直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王安

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王安

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

無刷直流電機(jī)的特點(diǎn)是體積極小、而且質(zhì)量也比較輕、工作的效率很高，除此之外在損耗方面也比較小等，這些都是無刷直流電機(jī)的典型特征，關(guān)于無刷直流電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，除了用于航空航天以及機(jī)械自動(dòng)化等領(lǐng)域之外，還在汽車行業(yè)中也運(yùn)用很普遍，另外無刷直流電機(jī)還涉及到了空調(diào)以及電動(dòng)車和冰箱等電器方面。但是，考慮到電機(jī)自身在換向方面存在著一定的問題，所以從而引起了通過采用傳統(tǒng)的控制方法是很難擺脫由于電磁轉(zhuǎn)矩以及電流脈動(dòng)過大的情況，而且在精度的控制方面不是很精確，這些存在的問題使得無刷直流電機(jī)在一定程度上受到了約束的作用，從而應(yīng)用的范圍也會(huì)因此受到相應(yīng)的影響。所以，對無刷直流電機(jī)方面進(jìn)行相關(guān)的研究是很有必要的。

無刷直流電機(jī) 直流電機(jī) 控制系統(tǒng)

1 引言

研究無刷直流電機(jī)控制的方案可以選擇很多種，比如基于DSP的無刷電機(jī)控制系統(tǒng)，也可以是基于FPGA的控制系統(tǒng)，還可以在選擇器方面選擇數(shù)字信號(hào)處理器?；贒SP的無刷電機(jī)控制系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)方面存在著很大的優(yōu)勢，而且實(shí)現(xiàn)的接口也十分豐富，所以相比于其他的方案，采用基于DSP是很好的選擇。在現(xiàn)今的選擇中很受歡迎。在90年代中期的時(shí)候就已經(jīng)誕生了IPM，IPM是智能功率模塊的縮寫，含義是在一個(gè)模塊中將控制電路以及驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路都集合起來，智能功率模塊在功率器件的發(fā)展中充當(dāng)著一個(gè)意義重大的組成部分。

相比較于有刷直流電動(dòng)機(jī)，就能夠發(fā)現(xiàn)，無刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)在實(shí)際上是不存在差異的，這兩者在一定程度上都是同一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)，不同的是在有刷直流電動(dòng)機(jī)上面添加了一個(gè)機(jī)械的電刷，而且無刷直流電動(dòng)機(jī)中選擇的不再是機(jī)械換向器和電刷，而是電子換向裝置。雖然無刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)在構(gòu)造方面存在著差異，但是這兩者的作用卻是一樣的，他們的作用均是可以成功完成直流電動(dòng)機(jī)的換向正確。無刷直流電動(dòng)機(jī)的目的是完成電機(jī)的無機(jī)械電刷換向，那么首要前提就是將普通的直流電動(dòng)機(jī)的電樞通過繞組，固定在定子上，而且永久的磁鋼會(huì)固定在轉(zhuǎn)子上，這種方法的實(shí)現(xiàn)是和傳統(tǒng)意義上的直流永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)是完全相反的。然而如果只是如此的話，遠(yuǎn)遠(yuǎn)還不夠，這是由于這種方式產(chǎn)生的磁場是固定的磁場，這種磁場導(dǎo)致了與永磁磁場進(jìn)行作用的時(shí)候是無法實(shí)現(xiàn)的，從而形成的轉(zhuǎn)矩是單一方向的，通過這種單一方向來進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 無刷電機(jī)本體的發(fā)展

