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1、无刷直流电机快速制动准确定位控制系统的设计安阳工学院电子信息与电气工程系 秦长海 （河南安阳455000）摘要：介绍了一种在直流电机断电制动时直流电机被短接，利用直流电机惯性所产生的电流能在电机内产生一个与惯性旋转方向相反的旋转磁场，使电机内部产生很大的阻尼磁场，使无刷直流电机快速制动的新方案。利用PLC在电机断电制动时，有三个传感器检测出电机的转速，测算出电机的起控位置，使电机能够准确定位的新设计，经实验该方案运行可靠准确。关键词：无刷直流电机（BLDC） 快速制动 PLC定位系统 1、 引言无刷直流电机Brushless DC motor (BLDCM)因其体积小、性能好、结构简单、可靠性
2、高、输出转矩大；既具有交流电机简单，运行可靠，维护方便等优点，又具有直流电机运行效率高，不受机械换向限制，调速性能好，易于做到大容量、高转速等特点，备受广泛关注。随着BLDCM应用领域的不断拓宽，对电机控制系统设计要求越来越高，既要考虑成本低廉、控制算法合理，又需兼顾控制性能好、开发周期短等问题。BLDCM控制系统的发展，使得需要研究的控制对象和系统越来越复杂。而直流电机在其制动控制上很难做到快速制动和准确定位的控制，本文介绍一种无刷直流电机快速制动和制动时的准确定位新的控制方案。2，控制系统快速制动定位的设计PLC转速设定微机信号K刹车接口电路刹车预制动电路ABC三相驱动电路电机传感器图1
3、直流无刷电机制动定位控制框图直流无刷电机快速制动准确定位控制原理框图如图1所示。其基本工作过程为：需要刹车制动时，按下刹车制动开关K ，刹车预制动电路发出制动信号， 驱动电路工作，电源开关K1被打开（图中未画出），使直流电机断电，紧接着开关K2 驱动电路工作，使的K2闭合，直流电机被短接，利用TDB-4C01-0150制动单元使直流电机惯性所产生的电流能在电机内产生一个与惯性旋转方向相反的旋转磁场，使电机内部产生很大的阻尼磁场，从而使直流电机快速制动达到制动目的。在电机断电制动时，由三个角位移传感器检测出电机的转速，根据转速的高低，测算并确定电机的起控位置，传输到PLC，PLC控制电机使电机在
4、设计的位置能够完全停止。主控制器PLC，采用的是日本三菱公司的FX2N-64MR,是微型PLC中的顶尖产品，具有高速、高性能的特点，一条基本指令运算时间为0.08s,一条应用指令运算时间约为1.52-100s，并具有FX2N-20GM的定位单元可以扩展，便于实现定位控制。 ABC三相驱动电路采用美国国际整流器公司专用MOS驱动芯片IR2102，可驱动MOSFET 或IGBT。该芯片的应用简化了驱动电路的设计。IR2102内部采用自举技术设计出悬浮电源，实现一相两个N沟道逆变桥输出电路的控制。3电机准确定位的方法3.1 通过控制开始制动的时刻，达到准确定位的目的如果要使电机在制动时，不论电机的转
5、速高低，都能停在同一位置，则首先需要知道电机当前的转速，然后根据转速的高低去控制制动过程。制动过程的原理是：在电机拖动旋转物的某一位置上安装一个角位移传感器。当停止按钮按下或紧急事故停机信号发出后，使机器进入制动程序。制动动作应在经过角位移传感器位置后的某个时刻开始，我们把从角位移传感器到制动动作开始的这段时间称作制动参数Tzd。电机在高速运转时应使Tzd置小些，尽量早地执行制动的动作。在低速运转时应使Tzd置大些，适当晚地执行制动的动作。用这种方法就可以使电机在不同转速情况下准确地停在同一位置。制动位置与停止位置、转速之间的关系为：S=2R*N* Tzd/60 (1)3.2制动程序的设计根据
6、上述原理，制动程序应包括测速，转子位置检测和计算制动参数Tzd执行制动，下面分别介绍。3.2.1 测速在电机动力输入轴端部安装一个角位移传感器，使该轴每转一周可以向PLC的高速计数端子发出12个脉冲，并在高速计数器上获得该脉冲的计数值。当电动机转动时，高速计数器的计数值就会不断累加。通过编程，可以在规定的时刻将该计数值取出并放在数据存储器N1中，然后经过0.05ms再将该计数值取出并放在数据存储器N2中，那么N=N2-N1的值就表示在T=T2-T1=0.05 s时间内的平均转速值。当T保持不变时，N值越大表明转速越高。这样就可以把转角信号转换成速度信号，如图2所示。NtttNN000(a)(b
