無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)探究

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1、無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)探究　　摘要：利用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的控制具有獨(dú)特的優(yōu)勢：轉(zhuǎn)速響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、精度高、穩(wěn)定性高。有效提高電機(jī)效率的同時能很好滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。對雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的功率器件、主逆變電路、控制器、電流檢測轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速檢測、保護(hù)電路等部分所起的作用、原理及選擇依據(jù)進(jìn)行了深入分析探討，為實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)控制的實(shí)際解決方案提供了設(shè)計(jì)的依據(jù)及指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)控制；無刷直流電機(jī)；DSP中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16723198（2013）110179027傳統(tǒng)的直流電機(jī)利用換相器及電刷換相，電

2、刷易磨損并產(chǎn)生火花，同時，維修困難，制造成本高，大大限制了它的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及大規(guī)模集成電路的普及，為無刷直流電機(jī)的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。無刷直流電動機(jī)具有控制靈活、調(diào)速性能好、啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)、無換向火花、無勵磁損耗等優(yōu)點(diǎn)。又有傳統(tǒng)直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、控制簡單等特點(diǎn)。由于技術(shù)進(jìn)步，永磁材料性能大幅提高、同時制造成本下降，使得無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展。而雙閉環(huán)控制系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)速響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，因此雙閉環(huán)控制無刷直流電機(jī)具有獨(dú)特優(yōu)勢，能很好滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，近年來成為研究的熱點(diǎn)

3、。1雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的功率器件功率開關(guān)器件是無刷直流電機(jī)換相的重要部件，因此對功率開關(guān)器件的選擇非常重要。功率場效應(yīng)晶體管是電壓控制的單極型器件，具有自關(guān)斷能力，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度高，安全工作區(qū)寬等特點(diǎn)，因此功率場效應(yīng)晶體管在逆變電路中，廣泛用作開關(guān)管。根據(jù)以上分析，采用功率MOSFET作為功率開關(guān)器件。2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的主逆變電路7無刷直流電機(jī)按結(jié)構(gòu)分為三相、四相繞組等。驅(qū)動電路由半橋驅(qū)動和全橋驅(qū)動構(gòu)成。全橋驅(qū)動的電機(jī)繞組通常為星形和三角形連接。連接方式的不同結(jié)合將產(chǎn)生不一樣的控制性能，性能差異主要基于以下因素：（1）轉(zhuǎn)矩脈動的產(chǎn)生，一

4、般而言，無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動較傳統(tǒng)直流電機(jī)大，而實(shí)際應(yīng)用中，很大的轉(zhuǎn)矩脈動會使系統(tǒng)產(chǎn)生抖動。而全橋驅(qū)動電路相對于半橋驅(qū)動電路而言，轉(zhuǎn)矩脈動更小。（2）繞組實(shí)際利用率的提高，無刷直流電機(jī)的電樞繞組在實(shí)際運(yùn)行中，供電是斷續(xù)進(jìn)行的，改進(jìn)繞組利用率，可有效減小等效電阻，最終提升系統(tǒng)的整體效率。從以上分析可知，全橋驅(qū)動較半橋驅(qū)動具有很明顯的優(yōu)勢，理論上三相繞組的利用率較四相繞組高，同理，四相較五相利用率高。也就是說，隨相數(shù)降低利用率升高。（3）成本分析，全橋驅(qū)動電路所需的開關(guān)管總數(shù)量是半橋驅(qū)動的兩倍左右，同時，電機(jī)繞組的相數(shù)增多，電機(jī)制造成本就越

5、高。從以上綜合分析的角度考慮，三相星形全橋驅(qū)動的綜合性能指標(biāo)最優(yōu)。3雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器7控制器是無刷直流電機(jī)控制的中樞，對控制器的選擇，要考慮以下方面：控制器效率高、易維護(hù)、可靠性好，移植性強(qiáng)。（1）專用芯片的選擇：無刷直流電機(jī)專用控制芯片很多，比如摩托羅拉的MC33035芯片，這種芯片是為某種控制用途而專門設(shè)計(jì)的。控制范圍有很大的局限性。若采用此類芯片，當(dāng)電機(jī)結(jié)構(gòu)改變時，不能達(dá)到理想的控制效果。（2）單片機(jī)：在自動控制系統(tǒng)中，單片機(jī)應(yīng)用極其廣泛。單片機(jī)種類很多，而51系列、PIC、AVR系列應(yīng)用最多。對無刷直流電機(jī)的控制，由于單片機(jī)

6、本身速度的限制。在主逆變電路中，由于單片機(jī)輸出PWM的速度不夠高，因此會轉(zhuǎn)矩脈動很大，精度控制也達(dá)不到要求。（3）數(shù)字信號處理器（DSP）：通常采用哈佛結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：計(jì)算機(jī)具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)及程序存儲空間。因此CPU可以同時執(zhí)行取數(shù)據(jù)和取指令，數(shù)據(jù)吞吐率及系統(tǒng)的運(yùn)算速度都大幅提高。DSP具有片內(nèi)資源豐富、數(shù)據(jù)處理能力高效，實(shí)現(xiàn)了具有超調(diào)量小、響應(yīng)速度快特點(diǎn)的無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。硬件乘法器作用是：DSP可以在單周期內(nèi)完成取操作數(shù)并相乘，把結(jié)果存儲在累加器內(nèi)。DSP特殊的指令也極大改善了系統(tǒng)的性能，DSP有豐富的片內(nèi)外設(shè)。

7、通過DSP來實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，可有效降低系統(tǒng)成本。此外，DSP具有如下的突出優(yōu)點(diǎn)：（1）Flash存儲容量大：DSP的Flash存儲空間一般在32KB以上，甚至達(dá)到128KB，進(jìn)行外部擴(kuò)展。（2）速度快：目前無刷直流電機(jī)控制中，絕大多數(shù)是PWM控制技術(shù)，通常PWM的頻率設(shè)為5一20kHz，高性能的控制算法一般要求在60一100μs完成，而單片機(jī)通常難以難滿足需要，DSP就能很好適應(yīng)此要求。（3）軟件設(shè)計(jì)更加靈活：DSP軟件程序設(shè)計(jì)的功能不斷增強(qiáng)，而C語言及匯編語言的聯(lián)合編程也使得開發(fā)出的系統(tǒng)更靈活多樣?；谝陨戏治?，數(shù)字信號處理器比較適合作為

8、電機(jī)控制的中央控制單元。4雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的電流檢測7電流是一個轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)來非常重要的參數(shù)。電流環(huán)的采用可使系統(tǒng)的快速啟動性能得到提高，同時，通過反饋電流值對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。