【正文】 前性的調(diào)節(jié)措施，以避免調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生更大的偏差。只有在偏差信號(hào) )(te 為零的情況下，積分控制器的輸出信號(hào)才能相對(duì)穩(wěn)定，這是積分控制的顯著特定。 積分控制器的作用是可消除系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差，其輸出信號(hào)的大小不僅與輸入偏差信號(hào)的大小有關(guān)，而且還將取決于偏差存在時(shí)間的長(zhǎng)短。 積分控制器的傳遞函數(shù)為 sKsE sUsH I?? )( )()( （ 34） 顯然，式（ 34）所描述的是一條斜率為定值的直線。由于控制器的輸入和輸出可以是不同的量綱，因而 PK 可以有量綱，只是時(shí)間上沒有延時(shí)。 無刷直流電機(jī)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 控制器的基本控制規(guī)律有比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）三種基本控制以及組合比例積分（ PI）、比例微分（ PD）和比例積分微分（ PID）。另外， 當(dāng) 負(fù)載擾動(dòng)是 發(fā)生 在電流 內(nèi) 環(huán)之后產(chǎn)生 值之后，這 可以 依 靠 速度外環(huán) 調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行 有效 調(diào)節(jié)。對(duì)于 無刷直流電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng) 來說，從各個(gè)動(dòng)態(tài)性能考慮，其中最為重要的 動(dòng)態(tài)性能是抗 外部擾性能，比如 電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)的 時(shí)的抗干擾 性能。 （ 2）電流 內(nèi)環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的作用 A）作為內(nèi)環(huán)的 PI 調(diào)節(jié)器，其最大的 作用 就是 使 電機(jī)輸出的三相 電流緊緊的 跟隨 速度 外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器輸出的值，實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差的跟蹤 ； B）當(dāng) 電網(wǎng)電壓 出現(xiàn)不同程度 的波動(dòng) 時(shí)，能夠很好的抑制其對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的影響 ； C）在轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)過程中，使電機(jī)輸出最大允許電流，從而輸出最大允許電磁轉(zhuǎn)矩， 加快動(dòng)態(tài) 調(diào)節(jié) 速度 ，降低動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間 。 直流穩(wěn)壓電源逆變器 無刷直流電機(jī)PWM調(diào)節(jié)器內(nèi)環(huán)電流?調(diào)節(jié)器外環(huán)速度refn檢測(cè)電流 re fabci _abci位置檢測(cè)速度與轉(zhuǎn)子n圖 33 無刷直流電機(jī)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 在 圖 33 中， nref為 參考 給定 的 速度， n 為 實(shí)際電機(jī)輸出的速度，同時(shí)也是 反饋 至控制系統(tǒng)的 速度 ， iabc_ref為速度 外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器輸出的 三相參考 電流。閉環(huán)控制系統(tǒng)可以是 一個(gè) 閉環(huán)也可以是兩個(gè)閉環(huán)設(shè)置是多個(gè)閉環(huán)，一個(gè)閉環(huán)動(dòng)態(tài)性能可能滿足不了實(shí)際要求，一般采用的是二個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，多個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)容易不穩(wěn)定，實(shí)際中很少采用 。 如圖 32 所示是 無刷直流電機(jī)的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 框圖。 開環(huán) 控制 系統(tǒng) 拓?fù)?結(jié)構(gòu) 相對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng) 簡(jiǎn)單 ， 在沒有 任何 反饋信號(hào) 下，電功率驅(qū)動(dòng)電路 三相全橋逆變電路 無刷直流 電機(jī) 電流檢測(cè)電路 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路 其他接口電路及必要 PWM ADC ADC TMS320F2407 核 心 控 制 器 機(jī)的輸出量可能會(huì)受到電壓波動(dòng)和負(fù)載突變的影響。 