张墨墨有位置无刷直流电动机控制总结

有位置无刷直流电动机控制总一原理介绍无刷直流电动机是从用电子换向取代直流电动机的机械换向发展起来的，它解决了直流电动机机械换向的问题。它既有交流电机的优点如：结构简单、运行可靠、维护方便等，又有直流电机的优点如：起动转矩大、调速范围宽、控制电路简单以及线性机械特性等。下面是无刷直流电动机结构、原理、数学模型以及有位置仿真的介绍。1无刷直流电动机的基本结构直流电动机是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机，如图1直流电源控制信号逆变器电机本体位置检测器输出控制器无刷直流电动机图1无刷直流电动机系统位置检测器检测转子磁极的位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。下面我们介绍无刷直流电动机各部分的基本结构。1.电机本体无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机，不同的是将直流电动机的定、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。原直流电动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。所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机，如图2定子永磁转子传感器定子传感器转子图2无刷直流电动机结构示意图其作用是进行机电能量转换。由定子、转子、转子位置检测器组成。定子由定子绕组、定子铁心、机座构成，转子是电机的转动部分，由永磁体、导磁体和支撑部件组成。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有点之一。3.位置检测器见图2由转子和定子两部分组成，其转子与电机转子同轴，定子则固定在电机本体端盖上，作用是将转子磁极位置转换为电脉冲信号，送给控制器。控制器是完成无刷直流电动机一切功能的核心。根据转子的位置决定功率开关管的输出时序，实现电机的启动、停止，正、反转，并且对电机的短路、过流、过压、欠压等故障进行保护。4．控制器控制器是完成无刷直流电动机一切功能的核心。根据转子的位置决定功率开关管的输出时序，实现电机的启动、停止，正、反转，并且对电机的短路、过流、过压、欠压等故障进行保护。2无刷直流电动机的工作原理与普通直流电机不同，直流无刷电机把电枢绕组放在定子上，永久磁钢放在转子上，根据检测到的转子实际位置，按照事先编制好的程序由控制器发出电枢，发出电枢绕组导电时序，使得电枢磁势与转子磁势始终保持在平均值为90°，的电角度，以产生恒定的电磁转矩。下面以一对磁极，每极每相60°相带，电枢绕组A、B、C三相星形连接全桥驱动为例，说明无刷直流电动机的工作原理，如图3。ABCVT1VT3VT5VT4VT6VT2UsABC驱动电路控制电路位置传感器图3三相无刷直流电动机系统假设当转子处于图4a)位置时为0，相带X、B、Z在N极下，相带A、Y、C在S极下，转子位置传感器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，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为图4a)中Fa，此时定子磁场Fa与转子磁场Fr相互作用，使电机的转子逆时针转动。各相通电波形见图5所示。当转过60角后，转子位置如图4b)所示。AZBYCXFaSNFrAZBYCXFaSNFrAZBYCXFaFrSNNNSSa)A+，B-b)转过60°c)继续旋转AZBYCXFaSNFrAZBYCXFaSNFrAZBYCXFaFrSNNNSSd)A+，C-e)转过60°f)B+，C-FaAZBYCXFrNSg)B+，A-图4无刷直流电动机工作原理示意图这时如果转子继续转下去就进入图4c)所示的位置，这样就会使同一磁极下的电枢绕组中有部分导体的电流方向不一致，它们相互抵消，削弱磁场，使电磁转矩减小。因此，为了避免出现这样的结果，当转子转到图4b)的位置时，就必须换相。使B相断电，C相通电。这样，使转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使VT1、VT2导通，电流从电源的正极流出，经VT1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4d)示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续逆时针转动。转子继续旋转，转过60°角后到图4e)所示位置，根据上面讲的道理必须要进行换相，即A相断电，B相正向通电。换相后如图2-4f)所示。转子再转过60°角，则再进行换相，使C相断电，A相反向通电，如图4g)所示。eaebec120°60°360°180°300°ibic240°60°120°ωt000viaeaiaibebicecωtωt图5电流与感应电动势波形这样如此下去，转子每转过60°就换相一次，相电流按图5所示的顺序进行断电和通电，电动机就会平稳地旋转下去。易知转子在空间每转过60°电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁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，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120°电角度。我们把无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星形三相六状态。在图4a)到图4b)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4a)中Fa的位置静止。只有当转子磁场连续旋转60°电角度，到达图4b)所示的Fr位置时，定子合成磁场才从图4a)的Fa位置跳跃到图4d)中的Fa位置。