【正文】 控制形式如：電流控制、轉(zhuǎn)矩控制、位置控制和速度控制等等。具有良好的控制性能的無刷直流電機(jī)，它在高速、高精度定位系統(tǒng)中 也慢慢的替換掉了直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的地位，是首 選的伺服電機(jī)之一 。現(xiàn)階段，對于掃描儀、醫(yī)療診斷 CT、 CD唱機(jī)驅(qū)動、數(shù)控車床驅(qū)動及計算機(jī)硬盤驅(qū)動等都大量應(yīng)用直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)用于精密控制。 家用電器、大型同步電機(jī)啟動等。 文章結(jié)構(gòu) 本文的大致結(jié)構(gòu)如下： 第一章：主要介紹了直流無刷電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，國內(nèi)外發(fā)展水平和研究情況；直流無刷電機(jī)的主要研究方向，直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)。 第二章：簡單的介紹了直流無刷電機(jī)的基本原理，研究直流無刷電機(jī)的換向準(zhǔn)則，用圖示的方法簡單清晰明了。 第三章：研究了直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)，介紹了開環(huán)和閉環(huán)的優(yōu)缺 點，介紹了數(shù)字控制芯片 AT89C51 的基本性能。 第四章：對所研究的直流無刷電機(jī)建立了控制系統(tǒng)，建立速度外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明所搭建的控制系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定的跟蹤速度參考給定值。 第五章：對全文進(jìn)行了總結(jié)以及未來發(fā)展展望。最后對有關(guān)人士表達(dá)了深深的謝意。 第二章 直流無刷電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理 直流無刷電機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 直流無刷電動機(jī)主要由電動機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān) 線 路三部分組成。 基于有刷直流電機(jī)改進(jìn)的直流無刷電機(jī)，內(nèi)部電樞繞組與功率開關(guān)器件相連，其驅(qū)動過程是通過內(nèi)部主轉(zhuǎn)子 位置傳感器的輸出信號來完成的，使電樞繞組依次通電。在定子形成旋轉(zhuǎn)磁場以驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置傳感器不斷地輸出具體位置信號，位置信號轉(zhuǎn)換為電信號后通過控制芯片來改變電樞繞組的通電狀態(tài)，電樞電流方向始終保持恒定不變，因此，整個直流無刷電機(jī)的換向過程過程完全屬于無接觸式。圖 21為直流無刷電機(jī)工作原理框圖。 直 流 電 源 電 機(jī) 本 體位 置 傳 感 器功 率 電 子 開 關(guān) 電 路輸 出 圖 21 直流無刷電機(jī)工作原理框圖 電機(jī)本體 電機(jī)本體的主要部件包括轉(zhuǎn)子和定子。在滿足足夠磁通要求下，電樞繞組通過某一恒定 電流產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。其次在保證機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固和穩(wěn)定情況下，傳送該電磁轉(zhuǎn)矩。 （ 1） 繞組： 直流無刷電機(jī)常見的繞組形式包括整矩集中、整矩和短矩分布式三種。不同的繞組形式對電機(jī)的反電動勢波形產(chǎn)生不同影響，甚至間接影響到電機(jī)本身的性能 [文獻(xiàn) ]。整矩集中繞組在同一個槽內(nèi)分布每相繞組，其反電動勢波形為各個導(dǎo)體的反電動勢的疊加，具有為較好的梯形反電動勢波形；短矩繞組優(yōu)點是可以縮短繞組端接線，節(jié)約材料成本。主要用于消弱轉(zhuǎn)矩諧波。 （ 2） 定子 ：電樞繞組可以 Y型連接也可以三角形連接，鐵芯內(nèi)部繞組要求對稱，且沒有中性點引出。其 中電樞繞組 Y型連接應(yīng)用相對較多。另外，與傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的差別是無刷直流電機(jī)的電樞繞組處于定子側(cè)，這將改善無刷直流電機(jī)的散熱性能。 （ 3） 轉(zhuǎn)子 ：由一定極對數(shù)的永磁體鑲嵌在鐵心表面或者內(nèi)部構(gòu)成。與有刷直流電機(jī)中的永磁體在電機(jī)氣隙中作用一樣，都是要求形成足夠大的磁場，差別僅在于位置布局上的不同，無刷電機(jī)的永磁體設(shè)于轉(zhuǎn)子側(cè)。 位置傳感器 位置傳感器即檢測直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的位置，將位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過運(yùn)算處理控制定子繞組的換相，使電樞電流隨著轉(zhuǎn)子位置的不同進(jìn)行同步換相，在一定氣隙下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn) 磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子不斷續(xù)旋轉(zhuǎn)。 目前直流無刷電機(jī)的位置傳感器主要包括電磁式、光電式、磁敏式等幾個種類。