【導(dǎo)讀】隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，需要不斷地開發(fā)各種新型電動機。新技術(shù)新材料的不斷涌現(xiàn)，促進了電動機產(chǎn)品的不斷推陳出新。早在本世紀(jì)30年代，就有人開始研制以電子換向來。代替電刷機械換向的無刷直流機，并取得了一定的成果。但由于當(dāng)時的大功率電子器件僅。處于初級發(fā)展階段，沒能找到理想的電子換向元器件。由于電動機尚無起動轉(zhuǎn)矩而不能產(chǎn)品化。而后又經(jīng)過人們多年的努力，借助于霍爾元件來。實現(xiàn)換向的無刷直流機終于在1962年問世，從而開創(chuàng)了無刷直流機產(chǎn)品化的新紀(jì)元。MOSFET,IGBT等相繼出現(xiàn)，為無刷直流機的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)[1]。機一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子上放置永久磁鋼。子磁極主磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。和有刷直流電機相比，無刷直流機由于取消了電機的滑。動接觸機構(gòu)，因而消除了故障的主要根源。IntegratedCircuit)使用時靈活性較差，受到的限制過多。需要處理的數(shù)據(jù)量大、實時性和精度要求高時，單片機往往不再能滿足要求。

　　

【正文】 應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹娙跞Q于比例系數(shù)，比例系數(shù)越大，控制越強，但過大會導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 積分調(diào)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差。但它也會降低系統(tǒng)響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。 r(t) y(t)u(t)e(t)+++比例積分 被控對象 圖 34 模擬 PI控制系統(tǒng)原理圖 The diagram of analog PI Control System Diagram 采用 DSP 對電動機進行 控制時，使用的是數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)器，而不是模擬 PI 調(diào)節(jié)器，也就是說用程序取代 PI 模擬電路，用軟件取代硬件。將式 36 離散化處理就可以得到數(shù)字PI 調(diào)節(jié)器的算法： 00)( ueTTeKkukj jIkp ??????? ?? ??…………………………… （ 37） 或 ? ???0ueTKeKu jIkpk …………………………… （ 38） 式中 k采樣序號， k=0， 1， 2，?； uk第 k 次采樣時刻的輸出值； ek第 k 次采樣時刻輸入的偏差值； KI積分系數(shù)， IPI TKK /? ； u0開始進行 PI 控制是的原始初值。 用式（ 38）計算 PI 調(diào)節(jié)器的輸出 ku 比較繁雜，可將其進一步變化，令第 k 次采樣時刻的輸出值增量為： ? ? kIkkPkkk eTKeeKuuu ?????? ?? 11 ……………………………… （ 39） 所以 ? ? kIkkPkk eTKeeKuu ???? ?? 11 …………………………………… （ 310） 或 1211 ?? ??? kkkk eKeKuu ………………………………………… （ 311） 式中 1?ku 第 k1 次采樣時刻的輸出值 , 1?ke 第 k1 次采樣時刻的偏差值 , 1K IP TKKK ??1 , 2K PKK ??2 。 用式（ 310）或式（ 311）就可以通過有限次的乘法和加法快 速地計算出 PI 調(diào)節(jié)器的輸出 ku 。 