無刷直流電機雙閉環(huán)控制.doc

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江蘇科技大學 15 屆畢業(yè)設計（論文） 無刷直流電機的雙閉環(huán)控制設計 系 部： 自動化 專業(yè)名稱： 電氣工程及其自動化 班 級： 11403041 學 號： 1140602116 作 者: 龔昊 指導教師: 王偉然 年 月 日 無刷直流電機的雙閉環(huán)控制設計 The design of double closed loop control of the brushless DC motor 江蘇科技大學 畢業(yè)設計（論文）任務書 學院名稱： 電子信息學院 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 學生姓名： 龔昊 學 號： 1140602116 指導教師： 王偉然 職 稱： 講師 畢業(yè)設計（論文）題目： 無刷直流電機的雙閉環(huán)控制設計 一、畢業(yè)設計（論文）內容及要求（包括原始數據、技術要求、達到的指標和應做的實驗等） 設計內容與要求: 1.收集相關文獻資料，闡述無刷直流電機在現代工業(yè)中的地位與應用 2.對無刷直流電機的相關控制方法進行收集整理，并進行比較分析 3.選用雙閉環(huán)控制方法對無刷直流電機進行相關控制 4.使用Matlab/Simulink編寫相關程序，并且調試程序，得到仿真結果 二、完成后應交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等） 1.相關英文翻譯 2.畢業(yè)論文 3.相關程序附件 4.光盤 三、完成日期及進度 （1）3月2日～3月27日：消化任務書，查找資料，提交開題報告； （2）3月28日～4月24日：實際設計階段，中期檢查； （3）5月18日～5月29日：論文初稿審核 （1、初稿上傳知網進行檢測、2、初稿上傳畢業(yè)設計系統)； （4）5月30日～6月5日：論文定稿審核 （指導教師、評閱教師評分）； （5）6月8日～6月14日：答辯及成績評定； （6）6月15日～6月16日：成績入庫（答辯秘書）； （7）6月8日～6月16日：申報優(yōu)秀； （8）7月6日～7月12日：畢業(yè)設計全套電子資料歸檔（答辯記錄掃描后上傳）； （9）7月13日～7月17日：學院畢業(yè)設計（論文）工作總結。 四、主要參考資料（包括書刊名稱、出版年月等）: [1]王宏偉.梁暉.無位置傳感器無刷直流電機的DSP控制[J]．電力電子技術 [2]李新華.莊百興.楊垂恭. 基于IPM 的高壓無刷直流電動機控制器[C]．第十二屆中國小電機技術研討會論文集 [3]張琛.直流無刷電動機原理及應用[M]．北京: 機械工業(yè)出版 社 [4]張紅蓮.基于DSP的電力拖動控制系統的設計[J].科技信 信 [5]葉金虎. 現代無刷直流永磁電動機的原理和設計[M]. 北京: 科學出版社 [6]李傳琦.電力電子技術計算機仿真實驗[M].北京:電子工業(yè) 出版社 [7]鄧兵,.潘俊民 無刷直流電機控制系統計算機仿真[J]. 計算機仿真 [8]包向華.章躍進 基于SIMULINK 的永磁無刷直流電動機及 控制系統的建模與仿真[J].電氣傳動自動化 系(教研室)主任： （簽章） 年 月 日 學院主管領導： （簽章） 年 月 日 摘 要 由于電子技術，計算機技術，傳感器技術，電力電子技術，現代控制理論和新型永磁材料的發(fā)展，永磁無刷直流電動機及其控制技術已有突破性進展。近20年來，永磁無刷直流電機因其結構簡單，調速性能好，控制方法靈活多變，效率較高，起動轉矩大，運行壽命長等優(yōu)點，日趨廣泛應用于航空航天，計算機，軍事，汽車，工業(yè)和家用電器等領域。 本文針對無刷直流電動機選取雙閉環(huán)控制技術進行調速。首先，介紹了無刷直流電機的特點及其結構和原理；其次，建立了無刷直流電機的模型，進行數學分析；再次，采用雙閉環(huán)PI調速，主要針對其PI控制器進行了相關設計與改進，消除無刷直流電機穩(wěn)態(tài)時的靜差；最后，基于MATLAB/SIMULINK平臺，建立控制系統的仿真模型，對無刷直流電動機速度閉環(huán)控制系統進行仿真。 仿真結果顯示該模型轉矩響應較快，電流脈動較小，電機工作穩(wěn)定可靠，具有良好的靜動態(tài)特性。無刷直流電機的雙閉環(huán)控制采用電流滯環(huán)，結構簡單、響應快速，具有一定理論與應用意義。 關鍵詞：無刷直流電動機；雙閉環(huán)控制；數學模型；MATLAB； Abstract Since the development of electronic technology, computer technology, sensor technology, power electronics technology, modern control theory and new permanent magnetic material.Permanent magnet brushless dc motor and its control technology has made a breakthrough.During the past 20 years,since its simple structure,good performance of speed adjustment,variable control methods,high efficiency ,large starting torque and long service life and so on.The brushless dc motor is now increasingly used in fields like