无数只留电动机模糊PI控制毕业设计

无数只留电动机模糊PI控制毕业设计 洛阳理工学院毕业设计(论文) 无刷直流电动机模糊PI控制及仿真 摘 要 无刷直流电机以体积小、重量轻、 效率高、调速性能好、无换向火花及无励 磁损耗等诸多优点被大量应用于家电、交通、医疗器械、数控机床及机器人等领 域，现代工业的快速发展对无刷直流电机控制系统的性能要求也越来越高。可以 预见，随着永磁材料和电力电子器件价格进一步的降低，无刷直流电机驱动理论 的研究不断深入，无刷直流电机的应用前景将更加广泛。 关键词:无刷直流电机，模糊控制，Matlab/Simulink，软硬件设计 I 洛阳理工学院毕业设计(论文) Fuzzy PI control and simulation of brushless DC motor ABSTRACT Brushless DC motor with small size, light weight, high efficiency, and speed performance, no change to the many advantages of the sparks and excitation loss is used in the field of household appliances, transportation, medical equipment, CNC machine tools and robots,the rapid industrial development is increasingly high performance requirements of the brushless DC motor control system. Can be predicted that further reduce the price with the permanent magnet materials and power electronic devices, the deepening of the theoretical study of brushless DC motor drive, the application prospects of the brushless DC motor will be more widely. By reading a lot of literature, this article describes the development status of the brushless DC motor dynamics and works. In the control strategy using fuzzy control based on intelligent thought control, which is characterized does not depend on the object model, using the established control rules of fuzzy reasoning to get the right amount of control. Matlab / Simulink for control system modeling and simulation, the speed ring fuzzy PI regulator, the current loop using the traditional PI regulator, provides the basis for the theoretical analysis for the later experiments. Combined with the structure of the brushless DC motor and motor internal Hall element to detect the rotor position. Compared with the traditional control systems, fuzzy PI control system with fast response, ultra-one tune the amount of small, good stability, etc.. The experimental results show the correctness of the brushless DC motor fuzzy control system design. Finally, the entire design is a summary of his views on the follow-up work. KEY WORDS: Brushless DC Motor，Fuzzy Control，Matlab/Simulink，Hardware and software design II 洛阳理工学院毕业设计(论文) 目 录 前 言 ................................................................................................ 1 第1章 绪论 ...................................................................................... 3 1.1 无刷直流电动机的定义和优点 ............................................ 3 1.1.1 无刷直流电动机的定义 .............................................. 3 1.1.2 无刷直流电动机的优点 .............................................. 4 1.2 无刷直流电动机研究动态 ................................................... 5 1.2.2 无位置传感器检测技术的研究 .................................. 5 1.2.2 转矩脉动问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的研究 ................................................. 5 1.2.3 先进控制策略的研究 ................................................. 6 1.2.3 弱磁调速 ..................................................................... 7 1.3 无刷直流电动机应用领域 ................................................... 7 1.3.1 精密电子设备和器具领域 .......................................... 8 1.3.2 工业自动化设备领域 ................................................. 8 1.3.3 交通工具领域 ............................................................. 8 1.3.4 现代家用电器领域 ..................................................... 8 1.3.5 医疗器械领域 ............................................................. 9 第2章 无刷直流电动机的工作原理 .............................................. 10 2.1 无刷直流电动机的基本机构 .............................................. 10 2.1.1 电机本体 ................................................................... 10 2.1.2 逆变器 ....................................................................... 11 2.1.3 位置检测器 ............................................................... 12 2.1.4 控制器 ....................................................................... 13 2.2 无刷直流电机的工作原理 ................................................. 14 2.2.1 控制器 ....................................................................... 14 2.2.2 无刷直流电机的换向 ............................................... 16 2.3 无刷直流电机的数学模型 ................................................. 17 2.3.1 定子电压方程 ........................................................... 17 2.3.2 反电势动方程 ........................................................... 18 III 洛阳理工学院毕业设计(论文) 2.3.3 电磁转矩方程 ........................................................... 19 2.3.4 运动方程 ................................................................... 