【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ...................................................................................................... 41 課題相關(guān)實(shí)踐 ........................................................................................................................................... 41 全文總結(jié) ................................................................................................................................................... 43 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................................................... 45 附錄 ........................................................................................................................................................................ 47 翻譯部分 ............................................................................................................................................................... 48 外文原文 ......................................................................................................................................................... 48 中文譯文 ......................................................................................................................................................... 54 致 謝 ................................................................................................................................................................... 60 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 1 緒論 課題背景及意義 眾所周知，日常生活中直流電機(jī)因其良好的啟制動(dòng)性能，大范圍內(nèi)平滑調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用，但其電刷和換向器嚴(yán)重影響了它的性能（容量、速度等），從而限制了它的發(fā)展空間；交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，適用特大容量、極高轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)，但其啟動(dòng)、調(diào)速性能差使 得應(yīng)用范圍再次受 到制約。 人們迫切希望能夠在保持直流電機(jī)良好性能的同時(shí)改善機(jī)械換相、電刷火花的影響。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是大功率電子器件的不斷更新，這個(gè)愿望逐漸得以實(shí)現(xiàn)。一種新型電機(jī) —— 無(wú)刷直流電機(jī)（ BLDC）進(jìn)入人們的視野，傳統(tǒng)的機(jī)械換相被電子換相所取代。以電動(dòng)車（ EBike）為例，其外轉(zhuǎn)子使用磁鋼片 用來(lái) 產(chǎn)生固定的磁場(chǎng)（傳統(tǒng) 直流電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子），定子為三相繞組（直流電通過(guò)逆變橋路 ， 通過(guò)控制 MOSFET或 IGBT的開(kāi)通關(guān)斷產(chǎn)生三相電流，然后 對(duì)應(yīng)接入三相繞組） 根據(jù)磁生電原理從而 產(chǎn)生內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 可以 說(shuō)，無(wú)刷直流電機(jī)集直流電機(jī)、交流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一身，它最大的特長(zhǎng)如下： 剔除了換相、 機(jī)械 電刷結(jié)構(gòu)。它既具有啟動(dòng)、調(diào)速方便，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容量大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也擺脫機(jī)械換相的制約，可以在高速環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，工作效率得到大大提升。 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的定義為在工作氣息內(nèi)產(chǎn)生“跳躍式”（梯形波 /方波）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的永磁電動(dòng)機(jī)， 而 180176。導(dǎo)通型正弦波驅(qū)動(dòng)則為 自控式 永磁同步電機(jī) （ PMSM）。二者雖然基本結(jié)構(gòu)相同，但其工作運(yùn)行原理卻有很大不同： BLDC精度低，力矩脈動(dòng)大 ， 轉(zhuǎn)子位置傳感器采用霍爾器件， 更適用于低功率 速度單一穩(wěn)定的控制系統(tǒng)； PMSM價(jià)格貴，精度高，力矩脈動(dòng)小 ，轉(zhuǎn)子位置傳感器采用無(wú)接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器， 更適用于高功率的精密伺服控制系統(tǒng)。 同時(shí)，普通微處理器和單片由于其處理速度和存儲(chǔ)空間的限制，越來(lái)越跟不上時(shí)代的發(fā)展， 隨著科學(xué)技術(shù)尤其是微電子產(chǎn)品和控制理論的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 已經(jīng)逐漸成為主流控制芯片。 