【正文】 20 世紀(jì) 30 年代，就有人開始研制以電子換向代替電刷機(jī)械換向的無刷直流電動機(jī)，并取得了一定成果。但由于該電動機(jī)尚無起動轉(zhuǎn)矩而不能產(chǎn)品化。這些開關(guān)器件本身向著高頻化、大容量、智能化方向發(fā)展，并出現(xiàn)集半導(dǎo)體開關(guān)、信號處理、自我保護(hù)等功能為一體的智能功率模塊(IPM)和大功率集成電路，使無刷直流電動機(jī)的關(guān)鍵部件之一——逆變器的成本降低，且向高頻化、小型化發(fā)展。本文主要內(nèi)容如下：、特點及應(yīng)用和研究現(xiàn)狀作了簡單的介紹。 TI 公司的 TMS320LF2407 控制芯片，設(shè)計了無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路部分。它的電樞繞組是經(jīng)由電子“換向器”接到直流電源上，可把他歸為直流電動機(jī)的一種。無刷直流電動機(jī)的基本構(gòu)成包括電動機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測器和電子換相電路三部分。其定子繞組采用交流繞組形式，一般制成多相（三相、四相、五相不等）。 轉(zhuǎn)子位置檢測器轉(zhuǎn)子位置檢測器也就是位置傳感器，在 BLDCM 中，位置傳感器與電動機(jī)同軸安裝，起著測定轉(zhuǎn)子位置的作用，為逆變器提供正確的換相信息。電磁式位置傳感器具有輸出信號大、工作可靠、壽命長、對環(huán)境要求不高等優(yōu)點，但這種傳感器體積較大，信噪比較低，同時，其輸出波形為交流，一般需經(jīng)整流、濾波方可使用。磁敏式位置傳感器是利用某些半導(dǎo)體敏感元件的電參數(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場變化而變化的原理制成。除了上述三大類位置傳感器外，還有正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器等多種位置傳感器，它們一般較復(fù)雜，而且這些元件成本較高、體積較大、所配線路復(fù)雜，因而在一般無刷直流電動機(jī)中很少采用。逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機(jī)供電，與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨立調(diào)節(jié)的，而受控于轉(zhuǎn)子位置信號，是一個“自控式逆變器”，BLDCM 由于采用自控式逆變器，電機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會產(chǎn)生振蕩和失步，這也是 BLDCM 的重要優(yōu)點之一。無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理和有刷直流電動機(jī)基本相同，即在一個具有恒定磁通密度分布的磁極下，保證電樞繞組中通過的電流總量恒定，以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，而且轉(zhuǎn)矩只與電樞電流的大小有關(guān)。梯形波。所以最好采用三相全控式電路，電路如圖 所示，在該電路中，電動機(jī)的繞組為 Y 聯(lián)結(jié)。無刷直流電動機(jī)三相全控電路如圖22所示：圖22 無刷直流電動機(jī)三相全控電路當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁磁極位于圖 (a)所示位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出磁極位置信號，經(jīng)過驅(qū)動電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使功率開關(guān)管 VT1，VT6導(dǎo)通，即繞組 A，B 通電，A進(jìn) B 出，電樞繞組在空間的合成磁勢為 Fa，如圖 (a)所示。電角，到達(dá)圖 23(b)中位置時，位置傳感器輸出信號，經(jīng)邏輯變換后使開關(guān)管 VT6截止、VT2導(dǎo)通，此時 VT1仍導(dǎo)通。電角時，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為：VT3VT2→VT3VT4→VT5VT4→VT5VT6→VT1VT6…則轉(zhuǎn)子磁場始終受到定子合成磁場的作用并沿順時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動?？梢姸ㄗ雍铣纱艌鲈诳臻g不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，每個步進(jìn)角是 60176。