【正文】 P 電路的時(shí)基，則寄存器 T4CNT 中的值即為對(duì)編碼器輸出脈沖 4 倍頻后的計(jì)數(shù)值。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 29 在許多電機(jī)和電力電子應(yīng)用中，常將兩個(gè)功率器件（一個(gè)正向?qū)ǎ硪粋€(gè)負(fù)向?qū)ǎ┐?lián)到一個(gè)功率轉(zhuǎn)換器的引腳上，并且兩個(gè)器件一定不能同時(shí)導(dǎo)通， 這是 為了避免發(fā)生短路而擊穿器件。事件管理模塊 EVA 的 PWM 與比較單元相關(guān)的 PWM 電路及 PWM 波形的產(chǎn)生有關(guān)的外設(shè)控制寄存器對(duì)于 EVA 模塊有 T1PR、 T1CON、 COMCON、 ACTRA、 DBTCON、 CMPR CMPR CMPR5 等。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 26 無刷直流電動(dòng)機(jī)的 DSP 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 通過對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及控制 策略的分析，進(jìn)行基于 DSP 的無刷直流電動(dòng)機(jī)高性能雙閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分利用 DSP 的外圍電路，其控制系統(tǒng)主要由 DSP 及其接口電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、三相逆變電路、電流檢測(cè)、速度檢測(cè)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)及保護(hù)電路等組成。有自動(dòng)排序能力，最多對(duì) 16 個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)果自動(dòng)排序。捕獲單元用于高速 I/O 的自動(dòng)管理，監(jiān)視輸入引腳上外部信號(hào)的電平跳變，記錄輸入事件發(fā)生時(shí)的計(jì)數(shù)器值（即記錄下所發(fā)生事件的時(shí)刻），對(duì)脈寬進(jìn)行檢測(cè)。在兩個(gè)事件管理模塊 EVA 和 EVB 中，每個(gè)事件管理包括以下功能模塊： 兩個(gè)通用定時(shí) /計(jì)數(shù)器，能完成強(qiáng)大的定時(shí) /計(jì)數(shù)功能。該系列專為實(shí)現(xiàn)高精度、高性能、功能多樣化的單片運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 DSP 在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用 在控制領(lǐng)域，過去的幾十年里，單片機(jī)的廣泛應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了簡單的智能控制功能。 式 ()表示的控制算法是直接按式 ()所給出的 PID 控制規(guī)律定義進(jìn)行計(jì)算的，它直接給出了全部控制量的大小，因此被稱為全量式或位置式 PID 控制算法。它是根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)進(jìn)行控制，偏差變化越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正 。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，把它移植到微機(jī)控制系統(tǒng)中來，將原來的硬件實(shí)現(xiàn)的功能用軟件來代替，因此稱作數(shù)字 PID 控制器，所形成的一整套算法則稱為數(shù)字 PID 控制算法。由于高次諧波的幅值較小、頻率較高，因此 可以通過低通濾波器把高次諧波濾掉，只留下 3 次諧波。在檢測(cè)到非導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)后，對(duì)該相反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行積分，得到積分值 intV 。當(dāng)功率管 V1 和 V2 導(dǎo)通時(shí)，電流從功率管 V1 流入 A 相繞組，再從 C 相繞組流出，經(jīng) V2回到電源。 反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法 對(duì)于永磁結(jié)構(gòu)的電機(jī)，反電動(dòng)勢(shì)的大小依賴轉(zhuǎn)子位置。但是它也有自身的缺點(diǎn)，由于位置傳感器的存在，增加了無刷直流電動(dòng)機(jī)的重量和尺寸，不利于電機(jī)的小型化；旋轉(zhuǎn)時(shí)傳感器難免有磨損，且不易維護(hù)。 如圖 32(a)所示，將正弦波看成是由 N 個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。另外，系統(tǒng)還有一個(gè)環(huán)路就是位置檢測(cè)環(huán)，獲得轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，確保電機(jī)能正確進(jìn)行換相。 如果是多級(jí)電機(jī)，則可得下式： ? ????xxnCBACBAnCCBBAAnIEPiiieeePieieiePT ?????????????????? 1)(e （ 31） 式中， nP 為電機(jī)極對(duì)數(shù)， xE 、 xI 分別為反電動(dòng) 1m 勢(shì)和相電流的向量形式。以專用集成芯片為核心的控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格較便宜，但是系統(tǒng)靈活性不足，保護(hù)功能有限，以 DSP芯片為核心的控制器，控制精度較高，但是算法較復(fù)雜，開發(fā)周期長，成本較高，不 易在市場(chǎng)上推廣。它被越來越廣泛的應(yīng)用在各種功率的調(diào)速系統(tǒng)中。無刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理如圖 23所示： (a)磁極處于 B 相繞組平面 (b)磁極處于 A相繞組平面 圖 23 無刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖 在圖 23(a)到圖 23(b)的 60176。此時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。只要控制好逆變器各橋臂功率器件的開關(guān)時(shí)刻就能滿足上述要求。 電機(jī)各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來自位置檢測(cè)器的信號(hào)，但位置檢測(cè)器所產(chǎn)生的信號(hào)一般不能直接用來驅(qū) 動(dòng)功率變換器的功率開關(guān)元件，往往需要經(jīng)過控制電路一定邏輯處理、隔離放大后才能去驅(qū)動(dòng)功率變換器的開關(guān)元件。其基本原理是霍爾效應(yīng) 和磁阻效應(yīng)。由于逆變器的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而與逆變器一起，起著與有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換相器和電刷相類似的作用。如圖 21 所示： 直流電源功 率 變 換 單 位電 動(dòng) 機(jī) 本 體驅(qū) 動(dòng) 控 制 電 路 轉(zhuǎn) 子 位 置 檢 測(cè) 器電 子 換 相 電 路輸 出 圖 21 無刷直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)成 在無刷直流電動(dòng)機(jī)中，借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置檢測(cè)器的輸出信號(hào)，控制逆變器換向，使電樞繞組依次通電，從而在主定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。分析了 PWM 的產(chǎn)生分配情況，給出速度檢測(cè)、電流檢測(cè)及故障保護(hù)等電路，并以 IR2130 作為驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)了無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí)，永磁材料的性能不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料 的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善，加上永磁電機(jī)研究和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和開發(fā)進(jìn)入一個(gè)新階段，目前正朝著超高速、高轉(zhuǎn)矩，高功能化。但由于當(dāng)時(shí)大功率電子器件僅處于初級(jí)發(fā)展階段，沒能找到理想的電子換向元器件。無刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組像交流電機(jī)的繞組一樣，采用多相形式，經(jīng)由逆變器接到直流電源上，定子各相逐次接通電流，和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 美國福特公司率先把無刷直流電機(jī)應(yīng)用于汽車 20世紀(jì) 80年代以來，隨著微機(jī)控 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 2 制技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各種稱為無位置傳感器控制技術(shù)的方法，是當(dāng)代無刷直流電機(jī)控制研究的熱點(diǎn)之一?