【正文】 同時(shí)我還要感謝在我寫作過程中給予我?guī)椭耐瑢W(xué)和前輩，他們的文章資料給予了我很多靈感和啟示。 (2)在控制策略方面，針對(duì)非線性和不確定性的問題， PID閉環(huán)控制方案還存在不能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的控制，由于一定的延時(shí)，如何在實(shí)時(shí)控制中取得滿意的效果，還有許多工作要做?，F(xiàn)將本文的主要內(nèi)容總結(jié)如下： (1)詳細(xì)介紹了無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性，建立了無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的控制方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，為系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速通過位置傳感器獲得信號(hào)并傳輸給 DSP 主控制芯片，主控制芯片計(jì)算得到當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速。對(duì)每個(gè)從外設(shè)來自中斷控制器的中斷都有一個(gè)特定的 SISR，在 SISR 中執(zhí)行對(duì)該外設(shè)事件的響應(yīng)。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)需要人為設(shè)定或調(diào)整時(shí)，可以通過人機(jī)界面進(jìn)行人為設(shè)定。中斷服務(wù)程序中，首先讀取電流、電壓值，判斷是否有過壓、過流發(fā)生，若有則中斷服務(wù)，若沒有則進(jìn)行轉(zhuǎn)速 PID調(diào)節(jié)和電流的控制。 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 31 5 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件整體設(shè)計(jì) 本課題的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件主 體包括四大部分 :系統(tǒng)初始化程序、DSP主控制程序、 MCU控制程序、中斷服務(wù)程序。這樣電流信號(hào)就轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)了，他們之間存在一個(gè)比率關(guān)系。 采用上位機(jī)和串口通信，可以實(shí)時(shí)發(fā)送給 DSP電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，電機(jī)的升速，降速和穩(wěn)速。 圖 45（ a） PWM驅(qū)動(dòng)電路 TMS320F2812的 PWM引腳的驅(qū)動(dòng)能力小，不能滿足圖 45（ a）中 TA對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求，因此，需要設(shè)置 PWM接口電路。 TMS320F2812下電時(shí)序?yàn)橄韧鈬O(shè)備后內(nèi)核，下電時(shí)序圖如圖 44（ b）所示。 供電電源電路 TMS320F2812需要兩路供電電源：內(nèi)核 。 電機(jī)本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離 放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。 圖 41 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 電機(jī)控制平臺(tái)主電路設(shè)計(jì) 無刷直 流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 42所示，主要包括 DSP控制器部分和控制板電路。 電機(jī)的電驅(qū)繞組端電壓的平均值 0U 為： SSS aUUTtttUtU ??? ?? 12110 0 式中 a 為占空比， Tta /1? 。 PWM 技術(shù) 西安交通大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 PWM的理論基礎(chǔ)：沖量相等而面積不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出環(huán)節(jié)的響應(yīng)波形基本相同。 無刷直流電機(jī)數(shù)字模型機(jī) PID 控制器的設(shè)計(jì) 19 微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)pK ， pK 越大，控制越強(qiáng)，但過大的 pK 會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比例調(diào)節(jié)對(duì)干擾有及時(shí)而有力的抑制作用；積分調(diào)節(jié)的 作用是消除靜態(tài)誤差；微分調(diào)節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少超調(diào)，克服振蕩。由圖 31（ b）可以看出減小磁狀態(tài)角，可以減小電勢的脈動(dòng)，因 而也就減小了轉(zhuǎn)矩波動(dòng) .對(duì)于 m 相電機(jī)磁狀態(tài)角 ma =2π /m，增加相數(shù)可以減小 ma ，但電機(jī)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子線路就要復(fù)雜。e 為電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢 ?；魻栁恢脗鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，成本低，因此是目前在無刷直流電機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。光敏三極管或光敏二極管的輸出較弱，需要整形放大，圖 232(c)是它的放大整形集成電路。它由發(fā)光二極管、光敏接收元件、遮光板組成，如圖 232(a)所示。其中互相間隔的 3個(gè)磁極為同一繞組，接高頻電源，作為勵(lì)磁極；另外 3個(gè)極各有自己的獨(dú)立繞組，作為感應(yīng)極，是傳感器的輸出端。如此循環(huán)下去，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)起來了。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(hào)，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。 圖 13 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖 ① 各單元的主要作用： DSP 控制系統(tǒng)：它包含 DSP 控制單元和檢測單元。 1987 年 ，在北京舉辦的聯(lián)邦德國加工設(shè)備發(fā)展會(huì)，江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 SIEMENS 和 BOSCH 兩公司展出了永磁式同步伺服系統(tǒng)和技術(shù)引進(jìn)的熱潮。直流電機(jī)有調(diào)速性能好、運(yùn)行效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著新的控制芯片的出現(xiàn)，給技術(shù)升級(jí)提供了新的可能。用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，選取 DSP 芯片作為控制器。近代，由于生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電機(jī)在起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、和動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面都提出了更高的要求，所以用計(jì)算機(jī)控制電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)成為設(shè)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要內(nèi)容。 摘要 I 摘 要 無刷直流電動(dòng)機(jī) (BLDC)是隨著電機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機(jī)。 直流調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。直流調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容十分豐富，有開環(huán)控制系統(tǒng)，有閉環(huán) 控制系統(tǒng) 。 電機(jī)控制是 DSP 應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一，隨著社會(huì)的發(fā)展以及對(duì) 電機(jī)控制要求的日益提高， DSP 將在電機(jī)控制領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。