杜世勤

（上海電機(jī)學(xué)院，上海 201306）

當(dāng)今世界科技發(fā)展迅猛，加速了工業(yè)方面的機(jī)械設(shè)備和機(jī)電化產(chǎn)品的更新?lián)Q代，一些技術(shù)陳舊的產(chǎn)品已經(jīng)不能滿足市場的需求，因而，急需研發(fā)和生產(chǎn)一系列高性能、高精度和高效能的機(jī)電一體化設(shè)備，比如鑄造機(jī)械、空氣系統(tǒng)設(shè)備、醫(yī)療器械等，這就在一定程度上有效推進(jìn)了直流無刷電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的飛速發(fā)展，更好地滿足了各個(gè)行業(yè)對新一代機(jī)械設(shè)備和機(jī)電一體化產(chǎn)品所提出的高、精、尖的要求[1]。

無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)有著直流電機(jī)調(diào)速簡單、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，還有著有刷直流電機(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn)，即無需投入資源維修保養(yǎng)，電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制使其控制更為精準(zhǔn)，節(jié)省能源的同時(shí)也可以讓電機(jī)更快響應(yīng)，以更少的能源讓電機(jī)更快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，電流環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)會(huì)讓電機(jī)的波動(dòng)更小，輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩更穩(wěn)定。這種電機(jī)被廣泛運(yùn)用于計(jì)算機(jī)、軍工業(yè)、電力拖動(dòng)等領(lǐng)域，相比于普通的直流電動(dòng)機(jī)，無疑具有更好的發(fā)展前景。因此，建立起無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的仿真模型，就可以更快更準(zhǔn)確地完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在更短的時(shí)間創(chuàng)造更大的收益。

1 驅(qū)動(dòng)無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)的基本電路及其工作模式

無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)主要由3 個(gè)子系統(tǒng)組成：一個(gè)是電機(jī)本體，一個(gè)是轉(zhuǎn)子位置傳感器，還有就是電力電子驅(qū)動(dòng)器件和弱電控制部分。驅(qū)動(dòng)管的控制電極一般要連在計(jì)算機(jī)輸出信號控制的光耦器件上，光耦器件聯(lián)系著弱電和強(qiáng)電，起著遠(yuǎn)程信號傳輸和保護(hù)的功能。半橋驅(qū)動(dòng)如圖1 所示，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一種供電方式是從A 相到B 相再到C 相，另外一種供電方式從A 相到C 相再到B 相，完成電動(dòng)機(jī)的正反向旋轉(zhuǎn)，對于學(xué)過電機(jī)與拖動(dòng)的學(xué)生來說，2 種方向的定子旋轉(zhuǎn)磁場一目了然，容易理解。這種半橋驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)也是顯而易見，那就是在每一個(gè)時(shí)間段，只有一相繞組在提供電能，另外兩相在空閑之中，繞組利用率不高。為了提高繞組的利用率，可以采用全橋供電方式。

圖1 半橋驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)

全橋驅(qū)動(dòng)電路如圖2 所示，電機(jī)以星形接法為例，采用兩兩導(dǎo)通方式，一種旋轉(zhuǎn)供電方式是VT6、VT1導(dǎo)通，接著VT1、VT2 導(dǎo)通，VT2、VT3 導(dǎo)通，VT3、VT4 導(dǎo)通，VT4、VT5 導(dǎo)通，VT5、VT6 導(dǎo)通，完成電氣360°一圈旋轉(zhuǎn)之后，進(jìn)入第二圈，又從VT6、VT1導(dǎo)通，周而復(fù)始。這種全橋驅(qū)動(dòng)電路的好處是A、B、C 三相繞組，一相正導(dǎo)通，一相負(fù)導(dǎo)通，兩相合力拖動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，提高了電機(jī)繞組的利用率。

圖2 星形連接橋式驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)

早期無刷直流永磁電機(jī)主要利用模擬電路進(jìn)行電機(jī)控制，模擬電路雖然可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，但電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，基本器件過多，空間體積較大，可靠性不高，維護(hù)檢修復(fù)雜，且無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法，難以適應(yīng)現(xiàn)代無刷直流永磁電機(jī)控制的性能需求，當(dāng)下電子技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字、模擬混合電路逐步取代了純模擬電路，被應(yīng)用于各種場合下的控制系統(tǒng)[2]。

