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無刷直流電動機快速定位系統的研究

來源:稀土永磁直流力矩電機作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:7109


   摘要:介紹了一種無刷直流電動機定位控制系統,采用無刷直流電動機固有的霍爾檢測器的輸出信號,經過倍頻和辨向處理.作為位置反饋信號,不需要另外的位置反饋元件。

1引  言

   和有刷直流電動機相比,無刷直流電動機由于革除了滑動接觸機構,消除了故障的主要根源,因而在各行各業得到了廣泛的應用。特別是在各種高檔的自動門門禁控制系統中、在一些包裝機械、印刷機械的控制系統中,已經普遍使用無刷電動機驅動。在上述應用領域里,不僅需要控制速度,而且還需進行定位控制,現在普遍采用的還是“碰行程開關,然后自然停止”的定位方式,不僅定位精度低,而且定位時間長,效率低。

   針對上述酌情況,我們研制了一種基于無刷直流電動機的快速定位控制系統,采用無刷直流電動機固有的霍爾檢測器的輸出信號,經過倍頻和辨向處理,作為位置反饋信號,不需要另外的位置反饋元件,在幾乎不增加成本的情況下,大大提高了定位的精度,縮短了定位時間。目前這種快速定位系統已經成功地應用在實際工程中。

2無刷直流電動機定位控制系統的總體結構

   圖1是無刷直流電動機定位控制系統的總體結構圖。定位系統采用一片AVR單片機MEGA8作為位置控制器,位置控制器接收指令裝置發來的定位控制信號和位置反饋信號。位置反饋信號是通過對無刷直流電動機的霍爾傳感器信號進行倍頻和辨向處理后得到的。換向控制及PWM電路的主要功能是根據無刷直流電動機中霍爾傳感器的信號來完成電動機的換向控制,利用PWM技術控制電動機的轉速,從而實現平穩的定位控制。

   圖l  無刷直流電動機定位控制系統

3利用霍爾傳感器的信號完成位置反饋

   無刷直流電動機一般采用霍爾開關型的轉子位置檢測器。在這里,我們不僅要利用霍爾位置檢測器的輸出信號來完成電動機的換向控制,同時還要對這一信號進行六倍頻和辨向處理,以形成定位控制的反饋信號。如圖2所示,霍爾轉子位置傳感器輸出信號Ha、Hb、Hc在每360°電角度內給出了六個代碼,在圖2中,Ha、Hb、Hc給出的六個代碼順序是101l、100、110、010、01l、001。換相控制邏輯電路接收轉子位置傳感器的輸出信號Ha、Hb、Hc,并對其進行譯碼處理,給出電子換相器主回路(三相橋式逆變器)中六個開關管的驅動控制信號。

   圖2霍爾位置檢測器輸出信號    

前面提到的代碼出現的順序與電動機的轉動方向有關,如果轉向反了,代碼出現的順序也將倒過來。所以,換相控制邏輯電路還應當接收電動機的轉向控制信號DIR,這也是一個邏輯信號,高電平控制電動機正轉,低電乎控制電動機反轉。

   根據上式中的邏輯關系,可以得出換相控制邏輯電路。另外還可以利用H、H、H,在經過六倍頻和辨向處理以后,形成位置反饋信號,以實現定位控制。

   從圖2可以看出,霍爾位置傳感器發出H、H、H信號是三路相差120°的低頻脈沖,如果要利用其進行位置反饋,首先應當對H、H、H進行辨向和六倍頻處理,得到電機的轉動方向的信息,提高分辨率以及位置反饋的精度。

        圖3辨向和六倍頻處理電路

 Ha、H、H三路信號分別被送入D觸發器D1、D2、D3,經時鐘脈沖CP的同步后,得到了Q、Q、Q4,而Q1、Q、Q5,相對于Q、Q、Q又延遲了一個時鐘周期。圖4表示電動機正、反轉時Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0的關系。

              

(a)正轉時                                   (b)反轉時

                         圖4 Q5~Q0及同步脈沖CP的時序關系

 可以把Q5、Q、Q、Q、Q1、Q看作一組并行的二進制代碼。在圖4中,正轉時,代碼依次為110001、110011、100011、000011、000111、001111、001110、001100、011100、111100、111000、110000。反轉時,代碼依次為001101、0011l1、001011、000011、010011、110011、110010、110000、110100、111l00、101100、001100。