aerospace,computer,military,cars,industry and household appliance. This passage is based on the speed control of the brushless dc motor.Double closed-loop control technology is used for researching and analysising among numerous control methods.At first,it has introduced the research background of the brushless dc motor.Next,based on the working principle of the brushless dc motor,the model of the brushless dc motor has been established to do mathematical analysis. After that,we take double closed loop speed regulation,and mainly design and improve PI regulator to make the brushless dc motor astatic in steady state.At last in order to make simulation of control system for brushless dc motor speed closed-loop control system,we establish the simulation model of control system which based on MATLAB/SIMULINK platform. The result of simulation shows that the response of torque is quick and the pulsation of current is small.The motor can work reliable and has good static characteristic.We use current hysteresis band in the control system since its simple structure and quick response,it is based on reliable theory and is meaningful in application. Keywords: brushless direct current motor; double closed-loop control; mathematical models;MATLAB; 目錄 第一章 緒論 1 1.1無刷直流電動機 1 1.1.1無刷直流電機的簡介 1 1.1.2 無刷直流電機的特點 1 1.1.3 無刷直流電機在工業(yè)中的地位及應用 2 1.1.3.1定速驅動機械 2 1.1.3.2調速驅動機械 3 1.1.3.3精密控制 3 1.2無刷直流電機國內外研究現狀 4 1.3無刷直流電機的發(fā)展趨勢 4 1.3.1無刷直流電機的發(fā)展前景 4 1.3.2控制策略的發(fā)展 6 1.4 本課題的研究意義 7 1.5 章節(jié)安排 7 1.6本章小結 8 第二章 無刷直流電機的工作原理及其數學模型 8 2.1無刷直流電動機的工作原理 8 2.1.1無刷直流基本組成 8 2.1.2無刷直流電機運行原理 12 2.2無刷直流電機的建模 13 2.2.1無刷直流電機的電壓方程 14 2.2.3傳遞函數 15 2.2.4反電勢方程 16 2.3本章小結 17 第三章 無刷直流電機雙閉環(huán)控制的原理和設計 17 3.1無刷直流電機雙閉環(huán)控制的原理 17 3.1.1無刷直流電機轉速控制系統的組成 17 3.1.2無刷直流電動機轉速、電流控制過程 19 3.2逆變器及電流轉速反饋通道的數學模型 19 3.3轉速電流雙閉環(huán)的設計 20 3.3.1設計要求 20 3.3.2電流環(huán)動態(tài)結構框圖 21 3.3.3電流調節(jié)器設計 23 3.3.4轉速調節(jié)器的設計 25 3.4本章小結 28 第四章 基于MATLAB/SIMULINK無刷直流電機雙閉環(huán)控制的設計 28 4.1MATLAB/SIMULINK的簡介 28 4.1.1MATLAB的介紹 28 4.1.2SIMULINK的功能與特點 29 4.2參數的給定 30 4.3SIMULINK模塊的搭建 30 4.3.1無刷直流電機雙閉環(huán)控制整體控制框圖 31 4.3.2電機本體模塊 31 4.3.2.1轉速計算模塊 31 4.3.2.2轉矩計算模塊 32 4.3.2.3電壓方程模塊和反電勢模塊 33 4.3.3電流滯環(huán)控制模塊 34 4.3.4轉速控制模塊 35 4.3.5電流參考模塊 35 4.3.6逆變器模塊 36 4.4仿真結果 37 4.5結論 39 4.6本章小結 40 第五章 結論與展望 41 5.1結論 41 5.2展望 41 致謝 42 第一章 緒論 1.1無刷直流電動機 1.1.1無刷直流電機的簡介 無刷直流電機發(fā)展歷史不長，只有幾十年。1962年“固態(tài)換相直流電機”專利被提出，標志了現代無刷電動機的真正誕生[1]。20世紀60年代初以后，無刷直流電動機被運用到實際中去。因為其可靠性較高，一開始使用在航空航天中。1964年，[2]美國宇航局用它來控制衛(wèi)星在太空中的運行。1978年，一家聯邦德國公司研制出無刷直流電動機和它的驅動。并且將它們在漢諾威展覽[3]，這正式表明了由電子換相的無刷直流電機走入了實際運用的時代。