【正文】 直接檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，還可以通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的磁鏈、電流和電壓等物理量，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理間接地求得電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組采用星形接法，其電樞繞組具有梯形的反電動(dòng)勢(shì)波，為保證一相斷路，系統(tǒng)采用兩兩導(dǎo)通、三相六狀態(tài) PWM 調(diào) 制方式，每相繞組正反向分別導(dǎo)通 120176。由于可以在很低的轉(zhuǎn)速時(shí)工作，因此這種方法也使得電機(jī)起動(dòng)要比其它方法簡(jiǎn)單。將三相反電動(dòng)勢(shì)相加，可以消去基波分量以及五次、七次諧波分量，剩下三次諧波以及其它高次諧波分量。 PID 控制器是控制系統(tǒng)中 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 19 技術(shù)比較成熟，而且應(yīng)用最廣泛的一種控制器。 e (t)作為 PID 控制器的輸入， u (t)作為 PID 控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。增大積分參數(shù) IT 會(huì)減慢靜態(tài)誤差的消除過(guò)程，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果 T 為采樣周期，直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 21 則離散采樣時(shí)間 Tk 對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間 t ，用求和的形式代替積分，以增量的形式代替微分，可作如下近似變換： ? ?TeeTTkekTedttdeeTjTeTdttekkTkkkjkjj1t0 0 0)1()()()()(,2,1,0(t?? ??????????? ? ?）? (35) 式 ()中，為了表示方便，將類(lèi)似于 ? ?kTe 簡(jiǎn)化成 ke 等。與位置式算法相比，增量式 PID 算法的計(jì)算工作小得多，因此在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強(qiáng)的多級(jí)流水線，使 DSP 器件具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。 TMS320LF2407 不但具有數(shù)據(jù)處理能力，而且集成了許多部件，如 A/D、比較器、捕獲器、 PWM、串行口及看門(mén)狗等，為將 DSP 應(yīng)用于智能測(cè)控，電機(jī)控制，電力電子技術(shù)等領(lǐng)域提供了資源條件。通過(guò)設(shè)置定時(shí)器 1或 3為不同方式可選擇全比較單元輸出非對(duì)稱(chēng) PWM 波形、對(duì)稱(chēng) PWM 波形或空間矢量 PWM 波形。 QEP 單元中的方向檢測(cè)邏輯首先判斷光電編碼器兩路正交脈沖前沿到達(dá)的先后進(jìn)而決定計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向?qū)崿F(xiàn)鑒相，計(jì)數(shù)器在兩路脈沖的上升沿和下降沿均觸發(fā)計(jì)數(shù)從而達(dá)到對(duì)輸入脈沖信號(hào)的 4倍頻。實(shí)時(shí)中斷定時(shí)器是一個(gè) 8 位計(jì)數(shù)器，用于產(chǎn)生周期性的中斷請(qǐng)求。 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 27 PWM 波形的產(chǎn)生 PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)用來(lái)控制功率器件的導(dǎo)通與截止，從而改變加在電動(dòng)機(jī)繞組上的平均電壓和電流，達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。比較單元和 PWM電路產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的 PWM波形如圖 43所示： 定 時(shí) 周 期運(yùn) 行死 區(qū) 時(shí) 間P W M ( x ) 低 有 效P W M （ x + 1 ） 高 有 效定 時(shí) 器 值+ 比 較 匹 配 值 圖 43 比較單元和 PWM電路產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的 PWM波形 另外，圖 中的死區(qū)時(shí)間用于保證在任何情況下，每個(gè)比較單元相關(guān)的 2 路 PWM輸出控制已對(duì)正向?qū)ê拓?fù)向?qū)ㄔO(shè)備時(shí)沒(méi)有重疊，即一個(gè)器件在沒(méi)有完全 關(guān)斷時(shí)，另一個(gè)器件不能導(dǎo)通。 速度檢測(cè)與調(diào)節(jié) 如果要對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，首先要對(duì)他的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確測(cè)量。因此，要經(jīng)常用一對(duì)無(wú)重疊的 PWM 輸出去正確地開(kāi)起和關(guān)斷這兩個(gè)器件。PWM電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 42所示： 同 步 / 異 步波 形 發(fā) 生 器M U X死 區(qū)單 元輸 出邏 輯S V P W M狀 態(tài) 機(jī)D B T C O N A死 區(qū) 定 時(shí) 器控 制 寄 存 器A C T R A全 比 較 有 效控 制 寄 存 器比 較匹 配G P T 1 標(biāo) 志C O M C O N [ 1 1 1 3 ]A C T R A [ 1 2 1 5 ]C O M C O N A [ 1 2 ]P W M 1? ?P E M 6C O M C O N A [ 9 ]P H xX = 1 , 2 , 3D P T H xD P T H x 圖 42 PWM電路結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)與全比較 PWM 單元相聯(lián)系的通用定時(shí)器發(fā)生比較匹配時(shí)，將匹配標(biāo)志送到 PWM產(chǎn)生單元，根據(jù) COMON 中相應(yīng)位的狀態(tài)決定采用對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng) PWM 調(diào)制，信號(hào)經(jīng)過(guò)死區(qū)單元控制邏輯后形成上下橋臂的 PWM 信號(hào)，根據(jù) ACTR 的相應(yīng)控制位，決定輸出邏輯?