【正文】 記下臨界震蕩周期 CT 和臨界增益 CK ，然后由表 推薦的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 PK 、 IT 、 DT 。為了減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，可參照經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出基準(zhǔn) PID 參數(shù)，在此基礎(chǔ)上再湊試。電流環(huán)采樣周期選定為 ，相當(dāng)于載波周期為 5k，速度環(huán)采樣間隔選定為 220mS，依不同位置、速度而變化。控制方式有兩種 :一種是異步采樣控制，即主回路的采樣控制周期 T1 是副回路采樣控制周期 T2 的整數(shù)倍。從控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)來說，要求周期短一些。將兩者結(jié)合作為實(shí)現(xiàn)速度環(huán) (外環(huán) )的控制。積分分離 PID 算法就可以有效的避免上述情況，既保持了積分作用，又減少了超調(diào)量，使系統(tǒng)性能有較大的改善。 3. 速度環(huán)設(shè)計(jì) 31 在設(shè)計(jì)完電流環(huán)之后，接下來對速度環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 2. 電流環(huán)設(shè)計(jì) 按照多環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，先對內(nèi)環(huán) (即電流環(huán) )進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中電流數(shù)字 PI 控制器稱為副控制器構(gòu)成電機(jī)控制系統(tǒng)的 內(nèi)環(huán)。對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，先從內(nèi)環(huán) (電流環(huán) )開始，根據(jù)電流控制要求，確定將電流環(huán)校正為哪種典型系統(tǒng)，按照調(diào)節(jié)對象選擇調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。因此，在編程中，應(yīng)對積分作用加以限幅，并在誤差過零時(shí)對積分項(xiàng)清零。 (3)算式不需要累加。 ()以及 ()式稱為位置式 P1D 算法。 )(sU 為控制量。 1. 模擬 PID 控制器 28 模擬 PID 控制的 框圖如圖 所示。 本系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)串聯(lián)的雙閉環(huán)控制策略，當(dāng)電機(jī)處于自同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，控制器根據(jù)測出的電機(jī)位置切換信息計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速，速度給定信號與當(dāng)前轉(zhuǎn)速在 DSP 中進(jìn)行 PID 計(jì)算 (速度環(huán) )得到電流的參考值，電機(jī)繞組電流反饋信號由電流 傳感器從 A/D 口送入 DSP, A/D 轉(zhuǎn)換得到當(dāng)前電流值，將當(dāng)前電流值與電流參考值進(jìn)行 PI 計(jì)算 (電流環(huán) )，最終通過電流環(huán)的 PID 調(diào)節(jié)算法實(shí)現(xiàn)對電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形的脈寬調(diào)制，從而控制電機(jī)達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制 無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速是通過改變逆變器的輸出電壓來控制的， CPU 通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)波形的脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓，輸出最低電壓為 0，最高電壓為 100%占空比的電源電壓。 27 怎樣辨別電機(jī)是“假起動(dòng)” ? 在“假起動(dòng)”時(shí)，控制系統(tǒng)檢測到的電機(jī)速度會(huì)迅速上升，當(dāng)超過目標(biāo)速度時(shí)，就會(huì)利用反饋調(diào)節(jié)降低驅(qū)動(dòng)波形的占空比，即輸出電壓。這樣電機(jī)就可以在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)正常起動(dòng)。 dE : 逆變器的輸入電壓。而另一方面，系統(tǒng)需要在很寬的電壓范圍內(nèi)都能正常起動(dòng)。如果采用相同占空比的驅(qū)動(dòng)波形，當(dāng) 26 主回路的供電電壓不同時(shí)將會(huì)產(chǎn)生不同的起動(dòng)力矩。這種方法實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，綜合考慮起動(dòng)的快并且起動(dòng)效果較好。