【正文】 我們國家稀土資源十分豐富，近年來，永磁電機(jī)的研究十分活躍。當(dāng)前，電子產(chǎn)品正經(jīng)歷著從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)化，在這場數(shù)字化的革命當(dāng)中，DSP(Digital Signal Processor)器件適時(shí)而動(dòng)，取得了飛速的發(fā)展。(3)根據(jù)無刷直流電機(jī)的控制策略，介紹無刷直流電動(dòng)機(jī)在橫轉(zhuǎn)矩區(qū)的 id=0和 MTPA 控制策略，并在 Matlab/simulink 環(huán)境下，構(gòu)建了電機(jī)控制模型，對(duì)兩種控制策略的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析和對(duì)比。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)電路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?。無刷直流電動(dòng)機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無電刷換向，首先把電樞繞組放在定子上，永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場相互作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 兩兩導(dǎo)通Y連接三相六狀態(tài)時(shí)繞組合開關(guān)管導(dǎo)通順序表電角度 00A B C導(dǎo)通順序 B C A BVT2VT3VT4VT5 無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 機(jī)械特性無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為： （11）UT開關(guān)器件的管壓降Ia電樞電流VT1VT6600 1200 1800 2400 3000 3600無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究Ce電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)每級(jí)磁通量可見無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。 無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) [無刷直流電動(dòng)機(jī)中存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題使它很難實(shí)現(xiàn)更精確的位置控制和更高性能的轉(zhuǎn)速控制，尤其是在直接驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的場合，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題更為突出。平均轉(zhuǎn)矩隨換相角而變化，換相角度越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值越大。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖 （c）所示的位置時(shí)，H 3 為高電平，H H 2 為低電平，使功率開關(guān) VT3 導(dǎo)通，B 相繞組斷電，C 相繞組通電，轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，而后重新回到圖 （a）所示的位置。圖中，上橋臂三個(gè)開關(guān)管VT VT VT5 是 P 溝道功率 MOSFET，柵極電位低電平時(shí)導(dǎo)通；下橋臂三開關(guān)管 VT VTVT2 是 N 溝道功率 MOSFET，柵極電位高電平時(shí)導(dǎo)通?？梢?，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動(dòng)勢(shì)的大小。電角度時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為 0。導(dǎo)通時(shí)間增加了。的電角度的不導(dǎo)通時(shí)間，不可能發(fā)生直通短路故障。圖 電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其角形連接二二導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律當(dāng) VTVT2 導(dǎo)通時(shí)，電流的路線為：電源 VT1 A 相繞組、B 相繞組和 C 相繞組 VT2 地。A、B 兩相繞組并聯(lián)，流經(jīng) A、B 兩相的電流大小相同。由這個(gè)結(jié)論可以得到以下的 BLDCM 的控制方案：無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究圖 313 無刷直流電機(jī)的 DSP 控制系統(tǒng)在本系統(tǒng)中，三個(gè)霍爾傳感器的信號(hào)分別連接到 DSP56F803 的PHASEA0、PHASEB0 和 INDEX0 端口。（1） 轉(zhuǎn)速 PI 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是整個(gè)系統(tǒng)的外環(huán)，它使轉(zhuǎn)速隨給定轉(zhuǎn)速變化,靜態(tài)無誤差，并且其輸出限幅為允許的最大限幅，對(duì)負(fù)載的變化起抗干擾能力。PWM 波的脈沖寬度由參考電流與檢測電流之間的誤差決定，調(diào)整過程如下： （式 33） （式 34）其中 為電流反饋測量值。PWM 波頻率越高，斬波得到的平均電壓越均勻，電流的脈動(dòng)越小，但頻率的提高卻使電路損耗增大，對(duì)功率管的要求也越高，所以 PWM 頻率應(yīng)根據(jù)實(shí)際選擇合適的范圍。 P IP M S M*0?did q 電壓源型逆變器a b c電流調(diào)節(jié)器 （ 滯環(huán)電流 ）*i*,abci,abci三相電流測量??e?e?*edt速度調(diào)節(jié)器坐標(biāo)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)子位置角參考轉(zhuǎn)速實(shí)際轉(zhuǎn)速圖 31 PMSM 矢量控制系統(tǒng)原理無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究應(yīng)用 MATLAB/Simulink 與電氣傳動(dòng)仿真的電氣系統(tǒng)模塊庫 Powerlib 建立了基于滯環(huán)電流跟蹤控制的 PMSM 仿真結(jié)構(gòu)圖，如圖 32 所示。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti 的大小， Ti 越小，積分作用越強(qiáng)。