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶來了半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍，開關(guān)型晶體管的研制成功為創(chuàng)造新型的無刷直流電動(dòng)機(jī)帶來生機(jī)。然后對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)論述。簡述了無刷直流電動(dòng)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。直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)的調(diào)速精度和性能。美、日、英、德在工業(yè)自動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換。在電磁結(jié)構(gòu)上，無刷直流電動(dòng)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。 針對(duì)上述傳統(tǒng)有刷直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)，并取得了一定成果。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(hào)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(dòng)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。 TI 公司的 TMS320LF2407 控制芯片，設(shè)計(jì)了無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路部分。無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)成包括電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和電子換相電路三部分。 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器也就是位置傳感器，在 BLDCM 中，位置傳感器與電動(dòng)機(jī)同軸安裝，起著測(cè)定轉(zhuǎn)子位置的作用，為逆變器提供正確的換相信息。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)變化而變化的原理制成。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(hào)，是一個(gè)“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(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是 BLDCM 的重要優(yōu)點(diǎn)之一。梯形波。無刷直流電動(dòng)機(jī)三相全控電路如圖 22 所示： 圖 22 無刷直流電動(dòng)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(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出磁極位置信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shì)為 Fa，如圖 (a)所示。電角時(shí)，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為： VT3VT2→ VT3VT4→ VT5VT4→ VT5VT6→ VT1VT6?則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終受到定子合成磁場(chǎng)的作用并沿順時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)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)。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì) 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。一般而言，在這種情況下，調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)無法保證兩種調(diào)節(jié)過程同時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。外環(huán)即速度控制環(huán)，將給定的速度信號(hào)與經(jīng)過轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器后計(jì)算的速度信號(hào)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(dòng)的能力，抑制速度波動(dòng)，并具 有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性。這一結(jié)論是 SPWM 控制的重要理論基礎(chǔ)。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。以下將介紹幾種無位置傳感器的檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的方法。電角換相一次 ，功率管的導(dǎo)通順序?yàn)椋?V1V6→ V3V2→ V3V4→ V5V4→V5V6?。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 17 反電動(dòng)勢(shì)積分法 反電動(dòng)勢(shì)積分法是反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法的一種改進(jìn)方法。梯形反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)技術(shù)的研究 18 k ωπ2 πω t基 波 分 量反 電 動(dòng) 勢(shì)三 次 諧 波 圖 35 梯形反電動(dòng)勢(shì)和它的基波諧波三次分量 由無刷直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)，其定子三相相電壓之和就等于定子繞組中反電動(dòng)勢(shì)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。 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(dòng)和液壓元件）來實(shí)現(xiàn)它的功能。 模擬 PID 控制原理圖如圖 36 所示： 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 20 比 例積 分微 分被 控 對(duì) 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(duì)偏差瞬間做出快速反應(yīng)。 微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化。 如果采樣周期取得足夠小，則式 ()的近似計(jì)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。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 23 第 4 章 無刷直流電動(dòng)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(hào)處理器，是一種特別適合數(shù)字信號(hào)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(shí)快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)的處理，某些系列 DSP 專用 于高性能的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中。 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。 (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(dòng)器，是專門為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的，它還包括定時(shí)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(gè)捕獲單元。 A/D 轉(zhuǎn)換器： 1 個(gè)多達(dá) 16 個(gè)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(shí)間為 500ns。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。 PWM 信號(hào)是由 DSP 事件管理器的全比較單元產(chǎn)生，六路 PWM 信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)后控制逆變橋的導(dǎo)通與關(guān)斷。如果比較單元的死區(qū)被使能，則周期結(jié)束時(shí)與這個(gè) 比較單元相關(guān)的 PWM 輸出不會(huì)復(fù)位到一個(gè)無效狀態(tài)。 為了能計(jì)算速度，在速度環(huán)采樣時(shí)刻到時(shí)， DSP 先獲取在采樣周期時(shí)間間隔內(nèi) 光電編碼器反饋的脈沖的 4 倍頻計(jì)數(shù)值，由此可 計(jì)算出電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間， 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究 30 那么計(jì)算速度就用簡單的除法