【導(dǎo)讀】長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院。畢業(yè)設(shè)計(論文). 題目名稱基于DSP的直流無刷電機控制系統(tǒng)設(shè)計。專業(yè)班級自動化6100X班。時間2020年9月至2020年6月

　　

【正文】 V2 V3 圖 4 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu) 功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源 的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給無刷直流電機的各相繞組，以便使電機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置信號。但是，由位置傳感器所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來控制功率邏輯開關(guān)單元，需要經(jīng)過一定邏輯處理后才能去控制邏輯開關(guān)單元。 眾所周知，一般的永磁式直流電機的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機氣隙中產(chǎn)生磁場。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場。由于電刷的換相作用，使得這兩個磁場的方向在直流電機運行的過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電機不停的運轉(zhuǎn)。有刷直流 電機的電刷起著電樞電流換向位置的檢測作用。和無無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)及原理 第 11 頁 (共 41 頁 ) 刷直流電機相比，就不難看出，其實無刷直流電機和有刷直流電機一樣，本身都是一臺同步電機，只是有刷直流電機中加的是一個機械的逆變器 — 換向器和電刷，而無刷直流電機采用 電子換向裝置 — 電子逆變器代替機械換向器和電刷的作用。盡管二者構(gòu)造不同，它們所起的作用卻是完全相同的，都是為了實現(xiàn)直流電機的換相 [7]。 無刷直流電機為了實現(xiàn)無電刷換相，首先要求把一般直流電機的電樞繞組放在定子上，這與有刷直流電機的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅僅這樣還不行，因為用一般直流電源給定子上各繞組供電，只能 產(chǎn)生固定磁場，但不能與運動中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場相互作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。所以，無刷直流電機除了由定子、轉(zhuǎn)子組成電機本體外，還需要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置，使得無刷直流電機運行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生永久磁場，在空間始終保持在 90176。左右電角度。在本設(shè)計系統(tǒng)中，電機采用三相六極永磁無刷電機，其定子繞組反電勢為平頂寬 120176。的梯形波。下面將對本系統(tǒng)采用兩相導(dǎo)通三相六拍運行方式的無刷直流電動機的工作原理進行具體分析。 運行中轉(zhuǎn)子位 置信號控制相應(yīng)的繞組導(dǎo)通，正轉(zhuǎn)時的導(dǎo)電順序如下： AB， AC，BC， BA， CA， CB(產(chǎn)生正轉(zhuǎn)力矩 )，如果要產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩則以反序通電。這樣在任意一個狀 態(tài)中僅有兩個繞組導(dǎo)通，一相繞組正相導(dǎo)通，一相繞組反相導(dǎo)通，而另一相繞組對應(yīng)的 功率器件上下橋臂均不會導(dǎo)通。任一相繞組，在一個電氣周期 120176。正導(dǎo)通，然后 60176。不導(dǎo)通，再有 120176。反向?qū)?，然后?60176。不導(dǎo)通。 下面討論一下無刷直流電機的力矩產(chǎn)生原理。以一相繞組正相導(dǎo)通的范圍內(nèi)產(chǎn)生的力矩為例。當(dāng)電機恒速運轉(zhuǎn)，電流指令為一恒值的穩(wěn)態(tài)情況下，控制電路強迫該相電流 為某一恒值。電機設(shè)計時使每一相繞組的反電勢波形為有平坦頂部的梯形波，其平頂寬度也盡可能接近 120176。，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號，可以使該相電流導(dǎo)通部分和梯形波反電勢的平頂部分在相位上完全重合。這樣，在 120176。范圍內(nèi)，該相電流產(chǎn)生的電磁功率和電磁力矩均為恒值，由于每相繞組正向?qū)ê头聪驅(qū)ǖ膶ΨQ性，以及三相繞組的對稱性，因此總的電磁力矩為恒值，與轉(zhuǎn)角位置無關(guān)。但實際上由于每相的反電勢梯形波平頂部分的寬度很難達到 120176。平頂部分也不可能做到平坦無波紋，加上齒槽效應(yīng)的存在等原因，力矩波動不可能為零。 基于 DSP 的直流無刷電機控制系統(tǒng)的設(shè)計 第 12 頁 (共 41 頁 ) 無刷直流 電機有什么優(yōu)缺點？ 優(yōu)點： a) 變速平穩(wěn)，幾乎感覺不到振動； b) 溫升低，可靠性好； c) 價格低，所以被較多廠家選用。 缺點： a) 碳刷易磨損，更換較為麻煩，壽命短； b) 運行電流大，電機磁鋼易退磁，降低了電機與電池的作用壽命。 無刷直流電動機速度控制策略 第 13 頁 (共 41 頁 ) 4 無刷直流電動機速度控制策略 本章在分析了無刷直流電動機調(diào)速方法的基礎(chǔ)上，詳細論述了無刷直流電動機的 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù) (SPWM)的原理，著重比較了產(chǎn)生 SPWM 的三種實時算法 (自然采樣法，對稱規(guī)則采樣法，不對稱規(guī)則采樣法 )的優(yōu)劣；針對無刷直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)算法，詳細分析了轉(zhuǎn)速控制經(jīng)典 PID 算法，提出了非線性幾分PID 算法，該算法能很好地解決無刷直流電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)的幾分飽和現(xiàn)象。 