1、無刷直流電機快速制動準確定位控制系統的設計安陽工學院電子信息與電氣工程系 秦長海 （河南安陽455000）摘要：介紹了一種在直流電機斷電制動時直流電機被短接，利用直流電機慣性所產生的電流能在電機內產生一個與慣性旋轉方向相反的旋轉磁場，使電機內部產生很大的阻尼磁場，使無刷直流電機快速制動的新方案。利用PLC在電機斷電制動時，有三個傳感器檢測出電機的轉速，測算出電機的起控位置，使電機能夠準確定位的新設計，經實驗該方案運行可靠準確。關鍵詞：無刷直流電機（BLDC） 快速制動 PLC定位系統 1、 引言無刷直流電機Brushless DC motor (BLDCM)因其體積小、性能好、結構簡單、可靠性

2、高、輸出轉矩大；既具有交流電機簡單，運行可靠，維護方便等優點，又具有直流電機運行效率高，不受機械換向限制，調速性能好，易于做到大容量、高轉速等特點，備受廣泛關注。隨著BLDCM應用領域的不斷拓寬，對電機控制系統設計要求越來越高，既要考慮成本低廉、控制算法合理，又需兼顧控制性能好、開發周期短等問題。BLDCM控制系統的發展，使得需要研究的控制對象和系統越來越復雜。而直流電機在其制動控制上很難做到快速制動和準確定位的控制，本文介紹一種無刷直流電機快速制動和制動時的準確定位新的控制方案。2，控制系統快速制動定位的設計PLC轉速設定微機信號K剎車接口電路剎車預制動電路ABC三相驅動電路電機傳感器圖1

3、直流無刷電機制動定位控制框圖直流無刷電機快速制動準確定位控制原理框圖如圖1所示。其基本工作過程為：需要剎車制動時，按下剎車制動開關K ，剎車預制動電路發出制動信號， 驅動電路工作，電源開關K1被打開（圖中未畫出），使直流電機斷電，緊接著開關K2 驅動電路工作，使的K2閉合，直流電機被短接，利用TDB-4C01-0150制動單元使直流電機慣性所產生的電流能在電機內產生一個與慣性旋轉方向相反的旋轉磁場，使電機內部產生很大的阻尼磁場，從而使直流電機快速制動達到制動目的。在電機斷電制動時，由三個角位移傳感器檢測出電機的轉速，根據轉速的高低，測算并確定電機的起控位置，傳輸到PLC，PLC控制電機使電機在

4、設計的位置能夠完全停止。主控制器PLC，采用的是日本三菱公司的FX2N-64MR,是微型PLC中的頂尖產品，具有高速、高性能的特點，一條基本指令運算時間為0.08s,一條應用指令運算時間約為1.52-100s，并具有FX2N-20GM的定位單元可以擴展，便于實現定位控制。 ABC三相驅動電路采用美國國際整流器公司專用MOS驅動芯片IR2102，可驅動MOSFET 或IGBT。該芯片的應用簡化了驅動電路的設計。IR2102內部采用自舉技術設計出懸浮電源，實現一相兩個N溝道逆變橋輸出電路的控制。3電機準確定位的方法3.1 通過控制開始制動的時刻，達到準確定位的目的如果要使電機在制動時，不論電機的轉

5、速高低，都能停在同一位置，則首先需要知道電機當前的轉速，然后根據轉速的高低去控制制動過程。制動過程的原理是：在電機拖動旋轉物的某一位置上安裝一個角位移傳感器。當停止按鈕按下或緊急事故停機信號發出后，使機器進入制動程序。制動動作應在經過角位移傳感器位置后的某個時刻開始，我們把從角位移傳感器到制動動作開始的這段時間稱作制動參數Tzd。電機在高速運轉時應使Tzd置小些，盡量早地執行制動的動作。在低速運轉時應使Tzd置大些，適當晚地執行制動的動作。用這種方法就可以使電機在不同轉速情況下準確地停在同一位置。制動位置與停止位置、轉速之間的關系為：S=2R*N* Tzd/60 (1)3.2制動程序的設計根據

6、上述原理，制動程序應包括測速，轉子位置檢測和計算制動參數Tzd執行制動，下面分別介紹。3.2.1 測速在電機動力輸入軸端部安裝一個角位移傳感器，使該軸每轉一周可以向PLC的高速計數端子發出12個脈沖，并在高速計數器上獲得該脈沖的計數值。當電動機轉動時，高速計數器的計數值就會不斷累加。通過編程，可以在規定的時刻將該計數值取出并放在數據存儲器N1中，然后經過0.05ms再將該計數值取出并放在數據存儲器N2中，那么N=N2-N1的值就表示在T=T2-T1=0.05 s時間內的平均轉速值。當T保持不變時，N值越大表明轉速越高。這樣就可以把轉角信號轉換成速度信號，如圖2所示。NtttNN000(a)(b