之后國內外的各種研究，以及永磁材料、控制技術和電力電子的發(fā)展給無刷直流電機帶來新的發(fā)展，它越來越多地運用在國防、工業(yè)生產、生活中的電氣和電子電器當中去，成為很有潛力的電機產品。 1.1.2 無刷直流電機的特點 [4]無刷直流電機可替代直流電機調速，不僅放棄使用碳刷、滑環(huán)結構；而且可在低速大功率條件下運行，省去使用減速機直接驅動大負載。此外還具有重量輕、體積小、出力大，其轉矩特性優(yōu)良，有較大的起動轉矩。啟動電流小并且能實現無級調速，帶動大負載和寬范圍內調速。其起動和制動特性曲線都比較軟，而且節(jié)能效率高，節(jié)電率總體可達20%到60%。有較高的可靠性，穩(wěn)定性和適應性，并且保養(yǎng)維修簡單。在使用過程中噪音低，震動小。抵抗顛簸震動能力強，運轉平滑，壽命長[5]。因為其工作時無火花，所以適合爆炸性場所。 1.1.3 無刷直流電機在工業(yè)中的地位及應用 近年來，稀土永磁材料和電力電子器件性價比越來越高。作為伺服電機和中小功率高性能調速電動機的無刷直流電機越來越廣泛地應用在工業(yè)中，下面就工業(yè)中的一些典型應用進行介紹分析。 1.1.3.1定速驅動機械 三相或單相同步電機和交流異步大多應用在一般不需要調速的工業(yè)場合。 （1）單一方向連續(xù)運行的負載大部分使用電容運轉型單相或三相交流異步電動機，交流異步感應電機。而部分不需要調速的電機或者可以接受轉速隨著負載稍微變化的電機，比如水泵等就需要使用2極或4極異步電動機； （2）對工作時轉速高但很輕的負載諸如攪拌機、吸塵器和地毯清掃洗滌機等，大多數負載是由直流電動機或單相串勵電動機直接帶動的；但如果是高速驅動且要求噪聲小，可以選擇使用由直流電源供電的無刷直流電動機或由逆變器供電的中頻異步電動機。 （3）對于轉速比較低，特別是時常頻繁地正反轉調節(jié)的工作機械，可以采用低速直接驅動來提高生產效率、縮短過渡過程時間、降低噪聲。一般采用低速齒輪減速異步電動機或電磁減速同步電動機。 [6]以上的定速控制應用中，要求連續(xù)運行而且功率不大于10kw的場合下，更多的電動機正在被無刷直流電動機所漸漸取代，目的是為了節(jié)省材料，減少體積，降低能耗和提高效率之類的因素。但是當在功率大的時候，由于成本較高，無刷直流電機還使用較少。 1.1.3.2調速驅動機械 調速系統分為兩類，一類是開環(huán)調速系統，另一類是閉環(huán)調速系統（一般情況下在閉環(huán)時是用交直流等速度反饋器件）。在食品包裝機械、印刷機械、紡織機械、交通車輛和物料輸送機械中經常使用交流異步電動機、直流電動機和無刷直流電動機，這也是常常使用的三種主要電動機。 交流電動機和變頻器越來越多地使用在原來直流調速系統的多數應用領域。但是由于無刷直流電機小而且輕、高效率且能耗小等諸多優(yōu)點，無刷直流電機系統正在逐漸地取代中小功率的交流變頻系統，尤其是在原來應用變頻系統較多的領域諸如印刷機械、紡織機械等，有些原來使用直流電機的地方也逐漸被無刷直流電機所取代。 1.1.3.3精密控制 伺服電機在工業(yè)自動化領域的運動控制中起到了非常重要的作用，對于不同的應用場合，伺服電動機的控制性能要求也是不一樣的，所以在實際使用時，伺服電機有多種不同的控制形式：速度控制和位置控制、轉矩控制/電流控制。交、直流伺服系統多應用在高速度、高精度的控制系統中[7]?，F在交流伺服系統使用比較多，而其實由方波驅動的交流伺服系統就是無刷直流電機，在國外叫BLDC。 圖1無刷直流電機 穩(wěn)速控制-鎖相控制：如掃描儀、攝影機之類要求恒速或嚴格同步轉速的裝置，帶穩(wěn)速裝置的無刷直流電機已經被越來越多的應用在這類儀器上。 1.2無刷直流電機國內外研究現狀 隨著永磁材料、大功率開關器件、高性能微處理器的快速發(fā)展，世界上對永磁無刷直流電動機也在不斷研究，主要集中在：控制策略、轉矩脈動、性能仿真、無位置傳感器控制等方面。 目前我國研發(fā)并生產的永磁無刷直流電機主要運用在軍工設備方面，但是在電冰箱、空調以及微型風機等微型與特種永磁無刷直流電動機的研制方面幾乎還屬于空白。國外在無刷直流電機的研究比國內早很多，70年代以來，飛速發(fā)展的電力電子工業(yè)帶來了新的電力電子元件，此外高性能永磁材料的問世使得無刷直流電動機目前在技術上已經比較成熟，在實際的應用中也有很好表現了其優(yōu)良性能，應用得也廣泛。 1.3無刷直流電機的發(fā)展趨勢 1.3.1無刷直流電機的發(fā)展前景 （1）電機向高電壓、低電流發(fā)展 [8]由于電力電子技術發(fā)展，電力場效應管能夠達到高電壓和低電流。一般來說大電流所帶來的是管子壓降大，在晶體管的損耗也就多了。而電機朝著高電壓，低電流發(fā)展就可以避免這一現象，有效地提高了電機效率。 （2）由正弦波電流驅動 因為DSP器件[9]、專用的控制芯片和高速微處理器還有的出現，能夠讓處理能力、運行速度得到很大得提升。伴著這些器件使用的地方和深度越來越廣，也越來越深，器件的價格也不斷地下降。正弦波驅動比一般方波驅動在性能上要更加優(yōu)異，而一定精度的位置傳感器在使用正弦波驅動的電動機的時候是必要的，因此可能成本會增加一些，所以這種替換不一定在所有場合下都是能夠行得通的，需要根據具體情況要求來選擇。 （3）PWM技術 無刷直流電動機的性能因為DSP和高速微處理器的誕生而得到了保證。有時候，增加位置傳感器帶來的成本和復雜度的增加是不可以接受的，特別是在一些需要控制成本的場合。但是在無刷直流電動機上可以利用DSP固有的計算能力來上實現很多不需要傳感器的控制。在無刷直流電動機中，可以使用四個電阻來采集轉速，位置和轉矩的信息的算法來實現無位置算法。除此之外，不像傳統的算法所需要的采取過零算法，該算法還提供了速率信息和瞬態(tài)位置的信息。 （4）新材料對電機技術的促進 電機的小型化、重量越來越輕，效率越來越高和磁性材料的不斷發(fā)展有密切的聯系。磁性材料的發(fā)展過程很漫長，大體上可以分為如下幾個階段：一開始使用的是鋁鎳鈷，后來又開發(fā)出了[10]鐵氧體磁性材料并且一度成為主導。在鐵氧體磁性材料之后，人們又研究出釤鈷合金，這種材料有很好的磁能積數值，但是價格高昂，而且是戰(zhàn)略所需要控制的物資，所以很難再日常生活生產中推廣這種高性能的永磁合金材料。 一場關于磁性材料的大革命在1983年爆發(fā)了，這一年日本人發(fā)明了新材料釹鐵硼（NdFeB）。釹鐵硼磁性材料不僅沒有價格高昂的合金元素，而且磁能積高。在價格方面，釹鐵硼磁性材料也非常好有優(yōu)勢，此外由于這種材料磁能積高，省去了其空間，制造電機也會簡單很多。電機的電樞繞組上的線圈也大大減少，從而節(jié)約了材料，降低了價格。 1.3.2控制策略的發(fā)展 （1）雙閉環(huán)控制 雙閉環(huán)控制采用轉速、電流雙閉環(huán)，其中外環(huán)是轉速環(huán)，內環(huán)是電流環(huán)。外環(huán)使用PI調節(jié)器來控制，從而保障了轉速控制的精度；內環(huán)選用電流滯環(huán)來進行控制，可以使電樞電流快速地跟隨參考電流的變化。合理選用滯環(huán)寬度可以減小轉矩脈動。 （2）直接轉矩控制 [11]直接轉矩控制理論在1985年，由德國學者Depenbrock所提出，該理論是把逆變器與電機看成了一個整體進行考慮，通過使用電壓空間矢量的方法，在定子建立坐標系并進行轉矩、磁通的計算，這樣不需要進行定子電流解耦所需的復雜坐標變換，通過改變磁鏈跟蹤PWM逆變器的開關狀態(tài)就可以直接控制轉矩和磁鏈，從而使對系統的控制更為直接和簡單，并且靜、動態(tài)性能優(yōu)越，因此現在正在引起人們的廣泛關注。 （3）無位置傳感器控制 電機上可以通過安裝[12]光電碼盤、旋轉變壓器、霍爾元件等裝置來直接檢測電機轉子位置。除此之外，人們還發(fā)明了能夠通過檢測電機的電流、電壓和磁鏈等物理量，然后通過對應的關系式間接地計算處理來得到電動機的轉子位置。因為沒有運用直接檢測轉子位置的裝置來檢測電機轉子的位置，所以這種采用檢測電壓、電流和磁鏈等物理量通過間接計算處理得到轉子位置的直流電動機也被稱作為無位置傳感器直流電動機。通常無位置傳感器檢測電機轉子位置的方法有：反電動勢過零點的檢測方法、反電動勢3次諧波檢測方法、續(xù)流二極管導通檢測方法、固定電壓的檢測方法等。 （4）神經網絡算法控制 人工神經網絡是是一個高度復雜的非線性動力學系統，他的組成是許多神經元處理單元相互連接而形成的網絡。它不僅能夠對人腦功能進行模擬和抽象，而且還能表現出人腦的基本特性，所以非常適合處理有時要同時把許多條件和因素、模糊的、不精確的考慮在內的信息處理技術。因為被控對象大多是不確定的且具有復雜性，所以人們很難直接建立出非線性函數，通過采用神經網絡算法，可以使用具有逼近任意非線性函數的能力來模擬難以直接建立出函數的非線性函數。 1.4 本課題的研究意義 無刷直流電機具有運行效率高、無換向火花、調速效果好、壽命長等優(yōu)點，在許多領域得到了越來越多的應用，例如變速制冷技術、電動汽車的牽引、電機系統，在計算機、工業(yè)機器人等領域也更加廣泛使用。隨著人們對生活品質的不斷提高，對無刷直流電機的要求也不斷提高。因此無刷直流電機控制系統開發(fā)和研究有重要實用價值和市場價值，尤其是滿足無刷直流電動機調速范圍寬，調速精度高、噪聲低且轉矩脈動小、節(jié)能效率高的控制要求，不斷提高無刷直流電動機運行控制的準確性和實時性，對推動無刷直流電機控制技術非常重要。 隨著現代工業(yè)的發(fā)展，在調速鄰域中，轉速電流雙閉環(huán)控制的理念已經得到大多數學者工程師的認同。雙閉環(huán)控制可以實現了轉速、電流這兩種負反饋兩者分別作用，并從中獲得良好的靜、動態(tài)性能。其良好的動態(tài)性能主要體現在抗負載擾動以及抗電網電壓之上。研究轉速、電流雙閉環(huán)控制對工業(yè)生產與應用有重要意義。 1.5 章節(jié)安排 本課題主要對無刷直流電動機的雙閉環(huán)控制進行分析，其中轉速電流雙閉環(huán)控制是重點。本文分為五章： 第一章 對無刷直流電機做出了簡介，并且概括了無刷直流電機的特點和在工業(yè)中的應用，此外還對直流電機的控制方法和研究意義做出總結。 第二章 介紹無刷直流電機的工作原理和結構，并在此基礎上建立無刷直流電機的數學模型。 第三章 介紹轉速電流雙閉環(huán)控制的組成和工作原理，在此基礎上建立數學模型，根據要求設計轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器。 第四章 介紹MATLAB/SIMULINK，并建立模塊對進行仿真，記錄結果。 第五章 結論與展望，對本文進行總結并對本課題的未來提出相關的展望。 1.6本章小結 本章對無刷直流電機做出了簡單介紹，介紹了其在工業(yè)中的應用及其控制方法。同時對其發(fā)展前景做出了展望，為下一章具體介紹無刷直流電機結構和建立數學模型做出了鋪墊。 第二章 無刷直流電機的工作原理及其數學模型 2.1無刷直流電動機的工作原理 2.1.1無刷直流電機基本組成 無刷直流電機主要是由轉子位置檢測器、功率電子開關（逆變器）和電機本體三個部分組成，如圖2.1所示。 圖2.1永磁無刷直流電機的組成 大家都知道：盡管從電刷向外看直流電動機雖然是直流的，但是從電刷向內看，電樞繞組中的所流過的電流和產生的感應電動勢則不是直流的，而是交變的。在考慮到定子磁場和電樞繞組的相互作用時，我們可以把永磁無刷直流電機當作一臺電勵磁的同步電動機，這樣直流電動機就由電刷和換向器與同步電動機相互聯系起來。當作為電動機運行時，換向器可以看成是逆變器，換向器能夠將電源的直流電先逆變成交流電，然后再輸送到電樞繞組。