（a）三相電流波形(A) (b) id，i q 電流波形(A) (c) 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形 (rad/s) (d) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形() 圖 34 電機(jī)空載 Tf=2Nm 變到 4Nm 突然由原來的 200 rad/s 變到 400 rad/s由圖 37 可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速由 200 rad/s 突變?yōu)?400 rad/s 時(shí)，電流和轉(zhuǎn)矩都產(chǎn)生一定的波動(dòng)，但很快就趨于穩(wěn)定。i d 的理論控制數(shù)值與實(shí)際測量值之差，通過第二個(gè) PI 調(diào)節(jié)器輸出電壓控制信號(hào) ud，同理第三個(gè) PI 調(diào)節(jié)器輸出電壓控制信號(hào) uq，之后經(jīng)過 Park 逆變換和 Clark 逆變換產(chǎn)生控制信號(hào) Va、V b、V c，經(jīng)SPWM 模塊，完成電機(jī)控制。 2)電流調(diào)節(jié)器模塊(Current regulator)是一個(gè)具有可調(diào)磁滯帶寬的電流調(diào)節(jié)器。ld=。 %根據(jù)等式(228)，計(jì)算id subplot(2,1,1)。plot(id_max,iq_max,39。xlabel(39。 %標(biāo)么化處理，id_max*=id_maxTem1=(id1.*(id11).^3).^。 %以Tem為橫軸，分別畫出Tem_iq，Tem_id曲線hold on。)。iqmaxTemax39。 運(yùn)行結(jié)果根據(jù)電機(jī)參數(shù)，繪制了 idiq 曲線以及電流極值對(duì)應(yīng)的 點(diǎn)，如圖 318 所示。m 的仿真結(jié)果如圖 321 所示。轉(zhuǎn)速在負(fù)載變化的瞬間有一定無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究的波動(dòng)，但是很快就趨于穩(wěn)定，如圖 322 所示。計(jì)算兩種控制方法下，定子電流的數(shù)值，如圖 326。其中，硬件控制系統(tǒng)主要包括三相全橋逆變電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路以及功率器件的保護(hù)電路等。另外，由于各種功能都能通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)，因此，目標(biāo)系統(tǒng)升級(jí)容易，擴(kuò)展性、維護(hù)性都很好。TMS320F240 的事件管理器（應(yīng)用優(yōu)化的外圍設(shè)備單元）與高性能的 DSP 內(nèi)核一起，使在所有類型電機(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。下面我們將分別描述硬件控制系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分。仿真結(jié)果表明，由于 MTPA 方法在初始啟動(dòng)時(shí)刻即按照最大轉(zhuǎn)矩電流關(guān)系對(duì)應(yīng)的大小對(duì)交直軸電流進(jìn)行控制，在系統(tǒng)容量有限的情況下，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，該算法在相同的定子電流條件下，電機(jī)輸出更大的電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而提高系統(tǒng)的效率。 用于仿真的電機(jī)參數(shù)如下：定子每相繞組電阻 RS=；直軸電感 Ld=；交軸電感Lq=；轉(zhuǎn)子磁通 ψr=；極對(duì)數(shù) P=4；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=m 突然變?yōu)?Tf=4N(a) 三相定子電流波形（V）無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究(b)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形（rad/s）(c)機(jī)轉(zhuǎn)矩波形（）(d)直流母線電壓波形(V)(e)id、iq 電流曲線(A)圖 320 電機(jī)空載 電機(jī)負(fù)載 Tf=2Niq/id39。idmaxTemax39。plot(Tem_max,iq_max,39。r39。id1=id./(f./ld)。idmax_iqmax39。 %根據(jù)公式（230），計(jì)算電流達(dá)到極限值時(shí)的id值無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究iq_max=(imax.^2id_max.^2).^。 %參數(shù)賦值iq=0::()。當(dāng)電池兩端的實(shí)際電壓小于或者等于 310V 時(shí)，比較控制器無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究（Proportional controller）輸出值為 0，控制開關(guān)打開，此時(shí)相當(dāng)于該電路斷開，如圖 317。使得輸出信號(hào)更加平滑與理想。運(yùn)行時(shí)，電機(jī)參考轉(zhuǎn)速與實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速之差輸入到第一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩信號(hào) Tem。無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究（a）三相電流波形(A) (b) id，i q 電流波形(A) (c) 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形 (rad/s) (d) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形()圖 負(fù)載在 突然由原來的 2N無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究（a）三相電流波形(A) (b) id，i q 電流波形(A) (c) 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形 (rad/s) (d) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形()圖 35 電機(jī)負(fù)載 Tf=2N電機(jī)空載仿真結(jié)果如圖 34 所示。比例系數(shù)過小，會(huì)降低系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度，系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，調(diào)節(jié)時(shí)間變長，系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能變壞。