關(guān)于電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的能量轉(zhuǎn)換的這種設(shè)備，由于電動(dòng)機(jī)的一些特點(diǎn)，從而使得電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用在一定程度上十分廣泛，甚至關(guān)于電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)遍布到了全國的很多個(gè)城市以及大多數(shù)的經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中。如果按照電動(dòng)機(jī)的額類型進(jìn)行劃分的話，那么可以將電動(dòng)機(jī)分為三種，分別是同步的電動(dòng)機(jī)以及異步的電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)的特征是在運(yùn)行方面效率比較高，而且在進(jìn)行速度調(diào)整方面的性能也是比較好的，這些都是直流電動(dòng)機(jī)所具有的特點(diǎn)，所以直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用是十分廣泛的，在很多的調(diào)速系統(tǒng)中都有用到直流電動(dòng)機(jī)，然而傳統(tǒng)意義上的直流電動(dòng)機(jī)選擇換向方式是機(jī)械電刷，采用這種方式的一個(gè)缺點(diǎn)就是相對的機(jī)械摩擦是無法消除的，同時(shí)由于機(jī)械摩擦所引起的噪聲以及受到的干擾和壽命的影響這都是無法避免的。所以，在1997年的時(shí)候，Boliger提出新的電刷方式，采用的是將有刷直流電機(jī)替換成整流管的這種新的機(jī)械電刷，因此無刷直流電機(jī)的理論就出現(xiàn)了。

3 無刷直流電機(jī)的工作原理

關(guān)于有刷直流電動(dòng)機(jī)主要器件包括了永久磁鋼，有刷直流電動(dòng)機(jī)的功能作用產(chǎn)生磁場，而且這個(gè)磁場的產(chǎn)生場合是在電動(dòng)機(jī)的氣隙中實(shí)現(xiàn)的，另外有刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組在進(jìn)行了通電以后就會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)磁場。但是考慮到電刷會(huì)發(fā)生換向的情況，所以這個(gè)換向會(huì)引起這些磁場在方向方面是和在直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)行的時(shí)候是相互垂直的，最終達(dá)到了轉(zhuǎn)矩的最大化，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就會(huì)永遠(yuǎn)的進(jìn)行下去。有刷直流電機(jī)電樞繞組中的感應(yīng)電勢與現(xiàn)實(shí)中電流的通過是存在交變得情況的。以電樞繞組和定子磁場兩者之間的相互作用的角度來分析，就會(huì)發(fā)現(xiàn)事實(shí)上都是一臺(tái)同步電機(jī)。在有刷直流電機(jī)中的電刷中能夠?qū)崿F(xiàn)電流的引導(dǎo)作用，同時(shí)因?yàn)楫?dāng)電刷通過電樞導(dǎo)體的時(shí)候，電刷中的電流的方向就會(huì)進(jìn)行改變，因此電流換向的地點(diǎn)是和電刷的位置有著直接的聯(lián)系的。換言之，有刷直流電機(jī)中的電刷的作用是檢測電樞電流的換向以及電樞的位置。

因此，無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成部分包括了電動(dòng)機(jī)、控制電路、位置傳感器等。共同構(gòu)成的電子換向裝置來保證電機(jī)定子繞組準(zhǔn)確地進(jìn)行換向，使得無刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永久磁場在空間始終保持在900左右的電角度。

4 控制系統(tǒng)軟件的總體要求

控制系統(tǒng)中的控制任務(wù)如果需要實(shí)現(xiàn)，那么首要前提是通過程序?qū)崿F(xiàn)。其中關(guān)于應(yīng)用程序在設(shè)計(jì)方面是否是成功還是失敗，這都和系統(tǒng)的功率有著直接的影響關(guān)系，而且還會(huì)影響系統(tǒng)的在控制方面的質(zhì)量。在設(shè)計(jì)電機(jī)控制系統(tǒng)的時(shí)候需要滿足的要求總結(jié)如下：