無刷直流電機(jī)的開環(huán)控制策略 開環(huán)控制 系統(tǒng) 沒有 任何 反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性 也 不高， 可靠性不強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間雖然相對(duì)閉環(huán)快 ， 但是穩(wěn)定 精確度不高，其特點(diǎn)是 電路系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用有任何影響，沒有自動(dòng)調(diào)節(jié) 能力。如圖 31 所示的硬件 電路 控制系統(tǒng)框圖。軟件系統(tǒng)包括檢測(cè)程序，按鍵 掃描 程序，信號(hào)處理程序 ，中斷程序 等等。其 控制系統(tǒng)的 調(diào)速原理是通過 檢測(cè)電路檢測(cè)出某個(gè)信號(hào) 再與參考給定的比較，通過 DSP產(chǎn)生的信號(hào)控 制 IGBT，即控制電機(jī)定子繞組通入的電流就可以有效的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩。 和 普通的 直流電動(dòng)機(jī) 運(yùn)行原理基本 一樣，當(dāng) 供電電壓 U 變化時(shí)即 可以 改變無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速 0n ， 無刷直流 電動(dòng)機(jī) 也 可以 實(shí)現(xiàn) 無級(jí)調(diào)速。 無刷直流機(jī)的 在運(yùn)行時(shí) 電壓平衡方程式 可寫 為： IREUU a ???? （ 22） 開關(guān)管 1， 4 1， 6 3， 6 3， 2 5， 2 5， 4 A相 + + B 相 + + C 相 + + 通電順序 反轉(zhuǎn)（順時(shí)針） 轉(zhuǎn)子位置 360～ 300 300～ 240 240～ 180 180～ 120 120～ 60 60～ 0 開關(guān)管 3， 6 1， 6 1， 4 5， 4 5， 2 3, 2 A相 + + B 相 + + C 相 + + nKE ea ? （ 23） IKT Ta ? （ 24） 根據(jù)式（ 22） ~（ 24）得到無刷直流電機(jī)的機(jī)械特性方程為 nnTKK RK UUn aTee ??????? 0)( （ 25） 式中， n 為 無刷直流 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速， min/r ； U為 供電的 直流電源電壓， V； U? 為 IGBT 功率晶體管 導(dǎo)通的 壓降， V； aT 為 無刷直流 電動(dòng)機(jī) 輸出電磁 轉(zhuǎn)矩 的 平均值， N 圖 24 電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形 表 21 三相星形聯(lián)結(jié)全橋驅(qū)動(dòng)的通電規(guī)律 通電順序 正轉(zhuǎn)（逆時(shí)針） 轉(zhuǎn)子位置 0～ 60 60～ 120 120～ 180 180～ 240 240～ 300 300～ 360 無刷直流電機(jī)運(yùn)行特性與原理 設(shè)轉(zhuǎn)子永久磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電動(dòng)機(jī)氣隙中是按正弦分布，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為 ?時(shí)， ?sinmBB? 。 按圖 23 的驅(qū)動(dòng)方式，就可以得到如圖 24 所示的 無刷直流電機(jī)定子 電流和定子 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 的 波形。因此，為了避免 無刷直流電機(jī) 出現(xiàn) 電磁轉(zhuǎn)矩減小的結(jié)果，那么當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 到 如 圖23（ b） 所示 的位置時(shí)，就必須 實(shí)現(xiàn)逆變器橋的 換相，使 B 相 繞組 斷電， C 相 繞組 反相通 入 電 流，無刷直流電機(jī)的 轉(zhuǎn)子繼續(xù) 向左 旋轉(zhuǎn)， 即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，再 轉(zhuǎn)過60o 角后到 了如 圖 23（ d）所示的 位置。當(dāng) 無刷直流電機(jī) 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)過 60o 角后， 無刷直流 電機(jī) 的 轉(zhuǎn)子位置如圖 23（ b）所示。CSN （ g） B 相 繞組正 向通電 流 ， A 相 繞組 反向通電 流 （ h） 向左 轉(zhuǎn)過 60 角度 圖 23 無刷直流機(jī)轉(zhuǎn)子位置與換相的關(guān)系 假設(shè)當(dāng) 無刷直流電機(jī)的 轉(zhuǎn)子 是 處于 如圖 23（ a） 所示的 位置時(shí) ，其角度認(rèn)為是 為 0o ， 另外 相帶 A′、 B、 C′ 三繞組端是 在 磁極 N 級(jí) 以 下 的 ，相帶 A、 B39。BA39。AB39。CSN （ e） B 相 繞組正 向通電 流 ， C 相 繞組 反向通電 流 （ f） 向左 轉(zhuǎn)過 60 角度 C39。