無刷直流電機的調(diào)速方法和調(diào)速性能 電動機的調(diào)速方法和調(diào)速性能 無刷直流電動機的動態(tài)特性方程為 : IREaUU ???? (1) IKT Ta ? (2) tna ddGDTT L ??? 375 2 (3) nKEa e ?? (4) 其中， Ke 為電勢系數(shù)， KT 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，講 (4)式代入 (1)式，可得： ae TKKe RKUn T ???? (5) 令 Ce=102, CT= 分別代入，得 ?eCe?? , ?MM CK ? 再代入式 (5)，得 aTeeTCC RCUn ???? 2 (6) 在式 (6)中 Ce 為電視常數(shù)， CT 只與電機本身有關(guān)， Ta 的大小 決定于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此可知，無刷直流電動機的調(diào)速發(fā)放有三種： 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。改變電樞供電電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無極平滑調(diào)速系統(tǒng)來說，這種發(fā)放最好。 to 的變化遇到時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但基于 DSP 的直流無刷電機控制系統(tǒng)的設(shè)計 第 14 頁 (共 41 頁 ) 是需要大容量可調(diào)直流電源。 改變電機的主磁通。改變電機磁通可以實現(xiàn)無極平滑調(diào)速，但只能減弱磁通，從電動機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬于恒功率調(diào)速方法，因為無刷直流電動機的定子磁場多由永磁鐵產(chǎn)生，所以這種調(diào)速方法不適用于無刷直流電機。 改變電樞回路電 阻 R。在電動機電樞回路外串聯(lián)電阻進行調(diào)速方法，設(shè)備簡單，操作方便。但只能是有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機械特性軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；在調(diào)速電阻上消耗大量的電能。 改變電阻調(diào)速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機，卷揚機及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳統(tǒng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不帶，往往和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。因此，主動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要是吧調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來使用，而對于無刷直流電動機，其調(diào)速多采用調(diào)壓調(diào)速 [8]。 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 直流斬波器又稱為直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通、斷時間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源，亦稱直流 — 直流變換器。它具有效率高、體積小、低成本的優(yōu)點，現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機車、城市無軌電車以及電平搬運車等電力牽引設(shè)備的變速拖動中，也廣泛應(yīng)用于無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中 [9]。 這樣，電動機電樞端電壓的平均值為： ssond UUTtU ??? (7) 式中 T 為開關(guān)器件的通斷周期； f 為開關(guān)頻率， ton 為開關(guān)器件的導(dǎo)通時間； ftTt onon ??? 為占空比。 由式 (7) 可知，直流斬波器的輸出電壓平均值 Ud 可以通過改變占空比 ρ 即 通過改變開關(guān)器件的導(dǎo)通或關(guān)斷時間來調(diào)節(jié)，常用的改變輸出平均電壓的調(diào)制方法有以下三種 : (1)脈沖寬度調(diào)制 (Pulse Width Modulation，簡稱 PWM)。開關(guān)器件的通斷周期 T無刷直流電機速度控制策略 第 15 頁 (共 41 頁 ) 保持不變，只改變器件每次導(dǎo)通的時間 ton，也就是脈沖周期不變，只改變脈沖的寬度，即定頻調(diào)寬，稱為脈沖調(diào)制。 (2)脈沖調(diào)頻調(diào)制 (Pulse Frequency Modulation，簡稱 PFM)。開關(guān)器件每次導(dǎo)通的時間 ton 不變，只改變導(dǎo)通周期 T 或開關(guān)頻率 f，也就是只改變開關(guān)的關(guān)斷時間，即定寬調(diào)制，稱為調(diào)頻。 (3)兩點式控制。開關(guān)器件通斷周期 T 和導(dǎo)通時間 ton 均可變，及調(diào)頻調(diào)寬，亦稱為混合調(diào)制。當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時，使開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)電流或電壓高于某一最大值時，使開關(guān)器件關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷時間以及通斷周期都是不確定的。 構(gòu)成直流斬波器的開關(guān)器件過去用的較多的是普通晶體管和逆導(dǎo)晶閘管，它們本身沒有自關(guān)斷能力，必須有附加的強迫關(guān)斷電路，增加了轉(zhuǎn)子的體積和復(fù)雜性，增加了損耗，而且由它們組成的斬波器開關(guān)頻率低，輸出電流脈動性大，調(diào)速范圍有限。