高素玲，張庭亮

(安陽(yáng)工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000)

吸塵器又稱(chēng)真空吸塵器，在使用過(guò)程中，電流通過(guò)造成強(qiáng)烈的空氣流動(dòng)而在密閉的空間內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓[1]，將灰塵、紙屑等吸入容器，使用方便、衛(wèi)生。對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求是高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、小體積、輕質(zhì)量、節(jié)能等[2]。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)較直流有刷電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上有了較大改變，其轉(zhuǎn)子采用稀土永磁材料，以電子換向器實(shí)現(xiàn)換向，即用磁敏式霍爾元件替代傳統(tǒng)的機(jī)械換向器和電刷，消除了由于電刷帶來(lái)的缺陷。無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用范圍廣，有易于驅(qū)動(dòng)、節(jié)能、速度可調(diào)、噪音小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[3]，是吸塵器用電動(dòng)機(jī)的首選。在大力推行節(jié)能減排的背景下，直流無(wú)刷電機(jī)的應(yīng)用會(huì)更加寬泛。比如汽車(chē)行業(yè)，除可作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件外，還可用在安全氣囊、電動(dòng)座椅、雨刮器等的驅(qū)動(dòng)上；另外工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)中，直流無(wú)刷電機(jī)可滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)分揀設(shè)備、自動(dòng)紡織、印刷等這些機(jī)械設(shè)備的髙效率、高精度的特殊要求；還有航空航天行業(yè)、家用電器行業(yè)等選用無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)將成為發(fā)展的主要趨勢(shì)[4]。

電機(jī)的小、輕、高效和磁性材料的發(fā)展相關(guān)。與電機(jī)相比,電子元器件更容易做到高電壓、低電流,尤其是功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在高電壓、低電流情況下, 場(chǎng)效應(yīng)管上的管壓降為總線(xiàn)電壓的比例也小,可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率。專(zhuān)用的控制芯片、數(shù)字信號(hào)處理器及高速微處理器的出現(xiàn),使運(yùn)行速度和處理能力大大提高。并且更加保證了無(wú)刷直流電機(jī)的性能。

為滿(mǎn)足各種特殊需求,各種類(lèi)型的新型無(wú)刷直流電機(jī)相繼出現(xiàn)，如無(wú)槽電機(jī)、定子鐵心無(wú)齒槽等。電子技術(shù)、電子元件、新材料、新型電機(jī)的開(kāi)發(fā)和先進(jìn)控制理論的出現(xiàn)都進(jìn)一步推動(dòng)了無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用[5]。隨著電力電子器件向大電流、高電壓的方向發(fā)展以及正弦波PWM電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)、新的控制方式和控制策略的發(fā)展，決定了電機(jī)也向大功率、高性能的方向發(fā)展；隨著電力電子技術(shù)高性能材料的發(fā)展、高性能微處理器的出現(xiàn)以及控制技術(shù)的發(fā)展，為直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不斷發(fā)展改進(jìn)提供了必要條件。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是一種電機(jī)一體化產(chǎn)品，除了電機(jī)本體外，還必須帶有位置傳感器，以檢測(cè)定、轉(zhuǎn)子之間相對(duì)位置。而且，離開(kāi)了驅(qū)動(dòng)控制電路直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不可能運(yùn)行。所以直流無(wú)刷電機(jī)的性能的提高也朝著智能、高效、節(jié)能、新材料、新技術(shù)等方向發(fā)展[6-7]。

基于DSP對(duì)吸塵器用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制仿真，研究直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理和控制方式，針對(duì)控制對(duì)象——永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)選擇合適的控制方案。根據(jù)直流無(wú)刷電機(jī)的控制策略，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)PI調(diào)節(jié)并通過(guò)判斷按鍵來(lái)改變轉(zhuǎn)速和PI參數(shù)值。

1 無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行原理

圖1 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of the brushless DC motor

