【正文】 tifier)、三相逆變模塊(Threephase inverter)。圖 312 模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（1）速度調(diào)節(jié)器速度調(diào)節(jié)器基于 PI 調(diào)節(jié)，其中 N*為參考轉(zhuǎn)速，N 為實(shí)際轉(zhuǎn)速，T e*為參考轉(zhuǎn)矩，如圖 313 所示。首先參考轉(zhuǎn)速 N*通過速度斜坡器(Speed ramps),使階躍信號(hào)轉(zhuǎn)化為斜坡信號(hào)，真實(shí)情況下電機(jī)轉(zhuǎn)速不能產(chǎn)生突變，如圖 314 所示。實(shí)際轉(zhuǎn)速 N 通過一階低通濾波器，去掉輸入信號(hào)中不必要的高頻成分，防止高頻干擾。使得輸出信號(hào)更加平滑與理想。圖 313 速度調(diào)節(jié)器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究, 圖 314 速度突變轉(zhuǎn)化為速度漸變（2）矢量控制器矢量控制模塊包含四個(gè)子模塊，如下圖 315 所述：圖 315 矢量控制器1)dq—abc 模塊的作用是將轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系的 d、q 軸電流轉(zhuǎn)換為 A、B、C 三相電流。 2)電流調(diào)節(jié)器模塊(Current regulator)是一個(gè)具有可調(diào)磁滯帶寬的電流調(diào)節(jié)器。3)角度轉(zhuǎn)換模塊(Angle conversion) 由機(jī)械轉(zhuǎn)子角計(jì)算電子轉(zhuǎn)子角。4)開關(guān)控制模塊(Switching control)用于限制變頻器的最大頻率值，此值由用戶設(shè)定。（3）制動(dòng)回收模塊制動(dòng)回收模塊包含側(cè)電壓電容器和動(dòng)力制動(dòng)回收器，其目的是回收電機(jī)減速時(shí)的能量。如下圖 316 所示，電池的電壓為 310V，車輛在啟動(dòng)或制動(dòng)（驅(qū)動(dòng)電機(jī)承受負(fù)轉(zhuǎn)矩）時(shí)，電池兩端的實(shí)際電壓上升，電池處于充電狀態(tài)，為防止電源承受的電壓過大，需要接入保護(hù)電阻。制動(dòng)回收模塊的工作電壓設(shè)為330V，當(dāng)實(shí)際電壓大于或者等于 330V 時(shí)，比較控制器（Proportional controller）輸出值為 1，控制開關(guān)閉合，開關(guān)內(nèi)部的電阻接入電路，防止電壓過大。當(dāng)電池兩端的實(shí)際電壓小于或者等于 310V 時(shí)，比較控制器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究（Proportional controller）輸出值為 0，控制開關(guān)打開，此時(shí)相當(dāng)于該電路斷開，如圖 317。圖 316 能量回收模塊圖 317 比較控制器信號(hào)與直流母線電壓 根據(jù) MTPA 原理計(jì)算 Tem 對(duì)應(yīng)的控制電流 iq、i d 源程序f=。ld=。lq=。Rs=。p=4。j=。imax=30。 %參數(shù)賦值iq=0::()。 %賦予iq不同的數(shù)值，使idiq曲線盡可能接近idmaxiqmaxid=(f+(f.^2+4.*(ldlq).^2.*iq.^2).^)/(2.*(ldlq))。 %根據(jù)等式(228)，計(jì)算id subplot(2,1,1)。plot(id,iq,39。b39。)。 %畫出idiq曲線hold on。id_max=(f+(f.^2+8.*(ldlq).^2.*imax.^2).^)/(4.*(ldlq))。 %根據(jù)公式（230），計(jì)算電流達(dá)到極限值時(shí)的id值無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究iq_max=(imax.^2id_max.^2).^。 %根據(jù)公式（230），計(jì)算電流達(dá)到極限值時(shí)的iq值subplot(2,1,1)。plot(id_max,iq_max,39。r+39。)。 %畫出電流極限值時(shí)的 idmaxiqmax點(diǎn)Tittle = legend(39。idiq39。,39。idmax_iqmax39。,2)。xlabel(39。id39。)。ylabel(39。iq39。)。id1=id./(f./ld)。 %標(biāo)么化處理，id*=id1id_max1=id_max./(f./ld)。 %標(biāo)么化處理，id_max*=id_maxTem1=(id1.*(id11).^3).^。 %標(biāo)么化處理后，由等式(229)，計(jì)算Tem*Tem=Tem1.*(p.*f.^2./ld)。 %由標(biāo)么化處理的逆運(yùn)算，由Tem* 求出Tem，其中Tem*=Tem1Tem_max1=(id_max1.*(id_max11).^3).^。 %同理，計(jì)算電流極值對(duì)應(yīng)的最大扭矩Tem_max=Tem_max1.*(p.*f.^2./ld)。 %同上subplot(2,1,2)。plot(Tem,id,Tem,iq,39。r39。)。 %以Tem為橫軸，分別畫出Tem_iq，Tem_id曲線hold on。subplot(2,1,2)。plot(Tem_max,id_max,39。M*39。)。 %畫出idmax_Temax對(duì)應(yīng)的點(diǎn)subplot(2,1,2)。plot(Tem_max,iq_max,39。cp39。)。 %畫出iqmax_Temax對(duì)應(yīng)的點(diǎn) Tittle = legend(39。Temid39。,39。Temiq39。,39。idmaxTemax39。,39。iqmaxTemax39。,4)。xlabel(39。Tem39。)。ylabel(39。iq/id39。)。 運(yùn)行結(jié)果根據(jù)電機(jī)參數(shù)，繪制了 idiq 曲線以及電流極值對(duì)應(yīng)的 點(diǎn)，如圖 318 所示。繪制了轉(zhuǎn)矩 Tem 與控制電流 id 和 iq 曲線，如圖 319 所示。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究圖 318 idiq 曲線圖 319 Temiq，T emid 曲線 MTPA 控制的仿真結(jié)果對(duì)一凸極式無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行 MTPA 控制的仿真。用于仿真的電機(jī)參數(shù)如下：定子每相繞組電阻 RS=；直軸電感 Ld=；交軸電感Lq=；轉(zhuǎn)子磁通 ψr=；極對(duì)數(shù) P=4；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=m2；速度給定值 ωref=300rad/s；逆變器輸入直流電壓 155V。 電機(jī)空載電機(jī)空載仿真結(jié)果如圖 320 所示，由仿真結(jié)果可知，電機(jī)起動(dòng)瞬間，電流值較大，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩也較大，轉(zhuǎn)速跟隨轉(zhuǎn)矩的變大而逐步升高，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)完成后，各變量趨于穩(wěn)定。(a) 三相定子電流波形（V）無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究(b)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形（rad/s）(c)機(jī)轉(zhuǎn)矩波形（）(d)直流母線電壓波形(V)(e)id、iq 電流曲線(A)圖 320 電機(jī)空載 電機(jī)負(fù)載 Tf=2Nm電機(jī)負(fù)載 Tf=2Nm 的仿真結(jié)果如圖 321 所示。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)電機(jī)由空載變?yōu)樨?fù)載 Tf=2Nm 時(shí)，定子電流和轉(zhuǎn)矩較空載時(shí)大，轉(zhuǎn)速依然能夠穩(wěn)定在300rad/s。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究(a) 三相定子電流波形（V）(b)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形（rad/s）(c)機(jī)轉(zhuǎn)矩波形（）(d)直流母線電壓波形(V)(e)id、iq 電流曲線(A)圖 321 電機(jī)負(fù)載 負(fù)載在 突然由原來(lái)的 2Nm 變到 4Nm三相電流波形為理想正弦波，電機(jī)起動(dòng)完成后，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定值300rad/s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由 Tf=2Nm 突然變?yōu)?Tf=4Nm 時(shí)，電流迅速響應(yīng)升高，電磁轉(zhuǎn)矩跟隨電流的升高而升高，最后趨于穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速在負(fù)載變化的瞬間有一定無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究的波動(dòng)，但是很快就趨于穩(wěn)定，如圖 322 所示。(a) 三相定子電流波形（V）(b)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形（rad/s）(c)機(jī)轉(zhuǎn)矩波形（）(d)直流母線電壓波形(V)(e)id、iq 電流曲線(A)圖 322 電機(jī)負(fù)載突變 轉(zhuǎn)速在 突然由原來(lái)的 200 rad/s 變到 400 rad/s當(dāng)轉(zhuǎn)速由 200 rad/s 突變?yōu)?400 rad/s 時(shí)，電流和轉(zhuǎn)矩都產(chǎn)生一定的波動(dòng)，但很快就趨于穩(wěn)定，如圖 323 所示。