電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計無刷直流電機在車載雷達拖動控制系統(tǒng)中的研究

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1、 課程設(shè)計名稱：電力拖動自動控制系統(tǒng) 題 目：無刷直流電機在車載雷達拖動控制系統(tǒng)中的研究 專業(yè)：電氣與控制工程學(xué)院 班級：自動化04-6 姓名： 學(xué)號：0410180216 課程設(shè)計任務(wù)書 一、設(shè)計題目：無刷直流電機在車載雷達拖動控制系統(tǒng)中的研究 二、設(shè)計任務(wù)：研究無刷直流電機在車載雷達拖動控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的工程設(shè)計方法。 三、設(shè)計計劃：通過圖書館和網(wǎng)絡(luò)上查找有關(guān)設(shè)計任務(wù)方面的資料，通過整理完成此次設(shè)計。 四、設(shè)計要求：車載雷達長期工作于高空、低溫、低氣壓、大過載、強振動等惡劣環(huán)境中，其整機必須通過高低

2、溫、沖擊、隨機振動等嚴(yán)酷的環(huán)境試驗，因此車載雷達拖動控制系統(tǒng)不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的角位置控制，同時也要求它體積小、重量輕、可靠性高。 指 導(dǎo) 教師：徐建華 教研室主任：呂 振 時 間：2007年1月22日 摘要 本設(shè)計針對車載雷達用無刷直流電動機位置、轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)電力拖動控制系統(tǒng)進行仿真分析，并利用仿真結(jié)果來指導(dǎo)實際系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計了無刷直流電動機PWM控制器、角位置與速度檢測等硬件電路以及位置、轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)電力拖動控制系統(tǒng)。通過硬件和軟件的合理設(shè)計，使系統(tǒng)獲得較好的動、靜態(tài)性能。 關(guān)鍵詞：車載雷達；無刷直流電動機；電力拖動控制系

3、統(tǒng) 目錄 1 概述……………………………………………………………………1 2 硬件設(shè)計………………………………………………………………1 2.1 基本原理……………………………………………………………1 2.2 無刷支流電動機及其構(gòu)成…………………………………………2 2.3 無刷支流電動機的控制電路……………………………………………2 2.4 系統(tǒng)角位置檢測環(huán)節(jié)………………………………………………2 3 系統(tǒng)設(shè)計………………………………………

4、………………………3 3.1 對象模型的建立……………………………………………………3 3.2 校正設(shè)計……………………………………………………………3 3.2.1 電流環(huán)的設(shè)計計算…………………………………………3 3.2.2速度環(huán)的設(shè)計計算……………………………………………5 3.2.3位置環(huán)的設(shè)計計算……………………………………………6 3.2.4 控制算法…………………………………………………………8 4 結(jié)論……………………………………………………………………………9 5 設(shè)計體會………………………………………………………………………10 6參考文獻……………………

5、…………………………………………………11 12 機載雷達用無刷支流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)研究 1 概述 車載雷達長期工作于高空、低溫、低氣壓、大過載、強振動等惡劣環(huán)境中，其整機必須通過高低溫、沖擊、隨機振動等嚴(yán)酷的環(huán)境試驗，因此車載雷達電力拖動控制系統(tǒng)不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的角位置控制，同時也要求它體積小、重量輕、可靠性高，而稀土永磁無刷直流電動機作為一種新型的驅(qū)動執(zhí)行元件，由于采用了電子換向，其可靠性高、壽命長、并且無電火花干擾，完全能夠滿足車載雷達控制系統(tǒng)的特殊環(huán)境要求。 無刷直流電動機的最大優(yōu)點就是它既具備交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、維護方便、壽

6、命長的特點，同時也具備普通直流電動機運行效率高、轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速方便、動態(tài)性能好的優(yōu)點，它綜合了普通直流電動機和交流電動機的優(yōu)點，是新一代電氣傳動的發(fā)展方向之一，采用無刷直流電動機來作為車載雷達控制系統(tǒng)中的電力拖動執(zhí)行元件應(yīng)是一種較為理想的選擇。本文討論了無刷直流電機在車載雷達拖動控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的工程設(shè)計方法。 2 硬件設(shè)計 2.1 基本原理 無刷直流電動機拖動控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2-1所示。圖2-1中的角位置命令信號與檢測反饋電路測定的當(dāng)前位置信號相比較，求得位置偏差信號經(jīng)位置校正環(huán)節(jié)處理后，作為速度回路的給定信號，再和實際速度相比較得到速度偏差，經(jīng)速度校正環(huán)節(jié)運算和D/A轉(zhuǎn)換后，

