【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 B39。AC39。SN C39。BA39。CB39。ASN （ a） A 相 繞組正向通電流 ， B 相 繞組 反向通電 流 （ b）轉(zhuǎn)過(guò) 60 角度 BC39。A39。ASNB39。C BA39。C39。AB39。CNS （ c）繼續(xù) 向左 旋轉(zhuǎn) （ d） A 相 繞組正向通電流 ， C 相 繞組 反向通電 流 轉(zhuǎn)過(guò) 60o BC39。A39。ACB39。S C39。BA39。AB39。CSN （ e） B 相 繞組正 向通電 流 ， C 相 繞組 反向通電 流 （ f） 向左 轉(zhuǎn)過(guò) 60 角度 C39。BA39。AB39。CNS C39。BA39。AB39。CSN （ g） B 相 繞組正 向通電 流 ， A 相 繞組 反向通電 流 （ h） 向左 轉(zhuǎn)過(guò) 60 角度 圖 23 無(wú)刷直流機(jī)轉(zhuǎn)子位置與換相的關(guān)系 假設(shè)當(dāng) 無(wú)刷直流電機(jī)的 轉(zhuǎn)子 是 處于 如圖 23（ a） 所示的 位置時(shí) ，其角度認(rèn)為是 為 0o ， 另外 相帶 A′、 B、 C′ 三繞組端是 在 磁極 N 級(jí) 以 下 的 ，相帶 A、 B39。、C 繞組端 是 在 磁極 S 級(jí) 以 下，這時(shí) A 相 繞組 正向通 入 電 流 ， B 相 繞組 反向通 入電流 ， C 相 繞組是 不通電 的，對(duì)應(yīng) IGBT 都是關(guān)斷的 ，各相 繞組 通 入 電 流的 波形見(jiàn)圖 23所示 ， 它們之間 產(chǎn)生的定子 繞組 磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子 繞組 磁場(chǎng) 之間 是 相互作用 的 ，這樣才能有效的 使 無(wú)刷直流電機(jī)的 轉(zhuǎn)子 能逆時(shí)針以某個(gè)速度維持 轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) 無(wú)刷直流電機(jī) 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)過(guò) 60o 角后， 無(wú)刷直流 電機(jī) 的 轉(zhuǎn)子位置如圖 23（ b）所示。這時(shí)如果 無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)向左旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) 下去就 會(huì) 進(jìn)入 如圖 23（ c）所示的位置，無(wú)刷直流電機(jī)電樞繞組中有一定量 導(dǎo)體的電流方向 是 不一致 的 ， 這樣會(huì)使 它們互相抵 消，削弱磁場(chǎng) 的大小 ，使 無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)出 電磁轉(zhuǎn)矩 大大地 減小。因此，為了避免 無(wú)刷直流電機(jī) 出現(xiàn) 電磁轉(zhuǎn)矩減小的結(jié)果，那么當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 到 如 圖23（ b） 所示 的位置時(shí)，就必須 實(shí)現(xiàn)逆變器橋的 換相，使 B 相 繞組 斷電， C 相 繞組 反相通 入 電 流，無(wú)刷直流電機(jī)的 轉(zhuǎn)子繼續(xù) 向左 旋轉(zhuǎn)， 即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，再 轉(zhuǎn)過(guò)60o 角后到 了如 圖 23（ d）所示的 位置。根據(jù)上面 所講的原理就 必須要 使逆變橋進(jìn)行換相，即 A 相 繞組 斷電， B 相 繞組 正 向 相通 入 電 流 ， 如圖 23（ e）所示 ，依次循環(huán)， 這樣如此 循環(huán) 下去， 無(wú)刷直流電機(jī) 轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò) 60o 角就 要 換相一次，根據(jù)不同的位置，各 相電流按圖 23 所示的 步進(jìn) 順序進(jìn)行斷電和通電， 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)就會(huì)平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)下去。 按圖 23 的驅(qū)動(dòng)方式，就可以得到如圖 24 所示的 無(wú)刷直流電機(jī)定子 電流和定子 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 的 波形。對(duì)于 B 相 繞組 和 C 相 繞組 ， 無(wú)刷直流電機(jī)的 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形 是相同的，只是 在相位上滯后于 A 相 繞組 120o 和 240o。 圖 24 電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形 表 21 三相星形聯(lián)結(jié)全橋驅(qū)動(dòng)的通電規(guī)律 通電順序 正轉(zhuǎn)（逆時(shí)針） 轉(zhuǎn)子位置 0～ 60 60～ 120 120～ 180 180～ 240 240～ 300 300～ 360 無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行特性與原理 設(shè)轉(zhuǎn)子永久磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電動(dòng)機(jī)氣隙中是按正弦分布，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為 ?