直流電機控制系統(tǒng)的案例
基于Saber的無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真
導讀：利用Saber仿真軟件完成無刷直流電機控制系統(tǒng)的研究分析。分別對控制系統(tǒng)中的位置傳感器、電子換向器、三相逆變電路進行研究與分析，并完成仿真模型的搭建、功能驗證和性能分析，最后對各功能模塊進行有機整合。完成控制系統(tǒng)的整體仿真試驗，仿真結(jié)果證明，系統(tǒng)設計合理，其仿真結(jié)果與理論分析相吻合。
無刷直流電機是在有刷直流電機的基礎上發(fā)展起來。1955年，美國的D.Harrison等人首次申請用晶體管換向電路代替有刷電機機械電刷的專利，標志這現(xiàn)代無刷直流電機的誕生。
相對于有刷電機，無刷直流電機采用電子換向代替了機械換向，轉(zhuǎn)速高，輸出功率大，壽命長，散熱好，無換向火花，噪聲低，可在高空稀薄條件下工作，廣泛應用在要求大功率重量比、響應速度快、可靠性高的隨動系統(tǒng)中。
隨著DSP數(shù)字控制芯片功能和速度的提高，以數(shù)字信號處理器為核心的控制電路和嵌入式控制軟件將代表無刷直流電機控制的發(fā)展方向。無刷直流電機必須和電子換向器、位置反饋器配套使用，控制更加靈活，當同時導致控制硬件、算法復雜度增加。
在無刷直流電機控制系統(tǒng)設計過程中利用數(shù)學仿真分析手段，可以更好的掌握系統(tǒng)的動態(tài)特性，驗證電路設計是否正確，元器件、控制參數(shù)選擇匹配是否合理，從而更加有效地進行系統(tǒng)設計。
本文利用Synopsys公司的電力電子仿真軟件Saber建立了無刷直流電機的控制系統(tǒng)的仿真分析模型，對該控制系統(tǒng)中的位置傳感器、電子換向器、三相逆變電路進行研究與分析，完成仿真模型的搭建、功能驗證和性能分析，最后利用整體模型進行系統(tǒng)的仿真試驗。
1 電機控制系統(tǒng)總體
無刷直流控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。
展開 電機仿真系列-基于模糊PID的直流電機Simulink模型
代碼：
3、系統(tǒng)仿真與分析
為分析模糊控制器控制性能．針對直流電機控制系統(tǒng)．利用模糊控制技術(shù)設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器．電流調(diào)節(jié)器依然采用傳統(tǒng)PI控制．用Matlab／Simulink仿真工具進行了系統(tǒng)仿真。并和傳統(tǒng)內(nèi)外環(huán)均采用PID控制的系統(tǒng)指標進行了比較。
從仿真結(jié)果可以看出。模糊PID控制系統(tǒng)具有超調(diào)量小、魯棒性和抗負載擾動能力強的優(yōu)點。由于模糊PID的設計比較簡單，容易實現(xiàn)，控制效果也更出色。
無位置傳感器的直流無刷電機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
在電機靜止時，轉(zhuǎn)子的初始位置未知，需要給設定的兩相電樞繞組通以短暫的電流，使轉(zhuǎn)子磁極穩(wěn)定在這兩相繞組合成磁場的軸線上，以此作為轉(zhuǎn)子磁極初始位置（即預定位）。然后按定、轉(zhuǎn)子磁極間正確的空間相位關(guān)系使相應的功率器件導通，并以固定的時間進行模式切換，在這段時間內(nèi)反電勢幅值較小，不宜進行過零檢測。
3實驗結(jié)果
將前述控制方案應用在直流變頻空調(diào)壓縮機系統(tǒng)上進行實驗驗證，電機極對數(shù)為2，PWM載波頻率設為5kHz，最大輸出功率為2kW，調(diào)速范圍為15～～110Hz。實驗證明，該系統(tǒng)啟動平穩(wěn)，調(diào)速控制系統(tǒng)實時性好，具有良好的控制性能。圖5是無刷直流電機三相電壓的波形，圖6是無刷直流電機三相電流的波形，從波形圖中可以看出，輸出波形具有較高的質(zhì)量，從而表明該系統(tǒng)采用的控制策略和算法的可行性和和實用性。
4結(jié)語
直流無刷電機具有效率高、功率密度大、功率因數(shù)高、體積小、控制精度高等優(yōu)點，其應用范圍非常廣泛。直流無刷電機的控制技術(shù)正在從傳統(tǒng)的有位置傳感器的閉環(huán)PID控制過渡到無位置傳感器的智能控制，其調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)矩脈動、系統(tǒng)魯棒性等性能都在不斷提高。
