直流电机控制系统设计

王安

辽宁锦州渤海大学工学院

直流电机控制系统设计

王安

辽宁锦州渤海大学工学院

无刷直流电机的特点是体积极小、而且质量也比较轻、工作的效率很高，除此之外在损耗方面也比较小等，这些都是无刷直流电机的典型特征，关于无刷直流电机的应用十分广泛，除了用于航空航天以及机械自动化等领域之外，还在汽车行业中也运用很普遍，另外无刷直流电机还涉及到了空调以及电动车和冰箱等电器方面。但是，考虑到电机自身在换向方面存在着一定的问题，所以从而引起了通过采用传统的控制方法是很难摆脱由于电磁转矩以及电流脉动过大的情况，而且在精度的控制方面不是很精确，这些存在的问题使得无刷直流电机在一定程度上受到了约束的作用，从而应用的范围也会因此受到相应的影响。所以，对无刷直流电机方面进行相关的研究是很有必要的。

无刷直流电机 直流电机 控制系统

1 引言

研究无刷直流电机控制的方案可以选择很多种，比如基于DSP的无刷电机控制系统，也可以是基于FPGA的控制系统，还可以在选择器方面选择数字信号处理器。基于DSP的无刷电机控制系统在处理数据方面存在着很大的优势，而且实现的接口也十分丰富，所以相比于其他的方案，采用基于DSP是很好的选择。在现今的选择中很受欢迎。在90年代中期的时候就已经诞生了IPM，IPM是智能功率模块的缩写，含义是在一个模块中将控制电路以及驱动电路和保护电路都集合起来，智能功率模块在功率器件的发展中充当着一个意义重大的组成部分。

相比较于有刷直流电动机，就能够发现，无刷直流电动机和有刷直流电动机在实际上是不存在差异的，这两者在一定程度上都是同一台同步电动机，不同的是在有刷直流电动机上面添加了一个机械的电刷，而且无刷直流电动机中选择的不再是机械换向器和电刷，而是电子换向装置。虽然无刷直流电动机和有刷直流电动机在构造方面存在着差异，但是这两者的作用却是一样的，他们的作用均是可以成功完成直流电动机的换向正确。无刷直流电动机的目的是完成电机的无机械电刷换向，那么首要前提就是将普通的直流电动机的电枢通过绕组，固定在定子上，而且永久的磁钢会固定在转子上，这种方法的实现是和传统意义上的直流永磁电动机的结构是完全相反的。然而如果只是如此的话，远远还不够，这是由于这种方式产生的磁场是固定的磁场，这种磁场导致了与永磁磁场进行作用的时候是无法实现的，从而形成的转矩是单一方向的，通过这种单一方向来进行转动。

2 无刷电机本体的发展

关于电动机实现机电能量的能量转换的这种设备，由于电动机的一些特点，从而使得电动机的应用在一定程度上十分广泛，甚至关于电动机的应用已经遍布到了全国的很多个城市以及大多数的经济领域中。如果按照电动机的额类型进行划分的话，那么可以将电动机分为三种，分别是同步的电动机以及异步的电动机和直流电动机。直流电动机的特征是在运行方面效率比较高，而且在进行速度调整方面的性能也是比较好的，这些都是直流电动机所具有的特点，所以直流电动机的应用是十分广泛的，在很多的调速系统中都有用到直流电动机，然而传统意义上的直流电动机选择换向方式是机械电刷，采用这种方式的一个缺点就是相对的机械摩擦是无法消除的，同时由于机械摩擦所引起的噪声以及受到的干扰和寿命的影响这都是无法避免的。所以，在1997年的时候，Boliger提出新的电刷方式，采用的是将有刷直流电机替换成整流管的这种新的机械电刷，因此无刷直流电机的理论就出现了。

