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1、課程設計名稱：電力拖動自動控制系統(tǒng)題 目：無刷直流電機在車載雷達拖動控制系統(tǒng)中的研究專業(yè)：電氣與控制工程學院班級：自動化04-6姓名：學號：0410180216課程設計任務書一、設計題目：無刷直流電機在車載雷達拖動控制系統(tǒng)中的研究二、設計任務：研究無刷直流電機在車載雷達拖動控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的工程設計方法。三、設計計劃：通過圖書館和網絡上查找有關設計任務方面的資料，通過整理完成此次設計。四、設計要求：車載雷達長期工作于高空、低溫、低氣壓、大過載、強振動等惡劣環(huán)境中，其整機必須通過高低溫、沖擊、隨機振動等嚴酷的環(huán)境試驗，因此車載雷達拖動控制系統(tǒng)不僅要求能夠實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、準確的角位置控制，同時也要

2、求它體積小、重量輕、可靠性高。指 導 教師：徐建華教研室主任：呂 振時 間：2007年1月22日摘要本設計針對車載雷達用無刷直流電動機位置、轉速、電流閉環(huán)電力拖動控制系統(tǒng)進行仿真分析，并利用仿真結果來指導實際系統(tǒng)的設計。設計了無刷直流電動機PWM控制器、角位置與速度檢測等硬件電路以及位置、轉速、電流閉環(huán)電力拖動控制系統(tǒng)。通過硬件和軟件的合理設計，使系統(tǒng)獲得較好的動、靜態(tài)性能。關鍵詞：車載雷達；無刷直流電動機；電力拖動控制系統(tǒng)目錄1 概述12 硬件設計12.1 基本原理12.2 無刷支流電動機及其構成22.3 無刷支流電動機的控制電路22.4 系統(tǒng)角位置檢測環(huán)節(jié)23 系統(tǒng)設計33.1 對象模型的

3、建立33.2 校正設計33.2.1 電流環(huán)的設計計算33.2.2速度環(huán)的設計計算53.2.3位置環(huán)的設計計算63.2.4 控制算法84 結論95 設計體會106參考文獻1112機載雷達用無刷支流電機驅動控制系統(tǒng)研究1 概述車載雷達長期工作于高空、低溫、低氣壓、大過載、強振動等惡劣環(huán)境中，其整機必須通過高低溫、沖擊、隨機振動等嚴酷的環(huán)境試驗，因此車載雷達電力拖動控制系統(tǒng)不僅要求能夠實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、準確的角位置控制，同時也要求它體積小、重量輕、可靠性高，而稀土永磁無刷直流電動機作為一種新型的驅動執(zhí)行元件，由于采用了電子換向，其可靠性高、壽命長、并且無電火花干擾，完全能夠滿足車載雷達控制系統(tǒng)的特殊環(huán)

4、境要求。無刷直流電動機的最大優(yōu)點就是它既具備交流電動機結構簡單、工作可靠、維護方便、壽命長的特點，同時也具備普通直流電動機運行效率高、轉矩大、調速方便、動態(tài)性能好的優(yōu)點，它綜合了普通直流電動機和交流電動機的優(yōu)點，是新一代電氣傳動的發(fā)展方向之一，采用無刷直流電動機來作為車載雷達控制系統(tǒng)中的電力拖動執(zhí)行元件應是一種較為理想的選擇。本文討論了無刷直流電機在車載雷達拖動控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的工程設計方法。2 硬件設計2.1 基本原理 無刷直流電動機拖動控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2-1所示。圖2-1中的角位置命令信號與檢測反饋電路測定的當前位置信號相比較，求得位置偏差信號經位置校正環(huán)節(jié)處理后，作為速度回路的給定

5、信號，再和實際速度相比較得到速度偏差，經速度校正環(huán)節(jié)運算和D/A轉換后，作為電流環(huán)的電流給定信號，它與測定的實際電流比較得到電流偏差，經電流調節(jié)器后輸出到PWM 控制器中的脈寬調制器，其輸出的PWM信號經換相控制邏輯電路與電機位置傳感器送來的轉子位置信號綜合后，形成相應的觸發(fā)信號，以控制功率管的開通順序與時間，從而在電機中形成一個旋轉磁場，并將天線負載拖動到所要求的位置。圖2-1，無刷直流電機車載雷達拖動控制系統(tǒng)原理框圖2.2 無刷直流電動機及其構成本系統(tǒng)中使用的是方波型無刷直流電動機、它主要由電動機本體，位置傳感器和電子開關線路三部分構成、電動機本體中的定子繞組一般制成多相。如（三相）轉子由

