【正文】 相、 C 相繞組分別與功率開關(guān)管 VT VT VT3 相接?？刂茊卧鶕?jù)系統(tǒng)的運(yùn)行設(shè)定參數(shù)以及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的自適應(yīng)調(diào)整控制； 電機(jī)驅(qū)動(dòng)及系統(tǒng)保護(hù)單元：主要完成對(duì)信號(hào)的放大和檢測，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片就會(huì)根據(jù)反饋的信息產(chǎn)生報(bào)錯(cuò)信號(hào)，并同時(shí)使電機(jī)驅(qū)動(dòng)端口輸出強(qiáng)制置低，鎖定電機(jī)起到保護(hù)作用； 人機(jī)監(jiān)控單元： 實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控，根據(jù)運(yùn)行情況的改變進(jìn)行必要的人為調(diào)整； ② 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容： DSP 數(shù)字信號(hào)處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； 西安交通大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)； 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)； 系統(tǒng)檢測保護(hù)電路的設(shè)計(jì)； 系統(tǒng)軟件控制設(shè)計(jì)； 無刷直流電機(jī)的基本原理 5 2 無刷直流電機(jī)的基本原理 無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本組成 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖 21 所示。 課題研究的內(nèi)容 本課題研究的是無刷直流電機(jī)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)，通過改變電驅(qū)電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。尤其在近十幾年來，隨著電機(jī)技術(shù)及其相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，無刷直流電動(dòng)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。 20 世紀(jì) 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(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。再加上直流電機(jī)制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，大大限制了它的應(yīng)用范圍。因此，研究能有效抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的高性能調(diào)速系統(tǒng)，具有非常重要的意義。本課題就是基西安交通大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 于 TMS320F2812 DSP 芯片的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。而這個(gè)過程經(jīng)歷了從分立元件控制，集成電路控制和單片機(jī)，計(jì)算機(jī)控制等過程。有單閉環(huán)控制系統(tǒng)，有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)和多閉環(huán)控制系統(tǒng) 。隨著數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 的出現(xiàn)，給直流調(diào)速控制提供了新的手段和方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，兩者的有機(jī)結(jié)合使電力拖動(dòng)控制產(chǎn)生了新的變化。 縱觀電機(jī)的發(fā)展過程，交、直流兩大電機(jī)并存于各個(gè)時(shí)期的工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，雖然它們所處的地位和作用不同，但是它們始終是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā) 展，特別是隨著電力電子學(xué)和微電子學(xué)的發(fā)展，在相互競爭、相互促進(jìn)中完善著自身。它既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)，因此在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用。 本文以 TMS320F2812DSP 為核心控制芯片，通過改變定子繞組電壓的幅值來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，運(yùn)用 PID 控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)無刷直流電機(jī)的高性能控制，成功地完成了對(duì)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，因而在工業(yè)場合應(yīng)用廣泛。計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和直流拖動(dòng)技術(shù)的組合是技術(shù)領(lǐng) 域的交叉，具有廣泛的應(yīng)用前景。將計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展成果運(yùn)用在直流調(diào)速系統(tǒng)中，在經(jīng)典控制的基礎(chǔ)之上探討一種新的控制方法，為計(jì)算機(jī)技術(shù)在電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做些研究性的工作。有可逆調(diào)速系統(tǒng)，有不可逆調(diào)速系統(tǒng)等。每一次的技術(shù)升級(jí)都使控制系統(tǒng)的性能有較大地提高和改進(jìn)。 課題研究的現(xiàn)狀 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)是一種新型的調(diào)速系統(tǒng)，具有良好的運(yùn)行、控制及經(jīng)濟(jì)性能，有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α? 無刷直流電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生發(fā)展而來的，在傳統(tǒng)電勵(lì)磁電機(jī)當(dāng)中，直流電機(jī)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。針對(duì)上述傳統(tǒng)直流電機(jī) 的弊端， 1955 年，美國 D．哈罩森等人首次申請(qǐng)了應(yīng)用晶體管換相代替電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向器的專利，這就是現(xiàn)代無刷直流電機(jī)的雛形。 我國對(duì)無刷直流電機(jī)的研究起步比較晚，上世紀(jì)八十年代以前，國內(nèi)對(duì)無刷直流電機(jī)的研究幾乎空白。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(jī)結(jié)構(gòu)到控制方式也層出不窮。系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分如圖 13：電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)， DSP 控制系統(tǒng)，人機(jī) 監(jiān)控系統(tǒng)。 圖 21 無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 無刷直流電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體，位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。 圖 22 無刷直流電機(jī)工作原理圖 三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖 22 所示。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(huì)產(chǎn)生與前面過程同樣大的轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。它由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。定子是由高頻導(dǎo)磁材料的鐵心制成，一般有 6個(gè)極，等間距分布，每個(gè)極上都纏有線圈。