7、作為電流環(huán)的電流給定信號，它與測定的實際電流比較得到電流偏差，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器后輸出到PWM 控制器中的脈寬調(diào)制器，其輸出的PWM信號經(jīng)換相控制邏輯電路與電機位置傳感器送來的轉(zhuǎn)子位置信號綜合后，形成相應(yīng)的觸發(fā)信號，以控制功率管的開通順序與時間，從而在電機中形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，并將天線負(fù)載拖動到所要求的位置。 圖2-1，無刷直流電機車載雷達拖動控制系統(tǒng)原理框圖 2.2 無刷直流電動機及其構(gòu)成 本系統(tǒng)中使用的是方波型無刷直流電動機、它主要由電動機本體，位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分構(gòu)成、電動機本體中的定子繞組一般制成多相。如（三相）轉(zhuǎn)子由永磁材料制成、位置傳感器與電機轉(zhuǎn)子同軸連接，實時跟蹤

8、轉(zhuǎn)子的位置、當(dāng)定子繞組的某相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置信息變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，因而起到類似機械換向器的作用、電機中有霍爾式位置傳感器，以檢測出轉(zhuǎn)子的相對位置。 2.3 無刷直流電動機的控制電路 本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制即PWM控制。由于PWM 控制器的主回路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，因此控制器的損耗小，效率高。本系統(tǒng)中PWM 頻率為20kHz。 PWM 控制器中的逆變主回路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM 變換器，PWM 變換器分為不可逆和可逆兩類，在控制上又分為雙極式與

9、單極式。在可逆雙極性PWM 變換器中，R 橋的上，下兩個功率管經(jīng)常交替工作，由于功率管具有關(guān)斷時間，在這段時間內(nèi)功率管并未完全關(guān)斷，容易造成上，下兩管直通，為了避免發(fā)生這種情況，就要設(shè)置邏輯延時環(huán)節(jié)加以保護。本系統(tǒng)中的邏輯延時為500ns。 無刷直流方波電機的氣隙磁場空間分布為梯形波，為了保證無刷直流電動機的出力最大，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，就必須始終把載流導(dǎo)體處于氣隙磁密最大處，即隨著電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，必須及時地將電流從一相切換到另一相，并且還應(yīng)保證變換器在四象限內(nèi)以PWM 狀態(tài)工作，因此必須有換相控制邏輯電路。本系統(tǒng)采用的無刷直流電動機為兩兩通電方式，其換相控制邏輯電路的設(shè)計可參見參考文獻[3]。

10、驅(qū)動電路是功率電路與控制電路連接的中間環(huán)節(jié)，其作用是將控制電路的輸出信號放大到足以驅(qū)動功率開關(guān)管，以使主回路功率開關(guān)管可靠地導(dǎo)通與關(guān)斷，同時也具有將功率電路強電與控制電路弱電隔離的作用。本文所討論的無刷直流電動機拖動控制電路在設(shè)計中，采用了智能功率驅(qū)動模塊（IPM）以適應(yīng)車載雷達對體積與可靠性等的特殊要求。 本系統(tǒng)用雙極式可逆PWM 控制方式，因該控制方式具有電流一定連續(xù)，可使電動機在四個象限中運行，低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，特別適合在靜，動態(tài)性能要求比較高的車載雷達控制系統(tǒng)中應(yīng)用。 2.4 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器與RDC解調(diào)電路構(gòu)成的角位置檢測環(huán)節(jié) 本系統(tǒng)中角位置反饋信號通過正余弦無刷旋

11、轉(zhuǎn)變壓器測得，該旋變?yōu)楦呔刃C座號，低壓激勵的無刷旋變，其激磁信號為2V、2kHz，電氣誤差3。 RDC解調(diào)電路將無刷旋轉(zhuǎn)變壓器送來的含有負(fù)載位置信息的正余弦信號進行解調(diào)變換，可獲得角度位置信息，送給伺服計算機進行控制運算。另外，它還能提供負(fù)載的速度模擬信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入計算機進行速度環(huán)的校正運算。本設(shè)計中使用的RDC解調(diào)芯片的分辨率可方便地被用戶設(shè)成為12、14或16位，本系統(tǒng)中為16位。該解調(diào)芯片的主要電氣指標(biāo)為：參考信號2V、2kHz，精度2arc min。 3 系統(tǒng)設(shè)計 3.1 對象模型的建立 由于本系統(tǒng)采用了120導(dǎo)通電壓型三相逆變器，任一時刻只有兩相通電，因

12、此，無刷直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與普通直流電動機的相似，如圖3-1所示。 圖3-1 無刷直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 該無刷直流電動機的參數(shù) 工作電壓為U=46V 電機兩端的電阻 電感 電勢常數(shù) 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 機電時間常數(shù) 連堵力矩2.40 峰值力矩6.918 連堵力矩時的電流5.42A 峰值力矩時的電流25.3A。 由于PWM 開關(guān)頻率為20kHz，所以PWM 控制器的傳遞函數(shù)為 系統(tǒng)中電流反饋系數(shù)為 速度由負(fù)載軸檢測，速度反饋系數(shù)為 式中：KPWM為PWM制器的電壓放大倍數(shù)；Ts為PWM控制器的時間常數(shù)；ufi為電流反饋電壓；ufn為轉(zhuǎn)速反饋電壓；Id為電

