【正文】 如果比較單元的死區(qū)被使能，則周期結(jié)束時與這個 比較單元相關(guān)的 PWM 輸出不會復(fù)位到一個無效狀態(tài)。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的高精度、高效、全變速控制中使用先進的控制技術(shù)成為可能。 三個捕獲單元。 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。 如果采樣周期取得足夠小，則式 ()的近似計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。 模擬 PID 控制原理圖如圖 36 所示： 直流無刷電機驅(qū)動技術(shù)的研究 20 比 例積 分微 分被 控 對 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)的作用是對偏差瞬間做出快速反應(yīng)。梯形反電動勢和它的基波諧波三次分量如圖 35所示： 直流無刷電機驅(qū)動技術(shù)的研究 18 k ωπ2 πω t基 波 分 量反 電 動 勢三 次 諧 波 圖 35 梯形反電動勢和它的基波諧波三次分量 由無刷直流電動機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機，其定子三相相電壓之和就等于定子繞組中反電動勢之和，而且可以分解為 3 次諧波和 3 的奇數(shù)倍次諧波之和。電角換相一次 ，功率管的導(dǎo)通順序為： V1V6→ V3V2→ V3V4→ V5V4→V5V6?。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。外環(huán)即速度控制環(huán)，將給定的速度信號與經(jīng)過轉(zhuǎn)子位置檢測器后計算的速度信號之差作為速度環(huán)的輸入，其作用是增加系統(tǒng)抗負載擾動的能力，抑制速度波動，并具 有良好的動、靜態(tài)特性。 直流無刷電機驅(qū)動技術(shù)的研究 11 第 3 章 無刷直流電機控制器硬件設(shè)計 無刷直流電機控制器在控制方式上主要有以專用集成芯片、單片機和 DSP芯片控制三種方式。電角時，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為： VT3VT2→ VT3VT4→ VT5VT4→ VT5VT6→ VT1VT6?則轉(zhuǎn)子磁場始終受到定子合成磁場的作用并沿順時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。梯形波。 直流無刷電機驅(qū)動技術(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)律隨周圍磁場變化而變化的原理制成。無刷直流電動機的基本構(gòu)成包括電動機本體、轉(zhuǎn)子位置檢測器和電子換相電路三部分。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)、信號處理、自我保護等功能為一體的智能功率模塊 (IPM)和大功率集成電路，使無刷直流電動機的關(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。在電磁結(jié)構(gòu)上，無刷直流電動機和有刷直流電機一樣，但是它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子上放置永磁磁鋼。直流電動機的機械電刷和換向器因強迫性接觸，造成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、火花、噪聲等一 系列問題，影響了直流電動機的調(diào)速精度和性能。然后對無刷直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計作了詳細論述。 美國福特公司率先把無刷直流電機應(yīng)用于汽車 20世紀(jì) 80年代以來，隨著微機控 直流無刷電機驅(qū)動技術(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)代無刷直流電機控制研究的熱點之一。但由于當(dāng)時大功率電子器件僅處于初級發(fā)展階段，沒能找到理想的電子換向元器件。分析了 PWM 的產(chǎn)生分配情況，給出速度檢測、電流檢測及故障保護等電路，并以 IR2130 作為驅(qū)動芯片設(shè)計了無刷直流電動機的驅(qū)動電路。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機的機械換相器和電刷相類似的作用。 電機各相繞組導(dǎo)通的順序和時間主要取決于來自位置檢測器的信號，但位置檢測器所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來驅(qū) 動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)動功率變換器的開關(guān)元件。此時定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用，拖動轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。它被越來越廣泛的應(yīng)用在各種功率的調(diào)速系統(tǒng)中。 如果是多級電機，則可得下式： ? ????xxnCBACBAnCCBBAAnIEPiiieeePieieiePT ?????????????????? 1)(e （ 31） 式中， nP 為電機極對數(shù)， xE 、 xI 分別為反電動 1m 勢和相電流的向量形式。 如圖 32(a)所示，將正弦波看成是由 N 個彼此相連的脈沖所組成的波形。 反電動勢過零檢測法 對于永磁結(jié)構(gòu)的電機，反電動勢的大小依賴轉(zhuǎn)子位置。