【正文】 計作了詳細(xì)論述。直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 I 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(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，無刷直流電動機(jī)的系統(tǒng)在高性能運(yùn)動控制領(lǐng)域越來越受到重視。簡述了無刷直流電動機(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機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并對給定實(shí)例進(jìn)行仿真。直流電動機(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)代替有刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)換。我國生產(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)計刷電機(jī)的主要原材料 )生產(chǎn)供應(yīng)基地，中國還將會成為全球最大的無刷電機(jī)生產(chǎn)國。在電磁結(jié)構(gòu)上，無刷直流電動機(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 MTT預(yù)測公司的報告，就 1986年美國市場而言，無刷直流電機(jī)的銷售量為 560萬臺， 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 3 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 萬臺，在全部 電機(jī)中占 16%，增長速度最快 [7]。 針對上述傳統(tǒng)有刷直流電動機(jī)的弊病，早在 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(diǎn)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(diǎn)，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 。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 7 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(dú)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(diǎn)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 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 8 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 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 9 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(shí)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 1t,SU 秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(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 T U0 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 0U 。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 11 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(shí)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(diǎn)，再延時 30176。電角換相一次 ，功率管的導(dǎo)通順序?yàn)椋?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(diǎn)。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 17 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(diǎn)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： 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 18 k ωπ2 πω t基 波 分 量反 電 動 勢三 次 諧 波 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(diǎn)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(shí)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： 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 20 比 例積 分微 分被 控 對 象R ( t )e ( t )u ( t )y ( t )++++ 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 ?? 0e ?t ，輸出的 ??tu 才可能維持在某一個常量，使系統(tǒng)在給定值 ??tr 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(shí)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。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 23 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(diǎn) 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(shí)時快速的實(shí)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(shí)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 TMS320C20xx 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(shí)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。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 25 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； 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 28 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 CMPR CMPR CMPR3 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， 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 30 那么計算速度就用簡單的除法