基于DSP的直流无刷电机控制系统设计(10)

无刷直流电机速度控制策略

保持不变，只改变器件每次导通的时间ton，也就是脉冲周期不变，只改变脉冲的宽度，即定频调宽，称为脉冲调制。

(2)脉冲调频调制(Pulse Frequency Modulation，简称 PFM)。开关器件每次导通的时间ton不变，只改变导通周期T或开关频率f，也就是只改变开关的关断时间，即定宽调制，称为调频。

(3)两点式控制。开关器件通断周期 T 和导通时间 ton 均可变，及调频调宽，亦称为混合调制。当负载电流或电压低于某一最小值时，使开关器件导通；当电流或电压高于某一最大值时，使开关器件关断。导通和关断时间以及通断周期都是不确定的。 构成直流斩波器的开关器件过去用的较多的是普通晶体管和逆导晶闸管，它们本身没有自关断能力，必须有附加的强迫关断电路，增加了转子的体积和复杂性，增加了损耗，而且由它们组成的斩波器开关频率低，输出电流脉动性大，调速范围有限。自20世纪70年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并生产出既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如门极可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)、电力场效应管(P-MOSFET)、绝缘珊极双极型晶体管(IGBT)等，这些全控型器件性能优良，由它们构成的脉宽调制直流调速系统(简称PWM调速系统)近年来在中小功率直流传动中得到了迅速普及，与V-M调速系统(晶闸管相控整流器供电的直流电动机调速系统)相比，PWM调速系统有以下优点：

(1)采用全控型器件的PWM调速系统，其脉宽调制电路的开关频率高，一般在几 kHz到几十kHz，因此系统的频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强。

(2)由于开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用就可以获得脉动性很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速性好，稳速精度高，调速范围宽，同时电机损耗和发热都较小。

(3)PWM系统中，主回路的电力电子器件工作在开关状态，损耗小，装置效率高，而且对交流电网的影响小，没有晶闸管整流器对电网的“污染”，功率因数高，效率高。主电路所需的功率元件少，线路简单，控制方便。目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只适用于中、小功率的系统。

4.2 SPWM控制技术

随着电力电子技术的发展，脉冲宽度调制(PWM)技术已在中小功率电动机的变频

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基于DSP的直流无刷电机控制系统的设计

调速技术中得到广泛的应用。但PWM波形的谐波分量大，过高的谐波会使电动机产生附加损耗和噪音，不利于电机的平稳运行。正弦波脉宽调制SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)技术是基于基准正弦波产生脉宽调制信号的方法，其效果与正弦波等效，很好地克服了PWM技术的缺陷[10]。

在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不相等的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。这一结论是SPWM 控制的重要理论基础。将正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都为π /N，但幅值不等，且脉冲的顶部为曲线，各脉冲的幅值按正弦波规律变化。如果将上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形状脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲的相应正弦部分面积相等，就有脉冲序列。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而与正弦波等效的波形，即为SPWM 波形。

4.3 无刷直流电动机转速负反馈单闭环直流调速系统

1.无刷直流电动机开环调速系统存在的问题

无刷直流电动机控制系统若只通过PWM(或SPWM)改变驱动电路的控制电压来达到调节电动机转速的目的，则称该系统为开环调速系统。在开环调速系统中，控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反相联系，即控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。如果生产机械对静差率(静差率表示调速系统在负载变化下转速稳定的程度，静差率越小，转速的稳定程度就越高)要求不高，开环调速系统也能实现一定范围内的无级调速，而且开环调速系统结构简单。但是，在实际中许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求 (也就是要求调速 系统在一定的负载下的转速变化要尽可能的小)，不能允许很大的静差率。例如，龙门刨床加工各种材质的工件，刀具切入工件和退出工件时为了避免刀具和工件碰坏，由调节速度的要求；又由于毛胚表面不平，加工时负载常有波动，为了加工的精度和表面光洁度，不允许有较大的速率变化，所以当电动机的调速性能要求较高时，必须采用闭环调速系统。 2.转速负反馈闭环直流调速系统

开环调速系统不能满足较高的性能指标要求，根据自动控制原理可知，为了克服开环系统的缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统。闭环系统

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无刷直流电机速度控制策略

的方框图如图5 所示。

扰动 转速期望值 偏差 输出 调节器 被控对象 检测装置 图5 闭环系统方框图

在闭环系统中，系统的输出量(转速输出)通过检测装置(传感器)引向系统的输入端，与系统的输入量(转速期望值)进行比较，反馈量与输入量之差是偏差信号。利用此偏差信号通过控制器(调节器)产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统具有提高系统抗干扰性，改善控制系统精度的性能，广泛用于各类自动控制调节系统中[11]。 3.转速闭环调速系统的优越性

与开环控制相比，速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性:闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比，其性能大大提高；理想空载转速相同时，闭环系统的静差率要小得多；当要求的静差率相同时，闭环调速系统的调速范围可以大大提高；鼻环调速系统具有较强的抗干扰性能。 4.调节器的设计考虑

转速负反馈闭环调速系统若采用比例调节器，其控制作用需要靠偏差来维持，属于有静差调速系统，只能设法减小静差，无法从根本上消除静差。对有静差调速系统，如果根据稳态性能指标要求系统的开环放大倍数，动态性可能较差，或根本达不到稳态，也谈不上是否满足稳态要求。若采用比例积分来代替比例方法调节后，可以使系统稳定且具有足够的稳定裕量。

积分调节器具有如下特点：

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(1)积分作用。只要输入端有信号，哪怕是微小信号，积分就会进行，直至输出达到饱和（或限幅值）。只有当输入信号为零这种积分才会立即停止。

(2)记忆作用。在积分过程中，如果突然使输入信号为零，其输出将始终保持在输入信号为零瞬间前的输入值。

(3)延缓作用。即使输入信号突变，例如为阶跃信号突变，其输出却不能跃变，而是逐渐积分线性增加的积分调节器的积累作用和记忆作用作用是使采用积分调节器的闭环调速系统完全消除静差的根本原因，这就是积分控制规律。

采用积分调节器虽然能使调节系统在稳态是没有静差，但是由于积分调节的延缓作用，使其输出相对于输入有明显的滞后。输出电压的变化缓慢，使其调速系统的动态响应变慢。采用比例调节器虽然有静差，但动态响应较快。因此，如果既要稳态准，又要响应快，可将两种控制规律结合起来，形成比例积分控制[12]。 …… 此处隐藏：1668字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……