【正文】 系統(tǒng)和充電系統(tǒng)，技術(shù)水平也大幅提高。我國(guó)是世界公認(rèn)的稀土資源大國(guó)和稀土產(chǎn)品的制造強(qiáng)國(guó)，得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢(shì)特別是電機(jī)性能?chē)?guó)際市場(chǎng)價(jià)格昂貴的 BLDC（無(wú)刷直流永磁電機(jī)）系統(tǒng)在中國(guó)企業(yè)得到廣泛應(yīng)用在電池技術(shù)和電機(jī)技術(shù)方面都有了很大的進(jìn)展，電動(dòng)車(chē)專(zhuān)用鉛酸電池在技術(shù)上的突破已經(jīng)領(lǐng)先國(guó)際。 2 電動(dòng)小車(chē)及電機(jī)的工作特點(diǎn) 電動(dòng)小車(chē)的工作特點(diǎn)分析及電機(jī)選擇 電動(dòng)小車(chē)的工作狀態(tài)要求電機(jī)工作在頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程，而且要求電機(jī)的啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程速度快。這樣電機(jī)啟、制動(dòng)過(guò)程中會(huì)使電機(jī)電流過(guò)大，故在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)要設(shè)計(jì)電機(jī)的過(guò)電流保護(hù)，以免使電機(jī)由于電流過(guò)大無(wú)法正常工作。 由于電動(dòng)小車(chē)的頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)，這樣一定會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的啟動(dòng)、制動(dòng)電流，這樣大的電流，對(duì)永磁體產(chǎn)生的去磁影響必須引起注意。特別在電機(jī)運(yùn)行在負(fù)載溫升時(shí)，隨著工作溫度的升高，這種去磁作用就越大。若對(duì)永磁體的厚度選取不當(dāng)，這種去磁反應(yīng)還將影響到永磁體的圓復(fù)線。在選擇電動(dòng)小車(chē)用永磁 電機(jī)時(shí)，必須考慮二點(diǎn) ：第一是電機(jī)最高工作溫度。第二是起、制動(dòng)時(shí)的電樞反應(yīng)去磁作用[2]。根據(jù)電動(dòng)小車(chē)的各種啟動(dòng)制動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)要求啟動(dòng)快、制動(dòng)快，在不同的情況下，分別運(yùn)行在恒功率和恒轉(zhuǎn)矩兩種不同的運(yùn)行方式下。本系統(tǒng)選用適當(dāng)?shù)碾妱?dòng)小車(chē)，無(wú)刷電機(jī)選用SY94ZWX02型號(hào)。電機(jī)的額定值為 ： 無(wú)刷直流電機(jī)的介紹、結(jié)構(gòu)及工作原理 直流無(wú)刷電機(jī)的介紹無(wú)刷直流電機(jī)因?yàn)榫哂兄绷饔兴㈦姍C(jī)的特性,同時(shí)也是頻率變化的裝置,所以又名直流變頻,低速轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) BrushlessDirectCurrentMotor,采用方波自控式永磁同步電機(jī),以霍爾傳感器取代碳刷換向器,以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料。產(chǎn)品性能超越傳統(tǒng)直流電機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又解決了直流電機(jī)碳刷滑環(huán)的缺點(diǎn),數(shù)字式控制,是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)。本產(chǎn)品具有高效率,高轉(zhuǎn)矩,高精度的三高特點(diǎn)。同時(shí)具有體積小,重量輕,可做成各種體積形狀,是當(dāng)今最高效率的調(diào)速電機(jī),與傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)比較,或與交流變頻調(diào)速比較均有更好的性能。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱(chēng)星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。而轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速。 直流無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理框圖圖21 無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理框圖 無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)換向器的直流電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)的直流永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反，直流無(wú)刷電機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成的電動(dòng)機(jī)本體外，還要有位置傳感器、控制電路以及功率開(kāi)關(guān)器件共同構(gòu)成換向裝置，使得直流無(wú)刷電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)，在空間始終保持在90度左右的電角度。 直流無(wú)刷電機(jī)的控制原理永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)按控制電路分有橋式和非橋式兩種，按電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)來(lái)分有星形和三角型兩種方式。橋式星形接法的電機(jī)有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，輸出轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。本論文的樣機(jī)即采用三相橋式星形結(jié)構(gòu)的電機(jī)，下面就以此類(lèi)電機(jī)為例來(lái)說(shuō)明永磁無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理。 刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)傳感器控制原理如圖22所示，通過(guò)位置檢測(cè)電路檢測(cè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的端電壓，經(jīng)微處理器運(yùn)算后得到電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，再由驅(qū)動(dòng)電路按轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)輪流導(dǎo)通功率逆變橋的六個(gè)功率管，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)三相繞組的通電。三相橋式星形結(jié)構(gòu)的無(wú)刷電機(jī)在任意時(shí)刻有兩相繞組導(dǎo)通，第三相繞組處于懸空狀態(tài)。功率管有6種觸發(fā)狀態(tài)，每次只有兩只管子導(dǎo)通，每隔 1／6周期即600電角度換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每一個(gè)功率管導(dǎo)通 1200電角度。由于采用兩兩導(dǎo)通方式，所以每次只有兩相導(dǎo)通，一相截止。其各相反電勢(shì)波形、相電流波形及各功率管導(dǎo)通狀態(tài)如圖23所示?？梢钥闯?，導(dǎo)通相電流大小相等，方向相反，非導(dǎo)通相電流為零。非導(dǎo)通相在此期間其反電勢(shì)有一次過(guò)零。無(wú)刷直流電機(jī)的反電勢(shì)過(guò)零法換相控制正是基于這種方法，即檢測(cè)斷開(kāi)相的反電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)其過(guò)零時(shí)，轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組重合，延時(shí)300電角度依照開(kāi)通順序進(jìn)行換相。因此，只要檢測(cè)到各相反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，即可獲得轉(zhuǎn)子的 6個(gè)換相點(diǎn)。 圖22 無(wú)刷直流電機(jī)控制原理圖 圖23無(wú)刷直流電機(jī)反電勢(shì)、相電流及功率管導(dǎo)通時(shí)序圖 控制方案電機(jī)采用有傳感器的無(wú)刷電機(jī)。