7、)(c)圖2 測速脈沖波形示意圖圖2a中計數脈沖來自主傳動軸的信號，該信號頻率與角位移傳感器檢測的主機轉速成正比。圖2b中的時鐘脈沖是PLC控制器中提供的，它有3種周期即0.01ms，0.03 ms 和0.05ms；可根據轉速的高低選用適當周期。當轉速一定時，時鐘周期選得大，則測速時間長，該轉速的脈沖數值也就大，建立數學模型時就可以細分，產生更精確的制動效果。反之，如果時鐘周期選得小，則制動效果就粗糙些。用戶可根據機械設備的情況自行選定。圖2c中的脈沖是對圖2b的時鐘脈沖進行前沿和后沿微分，以便取出間隔為0.01ms、0.03ms和0.05ms的信號，該信號的寬度是應用程序的循環周期的一半。用

8、該信號從計數器中取出當前計數值N1和N2，由程序計算出其差值N。3.2.2 轉子位置檢測 控制無刷直流電機時，PLC控制器根據轉子的當前轉動位置，發送相應的控制字，通過改變PWM脈沖信號的占空比控制電機。無刷直流電機的轉子位置是由位置傳感器來檢測的。該系統設計采用了3個光電式位置傳感器(霍爾元件)，它們是利用光電效應制成的，跟隨電機轉子一起旋轉的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成。 隨著電機轉子的旋轉，光電管間歇接收從光源發出的光，不斷導通和截止，從而產生一系列“0”和“l”的信號。這些脈沖信號通過I0端口傳輸給DSP，DSP讀取霍爾元件的狀態值，以確定轉子的當前位置。再通過改

9、變PWM信號的占空比控制驅動電路，改變驅動電路中控制器件的導通順序，實現電機的換相控制并調節電機的轉速。3.2.3制動時間參數Tzd的確定數值N還必須用數學函數式Tzd=f(N)轉為Tzd值才能作為PLC的制動延時參數。數學函數式Tzd=f(N)要適合電機控制對象的機械慣量，還要滿足電機控制對象電機的制動要求：即當N值增大時Tzd則相應減小，可用下面的數學曲線來描述，如圖3所示。圖3直流無刷電機PLC控制程序設計數學曲線圖從圖3可以看到制動參數Tzd隨N值增大而減小，通過調整數學函數式及其參數就能找到最佳的Tzd值。在本設計中為了方便將轉速分為三個區域：即N500； 500 N1000; 10

10、00 N1200,在N500范圍，Tzd0.01 ms；在500 N1000范圍，Tzd0.03 ms；在1000 N1200范圍，Tzd0.05 ms；這樣可以實現準確定位。4、制動定位程序設計有了Tzd值就可以實施制動，在PLC中Tzd作為計時器的參數，當計時參數到預定值后就可以接通制動。由于電機控制對象的慣性較大，應盡早利用變頻調速器的降頻制動功能先把轉速降下來進行制動。而電磁制動則是經Tzd延時才能實現。所以將轉速分為三個區域來作為控制的選擇比較方便，可以容易的實現快速制動和準確定位，制動定位過程由PLC控制電磁制動器來完成。通過采用不同的數學函數去控制電磁制動開始的時刻，可以很方便地

11、控制動量的變化，從而達到所要求的制動精度。由于制動的準確性取決于諸多因素如轉動慣量，制動電機摩擦制動效果，降頻制動曲線的斜率等，所以要根據現場情況確定數學函數式和參數，只要改變PLC控制器的程序參數即可。上述制動定位控制過程可由PLC軟件控制，其制動定位控制程序流程圖如圖4所示。初始化設置參數Tm1, Tm2 ,Tm3n500?500 n1000？接受計數脈沖1000 n1200？停機到位計數脈沖轉換為轉速n啟動Tm1停機啟動Tm2停機啟動Tm3停機YNNNYY圖4 PLC制動定位控制程序流程圖5 實驗結果    在硬件電路的基礎上，通過軟件編程得到圖5所示的實驗結果曲線。從實驗曲線上可以看出，轉速為1200轉/分，制動時間也只有0.05ms,制動時間是滿足設計要求的。T(ms)n100012005000.050.040.030.010圖5 PLC控制系統跟蹤特征曲線圖6 結束語采用PLC為核心設計的無刷直流電機快速制動準確定位控制系統，解決了無刷直流電機控制系統中PWM信號的生成、電機速度反饋及電機電流反饋問題，很容易地完善整個控制系統，方便地實現了保護功能，極大地簡化了系統硬件設計，提高了系統的可靠性，減小了無刷直流電機系統的體積，降低了成本，整個控制系統定位精度小于±