电动机构用稀土永磁无刷直流电动机控制系统研究
|
摘要
本文着重研究了稀土永磁(REPM)无刷直流电动机(BLDCM)的高性能控制技术。在全面分析了稀土永磁无刷直流电动机的结构特点、工作原理、运行方式以及外部特性的基础上，通过系统建模和数字仿真分析，分别针对航空低压直流(LVDC)和高压直流(HVDC)两种电动机构用永磁无刷电动机，在小范围转速连续调节下的闭环稳速控制技术进行了详细理论研究，提出了利用转子位置传感器信号间接测量电机转速进行电机转速闭环稳速控制的策略。同时就两套无刷直流电动机控制器的硬件电路和软件程序问题进行了重点工程设计，采用了高性能的AT89C2051和AT89C51单片机作为微处理器，用数字软件技术对电机进行调速和转速闭环控制，使电机在一定范围内能够进行精确调速和速度稳定控制。通过优化设计、软硬件结合，实现了控制器小型化，提高了控制器可靠性，减小了体积与重量。
永磁无刷直流电动机控制器样机的测试结果表明：电机转速可在要求范围内连续调节，在几乎三倍的额定转矩范围内，电机转速在设定值下可保持高于指标精度的稳定工作，控制器之间通用性强、散热可靠。
High quality control of rare earth permanent magnet brushless DC motor is researched in this paper. Depend on the comprehensive analysis and study of the structure, principle, and exterior characteristic of the motor, through the methods of system modeling and digital simulation analysis, two kind of control device that work for the low voltage (LVDC) and the high voltage (HVDC) in avigation are researched respectively . Point to the control technique of close-loop speed stabilization at a limited adjustment speed range, we bring out the close-loop speed control method that using the rotor position sensor indirectly measure the speed of the motor. At the same time, we mainly design the hardware and the software of the two control systems. The high quality singlechip of AT89C2051 and AT89C51 are used as the main microprocessor of the control system. Using digital method achieved the speed adjustment and the close-loop speed control which ensure the accuracy of speed adjustment and the speed stability at a def
inite speed range. As well as, through the optimal design and the combine of hardware and software, implement the miniaturization of the controller, improve the reliability of the controller, and decrease the volume and weight of the controller.
It can be seen from the experimental result that the motor' s performance is excellent. The speed can be adjusted incessantly at the required speed range. The motor also can be kept at the same speed even when the load is three times of the rated load. Moreover, the universal of this controller is strong, and the heat dissipation is good.
永磁无刷直流电动机控制器样机的测试结果表明：电机转速可在要求范围内连续调节，在几乎三倍的额定转矩范围内，电机转速在设定值下可保持高于指标精度的稳定工作，控制器之间通用性强、散热可靠。
High quality control of rare earth permanent magnet brushless DC motor is researched in this paper. Depend on the comprehensive analysis and study of the structure, principle, and exterior characteristic of the motor, through the methods of system modeling and digital simulation analysis, two kind of control device that work for the low voltage (LVDC) and the high voltage (HVDC) in avigation are researched respectively . Point to the control technique of close-loop speed stabilization at a limited adjustment speed range, we bring out the close-loop speed control method that using the rotor position sensor indirectly measure the speed of the motor. At the same time, we mainly design the hardware and the software of the two control systems. The high quality singlechip of AT89C2051 and AT89C51 are used as the main microprocessor of the control system. Using digital method achieved the speed adjustment and the close-loop speed control which ensure the accuracy of speed adjustment and the speed stability at a def
inite speed range. As well as, through the optimal design and the combine of hardware and software, implement the miniaturization of the controller, improve the reliability of the controller, and decrease the volume and weight of the controller.
It can be seen from the experimental result that the motor' s performance is excellent. The speed can be adjusted incessantly at the required speed range. The motor also can be kept at the same speed even when the load is three times of the rated load. Moreover, the universal of this controller is strong, and the heat dissipation is good.
