【正文】 塊。 控制系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)框圖 軟件總體構(gòu)成將層次模塊化思想運(yùn)用到系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)之中，將主要程序部分分塊存放，便于系統(tǒng)的升級(jí)換代。交流信號(hào)經(jīng)過整流、濾波后變?yōu)橹绷麟妷海缓笤诮?jīng)過逆變器把直流變成電壓、頻率可調(diào)的電流輸入到無(wú)刷直流電機(jī)，這樣就完成無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)過程。 總體控制框圖 硬件總體構(gòu)成該控制系統(tǒng)硬件電路主要由主電路模塊、控制電路模塊和輔助電路模塊等組成，其中主電路模塊則主要包含整流模塊及濾波模塊。由DSP提供的六路PWM信號(hào)經(jīng)過高速光藕隔離后送至驅(qū)動(dòng)芯片IR2130，再由驅(qū)動(dòng)芯片輸出到驅(qū)動(dòng)橋電路從而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，上位機(jī)顯示通過串口與DSP通信，發(fā)送指令來(lái)控制電機(jī)起動(dòng)、停止等命令及轉(zhuǎn)速等參數(shù)，使電機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的方式和狀態(tài)運(yùn)行；通過顯示模塊獲得用戶需要重要信息，具有良好人機(jī)交互功能；控制系統(tǒng)在上電啟動(dòng)后，若沒有對(duì)參數(shù)重新設(shè)置時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)沿用上一次存儲(chǔ)的參數(shù)，自動(dòng)從存儲(chǔ)模塊中讀前一次存入的參數(shù)。為此，在本文中選取由美國(guó)TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器[2225]作為無(wú)刷直流電機(jī)的控制器。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，對(duì)于伺服控制系統(tǒng)的速度控制精度有著較高的要求，尤其是在運(yùn)用反饋信號(hào)作為高速運(yùn)行的控制條件時(shí)，需要高靈敏度的反應(yīng)。3 基于DSP的直流電機(jī)系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電機(jī)是伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，是其至關(guān)重要的一部分，它集有刷直流電動(dòng)機(jī)和交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)便利、具有較好的啟動(dòng)性能和轉(zhuǎn)速控制性能等諸多優(yōu)點(diǎn)。最重要的，這樣就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器控制。而作為專用數(shù)字信號(hào)處理器DSP相對(duì)于單片機(jī)而言，由于結(jié)構(gòu)上的本質(zhì)區(qū)別，使得DSP在控制速度和控制效率方面達(dá)到了一個(gè)理想的高度。市面上可供選擇的單片機(jī)的種類很多，但單片機(jī)開關(guān)的控制頻率與控制精度不高，這直接影響到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和開關(guān)頻率，最終會(huì)使無(wú)刷直流伺服電機(jī)得轉(zhuǎn)矩波動(dòng)更加明顯。這需要扎實(shí)的編程基礎(chǔ)，同時(shí)還要非常熟悉無(wú)刷直流電機(jī)的控制過程，必要時(shí)編程者還得參與硬件電路的設(shè)計(jì)。故微處理器的選擇是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵步驟之一。 主要控制模塊的比較選擇目前，通常采用微處理器作為無(wú)刷直流伺服電機(jī)控制核心，它的結(jié)構(gòu)及性能對(duì)系統(tǒng)控制精度起著決定性的作用。實(shí)踐證明，對(duì)于傳統(tǒng)基于線性控制方法具有諸多缺點(diǎn)，如對(duì)控制模型依賴性強(qiáng)、不能在線動(dòng)態(tài)調(diào)整、對(duì)于大滯后強(qiáng)耦合、非線性強(qiáng)的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制時(shí)出現(xiàn)超調(diào)量過大而不易收斂等，前兩種算法已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代控制的需求，而逐漸被市場(chǎng)所淘汰。(3) 基于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法在這個(gè)控制算法中，對(duì)伺服電機(jī)電流調(diào)節(jié)特性的改善以及減小力矩波動(dòng)是設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)所關(guān)注的重要問題之一。變結(jié)構(gòu)開關(guān)模式可以有兩種方式得到：第一種是根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)導(dǎo)出；第二種是依據(jù)系統(tǒng)的最大速度、最大加速度等系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。其中，變結(jié)構(gòu)控制以其響應(yīng)速度快、對(duì)控制對(duì)象參數(shù)變化不敏感、抗干擾能力強(qiáng)、物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員推崇。針對(duì)該問題，無(wú)位置傳感器控制法應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸受到國(guó)內(nèi)外專家的關(guān)注。 控制算法的確定(1) 無(wú)位置傳感器的控制算法在伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，需要對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)和換相技術(shù)進(jìn)行周密的思考與論證，這也是能否得到優(yōu)良控制系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。