國(guó)內(nèi)外相關(guān)情況研究綜述 目前國(guó)內(nèi)無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟， 無(wú)刷直流電機(jī)已經(jīng)在眾多領(lǐng)域普遍開(kāi)來(lái)， 如家用電器設(shè)備、汽車工業(yè)、機(jī)床紡織工業(yè)、軍工產(chǎn)業(yè)等，該領(lǐng)域處于上升階段。國(guó)外在 BLDC技術(shù)上的研究水平與中國(guó)基本一樣，但在大型電機(jī) 方面（航空軍用等）一些歐美國(guó)家及日本還處于領(lǐng)先地位，尤其是美國(guó)的軍用和日本的民用遙遙領(lǐng)先中國(guó)，特別體現(xiàn)在控制技術(shù)以及芯片的使用。 目前的研究重點(diǎn)三大趨勢(shì)： （啟動(dòng)，換相等），減小 BLDC的體積和質(zhì)量。 ，將 PID 算法進(jìn)一步優(yōu)化以克服轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高電機(jī)的穩(wěn)定性和精度。 ，體積小，兼容性強(qiáng)的新一代 BLDC控制器 。 下面簡(jiǎn)要介紹一下兩個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題：無(wú)霍爾傳感器技術(shù)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制。 一．無(wú)霍爾傳感器相關(guān)技術(shù) 本設(shè)計(jì)將著重 介紹帶霍爾傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，因技術(shù)上的不完善和理論結(jié)合應(yīng)用的復(fù)雜性，無(wú) /缺霍爾控制還處于起步階段，但隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高， 尤其是在尺中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 寸較小、工作環(huán)境惡劣時(shí)，使用位置傳感器的弊端就相當(dāng)明顯 了，所以 無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)必將憑借高級(jí)控制算法 、技術(shù) 逐漸取代帶前者 。目前，常用的檢測(cè)方法如下： ： 通過(guò)換相過(guò)程中，判斷即將導(dǎo)通那相反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻（兩次換相之間），過(guò)零點(diǎn)前后 30176。（電角度）電樞繞組會(huì)分別進(jìn)行兩次換相。 三 次諧波檢測(cè)法 ： 將各相反電勢(shì)分解成基波和諧波之和，將三相電 壓之和利用低通濾波器 濾除其它諧波僅 留下 3 次諧波， 3 次諧波在基波的一個(gè)周期內(nèi)有 6 個(gè)過(guò)零點(diǎn)，只需檢測(cè)這些過(guò)零點(diǎn)即可知道換相時(shí)間。 ： 又稱“第三相導(dǎo)通法”， 利用 非導(dǎo)通相的 續(xù)流二極管，在過(guò)零點(diǎn)附近檢測(cè)其中某管 電流出現(xiàn)比較大的降落 (如 AB 相導(dǎo)通、 C 相懸空時(shí)，若檢測(cè)到續(xù)流二極管 2D 導(dǎo)通則反電勢(shì) )(ce 過(guò)零點(diǎn) )，以此來(lái)判斷。 ： 基本思路是采用線性電阻對(duì)電源母線電壓進(jìn)行分壓處理，形成一個(gè)用于和濾波分壓 后的端電壓進(jìn)行比較的恒定 直流電壓 ，得出換相時(shí)間。 方法 ： 根據(jù)載波數(shù)、調(diào)制波時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)等。 總 的來(lái)說(shuō)所有思路都利用了反電勢(shì)、預(yù)測(cè)原理，控制起來(lái)比較困難，技術(shù)、算法亟待完善。 二．轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制 無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)主要分為齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，后者是電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的主要原因。波動(dòng)的存在不僅產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)問(wèn)題，更加影響了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性、可靠性。假設(shè)當(dāng) AB相導(dǎo)通、 C相懸空時(shí)，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為： )()( 11 BAAWCCBBAAWe eeiieieieT ????? (11) 電樞繞組反電勢(shì)和電流值決定著電機(jī) 的轉(zhuǎn)矩。當(dāng) AC 導(dǎo)通，進(jìn)行 B、 C 換相時(shí)，我們可以得到 B、 C相電流變化率： tR eeuBML RB ML RBCAB eii ????? ?? )( 30 tR ueeC ML RBCAC ei ???? 3 2 (12) W — 電機(jī)機(jī)械速度 ； Ae 、 Be — A、 B相反電勢(shì) ； ML、 — 繞組自感、互感。 換相區(qū)間內(nèi)，關(guān)斷相電流呈指數(shù)衰減、開(kāi)通電流指數(shù)呈指數(shù)上升 ，當(dāng)對(duì)應(yīng)功率)( CACBCB eiei ? 差值越大時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越大 。所以在電機(jī)啟動(dòng)和換相的瞬間，力矩波動(dòng)會(huì)非常大。 齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)： 轉(zhuǎn)子永磁體同定子齒槽相互作用，在圓周方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，它總是試圖將轉(zhuǎn)子定位在某些位置。解決這個(gè)問(wèn)題的方法主要靠設(shè)計(jì)優(yōu)化，如：斜槽法、分?jǐn)?shù)槽法、無(wú)齒槽繞組?? 換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)： ：換相時(shí)，將應(yīng)立即關(guān)斷的功率開(kāi)關(guān)管延長(zhǎng)一個(gè)時(shí)間間隔關(guān)斷，不應(yīng)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管提前開(kāi)通一個(gè)角度，補(bǔ)償電流換相期間的跌落。技術(shù)的關(guān)鍵在于重疊時(shí)間的選擇，所以在傳統(tǒng)的重疊換相基礎(chǔ)上，引入定頻采樣電流調(diào)節(jié)技術(shù)，采用 PWM技術(shù)使得重疊時(shí)間由電 流調(diào)節(jié)自動(dòng)調(diào)節(jié) ，適用在高速情況下。 ： 在電流環(huán)中采用滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器，當(dāng)實(shí)際電流的幅值小于滯環(huán)寬度下限時(shí)，開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通；達(dá)到滯環(huán)寬度上限時(shí)，開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷。利用滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器控制開(kāi)通相電流上升速率來(lái)抑制低速下的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，此法簡(jiǎn)單，快速性好同時(shí)具有限流能力，但對(duì)中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 高速區(qū)力矩波動(dòng)無(wú)能為力。解決的方法是：采用滯環(huán)控制法直接控制非換相相電流。由式（ 11）知換相轉(zhuǎn)矩正比于非換相相電流，利用滯環(huán)比較器使得非換相相電流實(shí)時(shí)跟蹤參考值 ，達(dá)到目的，適用于高速伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 斬波法 ： 使開(kāi)關(guān)器件在斷開(kāi)前、 導(dǎo)通后進(jìn)行一定頻率斬波，控制換相過(guò)程中的端電壓，使得兩換相相電流上升、下降速率相等，補(bǔ)償總電流幅值的變化，從而抑制換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。 ： 基本原則是 保持非換相相電流恒定。 高速區(qū)運(yùn)行時(shí)，關(guān) 斷相下降速率快于開(kāi)通相上升速率，造成非換相相電流凹陷，轉(zhuǎn)矩偏小。 通過(guò)調(diào)節(jié)關(guān)斷相電流下降速率以保持非 換 相相電流恒定； 低速區(qū)運(yùn)行時(shí)， 關(guān)斷相下降速率低于開(kāi)通相上升速率，造成非換相相電流凸出 ,轉(zhuǎn)矩偏大。 通過(guò)使 關(guān)斷相關(guān)斷，在開(kāi)通相上施加相應(yīng)占空比進(jìn)行補(bǔ)償 以保持非換相相電流恒定 。 總體而言，我國(guó) BLDC 研究起步于 20 世紀(jì) 70 年 代，而微電子器件和電力電子器件早在20 世紀(jì) 60年代已經(jīng)開(kāi)始發(fā)展。限于元器件水平難以達(dá)到理論知識(shí)的要求，我國(guó)在理論創(chuàng)新和制造工藝方面與國(guó)際水平還有較大差異。日常生活中我們接觸最多的就是基于無(wú)刷直流電機(jī) 的電動(dòng)車，國(guó)內(nèi)整個(gè)電動(dòng)車行業(yè)至今任沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 。經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，國(guó)產(chǎn)無(wú)刷直流電機(jī)加工工藝穩(wěn)定性 、成熟度 較國(guó)外廠家還有一定差距，有待進(jìn)一步提高。 控制系統(tǒng)方面， 當(dāng)前，控制系統(tǒng)方面主要采用的控制器有：?jiǎn)纹瑱C(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器、ASIC 專用集成芯片、 FPGA 等。 目前，很多先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的半導(dǎo)體廠商都能提供自己開(kāi)發(fā) 的電機(jī)專用控制集成電路，如美國(guó) ON Semiconductor和 Motorola等公司開(kāi)發(fā)的 MC3303 MC33039無(wú)刷直流電機(jī)控制芯片和 MicroLinear 公司的 ML4425/4428 無(wú)位置傳感器芯片。 在工業(yè)和研究實(shí)驗(yàn)中使用的微處理器一般是如下三種：?jiǎn)纹瑱C(jī)、基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 FPGA以及數(shù)字信號(hào)處理器 DSP。目前為止，第六代 DSP 已經(jīng)進(jìn)入人們的生活，其獨(dú)有的哈佛、多總線、流水線結(jié)構(gòu)，多處理單元以及特殊的 DSP 指令使得其運(yùn)算周期短速度快，同時(shí)他自身具備強(qiáng)大的硬件配置使其功能更加強(qiáng)大、人機(jī)交換更加便 捷。 正因如此，相關(guān)業(yè)內(nèi)專業(yè)研究人員紛紛投身于 數(shù)字智能控制的無(wú)刷直流電機(jī)研究領(lǐng)域。眼下，除了控制智能化亟待開(kāi)發(fā)，還有一個(gè)很大的桎梏就是控制算法上得不到創(chuàng)新，結(jié)合到具體應(yīng)用等方面還處于發(fā)展階段。但隨著科技日新月異，微控制器處理速度和儲(chǔ)存空間正在飛速發(fā)展，相信不久的將來(lái)高級(jí)智能化控制必將得以實(shí)現(xiàn)。 論文主要內(nèi)容 本文針對(duì) DSP 在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用趨勢(shì) ，采用 TI 公司 TMS320C24x 系列中功能最強(qiáng)的一款 TMS320LF2407A 芯片作為控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制， 采用霍爾傳感器利用霍 爾效應(yīng)判斷轉(zhuǎn)子位置，輸出控制信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理器通過(guò)控制信號(hào)生成相應(yīng)的 PWM 波 控制逆變橋路通斷，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)等命令。通過(guò)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)載、過(guò) /欠壓、霍爾時(shí)序異常等自診斷功能。 本系統(tǒng)的目標(biāo)為： 、加減速、正反轉(zhuǎn) 等功能 ； ,利用 PID算法，實(shí)現(xiàn)電流、速度雙閉環(huán)控制； 路設(shè)計(jì)，包括電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、按鍵顯示等模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)； 、其它各模塊子程序的分析設(shè)計(jì)。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 2 無(wú)刷直流電機(jī)的 工作 原理和數(shù)學(xué)模型 無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 如圖 21 所示為無(wú)刷直流電機(jī)（ BLDC）原理框圖，主要構(gòu)成部分有電動(dòng)機(jī)（ Motor）、霍爾位置傳感器（ HALL）、