【文章內(nèi)容簡介】 () ()表明 直流電機 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以通過改變電流幅值進行控制。式 ()、式 ()分別表明反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比、轉(zhuǎn)矩與電流成正比，其與恒定勵磁的普通直流電動機特性在形式上是相同的。普通直流電動機由于電刷和換向器的換向作用，使得由勵磁回路產(chǎn)生的磁場與電樞繞組通電后產(chǎn)生的磁場在電機運行過程中始終保持垂直從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，使電機連續(xù)運轉(zhuǎn)。 直流電機 的控制特性和有刷直流電動機基本相同，即在一個具有恒定磁通密 度分布的磁極下，保證電樞繞組中通入的電流總量恒定，以產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩只與電樞電流的大小有關(guān)。 保 護 電 路電 路 檢 測位 置 / 速 度 檢 測P W M隔離驅(qū)動控 制 信 號 輸 出D A R A MC Y 7 C 0 0 7通 信 接 口 8 9 C 5 1與 上 位 機 通 信人 機 接 口 鍵 盤 、 顯 示 及 報 警P D P I N TP WM A D CC A PT M S 3 2 0 F 2 4 0 7 圖 系統(tǒng)硬件框圖 圖 為 系統(tǒng)硬件框圖 ， 整個控制系統(tǒng)采用以 TMS320F2407 為控制核心、輔以89C51 的雙 CPU 結(jié)構(gòu)，主要由 DSP 部分、數(shù)據(jù)交換部分和單片機部分等組成。 （ 1） DSP 部分的設(shè)計 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 DSP 部分的硬件設(shè)計主要是在 DSP 最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行以下幾個方面的設(shè)計。 ① 位置 /轉(zhuǎn)速檢測接口設(shè)計 由于采用的轉(zhuǎn)子位置傳感器是霍爾集成位置 傳感器，接口簡便，將位置傳感器的輸出端經(jīng)光耦隔離后，再與 TMS320F2407 的三個 CAP 單元相接。轉(zhuǎn)速檢測是通過對位置傳感器輸出的交變信號進行軟件計算而間接獲得。 ② 電流檢測接口設(shè)計 采用處于逆變器低電壓與地之間的采樣電阻進行電流檢測，得到一個正比于電流的電壓信號，將電壓信號輸出端隔離后接至 TMS320F2407 自帶 A/D 轉(zhuǎn)換模塊。 ③ 必要的存儲器擴展，保護電路、驅(qū)動電路等的設(shè)計。 TMS320F2407 具有大量的片內(nèi)存儲器和豐富的片內(nèi)外設(shè)，充分利用 其 本身的內(nèi)部硬件資源，不僅有利于簡化系統(tǒng)設(shè)計，而且有利于 提高系統(tǒng)的性能、降低系統(tǒng)的成本。 （ 2） 數(shù)據(jù)交換部分的設(shè)計 數(shù)據(jù)交換部分通過雙口 RAM CY7C007 實現(xiàn) TMS320F2407 和 89C51 之間的數(shù)據(jù)交換。雙口 RAM 的數(shù)據(jù)交換方式與其他如并行通信、串行通行、 DMA 方式相比，實現(xiàn)簡單，大大提高了 DSP 與單片機之間的并行數(shù)據(jù)處理能力，滿足了系統(tǒng)的實時性要求。 （ 3） 單片機部分的設(shè)計 單片機部分采用 89C51 單片機，主要設(shè)計人機接口進行狀態(tài)的顯示和參數(shù)的設(shè)定，并提供故障報警功能。同時，進行通信接口的設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)與上位機的數(shù)據(jù)通信功能。以上基于雙口 RAM 通信的雙 CPU 結(jié)構(gòu)的硬件系統(tǒng)解決了 DSP 和單片機之間的數(shù)據(jù)通信問題，從而將 DSP 高速的處理能力和單片機強大的接口能力結(jié)合起來，實現(xiàn)了 DSP和單片機資源的合理配置，為構(gòu)建高性能、高可靠性的控制系統(tǒng)奠定了硬件基礎(chǔ)。 直流電機的基本控制方法 圖 中，給 直流電機 供電的逆變器有兩個基本任務(wù)，一是電子換流，它要求逆變器在每個控制瞬間直接向電動機的相應(yīng)相進行激勵，以維持同步和輸出最大轉(zhuǎn)矩 。二是電流調(diào)節(jié)，如 ()式所表示的那樣，在自同步運行中使電流幅值與輸出轉(zhuǎn)矩成正比。 (1) 電子換流 電子換流功能是逆變器按 六階梯順序?qū)?、關(guān)斷六個逆變器開關(guān)管來完成的，從而產(chǎn)生方形電流激勵波。在每個電周期內(nèi)只有六個間斷的逆變器開關(guān)動作，而在任何瞬時只有兩個逆變器開關(guān) — 上組一個，下組一個是導(dǎo)通的，若是星形連接，則在所有時間內(nèi)，逆變器的輸入電流串聯(lián)流經(jīng)三相電動機中的兩相。當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 600 電角度時，逆變器 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 圖 直流電機主電路 開關(guān)管之間就進行一次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次。