【正文】 速度范圍。（4）觀測器估計法：是一種利用卡爾曼濾波法和狀態(tài)觀測器來檢測電機轉(zhuǎn)子的方法。尤其近十年來，隨著微處理器性能的提高，這種方法已獲得進(jìn)一步發(fā)展，被用到了實際的無刷電機控制系統(tǒng)中。（5）磁鏈估計法：是一種用磁鏈估計位置的檢測方法，通過對檢測得到的電壓和電流信號進(jìn)行積分計算，得到磁通。再根據(jù)轉(zhuǎn)子初始位置，電機參數(shù)，磁通之間的關(guān)系方程出發(fā)，計算出轉(zhuǎn)子位置信息。雖然這種方法計算稍復(fù)雜，但誤差較小、調(diào)速范圍較廣。（7）變電機結(jié)構(gòu)法：是一種對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或定子結(jié)構(gòu)作改善，而實現(xiàn)電機的無位置傳感器控制。如表面粘貼式轉(zhuǎn)子無刷直流電機中，添加輔助短路轉(zhuǎn)子繞組，以獲取電機轉(zhuǎn)子位置信息，或在電機轉(zhuǎn)子表面貼裝非磁性材料，從而能通過檢測該材料渦流反應(yīng)造成的斷開相電壓，來獲得轉(zhuǎn)子位置信息。（8）智能估計法：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制等智能算法，建立電機的電壓、電流和轉(zhuǎn)子位置信號之間的關(guān)系式，其控制精度較高。但相對傳統(tǒng)無位置傳感器控制方式而言，算法復(fù)雜程度和運算時間較大。采用無位置傳感器控制的無刷直流電機，較難直接啟動。因此這種電機的啟動方式將始終是研究的熱點和難點[4]。2) 轉(zhuǎn)矩波動抑制研究相對于正弦波型永磁同步電機，梯形波型無刷直流電機最大的問題是存在電磁轉(zhuǎn)矩脈動。電機加工過程中機械加工帶來的誤差造成感應(yīng)電動勢的不對稱、永磁材料磁性性能的不一致、定子換向過程的影響等，都會帶來轉(zhuǎn)矩波動[5]。轉(zhuǎn)矩脈動會直接降低電力傳動系統(tǒng)控制特性和驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性，并帶來振動、諧振、噪聲等問題。因此，抑制換相轉(zhuǎn)矩波動是無刷直流電機研究領(lǐng)域的一項重要內(nèi)容，許多學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的研究工作。文獻(xiàn)[6]詳細(xì)分析了無刷直流電機轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理及轉(zhuǎn)矩波動存在的必然性。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者也對無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩波動進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[7]對電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動進(jìn)行了分析，并從換相控制和磁路設(shè)計兩個方面提出抑制脈動的方法。綜上，引起無刷直流電機轉(zhuǎn)矩波動的原因是復(fù)雜的，應(yīng)該針對不同的情況采用相應(yīng)的控制方法，因為各種方法都有各自的優(yōu)缺點和適用場合。3)無刷直流電機控制器研究無刷直流電機控制器經(jīng)歷了從分立元件到數(shù)字可編程集成電路控制方式的發(fā)展歷程。采用分立電子元器件的無刷直流電機控制器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，因而可靠性和通用性也相對較差，還不利于批量生產(chǎn)。因此，當(dāng)前主要采用專用集成電路(ASIC)控制器、FPGA、CPLD、單片機和DSP控制器等方式。目前，很多半導(dǎo)體廠商，都能提供自己開發(fā)的電機控制專用集成電路，如MicroLinear公司的ML4425/4428無位置傳感器電機控制芯片。專用集成電路控制器具有，結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、外圍器件比分立式控制器少的優(yōu)點，但在使用時也會受到一定的限制，功能擴展性不好，很難進(jìn)行產(chǎn)品升級等操作。