【正文】 例如，龍門刨床加工各種材質(zhì)的工件，刀具切入工件和退出工件時為了避免刀具和工件碰壞，由調(diào)節(jié)速度的要求；又由于毛胚表面不平，加工時負(fù)載常有波動，為了加工的精度和表面光潔度，不允許有較大。如果生產(chǎn)機(jī)械對靜差率 (靜差率表示調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的程度，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度就越高 )要求不高，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，而且開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。 無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 無刷直流電動 機(jī)控制系統(tǒng)若只通過 PWM(或 SPWM)改變驅(qū)動電路的控制電壓來達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，則稱該系統(tǒng)為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如果將上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形狀脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)的正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖的相應(yīng)正弦部分面積相等，就有脈沖序列。將正弦波看成是由 N 個彼此相連的脈沖所組成的波形。 在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不相等的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。但 PWM 波形的諧波分量大，過高的諧波會使電動機(jī)產(chǎn)生附加損耗和噪音，不利于電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。目前，受到器件容量的限制，PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)只適用于中、小功率的系統(tǒng)。 (3)PWM 系統(tǒng)中，主回路的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，裝置效率高，而且對交流電網(wǎng)的影響小，沒有晶閘管整流器對電網(wǎng)的“污染”，功率因數(shù)高，效率高。自 20 世紀(jì) 70 年代以來，電力電子器件迅速發(fā)展， 研制并生產(chǎn)出既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的全控型器件，如門極可關(guān)斷晶閘管 (GTO)、電力晶體管 (GTR)、電力場效應(yīng)管 (PMOSFET)、絕緣珊極雙極型晶體管 (IGBT)等，這些全控型器件性能優(yōu)良，由它們構(gòu)成的脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng) (簡稱 PWM 調(diào)速系統(tǒng) )近年來在中小功率直流傳動中得到了迅速普及，與 VM 調(diào)速系統(tǒng) (晶閘管相控整流器供電的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) )相比， PWM 調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)采用全控型器件的 PWM 調(diào)速系統(tǒng)，其脈寬調(diào)制電路的開關(guān)頻率高，一般在幾 kHz 到幾十 kHz，因此系統(tǒng)的頻帶寬 ，響應(yīng)速度快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。導(dǎo)通和關(guān)斷時間以及通斷周期都是不確定的。開關(guān)器件通斷周期 T 和導(dǎo)通時間 ton 均可變，及調(diào)頻調(diào)寬，亦稱為混合調(diào)制。開關(guān)器件每次導(dǎo)通的時間 ton 不變，只改變導(dǎo)通周期 T 或開關(guān)頻率 f，也就是只改變開關(guān)的關(guān)斷時間，即定寬調(diào)制，稱為調(diào)頻。開關(guān)器件的通斷周期 T無刷直流電機(jī)速度控制策略 第 15 頁 (共 41 頁 ) 保持不變，只改變器件每次導(dǎo)通的時間 ton，也就是脈沖周期不變，只改變脈沖的寬度，即定頻調(diào)寬，稱為脈沖調(diào)制。 這樣，電動機(jī)電樞端電壓的平均值為： ssond UUTtU ??? (7) 式中 T 為開關(guān)器件的通斷周期； f 為開關(guān)頻率， ton 為開關(guān)器件的導(dǎo)通時間； ftTt onon ??? 為占空比。 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 直流斬波器又稱為直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通、斷時間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源，亦稱直流 — 直流變換器。弱磁調(diào)速范圍不帶，往往和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。但只能是有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；在調(diào)速電阻上消耗大量的電能。 改變電樞回路電 阻 R。 改變電機(jī)的主磁通。對于要求在一定范圍內(nèi)無極平滑調(diào)速系統(tǒng)來說，這種發(fā)放最好。 無刷直流電機(jī)的調(diào)速方法和調(diào)速性能 電動機(jī)的調(diào)速方法和調(diào)速性能 無刷直流電動機(jī)的動態(tài)特性方程為 : IREaUU ???? (1) IKT Ta ? (2) tna ddGDTT L ??? 375 2 (3) nKEa e ?? (4) 其中， Ke 為電勢系數(shù)， KT 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，講 (4)式代入 (1)式，可得： ae TKKe RKUn T ???? (5) 令 Ce=102, CT= 分別代入，得 ?eCe?? , ?MM CK ? 