【正文】 緒 論 隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率器件的不斷出現(xiàn)，采用全控型的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈沖調(diào)制（paulse width modulation,簡(jiǎn)稱PWM）控制的無(wú)刷直流電機(jī)已成為主流。隨著半導(dǎo)體工業(yè)，特別是大功率電子器件及微控制器的發(fā)展，變速驅(qū)動(dòng)變的更加現(xiàn)實(shí)且成本更低。本文充分利用單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算快、外圍電路少、系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、可靠的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)使得無(wú)刷直流電機(jī)的組成簡(jiǎn)化和性能的改進(jìn)成為可能，有利于電機(jī)的小型化和智能化。(一)電機(jī)的分類電機(jī)按工作電源種類可分為： (1)有刷直流電機(jī) ①永磁直流電機(jī) 稀土永磁直流電動(dòng)機(jī) 鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī) 鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī) ②電磁直流電機(jī) 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) (2)無(wú)刷直流電機(jī) 稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī) (1)單相電動(dòng)機(jī) (2)三相電動(dòng)機(jī)（二）無(wú)刷直流電機(jī)及其控制技術(shù)的發(fā)展1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，奠定了現(xiàn)代電機(jī)的基本理論基礎(chǔ)。從19世紀(jì)40年代研制成功第一臺(tái)直流電機(jī)，經(jīng)過(guò)大約17年的時(shí)間，直流電機(jī)技術(shù)才趨于成熟。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)直流電機(jī)的要求也就越來(lái)越高，有接觸的機(jī)械換向裝置限制了有刷直流電機(jī)在許多場(chǎng)合中的應(yīng)用。為了取代有刷直流電機(jī)的電刷－換向器結(jié)構(gòu)的機(jī)械接觸裝置，人們?cè)鴮?duì)此作過(guò)長(zhǎng)期的探索。1915年，美國(guó)人Langnall發(fā)明了帶控制柵極的汞弧整流器，制成了由直流變交流的逆變裝置。20世紀(jì)30年代，有人提出用離子裝置實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定子繞組按轉(zhuǎn)子位置換接的所謂換向器電機(jī)，但此種電機(jī)由于可靠性差、效率低、整個(gè)裝置笨重又復(fù)雜而無(wú)實(shí)用價(jià)值?？茖W(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶來(lái)了電力半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍。開(kāi)關(guān)型晶體管的研制成功，為創(chuàng)造新型直流電機(jī) ——無(wú)刷直流電機(jī)帶來(lái)了生機(jī)。1955年，美國(guó)人Harrison首次提出了用晶體管換相線路代替電機(jī)電刷接觸的思想，這就是無(wú)刷直流電機(jī)的雛形。它由功率放大部分、信號(hào)檢測(cè)部分、磁極體和晶體管開(kāi)關(guān)電路等組成，其工作原理是當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在信號(hào)繞組中感應(yīng)出周期性的信號(hào)電動(dòng)勢(shì)，此信號(hào)電動(dòng)勢(shì)份別使晶體管輪流導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)換相。問(wèn)題在于，首先，當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)繞組內(nèi)不能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，晶體管無(wú)偏置，功率繞組也就無(wú)法饋電，所以這種無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；其次，由于信號(hào)電動(dòng)勢(shì)的前沿陡度不大，晶體管的功耗大。為了克服這些弊病，人們采用了離心裝置的換向器，或采用在定子上放置輔助磁鋼的方法來(lái)保證電機(jī)可靠地起動(dòng)。但前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而后者需要附加的起動(dòng)脈沖。其后，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和不斷的實(shí)踐，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來(lái)代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向裝置，從而為直流電機(jī)的發(fā)展開(kāi)辟了新的途徑。20世紀(jì)60年代初期，接近開(kāi)關(guān)式位置傳感器、電磁諧振式位置傳感器和高頻耦合式位置傳感器相繼問(wèn)世，之后又出現(xiàn)了磁電耦合式和光電式位置傳感器。半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，使人們對(duì)1879年美國(guó)人霍爾發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)再次發(fā)生興趣，經(jīng)過(guò)多年的努力，終于在1962年試制成功了借助霍爾元件（霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器）來(lái)實(shí)現(xiàn)換相的無(wú)刷直流電機(jī)。在⒛世紀(jì)70年代初期，又試制成功了借助比霍爾元件的靈敏度高千倍左右的磁敏二極管實(shí)現(xiàn)換相的無(wú)刷直流電機(jī)。在試制各種類型的位置傳感器的同時(shí)，人們?cè)噲D尋求一種沒(méi)有附加位置傳感器結(jié)構(gòu)的無(wú)刷直流電機(jī)。1968年，德國(guó)人WMieslinger提出采用電容移相實(shí)現(xiàn)換相的新方法。在此基礎(chǔ)上，德國(guó)人RHanitsch試制成功借助數(shù)字式環(huán)形分配器和過(guò)零鑒別器的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)換相的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)。永磁無(wú)刷電機(jī)是永磁無(wú)刷直流電機(jī)、永磁無(wú)刷交流同步電機(jī)、永磁無(wú)刷直線電機(jī)和永磁無(wú)刷力矩電機(jī)的總稱。永磁無(wú)刷電機(jī)具有不少優(yōu)點(diǎn)，因此已是目前微特電機(jī)發(fā)展主流。