王偉 石歡歡 劉海強(qiáng) 時洋洋

摘要

本文介紹了無刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor，BLDCM）的工作原理，分析了其換相邏輯，對電機(jī)系統(tǒng)在Proteus環(huán)境下進(jìn)行了建模和調(diào)試，在此基礎(chǔ)上對電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)的工作性能進(jìn)行了仿真和分析，并著重設(shè)計和實現(xiàn)了基于Arduino單片機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)。通過仿真結(jié)果，驗證了該電機(jī)具有良好性能，控制系統(tǒng)設(shè)計合理，具有可行性。

【關(guān)鍵詞】無刷直流電機(jī) Proteus PID算法

目前，工業(yè)上常用的電力拖動系統(tǒng)包括同步電動機(jī)、異步電動機(jī)、有刷直流電動機(jī)、無刷直流電動機(jī)等，其中交流機(jī)占主導(dǎo)地位，特別是異步電動機(jī)。但在有些領(lǐng)域上，異步電動機(jī)暴露了其自身功率因數(shù)滯后，輕載功率因數(shù)低，調(diào)速性能稍差等缺點。因此在調(diào)速性能要求較高的大型設(shè)備如乳鋼機(jī)，都采用有刷直流電動機(jī)拖動，但其存在著直流換向問題，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不方便維護(hù)維修。近年來無刷直流電動機(jī)及其控制技術(shù)發(fā)展迅猛，有效地解決了有刷直流電機(jī)的主要缺陷。無刷直流電動機(jī)取消了普通直流電電機(jī)的滑環(huán)、碳刷結(jié)構(gòu)，繞組多采用三相星形接法，轉(zhuǎn)子為永磁體，并具有檢測轉(zhuǎn)子位置的霍爾傳感器。電機(jī)具有直流電動機(jī)的所有優(yōu)點，并具有體積小、重量輕、出力大、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、啟動轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩恒定等諸多優(yōu)點。因此，BLDCM以其卓越性能，在越來越多的拖動和伺服控制場合替代現(xiàn)有的直流調(diào)速電機(jī)、變頻電機(jī)、以及異步電機(jī)等，成為性價比最高的選擇。

Proteus是英國Labbcenter公司開發(fā)的電路分析與仿真軟件，可以分析各種模擬器件和集成電路，具有模擬電路、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及外圍電路仿真功能。

1 BLDCM工作原理

無刷直流電動機(jī)作為一種典型機(jī)電一體化產(chǎn)品，由電機(jī)本體、逆變電路、控制器、及位置傳感器組成的電動機(jī)系統(tǒng)。控制器通過對位置傳感器檢測出的轉(zhuǎn)子磁極位置信號進(jìn)行邏輯整合后可以得到逆變電路各功率開關(guān)管相應(yīng)的觸發(fā)信號，從而使電源功率按邏輯分配給各相定子繞組，電機(jī)產(chǎn)生順向電磁轉(zhuǎn)矩。

無刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

每次換相過程中，電機(jī)三相繞組中會有一相繞組接電源正，另一相繞組接負(fù)，第三相繞組失電，繞組電流從接正端流入，接負(fù)端流出。通電的定子繞組會產(chǎn)生磁場，該磁場與轉(zhuǎn)子永磁體互相作用會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。理想狀態(tài)下，電磁轉(zhuǎn)矩峰值出現(xiàn)兩個磁場正交時，而在兩磁場平行時最弱，轉(zhuǎn)子會向著與定子磁場方向平行的方向轉(zhuǎn)動。因此，當(dāng)定子繞組產(chǎn)生的磁場不斷變換位置時，轉(zhuǎn)子會受到順向磁拉力的作用，從而實現(xiàn)固定方向的旋轉(zhuǎn)運動?；魻栁恢脗鞲衅餍盘枺℉A、HB、HC），通過改變逆變器功率開關(guān)管的導(dǎo)通順序，可實現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)（順時針）或反轉(zhuǎn)（逆時針）。BLDCM正轉(zhuǎn)時，在一個360°的通電周期內(nèi)，霍爾信號HA、HB、HC與逆變器功率器件（T1?T6）之間的換相邏輯和對應(yīng)的三相繞組相電壓（Ua、Ub、Uc）波形如圖2所示。電機(jī)反轉(zhuǎn)時，情況類似推理。

表1給出了Y連接兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)無刷直流電機(jī)正/反轉(zhuǎn)時的換相邏輯關(guān)系和繞組電流方向。

當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時，六只功率管的導(dǎo)通順序是：Tl、T2→T3、T2→T3、T4→T5、T3→T5、T6→Tl、T6，依次循環(huán)。在電機(jī)正轉(zhuǎn)，功率管Tl、T2導(dǎo)通時，電流從直流電源正極開始，依次流過T1管、A相繞組和C相繞組，并經(jīng)T2管流回電源地，其他功率管導(dǎo)通時情況類似。因此，根據(jù)上述邏輯關(guān)系可以得到各開關(guān)管的控制邏輯表達(dá)式如下式（1）所示。

