电力拖动自动控制系统课程设计无刷直流电机在车载雷达拖动控制系统中的研究

课程设计名称：电力拖动自动控制系统题 目：无刷直流电机在车载雷达拖动控制系统中的研究专业：电气与控制工程学院班级：自动化04-6姓名：学号：0410180216课程设计任务书一、设计题目：无刷直流电机在车载雷达拖动控制系统中的研究二、设计任务：研究无刷直流电机在车载雷达拖动控制系统中各环节的工程设计方法。三、设计计划：通过图书馆和网络上查找有关设计任务方面的资料，通过整理完成此次设计。四、设计要求：车载雷达长期工作于高空、低温、低气压、大过载、强振动等恶劣环境中，其整机必须通过高低温、冲击、随机振动等严酷的环境试验，因此车载雷达拖动控制系统不仅要求能够实现快速、稳定、准确的角位置控制，同时也要求它体积小、重量轻、可靠性高。指 导 教师：徐建华教研室主任：吕 振时 间：2007年1月22日摘要本设计针对车载雷达用无刷直流电动机位置、转速、电流闭环电力拖动控制系统进行仿真分析，并利用仿真结果来指导实际系统的设计。设计了无刷直流电动机PWM控制器、角位置与速度检测等硬件电路以及位置、转速、电流闭环电力拖动控制系统。通过硬件和软件的合理设计，使系统获得较好的动、静态性能。关键词：车载雷达；无刷直流电动机；电力拖动控制系统目录1 概述12 硬件设计12.1 基本原理12.2 无刷支流电动机及其构成22.3 无刷支流电动机的控制电路22.4 系统角位置检测环节23 系统设计33.1 对象模型的建立33.2 校正设计33.2.1 电流环的设计计算33.2.2速度环的设计计算53.2.3位置环的设计计算63.2.4 控制算法84 结论95 设计体会106参考文献1112机载雷达用无刷支流电机驱动控制系统研究1 概述车载雷达长期工作于高空、低温、低气压、大过载、强振动等恶劣环境中，其整机必须通过高低温、冲击、随机振动等严酷的环境试验，因此车载雷达电力拖动控制系统不仅要求能够实现快速、稳定、准确的角位置控制，同时也要求它体积小、重量轻、可靠性高，而稀土永磁无刷直流电动机作为一种新型的驱动执行元件，由于采用了电子换向，其可靠性高、寿命长、并且无电火花干扰，完全能够满足车载雷达控制系统的特殊环境要求。无刷直流电动机的最大优点就是它既具备交流电动机结构简单、工作可靠、维护方便、寿命长的特点，同时也具备普通直流电动机运行效率高、转矩大、调速方便、动态性能好的优点，它综合了普通直流电动机和交流电动机的优点，是新一代电气传动的发展方向之一，采用无刷直流电动机来作为车载雷达控制系统中的电力拖动执行元件应是一种较为理想的选择。本文讨论了无刷直流电机在车载雷达拖动控制系统中各环节的工程设计方法。2 硬件设计2.1 基本原理 无刷直流电动机拖动控制系统的原理框图如图2-1所示。图2-1中的角位置命令信号与检测反馈电路测定的当前位置信号相比较，求得位置偏差信号经位置校正环节处理后，作为速度回路的给定信号，再和实际速度相比较得到速度偏差，经速度校正环节运算和D/A转换后，作为电流环的电流给定信号，它与测定的实际电流比较得到电流偏差，经电流调节器后输出到PWM 控制器中的脉宽调制器，其输出的PWM信号经换相控制逻辑电路与电机位置传感器送来的转子位置信号综合后，形成相应的触发信号，以控制功率管的开通顺序与时间，从而在电机中形成一个旋转磁场，并将天线负载拖动到所要求的位置。图2-1，无刷直流电机车载雷达拖动控制系统原理框图2.2 无刷直流电动机及其构成本系统中使用的是方波型无刷直流电动机、它主要由电动机本体，位置传感器和电子开关线路三部分构成、电动机本体中的定子绕组一般制成多相。如（三相）转子由永磁材料制成、位置传感器与电机转子同轴连接，实时跟踪转子的位置、当定子绕组的某相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置信息变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，因而起到类似机械换向器的作用、电机中有霍尔式位置传感器，以检测出转子的相对位置。2.3 无刷直流电动机的控制电路本系统采用脉宽调制即PWM控制。由于PWM 控制器的主回路元件工作在开关状态，因此控制器的损耗小，效率高。本系统中PWM 频率为20kHz。PWM 控制器中的逆变主回路采用脉宽调制式变换器，简称PWM 变换器，PWM 变换器分为不可逆和可逆两类，在控制上又分为双极式与单极式。在可逆双极性PWM 变换器中，R 桥的上，下两个功率管经常交替工作，由于功率管具有关断时间，在这段时间内功率管并未完全关断，容易造成上，下两管直通，为了避免发生这种情况，就要设置逻辑延时环节加以保护。