直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)中常采用霍爾位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位置，它本身屬于屬于磁敏式的一種，具有體積小、方便使用以及廉價特性。本文采用反電動勢過零檢測的方法，改善了系統(tǒng)穩(wěn)定性。 直流無刷電機(jī)工作原理 無刷六流電動機(jī)的電機(jī)本體和控制器緊密結(jié)合，是典型的機(jī)電一體化器件。在永磁直流無刷電機(jī)中，電樞繞組安放于定子鐵心中，是電磁感應(yīng)的關(guān)鍵部件之一。作為直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換通道的電樞繞組，其構(gòu)成應(yīng)滿足電機(jī)要求產(chǎn)生足夠大的 感應(yīng)電動勢，并形成感應(yīng)電流產(chǎn)生一定電磁轉(zhuǎn)矩。其定子繞組采用三相星形對稱接法。其轉(zhuǎn)子附有永磁體用來檢測轉(zhuǎn)子的極性。位置傳感器裝設(shè)在電動機(jī)內(nèi)部，通過檢測磁極位置來確定定子繞組是否導(dǎo)通，產(chǎn)生不斷續(xù)且穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。電機(jī)的驅(qū)動裝置主要由功率電子器件和相關(guān)電路組成，控制電機(jī)啟動、停止和制動的信息接受和動作過程；接受位置傳感器用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速。下面以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)永磁無刷直流電動機(jī)為例說明其工作原理，圖 22 為其工作原理圖 。 圖 22 直流無刷電機(jī)工作原理 圖 23 所示為定轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)狀態(tài)示 意圖，其工作原理分析如下： .SN.aFXcABYZmF.SN.aFCYZXABmF （ a） A、 B 兩相導(dǎo)通 （ b） A、 C 兩相導(dǎo)通 圖 23 定轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)狀態(tài)示意圖 首先，圖 23（ a）所示轉(zhuǎn)子位于 A、 B 兩相導(dǎo)通狀態(tài) ，此時定子的北極和轉(zhuǎn)子磁動勢同時指向繞組 B，定子磁動勢指向繞組 C。電樞電流流通方向為繞組A 流入→繞組 B→繞組 X 流出。 根據(jù)磁場的基本理論，定子和轉(zhuǎn)子在磁場力的相互作用下促使轉(zhuǎn)子發(fā)生旋轉(zhuǎn)。同時驅(qū) 動控制電路通過轉(zhuǎn)子的位置傳感器對位置信號進(jìn)行翻譯，產(chǎn)生驅(qū)動信號，此時 VT1 和 VT6 處于導(dǎo)通狀態(tài)，使繞組 A 正向?qū)ǎ@組 B 反向?qū)?。圖23(a)所示磁動勢 Fm和定子合成磁動勢 Fa 的空間位置，轉(zhuǎn)子受永磁順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動進(jìn)行順時針旋轉(zhuǎn)，電流路徑為：電源正極 → VT1 管→ A 相繞組 → B 相繞組→ VT6 管→負(fù)極。 當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過 600 電角度順時針旋轉(zhuǎn)后，定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)空間位置如圖 23(b)所示，此時 A、 C 兩相導(dǎo)通。轉(zhuǎn)子經(jīng)過轉(zhuǎn)動后，位置傳感器檢測到其位置信號發(fā)生變化，經(jīng)過譯碼電路完成翻譯，產(chǎn)生新的驅(qū)動信 號，此時 VT VT2 處于導(dǎo)通狀態(tài)，繞組 A 正向?qū)ǎ@組 C 反向?qū)?。磁動?Fm和 Fa空間位置如圖 23(b)所示，電機(jī)產(chǎn)生順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子仍然沿順時針方向轉(zhuǎn)動，電樞電流路徑為：電源正極→ VT1 管→ A 相繞組→ C 相繞組→ VT2 管→負(fù)極。按照這個規(guī)律，可以知道轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 600 電角度，其繞組導(dǎo)通狀態(tài)都會變化一次，其導(dǎo)通順序為： AB→ AC→ BC→ BA→ CA→ CB→ AB… 。 綜上所述得知，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置每發(fā)生變化，都伴隨驅(qū)動控制電路檢測和輸出位置信號，再經(jīng)過譯碼電路翻譯后產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動信號 ，以改變定子繞組的導(dǎo)通狀態(tài)，讓轉(zhuǎn)子按原來方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動。在兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)導(dǎo)通工作方式下，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)的繞組導(dǎo)通順序如表 21 所示，轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)的繞組導(dǎo)通順序如表 22 所示。 