【文章內(nèi)容簡介】 生梯形波電動勢。定子則是電機(jī)轉(zhuǎn)動時相對于電機(jī)殼體固定不動的部分，其上安裝有電樞，該結(jié)構(gòu)與永磁有刷電機(jī)完全相反。定子主要是由硅鋼沖片與分布在它們槽內(nèi)的繞組以及機(jī)殼、端蓋、軸承等部件組成，電樞繞組采用整距集中式繞組，繞組的相數(shù)有三相繞組和多相繞組，但應(yīng)用最多的是三相[20]。，其中、分別為三相繞組。在設(shè)計(jì)定子的繞組時，通常把短距繞組設(shè)計(jì)成分布式的，這樣做不但可以減少電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動，而且還可以提高電動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性。同時優(yōu)化設(shè)計(jì)時，繞組通常采用星型連接，目的在于減少電動機(jī)的雜質(zhì)損耗。當(dāng)定子繞組中通過三相交流電時，就會有等頻率的旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生。在永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子中，鐵氧體、鐵硼、稀土鈷等永磁體使用較多[1113]，而新一代伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子則把鐵硼等新興材料用到電機(jī)轉(zhuǎn)子的制造中。這種材料具有好的寬磁滯回線、高矯頑力、高剩磁等優(yōu)點(diǎn)，最主要的是它能產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場。 永磁無刷直流電機(jī)的工作原理傳統(tǒng)直流電動機(jī)的構(gòu)造時，都會把電樞安裝在轉(zhuǎn)子上。而由定子產(chǎn)生的磁場是固定的，要想達(dá)到驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)目的，就必須使電樞中的電流的方向發(fā)生改變，而這一實(shí)現(xiàn)過程一般是通過在電機(jī)中安裝換向器和電刷來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)電磁感應(yīng)定律得知，轉(zhuǎn)子電樞受到感應(yīng)磁場的作用力而使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。然而，電刷的存在使電動機(jī)的各方面的性能受到很大的限制。在設(shè)計(jì)永磁無刷直流電動機(jī)時，把電樞放在定子上，而把永磁體放在轉(zhuǎn)子上，這樣就可以省去電刷。這樣的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的直流電機(jī)相比，在設(shè)計(jì)思想上是辯證對立的。當(dāng)然以上工作只是設(shè)計(jì)工作的一部分，因?yàn)槎ㄗ由系碾姌型姾?，產(chǎn)生的磁場是恒定的，而根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這樣并不能驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動。要想使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，定子電樞各相繞組中還必須有變換的相電流通過，這樣才能使定子磁場相對于轉(zhuǎn)子不斷地變化，從而達(dá)到了電樞繞組切割磁感線的效果，進(jìn)而產(chǎn)生電磁感應(yīng)效應(yīng)推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[14]。，無刷直流電動機(jī)主要由電動機(jī)和驅(qū)動器兩部分構(gòu)成。無刷直流電動機(jī)繞組的接法形接法與三相異步電動機(jī)相似，都采用星型連接。驅(qū)動器的主要作用是接收上位機(jī)傳達(dá)的指令，進(jìn)而控制電動機(jī)的啟動、停止、制動[25]；驅(qū)動器的另一個功能是對電機(jī)進(jìn)行狀況進(jìn)行預(yù)警保護(hù)和顯示等。 三相橋式結(jié)構(gòu)無刷直流電動機(jī)工作原理圖，輸入信號預(yù)處理得到對稱交變矩形波信號。利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)技術(shù)獲得120176。相位差反饋信號，并進(jìn)行邏輯計(jì)算，從而編碼器獲得有效編碼對信號分別為10100、1001001，通過邏輯器件控制T1TT1TT3TT3TT5TT5T4分別導(dǎo)通，利用NS極交替變換進(jìn)行依次導(dǎo)通控制。每路電路導(dǎo)通時會讓定子繞組圍繞軸線轉(zhuǎn)動60176。，以此類推形成傳感器U、V、W根據(jù)預(yù)定控制邏輯產(chǎn)生新編碼，無限的循環(huán)下去，最終實(shí)現(xiàn)無刷直流電動機(jī)連續(xù)運(yùn)動。無刷直流電動機(jī)本身具有自動換向的性質(zhì)，不需要換向器，因此成為自控式同步電動機(jī)[16][19]。 永磁無刷直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)換邏輯表狀態(tài)ABCDEF邏輯量（正轉(zhuǎn)）101100110010011001正轉(zhuǎn)時電流流向A+BA+CB+CB+AC+AC+B邏輯量（反轉(zhuǎn)）010011001101100110反轉(zhuǎn)時電流流向BA+CA+CB+AB+AC+BC+ 永磁無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的確定本節(jié)數(shù)學(xué)模型建立是在理想情況下建立的，即磁路不飽和、氣隙均勻、定子三相繞組對稱、星形聯(lián)接；繞組電阻、電感和互感值均為為常數(shù)；不計(jì)電樞反應(yīng)；忽略齒槽效應(yīng)。