【正文】 (N邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 所以，從方程式 ()和式 ()可知，系統(tǒng) 的運(yùn)動(dòng)方程可由下列二階微分方程構(gòu)成 : wor e f tdiL K u R ( i i ) EdtdwJ T ( ) Tdt? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? （ ） 式中 i0 — 穩(wěn)態(tài)電流 (A)； u — 控制器要求輸出的電壓 (V)； wK — 控制量增益 ； R — 電樞電阻 (?)； J — 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (N這說明直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性有著良好的控制性能。又從方程式 ()可見，改變電源電壓，可以很容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩 (在同一轉(zhuǎn)速下 )或 (在同一負(fù)載下 )。如果負(fù)載不變，提高外加直流電壓，則轉(zhuǎn)速升高，逆變器的頻率提高，反電勢(shì)增大，使電流 減小，電磁轉(zhuǎn)矩又呈減小趨勢(shì)，這樣就使電機(jī)維持在一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。如假定外加直流電壓一定，減小電機(jī)負(fù)載，轉(zhuǎn)速升高，逆變器的觸發(fā)頻率也會(huì)提高，同時(shí)反電勢(shì)增加，電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩也減小。所以，隨著轉(zhuǎn)速的減小，電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)也減小，電樞電流增加， U? 增大到一定值以后，增加較快。又因?yàn)楣β示w管的飽和管壓降隨著集電極電流的變化而變化，在基極電流不變時(shí)。當(dāng)方程式 ()右邊兩項(xiàng)相等時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時(shí)的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。所以，電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而線性增加，如圖 。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢(shì) E增加，電磁轉(zhuǎn)矩降 低，加速力邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 矩也減少，最后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。所以啟動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動(dòng)機(jī)可以很快啟動(dòng)。 下面從這些基本公式出 發(fā)，來討論電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)動(dòng)特性。mm) 這里 r acpT KI? （ ） rK — 轉(zhuǎn)矩系數(shù) (Nm) LT — 輸出轉(zhuǎn)矩 (N討論各種電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性一般都從電勢(shì)公式 (即轉(zhuǎn)速公式 )、電勢(shì)平衡方程式、轉(zhuǎn)矩公式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式出發(fā)。因此我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨電壓、電流、負(fù)載變化而變化的規(guī)律。如絕對(duì)編碼器和解碼器可以產(chǎn)生電子換流信號(hào)，+T 1T 0T 3T 2T 5T 4ABC電源D1D5D3D 2 D 4 D 6D 7D8D 9D10D 12D 11C R邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 同時(shí)也可提供高分辨率的位置和速度反饋信號(hào)，這些 信號(hào)對(duì)于高性能速度和位置伺服閉環(huán)控制是必需的。 實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能最常用的方法之一是在電動(dòng)機(jī)氣隙中或接近氣隙處安裝一組 (三個(gè) )霍爾開關(guān)，用以檢測(cè)路經(jīng)此處的轉(zhuǎn)子磁極的磁場(chǎng)。在開關(guān)變換器中廣泛采用簡(jiǎn)單的“ 恒定頻率”以及“恒定關(guān)斷時(shí)間”的占空比控制策略。相電流的幅值是通過控制逆變器開關(guān)管的占空比對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間的相對(duì)長(zhǎng)度來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。 (2) 電流調(diào)節(jié) 電流調(diào)節(jié)功能是利用基本的斬波技術(shù)，通過檢測(cè)直流環(huán)節(jié)電流 1，對(duì)逆變器開關(guān)管進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)相電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。這種關(guān)系相當(dāng)于普通直流電動(dòng)機(jī)中的整流子電刷與靜止磁場(chǎng)的磁通相正交。反電動(dòng)勢(shì)與電流波形間的相位移 a 通常由轉(zhuǎn)子位置傳感器 PS 測(cè)定，用以實(shí)現(xiàn)自同步，從而控制電子換流。 直流電機(jī) 有 6 個(gè)磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩相導(dǎo)通，每個(gè) 開關(guān)管的導(dǎo)通角為 1200，由于轉(zhuǎn)子的氣隙磁通為方波，則電樞電流為方波，電樞的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波，大小與轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 600 電角度時(shí)，逆變器 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 直流電機(jī)主電路 開關(guān)管之間就進(jìn)行一次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次。 (1) 電子換流 電子換流功能是逆變器按 六階梯順序?qū)ā㈥P(guān)斷六個(gè)逆變器開關(guān)管來完成的，從而產(chǎn)生方形電流激勵(lì)波。 直流電機(jī)的基本控制方法 圖 中，給 直流電機(jī) 供電的逆變器有兩個(gè)基本任務(wù)，一是電子換流，它要求逆變器在每個(gè)控制瞬間直接向電動(dòng)機(jī)的相應(yīng)相進(jìn)行激勵(lì)，以維持同步和輸出最大轉(zhuǎn)矩 。同時(shí)，進(jìn)行通信接口的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信功能。雙口 RAM 的數(shù)據(jù)交換方式與其他如并行通信、串行通行、 DMA 方式相比，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，大大提高了 DSP 與單片機(jī)之間的并行數(shù)據(jù)處理能力，滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。 TMS320F2407 具有大量的片內(nèi)存儲(chǔ)器和豐富的片內(nèi)外設(shè)，充分利用 其 本身的內(nèi)部硬件資源，不僅有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而且有利于 提高系統(tǒng)的性能、降低系統(tǒng)的成本。 ② 電流檢測(cè)接口設(shè)計(jì) 采用處于逆變器低電壓與地之間的采樣電阻進(jìn)行電流檢測(cè)，得到一個(gè)正比于電流的電壓信號(hào)，將電壓信號(hào)輸出端隔離后接至 TMS320F2407 自帶 A/D 轉(zhuǎn)換模塊。 ① 位置 /轉(zhuǎn)速檢測(cè)接口設(shè)計(jì) 由于采用的轉(zhuǎn)子位置傳感器是霍爾集成位置 傳感器，接口簡(jiǎn)便，將位置傳感器的輸出端經(jīng)光耦隔離后，再與 TMS320F2407 的三個(gè) CAP 單元相接。 保 護(hù) 電 路電 路 檢 測(cè)位 置 / 速 度 檢 測(cè)P W M隔離驅(qū)動(dòng)控 制 信 號(hào) 輸 出D A R A MC Y 7 C 0 0 7通 信 接 口 8 9 C 5 1與 上 位 機(jī) 通 信人 機(jī) 接 口 鍵 盤 、 顯 示 及 報(bào) 警P D P I N TP WM A D CC A PT M S 3 2 0 F 2 4 0 7 圖 系統(tǒng)硬件框圖 圖 為 系統(tǒng)硬件框圖 ， 整個(gè)控制系統(tǒng)采用以 TMS320F2407 為控制核心、輔以89C51 的雙 CPU 結(jié)構(gòu)，主要由 DSP 部分、數(shù)據(jù)交換部分和單片機(jī)部分等組成。普通直流電動(dòng)機(jī)由于電刷和換向器的換向作用，使得由勵(lì)磁回路產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電樞繞組通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電機(jī)運(yùn)行過程中始終保持垂直從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。利用 ()式可得 Teφ= (EsI s)/ ω= K0 Is () ()表明 直流電機(jī) 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以通過改變電流幅值進(jìn)行控制。反電動(dòng)勢(shì)的幅值 Es 則與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 ω 成正比，即 Es=K0 ω 其中 :K0 是正比于交鏈磁通幅值的電機(jī)常數(shù)。 V1V6 六開關(guān)依次兩兩導(dǎo)通可得到方波電流，在此電流的激勵(lì)下， 直流電機(jī) 具有近似恒轉(zhuǎn)矩的輸出特性。電流流通路徑為 :電源正極 → V1 管 → A 相繞組 → C 相繞組 → V2管 → 電源負(fù)極，依此類推。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 600 電角度，位置傳感器輸出信號(hào)，經(jīng)邏輯變換后使開關(guān)管 V6 截止， V2 導(dǎo)通，此時(shí) V1 仍導(dǎo)通。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 （ 1） 直流電 機(jī)的控制特性 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 直流電 機(jī)控制系統(tǒng)組成如圖 所示，其中 FV 為逆變器， SP 為與電 機(jī) 同軸聯(lián)結(jié)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，控制電路對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制 PWM 信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電機(jī)各相繞組按一定順序工作，在 電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 直流電 機(jī)用位置檢測(cè)器 (有位置傳感器或無位置傳感器 )、電子換向電路來取代有刷直流電 機(jī)的電刷和換相器，即用電子換相取代機(jī)械換相，由位 置檢測(cè)器提供轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，經(jīng)控制器邏輯處理后，控制電子換相電路換相，使定子繞組所產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩，保證電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。直流電機(jī)將電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，與傳統(tǒng)永磁直流電 機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。由于 DSP 的供電電源為 ， PWM 輸出邏輯電平轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)邏輯電平需要 電源，霍爾傳感器輸出的 SV 信號(hào)轉(zhuǎn)化為 DSP 捕獲口所能接受的 V 也需要 電源， 而 DSP、顯示模塊等其它電路需要 5V 的電源，因此電路中選用 7805 和 7812 兩種穩(wěn)壓芯片，其最大輸出電流為 ，能夠滿足系統(tǒng)的要求，其電路如圖 所示。其中，通過對(duì)電流檢測(cè)的分時(shí)反饋處理，使相反電勢(shì)和相電流的相位始終保持一致；通過對(duì)霍爾集成位置傳感器輸出的 交變信號(hào)的軟件計(jì)算，得到速度反饋值。