可見，定子合成磁場在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，步進角為 600 電角度。 直流電機 有 6 個磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩相導(dǎo)通，每個 開關(guān)管的導(dǎo)通角為 1200，由于轉(zhuǎn)子的氣隙磁通為方波，則電樞電流為方波，電樞的感應(yīng)電動勢為梯形波，大小與轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)速成正比。兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài) 直流電機 的三相反電動勢、電流與各開關(guān)管導(dǎo)通順序的關(guān)系如圖 。反電動勢與電流波形間的相位移 a 通常由轉(zhuǎn)子位置傳感器 PS 測定，用以實現(xiàn)自同步，從而控制電子換流。在低速情況下，對于給定的電流幅值 Is 使角度 α 盡可能保持接近零，這樣就可使轉(zhuǎn)矩以及輸出功率達到最大值，相電流和反電動勢波形保持同相位。這種關(guān)系相當(dāng)于普通直流電動機中的整流子電刷與靜止磁場的磁通相正交。在高速情況 下，通常希望 α 角超前，以增大驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩，達到擴展高速運行區(qū)的目的。 (2) 電流調(diào)節(jié) 電流調(diào)節(jié)功能是利用基本的斬波技術(shù)，通過檢測直流環(huán)節(jié)電流 1，對逆變器開關(guān)管進行控制，實現(xiàn)電機相電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。盡管三相定子電流都要進行調(diào)節(jié)，在直流環(huán)節(jié)只需一個電流傳感器就可完成這一功能，因為被調(diào)節(jié)的總線電流幾在每一瞬間都是流經(jīng)兩個串聯(lián)工作的相繞組的。相電流的幅值是通過控制逆變器開關(guān)管的占空比對應(yīng)的導(dǎo)通、關(guān)斷時間的相對長度來進行調(diào)節(jié)的。為達到要求的電流調(diào)節(jié)的目的，可采用各種PWM 控制策略。在開關(guān)變換器中廣泛采用簡單的“ 恒定頻率”以及“恒定關(guān)斷時間”的占空比控制策略。也可采用滯環(huán)電流控制策略，由控制電路產(chǎn)生給定頻率和幅值的電流參考信號，與實際電流檢測信號相比較，其偏差經(jīng)過滯環(huán)比較器，控制逆變器該相應(yīng)相上下兩個橋臂開關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷，從而實現(xiàn)電流調(diào)節(jié)功能。 實現(xiàn)檢測功能最常用的方法之一是在電動機氣隙中或接近氣隙處安裝一組 (三個 )霍爾開關(guān)，用以檢測路經(jīng)此處的轉(zhuǎn)子磁極的磁場。有大量不同型式和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子位置傳感器可用于 直流電機 ，以滿足各種應(yīng)用。如絕對編碼器和解碼器可以產(chǎn)生電子換流信號，+T 1T 0T 3T 2T 5T 4ABC電源D1D5D3D 2 D 4 D 6D 7D8D 9D10D 12D 11C R邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 同時也可提供高分辨率的位置和速度反饋信號，這些 信號對于高性能速度和位置伺服閉環(huán)控制是必需的。 圖 三相反電動勢、電流與開關(guān)管導(dǎo)通順序關(guān)系圖 直流電動機的運行特性 [17][18] 電動機是一種輸入電功率、輸出機械功率的原動機械。因此我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨電壓、電流、負載變化而變化的規(guī)律。據(jù)此，電動機的運行特性可分為 :起動特性、工作特性、機械特性和調(diào)速特性。討論各種電動機的運行特性一般都從電勢公式 (即轉(zhuǎn)速公式 )、電勢平衡方程式、轉(zhuǎn)矩公式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式出發(fā)。對于直流電動機，其電勢 平衡方程式為 : acp acpU E I r U? ? ? ? （ ） 式中 U — 電源電壓（ V）； E — 電樞繞組反電勢 (V)； acpI — 平均電樞電流 (A)； acpr — 電樞繞組的平均電阻（ Ω）； 1 2 00ΘebeceaebuΘ1 2 00iaibibici32321216565434346 00開 關(guān) 管 導(dǎo) 通 順 序邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 U? — 功率器件的飽和管壓降 (V)； 對于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢均可表示為： eE Kn? （ ） 式中 n — 電動機轉(zhuǎn)速 (r/min)； eK — 