再代入式 (5)，得 aTeeTCC RCUn ???? 2 (6) 在式 (6)中 Ce 為電視常數(shù)， CT 只與電機(jī)本身有關(guān)， Ta 的大小 決定于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此可知，無刷直流電動機(jī)的調(diào)速發(fā)放有三種： 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。 缺點(diǎn)： a) 碳刷易磨損，更換較為麻煩，壽命短； b) 運(yùn)行電流大，電機(jī)磁鋼易退磁，降低了電機(jī)與電池的作用壽命。平頂部分也不可能做到平坦無波紋，加上齒槽效應(yīng)的存在等原因，力矩波動不可能為零。范圍內(nèi)，該相電流產(chǎn)生的電磁功率和電磁力矩均為恒值，由于每相繞組正向?qū)ê头聪驅(qū)ǖ膶ΨQ性，以及三相繞組的對稱性，因此總的電磁力矩為恒值，與轉(zhuǎn)角位置無關(guān)。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號，可以使該相電流導(dǎo)通部分和梯形波反電勢的平頂部分在相位上完全重合。當(dāng)電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，電流指令為一恒值的穩(wěn)態(tài)情況下，控制電路強(qiáng)迫該相電流 為某一恒值。 下面討論一下無刷直流電機(jī)的力矩產(chǎn)生原理。反向?qū)?，然后?60176。正導(dǎo)通，然后 60176。這樣在任意一個狀 態(tài)中僅有兩個繞組導(dǎo)通，一相繞組正相導(dǎo)通，一相繞組反相導(dǎo)通，而另一相繞組對應(yīng)的 功率器件上下橋臂均不會導(dǎo)通。下面將對本系統(tǒng)采用兩相導(dǎo)通三相六拍運(yùn)行方式的無刷直流電動機(jī)的工作原理進(jìn)行具體分析。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，電機(jī)采用三相六極永磁無刷電機(jī)，其定子繞組反電勢為平頂寬 120176。所以，無刷直流電機(jī)除了由定子、轉(zhuǎn)子組成電機(jī)本體外，還需要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置，使得無刷直流電機(jī)運(yùn)行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生永久磁場，在空間始終保持在 90176。 無刷直流電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無電刷換相，首先要求把一般直流電機(jī)的電樞繞組放在定子上，這與有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。和無無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理 第 11 頁 (共 41 頁 ) 刷直流電機(jī)相比，就不難看出，其實(shí)無刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)一樣，本身都是一臺同步電機(jī)，只是有刷直流電機(jī)中加的是一個機(jī)械的逆變器 — 換向器和電刷，而無刷直流電機(jī)采用 電子換向裝置 — 電子逆變器代替機(jī)械換向器和電刷的作用。由于電刷的換相作用，使得這兩個磁場的方向在直流電機(jī)運(yùn)行的過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電機(jī)不停的運(yùn)轉(zhuǎn)。 眾所周知，一般的永磁式直流電機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置信號。無刷直流電機(jī)的電子換向線路是用來控制電機(jī)定子上上各相繞組通電的順序和時間的，主要由功率開關(guān)單元和位置傳感器的信號處 理單元兩個部分組成。其原理如圖 2 所示。在無刷直流電機(jī)中，借助反映轉(zhuǎn)子位置的位 置傳感器的輸出信號，通過電子換相電路去驅(qū)動與電樞繞組聯(lián)接的相應(yīng)的功率開關(guān)元件，使電樞繞組依次饋電，從而在主定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，拖動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如圖 4 所示，為了便于說明此處用光電轉(zhuǎn)換器件作為轉(zhuǎn)子的位置傳感器，在圖 4 中以三只功率管 V1， V2， V3 構(gòu)直流電源 開關(guān)電路 位置傳感器 電動機(jī) 無 刷 直 流 電 動 機(jī) 電動機(jī)本體 主定子 主轉(zhuǎn)子 功率邏輯開關(guān) 位置信號處理 電子開關(guān)線路 位置傳感器 傳感器定子 傳感器定子 基于 DSP 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 10 頁 (共 41 頁 ) 成功率邏輯單元。綜上所述，組成無刷直流電動機(jī)各個主要部分部件的框圖，如圖 3 所示。而各相繞組導(dǎo)通順序和時間主要取決于轉(zhuǎn)子位置傳感器信號。 圖 2 無刷直流電動機(jī)的原理框圖 無刷主流電動 機(jī)電子開關(guān)線路用來控制電動機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時間，主要由功率邏輯開關(guān)單元的位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。 因此，所謂無刷直流電動機(jī)，就是基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺由電子開關(guān)線路，永磁式同步電動機(jī)以及位置傳感器三者組成的“電動機(jī)系統(tǒng)”。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的作用。圖 1 中電動機(jī)本體為三相兩級，三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的概率開關(guān)器件相連接，在圖 1 中， A、 B、 C 相繞組分別與概率管 V1， V2，V3 相接。