19 2.4 无刷直流电机特性分析 ..................................................... 19 2.4.1 机械特性 ................................................................... 19 2.4.2 调节特性 ................................................................... 20 2.5 无刷直流电机的调速 ......................................................... 21 第3章 无刷直流电机控制系统硬件设计 ...................................... 23 3.1 控制系统整体设计 ............................................................. 23 3.2 控制系统硬件设计 ............................................................. 24 3.2.1 主控芯片DSP介绍 .................................................. 24 3.2.2 弱电电源电路设计 ................................................... 25 3.2.3 整流电路 ................................................................... 26 3.2.4 逆变电路 ................................................................... 26 3.2.5 驱动电路 ................................................................... 27 3.2.6 电流采样及调整电路 ............................................... 29 3.2.7 过流保护电路 ........................................................... 30 3.2.8 转子位置检测电路 ................................................... 32 第4章 无刷直流电动机Matlab仿真 ............................................ 33 4 .1 无刷直流电机控制系统仿真模型的建立 ......................... 33 4.1.1 无刷直流电机总体模块 ............................................ 33 4.1.2 逆变器模块 ............................................................... 35 4.1.3 速度调节器模块 ....................................................... 36 4.1.4 电流控制模块 ........................................................... 36 4.1.5 参考电流模块 ........................................................... 37 4.1.6 位置计算模块 ........................................................... 38 4.2 仿真结果与分析 ................................................................. 38 结 论 .............................................................................................. 43 谢 辞 ................................................................................................ 44 参考文献 .......................................................................................... 45 外文 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 翻译 .................................................................................. 48 IV 洛阳理工学院毕业设计(论文) 前 言 自1831年法拉第发现电磁感应原理以来，直流电机和交流电机相继问世，以 后各种特殊用途的电机类型不断出现，极大地推动了电力工业和电气传动技术的 发展。但是绝大部分电能是由三相交流同步发电机提供，而大部分交流电又由交 流电机使用，特别是感应电机。直流电机由于控制简单、调速平滑、性能良好， 在电机控制领域一直占据主导地位。然而，直流电机结构上存在的机械换向器和 电刷，使它具有难以克服的固有缺点，如造价高，维护难，寿命短，存在换向火 花和电磁干扰，电机最高转速、单机容量和最高电压都受到一定限制等。随着电 力电子技术，微电子技术和稀土永磁材料的飞速发展，高性能的电机控制系统技 术不断更新，成本不断降低，新型电机不断地出现，交流电机驱动系统正不断地 取代直流电机控制系统 无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的。有刷直流电机从19世 纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在 运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触的电刷换向器结构一直是该电机 的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的应用。为了 取代直流电动机的电刷换向器装置，人们对此作了长期研究。1915年，美国人 兰格米尔((Langmill)发明了控制栅极的水银整流器，构成了由直流变交流的逆变装置。1917年，Boliger提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了永磁无刷直流电机的基本思想。直到二十世纪三十年代，有人提出利用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓整流子电动机，它的思想和现代永磁无刷直流电机己经相当接近，但这种电机由于可靠性差、效率低、装置笨重而复杂，故无实用价值。 随着半导体技术的发展，1948年，贝尔实验室研制成功开关型晶体管;1955年美国的D.Harrison首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器的专利，标志着现代永磁无刷直流电机的诞生。但这台无刷直流电机无法自起动，而且信号电势前沿陡度不大，致使晶体管的开关功耗太大。直到1962年，借助于霍尔元件实现位置检测换向的永磁无刷直流电机终于 1 洛阳理工学院毕业设计(论文) 诞生了。二十世纪70年代，又研制成功以比霍耳元件敏感度高千倍的磁敏二极管来实现换向的无刷直流电动机。 进入70年代以后，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如GTR. MOSFET, IGBT等相继出现，以及各种新型位置检测器的发明，如接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器、高频祸合式位置传感器、磁电祸合式位置传感器和光电式位置传感器，永磁无刷直流电机得到了长足发展。1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正进入实用阶段。 在电力电子器件发展的时代，人们对永磁材料的研究也不断深入。相继发现了炭钢、钨钢、钻钢等永磁材料，特别是20世纪30年代出现的铝镍钻永磁和50年代出现的铁氧体永磁。1967年美国人K.J.Strnat发现了衫钻永磁，1973年又出现了磁性能更好的第二代稀土永磁，1983年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钦铁硼永磁。随着高性能稀土永磁的相继面世，永磁电机进入了一个新的时期，永磁无刷直流电机也相应地获得了长足进展。 我国占有世界蕴藏量85%以上的稀土资源，所以在开发高磁场永磁材料(特别是钱铁硼永磁材料)方面具有得天独厚的有利条件。目前，我国的钦铁硼永磁材料特性水平己经达到了世界先进水平，对促进我国永磁电机的发展十分有利。 2 洛阳理工学院毕业设计(论文) 绪论 第1章 1.1 无刷直流电动机的定义和优点 人们发现，当无刷直流电机的永磁体产生的气隙磁密在空间呈方波分布时，若控制定子相电流亦为方波，就可产生恒定的电磁转矩，而且能比相同尺寸的正弦波永磁无刷直流电机产生更大的转矩。这种气隙磁密为方波、反电势为梯形波、相电流为120度方波的无刷直流电机被称为方波永磁无刷直流电机，或称为Brushless DC Motor(BLDCM)。 1.1.1 无刷直流电动机的定义 正弦波永磁无刷直流电机与方波永磁无刷直流电机的不同在于两类电机的磁场波形不同。正弦波永磁无刷直流电机的反电势为正弦波，必须通以正弦波的绕组电流才一能产生平滑的电磁转矩。方波永磁无刷直流电机的反电势为梯形波，必须通以方波的绕组电流、并与电机反电势保持一定的相位关系，才能产生平滑的电磁转矩。 为了科学界定无刷直流电机与其他类型电机，许多学者作了大量工作，其中A. Kusk。