【正文】 進入的控制功能。 4 系統(tǒng)總體設(shè)計方案與控制策略研究 4． 1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 無刷直流電動機控制系統(tǒng)，根據(jù)有無位置傳感器，可分為有位置傳感器控制系統(tǒng)和無位置傳感器控制系統(tǒng)。很多國內(nèi)外學(xué)者對于無位置傳感器的無刷直流電機 (雙無電機 )進行了許多研究，針對雙無電機位置檢測和起動問題提出了不少方案，但 這些方案盡管省去了位置傳感器，卻由于轉(zhuǎn)子位置檢測電路、起動控制電路等的加入使得整個控制系統(tǒng)的硬件電路趨于復(fù)雜化，不可避免地帶來系統(tǒng)工作可靠性和穩(wěn)定性的問題。綜合上述因素，本系統(tǒng)采用了有位置傳感器控制方法對無刷直流電動機進行控制。本系統(tǒng)主回路主要由單片機、 IR21 MOSFET 組成，控制部分以 C8051F330為核心，構(gòu)成功能齊全的電流、速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電流的反饋是通過檢測電阻 R 上的壓降來實現(xiàn)。速度反饋則是通過霍爾位置傳感器輸出的位置量，經(jīng)過計算得到的。位置傳感器輸出的位置量還用于控制換相。系統(tǒng)通過軟 、硬件的協(xié)調(diào)配合采用全數(shù)字雙閉環(huán)控制。 4． 2 檢測方案 電機控制系統(tǒng)中信號檢測是必不可少的，不僅開環(huán)控制狀態(tài)的極限控制需要，如過電流、過電壓、過熱和欠電壓等嚴重影響系統(tǒng)正常工作的信號，而且對于絕大多數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)，狀態(tài)信息的檢測更是不可缺少，即進行實時檢測并利用檢測信號控制電機的正常運行。檢測信號分為電量和非電量兩類。電量有電流、電壓、電荷量和電功率等。在檢測系統(tǒng)中占絕大多數(shù)檢測信號屬于非電量信號，如位置、速度等。在電機控制系統(tǒng)中，常用的檢測信號主要有電流、電壓、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速等物理量。下面分別介 紹這些物理量的檢測方法。 轉(zhuǎn)子位置檢測方案 位置傳感器主要用于轉(zhuǎn)子位置檢測和速度計算，為了正確的獲得轉(zhuǎn)子位置信息，不僅要合理地設(shè)計轉(zhuǎn)子位置傳感器與單片機的接口，還要考慮位置信號處理的方法?；魻栁恢脗鞲衅骼么琶艋魻栐z測轉(zhuǎn)子永磁磁極位置，假設(shè)當轉(zhuǎn)子永磁 N 極接近霍爾元件時，輸出信號為高電平，而當轉(zhuǎn)子 S 極接近霍爾元件時，輸出信號為低電平，那么轉(zhuǎn)子永磁磁極間位置就是霍爾元件輸出電平位上升沿或下降沿的位置。檢測轉(zhuǎn)子位置傳感器信號采用的方法有正交編碼接口，數(shù)字 FO 口中斷和數(shù)字 I/O 口輸入，本文采 用數(shù)字 I/O 口輸入。 數(shù)字 I/O 口輸入是將數(shù)字 I/O 口引腳設(shè)置成輸入功能，霍爾元件的輸出信號經(jīng)過單片機的數(shù)字 I/O 口輸入，定時讀取 I/O 口端口數(shù)據(jù)寄存器，并判斷霍爾位置信號的電平高低變化，從而確定轉(zhuǎn)子位置信息，并估計轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，達到控制無刷直流電動機導(dǎo)通順序的目的。數(shù)字 I/O 口讀取數(shù)據(jù)與霍爾信號變化之間存在時間差別，但是只要 PWM 開關(guān)頻率達到一定數(shù)值，轉(zhuǎn)子機械慣性的轉(zhuǎn)速平滑作用使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估計的精度還是能滿足調(diào)速精度要求的。 電流檢測方案 電流環(huán)調(diào)節(jié)主要作用是限制電機的最大電流，調(diào)節(jié)對 象的動態(tài)結(jié)構(gòu)，加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，減小因電網(wǎng)電壓等因素引起的動態(tài)速變。在電機的起動過程中，使電機在所能允許的最大電流下“恒流”起動，保證起動的快速性；在轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨電流給定變化。作為高性能的無刷直流電機均帶有電流環(huán)。為實現(xiàn)電流環(huán)控制，必須有一個能夠檢測電流的檢測電路。電流是電機內(nèi)部最基本的物理量。電流的檢測主要有電阻法、電流互感器法和霍爾效應(yīng)電流傳感器法 3種。 （ 1）電流互感器法 圖 ，它類似于變壓器，是利用交流電的電磁感應(yīng)原理測量電流的，如工頻交流電流，適用于高壓大電流 ，但測量動態(tài)或低頻等信號時，精度不高。 圖 電流互感器 （ 2）霍爾效應(yīng)電流傳感器 它是利用霍爾效應(yīng)和磁場平衡原理設(shè)計的精密型電流檢測元件，如圖 4． 2所示。 圖 霍爾效應(yīng)電流傳感器 測量系統(tǒng)主要由被測導(dǎo)體，聚磁環(huán)、線圈、霍爾元件、放大驅(qū)動電流和測量電阻組成。當被檢測導(dǎo)體流過電流時，導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場集中在聚磁環(huán)的氣隙中，氣隙磁場使安放在氣隙中的 霍爾元件產(chǎn)生霍爾電勢，這是因為霍爾元件上流過恒定電流所致。