吸塵器用直流無刷控制策略仿真研究

高素玲，張庭亮

(安陽工學院 電子信息與電氣工程學院，河南 安陽 455000)

吸塵器又稱真空吸塵器，在使用過程中，電流通過造成強烈的空氣流動而在密閉的空間內(nèi)產(chǎn)生負壓[1]，將灰塵、紙屑等吸入容器，使用方便、衛(wèi)生。對電動機的要求是高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、小體積、輕質(zhì)量、節(jié)能等[2]。直流無刷電動機較直流有刷電動機在結(jié)構(gòu)上有了較大改變，其轉(zhuǎn)子采用稀土永磁材料，以電子換向器實現(xiàn)換向，即用磁敏式霍爾元件替代傳統(tǒng)的機械換向器和電刷，消除了由于電刷帶來的缺陷。無刷直流電機應用范圍廣，有易于驅(qū)動、節(jié)能、速度可調(diào)、噪音小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作壽命長等優(yōu)點[3]，是吸塵器用電動機的首選。在大力推行節(jié)能減排的背景下，直流無刷電機的應用會更加寬泛。比如汽車行業(yè)，除可作為電動汽車的核心部件外，還可用在安全氣囊、電動座椅、雨刮器等的驅(qū)動上；另外工業(yè)自動化行業(yè)中，直流無刷電機可滿足數(shù)控機床、自動分揀設備、自動紡織、印刷等這些機械設備的髙效率、高精度的特殊要求；還有航空航天行業(yè)、家用電器行業(yè)等選用無刷電機作為驅(qū)動將成為發(fā)展的主要趨勢[4]。

電機的小、輕、高效和磁性材料的發(fā)展相關。與電機相比,電子元器件更容易做到高電壓、低電流,尤其是功率場效應晶體管。在高電壓、低電流情況下, 場效應管上的管壓降為總線電壓的比例也小,可進一步提高系統(tǒng)的效率。專用的控制芯片、數(shù)字信號處理器及高速微處理器的出現(xiàn),使運行速度和處理能力大大提高。并且更加保證了無刷直流電機的性能。

為滿足各種特殊需求,各種類型的新型無刷直流電機相繼出現(xiàn)，如無槽電機、定子鐵心無齒槽等。電子技術、電子元件、新材料、新型電機的開發(fā)和先進控制理論的出現(xiàn)都進一步推動了無刷直流電機的發(fā)展和應用[5]。隨著電力電子器件向大電流、高電壓的方向發(fā)展以及正弦波PWM電流驅(qū)動技術、新的控制方式和控制策略的發(fā)展，決定了電機也向大功率、高性能的方向發(fā)展；隨著電力電子技術高性能材料的發(fā)展、高性能微處理器的出現(xiàn)以及控制技術的發(fā)展，為直流無刷電動機不斷發(fā)展改進提供了必要條件。直流無刷電動機是一種電機一體化產(chǎn)品，除了電機本體外，還必須帶有位置傳感器，以檢測定、轉(zhuǎn)子之間相對位置。而且，離開了驅(qū)動控制電路直流無刷電動機不可能運行。所以直流無刷電機的性能的提高也朝著智能、高效、節(jié)能、新材料、新技術等方向發(fā)展[6-7]。

基于DSP對吸塵器用無刷直流電動機進行控制仿真，研究直流無刷電動機的運行原理和控制方式，針對控制對象——永磁無刷直流電動機選擇合適的控制方案。根據(jù)直流無刷電機的控制策略，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)PI調(diào)節(jié)并通過判斷按鍵來改變轉(zhuǎn)速和PI參數(shù)值。

1 無刷直流電機的運行原理

圖1 直流無刷電動機的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of the brushless DC motor

直流無刷電機是典型的一體化電機，通過位置檢測器檢測轉(zhuǎn)子位置，將信號送入控制器中，控制器發(fā)出邏輯信號控制逆變器中的開關管，是直流電壓加載的電機本體電樞繞組上，使電機旋轉(zhuǎn)。其結(jié)構(gòu)見圖1[8]。

以電機轉(zhuǎn)子僅一對磁極為例，定子繞組Y型連接，按每相60°相帶分布[9]。其結(jié)構(gòu)原理圖見圖2。

假設電機三相繞組完全對稱，定子電流、磁場分布對稱，轉(zhuǎn)子永磁體無阻尼作用；忽略齒槽效應、電樞反應對氣隙磁場的影響；電機中磁滯、渦流損耗、控制電路的功耗等忽略不計；電動機氣隙磁感應強度在空間為方波分布[10]?；谝陨霞僭O，得出定子三相繞組的電壓狀態(tài)方程為：

(1)

式中ua、ub、uc為定子繞組相電壓；r為各項繞組電阻；ia、ib、ic為定子繞組相電流；L為各項繞組自感；M為每項繞組間的互感；ea、eb、ec為定子繞組反電動勢。

因為三相繞組為Y型接法，所以式(1)可改寫為：

(2)

則可得無刷直流電機的等效電路見圖3。

定子繞組的電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

Te=Pn(eaia+ebib+ecic)/ω

(3)

由功率平衡，可得電磁功率方程成：

Pe=eaia+ebib+ecic=2EsIs

(4)

則電磁轉(zhuǎn)矩方程又可表示為：

Te=PnPe/ω=2PnEsIs

(5)

機械運動方程為：

Te-T=Jdω/dt

(6)

式中Pn為電機極對數(shù)；ω為機械角速度；Pe為電磁功率；Es為反電動勢幅值；Is為相電流幅值；T為負載轉(zhuǎn)矩；J為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量。

圖2 無刷電機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Chart of brushless motor