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究(a) 三相定子電流波形（V）(b)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形（rad/s）(c)機(jī)轉(zhuǎn)矩波形（）(d)直流母線電壓波形(V)(e)id、iq 電流曲線(A)圖 323 電機(jī)轉(zhuǎn)速變化 電機(jī)制動(dòng)時(shí)，能量回收電機(jī)參數(shù)不變，參考轉(zhuǎn)速 ωref=300rad/s，啟動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 11N，在 時(shí)變?yōu)?1N ，此時(shí)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。制動(dòng)回收模塊的工作電壓為 330V，停止工作電壓為 310V，仿真結(jié)果如圖 324 所示。直流母線電壓控制在 330V，電池處于充電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能回收，同時(shí)防止電壓過大，如圖 325 所示。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究圖 324 電機(jī)承受負(fù)扭矩圖 325 汽車制動(dòng)電壓上升 MTPA 與 id=0 仿真結(jié)果對(duì)比、分析 結(jié)果對(duì)比對(duì)一凸極式無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行 MTPA，i d=0 控制的仿真。 用于仿真的電機(jī)參數(shù)如下：定子每相繞組電阻 RS=；直軸電感 Ld=；交軸電感Lq=；轉(zhuǎn)子磁通 ψr=；極對(duì)數(shù) P=4；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=m2。計(jì)算兩種控制方法下，定子電流的數(shù)值，如圖 326。在 Workspace 中以時(shí)間（t ）為橫軸，定子電流（i）為豎軸繪出 ti 曲線，如圖 327 所示。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究圖 326 計(jì)算電流模塊圖 327 電流比較 圖 328 d 軸電流比較 結(jié)果分析從圖 327 可以看出，采用上述最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制時(shí)所需要的定子電流無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究略小于 id=0 控制時(shí)需要的電機(jī)定子電流，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率。兩種控制方法下的 d 軸電流，均符合控制要求，完成了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的仿真控制，如圖328 所示。另外,根據(jù)文獻(xiàn)［22］的研究，凸極率 ρ =Lq / Ld 越大則效果越明顯，這對(duì)于大容量的伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有可觀的節(jié)能意義。 本章小結(jié)本章研究了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) id=0 和 MTPA 兩種控制的實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究。仿真結(jié)果表明，由于 MTPA 方法在初始啟動(dòng)時(shí)刻即按照最大轉(zhuǎn)矩電流關(guān)系對(duì)應(yīng)的大小對(duì)交直軸電流進(jìn)行控制，在系統(tǒng)容量有限的情況下，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，該算法在相同的定子電流條件下，電機(jī)輸出更大的電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而提高系統(tǒng)的效率。第五章 無(wú)刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)要求采用 DSP 芯片 TMS320F240 完成無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并要求在重點(diǎn)研究一種無(wú)位置傳感器而借助于 DSP 的強(qiáng)大功能用軟件設(shè)計(jì)來(lái)獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的方法，即反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法以及和其相關(guān)的預(yù)定位開環(huán)換相起動(dòng)法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出此系統(tǒng)的硬件控制部分和軟件部分。其中，硬件控制系統(tǒng)主要包括三相全橋逆變電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路以及功率器件的保護(hù)電路等。 無(wú)刷直流電機(jī)的基本硬件組成無(wú)刷直流電機(jī)主要由五部分組成，分別是數(shù)字信號(hào)處理器（DSP） 、永磁電機(jī)本體、控制電路部分、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)部分、接口電路部分。