假設(shè)隨著電動(dòng)機(jī)的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)磁扇片也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，并逐漸靠近繞組 BW ，遠(yuǎn)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。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jìn)行工作。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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的極對(duì)數(shù)。 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。利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動(dòng)機(jī)的永 磁轉(zhuǎn)子，同時(shí)也是霍爾傳感器的轉(zhuǎn)子。 所以，利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場，對(duì)霍爾半導(dǎo)體通入直流電，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁場強(qiáng)度大小和方向隨著它的不同而發(fā)生變化時(shí)，霍爾半導(dǎo)體就會(huì)輸出霍爾電動(dòng)勢，霍爾電動(dòng)勢的大小和相位隨轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測轉(zhuǎn)子位置的作用。為了便于分析，作如下假設(shè) : (1)轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的磁場在氣隙中沿圓周按正弦分布 。 式中， Ua 為電源電壓 ?！?Ur 為功率晶體管的飽和壓降。 整理得電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為： )s i n(s i n)(e tEUUR tEtT MTaam ?? ????? （式 36） 無刷直流電機(jī)數(shù)字模型及 PID 控制器的設(shè)計(jì) 15 即： ttEUURpWtT MTaaA ?? s i n)s i n()(e ????? （式 37） 平均電磁轉(zhuǎn)矩為： )()s i n(23)()(3/2 1 656656 etdtEUURpWtdtTT MTaaA ????? ???? ?????? ?? ? ? )()( mNWUURW MTaaA ?????? （式 38） 轉(zhuǎn)速 n=0, 0?mE 時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩為： )( a mNR UUpWT a TAd ????? （式 39） 由此可知，在一個(gè)磁狀態(tài)一相導(dǎo)通區(qū)域內(nèi)，由于電勢的脈動(dòng)使轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生了波動(dòng)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生噪音和運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，所以一般都希望轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小。由式 (35)和 (38)可得轉(zhuǎn)矩系數(shù)為： )/m( ANWITK AST ???? (式 313) 無刷直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性 無刷直流的動(dòng)態(tài)特性可由下列方程組來描述： IREUU ???? a IKT Ta ? tnLa ddGDTT ??? 375 2 nKE ea ? 式中中 LT 為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩 ； 2GD 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪力矩 (N 無刷直流電機(jī)數(shù)字模型機(jī) PID 控制器的設(shè)計(jì) 17 圖 35 無刷直流電機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 PID 控制算法 PID控制調(diào)節(jié)器是對(duì)信號(hào)進(jìn)行比例積分微分校正運(yùn)算的裝置。 圖 36（ a） 無刷直流電機(jī)等效電路圖 PID控制系統(tǒng)原理圖如圖 56（ b）所示，該系統(tǒng)為 PID控制器和控制對(duì)象組成，這種 PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為)11()()()( sTsTKXYG diCSSS ????。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。直到偏差值額 )(te =0,輸出的 u(t)才可能維持在某一常量，使系統(tǒng)在給定值 )(tr 不變的條件下趨于穩(wěn)態(tài)。所以，必須 根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)控制要求來確定IT 。微分作用的引入，將有助于減少超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。離散化處理的方法為：以 T作為采樣周期， K作為采樣序號(hào)，則離散采樣時(shí)間 kT對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間 t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，可作如下近似變換： kTt? k=(0， 1， 2，? ) ? ? ?? ???t kj kj jeTjTeTdtte0 0 0)()( ? ? T eeT TkekTedt tde kk 1)1()()( ?????? 為了表示方便，將類似于 )(kTe 簡化為 ke 等，就可以得到離散的 PID表達(dá)式： 010 )( ueeTeTeKu kkDkj jIkpk ????? ??? k —— 采樣信號(hào)（ k=0,1,2,3，?） ku —— 第 k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值 ke —— 第 k次采樣時(shí)刻輸入夫人偏差值 pK —— 比列系數(shù) IT —— 積 分常數(shù) DT —— 微分常數(shù) 0u —— PID控制的初值 如果采樣周期取的足夠小，則以上計(jì)算就可獲的足夠精確的數(shù)據(jù)，離散控制的過程與連續(xù)控制的過程十分接近。 圖 37 PWM調(diào)速原理圖及波形圖 圖中當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平時(shí) ，開關(guān)管導(dǎo)通，無刷直流電機(jī)電驅(qū)繞組兩端有電壓 Us。 無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n的表達(dá)式為： ??? K IRUn 其中， U為電驅(qū)端電壓， I為電驅(qū)電流， R為電驅(qū)電路的總電阻， ? 為每極磁通量， K為電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 2） .調(diào)寬調(diào)頻法：這種方法是保持 2t 不變，只改變 1t ，這樣使周期 T（或頻率）也隨之改變。驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，檢測電路實(shí)時(shí)檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，并將檢測信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。在經(jīng)過濾波電路和大電容的穩(wěn)壓電路之后，成為可以供給智能功率模塊的較為穩(wěn)定的直流電壓源。 電機(jī)主電路圖 三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路圖如圖 43所示。 轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過 60電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。如此循環(huán)下去，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)起來了。 TPS767D318PWP還具有內(nèi)部電流限制和熱保護(hù)的特點(diǎn)，輸出電流限制約為 1A。上電時(shí)，通道 1需要在通道 2輸出電壓高于 ，并復(fù)位引腳 XRS必須在通道 1輸出電壓達(dá)到 。PWM驅(qū)動(dòng)電路圖如圖 45（ a）所示， PWMg和 PWMs分別接至功率管的柵極和源極。若控制板輸出 PWM信號(hào)為高電平，則前級(jí)驅(qū)