【正文】 但是，在實(shí)際中許多需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對靜差率提出較嚴(yán)格的要求 (也就 是要求調(diào)速 系統(tǒng)在一定的負(fù)載下的轉(zhuǎn)速變化要盡可能的小 )，不能允許很大的靜差率。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而與正弦波等效的波形，即為 SPWM 波形。這一結(jié)論是 SPWM 控制的重要理論基礎(chǔ)。 SPWM 控制 技術(shù) 隨 著電力電子技術(shù)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制 (PWM)技術(shù)已在中小功率電動(dòng)機(jī)的變頻基于 DSP 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 16 頁 (共 41 頁 ) 調(diào)速技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。 (2)由于開關(guān)頻率高，僅靠電動(dòng)機(jī)電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)性很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速性好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，同時(shí)電機(jī)損耗和發(fā)熱都較小。當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時(shí)，使開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)電流或電壓高于某一最大值時(shí)，使開關(guān)器件關(guān)斷。 (2)脈沖調(diào)頻調(diào)制 (Pulse Frequency Modulation，簡稱 PFM)。它具有效率高、體積小、低成本的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機(jī)車、城市無軌電車以及電平搬運(yùn)車等電力牽引設(shè)備的變速拖動(dòng)中，也廣泛應(yīng)用于無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中 [9]。 改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長的傳統(tǒng)系統(tǒng)中采用。改變電機(jī)磁通可以實(shí)現(xiàn)無極平滑調(diào)速，但只能減弱磁通，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬于恒功率調(diào)速方法，因?yàn)闊o刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場多由永磁鐵產(chǎn)生，所以這種調(diào)速方法不適用于無刷直流電機(jī)。改變電樞供電電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。 基于 DSP 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 12 頁 (共 41 頁 ) 無刷直流 電機(jī)有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 優(yōu)點(diǎn)： a) 變速平穩(wěn)，幾乎感覺不到振動(dòng)； b) 溫升低，可靠性好； c) 價(jià)格低，所以被較多廠家選用。這樣，在 120176。以一相繞組正相導(dǎo)通的范圍內(nèi)產(chǎn)生的力矩為例。不導(dǎo)通，再有 120176。 運(yùn)行中轉(zhuǎn)子位 置信號控制相應(yīng)的繞組導(dǎo)通，正轉(zhuǎn)時(shí)的導(dǎo)電順序如下： AB， AC，BC， BA， CA， CB(產(chǎn)生正轉(zhuǎn)力矩 )，如果要產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩則以反序通電。左右電角度。盡管二者構(gòu)造不同，它們所起的作用卻是完全相同的，都是為了實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的換相 [7]。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場。 + B A C VP3 VP1 B1 B VP2 A V1 V2 V3 圖 4 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源 的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給無刷直流電機(jī)的各相繞組，以便使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷的送出信號，改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電動(dòng)機(jī)的無接觸式換流過程的實(shí)質(zhì)。 圖 3 無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成框圖 無刷直流電機(jī)的工作原理 無刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組太長有三種接法，為了便于闡述，下面以三相星行繞組半控電路為例來說明無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖。功率邏輯單元是控制電路的核心，其功能是將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給直流無刷電動(dòng)機(jī)定子的各相繞組，以便使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。 + B A C 位置傳感器 A 開關(guān)電路 V1 V2 V3 圖 1 無刷直流 電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的永久磁鋼與永磁有刷電動(dòng)機(jī)中所使用的永磁鋼作用相似，均在電動(dòng)機(jī)氣隙中簡歷足夠的磁場，其不同之處在于：直流無刷電動(dòng)機(jī)中永久磁鋼在轉(zhuǎn)子上，而直流有刷電動(dòng)機(jī)的永久磁鋼裝在定子上。其定子的繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù)(2P=2,4， … )組成。 （ 4）其他應(yīng)用 家用電器、大型同步電機(jī)啟動(dòng)等。近幾年來，由于無刷直流電機(jī)體積小、重量小和高效節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，中小功率的交流變頻系統(tǒng)正逐步被無刷直流電機(jī)系統(tǒng)所取代，特別 是在紡織機(jī)械、印刷機(jī)械等原來應(yīng)用變頻系統(tǒng)較多的領(lǐng)域，而在一些直接由電池供電的直流電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，則更多的由無刷直流電機(jī)所取代。直流測速等 )。無刷直流電機(jī)的應(yīng)用主要分為以下幾類： （ 1）定速驅(qū)動(dòng)機(jī)械 一般工業(yè)場合不需要調(diào)速的領(lǐng)域以往大多是采用三相或單相交流異步和同步電機(jī)。 和有刷直流電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)由于取消了電機(jī)的滑動(dòng)接觸機(jī)構(gòu)，因而消除了故障的主要根源。本世紀(jì)中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無刷電機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生了。 基于 DSP 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 6 頁 (共 41 頁 ) 3 無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及原理 什么是無刷直流電機(jī) 由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 第三， DSP 運(yùn)算速度快，控制策略中可以使用先進(jìn)實(shí)時(shí)算法，如自適應(yīng)控制、狀態(tài)預(yù)估等，大大提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)。該器件利用 TI 的可重用 DSP 核心技術(shù)，顯示出 TI 的特殊能力一通過在單一芯片上集成一個(gè) DSP 和混合信號外設(shè)件，制造出面向各種應(yīng)用的 DSP 方案。通過復(fù)雜的算法達(dá)到同樣的控制 性能，降低成本，可靠性高，有利于專利技術(shù)的保密。所以，結(jié)構(gòu)上差異使 DSP 器件比準(zhǔn) 16 位單片機(jī)單指令執(zhí)行時(shí)間快 810 倍，完成一次乘法運(yùn)算快 1630 倍。同時(shí) DSP 采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)。 首先，與單片機(jī)相比， DSP 器件具有較高的集成度。將一 系列外圍設(shè)備如模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (A/D)、脈寬調(diào)制發(fā)生器 (PWM)和數(shù)字信號處理器 (DSP)集成在一起，就獲得一個(gè)既功能強(qiáng)大又非常經(jīng)濟(jì)的電機(jī)控制專用的 DSP 芯片。例如，在很多領(lǐng)域 (如工業(yè)、家電和汽車 )，用戶希望使用效率高且去掉霍爾效應(yīng)傳感器的電機(jī)。數(shù)字控制器與模擬控制器相比較，具有可靠性高、參數(shù)調(diào)整方便、更改控制策略靈活、控制精度高、對環(huán)境因素不敏感等優(yōu)點(diǎn)。因此現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)離不開功率器件和電機(jī)控制器的發(fā)展。 在實(shí)際中，電機(jī)應(yīng)用已由過去簡單的起停控制、提供動(dòng) 力為目的應(yīng)用，上升到對其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確的控制，使被驅(qū)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)符合預(yù)想的要求。另外，由 DSP的特點(diǎn)量身訂做，可以在其它的控制系統(tǒng)中根據(jù)不同的要求進(jìn)行外圍電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)而來構(gòu)成硬件的系統(tǒng)，這樣既便于設(shè)計(jì)思想的物化，又使得設(shè)計(jì)的系統(tǒng)更加緊湊，不浪費(fèi)資源。隨著新的控制芯片的出現(xiàn)，給技術(shù)升級提供了新的可能。 開展本課題研究的控制對象是閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)；研究目的是利用計(jì)算機(jī)硬件和軟件發(fā)展最新成果，對控制系統(tǒng)升級進(jìn)行研究；研究工作是在對控制對象全面回顧總選題背景 第 3 頁 (共 41 頁 ) 結(jié)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對控制部分展開研究，它包括對實(shí)現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件環(huán)境的探討，控制策略和控制算法的探討等內(nèi)容。將計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展成果運(yùn)用在直流調(diào)速系統(tǒng)中，在經(jīng)典控制的基礎(chǔ)之上探討一種新的控制方法，為計(jì)算機(jī)技術(shù)在電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做些研究性的工作。電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和直流拖動(dòng)技術(shù)的組合是技術(shù)領(lǐng)域的交叉，具有廣泛的應(yīng)用前景。由于直流電機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，因此在工業(yè)場合應(yīng)用廣泛。 課題研究的背景 電氣傳動(dòng)是以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速為控制對象，按生產(chǎn)機(jī)械工藝要求進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的自動(dòng)化系統(tǒng)。