【文章內(nèi)容簡介】 入永磁體。在設計電機磁鋼的形狀時，多數(shù)做成弧形(瓦片形)，這樣做的目的是為了產(chǎn)生梯形波電動勢。定子則是電機轉(zhuǎn)動時相對于電機殼體固定不動的部分，其上安裝有電樞，該結構與永磁有刷電機完全相反。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，但應用最多的是三相[20]。，其中、分別為三相繞組。在設計定子的繞組時，通常把短距繞組設計成分布式的，這樣做不但可以減少電機的轉(zhuǎn)矩脈動，而且還可以提高電動機運行平穩(wěn)性。同時優(yōu)化設計時，繞組通常采用星型連接，目的在于減少電動機的雜質(zhì)損耗。當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]，而新一代伺服電機轉(zhuǎn)子則把鐵硼等新興材料用到電機轉(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，最主要的是它能產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場。 永磁無刷直流電機的工作原理傳統(tǒng)直流電動機的構造時，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，要想達到驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)目的，就必須使電樞中的電流的方向發(fā)生改變，而這一實現(xiàn)過程一般是通過在電機中安裝換向器和電刷來實現(xiàn)的。根據(jù)電磁感應定律得知，轉(zhuǎn)子電樞受到感應磁場的作用力而使電動機旋轉(zhuǎn)起來。然而，電刷的存在使電動機的各方面的性能受到很大的限制。在設計永磁無刷直流電動機時，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。這樣的結構和傳統(tǒng)的直流電機相比，在設計思想上是辯證對立的。當然以上工作只是設計工作的一部分，因為定子上的電樞通電后，產(chǎn)生的磁場是恒定的，而根據(jù)電磁感應定律，這樣并不能驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動。要想使電動機旋轉(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，從而達到了電樞繞組切割磁感線的效果，進而產(chǎn)生電磁感應效應推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[14]。，無刷直流電動機主要由電動機和驅(qū)動器兩部分構成。無刷直流電動機繞組的接法形接法與三相異步電動機相似，都采用星型連接。驅(qū)動器的主要作用是接收上位機傳達的指令，進而控制電動機的啟動、停止、制動[25]；驅(qū)動器的另一個功能是對電機進行狀況進行預警保護和顯示等。 三相橋式結構無刷直流電動機工作原理圖，輸入信號預處理得到對稱交變矩形波信號。利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)技術獲得120176。相位差反饋信號，并進行邏輯計算，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分別導通，利用NS極交替變換進行依次導通控制。每路電路導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)預定控制邏輯產(chǎn)生新編碼，無限的循環(huán)下去，最終實現(xiàn)無刷直流電動機連續(xù)運動。無刷直流電動機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[16][19]。 永磁無刷直流電機正反轉(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+ 永磁無刷直流電機數(shù)學模型的確定本節(jié)數(shù)學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)；不計電樞反應；忽略齒槽效應。(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)，為電機的轉(zhuǎn)動慣量，為負載的轉(zhuǎn)矩，為等效轉(zhuǎn)矩。(3) 狀態(tài)方程 （）(4) 不帶負載的運動學方程 （） （） （） （）將上式經(jīng)過拉式變換得電動機的電路回路的模型，即 （） （） （）因為，所以有 （）其中為反電動勢的常數(shù)，為電機的輸出力矩，為負載力矩，為直流電機的反電動勢的常數(shù)，為力矩常數(shù)，為電動機電樞回路的電阻，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。 機電系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制方框圖(5) 帶負載的運動學方程 （） （） （） （） （） （）以上各式經(jīng)過拉氏變換整理得： （） （） （）其中為電機的轉(zhuǎn)動慣量，為反電動勢的常數(shù)，為電機的輸出力矩，為負載力矩，為摩擦力矩，為直流電機的反電動勢的常數(shù)，為力矩常數(shù)，為電動機電樞回路的電阻，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，進而改變電機電樞上電壓的大小，最終實現(xiàn)對電機轉(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)等幾個模塊構成。給定轉(zhuǎn)速就是預先輸入的n，結合測速傳感器反饋的實際轉(zhuǎn)速nf，兩者進行邏輯運算后得到轉(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)動電機轉(zhuǎn)起來，這樣就實現(xiàn)了對電機的單閉環(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，就可以作為電機的電流參考值（轉(zhuǎn)速與電流有一定的線性關系）；同時，通過特定的電流檢測電路實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器件導通時間和占空比，再經(jīng)過PWM驅(qū)動器放大處理后就可以控制電機轉(zhuǎn)動起來，并再次對這些步驟進行循環(huán)實時反饋與調(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)，是因為其轉(zhuǎn)速響應、轉(zhuǎn)矩響應速度快、控制精度高、系統(tǒng)抗干擾能力強；而其缺點是系統(tǒng)結構復雜、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控制系統(tǒng)設計的過程中，需要對轉(zhuǎn)子位置的檢測和換相技術進行周密的思考與論證，這也是能否得到優(yōu)良控制系統(tǒng)的關鍵之一。