本系统中的逻辑延时为500ns。无刷直流方波电机的气隙磁场空间分布为梯形波，为了保证无刷直流电动机的出力最大，转矩平稳，就必须始终把载流导体处于气隙磁密最大处，即随着电动机转子的转动，必须及时地将电流从一相切换到另一相，并且还应保证变换器在四象限内以PWM 状态工作，因此必须有换相控制逻辑电路。本系统采用的无刷直流电动机为两两通电方式，其换相控制逻辑电路的设计可参见参考文献3。驱动电路是功率电路与控制电路连接的中间环节，其作用是将控制电路的输出信号放大到足以驱动功率开关管，以使主回路功率开关管可靠地导通与关断，同时也具有将功率电路强电与控制电路弱电隔离的作用。本文所讨论的无刷直流电动机拖动控制电路在设计中，采用了智能功率驱动模块（IPM）以适应车载雷达对体积与可靠性等的特殊要求。本系统用双极式可逆PWM 控制方式，因该控制方式具有电流一定连续，可使电动机在四个象限中运行，低速平稳性好，调速范围宽等优点，特别适合在静，动态性能要求比较高的车载雷达控制系统中应用。2.4 无刷旋转变压器与RDC解调电路构成的角位置检测环节本系统中角位置反馈信号通过正余弦无刷旋转变压器测得，该旋变为高精度小机座号，低压激励的无刷旋变，其激磁信号为2V、2kHz，电气误差3。RDC解调电路将无刷旋转变压器送来的含有负载位置信息的正余弦信号进行解调变换，可获得角度位置信息，送给伺服计算机进行控制运算。另外，它还能提供负载的速度模拟信号，经A/D转换后送入计算机进行速度环的校正运算。本设计中使用的RDC解调芯片的分辨率可方便地被用户设成为12、14或16位，本系统中为16位。该解调芯片的主要电气指标为：参考信号2V、2kHz，精度2arc min。3 系统设计3.1 对象模型的建立由于本系统采用了120导通电压型三相逆变器，任一时刻只有两相通电，因此，无刷直流电动机的动态结构图与普通直流电动机的相似，如图3-1所示。图3-1 无刷直流电动机动态结构图该无刷直流电动机的参数工作电压为U=46V电机两端的电阻电感电势常数转矩常数机电时间常数连堵力矩2.40峰值力矩6.918连堵力矩时的电流5.42A峰值力矩时的电流25.3A。由于PWM 开关频率为20kHz，所以PWM 控制器的传递函数为系统中电流反馈系数为速度由负载轴检测，速度反馈系数为式中：KPWM为PWM制器的电压放大倍数；Ts为PWM控制器的时间常数；ufi为电流反馈电压；ufn为转速反馈电压；Id为电机绕阻电流；n为负载转速。3.2 校正设计3.2.1 电流调节器的设计计算本设计中的电流调节器采用模拟式设计，在实际系统中。由于电磁时间常数TL远小于机电时间常数Tm电流调节比转速的变化过程快得多。因而也比反电势E的变化快得多，因此，可忽略反电势对电流环的影响。考虑到电流反馈时间常数Toi和PWM控制器的时间常数Ts都比TL小得多。因此它们都可以当作小惯性环节来处理，即取。从希望电流环超调小$电流跟随性能好这个角度出发，应将电流环校正为典型型系统。由于电流环的控制对象传递函数中具有两个惯性环节，因此，电流环按典型型系统校正时，电流调节器应采用PI调节器。其传递函数为（1）式中Kpi为电流调节器比例系数；Ti为电流调节器时间常数。PI调节器的零点对消控制对象的大时间常数极点，即取Ti=TL=La/Ra=0.00282（s），并按工程最佳参数来选择调节器的参数。由于电流环开环放大倍数为（2）式中，Ra为电机绕阻电阻。而且 （3）故有 （4）利用MATLAB软件对电流环进行仿真，参见图3-2，经仿真最终取Kpi=11.5，得到电流环的阶跃响应曲线图3-3，由图可见其超调很小、电流跟随性好，并且经仿真也可得到电流环的带宽约为BW=800Hz图3-2 位置、速度、电流闭环系统仿真结构图图3-3 电流环阶跃响应曲线3.2.2 速度调节器的设计计算电流环设计好以后作为速度环内的一个等效环节，与系统前向通道中的积分环节串联。就构成了速度环的被控对象，电流环是按工程最佳参数校正的典型型系统，其闭环传递函数应为 Ugi为电流环的给定电压，Id为电机绕阻中电流。由于故有速度环截止频率总是低于电流环截止频率，即所以，可以把电流环看成是速度环中的一个小时间常数环节，可忽略项。因此，电流环的近似等效环节为（7）本系统中速度由负载轴测出，因此，必须考虑减速环节1/i（i为速比）同时取，式中Ton为速度反馈时间常数。