根據(jù)以上定義，顯然本文所研究的永磁無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)采用的正是轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，其中把電流環(huán)做為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)做為外環(huán)。給定轉(zhuǎn)速就是預(yù)先輸入的n，結(jié)合測(cè)速傳感器反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速nf，兩者進(jìn)行邏輯運(yùn)算后得到轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)ne，轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器的處理就輸出PWM值,然后把PWM信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器放大后就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的單閉環(huán)控制。一般為速度閉環(huán)，反饋量也是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)速度需要發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)只需通過改變PWM的占空比，進(jìn)而改變電機(jī)電樞上電壓的大小，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。 機(jī)電系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制方框圖(5) 帶負(fù)載的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 （） （） （） （） （） （）以上各式經(jīng)過拉氏變換整理得： （） （） （）其中為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為反電動(dòng)勢(shì)的常數(shù)，為電機(jī)的輸出力矩，為負(fù)載力矩，為摩擦力矩，為直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的常數(shù)，為力矩常數(shù)，為電動(dòng)機(jī)電樞回路的電阻，轉(zhuǎn)子的粘性摩擦系數(shù)，為電樞的電感，為電樞的電流，為電樞的電流。我們假定==，==，=====，并由++=0可得 （）(2) 轉(zhuǎn)矩方程 （） （）其中，為角速度，為阻尼系數(shù)，為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為負(fù)載的轉(zhuǎn)矩，為等效轉(zhuǎn)矩。 永磁無(wú)刷直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)換邏輯表狀態(tài)ABCDEF邏輯量（正轉(zhuǎn)）101100110010011001正轉(zhuǎn)時(shí)電流流向A+BA+CB+CB+AC+AC+B邏輯量（反轉(zhuǎn)）010011001101100110反轉(zhuǎn)時(shí)電流流向BA+CA+CB+AB+AC+BC+ 永磁無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的確定本節(jié)數(shù)學(xué)模型建立是在理想情況下建立的，即磁路不飽和、氣隙均勻、定子三相繞組對(duì)稱、星形聯(lián)接；繞組電阻、電感和互感值均為為常數(shù)；不計(jì)電樞反應(yīng)；忽略齒槽效應(yīng)。以此類推形成傳感器U、V、W根據(jù)預(yù)定控制邏輯產(chǎn)生新編碼，無(wú)限的循環(huán)下去，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)動(dòng)。相位差反饋信號(hào)，并進(jìn)行邏輯計(jì)算，從而編碼器獲得有效編碼對(duì)信號(hào)分別為10100、1001001，通過邏輯器件控制T1TT1TT3TT3TT5TT5T4分別導(dǎo)通，利用NS極交替變換進(jìn)行依次導(dǎo)通控制。 三相橋式結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理圖，輸入信號(hào)預(yù)處理得到對(duì)稱交變矩形波信號(hào)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組的接法形接法與三相異步電動(dòng)機(jī)相似，都采用星型連接。要想使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，定子電樞各相繞組中還必須有變換的相電流通過，這樣才能使定子磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子不斷地變化，從而達(dá)到了電樞繞組切割磁感線的效果，進(jìn)而產(chǎn)生電磁感應(yīng)效應(yīng)推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[14]。這樣的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的直流電機(jī)相比，在設(shè)計(jì)思想上是辯證對(duì)立的。然而，電刷的存在使電動(dòng)機(jī)的各方面的性能受到很大的限制。而由定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)是固定的，要想達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)目的，就必須使電樞中的電流的方向發(fā)生改變，而這一實(shí)現(xiàn)過程一般是通過在電機(jī)中安裝換向器和電刷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種材料具有好的寬磁滯回線、高矯頑力、高剩磁等優(yōu)點(diǎn)，最主要的是它能產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)。