引文
[1] 李钟明刘卫国等著，稀土永磁电机，国防工业出版社，1999。
[2] 陈世坤编著，电机设计，机械工业出版社，2000
[3] 张琛编著，直流无刷电动机原理及应用，机械工业出版社，1996
[4] 陈隆昌 阎治安 刘新正编著，控制电机，西安电子科技大学出版社，2000．5
[5] 吴建华著，开关磁阻电机设计与应用，机械工业出版社，2000．6
[6] 王宏华编著，开关磁阻电动机调速控制技术，机械出版社，1999．8
[7] 李发海 王岩编著，电机与拖动基础，清华大学出版社，1994
[8] 孙涵芳 徐爱卿编著，MCS-51／96系列单片机原理及应用，北京航空航天大学出版社，1996
[9] 李华主编，MCS-51系列单片机实用接口技术，北京航空航天大学，1993．8
[10] 电力传动与调速系统，北京航空航天大学出版社，1992
[11] 谭建成主编，电机控制专用集成电路，机械工业出版社，1997．7
[12] 解恩编著，牙钻用无位置传感器无刷直流电动机控制系统研究，西北工业大学硕士论文2002年
[13] 龚剑朱亮编著，MATLAB5．X入门与提高，清华大学出版社，2000．5
[14] 姚俊 马松辉编著，Simulink建模与仿真，西安电子科技大学出版社，2002．8
[15] Atallah, k.;Jiabin wang;Howe, D. Torque-ripple minimization in modular permanent-magnet brushless machines. Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume:39, Issue:6, Nov-Dec. 2003 Page:1689-1695
[16] LEE. BYOUNG-KUK;EHSANI. MEHRDAD Advanced simulation Model for Brushless DC Motor Drives Electric Power Components and Systems, Volume:31, No. 9(2003):841-868
[17] Ushakumari;Chandramohanan Nair;Sankaran Closed Loop Performance of a Permanent Magnet Brushless dc Motor Incorporating the Nonlinearity in Torque balance Equation(Transient Operation) Electirc Power Components and Systems, Volume:30, No. 12(2002):1249-1260
[18] Rubaai, A.; gotaru, R.: Kankam, M.D.; A continually online-trained neural network controller for brushless DC motor
drives Industry Applications, IEEE Transactions on ,Volume: 36, Issue: 2, March-April 2000 Pages:475-483
[19] Jianwen Shao; Nolan, D.; Teissier, M.; Swanson, D.: A novel microcontroller-based sensorless brushless DC (BLDC) motor drive for automotive fuel pumps Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume: 39, Issue: 6, Nov.-Dec. 2003 Pages:1734-1740
[20] Gyu-Hong Kang; Jung-Pyo Hong; Gyu-Tak Kim; Permanent-magnet linear brushless motor by using equivalent magnetizing current Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume: 37, Issue: 5, Sept.-Oct. 2001 Pages:1241-1247
[21] Ede, J.D.; Zhu, Z.Q.; Howe, D.; Rotor resonances of high-speed permanent-magnet brushless machines Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume: 38, Issue: 6, Nov.-Dec. 2002 Pages:1542-1548
[22] Liaw, C.M.; Shue, R.Y.: Chen, H.C.; Chen, S.C.; Development of a linear brushless DC motor drive with robust position control Electric Power Applications, IEE Proceedings-, Volume: 148, Issue: 2, March 2001 Pages:111-118
[23] Miti, G.K.: Renfrew, A.C.: Chalmers, B.J.; Field-weakening regime for brushless DC motors based on instantaneous power theory Electric Power Applications, IEEProceedings- ,Volume: 148, Issue: 3, May 2001 Pages:265-271
[24] Lin, C.-L.; Jan, H.-Y.; Multiobjective PID control for a linear brushless DC motor: An evolutionary approach Electric Power Applications, IEE Proceedings-, Volume: 149, Issue: 6, Nov.
2002 Pages:397-406
[25] Chen, H.C.: Huang, M.S.; Liaw, C.M.; Chang, Y.C.; Yu, P.Y.; Huang, J.M.; Robust current control for brushless DC motors Electric Power Applications, IEE Proceedings, Volume: 147, Issue: 6, Nov. 2000 Pages:503-512
[26] Chau, K.T.; Jiang, J.Z.; Yong Wang; A novel stator doubly fed doubly salient permanent magnet brushless machine Magnetics, IEEE Transactions on, Volume: 39, Issue: 5, Sept. 2003 Pages:3001-3003
[27] 胡文静，永磁无刷直流电动机的发展及展望，微电机，2002第4期
[28] 李华，永磁无刷电动机发展水平及应用前景，微电机，2001第1期
[29] 李威震，无刷直流电机及其应用，电机技术，2000年第3期
[30] 鲍晓华 刘根 张敬华，永磁无刷直流电动机运行特性的研究，微电机，2002年第35卷第6期
[31] 陈伟元 周正伟 王豪才，数字伺服技术在无刷直流电机控制中的应用研究，微电机，2000年第18卷第3期
[32] 陈鸣，解决无刷直流电机转矩波动的一种方法，微电机，2002年的35卷第5期
[33] 陈璟华，李日隆，谢晓峰，基于专用控制芯片的无刷直流电机控制系统，电机电器技术，2000年第3期
[34] 陈瑜，黄玉，王兴华，无刷直流电机转子位置检测的新方法，微电机，2002年第35卷第5期