在1988年提出包含电机本体与电路形式在内的无刷直流电机的定义逐渐被广泛接受。他提出无刷直流电机必须满足以下5个条件: (1)电机由定子电枢绕组和转子永磁体构成; (2)逆变器直流供电; (3)电机速度正比于直流电压; (4)逆变器矩阵开关函数决定定子绕组的端电压; (5)转子位置检测器的逻辑决定逆变器开关的导通时序。 3 洛阳理工学院毕业设计(论文) 1.1.2 无刷直流电动机的优点 与感应电机相比，无刷直流电机具有更大的功率密度、更高的控制性能，主要表现在以下几个方面: (1)由于采用高性能的永磁材料，无刷直流电机转子体积得以减小，可以具有较低的惯性、更快的响应速度、更高的转矩/惯量比; (2)由于没有转子损耗，也无需定子励磁电流分量，所以无刷直流电机具有较高的效率和功率密度。对于同等容量的输出，感应电机需要更大功率的整流器和逆变器; (3)由于没有转子发热，无刷直流电机也无需考虑转子冷却问题; (4)尽管感应电机系统应用较为普遍和成熟，但由于其非线性的本质，控制系统极为复杂。永磁同步电机把交流电机复杂的磁场定向控制转化为转子位置定向控制，而无刷直流电机则进一步将其简化为离散六状态的转子位置控制，无需坐标变换。 与永磁同步电机相比，无刷直流电机也具有明显的优势: (1)无刷直流电机采用方波电流驱动，可以提高更高的转矩/体积比，相同条件下输出转矩大。 (2)在电机中产生梯形波的磁场分布和梯形波的电动势要比产生正弦波的磁场分布和正弦波的电动势简单，因此无刷直流电机结构简单，制造成本低; (3)对于永磁同步电机，由于定子电流是转子位置的正弦函数，系统需要高分辨率的位置传感器，构造复杂，价格昂贵; (4)产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单，控制也简单得多，因此无刷直流电机控制简单、控制器成本较低。 由于采用电力电子器件代替机械换向器，无刷直流电机克服了有刷直流电机的致命缺点。与有刷直流电机相比，无刷直流电机有以下优点: (1)可靠性高，寿命长;它的工作期限主要取决于轴承及其润滑系统。高性能的 无刷直流电机工作寿命可达数十万小时，而有刷直流电机寿命一般较短，在高温环境下甚至只有几分钟; (2)不必经常进行维护和修理; (3)无电气接触火花、无线电干扰少; 4 洛阳理工学院毕业设计(论文) (4)可工作于高真空、不良介质环境; (5)可在高转速下工作，专门设计的高速无刷直流电机的工作速度可达每分钟10万转以上; (6)机械噪声低; (7)发热的绕组安装在定子上，有利于散热，便于温度监控，易得到更高的功率密度; 须与一定的电子换向线路配套使用，从而使总体成本变高，但从控制的角 (8)必 度看，有更大的使用灵活性。 1.2 无刷直流电动机研究动态 尽管无刷直流电机具有交流电机和直流电机所无法比拟的优点，具有相当大的应用范围，但是仍存在一些问题，为了解决这些问题，当前己经有不少学者将更多的精力投入到其研究上。 1.2.2 无位置传感器检测技术的研究 在实际的工业应用中，使用位置传感器的弊病日益明显，在一些对体积和安装有特殊要求的应用场合，传统的带位置传感器的无刷直流电机甚至不能完成相应的功能。因而采用无位置传感器检测技术，对电机进行控制是非常必要的。无位置传感器检测法的实现，一般都是通过解算得到换相时刻，进行换相控制字的改变。其转子位置检测方法有两种类型:一种是连续型位置检测，另一种是只检测与换相有关的时刻，如电机反电动势过零点或换相点检测，称做离散型位置检测。在具体的设计中采取的检测方法主要有:反电动势法(包括直接反电动势法、间接反电动势法以及派生出来的反电动势积分法等)、续流二极管电流通路检测法、定子三次谐波检测法、瞬时电压方程法等，是无位置传感器检测技术未来研究的主要方向。 1.2.2 转矩脉动问题的研究 相对于正弦型永磁同步电机，方波型无刷直流电机最突出的问题就在于具有电磁转矩脉动。存在转矩脉动是无刷直流电机的固有缺点，特别是随着转速升高，换相导致转矩脉动的加剧，并使平均转矩显著下降。转矩 5 洛阳理工学院毕业设计(论文) 脉动影响了电力传动系统的控制特性，带来了机器噪音、震动等问题，降低了机器的使用寿命和驱动系统的可靠性。 造成转矩脉动的原因主要有以下几种:电磁因素引起的转矩脉动:在理想情况下，即当电枢为集中绕组结构，转子磁密在空间分布为1800的方波，电动势波 形具有大于等于120。电角度的平顶时，无刷直流电机的转矩与转子位置无关，但在实际电机中不能做到极弧系数1，且常常采用分布绕组，因此会引起转矩脉动;换相引起的转矩脉动:由于电枢绕组电感的影响，换相延时存在电流延迟，从而引起转矩脉动;定子齿槽引起的转矩脉动:由于定子齿槽的存在，转子旋转时气隙磁阻发生变化，从而引起转矩脉动;电枢反应的影响:一方面电枢反应引起气隙磁场畸变，另一方面在任一磁态内，相对静止的电枢反应磁场与连续旋转的转子主极磁场相互作用而产生电磁转矩因转子位置的不同而发生变化;机械工艺引起的转矩脉动:机械加工和材料不一致也是引起转矩脉动的重要原因之一。 目前，部分学者对此做了较为深入的研究:如文献[4]提出了采用不同的PWM调制方式以及不同的重叠换相角减小换相电流所引起的转矩脉动，通过增加PWM调制频率，选择合适的占空比和重叠换相角可以使无刷直流电机的换相转矩脉动减小;文献提出了一种换相电流预测控制方法以抑制换相转矩脉动，在换相期间依靠检测非换相绕组上的电流，采用此方法确保换相期间关断相的电流下降率和开通相的电流上升率相等，从而保证了换相期间非换相电流的恒定，达到了抑制换相转矩脉动的目的;提出了一种基于自适应人工神经网络的无刷直流电机换相转矩波动抑制新方法。尽管如此，无刷直流电机的转矩脉动仍不能有效地大幅抑制，要使之满足更高精度的应用场合，有待于更加深入细致的研究工作。 1.2.3 先进控制策略的研究 现代工农业生产对电机的性能要求越来越高，而电机性能的改善一方面可以通过改进电机本体结构来实现，另一个重要的途径就是采用先进的控制策略，如模糊控制、神经网络控制、滑模变结构、鲁棒调节器、参数自适应控制等各种先进控制策略对无刷直流电机进行控制。先进控制策略一般具有计算量大、实时性高等特点，以DSP为代表的新型数字信号处理 6 洛阳理工学院毕业设计(论文) 芯片为先进控制策略的实现提供了强有力的保障。如文献[7]提出一种新颖的控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，将直接转矩控制和模糊控制相结合应用于无刷直流电机控制系统中;在无刷直流电机数学模型的基础上将定子电流、电压和整段反电动势作为状态变量，用扩展卡尔曼滤波的方法对电机的转速和转子位置预测;通过分析永磁无刷直流电机的转子位置与三个相电压之间的关系，提出了基于自适应小波神经网络的永磁无刷直流电机无位置传感器控制新方法;文献[23]提出无刷直流电机的超空间矢量理论，指出关断相只影响磁链，不影响转矩，实现策略为直接自转矩控制，不需要转子位置信号。 1.2.3 弱磁调速 根据交流电机变频调速原理，基速以下为恒转矩运行，基速以上为恒功率运行。对永磁无刷直流电机来说，恒转矩时保证电机激磁磁场强度不变，采用调节电枢电压的方式来实现调压调速。为获得平稳的电磁转矩，此种情况下要求电流与反电势同相，即控制电枢电流超前电枢反电势的夹角H=0，以电流领先为正。当转速达到基速时，PWM的占空比D=1，全部电源电压加在电枢绕组两端，电枢电压达到最大。随着转速的升高，电机反电势增大，造成电枢电流减小。极端情况是反电势等于电枢电压，电枢电流为零，无法产生电磁转矩。为了在基速以上端 电压不变条件下保持一定电枢电流产生所需的转矩，必须设法使反电势不随转速上升，这就需要减小电机磁通，即实现弱磁控制。 尽管众多学者对此进行了广泛而深入的研究，并提出了种种解决方案。但是，永磁电机无法直接调节励磁磁场，只能控制电枢反应产生一个反向的电枢磁场来抵消永磁磁场，获得等效弱磁。目前多数可行的方案需要对电机本体进行改造:或是在定子上增加辅助励磁绕组，或是需要特殊结构的复合转子。这在解决弱磁调速问题的同时，但也带来了很多新的问题。 1.3 无刷直流电动机应用领域 无刷直流电机所拥有的诸多无可比拟的优点使其具有光明的应用前景，得以广泛地应用于各个领域。 7 洛阳理工学院毕业设计(论文) 1.3.1 精密电子设备和器具领域 由于大多数的电子设备中电子线路均由直流电源供电，且要求电机具有快速响应、调速性能好、速度平稳、定位精确等控制特性，因此当前大多数精密设备中均采用无刷直流电机驱动控制。如计算机的硬、软盘驱动，激光打字机棱镜驱动，卫星上的太阳能帆板驱动，仪用通风机等。无刷直流电机在此领域中的应用正在 逐步推广，最终将取代有刷电机。 1.3.2 工业自动化设备领域 目前己应用的高档数控加工设备，己有取代传统结构的直流和交流电机的趋势。另外在一些工业用的加工设备中也开始推广应用，如工业缝纫机、轻印刷机械、食品加工机械等。值得密切注意的是，潜在实用的工业机器人驱动控制，由于这种应用场合对速度、力矩和定位控制均有要求，无刷直流电机无疑是首选品种，目前全世界己有100多万台各类机器人，而每年以高于20%速率增长，对无刷直流电机的需求量很大。 1.3.3 交通工具领域 在交通工具领域，无刷直流电机在汽车、摩托车、助动车等交通工具中有广泛的应用。现代汽车正朝着豪华型方向发展，自动化程度很高，仲用众多类型电机，其中无刷直流电机在很多难以维修部件中被采用。 电动汽车是未来交通工具发展的方向之一，其对电机驱动系统有高转矩/重量比、高效率以及宽广的调速范围等要求，受到各国工业界的重视，目前世界各国正在加大投入，加紧开发，估计在未来会得到广泛发展。无刷直流电机作为最理想的动力源，其被作为直接驱动使用的优越性非其他电机可比，现己逐步在电动摩托车和电动助动车中使用，并已进入批量生产，近两年来涌现的电动自行车正是无刷直流电机广泛应用的一个经典案例。 1.3.4 现代家用电器领域 1984年，美国通用电气公司(GE)推出了一种所谓智能电机，引起国际的注目，其实这种电机是一种用微处理器来控制的无刷直流电机。由于这 8 洛阳理工学院毕业设计(论文) 种电机具有十分宽的调速范围为10000r/min，且低噪声、高效率，可实现一定的“智能化”操作。它一问世，受到家用电器工业设计者的青睐，初期用于37.3W吊扇，可无级调速，后来逐步在洗衣机、空调器、冰箱等家电产品中应用，使用这些家电产品可以实现省电，多功能的自动控制如定时、定温、自然调节。