因此，如果考慮到控制器今后的軟硬件設(shè)計功能要求，可使用CPLD、FPGA、單片機或DSP等對無刷直流電機進(jìn)行控制，該類控制器具有功能完善和控制靈活等特點，當(dāng)然相應(yīng)的成本可能會比專用集成電路控制器高。CPLD可以用VHDL或Verilog語言來編程，具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在線系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣可通過編程來修改。典型的以DSP為控制核心的無刷直流電機控制系統(tǒng)如下圖13 所示。圖13 典型的無刷直流電機控制系統(tǒng)DSP等微處理器強大的計算能力使許多智能控制算法在無刷直流電機控制中得以實現(xiàn)，近年來無刷直流電機的全數(shù)字化智能控制成為業(yè)界相關(guān)人員的研究熱點[8]。相信更高效完善的控制方案將不斷呈現(xiàn)。無刷直流電機主要由電機本體、驅(qū)動電路和位置傳感器三部分組成，其控制涉及電機技術(shù)、電力電子技術(shù)、檢測與傳感器技術(shù)和控制理論技術(shù)。因此，新電子技術(shù)和新控制方法的出現(xiàn)都將進(jìn)一步推動無刷直流電機的發(fā)展。1) 小型化與集成化微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展將使電機朝著控制電路和傳感器高度集成化的方向發(fā)展。但到目前為止，由于技術(shù)上的限制，電機與控制器一體化產(chǎn)品主要還是應(yīng)用在磁盤驅(qū)動器的主軸驅(qū)動和儀器用風(fēng)扇驅(qū)動等特殊結(jié)構(gòu)的小功率無刷直流電機控制系統(tǒng)中。而對于一般的工業(yè)用無刷直流電機控制系統(tǒng)，是否將控制器裝入電機內(nèi)部，還需要綜合考慮系統(tǒng)成本、電路工作可靠性及維修方便性等因素[3]15。2）控制器全數(shù)字化高速微處理器及高密度可編程邏輯器件的出現(xiàn)，為電機控制技術(shù)的發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)。例如，在一些對控制成本和空間要求嚴(yán)格的應(yīng)用中，增加位置傳感器不太實用或無法接受，而DSP等芯片固有的高速計算能力正可被用來實現(xiàn)無刷直流電機的無位置傳感器控制。一些相對復(fù)雜的控制算法使得能夠用DSP、CPLD或者FPGA等芯片來實現(xiàn)?？刂破鞯娜珨?shù)字化將使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更加簡化。同時還使得控制器可以與上層和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信，便于系統(tǒng)故障的監(jiān)視與診斷[3]16。3） 綠色PWM控制及其高效化無刷直流電機控制系統(tǒng)采用功率晶體管驅(qū)動時，驅(qū)動電路的開關(guān)頻率一般在2~5kHz，該頻率范圍內(nèi)引起的噪聲在人耳聲頻范圍之內(nèi)，不利于人的身體健康。采用MOSFET和IGBT之后，開關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫茲以上。這樣，不論是電磁噪聲還是電流波形都能得到改善。因此，利用軟開關(guān)等新技術(shù)，來降低開關(guān)損耗、增加開關(guān)壽命，并在保證系統(tǒng)效率不變或提高的前提下，提高驅(qū)動電路的開關(guān)頻率可實現(xiàn)無刷直流電機控制系統(tǒng)的綠色化PWM控制[3]17。本論文針對現(xiàn)已廣泛應(yīng)用的有位置傳感器的無刷直流電機，提出了一種采用CPLD為控制核心的無刷直流電機驅(qū)動方案。主要進(jìn)行的工作包括以下幾個部分：1）查找文獻(xiàn)，了解無刷直流電機的控制特性： 論述分析無刷直流電機的系統(tǒng)組成和工作原理，用以實現(xiàn)其驅(qū)動方案。2）控制器硬件電路設(shè)計：設(shè)計分析一種以CPLD為控制核心的有位置傳感器無刷直流電機的驅(qū)動方案。