（电气工程专业论文）智能电动执行机构无刷直流电机控制系统研究与设计.pdf

d e s i g na n dr e s e a r c ho fb r u s h l e s sd cm o t o r c o n t r o ls y s t e mi ni n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o r s s p e c i a l t y ： 亘! 星鱼! ! i 堡垒!亘n g i n 星曼西堕g m a s t e rd e gr e ec a n d i d a t e - h q 坠圣h 曼塾g s u p e r v i s o r - ! q 鳖i ! 迪旦y q 堕g c o l l e g eo fi n f o r m a t i o ns c i e n c e e n g i n e e r i n g c e n t r als o u t huni v e r s i t y c h a n g s h ah u n a np r c 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 锹赠 日期：三生年月五日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：堑丕篮导师期：上巫年尘月互日 摘要 在现代化的工业控制系统中，智能电动执行机构可以驱动阀门、 风门及挡板等调节机构，并广泛应用于冶金、能源及化工等控制领域 中。智能电动执行机构采用现代控制手段，输入给定参数能够自动执 行实现智能化控制要求，具有控制精度和可靠性高等优点，具有广阔 的市场前景。无刷直流电机作为智能电动执行机构的驱动部件，具有 结构简单、出力大和效率高等特点，对工业控制系统具有很高的使用 价值和重要的研究意义。 论文在介绍智能电动执行机构和无刷直流电机发展及研究现状 并分析其工作原理的基础上，对无刷直流电机进行数学模型分析，给 出控制系统的总体设计方案；提出了基于模糊神经网络f i n n ) 的滑模 变结构( s m c ) 无刷直流电机控制算法；在m a t l a b 环境下，对无刷 直流电机控制系统进行仿真。仿真结果表明：基于f n n 的滑模变结 构控制与传统的p i d 控制在抑制超调和速度响应方面能取得较好的 控制效果，并且对扰动变化不敏感，鲁棒性强。论文对无刷直流电机 控制系统的软硬件设计进行了详细的阐述。 试验样机调试中，无刷直流电机控制系统可以实现电机的柔性启 停，速度可调及点动和连续控制等基本要求，可实现开关型和调节型 两种工作制。 关键词：智能电动执行机构，无刷直流电机，滑模变结构，模糊神经 网络 a bs t r a c t i nm o d e mi n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m s ，i n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o r s c a nb ed r i v e nv a l v e s ，d a m p e r s ，b a f f l e sa n do t h e rr e g u l a t o r ya g e n c i e s ，a n d w i d e l yu s e di nm e t a l l u r g y , e n e r g ya n dc h e m i c a lc o n t r o l a r e a s w i t h m o d e mm e a n so fc o n t r o l ，w h e ng i v e np a r a m e t e r sa r ei n p u t ，i n t e l l i g e n t e l e c t r i ca c t u a t o r sc a nb ea u t o m a t i c a l l ye x e c u t e dt oa c h i e v ei t si n t e l l i g e n t c o n t r o lr e q u i r e m e n t s ；i th a sb r o a dm a n e tp r o s p e c t sf o rh i g hp r e c i s i o na n d h i g hr e l i a b i l i t ye t c t h eb l d c m i st h ed r i v ec o m p o n e n to fi n t e l l i g e n t e l e c t r i ca c t u a t o r s w i t hi t ss i m p l es