永磁無刷直流電機智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

湯庚，王惠，張翔

(沈陽航天新光集團有限公司，遼寧 沈陽 110861)

永磁無刷直流電機智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

Design of intelligent control system of permanent magnet brushless DC motor

湯庚，王惠，張翔

(沈陽航天新光集團有限公司，遼寧 沈陽 110861)

為了滿足永磁無刷直流電機智能控制技術(shù)發(fā)展的需要，設(shè)計了一種永磁無刷直流電機。在對所設(shè)計的永磁無刷直流電機工作原理分析的基礎(chǔ)上，介紹了永磁無刷直流電機采用脈寬調(diào)制技術(shù)的控制方法。同時建立起以數(shù)字信號處理器(TMS320F28335 DSP)為核心的控制系統(tǒng)，在此控制系統(tǒng)中實現(xiàn)了永磁無刷直流電機的控制方法。實驗結(jié)果表明，永磁無刷直流電機采用本文設(shè)計的控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，提高了永磁無刷直流電機工作的可靠性與穩(wěn)定性。

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

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

本文設(shè)計的永磁無刷直流電機智能控制系統(tǒng)，采用的驅(qū)動信號為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)字信號處理器(DSP)組成的控制系統(tǒng)，檢測電機轉(zhuǎn)速的同時改變驅(qū)動信號的占空比，使得電機旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)，提高了永磁無刷直流電機工作的可靠性，同時滿足電機的智能操作的要求。

1 永磁無刷直流電機工作原理

本文設(shè)計的永磁無刷電機是四極三相永磁無刷電機。電機結(jié)構(gòu)縱切面和橫切面示意圖如圖1所示，電機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 永磁無刷直流電機結(jié)構(gòu)圖

永磁無刷直流電機工作原理為：無刷直流電機通過3個位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，根據(jù)檢測到的位置信息按一定順序驅(qū)動三相橋式逆變器中的開關(guān)管關(guān)斷，使得電機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)運行。

2 電機操動機構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)以數(shù)字信號處理器（DSP）為核心，電機轉(zhuǎn)速通過脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）進行控制，數(shù)字信號處理器實時檢測霍爾位置傳感器輸出的信號以檢測轉(zhuǎn)子位置，通過對光電編碼器輸出信號的譯碼以檢測電機的轉(zhuǎn)速。控制系統(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及電流等級，并且其工作過程中輸入阻抗高，導(dǎo)通時具有較低的通態(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為FS150RKE3G的IGBT模組。該模組集成6個IGBT，大大節(jié)省了控制系統(tǒng)所占的空間，同時減少了單個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)計了RCD緩沖電路。當(dāng)功率器件IGBT工作過程中帶負載關(guān)斷時，因電機繞組與電感等效，其儲存的能量因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)斷儲存的能量以電流的形式通過電阻R進行釋放，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)動電路

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

2.3 霍爾位置檢測電路

霍爾位置檢測電路能夠檢測轉(zhuǎn)子與繞組的相對位置，決定永磁無刷直流電機繞組的導(dǎo)通相，同時控制系統(tǒng)通過對霍爾位置檢測電路輸出信號的檢測與編碼能夠得到電機當(dāng)前旋轉(zhuǎn)到的角度。本文設(shè)計的霍爾位置檢測電路是設(shè)計一塊圓形印制電路板，并將三個帶自鎖功能的霍爾芯片在印制電路那么按同一半徑以120°角進行排列。將該印制電路板與電機外殼固定，并與轉(zhuǎn)子同軸。將印制電路板上霍爾芯片輸出的信號送至DSP的捕獲接口，通過對信號的檢測及編碼得到電機的換相信號與旋轉(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行濾波，保證直流電波形的平穩(wěn)，以及對電機供電的可靠。在控制系統(tǒng)中設(shè)計了電容的充放電控制回路。當(dāng)控制器上電后，首先對電容器組進行充電，DSP采集電容電壓的信號并進行處理，當(dāng)電壓值達到系統(tǒng)操作要求時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調(diào)速系統(tǒng)獲得滿意的靜態(tài)指標(biāo)與動態(tài)指標(biāo)，本文采用轉(zhuǎn)子位置、電機轉(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)器對參數(shù)進行調(diào)節(jié)。控制系統(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)動信號的占空比，對電機三相繞組中的電流進行調(diào)節(jié)，在旋轉(zhuǎn)過程中實現(xiàn)對轉(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)計的控制系統(tǒng)主電路為由六個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)動信號使三相逆變電路以三相六狀態(tài)方式導(dǎo)通。數(shù)字信號處理器（DSP）實時檢測霍爾位置傳感器輸出的信號送給DSP的10位A/D轉(zhuǎn)換其進行A/D轉(zhuǎn)換，所得的數(shù)字量即可作為轉(zhuǎn)子位置的反饋信號以確定永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)子的實時位置構(gòu)成控制系統(tǒng)的位置環(huán)；控制系統(tǒng)對光電編碼器輸出信號進行譯碼以檢測電機的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)；永磁無刷直流電機三相繞組中的電流通過霍爾電流進行檢測，構(gòu)成控制系統(tǒng)的電流環(huán)。

永磁無刷直流電機位置環(huán)反饋信號與輸入信號比較后得到位置環(huán)的信號偏差e1，將e1進行PID參數(shù)調(diào)節(jié)，得到速度環(huán)的輸入信號，并與速度環(huán)的反饋信號進行比較，得到速度環(huán)的信號偏差e2，將e2進行PID參數(shù)調(diào)節(jié)，得到電流環(huán)的輸入信號，并與電流環(huán)的反饋信號進行比較，得到電流環(huán)的信號偏差e3，將e2進行PID參數(shù)調(diào)節(jié)，輸出參數(shù)為三相逆變電路中IGBT驅(qū)動信號的占空比，進而實現(xiàn)對永磁無刷直流電機三相繞組電流的調(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 實驗結(jié)果分析

為了驗證本文設(shè)計控制系統(tǒng)的有效性及合理性，設(shè)計了一臺40.5三相永磁無刷直流電機及基于DSP TMS28335的控制系統(tǒng)，并進行聯(lián)機調(diào)速實驗。

實驗電源為恒定直流300 V，控制系統(tǒng)對電機發(fā)出的PWM驅(qū)動信號占空比分別60%、80%以及100%，在各個占空比下對電機轉(zhuǎn)速進行測量。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析可知，在不同的PWM占空比下電機轉(zhuǎn)速會發(fā)生變化，PWM占空比越大轉(zhuǎn)速越快。同時為了本文控制方法設(shè)計的有效性，進行了固定有限轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)實驗，根據(jù)控制系統(tǒng)輸入的不同角度，電機能夠在該角度范圍內(nèi)進行穩(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)中實現(xiàn)對永磁無刷直流電機的PWM控制，該控制方式特點是直接將控制作用于電機的電源上，改變驅(qū)動信號占空比，實現(xiàn)對電機旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)采用所設(shè)計的方法，能夠?qū)﹄姍C轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，提高了永磁無刷直流電機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操動機構(gòu)及控制技術(shù)研究[J]．中國電機工程學(xué)報, 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，主要從事電氣自動化以及電機控制方面研究。

2016-11-18