可见，定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是一种跳跃式的旋转磁场，每个步进角是60°电角度。3无刷直流电动机的数学模型下面我以两项导通星形三相六状态为例，分析无刷直流电动机的数学模型。无刷直流电机定子感应电动势为梯形波，绕组间的互感是非线性关系。直接利用电机原有的相变量来建立数学模型比较方便，又能获得较准确的结果。为了便于分析，现做如下简化：(1)电动机的气隙磁场在空间呈梯形（近似为方波）分布；(2)忽略齿槽效应，电枢导体连续分布于电枢表面；(3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计；(4)忽略电机中的铁心饱和，不计磁滞损耗和涡流损耗；(5)三相绕组完全对称；(6)逆变器的功率管和续流二极管具有理想的开关特性。由于转子的磁阻不随转子位置的变化而改变，因此定子绕组的自感和互感为常数，则相绕组的电压平衡方程可表示为cbacbacbacba000000eeeiiidtdLMMMLMMMLiiirrruuu式中：ua、ub、uc为定子各相绕组电压；ia、ib、ic为定子各相绕组电流；ea、eb、ec为定子各相绕组反电动势；r为每相绕组的电阻；L为每相绕组的自感；M为每两相绕组间的互感。由于三相绕组为星形连接，即0cbaiii，因此0cbaMiMiMi，所以式(2-1)可以变为cbacbacbacba000000000000eeeiiidtdMLMLMLiiirrruuu由此可以得到无刷直流电动机的等效电路如图6所示。图中，sU为直流侧电压，VT1～VT6为功率开关器件，VD1～VD6为续流二极管，MLLM，图中标出的相电流和相反电动势的方向为其正方向。sUaibicirrrMLMLMLaebe1VT1VD3VT3VD5VT5VD4VD6VD2VD4VT6VT2VTABCNce图6无刷直流电动机的等效电路无刷直流电动机的电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用而产生的，电磁转矩表达式为ΩccbaaeieieieTb式中：ae、be、ce为三相绕组的反电动势；ai、bi、ci为三相绕组的电流；Ω为转子的机械角速度。电机的运动方程为0dΩdtelJTTT式中J为转子及负载的转动惯量，lT为负载转矩，0T为空载制动转矩。于Y形连接的永磁无刷直流电机，在其通电期间，其定子中的带电导体均处于相同的磁场之下，其相绕组的感应电动势幅值为n——电机的转速；——每极磁通，单位Wb，；'Ce——相电动势常数，iapWCe15'；W——电机每相绕组的串连匝数；p——极对数；ia——计算极弧对数。对于交－直－交变频器系统，永磁无刷直流电机的两相绕组串连经逆变器与直流电源相连。从逆变器的直流侧看，电机电枢绕组电动势为Ce——电机的电动势常数，CeiapW152。电枢绕组的电流为：在任一时刻，电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产生，则；式中TC——电机的转矩常数，TCiapW4；——转子的机械角速度，602n。电机的转速为：二无刷直流电动机有位置传感器控制及仿真无刷直流电动机系统通常采用转速、电流双闭环控制，系统原理图如图7所示。其中，ASR和ACR分别为转速和电流调节器，通常采用PID算法。速度为外环，电流为内环，由于aTeIKT，电流环调节的实际上是电磁转矩。速度给定信号n*与速度反馈信号n送给速度调节器（ASR），速度调节器的输出作为电流信号的参考值i*，与电流信号的反馈在一起送至电流调节器（ACR），电流调节器的输出为电压参考值，与给定的载波比较后，形成PWM调制波，控制逆变器的实际输出电压。逻辑控制单元的任务是根据位置检测器的输出信号决定导通相，被确定要导通的相不总是在导通，它还要受PWM输出信号的控制，逻辑“与”单元的任务就是把换相信号和PWM信号结合起来，在送到功率开关管的门极。图7无刷直流电动机系统原理图1位置信号检测的实现在无刷直流电动机中，常用的位置传感器主要有以下几种类型：电磁式位置传感器、磁敏式位置传感器和光电式位置传感器，以下主要介绍磁敏式位置传感器。常见的磁敏式位置传感器是由霍尔元件或霍尔集成电路构成的，其结构简单、性能可靠、成本低，是目前在无刷直流电动机上应用最多的一种位置传感器。将霍尔传感器的转子与电机本体同轴，一跟踪电机本体转子磁极的位置；其定子固定在电机本体定子或端盖上，以检测盒输出转子位置信号，如图2。霍尔传感器与电枢绕组、磁极的初始位置如图8图8霍尔传感器与电枢绕组、磁极的相对位置让其顺时针旋转，霍尔位置信号和反电动势相位关系如图9图9霍尔位置信号和反电动势相位的关系霍尔信号与反电动势的对用关系为用Simulink实现此逻辑转换电路如图10图10霍尔位置信号与反电动势的逻辑转换反电动势信号在转换成门极信号来触发功率管，来控制三相绕组的导通。其对应关系为用Simulink实现此逻辑转换电路如图11图11反电动势与门极信号的逻辑转换2速度、电流双闭环控制的实现在Simulink环境下的仿真电路图如图12所示图12速度、电流双闭环控制仿真图速度给定值为800，速度调节器、电流调节器及电流滤波器的参数设置分别如图13、14、15图13速度调节器的参数设置图14电流调节器的参数设置图15电流滤波器的参数设置以上实现了直流无刷电动机速度、电流的双闭环控制。3PWM波的实现将三角波与常量做个比较，即可得到PWM波，Simulink环境下实现电路图如图16图16PWM波的实现以上为各模块的仿真实现，最后仿真出来的转速、转矩、反电动势波及电流形如图17、18、19、20图17转速波形图18转矩波形图19反电动势波形图20电流波形三总结与感受通过这段时间的学习，我了解无刷直流电动机的结构、特点及工作原理，也对Matlab有了一些了解及研究，会用Matlab进行无刷直流电动机的各模块的仿真，并最终调试成功。在仿真过程中遇到了很多问题，如在速度、电流双闭环控制中，速度的PI调节直接与PWM作比较就可以实现速度控制，而电流的