   從上面給出的正轉和反轉的代碼中可以看出11001l、000011、001111、001100、111100、110000這六個代碼是公共的,在正轉和反轉序列中都會出現的,暫且稱為公共代碼。110001、100011、0001l1、001110、011100、、111000這六個代碼是正轉序列中獨有的,是表示正轉特征的代碼。001101、001011、01001l、110010、110100、101100這六個代碼是反轉序列中獨有的,是表示反轉特征的代碼。

   無論在正轉脈沖序列還是在反轉脈沖序列中,公共代碼和特征代碼都是交替出現的。特征代碼持續的時間是固定的.等于同步脈沖CP的一個周期。而公共代碼持續的時間則是隨電機的轉速變化而變化的。利用這一規律可以實現辨向和六倍頻處理。

   在圖3中的倍頻辨向譯碼環節中的邏輯表達式

如下:

CPZ=Q5Q4/Q3/Q2/QlQo+Q5/Q4/Q3/Q2Q1Qo+

     /Q5/Q4/Q3Q2QlQo+/Q5/Q4Q3Q2Q1/Qo+

     /Q5Q4Q3Q2/Q1/Qo+Q5Q4Q3/Q2/Q1/Qo

CPF=/Q5/Q4Q3Q2/Q1Q0+/Q5/Q4Q3/Q2Q1Qo+

     /Q5Q4/Q3/Q2QlQo+Q5Q4/Q3/Q2Q1/Qo+

      Q5Q4/Q3Q2/Q1/Q0+Q5/Q4Q3Q2/Q1/Qo

其中,CPZ和CPF分別是正轉和反轉時的經過六倍頻的輸出脈沖,顯然CPZ和CPF的頻率與電動機的轉速成正比。

   如果無刷電動機的磁極對數p為l,那么轉子每轉過一圈,將產生六個位置反饋脈沖;如果無刷電動機的磁極對數p為2,轉子每轉過一圈,將產生12個位置反饋脈沖??紤]到傳動機構的減速作用,這樣的精度,已經可以滿足一般生產機械的定位要求。另外,還注意到,位置反饋脈沖的寬度是不變的,等于一個同步時鐘脈沖CP的周期。根據這一點,就可以利用簡單的低通濾波電路和加法電路得出與電動機轉速成正比的電壓信號,即速度反饋信號。

4快速定位控制算法的實現

   定位系統采用一片AVR單片機MEGA8作為位置控制器,位置控制器接收指令裝置發來的定位控制信號,和位置反饋脈沖信號,實現快速定位控制。

在限制電機最大加速度am的情況下,理想的快速進給定位過程如圖5所示,即應以最大的允許加速度an加速到規定的最大速度vm,并等速運動,在接近目標位置時,以同樣的減速度一am勻減速運動。

在減速階段,速度與位置偏差△e(t)的關系如下式:  (1)  (2)

式(2)的左邊應當對應于位置控制的增益,可以看出,理想的位置控制的增益應該是變化的,在越接近終點位置時,位置控制的增益應該越大。這就帶來一個問題,當接近終點時(或者跟隨誤差很小時),位置控制的增益將超過臨界值,導致系統不穩定。所以,圖5所示的那種理想的快速定位過程是很難實現的。

       圖5理想的快速進給定位過程

采用變增益的控制器可以實現準理想的定位過程。圖6所示的兩段折線的方案,就是準理想的控制器算法。

   圖6變增益定位控制

最大快速進給速度限制為vm,相應的控制信號為Cvm第一速度轉折點為Δe1,第二速度轉折點是Δe2。微處理器進行定位控制時,在不同的誤差區段采用不同的位置控制增益,軟件首先根據當前的位置誤差Δe,判斷所在的工作區域,計算Cv值。

選擇合適的控制增益Kp就可以使系統穩定工作,并且還可以做到無超調定位。    

5結語  

上面介紹了基于無刷直流電動機的定位控制系統的總體結構和主要的技術細節,我們還對這種控制系統的定位精度和定位時間進行了測試。測試裝置為絲桿滑臺機構,絲桿的螺距為2 mm,無刷直流電動機與絲桿直接相連,絲桿滑臺機構折合到電動機軸上的轉動慣量大約為23.6 kg·c㎡,無刷電動機的功率為800 W,額定轉速為2 000 r/min,磁極對數p=2。定位距離為300mm。重復實驗多次,結果十分接近:定位誤差小于0.1 mm,定位時間約為

5.8 s。

目前,我們研制的無刷電動機定位控制系統已經在某包裝機械的技術改造中獲得了成功的應用。

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