t r u c t u r e ，l a r g ea n dh i g he f f i c i e n c y o u t p u t ，i t sh i g hv a l u ea n di m p o r t a n tr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e i ni n d u s t r i a l c o n t r o ls y s t e m s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ei n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o r sa n db l d c m o fd e v e l o p m e n t ，r e s e a r c hs t a t u s ，t h e i rw o r k i n gp r i n c i p l ea n da n a l y z e s m a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l d c m ，a l s op r o p o s e st h ec o n t r o ls y s t e me n t i r e d e s i g np r o g r a m ；t h e ni t i sp r o p o s e db a s e do nf n no fs m ca l g o r i t h m a n ds i m u l a t e sb l d c mc o n t r o ls y s t e mi nt h em a t l a be n v i r o n m e n t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：c o m p a r e dw i t ht h ef n no fs m ca n d c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lm e t h o d ，n e wa l g o r i t h mc a na c h i e v eb e t t e r c o n t r o le f f e c t si no v e r s h o o ts u p p r e s s i o na n ds p e e dr e s p o n s e ，a n di t sn o t s e n s i t i v et od i s t u r b a n c ew i t hs t r o n gr o b u s t n e s s t h ep a p e rd e s i g n st h e b l d c mc o n t r o ls y s t e mo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei nd e t a i l e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ed e b u g g i n g ，t h ec o n t r o ls y s t e mo fb l d c m c a na c h i e v es o f ts t a r ta n ds t o p ，s p e e da d ju s t a b l e ，f i x e dp o i n t s ，a n d c o n t i n u o u sc o n t r o lo ft h eb a s i cr e q u i r e m e n t s ，a n dc a nw o r ki ns w i t c h i n g a n d r e g u l a t i o n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n t e l e c t r i ca c t u a t o r s ，b l d c m ，s m c ，f n n h 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 智能电动执行机构的国内外发展和研究现状1 1 1 1 国外研究现状及发展趋势l 1 1 2 国内研究现状3 1 2 无刷直流电机的控制方法研究现状4 1 2 1 有位置传感器的电机控制4 1 2 2 无位置传感器的电机控制5 1 3 课题研究背景及意义一7 1 4 论文主要研究内容及章节安排8 第二章无刷直流电机工作原理及特性分析1 0 2 1 无刷直流电机的结构和工作原理1 0 2 