根据调速系统在稳态时无静差和在动态时应有较好的抗扰动性能的要求，速度环可按典型型系统校正，由于速度环的被控对象由一个积分环节和一个惯性环节组成，为按典型型系统校正，应采用PI调节器，其传递函数为（8）式中Kpn为速度调节器比例系数；Tn为速度调节器时间常数。速度环开环传递函数为（9）KN为速度环开环增益（10）按Mp最小准则确定调节器的参数，h是系统的中频段宽度，它的选取将直接影响系统的动态性能，本系统中h取5，因为此时调节时间ts和扰动恢复时间tf最短。按以上分析可以确定速度调节器的参数 （11） （12）利用MATLAB软件对速度环进行仿真，参见图3-2，经仿真最终取Kpn=5，Tn=0.0365，Kpi=11.5。图3-4 t=0.5（s）时突加负载扰动时的转速动态响应曲线图3-4为无刷直流电动机双闭环调速系统在t=0.5s时突加负载扰动时的转速动态响应曲线，从图中可以看出系统的抗负载扰动性能较好。3.2.3 位置调节器的设计计算速度环设计好以后作为位置环内的一个等效环节，与系统前向通道中的积分环节串联，就构成了位置环的被控对象。速度环是按典型型系统校正的，因此速度环闭环传递函数为 （13）Ugn为速度环的给定电压，n为负载转速。式（13）中若满足以下的近似条件，则可忽略高次项。（14）式中：a、b、c分别为式（13）中s3、s2、s项的系数。由于位置环截止频率总是低于速度环截止频率即所以，可忽略高次项。因此速度环的近似等效环节可以为 （15）由于位置伺服系统对精度有较高的要求，因此位置环必须按型系统校正。为了按典型型系统校正，应采用PI调节器，其传递函数为 （16）式中：Kpp为位置调节器比例系数；Tp为位置调节器时间常数。位置环开环传递函数为 （17）为位置环小时间常数之和。KP为位置环开环增益 （18）按MP最小准则确定调节器的参数，h是系统的中频段宽度，若系统中h取10。按以上分析可以确定位置调节器的参数 （19） （20）上述各环设计都应满足近似条件。利用MATLAB软件对位置环进行仿真（如图3-2）所示，经仿真最终取Kpp=1.25，Tp=38，Kpn=5，Tn=0.0365，Kpi=11.5，得到图3-5所示的位置环阶跃响应曲线图3-5 位置环阶跃响应曲线由图可见，其上升时间为0.05s，过渡过程时间为0.15s，超调量约为7%，振荡次数为1，其动态性能较好。3.2.4 控制算法PID的增量型控制算法为 （21）式中：u（k）为第K次采样时计算机的输出；e（k）为第K次采样时的偏差值；e（k-1）为K-1次采样时的偏差值；T为采样周期；Kp为调节器的比例系数；为积分系数；为微分系数，T1为调节器积分时间常数；TD为调节器微分时间常数。可将式（21）整理为如下的形式 （22）式中 设 （23）则在计算机软件中可采用如下的实际叠代算法 （24）系统的初始值取：。数字PID计算结果经D/A转换成模拟电压作为电流环的给定信号。为减小系统超调，可采用积分分离控制算法，即在控制量开始跟踪时，取消积分作用，直到被调量接近给定值时，才使积分作用。数字PID调节器输出数字量之前应加限幅以控制系统的电流。4 结论高性能无刷直流电动机位置伺服驱动控制系统一般都采用位置、速度、电流闭环控制。电流环可在转速调节过程中使电机定子电流跟随其给定值的变化，保证起动或制动时电机能获得允许的最大电流，以提高系统的动态性能；并对电源电压波动起抗扰作用；当电机过载甚至堵转时，限制电机电流的最大值，以保护电机与控制器的安全。而转速环则可使系统具有较好的抗负载扰动性能。位置环则可使系统实现快速、稳定、准确的位置控制. 因此，按上述方法设计的机载雷达用无刷直流电动机闭环控制系统具有良好的控制性能与较高的动态品质。5 设计体会通过这次课程设计，我较熟练的掌握了使用MATLAB进行计算仿真开发的方法，加深了对电力拖动控制系统课程特别是闭环调节的理解。由于时间仓促，系统的校正还有许多不足之处。主要有：1 对课程知识理解不深，很多概念都是似懂非懂。2 对仿真软件matlab的应用较为生疏，很多实用的技巧都不知道，导致设计时间漫长，计算复杂。3 对重要文献的检索能力需要加强，平时不注意搜集有关资料，书到用时方恨少。感谢我们学校、学院为我们安排了这么好的一次设计周，在今后的学习中我会加强理论和实践的结合，通过不断的摸索来弥补自己在计算机仿真方面的差距。参考文献1 陈伯时 自动控制系统.北京：机械工业出版社，19812 欧阳黎明 MATLAB控制系统设计.北京:国防工业出版社,20013 王 宏 无刷直流方波电机PWM控制器的设计.现代雷达,2002(6):82864 胡寿松 自动控制原理 第四版 科学出版社，20015 李友善 自动控制原理 国防工业出版社