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永磁无刷直流电机智能控制系统的设计

2016-03-13汤庚王惠张翔

橡塑技术与装备 2016年24期
关键词:直流电机三相永磁

汤庚,王惠,张翔

(沈阳航天新光集团有限公司,辽宁 沈阳 110861)

永磁无刷直流电机智能控制系统的设计

Design of intelligent control system of permanent magnet brushless DC motor

汤庚,王惠,张翔

(沈阳航天新光集团有限公司,辽宁 沈阳 110861)

为了满足永磁无刷直流电机智能控制技术发展的需要,设计了一种永磁无刷直流电机。在对所设计的永磁无刷直流电机工作原理分析的基础上,介绍了永磁无刷直流电机采用脉宽调制技术的控制方法。同时建立起以数字信号处理器(TMS320F28335 DSP)为核心的控制系统,在此控制系统中实现了永磁无刷直流电机的控制方法。实验结果表明,永磁无刷直流电机采用本文设计的控制系统,可实现对永磁无刷直流电机转速的调节,提高了永磁无刷直流电机工作的可靠性与稳定性。

脉宽调制技术;永磁无刷直流电机;控制系统;数字信号处理器

近些年,国内外对永磁无刷直流电机控制技术的研究达到了深入阶段,在研究内容方面我国与国外发达国家大体相当,但欧美国家在无刷直流电机的制造和控制技术方面较为先进[1]。日本无刷直流电机技术方面主要集中在民用方面,而美国无刷电机技术先进主要体现在军工方面,因此对永磁无刷直流电机的研究具有重要的意义[2]。

本文设计的永磁无刷直流电机智能控制系统,采用的驱动信号为PWM波,应用脉宽调制控制技术,通过由电力电子器件及数字信号处理器(DSP)组成的控制系统,检测电机转速的同时改变驱动信号的占空比,使得电机旋转速度可调,提高了永磁无刷直流电机工作的可靠性,同时满足电机的智能操作的要求。

1 永磁无刷直流电机工作原理

本文设计的永磁无刷电机是四极三相永磁无刷电机。电机结构纵切面和横切面示意图如图1所示,电机本体主要部件由图中的5转子和4定子组成。从纵切面示意图中看出定子包括机壳绕组、端盖、轴承等部件。由横切面示意图中可以看到转子为瓦片状的永磁体粘贴在导磁体上组成。

图1 永磁无刷直流电机结构图

永磁无刷直流电机工作原理为:无刷直流电机通过3个位置传感器检测转子磁极位置,根据检测到的位置信息按一定顺序驱动三相桥式逆变器中的开关管关断,使得电机三相绕组中获得的旋转磁场与转子永磁体的磁场同步,保证转子连续运行。

2 电机操动机构控制系统结构原理

永磁无刷直流电机控制系统以数字信号处理器(DSP)为核心,电机转速通过脉宽调制技术(PWM)进行控制,数字信号处理器实时检测霍尔位置传感器输出的信号以检测转子位置,通过对光电编码器输出信号的译码以检测电机的转速。控制系统采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)搭建的三相逆变电路构成系统的主回路,系统结构如图2所示。

图2 永磁无刷直流电机控制系统结构图

2.1 三相逆变主电路

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是电力电子技术中常用的功率型器件,其具有较高的电压等级及电流等级,并且其工作过程中输入阻抗高,导通时具有较低的通态压降,因此三相逆变主电路中的功率型器件选用英飞凌型号为FS150RKE3G的IGBT模组。该模组集成6个IGBT,大大节省了控制系统所占的空间,同时减少了单个IGBT之间的接线,降低了回路中感抗及线路损耗带来的干扰。

为了抑制在IGBT关断过程中产生的瞬态过电压,降低器件开关损耗,防止IGBT损坏,设计了RCD缓冲电路。当功率器件IGBT工作过程中带负载关断时,因电机绕组与电感等效,其储存的能量因IGBT关断,以电流的形式经过电容C通过二极管D向电源充电,吸收关断过程中产生的du/dt,IGBT开通后,电容C中因IGBT关断储存的能量以电流的形式通过电阻R进行释放,减小导通过程中产生的di/dt。此外,应尽量减小线路电感,且应选用内部电感尽量小高频特性好的电容C。

2.2 隔离驱动电路

由于在永磁无刷直流电机控制系统的设计过程中,IGBT作为控制系统中重要的开关器件,对其进行可靠的驱动是保证电机稳定运行的重要前提。本文设计的永磁无刷直流电机IGBT驱动电路采用具有欠压保护功能、有源钳位功能、与电源进行DC/DC隔离功能、短路保护以及双通道驱动功能的集成电路6QP0115T12,并自行设计6QP0115T12相应的前级驱动电路和后级功率驱动电路。将DSP产生6路PWM信号输入至所设计的驱动电路后,将输入信号转换为具有功率1 W,驱动电压为+15 V,关断电压为-10 V的PWM控制信号,保证三相逆变主电路中I GBT可靠的导通与关断控制,进而保证永磁无刷直流电机安全稳定的运行。