13、機繞阻電流；n為負(fù)載轉(zhuǎn)速。 3.2 校正設(shè)計 3.2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計計算 本設(shè)計中的電流調(diào)節(jié)器采用模擬式設(shè)計，在實際系統(tǒng)中。由于電磁時間常數(shù)TL遠(yuǎn)小于機電時間常數(shù)Tm電流調(diào)節(jié)比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多。因而也比反電勢E的變化快得多，因此，可忽略反電勢對電流環(huán)的影響?？紤]到電流反饋時間常數(shù)Toi和PWM控制器的時間常數(shù)Ts都比TL小得多。因此它們都可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)來處理，即取。從希望電流環(huán)超調(diào)小$電流跟隨性能好這個角度出發(fā)，應(yīng)將電流環(huán)校正為典型Ⅰ型系統(tǒng)。 由于電流環(huán)的控制對象傳遞函數(shù)中具有兩個慣性環(huán)節(jié)，因此，電流環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)校正時，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為

14、 （1） 式中Kpi為電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；Ti為電流調(diào)節(jié)器時間常數(shù)。 PI調(diào)節(jié)器的零點對消控制對象的大時間常數(shù)極點，即取Ti=TL=La/Ra=0.00282（s），并按工程最佳參數(shù)來選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。由于電流環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)為 （2） 式中，Ra為電機繞阻電阻。而且 （3） 故有 （4） 利用MATLAB軟件對電流環(huán)進行仿真，參見圖3-2，經(jīng)仿真最終取Kpi=11.5，得到電流環(huán)的階躍響應(yīng)曲線圖3-3，由圖可見其超調(diào)很小、電流跟隨性好，并且經(jīng)仿真也可得到電流環(huán)的帶寬約為BW=800Hz

15、圖3-2 位置、速度、電流閉環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 圖3-3 電流環(huán)階躍響應(yīng)曲線 3.2.2 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計計算 電流環(huán)設(shè)計好以后作為速度環(huán)內(nèi)的一個等效環(huán)節(jié)，與系統(tǒng)前向通道中的積分環(huán)節(jié)串聯(lián)。就構(gòu)成了速度環(huán)的被控對象，電流環(huán)是按工程最佳參數(shù)校正的典型Ⅰ型系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)為 Ugi為電流環(huán)的給定電壓，Id為電機繞阻中電流。 由于故有速度環(huán)截止頻率總是低于電流環(huán)截止頻率，即所以，可以把電流環(huán)看成是速度環(huán)中的一個小時間常數(shù)環(huán)節(jié)，可忽略項。因此，電流環(huán)的近似等效環(huán)節(jié)為 （7） 本系統(tǒng)中速度由負(fù)載軸測出，因此，必須考慮減速環(huán)節(jié)1/i（i為

16、速比）同時取，式中Ton為速度反饋時間常數(shù)。 根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時無靜差和在動態(tài)時應(yīng)有較好的抗擾動性能的要求，速度環(huán)可按典型Ⅱ型系統(tǒng)校正，由于速度環(huán)的被控對象由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成，為按典型Ⅱ型系統(tǒng)校正，應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （8） 式中Kpn為速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；Tn為速度調(diào)節(jié)器時間常數(shù)。速度環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為 （9） KN為速度環(huán)開環(huán)增益 （10） 按Mp最小準(zhǔn)則確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，h是系統(tǒng)的中頻段寬度，它的選取將直接影響系統(tǒng)的動態(tài)性能，本系統(tǒng)中h取5，因為此時調(diào)節(jié)時間ts和擾動恢復(fù)時間tf最短。 按以上分析可以確定速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)

17、 （11） （12） 利用MATLAB軟件對速度環(huán)進行仿真，參見圖3-2，經(jīng)仿真最終取Kpn=5，Tn=0.0365，Kpi=11.5。 圖3-4 t=0.5（s）時突加負(fù)載擾動時的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)曲線 圖3-4為無刷直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在t=0.5s時突加負(fù)載擾動時的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)曲線，從圖中可以看出系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動性能較好。 3.2.3 位置調(diào)節(jié)器的設(shè)計計算 速度環(huán)設(shè)計好以后作為位置環(huán)內(nèi)的一個等效環(huán)節(jié)，與系統(tǒng)前向通道中的積分環(huán)節(jié)串聯(lián)，就構(gòu)成了位置環(huán)的被控對象。速度環(huán)是按典型Ⅱ型系統(tǒng)校正的，因此速度環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