1 1 无刷直流电机结构1 0 2 1 2 电子换相1 l 2 1 3 转子位置检测1 l 2 1 4 无刷直流电机的工作原理1 2 2 2 无刷直流电机的数学模型1 4 2 2 1 定子电压方程15 2 2 2 反电势动方程15 2 2 3 电磁转矩方程16 2 2 4 运动方程16 2 3 无刷直流电机特性分析1 6 2 3 1 机械特性1 6 2 - 3 2 调节特性1 7 2 4 本章小结18 第三章基于模糊神经网络的滑模变结构控制1 9 3 1 滑模变结构控制基本原理1 9 3 2 模糊神经网络2 l 3 3 无刷直流电机的仿真模型2 3 i i i 3 4 基于模糊神经网络的滑模控制系统2 6 3 4 1 滑模控制器2 6 3 4 2 模糊神经网络的滑模控制器2 8 3 4 3 具体算法在无刷电机中的实现3 1 3 5 仿真结果及分析3 2 3 6 本章小结3 3 第四章智能电动执行机构系统总体方案3 4 4 1 智能电动执行机构工作原理及控制要求3 4 4 1 1 普通执行机构的工作原理3 4 4 1 2 智能型电动执行机构特点及控制要求3 5 4 1 3 电机的控制要求。3 8 4 2 硬件总体设计方案3 9 4 3 微处理器控制电路4 0 4 3 1 微处理器4 0 4 3 2 微控制电路实现4 1 4 3 3 光耦隔离电路4 2 4 3 4 串口通信接口电路4 3 4 4 驱动控制电路4 4 4 4 1 智能功率模块。4 4 4 4 2 电容充电保护电路4 5 4 4 3 电流电压采样电路4 5 4 4 4 驱动电路4 6 4 5 位置检测电路4 7 4 6 系统软件设计4 8 4 6 1 软件开发环境介绍4 8 4 6 2 软件设计流程4 9 4 7 本章小结5 3 第五章结论与展望5 4 参考文献5 5 至殳谢5 9 攻读硕士学位期间主要的研究成果6 0 i v 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀。了匕 工业自动化在不断进步的同时，控制技术也在不断的发展，也因为电力电子 技术和微处理技术的影响，人们对工业控制过程的执行机构提出了新的控制要 求，从而出现了智能型电动执行机构，使工业控制过程更加安全可靠。智能型电 动执行机构取代现有的传统执行机构是一种必然的发展趋势，因为智能电动执行 机构在安全性、可靠性、控制精度、自诊断、体积和费用方面都比传统电动执行 机构有很大的优势，所以对智能电动执行机构在工业控制中的研究应用越来越受 到人们的重视。在工业控制系统中，用来控制阀门的电动执行机构是关键的组成 部分，它是一种驱动阀门开度的终端装置，对其按照运动方式可以划分为直行程、 角行程及多回转三种类型。代替人力去操作控制系统的阀门是电动执行机构的主 要作用，因为在某些大型的工业控制系统中，有些环境条件是十分恶劣的，有些 控制阀门是无法用人去直接控制操作的，因此执行机构常常被称作工业生产控制 过程中的自动化“手足”，在现代化的生产过程中发挥着十分突出的作用，大大提 高了自动化生产水平。目前，电动执行机构的应用普及到了工业控制过程中的各 个领域，如化工、石油、电力、供暖及污水处理等各个方耐。 1 1 智能电动执行机构的国内外发展和研究现状 1 i i 国外研究现状及发展趋势 工业现代化的进步，国外的电动执行机构从8 0 年代开始就广泛应用到工业的 各个领域，并且控制效果也比较明显。近几年来，随着电子器件及控制方法的不 断改进，国外的电动执行机构获得了迅猛的发展，国际上一些有影响力的大公司 不断研究开发出新一代的电动执行机构，其性能和质量不断提高，大幅度改善了 工业生产的整体环境，提高了生产效犁z 。 1 9 2 9 年l i m i t o r q u e 公司制造生产了世界上第一台电动执行机构，从此电 动执行机构在工业控制领域当中迅速发展。2 0 世纪八十年代开始，国外相继提 出了符合各类标准的执行器协议，并在整个行业形成一定的局面。在应用先进新 技术及新型器件的智能型执行机构中，执行器的功能有了很大的提高、且结构简 单【3 1 。国外多家大公司对执行机构进行了深入细致的研究，如英国的r o t o r k 公司生产的i q 系列智能电动执行机构，其具有智能化的控制、通讯及支持多种 总线结构、防水、防爆、调试及故障排除简单等优点；德国h a r t m a n n & b r a u m 公司的智能型电动执行器m o e 7 0 0 实现了智能式电子体化，变频调速及组态 软件远程监控等功能。同时还有德国s i p o s 和s i e m e n s 、瑞士a b b 公司及美 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 国f i s h e r er o s e m o u n t 公司等推出的一系列智能化电动执行机构，其功能一 般都可以满足现场工业控制的需求，只是每个公司的侧重点不同。