(1) 電壓平衡方程 （）其中為磁極對數(shù)矩陣；、是三相定子的電壓；、是三相繞組的電勢；、是三相繞組的相電流；、是三相繞組的電流自感 ；、、是繞相之間互感；、是繞組的相電阻。我們假定==，==，=====，并由++=0可得 （）(2) 轉(zhuǎn)矩方程 （） （）其中，為角速度，為阻尼系數(shù)，為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，為負(fù)載的轉(zhuǎn)矩，為等效轉(zhuǎn)矩。(3) 狀態(tài)方程 （）(4) 不帶負(fù)載的運(yùn)動學(xué)方程 （） （） （） （）將上式經(jīng)過拉式變換得電動機(jī)的電路回路的模型，即 （） （） （）因?yàn)椋杂? （）其中為反電動勢的常數(shù)，為電機(jī)的輸出力矩，為負(fù)載力矩，為直流電機(jī)的反電動勢的常數(shù)，為力矩常數(shù)，為電動機(jī)電樞回路的電阻，轉(zhuǎn)子的粘性摩擦系數(shù)，為等效轉(zhuǎn)動慣量，為電樞的電感，為電樞的電流，為電樞的電流。 機(jī)電系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制方框圖(5) 帶負(fù)載的運(yùn)動學(xué)方程 （） （） （） （） （） （）以上各式經(jīng)過拉氏變換整理得： （） （） （）其中為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，為反電動勢的常數(shù)，為電機(jī)的輸出力矩，為負(fù)載力矩，為摩擦力矩，為直流電機(jī)的反電動勢的常數(shù)，為力矩常數(shù)，為電動機(jī)電樞回路的電阻，轉(zhuǎn)子的粘性摩擦系數(shù)，為電樞的電感，為電樞的電流，為電樞的電流。 永磁無刷直流電機(jī)控制方案選擇與確定 調(diào)速系統(tǒng)的分類(1) 開環(huán)控制系統(tǒng)顧名思義，開環(huán)控制就是不具有反饋信號的控制系統(tǒng)，驅(qū)動器接受到速度信號后，輸出一定的PWM波。當(dāng)速度需要發(fā)生改變時，系統(tǒng)只需通過改變PWM的占空比，進(jìn)而改變電機(jī)電樞上電壓的大小，最終實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。(2) 單閉環(huán)控制系統(tǒng)不難理解，單閉環(huán)控制就是控制系統(tǒng)中只存在一個反饋閉環(huán)的控制方式。一般為速度閉環(huán)，反饋量也是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種控制系統(tǒng)一般由速度給定、速度反饋以及速度調(diào)節(jié)等幾個模塊構(gòu)成。給定轉(zhuǎn)速就是預(yù)先輸入的n，結(jié)合測速傳感器反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速nf，兩者進(jìn)行邏輯運(yùn)算后得到轉(zhuǎn)速誤差信號ne，轉(zhuǎn)速誤差信號經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器的處理就輸出PWM值,然后把PWM信號經(jīng)過驅(qū)動器放大后就可以驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)起來，這樣就實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)的單閉環(huán)控制。(3) 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)事先將給定的速度值n與測速元器件反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速nf做差，得到轉(zhuǎn)速誤差信號ne，轉(zhuǎn)速誤差信號經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器處理后，就可以作為電機(jī)的電流參考值（轉(zhuǎn)速與電流有一定的線性關(guān)系）；同時，通過特定的電流檢測電路實(shí)時檢測定子繞組的電流值，兩者的差值就為電流誤差信號；最后根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測電路計(jì)算的轉(zhuǎn)子位置[15]，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器后確定各個功率開關(guān)器件導(dǎo)通時間和占空比，再經(jīng)過PWM驅(qū)動器放大處理后就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，并再次對這些步驟進(jìn)行循環(huán)實(shí)時反饋與調(diào)整。根據(jù)以上定義，顯然本文所研究的永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)采用的正是轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，其中把電流環(huán)做為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)做為外環(huán)。之所以采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，是因?yàn)槠滢D(zhuǎn)速響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快、控制精度高、系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)；而其缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。 