電機數(shù)字控制系統(tǒng)集成設(shè)計-課程報告

HarbinInstituteofTechnology無刷直流電機數(shù)字限制系統(tǒng)集成設(shè)計的分析課程名稱：電機數(shù)字限制系統(tǒng)的集成設(shè)計院系：電氣工程系姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師：楊貴杰2015年5月11日無刷直流電機數(shù)字限制系統(tǒng)集成設(shè)計的分析摘要：以方波驅(qū)動無刷直流電動機系統(tǒng)為例，分析了無刷直流電的探討概況，工作原理和數(shù)字限制系統(tǒng)的集成設(shè)計思想、原理、結(jié)構(gòu)特點和驅(qū)動限制方法。其中，驅(qū)動限制方法主要以目前比較熱的無位置傳感器限制技術(shù)為例進行分析。無位置傳感技術(shù)主要介紹反電動勢檢測法，并結(jié)合試驗室探討內(nèi)容進行了仿真分析。關(guān)鍵詞:無刷直流電機，探討概況，工作原理，數(shù)字限制系統(tǒng)，無位置傳感器技術(shù)無刷直流電機探討概況無刷直流電動機（BrushlessDCMotor）是在有刷直流電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。有刷直流電動機從19世紀(jì)40年頭出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩限制特性，在相當(dāng)一段時間內(nèi)始終在運動限制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但其有機械接觸的電刷換向器結(jié)構(gòu)始終是直流電動機的一個致命弱點，這降低了系統(tǒng)的牢靠性，限制了其在很多場合中的應(yīng)用。例如在航空上，電刷磨損和換向火花是特別嚴峻的問題，干脆影響到維護性和牢靠性。為了取代有刷直流電動機的機械換向裝置，人們進行了長期的探究。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流電機的機械電刷，從而誕生了無刷直流電動機的基本思想。1955年，美國的D.Harrison等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電動機機械電刷的專利，標(biāo)記著現(xiàn)代無刷直流電動機的誕生。無刷直流電動機的發(fā)展在很大程度上取決于電力電子技術(shù)的進步。在無刷直流電動機發(fā)展的早期，由于當(dāng)時大功率開關(guān)器件僅處于初級發(fā)展階段，牢靠性差，價格昂貴，加上永磁材料和驅(qū)動限制技術(shù)水平的制約，使得無刷直流電動機自獨創(chuàng)以后的一個相當(dāng)長的時期內(nèi)，性能都不志向，只能停留在試驗室階段，無法推廣運用。1970年以來，隨著電力半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，很多新型的全控型半導(dǎo)體功率器件：如（GTR、MOSFET、IGBT等）相繼問世，加之高磁能永磁材料的接連出現(xiàn)，均為無刷直流電動機廣泛應(yīng)用奠定了堅決的基礎(chǔ)，無刷直流電動機系統(tǒng)因而得到了快速的發(fā)展。在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上，前聯(lián)邦德國的MANNESMANN公司正式推出了MAC無刷直流電動機及其驅(qū)動器，引起了全世界各國的關(guān)注，隨即在國際上掀起了研制和正式生產(chǎn)無刷直流系統(tǒng)的熱潮，這也標(biāo)記著無刷直流電動機走向好用階段。我國對于無刷直流電動機的探討起步較晚。1987年，在北京舉辦的聯(lián)邦德國金屬加工設(shè)備展覽會上，SIEMENS和BOSCH兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動器，引起了國內(nèi)有關(guān)學(xué)者的廣泛留意，自此國內(nèi)掀起了研制開發(fā)和技術(shù)引進的熱潮。經(jīng)過多年的努力，目前，國內(nèi)已有無刷直流電動機的系列產(chǎn)品，形成了肯定的生產(chǎn)規(guī)模。自20世紀(jì)90年頭以來，隨著人們生活水平的提高，現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動化、家用電器、工業(yè)機器人等設(shè)備都越來越趨向于高效率化、小型化和高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機必需具有精度高、速度快、效率高等特點，無刷直流電動機的應(yīng)用也因此而快速增長。尤其在節(jié)能已成為時代主題的今日，無刷直流電動機高效率的特點更顯示了其巨大的應(yīng)用價值[1]。無刷直流電機原理無刷直流電機的限制系統(tǒng)主要由永磁無刷直流電機、逆變器、位置傳感器和限制器幾部分組成，如圖1所示。無刷直流電機轉(zhuǎn)子由永磁鋼按肯定極對數(shù)2p=2、4……組成三相定子繞組，分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件連接，磁極位置傳感器跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸相連接。無刷直流電動機的工作是通過逆變器功率管按肯定的規(guī)律導(dǎo)通關(guān)斷，使電機定子電樞產(chǎn)生按60電角度不斷前進的磁勢，帶動電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。下面以圖2所示的兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機為例來說明其工作原理。電機本體的電樞繞組為三相星形連接，極對數(shù)為1，位置傳感器與電機本體同軸，限制電路對位置信號進行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后限制逆變器的功率開關(guān)管，使電機的各相繞組按肯定的依次工作。