永磁無刷直流電機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

湯庚，王惠，張翔

(沈陽航天新光集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110861)

永磁無刷直流電機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

Design of intelligent control system of permanent magnet brushless DC motor

湯庚，王惠，張翔

(沈陽航天新光集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110861)

為了滿足永磁無刷直流電機(jī)智能控制技術(shù)發(fā)展的需要，設(shè)計(jì)了一種永磁無刷直流電機(jī)。在對(duì)所設(shè)計(jì)的永磁無刷直流電機(jī)工作原理分析的基礎(chǔ)上，介紹了永磁無刷直流電機(jī)采用脈寬調(diào)制技術(shù)的控制方法。同時(shí)建立起以數(shù)字信號(hào)處理器(TMS320F28335 DSP)為核心的控制系統(tǒng)，在此控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了永磁無刷直流電機(jī)的控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，永磁無刷直流電機(jī)采用本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，提高了永磁無刷直流電機(jī)工作的可靠性與穩(wěn)定性。

脈寬調(diào)制技術(shù)；永磁無刷直流電機(jī)；控制系統(tǒng)；數(shù)字信號(hào)處理器

近些年，國內(nèi)外對(duì)永磁無刷直流電機(jī)控制技術(shù)的研究達(dá)到了深入階段，在研究內(nèi)容方面我國與國外發(fā)達(dá)國家大體相當(dāng)，但歐美國家在無刷直流電機(jī)的制造和控制技術(shù)方面較為先進(jìn)[1]。日本無刷直流電機(jī)技術(shù)方面主要集中在民用方面，而美國無刷電機(jī)技術(shù)先進(jìn)主要體現(xiàn)在軍工方面，因此對(duì)永磁無刷直流電機(jī)的研究具有重要的意義[2]。

本文設(shè)計(jì)的永磁無刷直流電機(jī)智能控制系統(tǒng)，采用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為PWM波，應(yīng)用脈寬調(diào)制控制技術(shù)，通過由電力電子器件及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)組成的控制系統(tǒng)，檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，使得電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)，提高了永磁無刷直流電機(jī)工作的可靠性，同時(shí)滿足電機(jī)的智能操作的要求。

1 永磁無刷直流電機(jī)工作原理

本文設(shè)計(jì)的永磁無刷電機(jī)是四極三相永磁無刷電機(jī)。電機(jī)結(jié)構(gòu)縱切面和橫切面示意圖如圖1所示，電機(jī)本體主要部件由圖中的5轉(zhuǎn)子和4定子組成。從縱切面示意圖中看出定子包括機(jī)殼繞組、端蓋、軸承等部件。由橫切面示意圖中可以看到轉(zhuǎn)子為瓦片狀的永磁體粘貼在導(dǎo)磁體上組成。

圖1 永磁無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

永磁無刷直流電機(jī)工作原理為：無刷直流電機(jī)通過3個(gè)位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，根據(jù)檢測到的位置信息按一定順序驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變器中的開關(guān)管關(guān)斷，使得電機(jī)三相繞組中獲得的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永磁體的磁場同步，保證轉(zhuǎn)子連續(xù)運(yùn)行。

2 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為核心，電機(jī)轉(zhuǎn)速通過脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）進(jìn)行控制，數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)時(shí)檢測霍爾位置傳感器輸出的信號(hào)以檢測轉(zhuǎn)子位置，通過對(duì)光電編碼器輸出信號(hào)的譯碼以檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂葡到y(tǒng)采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）搭建的三相逆變電路構(gòu)成系統(tǒng)的主回路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 三相逆變主電路

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是電力電子技術(shù)中常用的功率型器件，其具有較高的電壓等級(jí)及電流等級(jí)，并且其工作過程中輸入阻抗高，導(dǎo)通時(shí)具有較低的通態(tài)壓降，因此三相逆變主電路中的功率型器件選用英飛凌型號(hào)為FS150RKE3G的IGBT模組。該模組集成6個(gè)IGBT，大大節(jié)省了控制系統(tǒng)所占的空間，同時(shí)減少了單個(gè)IGBT之間的接線，降低了回路中感抗及線路損耗帶來的干擾。

為了抑制在IGBT關(guān)斷過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓，降低器件開關(guān)損耗，防止IGBT損壞，設(shè)計(jì)了RCD緩沖電路。當(dāng)功率器件IGBT工作過程中帶負(fù)載關(guān)斷時(shí)，因電機(jī)繞組與電感等效，其儲(chǔ)存的能量因IGBT關(guān)斷，以電流的形式經(jīng)過電容C通過二極管D向電源充電，吸收關(guān)斷過程中產(chǎn)生的du/dt，IGBT開通后，電容C中因IGBT關(guān)斷儲(chǔ)存的能量以電流的形式通過電阻R進(jìn)行釋放，減小導(dǎo)通過程中產(chǎn)生的di/dt。此外，應(yīng)盡量減小線路電感，且應(yīng)選用內(nèi)部電感盡量小高頻特性好的電容C。

