【正文】 的轉(zhuǎn)軸上安裝一個光電編碼器件，電機旋轉(zhuǎn)時該器件產(chǎn)生兩路正交的脈沖信號，將此 信號經(jīng)過 DSP 的 QEP QEP2 端口送到內(nèi)部集成的正交編碼處理電路進(jìn)行 4 倍頻鑒相處理，以此精確的測量電機轉(zhuǎn)速，原理如圖 44所示 ： Q29013Q29012Q755N03LQ655N03LR6R42R9R24PHASE BSETUER B15K10015KSETUER BR12+5V+24VTLC277R2710KR301K+12VC22R42100KR44300KC19100uF 圖 44 速度檢測原理圖 當(dāng)設(shè)置 TMS320LF2407 的 EVB 模塊中 QEP 電路接收兩路正交的光電編碼器 脈沖，定時器 T4 設(shè)置為 QEP 電路的時基，則寄存器 T4CNT 中的值即為對編碼器輸出脈沖 4 倍頻后的計數(shù)值。所需的延時時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。 直流無刷電機驅(qū)動技術(shù)的研究 29 在許多電機和電力電子應(yīng)用中，常將兩個功率器件（一個正向?qū)ǎ硪粋€負(fù)向?qū)ǎ┐?lián)到一個功率轉(zhuǎn)換器的引腳上，并且兩個器件一定不能同時導(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)控制寄存器對于 EVA 模塊有 T1PR、 T1CON、 COMCON、 ACTRA、 DBTCON、 CMPR CMPR CMPR5 等。并且在閉環(huán)調(diào)節(jié)的過程中，實時的根據(jù)電動機運行的變化，通過調(diào)節(jié) DSP 所產(chǎn)生的 PWM 波形來調(diào)節(jié)電動機的運行。 直流無刷電機驅(qū)動技術(shù)的研究 26 無刷直流電動機的 DSP 控制系統(tǒng)的設(shè)計 通過對無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及控制 策略的分析，進(jìn)行基于 DSP 的無刷直流電動機高性能雙閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計，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)動電路、三相逆變電路、電流檢測、速度檢測、轉(zhuǎn)子位置檢測及保護(hù)電路等組成。 看門狗定時器 (WD)與實時中斷定時 (RTI)：看門狗定時器是一個 8 位增量計數(shù)器，在正常工作情況下，程序周期性地對定時器進(jìn)行清零， 若程序運行出錯或死機，則定時器溢出，產(chǎn)生復(fù)位信號。有自動排序能力，最多對 16 個通道轉(zhuǎn)換結(jié)果自動排序。正交編碼脈沖電路的時基可由通用定時 /計數(shù)器 2（對于 EVA 模塊）或定時 /計數(shù)器 4（對于 EVB 模塊）提供，計數(shù)器必須 設(shè)置為定向增 /減計數(shù)模式，其輸入和計數(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 的自動管理，監(jiān)視輸入引腳上外部信號的電平跳變，記錄輸入事件發(fā)生時的計數(shù)器值（即記錄下所發(fā)生事件的時刻），對脈寬進(jìn)行檢測。全比較單元有自己的控制邏輯，每個全比較單元以定時器 1(EVA)或定時器 3(EVB)為時基，可輸出 2路帶可編程死區(qū)控制的 CMP/PWM 脈沖。在兩個事件管理模塊 EVA 和 EVB 中，每個事件管理包括以下功能模塊： 兩個通用定時 /計數(shù)器，能完成強大的定時 /計數(shù)功能。 TMS320LF2407 結(jié)構(gòu)和特點 TI 公司的 TMS320LF2407 是專門為控制應(yīng)用和數(shù)字運動控制領(lǐng)域設(shè)計的 DSP 控制器。該系列專為實現(xiàn)高精度、高性能、功能多樣化的單片運動控制系統(tǒng)設(shè)計。 DSP 器件采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時存取程序和數(shù)據(jù)。 DSP 在運動控制領(lǐng)域的應(yīng)用 在控制領(lǐng)域，過去的幾十年里，單片機的廣泛應(yīng)用實現(xiàn)了簡單的智能控制功能。由式 ()可得控制器在第 1k? 個采樣時刻的輸出值為： 010 2111 )(u ueeTTeTTeK kj kkDjIkpk??????? ???? ??? ???? (37) 將式 ()與 ()相減，并整理，就可以得到增量式 PID 控制算法公式： 直流無刷電機驅(qū)動技術(shù)的研究 22 212111k)21()1()2(u?????????????????? ?????????kDkDpkDIpkkkDkIkkpkkeTTKeTTKeTTTTKeeeTTeTTeeKuu (38) 總之，增量式算法只需要保留現(xiàn)時以前三個時刻的偏差值即可。 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 ()中的積分項和微 分項在微機中不能準(zhǔn)確的計算，只能用數(shù)值計算的方法逼近。它是根據(jù)偏差的變化趨勢進(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)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(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)的實際輸出值，給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差 ? ? ? ? ? ?tytrte ?? 。隨著計算機的出現(xiàn)，把它移植到微機控制系統(tǒng)中來，將原來的硬件實現(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，用該控制量對被控對象進(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。 反電動勢三次諧波檢測法 無刷直流電動機的梯形波反電動勢包含基波以及其它高次諧波分量。在檢測到非導(dǎo)通相反電動勢的過零點后，對該相反電動勢進(jìn)行積分，得到積分值 intV 。這種檢 測方法比直接檢測反電動勢過零點要精確，因而可以在一個很寬的轉(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，電流從功率管 V1 流入 A 相繞組，再從 C 相繞組流出，經(jīng) V2回到電源。電角即為換流的關(guān)鍵時刻。 反電動勢過零檢測法 對于永磁結(jié)構(gòu)的電機，反電動勢的大小依賴轉(zhuǎn)子位置。目前這種電機被廣泛地應(yīng)用于空調(diào)、洗衣機等。但是它也有自身的缺點，由于位置傳感器的存在，增加了無刷直流電動機的重量和尺寸，不利于電機的小型化；旋轉(zhuǎn)時傳感器難免有磨損，且不易維護(hù)。 