電刷的作用則更多，它不僅使電流流過，而且更重要的是電樞繞組中電流換向的地點也是由電刷的位置所決定的，而電樞磁勢的空間位置又由電樞繞組電流影響，所以電刷也決定了電樞磁勢的空間位置，也就是說電刷起到了檢測電樞磁場空間位置和電樞電流換向位置的作用。因為電刷和換向器能夠相互配合，能夠讓勵磁磁通在空間上一直垂直于電樞磁勢，通過這種方式可以有利于使有效轉矩達到最大值。永磁無刷直流電動機也可以看做是一種永磁式同步電機，不同的是用逆變器即功率電子開關代替了直流電機中的換向器即機械接觸式逆變器，不再使用基于接觸導電的電刷，而是用無接觸式的轉子位置傳感器來代替它，它們起到了類似的作用。 一般情況下永磁無刷直流電動機本體繞組大多為集中式或分布式，Y接，定子則大多采用三相結構。轉子部分是將鐵鈷硼這種永磁材料直接貼在轉子上，成瓦片的形狀。圖2.2位四極永磁無刷直流電機本體剖面圖。 圖2.2四極永磁無刷直流電機本體 [13]功率電子開關（逆變器）的作用時：在一定的時刻給電機定子的各相繞組通以大小固定、一定時間長短的直流電流，形成固定的轉矩。逆變器也可以采用三相半橋，但是大多情況下都是三相全橋結構。各橋臂的元器件一般情況下只在一個輸出頻率周期內開、關一次，其結構與三相直-交逆變器十分相似，不同的是三相全橋當中的下橋臂元件（、、）除了導通，在導通時還要進行PWM調制，來實現電機的調壓調速。 三相繞組的通電時間和長短和定子繞組與轉子的相對位置也是有關系的，通過轉子位置檢測器來感應并產生了轉子位置信號，再經過邏輯處理、功率放大后形成驅動信號來控制功率開關元件的關斷，再去控制定子繞組的通、斷（換向）在永磁無刷直流電機中常用的位置檢測裝置有以下幾種形式： （1）電磁式位置傳感器 利用電磁效應我們可以來間接測量轉子的位置，常見的有開口變壓器、接近開關等等，其中開口變壓器使用最多。 （2） 磁敏式位置傳感器 磁敏傳感器的原理是利用電流的磁效應來工作的，[14]磁敏式位置檢測器由與電機轉子同極數且具有與電機同軸安裝的永磁檢測轉子和多只空間均勻分布的磁敏元件所組成的。目前，市場上常見的磁敏元件為霍爾集成電路或霍爾元件，圖2.3為霍爾集成電路圖及其開關型輸出特性曲線。 圖2.3（a）霍爾集成電路 圖2.3（b）開關型輸出特性 利用三只在空間上相互之間差2π/（3P）機械角度的霍爾元件，可以得到三組寬180電角度、相互之間差120電角度的方波原始位置信號，其中P為電機極對數。圖2.4給出了一臺四極電機的霍爾位置檢測器完整結構，三個霍爾元件、、時，根據的不同N、S極性而產生出三相寬120電角度、相互差120電角度的方波位置信號，這樣同軸安裝的電機轉子磁極的空間位置信息就可以被反映出來。經邏輯電路IC2和整形電路IC1之后，輸出的觸發(fā)信號是六路功率電子開關信號。 圖2.4四極電機用霍爾位置檢測器 （3） 光電式位置傳感器 這是一種產生一系列脈沖信號來檢測轉子空間所處位置的的檢測方式，光電式位置傳感器利用帶缺口旋轉[15]且與電機轉子同軸安裝的圓盤對光電元件進行通、斷控制檢測并產生信號。因為三相永磁無刷直流電動機正常情況下是每1/6周期進行一次換相，所以不需要使用光電編碼盤的復雜方式，而只要采用與霍爾式位置檢測或電磁式近似的簡單的檢測方法就可以了。 2.1.2無刷直流電機運行原理 通常情況下，永磁無刷直流電動機大多數都是采用三相橋式功率來作為主電路。 如圖2.1所示給出了三相橋式主電路圖，功率電子開關（逆變器）分為上橋臂和下橋臂，采用的是標準三相橋式結構，其中流過上橋臂元件、、的電流是正的，電磁轉矩為正方向；下橋臂、、流過的電流是負的，由于相同極性轉子在永磁磁場的作用，電磁轉矩為反方向。功率開關元件通電方式又有不同，具體可以分為120導通型和180導通型，它們的輸出轉矩大小也有所不同。 （1）以120導通型：設霍爾元件檢測輸出高電平，觸發(fā)導通功率開關、?？梢宰屩绷麟娏髁魅階相繞組A-X和C相繞組C-Z，產生電樞磁動勢和，將兩個磁動勢合成就得到了合成磁動勢F，如圖2.5（a）所示 圖2.5各相繞組通電順序及電樞磁勢位置 電樞磁動勢領先永磁磁動勢，將驅動轉子旋轉。當轉子轉過60電角度，由位置檢測傳感器檢測到使邏輯發(fā)生變化，改變了功率電子開關的關斷，從而使合成磁場連續(xù)轉動。如圖2.6（b）所示。不同相的上、下橋臂元件在每個瞬間各有導通，每個功率開關元件導通120電角度，即1/3周期進行一次換流，各個功率開關元件導通的順序為、；、；、……、……。因為在每個時刻都會有一上橋臂元件導通使繞組產生正向電流，同時會有一下橋臂元件導通使另一相繞組獲得反向電流，正向電流使某繞組產生正轉矩，反向電流使繞組產生負轉矩，每次轉矩方向轉過60完成一次換相，合成之后的轉矩是一相通電轉矩的倍。 （2）180導通型：與120導通型差不多，但不一樣的是每個瞬間都有三個功率開關元件導通，其中每個導通180電角度即1/2周期。各個功率開關元件導通的順序為：、、；、、；……、、……。 2.2無刷直流電機的建模 無刷直流電動機的感應電動勢正比于電機匝數和轉速,電樞繞組串聯公式為,其中E為無刷直流電機電樞感應線電動勢，P為電機的極對數，W為電樞繞組每相串聯的匝數，為每極磁通，n為轉速，為極弧系數。為了讓電動機擁有較大的調速范圍，在極對數P和反電動勢E已經確定的情況下，就需要對電樞繞組的匝數W進行限制。所以，磁懸浮飛輪電機繞組電阻和電感都很小，使得相電流在電機在運行的過程中可能會存在不連續(xù)狀態(tài)。 [16]對無刷直流電動機建立數學模型前先做出假設：空間上相互差120電角度、電機定子，繞組上電阻電感都完全一樣，產生的反電勢為梯形波。且不計渦流損耗，另外電樞繞組之間互感可以忽略。此外忽略電樞反應，默認氣隙磁場是均勻的。 2.2.1無刷直流電機的電壓方程 由上面的假設條件，電機每相繞組的相電壓可以由電機繞組的感應電樞加上繞組上電阻壓降得到，定子電壓平衡方程為 (2-1) 式(2-1)中，、、分別是三相反電動勢，、、分別是三相定子電流，，，分別是三相定子電壓，，，是定子繞組電阻，，，是定子繞組自感，，，，，，是定子兩兩繞組互感，由于無刷直流電機的轉子是永磁體。