目前，国际上 的电动执行机构已经是数字化、智能化、总线化、网络化、机电一体化和高科技 术的产品。国外电动执行机构发展迅速，总趋势可概括为以下的几个方面【4 】【5 1 ： ( 1 ) 一体化的结构电力电子的高度集成化，单片机的使用以及一些功能强 大模块的使用，使电动执行机构的体积越来越小，向小型化，轻便化发展。目前， 智能电动执行机构一般将整个控制电路、驱动电路和电机等安装在一台现场仪表 里，使得整个执行机构的安装与调试工作都得到了简化；将整个系统安装在一台 现场仪表里，又减少了因信号传输中的泄露和干扰等因素对系统的影响，提高了 系统的可靠性。 ( 2 ) 变频调速现代电子技术的迅猛发展，通过改变频率来对电机的转速进 行控制成为常用的一种方法。因此在设计阀门电动执行机构时可以减少变速部分 减速机构，从而使体积变小。在通过变频控制前，微处理器先要通过采集信号进 行运算分析，然后发出控制信号来驱动功率模块，从而实现了变频的控制，变频 控制可以节省电能同时对电机的控制精度也大大提高。例如德国西博思公司的 s i p o s 5 f l a s h 系列变频智能型电动执行机构和美国西纳公司s q 系列变频智能型 电动执行机构1 6 j 。 ( 3 ) 数字化、智能化智能化是当前工业控制设备的流行趋势，价格低廉的 单片机和新型数字处理器将全面代替模拟电子器件为主的电动执行器的控制单 元，从而实现完全数字化的控制系统。全数字化的实现，将原有的硬件控制变成 了软件控制，从而可以在电动执行器中应用现代控制理论的先进算法( 如：滑模 控制、模糊控制、神经元网络等) 来提高控制性能。传统的电动执行器一般被认 为是线性系统，但实际中，绝大多数执行器参数在运行期间会显著地发生改变， 系统是一个时变的分线性系统，应用现代控制理论算法可大大提高电动执行器的 控制性能。以德国s i p o s 公司生产的新一代s i p o s 5 f l a s h 系列变频智能型电动执 行机构为例，如图1 1 所示。 ( 4 ) 智能化通讯及诊断智能电动执行机构采用数字化通讯方式与主控板 进行相连。主控板和驱动板之间的通讯通过电缆进行连接，主控板发出的控制命 令通过电缆发送给驱动板的微处理器，根据给定的信息来驱动控制电机的正反 转。同时可通过红外遥控进行操作，对执行机构进行在线的参数整定和修改；当 执行机构过流过力矩等报警信息时，通过采样信号，执行机构可以进行故障的自 诊断，同时发出报警信号给上位机，对报警信号进行相应的处理，通常当故障发 生时，上位机可以进行实时的监控，例如英国的r o t o r k 公司生产的i q 系列 智能执行机构这方面做的比较好，其安全性能更高。 2 中南人学硕，i 二学位论文 第章绪论 d ( a ) 主控板和驱动板；( b ) 滚珠丝杠及齿轮箱；( c ) 手动柄；( d ) 电机 图1 1s i p o s 公司s l p o s 5 f l a s h 智能执行机构示意图 1 1 2 国内研究现状 a b c 国内对执行机构的研究可以追溯到上世纪6 0 年代，开始是仿制苏德产品，并 且没有形成一定的规模，市场也比较混乱。在7 0 年代执行机构进行了全行业的改 革，逐步形成了自己的产品研发体系，发展规模也越来越大。在8 0 年代d z 2i i 、 d d z 2 i i i 型两种电动执行机构占工业控制的主导地位。9 0 年代，执行机构属于稳 步发展阶段，但在技术方面还是落后于国外，其存在的控制精度不高，可靠性低 和不完善的保护系统，使国内的执行机构仍不能大范围应用在工业控制当中i ，j 。 在近些年来，国内人士在不断创新和借鉴国外先进技术的基础上，对电动执 行机构进行了改进。如鞍山阀门厂借鉴同本技术，其电动执行机构的控制精度和 控制性能有很大提高；上海自动化研究所引进梅索尼兰技术和大连的仪表厂仿效 西门子公司的产品等。由此可知，近些年来对执行机构的研究都是在引进国外技 术来消化吸收，国内自己的创新发展缓慢，这必然使国内的技术水平远远达不到 国外的控制水平博儿引。 目前，电动执行机构的一个重要发展方向是智能化。在国内现在的大工业控 制过程当中，由于环境和其他因素，有些地方必须依靠机器的智能化来对现场进 行控制。因此对电动执行机构实现智能化是一种发展的趋势。对智能执行机构的 研究，主要是驱动电机进行合理的选择和控制器的实现研究。传统执行机构用的 3 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 电机一般为直流电机或异步电机，其在堵转和平稳性等方面都有特定的局限性， 这些缺点限制了执行器的进一步发展，而当今全球范围内普遍采用的无刷直流电 机，不论从电机本身的性能和控制方法上都优于其他电机。