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動機(jī)的電樞端電壓，實現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機(jī)電樞繞組兩端有電壓秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖剑_關(guān)管截止，電動機(jī)電樞兩端電壓為0, tz秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程如下圖24所示： U1 0 TU0 Us t1 t2 0圖24 輸入輸出電壓波形電動機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值。第3章 無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計無刷直流電機(jī)控制器在控制方式上主要有以專用集成芯片、單片機(jī)和DSP芯片控制三種方式。在實際中許多需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定提出較嚴(yán)格的要求。一般而言，在這種情況下，調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)無法保證兩種調(diào)節(jié)過程同時具有良好的動態(tài)品質(zhì)。因此，如何改變無刷直流電動機(jī)相電流了成了調(diào)速的關(guān)鍵一環(huán)。外環(huán)即速度控制環(huán)，將給定的速度信號與經(jīng)過轉(zhuǎn)子位置檢測器后計算的速度信號之差作為速度環(huán)的輸入，其作用是增加系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的能力，抑制速度波動，并具有良好的動、靜態(tài)特性。 SPWM 控制技術(shù)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)已在中小功率電動機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。這一結(jié)論是 SPWM 控制的重要理論基礎(chǔ)。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而與正弦波等效的波形，即為 SPWM 波形。它大大的解決了因換向器與電刷互相摩擦所帶來的電火花、噪聲、無線電干擾以及壽命短等問題。在小型和輕載起動條件下，無位置傳感器無刷直流電動機(jī)成為理想的選擇。以下將介紹幾種無位置傳感器的檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的方法。而懸空相反電動勢的過零點，再延時 30176。電角換相一次 ，功率管的導(dǎo)通順序為：V1V6→V3V2→V3V4→V5V4→V5V6…。因此，可以通過檢測非導(dǎo)通相的續(xù)流二極管是否導(dǎo)通間接的檢測反電動勢的過零點。 反電動勢積分法反電動勢積分法是反電動勢過零檢測法的一種改進(jìn)方法。與反電動勢過零點檢測方法一樣，反電動勢積分法在低速時不能正常工作，并且電機(jī)不能自起動。梯形反電動勢和它的基波諧波三次分量如圖35所示：圖35 梯形反電動勢和它的基波諧波三次分量由無刷直流電動機(jī)的相電壓波形可以看出：定子繞組采用Y型接法的無刷直流電動機(jī)，其定子三相相電壓之和就等于定子繞組中反電動勢之和，而且可以分解為 3 次諧波和 3 的奇數(shù)倍次諧波之和。而在很多情況下，是沒有辦法引出電機(jī)的中性點的。PID 控制器最先出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬 PID 控制器是通過硬件（電子元件、氣動和液壓元件）來實現(xiàn)它的功能。 模擬PID控制原理常規(guī)的模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 所示。模擬 PID 控制原理圖如圖36所示：圖36 模擬PID控制原理圖在模擬 PID 控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間做出快速反應(yīng)。在控制過程中，只要有偏差存在，積分環(huán)節(jié)的輸出就會不斷擴(kuò)大，直到偏差 ，輸出的 才可能維持在某一個常量，使系統(tǒng)在給定值不變的條件下趨于穩(wěn)態(tài)。微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化。 PID算法的數(shù)字實現(xiàn)計算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進(jìn)行連續(xù)控制。如果采樣周期取得足夠小，則式()的近似計算可獲得足夠的精確的結(jié)果，被控過程與連續(xù)控制十分接近。增量式 PID 控制算法可通過式()進(jìn)行推導(dǎo)而得出。