在檢測到非導(dǎo)通相反電動勢的過零點后，對該相反電動勢進行積分，得到積分值 intV 。隨著計算機的出現(xiàn)，把它移植到微機控制系統(tǒng)中來，將原來的硬件實現(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。它是根據(jù)偏差的變化趨勢進行控制，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行修正 。 DSP 在運動控制領(lǐng)域的應(yīng)用 在控制領(lǐng)域，過去的幾十年里，單片機的廣泛應(yīng)用實現(xiàn)了簡單的智能控制功能。在兩個事件管理模塊 EVA 和 EVB 中，每個事件管理包括以下功能模塊： 兩個通用定時 /計數(shù)器，能完成強大的定時 /計數(shù)功能。有自動排序能力，最多對 16 個通道轉(zhuǎn)換結(jié)果自動排序。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)控制寄存器對于 EVA 模塊有 T1PR、 T1CON、 COMCON、 ACTRA、 DBTCON、 CMPR CMPR CMPR5 等。通常為了得到高精度位置和速度反饋，均在電機的轉(zhuǎn)軸上安裝一個光電編碼器件，電機旋轉(zhuǎn)時該器件產(chǎn)生兩路正交的脈沖信號，將此 信號經(jīng)過 DSP 的 QEP QEP2 端口送到內(nèi)部集成的正交編碼處理電路進行 4 倍頻鑒相處理，以此精確的測量電機轉(zhuǎn)速，原理如圖 44所示 ： Q29013Q29012Q755N03LQ655N03LR6R42R9R24PHASE BSETUER B15K10015KSETUER BR12+5V+24VTLC277R2710KR301K+12VC22R42100KR44300KC19100uF 圖 44 速度檢測原理圖 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，定時器 T4 設(shè)置為 QEP 電路的時基，則寄存器 T4CNT 中的值即為對編碼器輸出脈沖 4 倍頻后的計數(shù)值。 DSP 的 PWM 電路的設(shè)計可以減少產(chǎn)生 PWM 波形的 CPU 開銷和減少用戶的工作量，同時能盡量減小功率開關(guān)器件的損耗，降低電動機轉(zhuǎn)矩脈動性。 (2) 片內(nèi)外設(shè) TMS320F2407 片內(nèi)外設(shè)包括 A/D 轉(zhuǎn)換器、 SCI、 SPI 和看門狗定時器及實時中斷定時器等。下面介紹其豐富的外圍模塊。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，因為位置式 PID 控制算法可以通過增量式控制算法遞推得出 kkk uu ??? ?1u ，這就是目前微機控制中廣泛應(yīng)用的數(shù)字遞推 PID 控制算式。所以，必須根據(jù)實際控制的具體要求來確定 IT 。它的結(jié)構(gòu)簡單，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，在長期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗，因此在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。這種方法最大的 缺點是必須提供六個用于比較電路的隔離電源。由于不是直接檢測電機轉(zhuǎn)子的位置，因此這種通過檢測磁鏈、電流和電壓等物理量來得到轉(zhuǎn)子位置的直流電動機也被稱為無位置傳感器的無刷直流電動機。 SPWM 控制的基本原理 在采樣控制理論中有一個重要的結(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。在采用電流截止負反饋和轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，一個調(diào)節(jié)器需完成兩種調(diào)節(jié)任務(wù)：正常負載時實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，過載時進行電流調(diào)節(jié)。改變電樞電壓 直流無刷電機驅(qū)動技術(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。下面以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機來說明其工作原理。將系統(tǒng)工作電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給直流無刷電動機定子上各相繞組，以便使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。伴隨著新型永磁材料釹鐵硼 (NdFeB)的實用化，電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)越來越多樣化，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。闡述了 SPWM的基本原理和無傳感器控制技術(shù)中的反電勢法工作原理，并對數(shù)字 PID 算法作了簡單的介 紹。傳統(tǒng)直流電機采用機械機構(gòu)（電刷）進行換向，因而存在機械摩擦，并由此帶來電磁噪聲、換向火花以及壽命短等缺點，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。如電動自行車、電動汽車、電梯、抽油煙機、豆?jié){機、小型清 污機、數(shù)控機床、機器人等等 .由于無刷直流電機具有這些優(yōu)點，因此在 20xx年的國際電機會議上提出了有刷電機將被無刷電機取代這一發(fā)展趨勢。 