【正文】 ab Lac ia eaub = Rb ib + Lba Lb Lbc ib + eb (2)uc Rc ic Lca Lcb Lc ic ec 由于轉(zhuǎn)子是永磁體，La ，Lb ，Lc ，Lab ，Lba ，Lac ，Lca ，Lbc ，Lcb ，可視為常數(shù)，那么，Ra=Rb=Rc=RsLa=Lb=Lc=L Lab=Lba=Lac=Lca=Lbc=Lcb=M (3)ia+ib+ic=0因此，我們得到了首相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電壓方程，如(4)所示 ：Ua Rs ia L－M ia ea Ub = Rs ib + L－M ib + eb (4)Uc Rs ic L－M ic ec無(wú)刷直流電機(jī)得拓?fù)淠Ｐ褪怯?4)得到的，其模型如圖1所示。圖1 拓?fù)涞臒o(wú)刷直流電機(jī)模型因此，無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以由(1)和(4)描述。第三章 PWM_ON調(diào)制共同接地驅(qū)動(dòng)架構(gòu)作為三相逆變器而言， PWM控制方案被廣泛應(yīng)用于控制速度和目前的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。有以下常用的PWM調(diào)制模式： H_PWM＆ L_ON，H_ON＆L_PWM和H_PWM＆ L_PWM。前兩種模式，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是，在每個(gè)電周期，相電流脈動(dòng)都很大。最后一種模式為了具有減少電流脈動(dòng)的優(yōu)勢(shì)而做了很多研究，但開(kāi)關(guān)損耗過(guò)大。然而，應(yīng)用于上述調(diào)制系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)，其控制部分與驅(qū)動(dòng)器部分是分離的。換句話說(shuō)就是控制電路和驅(qū)動(dòng)電路之間有起電氣隔離作用的光學(xué)耦合器。光學(xué)耦合器肯定會(huì)產(chǎn)生信號(hào)遲延，從而降低系統(tǒng)特性。另一方面，這種方法會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器的可靠性同時(shí)提高生產(chǎn)成本。下面介紹 PWM_ON調(diào)制策略和共同接地控制方案。A： PWM_ON調(diào)制策略無(wú)刷直流電機(jī)的電路拓?fù)淙鐖D1所示。傳統(tǒng)的控制方案是采用三相六拍和120度導(dǎo)電模式。不斷產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這就要求將理想梯形波在同一位置產(chǎn)生的電流反饋到EMF。不過(guò)，由于機(jī)繞組電感和可能會(huì)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，相電流的整流需要一定限度的時(shí)間。一些研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的大小與非逆變整流電流有關(guān)，同時(shí)隨調(diào)制方式的改變而改變。目前，幾種主要的PWM調(diào)制有：上橋臂調(diào)制，下橋臂120度恒通(H_PWM)。下橋臂調(diào)制，上橋臂120度恒通(L_PWM)，上下橋臂同時(shí)調(diào)制(H_PWM L_PWM) ，頭60度調(diào)制和后60度上下橋臂恒通（ PWM_ON ） ，頭60度和后60度上下橋臂都調(diào)制等。研究表明，PWM_ON調(diào)制具有最小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和開(kāi)關(guān)損耗的優(yōu)點(diǎn)。時(shí)序圖如圖2所示 。圖2 PWM_ON控制信號(hào)時(shí)序電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可用(5)表達(dá) ：Te =(eaia+ebib+ecic) (5)其中，Te代表電磁轉(zhuǎn)矩， P是磁極對(duì)， ω代表電機(jī)轉(zhuǎn)速，ea ,eb和 ec代表反饋電動(dòng)勢(shì)，ia, ib 和 ic代表三相電流。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行常規(guī)控制方案斌且忽略相移的影響，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為(6)：Te=2pkei (6)這里，Te代表電磁時(shí)間系數(shù)，i是穩(wěn)定狀態(tài)的電流。為了描述由pwm_on調(diào)制引起的相移而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，本文將以[60 176。，120 176。 ]為例進(jìn)行推導(dǎo)。如(7)所示的三相電流，可以獲得建立無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的依據(jù)。ia(t)=i(2ke+2Rsi+DU)tib(t)= （DUke）t (7)ic(t)=i+(4ke+3Rsi+DU)t這里，U是總線電壓， D是PWM的占空比。根據(jù)(5)和(7)，使用PWM_ON調(diào)制的無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩，可以由(8)描述：Te=2pkei +[2UDt8ket6Rsit] （8）電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可以表示為：ΔTeT=[8ket+6Rsit 2UDt] (9)從(9)可以看出，.光耦隔離器驅(qū)動(dòng)原理是如今最普遍使用的驅(qū)動(dòng)原理。采樣電流，速度和位置信號(hào)通過(guò)光電耦合器傳送到控制部分，然后輸出信號(hào)也通過(guò)光耦合器，并被驅(qū)動(dòng)器放大，最后控制逆變器的開(kāi)關(guān)。