根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生一系列的PWM脈沖信號(hào)，同位置傳感器產(chǎn)生的相導(dǎo)通信號(hào)一起控制功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含單閉環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中只含有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，對(duì)轉(zhuǎn)速具有調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器使轉(zhuǎn)速跟隨給定電壓變化，對(duì)負(fù)載有抗擾作用。但是，系統(tǒng)對(duì)電源的變化沒(méi)有抗擾作用，而且系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程慢。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)含有轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器，不僅能夠?qū)ω?fù)載擾動(dòng)有抗擾作用，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中使電流跟隨電流調(diào)節(jié)器給定電壓變化，而且對(duì)電源也有抗擾作用，啟動(dòng)時(shí)保證獲得恒定的最大允許電流，減少了了電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。根據(jù)電動(dòng)小車(chē)的工作特點(diǎn)，要求啟動(dòng)時(shí)間短，工作過(guò)程轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，雙閉環(huán)系統(tǒng)可以對(duì)電流、轉(zhuǎn)速同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器選擇能夠使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能都比較好的調(diào)節(jié)器。 3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)上一章選擇的控制方案，系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本章主要介紹的控制系統(tǒng)的各個(gè)部分，主要有位置傳感器、電流傳感器、調(diào)節(jié)器、PWM產(chǎn)生電路、綜合邏輯電路、驅(qū)動(dòng)電路、各相導(dǎo)通信號(hào)產(chǎn)生電路等幾部分組成。系統(tǒng)的各個(gè)部分分別有模擬電路和數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。 調(diào)節(jié)器選擇及動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)上述的控制方案，雙閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如31下圖所示。 圖31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由圖中可知忽略了反電勢(shì)作用的影響。根據(jù)選擇的電機(jī)為SY94ZWX02型號(hào)，電機(jī)的參數(shù)選擇為。選擇逆變電路的時(shí)間常數(shù)放大倍數(shù)，電阻。電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋時(shí)間常數(shù)。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 為了選擇電流調(diào)節(jié)器，首先面臨的問(wèn)題是，應(yīng)該決定把電流環(huán)校正成哪一類(lèi)典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流環(huán)做到無(wú)靜差；從動(dòng)態(tài)要求看，電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用就是 保持電機(jī)電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，即在突加控制作用時(shí)不希望有超調(diào)，或者超調(diào)越小越好。從這一考慮出發(fā)，應(yīng)該把電流環(huán)校正成典I系統(tǒng)。（1） 電流環(huán)控制對(duì)象參數(shù)如下 電樞回路總電阻：； 電磁時(shí)間常數(shù)：； 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)：； 電流反饋系數(shù)：β=。（2）由控制對(duì)象的傳遞函數(shù)可知，為把電流環(huán)校正成典I系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)該選擇PI調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如下圖32所示。 圖32 PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （31）式中電流調(diào)節(jié)器的比例放大倍數(shù)； 電流調(diào)節(jié)器的領(lǐng)先時(shí)間常數(shù)。選擇PI參數(shù)，使 以讓調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)對(duì)消控制對(duì)象的大慣性環(huán)節(jié)的極點(diǎn)，則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為典型系統(tǒng)的形式。PI調(diào)節(jié)器的比例放大倍數(shù)的選擇取決于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和所需的截止頻率，在電動(dòng)小車(chē)系統(tǒng)中希望超調(diào)量小，為了使電流環(huán)的超調(diào)較小，取電流環(huán)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為 則ACR的比例放大倍數(shù)為 由 ，按經(jīng)驗(yàn)取，所以 又由，故在根據(jù)濾波時(shí)間常數(shù)， 所以 （3） 校驗(yàn)近似條件：① 逆變器傳遞函數(shù)近似條件 （32）現(xiàn)在 ，而顯然滿足近似條件。② 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 （33）而 顯然也滿足近似條件。、③ 忽略反電勢(shì)影響的條件忽略反電動(dòng)勢(shì)影響的近似條件為，現(xiàn) 而電流環(huán)截止頻率 ，顯然滿足近似條件。設(shè)計(jì)后電流環(huán)可達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為 可以滿足電動(dòng)小車(chē)的要求。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，把電流環(huán)當(dāng)作轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，和其他環(huán)節(jié)一起構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對(duì)象。為此，求出電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)。求得電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)經(jīng)過(guò)近似處理后，得到，整個(gè)電流環(huán)等效成只有小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。由控制對(duì)象和電流環(huán)的傳遞函數(shù)知，轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對(duì)象的傳遞函數(shù)包含了一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，而積分環(huán)節(jié)在負(fù)載擾動(dòng)作用之后。轉(zhuǎn)速環(huán)的主要擾動(dòng)為負(fù)載擾動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，則必須在擾動(dòng)之前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，于是應(yīng)該按典型II系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器了。 （1） 轉(zhuǎn)速環(huán)控制對(duì)象參數(shù)如下轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：（2） 由結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)可以看出，為了把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型II系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)