直流無(wú)刷電機(jī)是典型的一體化電機(jī)，通過(guò)位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，將信號(hào)送入控制器中，控制器發(fā)出邏輯信號(hào)控制逆變器中的開(kāi)關(guān)管，是直流電壓加載的電機(jī)本體電樞繞組上，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[8]。

以電機(jī)轉(zhuǎn)子僅一對(duì)磁極為例，定子繞組Y型連接，按每相60°相帶分布[9]。其結(jié)構(gòu)原理圖見(jiàn)圖2。

假設(shè)電機(jī)三相繞組完全對(duì)稱(chēng)，定子電流、磁場(chǎng)分布對(duì)稱(chēng)，轉(zhuǎn)子永磁體無(wú)阻尼作用；忽略齒槽效應(yīng)、電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響；電機(jī)中磁滯、渦流損耗、控制電路的功耗等忽略不計(jì)；電動(dòng)機(jī)氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間為方波分布[10]?；谝陨霞僭O(shè)，得出定子三相繞組的電壓狀態(tài)方程為：

(1)

式中ua、ub、uc為定子繞組相電壓；r為各項(xiàng)繞組電阻；ia、ib、ic為定子繞組相電流；L為各項(xiàng)繞組自感；M為每項(xiàng)繞組間的互感；ea、eb、ec為定子繞組反電動(dòng)勢(shì)。

因?yàn)槿嗬@組為Y型接法，所以式(1)可改寫(xiě)為：

(2)

則可得無(wú)刷直流電機(jī)的等效電路見(jiàn)圖3。

定子繞組的電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

Te=Pn(eaia+ebib+ecic)/ω

(3)

由功率平衡，可得電磁功率方程成：

Pe=eaia+ebib+ecic=2EsIs

(4)

則電磁轉(zhuǎn)矩方程又可表示為：

Te=PnPe/ω=2PnEsIs

(5)

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：

Te-T=Jdω/dt

(6)

式中Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)；ω為機(jī)械角速度；Pe為電磁功率；Es為反電動(dòng)勢(shì)幅值；Is為相電流幅值；T為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

圖2 無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Chart of brushless motor

圖3 直流無(wú)刷電機(jī)的等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit of brushless DC motor

2 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器

連續(xù)系統(tǒng) PI控制器的微分方程為：

(7)

式中KP為PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；e(t)為輸入函數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)。

將連續(xù) PI控制器離散化，即得對(duì)應(yīng)的數(shù)字PI算法，用向后差分代替微分[11]，則有下式：

(8)

又因：

(9)

可得增量算式為：

u(k)=u(k-1)+KPΔe(k)+KIe(k)

(10)

圖4 PI原理框圖Fig.4 Block diagram of PI

Δe(k)=e(k)-e(k-1)

(11)

采用這種增量式數(shù)字PI算法可有效防止積分飽和現(xiàn)象。其工作框圖見(jiàn)圖4。

當(dāng)e較小時(shí)，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增大KP和KI，同時(shí)為避免設(shè)定值附近系統(tǒng)震蕩，考慮系統(tǒng)的抗干擾能力，應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x取KP；當(dāng)e和Δe適中時(shí)，在不影響系統(tǒng)響應(yīng)速度的前提下，為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小，KP和KI都不能取太大；當(dāng)e較大時(shí)，為避免起初偏差的瞬間變大而使控制作用超出許可范圍[12]，并加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的KP，同時(shí)為防止積分飽和，避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)去掉積分作用，即KI=0。

3 無(wú)刷直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制

無(wú)刷直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制與普通電機(jī)不同，在無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，它的通電始終與電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是分不開(kāi)的，因此不能簡(jiǎn)單地通過(guò)改變定子繞組導(dǎo)通順序來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)向[13]。具體的電機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子位置信號(hào)以及定子繞組之間的換相關(guān)系見(jiàn)表1。當(dāng)位置信號(hào)的上升沿產(chǎn)生中斷時(shí)，DSP進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。通過(guò)將脈沖捕捉單元的脈沖捕捉口CAP1-CAP3設(shè)置成普通I/O口，并且檢測(cè)這3個(gè)口的電平狀態(tài)，確定電機(jī)的哪個(gè)位置傳感器的電平發(fā)生變化，從而確定電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極所處的位置，然后按照電機(jī)正轉(zhuǎn)的相序查找數(shù)據(jù)表來(lái)確定電機(jī)換相的順序以及DSP比較單元的控制字，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的正確換相。