近年来，无刷直流电机在各类家电产品中均有应用，提高了家电产品自动化程度，如对室温可自动调节的空调器，可选择衣物种类的洗衣机，根据冷藏物自动选择冷冻温度的电冰箱等，大有取代交流电机在家电产品中的应用趋势。目前我国己有这类产品开发，并投放市场。无刷直流电机在家电产品中光明的应用前景大大刺激了开发研究。据美国GE公司预测，若用无刷直流电机取代传统的异步电机在制冷器具中的应用，其效率可提高20%，全美国1年可节约2.2百万度电。 1.3.5 医疗器械领域 医用无刷直流电机是一个新兴的领域，具有十分良好的发展前景。例如医疗诊断CT机，用于牙科和耳科中的电动医疗器械，人工心脏等。这些无刷直流电机要求体积小、精度高、动态响应快。 刷直流电机除了在上述列举的种种应用场合外，在某些特殊情况下，如潮湿、有可燃物质、有害物质等场所，特别是在现代国防、通信、机器人、航空航天等高科技领域里都有广泛的应用前景。 9 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第2章 无刷直流电动机的工作原理 2.1 无刷直流电动机的基本机构 无刷直流电机最初的设计思想来自普通的有刷直流电机，不同的是将直流电机的定子、转子位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通;定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。 2.1.1 电机本体 无刷直流电机的定子结构与普通同步电机或感应电机相同，铁心中嵌有多相对称绕组。绕组可以接成星型或三角形，并分别与逆变器中的各开关管相连。其中，三相无刷直流电机最为常见。 目前，无刷直流电机中多采用衫钻(SmCo )和钱铁硼(NdFeB)等高矫顽力、高剩磁密度的稀土永磁，其常见的转子结构有三种形式，如图2-1所示。其中图(a)所示的结构是在铁心外表面粘贴径向充磁的瓦片形稀土永磁体，有时也采用矩形小条拼装成瓦片形磁极，以降低电机的制造成本。图(b)所示的结构是在铁心中嵌入矩形稀上永磁体，这种结构的优点是将一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可以获得较大的磁通，但这种结构需要作隔磁处理或采用不锈钢轴。对于高速运行的电机，图(a)和图(b)所示的结构需在转子外表面套一个0.3mm-0.8mm的非磁性紧圈，以防止离心力将永磁体甩出，同时在雨雾等恶劣 环境中对永磁体起保护作用。紧磁材料通常采用不导磁的不锈钢，也可用环氧无纬玻璃丝带扎。图(C)所示的结构是在铁心外套上一个整体稀土永磁环，环形磁体径向充磁为多极，适用于体积和功率较小的永磁无刷直流电机，该种结构的转子制造工艺性较好。 除了普通的内转子无刷直流电机外，在电动车驰动中还常常采用外转子结构，将无刷直流电机装在轮毅之内，直接驭动电动车辆，这种结构的电机其定子绕组出线和位置传感器引线都从电机的轴引出。 10 洛阳理工学院毕业设计(论文) 图2-1 常见的转子结构 2.1.2 逆变器 逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个自控式逆变器。由于采用自控式逆变器，无刷直流电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电机的重要优点之一，无刷直流电机的逆变器主开关器件一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路己有集成的功率模块(PIC)和智能功率模块(IPM)，选用这些模块可以提高系统的可靠性。 逆变器主电路有桥式和非桥式两种，而电枢绕组既可以接成星形也可以接成三角形，因此电枢绕组与逆变器主电路的连接可以有多种不同的组合。目前以星形连接三相桥式主电路应用最多，如图2-2 所示。这种电路的特点是功率开关器件数目是等于绕组相数的2倍，每个绕组的首端与一个桥臂相连。对于星形连接的电枢绕组，除了各相绕组的尾端连在一起形成中性点外，每相绕组的首端都分别用一个桥臂的上、下两个功率开关器件控制。电枢绕组中只有导通相绕组才有电流流过，而没有导通相绕组则没有电流流过。 11 洛阳理工学院毕业设计(论文) 图2-2 逆变器 2.1.3 位置检测器 位置检测器的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置传感器与电机本体一样也山静止部分和运动部分组成，即由位置传感器的定子和位置传感器的转子组成。转子位置传感器目前主要有敏感式、祸合式、谐振式和接近式等。 敏感式是利用敏感元件来感受转子位置信息，并输出电信号去控制各相绕组的导通顺序。常用的敏感元件有光敏元件(如光电二极管和光电三极管等和磁敏元件(如霍尔元件、磁敏二极管和磁敏三极管等)。 祸合式是指变压器祸合(即磁敏式)和高频空心线圈祸合等。谐振式是利用电感和电容等元件组成的谐振电路，当满足谐振条件时，输出信号最强，以此控制电枢绕组的导通和关断。接近式是利用接近某物而动作的原理所组成的一种位置传感器，如接近开关，它利用磁性旋转圆盘的远近来改变固定部分的电感，并利用振荡条件的变化建立通断信号。这种方式结构简单，输出电平高，适用于大中型电机。 由于永磁无刷直流电机的转子是永磁，在本电机系统中采用的是霍尔位置传感器来检测转子位置。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应，在霍尔开关元件的输入端通入控制电流，当霍尔元件受外磁场作用时，其输出端会感应出电压信号，当没有外界磁场作用时，其输出端没有电压信号，霍尔元件及其应用电路如图2-3所示。将霍尔位置传感器安装在绕组线圈所在位置，当磁极在极间出现时，霍尔传感器输出电平变化形成换相逻辑。对于两相导通星形三相六状态的无刷直流电机，要正确地实现电枢绕组的换相，每相绕组需要安装一个霍尔位置传感器，在空间上要求彼此间隔 12 洛阳理工学院毕业设计(论文) 120”电角度，传感器永磁体的极弧宽度为1800电角度，同时还必须保证与绕组的相对位置正确，二者的相对位置不同，换相逻辑亦随之不同。这样，当电机转子旋转时，霍尔元件便交替的输出三个宽为180的电角度、相位互差1200电角度的矩形波信号。 -3 霍尔元件及其应用电路 图2 在无刷直流电机系统中安装位置传感器解决了电机转子位置的检测问题。但位置传感器的存在增加了系统的成本和体积，降低了系统的可靠性，限制了无刷直流电机的应用范围，对电机的制造工艺也带来了不利影响，因此无刷直流电机无位置传感器技术的研究将越来越成为主流。 2.1.4 控制器 控制器是无刷直流电机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，对转子 位置检测器输出的信号、PWM信号、启动和停止信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现如短路、过流、过电压、欠电压等故障保护功能。无刷直流电机的控制器有以下几种形式: (1)分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统。这种控制器在以往的无刷直流电机中大量应用，但由于模拟电路不可避免地存在参数飘移和参数不一致等问题，加上线路复杂、调试不便等因素，使电机的可靠性和性能受到影; (2)基于专用集成电路的控制系统。目前，众多的半导体厂商如Motorola, NS, IR 等推出了不同规格和用途的无刷直流电机控制的专用集 13 洛阳理工学院毕业设计(论文) 成电路，克服了分立元件带来的弊端，使控制电路体积小、可靠性高，但其应用范围局限性大，功能难以扩展; (3)以微型计算机技术为核心的数模混合控制系统与全数字化控制系统。随着无刷直流电机应用领域的不断扩大，对性能也提出越来越高的要求，因而控制器也由以硬件模拟电子器件为主，转向数字电路、单片机及数字信号处理器( DSP)的方向发展，实现半数字化的数模混合控制和全数字控制，控制规律山硬件实现向软件的实现。 2.2 无刷直流电机的工作原理 2.2.1 控制器 我们以图2. 4所示的无刷直流电机系统来说明无刷直流电机的运行原理。电机本体的电枢绕组为三相星形连接，位置传感器与电机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号，驱动信号经过驱动隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机各相绕组按一定顺序运行。 图2-4 无刷直流电机系统 当转子旋转到图2-5(a)所示的位置时，转子位置传感L 1输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使VT1, VT6导通，即A, B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经VT1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经VT6回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图2-5( a )所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。 当转子在空间转过60 电角度，达到图2-5(b)所示位置时，转子位置传 14 洛阳理工学院毕业设计(论文) 感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使VTl , VT2导通，即A, C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经VTl流入A相绕组，再从C相绕 组流出，经VT2回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图2-5 ( b)所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。 转子在空间每转过60 电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为VT1,VT6~VT1, VT1~VT2 ,VT2~VT3,VT4~VT5, VT6~VT1, VT6。