6、永磁材料制成、位置傳感器與電機轉子同軸連接，實時跟蹤轉子的位置、當定子繞組的某相通電時，該電流與轉子永久磁鋼的磁極所產生的磁場相互作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁鋼位置信息變換成電信號，去控制電子開關線路，從而使定子各相繞組按一定次序導通，因而起到類似機械換向器的作用、電機中有霍爾式位置傳感器，以檢測出轉子的相對位置。2.3 無刷直流電動機的控制電路本系統(tǒng)采用脈寬調制即PWM控制。由于PWM 控制器的主回路元件工作在開關狀態(tài)，因此控制器的損耗小，效率高。本系統(tǒng)中PWM 頻率為20kHz。PWM 控制器中的逆變主回路采用脈寬調制式變換器，簡稱PWM 變換器，PWM 變換器分為

7、不可逆和可逆兩類，在控制上又分為雙極式與單極式。在可逆雙極性PWM 變換器中，R 橋的上，下兩個功率管經常交替工作，由于功率管具有關斷時間，在這段時間內功率管并未完全關斷，容易造成上，下兩管直通，為了避免發(fā)生這種情況，就要設置邏輯延時環(huán)節(jié)加以保護。本系統(tǒng)中的邏輯延時為500ns。無刷直流方波電機的氣隙磁場空間分布為梯形波，為了保證無刷直流電動機的出力最大，轉矩平穩(wěn)，就必須始終把載流導體處于氣隙磁密最大處，即隨著電動機轉子的轉動，必須及時地將電流從一相切換到另一相，并且還應保證變換器在四象限內以PWM 狀態(tài)工作，因此必須有換相控制邏輯電路。本系統(tǒng)采用的無刷直流電動機為兩兩通電方式，其換相控制邏輯

8、電路的設計可參見參考文獻3。驅動電路是功率電路與控制電路連接的中間環(huán)節(jié)，其作用是將控制電路的輸出信號放大到足以驅動功率開關管，以使主回路功率開關管可靠地導通與關斷，同時也具有將功率電路強電與控制電路弱電隔離的作用。本文所討論的無刷直流電動機拖動控制電路在設計中，采用了智能功率驅動模塊（IPM）以適應車載雷達對體積與可靠性等的特殊要求。本系統(tǒng)用雙極式可逆PWM 控制方式，因該控制方式具有電流一定連續(xù)，可使電動機在四個象限中運行，低速平穩(wěn)性好，調速范圍寬等優(yōu)點，特別適合在靜，動態(tài)性能要求比較高的車載雷達控制系統(tǒng)中應用。2.4 無刷旋轉變壓器與RDC解調電路構成的角位置檢測環(huán)節(jié)本系統(tǒng)中角位置反饋信號

9、通過正余弦無刷旋轉變壓器測得，該旋變?yōu)楦呔刃C座號，低壓激勵的無刷旋變，其激磁信號為2V、2kHz，電氣誤差3。RDC解調電路將無刷旋轉變壓器送來的含有負載位置信息的正余弦信號進行解調變換，可獲得角度位置信息，送給伺服計算機進行控制運算。另外，它還能提供負載的速度模擬信號，經A/D轉換后送入計算機進行速度環(huán)的校正運算。本設計中使用的RDC解調芯片的分辨率可方便地被用戶設成為12、14或16位，本系統(tǒng)中為16位。該解調芯片的主要電氣指標為：參考信號2V、2kHz，精度2arc min。3 系統(tǒng)設計3.1 對象模型的建立由于本系統(tǒng)采用了120導通電壓型三相逆變器，任一時刻只有兩相通電，因此，無刷

10、直流電動機的動態(tài)結構圖與普通直流電動機的相似，如圖3-1所示。圖3-1 無刷直流電動機動態(tài)結構圖該無刷直流電動機的參數(shù)工作電壓為U=46V電機兩端的電阻電感電勢常數(shù)轉矩常數(shù)機電時間常數(shù)連堵力矩2.40峰值力矩6.918連堵力矩時的電流5.42A峰值力矩時的電流25.3A。由于PWM 開關頻率為20kHz，所以PWM 控制器的傳遞函數(shù)為系統(tǒng)中電流反饋系數(shù)為速度由負載軸檢測，速度反饋系數(shù)為式中：KPWM為PWM制器的電壓放大倍數(shù)；Ts為PWM控制器的時間常數(shù)；ufi為電流反饋電壓；ufn為轉速反饋電壓；Id為電機繞阻電流；n為負載轉速。3.2 校正設計3.2.1 電流調節(jié)器的設計計算本設計中的電流

