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无刷直流电动机快速定位系统的研究

来源:稀土永磁直流力矩电机作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:7089


   摘要:介绍了一种无刷直流电动机定位控制系统,采用无刷直流电动机固有的霍尔检测器的输出信号,经过倍频和辨向处理.作为位置反馈信号,不需要另外的位置反馈元件。

1引  言

   和有刷直流电动机相比,无刷直流电动机由于革除了滑动接触机构,消除了故障的主要根源,因而在各行各业得到了广泛的应用。特别是在各种高档的自动门门禁控制系统中、在一些包装机械、印刷机械的控制系统中,已经普遍使用无刷电动机驱动。在上述应用领域里,不仅需要控制速度,而且还需进行定位控制,现在普遍采用的还是“碰行程开关,然后自然停止”的定位方式,不仅定位精度低,而且定位时间长,效率低。

   针对上述酌情况,我们研制了一种基于无刷直流电动机的快速定位控制系统,采用无刷直流电动机固有的霍尔检测器的输出信号,经过倍频和辨向处理,作为位置反馈信号,不需要另外的位置反馈元件,在几乎不增加成本的情况下,大大提高了定位的精度,缩短了定位时间。目前这种快速定位系统已经成功地应用在实际工程中。

2无刷直流电动机定位控制系统的总体结构

   图1是无刷直流电动机定位控制系统的总体结构图。定位系统采用一片AVR单片机MEGA8作为位置控制器,位置控制器接收指令装置发来的定位控制信号和位置反馈信号。位置反馈信号是通过对无刷直流电动机的霍尔传感器信号进行倍频和辨向处理后得到的。换向控制及PWM电路的主要功能是根据无刷直流电动机中霍尔传感器的信号来完成电动机的换向控制,利用PWM技术控制电动机的转速,从而实现平稳的定位控制。

   图l  无刷直流电动机定位控制系统

3利用霍尔传感器的信号完成位置反馈

   无刷直流电动机一般采用霍尔开关型的转子位置检测器。在这里,我们不仅要利用霍尔位置检测器的输出信号来完成电动机的换向控制,同时还要对这一信号进行六倍频和辨向处理,以形成定位控制的反馈信号。如图2所示,霍尔转子位置传感器输出信号Ha、Hb、Hc在每360°电角度内给出了六个代码,在图2中,Ha、Hb、Hc给出的六个代码顺序是101l、100、110、010、01l、001。换相控制逻辑电路接收转子位置传感器的输出信号Ha、Hb、Hc,并对其进行译码处理,给出电子换相器主回路(三相桥式逆变器)中六个开关管的驱动控制信号。

   图2霍尔位置检测器输出信号    

前面提到的代码出现的顺序与电动机的转动方向有关,如果转向反了,代码出现的顺序也将倒过来。所以,换相控制逻辑电路还应当接收电动机的转向控制信号DIR,这也是一个逻辑信号,高电平控制电动机正转,低电乎控制电动机反转。

   根据上式中的逻辑关系,可以得出换相控制逻辑电路。另外还可以利用H、H、H,在经过六倍频和辨向处理以后,形成位置反馈信号,以实现定位控制。

   从图2可以看出,霍尔位置传感器发出H、H、H信号是三路相差120°的低频脉冲,如果要利用其进行位置反馈,首先应当对H、H、H进行辨向和六倍频处理,得到电机的转动方向的信息,提高分辨率以及位置反馈的精度。

        图3辨向和六倍频处理电路

 Ha、H、H三路信号分别被送入D触发器D1、D2、D3,经时钟脉冲CP的同步后,得到了Q、Q、Q4,而Q1、Q、Q5,相对于Q、Q、Q又延迟了一个时钟周期。图4表示电动机正、反转时Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0的关系。

              

(a)正转时                                   (b)反转时

                         图4 Q5~Q0及同步脉冲CP的时序关系

 可以把Q5、Q、Q、Q、Q1、Q看作一组并行的二进制代码。在图4中,正转时,代码依次为110001、110011、100011、000011、000111、001111、001110、001100、011100、111100、111000、110000。反转时,代码依次为001101、0011l1、001011、000011、010011、110011、110010、110000、110100、111l00、101100、001100。