在此期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩的作用，沿顺时针方向连续旋转。 在图2-5( a )到图2-5( b)的60 电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋转，而定子合成磁场在空间保持图2-5( a )中Fa的位置静U。只有当转子磁场连续旋转60 电角度，到达图2-5( b)所示的Fo位置时，定子合成磁场才从图2-5( a)中Fa的位置跳跃到图2-5( b )中Fa的位置。可见，定子合成磁场在空间不是连续旋转，而是跳跃式旋转磁场，每个步进角是60 电角度。 图2-5 转子通电情况 电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁 转子在空间每转过60 15 洛阳理工学院毕业设计(论文) 场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有六种磁状态，每一状态有两相 导通，每相绕组的导通时问对应于转子旋转120电角度。无刷直流电机的 这种运行方式称为两相导通星形三相六状态，这也是无刷直流电机最正常的一种运行方式。 由于定子合成磁场每隔1/6周期(60 电角度)跳跃前进一步，在此过程中，转子磁极上的永磁磁势却是随着转子连续旋转的，这两个磁势之间平均速度相等，保持“同步”，但是瞬时速度却是有差别的，二者之间的相对位置是时刻有变化的，所以，他们相互作用下所产生的转矩除了平均转矩外，还有转矩分量。 2.2.2 无刷直流电机的换向 无刷直流电机用电子换向器取代了机械电刷，所以在无刷直流电机的运行过程中，控制器需要不断检测霍尔传感器输出的信号来计算电机转子当前位置，并根据转子当前位置信息，按照换相规律由控制器控制逆变器相应功率开关管的通断，完成电子换相以实现对电机各相绕组的正确供电，控制电机正常运行。电机圆周在几何上分成360 ，这个角度称为机械角度。从电磁观点来看，若磁场在空间按正弦规律分布，则经过N, S一对磁极恰好相当于正弦曲线的一个周期。如果有导体去切割这种磁场，经过N, S这一对磁极，导体上所感应产生的正弦电动势的变化也为一个周期，变化一个周期即经过360 电角度。若电机有P对 磁极，则电机圆周按电角度计算就是P*360 ，而一周的机械角度总是360 ，因此电角度=P*机械角度。 本实验系统中用到的电机，三只霍尔位置传感器按相位差120，安装 三路霍尔输入信号的相互关系如图2-6所示。从图2-4中可以清楚地看到，在每一个电角度周期内，三路霍尔位置信号可以组成6种编码状态，分别是:011.，111，110，100，000，001。据此，我们可以按一定次序导通对应的功率管，从而驱动电机旋转。霍尔位置信号、功率管、三相电流的对应关系如表2-1所示。当需要反向旋转时，只需要更换一下换相控制表就能实现。 16 洛阳理工学院毕业设计(论文) -6 霍尔输入信号的相互关系 图2 在实际的工作中，由于电机内部的电磁环境比较复杂，霍尔位置信号容易受到电磁干扰。当电枢电流比较大时，相应的电磁噪声也很大，更容易影响到霍尔位置信号，严重时将影响到控制器对转子位置信号的准确判断，进而发生功率管换向错误而导致整个系统不稳定甚至不工作。因此，需要对电机内部转子位置传感器送出的霍尔位置信号进行预处理。首先将三路霍尔位置信号经由RC组成的低通滤波器进行滤波处理，再经光祸隔离后，才送入DSP的CAP口，进行转子位置信号的读取，进而控制相应的功率管导通和关断。 表2-1 霍尔位置信号、功率管、三相电流的对应关系 2.3 无刷直流电机的数学模型 2.3.1 定子电压方程 由以上的假设条件，无刷直流电机每相绕组的相电压由电阻压降和绕 17 洛阳理工学院毕业设计(论文) 组感应电势两部分组成，其定子电压平衡方程为 Ua Ra U 0 b Uc 0 0Rb 0 ia La i ,d L0 b dt ba Rc ic Lca LabLb Lcb Lac ia ea i , e Lbc b b Lc ic ec (2-1) 式(2-1)中，ea、eb、ec为各相定子反电动势，ia、ib、ic为各相定子电流，Ua，Ub，Uc为定子各相电压，Ra，Rb，Rc为定子各相绕组电阻，La， Lb，Lc为定子各相绕组自感，Lab，Lac，Lba，Lbc，Lca，Lcb为定子间各相绕组的互感，由于无刷直流电机的转子为永磁体。假设无刷直流电机三相绕组对称，忽略磁阻间的影响，则可以认为定子各相绕组间互感为常数，即 Lac Lba Lbc Lca Lcb M。则La Lb Lc Ls，Ra Rb Rc R，Lab 式(2-1)改写为 Ua R U 0 b Uc 0 0R 0 ia Ls i ,d M0 b dt R ic M MLs M M ia ea i , e M b b Ls ic ec (2-2) 由ia,ib,ic 0，Mia,Mib,Mic 0，代入式(2-2)，整理可得 Ua R U 0 b Uc 0 0R 0 ia L00 ia ea i ,d 0L0 i , e 0 b dt b b R ic 00L ic ec (2-3) 式(2-3)中L Ls,M。图2-3虚线框部分所示即为电子电枢部分等效电路。 2.3.2 反电势动方程 在物理学当中，在磁场中单根导体切割磁力线运动产生的电动势e为 e Blv (2-4) 其中，B、l分别为磁场强度和导体在磁场中运动有效长度，v为导体在垂直于磁感线运动的线速度。在无刷直流电机中，转速n与v的关系为式(2-5)，R 为绕组旋转半径。 v 2 R n 60 (2-5) 假设直流电机绕组每一相的匝数为W ，由于每一相有两根导体，所以每一相绕组的总感应电动势为 E 2eW (2-6) 将式(2-4) (2-5)代入式(2-6)，则转速n与总感应电动势E 的关系为 18 洛阳理工学院毕业设计(论文) E Bl R W n 15 (2-7) 在电机设计制造成型以后l，R ，W 均为固定值。 2.3.3 电磁转矩方程 直流电机的电磁转矩是指电机在正常运行时，电枢绕组流过电流，这些载流导体在磁场中受力所形成的总转矩。设无刷直流电机的电流峰值为:Ip，电动势峰值为Ep，绕组只有两相同时导通，当从IPM直流侧看，两相绕为串联，所以电磁功率为Pm 2EpIp。忽略换相过程的影响，无刷直流电机的电磁转矩为 Te 2npEpIpPm 2np pIp 1np 1 (2-8) 式(2-8)中， p为电机电磁磁链的峰值。由(2-8)式可知，无刷直流电机的电磁转矩与电流Ip成正比关系，与普通的直流电机的关系一样。 2.3.4 运动方程 Te,TL,Z Jd dt (2-9) 式(2-9)中，Te、TL分别为电磁转矩和负载转矩(Nm)， 为电机角速度，Z为黏滞摩擦系数(N?m?s)，J为电机转子的转动惯量(kg?m2)。 2.4 无刷直流电机特性分析 2.4.1 机械特性 机械特性是指在直流电压Ud不变的情况下，电机转速与电磁转矩之间的关系。将式(2-7) 代入式(2-3)，则得无刷直流电机的机械特性方程式(2-10)，整理后得(2-11)。 n n 15dI(U,R I,L ) Bl R W dt (2-10) 30KTUd,2RTe keKT (2-11) 式(2-11)中，KT为电机转矩系数，ke为线反电势系数，Ud Uab Ubc Uca。 由式(2-11)可得不同直流母线电压下无刷直流电机的机械特性曲线，如图2-7所示，图中Ud1 Ud2 Ud3 Ud4。 19 洛阳理工学院毕业设计(论文) ne 图2-7 无刷直流电机机械特性示意图 式(2-11)表示的是直线方程，但实际由于电机损耗中的可变部分以及电枢反应影响，机械特性曲线只是近似直线。如图2-7所示，在一定的直流母线电压下，电机转速随电磁转矩的增加自然下降，Ud越大纵轴截距越大，即曲线向上平移。由于无刷直流电机采用电力电子器件实现电子换向，这些器件通常都具有非线性的饱和特性，在堵转转矩附近，随着电枢电流增大，管压降增加较快，所以机械特性的末端会有明显的向下弯曲。 无刷直流电机的机械特性与普通他励直流电机机械特性相似，改变直流母线电压的大小就可以改变机械特性上的空载点。因此，无刷直流电机通常采用PWM调制等方式进行调速。 2.4.2 调节特性 调节特性是指电磁转矩不变的情况下，电机转速和直流电压Ud之间的变化关系。不计功率器件损耗，稳态运行时 Ud raI,ken (2-12) 30 KTI,TL Zn (2-13) 30 30,KTUd,ra,TL, (2-14) n 30KTke, raZ 由式(2-14)，可得不同电磁转矩下无刷直流电机转速随Ud变化的曲线，如图2-8所示，图中Te1 Te2 Te3 Te4。 -8可见，调节特性存在死区，当Ud在死区范围内变化时，电磁转矩不 由图2 足以克服负载转矩使电机启动时，电机转速始终为零。当Ud大于门限电压，超出死区范围时，电机才能起转并达到稳态，Ud越大稳态转速也越大。由于存在摩擦力，调节特性曲线组不会过原点。 20 洛阳理工学院毕业设计(论文) 4 d 图2-8 无刷直流电机调节特性示意图 2.5 无刷直流电机的调速 对于三相六状态无刷直流电机，假设不考虑开关器件动作的过渡过程，并忽略电枢绕组的电感，无刷直流电机的电压方程可以简化为: US,2Ut E,2rIa (2-15) 式中: US是加在两相通电绕组上 的端电压 Ut是开关器件的管压降 E是电机的反电动势 r是每相绕组的电阻 Ia是电枢电流 任一时刻都有两相绕组导通，故电机的反电动势为: E Cen (2-16) 式中: Ce是电机的电动势常数 n是电机转速 是每极磁通 由式(2.13)，(2.14)可得到电机的转速: n Us,2Ur,2rla (2-17) Ce (1)改变Ce，即调节电机内部磁场。但由于无刷直流电机的转子是永磁体，无法直接调节励磁磁场，只能控制电枢反应产生一个反向的电枢磁场来抵消永磁磁场，获得等效弱磁。目前多数可行的方案需要对电机本体进行改造:或是在定子上增加辅助励磁绕组，或是需要特殊结构的复合转子。这在解决弱磁调速的问题的同时，也带来了很多新的问题; 21 洛阳理工学院毕业设计(论文) (2)电枢回路串电阻。此调速方法的优点是设备简单，操作方便，但是它在调速过程中转速波动大，只能进行有级调速，速度调节不平滑，而且损耗大，所以这种调速方法只能用在调速性能要求不是很高的设备上。