以下是用式（ 311）計算 ku 的程序代碼： LT EK ； 1?? keT MPY K2 ； K2是 Q12格式， 21 KeP k ?? ? LACC GIVE ；給定值 SUB MEASURE ；減反饋值 SACL EK ；保存偏差值 ke LACC UK， 12 ； 1?ku LTA EK ； 211 KeuACC kk ??? ?? ， Q12格式， keT? MPY K1 ； k1是 Q12格式， 1KeP k ?? AP AC ； 1211 KeKeuA C C kKk ????? ?? ， Q12格式 SACH UK， 4 ；保存 以上程序代碼只用 10 條指令。如果用 40MIPS，只需 250ns 時間，足可以用于實時控制。 無刷直流 電動 機的起動 無位置傳感器無刷直流機是利用反電勢來決定換流時序的。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止或低速時，反電勢為零或太小，無法利用。因此電機必須以他控式同步電動機方式起動、加速，最后切換至無刷電機狀態(tài)。 由于電機靜止時的轉(zhuǎn)子初始位置決定了逆變器第一 次應(yīng)觸發(fā)哪兩個功率器件，但判斷轉(zhuǎn)子初始位置很復(fù)雜。因此永磁無刷直流機的端電壓法無傳感器控制的另一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是電機起動程序設(shè)計，以往采用的是“三段式”起動方式，即分為轉(zhuǎn)子定位、加速、切換三個過程，并且需要設(shè)計專門的起動電路 [17]。同時電機運行狀態(tài)的切換也必須滿足一定的條件，否則就會切換失敗。本系統(tǒng)采用預(yù)定位起動方式。其程序框圖如圖 36 所示。 預(yù)定位方式起動分為兩個步驟。第一步為強迫預(yù)定位，即不管轉(zhuǎn)子在何位置，給電機一個確定的通電狀態(tài)，電機定子合成磁勢在空間上有一確定方向，用足夠長的時間把轉(zhuǎn)子磁極拖到與定 子合成磁勢軸線重合的位置，實現(xiàn)預(yù)定位。第二步為起動，按照所需的轉(zhuǎn)向依次改變逆變器功率器件的觸發(fā)組合狀態(tài)，同時用“端電壓法”檢測各觸發(fā)組合狀態(tài)所對應(yīng)的開路相的反電勢過零點，并通過提高 PWM 占空比逐漸提高電機的外施電壓。各觸發(fā)組合狀態(tài)的持續(xù)時間最大值保持不變，設(shè)為 To。與自控式狀態(tài)一樣，用計數(shù)器進行計時，換流時刻固定在 To/2 處，換流后對開路相的感應(yīng)電勢過零點進行檢測。只要檢測到開路相的反電勢過零點，或計數(shù)器到達 To 時還沒檢測到開路相的反電勢過零點，計數(shù)器就重新復(fù)位，到 To/2 后再換流，這樣依次進行。如果連續(xù) N 次檢測到開路相的感應(yīng)電勢過零點，就切換到自控式狀態(tài)。 系統(tǒng)復(fù)位初始化起動電機？起動程序連續(xù) N 次檢測到過零點調(diào)同步運行程序電機停轉(zhuǎn)調(diào)電機制動程序結(jié)束NYNNYY 圖 35 起動程序框圖 The diagram of starting block diagram 之所以要連續(xù) N 次檢測到開路相的感應(yīng)電勢過零點后，才從他控式狀態(tài)切換到自控式狀態(tài)，目的是為了防止干擾等引起的誤檢測和轉(zhuǎn)速未趨于穩(wěn)定，影響起動過程的順利完成。所提出的方法起動可靠、實現(xiàn)簡單、方便。調(diào)試中需要注意的是 To 和 PWM 的占空比的選擇，以及對加速過程中占空比的變化速度的控制 。 采用這種方式起動，一方面使繞組中具有一定大小的反電勢信號，另一方面反電勢信號的相序是固定的而非隨機的，保證電機有一個確定的轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)電機的正確起動。需要注意的兩點： 1)在切換瞬間轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速要足夠大，以保證能夠有效地檢測到反電勢信號。 2)為可靠預(yù)定位，需要經(jīng)過短暫的延時，保證在進入起動階段前電機轉(zhuǎn)子經(jīng)過幾次擺動后穩(wěn)定在平衡點上。