【正文】 ............................ 40 ADC 中斷子程序 .......................................... 40 總 結(jié) ......................................................................................................................... 44 致 謝 ......................................................................................................................... 45 參 考 文 獻(xiàn) ............................................................................................................... 46 附 錄 1： 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 ............................................................. 47 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 1 第 1 章 概 述 無刷直流電機(jī)的現(xiàn)狀 有刷直流電動機(jī)作為最早的電動機(jī)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，由于其寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，在需要調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域占有重要地位，但機(jī)械換向裝置的存在，限制了其發(fā)展和應(yīng)用范圍。 80年代 初，無刷直流電機(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段，方波和正弦波無刷直流電機(jī)先后研究成功。如電動自行車、電動汽車、電梯、抽油煙機(jī)、豆?jié){機(jī)、小型清 污機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等等 .由于無刷直流電機(jī)具有這些優(yōu)點(diǎn)，因此在 20xx年的國際電機(jī)會議上提出了有刷電機(jī)將被無刷電機(jī)取代這一發(fā)展趨勢。 20xx年 12月我國電機(jī)制造業(yè)共 1167家生產(chǎn)企業(yè)，全部從業(yè)人員 388282人，資產(chǎn)972億。它采用一種位置檢測器和電子開關(guān)變換器替代電刷和換向器，既有傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)良特性，又有交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、壽命長的優(yōu)點(diǎn)。 由于無刷直流電動機(jī)的優(yōu)異性能，使得世界上許多科研機(jī)構(gòu)和公司都投入到這一技術(shù)領(lǐng)域，使無刷直流電動機(jī)的技術(shù)得到了充分展示和更加廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)直流電機(jī)采用機(jī)械機(jī)構(gòu)（電刷）進(jìn)行換向，因而存在機(jī)械摩擦，并由此帶來電磁噪聲、換向火花以及壽命短等缺點(diǎn)，再加上制造成本高、維修困難，從而極大的限制了它的發(fā)展和 應(yīng)用范圍。 1955 年，美國 等人首次申請了應(yīng)用晶體管換向代替電動機(jī)機(jī)械換向的專利，這就是現(xiàn)代無刷直流電動機(jī)的雛形。進(jìn)入九十年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導(dǎo)體功率器件，如 GTR、 MOSFET、IGBT 等相繼問世，以及微處理器、大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，逆變裝置也發(fā)生了根本性的變化。本文針對 DSP 在無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用趨勢，采用 TI 公司的運(yùn)動控制專用 DSP—— TMS320LF2407 作為控制器，設(shè)計了基于該 DSP 的無刷直流電動機(jī)雙閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對無刷直流電動機(jī)電流的 PWM 控制和速度控制。闡述了 SPWM的基本原理和無傳感器控制技術(shù)中的反電勢法工作原理，并對數(shù)字 PID 算法作了簡單的介 紹。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 5 第 2 章 無刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析 無刷直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 無刷直流電動機(jī)是在有刷直流電動機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。無刷直流電動機(jī)的組成是用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動機(jī)的定子磁極，用具有多相繞組的定子取代電樞，用由逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器組成的電子換向器取代機(jī)械換向器和電刷。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 6 電動機(jī)本體電動機(jī)本體 與永磁同步電機(jī)相似，轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵勵磁，目前多使用稀土永磁材料，但沒有籠型繞組和其它起動裝置。伴隨著新型永磁材料釹鐵硼 (NdFeB)的實(shí)用化，電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)越來越多樣化，使 BLDCM 正朝著高轉(zhuǎn)矩、高精度、微型化和耐環(huán)境等多種用途發(fā)展。 電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來測量轉(zhuǎn)子位置的，有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)電路等多種類型?？