時(shí)， ?sinmBB? 。當(dāng)定子繞組某相通過(guò)直流電流時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為： ?sinrILBZT mDa ? （ 21） 式中 , DZ 為相導(dǎo)體數(shù)； L 為導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度； mB 為氣隙磁通最大值； r 為氣隙半徑； I 為定子繞組相電流。 無(wú)刷直流機(jī)的 在運(yùn)行時(shí) 電壓平衡方程式 可寫 為： IREUU a ???? （ 22） 開(kāi)關(guān)管 1， 4 1， 6 3， 6 3， 2 5， 2 5， 4 A相 + + B 相 + + C 相 + + 通電順序 反轉(zhuǎn)（順時(shí)針） 轉(zhuǎn)子位置 360～ 300 300～ 240 240～ 180 180～ 120 120～ 60 60～ 0 開(kāi)關(guān)管 3， 6 1， 6 1， 4 5， 4 5， 2 3, 2 A相 + + B 相 + + C 相 + + nKE ea ? （ 23） IKT Ta ? （ 24） 根據(jù)式（ 22） ~（ 24）得到無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性方程為 nnTKK RK UUn aTee ??????? 0)( （ 25） 式中， n 為 無(wú)刷直流 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速， min/r ； U為 供電的 直流電源電壓， V； U? 為 IGBT 功率晶體管 導(dǎo)通的 壓降， V； aT 為 無(wú)刷直流 電動(dòng)機(jī) 輸出電磁 轉(zhuǎn)矩 的 平均值， N m； R 為 無(wú)刷直流 電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻， ?； eK 、 TK 分別為 無(wú)刷直流感應(yīng) 電勢(shì) 的 系數(shù)、 電磁 轉(zhuǎn)矩 的 系數(shù)。 和 普通的 直流電動(dòng)機(jī) 運(yùn)行原理基本 一樣，當(dāng) 供電電壓 U 變化時(shí)即 可以 改變無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速 0n ， 無(wú)刷直流 電動(dòng)機(jī) 也 可以 實(shí)現(xiàn) 無(wú)級(jí)調(diào)速。但實(shí)際 中使用的無(wú)刷直流機(jī) 調(diào)速 控制 系統(tǒng) 是 使用 的 微機(jī) 進(jìn)行 控制 的 ， 檢測(cè)電路把檢測(cè)到 電壓信號(hào) 經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后 送到 DSP 主控器中 ， DSP 則會(huì) 計(jì)算出 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的 實(shí)際 轉(zhuǎn)速， 這樣 再與 參考 給定的轉(zhuǎn)速 進(jìn)行 比較， 從而 輸出 控制 IGBT 的PWM 脈沖 信號(hào)， 即通過(guò) 控制開(kāi)關(guān)管 IGBT 的通 和斷，就能有效的 控制 無(wú)刷 電動(dòng)機(jī)電流（電壓）大小， 使 無(wú)刷直 流 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 穩(wěn)定跟蹤參考給定值 。其 控制系統(tǒng)的 調(diào)速原理是通過(guò) 檢測(cè)電路檢測(cè)出某個(gè)信號(hào) 再與參考給定的比較，通過(guò) DSP產(chǎn)生的信號(hào)控 制 IGBT，即控制電機(jī)定子繞組通入的電流就可以有效的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩。 第三章 無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)由硬件 電路 系統(tǒng)和軟件 控制 系統(tǒng)組成，硬件 電路 系統(tǒng)包括速度 和轉(zhuǎn)子位置 檢測(cè)電路， PI 控制器 電路， 三相 電流檢測(cè) 與反饋 電路，PWM 信號(hào) 驅(qū)動(dòng)電路， 三相電壓型全橋 逆變器， 無(wú)刷直流 電機(jī)等。軟件系統(tǒng)包括檢測(cè)程序，按鍵 掃描 程序，信號(hào)處理程序 ，中斷程序 等等。為了使無(wú)刷直流電機(jī)能夠按照 參考 給定的速度 穩(wěn)定 運(yùn)行， 那么 必須設(shè)計(jì) 出 性能良好的硬件 電路 系統(tǒng)以及軟件處理程序。如圖 31 所示的硬件 電路 控制系統(tǒng)框圖。 圖 31 硬件控制系統(tǒng)總體框圖 無(wú)刷直流電機(jī)控制策略 無(wú)刷直流 電機(jī)的速度控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制 系統(tǒng)和閉環(huán) 控制 系統(tǒng) 兩種 情況 ，接下來(lái)我們將逐個(gè)研究這兩種控制策略。 