无刷控制器市场分析（共7篇）
无刷控制器市场分析 篇1
利用DSP控制直流无刷电机
摘要：介绍了一种利用双口RAM实现DSP与单片机高速数据通信的方法，给出了它们之间的接口电路以及软件实现方案。
关键词：DSP；双口RAM；接口电路；数据通信
直流无刷电机实际属于永磁同步电机，一般转子为永磁材料，随定子磁场同步转动。这种电机结构简单，而且由于移去了物理电刷，使得电磁性能可靠，维护简单，从而被广泛应用于办公自动化、家电等领域。直流无刷电机运行过程要进行两种控制，一种是转速控制，也即控制提供给定子线圈的电流；另一种是换相控制，在转子到达指定位置改变定子导通相，实现定子磁场改变，这种控制实际上实现了物理电刷的机制。因此这种电机需要有位置反馈机制，比如霍尔元件、光电码盘，或者利用梯形反电动势特点进行反电动势过零检测等。利用光电编码器的系统在软件实现上更方便。电机速度控制也是根据位置反馈信号，计算出转子速度，再利用PI或PID等控制方法，实时调整PWM占空比等来实现定子电流调节。因此，控制芯片要进行较多的计算过程。当然也有专门的直流无刷电机控制芯片；但一般来说，在大多数应用中，除了电机控制，总还需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，选用带PWM，同时又有较强数学运算功能的芯片也是一种很好的选择。Motorola的数字信号处理器DSP568xx系列整合了通用数字信号处理器快速运算功能和单片机外围丰富的特点，使得该系列特别适合于那些要求有较强的数据处理能力，同时又要有较多控制功能的应用中，对直流无刷电机的控制就是这一系列DSP的典型应用之一。
直流无刷电机结构和连接
三相直流无刷电机采用二二导通、三相六状态PWM调制方式。电机定子绕组轴向示意图如图1所示。
当电流从A到B时，定子绕组产生的磁场为图1中A－B方向，如果电机顺时针运行，此时，永磁转子磁场应位于III区，产生的扭矩最大。当转子转过III区和IV区的交界，到达IV区时，定子绕组电流应相应改变成为从A到C，即产生的磁场成为图1中A－C方向。
这样，定子磁场总超前转子磁场约90°，使转子不断的向前跟进。实现这个过程的关键是取得转子位置，积分编码器就起这个作用，如它的三路输出：PHASEA、PHASEB、PHASEC，在转子分别位于图1中的I到VI各区时，输出信号相应为：011、001、101、100、110、010。这样，通过捕捉积分编码器任一路输出上的跳变沿，读取跳变沿后的积分编码器输出状态，就可以确定转子的新位置，实现定子绕组电流换向。同时，利用定时器检测两次换向之间的时间间隔，计算出电机运行的速度，再通过调整PWM信号的占空比，调整定子电流，实现调速。
DSP568xx中使用到的主要模块
在Motorola的DSP568xx系列数字信号处理器的软件开发包中，给出了一个利用上述思路对直流无刷电机控制的应用程序：bldc_sensors。主要用到了DSP的脉宽调制PWM模块、定时器模块、相位检测器DECODER模块。
PWM模块共有六路输出，分别用来控制三相的顶底共六个功率管。
模块可以被配置成互补通道模式，即PWM0与PWM1为一对互补对，共三对互补对，如图2所示。互补对内的两个信号可以在芯片内部被互相交换，如图2中C相所示；也可以同时被屏蔽，使得输出全为0，该相就关断，如图2中A相所示。
定时器模块是最普通的外设，在这个应用中，使用了5个定时器模块，它们分别是A0、A1、A2、A3和D0。前3个分别接积分编码器的一路输出，利用它们的输入捕捉功能，产生中断，在中断子程序内检测新的积分编码器输出状态，实现换相。A3接的也是积分编码器的一路输出，它用来测量某路霍尔信号两个跳变沿间的时间间隔，计算转子速度。D0用来产生20ms间隔的节拍，周期性的对系统状态进行转换和检测。
相位检测器DECODER模块对于电机控制非常有用，它不仅能用于本文所说的六状态积分编码器，还能用于转子每转一圈产生相当多数目脉冲的积分编码器。该模块框图如图3所示。
但在本应用中，只用到了它的干扰信号滤波器，即使用了积分编码器的三路输出经过滤波后的值。六状态积分编码器的三个输出PHASEA、PHASEB、PHASEC分别接到相位检测器的PHASEA、PHASEB、INDEX三个输入端上。
控制算法
对于无刷直流电机的控制，软件上的内容是主体。
程序是一种前后台结构，前台是一个死循环，死循环内作两个工作，一个是程序状态转换ApplicationStateMachine，另一个是20ms时钟节拍触发的LED控制、直流电压数字值读取和速度控制等服务性工作ServiceLedISR()。程序中有一个全局变量ApplicationMode，取值可以是Init、Stopped、Running和Fault，用来指示系统的状态。main()函数一开始在初始化函数Initialize()中先把系统状态设置为Init，然后在程序状态机ApplicationStateMachine()里实现如图4所示的转换。
状态之间转换的各种条件均标在图4的各个箭头上。硬件上的其他事件：定时器A0、A1、A2的输入捕捉，A3的输入捕捉和溢出，D0的输出比较以及加减速按键都是通过中断的方式打入。所以整个软件的结构如图5所示。
系统一加电，程序进入初始化函数Initialize()，在这个函数中，做了以下工作：
◆启动直流电压ADC；
◆初始化Led，开始20ms的周期时钟中断D0；
◆开关状态初始化；
◆PWM参数初始化；
◆捕捉积分编码器跳变沿的定时器A0、A1、A2初始化；
◆相位检测器初始化；
◆ApplicationMode=Init；
◆取得转子位置，设好初始的导通相；
◆PI控制器初始化；
◆用于测量转速的定时器A3的初始化。
从Initialize()返回后，立刻进入前台死循环。
在转子运行过程中，定时器A0、A1、A2输入捕捉的发生，标志着转子运行到了一个需要换相的位置。输入捕捉事件触发中断ISRQTimer()，在这个中断服务程序中，完成以下的工作：
◆从相位检测器取得当前积分编码器的三路输出状态；
◆根据当前积分编码器输出状态，判断转子运转方向；
◆并调整PWM模块的.交换和屏蔽，即定子电流换相。