[35] 陈颖中，永磁无刷直流电机控制器设计，机电工程，2000年第17卷第4期
[36] 崔晓丽 闫治安 易萍虎，一种实用型数字化无刷直流电动机控制系统，微电机，2002年第35卷第6期
[37] 刘景林，戴冠中，超低速高精度伺服系统用无刷无槽正弦波电机，微电机，2001年第34卷第6期
[38] 刘景林，马瑞卿，刘卫国，基于高性能微控制器的超低速稀土永磁交流伺服系统．西北工业大学学报，2003年第21卷第1期
[39] 李先祥，斯燕跃，无刷直流电机的单片机监控系统的研制，电气传动自动化，2002年第
24卷第3期
[40] 庞勇，贺益康，方卫中，基于专用控制芯片的永磁无刷直流电机控制器，微电机，1999年第32卷第3期
[41] 沈建新，陈永校，无槽无刷直流电机及其前期设计，电工电能新技术，1997年第1期
[42] 宋国良，周元钧．李军，旋转变压器—数字转换器AD2S90在无刷直流电机换向与控制中的应用，计算机自动测量与控制，2000年第8期
[43] 孙剑波，龚世缨，董亚晖，永磁无刷直流电机调速系统的仿真研究，微电机，2001年第34卷第2期
[44] 王宗培 韩光鲜 程智 程树康，无刷滞留电动机的方波与正弦波驱动，微电机，2002年第35卷第6期
[45] 王绪伟，费树岷，胡继峰，基于MC33035的永磁无刷直流电机控制器的设计，测控技术与设备，2001年第27卷第5期
[46] 夏长亮，杨晓军，无刷直流电机速度观测器的设计，微电机2001年第34卷第6期
[47] 谢运祥，一种简易的无刷直流电机微机控制系统，微电机，2001年第34卷第1期
[48] 张一鸣，夏平畴，无刷直流电机的电枢反应及其削弱方法，微电机，1999年第32卷第1期
[49] 杨浩冬 李榕 刘卫国，基于MztIab／PSB下的无刷直流电动机数学模型，2003年第36卷第4期
[50] 邓兵 潘俊民，无刷直流电机控制系统计算机仿真，计算机仿真，2002第19卷第5期
[2] 陈世坤编著，电机设计，机械工业出版社，2000
[3] 张琛编著，直流无刷电动机原理及应用，机械工业出版社，1996
[4] 陈隆昌 阎治安 刘新正编著，控制电机，西安电子科技大学出版社，2000．5
[5] 吴建华著，开关磁阻电机设计与应用，机械工业出版社，2000．6
[6] 王宏华编著，开关磁阻电动机调速控制技术，机械出版社，1999．8
[7] 李发海 王岩编著，电机与拖动基础，清华大学出版社，1994
[8] 孙涵芳 徐爱卿编著，MCS-51／96系列单片机原理及应用，北京航空航天大学出版社，1996
[9] 李华主编，MCS-51系列单片机实用接口技术，北京航空航天大学，1993．8
[10] 电力传动与调速系统，北京航空航天大学出版社，1992
[11] 谭建成主编，电机控制专用集成电路，机械工业出版社，1997．7
[12] 解恩编著，牙钻用无位置传感器无刷直流电动机控制系统研究，西北工业大学硕士论文2002年
[13] 龚剑朱亮编著，MATLAB5．X入门与提高，清华大学出版社，2000．5
[14] 姚俊 马松辉编著，Simulink建模与仿真，西安电子科技大学出版社，2002．8
[15] Atallah, k.;Jiabin wang;Howe, D. Torque-ripple minimization in modular permanent-magnet brushless machines. Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume:39, Issue:6, Nov-Dec. 2003 Page:1689-1695
[16] LEE. BYOUNG-KUK;EHSANI. MEHRDAD Advanced simulation Model for Brushless DC Motor Drives Electric Power Components and Systems, Volume:31, No. 9(2003):841-868
[17] Ushakumari;Chandramohanan Nair;Sankaran Closed Loop Performance of a Permanent Magnet Brushless dc Motor Incorporating the Nonlinearity in Torque balance Equation(Transient Operation) Electirc Power Components and Systems, Volume:30, No. 12(2002):1249-1260
[18] Rubaai, A.; gotaru, R.: Kankam, M.D.; A continually online-trained neural network controller for brushless DC motor
drives Industry Applications, IEEE Transactions on ,Volume: 36, Issue: 2, March-April 2000 Pages:475-483
[19] Jianwen Shao; Nolan, D.; Teissier, M.; Swanson, D.: A novel microcontroller-based sensorless brushless DC (BLDC) motor drive for automotive fuel pumps Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume: 39, Issue: 6, Nov.-Dec. 2003 Pages:1734-1740
[20] Gyu-Hong Kang; Jung-Pyo Hong; Gyu-Tak Kim; Permanent-magnet linear brushless motor by using equivalent magnetizing current Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume: 37, Issue: 5, Sept.-Oct. 2001 Pages:1241-1247
[21] Ede, J.D.; Zhu, Z.Q.; Howe, D.; Rotor resonances of high-speed permanent-magnet brushless machines Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume: 38, Issue: 6, Nov.-Dec. 2002 Pages:1542-1548
[22] Liaw, C.M.; Shue, R.Y.: Chen, H.C.; Chen, S.C.; Development of a linear brushless DC motor drive with robust position control Electric Power Applications, IEE Proceedings-, Volume: 148, Issue: 2, March 2001 Pages:111-118
[23] Miti, G.K.: Renfrew, A.C.: Chalmers, B.J.; Field-weakening regime for brushless DC motors based on instantaneous power theory Electric Power Applications, IEEProceedings- ,Volume: 148, Issue: 3, May 2001 Pages:265-271
[24] Lin, C.-L.; Jan, H.-Y.; Multiobjective PID control for a linear brushless DC motor: An evolutionary approach Electric Power Applications, IEE Proceedings-, Volume: 149, Issue: 6, Nov.
