無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研制_圖文

1、廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研制 姓名:盧小錦申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):控制理論與控制工程 指導(dǎo)教師:曾岳南20090501摘要摘要無刷直流電動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中重要的運(yùn)動(dòng)部件,保留了有刷直 流電動(dòng)機(jī)寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能,同時(shí)又克服了有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī) 械換向帶來的一系列的缺點(diǎn),在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。本論文闡述了無刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理,分析了無刷 直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、等效電路、傳遞函數(shù)以及調(diào)速原理。采用轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)控制與H PWM.L ON的脈寬調(diào)制方法驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電 機(jī),并在MATLAB/Simulink平臺(tái)上進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。仿真結(jié)果表明,

2、控制系統(tǒng)有較好的動(dòng)靜態(tài)特性。論文還分析了經(jīng)典PID控制和模糊控制 各自的優(yōu)缺點(diǎn),并介紹了結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)的模糊自適應(yīng)PID控制的優(yōu)點(diǎn)。 在MATLAB/Simulink平臺(tái)進(jìn)行了基于模糊自適應(yīng)PID控制器的無刷直 流電機(jī)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)建模仿真。與采用經(jīng)典PID控制器的控制系統(tǒng) 相比,采用模糊自適應(yīng)PID控制器的控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性都得到改善。 本論文設(shè)計(jì)了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件,包括控制單元、功率 變換單元,并進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)?？刂茊卧訲I的TMS320F2812 DSP控制器為核心,設(shè)計(jì)了位置傳感器接口電路、人機(jī)界面電路、電平 轉(zhuǎn)換電路、電流采樣電路以及采樣調(diào)理電路等。功率變換單元以

3、三菱的 IPM PS21563.P為核心,設(shè)計(jì)了整流電路、逆變電路、能耗制動(dòng)電路以 及多項(xiàng)保護(hù)電路。設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812DSP控制器的速度電流雙 閉環(huán)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序、位置檢測(cè)程序、電流采樣程序、人機(jī)界面程序 以及各項(xiàng)安全保護(hù)程序等。在對(duì)硬件部分和軟件部分進(jìn)行調(diào)試后,對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),通 過實(shí)驗(yàn)波形,檢驗(yàn)了控制系統(tǒng)的工作性能。本文最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 進(jìn)行了總結(jié),并對(duì)本系統(tǒng)存在的問題和后續(xù)的研究工作提出了自己的看 法看法。關(guān)鍵詞:BLDC;DSP;MATLAB/Simulink;模糊自適應(yīng)PID廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文ABSTRACTBrushless DC Motor(BLD

4、Cis an important moving part of modern industry equipments.BLDC retains the performance of broad and smooth speed control,at thesame time BLDC overcomes a series of disadvantages brought by the Brush DCMotor mechanical commutator.Therefore,BLDC is widely used in various fields.In this paper,the syst

5、em composition and working principle of BLDC is expanded.The mathematical model,equivalent circuit and transfer function of BLDC is derived.The speed control principle of BLDC is analyzed.Speed、current closedloop control and the method of pulse width modulation H PWM.L ON are used to drive BLDC.All

6、these have been simulated on the computer with MATLAB/Simulink platforms.And the result of simulation shows that the static and dynamic characteristics of the contro l system are good.In this paper,the respective advantages and disadvantages of classic PIDcontrol and fuzzy control are analyzed.The a

7、dvantages of fuzzy adaptive PID control which combines the advantages of classic PID control and fuzzy control are introduced.The control system of BLDC which based on fuzzy adaptive PID controller has been simulated on the computer with MATLAB/Simulink platforms.Compared with control system based o

8、n classic PID control,the static and dynamic characteristics of the control system based on fuzzy self-adaptive PID control are improved.In this paper,the devices of the control system of BLDC are designed, including control unit,power conversion unit.And the electromagnetic compatibility is designe

9、d.The control unit uses TMS320F2812DSP from TI as the core.The position sensor interface circuit,man-machine interface circuit,level-shifting circuit,the current sampling circuit and sampling circuit are designed for the control unit.The power conversion unit uses ABSTRACTIPM PS21563.P from Mitsubis

10、hi as the core.The rectifier circuit,inverter circuit,power consumption and a number of brake circuit protection circuits are designed for the power conversion unit.Themotor drive control procedures based onTMS320F2812DSP controller,position testing procedures,current sampling procedures,humanmachin

11、e interface and security procedures are designed.The control system is tested after debugging the hardware and software. Through experiment waveform,the performance o f the contro l system is verified.AT the end,the design of the system is summarized.And put forward the opinion on the existing probl

12、ems of the system and further studies.Key words:BLDC,DSP,MATLAB/Simulink,Fuzzy Adaptive PIDIII廣東1=業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德,本人聲明所呈交的論文是 我個(gè)人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果,盡我所知, 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果,不包含本人或其他用途使用過的成果。與我一同 工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明,并 表示了謝意。本學(xué)位論文成果是本人在廣東工業(yè)大學(xué)讀書期間在導(dǎo)師

13、的指導(dǎo)下取 得的,論文成果歸廣東工業(yè)大學(xué)所有。申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處,本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任,特此 聲明。論文作者簽字:指導(dǎo)教師簽字: p礙 詠牽砷年多月眵日第一章緒論第一章緒論1.1課題研究的背景及意義無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種新型直流電機(jī),它是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中重要的 運(yùn)動(dòng)部件。無刷直流電動(dòng)機(jī)用一套電子換向裝置代替了有刷直流電動(dòng)機(jī) 的機(jī)械換向裝置,既保留了有刷直流電動(dòng)機(jī)寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能, 又克服了有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向帶來的一系列的缺點(diǎn)。因此,在各個(gè) 領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用¨一J.,”。早在1917年就有人提出用整流管代替機(jī)械電刷換相裝置,但由于當(dāng) 時(shí)電力電子器件僅處于初級(jí)發(fā)展時(shí)