在充分利用了TMS320LF240x的強大實時計算能力和片內(nèi)豐富的集成器件的基礎上，設計了基于DSP的無位置傳感器直流無刷電機的控制方案，并給出了控制系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)。該控制系統(tǒng)具有良好的控制性能和調(diào)速性能，可以獲得較好的動態(tài)特性和較高的穩(wěn)態(tài)精度，運行效率高，抗干擾能力強，具有較高的實際應用價值。
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展開 汽車電機控制方案—單相無刷直流電機
汽車電機控制方案—單相無刷直流電機
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引言
無刷直流電機轉(zhuǎn)子采用磁鋼勵磁，定子采用集中繞組，取消了電刷和換向器，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、維護需求低的特點，按照其繞組相數(shù)可以將其分為單相無刷直流電機和多相無刷直流電機兩大類。
汽車上應用的發(fā)動機冷卻水泵、冷卻風機、空調(diào)壓縮機電機等功率較高、轉(zhuǎn)速控制范圍較廣的使用三相無刷直流電機居多。而單相無刷直流電機被廣泛應用于對電機啟動性能不高、轉(zhuǎn)矩脈動要求不高的小功率散熱水泵、小功率風機中。ZLG推出的單相無刷直流電機方案適用于小功率散熱水泵，可以通過PWM單線雙向控制，適用于12V系統(tǒng)下50W左右的電機。
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認識單相無刷直流電機
單相無刷直流電機和三相無刷直流電機的結(jié)構(gòu)相似，定子主要由定子鐵芯和電樞繞組所組成，轉(zhuǎn)子主要由永磁體構(gòu)成。它們的轉(zhuǎn)子的永磁體被充成一定的磁極對數(shù)，定子鐵芯通常由磁軛和凸極所組成，定子上只有一相電樞繞組，其電樞繞組的具體連接方式如圖1所示。
圖1 單項無刷直流永磁電機的示意圖
單相無刷直流電機的定子上有一相電樞繞組W。
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用于無刷直流電機的汽車電動直流電機控制器的工作原理
用于無刷直流電機的汽車電動直流電機控制器的工作原理-博揚智能
直流電機控制器的具體細節(jié)取決于電機類型（有刷、無刷、步進）和使用該電機的設備的功能。例如，與有刷電機的工業(yè)直流電機控制器相比，用于無刷直流(BLDC)電機的電動汽車直流電機控制器具有不同的設計和工作原理。
控制器分為數(shù)字和模擬版本。數(shù)字直流電機控制器與其模擬變體之間的主要區(qū)別在于前者包括基于微控制器(MCU)的硬件和固件。
一些直流電機控制器類型可以接收來自電機的反饋、檢測錯誤并糾正它們，使值與設定值一致。它們被稱為閉環(huán)或反饋控制器。
或者，即使發(fā)生故障，開環(huán)或非反饋控制器也不會影響這種情況，因為它不會檢測到故障。您可以在不需要自動控制的簡單系統(tǒng)中找到此類控制器。
開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)是控制理論的基本概念。根據(jù)電子設備的要求或復雜性，您可以實施帶或不帶反饋的控制系統(tǒng)。例如，步進電機可以與開環(huán)控制器一起運行。用于高性能應用中精確定位的伺服直流電機控制器是一個閉環(huán)系統(tǒng)。
圖中顯示了閉環(huán)和開環(huán)控制系統(tǒng)的示例。在第一種情況下，機器人的電機控制器接收反饋并根據(jù)景觀條件調(diào)節(jié)速度。在非反饋系統(tǒng)的情況下，電機控制器得不到反饋。因此，機器人的速度在到達平臺時會降低。
展開 對輸入進行脈寬調(diào)制來控制電機轉(zhuǎn)速的刷式直流電機驅(qū)動器-SS6548D
刷式直流電機驅(qū)動器由定子、轉(zhuǎn)子和電刷三部分組成。定子產(chǎn)生固定磁場，轉(zhuǎn)子攜帶電流在磁場中受力旋轉(zhuǎn)，電刷則負責將直流電源引入轉(zhuǎn)子繞組，實現(xiàn)電流換向。當電流通過轉(zhuǎn)子繞組時，會在磁場中受到安培力的作用，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
刷式直流電機驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)相對簡單，但具有較高的效率和可靠性。其中，電刷是實現(xiàn)電流換向的關(guān)鍵部件，通常由碳材料制成，具有良好的導電性和耐磨性。此外，直流有刷電機還具有啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點，使其在各種應用場合中具有廣泛的適用性。