对直流电机的研究不 仅仅是从电机本身的设计出发，其主要还是对控制器要进行深入研究。这方面做 的比较好的是上海工业自动化仪表研究所，在对传统执行机构的探索中开发出了 国内较先进的智能电动执行器，其技术指标都超过现有的执行器指标；另外一家 是上海的万迅仪表厂开发的多种行程智能电动执行机构，有直行程、角行程和多 回转三种，其工作死区、基本回差及调速方面都满足控制的要求【1 0 】【1 1 】。 1 2 无刷直流电机的控制方法研究现状 目前，国外的智能电动执行机构研究应用中，基本都选择了无刷直流电机作 为执行机构的驱动设备，因此对无刷直流电机的驱动技术的研究很有必要。同时， 我国也已经制定了g l b l 8 6 3 无刷直流电机通用规范。国外发达国家对无刷直流 电机的研究内容与中国大体相当，但美国和日本具有较先进的无刷直流电机制造 与控制技术。特别是日本在民用方面比较突出，而美国则在军工方面更加先进。 当前的研究热点主要集中在以下三个方面：设计可靠、小巧、通用性强的集成 化无刷直流电机控制器；从电机的设计和控制方法等方面出发，研究无刷直流 电机转矩脉动抑制方法，从而提高其伺服精度，扩大其应用范围；研究无位置 传感器控制技术以提高系统可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量【l 引。 在对无刷直流电机控制系统进行驱动时，必须要准确获得转子位置信号，然 后通过控制器发出的控制信号，按照要求对各项绕组进行通电，使定子产生的磁 场和转子磁场始终保持垂直的状态，使输出电磁转矩最大，从而电机能以最大力 矩连续不断的运转。对电机驱动控制的硬件部分关键包括以下两个方面： ( 1 ) 转子位置检测：无刷直流电机分为有位置传感器和无位置传感器两种， 其转子位置信号的获得方式也是不相同的，其具体过程将在后面的章节分别进行 详细的介绍。 ( 2 ) 无刷电机驱动：无刷直流电机驱动方式主要有：半桥式、全桥式、c d u m p 式【l9 1 、h 桥式及四开关式驱动等，在这些驱动电路当中，其基本思想还是由单相 电路结构组成的。 1 2 1 有位置传感器的电机控制 无刷直流电机的有位置传感器是安装在定子绕组上来检测转子的位置的，得 到的信号，送到控制器运算，控制器发出控制信号来控制功率管的导通顺序，使 其在空间形成旋转的磁场，来驱动电机转子稳定运行【15 1 。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 位置传感器随着工艺技术及材料的进步，其不断的改进可以基本满足工业的 需求。目前应用在无刷直流电机中的位置传感器有电磁式、光电式、磁敏式等。 如表1 1 为几种传感器的优缺点对比。 表1 1 传感器种类 无刷直流电机的有位置传感器控制应用广泛，其控制方法和驱动控制电路比 较成熟。如在变频空调和吸尘器中的应用。一般的工业及家用电器中，有位置传 感器的无刷直流电机控制基本可以满足人们的需求，但是传感器的存在一方面也 限制了在一些特殊领域的应用，如航空航天和军工企业【1 6 】。在环境温度及外界的 干扰影响下，传感器的存在使系统的可靠性下降，其输出的信号可能会使功率管 误导通，损坏功率器件。因此有位置传感器的无刷直流电机，在一定程度上限制 了其应用的范围。 在本文当中，由于是工业控制系统中的电动执行机构，带位置传感器的无刷 直流电机可以满足控制系统的要求，因此本文使用有位置传感器的电机。 1 2 2 无位置传感器的电机控制 对无位置传感器的无刷直流电机研究，国外较国内的技术成熟，尤其是日本 和美国在这方面做了较多的研究。无位置传感器控制主要是通过获得电机的定子 电压或电流信号，经过一定的运算处理，从而得到转子的位置信号，后面的处理 和有位置传感器的控制相同【1 7 】。无位置传感器控制同有位置传感器控制相比较具 有更高的可靠性和抗干扰能力，并可进一步缩小电机的体积和重量，其应用范围 更加广泛，如在航天、军工及精密医疗器械等，主要为一些控制精度要求很高， 且功率不是很大的应用场合。 在无位置传感器的无刷直流电机控制中，如何正确获得转子信号，控制电机 换相是其关键所在，也是国内外学者研究的热点。目前常用的检测方法，大多是 通过检测容易得到的电压、电流物理量，并配以软硬件相结合的方法进行一定的 算法处理得到转子的准确位置，也称为转子位置间接检测法，从而控制电机按照 设定的要求进行正反转及速度可调等。现在常用的方法归纳起来，大致主要有反 电势法、电感法、状态观测器法及人工智能法等几大类【2 。下面将分别对其进行 简要介绍。 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 反电动势法 在无位置传感器控制当中，反电势法检测转子的位置是目前较成熟的技术， 也是被广泛采用的一种位置检测方法。