控制算法的確定(1) 無位置傳感器的控制算法在伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，需要對轉(zhuǎn)子位置的檢測和換相技術(shù)進(jìn)行周密的思考與論證，這也是能否得到優(yōu)良控制系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。雖然采用位置傳感器來實(shí)現(xiàn)位置檢測是傳統(tǒng)的方法，但這樣會加重控制系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。針對該問題，無位置傳感器控制法應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸受到國內(nèi)外專家的關(guān)注。(2) 變結(jié)構(gòu)控制算法控制性能良好控制系統(tǒng)一直是設(shè)計(jì)人員不斷的追求，為了達(dá)到這個目的，人們不斷把代表最新科技技術(shù)的控制方法運(yùn)用在電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。其中，變結(jié)構(gòu)控制以其響應(yīng)速度快、對控制對象參數(shù)變化不敏感、抗干擾能力強(qiáng)、物理實(shí)現(xiàn)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，被越來越多的設(shè)計(jì)人員推崇。物理實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的關(guān)注。變結(jié)構(gòu)開關(guān)模式可以有兩種方式得到：第一種是根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)導(dǎo)出；第二種是依據(jù)系統(tǒng)的最大速度、最大加速度等系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。二者得到的變結(jié)構(gòu)開關(guān)模式都能使系統(tǒng)的位置控制達(dá)到較好的控制效果[19][21]。(3) 基于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法在這個控制算法中，對伺服電機(jī)電流調(diào)節(jié)特性的改善以及減小力矩波動是設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)所關(guān)注的重要問題之一。模糊控制法是基于專家系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為控制語句進(jìn)行系統(tǒng)控制，因此對不依賴于數(shù)學(xué)模型，具有良好系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性；而PID控制算法的顯著作用在于它能很好的消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；鑒于此，人們將兩者結(jié)合應(yīng)用于無刷直流電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)同時兼有上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐證明，對于傳統(tǒng)基于線性控制方法具有諸多缺點(diǎn)，如對控制模型依賴性強(qiáng)、不能在線動態(tài)調(diào)整、對于大滯后強(qiáng)耦合、非線性強(qiáng)的系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)控制時出現(xiàn)超調(diào)量過大而不易收斂等，前兩種算法已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代控制的需求，而逐漸被市場所淘汰。 本文一個亮點(diǎn)是綜合了先進(jìn)的模糊控制理論與傳統(tǒng)PID控制器的優(yōu)點(diǎn)，使得優(yōu)化后的控制策略具有動態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。 主要控制模塊的比較選擇目前，通常采用微處理器作為無刷直流伺服電機(jī)控制核心，它的結(jié)構(gòu)及性能對系統(tǒng)控制精度起著決定性的作用。根據(jù)工程需求和實(shí)際使用的角度來說，要求微處理器易維護(hù)、性能穩(wěn)定、控制簡單、時效性編程效率高。故微處理器的選擇是整個控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵步驟之一。可編程控制器可對無刷直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制。這需要扎實(shí)的編程基礎(chǔ)，同時還要非常熟悉無刷直流電機(jī)的控制過程，必要時編程者還得參與硬件電路的設(shè)計(jì)。毋庸置疑，這對設(shè)計(jì)者帶來的壓力是巨大的。市面上可供選擇的單片機(jī)的種類很多，但單片機(jī)開關(guān)的控制頻率與控制精度不高，這直接影響到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動和開關(guān)頻率，最終會使無刷直流伺服電機(jī)得轉(zhuǎn)矩波動更加明顯。因此，由單片機(jī)控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制速度無法達(dá)到理想的要求，其控制精度也無法滿足要求。