2.2 隔離驅(qū)動(dòng)電路

由于在永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，IGBT作為控制系統(tǒng)中重要的開關(guān)器件，對(duì)其進(jìn)行可靠的驅(qū)動(dòng)是保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提。本文設(shè)計(jì)的永磁無刷直流電機(jī)IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用具有欠壓保護(hù)功能、有源鉗位功能、與電源進(jìn)行DC/DC隔離功能、短路保護(hù)以及雙通道驅(qū)動(dòng)功能的集成電路6QP0115T12，并自行設(shè)計(jì)6QP0115T12相應(yīng)的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路和后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路。將DSP產(chǎn)生6路PWM信號(hào)輸入至所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路后，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有功率1 W，驅(qū)動(dòng)電壓為+15 V，關(guān)斷電壓為-10 V的PWM控制信號(hào)，保證三相逆變主電路中I GBT可靠的導(dǎo)通與關(guān)斷控制，進(jìn)而保證永磁無刷直流電機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.3 霍爾位置檢測電路

霍爾位置檢測電路能夠檢測轉(zhuǎn)子與繞組的相對(duì)位置，決定永磁無刷直流電機(jī)繞組的導(dǎo)通相，同時(shí)控制系統(tǒng)通過對(duì)霍爾位置檢測電路輸出信號(hào)的檢測與編碼能夠得到電機(jī)當(dāng)前旋轉(zhuǎn)到的角度。本文設(shè)計(jì)的霍爾位置檢測電路是設(shè)計(jì)一塊圓形印制電路板，并將三個(gè)帶自鎖功能的霍爾芯片在印制電路那么按同一半徑以120°角進(jìn)行排列。將該印制電路板與電機(jī)外殼固定，并與轉(zhuǎn)子同軸。將印制電路板上霍爾芯片輸出的信號(hào)送至DSP的捕獲接口，通過對(duì)信號(hào)的檢測及編碼得到電機(jī)的換相信號(hào)與旋轉(zhuǎn)角度。

2.4 電容充放電電路

將三相交流電經(jīng)過整流橋整流成整流，采用電容將整流后的直流進(jìn)行濾波，保證直流電波形的平穩(wěn)，以及對(duì)電機(jī)供電的可靠。在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了電容的充放電控制回路。當(dāng)控制器上電后，首先對(duì)電容器組進(jìn)行充電，DSP采集電容電壓的信號(hào)并進(jìn)行處理，當(dāng)電壓值達(dá)到系統(tǒng)操作要求時(shí)DSP發(fā)出停止充電指令，切斷外界電源。

3 控制策略

為使永磁無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)獲得滿意的靜態(tài)指標(biāo)與動(dòng)態(tài)指標(biāo)，本文采用轉(zhuǎn)子位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速、繞組電流三閉環(huán)調(diào)節(jié)的方法，程序中通過PID調(diào)節(jié)器對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的改變，通過調(diào)節(jié)三相逆變電路中IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，對(duì)電機(jī)三相繞組中的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，在旋轉(zhuǎn)過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子速度的調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主電路為由六個(gè)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構(gòu)成的三相逆變電路，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)使三相逆變電路以三相六狀態(tài)方式導(dǎo)通。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）實(shí)時(shí)檢測霍爾位置傳感器輸出的信號(hào)送給DSP的10位A/D轉(zhuǎn)換其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所得的數(shù)字量即可作為轉(zhuǎn)子位置的反饋信號(hào)以確定永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置構(gòu)成控制系統(tǒng)的位置環(huán)；控制系統(tǒng)對(duì)光電編碼器輸出信號(hào)進(jìn)行譯碼以檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)；永磁無刷直流電機(jī)三相繞組中的電流通過霍爾電流進(jìn)行檢測，構(gòu)成控制系統(tǒng)的電流環(huán)。

永磁無刷直流電機(jī)位置環(huán)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)比較后得到位置環(huán)的信號(hào)偏差e1，將e1進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)節(jié)，得到速度環(huán)的輸入信號(hào)，并與速度環(huán)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得到速度環(huán)的信號(hào)偏差e2，將e2進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)節(jié)，得到電流環(huán)的輸入信號(hào)，并與電流環(huán)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得到電流環(huán)的信號(hào)偏差e3，將e2進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)節(jié)，輸出參數(shù)為三相逆變電路中IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁無刷直流電機(jī)三相繞組電流的調(diào)節(jié)。采用此三閉環(huán)的控制方式，提高了控制系統(tǒng)的可控性，使系統(tǒng)具有良好的魯棒特性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的有效性及合理性，設(shè)計(jì)了一臺(tái)40.5三相永磁無刷直流電機(jī)及基于DSP TMS28335的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)電源為恒定直流300 V，控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)發(fā)出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比分別60%、80%以及100%，在各個(gè)占空比下對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，在不同的PWM占空比下電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化，PWM占空比越大轉(zhuǎn)速越快。同時(shí)為了本文控制方法設(shè)計(jì)的有效性，進(jìn)行了固定有限轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)控制系統(tǒng)輸入的不同角度，電機(jī)能夠在該角度范圍內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定的正反轉(zhuǎn)。

5 結(jié)論

在以TMS320F28335為控制核心的控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁無刷直流電機(jī)的PWM控制，該控制方式特點(diǎn)是直接將控制作用于電機(jī)的電源上，改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用所設(shè)計(jì)的方法，能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了永磁無刷直流電機(jī)的工作可靠性和智能化操作的水平。

[1] 林莘．現(xiàn)代高壓電器技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：283～299．

[2] 林莘,王德順,徐建源．高壓斷路器直線伺服電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制技術(shù)研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2008, 28(27):137～141。

(R-03)

TQ330.493

1009-797X(2016)24-0090-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.24.027

湯庚（1989-），男，漢族，碩士研究生，工程師，主要從事電氣自動(dòng)化以及電機(jī)控制方面研究。

2016-11-18