14、期,使得直流無刷電機(jī)只能處于實(shí)驗(yàn) 室研究階段。隨著晶體管的研制成功,1955年美國(guó)哈里森等人首次申請(qǐng) 了用晶體管換相線路代替有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械電刷的專利,這標(biāo)志著無 刷直流電動(dòng)機(jī)的誕生。但這種電機(jī)的一個(gè)致命的弱點(diǎn)就是沒有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 協(xié)釓”,其次由于信號(hào)電勢(shì)的前沿陡度不大,晶體管的功耗大,因此不能產(chǎn) 品化。經(jīng)過多年的努力,人們找到了用位置傳感器和電子換相電路代替 機(jī)械電刷換相裝置。隨后,包括磁電耦合式和光電耦合式的位置傳感器 在內(nèi)的各種傳感器相繼問世,1962年美國(guó)人霍爾試制成功了借助霍爾元 件實(shí)現(xiàn)換相的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī),開創(chuàng)了永磁無刷電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品化的新 紀(jì)元。自從無刷直流電動(dòng)機(jī)誕生以來,人們把它

15、應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,從而 使其獲得了快速發(fā)展。1978年西德的MANNESMANN公司正式推出MAC經(jīng) 典無刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器,上世紀(jì)80年代國(guó)際上先后研制成方波無 刷電機(jī)和正弦波無刷電機(jī)。此外,由于上世紀(jì)70年代以來,電力電子工 業(yè)得到了飛速的發(fā)展,許多新型的高性能半導(dǎo)體開關(guān)器件,如GTO、 MOSFET、IGBT等的相繼出現(xiàn),以及高性能的永磁材料釤鈷、釹鐵硼等問 世,均為無刷電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。如今無刷電動(dòng)機(jī)集 特種電機(jī)、檢測(cè)元件、控制軟件與硬件于一體,體現(xiàn)著當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的 許多最新成果,是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)物。在計(jì)算機(jī)軟硬盤驅(qū)動(dòng)器、 光盤驅(qū)動(dòng)器、激光打印機(jī)、攝像機(jī)、錄像機(jī)

16、以及化工、采礦、航天航空、廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景¨,。目前,無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流控制多采用傳統(tǒng)的PID控制。 PID控制器是經(jīng)典控制理論應(yīng)用中最成功的代表,但并非是萬能的控制 器。因?yàn)榻?jīng)典控制理論研究的是線性時(shí)不變的控制問題,然而實(shí)際控制 系統(tǒng)多少含有非線性。另外,實(shí)際的控制系統(tǒng)中被控對(duì)象的參數(shù)也會(huì)或 多或少的變化,或者存在系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型難以建立等問題。所以,用經(jīng) 典控制理論設(shè)計(jì)的PID控制器有時(shí)難免會(huì)使控制系統(tǒng)不能滿足性能指標(biāo) 要求。PID控制中還有一個(gè)關(guān)鍵的問題就是PID參數(shù)的整定,傳統(tǒng)的整 定方法是在獲得被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上按照某種整

17、定原則來進(jìn)行 PID參數(shù)的整定。而實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時(shí)變不確定 性,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用常規(guī)的PID控制不能達(dá)到理想的控 制效果。另外,在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中,PID參數(shù)整定與自整定的方法很多, 但往往難以實(shí)施或效果不理想,常規(guī)PID控制器參數(shù)常常整定不良、性 能欠佳,變化適應(yīng)性較差n”。自查得(Zadeh提出模糊集合理論和模糊推理規(guī)則后,模糊邏輯控制 已被成功地用于許多控制系統(tǒng)。在實(shí)踐應(yīng)用中,模糊控制器是易于控制、 易于掌握的較理想的非線性控制器,是一種語言控制器,不依賴被控對(duì) 象的精確數(shù)學(xué)模型,可以用于控制那些系統(tǒng)模型無法確定的系統(tǒng)?？垢?擾能力強(qiáng),響應(yīng)速度快,對(duì)系統(tǒng)參數(shù)

18、的變化有較強(qiáng)的魯棒性。但模糊控 制本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差,難以達(dá)到較高的控制精度n o,”1。 將傳統(tǒng)PID算法與模糊算法復(fù)合,取長(zhǎng)補(bǔ)短,將能大大提高控制系 統(tǒng)的各種性能指標(biāo)。目前,各類用于電機(jī)控制的高性能的單片機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP 的功能越來越豐富,運(yùn)算速度也有了質(zhì)的飛躍,而且價(jià)格越來越低廉。 美國(guó)TI公司出品的DSP芯片被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),其內(nèi)部具有 電機(jī)控制單元,功能強(qiáng)大,其中C28x系列時(shí)鐘頻率達(dá)150MHz,可以實(shí) 現(xiàn)性能優(yōu)良的復(fù)雜控制算法。為實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng) 提供了有力保障n2,”,?；贒SP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和

19、 廣闊的發(fā)展前景¨¨“”,。2第一章緒論1.2無刷直流電機(jī)控制技術(shù)的研究熱點(diǎn)無刷直流電機(jī)由于調(diào)速性能好、效率高、體積小、重量輕,得到廣 泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)無刷直流電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行了大量的研究 工作。目前,無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)歸納如下:1.無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和估算 由于無刷直流電機(jī)用電 子換相裝置取代了物理電刷,所以精確控制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的一個(gè)關(guān) 鍵因素是正確定位轉(zhuǎn)子位置。目前,無位置傳感器的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 方案正成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。較為成熟的無位置傳感器位置信號(hào)檢測(cè)方法 主要有4種:反電動(dòng)勢(shì)法n¨¨¨¨“、