所以说，定子电流的换相，是在紧随着积分编码器输出跳变沿的中断服务子程序中完成的。在判断转子运转方向的时候，使用了一个常数组：DIRECTION_TABLE[8]={0,5,3,1,6,4,2,0}。这个数组元素的下标和元素的值对应转子在顺时针运转情况下，当前编码器状态和下一个编码器状态（见图1）。比如，当前编码器输出011，转子磁场位于I区，那么顺时针运转时，下一个编码器状态应为001，这正好对应于上述数组中，下标为011的元素值为001。这样，通过比较以编码器上一个状态作为下标的数组元素值与当前状态是否相同，就可以判断转子运转方向。在实现定子电流换相时，也以当前状态为下标，从专门数组中取得PWM模块通道交换与屏蔽所需的参数。在本应用中，将三对PWM互补通道对的参数设成一致，通过屏蔽某一相，交换另外一相，实现定子绕组电流状态的控制，如在图2中，A相被屏蔽，B相顶功率管开关占空比为70％，而将C相两个PWM通道交换，C相的底功率管开关占空比就由原来的30％成为70％，从而使电流由B相流入定子绕组而从C相流出，确定定子绕组B－>C的电流状态。
积分编码器的某一路输出，比如PHASEC的跳变，还触发了定时器A3的输入捕捉中断。在输入捕捉中断中，取得各个跳变沿之间的时间间隔，用来计算转子速度。定时器A3的溢出中断，也是为取得各个跳变沿之间的时间间隔服务。
在Initialize()函数中调用的LedInit()函数内部已经将定时器D0进行了初始化，所以从那时开始，定时器D0开始运行，每20ms产生一个中断，触发中断服务子程序LedISR()的运行。在LedISR()中，只是设了一个标志位bLedISROccurred为真。但这会使得死循环内ServiceLedISR()函数的具体内容被执行，而不是直接返回。ServiceLedISR()函数的具体代码完成以下工作：
◆Led闪烁周期计算和控制；
◆UpButton、DownButton按键延时控制；
◆从ADC读取直流电压值并重启ADC；
◆取得一路积分编码器的跳变沿间隔并计算速度，进行速度控制。
所以，转子运转的速度控制是在几乎每20ms周期的ServiceLedISR()内完成。
加减速按键也触发中断，在中断服务子程序内，调用相应函数，实现系统设定速度的改变。
结束语
Motorola的数字信号处理器DSP568xx系列凭借着较强的数据处理能力和强大丰富的外围，尤其是相位检测器、脉宽调制等模块，非常适用于直流无刷电机控制这样的实时应用中。前后台方式的控制算法，反应速度快，代码量少，在直流无刷电机等控制过程不很复杂，但对于实时性要求较高的场合，有比较好的特性。
无刷控制器市场分析 篇2
无刷直流电机 (BLDCM) 不需要机械电刷, 这样就会消除机械电刷带来的负面效果, 而且它还具有质量小、规格小、惯量小、效率高和控制精度高等优点, 并保留了普通直流电动机优良的机械特性, 故被广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域[1,2]。MATLAB是一种强大的建模仿真软件, 本文借助它的仿真能力, 并运用MATLAB/Simulink中的相关模块元件与S-function模块建立了BLDCM控制系统的仿真模型, 并通过试验观察系统的各项输出参数波形, 同时人为地改变系统的仿真结构并对参数进行另设, 由此对系统在不同仿真结构与不同参数下的动、静态特性进行对比研究[3,4]。
1 BLDCM的数学模型
为了方便分析系统的动、静态特性, 以两相导通星形三相六状态为例, 假定以下条件成立: (1) 电机的气隙磁场为方波, 三相绕组完全对称, 同时定子电流、转子磁场分布也都对称[5,6]; (2) 忽略电机的齿槽、换相过程和电枢反应等的影响; (3) 电机的电枢绕组在定子内表面均匀连续分布; (4) 磁路不饱和, 不计涡流和磁滞损耗。
在以上假定条件下, 根据BLDCM的机械特性, 可建立电机的状态方程及电机的等效电路。
1.1 BLDCM的电压状态方程
BLDCM的电压平衡状态方程如下:
其中:ua, ub, uc为三相定子电压, V;Ra, Rb, Rc为三相定子绕组的相电阻, Ω;ia, ib, ic为电机定子相电流, A;La, Lb, Lc为电机定子自感, H;Lab, Lac, Lba, Lbc, Lca, Lcb为电机定子绕组之间的互感, H;p为微分算子d/dt;ea, eb, ec为电机定子的反电动势, V。
通过了解无刷直流电机的结构, 并假定电机的三相绕组是完全对称的, 那么就会有以下关系:
在三相对称的电机中, ia+ib+ic=0, 同时Mib+Mic=-Mia, 所以可将式 (1) 变换为:
1.2 BLDCM的转矩方程
BLDCM的电磁转矩方程可表示为:
其中:Te为电磁转矩, N·m;ω为电机的角速度, rad/s。无刷直流电机的运动方程为:
其中:TL为负载转矩, N·m;B为阻尼系数, N·m·s/rad;J为电机的转动惯量, kg·m2。
1.3 BLDCM的状态方程
由电机的电压方程, 可得其状态方程:
1.4 BLDCM的等效电路
根据式 (2) 的电压方程, 可以用图1的等效电路图表示电机。
2 BLDCM控制系统仿真模型的建立[7,8,9]
2.1 BLDCM控制系统模块
在MATLAB 7.0的Simulink环境下, 建立BLDCM控制系统的结构框图, 如图2所示。其中, θ为角位移, Iar, Ibr, Icr为参考电流, Is为给定电流。
本文的BLDCM控制系统采用转速PID、电流迟滞同时作用的双闭环控制方案。通过对图2的分析可以将整体模块分为电机本体模块 (见图3) 、电机速度模块 (见图4) 、转矩计算模块 (见图5) 。
2.2 S函数部分子程序
(1) 参考电流子程序如下:
(2) 位置检测子程序如下:
(3) 反电动势子程序如下:
3 仿真结果分析
对仿真系统的参数进行如下设置:绕组电阻R=1Ω, 电机的互感M=-0.061 H, 电机的自感L=0.02H, 电机的转动惯量J=0.005kg·m2, 电机的阻尼系数B=0.000 2 N·m·s/rad, 电机的反电动势系数Ke=0.185 V·s/rad, 极对数P=1, 额定转速n=1 000r/min, 峰值电流35A, 220V直流电源。
图6为仿真得到的电机转速图, 初始时不加负载启动, 在电机达到稳定状态后, 在t=1s时突然加入负载TL=2.5N·m, 然后再在t=3s时突然撤去负载。
图7为三相反电动势波形图, 图8为电机运行过程中的转矩响应波形图。
4 结论
本文基于对BLDCM数学模型的分析, 在MAT-LAB仿真软件下构建了BLDCM的双闭环仿真模型, 由系统输出的转速图、反电动势图与转矩图可以看出此系统能够稳定运行, 具有很好的静、动态特性。
参考文献
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无轴承无刷直流电机的运行控制 篇3
【关键词】电机；无轴承；无刷直流
1.无轴承无刷直流电机概况
在了解无轴承无刷直流电机的运行控制策略前需要先对其基本组成、结构和工作原理有一个整体的认知。
