【正文】 ........... 4 第 2章 無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析 .............................................................................. 5 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) ................................. 5 電動(dòng)機(jī)本體電動(dòng)機(jī)本體 ............................... 6 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器 ..................................... 6 電子換相 ........................................... 7 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 ................................. 7 直流電動(dòng)機(jī)的 PWM 調(diào)速原理 ................................. 9 第 3章 無(wú)刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì) ................................................................ 11 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) ............................ 11 SPWM 控制技術(shù) ........................................... 13 SPWM 控制的基本原理 ................................ 13 SPWM 的數(shù)學(xué)模型 .................................... 14 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器的檢測(cè)方法 .................... 15 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法 ................................ 15 續(xù)流二極管間接檢測(cè)法 .............................. 16 反電動(dòng)勢(shì)積分法 .................................... 17 反電動(dòng)勢(shì)三次諧波檢測(cè)法 ............................ 17 數(shù)字 PID 控制器及算法 .................................... 18 模擬 PID 控制原理 .................................. 19 PID 算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn) ................................. 20 第 4章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的 DSP 控制系統(tǒng) ......................................................... 23 DSP 的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) ........................................ 23 DSP 在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用 ........................... 23 TMS320LF2407 結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) ............................ 24 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的 DSP 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ...................... 26 PWM 波形的產(chǎn)生 ..................................... 27 速度檢測(cè)與調(diào)節(jié) .................................... 29 電流檢測(cè)與調(diào)節(jié) .................................... 31 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 V 異步串行通訊接口電路 .............................. 31 電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 .................................. 32 基于 DSP 的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) .............. 33 位置型 PID 算法程序的設(shè)計(jì) .......................... 34 數(shù)字 PI 速度調(diào) 節(jié)器設(shè)計(jì) ............................. 35 數(shù)字 PI 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) ............................. 36 第五章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .................................................... 38 主程序結(jié)構(gòu) .............................................. 38 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)子程序 ........................................ 39 換相子程序 .............................................. 40 ADC 中斷子程序 .......................................... 40 總 結(jié) ......................................................................................................................... 44 致 謝 ......................................................................................................................... 45 參 考 文 獻(xiàn) ............................................................................................................... 46 附 錄 1： 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 ............................................................. 47 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 1 第 1 章 概 述 無(wú)刷直流電機(jī)的現(xiàn)狀 有刷直流電動(dòng)機(jī)作為最早的電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，由于其寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，在需要調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域占有重要地位，但機(jī)械換向裝置的存在，限制了其發(fā)展和應(yīng)用范圍。如電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、電梯、抽油煙機(jī)、豆?jié){機(jī)、小型清 污機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等等 .由于無(wú)刷直流電機(jī)具有這些優(yōu)點(diǎn)，因此在 20xx年的國(guó)際電機(jī)會(huì)議上提出了有刷電機(jī)將被無(wú)刷電機(jī)取代這一發(fā)展趨勢(shì)。