個(gè)數(shù) n 取得太大，則起動(dòng)時(shí)間民，快速性差 ?？梢酝ㄟ^重復(fù)實(shí)驗(yàn)，綜合考慮起動(dòng)的快速性，選擇合適的相位差閥值 ? 。切換過程如圖 所示。為了電機(jī)能以最快速度起動(dòng)，我們用簡單的方法將轉(zhuǎn)子定位 :首先給予設(shè)定的兩相電樞繞組通以短暫的電流，使 轉(zhuǎn)子磁極穩(wěn)定在這兩相繞組的合成磁場的軸線上，以此作為轉(zhuǎn)子磁極初始位置，然后就可以按照定、轉(zhuǎn)子磁極之間正確的空間相位關(guān)系產(chǎn)生逆變器觸發(fā)脈沖，使相應(yīng)的功率管導(dǎo)通，從而以最快的速度起動(dòng)電機(jī)。 三段式起動(dòng) 由于無刷直流電機(jī)在靜止及低速運(yùn)行時(shí)，其反電勢為零或極低，難于正確檢測，因此電機(jī)必須先起動(dòng) 至一定轉(zhuǎn)速，反電勢信號大到足以被檢測到時(shí)，才可切換到反電勢檢測閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。 圖 位置預(yù)測估計(jì)流程圖 24 上面分別介紹了瞬時(shí)狀態(tài)檢測和預(yù)測估計(jì)的原理及具體實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測的方法。 ?k? —— 表示通過 kz 對 k? 的估計(jì)值，在忽略了 kn 的情況下，可以認(rèn)為 ?kkz? ? 1?k??? 、 1?k???? 分別表示 1k??? 、 1k???? 的估計(jì)值。 1．?dāng)?shù)字模型的建立 電機(jī)運(yùn)行方向確定以后，其運(yùn)行方式有 :勻速運(yùn)動(dòng)、勻加速運(yùn)動(dòng)、勻減速運(yùn)動(dòng)。 (4)若在 120176。 電角度后開始 。所以，在 PWMON 時(shí)刻檢測反電勢，可方便地檢測 出其過零點(diǎn)。則式 ()可簡化為 21 nWW VEV ?? （ ） 所 以 nWW VVE ?? （ ） 將 ()式和 ()式相加的中心點(diǎn)電壓為 )(21 VUn VVV ?? () 再將式 ()代入式 ()的反電動(dòng)勢過零檢測方程為 )(21 VUWW VVVE ??? () 圖 等效電路原理圖 因?yàn)?U相和 V 相導(dǎo)通，且 U+, V, 所以在 PWMON 時(shí)刻〔即 U相上橋臂功率管導(dǎo)通時(shí)刻〕，dUUdVU EVEEVV 21, ????。V aΔ t6 0 176。 以具有梯形反電動(dòng)勢波形的三相直流無刷電機(jī)為例，系統(tǒng)采用二二導(dǎo)通、三相六狀態(tài)的 PWM 調(diào)制 方式。當(dāng)檢測到的過零點(diǎn)距離上次過零點(diǎn)的時(shí)間已大于 120176。檢測到反電勢過零點(diǎn)后過 30176。在一個(gè)周期內(nèi) (360176。雖然該方法簡單、實(shí)用，但山于反電動(dòng)勢迭加有逆變器輸出的脈寬調(diào)制波形和功率器件開關(guān)過程產(chǎn)生的尖峰干擾，使如何濾除混于反電動(dòng)勢中強(qiáng)干擾脈沖的問題變成了檢測反電動(dòng)勢過零點(diǎn)的難點(diǎn)。 18 第 3 章 關(guān)鍵技術(shù)研究 在上一章中 .我們確定了系統(tǒng)的總體方案。 (3) 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)設(shè)計(jì)。 (2) 電機(jī)起動(dòng)時(shí)由外同步向自同步切換。由于反電動(dòng)勢疊加有逆變器輸出的脈寬調(diào)制波形和功率器件開關(guān)過程產(chǎn)生的尖峰干擾，使如何濾除混于反電動(dòng)勢中強(qiáng)干擾脈沖的問題變成了檢測反電動(dòng)勢過零點(diǎn)的難點(diǎn)。 本系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)串聯(lián)的雙閉環(huán)控制策略，通過對反電勢過零點(diǎn)檢測得到轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，并通過軟件間接計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子位置決定當(dāng)前時(shí)刻驅(qū)動(dòng)橋的導(dǎo)通狀態(tài)。在工業(yè)上獲得廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng) PID 控制器，有算法簡單、參數(shù)調(diào)整方便、魯棒性強(qiáng)和抗高頻干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。所以本系統(tǒng)選用 TMS320LF24x 系列中的 TMS320LF2402 為主控芯片。 采用特殊 DSP 指令和尋址方式，可進(jìn)一步減少數(shù)字信號處理的時(shí)間，且代碼與 TMS320 系列 DSP 具有高度的兼容性。因而我們選用 TMS320LF24x DSP作為主控芯片。 (3)切換 : 即將電機(jī)從外同步方式切換到自同步方式 ，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到可以穩(wěn)定檢測反電勢過零點(diǎn)時(shí)，就可以按照控制策略切換到自同步狀態(tài) [20] 。 