1.1基本组成
无轴承无刷直流电机是基于磁轴承电机和无刷直流电机的结合体，悬浮力绕组直接安装在定子磁轭中，悬浮力绕组和转矩绕组一起共用一个定子，从而达到转速快、无磨损和无需励磁、高效可靠的目的。其组成部分包括控制器、转子角位置传感器、径向位移传感器和电机本体等，其中控制器又包括了逆变器及其控制和驱动电路，它所起的作用是根据转子角位置及径向位移信号经数字处理器运算后驱动电机运行；转子角位置传感器的功能是测量转子的位置信号，并将信号经滤波放大后传给控制器，基于此实现电机的电子换向和电流常数的选择；径向位移传感器的主要作用是测量转子的径向位移，并经滤波放大后传回给控制器经处理后将转子拉回轴心。
1.2本体结构
无轴承无刷直流电机的本体构成包括了定子磁轭、定子齿、转矩绕组、悬浮力绕组、永磁体、转子铁芯和转轴。定子磁轭呈圆筒形状，在内部套有转轴，在转轴外部套有转子铁芯，在转子铁芯的表面上均匀的分布着永磁体，定子磁轭、转轴和转子铁芯三者在同一个轴子上，另有12个定子齿均匀固定在定子磁轭的内圆周面上，悬浮力绕组和转矩绕组则缠绕在定子齿上；转矩绕组由三相转矩绕组组成，采用短矩集中绕组，每相转矩绕组由四个线圈组成；悬浮力绕组由三相悬浮力绕组组成，采用短矩集中绕组，每相悬浮力绕组由两个线圈组成。
1.3工作原理
无轴承无刷直流电机处于工作状态的时候，转子是呈逆时针方向旋转的，三相转矩绕组通电的顺序是由转子角位置决定的，在转矩绕组通电的时候，同齿的悬浮力绕组是不通电的，承受转子的的力量主要来自于另外两个悬浮力绕组通电时产生的可控制悬浮力，由于集中绕组的互感很小，可以通过在电机绕组布置上实现转矩与悬浮力之间的解耦，有效降低控制系统复杂程度和节约控制的成本。
2.无轴承无刷直流电机特征
无轴承无刷直流电机兼具了无轴承电机和无刷直流电机两者优越的特征，在实际工程应用有着独特的价值，以下主要介绍了其几点特征。
2.1效率高
一方面，这种电机的无刷直流设计主要是采用永磁体做为转子，永磁体的特性使得它所产生的磁场是恒定的，不会发生忽大忽小的变化，基于这个特点它本身就具有很高的运行效率；另一方面，采用悬浮绕组结构提供悬浮力可以避免采用轴承时产生的机械摩擦力，可以腾出更多的轴向空间，大幅度减少能力的损耗，这些结构特点都大大地提高了电机运行的效率，并且为电动机更高的临界转速提供了可能性。
2.2控制操作便捷
电机在一个电磁周期内会有6个关键位置信号，检测到这些关键位置信号之后，就可以通过控制无轴承无刷直流电机转矩绕组从而实现对电机的控制。最近几年来，市场有研发出了更加专业的控制芯片，通过对这些芯片的应用可以大幅降低控制成本，操作也越来越方便简单。
2.3机械噪声小、使用寿命长、养护方便
无轴承无刷直流电机的结构设计中没有安装机械电刷，在使用的过程不会因为机械在转向的时候产生噪音、火花，也避免了由于换向摩擦给电机带来的磨损；无轴承的设计结构也可以避免摩擦、磨损，不需要定期更换碳刷、不需要经常润滑，维修养护起来比较简单方便，同时也延长了使用的寿命。
3.无轴承无刷直流电机的运行控制技术策略
无轴承无刷直流电机的控制方法概括起来讲是分别对转矩绕组和悬浮绕组进行控制，然后总过解耦的技术手段将两者组合起来。对转矩绕组和悬浮绕组的控制可以采用不同的控制方法，在实际应用中，还是以PID控制方法比较常见，具体控制策略如下。
3.1直接转矩控制策略
直接转矩控制方法，它是指直接在定子坐标系下对电机的链条、转矩进行观测，并将观测值记录下来跟设定值进行比较，得到一个差值后，这个差值会通过滞环比较器对电机发出控制信号，最后再根据当前的磁链状态确定对电压空间矢量的选择，从而来达到直接控制电机转矩的目的。这种技术控制策略已经有很长的应用历史，发展到现在其技术是相对比较成熟的了。但是转矩控制策略既它的优点也有它的缺点。
（1）优点。它不需用到旋转坐标系，可以省去对矢量旋转变换进行计算的复杂环节，且电机参数不会对其产生太大的影响；对转矩进行直接的控制，控制模型的建立不会太复杂，而且可以动态响应速度比较快；对电机本体、逆变器和开关的模式进行了全面的优化，处理信号相对比较便捷。
（2）缺点。首先，无轴承无刷直流电机的磁场是呈非正弦分布特征的，因此也带来了一些问题。该种电机的反电势呈梯形波分布，一般比较匹配的电流波形为矩形，定子和转子的磁势也是呈非正弦分布特征，电枢的反应磁场和永磁体磁场的旋转方式是不一样的，前者呈跳跃式旋转，后者呈连续旋转，因此相对来说最终合成的磁场要比正弦分布磁场复杂的多。其次，关断相带来的问题。无轴承无刷直流电机是二二导通的，无论什么时刻都会有一个关断相的存在。在关断相反电势处于梯形波的斜坡阶段，它的电压是浮动的，是一个变量，所以正是这个变量的存在，才使得在计算电压空间的时候增加了难度。就算是保持逆变器的开关状态始终处于开关状态，电压空间矢量的幅度、位置也会随时间发生变化，这也是导致对转矩进行直接控制的关键原因。
3.2电机悬浮绕组控制策略
通过采用电机悬浮绕组的方法可以实现对无轴承无刷直流电机进行独立控制，悬浮绕组由永磁体组成，可以提供支撑力。在转子悬浮控制系统中，转子径向位置的横向轴和纵向轴是处于相互垂直状态的，用气隙传感器探测转子径向位置和参考值，得出的差别用积分微分控制器来调节产生悬浮力参考值，根据悬浮力与转子电流之间的关系和坐标的变化可以得到电流参考值，通过2/3坐标变化得到悬浮绕组的电流参考值，通过电流调节器控制悬浮力的电流，最终实现对电机运行的控制。
3.3数字系统控制策略
无轴承无刷直流电机数字系统控制策略，其組成包括了硬件系统和软件系统，通过对硬件和软件的应用来共同完成对电机控制的所有工作，包括测量电机运行过程的各项信号，对这些信号进行滤波处理、整流信号产生和处理的顺序，并采用核心算法完成对信号的驱动。这里的硬件主要有电机本体、位移和速度传感器、逆变器控制电路板、DSP数字控制电路板及接口电路。软件系统主要是应用转子磁场定向控制策略，包括速度计角度计算子程序、转速环调节子程序、坐标变换子程序、A/D转换子程序、位置环调节子程序及PWM子程序。在该控制系统中，电机转速和电流的监测是实现闭环控制的决定性条件，把这两者的数值精确地采集到DSP控制器中就能实现系统整体性能的提高。
4.结束语
无轴承无刷直流电机在我国发展的时间比较晚，虽然这种电机在生产活动中已经得到了广泛的应用，但是关于控制技术策略方面的研究还不够深入，特别是对关键技术难点的研究。本文在分析了电机系统构成和工作原理的基础上，提出了电机运行控制的策略：转矩控制策略和悬浮绕组控制策略，希望对无轴承无刷直流电机的运行控制应用能起到指导作用。 [科]
【参考文献】
[1]张琛.直流无刷电动机原理及应用[J].微电机，2012（37）：25.
