【正文】 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此無位置傳感器控制方式無法實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)，它的起動(dòng)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。起動(dòng)程序主要負(fù)責(zé)無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。最后根據(jù)反電勢(shì)檢測(cè)電路確定直流無刷電動(dòng)機(jī)定子繞組控制邏輯，輸出相應(yīng)的 PWM 波形，使得轉(zhuǎn)子按照控制的要求運(yùn)行通過上面的分析，可知軟件設(shè)計(jì)主要包括 DSP 事件管理器初始化程序、起動(dòng)程序、換相子程序、中斷服務(wù)程序以及電流、速度環(huán)調(diào)節(jié)程序等組成。這個(gè)過程稱為轉(zhuǎn)子定位。給定一逐步增加的獨(dú)立頻率，按一定的開通時(shí)序，使變換器的各功率開關(guān)按給定頻率換流，在保證電機(jī)不失步的前提下，實(shí)現(xiàn)電機(jī)升速。無刷直流電動(dòng)機(jī)的外同步驅(qū)動(dòng)方式需要人為地給電機(jī)施加一由低頻到高頻不斷加速的外同步信號(hào)，使電機(jī)由靜止逐步加速運(yùn)轉(zhuǎn)。 數(shù)字PI速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)是無刷直流調(diào)速系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。雙閉環(huán)調(diào)速的特點(diǎn)是速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流。(3)其輸出限幅值決定允許的最大電流。速度調(diào)節(jié)器是實(shí)現(xiàn)調(diào)速的核心環(huán)節(jié)，它的設(shè)計(jì)好壞對(duì)系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能關(guān)系很大。由式46可知，要計(jì)算第k次輸出值P(k)，只要知道P(k1)，E(k)，E(k1)，E(k2)即可。E(k1)第(k1)次采樣時(shí)的偏差值。TD為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。但本文采用反電動(dòng)勢(shì)過零法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，在速度為零的情況下電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)為零，電機(jī)不能自起動(dòng)，因此反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)技術(shù)不可能在速度為零或極低速時(shí)使用，怎樣順利起動(dòng)成了控制無位置傳感的無刷直流電動(dòng)機(jī)的重要問題。IR2130 芯片內(nèi)部有電流比較電路，可以進(jìn)行電機(jī)比較電流的設(shè)定。輸入邏輯與CMOS 或 LSTTL 輸出兼容，最小可達(dá)到 邏輯電壓，直接兼容 DSP 的 CMOS 輸出。其中 RS232 在 PC 與工業(yè)計(jì)算機(jī)中應(yīng)用最多，本系統(tǒng)采用 RS232C 標(biāo)淮。TMS320F240 內(nèi)部集成了一個(gè)異步串行通信模塊(SCI)，利用它和外部的電平轉(zhuǎn)換單元一起可方便地實(shí)現(xiàn) DSP 與上位機(jī)的串行通訊。速度環(huán)的更新頻率可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行要求調(diào)整。原理如圖45所示：圖45 速度計(jì)算原理圖以保證下次正確計(jì)算轉(zhuǎn)速。所需的延時(shí)時(shí)間由功率器件的開啟和關(guān)斷特性以及具體應(yīng)用中的負(fù)載特性來決定。在許多電機(jī)和電力電子應(yīng)用中，常將兩個(gè)功率器件（一個(gè)正向?qū)ǎ硪粋€(gè)負(fù)向?qū)ǎ┐?lián)到一個(gè)功率轉(zhuǎn)換器的引腳上，并且兩個(gè)器件一定不能同時(shí)導(dǎo)通，這是為了避免發(fā)生短路而擊穿器件。圖43給出了比較單元和 PWM 電路產(chǎn)生的占空比可變的對(duì)稱 PWM 波形。事件管理模塊 EVA 的 PWM 與比較單元相關(guān)的 PWM 電路及 PWM 波形的產(chǎn)生有關(guān)的外設(shè)控制寄存器對(duì)于 EVA 模塊有 T1PR、T1CON、COMCON、ACTRA、DBTCON、CMPRCMPRCMPR5 等。并且在閉環(huán)調(diào)節(jié)的過程中，實(shí)時(shí)的根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的變化，通過調(diào)節(jié) DSP 所產(chǎn)生的 PWM 波形來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。 無刷直流電動(dòng)機(jī)的DSP控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及控制策略的分析，進(jìn)行基于 DSP 的無刷直流電動(dòng)機(jī)高性能雙閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分利用 DSP 的外圍電路，其控制系統(tǒng)主要由 DSP 及其接口電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、三相逆變電路、電流檢測(cè)、速度檢測(cè)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)及保護(hù)電路等組成?？撮T狗定時(shí)器 (WD)與實(shí)時(shí)中斷定時(shí)(RTI)：看門狗定時(shí)器是一個(gè) 8 位增量計(jì)數(shù)器，在正常工作情況下，程序周期性地對(duì)定時(shí)器進(jìn)行清零，若程序運(yùn)行出錯(cuò)或死機(jī)，則定時(shí)器溢出，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。