電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計無刷直流電機在車載雷達拖動控制系統(tǒng)中的研究
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1、 課程設(shè)計名稱:電力拖動自動控制系統(tǒng) 題 目:無刷直流電機在車載雷達拖動控制系統(tǒng)中的研究 專業(yè):電氣與控制工程學院 班級:自動化04-6 姓名: 學號:0410180216 課程設(shè)計任務書 一、設(shè)計題目:無刷直流電機在車載雷達拖動控制系統(tǒng)中的研究 二、設(shè)計任務:研究無刷直流電機在車載雷達拖動控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的工程設(shè)計方法。 三、設(shè)計計劃:通過圖書館和網(wǎng)絡(luò)上查找有關(guān)設(shè)計任務方面的資料,通過整理完成此次設(shè)計。 四、設(shè)計要求:車載雷達長期工作于高空、低溫、低氣壓、大過載、強振動等惡劣環(huán)境中,其整機必須通過高低
2、溫、沖擊、隨機振動等嚴酷的環(huán)境試驗,因此車載雷達拖動控制系統(tǒng)不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定、準確的角位置控制,同時也要求它體積小、重量輕、可靠性高。 指 導 教師:徐建華 教研室主任:呂 振 時 間:2007年1月22日 摘要 本設(shè)計針對車載雷達用無刷直流電動機位置、轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)電力拖動控制系統(tǒng)進行仿真分析,并利用仿真結(jié)果來指導實際系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計了無刷直流電動機PWM控制器、角位置與速度檢測等硬件電路以及位置、轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)電力拖動控制系統(tǒng)。通過硬件和軟件的合理設(shè)計,使系統(tǒng)獲得較好的動、靜態(tài)性能。 關(guān)鍵詞:車載雷達;無刷直流電動機;電力拖動控制系
3、統(tǒng) 目錄 1 概述……………………………………………………………………1 2 硬件設(shè)計………………………………………………………………1 2.1 基本原理……………………………………………………………1 2.2 無刷支流電動機及其構(gòu)成…………………………………………2 2.3 無刷支流電動機的控制電路……………………………………………2 2.4 系統(tǒng)角位置檢測環(huán)節(jié)………………………………………………2 3 系統(tǒng)設(shè)計………………………………………
4、………………………3 3.1 對象模型的建立……………………………………………………3 3.2 校正設(shè)計……………………………………………………………3 3.2.1 電流環(huán)的設(shè)計計算…………………………………………3 3.2.2速度環(huán)的設(shè)計計算……………………………………………5 3.2.3位置環(huán)的設(shè)計計算……………………………………………6 3.2.4 控制算法…………………………………………………………8 4 結(jié)論……………………………………………………………………………9 5 設(shè)計體會………………………………………………………………………10 6參考文獻……………………
5、…………………………………………………11 12 機載雷達用無刷支流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)研究 1 概述 車載雷達長期工作于高空、低溫、低氣壓、大過載、強振動等惡劣環(huán)境中,其整機必須通過高低溫、沖擊、隨機振動等嚴酷的環(huán)境試驗,因此車載雷達電力拖動控制系統(tǒng)不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定、準確的角位置控制,同時也要求它體積小、重量輕、可靠性高,而稀土永磁無刷直流電動機作為一種新型的驅(qū)動執(zhí)行元件,由于采用了電子換向,其可靠性高、壽命長、并且無電火花干擾,完全能夠滿足車載雷達控制系統(tǒng)的特殊環(huán)境要求。 無刷直流電動機的最大優(yōu)點就是它既具備交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、維護方便、壽