BA39。ACB39。CNS （ c）繼續(xù) 向左 旋轉(zhuǎn) （ d） A 相 繞組正向通電流 ， C 相 繞組 反向通電 流 轉(zhuǎn)過 60o BC39。C39。ASNB39。ASN （ a） A 相 繞組正向通電流 ， B 相 繞組 反向通電 流 （ b）轉(zhuǎn)過 60 角度 BC39。BA39。AC39。B無刷直流電機(jī)逆變器直流穩(wěn)壓電源 圖 22 三相橋式驅(qū)動(dòng)電路原理 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性 驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)管的控制原理可用圖 23 加以說明（圖中假設(shè)轉(zhuǎn)子只有一對(duì)磁極，定子繞組 A、 B、 C 三相對(duì)稱，按每極每相 60o 相帶分布） BA39。AB 39。 綜合上述分析 的三種情況 ，目前 無刷直流電機(jī)的應(yīng)用中都是 以 三相 電壓型全橋驅(qū)動(dòng)方式 最多， 這種驅(qū)動(dòng)方式 如圖 22 所示。 電壓型 全橋驅(qū)動(dòng)比 電壓型半橋驅(qū)動(dòng)所使用的 功率 開關(guān)管 要多一倍， 因此 這種電路的 成本要高 很多 。 3）電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路成本。一般 電機(jī)的 相數(shù) 就要 越多， 這樣電機(jī)的 轉(zhuǎn)矩波動(dòng) 就會(huì) 越小 ，但是這樣又會(huì)增加設(shè)計(jì)成本 。 由于定子通電不是連續(xù)的，無刷直流電機(jī) 輸出 的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng) 程度會(huì)比普通直流電動(dòng)機(jī)波動(dòng)的幅度要 大 ，甚至?xí)蠛艽?，無刷直流電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是脈動(dòng)的 。 采用適當(dāng)?shù)姆绞?提高 電機(jī)定子 繞組 的 通電率 ，可以有效的增加通電的導(dǎo)體數(shù)，這樣做可以使定子 電阻下降，提高 電機(jī)的運(yùn)行 效率。 接下來對(duì)這些情況 作一個(gè) 簡(jiǎn)單的 對(duì)比 ： 1）電機(jī)的繞組利用率。 無刷直流電機(jī) 有 著多相結(jié)構(gòu)，根據(jù) 電動(dòng)機(jī) 不同的相數(shù)可以將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器 分為 電壓型 半橋驅(qū)動(dòng)、 電壓型 全橋驅(qū)動(dòng)， 然而電壓型 全橋驅(qū)動(dòng) 同樣 又可分為星形 的連接結(jié)構(gòu) 和 三 角形 的 聯(lián)結(jié) 結(jié)構(gòu) 。這種 形式的 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在一 個(gè)周期內(nèi)會(huì) 有三種狀態(tài)， 這三種狀態(tài)中的 每種狀態(tài) 都會(huì) 持續(xù) 120o。采用上述方式后， 無刷直流電機(jī) 就能產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩，從而 不斷 的拖動(dòng)負(fù)載快速 旋轉(zhuǎn)。 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇 電樞 繞組 在 電機(jī) 轉(zhuǎn)子上 的直流電機(jī)是普通的直流電機(jī) ， 同時(shí)，電機(jī)內(nèi)的氣隙磁場(chǎng)是有固定不變勵(lì)磁 電流產(chǎn)生的 。在定子形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 穩(wěn)壓電源DCAC ? 逆變器 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器控制系統(tǒng)無刷直流電機(jī)整流器控制系統(tǒng) 圖 21 無刷直流電動(dòng)機(jī)原理框圖 直流無刷電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān) 線 路三部分組成。無刷直流機(jī)的定子電樞繞組采用 的是 整距集中式 的 繞組， 根據(jù)不同的相數(shù)分類， 繞組的相數(shù)有二、三、四、五相 ，甚至多相 ，但 目前來看， 應(yīng)用最多的是三相 繞組 和四相 繞組，且以三相繞組應(yīng)用最為廣泛 。無刷直流機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的形狀呈弧形，并且氣隙磁場(chǎng)呈梯形分布，這些都是 為了能產(chǎn)生梯形波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而設(shè)計(jì)的 。 第二章 無刷直流電機(jī)原理 為了能 在 MATLAB/Simulink 中 能很好的仿真無刷直流電壓的性質(zhì)以及建立無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)， 本章對(duì)無刷直流機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理作了簡(jiǎn)單的介紹 。 