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行业动态

东莞环球电机控制系统建模

控制系统采用电流环和速度环构成的典型双闭环控制系统,如图1实现了转速和电流两种负反馈控制,在系统中设置了转速PI自动调节器和电流PI自动调节器,两者之间实现串联,将给定速度与反馈速度的偏差进行PI运算,PI运算是基于偏差的比例放大,每一时刻都会根据上一时刻的偏差自动修改系数。将速度环进行PI运算后得到的输出作为电流环的输入,速度调节器采用PI控制,电流环再进行PI运算后得到的输出作为逆变电路中功率器件的触发信号,控制功率器件导通与关闭。

 

图1:双闭环控制系统

双闭环控制系统

而电流调节器则采用滞环控制的方式。首先需要设置电流环的阀值和滞环宽度,当电流大于滞环上限时,输出为0;同理,当电流小于滞环下限是,输出为1,以此反复实现对输出负载电流的跟踪控制,达到使输出电压维持在某一参考电压为中心的滞环宽度内。控制系统框图如图2所示。当驱动器采用数字信号处理器如TMS320F240为控制芯片时,只需要很少的外部硬件电路,使控制器系统结构十分紧凑,成本更低。位置检测电路基于反电势过零法的原理,如果以相反电动势过零点定义为0°,为了得到尽可能大的东莞环球电机转矩输出,同一相的反电动势和电流应当同相位。因此,正确的换相点应当在延后30°处。也就是说,该相的换相点出现在相反电动势过零点后30°的时刻,每隔60°应当出现一个换相点。

 

图2:电机驱动系统控制框图

电机驱动系统控制框图

控制系统主电路包括电机本体、功率主电路、控制电路及位置检测和换相电路。功率主电路由直流电源及逆变电路构成。由于采用无位置传感器的控制策略,6个IGBT分别由6路控制信号控制其开断,控制信号的逻辑关系由电机转子所在的位置决定,逆变电路输出的电压是为电机提供的方波电压。

 

其中功率主电路如图3所示,逆变电路各臂由理想开关IGBT1〜IGBT6组成,其开关状态由功率器件的控制极的电压信号所决定。各管的触发信号依次互差60°,在120°导通型的逆变电路中,任意瞬间只有不同相的两个IGBT导通,同一桥臂中的IGBT的开通设有死区时间,约为电机旋转60°电角度的间隙时间,当其中某一个IGBT由导通变为关闭时,其中的感性电流由对应的二极管进行续流放电。直流母线电压为E1,输出的三相电与电机相连。当IGBT1与IGBT6开通,其他IGBT关断时,施加在电机上的电压为E1;相反,当IGBT3与IGBT4开通,其他IGBT关断时,施加在电机上的电压为-E1。于是当逆变桥中的IGBT以频率f(由控制极电压信号的频率决定)按照一定的规则通断时,输出电压成为幅值为E1交变的方波。因此,改变控制极电压信号的频率f可以改变输出端的频率,改变直流电源E1则可以改变基波幅值,从而达到逆变的目的。

 

图3:电动机运行时的逆变电路

电动机运行时的逆变电路

速度调节器模型如图4所示,转速环采用PI调节方式。Speed_feedback为检测到的环球电机转速,与参考转速Given_speed相减得到偏差值,增益模块与积分模块构成了PI调节器,偏差值经过PI运算后对其限幅。速度环的输出结果为电流环的输入。

 

图4:速度调节器模型

速度调节器模型

电流环采用滞环控制的方法,速度闭环的输出作为电流闭环的输入,与电流给定值相减得到电流差值,构成滞环,最后输出为控制IGBT的开关信号。滞环比较跟踪控制在各种类型的闭环控制系统中应用非常广泛。其中PWM变换器的控制方法之一就是滞环比较的方法,该种方法原理简单,实现容易,更重要的是此方法响应速度迅速,而且鲁棒性优良。

 

如图5为滞环控制的原理图,其中。为给定的输入电流指令,if为负载电流反馈信号。

 

图5:滞环控制原理图

滞环控制原理图

如图6所示,当测量出的实际电流大于滞环所设置的误差值最大值时,逆变器输出电压为负值且为最大值;当测量出的实际电流小于滞环所设置的误差值最小值时,逆变器输出电压为正值且为最大值。依照次理论,三相电流可以在所设置的误差值之内,跟随设定的电流值。

 

图6:滞环电流跟踪PWM原理图

滞环电流跟踪PWM原理图

电流跟踪误差为e=ir-if

 

如图7为电流调节器模型,其中滞环比较器的滞环宽度为2h,当跟踪误差大于h时,输出为高电平,即输出电压同理,当跟踪误差小于h时,输出低电平,即输出电压u0=-ud。在上述循环反复的过程中实现了对东莞电机三相电流的实时跟踪控制,使三相电流跟随给定电流ir。因此在任意时刻,只有一个滞环比较器处于工作状态,并且在任意开关周期之内的误差都趋近于另,具有优良的控制效果,跟踪效果良好。由于滞环比较控制在形式上属于闭环控制,因此当控制系统内的负载参数改变时,也不会影响控制系统的稳定性和精度,具有非常好的鲁棒性。此种分析方法只考虑到负载只由R和L组成的情况,这种负载具有一阶惯性的特征。若要跟踪电流时,大多是负载,而若要跟踪电压进行控制时,大多是都是RC负载。

 

图7:电流调节器模型

电流调节器模型

逻辑换相功能由状态机模块来实现。功率器件的通断顺序是由转子的位置所决定的,因为控制系统中没有采用位置传感器,因此需要间接从反馈电路中得到转子的位置,如图8为电机反馈线路模型。

 

图8:反馈电路模型

反馈电路模型

首先需要得到电机模型在运行期间一些状态信息,并反馈给状态机。东莞环球电机的MotionSetup端口连接AngleSensor(SM_ROT),该模块的输出是电机转过的角度,输出的值乘以极对数即得到电角度;电角度除以2pi取余得到电机在一个周内转过的位置,即得到转子所在的位置。

 

状态机模型如图9所示。状态机由TRANS和STATE构成。TRANS模块描述了两种系统状态的转换条件;STATE中设定了系统的状态,即IGBT开断的状态。如果与某一TRANS模块相连的前一个STATE已经被激活,并且转换条件为“真”,则与TRANS模块相连的后一状态被激活。

 

图9:状态机模型
状态机模型