[2]贾磊.无轴承无刷直流电机原理与控制技术[J].机电产品开发与创新，2011（21）：87.
无刷控制器市场分析 篇4
永磁无刷直流电动机(BLDCM)是一种典型的机电一体化电机,除了有普通直流电机调试性能好、调速范围宽和调速方式简单的特点外,还有功率因素高、转动惯量小、运行效率高等优点。特别是由于它不存在机械换相器与电刷,大大地减少了换相火花,机械磨损和机械噪声[1],因而无刷直流电机的应用范围相当广泛。同时,现代电力电子技术和永磁材料的发展又为其发展提供了基础,因此BLDCM具有很强的生命力和发展前途。
对于BLDCM的控制方式可以分为两种:有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。典型的有位置传感器控制方式是使用霍尔传感器控制方式,无位置传感器控制方式作为一种新的控制方式,其中有:如反电势法、电感法、三次谐波法、状态观测器法等[2]。反电动势控制方法线路简单,技术成熟成本低,但也存在一些缺点,如:电压比较器对被检测信号中的毛刺,噪声敏感;滤波器的实际延时角度随电机转速而变,需要根据不同转速做相应补偿等。本文采用反电动势控制方法,以直流无刷稀土电机为研究对象,设计了驱动控制电路和反电势过零检测电路,提高了系统工作时的安全性和稳定性。
1 控制系统总体设计
控制系统原理如图1所示。主要由无传感器无刷直流电机、反电势过零检测电路、电流检测电路驱动逆变电路和以Atmega64为核心的MCU控制器等5部分组成。Atmega64芯片具有较高的信号处理速度和较强的稳定性,可以实现电机高精度、高效率的全数字控制,且控制灵活,抗干扰能力强。
由于驱动器采用三相逆变桥,为了使电机的出力达到最大,逆变桥的换向时刻与转子的磁极位置应保持对应关系[3]。当转子磁极采用纺锤形转子形状时,其反电势波形为正弦波,表达式为e=kωsin(pθ),其中p为极对数。而且电机中A、B、C三相是对称的,它们的反电动势只在相位上依次落后120度[4]。转子位置与反电动势关系如图2和图3所示。
由此得出反电动势法控制规律的重要结论为:通过测量反电动势获取转子位置信号,并不是测量反电动势大小,而是反电动势的过零点信号,反电动势出现过零点后再延时30度就是转子电流下一次换相时刻[5]。但反电动势无法直接测量得到,可通过测量电机端电压来间接获取电机反电动势。
2 控制系统硬件设计
2.1 功率主回路电路
本系统主回路电路采用常规的六开关管逆变电路,由六个MOSFET管组成,上桥臂的独立电源通过IR2130的自举电路产生,下桥臂直接由IR2130驱动。各个MOSFET的栅极之间并联一个15 V的稳压管,用以防止MOSFET的栅源电压过大而损坏MOS管。
2.2 驱动电路
本系统采用美国国际整流器公司生产的专用驱动芯片IR2130对由六个MOSFET管组成的逆变电路进行驱动,IR2130是一种高压浮动MOS栅极驱动集成电路,该驱动芯片内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络, 使用户可方便的用来保护被驱动的功率管。功率开关管驱动电路的原理如图4 所示。
图4中C1是自举电容,为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量,D1的作用防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏, 因此D1应有足够的反向耐压,当然由于D1与C1串联,为了满足主电路功率管开关频率的要求,D1应选快速恢复二极管。R1和R2是MOSFET的门极驱动电阻,一般可采用十几欧到几十欧。R3和R4组成过流检测电路,其中R3是过流取样电阻,R4是作为分压用的可调电阻。
IR2130的HIN1～HIN3、LIN1～LIN3作为功率管的输入驱动信号与MCU连接,由MCU控制产生PWM 控制信号的输入,FAULT与MCU外部中断引脚连接, 由MCU中断程序来处理故障。
2.3 反电势过零检测电路
由于没有位置传感器,而在电机运转过程中又需要控制电机转子的位置信号,所以需要设计一个转子位置信号的检测电路,再通过软件的方法间接获得。反电势过零检测电路用于测取电机反电动势过零点信息从而获得转子位置,而且是通过检测电机的端电压来实现的。电路设计如图5所示。
电机转子的端电压信号经电阻R1,R2,R3分压, 再经JFET管Q1,Q2,Q3限流后, 得到的信号再与零点比较,把得到方波信号输入到微处理器的中断捕捉口,根据捕捉到的反电势过零点信号控制电机换相。
当通过直流无刷电机的端电压来检测转子位置时,脉宽调制(PWM)的方式对电机的端电压和电流有直接影响。电机端电压与反电势的关系如图6。当采用120度导电模式时,正弦反电势在过零点时,该相没有受到端电压的作用(即悬空)正好为反电势过零点检测提供了便利。当某相变为悬浮状态时,悬浮相的相电压等于电机旋转而产生的反电势。由于 PWM的电压调制作用,使主回路中产生了大量的高次谐波,可以在软件程序中通过选取采样点的方法,采集到准确的过零信号,由此便不必设置滤波器,同时也免去了过零信号有相位差的问题。
2.4 电流检测电路
电流检测通常有采用电阻采样、采用霍尔电流检测器(LEM模块)采样以及采用电流互感器采样三种方式,由于LEM模块以及电流互感器成本较高,本系统采用在大功率精密采样电阻作为电流传感器对直流母线电流进行采样。采用电阻为0.1 Ω,3 W,1%的精密电阻,一方面,由于本电机驱动系统为单极性电源供电,无法输出负电压值;另一方面Atmega64的ADC模块工作在单边方式,所以需要采用电压提升的办法,将运放输出范围提升为(0-2.5 V)。
3 控制系统软件设计及实验结果
本控制系统软件如图7,主要包括系统主程序和“反电势法”无传感器运行程序。其中,系统主程序包括初始化,转子零初试位置启动,运行子程序的调用。 “反电势法”无传感器运行程序包括位置信号提取,换相逻辑判断以及速度电流闭环控制。
4 结 语
实验证明,采用以上分析设计的控制方案控制直流无刷稀土电机实现了反电动势法无传感器控制方式,并具有高灵敏性和高可靠性。同时, 系统可以很方便地通过SCI 接口的扩展能力与上位机进行通讯, 组成多机系统结构。
参考文献
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[4]王鸿.反电动势法永磁直流无刷电机控制系统设计.电子技术,2009;17(1):33—35
无刷控制器市场分析 篇5