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到圖3（a）所示的位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)限制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使VT1、VT6導(dǎo)通，即A、B兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)VT1流入A相繞組，再從B相繞組流出，經(jīng)VT6回到電源的負極。電驅(qū)繞組在空間產(chǎn)生的磁動勢Fa如圖3（a）所示，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過60電角度，到達圖3（b）所示位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)限制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使VT1、VT2，A、C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)VT1流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)VT2回到電源的負極。電驅(qū)繞組在空間產(chǎn)生的磁動勢Fa如圖3（b）所示，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機的轉(zhuǎn)子接著順時針轉(zhuǎn)動。圖1無刷直流電機組成圖2三相無刷直流電機系統(tǒng)原理圖（a）磁極處于B相平面（b）磁極處于A相平面圖3無刷直流電機工作原理圖轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯以次為（VT1、VT6），（VT1、VT2），（VT3、VT2），（VT3、VT4），（VT5、VT4），（VT5、VT6），（VT1、VT6）。在此期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。在圖3（a）到圖3（b）的60電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場沿順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而定子合成磁場在空間保持圖3（a）中Fa的位置靜止。只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場沿順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)60電角度，到達圖3（b）所示的Fa位置時，定子合成磁場才從圖3（a）的Fa位置到圖3（b）中的Fa位置?？梢姡ㄗ雍铣纱艌鲈诳臻g不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而是一種跳動式旋轉(zhuǎn)磁場，每個步進角是60電角度。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60電角度時，逆變器開關(guān)管之間就進行一次換流，定子磁狀態(tài)就變更一次?？梢姡姍C有六種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組中流過電流的時間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度，每個開關(guān)管的導(dǎo)通角為120度，故該逆變器為120導(dǎo)通型。這種工作方式也就是最常用的兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)。無刷直流電動機的基本物理量有電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流、反電動勢和轉(zhuǎn)速等，這些物理量的表達式與電動機氣隙磁場、繞組形式有特別親密的關(guān)系。對于采納稀土永磁材料的電動機，其氣隙磁場一般為方波，其志向波形見4所示。對于方波氣隙磁場，當(dāng)定子繞組采納集中整矩繞組，方波磁場在定子繞組中感應(yīng)的電動勢為梯形波。方波氣隙磁感應(yīng)強度在空間的寬度應(yīng)大于120電角度，從而使得在定子電樞繞組中感應(yīng)的梯形波反電動勢的平頂寬應(yīng)大于120電角度。方波電動機通常采納方波電流驅(qū)動，由電子換向器向方波電動機供應(yīng)三相對稱的、寬度為120電角度的方波電流。方波電流應(yīng)位于梯形波反電動勢的平頂寬度范圍內(nèi)，如圖5所示。圖4志向方波氣隙磁場圖5梯形波反電勢和方波電流無刷直流電機的電動勢方程如式（1）所示，電磁轉(zhuǎn)矩方程如式（2）所示。其中為電動勢常數(shù)，為電機轉(zhuǎn)速，為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，為電樞電流。（1）（2）無刷直流電機數(shù)字限制系統(tǒng)簡介數(shù)字限制系統(tǒng)采納微處理器（MCU、DSP、ARM、FPGA）實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的計算和調(diào)整、開關(guān)管通斷選擇、電流環(huán)限制等。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)、外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)。內(nèi)、外環(huán)的響應(yīng)時間常數(shù)不同。電流環(huán)響應(yīng)時間要短，一般轉(zhuǎn)速環(huán)時間常數(shù)是電流環(huán)時間常數(shù)的幾十倍。然而，兩個限制環(huán)的采樣時間可以采納不同的值，一般轉(zhuǎn)速環(huán)的采樣時間是電流環(huán)采樣時間的3~10倍[2]。在伺服系統(tǒng)中，小的電流環(huán)采樣時間可以減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動，尤其是對于無刷直流電機這種存在轉(zhuǎn)矩脈動電機；還可以獲得更好的低速性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，達到更好的綜合性能。