反電勢系數(shù) (V/r/min)； 由方程式 ()、 ()可知 a c p a c pE U U I rnK e K e? ? ??? （ ） 在轉(zhuǎn)速不變時，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為： L0T T T?? （ ） 式中 T — 電磁轉(zhuǎn)矩 (Nm) LT — 輸出轉(zhuǎn)矩 (Nm) 0T — 摩擦轉(zhuǎn)矩 (Nm) 這里 r acpT KI? （ ） rK — 轉(zhuǎn)矩系數(shù) (Nm /A)； 在轉(zhuǎn)速變動情況下，則有： L0 dwT T T J dt? ? ? （ ） 式中系數(shù)： J — 轉(zhuǎn)動部分（包括電動機本體轉(zhuǎn)子、傳感器轉(zhuǎn)子及負載）的轉(zhuǎn)動慣量（ NmS2） dwdt — 轉(zhuǎn)子的機械角加速度 (rad/s2)。 下面從這些基本公式出 發(fā)，來討論電動機的各種運動特性。 （ 1）起動特性 [19] 由方程式（ ）、（ ）、（ ） 可知，電動機在啟動時，由于反電勢為零，因此電樞電流（即起動電流）為 In=acpUUr?? （ ） 其值可為正常工作電樞電流的幾倍到幾十倍。所以啟動電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動機可以很快啟動。并能帶負載直接啟動。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢 E增加，電磁轉(zhuǎn)矩降 低，加速力邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 矩也減少，最后進入正常工作狀態(tài)。 （ 2）機械特性和調(diào)速特性 機械特性是指外加電源電壓恒定時，電動機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，由方程式（ ）、（ ）和（ ）可知 Iacp=acpUUr?? eacpnKr （ ） T=KrIacp=KracpUUr?? eracpnKKr （ ） 圖 機械特性曲線 式 ()等號右邊的第一項是常數(shù) (當(dāng)不計 △ U的變化和電樞反應(yīng)的影響時 )。所以，電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而線性增加，如圖 。當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時，即為起動電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)方程式 ()右邊兩項相等時，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。實際上，由于電動機損耗中可變部分及電樞反應(yīng)的影響，輸出轉(zhuǎn)矩稍稍偏離直線變化。又因為功率晶體管的飽和管壓降隨著集電極電流的變化而變化，在基極電流不變時。功率晶 體管的飽和壓降和集電極電流之間成正比的關(guān)系。所以，隨著轉(zhuǎn)速的減小，電動機的反電勢也減小，電樞電流增加， U? 增大到一定值以后，增加較快。所以機械特性曲線在接近堵轉(zhuǎn) (即轉(zhuǎn)速很低 )時，加快下跌，如圖 。如假定外加直流電壓一定，減小電機負載，轉(zhuǎn)速升高，逆變器的觸發(fā)頻率也會提高，同時反電勢增加，電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩也減小。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩平衡時，電機就維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運行。如果負載不變，提高外加直流電壓，則轉(zhuǎn)速升高，逆變器的頻率提高，反電勢增大，使電流 減小，電磁轉(zhuǎn)矩又呈減小趨勢，這樣就使電機維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運行。由此可見，由于直流電動機的自同步性，可通過調(diào)節(jié)直流電壓來實現(xiàn)。又從方程式 ()可見，改變電源電壓，可以很容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩 (在同一轉(zhuǎn)速下 )或 (在同一負載下 )。所以，在電子換向線路及其他控制線路保持不變的情況下，直流電動機調(diào)速性能很好，可以利用改變電源電壓來實現(xiàn)平滑的調(diào)速。這說明直流電動機的運行特性有著良好的控制性能。直流電動機的轉(zhuǎn)子由磁性材料構(gòu)成，具有很高的電阻率，可以忽略轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 所以，從方程式 ()和式 ()可知，系統(tǒng) 的運動方程可由下列二階微分方程構(gòu)成 : wor e f tdiL K u R ( i i ) EdtdwJ T ( ) Tdt? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? （ ） 式中 i0 — 穩(wěn)態(tài)電流 (A)； u — 控制器要求輸出的電壓 (V)； wK — 控制量增益 ； R — 電樞電阻 (?)； J — 電機轉(zhuǎn)動慣量 (Nms2)；