傳統(tǒng)有刷直流電動機(jī)要實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，只需改變勵磁磁場的極性或電樞電流就可以完成。雖然無刷直流電動機(jī)實現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)的原理與有刷直流電動機(jī)類似，但由于它不能通過簡單的功率開關(guān)管的單向?qū)щ娦?，達(dá)到改變電源極性來實現(xiàn)反轉(zhuǎn)的局限，無刷直流電機(jī)通常采用改變繞組的通電順序方式來實現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。如圖22 所示的三相六狀態(tài)無刷直流電動機(jī)，假設(shè)要使電機(jī)順時 針旋轉(zhuǎn)，可通過轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測和接受轉(zhuǎn)子位置，然后根據(jù)表 21 所示的各開關(guān)管導(dǎo)通順序，進(jìn)行相應(yīng)導(dǎo)通和關(guān)斷操作。反之，若要電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)變壓器采樣和收集轉(zhuǎn)子位置信號，在根據(jù)表 22 所示的相應(yīng)開關(guān)管導(dǎo)通順序，對開關(guān)管進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷操作。 表 21： 轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)開關(guān)導(dǎo)通順序及相電流狀態(tài) 霍爾傳感器 導(dǎo)通開關(guān) 相電流 順序 A B C A B C 1 1 1 0 VT1 VT6 正極 負(fù)極 斷開 2 1 0 0 VTI VT2 正極 斷開 負(fù)極 3 1 0 1 VT3 VT2 斷開 正 極 負(fù)極 4 0 0 1 VT3 VT4 負(fù)極 正極 斷開 5 0 1 1 VT5 VT4 負(fù)極 斷開 正極 6 0 1 0 VT5 VT6 斷開 負(fù)極 正極 表 22： 轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)開關(guān)導(dǎo)通順序及相電流狀態(tài) 順序 霍爾傳感器 導(dǎo)通開關(guān) 相電流 A B C A B C 1 0 1 1 VT3 VT4 負(fù)極 斷開 正極 2 0 0 1 VT5 VT4 斷開 負(fù)極 正極 3 1 0 1 VT5 VT6 正極 負(fù)極 斷開 4 1 0 0 VT1 VT6 正極 斷開 負(fù)極 5 1 1 0 VT1 VT2 斷開 正極 負(fù)極 6 0 1 0 VT3 VT2 負(fù)極 正極 斷開 從運(yùn)行過程看，定子繞組每隔 600 電角度換向一次，定子合成磁動勢位置就改變一次，每相繞組何次導(dǎo)通 1200 電角度，且始終保持兩相繞組導(dǎo)通，此工作方式稱為兩相導(dǎo)通的六狀態(tài)運(yùn)行方式。該方式中，每一狀態(tài)持續(xù) 600 度電角度，在此期間，定子繞組合成磁動勢空間位置固定不動，而永磁磁極連續(xù)旋轉(zhuǎn) 600 電角度。定子磁動勢為跳躍式旋轉(zhuǎn)磁動勢，使定轉(zhuǎn)子磁動勢之間的空間夾角周期性變化，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的波動。 第 3章 直流無刷電機(jī)硬件軟件設(shè)計 任何一個復(fù) 雜系統(tǒng)穩(wěn)定而可靠的工作幾乎都離不開合理的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計與良好的軟件代碼編寫，系統(tǒng)的性能是由軟硬件共同決定的。無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計也同樣包含硬件設(shè)計部分與軟件編寫部分，本章將著重闡述控制的直流無刷電機(jī)硬件設(shè)計。 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu) 本文所設(shè)計的直流無刷電機(jī)實時控制系統(tǒng)的硬件平臺包括微控制器部分、功率驅(qū)動及逆變電路部分、檢測電路部分、電源電路部分以及其他接口單元。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和對硬件資源的合理整合，實時控制系統(tǒng)硬件框圖如圖 31 所示。 電 機(jī)驅(qū) 動 電 路I R 2 1 0 3電 流 檢 測I / O 口PWM 發(fā)生電路ADC逆 變 電 路電 流 檢 測電 流 檢 測H1H2H3IaIbIcABC微控制器：AT89C51圖 31 系統(tǒng)硬件框圖 1）微控制器 AT89C51：系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機(jī)控對系統(tǒng)進(jìn)行模擬采樣、運(yùn)算與控制等； 2）驅(qū)動電路 IR2103： IR2103 芯片國際整流器公司生產(chǎn)的控制芯片，這種芯片具有功率放大作用，可以將 AT89C51 單片機(jī)輸出的信號進(jìn)行功率放大，放大后再驅(qū)動逆變電路中的功率開關(guān)管工作； 3）逆變電路：逆變電路拓?fù)洳捎萌鄻蚴侥孀冸娐?，開關(guān)器件采用MOSFET 即可，根據(jù) MOSFET 上的開關(guān)時序，將直流電逆變成交流電，再給電機(jī)供電，從而達(dá)到對電機(jī)的控制目的。