這里先給出硬件控制系統(tǒng)的總體框圖，如圖 所示：圖 硬件控制系統(tǒng)原理框圖PWM 功率驅(qū)動(dòng)電路 三相全橋逆變電路電流檢測(cè)電路反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路ADCADC其他接口電路以及必要的保護(hù)電路核心控制器TMS320F240BLDCM無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究整個(gè)控制系統(tǒng)采用 TMS320F240 DSP 芯片位控制器， DSP 控制器的 PWM 輸出通過 6 路光耦電路與預(yù)驅(qū)動(dòng)器 IR2130 相連,預(yù)驅(qū)動(dòng)器的輸出經(jīng)電阻接至功率器件的控制板。反電勢(shì)檢測(cè)電路中星形連接定子繞組的對(duì)地端電壓經(jīng)分壓濾波后直接連至 TMS320F240 芯片 ADC 模塊的測(cè)量通道，經(jīng)過 ADC 轉(zhuǎn)換得到端電壓信號(hào)。電流檢測(cè)電路中的電流信號(hào)(繞組電流檢測(cè))通過 DSP 的一路模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道檢測(cè)。本系統(tǒng)還設(shè)置了多種保護(hù)措施以保證系統(tǒng)各個(gè)組件的安全。下面我們將分別描述硬件控制系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分。 DSP 控制器 基于 DSP 控制器構(gòu)成的電機(jī)控制系統(tǒng)事實(shí)上是一個(gè)單片系統(tǒng)，因?yàn)檎麄€(gè)電機(jī)控制所需的各種功能都可由 DSP 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，可大幅度縮小目標(biāo)系統(tǒng)的體積，減少外部元器件的個(gè)數(shù)增加系統(tǒng)的可靠性。另外，由于各種功能都能通過軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，目標(biāo)系統(tǒng)升級(jí)容易，擴(kuò)展性、維護(hù)性都很好。同時(shí)，DSP 控制器的高性能使最終系統(tǒng)既可滿足那些要求比較低的系統(tǒng)，更可滿足那些對(duì)性能和精度要求較高的場(chǎng)合的需要。TMS320x24x 系列 DSP 控制器是 TI 公司推出的專為數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高速微處理器，它繼承了數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算速度快、信號(hào)實(shí)時(shí)處理的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于它面向數(shù)字控制系統(tǒng)，特別是面向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，使得它能夠運(yùn)行復(fù)雜控制算法，如自適應(yīng) Kalman 濾波、功率因素校正、FFT 算法以及繁重的矢量變換信號(hào)處理任務(wù)。專門為實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制系統(tǒng)（包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等）而設(shè)計(jì)的芯片結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化了目標(biāo)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，節(jié)省了目標(biāo)系統(tǒng)的成本。作為一個(gè)系統(tǒng)的管理者，DSP 必須具有強(qiáng)大的片內(nèi) I/O 端口和其他外圍設(shè)備。TMS320F240 的事件管理器（應(yīng)用優(yōu)化的外圍設(shè)備單元）與高性能的 DSP 內(nèi)核一起，使在所有類型電機(jī)的高精度、高效、全變速控制中使用先進(jìn)的控制技術(shù)成為可能。以下是 TMS320F240 的特點(diǎn)：1) TMS320F/C240 核心 CPU（1）32 位的中央算術(shù)邏輯單元（CALU）無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究（2）32 位加法器（3）16 位*16 位并行硬件乘法器，并帶有 32 位的結(jié)果寄存器（4）三個(gè)定標(biāo)移位寄存器（5）8 個(gè) 16 位輔助寄存器，帶有一個(gè)專用的算術(shù)單元，用來(lái)做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的間接尋址2) 存儲(chǔ)器（1）片內(nèi) 544 字*16 位的雙端口數(shù)據(jù)/ 程序 RAM（2）16K 字*16 位的片內(nèi) PROM 或閃速 EEPROM（3）224K 字*16 位的最大可尋址存儲(chǔ)器空間（64K 字的程