6、命長的特點,同時也具備普通直流電動機運行效率高、轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速方便、動態(tài)性能好的優(yōu)點,它綜合了普通直流電動機和交流電動機的優(yōu)點,是新一代電氣傳動的發(fā)展方向之一,采用無刷直流電動機來作為車載雷達控制系統(tǒng)中的電力拖動執(zhí)行元件應是一種較為理想的選擇。本文討論了無刷直流電機在車載雷達拖動控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的工程設(shè)計方法。 2 硬件設(shè)計 2.1 基本原理 無刷直流電動機拖動控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2-1所示。圖2-1中的角位置命令信號與檢測反饋電路測定的當前位置信號相比較,求得位置偏差信號經(jīng)位置校正環(huán)節(jié)處理后,作為速度回路的給定信號,再和實際速度相比較得到速度偏差,經(jīng)速度校正環(huán)節(jié)運算和D/A轉(zhuǎn)換后,
7、作為電流環(huán)的電流給定信號,它與測定的實際電流比較得到電流偏差,經(jīng)電流調(diào)節(jié)器后輸出到PWM 控制器中的脈寬調(diào)制器,其輸出的PWM信號經(jīng)換相控制邏輯電路與電機位置傳感器送來的轉(zhuǎn)子位置信號綜合后,形成相應的觸發(fā)信號,以控制功率管的開通順序與時間,從而在電機中形成一個旋轉(zhuǎn)磁場,并將天線負載拖動到所要求的位置。 圖2-1,無刷直流電機車載雷達拖動控制系統(tǒng)原理框圖 2.2 無刷直流電動機及其構(gòu)成 本系統(tǒng)中使用的是方波型無刷直流電動機、它主要由電動機本體,位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分構(gòu)成、電動機本體中的定子繞組一般制成多相。如(三相)轉(zhuǎn)子由永磁材料制成、位置傳感器與電機轉(zhuǎn)子同軸連接,實時跟蹤
8、轉(zhuǎn)子的位置、當定子繞組的某相通電時,該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置信息變換成電信號,去控制電子開關(guān)線路,從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?,因而起到類似機械換向器的作用、電機中有霍爾式位置傳感器,以檢測出轉(zhuǎn)子的相對位置。 2.3 無刷直流電動機的控制電路 本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制即PWM控制。由于PWM 控制器的主回路元件工作在開關(guān)狀態(tài),因此控制器的損耗小,效率高。本系統(tǒng)中PWM 頻率為20kHz。 PWM 控制器中的逆變主回路采用脈寬調(diào)制式變換器,簡稱PWM 變換器,PWM 變換器分為不可逆和可逆兩類,在控制上又分為雙極式與
9、單極式。在可逆雙極性PWM 變換器中,R 橋的上,下兩個功率管經(jīng)常交替工作,由于功率管具有關(guān)斷時間,在這段時間內(nèi)功率管并未完全關(guān)斷,容易造成上,下兩管直通,為了避免發(fā)生這種情況,就要設(shè)置邏輯延時環(huán)節(jié)加以保護。本系統(tǒng)中的邏輯延時為500ns。 無刷直流方波電機的氣隙磁場空間分布為梯形波,為了保證無刷直流電動機的出力最大,轉(zhuǎn)矩平穩(wěn),就必須始終把載流導體處于氣隙磁密最大處,即隨著電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動,必須及時地將電流從一相切換到另一相,并且還應保證變換器在四象限內(nèi)以PWM 狀態(tài)工作,因此必須有換相控制邏輯電路。本系統(tǒng)采用的無刷直流電動機為兩兩通電方式,其換相控制邏輯電路的設(shè)計可參見參考文獻[3]。
10、驅(qū)動電路是功率電路與控制電路連接的中間環(huán)節(jié),其作用是將控制電路的輸出信號放大到足以驅(qū)動功率開關(guān)管,以使主回路功率開關(guān)管可靠地導通與關(guān)斷,同時也具有將功率電路強電與控制電路弱電隔離的作用。本文所討論的無刷直流電動機拖動控制電路在設(shè)計中,采用了智能功率驅(qū)動模塊(IPM)以適應車載雷達對體積與可靠性等的特殊要求。 本系統(tǒng)用雙極式可逆PWM 控制方式,因該控制方式具有電流一定連續(xù),可使電動機在四個象限中運行,低速平穩(wěn)性好,調(diào)速范圍寬等優(yōu)點,特別適合在靜,動態(tài)性能要求比較高的車載雷達控制系統(tǒng)中應用。 2.4 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器與RDC解調(diào)電路構(gòu)成的角位置檢測環(huán)節(jié) 本系統(tǒng)中角位置反饋信號通過正余弦無刷旋
