【正文】 線會偏離直線，向下彎曲。 調(diào)節(jié)特性無刷直流電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖14所示。圖14 調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為： （12） （13）從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無刷直流電動機(jī)與一般直流電動機(jī)一樣，具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。但不能通過調(diào)節(jié)勵磁調(diào)速，因?yàn)橛来朋w的勵磁磁場不可調(diào)。 工作特性 電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖15所示。圖15 工作特性在輸出額定轉(zhuǎn)矩時,電機(jī)效率高、損耗低是無刷直流電動機(jī)的重要特點(diǎn)之一。 無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用與研究動向現(xiàn)階段，雖然各種交流電動機(jī)和直流電動機(jī)在傳動應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動機(jī)正受到普遍的關(guān)注。自20世紀(jì)90年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長。尤其在節(jié)能已成為時代主題的今天，無刷直流電機(jī)高效率的特點(diǎn)更顯示了其巨大的應(yīng)用價值。無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；對于恒功率運(yùn)行，無刷直流電機(jī)雖然不能直接改變磁通實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但通過控制方法的改進(jìn)也可以獲得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矯頑力高、剩磁大，可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，這樣可以大大縮小轉(zhuǎn)子半徑，減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，因而在要求有良好的靜態(tài)特性和高動態(tài)響應(yīng)的伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等應(yīng)用中，無刷直流電機(jī)比交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)顯示了更多的優(yōu)越性。目前無刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，并日趨廣泛，特別是在家用電器、電動汽車、航空航天等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用。目前，無刷直流電機(jī)的研究主要集中在以下方面：（1）無機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個驅(qū)動系統(tǒng)中最為脆弱的部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時還需要占據(jù)一定的空間位置。在很多應(yīng)用場合，例如空調(diào)器和計算機(jī)外設(shè)都要求無刷直流電動機(jī)以無轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運(yùn)行。無轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行實(shí)際上就是要求在不采用機(jī)械傳感器的條件下，利用電機(jī)的電壓和電流信息獲得轉(zhuǎn)子磁極的位置.目前比較成熟的無轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行方式有：1 反電動勢法——包括直接反電動勢法、間接反電動勢法以及派生出來的反電動勢積分法等。2 定子三次諧波檢測法。3 續(xù)流二極管電流通路檢測法。但現(xiàn)有方法都存在各自的局限性，仍在不斷完善之中。（1）轉(zhuǎn)矩脈動控制。存在轉(zhuǎn)矩脈動是無刷直流電動機(jī)的固有缺點(diǎn)，特別是隨著轉(zhuǎn)速升高，換相導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動加劇，并使平均轉(zhuǎn)矩顯著下降。減小轉(zhuǎn)矩脈動是提高無刷直流電動機(jī)性能的重要方面。（2）智能控制。隨著信息技術(shù)和控制理論的發(fā)展，在運(yùn)動控制領(lǐng)域中，一個新的發(fā)展方向就是先進(jìn)控制理論，尤其是智能控制理論的應(yīng)用。目前，專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是三個最主要的理論和方法。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則有機(jī)地融入到傳動控制策略當(dāng)中，現(xiàn)已成功地應(yīng)用到許多方面。隨著無刷直流電動機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，智能控制技術(shù)將受到更廣泛的重視。第2章 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計方案 無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)的組成 無刷直流電動機(jī)(Brushless DC Motor,簡稱BLDCM)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,它是由電動機(jī)本體、位置檢測器、,控制器對轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號,開關(guān)信號以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開關(guān)器件,將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動機(jī)定子各相繞組,使電動機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩.現(xiàn)對無刷直流電動機(jī)各部分的基本結(jié)構(gòu)說明如下。1．電機(jī)本體無刷直流電動機(jī)最初的設(shè)計思想來自普通的有刷直流電動機(jī)，不同的是將直流電動機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對稱繞組。原直流電動機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器所代替。所以無刷直流電動機(jī)的電機(jī)本體實(shí)際上是一種永磁同步電機(jī)。