而作為專用數(shù)字信號處理器DSP相對于單片機(jī)而言，由于結(jié)構(gòu)上的本質(zhì)區(qū)別，使得DSP在控制速度和控制效率方面達(dá)到了一個理想的高度。而且，基于DSP對無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)元器件的數(shù)量也明顯減少[19]，從而降低了成本。最重要的，這樣就可以實(shí)現(xiàn)無傳感器控制。本章主要內(nèi)容是對無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了相關(guān)的分析，建立了數(shù)學(xué)模型及其電氣模型，并在此基礎(chǔ)上對無刷直流電機(jī)控制方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中包括調(diào)速方法、控制算法、中央控制單元等做了對比說明，并根據(jù)實(shí)際需要做了必要的調(diào)整，為后續(xù)的研究工作奠定基礎(chǔ)。3 基于DSP的直流電機(jī)系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)無刷直流電機(jī)是伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，是其至關(guān)重要的一部分，它集有刷直流電動機(jī)和交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)便利、具有較好的啟動性能和轉(zhuǎn)速控制性能等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于隨著電機(jī)理論與加工技術(shù)的發(fā)展可做到高效率、小體積，因此己經(jīng)在許多高、新、端領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，對于伺服控制系統(tǒng)的速度控制精度有著較高的要求，尤其是在運(yùn)用反饋信號作為高速運(yùn)行的控制條件時，需要高靈敏度的反應(yīng)。然而，由于傳統(tǒng)微處理器的運(yùn)行速度較慢(如MCU)，無法滿足高速的運(yùn)行狀態(tài)，從而無法展現(xiàn)出無刷直流電機(jī)的突出性能。為此，在本文中選取由美國TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812數(shù)字信號處理器[2225]作為無刷直流電機(jī)的控制器。該處理器可以滿足高速運(yùn)行的控制要求，使無刷直流電機(jī)的優(yōu)秀性能充分發(fā)揮，也為伺服控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了強(qiáng)有力硬件支持。由DSP提供的六路PWM信號經(jīng)過高速光藕隔離后送至驅(qū)動芯片IR2130，再由驅(qū)動芯片輸出到驅(qū)動橋電路從而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，上位機(jī)顯示通過串口與DSP通信，發(fā)送指令來控制電機(jī)起動、停止等命令及轉(zhuǎn)速等參數(shù)，使電機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的方式和狀態(tài)運(yùn)行；通過顯示模塊獲得用戶需要重要信息，具有良好人機(jī)交互功能；控制系統(tǒng)在上電啟動后，若沒有對參數(shù)重新設(shè)置時，系統(tǒng)將會沿用上一次存儲的參數(shù)，自動從存儲模塊中讀前一次存入的參數(shù)。同時，上位機(jī)在系統(tǒng)調(diào)試過程中也是相當(dāng)重要的，可以通過面板對控制程序中的一些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，這樣不僅可以減小代碼反復(fù)燒寫次數(shù)，又可以增加修改程序靈活度。 總體控制框圖 硬件總體構(gòu)成該控制系統(tǒng)硬件電路主要由主電路模塊、控制電路模塊和輔助電路模塊等組成，其中主電路模塊則主要包含整流模塊及濾波模塊。一般情況下，逆變電路是由三相橋式連接的功率開關(guān)管組成。交流信號經(jīng)過整流、濾波后變?yōu)橹绷麟妷海缓笤诮?jīng)過逆變器把直流變成電壓、頻率可調(diào)的電流輸入到無刷直流電機(jī)，這樣就完成無刷直流電機(jī)啟動過程。控制電路以具有高速運(yùn)算能力DSP芯片為核心，這樣對構(gòu)成數(shù)字化控制系統(tǒng)，并對其保護(hù)電路等設(shè)計(jì)等[24]。 控制系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)框圖 軟件總體構(gòu)成將層次模塊化思想運(yùn)用到系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)之中，將主要程序部分分塊存放，便于系統(tǒng)的升級換代。在該系統(tǒng)中軟件主要分為主程序模塊和中斷程序模塊兩大部分，然后在這兩大部分中分別應(yīng)用模塊化思想，繼續(xù)將子程序模塊化。主程序模塊由三部分組成，即系統(tǒng)初始化模塊、捕獲當(dāng)前位置模塊和設(shè)置中斷標(biāo)志模塊；中斷程序模塊同樣也由三部分組成，分別是位置捕獲中斷模塊、速度控制中斷模塊及故障保護(hù)中斷模塊。 系統(tǒng)軟件總框圖 轉(zhuǎn)子位置檢測方案的選擇在無刷直流伺服電機(jī)中使用位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的磁極位置，在通過邏輯開關(guān)電路確定是否換相。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有各種各樣的位置傳感器，且每種傳感器都各具特點(diǎn)并有其不同的應(yīng)用范疇，現(xiàn)在主要有以下幾種形式的位