電氣隔離原理如圖3所示。光電耦合器在系統(tǒng)中應(yīng)用會(huì)造成一段時(shí)間的延遲，即使使用高速光耦，所產(chǎn)生的時(shí)間延遲還是超過(guò)2us 。與此同時(shí)，由于不是每個(gè)光耦合器具有相同的特性，控制信號(hào)不能同步。因此，系統(tǒng)的性能變差。本文提出的共同接地驅(qū)動(dòng)方案。控制部分和驅(qū)動(dòng)部分之間不使用光纖耦合器進(jìn)行隔離。減少了延時(shí)，因此，改善了系統(tǒng)特性中的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，降低了系統(tǒng)成本。共同接地閉環(huán)系統(tǒng)如圖4所示 。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以用(10)來(lái)描述。圖3光耦隔離驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)框圖圖4共同接地驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框F(S) = (10)其中，G(s)是開(kāi)環(huán)的傳遞函數(shù)。圖3所示得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以用傳遞函數(shù)(11)描述FG(S) = (11)其中，T1, T2分別是前向通道和反饋通道的延時(shí)。圖5對(duì)比共同接地驅(qū)動(dòng)器和隔離驅(qū)動(dòng)器之間的階躍響應(yīng)根據(jù)(10)和(11)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，設(shè)兩個(gè)T1和T2都是2us。仿真波形如圖5所示。由圖5可知，如果使用共地驅(qū)動(dòng)原理，系統(tǒng)將具有更好的性能。在無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)中，同時(shí)使用PWM_ON調(diào)制策略和共同接地驅(qū)動(dòng)原理將減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，時(shí)間延遲，系統(tǒng)故障和成本等。第四章PWM_ON共同接地?zé)o刷直流電機(jī)系統(tǒng)這部分介紹了設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基于FPGA芯片的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。數(shù)字無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)包括FPGA芯片、驅(qū)動(dòng)電路、三相逆變器和無(wú)刷直流電機(jī)。其基本工作原理可以被描述為：無(wú)刷直流電機(jī)輸出的位置信號(hào)輸入在FPGA芯片中設(shè)計(jì)的解碼器和位置/速度轉(zhuǎn)換器，誤差是速度指令減去位置/速度轉(zhuǎn)換器輸出的經(jīng)過(guò)PID控制器放大的速度反饋信號(hào)，然后輸入到PWM信號(hào)發(fā)生器中，位置解碼器根據(jù)位置信號(hào)同時(shí)輸出六個(gè)120 176。驅(qū)動(dòng)信號(hào)， PWM發(fā)生器和解碼器作為一個(gè)模塊的產(chǎn)生六個(gè)PWM_ON控制信號(hào)；6個(gè)控制信號(hào)作為三相逆變器的輸入被驅(qū)動(dòng)器放大，六個(gè)電源開(kāi)關(guān)控制PWM_ON狀態(tài)。數(shù)字控制系統(tǒng)模塊圖如圖6所示。圖6 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)框圖PID算法被廣泛應(yīng)用不僅是因?yàn)樗目刂平Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)規(guī)范簡(jiǎn)單、易于理解，還因?yàn)樗吮壤{(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。PID在S域的傳遞函數(shù)算法可以表示為(12)HPID=KP(1++τDS) (12)為了在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，（12）要轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散形式。 （12）在Z域可以由（13）表示：HPID (z)= KP++(1Z1) (13)(13)可以用離散差分方程(14)描述 ：up(n)=Kpe(n) uI(n)=u[n1]+KI(e[n]+e[n1]) (14)uD(n)=KD(e[n]e[n1])由（14）得到的PID算法在FPGA上該實(shí)現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7 硬件結(jié)構(gòu)PID算法的FPGA實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路包括IR2130和其他周邊電路。IR2130是實(shí)現(xiàn)公共接地驅(qū)動(dòng)器原理的關(guān)鍵組成部分。IR2130有一些很好的特點(diǎn)：它可以驅(qū)動(dòng)在高電壓環(huán)境下工作的三個(gè)上管和三個(gè)下管；它具有低壓和過(guò)流保護(hù)，可以防止交叉?zhèn)鲗?dǎo)；最重要的是，它沒(méi)有隔離器件，可以直接接收控制信號(hào)和三相逆變器的輸出信號(hào)，至此，公共接地原理就可以實(shí)現(xiàn)了。公共接地驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低了信號(hào)的延遲及輔助電源的供應(yīng)。因此降低了無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的成本。