滑模变结构控制具有响应快速、控制精度高及物理实现简单等特点, 但是其存在抖振现象, 影响了控制系统的平稳性和稳态精度, 在系统中突加负载后, 存在明显的静差[1]。大量研究对传统滑模控制方法进行改进以消除抖振, 提出如边界层方法、滑模控制器后加积分环节、动态滑模控制等方法, 但这些方法都需要在系统的跟踪精度和鲁棒性之间折衷[2]。反演控制方法是一种非线性的控制方法, 其在交流电动机调速系统中的应用日益普遍。反演控制通过引入虚拟的控制量, 将复杂的非线性系统分解为简单和阶数更低的系统, 然后选择适当的Lypunov函数来保证系统的稳定性, 并逐步导出最终的控制律及参数自适应律, 实现对系统的有效控制。利用反演算法设计控制器具有很高的灵活性和鲁棒性, 尤其对于非线性系统的控制器的设计很有效。
本文将积分反演自适应滑模变结构控制和模糊控制相结合, 设计了一种积分反演自适应模糊滑模控制器:1在设计滑模面时引入积分项, 这样只需知道被跟踪信号即可, 消除了滑模控制中被跟踪信号的一阶及高阶导数已知的假设, 同时使跟定速度实现了无静差跟踪。2引入自适应控制。自适应控制不需知道参数的界, 利用自适应律对系统参数进行在线辨识, 并以此来改变控制器的控制参数, 使控制系统对参数变化具有抗干扰能力, 且自适应律是连续的, 从而也减弱了系统的抖振。3针对滑模控制中切换控制律的控制增益, 用模糊控制进行估计, 实现了增益在线调整, 达到了减小抖振的效果。 4趋近方法中趋近律的设计对于减小抖振也很重要。设计滑模变结构控制律时常用的趋近律包括等速趋近律、指数趋近律、幂次趋近律、一般趋近律等4种, 但这些趋近律各有缺点, 因此, 本文重新设计了趋近律[3]。
将积分反演模糊滑模控制方法应用到无刷直流电动机 (Brushless Direct Current Motor, BLDCM) 调速系统中, 并与PID控制方法进行了比较, 仿真结果表明, 系统采用积分反演滑模自适应控制后, 具有更好的控制性能及更强的抗干扰性。
1 BLDCM系统描述
以两相导通星形三相六状态为例, 分析BLDCM的数学模型及电磁转矩特性。假设电动机磁路不饱和, 不计涡流和磁滞损耗, 三相绕组完全对称, 忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响, 且反电势波形为120电角度的梯形波[4], 则三相绕组的电压平衡方程式为
式中:Ua, Ub, Uc为电动机三相绕组的相电压;R为绕组电阻;ia, ib, ic为电动机三相绕组的相电流;L= Ls-M, 其中Ls为三相绕组的自感, M为绕组间的互感;Ea, Eb, Ec为电动机三相绕组的相反电动势。
永磁无刷直流电动机的电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用而产生的。定子绕组产生的电磁转矩为
式中:ω 为电动机机械角速度。
当电动机运行在120°导通模式下时, 不考虑换相的暂过程, 三相Y形接线的定子绕组中只有两相是导通的, 其电流大小相等、方向相反, 因此, 式 (2) 可以化简为
式中:KT为转矩系数;i为电枢绕组电流。
机械运动方程为
式中:J为转动惯量;ωm为电动机转动的角速度; B为阻尼系数;TL为负载转矩。
忽略无刷电动机绕组中因换向引起的电流波动以及二极管的压降和续流, 同时把电动机看成一个整体, 则BLDCM的电压平衡方程式可表示为
式中:U为电动机绕组端头的电压值;ra和La分别为电枢绕组的电阻和电感;ke为反电动势系数。
根据式 (3) —式 (5) 及BLDCM原理, 推导出BLDCM的二阶动力学模型, 设状态变量x1=ω, 为ω 的一阶导数, 则状态方程为[5]
2积分反演自适应模糊滑模控制器设计
积分反演自适应模糊滑模控制器的设计包括积分反演自适应滑模控制器和模糊控制器2个部分。 设计反演自适应滑模控制器的基本思想:将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统, 然后为子系统分别设计Lyapunov函数和中间虚拟控制量, 采用反向递推的思路, 利用中间虚拟控制量, 将一个已知的Lyapunov函数的镇定函数与系统状态的变化以及参数的调节联系起来, 实现系统在Lyapunov意义下的渐近稳定, 从而推导出控制律函数, 实现系统的高精度控制, 完成控制器的设计。模糊控制器设计:设计模糊系统来逼近系统中的不确定函数, 并设计模糊系统的参数自适应律, 使模糊系统的参数能够随被控对象参数的变化而自动调节, 从而实现控制系统的控制目标。BLDCM控制原理如图1所示。
2.1积分反演自适应滑模控制器设计
为了便于推导证明, 设BLDCM的二阶非线性系统模型为[4]
式中:为不确定项;为系统输入;d (t) 表示系统的外部干扰。
将式 (7) 改写为其中 Δf (x) , Δβ分别表示系统建模时的不确定部分。
设计一个跟踪器使被控对象的期望输出值即给定值和被控对象的实际输出值之间的误差为零, 即其中ωd为电动机转速的给定值, 即期望输出值, ωr为电动机实际转速的输出值。
跟踪器设计步骤:
(1) 定义跟踪误 差z1=x1-xd, 则定义Lyapunov函数为
定义其中c1为正常数, z2为虚拟控制项，设计积分切换函数:
式中:k0, k1为大于零的常数。
由于则
式中:k1+c1为大于零的常数。
(2) 设计Lyapunov函数:
设计Lyapunov函数:
式中:为估计误差, 即估计值与F之间的误差;γ为正常数。
则
设计控制律:
式中:η为保证系统运动达到滑模面的切换增益; h为趋近律参数。
设置η的目的是为了消除系统不确定性的影响。η设置得过大会使系统的抖振过大, 设置得过小则达不到抗干扰的效果, 所以本文在2.2节提出了设置模糊切换增益的方法。
自适应律为
将式 (13) 和式 (14) 代入式 (12) , 得
可得
保证Q为正定的 条件为通过选取h, c1, k1的值, 即可保证︱Q︱为大于零 的数, 从而保证Q为正定的。
2.2模糊控制器
滑模控制律可表示为u=ueq+usw, 其中ueq表示等效控制, usw表示切换控制。为了获得更好的控制效果, 提高控制精度, 减小滑模控制过程中的抖振, 切换控制律中的切换增益的选取很重要。但由于干扰是未知量, 很难确定, 在实际应用中往往是根据设计者的经验来设定切换增益, 这样设计出来的控制器就比较保守。如果切换增益选得太大, 会产生很大的抖振;如果切换增益选得过小, 则会造成系统不稳定。
分析系统相平面可得, 系统运动点到滑模面的距离为对其求导可得点靠近滑模面的速度, 系统的相点通过滑模面速度直接影响系统的抖振程度。因此, 在相点接近滑模面时要尽量减小通过速度, 当相点离滑模面较远时, 应尽量增大切换控制律的切换增益, 这样可以保证系统的鲁棒性和可达性[6]。根据以上分析, 选择s, 作为模糊控制系统的输入, 输入论域为[-15 15], 输出量 Δη的论域为[-1.5 1.5], 语言变量取{NB, NM, NM, ZE, PS, PM, PB}。模糊输入及模糊输出的隶属度函数分别如图2、图3所示。