2.3 霍尔位置检测电路

霍尔位置检测电路能够检测转子与绕组的相对位置,决定永磁无刷直流电机绕组的导通相,同时控制系统通过对霍尔位置检测电路输出信号的检测与编码能够得到电机当前旋转到的角度。本文设计的霍尔位置检测电路是设计一块圆形印制电路板,并将三个带自锁功能的霍尔芯片在印制电路那么按同一半径以120°角进行排列。将该印制电路板与电机外壳固定,并与转子同轴。将印制电路板上霍尔芯片输出的信号送至DSP的捕获接口,通过对信号的检测及编码得到电机的换相信号与旋转角度。

2.4 电容充放电电路

将三相交流电经过整流桥整流成整流,采用电容将整流后的直流进行滤波,保证直流电波形的平稳,以及对电机供电的可靠。在控制系统中设计了电容的充放电控制回路。当控制器上电后,首先对电容器组进行充电,DSP采集电容电压的信号并进行处理,当电压值达到系统操作要求时DSP发出停止充电指令,切断外界电源。

3 控制策略

为使永磁无刷直流电机调速系统获得满意的静态指标与动态指标,本文采用转子位置、电机转速、绕组电流三闭环调节的方法,程序中通过PID调节器对参数进行调节。控制系统根据转子位置的改变,通过调节三相逆变电路中IGBT驱动信号的占空比,对电机三相绕组中的电流进行调节,在旋转过程中实现对转子速度的调节,控制系统原理如图4所示。

图3 控制系统框图

本文设计的控制系统主电路为由六个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)构成的三相逆变电路,控制系统驱动信号使三相逆变电路以三相六状态方式导通。数字信号处理器(DSP)实时检测霍尔位置传感器输出的信号送给DSP的10位A/D转换其进行A/D转换,所得的数字量即可作为转子位置的反馈信号以确定永磁无刷直流电机转子的实时位置构成控制系统的位置环;控制系统对光电编码器输出信号进行译码以检测电机的转速,构成控制系统的转速环;永磁无刷直流电机三相绕组中的电流通过霍尔电流进行检测,构成控制系统的电流环。

永磁无刷直流电机位置环反馈信号与输入信号比较后得到位置环的信号偏差e1,将e1进行PID参数调节,得到速度环的输入信号,并与速度环的反馈信号进行比较,得到速度环的信号偏差e2,将e2进行PID参数调节,得到电流环的输入信号,并与电流环的反馈信号进行比较,得到电流环的信号偏差e3,将e2进行PID参数调节,输出参数为三相逆变电路中IGBT驱动信号的占空比,进而实现对永磁无刷直流电机三相绕组电流的调节。采用此三闭环的控制方式,提高了控制系统的可控性,使系统具有良好的鲁棒特性。

4 实验结果分析

为了验证本文设计控制系统的有效性及合理性,设计了一台40.5三相永磁无刷直流电机及基于DSP TMS28335的控制系统,并进行联机调速实验。

实验电源为恒定直流300 V,控制系统对电机发出的PWM驱动信号占空比分别60%、80%以及100%,在各个占空比下对电机转速进行测量。通过对实验数据的分析可知,在不同的PWM占空比下电机转速会发生变化,PWM占空比越大转速越快。同时为了本文控制方法设计的有效性,进行了固定有限转角旋转实验,根据控制系统输入的不同角度,电机能够在该角度范围内进行稳定的正反转。

5 结论

在以TMS320F28335为控制核心的控制系统中实现对永磁无刷直流电机的PWM控制,该控制方式特点是直接将控制作用于电机的电源上,改变驱动信号占空比,实现对电机旋转速度的调节。实验结果表明,本文设计的永磁无刷直流电机控制系统采用所设计的方法,能够对电机转速进行调节,提高了永磁无刷直流电机的工作可靠性和智能化操作的水平。

[1] 林莘.现代高压电器技术[M].北京:机械工业出版社,2011:283~299.

[2] 林莘,王德顺,徐建源.高压断路器直线伺服电机操动机构及控制技术研究[J].中国电机工程学报, 2008, 28(27):137~141。

(R-03)

TQ330.493

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

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.24.027

汤庚(1989-),男,汉族,硕士研究生,工程师,主要从事电气自动化以及电机控制方面研究。

2016-11-18

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