在刷式直流電機驅(qū)動器運行過程中，電流需要不斷換向以保持轉(zhuǎn)子的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這一過程是通過電刷與換向器的配合來實現(xiàn)的。換向器通常由多個銅片組成，與轉(zhuǎn)子繞組相連。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到一定位置時，電刷會接觸到下一個銅片，從而實現(xiàn)電流的換向。這種設計使得直流有刷電機能夠平穩(wěn)、高效地運行。
工采電子代理的SS6548D是一款刷式直流電機驅(qū)動器，專為工業(yè)及消費電子設計的40V/16?A大電流直流有刷電機驅(qū)動芯片，采用帶散熱盤的DFN5*5封裝，支持40V電壓應用，內(nèi)置電流調(diào)節(jié)將電機電流限制到預定較大值，H橋由兩路邏輯輸入控制, 內(nèi)置低導通內(nèi)阻的P+N溝道MOSFET；適用于健身器材，智能化辦公，智能家具，按摩椅，工業(yè)設備及其它機電一體化電機。
能夠在寬電壓范圍（6.5?V?~?40?V）內(nèi)提供持續(xù)8?A、峰值16?A的電流輸出，并通過低導通電阻（典型 45?mΩ）實現(xiàn)高效能驅(qū)動,支持PWM調(diào)速（0-50kHz）和低功耗休眠模式（待機電流僅1μA）適用于對功率密度和系統(tǒng)可靠性要求較高的場合。
展開 永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真 附電力電子、電機控制系統(tǒng)的建模和仿真下載
還是以永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型來說明。
下圖是常規(guī)永磁同步電機控制的實際流程包括以下幾個步驟：
1 . 采樣和保持電機電流值，ADC轉(zhuǎn)換電機電流值；
2 . 讀取電機速度和位置值（圖中未標出）；
3 . 運行電機控制和SVPWM算法；
4 . 輸出和更新PWM占空比；
其中步驟1的電流采樣和步驟4的更新PWM占空比必須在同一時刻完成的。
PMSM電機控制的流程
因此我們可以知道，如何把電機控制算法看作一個任務，這個任務相對被控對象模型就是異步的。但是這個任務相對于PWM-Timer卻是同步的。
現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了永磁同步電機控制系統(tǒng)的實際情況，下面我們就來進行建模。
永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真參數(shù)
確定系統(tǒng)參數(shù)如下：
NO.
展開 【干貨分享】無刷直流（BLDC）電機控制解決方案
無刷直流（BLDC）電機控制解決方案
無刷直流（BLDC）電機正迅速成為要求高可靠性，高效率和高功率體積比的應用的自然選擇。這些電機在很寬的速度范圍內(nèi)提供大量的扭矩，并且與有刷電機具有相似的扭矩和速度性能曲線特性（盡管有刷電機可提供更大的靜止扭矩）。
BLDC電機由于消除了傳統(tǒng)直流電機換向時使用的電刷而具有顯著的可靠性。刷子磨損，降低了電機的性能，最終必須更換。相反，在額定參數(shù)范圍內(nèi)運行時，BLDC電機的預期壽命可超過10，000小時或更長。與傳統(tǒng)裝置相比，這種壽命以及隨后的維護和備件成本的降低可以抵消電機的較高初始成本。
BLDC電機正在進入最具成本意識的應用領域。例如，在汽車領域，BLDC電機的使用正在飆升。汽車制造商尤其被電機在機械工作中轉(zhuǎn)換電能的效率所吸引，這有助于降低對車輛電力系統(tǒng)的需求（圖1）。
BLDC電機的這種興趣促使芯片供應商為該單元的電子控制系統(tǒng)開發(fā)定制的單片芯片。本文將詳細介紹BLDC電機控制芯片 - 用于驅(qū)動逆變橋的設備，最終激活電機線圈并控制速度和方向等參數(shù)。
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減少霍爾傳感器故障
飛兆半導體公司擁有BLDC電機控制的悠久歷史，最近推出的FCM8201芯片仍在繼續(xù)。該器件專為感應BLDC電機控制而設計。（傳感電機需要霍爾效應傳感器來指示線圈位置以輔助電子換向序列）。
展開 步進電機的控制系統(tǒng)設計 步進電機的開環(huán)控制解析
步進電機控制技術(shù)及發(fā)展概況