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 41所示： 故 障 保 護(hù) 通 訊 接 口 控 制 指 令三 相 電 源整 流 器速 度調(diào) 節(jié) 器電 流調(diào) 節(jié) 器驅(qū) 動(dòng) 電 路P W M 輸 出I G B T三 相 逆 變 電路P D P I N T S C I / S P I I / O 控 制O E P模 塊A / D轉(zhuǎn) 換電 流 檢 測(cè)B L D C M轉(zhuǎn) 子 位置 信 號(hào)捕 捉 及 邏輯 判 斷光 電 解 碼 器 圖 41 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本系統(tǒng)采用 PWM 方式實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)控制，其工作原理為：三相交流輸入經(jīng)過(guò)整流穩(wěn)壓后為逆變電路提供直流電源，轉(zhuǎn)速給定由 DSP 的 ADC 口輸入，經(jīng) DSP片內(nèi)的 A/D 轉(zhuǎn)換單元將模擬 信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)?？捎啥鄠€(gè)觸發(fā)源啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換（由通用定時(shí) /計(jì)數(shù)器下溢中斷、周期中斷或比較中斷標(biāo)志啟動(dòng)）。該部件的工作由內(nèi)部定時(shí)器同步，不用 CPU 干預(yù)。通用定時(shí)器有停止 /保持計(jì)數(shù)、連續(xù)增計(jì)數(shù)、定向增 /減計(jì)數(shù)、連續(xù)增 /減計(jì)數(shù) 4種模式。 DSP 控制器片上集成了大量運(yùn)動(dòng)控制外設(shè)電路、模 數(shù)轉(zhuǎn)換單元、串行通訊接口和 CAN 總線控制器模塊，而且內(nèi)部 DSP 核可提供更高的運(yùn)算速度和精度、處理大量數(shù)據(jù)的能力，能較好的滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，實(shí)現(xiàn)諸如模糊控制、神經(jīng)元控制這類(lèi)復(fù)雜算法。隨著信息化的進(jìn)程和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信號(hào)處理理論與方法等的迅速發(fā)展，需要處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，對(duì)實(shí)時(shí)性和精度的要求越來(lái)越高，單片機(jī)己不再能滿(mǎn)足要求。這種算法的缺點(diǎn)是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過(guò)去狀態(tài)無(wú)關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì) ke 進(jìn)行累加，工作量大；并且，因?yàn)槲C(jī)輸出的 u (k)對(duì)應(yīng)的是 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果微機(jī)出現(xiàn)故障，輸出的 u (k)將大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，這在實(shí)際過(guò)程中是不能允許的。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對(duì)高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度?？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(guò)大的 pK 會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。數(shù) 字 PID 控制器與模擬 PID 控制器相比，具有非常強(qiáng)的靈活性，可以根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)整參數(shù)，因此可以得到更好的控制性能。 3 次諧波在基波的一個(gè)周期內(nèi)有 6 個(gè)過(guò) 零點(diǎn)，而且每個(gè)過(guò)零點(diǎn)都和反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，因此只要檢測(cè)到 3 次諧波的過(guò)零點(diǎn)就可以知道轉(zhuǎn)的位置，從而確定換相時(shí)間 [16]。由于在過(guò)零點(diǎn)附近，反電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值近似為時(shí)間的線性函數(shù)，即 ??tE = t0E ，因此有： ktEdtktEV t 2)( 200in t ?? ? （ 33） 其中， 0E 為反電動(dòng)勢(shì)的幅值， k為積分系數(shù)，當(dāng)積分值 intV 達(dá)到閥值 thV 時(shí)，即為換相時(shí)刻。在忽略無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電樞反應(yīng)影響的前提下，通過(guò)檢測(cè)未導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，獲取轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，以此作為逆變橋功率器件的觸發(fā)信號(hào)，輪流觸發(fā)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正確換相，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。如果可以精確的檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)，就可以得到轉(zhuǎn)子位置，從而控制電子換向開(kāi)關(guān)的動(dòng)作。同時(shí)，傳感器的安裝精度和靈敏度直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能。這些脈沖寬度相等，都為π /N，但幅值不等，且脈沖的頂部為曲線，各脈沖的幅值按正弦波規(guī)律變化。當(dāng)定子繞組的某一相導(dǎo)通的時(shí)候，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁 鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置檢測(cè)器將轉(zhuǎn)子 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 13 位置轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，去控制電子開(kāi)關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定順序?qū)ǎ? 定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。反電動(dòng)勢(shì) xE 又可寫(xiě)為： 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 12 ?NlrbE 2x ? （ 32） 結(jié)合以上兩個(gè)公式可見(jiàn)，反電勢(shì)與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為主控芯片可以彌補(bǔ)上述兩方案的不足。 