进行模糊推理时, 采用2个输入、1个输出的二维模糊控制器结构。模糊控制设计规则:1保证滑模存在且到达条件成立;2在相点离滑模面较远时, 取较大的切换控制幅值;而在相点距滑模面较近时, 取较小的切换控制幅值, 以尽量减小相轨迹穿越滑模面s=0的速度。
去模糊化时采用重心法, 以隶属度为加权系数求出加权平均值, 并以此作为控制输出的 精确量。采用积分法对的上界进行估计:
式中:G为比例系数, 是正常数。
控制律最终可表示为
2.3趋近律优化
为了获得更好的调节特性, 重新设计趋近律。 研究表明, 通过调整趋近律的参数h, 会导致滑动模态到达滑模面过程的动态品质与高频抖振之间的矛盾。通过研究, 结合幂次趋近律得出新的趋近律, 其中σ2σ 起平滑作用, kσ 保证了趋近速度。新的控制律可表示为
3仿真研究
为了验证积分反演模糊滑模控制方法的有效性, 在Matlab/Simulink平台搭建BLDCM调速系统进行仿真。系统参数设置:J=0.000 3kg·m2, B=0.000 1, KT=0.93N·m/A, L=0.006, ke= 0.95V/ (rad·s-1) , 定子绕组电阻值R=2.3 Ω。 转速误差变化如图4所示, 其中误差即设定转速与实际转速的差值。相轨迹如图5所示, 其中纵坐标表示误差对时间的导数。可以看出, 积分反演模糊滑模控制方法调节速度很快。
积分反演自适应模糊滑模控制与普通PID控制的速度控制曲线如图6所示。从图6可以看出, 采用积分反演自适应模糊滑模控制时电动机启动更快, 在突加10N负载时, 能很快地回复到原来的转速, 而且几乎没有静差。
积分反演自适应模糊滑模控制与普通滑模控制的速度控制曲线如图7所示。从图7可以看出, 采用普通滑模控制时, 曲线虽然没有超调, 但是调节时间明显要慢, 而且在加入负载后不能完全地回到原来设定的转速, 存在一定的静差, 而积分反演自适应模糊滑模控制则几乎没有静差, 调节时间也比普通滑模控制快很多。
积分反演自适应模糊滑模控制与普通PID控制的转矩变化曲线如图8所示。从图8可以看出, 采用积分反演自适应模糊滑模控制时的转矩更小。
积分反演自适应模糊滑模控制与普通PID控制的电流变化曲线如图9所示。从图9可以看出, 采用积分反演自适应模糊滑模控制时, 定子电流更加平稳, 而且在加入负载后定子电流很快达到预定值并且保持平稳, 这就很大程度地降低了电动机的转矩抖动。
不同控制策略的性能对比见表2。从表2可以看出, 积分反演自适应模糊滑模控制在控制BLDCM时有很大的优势, 具有实际应用价值。
4结语
基于滑模变结构控制理论并结合反演控制、积分滑模和模糊控制等方法, 设计了BLDCM积分反演自适应模糊滑模控制器。该控制器具有抗扰能力强、控制精度高、响应速度快等优点。仿真结果表明, 该控制器用于对快速性要求很高的运动控制场合, 是很有效的, 且其继承了传统控制策略的优点, 对系统参数变化和外界扰动表现出很强的鲁棒性, 在电动机运动控制领域具有广阔的发展前景。
参考文献
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无刷控制器市场分析 篇6
无刷直流电动机（brushless DC motor, BLDCM）是随着电力电子技术的发展而出现的新型机电一体化电动机。无刷直流电动机结构简单、调速性能好、运行可靠、体积小、无换相火花、效率高、出力大、起动转矩大、控制灵活、方便，在电子设备、工业驱动和控制、军用和航天领域得到了日益广泛的应用[1,2,3]。
无刷直流电动机主要由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成[4,5]。系统在运行时，直流电源通过电子开关线路向定子绕组供电，由位置传感器随时检测出的转子位置信号控制功率器件的导通与关断，从而自动控制相应绕组的关断与导通，实现电子换向功能。无刷直流电动机的转子具有一定磁极对数的永磁体。工作过程中，定子各相绕组不断换向，按一定逻辑关系导通与关断。使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90°左右的空间角，产生转矩推动转子旋转，实现机电能量转换[6,7]。
以单片机为核心的控制器电路不仅比专用集成芯片控制器电路简单，智能化程度高，可靠性强，而且控制功能多样化。本文对以单片机为核心的无刷直流电动机控制器进行综述。
2、单片机芯片
2.1 51单片机
Intel的51单片机，由于硬件结构合理，指令系统规范等原因，得到了广泛的应用。但是51系列单片机运行速度慢，当晶振频率为12MHz时，机器周期已达1us，适应不了对运行速度要求较高的场合。为了提速，一些新型号的51系列相继出现。如Philips的51LPC系列、AT89系列中的某些型号、STC89C系列等等。这些新系列的单片机，它们都兼容8051的指令系统。比较有代表性的产品有STC89C51RC、C8051F331/330、C8051F005等等。
C8051F005是集成度高、高速、高性能、低功耗、模数混合信号系统级（SOC）的单片机。它与MCS-51指令集完全兼容，其内核CIP-51峰值速度可达25MIPS；内含4个定时器、5通道PCA、2路比较器、32个通用I/O口，其工作温度为-40°-+85°[8]。采用C8051F005作为主控制器除了该MCU具有多通道12位AD转换器、PWM输出等丰富的片上资源，很适合作无刷电机的控制使用[9]，被较多地应用于无刷直流电动机控制器中。
2.2 PIC单片机
PIC单片机是美国微芯公司（Microship）的产品，是采用精简指令集RISC技术、哈佛总线和指令流水线结构的高性能价格比的单片机。
PIC单片机的I/O口是双向的，有较强的驱动能力，低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA。PIC单片机片内集成了较丰富的外设，如定时器、A/D转换器、捕捉/比较/PWM (CCP）模块、USART通信模块和SSP模块等。利用CCP模块输出脉宽可调的信号，能够实现无刷直流电动机的调速功能[10]。目前在无刷直流电动机控制器中，PIC单片机应用较为广泛。
2.3 AVR单片机
AVR单片机是Atmel公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。通常时钟频率用4～8MHz，故最短指令执行时间为250～125ns。AVR单片机型号较多，但可用下面三种为代表：AT90S2313（简装型）、AT90S8515、AT90S8535（带A/D转换）。AVR的I/O脚驱动能力较强，高电平输出的电流在10mA左右，低电平吸入电流20mA。