文中給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，分析了無刷直流電機(jī)的工作原理，提出了驅(qū)動(dòng)電路和控制電路的設(shè)計(jì)策略， DSP 外圍電路的設(shè)計(jì)。 本次設(shè)計(jì)中采用的是美國 TI 公司專門為電機(jī)的數(shù)字化控制設(shè)計(jì)的 16 位定點(diǎn) DSP 控制器 TMS320LF2407A 作為微控制器。 position sensor。 Technology College of Yangtze University 【 Abstract】 Although conventional DC motor is mechanical mentator and brush result in limited capability, low reliability, big noise .People manage to develop more quiet, high efficiency and reliability, big capability driving motor. With the development of the powerelectronics and microcontrol technique, permanentmag brushless DC motor which has small volume, light weight, high efficiency, low noise, big capability and reliability appeared and matured, so it is hopeful to bee main motor applied in our life. This dissertation presents a solution to control a permanentmag brushless DC motor using TMS320LF2407A. This new family of DSP enables costeffective design of intelligent controllers for brushless motors which can fulfill more conditions, consisting of fewer system ponents lower system cost and increased performances. The research is divided into three parts: The control structure, technology strategy and chip are confirmed by the timing principle。 論文提出了基于 DSP芯片 TMS320LF2407A的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。 評審意見： 指導(dǎo)教師簽名： 評定成績（百分制）： _______分 （注：此頁不夠，請轉(zhuǎn)反面） IV 長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )評閱教師評語 學(xué)生姓名 XXX 專業(yè)班級 自動(dòng)化 61002 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )題目 基于 DSP 的直流無刷電機(jī)的控制 評閱教師 職 稱 評閱日期 評閱參考內(nèi)容：畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。電機(jī)在開環(huán)情況下能夠很好地按設(shè)定的速度曲線運(yùn) DSP TMS320LF2407 轉(zhuǎn)子位置檢測電路 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器 轉(zhuǎn)速設(shè)定與檢測 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路 功率驅(qū)動(dòng)電路 無 刷 直 流 電 動(dòng) 機(jī) II 轉(zhuǎn)，在閉環(huán)情況下起動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)行良好，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制實(shí)現(xiàn)簡單、反應(yīng)迅速。系統(tǒng)主要包括 DSP TMS320LF2047，無刷直流電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)速設(shè)定與檢測，功率驅(qū)動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路等。 關(guān)鍵問題 無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制中如何準(zhǔn) 確的檢測到轉(zhuǎn)子的位子 TMS320LF2407A 為主控芯片的應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)混合電壓系統(tǒng)。而在這些先進(jìn)數(shù)字控制系統(tǒng)當(dāng)中， DSP 成了控制器的核心器件。 90 年代以來，在高精度的數(shù)控設(shè)備中相當(dāng)多地采用了永磁同步無刷電機(jī)，以取代直流伺服電機(jī)，特別是在機(jī)器人和機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)中，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用相當(dāng)多。 三、閱讀的主要參考文獻(xiàn) [1]劉和平等編著 .TMS320LF240XDSP 結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2020 [2]王兆安，黃俊主編 .電力電子技術(shù) [M].第四版 .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， [3]王曉明，王玲電動(dòng)機(jī)的 DSP 控制 ─TI公司 DSP 應(yīng)用 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2020 II [4]王曉明 .電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制 [M].北京 :北京航空航天大學(xué)出版社， 2020 [5]張深主編 . 直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用