20、續(xù)流二極管法心”、電感法托3,和狀態(tài)觀 測(cè)法旺“。其中最常見和應(yīng)用最廣泛的有一種是反電動(dòng)勢(shì)法。但是這種方 法的基本原理是建立在忽略電樞反應(yīng)影響的前提下的,這在原理上就存 在一定誤差。尤其是對(duì)于大功率無刷直流電機(jī),電樞反應(yīng)對(duì)氣隙合成磁 場(chǎng)的影響更明顯,使得反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)與總的感生電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)不重合, 誤差更大,導(dǎo)致檢測(cè)出的轉(zhuǎn)子位置誤差增大。當(dāng)電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速較低的 時(shí)候,反電動(dòng)勢(shì)為零或很小,很難通過反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)來得到正確 的位置信號(hào),電機(jī)起動(dòng)困難,帶負(fù)載起動(dòng)能力差,調(diào)速范圍較有位置傳 感器的方案小。因此,研究如何在無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng) 中更精確地檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)就成為十分重要的課

21、題。2.應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是無刷直流電機(jī)控制有待改進(jìn)的 一個(gè)重要方面。直接轉(zhuǎn)矩控制是根據(jù)給定的電磁轉(zhuǎn)矩指令與電機(jī)的實(shí)際 電磁轉(zhuǎn)矩觀測(cè)值相比較得到轉(zhuǎn)矩誤差,確定轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)方向,然后根據(jù) 定子磁鏈的大小與相位角確定選擇合適的定子電壓空間矢量,從而確定 三相電壓源逆變器的開關(guān)狀態(tài),使交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩快速跟蹤外部給 定的電磁轉(zhuǎn)矩指令值。2005年,國(guó)外有研究人員首次提出嘗試將直接轉(zhuǎn) 矩控制算法引入無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制應(yīng)用上。近兩年我國(guó)的工程研究 人員也著手進(jìn)行這方面的應(yīng)用研究,以求精確控制無刷直流電機(jī)的電磁 轉(zhuǎn)矩心釘。3.先進(jìn)控制算法的研究 普通PID控制只適合于可以用固定的數(shù) 學(xué)模型所描述

22、的控制系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)中存在未知或變化的動(dòng)態(tài)量時(shí),這種3廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文控制方式就不能取得很好的效果,當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)變化過大時(shí),控制系統(tǒng) 甚至?xí)环€(wěn)定。由于無刷直流電機(jī)是一個(gè)非線性、多變量、強(qiáng)耦合的系 統(tǒng),應(yīng)用經(jīng)典PID控制難以達(dá)到較高的控制要求。所以研究人員開始運(yùn) 用智能控制理論設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)心”,目前發(fā)展比較成熟的智 能控制策略大都是將模糊控制結(jié)合經(jīng)典PID控制心”、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制心”、 自適應(yīng)控制他”、遺傳算法陽們等。下面就主要的幾種控制策略作簡(jiǎn)單介紹。 模糊控制和PID相結(jié)合的FUZZY-PID控制:如何在較寬的調(diào)速范圍 內(nèi)提高電流調(diào)節(jié)特性及減小力矩波動(dòng)一直是交流伺服系統(tǒng)研究

23、的焦點(diǎn)。 對(duì)于速度閉環(huán),速度調(diào)節(jié)器大部分采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器,只不過有些系 統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了一定程度的改進(jìn),如變系數(shù)等。這對(duì)多變量、非線性、強(qiáng) 耦合的交流伺服系統(tǒng)來說有局限性。模糊控制一直是近年來研究的熱點(diǎn), 它不依賴于被研究對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型,對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)有較好的魯棒 性,但難以消除調(diào)節(jié)終了時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,而模糊控制和PID相結(jié)合 的控制方法可很好地解決這一不足,若將兩者結(jié)合起來則系統(tǒng)同時(shí)兼有 兩種方法的雙重優(yōu)點(diǎn)¨”。FUZZY-PID復(fù)合控制有三種方案¨23釘:(1模糊控制器用來修正PID 控制器的主要參數(shù),在動(dòng)態(tài)過程中,應(yīng)用模糊推理改變算法的參數(shù),以 得到最快上升時(shí)間

24、而不出現(xiàn)輸出超調(diào);(2模糊控制器和PID控制器串接, 模糊控制輸出經(jīng)PID算法后作為對(duì)象的控制輸入,在跟蹤初始階段偏差 較大,模糊輸出大,控制輸入大,響應(yīng)加快;當(dāng)偏差減小時(shí),模糊輸出 變小,使跟蹤不出現(xiàn)超調(diào);(3模糊控制器和PID控制器并接,偏差較大 時(shí)模糊控制起作用,達(dá)到加速過度過程的目的;偏差較小時(shí),PI起作用, 保證穩(wěn)態(tài)控制精度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制相結(jié)合的復(fù)合控制¨.,35.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即具有非線性 映射的能力,可逼近任何線性和非線性模型,又具有自學(xué)習(xí)、自收斂性。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制即可用于線性對(duì)象,也可用于非線性對(duì)象,對(duì)被控對(duì)象無 須精確建模,對(duì)參數(shù)變化有較強(qiáng)的魯棒性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般和模

25、糊控制相 結(jié)合,通常有兩種結(jié)合方式:一種是在大誤差范圍內(nèi)采用模糊控制器來 改善性能提高快速性,同時(shí)在小誤差范圍內(nèi)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器達(dá)到精 確定位的目的;另一種是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)模糊控制規(guī)則的映射。模 4第一章緒論糊控制利用人腦的直覺經(jīng)驗(yàn)推理出一系列控制規(guī)則,無須對(duì)被控對(duì)象精 確建模,對(duì)伺服系統(tǒng)存在的未知因素和參數(shù)漂移不敏感,只是定位精度 不高,易發(fā)生超調(diào)和振蕩,但在誤差大范圍內(nèi)收斂速度比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 器快。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,采用這種結(jié)合方式的伺服系統(tǒng)定位精度高、無超調(diào)。 遺傳算法和模糊控制的結(jié)合¨¨7,:近年來,遺傳算法受到了國(guó)內(nèi)外的 重視,成為研究的熱點(diǎn)之一。遺傳算法是能得到