有自動(dòng)排序能力，最多對(duì) 16 個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)果自動(dòng)排序。正交編碼脈沖電路的時(shí)基可由通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器2（對(duì)于 EVA 模塊）或定時(shí)/計(jì)數(shù)器4（對(duì)于 EVB 模塊）提供，計(jì)數(shù)器必須設(shè)置為定向增/減計(jì)數(shù)模式，其輸入和計(jì)數(shù)方向由光電編碼器件輸出的正交編碼脈沖提供。捕獲單元用于高速 I/O 的自動(dòng)管理，監(jiān)視輸入引腳上外部信號(hào)的電平跳變，記錄輸入事件發(fā)生時(shí)的計(jì)數(shù)器值（即記錄下所發(fā)生事件的時(shí)刻），對(duì)脈寬進(jìn)行檢測(cè)。全比較單元有自己的控制邏輯，每個(gè)全比較單元以定時(shí)器1(EVA)或定時(shí)器3(EVB)為時(shí)基，可輸出2路帶可編程死區(qū)控制的CMP/PWM 脈沖。在兩個(gè)事件管理模塊 EVA 和 EVB 中，每個(gè)事件管理包括以下功能模塊：兩個(gè)通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器，能完成強(qiáng)大的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能。 TMS320LF2407結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)TI 公司的 TMS320LF2407 是專門為控制應(yīng)用和數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)的 DSP 控制器。該系列專為實(shí)現(xiàn)高精度、高性能、功能多樣化的單片運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。DSP 器件采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)。 DSP在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用在控制領(lǐng)域，過去的幾十年里，單片機(jī)的廣泛應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的智能控制功能。由式()可得控制器在第 個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值為： (37)將式()與()相減，并整理，就可以得到增量式 PID 控制算法公式： (38)總之，增量式算法只需要保留現(xiàn)時(shí)以前三個(gè)時(shí)刻的偏差值即可。式()表示的控制算法是直接按式()所給出的 PID 控制規(guī)律定義進(jìn)行計(jì)算的，它直接給出了全部控制量的大小，因此被稱為全量式或位置式 PID 控制算法。因此式()中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)在微機(jī)中不能準(zhǔn)確的計(jì)算，只能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近。它是根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)進(jìn)行控制，偏差變化越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的相應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。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。圖中 r (t)是給定值， y (t)是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差 。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，把它移植到微機(jī)控制系統(tǒng)中來，將原來的硬件實(shí)現(xiàn)的功能用軟件來代替，因此稱作數(shù)字 PID 控制器，所形成的一整套算法則稱為數(shù)字 PID 控制算法。 數(shù)字PID控制器及算法將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，用該控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，這樣的控制器稱為 PID 控制器。由于高次諧波的幅值較小、頻率較高，因此可以通過低通濾波器把高次諧波濾掉，只留下 3 次諧波。 反電動(dòng)勢(shì)三次諧波檢測(cè)法無刷直流電動(dòng)機(jī)的梯形波反電動(dòng)勢(shì)包含基波以及其它高次諧波分量。在檢測(cè)到非導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)后，對(duì)該相反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行積分，得到積分值 。這種檢測(cè)方法比直接檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)要精確，因而可以在一個(gè)很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有效，包括很低的轉(zhuǎn)速，但不能為零。當(dāng)功率管V1和 V2導(dǎo)通時(shí)，電流從功率管 V1流入 A 相繞組，再?gòu)?C 相繞組流出，經(jīng) V2回到電源。電角即為換流的關(guān)鍵時(shí)刻。 反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法對(duì)于永磁結(jié)構(gòu)的電機(jī)，反電動(dòng)勢(shì)的大小依賴轉(zhuǎn)子位置。目前這種電機(jī)被廣泛地應(yīng)用于空調(diào)、洗衣機(jī)等。但是它也有自身的缺點(diǎn)，由于位置傳感器的存在，增加了無刷直流電動(dòng)機(jī)的重量和尺寸，不利于電機(jī)的小型化；旋轉(zhuǎn)時(shí)傳感器難免有磨損，且不易維護(hù)。