該起動方法具有的優(yōu)點是： a)使繞組中具有一定大小的反電勢信號。 b)反電勢信號的相序是固定不變的，而非隨機的，保證電機有一個確定的轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)電機的正確起動。 c)無須設(shè)計專門的 起動電路，簡化了硬件結(jié)構(gòu)，對于任意的轉(zhuǎn)子初始位置角，電機都能可靠實現(xiàn)預(yù)定位，保證電機從零速度起動并快速切換到無傳感器閉環(huán)方式運行。 起動時，對任意兩相通電，使其轉(zhuǎn)到與定子磁場一致的位置。通過一個延時來等待電動機軸停止振蕩。使用感應(yīng)電動勢過零檢測法時，由于轉(zhuǎn)速越低其相電壓越小，越不易測量，因此電動機的最低轉(zhuǎn)速一般不低于 30 r/min。起動時的速度參考值的設(shè)置應(yīng)考慮這個問題。在磁定位期間，不對速度進行調(diào)節(jié)，不對延遲時間進行估算，其他操作與正常時一樣。延遲時間采用一個初值，這個初值可由如下方法確定： 根據(jù)動力學(xué) 方程 ?? iTdtdJ22? …………………………………… （ 313） 解得電動機轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所需的時間為 : ??iTJt ?421 ???????????????（ 314） 式中， J 和 ?iT 看作常量。延遲時間的初值可根據(jù)式（ 314） 來設(shè)計。 4 軟件結(jié)構(gòu) 模塊功能介紹 1)SYS_INIT： 系統(tǒng)初始化模塊，通過這個模塊完成系統(tǒng)參 數(shù)、變量、及各軟件模塊的 初始化。 2)HALL3_DRV： 霍爾傳感器接口模塊，也即轉(zhuǎn)子位置檢測模塊，利用在 x24x 系列 DSP 控制器的捕獲輸入引腳 3 上輸入的三個霍爾傳感器輸出信號，該模塊主要用來獲得無刷直流電動機的位置信號，從而產(chǎn)生用于三相直流無刷電機的換向信號。如圖 36所示 圖 36 HALL3_DRV 結(jié)構(gòu)圖 Fig36 HALL3_DRV module 根據(jù) DSP 上 CAP 捕捉單元捕捉到的 3 相無刷直流電動機霍爾傳感器信號，對照相對應(yīng)的真值表，判斷出電機的位置，輸出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖給 MOD6_CNT 模塊。同時此模塊還對位置傳感器來的信號進行防抖動處理，消除由于電機振動產(chǎn)生的誤操作。 3)MOD6_CNT: 此軟件模塊實現(xiàn)一個模為 6 的軟件計數(shù)器，其輸入信號為 m6_trig_in，輸出為 m6_tr, 為 0～ 6 之間的計數(shù)值，用于換向控制。當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時，它從 0 數(shù)到 5，然后置 0,重新開ci 下一個狀態(tài)。根據(jù) m6_tr 的值，我們可 以確定逆變器的開關(guān)狀態(tài)。 4) BLDC_PWM_DRV 此軟件模塊是 PWM 波形生成模塊，主要用于產(chǎn)生三相功率變換電路的 6 個功率開關(guān)的開關(guān)控制信號，該模塊的輸入變量為： cmtn_ptr_bd：三相功率變換電路當(dāng)前的開關(guān)狀態(tài)，范圍 0～ 5。 d_func： PWM 輸出的占空比，范圍為 0000h～ 7FFFh。 mfunc_p： PWM 脈沖周期調(diào)制輸入，范圍為 000h~7FFFh。 通過對輸入變量進行處理，該模塊在 x24x 系列 DSP 控制器的全比較單元輸出引腳上產(chǎn)生合適的 PWM 脈沖，用以 驅(qū)動三相無刷直流電動機。系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)由輸入的變量 cmtn_ptr_bd 決定。