当电机旋转时，定子绕组切割磁力线产生 相应的感应电动势，即为电机定子绕组的反电动势。由于直流电机的反电动势与 转子位置存在一定的关系，所以通过检测定子绕组的反电动势，就可得到转子位 置信息。按照反电动势提取方法的不同，其一般可以分为过零检测法、三次谐波 法和积分法等【2 2 1 。 1 ) 反电动势过零检测法 无刷直流电机定子产生的反电动势为正负交变的梯形波；电机换相时刻为反 电动势过零后，延迟一定的电角度( 一般为3 0 。) 的时间。所以，检测到电机定子 绕组各相反电动势的过零点后，就可以得到转子的位置信号。 反电动势过零检测法是通过测量不导通相的端电压，与电机绕组中点电压进 行比较，来得到反电动势的过零点。在电机运行中，三相逆变桥电路中总有一相 的驱动管全部置于关断悬空状态，此时即为定子绕组反电动势过零点。因此，要 得到反电动势过零点，只要检测到定子绕组的相电压变化即可【2 3 】【2 4 l 。但对于小 电枢电感的无刷直流电机，在多数情况下，绕组中点电压难以获得，并且需要适 用电阻分压和进行低通滤波，这样会导致反电动势信号大幅度地衰减，与电机的 速度不成比例，信噪比太低，另外也会给过零点带来更大的相移。 2 ) 反电动势三次谐波法 反电动势三次谐波法利用反电势的三次谐波确定无刷直流电机换相时刻。首 先，对三相绕组反电势进行傅里叶分解，得到包括基波在内的一系列奇次谐波分 量，其定子三相电压之和就等于定子绕组中反电势之和，而且可分解为3 次谐波 和3 的奇数倍次谐波之和，通过低通滤波器把高次谐波滤掉，剩下3 次谐波在基 波的一个周期内有6 个过零点，而且每个过零点都和反电势过零点一一对应，从 而确定换相时刻。反电势谐波法具有适用转速范围大、相位延迟小等优点【2 5 】；但 由于低速时信号的不断积累，该方法在积分过程中会产生累计误差，造成换相的 不准确。 3 ) 反电势积分法 反电势积分法将悬空相反电势的积分量与门限值进行比较，当反电势积分量 达到门限值时，即为该相绕组的换相时刻。采用反电势积分法进行控制时，应首 先计算门限值电压，控制系统将积分器输出电压与门限电压进行实时比较，以确 定换相时刻。该方法的优点为控制过程无需转速信息，通过调节门限值大小即可 实现电机的超前或滞后换相，且对开关信号不敏感；缺点为存在积分累计误差和 门限值设置问题。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 电感法 以上介绍的反电势法都是依靠转子磁场的运动判断转子位置，但当转子静止 时，就不能获得转子位置信息，不能实现电机的启动。针对该问题可以采用电感 法来确定静止时的转子位置。电感发的基本原理是，首先在绕组中施加方波电压 脉冲并检测其产生的电流幅值，然后比较电流幅值得知电感差异，最后根据电感 与转子位置之间的关系进而判断转子位置。电感法对于电机静止时转子初始位置 检测效果较好，但由于无刷直流电机转子位置不同时电感差异较小，因此该方法 依赖于高精度的电流检测。 ( 3 ) 状态观测器法 状态观测器法是采用由状态变量构成的微分方程组来描述的，其基本原理是 以电机角速度、磁链、电枢电压及电流等物理量作为状态变量，其状态变量的选 择不是唯一的，但变量间必须相互独立。通过选择的状态变量，来建立无刷直流 电机的数学模型，然后经过各种数字计算得出其输出值，准确确定电机转子的位 置，来实现对无刷直流电机的换相控制。 此种法比前几种方法能更好地解决直流电机在高速、转矩大的情况下的调速 问题，其良好的抗扰性也能适用于恶劣的环境条件。但其运算量比通常的方法大 很多，因此限制了其应用。使用该方法通常应用d s p 进行大规模的运算，但相 对增加了整个控制系统成本，很少应用在实际项目当中。 ( 4 ) 人工智能法 人工智能算法具有很强的自适应性和自学习能力，在无刷直流电机控制中有 较大的应用潜力。基于人工智能算法的转子位置检测基本思路是，采用人工神经 网络、模糊控制、遗传算法、人工免疫自适应及滑模变结构等理论建立无刷直流 电机的电压、电流与转子位置之间的关系，由测量到的电机电压、电流信号映射 出转子位置信号或者获得绕组换相信号。人工智能法无需准确数学模型，因此适 用于非线性系统，对实际控制对象有较好的泛化能力。同时，该方法对参数变化 和量测噪声具有很强的鲁棒性，可有效解决一些传统和其他现代控制方法难以解 决的问题，并提高运动控制的质量和效果。高性能专用单片机、d s p 的出现为该 方法提供了广阔的发展空间l j 。 1 3 课题研究背景及意义 目前，国内工业控制过程中普遍使用的电动执行机构大部分都是7 0 年代生 产的，在控制精度、可靠性及抗干扰等方面远远不及国外的执行机构，且般的 驱动电机不是无刷直流电机，因此控制效果更加达不到要求。同时国内的执行机 构没有形成一定的规模，没有一定的规范化标准，因此在工业控制过程中执行机 7 中南大学硕上学位论文第一章绪论 构的应用受到一定的限制。 