本系統(tǒng)利用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào) 制(PWM)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。電角范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而定子合成磁場(chǎng)在空間保持圖 23(a)中的 Fa 的位置不動(dòng)，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)夠 60176。電流流通路徑為：電源正極→ VT1 管→ A 相繞組→ B 相繞組→ VT6 管→電源負(fù)極。 BLDCM 三相繞組主回路基本類(lèi)型有三相半控和三相全控兩種。驅(qū)動(dòng)控制電路的作用是將位置傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行處理，按一定的邏輯代碼輸出，去觸發(fā)功率開(kāi)關(guān)管。目前，常見(jiàn)的磁敏式傳感器由霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻和磁敏二極管等。位置傳感器種類(lèi)較多，特點(diǎn)各異。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置檢測(cè)器不斷的送出信號(hào)，以改變電樞繞組 的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變，這就是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)接觸式換流過(guò)程的實(shí)質(zhì)。 ，給出了各個(gè)部分的軟件設(shè)計(jì)框圖。 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 4 本設(shè)計(jì)的主要工作 20 多年以來(lái)，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)特別是大功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。使得這種電動(dòng)機(jī)只能停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，而無(wú)法推廣使用。 與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、效率高、功率因素高、轉(zhuǎn) 矩 /重量比高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、易于散熱，易于維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用范圍極為廣泛，尤其是在要求高控制精度和高可靠性的場(chǎng)合，如航空、航天、數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人、電動(dòng)汽車(chē)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和家用電器等方面獲得廣泛應(yīng)用。各國(guó)知名半導(dǎo)體公司 Allegro,Philips,MicroLinear,等，先后推出了許多無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器控制集成電路 。 1955年，美國(guó)人首次提出用晶體管換向線路代替機(jī)械換向裝置，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來(lái)代替有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換相裝置， 出現(xiàn)了磁電禍合式、光電式及霍爾元件作為位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，以后人們發(fā)現(xiàn)電量波形和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的位置存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此又出現(xiàn)了通過(guò)觀測(cè)電樞繞組中不同電量波形，監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子位置的無(wú)位置傳感器的電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)以 TI 公司的 TMS320LF2407 芯片為控制核心，分析了 PWM 信號(hào)的產(chǎn)生分配情況，給出反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)、速度及電流等檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，并以 IR2130 作為驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，采用三段式起動(dòng)方式來(lái)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。 本文在對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用綜述的基礎(chǔ)上，詳細(xì)的介紹了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)行特性，并給出了其數(shù)學(xué)模型。 DSP technology enables the 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 III system has not only a highprecision,high reliability, also simplifies the system architecture. Keywords： Brushless DC motor PWM No position sensor Simulation 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 IV 目 錄 第 1章 概 述 ........................................................................................................... 1 無(wú)刷直流電機(jī)的現(xiàn)狀 ....................................... 1 電無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的概況 ................................... 2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用 ......................... 2 發(fā)展前景 ........................................... 3 本設(shè)計(jì)的主要工作 ..............................