4.1 控制軟件需要保持一定的實(shí)時(shí)性

電機(jī)控制在規(guī)定的時(shí)間以內(nèi)，完成大部分的軟件處理。比如采樣電機(jī)中的被控參數(shù)，這些參數(shù)主要指的是電流，轉(zhuǎn)速以及電壓等，還可以對這些參數(shù)進(jìn)行邏輯意義上的判斷，以及控制信號(hào)的輸出等，而且當(dāng)發(fā)生了一定的故障意外的時(shí)候，可以進(jìn)行故障的處理，在設(shè)定的控制算法中完成數(shù)值的運(yùn)算。在進(jìn)行了上面的處理之后，如果處理中的時(shí)間是超過了系統(tǒng)規(guī)定的時(shí)間，那么實(shí)時(shí)也就不存在任何的意義了。電機(jī)的控制的過程是快速的，所以電機(jī)的控制軟件中存在實(shí)時(shí)性是很重要的。在滿足了實(shí)時(shí)性的要求之后，要進(jìn)一步地對控制軟件的一些指令進(jìn)行詳細(xì)的處理。

4.2 控制軟件的可靠性要很強(qiáng)

軟件的可靠性指的是當(dāng)軟件運(yùn)行的時(shí)候要盡量防止故障的發(fā)生，盡量減少故障的發(fā)生，同時(shí)當(dāng)故障出現(xiàn)的時(shí)候，要具備故障的解決能力。所以，要想提高軟件可靠性，就不得不考慮到所有的非正常情況。

4.3 控制軟件的易修改性

如何判斷一個(gè)控制軟件是好還是壞，那么這個(gè)判斷的過程中就不得不考慮到易修改性，如果該控制軟件的易修改性是好的話，那么這個(gè)軟件可以稱為是好的。控制軟件如果修改起來比較容易實(shí)現(xiàn)，那么也就是說可以在一定程度上提高軟件的效率。

5 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5.1 功率驅(qū)動(dòng)芯片選取

本系統(tǒng)中關(guān)于電機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)器的選擇是IR公司的IR2132S芯片，這個(gè)芯片的作用是用來設(shè)計(jì)三相橋式驅(qū)動(dòng)。IR2132S芯片的工作電壓范圍是從10V到20V，IR2132S芯片也是MOSFET功率中的一種，在該芯片中設(shè)有幾個(gè)高端及低端的通道，而且這些輸出的通道是互不影響的。邏輯輸入和CMOS或者TTL的輸出是相互兼容的，其中的邏輯電壓最小是2.5V。IR2132S應(yīng)用電路圖如圖1所示。

圖1 IR2132S應(yīng)用電路圖

5.2 全控型功率驅(qū)動(dòng)電路

逆變電路的組成部分是從V1到V6。本系統(tǒng)選擇的驅(qū)動(dòng)芯片是MOSFET形式。而且電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選擇用的是全控型橋式電路，驅(qū)動(dòng)功率芯片在選擇方面是來自IR公司2136，其中的功率開關(guān)器件選擇的型號(hào)是IRF540，隔離芯片的型號(hào)是線性HCPL-2630.。

5.3 自適應(yīng)模糊控制

模糊控制系統(tǒng)需要根據(jù)系統(tǒng)的偏差和偏差之間的變化率從而控制系統(tǒng)。模糊控制的規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制的規(guī)則

5.4 電機(jī)相電壓波形

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)候，觀測并且記錄了示波器中的相電壓。而且示波器中可以看出A,B的相位電壓的波形，波形如圖2所示。

圖2 電機(jī)啟動(dòng)時(shí)A、B相電壓波形

6 結(jié)語

到目前為止，無刷直流電機(jī)的發(fā)展時(shí)間長達(dá)半個(gè)世紀(jì)，而且隨著電力電子技術(shù)以及控制理論和科學(xué)技術(shù)的不斷實(shí)現(xiàn)，在很大的程度上促進(jìn)了發(fā)展，現(xiàn)今無刷直流電機(jī)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了一種很高的水平，在醫(yī)療器械、家庭電器和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域方面無刷直流電機(jī)都得到了很大推廣，從中可以看出無刷直流電機(jī)的發(fā)展空間十分開闊，而且發(fā)展前景十分可觀。

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