7、)(c)图2 测速脉冲波形示意图图2a中计数脉冲来自主传动轴的信号，该信号频率与角位移传感器检测的主机转速成正比。图2b中的时钟脉冲是PLC控制器中提供的，它有3种周期即0.01ms，0.03 ms 和0.05ms；可根据转速的高低选用适当周期。当转速一定时，时钟周期选得大，则测速时间长，该转速的脉冲数值也就大，建立数学模型时就可以细分，产生更精确的制动效果。反之，如果时钟周期选得小，则制动效果就粗糙些。用户可根据机械设备的情况自行选定。图2c中的脉冲是对图2b的时钟脉冲进行前沿和后沿微分，以便取出间隔为0.01ms、0.03ms和0.05ms的信号，该信号的宽度是应用程序的循环周期的一半。用
8、该信号从计数器中取出当前计数值N1和N2，由程序计算出其差值N。3.2.2 转子位置检测控制无刷直流电机时，PLC控制器根据转子的当前转动位置，发送相应的控制字，通过改变PWM脉冲信号的占空比控制电机。无刷直流电机的转子位置是由位置传感器来检测的。该系统设计采用了3个光电式位置传感器(霍尔元件)，它们是利用光电效应制成的，跟随电机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。 随着电机转子的旋转，光电管间歇接收从光源发出的光，不断导通和截止，从而产生一系列“0”和“l”的信号。这些脉冲信号通过I0端口传输给DSP，DSP读取霍尔元件的状态值，以确定转子的当前位置。再通过改变PWM信号
9、的占空比控制驱动电路，改变驱动电路中控制器件的导通顺序，实现电机的换相控制并调节电机的转速。3.2.3制动时间参数Tzd的确定数值N还必须用数学函数式Tzd=f(N)转为Tzd值才能作为PLC的制动延时参数。数学函数式Tzd=f(N)要适合电机控制对象的机械惯量，还要满足电机控制对象电机的制动要求：即当N值增大时Tzd则相应减小，可用下面的数学曲线来描述，如图3所示。图3直流无刷电机PLC控制程序设计数学曲线图从图3可以看到制动参数Tzd随N值增大而减小，通过调整数学函数式及其参数就能找到最佳的Tzd值。在本设计中为了方便将转速分为三个区域：即N500； 500 N1000; 1000 N12
10、00,在N500范围，Tzd0.01 ms；在500 N1000范围，Tzd0.03 ms；在1000 N1200范围，Tzd0.05 ms；这样可以实现准确定位。4、制动定位程序设计有了Tzd值就可以实施制动，在PLC中Tzd作为计时器的参数，当计时参数到预定值后就可以接通制动。由于电机控制对象的惯性较大，应尽早利用变频调速器的降频制动功能先把转速降下来进行制动。而电磁制动则是经Tzd延时才能实现。所以将转速分为三个区域来作为控制的选择比较方便，可以容易的实现快速制动和准确定位，制动定位过程由PLC控制电磁制动器来完成。通过采用不同的数学函数去控制电磁制动开始的时刻，可以很方便地控制动量的变
11、化，从而达到所要求的制动精度。由于制动的准确性取决于诸多因素如转动惯量，制动电机摩擦制动效果，降频制动曲线的斜率等，所以要根据现场情况确定数学函数式和参数，只要改变PLC控制器的程序参数即可。上述制动定位控制过程可由PLC软件控制，其制动定位控制程序流程图如图4所示。初始化设置参数Tm1, Tm2 ,Tm3n500?500 n1000？接受计数脉冲1000 n1200？停机到位计数脉冲转换为转速n启动Tm1停机启动Tm2停机启动Tm3停机YNNNYY图4 PLC制动定位控制程序流程图5 实验结果 在硬件电路的基础上，通过软件编程得到图5所示的实验结果曲线。从实验曲线上可以看出，转速为1200转
12、/分，制动时间也只有0.05ms,制动时间是满足设计要求的。T(ms)n100012005000.050.040.030.010图5 PLC控制系统跟踪特征曲线图6 结束语采用PLC为核心设计的无刷直流电机快速制动准确定位控制系统，解决了无刷直流电机控制系统中PWM信号的生成、电机速度反馈及电机电流反馈问题，很容易地完善整个控制系统，方便地实现了保护功能，极大地简化了系统硬件设计，提高了系统的可靠性，减小了无刷直流电机系统的体积，降低了成本，整个控制系统定位精度小于1mm。采用软件控制的停机方式，使该控制系统具有结构简单，操作方便，维修容易及不用准确计算机械惯量等优点，该设计具有推广应用的价值。参考文献：1.朱善君等.可编程序控制系统原理应用维护.清华大学出版社，1993 p138-1462.陈金华.可编程序控制器(PC)应用技术.电子工业出版社，1995 p112-1323. 谭建成.电机控制专用集成电路.北京：机械工业出版社，1999 p78-844.王晓明.电动机的单片机控制.北京：航空航天大学出版社，2002 p156-187作者简介：秦长海 男 河南淇县人 （1983-）安阳工学院电子信息与电气工程系教授 长期从事电子技术应用的教学与研究 联系电话：130644470361