圖3 直流無刷電機的等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit of brushless DC motor

2 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器

連續(xù)系統(tǒng) PI控制器的微分方程為：

(7)

式中KP為PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；e(t)為輸入函數(shù)；TI為積分時間常數(shù)。

將連續(xù) PI控制器離散化，即得對應的數(shù)字PI算法，用向后差分代替微分[11]，則有下式：

(8)

又因：

(9)

可得增量算式為：

u(k)=u(k-1)+KPΔe(k)+KIe(k)

(10)

圖4 PI原理框圖Fig.4 Block diagram of PI

Δe(k)=e(k)-e(k-1)

(11)

采用這種增量式數(shù)字PI算法可有效防止積分飽和現(xiàn)象。其工作框圖見圖4。

當e較小時，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，應增大KP和KI，同時為避免設定值附近系統(tǒng)震蕩，考慮系統(tǒng)的抗干擾能力，應適當?shù)剡x取KP；當e和Δe適中時，在不影響系統(tǒng)響應速度的前提下，為使系統(tǒng)響應的超調(diào)量減小，KP和KI都不能取太大；當e較大時，為避免起初偏差的瞬間變大而使控制作用超出許可范圍[12]，并加快系統(tǒng)響應速度，應取較大的KP，同時為防止積分飽和，避免系統(tǒng)響應出現(xiàn)較大的超調(diào)，應去掉積分作用，即KI=0。

3 無刷直流電機正反轉(zhuǎn)控制

無刷直流電機的正反轉(zhuǎn)控制與普通電機不同，在無刷直流電機運行的過程中，它的通電始終與電機的轉(zhuǎn)子位置信號是分不開的，因此不能簡單地通過改變定子繞組導通順序來改變電機轉(zhuǎn)向[13]。具體的電機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子位置信號以及定子繞組之間的換相關系見表1。當位置信號的上升沿產(chǎn)生中斷時，DSP進入中斷服務子程序。通過將脈沖捕捉單元的脈沖捕捉口CAP1-CAP3設置成普通I/O口，并且檢測這3個口的電平狀態(tài)，確定電機的哪個位置傳感器的電平發(fā)生變化，從而確定電機轉(zhuǎn)子磁極所處的位置，然后按照電機正轉(zhuǎn)的相序查找數(shù)據(jù)表來確定電機換相的順序以及DSP比較單元的控制字，從而實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)時的正確換相。

表1 電機正轉(zhuǎn)的換相控制字和各開關管狀態(tài)

電機反轉(zhuǎn)的過程和電機正轉(zhuǎn)類似，脈沖捕捉單元根據(jù)捕捉口的電平狀態(tài)確定電機轉(zhuǎn)子所處的位置，然后根據(jù)電平狀態(tài)查找電機反轉(zhuǎn)時能夠正確換相的數(shù)據(jù)表來確定電機反轉(zhuǎn)的換相順序，從而實現(xiàn)電機的反轉(zhuǎn)控制。其具體的位置信號和換相信息之間的關系見表2。

表2 電機反轉(zhuǎn)的換相控制字和各開關管狀態(tài)

4 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)的仿真是檢驗一個系統(tǒng)可行與否的一個重要環(huán)節(jié)。根據(jù)以上設計，采用軟件MATLAB7.1中的Simulink工具箱對其進行仿真，系統(tǒng)仿真分為功率主電路仿真和系統(tǒng)的總體仿真。

4.1 功率主電路仿真

功率主電路由整流和逆變兩部分組成。本設計的整流電路是簡單的單相全橋不可控整流電路。仿真原理圖及結(jié)果分別見圖5、圖6。

圖5 單相全橋不可控整流電路仿真原理圖Fig.5 Single-phase full bridge uncontrolled rectifier circuit simulation schematic

圖6 整流輸出波形Fig.6 Rectified output waveform

逆變分為有源逆變和無源逆變，當交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)時，這種逆變電路成為有源逆變。而交流側(cè)與負載連結(jié)時稱為無源逆變。本電路為三相電壓型無源逆變。仿真電路見圖7。

圖7 三相電壓型逆變電路Fig.7 Three-phase voltage-based inverter circuit

該電路連接的是三相Y型阻感負載，對負載的線電壓進行了波形測定。仿真波形見圖8。

圖8 三相的線電壓波形Fig.8 Three-phase line voltage waveform

4.2 系統(tǒng)總體仿真

所設計的直流無刷電動機系統(tǒng)仿真模型，包括直流無刷電機本體、PWM功率驅(qū)動、霍爾信號輸出及檢測、PI調(diào)節(jié)、速度反饋和電流檢測等子模塊，見圖9。

圖9 直流無刷電動機系統(tǒng)仿真模型Fig.9 Simulation model of brushless DC motor system

本系統(tǒng)采用了PI調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)子模塊的仿真圖見圖10。

給定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時的速度響應曲線見圖11。由圖11可見，剛起步時，略微有些波動，在約0.15 s后基本穩(wěn)定在3 000 r/min，性能良好。

圖10 PI調(diào)節(jié)子模塊Fig.10 PI regulator sub-module

圖11 給定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時的速度響應曲線Fig.11 Response curve of speed when the given speed is 3 000 r/min

5 結(jié) 論

基于直流無刷電機的結(jié)構(gòu)及工作原理，通過建立電機的數(shù)學模型，對三相直流無刷電機的轉(zhuǎn)速、反電勢等相應關系進行了分析。在分析直流無刷電動機的運行特性的基礎上設計了有位置傳感器的直流無刷電動機的控制系統(tǒng)方案。通過對系統(tǒng)的仿真，參考得到的給定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時的速度響應曲線，系統(tǒng)的性能良好，設計可行。

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