將定子繞組互感當作常數時，即，，。由，可以改寫為： （2-2） 2.2.2電磁轉矩和狀態(tài)方程 在電機的運行過程中，[17]電磁轉矩的表達式為：。式中，為轉子角速度。電機的機械運動方程為：，式中和分別為電磁轉矩和負載轉矩(Nm)；J為轉子的轉動慣量（kg.）；f為阻尼系數（N.m.s）。無刷直流電機的反電動勢是平頂寬度為120度電角度的梯形波，其梯形波的幅值大小和電機的轉速成正比。其中，反電動勢系數由以下公式計算為：。 由上節(jié)電壓方程可以得到重點電壓方程，則無刷直流電機的狀態(tài)方程為： （2-3） 2.2.3傳遞函數 因為無刷直流電動機和傳統直流電動機運行特性基本上是一樣的，所以構建的動態(tài)結構框圖和傳遞函數也一樣。 圖2.6無刷直流電機的動態(tài)結構圖 從上面的動態(tài)結構圖可以算出無刷直流電機的傳遞函數： （2-4） 其中：為電機時間常數，為電動勢傳遞系數，為轉矩傳遞函數。 2.2.4反電勢方程 由物理知識，導體切割磁感線形成的電動勢為： （2-5） 其中，為磁場強度，為導體垂直于磁場運動速度的分量，導體長度。如（2-6）給出了n和v的關系 （2-6） 設每相繞組匝數為，且都有兩根導線。因此一相的感應電動勢為： （2-7） 將（2-5）（2-6）代入（2-7）式中，則轉速和總感應電動勢的關系為： （2-8） 完成電機設計后、、都是固定值。如圖2.7給出了A相繞組反電勢波形 圖2.7A相反電勢與轉子位置角的關系圖 2.3本章小結 本章介紹了無刷直流電機的結構和工作原理，在此基礎上對無刷直流電機進行了建模，列出了無刷直流電機的電壓方程，電磁轉矩和狀態(tài)方程以及反電勢方程并且進一步求出了狀態(tài)方程和等效電路圖。繼續(xù)第一章介紹了無刷直流電機，為下一章轉速電流雙閉環(huán)控制做了理論依據。 第三章 無刷直流電機雙閉環(huán)控制的原理和設計 3.1無刷直流電機雙閉環(huán)控制的原理 3.1.1無刷直流電機轉速控制系統的組成 如圖3.1所示給出了永磁無刷直流電機轉速控制系統的組成原理圖： 圖3.1無刷直流電機控制系統組成原理框圖 整個轉速控制系統由主回路，永磁無刷直流電動機（內置位置傳感器、轉速傳感器）及計算機（單片機、DSP等）控制系統組成，其中計算機控制系統包括典型的轉速、電流雙閉環(huán)調節(jié)環(huán)節(jié)，PWM生成器等。圖3.1主要分為以下幾個部分： （1）主回路：采用交-直-交電壓型PWM變頻器，作用是在PWM的作用下產生所需要的三相互差120電角度的方波電流。 （2）永磁無刷直流電機本體：電動機本體、轉子位置傳感器在第二章已經做出介紹，一般采用安裝在轉子上的光電脈沖編碼器作為轉子轉速傳感器來檢測無刷直流電機轉速，也可以常采用M法、T法、M/T法及鎖相法來測量電機轉速。 （3）轉速、電流雙閉環(huán)調節(jié)環(huán)節(jié)：能夠避免單閉環(huán)的不足之處，起動時可以過載電樞電流達到最大，電流調節(jié)器上電壓也達到最大。兩個調節(jié)器減小了擾動和動態(tài)速降。當電機過載時甚至堵轉時，可以將電流限制在安全范圍以內，起到保護作用。在穩(wěn)定轉速時，使轉速跟隨參考轉速變化，實現穩(wěn)定運行無靜差。 （4）PWM生成器：如圖3.2周期相同，脈寬和幅值也相同的脈沖信號是由三角載波電壓信號和電流調節(jié)器輸出的電壓信號對比得到的，脈沖信號又控制功率開關管的關斷。當值大時，電樞電壓高，繞組電流大，PWM波形占空比大；反之則變小。而電磁轉矩和電流成正比，從而實現對轉矩和轉速的閉環(huán)控制。 圖3.2PWM信號產生原理圖 3.1.2無刷直流電動機轉速、電流控制過程 如圖3.3所示，永磁無刷直流電機轉速控制系統由電流和轉速兩個控制環(huán)節(jié)構成。 圖3.3永磁無刷直流電機轉速控制系統控制框圖 轉速反饋量和參考轉速產生偏差，在轉速調節(jié)器調節(jié)之后形成電流參考量。而實現電動機的轉速控制是通過它與電流反饋量之間的偏差，再經過電流調節(jié)器調節(jié)后產生PWM占空比控制量去控制三相逆變器工作的。其中電流反饋可以采用測量逆變器電阻實現。轉速反饋則是檢測位置傳感器，再經過處理得到的。 3.2逆變器及電流轉速反饋通道的數學模型 （1）逆變器數學模型[18]：了解PWM變換器和其調制技術之后。我們可以將它們合起來看成一個放大的滯后環(huán)節(jié)，滯后的時間在一個開關周期內。當滿足（3-1）的條件時 （3-1） 時，脈寬調制器和PWM變換器可以作為一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數為： （3-2） 式中-PWM變換器輸出的空載平均電壓 -脈寬調制器的控制電壓 -脈寬調制器和PWM變換器的放大系數 -脈寬調制器和PWM變換器的開關周期，單位為s （2）電流轉速反饋通道數學模型[19]：我們可以將反饋環(huán)節(jié)當作是比例環(huán)節(jié)，但是在反饋的信號中含有交流信號，這里采用添加濾波環(huán)節(jié)來消除。但這樣做就會帶來延時，為了消除這一延時，可以采用在給定信號也添加與反饋濾波時間常數一樣的環(huán)節(jié)就可以彌補這一誤差。所以電流反饋通道的傳遞函數為： （3-3） 轉速反饋通道的傳遞函數為： （3-4） 其中為轉速反饋系數，為電流反饋系數，為轉速濾波反饋時間常數，為電流濾波時間常數。 3.3轉速電流雙閉環(huán)的設計 3.3.1設計要求 電動機起動時，要求電流很快上升，電流跟隨給定階躍變化，為減小電流環(huán)中前向通道的擾動，并且電流環(huán)能夠及時調節(jié)，所以，良好的跟隨性對于電流環(huán)來說是很重要的。