26、全局最優(yōu)解、算法簡(jiǎn)單、 可并行處理等優(yōu)點(diǎn)。而模糊控制具有一些局限性,由于模糊控制器的設(shè) 計(jì)參數(shù)很多(模糊控制規(guī)則及規(guī)則可信度、輸入/輸出的比例因子、輸入 輸出變量各模糊子集的隸屬度函數(shù)以及模糊控制器本身的非線性等原 因,至今仍缺乏有效通用的模糊控制器設(shè)計(jì)和調(diào)整方法,而只能依靠設(shè) 計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)調(diào)試。最近出現(xiàn)了一些用遺傳算法優(yōu)化模糊控制設(shè)計(jì) 參數(shù)的研究成果。若這一思想應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng),即把用遺傳算法優(yōu) 化隸屬度參數(shù)的模糊控制器應(yīng)用于無刷直流電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng),從理 論上來說,是完全切實(shí)可行的。4. 正弦波驅(qū)動(dòng)方式 與方波驅(qū)動(dòng)方式相比正弦波驅(qū)動(dòng)方式下無刷 直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn),低振蕩,低噪聲。

27、但是由于其要求配備高分辨 率的位置傳感器,成本較高,以前僅在一些要求較高的伺服系統(tǒng)使用。 近年,無傳感器、簡(jiǎn)易位置傳感器正弦波換相控制技術(shù)的出現(xiàn)將大大促 進(jìn)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制正弦化趨勢(shì)的形成。在國(guó)外已經(jīng)有公司生產(chǎn)出三 相無刷直流電動(dòng)機(jī)正弦波控制的專用芯片n”。1.3課題研究的工作內(nèi)容本課題的主要研究?jī)?nèi)容包括簡(jiǎn)述無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī) 仿真模型并對(duì)控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證;研制無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的 硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng);進(jìn)行模糊自適應(yīng)PI控制算法在無刷直流電機(jī)控制 系統(tǒng)中應(yīng)用的仿真研究。本文用六個(gè)章節(jié)系統(tǒng)地闡述了本課題的研究工作,如下所述:1.第一章說明課題研究背景,課題開展的意義以及無刷

28、直流電機(jī)控 制技術(shù)的研究熱點(diǎn)。5廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文2.第二章闡述了無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型及其基本工 作原理,制定無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制策略并在計(jì)算機(jī)上利用 MATLAB建模仿真。簡(jiǎn)述了模糊控制、傳統(tǒng)PID控制算法各自的優(yōu)缺點(diǎn), 利用MATLAB仿真研究無刷直流電動(dòng)機(jī)的模糊自適應(yīng)PI控制。3.第三章介紹了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì),其中控制電路主要包括轉(zhuǎn)子位置 檢測(cè)電路、電流采樣電路、人機(jī)界面電路、電平轉(zhuǎn)換電路;驅(qū)動(dòng)電路主 要包括整流電路、逆變電路、故障檢測(cè)電路、保護(hù)電路等。4.第四章介紹了軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì),包括轉(zhuǎn)子位置檢、速度估算程序、 電流采樣程序、PI調(diào)解器算法程序,人機(jī)界面程序

29、以及系統(tǒng)保護(hù)程序。 5.第五章介紹了控制系統(tǒng)的運(yùn)行試驗(yàn)。給出了試驗(yàn)波形。6第二章無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二章無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及其基本工作原理眾所周知,有刷直流電機(jī)具有旋轉(zhuǎn)的電樞和固定磁場(chǎng),因此有刷直 流電機(jī)必須有一個(gè)滑動(dòng)的接觸機(jī)構(gòu)一電刷和換向器,通過它們把電流 饋給旋轉(zhuǎn)著的電樞。無刷直流電機(jī)具有旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)和固定的電樞,結(jié)構(gòu) 上其轉(zhuǎn)子和定子的位置與有刷直流電機(jī)相反。這樣,電子換相線路中的 功率開關(guān)器件,如晶閘管、晶體管、功率MOSFET或IGBT(絕緣柵雙 極型晶體管等可以直接與電樞繞組連接。在電機(jī)內(nèi),裝有一個(gè)轉(zhuǎn)子位 置傳感器,用來檢測(cè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中的位置

30、。它與電子換相線路一起, 代替了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相裝置。綜上所述,無刷直流電機(jī)由電機(jī) 本體、轉(zhuǎn)予位置傳感器和電子換相線路三大部分組成n”,如圖2.1。圖21無刷直流電動(dòng)機(jī)組成框圖Fig 21Block diagram of BLDC1.電機(jī)本體 電機(jī)本體包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分,定子繞組一般為多 相(二相、三相、四相、五相不等;轉(zhuǎn)子由永磁材料按照一定極對(duì)數(shù) (2p=2,4,組成,按照其結(jié)構(gòu)分兩種:一種是將瓦片狀的永磁體貼在 轉(zhuǎn)子外表上,稱為凸極式;另一種是將永磁體嵌到轉(zhuǎn)子鐵心中,稱為嵌 入式。為了能產(chǎn)生梯形波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的形 狀呈弧形(瓦片型,磁極下定轉(zhuǎn)子氣隙均勻,氣隙

31、磁場(chǎng)呈梯形分布。7廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文2.轉(zhuǎn)子位置傳感器 位置傳感器在無刷直流電動(dòng)機(jī)中起著檢測(cè)轉(zhuǎn) 子磁極位置的作用,安裝在定子線圈的相應(yīng)位置上。當(dāng)定子繞組的某一 相通電時(shí),該電流與轉(zhuǎn)子磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁極位置變換成電信號(hào),去控制電子 換向線路,從而使定子各相繞組按一定次序通電,使定子相電流隨轉(zhuǎn)子 位置的變化按一定的次序換向,從而使電動(dòng)機(jī)能夠連續(xù)工作。位置傳感器種類較多且各具特點(diǎn),目前在無刷直流電動(dòng)機(jī)中常用的 位置傳感器有以下幾種形式。(1電磁式位置傳感器 電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來實(shí)現(xiàn) 其位置測(cè)量作用的,有開口變壓器、鐵磁諧振電