同时在端电压和负载转矩等不变的情况下，只能往下调速; (3)改变端电压US。通过调节输人电机的直流平均电压达到调节转速的目的，此方法能平滑调节转速，调节范围大，并且能实现无级调速，调节过程中能耗小，所以被广泛应用。 目前有两种调节方式:一种为PAM方式，另一种为PWM方式。在PAM方式中，直流母线电压US可调，逆变器功率开关器件只负责电机换相控制，通过调节直流母线电压US的大小调节电机转速，值得注意的是日本日立公司己有这样的专利申请，并将这种方式应用到其产品中，扩大了电机的调速范围;在PWM方式中，直流母线电压US不可调，逆变器功率开关器件不但负责无刷直流电机的换相控制，而且通过斩波调节电机输人电压的平均值，从而达到调节转速的目的。 22 洛阳理工学院毕业设计(论文) 无刷直流电机控制系统硬件设计 第3章 无刷直流电机控制器的结构己有多种形式。采用分立元件组成庞大复杂的模拟控制电路进行驱动，但模拟元件对温度变化敏感、易老化。传统的微处理器如51系列单片机，由于本身指令功能不强，处理速度慢，乘除法指令周期过长，外围电路数据转换速度慢等缺点，这些方案使无刷直流电机的性能得不到充分的发挥，也难以实现现代工业对电机实时控制的要求。但是高性能DSP的出现，使得这些问题得到了解决。 3.1 控制系统整体设计 由于无刷直流电机可以看成是采用电子换向的直流电机，也可以看成是使用直流电源并由逆变器供电的交流同步电机，又可以看成是一台具有转子位置反馈的闭环控制的步进电机，因此在设计电路时可以搭建出电机控制的通用平台，有利于未来工作的进一步拓展。 -1 基于DSP的无刷直流电机控制系统的硬件框图 图3 本课题采用TI公司的DSP(型号为TMS320 F2812)作为主处理芯片，搭建了无刷直流电机的控制系统硬件平台，如图3-1所示。通过霍尔位置传感器，得到电机转子的位置信号，构成位置闭环来控制电枢绕组的换相。同时，通过 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 两次换相的时间隔来计算电机的转谏。由DSP控制器输出六路PWM信号( PWM1-PWM6)来控制逆变器的开关管，电流信号通过电 23 洛阳理工学院毕业设计(论文) 流霍尔传感器获得，电流信号一方面输入到DSP的ADCINx (x=1, 2, 3)引脚，通过A/D转换单元转换为数字信号，用于电流环的调节;另一方面则用于过流保护。整个电机控制平台包括单相交流调压器(220V/0-250V), DSP评估板(型号为ICETEK-F2812-A)、控制电路板、电压表、电流表、350W的无刷直流电机。在这里有必要先给出本试验中所使用电机的实际参数，以便进行下一步的设计，具体参数见表3-l 。 表3-1 实验用无刷直流电机(BLDCM)参数 3.2 控制系统硬件设计 3.2.1 主控芯片DSP介绍 TMS320 F2812数字信号处理器是TI公司最新推出的32位定点DSP处理器，是目前控制领域最先进的处理器之一。其频率高达150MHZ，大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。TMS320 F2812芯片基于C/C++高效32位TMS320C28x DSP内核，并提供浮点数学函数，从而可以在定点处理器上方便地实现浮点计算。在高精度、变频电源、UPS电源等领域广泛应用，同时是电机等数字化控制产品升一级的最佳选择。 TMS320 F2812 DSP集成了128KB的闪存，可用于开发及对现场软件进行升级时的简单再编程。优化过的事件管理器包括脉冲宽度调制(PWM)产生器、可编程 通用计时器，以及捕捉译码器接口等;该器件还包括16通道高性能的12位模数转换器(ADC)，吞吐量每秒可达16. 7MB的采样，其双采样装置可实现控制环路的同步采样。片上 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 通信端口可为主机、测试设备、显示器及其他组件提供简便的通信端口。128位的密码保护机制有效地保护了产品的知识产权。同时代码和指令与F24x系列数字信号处理器完全兼容，从而保证了工程项目或产品设计的可延续性。 24 洛阳理工学院毕业设计(论文) 3.2.2 弱电电源电路设计 稳定而可靠的电源是整个实验系统工作的必要保证，如控制系统中的电流霍尔传感器、光祸、运放、比较器、逻辑门等集成芯片的工作电压，以及一些保护端口的电压，有需要为15V, 5V, 3.3V, 3V, 2.5V等，因此设计这样的弱电系统时需采用专门的芯片。首先将220V的交流电经降压变压器变为18V的交流电，然后通过不可控整流桥得到直流电压，再将初步整流的直流电压经过滤波电容加在三端稳压器7815, 7805上，最后经电解电容稳压和CBB电容滤波后，就可得到所需 +5V直流电压，为控制电路和驱动电路提供工作电源，电路如图3-2的+15V和 所示。5V的输出只需将图中的7815换成7805就可以了。而对于3. 3V, 2. 5V这样的精密电源，采用Maxim公司的DC/DC转换精密芯片MAX640, MAX6225就可以实现，MAX640将5V输入转为3. 3V输出，MAX6225将15V输入转为2. 5V输出，电路如图3-3和3-4所示。 图3-2 15V电源电路 图3-3 3.3V电源电路 25 洛阳理工学院毕业设计(论文) 图3-4 2.5V电源电路 3.2.3 整流电路 无刷直流电机的调压调速，需要提供较大的直流母线电压。在本实验系统中采 用的方法如下:将220V的交流电接到单相交流调压器(浙江正泰电器股份公司生产的，型号为TDGC2-5,频率50tIZ，输出容量5KW，输入电压220V,输出电压0-255V,额定输出电流20A )，然后经整流桥堆(型号为KBPC3510)后变为直流电，最后经大电容稳压，可得到所需要的直流母线电压，实验时，调节调压器就可以改变直流母线电压的大小，电路如图3-5所示。这种方法需要的设备简单、控制方便，在实验中发挥重要作用。 图3-5 整流电路 3.2.4 逆变电路 逆变电路是将经整流后得到的直流电变成交流电，供给电机的U, V, W三相。由于无刷直流电机是感性负载，它和电源之间要有无功功率流动，为此在直流中间回路中增加储能元件以适应无功传送的需要。本实验系统选用电容器做储能元件，来吸收储藏无功能量，电路如图3-6所示，这种 26 洛阳理工学院毕业设计(论文) 逆变电路也称为电压型逆变器。电压型逆变器的优点是对负载而言是一个交流电源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电机并联运行，具有不选择负载的通用性。缺点是电机处于再生发电状态时，能量回馈给直流母线上的大电容，使直流母线上电压上升，而直流侧的无功能量难于回馈给交流电网，要实现能量回馈就需要添加或改变电路拓扑。随着具有自关断能力的功率开关器件迅速发展，逆变器广泛采用高频脉宽调制技术(PWM)，使得控制与保护的快速性大大提高，电压型逆变器的优势越来越明显，其应用也更加广泛。 Q1-Q6为逆变电路选用的功率器件MOSFET，型号为STN75NF75，具体技术参数如下:N沟道，2.5 驱动电路 驱动电路是将DSP输出的PWM信号进行功率放大，向各功率器件MOSFET送去使其饱和导通和可靠关断驱动信号。驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些参数和特性，从而影响整个电机控制系统的正常工作。目前用在MOSFET上的集成驱动电路有IR2110(双路驭动)、IR2130(六 27 洛阳理工学院毕业设计(论文) 路驱动)、TLP250(单路驱动)，本实验选用IR2110驱动芯片。工82110是一种双通道高压、高速高压型功率开关器件栅极驱动器，具有以下优点: (1)具有自举悬浮驱动电源，驱动电路简单，只用一路电源就可同时驱动同一桥臂的上、下两个开关器件，可以驱动500V主电路系统，工作频率高，可以达到500KH; (2)具有电源欠压保护关断逻辑; (3)输出用图腾柱结构，驱动峰值电流为2A; (4)两通道设有低压延时封锁(50ns ); (5)一个封锁两路输出的保护端SD，在SD输入为高电平时，两路输出均被封锁。但IR2110芯片有它本身的缺陷，不能产生负压，在抗干扰方面比较薄弱。结合IR2110的芯片手册和驱动要求，设计的驱动电路如图3-7所示。 -7 驱动电路 图3 以其中一相桥臂为例分析其工作过程:芯片Hin, Lin引脚为驱动逆变电路同桥臂上下两个MOSFET器件的驱动脉冲信号输入端，一组桥臂有两路PWM信号;Vdd为输入端的电源引脚，VSS为参考地引脚，为了防干扰，接有去耦电容;SD为保护信号输入端，当该脚接高电平时，IR2110的输出信号全被封锁，其对应输出端恒为低电平，而当该端接低电平时，则IR2110的输出跟随引脚Hin与Lin而变化，因此在故障发生时，在SD端输入高电平，即可达到保护的目的。Ho, Lo引脚为上下两路的输出信号，引脚Vb, VS和VCC,Com分别是上下两路输出信号的电源和参考地，它们之间也要接有0.1 uF的去祸电容，其中Vb是与Vcc共同使用外部电源(+15V)并通过自举技术获得浮动电源，从而使同一电路可以同时输出上、下两路信号。 28 洛阳理工学院毕业设计(论文) IR2110本身不具有逻辑信号与功率信号的隔离功能，由于控制信号开关频率较高，要求光耦器件有良好的跟随性，本实验系统选用快速光耦TLP521。图中的VCG为配合过流电路使用，当过流信号产生时，VCG被置低，IR2110被封锁。 3.2.6 电流采样及调整电路 在无刷直流电机电流环控制中，需要对直流母线电流进行检测，而检测的电流精度和实时性是保证整个控制系统可靠运行的关键之一。本实验系统采用电流霍尔传感器来采样，型号为HEME工international公司的LTA 50P/SP1 l: 10000霍尔电流传感器是根据闭环磁补偿原理制作而成的，其优点是:可以检测任意波形的电流;原边电路和副边电路之间完全电绝缘;抗磁场干扰能力强;频带宽精度高、线性度好。LTA 50P/SP1 1:1000 的原边额定电流为50A，测量范围为-160A-160A(供电电压为15V或-15V，推荐测量电阻50欧姆)，响应时间小于l微秒，完全可以满足本控制系统的要求。霍尔电流传感器连接电路如图3-8所示。 图3-8 霍尔电流传感器连接电路 LTA 50P/SP1的一个突出优点是可以通过改变线圈的缠绕圈数，改变其转换比例。