不管模擬電子控制驅(qū)動(dòng)電路，還是數(shù)字電路控制驅(qū)動(dòng)電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是工科大學(xué)生學(xué)習(xí)自動(dòng)控制技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。特種電機(jī)中的許多產(chǎn)品用于組成自控系統(tǒng)，自整角機(jī)利用電機(jī)的自整步性，使機(jī)械上互不相連的2 根或多根轉(zhuǎn)軸自動(dòng)地保持相同的轉(zhuǎn)角變化，實(shí)現(xiàn)角度信號的遠(yuǎn)距離傳輸和指示；旋轉(zhuǎn)變壓器用于在復(fù)雜和惡劣工作環(huán)境中測量電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號；測速發(fā)電機(jī)把轉(zhuǎn)速信號變?yōu)殡妷盒盘栍糜跍y定電機(jī)轉(zhuǎn)速?？梢哉f，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既是手段，也是目的。伺服控制系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和人們生活中。

形成閉環(huán)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要特征，無刷直流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的電機(jī)繞組和電機(jī)轉(zhuǎn)子是2 個(gè)動(dòng)態(tài)變量，分別使用定子電感和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小來描述。電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速是需要控制的2 個(gè)物理量，克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)是電機(jī)的本職工作，但是啟動(dòng)時(shí)繞組不能承受太大的電流，即電機(jī)要給負(fù)載一定的加速度，同時(shí)不能讓電機(jī)繞組過熱燒壞。從一般到特殊，無刷直流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)通常也采用電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制策略。

使用傳統(tǒng)自動(dòng)控制理論分析電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以分別列出這個(gè)無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)的微分方程組進(jìn)行拉普拉斯變換，消去中間變量，得出傳遞函數(shù)。得出傳遞函數(shù)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)如果不考慮非線性因素，可以有解析解，一般盡量避免直接解微分方程，使用時(shí)域分析方法、根軌跡方法和頻域法分析系統(tǒng)的穩(wěn)準(zhǔn)快問題，計(jì)算出上述電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的控制參數(shù)。

2 無刷直流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的Simulink 仿真

工科學(xué)生經(jīng)常使用Matlab 編程和仿真，其中控制系統(tǒng)的仿真是用得最多的一種。經(jīng)典控制理論在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)過程中被廣泛的使用，且有較好效果。根據(jù)上述第二部分無刷直流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)本體和控制策略的分析，下面采用Matlab 平臺上的Simulink 仿真模塊，用具體的一個(gè)例程，解析無刷直流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理。

無刷直流永磁電機(jī)是控制的對象，把這個(gè)核心元件擺好后，就要對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。這里將梯形波反電勢電角度設(shè)置為120°，每相繞組中永磁磁鏈設(shè)置為0.184 8 Wb，當(dāng)然也可以換一種設(shè)置方法，設(shè)置每千轉(zhuǎn)感應(yīng)電勢數(shù)值，即電勢系數(shù)，甚至轉(zhuǎn)矩系數(shù)。電機(jī)的定子電阻為4.765 Ω，定子電感為8.5 mH，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)置為0.008 kg·m2，阻尼系數(shù)設(shè)置為0.001 N·s/m，電機(jī)的極對數(shù)設(shè)置為2。采樣的電機(jī)信號有三相定子電流、3 個(gè)霍爾位置信號、角速度和電磁轉(zhuǎn)矩。電流閉環(huán)要用到3 個(gè)定子電流信號，本例程中把電流限制在10 A 以下，用它和轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出作差，作為電流環(huán)的輸入。閉環(huán)要用到角速度信號、轉(zhuǎn)速，用它和給定的2 000 r/min 作差，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的輸入。負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定1.5 N·m，直流母線電壓300 V，采用上述圖2 的典型逆變橋模塊，電機(jī)以2 000 r/min 帶動(dòng)給定負(fù)載旋轉(zhuǎn)，最終要靠逆變橋輸出對應(yīng)的三相定子繞組電壓源提供能量，不同的負(fù)載需要PWM 調(diào)制出不同的定子繞組電壓。電機(jī)控制系統(tǒng)仿真整體框圖如圖3 所示。