但是由于直流電機(jī)存在電刷、滑環(huán)等機(jī)械接觸部件，存在機(jī)械磨損，需維護(hù)和保養(yǎng)，而且會(huì)產(chǎn)生噪聲、無線電干擾和火花，因而不能在有粉塵、易燃易爆物質(zhì)的環(huán)境中工作。經(jīng)過多年的努力，國內(nèi)已有無刷直流電機(jī)的系列產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。檢測單元采集電機(jī)運(yùn)行的相關(guān)信息，包括主回路電流信號(hào)、主驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)相，并送給 DSP 主控制器。由于 電子開關(guān)線路導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步西安交通大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 的，因而起到了機(jī)械換向器的換向與調(diào)速的作用。 無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器 無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器主要有三種： 電磁式位置傳感器： 無刷直流電機(jī)的基本原理 7 電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)位置測量的。 圖 231 電磁式位置傳感器 當(dāng)轉(zhuǎn)子處在如圖所示的位置時(shí)，勵(lì)磁極所產(chǎn)生的高頻磁通通過 轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)磁材料耦合到感應(yīng)極上的繞組 AW 上，在繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓 UA。其中，發(fā)光二極管和光敏接收元件分別安裝在遮光板的兩側(cè)，固定不動(dòng)；遮光板安裝在轉(zhuǎn)子上，隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)過放大整形輸出的是脈沖信號(hào)，易于與數(shù)字電路接口。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 無刷直流電機(jī)數(shù)字模型及 PID 控制器的設(shè)計(jì) 13 3 無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型及 PID 控制器的設(shè)計(jì) 無 刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性 圖 31(a) 電驅(qū)繞組感應(yīng)電勢波形圖 以三相非橋式星形接法兩極電機(jī)為例，分析無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性。ai 為電樞電流 。 無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速 將式 (32)，式 (33)代入式 (35)，可得轉(zhuǎn)速為：m i n)/( rpW RIUU A aaTa ????? （式 310） 令 Ia=0,可得理想空載轉(zhuǎn)速： m in)/(0 rpW UU A Ta ???? （式 311） 電勢系數(shù) CK 和轉(zhuǎn)矩系數(shù) TK 電勢系數(shù) CK 是電動(dòng)機(jī)單位轉(zhuǎn)速在電樞繞組中所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的平均值。 無刷直流電機(jī)等效電路圖如圖 36（ a）所示，電源 Eb給直流電機(jī)供電，產(chǎn)生電流 Ia，電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中等效于電阻 Ra和反向電動(dòng)勢串聯(lián)起來。 積分環(huán)節(jié)的作用是把偏差的積累作為輸出。它是根據(jù)偏差的變化趨勢進(jìn)行控制。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 0≤ a ≤ 1 由此可知，當(dāng)電源電壓 Us不變的情況下，電驅(qū)的端電壓的平均值 Uo取決于占空比 a 的大小，改變 a 值就可以改變電驅(qū)端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是 PWM的調(diào)速原理。本系統(tǒng)采用的 DSP控制器為 TMS320F2812；控制板電路包括主回路電路，檢測電路 (電流，轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)速 )，保護(hù)電路 (過流，欠壓 )，驅(qū)動(dòng)電路，顯示電路 (LCD)以及電源設(shè)計(jì)等。 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 25 圖 43 三相無刷直流電動(dòng)機(jī)主電路圖 如圖 43所示，使 V VB 導(dǎo)通，即有兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng) V1流入一相繞組，再從另一相繞組流出，經(jīng) VB回到電源的負(fù)極，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。其供電芯片采用 TI公司的電源管理芯片 TPS767D318PWP。當(dāng)通道 2電壓低于 XRS變 為低，在通道 1電壓低于 8us保證 XRS引腳已變?yōu)榈碗娖健?PWM接口電路如圖 45(b)所示，主要采用雙軌供電的 SN74LVCC4245芯片，該芯片的 B口采用 ，和 DSP的 PWM引腳直接連接； A口采用 5V供電，可以為前級(jí)驅(qū)動(dòng)三級(jí)管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。電路圖如圖 46所示，該電路采用符合 RS232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)芯片 MAX232進(jìn)行串行通信。電流檢測信號(hào)一是用來反饋給 DSP用做電流 PI調(diào)節(jié)；二是用來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖 51(a)所示。系統(tǒng)軟件的整體流程圖如圖 51（ b）所示。調(diào)整信息設(shè)定完成后， DSP 控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)值在線實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。程序一旦進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，所有的可屏蔽中斷都被屏蔽。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序流程圖如圖 553 所示， 將接受到的實(shí)際轉(zhuǎn)速與輸入量相比較，得到偏差值，然后通過 PID 的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制電機(jī)，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到輸入值，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 (2)通過對(duì)實(shí)際電機(jī)的仔細(xì)分析，利用 DSP主控制芯片，結(jié)合功率轉(zhuǎn)換模塊，完成了無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。 (3)無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也是一個(gè)主要的問題。同時(shí)還得感謝我的摯友正是他們的幫助和支持才能使我克服一系列的困難和疑惑，直到本文的順利完成。在今后的工作學(xué)習(xí)中一定銘記老師的教導(dǎo)，認(rèn)真學(xué)習(xí)，踏實(shí)做人，樂觀積極的生活。系統(tǒng)的集成度也需要進(jìn)一步提高。 本課題針對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，既有電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，又有對(duì)控制算法的探討。 轉(zhuǎn)速采樣計(jì)算子程序 轉(zhuǎn)速采樣子程序是通 過位置傳感器檢測到的信號(hào)，得到當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 通用中斷服務(wù)子程序 GISR 和特定中斷服務(wù)子程序 SISR，在 GISR 中保存必要的上下文，從外設(shè)中斷向量寄存器 PIVR 中讀取外設(shè)中斷向量，這個(gè)向量用