2002 Pages:397-406
[25] Chen, H.C.: Huang, M.S.; Liaw, C.M.; Chang, Y.C.; Yu, P.Y.; Huang, J.M.; Robust current control for brushless DC motors Electric Power Applications, IEE Proceedings, Volume: 147, Issue: 6, Nov. 2000 Pages:503-512
[26] Chau, K.T.; Jiang, J.Z.; Yong Wang; A novel stator doubly fed doubly salient permanent magnet brushless machine Magnetics, IEEE Transactions on, Volume: 39, Issue: 5, Sept. 2003 Pages:3001-3003
[27] 胡文静，永磁无刷直流电动机的发展及展望，微电机，2002第4期
[28] 李华，永磁无刷电动机发展水平及应用前景，微电机，2001第1期
[29] 李威震，无刷直流电机及其应用，电机技术，2000年第3期
[30] 鲍晓华 刘根 张敬华，永磁无刷直流电动机运行特性的研究，微电机，2002年第35卷第6期
[31] 陈伟元 周正伟 王豪才，数字伺服技术在无刷直流电机控制中的应用研究，微电机，2000年第18卷第3期
[32] 陈鸣，解决无刷直流电机转矩波动的一种方法，微电机，2002年的35卷第5期
[33] 陈璟华，李日隆，谢晓峰，基于专用控制芯片的无刷直流电机控制系统，电机电器技术，2000年第3期
[34] 陈瑜，黄玉，王兴华，无刷直流电机转子位置检测的新方法，微电机，2002年第35卷第5期
[35] 陈颖中，永磁无刷直流电机控制器设计，机电工程，2000年第17卷第4期
[36] 崔晓丽 闫治安 易萍虎，一种实用型数字化无刷直流电动机控制系统，微电机，2002年第35卷第6期
[37] 刘景林，戴冠中，超低速高精度伺服系统用无刷无槽正弦波电机，微电机，2001年第34卷第6期
[38] 刘景林，马瑞卿，刘卫国，基于高性能微控制器的超低速稀土永磁交流伺服系统．西北工业大学学报，2003年第21卷第1期
[39] 李先祥，斯燕跃，无刷直流电机的单片机监控系统的研制，电气传动自动化，2002年第
24卷第3期
[40] 庞勇，贺益康，方卫中，基于专用控制芯片的永磁无刷直流电机控制器，微电机，1999年第32卷第3期
[41] 沈建新，陈永校，无槽无刷直流电机及其前期设计，电工电能新技术，1997年第1期
[42] 宋国良，周元钧．李军，旋转变压器—数字转换器AD2S90在无刷直流电机换向与控制中的应用，计算机自动测量与控制，2000年第8期
[43] 孙剑波，龚世缨，董亚晖，永磁无刷直流电机调速系统的仿真研究，微电机，2001年第34卷第2期
[44] 王宗培 韩光鲜 程智 程树康，无刷滞留电动机的方波与正弦波驱动，微电机，2002年第35卷第6期
[45] 王绪伟，费树岷，胡继峰，基于MC33035的永磁无刷直流电机控制器的设计，测控技术与设备，2001年第27卷第5期
[46] 夏长亮，杨晓军，无刷直流电机速度观测器的设计，微电机2001年第34卷第6期
[47] 谢运祥，一种简易的无刷直流电机微机控制系统，微电机，2001年第34卷第1期
[48] 张一鸣，夏平畴，无刷直流电机的电枢反应及其削弱方法，微电机，1999年第32卷第1期
[49] 杨浩冬 李榕 刘卫国，基于MztIab／PSB下的无刷直流电动机数学模型，2003年第36卷第4期
[50] 邓兵 潘俊民，无刷直流电机控制系统计算机仿真，计算机仿真，2002第19卷第5期