关键字 |
| 无刷直流(BLDC)电机，四开关三相逆变器，微控制器和比例积分微分(PID)控制器。 |
介绍 |
| 由于速度或位置控制和瞬态的改善，可调速驱动器优于定速电机。电机速度控制器的目的是获取表示所需速度的信号，并以该速度驱动电机。无刷直流电机大多是首选，因为它们提供了几个优点，包括长寿命，降低噪音和良好的重量/尺寸功率比。无刷直流电机在越来越多的应用中使用，如计算机硬盘驱动器，CD/DVD播放器和PC冷却风扇。低速，低功率无刷直流电动机用于模拟音频记录的直接驱动转盘。 |
| 在传感器四开关无刷直流电动机驱动上也做了一些工作。四开关三相无刷直流电动机驱动的PWM结构产生四个浮动相来感知回电动势并构造六个换向。根据可控相电压的交叉点，可以获得转子的位置信息。利用虚拟霍尔传感器信号检测定子端电压的过零点，不需要建立大多数传感器算法中普遍存在的30â >  μ相移。PI控制器使稳态误差减小到零。pi控制的系统对真实的和相对快速的状态变化的响应较小，因此系统将较慢地达到设定值。当PID回路增益必须降低时，系统不会对控制设定点值进行超调、振荡或寻迹。 |
| 为了简化传统六开关逆变器的拓扑结构，提出了一种四开关三相无刷直流电机驱动。不可控的相电流带来了电压矢量的不对称，使其波形从矩形变大。为了避免这一问题，采用了基于磁滞的直流控制，由两个电流传感器分别感应A相和B相电流，然后分别开关[1]~[4]。所设计的四开关无刷直流电动机在减小电流传感器的情况下仍具有较好的驱动性能。 |
| 第二节讨论了无刷直流电动机的建模。第三节讨论了无刷直流电机转速控制的常规方法。第四部分介绍了将微控制器和PID算法混合应用于调速器中，以提高调速器的控制性能，并详细演示了控制系统的实现。第五节给出了仿真和实验结果。 |
无刷直流电动机建模 |
| 无刷直流电机驱动系统建模基于以下假设 |
| 一、所有定子相绕组每相电阻相等，自感和互感恒定。 |
| 2功率半导体器件是理想的。 |
| 3铁的损失可以忽略不计，电机是不饱和的。 |
| 基于以上假设，三相输入电压[2]表示为: |
 |
| 电磁转矩为: |
 |
| 电磁转矩也可以表示为: |
 |
| 电磁转矩可以用机械参数解释为: |
 |
| 在哪里 |
| i. a、b、c相定子相绕组电压分别为Va、Vb、Vc。 |
| 2ea、eb、ec分别为相a、相b、相c的后电动势。 |
| 3a、b、c相相电流分别为Ia、Ib、Ic。 |
| iv. TL为加载力矩，J为转动惯量，ω为角速度，B为粘性阻尼系数。 |
无刷直流电动机转速控制的常规方法 |
| 换向确保无刷直流电动机的正确转子旋转，而电机转速仅根据施加电压的幅值计算。利用PWM技术调节真实电压的幅值。生命速度由速度控制器控制。速度控制器作为常规PI控制器使用。实际转速与所需转速之间的差值输入到PI控制器，基于此差值，PI控制器控制PWM脉冲的占空比，其对应于保持所需转速所需的电压幅值。速度控制器根据以下公式计算一个比例积分算法 |
 |
 |
 |
| 常见的三相无刷直流电动机采用传统的六开关逆变无刷直流电动机，如图2所示。功率级采用6个功率晶体管，可在独立模式或互补模式下开关。在两种模式下，三相功率级同时为两个电机相位供电。第三阶段是无动力的。因此，六种可能的电压矢量应用于BLDC电机使用PWM技术。有两种不同的基本类型的功率晶体管开关和互补开关，独立开关，这是在以下部分表示。图3显示了用于三相无刷直流电机的四开关逆变器的配置。 |
| 它有两个普通电容，而不是使用一对桥，相位c失控，因为它连接到串联电容器的中点。从图2中可以看出，相电流不能保持在零，它会导致一个额外的和意外的电流，在相a和b中传播电流畸变，甚至在系统击穿中传播。同样的问题是由四开关模式获得，它导致产生的电压矢量是有限的和不对称的，这是重要的不对称电压矢量。无刷直流电动机的基本工作原理见表1。 |
 |
 |
该方法 |
| A. PID控制器 |
| PID控制器是一种广泛应用于工业控制系统的集合控制环反馈控制器。误差值是用PID控制器计算出的被测过程变量与期望设定点之间的差值。控制器试图通过调整方法控制输入[5]来减少误差。在设计规范的同时，计算中使用的PID参数必须根据系统类型进行调节;参数在特定系统上被挂起。 |
| PID控制器算法涉及三个独立的参数，因此有时被称为三项控制:比例、积分和导数值，表示P、I和d。比例值决定对该误差的反应，积分值根据最近误差的总和决定反应，导数值根据误差的动态速率决定反应。这三个动作的加权和被用来通过轴承部分来调节方法，如控制阀的位置或加热元件的电源。启发式地，这些值是根据时间来考虑的:P取决于当前的误差，I取决于过去误差的累积，D可能是对未来误差的预测，支持当前修正率[3]。 |
 |
| 其中Pout为输出的比例项，Kp为增益的比例项，IOUT为输出的积分项，Ki为增益的积分项，DOUT为输出的导数项，Kd为增益的导数项。 |
| 将比例项、积分项和导数项相加，计算pid控制器的输出。控制器输出定义为u(t)， PID算法的最终形式为: |