2 開環(huán)系統(tǒng)建模與仿真

根據(jù)無刷直流電機(jī)工作原理，在Proteus環(huán)境里對無刷直流電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。Mechanical器件庫支持星形連接、三角形連接方式，本文采用星形連接方式的無刷直流電機(jī)BLDC-STAR。

根據(jù)電機(jī)仿真參數(shù)，電源選擇24VDC，主功率電路中的功率開關(guān)管選用型號為IRF540的MOSFET。電機(jī)霍爾傳感器輸出信號為HA、HB、HC，根據(jù)公式（1）采用與門、非門對霍爾信號進(jìn)行邏輯運算，將運算結(jié)果T1?T6分別接MOS管的門極，得到BLDCM開環(huán)仿真模型如圖3所示。

運行系統(tǒng)，得到電機(jī)開環(huán)轉(zhuǎn)速和相電流波形圖如圖4、5所示。根據(jù)圖4仿真波形可知，電機(jī)的開環(huán)額定轉(zhuǎn)速為730r/min，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)良好；電機(jī)起動時間和起動轉(zhuǎn)速超調(diào)在可接受范圍內(nèi)且穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速波動較小，系統(tǒng)動態(tài)性能較好。

由圖5仿真波形可知，電機(jī)的電流穩(wěn)態(tài)波形良好，波動較小且毛刺較少，啟動過程也基本平穩(wěn)。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，該電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能良好，可滿足一般運動控制系統(tǒng)要求。

3 閉環(huán)系統(tǒng)建模與仿真

BLDCM閉環(huán)控制系統(tǒng)需要用到模擬量采集，外部中斷計數(shù)，PWM輸出功能，主控芯片選擇了Arduino單片機(jī)。Arduino是一款使用AtmelAVR單片機(jī)的開放性單芯片控制器，片上含有豐富的資源，具有輸入捕獲、輸出比較、PWM模式、串行UART通信等功能，支持內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC。閉環(huán)控制還需要用到脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（Pulse Width Modulation，PWM），將模擬給定信號轉(zhuǎn)換為周期固定，占空比依模擬信號大小而變化的數(shù)字控制信號。

BLDCM有多種斬波方式，此處采用“PWM-ON”方式或“上斬下不斬”方式，即逆變橋上橋臂的三個開關(guān)管采用PWM斬波，下橋臂采用正常導(dǎo)通方式。利用Ardino的109口產(chǎn)生PWM信號，將其與控制信號Tl、T3、T5相與，從而實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，仿真模型如圖6所示。

針對于電機(jī)調(diào)速，我們采用比例積分的方式調(diào)節(jié)：

在程序中e（k）是預(yù)設(shè)速度值與實際速度值得偏差，積分項e（k-l）是本次速度偏差與上次速度偏差的差值。

在Proteus中實現(xiàn)的關(guān)鍵程序如下：

其中，給定值SetPoint是電位器分壓經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的值，原參數(shù)范圍是0?1024之間，在仿真中我們對其進(jìn)行映射為轉(zhuǎn)速0?600r/min，Pulse為仿真中實際電機(jī)轉(zhuǎn)速。

程序運算輸出值關(guān)鍵在于確定Kp與Ki，首先確定Kp的值，先不加積分環(huán)節(jié)，比較不同Kp值對電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，依照超調(diào)量不能過大、響應(yīng)時間不能過長的原則確定Kp值取值范圍，之后加上積分環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)Ki值，確定最佳的Kp和Ki值。

經(jīng)調(diào)試，Kp值設(shè)置為0.3，Ki值設(shè)置為0.15，電機(jī)響應(yīng)效果最佳。如圖7所示的是在此控制參數(shù)下，給定轉(zhuǎn)速為300時，電機(jī)實際轉(zhuǎn)速波形。分析仿真波形可知，閉環(huán)系統(tǒng)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速從0開始逐漸爬升并逐步穩(wěn)定到給定轉(zhuǎn)速300r/min，在此過程中，存在一定超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間相對較短，系統(tǒng)具有良好的轉(zhuǎn)速閉環(huán)特性，穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能良好。

4 結(jié)論

本文對無刷直流電動機(jī)的工作原理、運行方式以及閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并在Proteus中對系統(tǒng)進(jìn)行了開環(huán)控制和閉環(huán)調(diào)速仿真。經(jīng)驗證，系統(tǒng)具有良好穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，適合用于運動伺服控制系統(tǒng)。通過分析總結(jié)無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作方式、調(diào)速方法及可能遇到的問題，為下一步進(jìn)行實物設(shè)計打下了基礎(chǔ)。

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