32、路、接近開關(guān)等多種類 型。在無刷直流電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用較多的是開口變壓器。電磁式位置傳感器 具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)、使用環(huán)境要求不高、適應(yīng)性強(qiáng)、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和緊湊等優(yōu)點(diǎn)。但這種傳感器信噪比較低,體積較大,同時(shí)其 輸出波形為交流,一般需整流、濾波后方可使用。(2光電式位置傳感器 這種傳感器是利用光電效應(yīng)制成的,由跟 隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動(dòng)的光源及光電管等部件組 成。它性能較穩(wěn)定,但存在輸出信號(hào)信噪比較大、光源燈泡壽命短、使 用環(huán)境要求高等缺陷。(3磁敏式位置傳感器 這種傳感器是指它的某些電參數(shù)按一定規(guī) 律隨周圍磁場(chǎng)變化而變化的半導(dǎo)體敏感元件。其基本原理為霍爾效應(yīng)和 磁阻效應(yīng)。常

33、見的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻器 及磁敏二極管等多種。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、靈敏度高、壽命 長(zhǎng)、成本低,但是輸出的電勢(shì)信號(hào)比較低,需要用外加電路將信號(hào)放大。 除上述三大類傳感器外,還有正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器等多種位 置傳感器。但是,這種元件成本較高、體積較大、所配線路復(fù)雜,因而 在一般無刷直流電動(dòng)機(jī)中很少采用。此外,利用電動(dòng)機(jī)定子繞組的反電 動(dòng)勢(shì)作為轉(zhuǎn)子磁鋼的位置信號(hào),該信號(hào)檢出后,經(jīng)數(shù)字電路處理,并送, 給邏輯開關(guān)電路去控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的換相。由于它省去了位置傳感 器,使得無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊。3.電子開關(guān)電路 無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作離不開電子開關(guān)電路,直

34、8第二章無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流電源通過開關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電。開關(guān)電路將位置傳感器檢 測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行處理,按一定的邏輯代碼輸出,觸發(fā)功率開關(guān), 從而自動(dòng)地控制了一些繞組通電,一些繞組斷電,實(shí)現(xiàn)了電子換向。無刷直流電動(dòng)機(jī)的電子開關(guān)電路主要由功率邏輯控制開關(guān)單元和位 置傳感器信號(hào)處理單元兩個(gè)部分組成。功率邏輯控制開關(guān)單元是控制電 路的核心,其作用是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動(dòng) 機(jī)定子上的各相繞組,以便使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組 導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來自位置傳感器的信號(hào)。早期的無刷直流電動(dòng)機(jī)的開關(guān)電路大多由晶閘管組成,由于其關(guān)斷 要借助于反電動(dòng)勢(shì)或

35、電流過零,而且晶閘管的開關(guān)頻率較低,使得逆變 器只能工作在較低頻率范圍內(nèi)。隨著新型可關(guān)斷全控型器件的發(fā)展,在 中小功率的電動(dòng)機(jī)中換向器多由功率MOSFET或IGBT構(gòu)成,具有控制 容易、開關(guān)頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。2.1。2無刷直流電機(jī)的基本工作原理電動(dòng)新31瓶 s蜒 s哐 、 i 一 /廠 Dc一=C ,A相 B相一 Io“ 300V 一 >誕.、掰L s哐 夕堆 L /pwml.6倉(cāng) 籽程l 驅(qū)動(dòng)電路 I氣>、 電子控制電路 l控制f IL. 圖2.2無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的基本工作原理圖Fi92-2Working principle diagram of BLDC con

36、trol system普通直流電動(dòng)機(jī)使用電刷換向,使得定子磁場(chǎng)在電機(jī)運(yùn)行過程中始 終保持與電樞磁場(chǎng)垂直從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。,無刷直流電動(dòng) 機(jī)的運(yùn)行原理和有刷直流電動(dòng)機(jī)基本相同,即在一個(gè)具有恒定磁通密度 分布的磁極下,保證電樞繞組中通入的電流總量恒定,以產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn) 9廣東T業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文矩,且轉(zhuǎn)矩只與電樞電流的大小有關(guān)。無刷直流電機(jī)的運(yùn)行根據(jù)檢測(cè)出 的轉(zhuǎn)子位置信號(hào),通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)各功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷,從而 控制定子繞組的通斷,在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。直流電動(dòng)機(jī)電樞磁勢(shì)軸線與勵(lì)磁磁勢(shì)軸線互差90。電角度時(shí),產(chǎn)生 的電磁轉(zhuǎn)矩最大。對(duì)于三相六狀態(tài)無刷直流電動(dòng)機(jī),只能控

37、制電樞磁勢(shì) 軸線與勵(lì)磁磁勢(shì)軸線間夾角盡量靠近90。電角度,即120。至60。電角 度之間。當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體位于圖2.3(a所示位置時(shí),轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出 磁極位置信號(hào),經(jīng)過控制電路驅(qū)動(dòng)逆變器,使功率開關(guān)管Sl、S4導(dǎo)通, 即繞組A、B相通電,A相進(jìn)B相出,電樞繞組在空間的合成磁勢(shì)為Fa, 轉(zhuǎn)子磁勢(shì)為Ff,如圖2.3(a所示。此時(shí)兩磁勢(shì)軸線間夾角為120。電角 度,定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。電流流通路徑為:電源正極一S 1管一A相繞組一B相繞組一s4管一電源負(fù)極。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 過60。電角度,到達(dá)圖2.3(b中所示位置時(shí),兩磁勢(shì)軸線間夾角為60。 電角度,此時(shí)位置傳感器輸出信號(hào),經(jīng)邏輯