作為一種控制用的特種電機，步進電機無法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動電源步進電機驅(qū)動器。在微電子技術(shù)，特別計算機技術(shù)發(fā)展以前，控制器脈沖信號發(fā)生器完全由硬件實現(xiàn)，控制系統(tǒng)采用單獨的元件或者集成電路組成控制回路，不僅調(diào)試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設計電路。這就使得需要針對不同的電機開發(fā)不同的驅(qū)動器，開發(fā)難度和開發(fā)成本都很高，控制難度較大，限制了步進電機的推廣。
由于步進電機是一個把電脈沖轉(zhuǎn)換成離散的機械運動的裝置，具有很好的數(shù)據(jù)控制特性，因此，計算機成為步進電機的理想驅(qū)動源，隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，軟硬件結(jié)合的控制方式成為了主流，即通過程序產(chǎn)生控制脈沖，驅(qū)動硬件電路。單片機通過軟件來控制步進電機，更好地挖掘出了電機的潛力。因此，用單片機控制步進電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代趨。
步進電機控制系統(tǒng)的設計
傳統(tǒng)的電流式控制方法是檢測流經(jīng)繞組的電流，并將反饋信號送到控制芯片，然后由控制芯片決定是增加還是降低繞組電流，以取得所需的電流強度。這種控制方法使電機在寬轉(zhuǎn)速和寬電源電壓范圍內(nèi)保持理想的轉(zhuǎn)矩，非常適用于全步進和半步進電機驅(qū)動，而且實現(xiàn)起來非常容易。
閉環(huán)控制電路將電流施加到繞組。反電動勢（BEMF）會降低繞組電壓，延長電流達到理想值的時間，因此，反電動勢限制電機轉(zhuǎn)速。雖然系統(tǒng)無需知道反電動勢值，但是，不重視且不修正這個數(shù)值將會導致系統(tǒng)性能降低。
因為電源電壓變化導致峰值電流有時波動幅度很大，所以，直到現(xiàn)在，工程師還是盡量避免使用電壓式控制方法。工程師們還想避免反電動勢隨著電機轉(zhuǎn)速增加而升高的問題。
在這種情況下，業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了能夠補償反電動勢的智能電壓式控制系統(tǒng)。
展開 淺析純電動汽車驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的控制過程
驅(qū)動電機控制模塊根據(jù)溫度傳感器反饋的信息，再通過 CAN 線反饋給整車控制器整車控制模塊，來控制冷卻風扇的開啟與否、冷卻系統(tǒng)循環(huán)的路線，確保電機保持在理想溫度下工作。
驅(qū)動電機控制系統(tǒng)工作過程見圖 3。
驅(qū)動電機控制器主要功能有：
①驅(qū)動時：逆變器將蓄電池提供的直流電逆變?yōu)殡妷侯l率可調(diào)的三相交流電，供電動機使用，驅(qū)動汽車運行。
②制動時：電動機做發(fā)電機運行將動能變?yōu)殡娔墚a(chǎn)生三相交流電，經(jīng)逆變器變?yōu)?em>直流電反饋回蓄電池，進行再生制動。
③運行速度控制：采用脈寬調(diào)制控制改變逆變器輸出的三相交流電的電壓和頻率就可以改變電機的轉(zhuǎn)速，從而對汽車進行調(diào)速。
④運行方向控制：通過改變逆變器中控制模塊的導通順序就可以改變輸出三相交流電的相序，即改變了三相異步電動機定子三相繞組所接交流電的相序，三相異步電動機反轉(zhuǎn)，從而改變汽車的運行方向。
⑤驅(qū)動與制動控制：通過改變逆變器輸出三相交流電的頻率，改變?nèi)喈惒诫妱訖C的轉(zhuǎn)差頻率的正負，控制三相異步電動機是處于電動機狀態(tài)還是發(fā)電機狀態(tài)，從而控制汽車的驅(qū)動和制動。
驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的所有傳感器將信號反饋給驅(qū)動電機控制模塊，控制模塊對采集到的信號進行分析處理后，將電機運行狀況信息通過數(shù)據(jù) CAN 線反饋到整車的控制模塊。整車控制模塊根據(jù)電機的運行狀況及相關(guān)傳感器信號分析處理后發(fā)出指令給驅(qū)動電機控制模塊，對驅(qū)動電機的工作進行實時控制，從而完成驅(qū)動電機的各種功能。驅(qū)動電機控制模塊和汽車其它系統(tǒng)控制模塊一樣，含有故障診斷功能，當電機工作出現(xiàn)異常時，電機控制模塊會將故障代碼信息發(fā)送給整車控制模塊進行存儲。
參考文獻：
[1]何憶斌.新能源汽車驅(qū)動電機技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，2017.