第五章：對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)以及未來發(fā)展展望。 第三章：研究了無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)， 介紹了開環(huán)和閉環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了數(shù)字控制芯片 TMS320LF2407 的基本性能以及速度測(cè)試算法。 本文主要結(jié)構(gòu) 本文的大致結(jié)構(gòu)如下： 第一章：主要介紹了無刷直流電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，從模擬 控制 時(shí)代到數(shù)字 控制時(shí)代，從有刷直流電機(jī)過度到無刷直流電機(jī) 的過程 ；無刷直流電機(jī)的 整個(gè) 控制系統(tǒng)，以及采取的何種閉環(huán)控制方式。 如果 還要 要求 能夠 快速 的 克服電網(wǎng) 電壓波動(dòng) 的干擾 ，那么就 必須對(duì) 電機(jī)內(nèi)的 電樞電流進(jìn)行 快速 調(diào)節(jié) 。 如果想要有較高性能的調(diào)速， 一般有兩個(gè)基本 的 要求 ，他們是 :一、 能夠快速啟動(dòng) 和 制動(dòng) ；二、 能夠快速 地克服 負(fù)載 變化 ， 電網(wǎng) 電壓波動(dòng) 等干擾 。 采用 PI 控制器的 單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng) ， 可以 有效的 保證 最后 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)在給定 速度 ， 誤差為零 ； 但是 ， 在單閉環(huán) 控制 系統(tǒng)中 ， 由于它不能 真正的 完全 的按照 電流快速變化的要求來控制動(dòng)態(tài)過程中的電磁 轉(zhuǎn)矩 ， 所以在對(duì) 控制 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能要求比較高的 應(yīng)用場(chǎng)合， 或者 是 要求 能夠 快速起 或 制動(dòng)時(shí) ， 單閉環(huán) 控制 系統(tǒng)就不 能 容易 的 使 控制系統(tǒng)達(dá)到實(shí)際需要 。 在 負(fù) 反饋 的 控制系統(tǒng)中 ,由于有外部擾動(dòng)和系統(tǒng)內(nèi)部突變，總之 不管 是 出于什么原因 ，只要被控制 的物理量偏離了給定 值 ， PI 調(diào)節(jié)器就會(huì)產(chǎn)生 相應(yīng)的控制作用 ，來 消除偏差 ，實(shí)現(xiàn)無誤差跟蹤 。 隨著計(jì)算機(jī) 網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)和微電子 制造 技術(shù)的進(jìn)步 ,他們 在 直流和交流電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)快速發(fā)展起來 。這些控制方法 和策略都 有著較大的優(yōu)勢(shì) ,比如 ,并 不需要 知道 嚴(yán)格的電機(jī)數(shù)學(xué)模型 ,可 適用于多變量 高階 和復(fù)雜的非線性 時(shí)變 系統(tǒng) ,都 具有良好的 穩(wěn)定性和 魯棒性等。正是 PI 控制器有著 上述的優(yōu)良特性 ，在某種程度上 成為了工業(yè) 控制 中應(yīng)用最多的一種控制技術(shù)， 在 經(jīng)過 了 半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展 歷程中 ,PI控制器 從最初的模擬控制逐漸地發(fā)展到了 以微處理器的 數(shù)字 PI 控制時(shí)代 ,不僅克服 模擬 PI 控制器的諸多不足地方，而且還 能夠方便 的 快捷地調(diào)整 控制 參數(shù) ， 使得 PI 控制 器的應(yīng)用更加 靈活 ,同時(shí)在現(xiàn)代數(shù)字化中， 也具有了非常強(qiáng)的 可靠性和 適用性。 在 經(jīng)典 控制理論 和現(xiàn)代控制理論 中 ,一般 最 常用 的控制器時(shí) PI控制器和 PID控制器，為了能夠 保證被控系統(tǒng) 的 穩(wěn)定 性， 并 且 盡 最大的 可能消除 系統(tǒng)的 靜態(tài)誤差 ， PI 調(diào)節(jié)器 是一種 被廣泛應(yīng)用的 經(jīng)典控制方法 ，主要在 機(jī)械設(shè)備 控制 ，電氣動(dòng)設(shè)備 控制 和電子設(shè)備 控制中， 是 控制器中 歷史最悠久 ,控制效果 最強(qiáng)的一種 最最基本的控制器 。當(dāng) 控制 系統(tǒng)中存在 著 不同干擾時(shí) ，比如電網(wǎng)電壓波動(dòng)，負(fù)載變動(dòng)等等，控制系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的輸出的數(shù)值 也要能夠在 參考 給定值附近 波動(dòng)并且最后還能 穩(wěn)定下來 ； 而且 ,在 控制 系統(tǒng)與 外部 環(huán)境參數(shù) 都 出現(xiàn)變化的時(shí)候 ,控制 系統(tǒng) 應(yīng)該能夠 有效的 保持 系統(tǒng)運(yùn)行的 穩(wěn)定狀態(tài)