11、轉(zhuǎn)變壓器測得,該旋變?yōu)楦呔刃C座號,低壓激勵的無刷旋變,其激磁信號為2V、2kHz,電氣誤差3。 RDC解調(diào)電路將無刷旋轉(zhuǎn)變壓器送來的含有負載位置信息的正余弦信號進行解調(diào)變換,可獲得角度位置信息,送給伺服計算機進行控制運算。另外,它還能提供負載的速度模擬信號,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入計算機進行速度環(huán)的校正運算。本設(shè)計中使用的RDC解調(diào)芯片的分辨率可方便地被用戶設(shè)成為12、14或16位,本系統(tǒng)中為16位。該解調(diào)芯片的主要電氣指標為:參考信號2V、2kHz,精度2arc min。 3 系統(tǒng)設(shè)計 3.1 對象模型的建立 由于本系統(tǒng)采用了120導通電壓型三相逆變器,任一時刻只有兩相通電,因
12、此,無刷直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與普通直流電動機的相似,如圖3-1所示。 圖3-1 無刷直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 該無刷直流電動機的參數(shù) 工作電壓為U=46V 電機兩端的電阻 電感 電勢常數(shù) 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 機電時間常數(shù) 連堵力矩2.40 峰值力矩6.918 連堵力矩時的電流5.42A 峰值力矩時的電流25.3A。 由于PWM 開關(guān)頻率為20kHz,所以PWM 控制器的傳遞函數(shù)為 系統(tǒng)中電流反饋系數(shù)為 速度由負載軸檢測,速度反饋系數(shù)為 式中:KPWM為PWM制器的電壓放大倍數(shù);Ts為PWM控制器的時間常數(shù);ufi為電流反饋電壓;ufn為轉(zhuǎn)速反饋電壓;Id為電
13、機繞阻電流;n為負載轉(zhuǎn)速。 3.2 校正設(shè)計 3.2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計計算 本設(shè)計中的電流調(diào)節(jié)器采用模擬式設(shè)計,在實際系統(tǒng)中。由于電磁時間常數(shù)TL遠小于機電時間常數(shù)Tm電流調(diào)節(jié)比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多。因而也比反電勢E的變化快得多,因此,可忽略反電勢對電流環(huán)的影響??紤]到電流反饋時間常數(shù)Toi和PWM控制器的時間常數(shù)Ts都比TL小得多。因此它們都可以當作小慣性環(huán)節(jié)來處理,即取。從希望電流環(huán)超調(diào)小$電流跟隨性能好這個角度出發(fā),應將電流環(huán)校正為典型Ⅰ型系統(tǒng)。 由于電流環(huán)的控制對象傳遞函數(shù)中具有兩個慣性環(huán)節(jié),因此,電流環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)校正時,電流調(diào)節(jié)器應采用PI調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為
14、 (1) 式中Kpi為電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù);Ti為電流調(diào)節(jié)器時間常數(shù)。 PI調(diào)節(jié)器的零點對消控制對象的大時間常數(shù)極點,即取Ti=TL=La/Ra=0.00282(s),并按工程最佳參數(shù)來選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。由于電流環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)為 (2) 式中,Ra為電機繞阻電阻。而且 (3) 故有 (4) 利用MATLAB軟件對電流環(huán)進行仿真,參見圖3-2,經(jīng)仿真最終取Kpi=11.5,得到電流環(huán)的階躍響應曲線圖3-3,由圖可見其超調(diào)很小、電流跟隨性好,并且經(jīng)仿真也可得到電流環(huán)的帶寬約為BW=800Hz