AT90S8535是AVR单片机中内部接口丰富、功能比较全、性价比高的品种，除了具有高速度、低功耗、工作电压范围宽等优点以外，还具有两个8位和一个16位定时器/计数器、8路10位ADC、1路8位和2路10位的PWM脉宽调制输出以及看门狗定时器，电压比较器等集成外设，为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，可大大降低系统的整体成本[11]，因此在无刷直流电动机控制器中得到较为广泛的应用。
3、功率驱动器件
无刷直流电机控制系统主电路一般采用三相全桥构成。用六个MOS管或者IGBT功率器件组成三相全桥。主电路的功率器件采用两两导通的控制方式，即在任一瞬间使两个功率器件同时导通。功率器件需要相应的驱动后才能正常工作。
3.1 MOS功率器件
功率驱动芯片IR2131由前置驱动芯片和6个MOSFET功率管组成。IR2131是一种高电压、高速度的功率MOSFET和IGBT驱动器。IR2131广泛用于无刷直流电动机控制器中。如图1所示，
由IR2131完成对霍尔元件传来的位置换向信号进行处理并将PWM信号放大后用于控制功率器件的导通与关断，它同时控制六个大功率管的导通和关断顺序，通过输出H01、H02、H03分别控制三相全桥驱动电路的上半桥功率器件的导通和关断，输出L01、L02、L03分别控制三相全桥驱动电路的下半桥的导通和关断，从而达到控制电机转速和正反转的目的[12,13,14]。类似的驱动芯片还有IR2103、IR2110、IR2130等。
3.2 IGBT专用驱动电路
在驱动较大功率的IGBT模块时，大多采用专用的驱动集成电路，一般是集过电流保护、驱动信号放大功能、具有很强抗干扰能力等功能于一体的复合型电路。目前IGBT的专用驱动集成电路有很多种，从基本隔离方式上可以分为两大类，即光电隔离和电磁隔离。在各类IGBT驱动器中，Fuji公司的EXB系列驱动器较为常用，其中的EXB841是一种高速型驱动器。EXB841能驱动高达400A、600V、或300A、1200V的IGBT。由于驱动电路信号延迟时间小于1us，所以它适用于频率约为40kHz的开关操作[15]。
3.3 智能功率模块
为了提高逆变桥的可靠性，还可以使用IPM模块作为驱动电路。它将IGBT与自我保护、信号处理和各种诊断功能的电路集成于一体构成模块化器件。它可以实现无刷直流电机的逆变电路、驱动电路和控制电路的功能，能为设计出具有体积小、重量轻、结构简单和可靠性高等优点显著的电机控制器提供了先决条件，是高性能无刷直流电机的理想驱动器件。Fuji公司具有比较完整的IPM模块系列产品，其中的一款7MBP75RJ120为中等容量IPM模块，该模块电气连接全部使用螺丝及连接器，无须焊锡，便于拆卸，并且模块内部设有过热保护，使用非常方便[16]。
4、位置/速度检测
在无刷直流电机控制系统中，目前对位置信号的检测主要有位置传感器检测和无位置传感器检测两种方法。
4.1 位置传感器
位置传感器有电磁式位置传感器、磁敏式位置传感器、光电式位置传感器等类型。电磁式位置传感器输出信号大、寿命长、工作可靠，但体积大、信噪比较低且输出的交流信号需要整流滤波后才能使用。磁敏式位置传感器环境适应强、价格低廉，但精度不高。光电式位置传感器重量轻、体积小、性能稳定，但对环境要求较高。位置传感器信号经一定的逻辑处理后去控制功率逻辑开关，从而决定各相绕组的导通顺序与时间，实现无刷直流电动机的机电能量转换[17]。通过位置传感器不但能检测出转子位置信号，而且还可以通过其输出信号的频率或脉冲宽度，检测出电机转速，实现速度闭环。
4.2 无位置传感器
除了用上述的几种传感器来检测转子位置信号外，还可以通过检测电机相关信息量、计算处理后得到转子位置信号，即用无位置传感器控制方式取代传统的轴位置传感器[18]。
当今国内外比较成熟的无位置传感器的位置信号检测方法主要有四种：反电势法、续流二极管法、电感法和状态观测法。在这几种方法中，反电势法是迄今为止最有效、最成熟、和应用最广泛的。其基本原理就是忽略永磁无刷直流电机电枢反应的影响，通过检测"断开相"（逆变桥上下功率管皆处于关断的那一相）的反电势过零点，依次获取转子的六个关键位置信号，以此为依据，轮流导通六个功率管，驱动电机运转[19]。
5、电流检测
对于两相导通三相六状态无刷直流电动机，在低速大负载时，电机绕组及控制器上的3相线会产生大电流，进而使得功率管中流入大电流，这样很容易使功率管烧坏，使得控制器无法正常工作。因此需要电流检测电路来时时检测电流大小，以便电流过大时发出中断指令及时保护控制器。采用处于逆变器低电压与功率板地线之间的采样电阻进行电流检测，得到一个正比于电流的电压信号。将此信号滤波后再送到A/D转换模块间接得出电流信号。这种电流检测方法比较简单，但要求软件上必须保证在输出PWM逆变器的命令时，同时检测PWM逆变器下桥臂的电流，以保证电流检测的正确性。一旦采样电阻上的压降高于设定值时便发出过流信号给MCU, MCU便发出中断指令，完成过流保护[20]。电压设定值一般是由一电源和比较器加电阻组成的电路得到。
6、结语
充分利用具有丰富的片内资源，高效的指令代码，便捷的PWM功能的单片机，可大大简化控制器的硬件结构，有利于设计出硬件结构简单、体积小、性能可靠的驱动器。与专用的控制集成芯片相比，复杂的控制策略与算法更容易通过软件编程实现。
摘要：文章从采用的单片机芯片和功率驱动器件、位置/速度检测方法和电流检测方法等方面, 总结了目前基于单片机的无刷直流电动机控制器研究的最新进展。
无刷控制器市场分析 篇7
随着经济的不断增长,人类对能源的需求越来越大,因此,对可再生资源的开发和利用极其重要。风力发电作为绿色能源如今受到了各国研究人员的普遍重视,其不会造成污染,技术日渐成熟,成本效益显著,成为21世纪最具开发前景的新能源之一[1](1)。
风力发电机控制系统是机组正常运行的核心,其控制技术是风电机组的关键技术之一,与风力发电机组的其他部分密切相关,精确的控制、完善的功能将直接影响机组的安全与效率[2]。近年来,风力发电设备的发展极其迅速,主要有永磁发电机和异步发电机两大类。永磁发电机的励磁磁通是固定的,提高了对发电机的控制难度;异步发电机体积大,故障率高。针对这些问题,提供了一种无刷励磁同步风力发电机组,并对其控制系统进行了功能分析和结构设计,具有能量转换率高、制造成本低、运行安全可靠的特点。
2 无刷励磁同步风力发电机组系统结构
2.1 工作原理
无刷励磁同步风力发电机组的工作原理如图1所示。