當(dāng)定子繞組中通過三相交流電時(shí)，就會(huì)有等頻率的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生。在設(shè)計(jì)定子的繞組時(shí)，通常把短距繞組設(shè)計(jì)成分布式的，這樣做不但可以減少電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而且還可以提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性。定子主要是由硅鋼沖片與分布在它們槽內(nèi)的繞組以及機(jī)殼、端蓋、軸承等部件組成，電樞繞組采用整距集中式繞組，繞組的相數(shù)有三相繞組和多相繞組，但應(yīng)用最多的是三相[20]。在設(shè)計(jì)電機(jī)磁鋼的形狀時(shí)，多數(shù)做成弧形(瓦片形)，這樣做的目的是為了產(chǎn)生梯形波電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子顧名思義是電動(dòng)機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的那一部分，它是由永磁材料做成的成，在轉(zhuǎn)子上對(duì)稱分布著一定磁極對(duì)數(shù)的永磁體[7]，一般情況下由轉(zhuǎn)軸、永久磁鋼及磁軛等部件組成。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序與轉(zhuǎn)角同步，因而能起到機(jī)械換向器的作用。當(dāng)相電流通過任意定子繞組時(shí)，該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子受到電磁轉(zhuǎn)矩作用而旋轉(zhuǎn)。2 永磁無(wú)刷直流電機(jī)工作過程分析 永磁無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。(5) 以工程需要要求，分別對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件與軟件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)路、控制電源電路、保護(hù)電路、DSP控制電路、逆變電路、整流電路，位置檢測(cè)電路；并對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行探討與修改，確定最佳的方案。(3) 對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)硬件構(gòu)成及軟件運(yùn)行原理進(jìn)行了詳盡的說(shuō)明，并建立電機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、電器模型以及電器模型并分析了電機(jī)的運(yùn)行特性及其調(diào)速的方法。本文對(duì)系統(tǒng)的研究具體有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：(1) 閱讀了大量與課題研究相關(guān)的文獻(xiàn)，了解并進(jìn)一步認(rèn)識(shí)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，及其研究的現(xiàn)狀；同時(shí)進(jìn)入工程現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)踐調(diào)研。本文中，我們著重對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的模糊PID運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化。很多研究學(xué)者用非線性控制方法對(duì)鎖相環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，這種優(yōu)化的控制方法使鎖相環(huán)控制方法不但繼承了原來(lái)控制的優(yōu)點(diǎn)，并且還提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能與抗干擾能力。特別是在大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量永磁無(wú)刷直流電機(jī)的鎖相環(huán)控制系統(tǒng)中，由于其快捕帶較窄，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)和噪聲極其敏感，容易引起失鎖和誤鎖定，而造成這種后果的主要因素是鎖相環(huán)鑒相器的非線性鑒相特性。在控制策略中，轉(zhuǎn)速鎖相環(huán)控制也是提高電機(jī)轉(zhuǎn)速控制高精度的有效方法之一。在無(wú)刷直流電機(jī)控制傳感器的選擇上，一般采用光電碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器等測(cè)速器件作為反饋裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和位置的控制閉環(huán)。但是，這些研究?jī)H僅是在原有的結(jié)構(gòu)、方案上做出修改，并沒有從本質(zhì)上，即從原理上消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題做了全面的分析研究。在這些因素中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響相對(duì)較大，從一定程度上阻礙了伺服電機(jī)控制方面的發(fā)展。與此同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器和可編程邏輯器件技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了無(wú)刷直流電機(jī)控制領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的非線性控制提供硬件基礎(chǔ)。最大的挑戰(zhàn)則是無(wú)刷直流電機(jī)很多的元器件都不是線性的，導(dǎo)致其本質(zhì)的非線性，而我們?cè)谧隹刂葡到y(tǒng)時(shí)往往把電機(jī)看成是線性系統(tǒng)，這樣必然會(huì)導(dǎo)致電機(jī)大范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的系統(tǒng)誤差也會(huì)增大。