圖3 電機(jī)控制系統(tǒng)仿真整體框圖

要采用Matlab 平臺上的Simulink 仿真模塊中的無刷直流永磁電機(jī)，就必須遵循該模塊使用說明標(biāo)注的各繞組上電導(dǎo)通的邏輯順序，霍爾信號和反電勢信號要對應(yīng)起來，否則仿真結(jié)果就會(huì)出錯(cuò)。在Simulink 仿真自帶的示例中，根據(jù)霍爾信號ha、hb、hc，使用邏輯電路連線控制各相上下橋臂導(dǎo)電順序，本文采用編程來實(shí)現(xiàn)同樣的仿真功能。根據(jù)霍爾信號ha、hb、hc和脈寬調(diào)制信號PWM，依據(jù)本文第二部分所述，結(jié)合霍爾布置，按序?qū)ㄉ舷聵虮酃β使?，PWM 調(diào)制可在上橋臂1、3、5 中完成，也可以在下橋臂2、4、6 中完成。本例程采用上橋臂1、3、5 中進(jìn)行PWM 調(diào)制，使用matlab function 模塊，編制具體程序如下：

function[y1,y2,y3,y4,y5,y6]=fcn(ha,hb,hc,PWM)

y1=0;y2=0;y3=0;y4=0;y5=0;y6=0;

tmp=hc*4+hb*2+ha;

if tmp==4

y1=0;y2=0;y3=0;y4=1;y5=1*PWM;y6=0;

end

if tmp==6

y1=0;y2=1;y3=0;y4=0;y5=1*PWM;y6=0;

end

if tmp==2

y1=0;y2=1;y3=1*PWM;y4=0;y5=0;y6=0;

end

if tmp==3

y1=0;y2=0;y3=1*PWM;y4=0;y5=0;y6=1;

end

if tmp==1

y1=1*PWM;y2=0;y3=0;y4=0;y5=0;y6=1;

end

if tmp==5

y1=1*PWM;y2=0;y3=0;y4=1;y5=0;y6=0;

end

end

通過加入可能的負(fù)載，本例程為1.5 N·m，模擬工作環(huán)境下的電機(jī)，監(jiān)測電機(jī)的工作性能。系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)控制，完成對轉(zhuǎn)速和電流的監(jiān)測，如圖4 和圖5 所示。在圖4 中，可見轉(zhuǎn)速從0 開始，穩(wěn)步地運(yùn)行到圖3 中指令給定的2 000 r/min，然后就穩(wěn)定地運(yùn)行在這個(gè)速度上。圖5 清晰地顯示出電流環(huán)的作用，雖然在啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，反電勢較小，但定子繞組中也沒有出現(xiàn)大電流，電流值約為最后穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的2 倍。電流環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)各司其職，體現(xiàn)出仿真軟件可以節(jié)約設(shè)計(jì)成本、提高設(shè)計(jì)可視化程度、提高工科學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的作用。

圖4 仿真轉(zhuǎn)速波形圖

圖5 定子電流波形圖

進(jìn)一步，在上述電機(jī)控制仿真系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，加上轉(zhuǎn)子位置環(huán)節(jié)的控制，就可以實(shí)現(xiàn)位置伺服功能。電流環(huán)在最里面，控制無刷直流永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的加速度，速度環(huán)在中間，控制運(yùn)行速度，位置環(huán)在最外面，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)工件停在給定的位置處。至于PWM調(diào)制方式，有調(diào)制波為直流斬波的方波脈寬調(diào)制技術(shù)、調(diào)制波為正弦波的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)和調(diào)制波為馬鞍波的空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)[3]。馬鞍波是通過對基波正弦信號注入3 次諧波形成的，和正弦波相比，馬鞍波的電壓利用率更高，可有效減小負(fù)載電流中的諧波成分，降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)[3]。集成多種PWM 調(diào)制的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能進(jìn)一步完善無刷直流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。

3 總結(jié)和展望

結(jié)合無刷直流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，可以在上述單管導(dǎo)通和上下橋臂雙管導(dǎo)通2 種驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)的專著，掌握上下橋臂三管導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)電路，并把相關(guān)的更高層次的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)去。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是自動(dòng)控制原理最經(jīng)典有效的應(yīng)用場合，通過解析無刷直流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，滿足霍爾信號和反電勢信號的對應(yīng)關(guān)系，借助Matlab 平臺，采用電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的控制策略，使用其中的Simulink 模塊仿真，通過圖形顯示轉(zhuǎn)速和電流的變化情況，用以提高工科學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。