直流调速系统调速优化
2018-04-15周婷婷宁芳青董理想宛杰
周婷婷,宁芳青,董理想,宛杰
(安徽工业大学电气与信息工程学院,安徽马鞍山,243032)
关键字:无刷电机;电子调速;MCU
0 引言
随着电能的广泛应用,作为电能转化为动能这一过程电机的应用越来越广泛,于此同时电机的控制也要求越来越精确;越来越多的电子产品中用到电机;同时电机的种类也在增加,简单来说电机分为两种直流电机和交流电机[1]。它们最主要的区别在于换向问题上,直流电机需要换向器换向,交流电机通过交流电源换向,这导致了交直流电机在工作性能和应用的本质上差别[2];在直流电机和交流电机下面又细分为多种电机同步电机,异步电机,舵机,步进电机等多种多样的电机同时也有着它们独特的调速方式和特殊的工作环境;同样四旋翼飞行器也有着它适合的电机[3-5]。
1 电机调速原理
1.1 有刷电机调速原理
直流电机调速现在多选用直流斩波调速,相对与其它调速方式斩波调速调速调速范围宽; 电流波形系数好;附加损耗小;功率因数高。常见的斩波调速电路。通过调整PWM控制晶闸管通断实现斩波可以完成电机转速控制。
1.2 直流无刷电机调速原理
直流无刷电机本质是一个逆变电路加一个交流电机[6-7]。通过改变交流电源频率来改变电机换向速度从而实现电机的调速[8];与直流电机相比无刷电机的换向通过逆变的交流电来实现换向。
2 电机调速优化
2.1 无刷电机调速方式
无刷电机驱动需要六路高速控制信号来实现mos管控制[9];这么多控制口如果全都连接到四旋翼上,即四旋翼系统的mcu,那么一方面占用mcu的接口资源另一方面控制起来较为困难针对四路电机需要处理的数据较多,这样会较大的占用mcu的运行时间,为了提高四旋翼控制系统的工作效率以及电机的控制精度,将电机的控制单独用一个mcu来控制,然后与四旋翼控制系统联系起[10]。
将该电机调速系统与四旋翼控制系统联系起来有多种方式,例如通过串口的方式将要下发的转速指令给电机调速系统;但由于串口发送指令较为缓慢所以不适合实时控制;这里用定时器发送固定频率的PWM波代替串口发送速度值;电机调速系统通过接受固定频率的PWM来进行对电机速度的控制[11]。
2.2 电机调速系统系统搭建
电机调速系统整体包括两部分,一部分为电机驱动部分,该部分主要由MOS管组成的一个三相的逆变电路,通过控制部分给该部分提供控制信号实现直流电到交流电的转换;另一部分是电机控制部分,该部分主要由单片机实现电机速度读取,以及电机速度控制,该部分也是该调速系统的核心。
该部分主要为stm8s105k4t6单片的最小系统组成,考虑到该控制系统资源的需求以及单片的价格;stm8s105k4t6为8位STM微 控 制 器 包 涵16kbFLASH,2kbRAM,1024bitEPROM;该控制系统中主要用到该芯片的三路定时器TIM1,TIM2,TIM3[12].TIM1的四路通道以及TIM2的两路通道用来控制电机驱动部分的MOS管通断状态;TIM3的一路通道用来采集飞控系统下发的速度指令;该系统工作时,TIM3采集到飞控系统下发的速度指令即固定频率的PWM波,此时定时器采集采集飞控下发控制信号频率计算保存后采集下发PWM脉宽,即PWM的占空比,通过计算分析下发速度大小;在电机刚启动和启动后该控制系统还要分析作对比避免电机无法直接启动。
2.3 电机调速系统整体框架
由上述分析该电机调速系统包括控制部分电机驱动部分加上无刷电机,电机的速度采集通过mcu的脉冲输出频率来计算得到。电机输入电源要求电流较大不能由mcu直接驱动必须外加驱动电路。
该系统由四旋翼中的mcu发送PWM波的控制信号与调速系统中的mcu通信;调速系统将采集的控制信号分析处理后得到电机的目标转速,然后计算目标转速对应的交流频率,将该交流频率输出送到驱动再控制电机;另一方面电机驱动将自己输出的电源电压与电流发送到调速系统的mcu中当调速系统采集的反馈值过低时关断控制信号,当电机处于高速旋转时驱动电源电压与电流过低即欠点的情况下调速系统会适当降低转速实现四旋翼的降落与停止。
3 电机调速系统simulink仿真
无刷电机调速部分包括控制部分,驱动部分,无刷电机部分[13];控制及驱动部分已经模块化。
控制部分由于通过算法加入各种环境状态下的控制命令不容易实现;所以直接对其处理做了正常状态下转速测试控制信号,即给定固定频率和脉宽的信号来控制驱动六路脉冲信号频率脉宽都相同初始相位不同,分别对应控制驱动的六路mosfet;驱动部分为完整部分,该系统也是在这里将直流电源逆变成需要的交流电源;该部分电路主要由直流电源加上六路MOS管组成逆变电路,具体输出电压波形与MOS管输入的控制信号有关。
最后打开电机转速波形图,在一定范围内增大负载及扭矩电机转速依然恒定,与自己的希望达到的理想状态相同具体转速如下。
在多次改变控制信号的频率时仿真结果与期望状态相差不大,转速改变且转速依然平稳。
4 结论
本文主要针对四旋翼电机转速控制进行优化,通过分析电机性能来选取合适的电机;然后针对需求即电机转速的精确控制来设计相应的电路,通过测试及matlab仿真得到的数据来检验设计电路的合理性与可靠性;从整体上来看整个系统是合理的,具体不足的是该部分设计没有经过长时间测试来判断整个系统是否有其它的漏洞。通过该阶段学习与该系统的设计我进一步了解了电机性能与结构的实质上差异以及系统的了解了微控系统的组成;发现在该调速系统设计的过程也是在学习的过程。