在起動的時候，轉速環(huán)是不工作的，[20]相當于“開環(huán)”。而當系統工作起來之后就要求動態(tài)速降小，抵抗負載擾動的能力強，恢復時間短，因此良好的抗擾性對于轉速環(huán)來說十分重要。 3.3.2電流環(huán)動態(tài)結構框圖 系統中電流環(huán)采用的是電流滯環(huán)跟蹤PWM控制，其基本控制如圖3.4所示，PWM控制電流輸出如圖3.5所示。這種電流控制結構中有一個非線性環(huán)節(jié)-滯環(huán)。在工作時，當實測電流值與參考電流值的瞬時差值達到滯環(huán)寬度的正邊緣的時候，三相逆變器的功率管導通，關斷。這時電機和直流母線連在一起，電流逐漸上升。反之，當實測電流值大小與參考電流的瞬時差值達到滯環(huán)寬度負邊緣時，電流逐漸下降 圖3.4電流滯環(huán)跟蹤型PWM控制結構示意圖 圖3.5電流滯環(huán)跟蹤型PWM控制電流輸出波形 根據電流環(huán)的基本作用，在雙閉環(huán)調速系統中，我們要求電流環(huán)穩(wěn)態(tài)時沒有靜差，并且在動態(tài)過程中，我們要求電樞電流不能過大，超調不能多，根據這些要求，電流環(huán)應該采用典型1型系統，電流調節(jié)器設計為PI調節(jié)器，這樣基本可以滿足要求。 由前面動態(tài)數學模型，我們可以得到電流環(huán)的動態(tài)結構圖，如圖3.4所示。 圖3.4轉速控制系統電流環(huán)動態(tài)結構圖 在實際的無刷直流電機的系統中，電磁時間常數比機電時間常數要小得多，轉速變化的過程也比電流調節(jié)的過程要慢很多，所以和電流變化相比反電勢變化慢得很慢，對電流環(huán)而言反電動勢僅僅是一個擾動而且變化很慢[21]，在電流調節(jié)的過程中我們可以將反電勢E看成一個不變的量。所以在設計電流PI調節(jié)器的時候可以不用考慮反電勢的影響，將反電勢的反饋回路斷開來簡化傳遞函數。如圖3.5所示： 圖3.5忽略反電動勢影響的電流環(huán)動態(tài)結構圖 將反饋濾波和給定濾波環(huán)節(jié)放在環(huán)里面，繼續(xù)簡化得到如圖3.6所示 圖3.6忽略反電動勢簡化的電流環(huán)動態(tài)結構圖 在圖3.6基礎上，考慮到反饋時間常數和PWM逆變器的等值時間常數都比小得多，可以當作小慣性環(huán)節(jié)處理，并取，經簡化后得到圖3.7 圖3.7最終簡化后的電流環(huán)動態(tài)結構圖 3.3.3電流調節(jié)器設計 我們希望在穩(wěn)定運行時電機轉速無靜差。由圖3.7可知道，選用1型系統就可以達到這個要求；從動態(tài)角度看，在實際無刷直流電機應用中，突加負載或其他控制時不允許電樞電流產生較大的波動，即不允許產生較大的超調量。1型系統的電流環(huán)可以保證系統良好的更隨性能[21]，因此本文利用PI調節(jié)器將電流環(huán)設計成1型系統，下面給出了其傳遞函數 （3-5） 式中為電流調節(jié)器的比例系數；為電流調節(jié)器的超前時間常數。要讓被控對象的時間常數與電流調節(jié)器的零極點對消，令=，則校正后的電流環(huán)結構如圖3.8所示。 圖3.8校正后電流環(huán)動態(tài)結構圖 其中。 參數計算：由式（3-5）看到，要計算的電流調節(jié)器參數是和。 （1）的計算： （3-6） （2）的計算 考慮到設計電流環(huán)主要是要求超調量小或沒有超調，跟隨性能好；與此同時，可以在電流PI調節(jié)器的作用下將電流環(huán)設計為典型1型系統。利用表3.1來對參數進行計算。 表3.1典型1型系統動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系 參數關系KT 0.25 0.39 0.50 0.69 1.0 阻尼比 1.0 0.8 0.707 0.6 0.5 超調量 0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3% 上升時間 6.6T 4.7T 3.3T 2.4T 峰值時間 8.3T 6.2T 4.7T 3.6T 相角穩(wěn)定裕度 76.3 69.6 65.5 59.2 51.8 截止頻率 0.243/T 0.367/T 0.455/T 0.596/T 0.786/T 本系統要求電流無超調，由表3.1，可選，。得到： （3-7） 3.3.4轉速調節(jié)器的設計 電流環(huán)是轉速環(huán)的內環(huán)，在設計轉速調節(jié)器時，必須先求出轉速環(huán)的傳遞函數。根據校正后的電流環(huán)動態(tài)結構圖（3-8），可以求得電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數為 （3-8） 選擇，代入（3-8）并忽略高次項。式（3-8）可近似為 （3-9） 接入轉速環(huán)內，電流環(huán)等效傳遞函數的輸入量應該是，所以電流環(huán)在轉速環(huán)中應該等效為： （3-10） 用電流環(huán)的等效傳遞函數代替原來的電流環(huán)后，轉速環(huán)動態(tài)結構框圖如圖（3-9）所示。 圖3.9電流環(huán)等效傳遞函數代替電流環(huán)后的轉速環(huán)動態(tài)結構框圖 把轉速給定濾波環(huán)節(jié)和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內，同時將給定信號改成，再把時間常數為4和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似看成一個時間常數為的慣性環(huán)節(jié)，簡化后的轉速動態(tài)結構圖如圖3.10所示。 