(三）本文研究的意義及主要內(nèi)容無(wú)刷直流電機(jī)集特種電機(jī)、變速結(jié)構(gòu)、檢測(cè)元件、控制軟件與硬件于一體，形成新一代伺服系統(tǒng)，體現(xiàn)了當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多最新成果，是機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品。無(wú)刷直流電機(jī)集交流電機(jī)和直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一體，它既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好的特點(diǎn)，同時(shí)無(wú)勵(lì)磁損耗。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電動(dòng)機(jī)一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子上安裝永久磁鋼，電樞繞組一般采用多相形式，經(jīng)逆變器接到直流電源，定子采用電子換向代替有刷電機(jī)的電刷和機(jī)械換向器，各相繞組逐次通電，在氣隙中產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子磁極主磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)刷直流電機(jī)和其它電機(jī)相比具有高可靠性、高效率和優(yōu)良的調(diào)速性能等諸多優(yōu)越性，并且隨著新型稀土永磁材料性能的提高與價(jià)格的下降，帶來(lái)水磁無(wú)刷直流電機(jī)成本的降低，這種優(yōu)越性將更加明顯。目前在工業(yè)先進(jìn)的國(guó)家里，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的有刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)逐步被無(wú)刷直流?，F(xiàn)在從國(guó)外進(jìn)口的設(shè)各中，已經(jīng)很少看到以有刷直流電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，一些國(guó)家如美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)的相關(guān)公司經(jīng)不再大量生產(chǎn)伺服驅(qū)動(dòng)用的有刷直流電動(dòng)機(jī)。由上面的分析可以看出，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相對(duì)于其它類型電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是一種新型電動(dòng)機(jī)，它的驅(qū)動(dòng)、控制更是和電子技術(shù)息息相關(guān)，因此，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)本體及其控制方法進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。二、無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理(一)無(wú)刷直流電機(jī)特點(diǎn) 容量范圍大:標(biāo)準(zhǔn)品可達(dá)400Kw更大容量可以訂制. 電壓種類多:直流供電交流高低電壓均不受限制. 低頻轉(zhuǎn)矩大:低速可以達(dá)到理論轉(zhuǎn)矩輸出啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到兩倍或更高. 高精度運(yùn)轉(zhuǎn):不超過(guò)1 rpm.(不受電壓變動(dòng)或負(fù)載變動(dòng)影響). 高效率:所有調(diào)速裝置中效率最高比傳統(tǒng)直流電機(jī)高出5～30%. 調(diào)速范圍:簡(jiǎn)易型/通用型(1:10)高精度型(1:100)伺服型. 過(guò)載容量高:負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動(dòng)在200%以內(nèi)輸出轉(zhuǎn)速不變. 體積彈性大:實(shí)際比異步電機(jī)尺寸小可以做成各種形狀. 可設(shè)計(jì)成外轉(zhuǎn)子電機(jī)(定子旋轉(zhuǎn)). 轉(zhuǎn)速?gòu)椥源?可以幾十轉(zhuǎn)到十萬(wàn)轉(zhuǎn). 制動(dòng)特性良好可以選用四象限運(yùn)轉(zhuǎn). 可設(shè)計(jì)成全密閉型IP54IP65防爆型等均可. 允許高頻度快速啟動(dòng)電機(jī)不發(fā)燙. 通用型產(chǎn)品安裝尺寸與一般異步電機(jī)相同易于技術(shù)改造.（二）無(wú)刷電機(jī)組成無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)相似，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)和固定的電樞。這樣電子換相線路中的功率開(kāi)關(guān)器件，如晶閘管，晶體管等可直接與電樞繞組連接。在電機(jī)內(nèi)，裝有一個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器，用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中的位置。它與電子換相線路一起，替代了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相裝置。綜上所述，無(wú)刷直流電機(jī)由電機(jī)本體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相線路三大部分組成，如圖1所示。圖1 無(wú)刷直流電機(jī)原理圖1. 電機(jī)本體 電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒(méi)有籠型繞組和其他啟動(dòng)裝置。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(duì)數(shù)（2p=2，4，……）組成。2. 位置傳感器 位置傳感器在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后去控制定子繞組換相。位置傳感器種類較多，且各具特點(diǎn)。在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中常見(jiàn)的位置傳感器有以下幾種：電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位置接近傳感器。3. 電子換相 當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)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(hào)，去控制電子開(kāi)關(guān)線路，從而使定子各項(xiàng)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(kāi)關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。（三）基本工作原理眾所周知，一般的永磁式電動(dòng)機(jī)的定子由永