由于無刷直流電動機(jī)的電機(jī)本體為永磁電機(jī)，所以無刷直流電動機(jī)也稱為永磁無刷直流電動機(jī)。定子的結(jié)構(gòu)與普通同步電動機(jī)或感應(yīng)電動機(jī)相同，鐵心中嵌有多相對稱繞組。繞組可以接成星形或三角形，并分別與逆變器中的各開關(guān)管相連，三相無刷直流電動機(jī)最為常見。2．逆變器 目前，無刷直流電動機(jī)的逆變器主開關(guān)一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主電路已有集成的功率模塊（PIC）和智能功率模塊（IPM），選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。無刷直流電動機(jī)定子繞組的相數(shù)可以有不同的選擇，繞組的連接方式也有星形和角型之分，而逆變器又有半橋型和全橋型兩種。不同的組合使電動機(jī)產(chǎn)生不同的性能和成本。綜合以下三個指標(biāo)有助于我們做出正確的選擇：（1）繞組利用率。與普通直流電動機(jī)不同，無刷直流電動機(jī)的繞組是斷續(xù)通電的。適當(dāng)?shù)靥岣呃@組利用率將可以使同時通電的導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，效率提高。從這個角度來看，三相繞組優(yōu)于四相和五相繞組。（2）轉(zhuǎn)矩脈動。無刷直流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動比普通直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動大。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的脈動越小；采用橋式主電路比采用非橋式主電路的轉(zhuǎn)矩脈動小。（3）電路成本。相數(shù)越多，逆變器電路使用的開關(guān)管越多，成本越高。橋式主電路所用的開關(guān)管比半橋式多一倍，成本要高；多相電動機(jī)的逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。因此，目前以星形連接三相橋式主電路應(yīng)用最多。3．位置檢測器位置檢測器的作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對與定子繞組的位置信號，為逆變器提供正確的換相信息。位置檢測包括有位置傳感器和無位置傳感器檢測兩種方式。轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子磁極的位置；其定子固定在電機(jī)本體定子或端蓋上，以檢測和輸出轉(zhuǎn)子位置信號。轉(zhuǎn)子位置傳感器的種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開關(guān)式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。在無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)中安裝機(jī)械式位置傳感器解決了電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測問題。但是位置傳感器的存在增加了系統(tǒng)的成本和體積，降低了系統(tǒng)可靠性，限制了無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用范圍，對電機(jī)的制造工藝也帶來了不利的影響。因此，國內(nèi)外對無刷直流電動機(jī)的無位置運(yùn)行方式給予高度重視。無機(jī)械式位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測是通過檢測和計算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量間接地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，主要有反電動勢檢測法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法、定子三次諧波檢測法和瞬時電壓方程法等。4．控制器控制器是無刷直流電動機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：（1）對轉(zhuǎn)子位置檢測器輸出的信號、PWM調(diào)制信號、正反轉(zhuǎn)和停車信號進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動電路提供各開關(guān)管的斬波信號和選通信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。（2）產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號而自動變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。（3）對電動機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能。（4）實(shí)現(xiàn)短路、過流、過電壓和欠電壓等故障保護(hù)電路。 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計方案 設(shè)計方案比較無刷直流電動機(jī)兼有直流電動機(jī)調(diào)整和起動性能好以及異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單無需維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因而在高可靠性的電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。目前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)主要采用兩種控制方案:一種采用專用集成電路。這種方案可以降低設(shè)備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便。電機(jī)控制器是無刷直流電動機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能:對各種輸入信號進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動電路提供各種控制信號。產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。實(shí)現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護(hù)功能?？刂破魇请妱幼孕熊嚨尿?qū)動系統(tǒng)，它是電動自行車的大腦。其主要作用是在保證電動自行車正常工作的前提下，提高電機(jī)和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護(hù)電機(jī)及蓄電池，以及降低電動自行車在受到破壞時的損傷程度。