【正文】 算機技術(shù)的發(fā)展，不斷地進行技術(shù)升級。而這個過程經(jīng)歷了從分立元件控制，集成電路控制和單片機，計算機控制等過程。每一次的技術(shù)升級都使控制系統(tǒng)的性能有較大地提高和改進。隨著新的控制芯片的出現(xiàn)，給技術(shù)升級提供了新的可能。 電機控制是 DSP 應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一，隨著社會的發(fā)展以及對 電機控制要求的日益提高， DSP 將在電機控制領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。本課題就是基西安交通大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 于 TMS320F2812 DSP 芯片的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)。 課題研究的現(xiàn)狀 無刷直流電機控制系統(tǒng)是一種新型的調(diào)速系統(tǒng)，具有良好的運行、控制及經(jīng)濟性能，有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。其中無刷直流電機是利用電子換相替代機械換相和電刷，既具有直流電動機良好的調(diào)速性能，又具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩脈動問題，嚴重阻礙了其調(diào)速系統(tǒng)性能的進一步提高和發(fā)揮，無法滿足一些高 精度場合的控制要求。因此，研究能有效抑制無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動的高性能調(diào)速系統(tǒng)，具有非常重要的意義。 無刷直流電機是在有刷直流電機的基礎(chǔ)上產(chǎn)生發(fā)展而來的，在傳統(tǒng)電勵磁電機當中，直流電機以其良好的轉(zhuǎn)矩特性和快速響應(yīng)能力而為工業(yè)界重視。直流電機有調(diào)速性能好、運行效率高等諸多優(yōu)點。但是由于直流電機存在電刷、滑環(huán)等機械接觸部件，存在機械磨損，需維護和保養(yǎng)，而且會產(chǎn)生噪聲、無線電干擾和火花，因而不能在有粉塵、易燃易爆物質(zhì)的環(huán)境中工作。再加上直流電機制造成本高及維修困難等缺點，大大限制了它的應(yīng)用范圍。針對上述傳統(tǒng)直流電機 的弊端， 1955 年，美國 D．哈罩森等人首次申請了應(yīng)用晶體管換相代替電動機機械換向器的專利，這就是現(xiàn)代無刷直流電機的雛形。但由于該電動機尚無起動轉(zhuǎn)矩而不能產(chǎn)品化。而后又經(jīng)過人們多年的努力，借助于霍爾元件來實現(xiàn)換相的無刷直流電動機終于在 1962 年誕生。 20 世紀 70 年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件相繼出現(xiàn)，以及高性能的永磁材料問世，均為無刷直流電機的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。 我國對無刷直流電機的研究起步比較晚，上世紀八十年代以前，國內(nèi)對無刷直流電機的研究幾乎空白。 1987 年 ，在北京舉辦的聯(lián)邦德國加工設(shè)備發(fā)展會，江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 SIEMENS 和 BOSCH 兩公司展出了永磁式同步伺服系統(tǒng)和技術(shù)引進的熱潮。經(jīng)過多年的努力，國內(nèi)已有無刷直流電機的系列產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。尤其在近十幾年來，隨著電機技術(shù)及其相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，無刷直流電動機得到了廣泛的應(yīng)用。從有刷到無刷，從半控元件到全控元件，發(fā)展過程中各種新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，從電機結(jié)構(gòu)到控制方式也層出不窮。為了科學(xué)界定無刷直流電機與其他類型電機，許多學(xué)者作了大量工作，其中 A． Kusko 在 1988年提出包含電機本體與電路形式在內(nèi)的無刷直 流電機的定義逐漸被廣泛接受。他提出無刷直流電機必須滿足以下 5 個條件： (1)電機由定子電樞繞組和轉(zhuǎn)子永磁體構(gòu)成； (2)逆變器直流供電； 緒論 3 (3)電機速度正比于直流電壓； (4)逆變器矩陣開關(guān)函數(shù)決定定子繞組的端電壓； (5)轉(zhuǎn)子位置檢測器的邏輯決定逆變器開關(guān)的導(dǎo)通時刻 。 