18、 （13） Ugn為速度環(huán)的給定電壓，n為負(fù)載轉(zhuǎn)速。式（13）中若滿足以下的近似條件，則可忽略高次項。 （14） 式中：a、b、c分別為式（13）中s3、s2、s項的系數(shù)。 由于位置環(huán)截止頻率總是低于速度環(huán)截止頻率即所以，可忽略高次項。因此速度環(huán)的近似等效環(huán)節(jié)可以為 （15） 由于位置伺服系統(tǒng)對精度有較高的要求，因此位置環(huán)必須按Ⅱ型系統(tǒng)校正。為了按典型Ⅱ型系統(tǒng)校正，應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （16） 式中：Kpp為位置調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；Tp為位置調(diào)節(jié)器時

19、間常數(shù)。 位置環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為 （17） 為位置環(huán)小時間常數(shù)之和。 KP為位置環(huán)開環(huán)增益 （18） 按MP最小準(zhǔn)則確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，h是系統(tǒng)的中頻段寬度，若系統(tǒng)中h取10。按以上分析可以確定位置調(diào)節(jié)器的參數(shù) （19） （20） 上述各環(huán)設(shè)計都應(yīng)滿足近似條件。 利用MATLAB軟件對位置環(huán)進行仿真（如圖3-2）所示，經(jīng)仿真最終取Kpp=1.25，Tp=38，Kpn=5，Tn=0.0365，Kpi=11.5，得到圖3-5所示的位置環(huán)階躍響應(yīng)曲線 圖3-5 位置環(huán)階躍響應(yīng)曲線 由圖可見，其上升時間為0.05

20、s，過渡過程時間為0.15s，超調(diào)量約為7%，振蕩次數(shù)為1，其動態(tài)性能較好。 3.2.4 控制算法 PID的增量型控制算法為 （21） 式中：u（k）為第K次采樣時計算機的輸出；e（k）為第K次采樣時的偏差值；e（k-1）為K-1次采樣時的偏差值；T為采樣周期；Kp為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)，T1為調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)；TD為調(diào)節(jié)器微分時間常數(shù)。 可將式（21）整理為如下的形式 （22） 式中 設(shè) （23） 則在計算機軟件中可采用如下的實際疊代算法 （24） 系統(tǒng)的初始值?。?。 數(shù)字PID

21、計算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓作為電流環(huán)的給定信號。為減小系統(tǒng)超調(diào)，可采用積分分離控制算法，即在控制量開始跟蹤時，取消積分作用，直到被調(diào)量接近給定值時，才使積分作用。數(shù)字PID調(diào)節(jié)器輸出數(shù)字量之前應(yīng)加限幅以控制系統(tǒng)的電流。 4 結(jié)論 高性能無刷直流電動機位置伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)一般都采用位置、速度、電流閉環(huán)控制。電流環(huán)可在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中使電機定子電流跟隨其給定值的變化，保證起動或制動時電機能獲得允許的最大電流，以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能；并對電源電壓波動起抗擾作用；當(dāng)電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電機電流的最大值，以保護電機與控制器的安全。而轉(zhuǎn)速環(huán)則可使系統(tǒng)具有較好的抗負(fù)載

22、擾動性能。位置環(huán)則可使系統(tǒng)實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的位置控制. 因此，按上述方法設(shè)計的機載雷達用無刷直流電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的控制性能與較高的動態(tài)品質(zhì)。 5 設(shè)計體會 通過這次課程設(shè)計，我較熟練的掌握了使用MATLAB 進行計算仿真開發(fā)的方法，加深了對電力拖動控制系統(tǒng)課程特別是閉環(huán)調(diào)節(jié)的理解。由于時間倉促，系統(tǒng)的校正還有許多不足之處。主要有： 1 對課程知識理解不深，很多概念都是似懂非懂。 2 對仿真軟件matlab的應(yīng)用較為生疏，很多實

23、用的技巧都不知道，導(dǎo)致設(shè)計時間漫長，計算復(fù)雜。 3 對重要文獻的檢索能力需要加強，平時不注意搜集有關(guān)資料，書到用時方恨少。 感謝我們學(xué)校、學(xué)院為我們安排了這么好的一次設(shè)計周，在今后的學(xué)習(xí)中我會加強理論和實踐的結(jié)合，通過不斷的摸索來彌補自己在計算機仿真方面的差距。 參考文獻 1 陳伯時 自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，1981 2 歐陽黎明 MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計.北京:國防工業(yè)出版社,2001 3 王 宏 無刷直流方波電機PWM控制器的設(shè)計.現(xiàn)代雷達,2002(6):82~86 4 胡壽松 自動控制原理 第四版 科學(xué)出版社，2001 5 李友善 自動控制原理 國防工業(yè)出版社