當(dāng)然現(xiàn)代控制理論，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制策略等在電機(jī)控制中的應(yīng)用，也對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能的改善與提高起到了不可替代的作用。而在對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的精度和性能要求不高的場(chǎng)合，可以把電機(jī)的系統(tǒng)近似地看成線性系統(tǒng)，或者局部線性化，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)這樣也可以滿足對(duì)控制的要求[3]。但永磁無(wú)刷直流電機(jī)是由很多種元器件構(gòu)成的集合體，而在其中很多元器件是非線性的，這就必然導(dǎo)致永磁無(wú)刷直流電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性系統(tǒng)。借著永磁材料、電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論以及電力電子技術(shù)不斷進(jìn)步的東風(fēng)，特別是高頻、大功率開關(guān)器件的快速發(fā)展，永磁無(wú)刷直流電機(jī)及其控制技術(shù)也得到了較大的發(fā)展。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析永磁無(wú)刷直流電機(jī)之所以比傳統(tǒng)的直流電機(jī)更具競(jìng)爭(zhēng)力，是因?yàn)橛来艧o(wú)刷直流電機(jī)在保留了傳統(tǒng)直流電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，使得我們不得不重新認(rèn)識(shí)無(wú)刷電機(jī)的定義。(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。(2) 與實(shí)際物理系統(tǒng)相比，實(shí)驗(yàn)室MATLAB研究和仿真低成本是顯而易見的。其方便快捷性主要體現(xiàn)在：仿真研究可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，也可以在提供一定環(huán)境的其他場(chǎng)合進(jìn)行所以很方便[2]。MATLAB仿真主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1) 研究方法已經(jīng)有專門的設(shè)計(jì)人員事先調(diào)試好，仿真時(shí)只要選擇合適的構(gòu)建方法就能達(dá)到理想的仿真效果，具有簡(jiǎn)單、快捷、多樣、方便多樣等優(yōu)點(diǎn)。仿真時(shí)只要在計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)軟件的協(xié)助下，操作人員只要通過特定的培訓(xùn)就可以完成對(duì)產(chǎn)品模型的仿真與驗(yàn)證。計(jì)算機(jī)可以用于大部分電子工程[2]。 MATLAB仿真的意義信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，用于研發(fā)、測(cè)試的儀器更新速度不斷加快，隨著技術(shù)含量的提高，價(jià)格也越來(lái)越貴。第四個(gè)階段：智能化發(fā)展階段。第三個(gè)階段：應(yīng)用階段。1955年，無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)的瓶頸終于被攻克，使得無(wú)刷控制在電機(jī)控制中得以實(shí)現(xiàn)。但由于當(dāng)時(shí)大功率電子器件還不成熟，使得這種無(wú)刷控制技術(shù)只能停留在理論階段。按照時(shí)間順序，可以把直流電機(jī)的發(fā)展分為四個(gè)階段：第一個(gè)階段：理論階段。在十九世紀(jì)中期，直流電動(dòng)機(jī)逐漸替代其它類型的電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中得到運(yùn)用。電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁體制作而成，它為無(wú)刷直流電機(jī)提供主磁場(chǎng)，而電樞繞組在定子上的安裝方式有很多的形式可供選擇。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及新型電機(jī)材料的開發(fā)應(yīng)用，永磁無(wú)刷直流電機(jī)得到了空前的發(fā)展。這種機(jī)械換向的結(jié)構(gòu)會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)很多不利的影響，如換向時(shí)摩擦產(chǎn)生的電火花、外界電磁干擾等，這種裝置還導(dǎo)致電機(jī)在保養(yǎng)和維修方面的不便和較高的費(fèi)用。盡管直流電機(jī)具有工作效率高、調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，它的很多的缺陷也是不容忽視的。s basic structure，working principle，mathematical modeling and so on，and analyzing the current control methods of brushless DC motor monly used. Also to determine the pulsewidth modulation (PWM) methods for the control of brushless DC motor control theory. According to the control performance requirements and the characteristics of brushless DC motor，controlchip TMS320F2812 is selected as the entire hardware system control center. TMS320F2812 chip provides PWM wave to control the brushless DC motor. So the system has many advantages， such as good speed pe