三段式起動(dòng) 三段式起動(dòng)通常是按他控式同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)從靜止開始加速，直至轉(zhuǎn)速足夠大，再切換至無刷直流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。通過這個(gè)方程就可以得出電機(jī)起動(dòng)的換相時(shí)間 。 在這種起動(dòng)方式下，切換時(shí)間需要進(jìn)行離線計(jì)算。但是這種起動(dòng)方式的最大缺點(diǎn)就是附加的起動(dòng)電路加大了電機(jī)的尺寸，對于廣泛應(yīng)用于微型電機(jī)中的無刷直流電機(jī)是個(gè)不小的障礙，而且對電機(jī)的可靠性也有所降低。電路通電后，電容 C 上的電壓 Uc 緩慢提升，此電壓加到壓控振蕩器的輸入端，壓控振蕩器的輸出經(jīng)分頻后作為時(shí)鐘信號加到環(huán)行分配器上，環(huán)行分配器輸出的信號轉(zhuǎn)換成換相邏輯信號加在功率放大電路 上，控制繞組的導(dǎo)通。從而確定在本系統(tǒng)中要采用的起動(dòng)方法。綜合考慮系統(tǒng)的可靠性、技術(shù)成本和成熟性等問題，本系統(tǒng)位置檢測采用反電勢過零點(diǎn)檢測法，將瞬時(shí)狀態(tài)檢測和預(yù)測估計(jì)相結(jié)合來檢測轉(zhuǎn)子的位置，從而控制無刷直流電機(jī)的換向。 12 近年來，隨著實(shí)現(xiàn)手段 (如單片機(jī)和 DSP)的功能不斷強(qiáng)大，各種智能控制方法得以容易地實(shí)現(xiàn)。只是到了近年，由于單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是高性能微處理器 DSP(數(shù)字信號處理器 )的應(yīng)用和推廣，該方法才有了一定的應(yīng)用場合。這種方法檢測轉(zhuǎn)子位置信號的基本原理是 : 將電機(jī)在 abc 坐標(biāo)系下 的三相實(shí)測相電流和相電壓轉(zhuǎn)換到代表轉(zhuǎn)子假想位置的 ??? 坐標(biāo)系下 (兩坐標(biāo)系的角度差為 ?? )，再根據(jù)該坐標(biāo)系下的電流由派克方程計(jì)算出三相電壓值，比較這一電壓和前面經(jīng)轉(zhuǎn)換所得電壓的差值，就可得函數(shù)關(guān)系 )( ???? fU 。但電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈不能直接檢測得到，為了獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈值，必須先 11 測量電機(jī)的相電壓和電流，再結(jié)合電阻值，計(jì)算磁鏈值。 (2)它必須從軟、硬件兩個(gè)方面去除二極管續(xù)流導(dǎo)通的無效信號和因毛刺干擾而產(chǎn)生的誤導(dǎo)通信號 。 續(xù)流二級管法其本質(zhì)還是反電勢法，只是在“斷開相”反電勢過零點(diǎn)檢測上有了一定的改變 。這種位置估計(jì)方法依賴于電流檢測的精度，運(yùn)行范圍較小，可保證電機(jī)在 696~3174r/min 范圍內(nèi)有效運(yùn)行。速度的變化直接影響電機(jī)相電壓，電機(jī)反電動(dòng)勢和轉(zhuǎn)子磁通的關(guān)系可用式 子 ??? jNdtdNe ???? 表示， N 為定子繞組繞線匝數(shù) 。而這些因素對電流的影響相對較小，且相電流和霍耳信號理想情況下是同相位的，與之對應(yīng)出現(xiàn)了根據(jù)電機(jī)相電流信號來估計(jì)轉(zhuǎn) 子位置信息，進(jìn)而控制無刷直流電機(jī)的換向方法，如直接電流檢測法和續(xù)流二級管法等。逆變橋中功率器件的開關(guān)噪聲影響這種方法的低速特性 [11]。顯然，當(dāng)反電勢過零點(diǎn)和氣隙合成磁場 (轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場和定子電樞反應(yīng)磁場的合成 )匝鏈電樞繞組 9 所產(chǎn)生的總感生電勢過零點(diǎn)不重合時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子位置誤差，且反電勢系數(shù)越小或電機(jī)轉(zhuǎn)速越低，誤差就越大，所以在反電勢法的永磁無刷直流電機(jī)的 無位置傳感器控制中，必須要有一定的誤差補(bǔ)償措施。這種方法的基本原理是 :在無刷直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，忽略電機(jī)電樞反應(yīng)影響的前提下，通過檢測“關(guān)斷相” (逆變橋上下功率器件皆處于關(guān)斷的那一相 )的反電勢過零點(diǎn)，依次獲得轉(zhuǎn)子的六個(gè)關(guān)鍵位置信號，并以此作為參考依據(jù)，輪流觸發(fā)導(dǎo)通六個(gè)功率管，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。而采用人工智能方法估計(jì)轉(zhuǎn)子位置的研究則剛剛處于起步階段。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，作為逆變橋功率器件換向?qū)〞r(shí)序的轉(zhuǎn)子位置信號仍然是需要的，只不過這種信號不再由位置傳感器來提供，而應(yīng)該由新的位置信號檢測措施來代替，即以 8 提高電路和控制的復(fù)雜性來降低電機(jī)的復(fù)雜性。 