該電勢經(jīng)過放大器驅(qū)動電子器件導(dǎo)電，從而繞在聚磁環(huán)上的線圈就流過電流，線圈中流過的電流在聚磁環(huán)中也會產(chǎn)生方向正好與被測導(dǎo)體相反的磁場。由于放大器的放大倍數(shù)很高，這兩種磁場的相互影響最終使得氣隙磁場趨近于零，即達到磁場平衡。當被測導(dǎo)體上的電流產(chǎn)生的磁場與線圈產(chǎn)生的磁場近似相等時，由磁勢平衡原理可知，線圈上流過的電流產(chǎn)生的磁場與線圈的匝數(shù)成反比，而與被測導(dǎo)體的電流成正比。因此，測量線圈上流過的電流就可以測量導(dǎo)體電流，由于線圈的匝數(shù)很多，電流很小，它必須通過 測量電阻R。上電壓達到測量電流的目的。霍爾效應(yīng)電流傳感器的優(yōu)點是可以實現(xiàn)電氣隔離，而且交流與直流均可測量，精度高，當價格昂貴，而且需要額外的恒壓直流電源。 (3)電阻法 電阻法是利用電流流過電阻會產(chǎn)生壓降，檢測電阻兩端電壓大小就可以知道流過電阻的電流大小。這種方法是最基本的。電阻法測電流的優(yōu)點是使用的元器件成本低，線路簡單，反應(yīng)速度快等，通常在小電流情況下使用。缺點是電阻上消耗能量，且電阻精度受溫度影響。 對于兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)無刷直流電動機，在任一時刻，只有兩相繞組通電，電流從一相繞組流入，再從 一相繞組流出，電流大小與直流側(cè)電流大小相等。這樣，只需要在直流側(cè)接入一個采樣電阻就可以檢測導(dǎo)通相的相電流。電流檢測電路主要由分流電阻、濾波電容、功率放大器組成。對于采集到的電流信號，由于信號較弱，所以經(jīng)過電阻將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柡?，必須?jīng)過功率放大器放大處理后在送入單片機的 ADC 模塊，進行 A／ D 轉(zhuǎn)換。 如圖 4． 3所示，電流信號通過檢測采樣電阻 R 兩端電壓得到。電流檢測信號一方面作為 1112130的過流保護信號，接至刀 R2130的 ITRIP 腳；另一方面作為電流環(huán)的反饋信號輸入到單片機中。 圖 電流檢測和保護電路原理 采樣電阻應(yīng)根據(jù)最大允許電流的限制來選取，其阻值以端電壓 0． 5V 為準。由于IR2130的 ITRIP 端的輸入閥值電壓為 0． 5V，當采樣電阻上的壓降大于 0． 5V時，Ⅱ匕130內(nèi)部的故障處理單元動作，使 IR2130的輸出全為低電平，保證六個功率器件的柵源極迅速反偏而全部截至，從而有效地保護功率管。如果電動機最大電流為 Jo，則采樣電阻按式 (4． 1)選擇 max? （ ） 速度信號檢測 在一般的電動機調(diào)速系統(tǒng)中，通常均在電動機的轉(zhuǎn)軸上安裝一個測速發(fā)電機、光電編碼器等測速裝置，以此來精確地測量電動機轉(zhuǎn)速。由于多數(shù)無刷直流電機的容量都很 小，一般不宜在其軸上安裝如測速發(fā)電機等測量裝置。無刷直流電動機轉(zhuǎn)子霍爾位置傳感器可以檢測轉(zhuǎn)子磁極位置角，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 3600電角，霍爾信號狀態(tài)變化 6次。也就是說，霍爾狀態(tài)每變化 1次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 60。電角，極對數(shù)為 P 的電機轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一周，霍爾信號變化 6P 次。利用定時器確定相鄰 2次霍爾狀態(tài)變化所需要的時間，就可以計算轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速。電樞繞組每隔 600電角度換相一次，如果電機的極對數(shù)為 P，則電機的機械角速度為： )/(3 sradtp??? ? （ ） 電機的速度為 min)/(1013606060 00 rtptpn ????? （ ） 每隔一定的時間對轉(zhuǎn)速給定與所測轉(zhuǎn)速進行比較，如果轉(zhuǎn)速誤差超過最大允許值，則通過數(shù)字 PID 算法對轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，將它與所測的實際電流進行比較，通過數(shù)字 PID 算法進行電流調(diào)節(jié)，用電流調(diào)節(jié)器的輸出控制 PWM 波的占空比，從而控制功率開關(guān)的通斷。 PID 調(diào)節(jié)器 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對象隨著負荷變化或干擾因素影響，其對象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。自適應(yīng)控制運用現(xiàn)代控制理論在線辨識對象特性參數(shù)，實時改變其控制策略，使控制系統(tǒng)品質(zhì)指標保持在最 佳范圍內(nèi)，但其控制效果的好壞取決于辨識模型的精確度，這對于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的。因此，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量采用的仍然是 PID 算法， PID 參數(shù)的整定方法很多，但大多數(shù)都以對象特性為參數(shù)。 在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是 PID 控制。模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 4． 