課題研究的內(nèi)容 本課題研究的是無刷直流電機的調(diào)速系統(tǒng)，它以 TMS320F2812 DSP 芯片為控制核心構(gòu)成無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)，通過改變電驅(qū)電壓實現(xiàn)對電機速度的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)主要分為三個部分如圖 13：電機驅(qū)動系統(tǒng)， DSP 控制系統(tǒng)，人機 監(jiān)控系統(tǒng)。 圖 13 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)框圖 ① 各單元的主要作用： DSP 控制系統(tǒng)：它包含 DSP 控制單元和檢測單元。檢測單元采集電機運行的相關(guān)信息，包括主回路電流信號、主驅(qū)動電壓信號、電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)相，并送給 DSP 主控制器?？刂茊卧鶕?jù)系統(tǒng)的運行設(shè)定參數(shù)以及系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)來實現(xiàn)對無刷直流電機的自適應(yīng)調(diào)整控制； 電機驅(qū)動及系統(tǒng)保護單元：主要完成對信號的放大和檢測，當電機運行出現(xiàn)異常時，驅(qū)動芯片就會根據(jù)反饋的信息產(chǎn)生報錯信號，并同時使電機驅(qū)動端口輸出強制置低，鎖定電機起到保護作用； 人機監(jiān)控單元： 實現(xiàn)對系統(tǒng)實時運行監(jiān)控，根據(jù)運行情況的改變進行必要的人為調(diào)整； ② 主要設(shè)計內(nèi)容： DSP 數(shù)字信號處理控制系統(tǒng)的設(shè)計； 西安交通大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 人機界面監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計； 電機驅(qū)動電路的設(shè)計； 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計； 系統(tǒng)檢測保護電路的設(shè)計； 系統(tǒng)軟件控制設(shè)計； 無刷直流電機的基本原理 5 2 無刷直流電機的基本原理 無刷直流電動機的基本組成 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)原理如圖 21 所示。 圖 21 無刷直流電動機結(jié)構(gòu)原理圖 無刷直流電動機主要由電動機本體，位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。其定子繞組一般制成多相 (三相 、四相、五相不等 )，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù) (2p=2， 4，? )組成。圖 21 中的電動機本體為三相兩極。三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件聯(lián)接， A 相、 B 相、 C 相繞組分別與功率開關(guān)管 VT VT VT3 相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于 電子開關(guān)線路導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步西安交通大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 的，因而起到了機械換向器的換向與調(diào)速的作用。 無刷直流電動機的基本工作原理 無刷直流電機工作原理圖如圖 22 所示。 圖 22 無刷直流電機工作原理圖 三相無刷直流電動機的工作原理如圖 22 所示。電動機的定子繞組分別為 A相、 B 相、 C 相，因此，位置傳感上也有 3 個接收元件 1V 、 2V 、 3V 與之對應(yīng)。 3個接收元件在空間上間隔 120 度，分別控制 AV 、 BV 、 CV 、 3個開關(guān)管。這 3個開關(guān)管則控制對應(yīng)相繞的通電與斷電。由于通電相發(fā)生了變化，使定子磁場方向也發(fā)生了變化，與轉(zhuǎn)子永磁磁場相互作用，仍然會產(chǎn)生與前面過程同樣大的轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動。如此循環(huán)下去，電動機就轉(zhuǎn)動起來了。 無刷直流電動機的位置傳感器 無刷直流電動機的位置傳感器主要有三種： 電磁式位置傳感器： 無刷直流電機的基本原理 7 電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來實現(xiàn)位置測量的。它的結(jié) 構(gòu)如圖 231所示。它由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。