11、調節(jié)器采用模擬式設計，在實際系統(tǒng)中。由于電磁時間常數(shù)TL遠小于機電時間常數(shù)Tm電流調節(jié)比轉速的變化過程快得多。因而也比反電勢E的變化快得多，因此，可忽略反電勢對電流環(huán)的影響?？紤]到電流反饋時間常數(shù)Toi和PWM控制器的時間常數(shù)Ts都比TL小得多。因此它們都可以當作小慣性環(huán)節(jié)來處理，即取。從希望電流環(huán)超調小$電流跟隨性能好這個角度出發(fā)，應將電流環(huán)校正為典型型系統(tǒng)。由于電流環(huán)的控制對象傳遞函數(shù)中具有兩個慣性環(huán)節(jié)，因此，電流環(huán)按典型型系統(tǒng)校正時，電流調節(jié)器應采用PI調節(jié)器。其傳遞函數(shù)為（1）式中Kpi為電流調節(jié)器比例系數(shù)；Ti為電流調節(jié)器時間常數(shù)。PI調節(jié)器的零點對消控制對象的大時間常數(shù)極點，即取T

12、i=TL=La/Ra=0.00282（s），并按工程最佳參數(shù)來選擇調節(jié)器的參數(shù)。由于電流環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)為（2）式中，Ra為電機繞阻電阻。而且 （3）故有 （4）利用MATLAB軟件對電流環(huán)進行仿真，參見圖3-2，經仿真最終取Kpi=11.5，得到電流環(huán)的階躍響應曲線圖3-3，由圖可見其超調很小、電流跟隨性好，并且經仿真也可得到電流環(huán)的帶寬約為BW=800Hz圖3-2 位置、速度、電流閉環(huán)系統(tǒng)仿真結構圖圖3-3 電流環(huán)階躍響應曲線3.2.2 速度調節(jié)器的設計計算電流環(huán)設計好以后作為速度環(huán)內的一個等效環(huán)節(jié)，與系統(tǒng)前向通道中的積分環(huán)節(jié)串聯(lián)。就構成了速度環(huán)的被控對象，電流環(huán)是按工程最佳參數(shù)校正的典型型

13、系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)應為 Ugi為電流環(huán)的給定電壓，Id為電機繞阻中電流。由于故有速度環(huán)截止頻率總是低于電流環(huán)截止頻率，即所以，可以把電流環(huán)看成是速度環(huán)中的一個小時間常數(shù)環(huán)節(jié)，可忽略項。因此，電流環(huán)的近似等效環(huán)節(jié)為（7）本系統(tǒng)中速度由負載軸測出，因此，必須考慮減速環(huán)節(jié)1/i（i為速比）同時取，式中Ton為速度反饋時間常數(shù)。根據調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時無靜差和在動態(tài)時應有較好的抗擾動性能的要求，速度環(huán)可按典型型系統(tǒng)校正，由于速度環(huán)的被控對象由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成，為按典型型系統(tǒng)校正，應采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（8）式中Kpn為速度調節(jié)器比例系數(shù)；Tn為速度調節(jié)器時間常數(shù)。速度環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)

14、為（9）KN為速度環(huán)開環(huán)增益（10）按Mp最小準則確定調節(jié)器的參數(shù)，h是系統(tǒng)的中頻段寬度，它的選取將直接影響系統(tǒng)的動態(tài)性能，本系統(tǒng)中h取5，因為此時調節(jié)時間ts和擾動恢復時間tf最短。按以上分析可以確定速度調節(jié)器的參數(shù) （11） （12）利用MATLAB軟件對速度環(huán)進行仿真，參見圖3-2，經仿真最終取Kpn=5，Tn=0.0365，Kpi=11.5。圖3-4 t=0.5（s）時突加負載擾動時的轉速動態(tài)響應曲線圖3-4為無刷直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在t=0.5s時突加負載擾動時的轉速動態(tài)響應曲線，從圖中可以看出系統(tǒng)的抗負載擾動性能較好。3.2.3 位置調節(jié)器的設計計算速度環(huán)設計好以后作為位置環(huán)內