電動機(jī)本 體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電機(jī)相似，但沒有籠形繞組和其他氣動裝置 [6] 。 無刷直流電機(jī)的工作原理 本小節(jié)實(shí)現(xiàn)介紹無刷直流電機(jī)的基本組成環(huán)節(jié)，分析了無刷直流電動機(jī)的定子繞組在三相非橋式星形的接法，三相星形橋式接法和三相封閉式橋式接法三種情況工作原理。目前，掃描儀、攝影機(jī)、 CD 唱機(jī)驅(qū)動、醫(yī)療診斷 CT、計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動及數(shù)控車床驅(qū)動中等都廣泛采用了無刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)用于精密控制。 （ 3）精密控制 伺報電動機(jī)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的高精度控制中扮演了一個十分重要的角色，應(yīng)用場合不同，對伺服電動機(jī)的控制性能要求也不盡相同，在實(shí)際應(yīng)用中，伺服電動機(jī)有各種不同控制形式：轉(zhuǎn)矩控制 /電流控制、速度控制、位置控制。 調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域最初用得最多的是直流電機(jī)，隨著交流調(diào)速技術(shù)特別是電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用，變頻器和交流電動機(jī)迅速滲透到原來直流調(diào)速系統(tǒng)的絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。通常采用的電機(jī)主要有三種：直流電機(jī)、交流異步電機(jī)和無刷直流電機(jī)。 （ 2）調(diào)速驅(qū)動機(jī)械 速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié)，但控制精度要求不高的調(diào)速系統(tǒng)分為兩種：一種是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，另一種是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) (此時 的速度反饋器件多采用低分變率的脈沖編碼器或交。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在功率不大于 10KW 且連續(xù)運(yùn)行的情況下，為了減少體積，節(jié)省材料，提高效率和降低能耗，越來越多的電機(jī)正被無刷直流電機(jī)逐步取代，這類應(yīng)用有：自動門、電梯、水泵、風(fēng)機(jī)等。 由于無刷直流電動機(jī)既具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電動機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好的特點(diǎn)，故在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，如醫(yī)療器械、儀表儀器、化工、輕紡以及家用電器等方面的應(yīng)用日益普及。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，也就沒有了勵磁損 耗，又由于主磁場是恒定的，因此鐵損也是極小的 (在方波電流驅(qū)動時，電樞磁勢的軸線是脈動的，會在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)產(chǎn)生一定的鐵損，采用正弦波電流驅(qū)動比方波電流鐵損更小 )。無刷直流電機(jī)的電樞繞組像交流電機(jī)的繞組一樣，采用多相形式，經(jīng)由逆變器接到直流電源上，定子采用位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換相來代替有刷直流電機(jī)的電刷和換向器，各相逐次通電產(chǎn)生電流，定子磁場和轉(zhuǎn)子磁極主磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 [5]。這種新型無刷電機(jī)稱為電子換向式直流電機(jī)，它克服了第一代無刷電機(jī)缺陷。但是，異步電動機(jī)有許多無法克服的缺陷，以致電機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢。無刷電機(jī)是指無電刷和換向器 (或集電環(huán) )的電機(jī)，又稱無換向器電機(jī)。 最后，在越來越多場合，如電動汽車、紡織行業(yè)、水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)等，他們往往是規(guī)模比較大，時序、組合邏輯都很復(fù)雜的情況，這時如果同時運(yùn)用 DSP 芯片和一些其它的可編程邏輯器件可以大大減小系統(tǒng)的體積、提高系統(tǒng)運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的實(shí)時控制。而且 DSP 控制軟件可用 C 語言或匯編語言編寫或者二者嵌套使用。系列中的 TMS320LF2407 包括一個 30MIPSDSP 核、兩個事件管理器、 32 位的中央算術(shù)邏輯單元、多達(dá) 16 通道的 IO 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 64K 的I/0 空間和一個 32K 字的閃速存儲器，它利用 TMS320 的定點(diǎn) DSP 軟件開發(fā)工具和JTAG 仿真支持， 可使電機(jī)控制領(lǐng)域的研發(fā)人員方便地調(diào)試控制器和脫機(jī)使用。TMS320C24x 作為第一個數(shù)字電機(jī)控制器的專用 DSP 系列，可支持用于電機(jī)控制的指令產(chǎn)生、控制算法處理、數(shù)據(jù)交流和系統(tǒng)監(jiān)控等功能。新的 TMS320C24x DSP 采用 TI 公司 TMS320C2xLP16 位定點(diǎn)DSP 核，并集成了一個電機(jī)事件管理器，后者的特點(diǎn)是可以最佳方式實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。現(xiàn)在各大 DSP 生產(chǎn)廠家都推出自己的內(nèi)嵌式 DSP 電機(jī)控制專用集成電路。 其次，基于 DSP 芯片制造的電機(jī)控制器可以降低對傳感器等外圍器件的要求。 DSP 器件