傊怆娛轿恢脗鞲衅餍阅鼙容^穩(wěn)定，體積小、重量輕，但對環(huán)境要求較高。一般來說，這種器件對環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng)，成本低廉，同樣，精度不高。將系統(tǒng)工作電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給直流無刷電動機(jī)定子上各相繞組，以便使電動機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。 無刷直流電動機(jī)的工作原理 一般的直流電機(jī)由于電刷的換相，使得由永久磁鋼產(chǎn)生的磁場與電樞繞組通電后產(chǎn)生的磁場在電機(jī)運(yùn)行過程中始終保持垂直從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。通電型的交流方波，反電動勢為 120176。三相半控電路的特點(diǎn)是簡單，一個可控硅控制一相的通斷，每個繞組只通電 1/3 的時間，另外 2/3 時間處于斷開狀態(tài)，沒有得到充分的利用，在運(yùn)行過程中 的轉(zhuǎn)矩波動較大。下面以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機(jī)來說明其工作原理。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 60176。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針每轉(zhuǎn)過 60176。電角到達(dá)圖 23(b)中的 Fa 的位置時，定子合成磁場才從圖 23(a)中 Fa 位置順時針躍變至圖 23(b)中的 Fa 的位置。改變電樞電壓 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 10 調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)。 兩端的電壓波形。取決于占空比的大小，改變 a值就可改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的 .理想空載轉(zhuǎn)速與占空比 a成正比。 無刷直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)若只通過 PWM(或 SPWM)改變驅(qū)動電路的控制電壓來達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，則稱該系統(tǒng)為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即控制是單方向進(jìn)行的，輸出轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生。在采用電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，一個調(diào)節(jié)器需完成兩種調(diào)節(jié)任務(wù)：正常負(fù)載時實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，過載時進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。顯然，轉(zhuǎn)矩的大小 eT 與電機(jī)中的相電流 I 成正比，改變相電流 I ，相應(yīng)的也就改變了轉(zhuǎn)矩 eT 的大小，也就改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速的目的。 由圖 31可知，內(nèi)環(huán)即電流調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)節(jié)定子磁場的大小，定子磁場的大小正比于流過定子線圈的電流，控制定子線圈的電流即可控制定子磁場的大小。由于電子開關(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)械換向器的作用。 SPWM 控制的基本原理 在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不相等的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。如果將上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形狀脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)的正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖的相應(yīng)正弦部分面積相等，就有圖 32(b)所示的脈沖序列。正因?yàn)橛兴⒅绷麟姍C(jī)的換向器與電刷 等嚴(yán)重的限制了電機(jī)性能的提高和發(fā)展?jié)摿?，才使得人們想去掉換向器與電刷，在這種情況下，位置傳感器的應(yīng)用被提上了日程。為了適應(yīng)無刷電機(jī)的發(fā)展，無位置傳感器無刷直流電動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，它不直接檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，與有 刷電機(jī)相比，省去了位置傳感器，簡 化了電動機(jī)本體結(jié)構(gòu)，取得了良好效果，并得到了廣泛的應(yīng)用。由于不是直接檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，因此這種通過檢測磁鏈、電流和電壓等物理量來得到轉(zhuǎn)子位置的直流電動機(jī)也被稱為無位置傳感器的無刷直流電動機(jī)。對于反電動勢為梯形波的無刷直流電動機(jī)來說，由于在任意時刻只有兩相導(dǎo)通，而另一相懸空，因此可以方便的檢測出懸空相的反電動勢。電 角度，即每一瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 16 每隔 60176。反電動勢波形檢測電路圖如圖 34 所示： 圖 34 無刷直流電動機(jī)反電動勢波形檢測電路 續(xù)流二極管間接檢測法 在三相星型六狀態(tài)的無刷直流電動機(jī)中，當(dāng)采用斬波方式對電機(jī)進(jìn)行控制時，非導(dǎo)通相的反電動勢將使得續(xù)流二極管中有電流流過，且續(xù)流二極管在兩次換相的中點(diǎn)時刻開始導(dǎo)通或者停止導(dǎo)通，這恰好是非導(dǎo)通相反電動勢的過零點(diǎn)。這種方法最大的 缺點(diǎn)是必須提供六個用于比較電路的隔離電源。 反電動勢積分法一方面可以減小開關(guān)噪聲，另一方面反電動勢幅值與轉(zhuǎn)速成比例，保持電流和反電動勢同相，因而電機(jī)可以工作在更高的轉(zhuǎn)速。