其包括如下幾部分：三相橋逆變電路：采用MOS三相全橋驅(qū)動，擬采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)驅(qū)動方式。逆變電路的驅(qū)動電路：弱電控制強電，接收CPLD主控芯片對于各功率管的控制信號，生成相應(yīng)的信號驅(qū)動對應(yīng)的三相橋的功率管。逆變電路的保護(hù)電路：采樣檢測流過功率管的電流，防止由于某種原因而使功率管過流燒毀。CPLD：系統(tǒng)的主控芯片及其基本外設(shè)。電源管理：把總電源變換成各模塊需要的額定工作電壓，分配給各個模塊。人機接口：顯示系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀態(tài)，接收用戶的控制指令，生成相應(yīng)的信號傳遞給主控芯片。電機的3路霍爾輸出：擬直接接入CPLD主控芯片。3）控制算法設(shè)計:根據(jù)已有的成熟算法，結(jié)合自身的應(yīng)用場合和功能要求，選擇一種合適的控制算法。并用Simulink仿真工具，進(jìn)行控制算法的仿真、檢驗，以完善控制手段。 第2章 控制器硬件電路設(shè)計控制器硬件電路的模塊劃分如下圖21：三相橋逆變電路：采用MOS三相全橋驅(qū)動，采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)驅(qū)動方式。逆變電路的驅(qū)動電路：弱電控制強電，接收CPLD主控芯片對于各功率管的控制信號，生成相應(yīng)的信號驅(qū)動對應(yīng)的三相橋的功率管。逆變電路的保護(hù)電路：采樣檢測流過MOS功率管的電流，防止由于某種原因而使功率管過流燒毀。CPLD：系統(tǒng)的主控芯片及其基本外設(shè)電源管理：把總電源變換成各模塊需要的額定工作電壓，分配給各個模塊；并包含對電源的過壓和欠壓檢測電路。人機接口：通過LED指示燈，顯示系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀態(tài)；接收用戶的控制指令，生成相應(yīng)的信號傳遞給主控芯片。電機的3路霍爾輸出：直接接入CPLD主控芯片圖 21 基于CPLD的BLDC控制器結(jié)構(gòu)框圖 各模塊解析 逆變電路采用三相六臂全橋結(jié)構(gòu)，其簡化的原理圖如下圖22所示。圖22 三相橋逆變電路原理圖 其三個橋臂都是完全相同的結(jié)構(gòu)，通過門極輸入的PWM控制信號，實現(xiàn)每相的PWM電壓輸出，實現(xiàn)對電機的調(diào)壓驅(qū)動。 下面以采用H_PWM_L_ON的方式生成PWM波，來驅(qū)動電機為例，說明電路的工作過程。這種驅(qū)動方式，具體的說是，對于電機的三相連接線A、B、C端口，其中懸空相端口：與其相連的兩個MOS管全部高阻；其中需要高電平的相端口：與其相連的上端的MOS管柵極接收PWM控制信號，間歇性的導(dǎo)通關(guān)斷，而另一個下端MOS管完全高阻，即是使這相受到電源的PWM驅(qū)動；而剩下的需要低電平的端口：與其相連的上端MOS管高阻，下端MOS管完全導(dǎo)通接地。 比如，在AB相導(dǎo)通時，給Q1柵極的是PWM信號，給Q4的是完全導(dǎo)通信號（柵極高電平），而其余MOS管全部高阻（柵極低電平）。這樣既可通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，調(diào)節(jié)AB相的驅(qū)動電壓。但在這存在一個問題，由于電機繞組電感的存在，相電流不能突變，這就導(dǎo)致在上端的MOS管PWM周期關(guān)短時刻，在A端將產(chǎn)生很大的逆感應(yīng)電動勢。故MOS中已經(jīng)集成的這個穩(wěn)壓二極管發(fā)揮著延續(xù)相電流流動，防止擊穿MOS管的作用。對電路實際應(yīng)用時的幾個問題的分析：1）MOS管的選型P（positive）溝道MOSFET的載流子是空穴，與電子相比，它的“活動性”差，且有“少數(shù)載流子生存時間”短的缺陷，這些都是影響半導(dǎo)體器件性能的重要參數(shù)。通常P溝道FET的性能較差，他有較高的柵極門限電壓、較高的以及較低的飽和電流[9]。所以方案中，采用全N（negative）溝道的MOSFET構(gòu)成逆變橋。實際選用的型號為IRFP2907。