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基于分段電流控制的無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)仿真

時(shí)間:2008-03-28 11:59:00來(lái)源:lihan

導(dǎo)語(yǔ):?無(wú)刷直流電機(jī)由于體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)而得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
無(wú)刷直流電機(jī)由于體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)而得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于bldcm自身特點(diǎn)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),大大降低了其控制的準(zhǔn)確性,同時(shí),開(kāi)關(guān)管、微處理器的應(yīng)用也提高了bldcm系統(tǒng)的成本。所以,人們長(zhǎng)期關(guān)注于如何提高bldcm的控制性能和降低系統(tǒng)成本,并在工程實(shí)踐中努力達(dá)到兩者之間的平衡。文獻(xiàn)[1]中提出了電流模型數(shù)字控制bldcm的方式,避免了傳統(tǒng)數(shù)字控制方式大量的計(jì)算,從而降低了工程實(shí)現(xiàn)的難度和成本,也更適合于大規(guī)模集成電路內(nèi)嵌該種數(shù)字控制策略,在對(duì)控制精度要求不高的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。    電流模型數(shù)字控制是將bldcm看作一個(gè)純粹的數(shù)字系統(tǒng),通過(guò)比較實(shí)際速度和給定速度的大小來(lái)選擇合適的狀態(tài),來(lái)達(dá)到控制轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的目的。如果調(diào)速的范圍過(guò)大,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)必然加大,系統(tǒng)的性能受到影響。通過(guò)將調(diào)速范圍分成n段,提高速度采樣頻率,能夠有效的減小轉(zhuǎn)速波動(dòng),達(dá)到較好的控制效果。這種改進(jìn)后的電流控制,除了具有原來(lái)控制方式的優(yōu)點(diǎn)外,還具有較高的控制精度。 電流模型數(shù)字控制概述    電流模型數(shù)字控制是將bldcm作為一個(gè)只有兩個(gè)預(yù)設(shè)狀態(tài)的數(shù)字系統(tǒng)。狀態(tài)-1(s-1)和狀態(tài)-2(s-2)分別代表系統(tǒng)的高電平和低電平,相電流為系統(tǒng)的狀態(tài)變量。s-1(對(duì)應(yīng)相電流ih)作用于系統(tǒng)的效果為最高速度ωh,s-2(對(duì)應(yīng)相電流il)作用于系統(tǒng)的效果為最低速度ωl。實(shí)際轉(zhuǎn)速ω與給定轉(zhuǎn)速ω*(相比較ωl<ω*<ωh)比較后選擇合適的狀態(tài):   當(dāng)ω<ω*時(shí),選擇s-1   當(dāng)ω>ω*時(shí),選擇s-2 [align=center] 圖1 電流模型數(shù)字控制策略系統(tǒng)示意圖[/align] 如圖1所示,數(shù)字控制器在每個(gè)采樣周期內(nèi)根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定之間的關(guān)系判斷系統(tǒng)所應(yīng)處于的狀態(tài)并選擇相應(yīng)的相電流值,電流滯環(huán)控制器根據(jù)狀態(tài)變量(相電流 )的值來(lái)控制門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出,進(jìn)而控制換相電路,使主電路達(dá)到相應(yīng)的相電流值。 bldcm的電磁轉(zhuǎn)矩[2,3]為:
(1)
式中,te為電磁轉(zhuǎn)矩,ea、eb、ec為a、b、c相反電動(dòng)勢(shì),ia、ib、ic為a、b、c相相電流,kt為電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)。電流模型數(shù)字控制器選擇不同的狀態(tài),相應(yīng)的bldcm相電流值也發(fā)生改變,由式(1)可知,其產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也發(fā)生相應(yīng)的變化,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也跟著改變,相電流狀態(tài)切換與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系如圖2所示。 [align=center] 圖2 相電流狀態(tài)切換與轉(zhuǎn)速關(guān)系示意圖[/align] 圖2中電流模型數(shù)字控制器的速度采樣頻率為ω/2π,即bldcm旋轉(zhuǎn)一周電機(jī)轉(zhuǎn)速采樣一次,周期為t=t1-t0,在t1時(shí)刻,實(shí)際轉(zhuǎn)速ω>ω*,數(shù)字控制器將系統(tǒng)由s-1狀態(tài)切換為s-2狀態(tài),相電流由ih變?yōu)閕l,轉(zhuǎn)速開(kāi)始減小。令: t=t1時(shí) ω=ωmax   t=t’1時(shí) ω=ω’max      若速度采樣周期變?yōu)閠’=t’1-t0,則系統(tǒng)狀態(tài)在t=t’1時(shí)切換,由圖2可知,ωmax>ω’max,即速度采樣頻率增大則轉(zhuǎn)速波動(dòng)減小。    數(shù)字控制器設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)定 bldcm運(yùn)動(dòng)學(xué)公式為: te-tl-bω= (2) 式中,te為電磁轉(zhuǎn)矩,tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,b為阻尼系數(shù),ω為電機(jī)機(jī)械角速度,j為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。穩(wěn)態(tài)時(shí),由式(2)可得:te-tl-bω=0 (3)    由式(1)和式(3)可得轉(zhuǎn)速與電流之間的關(guān)系為:
(4)
由式(4)可知負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl一定時(shí),不同的電流值產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)速度是不同的;電流is一定時(shí)不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電流也是不同的。 當(dāng)i=ih時(shí):
(5)
當(dāng)i=il時(shí):
(6)
由(5)式和(6)式得:δω=ωh-ωl∝ih-il  (7)    由式(7)可知轉(zhuǎn)速范圍與電流范圍成正比,調(diào)速范圍增大,ih與il的差值也加大。    前面討論可知,提高電流控制轉(zhuǎn)速采樣頻率則轉(zhuǎn)速波動(dòng)減小。這就要求在極短時(shí)間內(nèi),系統(tǒng)由ih切換至il。若調(diào)速范圍比較大,則ih與il的差值就較大,由于bldcm系統(tǒng)中電感的存在,使得在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的相電流切換比較困難,因此為保證調(diào)速范圍的要求,采用分段電流控制[4]。將整個(gè)調(diào)速范圍分成n段,這樣保證在第n段轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)inh與inl差值足夠小以實(shí)現(xiàn)電流切換。將轉(zhuǎn)速ω作為變量來(lái)表示電流值i,(4)式可以寫(xiě)成:
(8)
由式(8)可知,在ωnl-ωnh范圍內(nèi),當(dāng)ω=ωnh且負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl取最大值tlmsx時(shí), is取得此范圍內(nèi)最大值inh。同時(shí),由于bldcm系統(tǒng)參數(shù)誤差等因素存在,取一定余量a,則inh為:
(9)
同理,當(dāng)ω=ωnl且負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl取最小值tlmin時(shí),is取得最小值inl:
(10)
需要按照設(shè)計(jì)要求和無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)合理的設(shè)定數(shù)值控制器參數(shù)。分段電流控制中第n段最高電流值和最低電流值差值較大時(shí),可通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速分段的大小來(lái)調(diào)節(jié)差值大小,使其符合設(shè)計(jì)要求。具體過(guò)程如圖2所示: [align=center] 圖3 控制器參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程示意圖[/align] 結(jié)語(yǔ)    電流模型數(shù)字控制無(wú)刷直流電機(jī)與傳統(tǒng)數(shù)字控制方式相比,降低了工程實(shí)現(xiàn)的難度和成本,但是轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大,限制了其應(yīng)用范圍。分段式電流控制在不增加其工程難度的情況下,很好的解決了這一問(wèn)題,仿真實(shí)驗(yàn)證明方案是有效的。但是,分段式電流控制其負(fù)載范圍過(guò)小,限制了其再更廣泛領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

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