国外的智能电动执行机构性能很好，但是价格不菲，例如用于火力发电机组 系统的电动执行机构，用于控制气阀的开度等，这些要求可靠性比较高的场合一 般都是依靠进口，而且设备的后续维护费用也很高。在工业控制领域当中，其市 场需求量越来越大，但是国内的产品都难以达到控制要求，所以只有依靠进口。 由以上综述可知，现在国内电动执行机构在功能和使用上暴露的主要问题有 如下几点： ( 1 ) 采用模拟控制、体积大、通用性差、控制精度低、可靠性不高； ( 2 ) 易受外界干扰，抗干扰性能差、缺乏完善的故障处理和报警装置、不容 易实现远程控制，不能很好的实现人机对话； ( 3 ) 引进国外技术，成本高而且后续维护费用投资也比较大； 所以开发具有自主知识产权的新一代智能电动执行机构迫在眉睫且具有良 好的市场前景，打破国外技术的限制。同时能让中小生产企业加快生产力的进程， 提高行业竞争力，减少国家的外汇输出。因此本课题的研究具有十分重要的意义。 本文就针对国内工业管道的阀门控制系统实例，提出了采用控制电机的专用 单片机d s p i c 3 0 f 3 0 11 作为微处理器，借鉴世界先进技术，并与t y c o 公司生产的 一款i p m 模块相结合的设计方案，对执行机构的无刷电机进行控制，这也是本 文的研究重点。在电动执行机构内部集成控制器部分和无刷直流电机，控制器通 过上位机给定的信号，根据实际值和参考值进行对比来确定实际的输出信号来控 制i p m 模块的各功率管导通情况，从而控制电机的转速。由于电机的转速有一 定的输出范围，所以基本可以满足一般控制系统的要求，不需要进行特殊的定做， 从而节约了成本，且不用另外安装用于控制电机换向开关器件、控制柜和配电柜。 同时，电机可实现开关型和调节型两种工作制。 1 4 论文主要研究内容及章节安排 本文研究的对象为智能电动执行机构的无刷直流电机驱动部分。本文将详细 阐述无刷直流电机控制系统的设计方案，并解决对无刷直流电机的柔性启停、正 反转及调速等问题，保证电机在控制过程中稳定安全的运行。 论文共分为五章。第一章主要针对执行机构及无刷直流电机的发展状况和课 题的研究背景及意义进行介绍；第二章介绍了无刷直流电机结构、工作原理、数 学模型和特性分析；第三章主要介绍了无刷直流电机的控制算法，在理论层面对 算法进行了详细的介绍，并结合系统方案应用到直流电机当中，仿真结果表明该 算法对系统的控制可以达到理想的要求；第四章对智能电动执行机构的整体控制 系统方案进行了设计，并介绍了智能电动执行机构的工作原理和无刷直流电机的 8 中南人学硕f l ：学位论文 第一章绪论 系统方案设计，以及对无刷直流电机有位置传感器的控制方法进行了说明，并详 细介绍了无刷直流电机控制系统的硬件驱动电路设计和软件实现流程。第五章对 课题进行总结和展望。 9 中南人学硕 ：学位论文第二章无刷直流电机t 作原理及特性分析 第二章无刷直流电机工作原理及特性分析 本章主要介绍无刷直流电机的基本结构和工作原理，并给出无刷直流电机的 数学模型基本方程及电机的特性分析。 无刷直流电机的最大特点是没有换向器和电刷组成的机械接触机构，无刷电 机通过电子换相来控制三相电子绕组的导通顺序，来控制电机旋转，但如何正确 换向必须要得到准确的转子位置信号，从而控制电机，且工作方式不同于普通直 流电机。因此，无刷直流电机没有换相火花，寿命长，运行可靠，维护简便，而 且其转速不受机械换向的限制，可以实现高速运行。它的用途比有刷直流电机更 加广泛，尤其适用于航空航天、电子设备、采矿、化工等特殊工业部门【1 8 】【2 0 】。 2 1 无刷直流电机的结构和工作原理 常见的无刷直流电机由电机本体、电子换相电路和位置检测电路三部分组 成。图2 1 所示为电机系统组成原理框图。下面分别对其进行介绍。 无刷直流电机 r 一 电子部分机械部分 r 一一一一if - - - - 一一一一。 控制信号 电子换相 ji 输虬 电机本体 位置检测 ( 电枢绕组) 两部 械方面的要求，保 境条件的考验；其 磁通，电枢绕组允 虑节约材料、结构 直流电机本体截面 中南大学硕1 j 学位论文 第一二章无刷直流电机丁作原理及特性分析 2 1 2 电子换相 图2 2 无刷直流电机本体截面示意图 电子换相电路和位置检测电路相互配合，起到与机械换相类似的作用。电子 换相线路的任务是将位置检测电路的输出信号进行解调、预放大、功率放大，然 后去触发末级功率晶体管，来控制电机定子上各相绕组通断的顺序和时间，使电 枢绕组按一定的逻辑顺序通电，保证电机可靠运行。逻辑开关单元是控制电路的 核心，其工作原理是逻辑开关通过控制功率管的导通顺序，使定子绕组流过从而 产生旋转的磁场并与转子磁场正交，使电机的输出转矩最大1 2 6 j 。 