系統(tǒng)中必須有快速的電流環(huán)以保證定轉(zhuǎn)子電流對(duì)矢量控制指令的準(zhǔn)確跟蹤，這樣才能在電機(jī)模型中將定轉(zhuǎn)子電壓方程略去，或僅用小慣性環(huán)節(jié)替代，達(dá)到矢量控制的目的。在這里PWM 波頻率是固定的，其占空比根據(jù)電流誤差得到，因而在這種情況下電流與電流的變化率都是可控的。（2）電流 PI 調(diào)整電流調(diào)節(jié)器使電流在速度調(diào)節(jié)中跟隨給定轉(zhuǎn)速變化，起動(dòng)時(shí)獲得最大的允許電流，過載時(shí)限制電樞電流最大值，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓起抗干擾能力。 轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)本設(shè)計(jì)中，我們采用了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即對(duì)轉(zhuǎn)速和電流都進(jìn)行 PI 調(diào)節(jié)。本節(jié)給出了無刷直流電動(dòng)機(jī)控制的基本策略，包括無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、正反轉(zhuǎn)控制及 PWM 波控制。2．三三導(dǎo)通方式無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究三相角形連接三三導(dǎo)通方式的各開關(guān)管導(dǎo)通順序?yàn)椋篤T VT VT3 VTVTVT4 VTVT4 、VT5 VTVTVT6VTVTVT1 VTVTVT2，如圖 所示。與星形連接一樣，角形連接的控制方式也有二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種。如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布，則合成電磁轉(zhuǎn)矩是單相電磁轉(zhuǎn)矩的 倍。由此可見，三三導(dǎo)通方式也有六種導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)也是每隔 60176。電角度。 、 、 ——A、B 、 C 三相繞組的電流。無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究三相半橋主電路雖然結(jié)構(gòu)簡單，但電機(jī)本體的利用律很低，每相繞組只通電 1/3 周期 2/3 周期處于關(guān)斷狀態(tài)，繞組沒有得到充分利用，在整個(gè)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也比較大。圖 三相半橋主電路無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 圖 三相半橋主電路中位置傳感器信號(hào)當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)過圖 （a）所示的位置時(shí)，H 1 為高電平，H H 3 為低電平，使功率開關(guān) VT1 導(dǎo)通，A 相繞組通電，該繞組電流同轉(zhuǎn)子磁極作用后所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。反電動(dòng)勢(shì)的波形偏差越大，引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越大，另外，非理想的磁鏈波形對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也有影響。 工作特性 電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖 15 所示?？梢?，電機(jī)有6個(gè)狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩兩導(dǎo)通，每相繞組中流過電流的時(shí)間相當(dāng)于電角度120 0。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60 0電角度，到達(dá)圖中26VT3b位置時(shí)，位置傳感器輸出信號(hào)，經(jīng)過邏輯變換后使開關(guān)管 截至， 導(dǎo)通，62此時(shí) 仍導(dǎo)通。 無刷直流電機(jī)的工作原理眾所周知，一般的永磁式直流電動(dòng)機(jī)的定子由永磁磁鋼組成，其主要作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場，其電樞繞組通電后產(chǎn)生電樞磁場。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒有籠型繞組和其他起 動(dòng)裝置，其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等），轉(zhuǎn)子由永磁鋼按一定極對(duì)數(shù)(2p=2，4, … )組成，三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件連接。無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究本課題是自選研究課題，旨在研制一套基于DSP的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，主要工作如下：(1)研究無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理和控制方式，針對(duì)控制對(duì)象——具有正弦波反電動(dòng)勢(shì)的15kW 無刷電機(jī)選擇合適的控制方案。從而使得電機(jī)的應(yīng)用不再局限于傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域。M...........................................................................36 轉(zhuǎn)速在 突然由原來的 200 RAD/S 變到 400 RAD/S ............................................................37 電機(jī)制動(dòng)時(shí)，能量回收 ............................................................................................................38 MTPA 與 ID=0 仿真結(jié)果對(duì)比、分析 ...........................................................................................39 結(jié)果對(duì)比 ....................................................................................................................................39 結(jié)果分析 ..............