第4章 無刷直流電動機(jī)的 DSP 控制系統(tǒng) DSP的結(jié)構(gòu)和特點DSP 也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合數(shù)字信號處理和運(yùn)算、具有高速運(yùn)算能力的單片微處理器，其主要應(yīng)用是實時快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號的處理，某些系列 DSP 專用于高性能的實時控制系統(tǒng)中。有的片內(nèi)集成了 A/D 和采樣/保持電路，可提供 PWM 輸出。目前應(yīng)用于工業(yè)控制的 DSP 器件，國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的是 TI 公司的 TMS320C2000系列?；?DSP 控制器構(gòu)成的運(yùn)動控制系統(tǒng)可滿足任意場合的需要，是運(yùn)動控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制技術(shù)的發(fā)展方向。(1) 事件管理器事件管理器可輸出 PWM 脈沖，直接控制電機(jī)功率驅(qū)動器，是專門為電機(jī)控制而設(shè)計的，它還包括定時器、捕獲/比較、死區(qū)控制邏輯、空間矢量 PWM 發(fā)生器和直接與光電編碼器接口的編碼單元等功能模塊。三個全比較單元、8個16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道。三個捕獲單元。一個片內(nèi)正交編碼脈沖(QEP)接口電路，可連接光電編碼器以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率等信息。A/D 轉(zhuǎn)換器：1 個多達(dá) 16 個模擬輸入通道，內(nèi)置采樣/保持 (S/H)的 10 位片上 A/D 轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時間為 500ns。SPI 是一個高速同步串行 I/O 口，通常 SPI 用于 DSP 處理器和外部外設(shè)以及其他處理器之間的通信。這些優(yōu)化的外圍設(shè)備單元與高性能的 DSP 內(nèi)核結(jié)合在一起，使得在所有類型電機(jī)的高精度、高效、全變速控制中使用先進(jìn)的控制技術(shù)成為可能。同時一旦產(chǎn)生故障，可通過故障保護(hù)電路，封鎖 PWM 的輸出直至故障排除。PWM 信號是由 DSP 事件管理器的全比較單元產(chǎn)生，六路 PWM 信號經(jīng)驅(qū)動后控制逆變橋的導(dǎo)通與關(guān)斷。事件管理器 EVA 的 PWM (PWM1PWM6)信號產(chǎn)生的初始化步驟如下：，中斷屏蔽寄存器； ACTRA 寄存器，強(qiáng)制 PWM1～PWM6 輸出高電平(低電平使上下橋臂導(dǎo)通)； DBTCONA，死區(qū)使能，并設(shè)置死區(qū)定時器的預(yù)分頻器和死區(qū)定時器的周期值； COMCONA，使能比較操作、比較寄存器重載的條件為：立即、禁止空間矢量 PWM 模式；方式控制字重載的條件為：立即、使能 PWM；e. 設(shè)置定時器 1 的控制寄存器 T1CON 為：連續(xù)增減計數(shù)模式、時鐘源為內(nèi)部時鐘、預(yù)分頻系數(shù)、使能定時器 1 (GPTimer1)；由于在初始化時強(qiáng)制 PWM1～PWM6 輸出高電平，所以初始化時不必初始化周期寄存器和比較寄存器的值，電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時再對上述兩個寄存器賦以初始值，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中通過改變定時器 1 的周期寄存器 T1PR 即可改變 PWM 波形的載波周期，改變定時器 1 的比較寄存器 CMPRCMPRCMPR3 即可改變 PWM 波形的占空比。如果比較單元的死區(qū)被使能，則周期結(jié)束時與這個比較單元相關(guān)的 PWM 輸出不會復(fù)位到一個無效狀態(tài)。這種延時使得一個功率器件在開啟前，另一個功率器件已完全關(guān)斷。為了能計算速度，在速度環(huán)采樣時刻到時，DSP 先獲取在采樣周期時間間隔內(nèi)光電編碼器反饋的脈沖的 4 倍頻計數(shù)值，由此可計算出電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需的時間，那么計算速度就用簡單的除法，利用 DSP 高速運(yùn)算能力很容易實現(xiàn)。速度反饋信號與給定指令相減得到速度誤差，經(jīng)過速度環(huán)調(diào)節(jié)器即可得到新的電流參考值。因此在本設(shè)計方案中，根據(jù)電機(jī)的小功率、低直流電壓的具體情況，采用一個旁路采樣電阻來檢測電機(jī)相電流的大小，電阻位于三相全控功率變換電路的下端功率橋臂和地之間，如下圖47所示：圖47 相電流檢測電路 異步串行通訊接口電路由于串行通信方式需要信號線較少（最少只需三根信號線），在工業(yè)現(xiàn)場中獲得了廣泛的應(yīng)用。