15、的一個等效環(huán)節(jié)，與系統(tǒng)前向通道中的積分環(huán)節(jié)串聯(lián)，就構成了位置環(huán)的被控對象。速度環(huán)是按典型型系統(tǒng)校正的，因此速度環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （13）Ugn為速度環(huán)的給定電壓，n為負載轉速。式（13）中若滿足以下的近似條件，則可忽略高次項。（14）式中：a、b、c分別為式（13）中s3、s2、s項的系數(shù)。由于位置環(huán)截止頻率總是低于速度環(huán)截止頻率即所以，可忽略高次項。因此速度環(huán)的近似等效環(huán)節(jié)可以為 （15）由于位置伺服系統(tǒng)對精度有較高的要求，因此位置環(huán)必須按型系統(tǒng)校正。為了按典型型系統(tǒng)校正，應采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （16）式中：Kpp為位置調節(jié)器比例系數(shù)；Tp為位置調節(jié)器時間常數(shù)。位置環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為

16、 （17）為位置環(huán)小時間常數(shù)之和。KP為位置環(huán)開環(huán)增益 （18）按MP最小準則確定調節(jié)器的參數(shù)，h是系統(tǒng)的中頻段寬度，若系統(tǒng)中h取10。按以上分析可以確定位置調節(jié)器的參數(shù) （19） （20）上述各環(huán)設計都應滿足近似條件。利用MATLAB軟件對位置環(huán)進行仿真（如圖3-2）所示，經仿真最終取Kpp=1.25，Tp=38，Kpn=5，Tn=0.0365，Kpi=11.5，得到圖3-5所示的位置環(huán)階躍響應曲線圖3-5 位置環(huán)階躍響應曲線由圖可見，其上升時間為0.05s，過渡過程時間為0.15s，超調量約為7%，振蕩次數(shù)為1，其動態(tài)性能較好。3.2.4 控制算法PID的增量型控制算法為 （21）式中：u

17、（k）為第K次采樣時計算機的輸出；e（k）為第K次采樣時的偏差值；e（k-1）為K-1次采樣時的偏差值；T為采樣周期；Kp為調節(jié)器的比例系數(shù)；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)，T1為調節(jié)器積分時間常數(shù)；TD為調節(jié)器微分時間常數(shù)?？蓪⑹剑?1）整理為如下的形式 （22）式中 設 （23）則在計算機軟件中可采用如下的實際疊代算法 （24）系統(tǒng)的初始值?。骸?shù)字PID計算結果經D/A轉換成模擬電壓作為電流環(huán)的給定信號。為減小系統(tǒng)超調，可采用積分分離控制算法，即在控制量開始跟蹤時，取消積分作用，直到被調量接近給定值時，才使積分作用。數(shù)字PID調節(jié)器輸出數(shù)字量之前應加限幅以控制系統(tǒng)的電流。4 結論高性能無刷直流電

18、動機位置伺服驅動控制系統(tǒng)一般都采用位置、速度、電流閉環(huán)控制。電流環(huán)可在轉速調節(jié)過程中使電機定子電流跟隨其給定值的變化，保證起動或制動時電機能獲得允許的最大電流，以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能；并對電源電壓波動起抗擾作用；當電機過載甚至堵轉時，限制電機電流的最大值，以保護電機與控制器的安全。而轉速環(huán)則可使系統(tǒng)具有較好的抗負載擾動性能。位置環(huán)則可使系統(tǒng)實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、準確的位置控制. 因此，按上述方法設計的機載雷達用無刷直流電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的控制性能與較高的動態(tài)品質。5 設計體會通過這次課程設計，我較熟練的掌握了使用MATLAB進行計算仿真開發(fā)的方法，加深了對電力拖動控制系統(tǒng)課程特別是閉環(huán)調節(jié)的理

19、解。由于時間倉促，系統(tǒng)的校正還有許多不足之處。主要有：1 對課程知識理解不深，很多概念都是似懂非懂。2 對仿真軟件matlab的應用較為生疏，很多實用的技巧都不知道，導致設計時間漫長，計算復雜。3 對重要文獻的檢索能力需要加強，平時不注意搜集有關資料，書到用時方恨少。感謝我們學校、學院為我們安排了這么好的一次設計周，在今后的學習中我會加強理論和實踐的結合，通過不斷的摸索來彌補自己在計算機仿真方面的差距。參考文獻1 陳伯時 自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，19812 歐陽黎明 MATLAB控制系統(tǒng)設計.北京:國防工業(yè)出版社,20013 王 宏 無刷直流方波電機PWM控制器的設計.現(xiàn)代雷達,2002(6):82864 胡壽松 自動控制原理 第四版 科學出版社，20015 李友善 自動控制原理 國防工業(yè)出版社