2）MOS管的驅(qū)動 在選擇全N溝道MOSFET后，由其工作特性可知，當(dāng)給柵源極間加一個正向電壓，并且其值超過數(shù)據(jù)手冊上的閾值電壓（以IRFP2907為例，100A的導(dǎo)通飽和電流對應(yīng)）時, 場效應(yīng)管的D極和S極就會導(dǎo)通(IV特性曲線)，且一般N型功率型場效應(yīng)管的閾值電壓都會在3~20V之間。 依舊以AB相導(dǎo)通為例，此時Q1和Q4管導(dǎo)通，一般場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻都在毫歐級，所以B點的電位近似為0V，A點的電位就近似為VCC。這就使得要驅(qū)動這兩個MOS管，Q1管的柵極電壓要大于（），Q4管的柵極電壓要大于。這使得采用CPLD端口直驅(qū)（或加三極管信號放大直驅(qū)）的方式將不可行。 故方案中采用了三片MOS管的專用驅(qū)動芯片（IR2181），來驅(qū)動各自的MOS管橋臂。詳見逆變電路MOS管的驅(qū)動電路。3）選用的IRFP2907 MOSFET的基本參數(shù)：1. 額定參數(shù)（Absolute Maximum Ratings） 參數(shù)名稱最大值單位持續(xù)漏極電流，209A漏極峰值電流840A功耗470W柵源極擊穿電壓V方案實際采用的逆變電路原理圖如下圖23所示。圖23 方案實際采用的逆變電路 圖24 構(gòu)成逆變橋的基本MOS模塊 圖25 MOS管外圍驅(qū)動電路 從圖中不難發(fā)現(xiàn)，逆變電路由如圖24所示的完全相同的MOS模塊構(gòu)成。由于電勢的相對性，故對于每個模塊來說，他們的工作原理也是完全一致的。故下面只對其中一個做分析此驅(qū)動電路中，MOSFET工作在開關(guān)管狀態(tài),可以用SR開關(guān)模型對其建模，結(jié)合柵極電容，可描述為SRC模型[10]，如下圖26所示：圖26 MOSFET的開關(guān)電阻電容（SRC）模型其中，查表可知，模型也可用代數(shù)方式描述為： （1） 如圖25所示，模塊中用虛線包圍的這部分電路，是驅(qū)動MOS管的輔助電路。此模塊用MOS管的SRC模型可等價描述為如圖27所示的電路。圖27 MOS管外圍驅(qū)動電路的等效電路其中各元器件的作用如下：R6的4個作用：1）防止震蕩：上級的I/O輸出口及連接導(dǎo)線都會帶點分布電感，這使得在電壓突變的情況下可能和柵極電容形成振蕩，當(dāng)它們之間串上R6后，可增大阻尼而減小振蕩效果。2）減小柵極充電峰值電流：當(dāng)柵極電壓拉高時，首先會對柵極電容充電，充電峰值電流可大致計算為： （2）可見驅(qū)動脈沖電流很大，串上R6后可放慢充電時間而減小柵極充電電流3）保護(hù)場效應(yīng)管的DS極不被擊穿： 當(dāng)柵極關(guān)斷時，DS從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)時，漏源極電壓VDS會迅速增加，如果過快，就會擊穿器件，所以添加R6可以讓柵極電容慢慢放電，而不至于使器件擊穿。4）和IN4744構(gòu)成穩(wěn)壓電路，防止擊穿： 柵源極擊穿電壓，IN4744穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值15V。故可防止由于MOS管的驅(qū)動電路故障或環(huán)境靜電而損壞MOS管。 MOS管外圍的其他的元器件，是MOS管過流保護(hù)模塊的對流過MOS管電流值的采樣電路。詳見逆變電路MOS管的過流保護(hù)電路。 MOSFET的驅(qū)動電路設(shè)計不當(dāng)，MOSFET很容易損壞。采用成熟的驅(qū)動控制芯片IR2181S組成的電路，可有效簡化系統(tǒng)的復(fù)雜性。IR2181S優(yōu)點是可靠性高，外圍電路簡單。浮動驅(qū)動端可以驅(qū)動N通道MOSFET或者IGBT在高壓側(cè)電壓600V時的場合，（高端）（低端）。1）芯片結(jié)構(gòu)及原理和典型電路 其主要由：輸入邏輯電路，電平轉(zhuǎn)換器，低端功率晶體驅(qū)動管和高端晶體驅(qū)動管組成。結(jié)構(gòu)框圖如下圖28所示。圖28 IR2181的結(jié)構(gòu)框圖其典型電路如下圖29所示。圖29 IR2181的典型電路2）方案中實際采用電路的分析 如下圖210所示，即為方案中實際采用的基于IR2181的MOS管驅(qū)動電路。圖210 基于IR2181的MOS管驅(qū)動電路 不難發(fā)現(xiàn)，