另一方面，電流環(huán)減小，對系統(tǒng)的軟硬件的要求就提出了更高的要求。限制算法不能過于困難，處理器的處理速度以及容量要足夠快、足夠大。當(dāng)然，在性能指標(biāo)和系統(tǒng)成本中間要折衷考慮。試驗室中的無刷直流電機和永磁同步電機的限制系統(tǒng)的電流環(huán)采樣時間是100μs，速度環(huán)采樣時間是電流環(huán)采樣時間的10倍，即1ms。在無刷直流電機的無位置傳感器限制系統(tǒng)中，由于不須要測速元件，硬件電路設(shè)計相對而言更加簡潔，成本更低。無刷直流電機的電流傳感器一般可以采納成本低廉，性能牢靠的IR2175。IR2175是專為電機驅(qū)動設(shè)計的單片電流檢測集成芯片。它通過外接分流電阻測量電機的相電流，不須要A/D轉(zhuǎn)換芯片就可以自動將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字PWM信號輸出，可以干脆與處理器連接。與傳統(tǒng)的霍爾電流傳感器相比，IR2175具有溫漂低、數(shù)字PWM輸出、電路設(shè)計簡潔、無需A/D轉(zhuǎn)換器的特點，為廠家節(jié)約成本，在風(fēng)機領(lǐng)域和不要求精度的電機驅(qū)動場合得到廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機的處理器可以選擇英飛凌單片機或DSP處理器，如TI公司的定點型TMSF2808數(shù)字信號處理器。無刷直流電機相當(dāng)于定子和轉(zhuǎn)子位置互換，機械換向器由電子換向器（微處理器和三相全橋逆變電路）替代的直流電機，因此無刷直流電機的內(nèi)環(huán)和外環(huán)的限制系統(tǒng)帶寬設(shè)計可以參考直流電機的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計較為簡潔。4.無刷直流電機無位置傳感器技術(shù)檢測無刷直流電機的轉(zhuǎn)子位置角度的方法有反電勢過零點檢測法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法、定子三次諧波檢測法等。4.1反電勢檢測法圖6三相反電勢隨轉(zhuǎn)子位置變更圖反電勢檢測法是目前較常用無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)：檢測圖6的反電勢,,過零點的時刻并延遲30°電角度時間后切換開關(guān)狀態(tài)。最成熟的反電勢檢測法是端電壓檢測方法[3]。推導(dǎo)過程如下：若電機定子繞組Y—型連接，三相繞組端電壓方程(3)式中：—端電壓；—中性點電壓；—繞組等效電感。采納120°電角度兩兩導(dǎo)通換相方式，假設(shè)此時C相反電勢過零，于是有：(4)又,將式(4)中三個端電壓方程相加：(5)從圖6中可以很明顯看出反電勢過零點時三相反電勢的和等于零，有：(6)非導(dǎo)通相反電勢：(7)即通過檢測非導(dǎo)通相的端電壓并與中點電壓比較就可以得到反電勢過零點，同樣的方法可以得到A相和B相的反電勢過零點，將反電勢過零點信號延遲30度電度角就得到六個離散的轉(zhuǎn)子位置信號，為換相限制電路供應(yīng)正確的換信任息，進而實現(xiàn)無刷直流電機的無位置傳感器限制。圖7是反電勢檢測電路實現(xiàn)示意圖。圖7反電勢檢測電路示意圖4.2轉(zhuǎn)速模塊和電流采樣模塊 電機轉(zhuǎn)速和每相反電勢過零點的頻率成正比，因而可以用嵌入式處理器中的計數(shù)器Timer模塊在單位時間內(nèi)對反電勢過零點計數(shù)，得到的數(shù)值換算成rpm值作為轉(zhuǎn)速反饋。電流采樣方式有（1）運用霍爾電流傳感器；（2）運用電阻和線性光耦；（3）在直流母線上接入采樣電阻測量直流母線上的電流，然后采納擴展的軟硬件設(shè)計計算得出電流值。若選擇母線電流，須要留意到開光管的PWM調(diào)制會使得母線電流含有明顯的諧波重量，因而須要對母線電流適當(dāng)?shù)臑V波。對三相電流采樣時，須要在每個電流環(huán)中斷選擇三相電流中的正電流值作為電流反饋，同樣須要加濾波環(huán)節(jié)。4.3PI調(diào)整器速度和電流調(diào)整器是一般的離散化的數(shù)字PI調(diào)整器，可以附加抗飽和積分的算法。也可以采納神經(jīng)元調(diào)整器等比較特別的調(diào)整器。4.4無刷直流電機的啟動 無刷直流電機的啟動分為三步：第一步，轉(zhuǎn)子預(yù)定位；其次步，他控式加速；第三步，切換到自控式運行。在第一步中，給電機的指定兩相繞組通電，產(chǎn)生一個合成磁場，在該磁場的作用下將轉(zhuǎn)子定為到合成磁場的軸線方向。在其次步中，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的換向依次，輪番換向，換向頻率和PWM占空比同比例增大，轉(zhuǎn)速漸漸穩(wěn)步上升。在第三步中，此時電機的轉(zhuǎn)速足夠高，反電勢明顯可以檢測到過零點，此時切換到自控式運行。切換速度一般在15%左右[3]。4.5無刷直流電機無位置傳感器技術(shù)的關(guān)鍵（1）無刷直流電機如何從開環(huán)啟動加速并且能夠平滑地過渡到自控式運行是一個比較關(guān)鍵的技術(shù)點。在切換過程中轉(zhuǎn)速不應(yīng)出現(xiàn)波動，電流不應(yīng)出現(xiàn)明顯的畸變。（2）無刷直流電機的反電勢檢測環(huán)節(jié)在加入濾波環(huán)節(jié)之后，檢測到的過零點會有相移。因而濾波環(huán)節(jié)的選擇以及加入濾波環(huán)節(jié)后的相位補償也是比較關(guān)鍵的技術(shù)。（3）無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩脈動的抑制問題。（4）負載出現(xiàn)較大擾動時無刷直流電機的魯棒性。5.Matlab仿真仿真條件：電機給定轉(zhuǎn)速1000rpm，仿真時間0.2s；電機轉(zhuǎn)動慣量3e-4(kg.m2),極對數(shù)為4；0.04s切