本文在對無刷直流電動機控制系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用綜述的基礎(chǔ)上，詳細的介紹了無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和運行特性，并給出了其數(shù)學(xué)模型。 1955年，美國人首次提出用晶體管換向線路代替機械換向裝置，經(jīng)過反復(fù)實驗，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來代替有刷直流電動機的機械換相裝置， 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刷直流電動機，以后人們發(fā)現(xiàn)電量波形和轉(zhuǎn)子磁場的位置存在著一定的對應(yīng)關(guān)系，因此又出現(xiàn)了通過觀測電樞繞組中不同電量波形，監(jiān)測轉(zhuǎn)子位置的無位置傳感器的電動機。 與傳統(tǒng)的電勵磁同步電動機相比，無刷直流電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、效率高、功率因素高、轉(zhuǎn) 矩 /重量比高，轉(zhuǎn)動慣量低、易于散熱，易于維護保養(yǎng)等優(yōu)點，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合，如航空、航天、數(shù)控機床、加工中心、機器人、電動汽車、計算機外圍設(shè)備和家用電器等方面獲得廣泛應(yīng)用。 直流無刷電機驅(qū)動技術(shù)的研究 4 本設(shè)計的主要工作 20 多年以來，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)特別是大功率開關(guān)器件的發(fā)展，無刷直流電動機得到了長足的發(fā)展。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置檢測器不斷的送出信號，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，這就是無刷直流電動機的無接觸式換流過程的實質(zhì)。目前，常見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。 BLDCM 三相繞組主回路基本類型有三相半控和三相全控兩種。電角范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場順時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動，而定子合成磁場在空間保持圖 23(a)中的 Fa 的位置不動，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)夠 60176。本設(shè)計使用單片機作為主控芯片可以彌補上述兩方案的不足。當(dāng)定子繞組的某一相導(dǎo)通的時候，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁 鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置檢測器將轉(zhuǎn)子 直流無刷電機驅(qū)動技術(shù)的研究 13 位置轉(zhuǎn)換成電信號，去控制電子開關(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。同時，傳感器的安裝精度和靈敏度直接影響電機的運行性能。在忽略無刷直流電動機電樞反應(yīng)影響的前提下，通過檢測未導(dǎo)通相的反電動勢過零點，獲取轉(zhuǎn)子的位置信號，以此作為逆變橋功率器件的觸發(fā)信號，輪流觸發(fā)導(dǎo)通，實現(xiàn)電機的正確換相，以驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。 3 次諧波在基波的一個周期內(nèi)有 6 個過 零點，而且每個過零點都和反電動勢的過零點一一對應(yīng)，因此只要檢測到 3 次諧波的過零點就可以知道轉(zhuǎn)的位置，從而確定換相時間 [16]?？刂谱饔玫膹娙跞Q于比例系數(shù) pK ， pK 越大，控制越強；但過大的 pK 會導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種算法的缺點是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過去狀態(tài)無關(guān)，計算時要對 ke 進行累加，工作量大；并且，因為微機輸出的 u (k)對應(yīng)的是 執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果微機出現(xiàn)故障，輸出的 u (k)將大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)的大幅度變化，這在實際過程中是不能允許的。 DSP 控制器片上集成了大量運動控制外設(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 核可提供更高的運算速度和精度、處理大量數(shù)據(jù)的能力，能較好的滿足實時性要求，實現(xiàn)諸如模糊控制、神經(jīng)元控制這類復(fù)雜算法。該部件的工作由內(nèi)部定時器同步，不用 CPU 干預(yù)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 41所示： 故 障 保 護 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 電 路P W M 輸 出I G B