轉(zhuǎn)子是一個用非導(dǎo)磁材料 (如鋁合金 )制成的圓盤，其上面鑲嵌有扇形的導(dǎo)磁材料。扇形導(dǎo)磁片的個數(shù)與無刷直流電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)相等。轉(zhuǎn)子與電動機軸連在一起，隨電動機同步轉(zhuǎn)動。定子是由高頻導(dǎo)磁材料的鐵心制成，一般有 6個極，等間距分布，每個極上都纏有線圈。其中互相間隔的 3個磁極為同一繞組，接高頻電源，作為勵磁極；另外 3個極各有自己的獨立繞組，作為感應(yīng)極，是傳感器的輸出端。 圖 231 電磁式位置傳感器 當轉(zhuǎn)子處在如圖所示的位置時，勵磁極所產(chǎn)生的高頻磁通通過 轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)磁材料耦合到感應(yīng)極上的繞組 AW 上，在繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓 UA。而在其他 2個繞組BW 、 CW 上，因為非導(dǎo)磁材料的阻隔而不能形成磁路，所以感應(yīng)電壓為 0。假設(shè)隨著電動機的逆時針轉(zhuǎn)動，導(dǎo)磁扇片也跟著轉(zhuǎn)動，并逐漸靠近繞組 BW ，遠離繞組 AW ，使繞組 BW 產(chǎn)生感應(yīng)電壓 UB，并逐漸增大，繞組 AW 上的感應(yīng)電壓 UA逐漸減小為 O。這樣循環(huán)下去，電磁式位置傳感器就得到 3個輸出 AU 、 BU 、 CU ，它們呈脈動形狀，互相間隔 120。相位。雖然電磁式位置傳感器輸出信號大、工作可靠、適應(yīng)性強；但它的信噪比較低，體積大，輸出是交流信號，需要經(jīng)整流和濾波后才能使用，所以，它在早期的時候應(yīng)用較多，現(xiàn)在已逐漸退出。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 光電式位置傳感器： 光電式位置傳感器利用光電效應(yīng)進行工作。它由發(fā)光二極管、光敏接收元件、遮光板組成，如圖 232(a)所示。其中，發(fā)光二極管和光敏接收元件分別安裝在遮光板的兩側(cè)，固定不動；遮光板安裝在轉(zhuǎn)子上，隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。遮光板上開有 120。的扇形開口，如圖 232(b)所示，扇形開口的數(shù)目等于直流無刷電動機轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)。當遮光板上的扇形開口對著某個光敏元件因接收到對面的發(fā)光二極管發(fā)出的光而產(chǎn)生光電流輸出；而其他光敏接收元件由于被遮光板擋住光而接收不到光信號，所以沒有輸出。這樣，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，遮光板使光敏接收元 件輪流接收光信號，所以產(chǎn)生不同的輸出。根據(jù)輸出就可以判斷轉(zhuǎn)子所處的位置。 光電元件一般是砷化鎵發(fā)光二極管和光敏三極管或光敏二極管。光敏三極管或光敏二極管的輸出較弱，需要整形放大，圖 232(c)是它的放大整形集成電路。經(jīng)過放大整形輸出的是脈沖信號，易于與數(shù)字電路接口。 圖 232（ a） 光電位置傳感器 無刷直流電機的基本原理 9 圖 232（ b） 遮光板 圖 232（ c） 光敏位置傳感器放大整形集成電路 霍爾式位置傳感器： 霍爾式位置傳感器是利用“霍爾效應(yīng)’’進行工作的。利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動機的永 磁轉(zhuǎn)子，同時也是霍爾傳感器的轉(zhuǎn)子。通過感知轉(zhuǎn)子上的磁場強弱變化來辨別轉(zhuǎn)子所處的位置。（如圖 233（ a）） 西安交通大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 233（ a） 霍爾位置傳感器集成電路圖 圖 233（ b） 霍爾效應(yīng)原理圖 如圖 233（ b）所示，在長方形半導(dǎo)體薄片上通入電流 I，電流方向如圖，當在垂直于薄片的方向上施加磁感應(yīng)強度為 B 的磁場時，則在與電流 I 和磁場強度 B 構(gòu)成的平面相垂直的方向上會產(chǎn)生一個電動勢 E，稱其大小為： ILKE H?（ K 為靈敏度系數(shù)），我們稱這種效應(yīng)為霍爾效應(yīng)。 當磁場強度方 向與半導(dǎo)體薄片不垂直，而是成 0 角時，霍爾電動勢的大小 無刷直流電機的基本原理 11 改為：?cosIBKE H?。 所以，利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場，對霍爾半導(dǎo)體通入直流電，當轉(zhuǎn)子的磁場強度大小和方向隨著它的不同而發(fā)生變化時，霍爾半導(dǎo)體就會輸出霍爾電動勢，霍爾電動勢的大小和相位隨轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測