15、圖3-2 位置、速度、電流閉環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 圖3-3 電流環(huán)階躍響應曲線 3.2.2 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計計算 電流環(huán)設(shè)計好以后作為速度環(huán)內(nèi)的一個等效環(huán)節(jié),與系統(tǒng)前向通道中的積分環(huán)節(jié)串聯(lián)。就構(gòu)成了速度環(huán)的被控對象,電流環(huán)是按工程最佳參數(shù)校正的典型Ⅰ型系統(tǒng),其閉環(huán)傳遞函數(shù)應為 Ugi為電流環(huán)的給定電壓,Id為電機繞阻中電流。 由于故有速度環(huán)截止頻率總是低于電流環(huán)截止頻率,即所以,可以把電流環(huán)看成是速度環(huán)中的一個小時間常數(shù)環(huán)節(jié),可忽略項。因此,電流環(huán)的近似等效環(huán)節(jié)為 (7) 本系統(tǒng)中速度由負載軸測出,因此,必須考慮減速環(huán)節(jié)1/i(i為
16、速比)同時取,式中Ton為速度反饋時間常數(shù)。 根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時無靜差和在動態(tài)時應有較好的抗擾動性能的要求,速度環(huán)可按典型Ⅱ型系統(tǒng)校正,由于速度環(huán)的被控對象由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成,為按典型Ⅱ型系統(tǒng)校正,應采用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為 (8) 式中Kpn為速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù);Tn為速度調(diào)節(jié)器時間常數(shù)。速度環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為 (9) KN為速度環(huán)開環(huán)增益 (10) 按Mp最小準則確定調(diào)節(jié)器的參數(shù),h是系統(tǒng)的中頻段寬度,它的選取將直接影響系統(tǒng)的動態(tài)性能,本系統(tǒng)中h取5,因為此時調(diào)節(jié)時間ts和擾動恢復時間tf最短。 按以上分析可以確定速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)
17、 (11) (12) 利用MATLAB軟件對速度環(huán)進行仿真,參見圖3-2,經(jīng)仿真最終取Kpn=5,Tn=0.0365,Kpi=11.5。 圖3-4 t=0.5(s)時突加負載擾動時的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應曲線 圖3-4為無刷直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在t=0.5s時突加負載擾動時的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應曲線,從圖中可以看出系統(tǒng)的抗負載擾動性能較好。 3.2.3 位置調(diào)節(jié)器的設(shè)計計算 速度環(huán)設(shè)計好以后作為位置環(huán)內(nèi)的一個等效環(huán)節(jié),與系統(tǒng)前向通道中的積分環(huán)節(jié)串聯(lián),就構(gòu)成了位置環(huán)的被控對象。速度環(huán)是按典型Ⅱ型系統(tǒng)校正的,因此速度環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為
18、 (13) Ugn為速度環(huán)的給定電壓,n為負載轉(zhuǎn)速。式(13)中若滿足以下的近似條件,則可忽略高次項。 (14) 式中:a、b、c分別為式(13)中s3、s2、s項的系數(shù)。 由于位置環(huán)截止頻率總是低于速度環(huán)截止頻率即所以,可忽略高次項。因此速度環(huán)的近似等效環(huán)節(jié)可以為 (15) 由于位置伺服系統(tǒng)對精度有較高的要求,因此位置環(huán)必須按Ⅱ型系統(tǒng)校正。為了按典型Ⅱ型系統(tǒng)校正,應采用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為 (16) 式中:Kpp為位置調(diào)節(jié)器比例系數(shù);Tp為位置調(diào)節(jié)器時