4所示，系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對象組成。 圖 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值)(tr與實際輸出值)(ty構(gòu)成控制偏差 )()()( tytrte ?? （ ） PID 的控制規(guī)律為])()(1)([)( 0 dt tdeTdtteTteKtu Dtlp??? ? （ ） 式中 PK是比例系數(shù)， lT為積分時間常數(shù)， dT是微分時間常數(shù)，將公式 )]([ 10 ?? ???? ? kkDkj jlkpkeeTTeTTeKu () 式中，k 為采樣序號， k=1,2... Tt?? 采樣周期，必須使 T 足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度。 ke 為第 k 次采樣周期時的偏差值 1?k為第 k1次采樣周期的偏差值 ku為第 k 次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出 根據(jù)遞推原理，可寫出第 k1次的 PID 輸出表達式 )]()([ 211011 ?????? ???? ? kkDkjlkPkeeTTjETTeKu () 將式（ ）與（ ）相減，即可得到增量式 PID 控制算法公式： 211 ????????? kkkkkk CeBeAeuuu 式中 TTKCTTKBTTTTKADPDPDlP???????)21()1( 可以看出，如果計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 r，一旦確定了 A、 B、 C，只要使用前后三次測量值的偏差 ，就可以由式 (4． 8)求出控制量。增量式 PID 算法與位置式算法相比，計算量小得多，因此在實際中得到廣泛的應(yīng)用。而位置式 PID 控制算法也可通過增量式控制算法推出遞推計算公式為式 (4． 10） kkk uuu ?? ?1 （ ） PID 調(diào)節(jié)器各參數(shù)對控制效果的影響 PID 三大參數(shù)選擇的好壞，直接影響到控制效果的好壞。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，比例、積分、微分的作用如下： 比例環(huán)節(jié)：作用快，無滯后．只要一有偏差，立即就能給出相應(yīng)的調(diào)節(jié)作用，它能及時克服擾動，使被調(diào)參數(shù)穩(wěn)定在給定值附近。加大比例系數(shù)可以提高系統(tǒng)對偏差的分辨率，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。缺點是對具有自平衡性的控制對象有余差 (自平衡性是指系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值 )，擾動出現(xiàn)后，比例調(diào)節(jié)的結(jié)果使被調(diào)量不能回到給定值，只能恢復(fù)到給定值附近。對帶有滯后的系統(tǒng)，可能產(chǎn)生振蕩，動態(tài)特性也差。比例系 數(shù)過大會產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；若取的過小，可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，穩(wěn)定裕度增大，但會降低系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，使過渡時間延長。 積分環(huán)節(jié)：提高系統(tǒng)的抗干擾能力，消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。適用于有自平衡性的系統(tǒng)。只要有偏差存在，輸出調(diào)節(jié)信號就不斷動作，直到把偏差信號消除。但它有滯后現(xiàn)象，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，超調(diào)量變大，并可能產(chǎn)生振蕩。加大積分系數(shù)有利于減小系統(tǒng)的靜差，但過強的積分作用會使超調(diào)增大。 微分環(huán)節(jié)：改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。它是根據(jù)偏差的變化速度來調(diào)節(jié)的，所以它的輸出快，有時盡管偏差很小，只要它的變化速 度很快，則微分調(diào)節(jié)就有一個較大的輸出， 它的速度比比例調(diào)節(jié)還要迅速。它能給出響應(yīng)過程提前制動的減速信號。有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；同時加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。缺點是抗干擾能力差。適當選取微分環(huán)節(jié)，可以減小系統(tǒng)的超調(diào)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是過大的微分系數(shù)會導(dǎo)致響應(yīng)過程提前制動，從而延長調(diào)節(jié)時間，而且對變化的過于敏感使系統(tǒng)的抗干擾性能變差。 本章小結(jié) 本章對無刷直流電動機總體設(shè)計方案進行了全面的概述。在本系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制。 在位置檢測中，采用單片機的數(shù)字 I／ O