3 无刷直流电机的工作原理

关于有刷直流电动机主要器件包括了永久磁钢，有刷直流电动机的功能作用产生磁场，而且这个磁场的产生场合是在电动机的气隙中实现的，另外有刷直流电动机的电枢绕组在进行了通电以后就会出现反应磁场。但是考虑到电刷会发生换向的情况，所以这个换向会引起这些磁场在方向方面是和在直流电动机进行运行的时候是相互垂直的，最终达到了转矩的最大化，驱动电动机的运转就会永远的进行下去。有刷直流电机电枢绕组中的感应电势与现实中电流的通过是存在交变得情况的。以电枢绕组和定子磁场两者之间的相互作用的角度来分析，就会发现事实上都是一台同步电机。在有刷直流电机中的电刷中能够实现电流的引导作用，同时因为当电刷通过电枢导体的时候，电刷中的电流的方向就会进行改变，因此电流换向的地点是和电刷的位置有着直接的联系的。换言之，有刷直流电机中的电刷的作用是检测电枢电流的换向以及电枢的位置。

因此，无刷直流电动机的组成部分包括了电动机、控制电路、位置传感器等。共同构成的电子换向装置来保证电机定子绕组准确地进行换向，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场在空间始终保持在900左右的电角度。

4 控制系统软件的总体要求

控制系统中的控制任务如果需要实现，那么首要前提是通过程序实现。其中关于应用程序在设计方面是否是成功还是失败，这都和系统的功率有着直接的影响关系，而且还会影响系统的在控制方面的质量。在设计电机控制系统的时候需要满足的要求总结如下：

4.1 控制软件需要保持一定的实时性

电机控制在规定的时间以内，完成大部分的软件处理。比如采样电机中的被控参数，这些参数主要指的是电流，转速以及电压等，还可以对这些参数进行逻辑意义上的判断，以及控制信号的输出等，而且当发生了一定的故障意外的时候，可以进行故障的处理，在设定的控制算法中完成数值的运算。在进行了上面的处理之后，如果处理中的时间是超过了系统规定的时间，那么实时也就不存在任何的意义了。电机的控制的过程是快速的，所以电机的控制软件中存在实时性是很重要的。在满足了实时性的要求之后，要进一步地对控制软件的一些指令进行详细的处理。

4.2 控制软件的可靠性要很强

软件的可靠性指的是当软件运行的时候要尽量防止故障的发生，尽量减少故障的发生，同时当故障出现的时候，要具备故障的解决能力。所以，要想提高软件可靠性，就不得不考虑到所有的非正常情况。

4.3 控制软件的易修改性

如何判断一个控制软件是好还是坏，那么这个判断的过程中就不得不考虑到易修改性，如果该控制软件的易修改性是好的话，那么这个软件可以称为是好的。控制软件如果修改起来比较容易实现，那么也就是说可以在一定程度上提高软件的效率。

5 系统的设计

5.1 功率驱动芯片选取

本系统中关于电机控制的驱动器的选择是IR公司的IR2132S芯片，这个芯片的作用是用来设计三相桥式驱动。IR2132S芯片的工作电压范围是从10V到20V，IR2132S芯片也是MOSFET功率中的一种，在该芯片中设有几个高端及低端的通道，而且这些输出的通道是互不影响的。逻辑输入和CMOS或者TTL的输出是相互兼容的，其中的逻辑电压最小是2.5V。IR2132S应用电路图如图1所示。

图1 IR2132S应用电路图

5.2 全控型功率驱动电路

逆变电路的组成部分是从V1到V6。本系统选择的驱动芯片是MOSFET形式。而且电动机驱动电路的选择用的是全控型桥式电路，驱动功率芯片在选择方面是来自IR公司2136，其中的功率开关器件选择的型号是IRF540，隔离芯片的型号是线性HCPL-2630.。

5.3 自适应模糊控制

模糊控制系统需要根据系统的偏差和偏差之间的变化率从而控制系统。模糊控制的规则如表1所示。

表1 模糊控制的规则

5.4 电机相电压波形

当电机运行时候，观测并且记录了示波器中的相电压。而且示波器中可以看出A,B的相位电压的波形，波形如图2所示。

图2 电机启动时A、B相电压波形

6 结语

到目前为止，无刷直流电机的发展时间长达半个世纪，而且随着电力电子技术以及控制理论和科学技术的不断实现，在很大的程度上促进了发展，现今无刷直流电机的发展已经达到了一种很高的水平，在医疗器械、家庭电器和计算机领域方面无刷直流电机都得到了很大推广，从中可以看出无刷直流电机的发展空间十分开阔，而且发展前景十分可观。

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