19、間常數(shù)。 位置環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為 (17) 為位置環(huán)小時間常數(shù)之和。 KP為位置環(huán)開環(huán)增益 (18) 按MP最小準則確定調(diào)節(jié)器的參數(shù),h是系統(tǒng)的中頻段寬度,若系統(tǒng)中h取10。按以上分析可以確定位置調(diào)節(jié)器的參數(shù) (19) (20) 上述各環(huán)設(shè)計都應滿足近似條件。 利用MATLAB軟件對位置環(huán)進行仿真(如圖3-2)所示,經(jīng)仿真最終取Kpp=1.25,Tp=38,Kpn=5,Tn=0.0365,Kpi=11.5,得到圖3-5所示的位置環(huán)階躍響應曲線 圖3-5 位置環(huán)階躍響應曲線 由圖可見,其上升時間為0.05
20、s,過渡過程時間為0.15s,超調(diào)量約為7%,振蕩次數(shù)為1,其動態(tài)性能較好。 3.2.4 控制算法 PID的增量型控制算法為 (21) 式中:u(k)為第K次采樣時計算機的輸出;e(k)為第K次采樣時的偏差值;e(k-1)為K-1次采樣時的偏差值;T為采樣周期;Kp為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);為積分系數(shù);為微分系數(shù),T1為調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù);TD為調(diào)節(jié)器微分時間常數(shù)。 可將式(21)整理為如下的形式 (22) 式中 設(shè) (23) 則在計算機軟件中可采用如下的實際疊代算法 (24) 系統(tǒng)的初始值?。骸? 數(shù)字PID
21、計算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓作為電流環(huán)的給定信號。為減小系統(tǒng)超調(diào),可采用積分分離控制算法,即在控制量開始跟蹤時,取消積分作用,直到被調(diào)量接近給定值時,才使積分作用。數(shù)字PID調(diào)節(jié)器輸出數(shù)字量之前應加限幅以控制系統(tǒng)的電流。 4 結(jié)論 高性能無刷直流電動機位置伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)一般都采用位置、速度、電流閉環(huán)控制。電流環(huán)可在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中使電機定子電流跟隨其給定值的變化,保證起動或制動時電機能獲得允許的最大電流,以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能;并對電源電壓波動起抗擾作用;當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時,限制電機電流的最大值,以保護電機與控制器的安全。而轉(zhuǎn)速環(huán)則可使系統(tǒng)具有較好的抗負載
22、擾動性能。位置環(huán)則可使系統(tǒng)實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、準確的位置控制. 因此,按上述方法設(shè)計的機載雷達用無刷直流電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的控制性能與較高的動態(tài)品質(zhì)。 5 設(shè)計體會 通過這次課程設(shè)計,我較熟練的掌握了使用MATLAB 進行計算仿真開發(fā)的方法,加深了對電力拖動控制系統(tǒng)課程特別是閉環(huán)調(diào)節(jié)的理解。由于時間倉促,系統(tǒng)的校正還有許多不足之處。主要有: 1 對課程知識理解不深,很多概念都是似懂非懂。 2 對仿真軟件matlab的應用較為生疏,很多實
23、用的技巧都不知道,導致設(shè)計時間漫長,計算復雜。 3 對重要文獻的檢索能力需要加強,平時不注意搜集有關(guān)資料,書到用時方恨少。 感謝我們學校、學院為我們安排了這么好的一次設(shè)計周,在今后的學習中我會加強理論和實踐的結(jié)合,通過不斷的摸索來彌補自己在計算機仿真方面的差距。 參考文獻 1 陳伯時 自動控制系統(tǒng).北京:機械工業(yè)出版社,1981 2 歐陽黎明 MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計.北京:國防工業(yè)出版社,2001 3 王 宏 無刷直流方波電機PWM控制器的設(shè)計.現(xiàn)代雷達,2002(6):82~86 4 胡壽松 自動控制原理 第四版 科學出版社,2001 5 李友善 自動控制原理 國防工業(yè)出版社
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