38、變換后使開關(guān)管S4截止, S6導(dǎo)通,Sl仍導(dǎo)通。則繞組A相、C相通電,A進(jìn)C出,電樞繞組在 空間合成磁場(chǎng)如圖2.3(c中Fa。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁勢(shì)軸線間夾角又恢復(fù)至120。電角度,在定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用下,使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 電流流通路徑為:電源正極一S1管一A相繞組一C相繞組一S6管一電源 負(fù)極,依此類推。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針每轉(zhuǎn)60。電角度時(shí),功率開 關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為￥6S3一S3S2一￥2S5一S5S4一S4S1一S1S6,則轉(zhuǎn) 子磁場(chǎng)始終受到定子合成磁場(chǎng)的作用并沿順時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。10第二章無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)z>n BaS4S1導(dǎo)通b￥4S1導(dǎo)通 c￥6S1導(dǎo)通 圖2.3

39、無刷直流電機(jī)工作原理圖 Fi92-3Working principle diagram of BLDC 在圖2.3(a到(b的60。電角度范圍內(nèi),轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順時(shí)針連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),而定子合成磁場(chǎng)在空間保持圖2.3(a中Fa的位置不動(dòng),只有當(dāng)轉(zhuǎn)予磁場(chǎng) 轉(zhuǎn)過60。電角度到達(dá)圖2.3(b中Ff的位置時(shí),定子合成磁場(chǎng)才從圖2.3(a 中Fa位置順時(shí)針躍變至圖2.3(c中Fa的位置。而后每換一次向,合成 磁勢(shì)矢量方向就轉(zhuǎn)過60。電角度。由此可以看出,星形三相六狀態(tài)兩相 導(dǎo)通方式所產(chǎn)生的合成磁勢(shì)不是一個(gè)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì),而是一個(gè)跳躍式 的步進(jìn)磁勢(shì),每個(gè)步進(jìn)角是60。電角度。當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60。電角度時(shí), 逆變器開關(guān)管之

40、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6個(gè)磁狀態(tài),每一狀態(tài)都是兩相繞組導(dǎo)通,每相繞組中流過電流的 時(shí)間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120。電角度,每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通角也是120。,故 該逆變器為120。導(dǎo)通型。2.2無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由于無刷直流電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)、反電動(dòng)勢(shì)以及電流是非正弦的,如果要精確的分析電機(jī),需要涉及非線性理論、數(shù)值解法等復(fù)雜的問題, 因此做出以下假設(shè)來建立數(shù)學(xué)模型。(1電動(dòng)機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間呈梯形(近似為方波分布。(2定子齒槽的影響忽略不計(jì)。(3電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁通的影響忽略不計(jì)。(4忽略電機(jī)中的磁滯和渦流損耗。(5三相繞組完全對(duì)稱。姻蘋 姻譬 姻冪 建一x廣東工

41、業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文三;=三蘭蘭差+籠筆爹P差+三;c2-,U口、6、IIc一一定子相繞組電壓。i。、ib、t一一定子相繞組電流;e。、%、ec一一定子相電動(dòng)勢(shì);三;=r三蘭蘭芝+孝一M三一M量一MP差+圣c2-3,圖2.4無刷直流電動(dòng)機(jī)的等效電路Fi924Equivalent circuit ofBLDC無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電動(dòng)機(jī)相似,其電磁轉(zhuǎn) 矩大小與磁通和電流幅值成正比:. 疋:型立墊立絲 (2.4。 W式中:w為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度。為了產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩,要求 12第二章無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在每半個(gè)周期內(nèi),方波電流的持續(xù)時(shí)間為l 20。.電角度,梯形波反電勢(shì) 的平頂

42、部分要在120。電角度以上,兩者應(yīng)嚴(yán)格同步,理想情況下,任 何時(shí)刻定子繞組只有兩相導(dǎo)通,所以電磁轉(zhuǎn)矩可以變?yōu)?乏=2E。I冊(cè)/w (25 式中:厶為定子繞組各相反電勢(shì)的幅值;L為定子繞組各相電流的幅值。又因?yàn)闊o刷直流電動(dòng)機(jī)的定子繞組各相反電動(dòng)勢(shì)的幅值為:主磁通為:。:召I 2lrr (2.7 Pm于是有:巳=訾(Im"刀-K也刀(2-8式中:K。=NP。/60為電勢(shì)系數(shù),N為相繞組等效匝數(shù),p。為極對(duì) 數(shù),n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。因此電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可化為:r:2E。,。/w:K。L竺 (2.9 由式(2.9可以看出,無刷直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流 幅值大小成正比,所以控制逆變器輸出方波

43、電流的幅值即可控制無刷直 流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。再加上轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程:dw/dt=(r一乃一Bw/d (2-10 式中tZ為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;B為粘滯阻尼系數(shù);J為轉(zhuǎn)子及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。這樣就構(gòu)成了完整的三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性和傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)基本相同,其動(dòng)態(tài)特 性結(jié)構(gòu)圖可以采用直流電動(dòng)機(jī)通用的動(dòng)態(tài)特性結(jié)構(gòu)圖,如圖2.5所示。 13廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文u(s+卜E(s圖2-5無刷直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性結(jié)構(gòu)圖Fi92-5Dynamic characteristics structure ofBLDC由無刷直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可求得其傳遞函數(shù)為:砸=志一去乃 (2.11 式子中:K為