   从上面给出的正转和反转的代码中可以看出11001l、000011、001111、001100、111100、110000这六个代码是公共的,在正转和反转序列中都会出现的,暂且称为公共代码。110001、100011、0001l1、001110、011100、、111000这六个代码是正转序列中独有的,是表示正转特征的代码。001101、001011、01001l、110010、110100、101100这六个代码是反转序列中独有的,是表示反转特征的代码。

   无论在正转脉冲序列还是在反转脉冲序列中,公共代码和特征代码都是交替出现的。特征代码持续的时间是固定的.等于同步脉冲CP的一个周期。而公共代码持续的时间则是随电机的转速变化而变化的。利用这一规律可以实现辨向和六倍频处理。

   在图3中的倍频辨向译码环节中的逻辑表达式

如下:

CPZ=Q5Q4/Q3/Q2/QlQo+Q5/Q4/Q3/Q2Q1Qo+

     /Q5/Q4/Q3Q2QlQo+/Q5/Q4Q3Q2Q1/Qo+

     /Q5Q4Q3Q2/Q1/Qo+Q5Q4Q3/Q2/Q1/Qo

CPF=/Q5/Q4Q3Q2/Q1Q0+/Q5/Q4Q3/Q2Q1Qo+

     /Q5Q4/Q3/Q2QlQo+Q5Q4/Q3/Q2Q1/Qo+

      Q5Q4/Q3Q2/Q1/Q0+Q5/Q4Q3Q2/Q1/Qo

其中,CPZ和CPF分别是正转和反转时的经过六倍频的输出脉冲,显然CPZ和CPF的频率与电动机的转速成正比。

   如果无刷电动机的磁极对数p为l,那么转子每转过一圈,将产生六个位置反馈脉冲;如果无刷电动机的磁极对数p为2,转子每转过一圈,将产生12个位置反馈脉冲。考虑到传动机构的减速作用,这样的精度,已经可以满足一般生产机械的定位要求。另外,还注意到,位置反馈脉冲的宽度是不变的,等于一个同步时钟脉冲CP的周期。根据这一点,就可以利用简单的低通滤波电路和加法电路得出与电动机转速成正比的电压信号,即速度反馈信号。

4快速定位控制算法的实现

   定位系统采用一片AVR单片机MEGA8作为位置控制器,位置控制器接收指令装置发来的定位控制信号,和位置反馈脉冲信号,实现快速定位控制。

在限制电机最大加速度am的情况下,理想的快速进给定位过程如图5所示,即应以最大的允许加速度an加速到规定的最大速度vm,并等速运动,在接近目标位置时,以同样的减速度一am匀减速运动。

在减速阶段,速度与位置偏差△e(t)的关系如下式:  (1)  (2)

式(2)的左边应当对应于位置控制的增益,可以看出,理想的位置控制的增益应该是变化的,在越接近终点位置时,位置控制的增益应该越大。这就带来一个问题,当接近终点时(或者跟随误差很小时),位置控制的增益将超过临界值,导致系统不稳定。所以,图5所示的那种理想的快速定位过程是很难实现的。

       图5理想的快速进给定位过程

采用变增益的控制器可以实现准理想的定位过程。图6所示的两段折线的方案,就是准理想的控制器算法。

   图6变增益定位控制

最大快速进给速度限制为vm,相应的控制信号为Cvm第一速度转折点为Δe1,第二速度转折点是Δe2。微处理器进行定位控制时,在不同的误差区段采用不同的位置控制增益,软件首先根据当前的位置误差Δe,判断所在的工作区域,计算Cv值。

选择合适的控制增益Kp就可以使系统稳定工作,并且还可以做到无超调定位。    

5结语  

上面介绍了基于无刷直流电动机的定位控制系统的总体结构和主要的技术细节,我们还对这种控制系统的定位精度和定位时间进行了测试。测试装置为丝杆滑台机构,丝杆的螺距为2 mm,无刷直流电动机与丝杆直接相连,丝杆滑台机构折合到电动机轴上的转动惯量大约为23.6 kg·c㎡,无刷电动机的功率为800 W,额定转速为2 000 r/min,磁极对数p=2。定位距离为300mm。重复实验多次,结果十分接近:定位误差小于0.1 mm,定位时间约为

5.8 s。

目前,我们研制的无刷电动机定位控制系统已经在某包装机械的技术改造中获得了成功的应用。

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