無論轉(zhuǎn)速以及負(fù)載的情況，三次諧波分量和轉(zhuǎn)子磁通都保持一個固定的相位關(guān)系，并且不受逆變器開關(guān)噪聲的影響，因此是一種可靠的檢測方法。 采用上述位置檢測方法時，只需把三相定子繞組的相電壓相加，再經(jīng)過濾波就可以得到用來換相的 3 次諧波，這決定了這種方法的一個特點(diǎn)：因?yàn)槭前严嚯妷合嗉?，所以必須引出定子繞組的中性點(diǎn)，否則沒有辦法測量相電壓。它的結(jié)構(gòu)簡單，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)學(xué)模型，參數(shù)容易調(diào)整，在長期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，因此在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。因此，數(shù)字 PID控制算法是電機(jī)微機(jī)控制中常用的一種基本控制算法。所以模擬 PID 控制器的控制規(guī)律為： 00p )()(1)(Ku ( t ) udt tdeTdtteTtetDI ??????? ??? ? (34) 式中， pK 比例系數(shù)， IT 為積分參數(shù)， DT 為微分常數(shù)， 0U 為控制常量。積分環(huán)節(jié)的作用是把偏差的積累作為輸出。所以，必須根據(jù)實(shí)際控制的具體要求來確定 IT 。但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感，對那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對輸入信號進(jìn)行濾波。將式 ()代入式 ()就可以得到離散的 PID 表達(dá)式為： 010 )(u ueeTTeTTeK kkDkj jIkpk ??????? ??????? (36) 式中， k 為采樣序號， k =0,1,2,； u (k)為第 k 次采樣時刻的輸出值； ke 為第 k 次采樣時刻輸入的偏差值； k 1e 為第 k 1次采樣時刻輸入的偏差值。 因此，有的系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)等增量型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的控制量是增量，不是位置量的絕對數(shù)值，而是其增量，這應(yīng)采用增量式 PID 控制算法。增量式控制算法不僅適用于增量式控 制也用于位置式控制，因?yàn)槲恢檬? PID 控制算法可以通過增量式控制算法遞推得出 kkk uu ??? ?1u ，這就是目前微機(jī)控制中廣泛應(yīng)用的數(shù)字遞推 PID 控制算式。近年來，各種集成化的單片 DSP 的性能得到很大改善，與單片機(jī)相比， DSP 器件具有較高的集成度和更快的 CPU，更大容量的存儲器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和緩沖器，提供高速、同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口。 DSP 器件比 16 位單片機(jī)單指令執(zhí)行速度快 8~10 倍，完成一次乘加運(yùn)算快 16~30 倍?；? DSP 控制器構(gòu)成的運(yùn)動控制系統(tǒng)事實(shí)上是一個單片系統(tǒng)，電機(jī)控制所需的各種功能都能用 DSP 控制器來實(shí)現(xiàn)，可大幅縮小系統(tǒng)體積，減少外 設(shè)個數(shù)，增加系統(tǒng)集成度和可靠性，而且各種功能都通過軟件來實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)系統(tǒng)升直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 24 級容易，擴(kuò)展性好，維護(hù)也方便，確保了系統(tǒng)有優(yōu)越的控制性能和開放的結(jié)構(gòu)，滿足那些對系統(tǒng)性能和精度高要求的場合的需要 。下面介紹其豐富的外圍模塊。 DSP 的定時 /計數(shù)器可用于產(chǎn)生采樣周期，為捕獲單元和正交編碼單元提供時間基準(zhǔn)，也可作為比較單元產(chǎn)生 CMP/PWM 輸出以及軟件定時 的時間基準(zhǔn)。全比較單元輸出的 PWM 電壓波可作為交流感應(yīng)電機(jī)或無刷直流電機(jī)三相功率放大器的輸入信號，還可用于控制開關(guān)磁阻和同步磁阻電機(jī)以及傳統(tǒng)的直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。當(dāng)捕獲發(fā)生時，相應(yīng)的中斷標(biāo)志被置位并向 CPU 發(fā)中斷請求，還可以設(shè)置由中斷標(biāo)志的置位 來啟動片內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換器工作。 (2) 片內(nèi)外設(shè) TMS320F2407 片內(nèi)外設(shè)包括 A/D 轉(zhuǎn)換器、 SCI、 SPI 和看門狗定時器及實(shí)時中斷定時器等。 異步串行通訊口 (SCI)與串行通信接口模塊 (SPI)： SCI 即通用異步收發(fā)器，用于與 PC機(jī)串口等標(biāo)準(zhǔn)器件通信。 TMS320LF2407 具有高速信號處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有強(qiáng)大的片內(nèi) I/O 端口，而且它為電機(jī)控制提供了單片解決方案所必需的外圍設(shè)備。根據(jù)程序的控制使 DSP 產(chǎn)生一定的 PWM 脈沖，通過調(diào)整 PWM 脈沖寬度來控制功率管的開關(guān)時間，實(shí)現(xiàn)對無刷直流電動機(jī)的控制。 DSP 的 PWM 電路的設(shè)計可以減少產(chǎn)生 PWM 波形的 CPU 開銷和減少用戶的工作量，同時能盡量減小功率開關(guān)器件的損耗，降低電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動性。在電動機(jī)運(yùn)行過程中，通過改變?nèi)容^單元比較寄存器 CMPRx 和 ACTRA，就可實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制和逆變橋的導(dǎo)通邏輯。極端的情況包括用戶裝載了一個比占空周期更大的 死區(qū)值或占空比為 100%或 0%。死區(qū)時間經(jīng)常別插入到一個器件的關(guān)斷和另一個器件的開啟之間。通常為了得到高精度位置和速度反饋，均在電機(jī)