44、電動(dòng)勢(shì)傳遞系數(shù), K1=1/Ce,e為電動(dòng)勢(shì)系數(shù);心為轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù),K:=R/CeCi,R為電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻,C,為轉(zhuǎn)矩 系數(shù);乙為機(jī)電時(shí)間常數(shù),乙=RGD2/375CeCl,G為轉(zhuǎn)子重量,D為 轉(zhuǎn)子直徑。無刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法:對(duì)于星形連接的三相無刷直流電動(dòng)機(jī),在理想條件下,任何時(shí)刻只 有兩相定子繞組通電。令加在兩相通電繞組上的平均電壓為:Ud=2E。-I-ImR=2K。刀+ImR (212 可以得到轉(zhuǎn)速為:刀:絲二生:墨 (2.13 肛前 u。" 式子中:瓦為電動(dòng)機(jī)各相反電動(dòng)勢(shì)。L為各相相電流;刀為無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速5R為回路等效電阻,包括電動(dòng)機(jī)兩相電阻和管壓降的等效電阻。 .由式(

45、2.13P-Y知,無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可以通過改變外施平均 電壓來實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電 源有三種:旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止可控整流器、脈寬調(diào)制變換器。通過脈 14第二章無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)寬調(diào)制變換器進(jìn)行調(diào)制的方法又稱為PWM調(diào)制方法。它是用恒定直流 電源或不可控整流電源供電,利用開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制,將直流電 壓斷續(xù)加到負(fù)載上,通過通、斷電時(shí)間的變化來改變負(fù)載上直流電壓的 平均值,將固定直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源。受到器件容量限 制,PWM直流調(diào)速只能用于中、小功率系統(tǒng)。本文所控電機(jī)為小功率電 動(dòng)機(jī),所以就采用PWM調(diào)制方法來控制電動(dòng)機(jī)。2.3有

46、位置傳感器的直流無刷電動(dòng)機(jī)控制策略為使電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)階段能維持最大允許起動(dòng)力矩,充分利用電動(dòng)機(jī) 的過載能力獲得最快起動(dòng)效果,并且系統(tǒng)可在穩(wěn)態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜 差的理想效果(如圖2-6所示,本系統(tǒng)采用了是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制策 略“”。f圖2.6調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程中的理想電流、轉(zhuǎn)速的波形圖Fi92-6Ideal waveform of current and speed in the startingprocess of the speed control system電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用分析如下:1.電流調(diào)節(jié)器的作用:(1啟動(dòng)時(shí),由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出飽和,電流調(diào)節(jié)器的輸入?yún)⒖紴殡?機(jī)允許的最大過

47、載電流,使電機(jī)以最大的加速度加速,實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的 快速啟動(dòng);(2當(dāng)電流環(huán)所包含的通道上出現(xiàn)干擾時(shí),電流調(diào)節(jié)器可快速產(chǎn)生調(diào) 節(jié)作用,使電流維持不變,消除干擾量對(duì)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響。2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用:(1穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,使轉(zhuǎn)速跟隨參考轉(zhuǎn)速變化,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)無靜 15廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文差:(2在負(fù)載變化(或各環(huán)節(jié)產(chǎn)生擾動(dòng)使轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差時(shí),則可以依 靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用來消耗轉(zhuǎn)速偏差,保持轉(zhuǎn)速恒定。(3當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí),由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出飽和作用,對(duì) 電流參考量進(jìn)行限幅,限制過大的電流,起到快速保護(hù)的作用。采用上述雙閉環(huán)策略,結(jié)合數(shù)字控制的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了無刷電機(jī) 數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)

48、構(gòu),如圖2.7所示。圖2.7控制系統(tǒng)總體方案Fi92-7Overall program of control system2.4無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的仿真根據(jù)前面介紹的無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理、數(shù)學(xué)模型以及系統(tǒng)控 制方案設(shè)計(jì),下面運(yùn)用Matlab/simulink建立無刷直流電動(dòng)機(jī)的仿真模型。 本文所采用的仿真軟件是Matlab及Simulink工具箱。Matlab是由 Mathworks公司開發(fā)的當(dāng)今很流行的科學(xué)計(jì)算軟件?，F(xiàn)在的Matlab最新 版本由主包、Simulink以及功能各異的工具箱組成,以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ), 把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合到了一個(gè)簡(jiǎn)單易用的交互式上作環(huán)境中。 在這里

49、可以實(shí)現(xiàn)工程計(jì)算、算法研究、符號(hào)運(yùn)算、建模和仿真、原型開 發(fā)、數(shù)據(jù)分析和可視化、科學(xué)和工程繪圖、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)(包括圖形用戶 界面設(shè)計(jì)等功能。Simulink是Matlab的一個(gè)用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析 的軟件包,它支持線性和非線性系統(tǒng)仿真,可以進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)、離散系 統(tǒng)、混合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真。它具有模塊化、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖編程及 可視化等特點(diǎn),用戶可以方便定制和創(chuàng)建自己的模型、模塊,這樣可提 16第二章無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。圖2-8無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真建模組成框圖Fi92-8Block diagram of simulation model of BL

50、DC control system如圖2.8所示,BLDC建模仿真系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案例:轉(zhuǎn)速 環(huán)由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成,電流環(huán)同樣由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成。根據(jù)模塊化建模的 思想,將圖中所示的控制系統(tǒng)分割為各個(gè)功能獨(dú)立的子模塊,圖2-9為 在Simulink下BLDC控制系統(tǒng)建模的整體框圖,其中主要包括:無刷 直流電機(jī)本體模塊、電流調(diào)節(jié)模塊、速度調(diào)節(jié)模塊、PWM生成模塊、電 壓逆變模塊、電流檢測(cè)模塊。通過這此功能模塊的有機(jī)整合,就可在 Matlab/Simnlink中搭建出BLDC控制系統(tǒng)的仿真模型,實(shí)現(xiàn)PID控制策 略仿真。1.BLDC本體模塊 電機(jī)本體模塊是整個(gè)仿真系統(tǒng)的核心,仿真中我 們使用MAT