通常，对电子换相电路的基本要求是：线路简单、运行稳定可靠、体积小、 重量轻、功耗小，同时能按照位置检测电路的信号进行正确换向和控制，满足不 同情况下对电机多种控制和长期的运行要求。 2 1 3 转子位置检测 位置检测主要是对转子的位置进行确定，通过各种方法将得到的转子位置信 号送处理器，处理器经过运算发出控制信号，来确定定子的绕组的导通顺序和时 间，是换相的依据。当为有位置传感器的无刷直流电机时，由位置传感器提供转 子位置信息；当无刷直流电机为无位置传感器工作方式时，通过检测电机可测量 的电压电流等信号，经过计算处理就可以得到转子位置信息。 目前，由于国内控制技术的不成熟，当前主流的无刷电机还是有位置传感器， 而且随着技术的发展，位置传感器在功能应用上可以满足大部分的控制要求和精 度，且可靠性也不断提高，基本可以满足一般工业级的应用。本文电机系统的位 置检测采用霍尔磁敏位置传感器，其体积小，使用方便且价格低廉，是一般无刷 电机中常用的传感器。 中南大学硕十学位论文第二章无刷直流电机t 作原理及特性分析 2 1 4 无刷直流电机的工作原理 下面以】，接三相无刷直流电机为例，介绍无刷直流电机的三相全桥式驱动电 路其工作原理。三相桥式全控电路如图2 3 所示。矿1 、y 2 、y 3 、y 4 、矿5 和y 6 为6 个功率管，根据霍尔元件逻辑信号，功率管控制电机三相绕组电流的开通和 关断，图中功率管为低电平有效【l8 1 。 对于全桥式功率驱动，其常见导通方式有两两导通方式( 1 2 0 0 导通方式) 和三 三导通方式( 18 0 0 导通方式) 。 j 童吕j 童耳一基号蔑訾一 _ j ( ) + u d c d = 、j 1 r 、聊棣 匕vv _ 一i u = 、l 厂一 v 4v 2 ：r bc o i ib 一苣 j 童r 一童【1 埋4 w 厂一“y l 与一 l j r cc o l ic 图2 3 无刷直流电机三相全控电路示意图 ( 1 ) 两两导通方式是指每一时刻电机都有两相导通，第三相悬空，各相的 通顺序与时间由位置检测电路获得的转子信号决定。在三相桥式电路工作时， 意时刻只允许两个管子导通，每个管子导通1 2 0 。电角度，每次一个管子导通 逆变桥就进行一次换相，换相一次的电角度为6 0 。，每个周期换相6 次。每 过一次换相，合成转矩的方向就转过6 0 0 电角度，一个周期能转矩要经过六次 向变换，使得转矩波动比三相半桥式驱动电路要平缓得多。由图2 3 所示，功 器件按照v 1 v 2 、v 2 v 3 、v 3 v 4 、v 4 v 5 、v 5 v 6 、v 6 v 1 的顺序进行导通f 1 8 】 ( 2 ) 三三导通方式是指每一瞬间逆变桥均有三只功率管器件同时导通。同 两导通方式相比，也是每隔1 6 周期( 6 0 0 电角度) 换相一次，其硬件原理完全相斥 只是功率管器件的导通次序不同，每一功率管器件导通1 8 0 0 电角度。 三三导通方式可以更进一步提高绕组的利用率，减少转矩波动。但值得注 的是= = 导通方式在换相时刻容易导致同一桥的上、下桥臂同时导通，损坏功 倒1 引。如图2 3 所示，功率器件按照v 1 v 2 v 3 、v 2 v 3 v 4 、v 3 v 4 v 5 、v 4 v 5 v l v 5 v 6 v 1 、v 6 v 1 v 2 的顺序导通。 如图2 4 所示，假设无刷直流电机为】，行三相联接，工作在两两导通方式 该电机有一对磁极，极为图中斜线阴影部分，s 极为网格阴影部分，磁力线 极到s 极，可得电机转子位置、功率管触发逻辑和定子绕组反电势波形关豸 1 2 n 一i 一一一 一 爿 昭咏避曹涂蛸农妒谜巢嚣时攫她讣督，时嬉巾辛争寸n c l l 111liililllilllllliiiilllllllllilliilllliliflllllllijiiiiiilliiiifllllljljlllllllilll 乏 田 n n n 、 r i n l 掣 l n ： l ： 中南人学硕士学位论文 第二章无刷直流电机工作原理及特性分析 对于无刷直流电机来说，当转子的磁势方向与定子的合成磁势方向不一致 时，则在电磁转矩的迫使下转子会转向合成磁势的方向。由图2 3 和图2 - 4 ，来 对电机的旋转过程进行详细分析。 假设转子转到明位置之前的一小段时间时，v 1 v 2 导通，电流流向路径为： 电源正极一矿1 管一a 相定子绕组一c 相定子绕组一v 2 管一电源负极。则有4 相 绕组线圈电流为正，彳相定子呈现出极性，c 相绕组线圈电流为负，c 相定 子呈现出极性s 。由图2 4 电机轴心处的两段短的有向线段分别代表彳相和c 相 的磁势方向和大小，电机轴心处的较长有向线段代表爿相和c 相的合成磁势方向 和大小。 转子则会顺着磁势旋转到相应位置停下，停下的位置即b l 所示的位置，即 转子内部磁势的方向和定子合成磁势方向一致。当转子停在口l 位置