直流無刷電機驅(qū)動技術(shù)的研究 14 （ a ）( b )00uuω tω t 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現(xiàn)，也可由微控制器，即硬件與軟件結(jié)合的方法來實現(xiàn)。 如圖 32(a)所示，將正弦波看成是由 N 個彼此相連的脈沖所組成的波形。但 PWM 波形的諧波分量大，過高的諧波會使電機產(chǎn)生附加損耗和噪音，不利于電機的平穩(wěn)運行。另外，系統(tǒng)還有一個環(huán)路就是位置檢測環(huán)，獲得轉(zhuǎn)子的位置信號，確保電機能正確進(jìn)行換相。具體實現(xiàn)是通過調(diào)節(jié)電動機的電流占空比 (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。 如果是多級電機，則可得下式： ? ????xxnCBACBAnCCBBAAnIEPiiieeePieieiePT ?????????????????? 1)(e （ 31） 式中， nP 為電機極對數(shù)， xE 、 xI 分別為反電動 1m 勢和相電流的向量形式。當(dāng)電動機的調(diào)速性能要求較高時，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)簡單，價格較便宜，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，成本較高，不 易在市場上推廣。為 UUttt UtU aTS 1112110 ???? （ 21） 式中占空比 a表示在一個周期 T里，開關(guān)管 導(dǎo)通的時間與周期的比值， 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。無刷直流電動機工作原理如圖 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 無刷直流電動機工作原理示意圖 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如圖 23(b)中 Fa。此時定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用，拖動轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。 圖 22 中 UI 為逆變器， PMM 為永磁電動機本體， PS 為與電動機本體同軸連接的轉(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，由電機學(xué)原理可知，電樞的感應(yīng)電動勢亦為梯形波，大小與轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)速成正比。 電機各相繞組導(dǎo)通的順序和時間主要取決于來自位置檢測器的信號，但位置檢測器所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來驅(qū) 動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)動控制電路兩大部分組成，它與位置檢測器相配合，去控制電動機定子各相繞組通電的順序和時間，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)，由跟隨電動機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光部分和固定不動的光源等部件組成。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機的機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： 直流電源功 率 變 換 單 位電 動 機 本 體驅(qū) 動 控 制 電 路 轉(zhuǎn) 子 位 置 檢 測 器電 子 換 相 電 路輸 出 圖 21 無刷直流電動機的構(gòu)成 在無刷直流電動機中，借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置檢測器的輸出信號，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，拖動永磁轉(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機的一種，因為無刷直流電動機轉(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、電流檢測及故障保護(hù)等電路，并以 IR2130 作為驅(qū)動芯片設(shè)計了無刷直流電動機的驅(qū)動電路。 ，給出了無刷直流電動機的數(shù)學(xué)模型，并分析了無刷直流電動機運行特性。同時，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，加上永磁電機研究和開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，無刷直流電動機的應(yīng)用和開發(fā)進(jìn)入一個新階段，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現(xiàn)換向的無刷直流電動機終于在 1962 年問世。但由于當(dāng)時大功率電子器件僅處于初級發(fā)展階段，沒能找到理想的電子換向元器件。 總之，無刷直流電動機經(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機驅(qū)動領(lǐng)域，并可以起到其他類型電動機不能達(dá)到的功能。無刷直流電動機的繞組像交流電機的繞組一樣，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，車用小功率電機的需求增長帶動了以永磁無刷直流電機為主體的車用小功率電機的興起，我國正在成為世界電動汽車制造業(yè)的主要供應(yīng)商。 美國福特公司率先把無刷直流電機應(yīng)用于汽車 20世紀(jì) 80年代以來，隨著微機控 直流無刷電機驅(qū)動技術(shù)的研究 2 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)代無刷直流電機控制研究的熱點之一?，F(xiàn)今，無刷直流電機集電機、變速機構(gòu)、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動調(diào)速系統(tǒng)。科學(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機帶來生機。 本論文所述無刷直流電動機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，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，還簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。然后對無刷直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)