展開 直流無刷驅(qū)動MS4932三相正弦波 DC 電機控制器 三相有感正弦波BLDC預驅(qū)動，支持空間向量調(diào)制（SVM)
產(chǎn)品描述:
MS4932是一款三相正弦波無刷直流電機(BLDC)或永磁同步電機(PMSM)控制器。該芯片對霍爾感應信號進行處理，控制器可以通過開關(guān)三相轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn) PWM 交換。MS4932/MS4932N 有兩種 PWM 模式：正弦波模式和方波模式。該芯片具有過壓保護、過流保護、短路保護以及過溫保護，用來保護芯片及馬達不會受到損壞。
行業(yè)應用方案 | 電機與驅(qū)動控制系統(tǒng)
Ansys 行業(yè)應用方案連載（9） | 電機與驅(qū)動控制系統(tǒng)
電機與驅(qū)動控制系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)設備、能源、國防軍工、家電、伺服控制、機器人、新能源汽車、軌道交通等領域，是高性能家電、新能源汽車、智能制造、機器人、軌道交通等高新應用的核心技術(shù)之一。
根據(jù)不同的行業(yè)應用場景，電機與驅(qū)動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是不一樣的。工業(yè)電機主要以高效率節(jié)能為發(fā)展方向；家用電器以低成本、低噪聲、高效率的直驅(qū)電機為發(fā)展方向；新能源汽車電機以全周期運行區(qū)間的整體效率、低NVH、低成本、小體積、高可靠性為發(fā)展方向；國防軍工以高可靠性、高性能的特種電機為主。
綜合來看，電機與驅(qū)動控制系統(tǒng)的技術(shù)熱點是電機的多學科性能優(yōu)化、NVH分析、EMC分析以及電驅(qū)動系統(tǒng)的系統(tǒng)分析，這些熱點問題同時也是技術(shù)難點，大多都需要多學科多物理域的綜合分析。
電機設計是一個典型的多物理場問題，它涉及到多個領域包括電磁、結(jié)構(gòu)、控制、流體和溫度等。隨著新材料、新工藝以及各種電機新技術(shù)的發(fā)展，以及市場競爭的加劇，電機設計的要求越來越苛刻，精度要求越來越高。
以往很多電機設計的問題，可以用裕量設計的方法來解決，例如加大體積減小溫升，通過斜槽等等來降低脈動，加大重量來提高效率和降低噪聲，現(xiàn)在這些方法由于成本壓力往往都行不通。現(xiàn)在需要提高設計精度，通過仿真來減少電機設計中的諸多問題。
展開 行業(yè)應用方案 | 電機與驅(qū)動控制系統(tǒng)
Ansys解決方案
Ansys電機與驅(qū)動控制系統(tǒng)解決方案遵循真實的電機開發(fā)設計流程，從快速的概念設計、具體的細節(jié)優(yōu)化、到最后的機電系統(tǒng)集成，從電機的本體電磁性能、控制性能到電機的散熱、NVH、聲品質(zhì)、電驅(qū)動系統(tǒng)都有相應的解決方案。
Ansys電機及其控制系統(tǒng)解決方案
的多物理場優(yōu)化平臺
Motor-CAD電機多學科優(yōu)化
optiSLang參數(shù)敏感性分析與優(yōu)化
電機驅(qū)動系統(tǒng)分析
電機ECE模型抽取
IPM電機MTPA控制
不同控制方法仿真結(jié)果比較
嵌入控制代碼仿真
旋轉(zhuǎn)變壓器及其控制器仿真
電驅(qū)動系統(tǒng)仿真分析流程
開關(guān)器件物理原型建模
開關(guān)模塊建模
母排寄生參數(shù)提取
? 母排表面電流由于“集膚效應”與“鄰近效應”的影響，明顯分布不均勻
? 通過Q3D可提取模型在不同頻率下的RL/CG矩陣，替換掉理想模型的走線
電機驅(qū)動系統(tǒng)傳導干擾分析
深圳市優(yōu)飛迪科技有限公司成立于2010年，是一家專注于產(chǎn)品開發(fā)平臺解決方案與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的國家級高新技術(shù)企業(yè)。
展開 新能源汽車驅(qū)動電機與控制系統(tǒng)
新能源汽車驅(qū)動電機與控制系統(tǒng)