自 20 世紀(jì) 70 年代以來，電力電子器件迅速發(fā)展， 研制并生產(chǎn)出既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的全控型器件，如門極可關(guān)斷晶閘管 (GTO)、電力晶體管 (GTR)、電力場效應(yīng)管 (PMOSFET)、絕緣珊極雙極型晶體管 (IGBT)等，這些全控型器件性能優(yōu)良，由它們構(gòu)成的脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng) (簡稱 PWM 調(diào)速系統(tǒng) )近年來在中小功率直流傳動中得到了迅速普及，與 VM 調(diào)速系統(tǒng) (晶閘管相控整流器供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng) )相比， PWM 調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點： (1)采用全控型器件的 PWM 調(diào)速系統(tǒng)，其脈寬調(diào)制電路的開關(guān)頻率高，一般在幾 kHz 到幾十 kHz，因此系統(tǒng)的頻帶寬 ，響應(yīng)速度快，動態(tài)抗擾能力強。 (2)由于開關(guān)頻率高，僅靠電動機電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動性很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速性好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，同時電機損耗和發(fā)熱都較小。 (3)PWM 系統(tǒng)中，主回路的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，裝置效率高，而且對交流電網(wǎng)的影響小，沒有晶閘管整流器對電網(wǎng)的“污染”，功率因數(shù)高，效率高。主電路所需的功率元件少，線路簡單，控制方便。目前，受到器件容量的限制，PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)只適用于中、小功率的系統(tǒng)。 SPWM 控制 技術(shù) 隨 著電力電子技術(shù)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制 (PWM)技術(shù)已在中小功率電動機的變頻基于 DSP 的直流無刷電機控制系統(tǒng)的設(shè)計 第 16 頁 (共 41 頁 ) 調(diào)速技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。但 PWM 波形的諧波分量大，過高的諧波會使電動機產(chǎn)生附加損耗和噪音，不利于電機的平穩(wěn)運行。正弦波脈寬調(diào)制 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)技術(shù)是基于基準(zhǔn)正弦波產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號的方法，其效果與正弦波等效，很好地克服了 PWM 技術(shù)的缺陷 [10]。 在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不相等的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。這一結(jié)論是 SPWM 控制的重要理論基礎(chǔ)。將正弦波看成是由 N 個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都為 π /N，但幅值不等，且脈沖的頂部為曲線，各脈沖的幅值按正弦波規(guī)律變化。如果將上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形狀脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)的正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖的相應(yīng)正弦部分面積相等，就有脈沖序列。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而與正弦波等效的波形，即為 SPWM 波形。 無刷直流電動機轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 無刷直流電動 機控制系統(tǒng)若只通過 PWM(或 SPWM)改變驅(qū)動電路的控制電壓來達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的，則稱該系統(tǒng)為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，控制電壓與輸出轉(zhuǎn)速之間只有順向作用而無反相聯(lián)系，即控制是單方向進行的，輸出轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生。如果生產(chǎn)機械對靜差率 (靜差率表示調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的程度，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度就越高 )要求不高，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，而且開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。但是，在實際中許多需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率提出較嚴(yán)格的要求 (也就 是要求調(diào)速 系統(tǒng)在一定的負(fù)載下的轉(zhuǎn)速變化要盡可能的小 )，不能允許很大的靜差率。例如，龍門刨床加工各種材質(zhì)的工件，刀具切入工件和退出工件時為了避免刀具和工件碰壞，由調(diào)節(jié)速度的要求；又由于毛胚表面不平，加工時負(fù)載常有波動，為了加工的精度和表面光潔度，不允