雖然采用位置傳感器來實現(xiàn)位置檢測是傳統(tǒng)的方法，但這樣會加重控制系統(tǒng)的負擔。針對該問題，無位置傳感器控制法應運而生，并逐漸受到國內(nèi)外專家的關注。(2) 變結構控制算法控制性能良好控制系統(tǒng)一直是設計人員不斷的追求，為了達到這個目的，人們不斷把代表最新科技技術的控制方法運用在電機控制系統(tǒng)的設計中。其中，變結構控制以其響應速度快、對控制對象參數(shù)變化不敏感、抗干擾能力強、物理實現(xiàn)簡單等諸多優(yōu)點，被越來越多的設計人員推崇。物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，越來越受到人們的關注。變結構開關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)設計。二者得到的變結構開關模式都能使系統(tǒng)的位置控制達到較好的控制效果[19][21]。(3) 基于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡的控制算法在這個控制算法中，對伺服電機電流調(diào)節(jié)特性的改善以及減小力矩波動是設計伺服控制系統(tǒng)所關注的重要問題之一。模糊控制法是基于專家系統(tǒng)經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為控制語句進行系統(tǒng)控制，因此對不依賴于數(shù)學模型，具有良好系統(tǒng)動態(tài)響應特性；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，人們將兩者結合應用于無刷直流電機的伺服控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)同時兼有上述兩種方法的優(yōu)點。實踐證明，對于傳統(tǒng)基于線性控制方法具有諸多缺點，如對控制模型依賴性強、不能在線動態(tài)調(diào)整、對于大滯后強耦合、非線性強的系統(tǒng)進行動態(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。 本文一個亮點是綜合了先進的模糊控制理論與傳統(tǒng)PID控制器的優(yōu)點，使得優(yōu)化后的控制策略具有動態(tài)響應快、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)精度高等諸多優(yōu)點。 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控制核心，它的結構及性能對系統(tǒng)控制精度起著決定性的作用。根據(jù)工程需求和實際使用的角度來說，要求微處理器易維護、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)設計工作的關鍵步驟之一?？删幊炭刂破骺蓪o刷直流伺服電機控制系統(tǒng)進行邏輯控制。這需要扎實的編程基礎，同時還要非常熟悉無刷直流電機的控制過程，必要時編程者還得參與硬件電路的設計。毋庸置疑，這對設計者帶來的壓力是巨大的。市面上可供選擇的單片機的種類很多，但單片機開關的控制頻率與控制精度不高，這直接影響到電機的轉(zhuǎn)矩波動和開關頻率，最終會使無刷直流伺服電機得轉(zhuǎn)矩波動更加明顯。因此，由單片機控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制速度無法達到理想的要求，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相對于單片機而言，由于結構上的本質(zhì)區(qū)別，使得DSP在控制速度和控制效率方面達到了一個理想的高度。而且，基于DSP對無刷直流電機的控制系統(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，這樣就可以實現(xiàn)無傳感器控制。本章主要內(nèi)容是對無刷直流電機的結構原理進行了相關的分析，建立了數(shù)學模型及其電氣模型，并在此基礎上對無刷直流電機控制方案進行優(yōu)化設計，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)實際需要做了必要的調(diào)整，為后續(xù)的研究工作奠定基礎。3 基于DSP的直流電機系統(tǒng)控制方案設計 控制系統(tǒng)總體結構無刷直流電機是伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，是其至關重要的一部分，它集有刷直流電動機和交流電機的優(yōu)點于一身，具有結構簡單、維護便利、具有較好的啟動性能和轉(zhuǎn)速控制性能等諸多優(yōu)點。由于隨著電機理論與加工技術的發(fā)展可做到高效率、小體積，因此己經(jīng)在許多高、新、端領域展現(xiàn)出良好的應用前景。在實際的工程應用中，對于伺服控制系統(tǒng)的速度控制精度有著較高的要求，尤其是在運用反饋信號作為高速運行的控制條件時，需要高靈敏度的反應。然而，由于傳統(tǒng)微處理器的運行速度較慢(如MCU)，無法滿足高速的運行狀態(tài)，從而無法展現(xiàn)出無刷直流電機的突出性能。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]作為無刷直流電機的控制器。該處理器可以滿足高速運行的控制要求，使無刷直流電機的優(yōu)秀性能充分發(fā)揮，也為伺服控制系統(tǒng)的可靠運行提供了強有力硬件支持。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的運轉(zhuǎn)，上位機顯示通過串口與DSP通信，發(fā)送指令來控制電機起動、停止等命令及轉(zhuǎn)速等參數(shù)，使電機按照預先設定的方式和狀態(tài)運行；通過顯示模塊獲得用戶需要重要信息，具有良好人機交互功能；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，上位機在系統(tǒng)調(diào)試過程中也是相當重要的，可以通過面板對控制程序中的一些參數(shù)進行實時調(diào)整，這樣不僅可以減小代碼反復燒寫次數(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管組成。交流信號經(jīng)過整流、濾波后變?yōu)橹绷麟妷?，然后在?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，這樣就完成無刷直流電機啟動過程。控制電路以具有高速運算能力DSP芯片為核心，這樣對構成數(shù)字化控制系統(tǒng)，并對其保護電路等設計等[24]。 控制系統(tǒng)總體硬件設計框圖 軟件總體構成將層次模塊化思想運用到系統(tǒng)的軟件部分設計之中，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、捕獲當前位置模塊和設置中斷標志模塊；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，在通過邏輯開關電路確定是否換相。隨著電力電子技術的發(fā)展，現(xiàn)在已有各種各樣的位置