它采用一種位置檢測(cè)器和電子開(kāi)關(guān)變換器替代電刷和換向器，既有傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)良特性，又有交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)直流電機(jī)采用機(jī)械機(jī)構(gòu)（電刷）進(jìn)行換向，因而存在機(jī)械摩擦，并由此帶來(lái)電磁噪聲、換向火花以及壽命短等缺點(diǎn)，再加上制造成本高、維修困難，從而極大的限制了它的發(fā)展和 應(yīng)用范圍。進(jìn)入九十年代以來(lái)，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導(dǎo)體功率器件，如 GTR、 MOSFET、IGBT 等相繼問(wèn)世，以及微處理器、大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，逆變裝置也發(fā)生了根本性的變化。闡述了 SPWM的基本原理和無(wú)傳感器控制技術(shù)中的反電勢(shì)法工作原理，并對(duì)數(shù)字 PID 算法作了簡(jiǎn)單的介 紹。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的組成是用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極，用具有多相繞組的定子取代電樞，用由逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器組成的電子換向器取代機(jī)械換向器和電刷。伴隨著新型永磁材料釹鐵硼 (NdFeB)的實(shí)用化，電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)越來(lái)越多樣化，使 BLDCM 正朝著高轉(zhuǎn)矩、高精度、微型化和耐環(huán)境等多種用途發(fā)展?？傊?，光電式位置傳感器性能比較穩(wěn)定，體積小、重量輕，但對(duì)環(huán)境要求較高。將系統(tǒng)工作電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組，以便使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。通電型的交流方波，反電動(dòng)勢(shì)為 120176。下面以?xún)上鄬?dǎo)通星形三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)明其工作原理。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針每轉(zhuǎn)過(guò) 60176。改變電樞電壓 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 10 調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)。取決于占空比的大小，改變 a值就可改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的 .理想空載轉(zhuǎn)速與占空比 a成正比。在采用電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，一個(gè)調(diào)節(jié)器需完成兩種調(diào)節(jié)任務(wù)：正常負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，過(guò)載時(shí)進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。 由圖 31可知，內(nèi)環(huán)即電流調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)節(jié)定子磁場(chǎng)的大小，定子磁場(chǎng)的大小正比于流過(guò)定子線圈的電流，控制定子線圈的電流即可控制定子磁場(chǎng)的大小。 SPWM 控制的基本原理 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不相等的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。正因?yàn)橛兴⒅绷麟姍C(jī)的換向器與電刷 等嚴(yán)重的限制了電機(jī)性能的提高和發(fā)展?jié)摿?，才使得人們想去掉換向器與電刷，在這種情況下，位置傳感器的應(yīng)用被提上了日程。由于不是直接檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，因此這種通過(guò)檢測(cè)磁鏈、電流和電壓等物理量來(lái)得到轉(zhuǎn)子位置的直流電動(dòng)機(jī)也被稱(chēng)為無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。電 角度，即每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 16 每隔 60176。這種方法最大的 缺點(diǎn)是必須提供六個(gè)用于比較電路的隔離電源。無(wú)論轉(zhuǎn)速以及負(fù)載的情況，三次諧波分量和轉(zhuǎn)子磁通都保持一個(gè)固定的相位關(guān)系，并且不受逆變器開(kāi)關(guān)噪聲的影響，因此是一種可靠的檢測(cè)方法。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)學(xué)模型，參數(shù)容易調(diào)整，在長(zhǎng)期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，因此在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。所以模擬 PID 控制器的控制規(guī)律為： 00p )()(1)(Ku ( t ) udt tdeTdtteTtetDI ??????? ??? ? (34) 式中， pK 比例系數(shù)， IT 為積分參數(shù)， DT 為微分常數(shù)， 0U 為控制常量。所以，必須根據(jù)實(shí)際控制的具體要求來(lái)確定 IT 。將式 ()代入式 ()就可以得到離散的 PID 表達(dá)式為： 010 )(u ueeTTeTTeK kkDkj jIkpk ??????? ??????? (36) 式中， k 為采樣序號(hào)， k =0,1,2,； u (k)為第 k 次采樣時(shí)刻的輸出值； ke 為第 k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； k 1e 為第 k 1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。增量式控制算法不僅適用于增量式控 制也用于位置式控制，因?yàn)槲恢檬? PID 控制算法可以通過(guò)增量式控制算法遞推得出 kkk uu ??? ?1u ，這就是目前微機(jī)控制中廣泛應(yīng)用的數(shù)字遞推 PID 控制算式。 DSP 器件比 16 位單片機(jī)單指令執(zhí)行速度快 8~10 倍，完成一次乘加運(yùn)算快 16~30 倍。下面介紹其豐富的外圍模塊。全比較單元輸出的 PWM 電壓波可作為交流感應(yīng)電機(jī)或無(wú)刷直流電機(jī)三相功率放大器的輸入信號(hào)，還可用于控制開(kāi)關(guān)磁阻和同步磁阻電機(jī)以及傳統(tǒng)的直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。 (2) 片內(nèi)外設(shè) TMS320F2407 片內(nèi)外設(shè)包括 A/D 轉(zhuǎn)換器、 SCI、 SPI 和看門(mén)狗定時(shí)器及實(shí)時(shí)中斷定時(shí)器等。 TMS320LF2407 具有高速信號(hào)處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有強(qiáng)大的片內(nèi) I/O 端口，而且它為電機(jī)控制提供了單片解決方案所必需的外圍設(shè)備。 DSP 的 PWM 電路的設(shè)計(jì)可以減少產(chǎn)生 PWM 波形的 CPU 開(kāi)銷(xiāo)和減少用戶(hù)的工作量，同時(shí)能盡量減小功率開(kāi)關(guān)器件的損耗，降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)性。極端的情況包括用戶(hù)裝載了一個(gè)比占空周期更大的 死區(qū)值或占空比為 100%或 0%。通常為了得到高精度位置和速度反饋，均在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)光電編碼器件，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)該器件產(chǎn)生兩路正交的脈沖信號(hào)，將此 信號(hào)經(jīng)過(guò) DSP 的 QEP QEP2 端口送到內(nèi)部集成的正交編碼處理電路進(jìn)行 4 倍頻鑒相處理，以此精確的測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，原理如圖 44所示 ： Q29013Q29012Q755N03LQ655N03LR6R42R9R24PHASE BSETUER B15K10015KSETUER BR12+5V+24VTLC277R2710KR301K+12VC22R42100KR44300KC19100uF 圖 44 速度檢測(cè)原理圖 當(dāng)設(shè)置 TMS320LF2407 的 EVB 模塊中 QEP 電路接收兩路正交的光電編碼器 脈沖，定時(shí)器 T4 設(shè)置為 QE