A 相方波電流和梯形波反電動(dòng)勢如圖 所示。 ae 、be 、 ce 為定子相繞組電動(dòng)勢， V。 (3)電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布 。而直接利用電動(dòng)機(jī)原有的相變量 (即 abc 坐標(biāo)系 )來建立數(shù)字模型卻比較方便 [8]。 DSP送出的驅(qū)動(dòng)信號則是通過驅(qū)動(dòng)電路輸入到驅(qū)動(dòng)橋電路，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目的 。 5 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體構(gòu)成 在系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)中，根據(jù)功能將系統(tǒng)劃分為濾波整流電路、變壓電路、驅(qū)動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)橋電路、 DSP 主控電路、面板控制電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路和無刷直流電機(jī) (BLDCM)幾個(gè)模塊，如圖 所示?？刂凭?、穩(wěn)定性和抗干擾能力是衡量系統(tǒng)整體性能高低的重要因素，而要使系統(tǒng)有較高的控制精度和穩(wěn)定性，較強(qiáng)的抗干擾能力，采用合 適的控制方法至關(guān)重要 [7]。無位置傳感器的無刷直流電機(jī)的起動(dòng)必須解決兩個(gè)問題 :一是靜止啟動(dòng)的問題 。針對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，對其中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研討，主要包括以下幾個(gè)方面 : 轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)的研究 無刷直流電機(jī)的運(yùn)行是通過驅(qū)動(dòng)橋功率器件隨轉(zhuǎn)子的不同位置相應(yīng)地改變觸發(fā)組合狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的，因此準(zhǔn)確檢測轉(zhuǎn)子的位置并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)時(shí)切換功率器件的觸 發(fā)組合狀態(tài)是控制無刷直流電機(jī)正常運(yùn)行的必要條件 [5]。近幾年來，基于 DSP 控制器的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究取得了 3 很多成果，但是這方面的技術(shù)還不是很成熟，沒有形成系列產(chǎn)品，主要采用國外成熟的系統(tǒng)。 DSP 具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，和普通的 MCU相比，運(yùn)算及處理能力增強(qiáng)了 10~50 倍，因此在其控制策略中可以使用先進(jìn)的實(shí)時(shí)算法，如 Kalmar 濾波、自適應(yīng)控制、模糊控制和神經(jīng)元控制等，從而可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制精度性和實(shí)時(shí)性。無刷直流電動(dòng)機(jī)因其具有節(jié)能、低噪聲、體積小和調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn) ,特別適合于電冰箱、空調(diào)等家用電器。其次，連線眾多的位置傳感器會(huì)降低電機(jī)運(yùn)行的可靠性，即便是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區(qū) 。與 PMSM 相比， BLDCM 具有明顯的優(yōu)越性，反饋裝置更簡單，功率密 度更高，輸出轉(zhuǎn)矩更大，控制結(jié)構(gòu)更為簡單，使電機(jī)和逆變器各自的潛力得到充分的發(fā)揮。為了克服機(jī)械換向帶來的缺點(diǎn)，以電子換向取代機(jī)械換向的無刷電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在有 90%以上的動(dòng)力源來自于電動(dòng)機(jī)，我國生產(chǎn)的電能大約有 60%用于電動(dòng)機(jī)。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。為了提高系統(tǒng)的調(diào)速性能，控制方法采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)采用 TI 公司TMS320LF240x 系列的 DSP 芯片作為控制核心。 關(guān)鍵詞： 無位置傳感器；無刷直流電機(jī)；位置檢測；閉環(huán)控制；數(shù)字信號處理器；起動(dòng) II Design of Brushless DC motor Control system based on DSP Abstra