【文章內容簡介】 () ()表明 直流電機 產生的轉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速成正比、轉矩與電流成正比，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，使得由勵磁回路產生的磁場與電樞繞組通電后產生的磁場在電機運行過程中始終保持垂直從而產生最大轉矩，使電機連續(xù)運轉。 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，以產生恒定的轉矩，且轉矩只與電樞電流的大小有關。 保 護 電 路電 路 檢 測位 置 / 速 度 檢 測P W M隔離驅動控 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 結構，主要由 DSP 部分、數據交換部分和單片機部分等組成。 （ 1） DSP 部分的設計 邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 14 DSP 部分的硬件設計主要是在 DSP 最小系統(tǒng)基礎上進行以下幾個方面的設計。 ① 位置 /轉速檢測接口設計 由于采用的轉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光耦隔離后，再與 TMS320F2407 的三個 CAP 單元相接。轉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 轉換模塊。 ③ 必要的存儲器擴展，保護電路、驅動電路等的設計。 TMS320F2407 具有大量的片內存儲器和豐富的片內外設，充分利用 其 本身的內部硬件資源，不僅有利于簡化系統(tǒng)設計，而且有利于 提高系統(tǒng)的性能、降低系統(tǒng)的成本。 （ 2） 數據交換部分的設計 數據交換部分通過雙口 RAM CY7C007 實現 TMS320F2407 和 89C51 之間的數據交換。雙口 RAM 的數據交換方式與其他如并行通信、串行通行、 DMA 方式相比，實現簡單，大大提高了 DSP 與單片機之間的并行數據處理能力，滿足了系統(tǒng)的實時性要求。 （ 3） 單片機部分的設計 單片機部分采用 89C51 單片機，主要設計人機接口進行狀態(tài)的顯示和參數的設定，并提供故障報警功能。同時，進行通信接口的設計，實現系統(tǒng)與上位機的數據通信功能。以上基于雙口 RAM 通信的雙 CPU 結構的硬件系統(tǒng)解決了 DSP 和單片機之間的數據通信問題，從而將 DSP 高速的處理能力和單片機強大的接口能力結合起來，實現了 DSP和單片機資源的合理配置，為構建高性能、高可靠性的控制系統(tǒng)奠定了硬件基礎。 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，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相進行激勵，以維持同步和輸出最大轉矩 。二是電流調節(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 六階梯順序導通、關斷六個逆變器開關管來完成的，從而產生方形電流激勵波。在每個電周期內只有六個間斷的逆變器開關動作，而在任何瞬時只有兩個逆變器開關 — 上組一個，下組一個是導通的，若是星形連接，則在所有時間內，逆變器的輸入電流串聯流經三相電動機中的兩相。當轉子每轉過 600 電角度時，逆變器 邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 15 圖 直流電機主電路 開關管之間就進行一次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次?？梢?，定子合成磁場在空間不是連續(xù)旋轉的磁場，而是一種跳躍式旋轉磁場，步進角為 600 電角度。 直流電機 有 6 個磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩相導通，每個 開關管的導通角為 1200，由于轉子的氣隙磁通為方波，則電樞電流為方波，電樞的感應電動勢為梯形波，大小與轉子磁通和轉速成正比。兩相導通星形三相六狀態(tài) 直流電機 的三相反電動勢、電流與各開關管導通順序的關系如圖 。反電動勢與電流波形間的相位移 a 通常由轉子位置傳感器 PS 測定，用以實現自同步，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。這種關系相當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，以增大驅動系統(tǒng)的轉矩，達到擴展高速運行區(qū)的目的。 (2) 電流調節(jié) 電流調節(jié)功能是利用基本的斬波技術，通過檢測直流環(huán)節(jié)電流 1，對逆變器開關管進行控制，實現電機相電流的閉環(huán)調節(jié)控制。盡管三相定子電流都要進行調節(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，因為被調節(jié)的總線電流幾在每一瞬間都是流經兩個串聯工作的相繞組的。相電流的幅值是通過控制逆變器開關管的占空比對應的導通、關斷時間的相對長度來進行調節(jié)的。為達到要求的電流調節(jié)的目的，可采用各種PWM 控制策略。在開關變換器中廣泛采用簡單的“ 恒定頻率”以及“恒定關斷時間”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，其偏差經過滯環(huán)比較器，控制逆變器該相應相上下兩個橋臂開關管的導通或關斷，從而實現電流調節(jié)功能。 實現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，用以檢測路經此處的轉子磁極的磁場。有大量不同型式和結構的轉子位置傳感器可用于 直流電機 ，以滿足各種應用。如絕對編碼器和解碼器可以產生電子換流信號，+T 1T 0T 3T 2T 5T 4ABC電源D1D5D3D 2 D 4 D 6D 7D8D 9D10D 12D 11C R邵陽學院畢業(yè)設計（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、電流與開關管導通順序關系圖 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。因此我們最關心的是它的轉矩、轉速，以及轉矩和轉速隨電壓、電流、負載變化而變化的規(guī)律。據此，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 (即轉速公式 )、電勢平衡方程式、轉矩公式和轉矩平衡方程式出發(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 管 導 通 順 序邵陽學院畢業(yè)設計（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 — 電動機轉速 (r/min)； eK — 反電勢系數 (V/r/min)； 由方程式 ()、 ()可知 a c p a c pE U U I rnK e K e? ? ??? （ ） 在轉速不變時，轉矩平衡方程式為： L0T T T?? （ ） 式中 T — 電磁轉矩 (Nm) LT — 輸出轉矩 (Nm) 0T — 摩擦轉矩 (Nm) 這里 r acpT KI? （ ） rK — 轉矩系數 (Nm /A)； 在轉速變動情況下，則有： L0 dwT T T J dt? ? ? （ ） 式中系數： J — 轉動部分（包括電動機本體轉子、傳感器轉子及負載）的轉動慣量（ NmS2） dwdt — 轉子的機械角加速度 (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。所以啟動電磁轉矩很大，電動機可以很快啟動。并能帶負載直接啟動。隨著轉子的加速，反電勢 E增加，電磁轉矩降 低，加速力邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 18 矩也減少，最后進入正常工作狀態(tài)。 （ 2）機械特性和調速特性 機械特性是指外加電源電壓恒定時，電動機轉速和電磁轉矩之間的關系，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 (當不計 △ U的變化和電樞反應的影響時 )。所以，電磁轉矩隨著轉速的減小而線性增加，如圖 。當轉速為零時，即為起動電磁轉矩。當方程式 ()右邊兩項相等時，電磁轉矩為零，此時的轉速即為理想空載轉速。實際上，由于電動機損耗中可變部分及電樞反應的影響，輸出轉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系。所以，隨著轉速的減小，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 (即轉速很低 )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，電磁轉矩也減小。當電磁轉矩和負載轉矩平衡時，電機就維持在一個較高的轉速下運行。如果負載不變，提高外加直流電壓，則轉速升高，逆變器的頻率提高，反電勢增大，使電流 減小，電磁轉矩又呈減小趨勢，這樣就使電機維持在一個較高的轉速下運行。由此可見，由于直流電動機的自同步性，可通過調節(jié)直流電壓來實現。又從方程式 ()可見，改變電源電壓，可以很容易地改變輸出轉矩 (在同一轉速下 )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，直流電動機調速性能很好，可以利用改變電源電壓來實現平滑的調速。這說明直流電動機的運行特性有著良好的控制性能。直流電動機的轉子由磁性材料構成，具有很高的電阻率，可以忽略轉子感應電流。邵陽學院畢業(yè)設計（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 — 電機轉動慣量 (Nms2)；