无刷直流电机双闭环控制系统探究

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1、无刷直流电机双闭环控制系统探究　　摘要：利用双闭环控制系统实现无刷直流电机的控制具有独特的优势：转速响应和转矩响应快、精度高、稳定性高。有效提高电机效率的同时能很好满足实际生产需要。对双闭环控制系统中的功率器件、主逆变电路、控制器、电流检测转子位置及转速检测、保护电路等部分所起的作用、原理及选择依据进行了深入分析探讨，为实现无刷直流电机控制的实际解决方案提供了设计的依据及指导。关键词：双闭环控制；无刷直流电机；DSP中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：16723198（2013）110179027传统的直流电机利用换相器及电刷换相，电

2、刷易磨损并产生火花，同时，维修困难，制造成本高，大大限制了它的应用。随着电力电子技术的发展及大规模集成电路的普及，为无刷直流电机的应用打下了坚实的基础。无刷直流电动机具有控制灵活、调速性能好、启动转矩大、过载能力强、无换向火花、无励磁损耗等优点。又有传统直流电机输出转矩大、功率密度高、控制简单等特点。由于技术进步，永磁材料性能大幅提高、同时制造成本下降，使得无刷直流电动机的应用领域迅速扩展。而双闭环控制系统具有精度高、稳定性好、转速响应和转矩响应快等优点，因此双闭环控制无刷直流电机具有独特优势，能很好满足实际生产需要，近年来成为研究的热点

3、。1双闭环控制系统的功率器件功率开关器件是无刷直流电机换相的重要部件，因此对功率开关器件的选择非常重要。功率场效应晶体管是电压控制的单极型器件，具有自关断能力，驱动功率小，开关速度高，安全工作区宽等特点，因此功率场效应晶体管在逆变电路中，广泛用作开关管。根据以上分析，采用功率MOSFET作为功率开关器件。2双闭环控制系统的主逆变电路7无刷直流电机按结构分为三相、四相绕组等。驱动电路由半桥驱动和全桥驱动构成。全桥驱动的电机绕组通常为星形和三角形连接。连接方式的不同结合将产生不一样的控制性能，性能差异主要基于以下因素：（1）转矩脉动的产生，一

4、般而言，无刷直流电机的转矩脉动较传统直流电机大，而实际应用中，很大的转矩脉动会使系统产生抖动。而全桥驱动电路相对于半桥驱动电路而言，转矩脉动更小。（2）绕组实际利用率的提高，无刷直流电机的电枢绕组在实际运行中，供电是断续进行的，改进绕组利用率，可有效减小等效电阻，最终提升系统的整体效率。从以上分析可知，全桥驱动较半桥驱动具有很明显的优势，理论上三相绕组的利用率较四相绕组高，同理，四相较五相利用率高。也就是说，随相数降低利用率升高。（3）成本分析，全桥驱动电路所需的开关管总数量是半桥驱动的两倍左右，同时，电机绕组的相数增多，电机制造成本就越

5、高。从以上综合分析的角度考虑，三相星形全桥驱动的综合性能指标最优。3双闭环控制系统的控制器7控制器是无刷直流电机控制的中枢，对控制器的选择，要考虑以下方面：控制器效率高、易维护、可靠性好，移植性强。（1）专用芯片的选择：无刷直流电机专用控制芯片很多，比如摩托罗拉的MC33035芯片，这种芯片是为某种控制用途而专门设计的。控制范围有很大的局限性。若采用此类芯片，当电机结构改变时，不能达到理想的控制效果。（2）单片机：在自动控制系统中，单片机应用极其广泛。单片机种类很多，而51系列、PIC、AVR系列应用最多。对无刷直流电机的控制，由于单片机

6、本身速度的限制。在主逆变电路中，由于单片机输出PWM的速度不够高，因此会转矩脉动很大，精度控制也达不到要求。（3）数字信号处理器（DSP）：通常采用哈佛结构进行设计。该结构的特点是：计算机具有独立的数据及程序存储空间。因此CPU可以同时执行取数据和取指令，数据吞吐率及系统的运算速度都大幅提高。DSP具有片内资源丰富、数据处理能力高效，实现了具有超调量小、响应速度快特点的无刷直流电机双闭环控制系统。硬件乘法器作用是：DSP可以在单周期内完成取操作数并相乘，把结果存储在累加器内。DSP特殊的指令也极大改善了系统的性能，DSP有丰富的片内外设。

7、通过DSP来实现电机控制，可有效降低系统成本。此外，DSP具有如下的突出优点：（1）Flash存储容量大：DSP的Flash存储空间一般在32KB以上，甚至达到128KB，进行外部扩展。（2）速度快：目前无刷直流电机控制中，绝大多数是PWM控制技术，通常PWM的频率设为5一20kHz，高性能的控制算法一般要求在60一100μs完成，而单片机通常难以难满足需要，DSP就能很好适应此要求。（3）软件设计更加灵活：DSP软件程序设计的功能不断增强，而C语言及汇编语言的联合编程也使得开发出的系统更灵活多样。基于以上分析，数字信号处理器比较适合作为

8、电机控制的中央控制单元。4双闭环控制系统的电流检测7电流是一个转速电流双闭环控制系统来非常重要的参数。电流环的采用可使系统的快速启动性能得到提高，同时，通过反馈电流值对系统的运行状态进行监控。