51、LAB7.1自帶的無刷直流電動(dòng)機(jī)模型(見圖210,可以在模型 的屬性框可配置電機(jī)的各種電氣參數(shù)。仿真中電機(jī)的參數(shù)配置如圖所示。17廣東I業(yè)大學(xué)壩七學(xué)位*文圖2-9無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型Fi929Simulation model of BLDC control systemFmm化“E宙宣蕾冒_v vch.ctt 。:-j -日t-., sr rf.口h,:E:0s+LH日53Fd一"Hn.ffd.:口?;盞簍=筍=!一圖2-10電機(jī)模塊參數(shù)配置Fi92一l 0Configuration parame'【ers of electrical module2.電流、速度調(diào)節(jié)模

52、塊 電流、速度調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器。 PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如圖211所示。對(duì)于電流調(diào)節(jié)器,輸入為參考電流 和檢測(cè)電流的差值,輸出為占空比。對(duì)于速度調(diào)節(jié)器輸入為參考轉(zhuǎn)速和 實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值,輸出為參考電流的幅值。其中,PI調(diào)節(jié)器由比例環(huán)節(jié)、 積分環(huán)節(jié)和飽和限幅環(huán)節(jié)構(gòu)成。庶卜1 I.一。廣t習(xí) 。 7匕1J 限幡 。圖2-11PI調(diào)節(jié)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fi92-11Internal structure of PI regulator3.PWM波生成模塊 方案中采用了單斬式(HpwmLonPWM調(diào)制方 式。該調(diào)制方式對(duì)上橋臂功率管進(jìn)行PWM調(diào)制,下橋臂功率管恒導(dǎo)通。 這種PWM調(diào)制方式通過對(duì)上橋臂進(jìn)行PWM調(diào)

53、制,調(diào)節(jié)輸入電動(dòng)機(jī)電壓的 大小。占空比a控制每個(gè)PWM波周期中,功率管開通與斷開的時(shí)間。同 時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)的狀態(tài)值控制功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷的邏輯順 序。根據(jù)霍爾位置信號(hào)制定的導(dǎo)通邏輯表格表2-1,該模塊仿真模型如 圖2-12。表2-1開關(guān)管導(dǎo)通邏輯表Table21Logical table of switchingHalll Hall2Hall3S1S2S3S4S5S6 O l 0PWM OFF OFF ON OFF OFF 011PWM OFF OFF OFF OFF ON 001OFF OFF PWM OFF OFF ON 10l OFF ON PWM OFF OFF OFF l 0

54、0OFF ON OFF OFF PWM OFF l 10OFF OFF OFF ON PWM OFF 注:halll、hall2、hall3表示電機(jī)的三路霍爾位置信號(hào)。S1、S2、S3、S4、 S5、S6分別表示六只功率管,PWM表示該管進(jìn)行PWM調(diào)制。ON表示該管導(dǎo)通,OFF 表示該管關(guān)斷。19廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文Oonamt圖2.12PWM波生成模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fi92-12Internal structureof PWM wave generation module其中在模型中,根據(jù)轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置信號(hào),使用M語言編寫了該導(dǎo) 通邏輯表,程序代碼如下:Log.mfunction Log=l

55、og(thetatheta=mod(mod(theta,360,72;if(theta>=O&(theta<12log=1O O O 0l】;elseif(theta>=12&(theta<24log=【O O 1O 0l】;elseif(theta>-24&(theta<36log=【0110O 0】;elseif(theta>=36&(theta<48log=【O 1O O 10】;elseif(theta>=48&(theta<60log=00011O】;elseif(theta>=

56、60&(theta<72log=1O 01O 0】;end第二章無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.電流檢測(cè)模塊 理想情況下,無刷直流電機(jī)處在兩相導(dǎo)通三相六 狀態(tài)模態(tài),每一時(shí)刻兩相導(dǎo)通,另外一相懸空。其三相電流與電角度對(duì) 應(yīng)圖形如圖2-15。因此,可以通過對(duì)轉(zhuǎn)子的位置角來判斷電機(jī)的三相電 流導(dǎo)通情況從而決定對(duì)哪一相進(jìn)行電流采樣。本模型中我們的電流采樣原則是對(duì)導(dǎo)通兩相中的電流值為正值的那 相進(jìn)行電流采樣。例,當(dāng)0:240。300?；?:300。360。,C 相為非換相相,且它的電流值為正值,此時(shí)可以檢測(cè)C相電流絕對(duì)值作 為電流反饋值,其它時(shí)刻的檢測(cè)值以此類推。相電流與電角度關(guān)系圖見 圖21

57、3,電流檢測(cè)模塊如圖214。J L流 llJ l流I lJ IiI流 Il l圖2.13相電流與電角度相位圖Fi9213Phasic diagram of phase current and electric degrees圖2.14電流檢測(cè)模塊Fi92-14Current sampl ing module21廣東I業(yè)大學(xué)碩±學(xué)位論文仿真中,BLDC參數(shù)設(shè)置為:定子相繞組電阻R=2875o,定子相 繞組自感L=0.0085L,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=O 008kg m2,額定轉(zhuǎn)速2000r/rain,極 對(duì)數(shù)p=5.500V直流電源供電。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的BLDC控制系統(tǒng)仿真 模型的靜、動(dòng)態(tài)性能,

58、系統(tǒng)空載起動(dòng),待進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,在t-005s時(shí)突加 負(fù)載T=I 5Nm,可得到系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、A相電流和A相反電動(dòng)勢(shì)、反 饋電流仿真曲線如下各圖所示。圖2.15轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fi9215Speed response cutvg圖2.15為轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線,由圖形可看出控制系統(tǒng)在對(duì)階躍輸入具有 較小超調(diào),較小的調(diào)節(jié)時(shí)間。對(duì)突加擾動(dòng)具有較快的反應(yīng)速度,能迅速 調(diào)整回到設(shè)定值。圖2.16反饋電流曲線Fi92I 6Feedback correncurve圖2一16為反饋電流波形。反饋電流為電流環(huán)的反饋值,由于無刷直第=章無刷直流電機(jī)控制秉統(tǒng)設(shè)計(jì)流電機(jī)的相電流是交流電,但是電流參考值是直流量,所以反饋電流是 采樣所得的交