考虑到本系统中电机的额定电流为9.5A，在全电压启动的情况下，启动电流达到额定电流的2到3倍，即最大电流为28A左右。这时若仍然采用1: 1000的转换比例，则采样后的电流值势必较小，需要用较大的采样电阻来测量，增加了对采样电阻的要求。因此，本系统在电流传 29 洛阳理工学院毕业设计(论文) 感器副边额定电流范围 (3-1) m4 30 洛阳理工学院毕业设计(论文) 其中:ial是指经电流霍尔传感器输出，经采样电阻后，得到的电压值; m是指在电流霍尔传感器上缠绕的匝数。 若采样电压值超过参考电压，即过流。LM311的7脚输出低电平，从而触发两个双口触发器74HC74的SD端。第一个双口触发器的6脚输出为低电平，通过与门7411C08，将低电平送到DSP进行过流保护。第二个双口触发器的8脚输出亦为低电平，从而启动发光二极管，起到报警作用。整个过流保护电路如图3-10(a)、3-10(b)所示。 CLR信号的作用是故障清除，当按下清零触发器后，一个低电平信号通过与门74HC08加到两个双口触发器的清零端，将故障信号清除。另一个作用是在系统一开始上电运行时防止误操作。电机在初始时刻有可能全电压启动，这时的电流将在短时间 (3-2) 图3-10 (a)过流保护电路 31 洛阳理工学院毕业设计(论文) 图3-10 (b)过流保护电路 3.2.8 转子位置检测电路 图3-11为转子位置检测电路，HA, HB, HC为无刷直流电机输出的霍尔信号，当某相霍尔信号输出为高电平时，光祸TLP559导通，经74HC14后输出高电平，这样可以将霍尔的SV高电平信号转为3.3V的高电平信号，此时的CAP口为高电平(3.3V );反之，当某相霍尔信号输出为低电平时，光祸TLP559截止，经74HC 14后输出低电平，这样此时的CAP口为低电平。74HC 14是一个带施密特的反相器，作用是将霍尔波形进行整形，消除信号斜坡部分。这样DSP的捕获单元就可以正常无误地工作。 -11 转子位置检测电路 图3 32 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第4章 无刷直流电动机Matlab仿真 4 .1 无刷直流电机控制系统仿真模型的建立 在MATLAB开发环境下，SIMULINK提供了丰富的模块库，可以供 无刷直流电机控制系统仿真使用，并且如果有些功能无法用模块来实现， SIMULINK还可以通过S函数来编写系统未提供的功能模块。 4.1.1 无刷直流电机总体模块 本设计在BLDCM数学模型的基础上，建立BLDCM控制系统的仿真 模型。其中主要有:电机本体模块、转矩测量模块、转速测量模块，逆变模 块及速度控制和电流控制等模块。由前面分析可知，系统采用的是转速电 流双闭环控制方案，其框图如图4-1所示。电机整体模块如图4-2所示。 图4-1 BLDCM控制系统的设计框图 33 洛阳理工学院毕业设计(论文) 图4-2 BLDCM总体模块 图中BLDCM总体模块包括;无刷直流电机本体、转矩测量模块、转速测量模块。把上面的BLDCM总体封装成一个模块。 (1) BLDCM本体模块 总体模块中最重要的就是控制对象BLDCM电机本体。电机本体的输入为逆变模块的输出二相端电压，输出是三相电流。电机本体模块结构框图如图4-3所示。 图4-3 电机本体模块结构框图 (2)转矩测量模块 由前面第二章分析的电机数学模型可知，电机转矩方程 为:Te (eaia,ebib,ecic)/w，要是知道了三相反电动势、三相定子电流、转速就可以计算出电磁转矩。而由前面分析可知，电机本体模块中，三相反电动势与转子位置关系是分段线性的。在SIMULINK环境下，搭建这个子模块非常简单。转矩测量模块封装及模块框图如图4-4所示。 34 洛阳理工学院毕业设计(论文) 图4-4 转矩测量模块封装及模块框图 (3)转速测量模块由前面电机数学模型可知，电机运动方程为，Te,TL,Bw Jdw „则只需知道电磁转矩、负载转矩、和阻力系数等就可dt 以通过上面公式计算的出转速，转速经过积分后就可以得出电机转角Pos信号。转速测量模块封装及模块框图如图4-5所示。 图4-5 转速测量模块封装及模块框图 4.1.2 逆变器模块 逆变器的功能就是把直流电压转换成电压和频率都可调的交流电压。逆变器的输入为电流控制模块输出的Pulse。控制信号，输出为三相电压。电压逆变模块采用SIMULINK中提供的通用逆变桥搭建，一个通用逆变器就取代了六个开关管MOSFET，使得建立逆变器模块变得相对简单。控制Pulse信号的时序和脉冲宽度，就可以实现直流电到交流电的转化。逆变器模块框图如图4-6 35 洛阳理工学院毕业设计(论文) -6 逆变器模块框图 图4 4.1.3 速度调节器模块 速度调节器的功能就是把给定转速和实际转速的差值进行设计的模糊PI控制算法，输出用于控制电流调节器，其中，转速调节器的输出作为电流调节器的给定。由前面叙述可知，本系统中速度调节器采用模糊自适应PI控制算法，以此来获得最佳的动静态性能。速度调节器模块框图如图4-7所示。 图4-7 速度调节器模块框图 4.1.4 电流控制模块 本设计中电流控制模块采用的是电流滞环跟踪型控制。这种控制结构是非线性的，它是一个非线性环节。电流控制模块的输入为三相参考电流值与反馈的三相实际电流值，输出为开关管的控制信号。当实际电流大于参考电流并且此时的偏差大于给定的环宽时，将对应的MOSFET正向关断，使其负向导通，此时电流就会慢慢减小，直到差值在设定的环宽以内。所以只要选择合适的滞环宽度，就可以使得电机的实际电流不停地跟踪参考电流。 36 洛阳理工学院毕业设计(论文) 滞环电流控制是一种非线性控制策略川。它的主要特点有:控制简单，易于操作实现;当系统的开关频率很高时，响应速度快，完全满足速度的要求;稳定性高，负载和电路参数发生变化时，对系统的控制性能影响很小。电流控制模块框图如图4-8所示。 图4-8 电流控制模块框图 4.1.5 参考电流模块 速度控制模块的输出作为参考电流给定值，但由于三相绕组的参考电流要按照转子位置来确定。则参考电流模块的功能就是根据己有的电流幅值和检测出的转子位置信号，给出电流控制模块的三相参考电流ia-r，ib-r ，ic-r转子位置与三 -4所示。这个功能模块在SIMULINK模块相参考电流之间的对应关系如下表5 里很难的搭建出来，只能采用S函数来编写。SIMULINK里的S函数的功能强大，可以完成各种各样的功能，只需按照一定模板来编写程序。参考电流模块框图如图4-9所示。 图4-9 参考电流模块框图 37 洛阳理工学院毕业设计(论文) 4.1.6 位置计算模块 电机的位置信号可以由电机转角信号得到，若电机转的转角度的值。w为转角信号，b是w对2 取余数。通过对b进行判断来得到电机的位置信号pos的值。由于这个MATLAB里面的SIMULINK模块里没有现有的功能模块，则需要通过S函数来编写。由上述可知，位置计算模块的输入为电机转角信号w.输出为位置信号pos。 4.2 仿真结果与分析 由前面可知，无刷直流电机控制系统的各个子模块都搭建出来了。则按照无刷 直流电机的控制系统可以在MATLAB中，把这些子模块组合起来，构成整个系统的仿真图。BLDCM仿真建模整体结构框图如图4-10所示。 图4-10 BLDCM仿真建模整体结构框图 表2-1 无刷直流电机的参数设置 38 洛阳理工学院毕业设计(论文) 为了研究设计的模糊自适PI控制器对系统的动静态响应起的作用，在相同条件下让模糊PI与传统PI进行各自仿真。其中负载转矩兀=1N*M，设定转速为n =100rad / s，仿真时间T=0.5s。仿真得到的相电流、相反电动势转子位置信号仿真曲线如图4-11 -13所示。 图4-11 定子电流IA、Is、IC波形 39 洛阳理工学院毕业设计(论文) 图4-12 反电动势En、Es、Ec波形 图4-13 转子位置信号Pos波形 定子三相电流的波形如图4-11所示，启动过程中电流较大，但很快会稳定。由于换向的影响，电流有部分脉动。定子绕组三相反电势的波形如图4-12所示，其平顶部分约为120度。图4-13为转子位置信号的波形，是从0—2 循环的变化。电流、反电动势与转子位置信号的波形与理论分析基本相同，仿真结果证明了 图4-14 PI控制下速度响应曲线 40 洛阳理工学院毕业设计(论文) 图4-15 模糊PI控制下速度响应曲线 -16和图4-17为系统在传统PI和模糊PI控制下的转矩响应曲线。 图4 图4-16 传统PI控制下转矩响应曲线 图4-17 模糊PI控制下转矩响应曲线 比较图4-16与4-17可知，在模糊控制下，系统在较短的时间内0.02s 41 洛阳理工学院毕业设计(论文) 进入稳态，而PI控制下，需要0.05s才可以进入稳态。并且，PI控制下要产生超调，而采用模糊PI控制可以避免了系统产生超调。相比传统的PI控制器，模糊PI可以使得系统有很好的动静态性能。 通过图5-16与5-17的转矩响应来看，负载转矩TL 1N M,无论是PI控制器还是模糊PI控制器，都以较大的转矩来启动电机，而由于电流换向和电流滞环控制器的频繁开关切换，会产生一定得电磁转矩。从仿真结果可知:模糊控制器产生的转矩脉动很小，几乎为零，而PI控制器下，有一定的转矩脉动。同时模糊PI控制器下的稳定时间为0.02s，而PID控制器下的稳定时间是0.05s。 从以上的仿真结果可知，将模糊自适应PI控制器作为速度控制器后，系统的动态响应得到了明显的提升，同时稳态误差也变得很小。简而言之，模糊PI控制器只考虑整个系统的输入和输出的变化情况，系统中一些参数变化对其控制效果几乎没影响，所以具有很强的参数适应性和鲁棒性。基于模糊数学的模糊PI控制器，具有模糊控制器与传统PI控制器的优点，使其在工业控制现场中得到了越来越多的应用，对电机调速等运动控制，模糊PI控制器是一个较好的选择。 42 洛阳理工学院毕业设计(论文) 结 论 (1)阅读大量的文献资料，总结和分析了当前无刷直流电机的发展现状和应用前景，并比较了无刷直流电机相对于其他类型电机的优势; (2)研究了无刷直流电机的基本结构、数学模型、调速原理; (3)根据模糊控制的原理并结合Matlab，进行了模糊控制器的设计，并对无刷直流电机的控制进行了仿真; (4)进行了控制系统的硬件平台的设计、调试(如整流、逆变、驱动、调理及保护电路等)，加强了实际的动手能力和对所学知识的运用能力; (5)进行了控制系统的软件代码的编写(如转子位置信号检测、PWM的产生、AD采样、速度模糊PI调节等)，并在硬件平台的基础上进行了联合调试，实现了对无刷直流电机的控制。