圖32 SPWM控制的基本原理圖 SPWM的數(shù)學(xué)模型SPWM 法可由模擬電路和數(shù)字電路等硬件電路來實(shí)現(xiàn)，也可由微控制器，即硬件與軟件結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)。如圖 32(a)所示，將正弦波看成是由 N 個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。但 PWM 波形的諧波分量大，過高的諧波會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生附加損耗和噪音，不利于電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。另外，系統(tǒng)還有一個(gè)環(huán)路就是位置檢測(cè)環(huán)，獲得轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，確保電機(jī)能正確進(jìn)行換相。具體實(shí)現(xiàn)是通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電流占空比(PWM)的方法來達(dá)到改變相電流I 的目的，相應(yīng)地改變了轉(zhuǎn)矩的大小。如果是多級(jí)電機(jī)，則可得下式： （31）式中， 為電機(jī)極對(duì)數(shù)， 、 分別為反電動(dòng)勢(shì)和相電流的向量形式。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能要求較高時(shí)，必須采用閉壞調(diào)速系統(tǒng)。以專用集成芯片為核心的控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格較便宜，但是系統(tǒng)靈活性不足，保護(hù)功能有限，以DSP芯片為核心的控制器，控制精度較高，但是算法較復(fù)雜，開發(fā)周期長(zhǎng)，成本較高，不易在市場(chǎng)上推廣。為 （21）式中占空比a表示在一個(gè)周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值，a變化范圍為01之間。它被越來越廣泛的應(yīng)用在各種功率的調(diào)速系統(tǒng)中。電角。無刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理如圖23所示： (a)磁極處于B相繞組平面 (b)磁極處于A相繞組平面圖23 無刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖在圖 23(a)到圖 23(b)的 60176。這使繞組 A，C 通電，A進(jìn) C 出，電樞繞組在空間合成磁場(chǎng)如圖 23(b)中 Fa。此時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 22 中 UI 為逆變器，PMM 為永磁電動(dòng)機(jī)本體，PS 為與電動(dòng)機(jī)本體同軸連接的轉(zhuǎn)子位置傳感器。只要控制好逆變器各橋臂功率器件的開關(guān)時(shí)刻就能滿足上述要求。由于轉(zhuǎn)子的氣隙磁通為梯形波，由電機(jī)學(xué)原理可知，電樞的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)亦為梯形波，大小與轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)速成正比。電機(jī)各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來自位置檢測(cè)器的信號(hào)，但位置檢測(cè)器所產(chǎn)生的信號(hào)一般不能直接用來驅(qū)動(dòng)功率變換器的功率開關(guān)元件，往往需要經(jīng)過控制電路一定邏輯處理、隔離放大后才能去驅(qū)動(dòng)功率變換器的開關(guān)元件。 電子換相電子換向電路由功率變換電路和驅(qū)動(dòng)控制電路兩大部分組成，它與位置檢測(cè)器相配合，去控制電動(dòng)機(jī)定子各相繞組通電的順序和時(shí)間，起到換向相類似的作用。其基本原理是霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。光電式位置傳感器是利用光電效應(yīng)，由跟隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光部分和固定不動(dòng)的光源等部件組成。由于逆變器的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而與逆變器一起，起著與有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換相器和電刷相類似的作用。轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)(2P=2,4,…)組成，繞組形式往往采用整距、集中或接近整距、集中的形式，以便保留磁密中的其它諧波。如圖21所示：圖21 無刷直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)成在無刷直流電動(dòng)機(jī)中，借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置檢測(cè)器的輸出信號(hào)，控制逆變器換向，使電樞繞組依次通電，從而在主定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。從供電逆變器的角度來看，它又可屬于永磁同步電動(dòng)機(jī)的一種，因?yàn)闊o刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化以及電樞繞組中的電流變化是和逆變器的頻率是一致的。分析了 PWM 的產(chǎn)生分配情況，給出速度檢測(cè)、電流檢測(cè)及故障保護(hù)等電路，并以 IR2130 作為驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)了無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。 ，給出了無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并分析了無刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性。