表1 電機(jī)正轉(zhuǎn)的換相控制字和各開(kāi)關(guān)管狀態(tài)

電機(jī)反轉(zhuǎn)的過(guò)程和電機(jī)正轉(zhuǎn)類(lèi)似，脈沖捕捉單元根據(jù)捕捉口的電平狀態(tài)確定電機(jī)轉(zhuǎn)子所處的位置，然后根據(jù)電平狀態(tài)查找電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)能夠正確換相的數(shù)據(jù)表來(lái)確定電機(jī)反轉(zhuǎn)的換相順序，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)控制。其具體的位置信號(hào)和換相信息之間的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 電機(jī)反轉(zhuǎn)的換相控制字和各開(kāi)關(guān)管狀態(tài)

4 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)的仿真是檢驗(yàn)一個(gè)系統(tǒng)可行與否的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。根據(jù)以上設(shè)計(jì)，采用軟件MATLAB7.1中的Simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行仿真，系統(tǒng)仿真分為功率主電路仿真和系統(tǒng)的總體仿真。

4.1 功率主電路仿真

功率主電路由整流和逆變兩部分組成。本設(shè)計(jì)的整流電路是簡(jiǎn)單的單相全橋不可控整流電路。仿真原理圖及結(jié)果分別見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 單相全橋不可控整流電路仿真原理圖Fig.5 Single-phase full bridge uncontrolled rectifier circuit simulation schematic

圖6 整流輸出波形Fig.6 Rectified output waveform

逆變分為有源逆變和無(wú)源逆變，當(dāng)交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)時(shí)，這種逆變電路成為有源逆變。而交流側(cè)與負(fù)載連結(jié)時(shí)稱(chēng)為無(wú)源逆變。本電路為三相電壓型無(wú)源逆變。仿真電路見(jiàn)圖7。

圖7 三相電壓型逆變電路Fig.7 Three-phase voltage-based inverter circuit

該電路連接的是三相Y型阻感負(fù)載，對(duì)負(fù)載的線(xiàn)電壓進(jìn)行了波形測(cè)定。仿真波形見(jiàn)圖8。

圖8 三相的線(xiàn)電壓波形Fig.8 Three-phase line voltage waveform

4.2 系統(tǒng)總體仿真

所設(shè)計(jì)的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真模型，包括直流無(wú)刷電機(jī)本體、PWM功率驅(qū)動(dòng)、霍爾信號(hào)輸出及檢測(cè)、PI調(diào)節(jié)、速度反饋和電流檢測(cè)等子模塊，見(jiàn)圖9。

圖9 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真模型Fig.9 Simulation model of brushless DC motor system

本系統(tǒng)采用了PI調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)子模塊的仿真圖見(jiàn)圖10。

給定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)的速度響應(yīng)曲線(xiàn)見(jiàn)圖11。由圖11可見(jiàn)，剛起步時(shí)，略微有些波動(dòng)，在約0.15 s后基本穩(wěn)定在3 000 r/min，性能良好。

圖10 PI調(diào)節(jié)子模塊Fig.10 PI regulator sub-module

圖11 給定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)的速度響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.11 Response curve of speed when the given speed is 3 000 r/min

5 結(jié) 論

基于直流無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，通過(guò)建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)三相直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速、反電勢(shì)等相應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了分析。在分析直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了有位置傳感器的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)方案。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的仿真，參考得到的給定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)的速度響應(yīng)曲線(xiàn)，系統(tǒng)的性能良好，設(shè)計(jì)可行。

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