 |
| 该PID控制器具有积分控制器对阶跃输入的稳态误差为零，导数控制项往往产生更快的响应等优点。 |
| B. PID控制器整定方法 |
| Ziegler-Nichols整定方法是一种对PID控制器进行整定的启发式方法。它通过将I和D增益设置为零来实现。P增益被夸大(从零)，直到它达到确定增益Ku，在此控制回路的输出以恒幅振荡。表2给出了PID控制器[5]-[6]整定方法的整定公式。 |
 |
| 拟议的管制系统 |
| 混合动力系统采用双回路结构。内电流回路保持了长圆形电流波形，限制了最大电流，保证了系统的稳定性。外速度环旨在增强系统的静态和动态特性。由于系统性能是由外环决定的，因此内环引起的扰动受到外环的限制。因此，该回路采用常规PID控制器，因此速度回路采用单片机。然后，该系统可以在线调节参数，适应不同的工况。整个系统如图4所示。这里使用PID控制器作为电流调节器。 |
| 根据霍尔信号，控制器工作时，电机运行在模式2,3,5,6。微控制器作为速度控制器。速度差可称为 |
 |
| 其中V*为给定速度值，V(t)为t时刻的测量速度值。微控制器的输出I*(t)为当前调节器的门限值。为了系统安全，I*(t)不能超过最大设定值。然后，表达式中给出了电流调节器的输入。 |
 |
 |
仿真结果与分析 |
| 在Matlab 08中开发了具有控制器的无刷直流电动机速度控制Simulink模型，如图5所示。在Matlab 08中运行特定的时间(例如2到3秒)，参考速度为100拉德/秒(即314 × 60/2π) = 3000 rpm，负载扭矩为10 N-m。 |
 |
| 利用MATLAB 08进行仿真，该混合控制器(微控制器和PID控制器)比传统的PID控制器和微控制器更有效。如图所示，PID控制器无超调，启动速度曲线稳定。当负载突然增加或转速突然增加时，该控制系统比PID控制器[8]-[11]具有更好的鲁棒性和更快的跟踪能力。结果表明，采用微控制器和PID控制器的系统能更有效地实现参数整定。 |
| 输入电压为基电压Vs= 190V。转速和扭矩曲线仿真结果如图6和图7所示。 |
 |
 |
结论 |
| 本文提出了一种四开关三相无刷直流电机驱动。外环采用PID控制器来提高速度控制的性能。采用Matlab 08开发Simulink模型，采用PID控制器和单片机对无刷直流电机的转速进行控制。设计微控制器协调方案来控制无刷直流电动机的转速，其主要优点是提高了动态性能，并提供了良好的稳定性。由于只需要一个电流传感器，降低了整个系统的成本。应该注意的是，减少电流检测器的数量肯定会给控制系统带来一些负面影响，如某些模式下的大多数电流限制。此外，由于需要一种特殊的算法对电流传感器的减小进行补偿，因此程序往往比较困难。 |
参考文献 |
- Caricchi。F, GiuliiCapponi。F, Crescimbini。F和索莱罗。L“低成本线性霍尔效应位置传感器的正弦无刷驱动”，电子工程学报，pp.799-804, 2001。
- 夏长良，李志强，史廷娜，“基于单电流传感器的四开关三相无刷直流电动机控制策略”，电气工程学报，2014。《电子》，第56卷，no。6, pp 2058 - 2066, 2009年6月。
- 林春亮，Jan Horn-Yong, Shieh Niahn-Chung，“基于ga的线性无刷直流电动机多目标PID控制”，IEEE。《机械工程》，第8卷第1期，第56 - 65页，2003年3月。
- 苏桂佳和John W. McKeever“低成本无刷直流电机无传感器控制与提高速度范围”IEEE Trans。战俘。《电子》，第19卷，no。2,页。296 - 302, 2004年3月。
- 碳碳。何伟奎，“Ziegler-Nichols调谐公式的改进”，《电子工程学报》D部分，卷138，第2期，第11 -1 - 18页，1991年3月。
- 黄永发。李,t·s·艾。金和d - s。玄，“提高四开关三相无刷直流电机速度响应特性的研究”，发表于《电子工程学报》。Soc。vol. 2, pp. 1339-1343。
- 微芯片技术，“无刷直流(BLDC)电机原理”，应用注释，AN885,2003。
- P. Pillay和R. Krishnan，“永磁电机驱动的建模、仿真和分析。2无刷直流电动机驱动，“IEEE Trans。印第安纳州,达成。，vol. 25, no. 2, pp. 274–279, Mar./Apr. 1989.
- 傅强，林海涛，张海涛，“四开关三相无刷直流电动机单电流传感器滑模驱动策略”，《电机工程学报》。Conf. 2006, pp. 2396-2401。
- 工程学系。公园,t·s·艾。金研究所。Ahn和d - s。Hyun，“一种简单的电流控制算法，用于使用四开关三相逆变器降低无刷直流电动机的转矩脉动”，发表于《IEEEPower Electron》。规范配置，2003,vol. 2, pp. 574-579。
|
菜单