與傳統(tǒng)的控制方式相比，數(shù)字控制系統(tǒng)不僅大大降低硬件電路的復(fù)雜程度，而且獲得了更高的性價(jià)比。 P W M 控 制逆變電路直 流 電 機(jī)電 流 控 制位 置 檢 測(cè)轉(zhuǎn) 速 控 制電 流 檢 測(cè)分 時(shí) 反 饋速 度 控 制+i+nni 圖 直流電 機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制原理框圖 系統(tǒng)采用數(shù)字轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。 圖 。 產(chǎn)生 PWM 的寄存器設(shè)置： （ 1） 設(shè)置和裝載 ACTRx 寄 存器； 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 （ 2） 如果使能死區(qū)，則設(shè)置和裝載 DBTCONx 寄存器； （ 3） 設(shè)置和裝載 T1PR 或 T3PR 寄存器，即規(guī)定 PWM 波形的周期； （ 4） 初始化 CMPRX 寄存器； （ 5） 設(shè)置和裝載 COMCONx 寄存器； （ 6） 設(shè)置和裝載 T1CON 或 T3CON 寄存器，來啟動(dòng)比較操作； （ 7） 更新 CMPRx 寄存器的值，使輸出的 PWM 波形的占空比發(fā)生變化。 PWM 電路的設(shè)置 [9] 在電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用中， PWM 電路被設(shè)計(jì)為減少產(chǎn)生 PWM 波形的CPU 開銷和減少用戶的工作量。 方案二：采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。因此系統(tǒng)的頻帶寬，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 （ IGBT)等。 我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且在采用 DSP 產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。 （ 3） 定頻調(diào)寬法：這種方法是使周期 T（ 或頻率保持不變 ） ，而 改變 t1 和 t2。以下 3 種方法都可以改變占空比的邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 值： （ t1 為脈沖高電平寬度， t2 為脈沖低電平寬度） （ 1） 定寬調(diào)頻法：這種方法是保持 t1 不變，只改變 t2，這樣使周期 T（ 或頻率 ） 也隨之改變。它具有效率高、 體積小、低成本的優(yōu)點(diǎn)，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)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。 PWM 調(diào)速方法 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。單極性工作制是 DSP 控制口一端置低電平，另一端輸出PWM 信號(hào)，兩口的輸出切換和對(duì) PWM 的占空比調(diào)節(jié)決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。雙極性工作制是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，單片機(jī)兩控制口各輸出一個(gè)控制信號(hào)，兩信號(hào)高低電平相反，兩信號(hào)的高電平時(shí)差決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 兼于方案三 調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大， 因此本設(shè)計(jì)采用方案三 [8]。用 DSP 控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可 調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。更主要的問題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。 U ( t )0tTt 0UT2 t 0 T3 t 0 4 t 0邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 2 硬件電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)方案比較與分析 電機(jī)調(diào)速 控制模塊 方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 PWM 系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。 （ 2）電流脈動(dòng)小：由于 PWM 調(diào)制頻率高，電機(jī)負(fù)載成感性對(duì)電流脈沖由滑動(dòng)作用，波形系數(shù)接近于 1。 PWM 脈沖調(diào)速系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)： （ 1）頻帶寬 、頻率高：晶體管“節(jié)電容”小，開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于可控（ 50Hz），可達(dá)210kHz。我們可以通過控制占空比 ? 的大小實(shí)現(xiàn)等效直流電壓在 0～ U 之間任意改變，利用該方法即實(shí)現(xiàn)了直流電壓的 PWM 脈沖控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制作用。 PWM 對(duì)直流電壓的控制 由上述可知，一段時(shí)間內(nèi) PWM 脈沖加在負(fù) 載兩端的電壓與此時(shí)間內(nèi)面積相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在時(shí)間 T 內(nèi)脈脈沖寬度為 t0,脈沖幅值為 U，那么由圖 可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為： 圖 PWM 脈沖 TUtU ??0 () 若令 Tt?? ， ? 即為占空比， 占空比 ? 表示了在一個(gè)周期 T 里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。如果周期性的施加上述脈沖，則響應(yīng) i(t)也是周期性的。從 圖 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 波形可以看出，在 i(t)的