機(jī)程序使用說明”，以便掌握具體操作方法。六實(shí)驗(yàn)報(bào)告1畫出有與無轉(zhuǎn)子位置傳感器時(shí)測得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，并在無位置傳感器的波形圖上標(biāo)出該相反電勢的過零時(shí)刻，對這兩種檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較。2帶有選件編碼器的系統(tǒng)，畫出軸編碼器的輸出波形，并計(jì)算出該編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。3畫出下列波形（1）功率晶體管驅(qū)動(dòng)波形，并注明每個(gè)周期中功率管的導(dǎo)通時(shí)間；（2）電機(jī)定子線電壓波形；（3）電機(jī)定子電流波形。4帶有編碼器的系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄，畫出起動(dòng)波形，并對該兩種起動(dòng)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較。（1）在0 nn/2左右范圍內(nèi)分別在用與不用位置傳感器條件下Un=f（t）波形；（2）在0 nn/10左右范圍內(nèi)分別在用與不用位置傳感器條件下Un=f（t）波形；（3）對實(shí)驗(yàn)中的兩種起動(dòng)方法進(jìn)行性能比較。