圖3.10等效成單位負反饋和小慣性環(huán)節(jié)系統的轉速環(huán)動態(tài)結構框圖 根據轉速控制系統在穩(wěn)態(tài)時無靜差和轉速控制系統在動態(tài)時有良好的轉速控制性能兩項要求，轉速環(huán)應被校正成典型的2型系統。選用PI調節(jié)器作為轉速調節(jié)器，其傳遞函數為 （3-10） 不考慮負載擾動時，校正后的調速系統動態(tài)結構框圖如圖3.11所示。 圖3.11校正成典型2型系統的轉速環(huán)動態(tài)結構圖 其中轉速開環(huán)增益為 （3-11） 由（3-10）可以看到，要計算的轉速調節(jié)器參數是和，計算方法如下： （1）的計算 （3-12） （2）的計算 （3-13） 式中頻寬h的選擇應使2型系統的階躍輸入跟隨性能和抗擾性能良好。根據表3.2和表3.3可以選擇合適的h。 表3.2典型2型系統階躍輸入跟隨性能指標 h 3 4 5 6 7 8 9 10 52.6% 43.6% 37.6% 33.2% 29.8% 27.2% 25.0% 23.3% 2.40 2.65 2.85 3.0 3.1 3.2 3.3 3.35 12.15 11.65 9.55 10.45 11.30 12.25 13.25 14.20 k 3 2 2 1 1 1 1 1 圖3.3典型2型系統動態(tài)抗擾性能指標與參數 h 3 4 5 6 7 8 9 10 72.2% 77.5% 81.2% 84.0% 86.3% 88.1% 89.6% 90.8% 2.45 2.70 2.85 3.00 3.15 3.25 3.30 3.40 13.60 10.45 8.80 12.95 16.85 19.80 22.80 25.85 由表3.2和表3.3可以看出，當h=5時，調節(jié)時間最短，動態(tài)跟隨性能適中。且h越小，也越小，和都短，因此抗擾性能越好。將跟隨和抗擾性能綜合起來，h=5是很好的選擇。 3.4本章小結 本章對無刷直流電動機轉速調節(jié)系統組成做出了介紹，并且簡要解釋了轉速電流雙閉環(huán)控制的工作原理。在此基礎上對逆變器、電流轉速反饋通道建立了數學模型，求出了傳遞函數。接著畫出電流環(huán)和轉速環(huán)的動態(tài)結構圖，分別在假設的基礎上做出了簡化，求得了最終的動態(tài)結構圖。然后根據設計要求和相應的指標參數設計出了電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的參數。為下一章用MATLAB/SIMULINK搭建模塊進行仿真奠定基礎。 第四章 基于MATLAB/SIMULINK無刷直流電機雙閉環(huán)控制的設計 4.1MATLAB/SIMULINK的簡介 4.1.1MATLAB的介紹 1980年，美國博士開發(fā)出了MATLAB語言。之后許多公司和相關的專家不斷努力，多次地擴充修改。已經開發(fā)出了MATLAB7.0及以上的版本，受到了世界上使用者的歡迎。MATLAB是矩陣實驗室的縮寫，一開始是用來解決工程上和科學上的復雜計算問題。 由于MATLAB具有輸入便捷、運算效率高、使用方便等特點，并且它的思維方式比較適合科研人員的思維，已經成為了科技工程方面常用的軟件。 4.1.2SIMULINK的功能與特點 1993年，在框圖仿真基礎上的SIMULINK問世。它以MATLAB強大的計算能力為基礎，更加直觀地使用搭建模塊和框圖來進行系統的仿真和計算，省去了一些復雜的編程。此外SIMULINK還提供了豐富多樣的仿真工具，軟件人員和科學家等還在SIMULINK里面添加、擴展了各種各樣，類型齊全的仿真模塊庫，給我們進行仿真提供了方便。在SIMULINK的平臺上，我們只需要拖動模塊，然后再拉出連接線就可以建立模擬仿真的框圖。在SIMULINK平臺上搭建模型，其簡單而且可讀性比較強，降低了使用在MATLAB窗口中編程所帶來的使用大量函數的復雜性和難度。 4.2參數的給定 在對無刷直流電機雙閉環(huán)的仿真中，設置如下參數：定子繞組的電阻為1，定子繞組的電感為0.02，每兩相繞組之間的互感為-0.061，轉動慣量為0.089，阻尼系數為0.005，極對數為4，額定轉速為300，所帶動的負載轉矩為11，轉速控制模塊中=3.3，=300。直流電壓給定為220V。 4.3SIMULINK模塊的搭建 在MATLAB2013b的SIMULINK豐富的仿真模塊下，建立了無刷直流電機的轉速電流雙閉環(huán)控制模型。其中電流環(huán)采用電流滯環(huán)，轉速環(huán)采用PI調節(jié)。各個模塊采用封裝的形式，下面如圖4.1給出了無刷直流電機轉速雙閉環(huán)控制整體的控制框圖，再分模塊介紹各個封裝模塊搭建的框圖。 4.3.1無刷直流電機雙閉環(huán)控制整體控制框圖 圖4.1無刷直流電機雙閉環(huán)控制整體框圖 無刷直流電機雙閉環(huán)控制分為轉速控制模塊，參考電流模塊，電流控制模塊，逆變器模塊和電機本體模塊。 4.3.2電機本體模塊 在無刷直流電機雙閉環(huán)控制系統中，電機本體模塊最為復雜。它又可以分為轉速計算模塊、轉矩計算模塊、電壓方程和反電勢模塊。 4.3.2.1轉速計算模塊 如圖4.2所示，由第二章的機械運動方程經過拉普拉斯變換得到其傳遞函數，建立了轉速計算模塊。 圖4.2轉速計算模塊 輸入量是電磁轉矩和負載轉矩通過加減乘除得到轉速w，再經過積分計算就得到電機所轉的角度。 4.3.2.2轉矩計算模塊 如圖4.3所示，給出了轉矩模塊。這個模型是由之前第二章的轉矩方程得到的。輸入是A、B、C三相的反電動勢和電流，輸出是電磁轉矩。 圖4.3轉矩計算模塊 4.3.2.3電壓方程模塊和反電勢模塊 根據第二章的反電勢方程以及電壓方程 （2-3） 可以建立如圖4.4的電壓方程和反電勢模塊。 圖4.4電