目前，市場上常用的電動自行車無刷直流電機(jī)控制器主要采用專用集成電路為主控芯片，像MOTOLORA公司研制的專用集成電路MC33035，其針對無刷電機(jī)的控制要求，將控制邏輯集成在芯片內(nèi)，一般該類控制器稱為模擬式控制器，其工作原理是用電子裝置代替電刷控制電機(jī)線圈電流換向，根據(jù)電機(jī)內(nèi)的位置傳感器(霍爾傳感器)信號，決定換相的順序和時間，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是智能性差，保護(hù)措施有限，系統(tǒng)升級空間小。 本設(shè)計采用單片機(jī)作為主控芯片，用編程的方法來模擬無刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)是使用靈活，通過修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無刷電機(jī)，增加系統(tǒng)功能方便，通常將此類控制器稱為數(shù)字式控制器。近幾年，國外一些大公司紛紛推出較MCU性能更加優(yōu)越的DSP(數(shù)字信號處理器)芯片電機(jī)控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一個以DSP為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。但是這些專用芯片價格昂貴，外圍電路設(shè)計復(fù)雜，在廣大的民用市場無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。無刷電機(jī)控制方法主要分為有位置傳感器控制和無位置傳感器控制兩種。在有位置傳感器的控制方法中，現(xiàn)今，由于霍爾傳感器性價比高，安裝方便，被廣泛應(yīng)用作為無刷直流電機(jī)的位置傳感器。當(dāng)前，國內(nèi)外對無刷直流電機(jī)無位置傳感器的控制方法主要有反電勢法、定子三次諧波法、續(xù)流二極管檢測法、脈沖檢測法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。但是由于無位置傳感器控制方法在低速時無法實(shí)現(xiàn)精確的速度調(diào)制，所以現(xiàn)階段在電動車領(lǐng)域只是處于研究階段，無法推廣到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖,可繪出無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖,如圖21所示:圖21 電動機(jī)驅(qū)動控制框圖（1）微控制器主要功能是根據(jù)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的要求和來自霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個輸出信號，將它們處理成功率驅(qū)動單元的六個功率開關(guān)器件所要求的驅(qū)動順序。微控制器的另一個重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號，以及隨機(jī)發(fā)出的制動信號，經(jīng)過AD變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時鐘信號產(chǎn)生一個帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號。（2）功率驅(qū)動單元主要包括功率開關(guān)器件組成的三相全橋逆變電路和自舉電路。自舉電路由分立器件構(gòu)成的，也可以采用專門的集成模塊等高性能驅(qū)動集成電路。（3）位置傳感器位置傳感器在無刷直流電動機(jī)中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息。（4）周邊輔助、保護(hù)電路主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過電流保護(hù)電路、調(diào)速信號和制動信號等輸入電路。第3章 無刷直流電動機(jī)硬件設(shè)計 逆變主電路設(shè)計 功率開關(guān)主電路圖31 功率開關(guān)主電路原理圖逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機(jī)供電。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號，是一個“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無刷直流電動機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一。 逆變開關(guān)元件選擇和計算MOSFET在1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla首次實(shí)驗(yàn)成功，這種元件的操作原理和1947年蕭克萊（William Shockley）等人發(fā)明的雙載子晶體管（Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因?yàn)橹圃斐杀镜土c使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢，在大型積體電路（LargeScale Integrated Circuits, LSI）或是超大型積體電路（Very LargeScale Integrated Circuits, VLSI）的領(lǐng)域里，重要性遠(yuǎn)超過BJT。 近年來由于MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位訊號處理的場合上，也有越來越多類比訊號處理的積體電路可以用MOSFET來實(shí)現(xiàn)。表31對IGBT、GTR、GTO 和電力MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)的比較器 件優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動，驅(qū)動功率小開關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTOGTR耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，存在二次擊穿問題GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低電 力 MOSFET開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小且驅(qū)動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置通過上述的比較，我選擇MOSFET。電樞額定電流IaH=，因?yàn)槊總€控制元件導(dǎo)通120o,所以控制元件的峰值電流可以由以下方程算出。，通過計算可得I=，額定電壓UH=36V，峰值電壓應(yīng)有一個百分之40的余量所以 UM=UH*=36*=通過以上計算，可得出選擇的MOSFET峰值電流為25A,峰值電壓為50V。 逆變開關(guān)管驅(qū)動電路設(shè)計 IR2110功能介紹(1) IR2110的特點(diǎn)有：輸出驅(qū)動隔離電