同時(shí)，永磁材料的性能不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善，加上永磁電機(jī)研究和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和開發(fā)進(jìn)入一個(gè)新階段，目前正朝著超高速、高轉(zhuǎn)矩，高功能化。爾后又經(jīng)過人們多年努力，借助于霍爾元件來實(shí)現(xiàn)換向的無刷直流電動(dòng)機(jī)終于在 1962 年問世。但由于當(dāng)時(shí)大功率電子器件僅處于初級(jí)發(fā)展階段，沒能找到理想的電子換向元器件?？傊?，無刷直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，在技術(shù)上已經(jīng)逐步成熟，在大量應(yīng)用中已經(jīng)顯示其優(yōu)良特性，應(yīng)用領(lǐng)域幾乎可覆蓋所有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，并可以起到其他類型電動(dòng)機(jī)不能達(dá)到的功能。無刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組像交流電機(jī)的繞組一樣，采用多相形式，經(jīng)由逆變器接到直流電源上，定子各相逐次接通電流，和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車用小功率電機(jī)的需求增長(zhǎng)帶動(dòng)了以永磁無刷直流電機(jī)為主體的車用小功率電機(jī)的興起，我國(guó)正在成為世界電動(dòng)汽車制造業(yè)的主要供應(yīng)商。美國(guó)福特公司率先把無刷直流電機(jī)應(yīng)用于汽車20世紀(jì)80年代以來，隨著微機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各種稱為無位置傳感器控制技術(shù)的方法，是當(dāng)代無刷直流電機(jī)控制研究的熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)今，無刷直流電機(jī)集電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、檢測(cè)元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶來了半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍，開關(guān)型晶體管的研制成功為創(chuàng)造新型的無刷直流電動(dòng)機(jī)帶來生機(jī)。本論文所述無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，可以獲得良好的速度控制性能，而且 DSP 技術(shù)不僅使系統(tǒng)獲得了高精度，高可靠性，還簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。然后對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)論述。直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究摘 要隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展和永磁材料性能的不斷提高，無刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)在高性能運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域越來越受到重視。簡(jiǎn)述了無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制策略，并分析了無位置傳感器控制技術(shù)的原理和方法。最后運(yùn)用 SIMULINK 建立了無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)給定實(shí)例進(jìn)行仿真。直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷和換向器因強(qiáng)迫性接觸，造成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、火花、噪聲等一系列問題，影響了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速精度和性能?！盁o刷直流電機(jī)”的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機(jī)發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)。美、日、英、德在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以無刷直流電機(jī)代替有刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換。我國(guó)生產(chǎn)的微特電機(jī)己經(jīng)占世界60%以上，目前是全球最大的永磁體(生產(chǎn)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)刷電機(jī)的主要原材料)生產(chǎn)供應(yīng)基地，中國(guó)還將會(huì)成為全球最大的無刷電機(jī)生產(chǎn)國(guó)。在電磁結(jié)構(gòu)上，無刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電機(jī)一樣，但是它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子上放置永磁磁鋼。據(jù)美國(guó)MTT預(yù)測(cè)公司的報(bào)告，就1986年美國(guó)市場(chǎng)而言，無刷直流電機(jī)的銷售量為560萬(wàn)臺(tái)，在全部電機(jī)中占 7%；在 1991 年無刷直流電機(jī)的消費(fèi)量達(dá)到 2600 萬(wàn)臺(tái)，在全部電機(jī)中占 16%，增長(zhǎng)速度最快[7]。針對(duì)上述傳統(tǒng)有刷直流電動(dòng)機(jī)的弊病，早在