為方便不同設(shè)備之間的對接，美國 EIA（電子工業(yè)聯(lián)合會）為串行通信接口制定了各種標(biāo)準(zhǔn)，常用的有 RS232C，RS422/3，RS485 等。 電動機(jī)的驅(qū)動電路電動機(jī)控制的驅(qū)動器采用 IR2130/IR2132(J)(S)，該電機(jī)驅(qū)動器是美國國際整流公司生產(chǎn)的一種高電壓、高速度的 MOSFET、IGBT 功率器件專用柵極驅(qū)動集成電路，工作電壓為 10V~20V，分別有三個獨立的高端和低端輸出通道。IR2130 芯片可同時控制六個大功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷順序，通過輸出 HOHOHO3分別控制三相全橋驅(qū)動電路的上半橋 Q5 的導(dǎo)通關(guān)斷，而 IR2130 的輸出 LOLOLO3 分別控制三相全橋驅(qū)動電路的下半橋 Q6 的導(dǎo)通關(guān)斷，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的目的[28][29][32]。對于有位置傳感器的無刷直流電動機(jī)來說，順利起動是不存在什么問題的。Tt為調(diào)節(jié)器的積分時間。E(k)第k次采樣時的偏差值。根據(jù)遞推原理，可寫出(k1)次的PID輸出表達(dá)式: (45)用式44減去式45，可得: （46）式中，為積分系數(shù)； 為微分系數(shù)。當(dāng)要求的靜差率相同時，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。(2)對負(fù)載變化起抗擾作用。此外,可以將本設(shè)計的速度閉環(huán)調(diào)制進(jìn)一步改進(jìn)為電流、速度雙閉環(huán)調(diào)制。而且雙閉環(huán)系統(tǒng)以速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定值，對速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅就限定了電樞中的電流，起到了保護(hù)逆變橋的作用。由于采用輔助傳感器，因此這種方法不是嚴(yán)格的無位置傳感器法。該方法是以變頻方式同步拖動電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。因此，可以先把逆變器的某兩相導(dǎo)通，并控制電機(jī)電流，經(jīng)過一定時間后轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)到一個預(yù)知的位置。然后利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器計算直流無刷電動機(jī)母線電流參考指令值I′，同時采樣直流母線電流值I ，計算電流誤差信號，利用電流調(diào)節(jié)器確定功率開關(guān)器件導(dǎo)通的占空比。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行 DSP 部分寄存器和存儲單元的初始化，對于 DSP 的初始化主要是完成系統(tǒng)時鐘、看門狗、I/O 端口、系統(tǒng)中斷及事件管理器的各個控制寄存器及其中斷的設(shè)置，以及軟件中各變量的初始化和輔助寄存器的設(shè)置等功能。而 ADC 中斷主要負(fù)責(zé)對采集信號的 AD 轉(zhuǎn)換，為 DSP 根據(jù)反電動勢算法進(jìn)行換向提供所需數(shù)據(jù)。程序框圖見圖52所示： 換相子程序本系統(tǒng)采用無傳感器控制，取消了傳統(tǒng)的位置傳感器，因此電機(jī)轉(zhuǎn)子位置只能通過對反電勢過零檢測電路的信息加以處理得到。換相子程序框圖如圖53所示：圖53 換相子程序 ADC中斷子程序在電機(jī)運(yùn)行過程中，由 A/D 中斷服務(wù)模塊對轉(zhuǎn)速與電流進(jìn)行閉環(huán)控制。當(dāng) T1 計數(shù)器發(fā)生周期匹配時，A/D 轉(zhuǎn)換中斷啟動，相應(yīng)的中斷標(biāo)志 ADCINT 被置位，該中斷的偏移向量地址被寫入到對應(yīng)的事件中斷向量寄存器。電流環(huán)調(diào)整完后，調(diào)用換相 PWM 輸出子程序，輸出新的 PWM 波，從而實現(xiàn)對無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。電流調(diào)節(jié)的實質(zhì)是調(diào)節(jié) PWM 波的占空比，電流調(diào)節(jié)器的輸出最終轉(zhuǎn)換成 PWM 的占空比，因此在軟件設(shè)計中，只要根據(jù)電流調(diào)節(jié)器輸出，向PWM 的比較寄存器 CMPR 中所輸入相應(yīng)的占空比值即可完成電流