由图1可知,发电机采用的是无刷励磁同步发电机。发电机包括两部分:主机和励磁机。励磁机发出交流电,经过旋转整流器供给风力发电机励磁,只需跟随风速变化,控制主励磁机的励磁即可控制同步发电机的励磁,使得输出电压恒定,在额定风速以下,获得最大风能利用系数。变流环节,通过全功率变流的控制作用将不断变化的风能转化为频率电压恒定的交流电馈入电网,保证风力发电机组稳定可靠地并网运行。
2.2 控制系统结构设计
本设计的风力发电机组控制系统结构如图2所示
由图2可知,无刷同步风力发电机组控制系统主要是由机组主控制器、无刷励磁系统、变流器控制系统、变桨系统、偏航系统、安全及保护系统构成。下面对控制系统各个部分进行功能分析和结构设计。
3 风力发电机组控制系统设计
3.1 主控制器设计
风力发电机的运行和监控主要是由主控制器来执行。以主控制器为核心的主控系统在风力发电机组的安全、可靠运行方面,发挥着十分重要的作用[3]。它主要实现风力发电机组的正常运行控制、运行状态监测和监控以及安全保护三大方面的功能。
主控制器的设计主要有两个方面的工作,一个是硬件方面,另一个是软件方面。硬件主要包括控制电路设计、传感器及接口电路等部分,能满足风力机自动运行、控制和监测要求,提供运行信息、操作控制、运行参数修改等[4];软件部分的设计主要包括风力发电机组运行控制、信号检测以及安全方面的设计。其系统结构如图3所示。
本系统的主要功能都是由可编程逻辑控制器(PLC)作为主控制器来实现的,机组主控制器通过采集模块检测系统的模拟量、脉冲量和开关量;通过显示界面进行人机交互,能在控制面板上显示和查询机组的运行状态和参数、显示故障状态、设置运行参数等;通过Profibus现场总线与控制系统中的其他部件进行通信。
3.2 无刷励磁系统设计
无刷励磁系统是无刷同步风力发电机组最核心、最关键的组成部分。对同步发电机励磁进行控制,是对发电机的运行实行控制的重要内容之一。无刷励磁系统主要由静态励磁装置、交流励磁机和旋转整流器组成,如图4所示。
风力机带动发电机旋转时,交流励磁机的电枢绕组、旋转整流器和发电机转子一起同轴旋转。由于整流器和发电机转子是相对静止的,所以整流器的输出和转子绕组可以直接连接在一起,不需要滑环和碳刷,因此该系统称为无刷励磁。
无刷励磁同步发电机采用开关电源静止励磁装置向交流励磁机定子励磁绕组提供励磁电源。交流励磁机与发电机同轴,它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁,此时,发电机的励磁方式属他励磁方式,又由于采用静止的整流装置,故又称为他励静止励磁。旋转整流器是指硅整流元件连同散热器有时还包括相应的整流桥,大多采用三相全波整流桥。
3.3 变流器控制系统设计
变流控制系统是风力发电控制系统的关键部件,变流控制单元在风力发电系统中有以下功能[5]:
(1)为发电机转子励磁;
(2)在风速达到切入风速时,实现机组的软并网,这样保证并网过程平稳,对电网冲击小;
(3)当风速变化时,接收机组主控制器的命令,跟踪最佳功率,保证风机向电网馈送频率恒定的电能;
(4)在机组正常工作的时候,采用PWM调制方式控制逆变器的逆变,保证输出波形质量。
变流器控制系统采用的是全功率变流技术,通过与系统的协调工作,实现风电机组输出功率的变换和并网。目前,已有的并网方式有直接并网、准同步并网、降压并网、软并网,其中软并网方式是目前风力发电机组普遍采用的方式。
当风力发电系统启动时,变流控制单元首先要完成风力机的并网工作。在风力发电机组正常工作过程中,变流控制单元接受主控制器的命令实现输出功率的控制,从而使机组工作在最佳风能捕获状态下。变流器控制系统原理如图5所示。
变流控制单元接收机组主控制器的P、Q、U指令,运用矢量控制原理,产生PWM脉冲去控制IGBT的通断,以实现对变流器的有效控制。全功率变流技术利用现代电力电子技术可以实现对电网有功功率和无功功率的灵活控制,发电机与电网之间采用全功率变流器,使发电机与电网之间的相互影响减少,电网故障时对发电机的损害较小。同时,使风轮和发电机的调速范围可从0～150%的额定转速,提高了风能的利用范围,改善了向电网供电的电能质量。对风电机组功率因数的分散控制加以集中,由并网变电站来统一调控,实现了电网的有源功率因素校正和谐波补偿。
3.4 变桨系统
变桨控制系统由伺服电机、变桨控制器和通讯模块组成如图所示
变桨系统是通过改变桨距角,在低风速时能充分利用风能,具有较好的气动输出性能;而在高风速时,又可通过改变攻角来降低叶片的气动性能,使高风速区叶片功率降低,达到调速限功的目的[6]。
变桨系统是以伺服功能实现叶片在高于额定风速下最佳运行的。在额定风速内,风机达到最佳风能捕获运行状态,此时桨距保持为零。由于在整个风轮扫及面积上的风速不是平均的,因此对单一桨叶控制有利于最大限度利用风能,减小振动。实际中,风速、风向是瞬息万变的,在很好地利用风能的同时还要对风进行控制,从而减少机组的振动。此设计通过叶片振动传感器、风速仪和风向标采集给主控制器的信号控制变桨系统。
每一个桨叶采用一个变桨伺服电机进行单独调节,绝对值编码器安装在伺服电机的输出轴上,用来采集伺服电机的转动角度。伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相连,带动桨叶进行转动,实现对桨叶的节距角的直接控制。电机由UPS供电,60s内将桨叶调节为顺桨位置。
3.5 偏航系统
偏航系统是风力发电机组特有的控制系统,它是一个随动系统。当风向和风轮轴线偏离一个角度时,主控制器根据风向传感器的信号,按一定的逻辑控制规律向偏航控制系统的PLC发送角度指令,偏航控制系统接收到指令后控制偏航电机将风轮调整到与风向一致的方位,在必要时还要进行解缆的操作,从而保护风机。偏航系统结构如图7所示。
风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路里,经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航指令,当对风完成后,风向标失去电信号,电机停止工作,偏航过程结束[6]。
偏航系统的控制功能包括:风向标控制的自动偏航、人工偏航、风向标控制的90°侧风和自动解缆。
3.6 安全及保护系统
当风力发电机组出现故障,或控制系统失效,或监控的参数超过极限值时,此时风力发电机组不能保证系统在正常的范围内运行,则应启动安全及保护系统。安全保护系统结构如图8所示。
由图8可知,当发生扭缆、机舱剧烈振动、电机过热和叶轮超速中的任何一个事件时,都会产生安全保护动作
4 结论
本文将无刷同步发电机引入风力发电系统,对控制系统的控制功能框架做了整体设计;并分别对控制系统中的主控制器、无刷励磁系统、变流器控制系统、变桨系统、偏航系统、安全及保护系统进行了详细的分析说明,为以后风力发电机组的实现奠定了基础。
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