实验系统的可靠运行证明了整个控制系统的正确性。 43 洛阳理工学院毕业设计(论文) 谢 辞 值此论文搁笔之际，谨向导师卢秉娟老师以最诚挚的感谢!导师卢秉娟以其高尚的师德、渊博的专业知识、严谨的治学态度、敬业的工作作风，深深地影响了我。卢老师诲人不倦、严以律己、宽以待人、朴实无华、平易近人。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导和帮助下完成的，导师倾注了大量心血，特别是在我一筹莫展时帮我拓宽思路，走出困境。在此，谨向我的导师卢秉娟表示崇高的敬意和衷心的感谢! 在写论文期间，我论文的全部实验都是在洛阳隆化传热集团里完成的，在这里 也特别感谢隆化传热给予我的支持和鼓励，谢谢隆华集团德宝冷链公司总经理李 先生，曾经是清华大学毕业生，更是一名学者，曾经月薪35万的技术总监，现 在为了自己的梦想而放弃高薪，并一直奋斗着。这次的论文非常感谢李先生给与 我的指导，还有河南省制冷学会理事长董晓强先生，现任隆化传热执行总经理， 中国第一条装配冷库的设计者。也给了我大力支持。 感谢我的父亲母亲，二十多年的养育之恩，无以回报。感谢胞哥的支持和帮助。 感谢读书生涯所有的老师、同学、朋友，一路成长，离不开你们的关心和帮助。 祝愿各位在以后的工作、学习和生活中一帆风顺，万事如意! 最后感谢各位评审老师抽出宝贵的时间对我的论文进行审阅 44 洛阳理工学院毕业设计(论文) 参考文献 [1] 王淑红，熊光煌.无刷直流电机换相转矩脉动减小及动态仿真，电机与控制 学报，Vol. 12 No. 2 Mar. 2008, p169-173 [2] 韦鳗，林平，张仲超.无刷直流电机换相转矩脉动的电流预测控制，浙江大 学学报江学版，Vol. 40 No. 11 ,Jan. 2006, p171-175 基于自适应人工神经网络的无刷直流电机换相转矩波 [3] 夏长亮，文德，王娟. 动抑制新方法，中国电机工程学报，Vol. 22No. 1 Jan 2002, p54-58 [4] 王晓远，田亮，冯华，无刷直流电机直接转矩模糊控制研究，中国电机工 程学报，Vol. 26 No. 15 Aug. 2006, p134-138 [5] 张宇峰，景占荣，羊彦，康勇.扩展卡尔曼滤波在无刷直流电机控制中的应 用研究，微电机，2007年第40卷第4期(总第160期)，p5-7 [6] 史婷娜，田洋，夏长亮.基于自适应小波网络的永磁无刷直流电机直接电压 控制，电工技术学报，Vo1.22 No.9(第22卷第9期)Sep. 2007, p74-79 [7] 张探编著.直流无刷电动机原理及应用[M].北京:机械工业出版社，2001 [8] Xiu Jie, Liu Liyun, Che Yanbo,Wang Shiyu.Fuzzy gain based adaptive fuzzy logic controller for BLDCM drive.Proceedings of the 27th Chinese Control Conference, CCC, 2008, p159-163 [9] Tang Ping-Hua} Du Kun-Mei. 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However, due to the rotor of the brushless DC motor is permanent magnet, can not directly regulate the excitation magnetic field, can only control the armature reaction to produce a reverse magnetic field of the armature to offset the permanent magnet magnetic field to obtain the equivalent of field weakening. The most viable solution needs to transform the motor body: either to increase the auxiliary field winding in the stator, or need a special structure of the composite rotor. At the same time solve the problem of weak magnetic speed, 48 洛阳理工学院毕业设计(论文) it also brings many new problems; (2) armature loop string resistance. The advantage of this speed control method is simple equipment, easy to operate, but its speed fluctuation in the speed control process, only a level speed, the speed regulator is not smooth, and great loss, so this speed control method can only be used speed performance is not very high on the device. In the case of the same terminal voltage and load torque, the only down the governor; (3) to change the terminal voltage. By regulating the input motor DC average voltage to adjust the speed, this method can be smoothed to adjust the speed adjustment range, and can realize stepless speed regulation, regulating the process of energy consumption, so widely used. There are two adjustment: a PAM way, another way for the PWM mode. PAM the way, the DC bus voltage adjustable power switching devices of the inverter is only responsible for motor commutation, motor speed by regulating the size of the DC bus voltage regulation, is worth noting that Japan?s Hitachi Ltd. has the patent application, and in this way is applied to its products, expand the scope of the motor speed; in PWM mode, the DC bus voltage is not adjustable, the inverter power switching device is not only responsible for the brushless DC motor commutation control, but also through the chopper adjust the motor to the average input voltage, so as to achieve the purpose of regulating speed. article is adopted this method for speed PWM chopper, DC bus voltage, known as the variable voltage control 49 洛阳理工学院毕业设计(论文) 无刷直流电动机调速 对于三相六状态无刷直流电机，假设不考虑开关器件动作的过渡过程，并忽略 电枢绕组的电感，无刷直流电机的电压方程可以简化为: US,2Ut E,2rIa 式中: US是加在两相通电绕组上的端电压 Ut是开关器件的管压降 E是电机的反电动势 r是每相绕组的电阻 Ia是电枢电流 任一时刻都有两相绕组导通，故电机的反电动势为: E Cen 式中: Ce是电机的电动势常数 n是电机转速 是每极磁通 由式(2.13)，(2.14)可得到电机的转速: n Us,2Ur,2rla Ce (1)改变Ce，即调节电机内部磁场。但由于无刷直流电机的转子是永磁体，无 法直接调节励磁磁场，只能控制电枢反应产生一个反向的电枢磁场来抵消永磁磁 场，获得等效弱磁。目前多数可行的方案需要对电机本体进行改造:或是在定子 上增加辅助励磁绕组，或是需要特殊结构的复合转子。这在解决弱磁调速的问题 的同时，也带来了很多新的问题; (2)电枢回路串电阻。此调速方法的优点是设备简单，操作方便，但是它在调速 过程中转速波动大，只能进行有级调速，速度调节不平滑，而且损耗大，所以这 种调速方法只能用在调速性能要求不是很高的设备上。同时在端电压和负载转矩 等不变的情况下，只能往下调速; (3)改变端电压US。通过调节输人电机的直流平均电压达到调节转速的目的， 此方法能平滑调节转速，调节范围大，并且能实现无级调速，调节过程中能耗小， 所以被广泛应用。 目前有两种调节方式:一种为PAM方式，另一种为PWM方式。在PAM 50 洛阳理工学院毕业设计(论文) 方式中，直流母线电压US可调，逆变器功率开关器件只负责电机换相控制，通过调节直流母线电压US的大小调节电机转速，值得注意的是日本日立公司己有这样的专利申请，并将这种方式应用到其产品中，扩大了电机的调速范围;在PWM方式中，直流母线电压US不可调，逆变器功率开关器件不但负责无刷直流电机的换相控制，而且通过斩波调节电机输人电压的平均值，从而达到调节转速的目的。 51