无刷直流电机控制系统的构成

无刷直流电机控制系统的构成无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗、调速性能好等特点。因此，用无刷直流电动机构成的三相六步全波控制系统在当今国民经济的各个领域(如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面)的应用日益普及。其中电动车驱动就是一个最典型、最重要的方面。无刷直流电机的机械结构为：电枢绕组作为定子一部分，转子则是作为磁场的永磁铁。无刷直流电动机转矩的获得，是通过改变相应电枢线圈上的电流在不同磁极下的方向，从而使电磁转矩总是沿着一个固定的方向。为了实现电枢电流在不同磁极下的换相，必须有相应的换流装置，因此无刷直流电动机必须具有位置传感器，用于检测和确认磁极与绕组相互间的相对位置。所以，位置传感器要有相应的两部分，即转动部分和固定部分，转动部分和无刷直流电动机本体中转子同轴连接，固定部分和定子连接。图1．1为无刷直流电动机控制系统的方框图。2．2系统控制策略2．2．1控制系统的整体结构(1)系统的组成部分基于前文提及的目前电动车无刷直流电机控制器存在的主要问题，与用简单的硬件实现系统既定功能的原则，本论文设计的电动自行车控制系统主要由以下几部分组成：(a)以PICl6F72单片机为主控电路，其主要功能是完成电机的起动、换相、调速、制动等控制，并实现对电机、电池的保护；(b)以逻辑门和N沟道MOS为核心的驱动、逆变电路，其主要功能是驱动功率MOSFET管控制电机电流；(c)位置信号处理电路、电流信号处理电路以及一些外围保护、辅助电路，其主要功能有完成对信号的采样、对电路的供电、提供显示信号、发出报警信号等功能。系统原理框图如图2—10所示。1(2)系统的工作原理本系统的工作原理是PIC单片机的PWM输出端口经驱动芯片驱动六个功率场效应管，由其组成的三相全桥驱动电路对电机进行控制，位置检测和电流检测形成负反馈，位置检测的同时可以计算出电机转速参数，因此可以对电机进行位置环、速度环和电流环的三闭环控制。位置参数由无刷直流电动机自带的霍尔元件测出，并由PICl6F72的C端口进行捕捉定位，反馈的电流量是通过检测旁路电阻上的压降来实现的，由PIC自带的AID进行采样、转换。位置信号用于控制换相，由位置参数计算出电机转速，和给定转速信号进行比较，修正偏差产生电流参考量，再与电流反馈量进行比较，其偏差经电流调节后形成PWM占空比的控制量，实现电动机的速度与电流控制。无刷直流电机的速度、电流双闭环控制如图2．11所示。2．2．2系统主要部分的控制策略(1)位置检测与速度检测在无刷直流电机的控制中，磁极位置的测定直接决定了控制效果的好坏。方波电流驱动的直流无刷电机是借助于位置检测信号控制逆变器换流以达到在电机定子线圈中通与互差120·的方波电流才能正常运行。本系统的位置信号采样是通过直流无刷电动机本身自带的霍尔元件来检测的，由于霍尔元件是集电极开路输出，其输出信号经过上拉电阻得出位置方波信号，再经过隔离电路送到PIe的C口对应引脚进行位置信号的捕捉。为了使电路尽可能的简单，降低成本，本系统没有专门设置速度检测装置，而是利用转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映电机的转速，并通过软件运用算法测速，从而实现转速反馈。(2)电流检测电流检测是限流驱动的基础，是系统电流环控制的重要环节，本方案采用一个分流电阻间接测电流。在直流侧接相应阻值的分流电阻，通过测量电阻上的电压，来测量直流回路的电流，这种方案对于AD／转换的精度和软件数据处理有一定要求，但是造价很低。(3)驱动、逆变电路控制方案驱动、逆变电路是主控芯片与被控电机之间联系的纽带，其传输性能的好坏直接影响着整个系统的运行质量。本控制系统采用了MOSFTE组成逆变器的变换电路。由于半桥逆变器的控制比较复杂，需要六组控制信号，电机三相绕组的工作也相对独立，必须对三相电流分别控制。而全桥逆变器的控制比较简单，只需三组独立控制信号，且任一时刻导通的两相电流相等，只要对其中一相电流进行控制，另外一相电流也得到了控制。因此本方案采用全桥逆变电路来控制各相位的导通。逆变器的驱动形式主要有三种：双极性PWM、单极性PWM和倍频PWM[25l。双极性PWM控制模式下，逆变器在任意时刻每一相桥臂中的上管与下管均处于PWM调制状态，上下管开关状态同步互补。为了避免在开关过程中桥臂出现直通短路，同一桥臂上下管切换期间需要嵌入死区，即两者同时处于断开状态。且由于上、下管均需要调制，双极性PWM开关损耗相对较高。单极性PWM则仅对逆变器上半桥或下半桥进行PWM调制。从单个桥臂来看，其上桥臂处于PWM状态时，对应下桥臂断开，反之亦然。此外，单极性PWM调制下，电机运行时换相转矩较小，系统效率更高。基于同样的PWM调制频率，采用倍频型PWM则可以获得两倍于前两种PWM方式的电压调制频率，可以进一步减小逆变器开关调制所对应的电流纹波。但对单片机的处理速度要求较高。综上分析，本文针对电动自行车应用的无刷直流电机的驱动控制采用单极性PWM实现。(4)电机调速方案直流无刷电动机可以通过改变电枢电路中的外串电阻或改变加在电动机电枢上的电压来调速。其中改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。PID控制器具有算法和结构简单、工作稳定、物理意义明确、鲁棒性强，稳态无静差等优点，在自动控制系统中～直处于主导地位。由于电机转速与电枢外加电压的大小基本上成正比，这就构成了PID调节的基础[261【27】。由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，在计算机控制系统中必须对控制规律进行离散化的算法设计【28】。电机控制系统为时间离散控制系统，本控制系统应用的是数字PID算法。数字PI控制是普遍采用的一种过程控制算法，P是指比例项(Proportional)，I是指积分项(Integral)，基本的PI控制算法有位置型和增量型两种【29】。第二章无刷直流电机控制系统分析及控制策略研究位置型PI算法的表达式是：：由于位置式控制算法的输出u(k)和过去的所有状态有关，这不仅需要计算机对偏差e(k)进行累加，而且控制系统任何故障的出现，u(k)的变化将会使执行机构的位置大幅度地改变，这将给整个系统带来严重后果。而增量式控制算法因为输出的是增量，即使偏差长期存在，输出的控制增量信号au(k)一次次积累，最终可使执行器达到极限位置，但只要偏差e(k)换向，Au(k)也立即变号，从而使输出脱离饱和状态，这就消除了发生积分饱和的危险。它们两者在本质上是一样的，但是相比位置型算法，增量式算法有很大的优点：(a)控制器只输出增量，所以由误动作造成的影响比较小；(b)手动一自动切换的冲击小：’’(c)式中不需要累加，增量只与最近的两次采样有关，容易获得较好的控制效果，并且消除了当偏差存在时产生饱和的危险。所以本系统采用增量式控制算法。其中电流调节器用PI调节器，速度调节器为改进的Pl调节器。对于速度环的控制采用改进的PI算法一一积分分离Pl算法来实现。该算法的表达式为：2．3本章小结本章对无刷直流电动机的工作原理、运行特性等进行了分析与研究，并结合电动白行车的控制要求，制定了系统关键部分的控制策略，为后续章节的系统设计提供了理论基础。