而 PWM 輸出信號的占空比則可通過改變?nèi)容^寄存器 CMPRl， CMPR2 和 CMPR3 的值得到，占空比由輸入變量 D_func 決定。 Mfunc_p 決定電機的工作模式。結(jié)構(gòu)如圖 37所示。 圖 37 BLDC_3PWM_DRV 結(jié)構(gòu)圖 BLDC_3PWM_DRV module 5)SPEED_REG： 速度調(diào)節(jié)模塊，其功能是保證電機以給定的速度運行。這個模塊的輸入為速度采樣模塊采樣得到的給定速度以 及速度檢測模塊得到的當(dāng)前速度值，將給定速度與當(dāng)前速度進行比較有誤差即進行 PID 調(diào)節(jié)（詳情參考第三章）。其調(diào)節(jié)的結(jié)果是生成當(dāng)前狀態(tài)下期望的電流值，從而作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的輸入。其速度的增大和減小也是通過電流的變化來實現(xiàn)的。 6)CURRENT_REG： 電流調(diào)節(jié)模塊，其功能是保證系統(tǒng)在合適的電流下運行，其輸入是速度環(huán)的電流給定和電流采樣得到的當(dāng)前電流值，將給定電流與當(dāng)前電流采樣值進行比較，并進行調(diào)節(jié)（詳情參考第三章），其輸出為 D_func 也即 PWM 輸出的占空比。通過改變占空比從而改變電流的大小。 系統(tǒng)初始化的說明 1) F240 的初始化。 首先調(diào)用 F240 初始化子程序，對 F240 進行初始化，設(shè)置 DSP 運行方式。設(shè)置 PLL 單元，使 DSP 在 10MHz:的晶振輸入下，處理器以 20MHz 的速度運行 。設(shè)置看門狗單元，禁用看門狗功能 。設(shè)置等待狀態(tài)寄存器，使 DSP 與外擴存儲器數(shù)據(jù)交換時等待狀態(tài)為 0。同時 EV 寄存器清零。 2)系統(tǒng)參數(shù)、變量及各軟件模塊的初始化。 調(diào)用各軟件模塊的初始化程序，對系統(tǒng)的參數(shù)、變量、及各軟件模塊初始化。 其初始化程序如下： CALL BLDC_3PWM_DRV_INIT CALL MOD6_CNT_INIT CALL HALL3_DRV_INIT CALL ADC_ SAMPLE CALL INIT_ GET_SPEED INIT_SPEED_REG CALL INIT_CURRENT_REG 3)定時器 T2 的初始化。 定時器 T2 與 CAP 單元合用可以用來計算無刷直流電動機的速度信號。定時器 T2 為16 位的計時 /計數(shù)器，同定時器 TI 一樣。專用寄存器 T2PR 用來設(shè)置定時器的運行周期，這里我們設(shè)為 0XFFFFh。寄存器 T2CON 用來設(shè)置定時器的運行方式。這里我們選用連續(xù)加(continuousup)計數(shù)方式，當(dāng)計數(shù)器溢出時自動從 0xFFFFh 轉(zhuǎn)到 0X0000h。在兩位置改變的時間間隔內(nèi)，如果計數(shù)器計數(shù)不超過 65535，則整個速度計算不會產(chǎn)生錯誤，否則計算所得的速度會與實際速度差別很大。因此必須根據(jù)所知的最低轉(zhuǎn)速與兩位置間隔角度認(rèn)真選取定時器的分頻值。其值可根據(jù)計算公式 (51)估計出來。 其初始化程序如下： SPLK 0FFFEh, T2PER SPLK 0000h, T2CNT SPLK 17C0h, T2CON 4)中斷的初始化 本系統(tǒng)中使用的中斷比較多，包括 PWMINT 中斷、 PDPINT 中斷、 CAPINT 中斷，這些中斷形成了本系統(tǒng)的中斷處理程序。其中 PWMINT 中斷、 PDPINT 中斷產(chǎn)生系統(tǒng)中 INT2， CAPINT 中斷產(chǎn)生系統(tǒng)中斷 INT4 。其優(yōu)先級的大小為 PDPINTPWMINTCAPINT。因此我們必須設(shè)置中斷寄存器，使系統(tǒng)能夠響應(yīng) INT2(PWMINT、 PDPINT)、 INT4 中斷。 其初始化程序如下： LDP 0 SETC INTM 。屏蔽所有的中斷 LAC