無(wú)刷直流電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制策略 開(kāi)環(huán)控制 系統(tǒng) 沒(méi)有 任何 反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性 也 不高， 可靠性不強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間雖然相對(duì)閉環(huán)快 ， 但是穩(wěn)定 精確度不高，其特點(diǎn)是 電路系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用有任何影響，沒(méi)有自動(dòng)調(diào)節(jié) 能力。 這種控制策略 只能用于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度要求不高 ，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的場(chǎng)合，但是 在 控制 要求比較高 的場(chǎng)合 ，開(kāi)環(huán)控制 策略 就受到很大的限制 。 開(kāi)環(huán) 控制 系統(tǒng) 拓?fù)?結(jié)構(gòu) 相對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng) 簡(jiǎn)單 ， 在沒(méi)有 任何 反饋信號(hào) 下，電功率驅(qū)動(dòng)電路 三相全橋逆變電路 無(wú)刷直流 電機(jī) 電流檢測(cè)電路 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路 其他接口電路及必要 PWM ADC ADC TMS320F2407 核 心 控 制 器 機(jī)的輸出量可能會(huì)受到電壓波動(dòng)和負(fù)載突變的影響。 正是因?yàn)?開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 的 靜特性 比閉環(huán)系統(tǒng)的要 差 很多 ，在 電磁 轉(zhuǎn)矩變化的情況下 會(huì)導(dǎo)致電機(jī) 轉(zhuǎn)速變化 很 大，這種情 不利于 無(wú)刷直流 電機(jī) 的 平 穩(wěn) 運(yùn)行。 如圖 32 所示是 無(wú)刷直流電機(jī)的開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 框圖。 直流穩(wěn)壓電源 逆變器 無(wú)刷直流電機(jī)PWM 圖 32 無(wú)刷直流電機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 無(wú)刷直流電機(jī)的閉環(huán)環(huán)控制策略 物理系統(tǒng)中被控對(duì)象的輸出物理量會(huì)經(jīng)過(guò)某個(gè)環(huán)節(jié)反饋至控制系統(tǒng)，從而改變物理系統(tǒng)的輸出量，這種控制策略是典型 閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 。閉環(huán)控制系統(tǒng)可以是 一個(gè) 閉環(huán)也可以是兩個(gè)閉環(huán)設(shè)置是多個(gè)閉環(huán)，一個(gè)閉環(huán)動(dòng)態(tài)性能可能滿足不了實(shí)際要求，一般采用的是二個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，多個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)容易不穩(wěn)定，實(shí)際中很少采用 。無(wú)刷直流電機(jī)一般采用的是 速度外環(huán) +電流內(nèi)環(huán)的 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 如圖 33 所示。 直流穩(wěn)壓電源逆變器 無(wú)刷直流電機(jī)PWM調(diào)節(jié)器內(nèi)環(huán)電流?調(diào)節(jié)器外環(huán)速度refn檢測(cè)電流 re fabci _abci位置檢測(cè)速度與轉(zhuǎn)子n圖 33 無(wú)刷直流電機(jī)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 在 圖 33 中， nref為 參考 給定 的 速度， n 為 實(shí)際電機(jī)輸出的速度，同時(shí)也是 反饋 至控制系統(tǒng)的 速度 ， iabc_ref為速度 外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器輸出的 三相參考 電流。 圖 33所示的 速度外環(huán) +電流內(nèi)環(huán)的 雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 中速度外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器和電流 內(nèi)環(huán)PI 調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速 控制 系統(tǒng) 中 的作用 可以解釋 如下 ： （ 1）速度外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的作用 A） 速度外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器 是 無(wú)刷直流電機(jī)閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng) 中 的主導(dǎo) PI 調(diào)節(jié)器，它的作用是 使 無(wú)刷直流電機(jī) 輸出 的轉(zhuǎn)能夠零穩(wěn)態(tài)誤差的跟蹤參考給定速度 ， 同時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性也非常的優(yōu)越 ； B）對(duì) 電機(jī)負(fù)載突變起調(diào)節(jié)作用 ，抑制 電機(jī)輸出 速度 的 波動(dòng) ，使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn) 。 （ 2）電流 內(nèi)環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的作用 A）作為內(nèi)環(huán)的 PI 調(diào)節(jié)器，其最大的 作用 就是 使 電機(jī)輸出的三相 電流緊緊的 跟隨 速度 外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器輸出的值，實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差的跟蹤 ； B）當(dāng) 電網(wǎng)電壓 出現(xiàn)不同程度 的波動(dòng) 時(shí)，能夠很好的抑制其對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的影響 ； C）在轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，使電機(jī)輸出最大允許電流，從而輸出最大允許電磁轉(zhuǎn)矩， 加快動(dòng)態(tài) 調(diào)節(jié) 速度 ，降低動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間 。 一般來(lái)說(shuō)， 速度外環(huán) +電流內(nèi)環(huán)的 雙閉環(huán) 無(wú)刷直流電機(jī)的 調(diào)速系統(tǒng) 一般都具有非常 滿意的動(dòng)態(tài) 和穩(wěn)態(tài) 性能。對(duì)于 無(wú)刷直流電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng) 來(lái)說(shuō)，從各個(gè)動(dòng)態(tài)性能考慮，其中最為重要的 動(dòng)態(tài)性能是抗 外部擾性能，比如 電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)的 時(shí)的抗干擾 性能。 速度外環(huán) +電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，由于 電流內(nèi)環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的作用 ， 電網(wǎng) 電壓 或逆變器電壓的 波動(dòng) 都 可以通過(guò) 內(nèi)環(huán)電流的 瞬時(shí) 反饋得到及時(shí) 有效的 調(diào)節(jié)。另外， 當(dāng) 負(fù)載擾動(dòng)是 發(fā)生 在電流 內(nèi) 環(huán)之后產(chǎn)生 值之后，這 可以 依 靠 速度外環(huán) 調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行 有效 調(diào)節(jié)。 上分析可知，當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)使用速度外環(huán) +電流內(nèi)環(huán)的 雙閉環(huán)控制 系統(tǒng)可以使電機(jī) 的抗 外部干 擾性能得到很大地改善 ，提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性 。 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 控制器的基本控制規(guī)律有比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）三種基本控制以及組合比例積分（ PI）、比例微分（ PD）和比例積分微分（ PID）。 比例控制規(guī)律（ P） 具有比例控制規(guī)律的控制器，其輸出信號(hào) )(tu 與輸入信號(hào) )(te 之間的關(guān)系，可以用下面的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示 )()( teKtu P? （ 31） 式（ 31）中， PK 為調(diào)節(jié)器的比例增益或比例放大倍數(shù)，因此，比例控制器的傳遞函數(shù)為 PKsE sUsH ?? )( )()( （ 32） 比例調(diào)節(jié)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)增益，或放大倍數(shù)， PK 為調(diào)節(jié)器輸出變量 )(tu 與輸入信號(hào) )(te 之比， )(te 是控制系統(tǒng)中設(shè)定值和測(cè)量值的偏差，也成為偏差信號(hào)。由于控制器的輸入和輸出可以是不同的量綱，因而 PK 可以有量綱，只是時(shí)間上沒(méi)有延時(shí)。 積分控制規(guī)律 積分控制器的控制規(guī)律可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為： ?? tI dtteKtu 0 )()( （ 33） 式中， IK 積分控制器的積分速度常數(shù)。 積分控制器的傳遞函數(shù)為 sKsE sUsH I?? )( )()( （ 34） 顯然，式（ 34）所