【正文】 管，使電機的各相繞組按一定的順序工作。 DSP 通過 I／ O 口捕捉電機轉(zhuǎn)子位置傳感器上的脈沖信號，判斷轉(zhuǎn)子位置輸出合適的驅(qū)動邏輯電平給 MOSFET 驅(qū)動芯片，再由 MOSFET 功率驅(qū)動電路驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。在接入 IPM 之前，首先串連一個電流霍爾傳感器，測量直流母線電流，送給 DSP的 I／ O 口，用于母線過流保護；并聯(lián)一個電壓霍爾傳感器，測量直流母線電壓，送給 DSP 的 I／ O 口，用于母線過壓保護。 圖 42 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 220V 交流電經(jīng)過 一個三相整流橋，成為直流電壓。 圖 41 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 電機控制平臺主電路設(shè)計 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 42 所示，主要包括 DSP 控制器部分和控制板電路。 4 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖 41 所示，主要包括 DSP 控制系統(tǒng)，驅(qū)動電路，檢測電路 。 3） .定頻調(diào)寬法：這種方法是保持周期 T 不變，而改變和。 在 PWM 調(diào)速中，以下 3 種方法都可以改變占空比的值： 1） .定寬調(diào)頻法：這種方法是保持不變，只改變，這樣使周期 T（或頻率）也隨之改變。 電機的電驅(qū)繞組端電壓的平均值為： 式中為占空比。這樣，對應(yīng)著輸入電平的高低，電驅(qū)兩端的繞組電壓波形如圖 37 所示。 t1 秒后，開關(guān)管柵極輸入變?yōu)榈碗妷?，開關(guān)管截止，電機電驅(qū)兩端電壓為 0。無刷直流電機 PWM 調(diào)速控制原理圖如圖 37 所示。 PWM 技術(shù) PWM 的理論基礎(chǔ)：沖量相等而面積不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其輸出環(huán)節(jié)的響應(yīng)波形基本相同。 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進行連續(xù)控 制，所以積分和微分項不能直接使用，必須進行離散化處理。但微分系統(tǒng)對輸入信號的噪音很敏感，對噪音大的系統(tǒng)一般不使用微分，或在微分起作用之前先對輸入信號進行濾波。偏差變化的越快，微分控制器的輸出越大，并能在偏差值變大之前進行修正。 微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化。增大積分常數(shù)會減慢靜態(tài)誤差的消除過程，但可以減少超調(diào)量，提高系 統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。在控制過程中，只要存在偏差，積分環(huán)節(jié)的輸出就會不斷增大?？刂谱饔玫膹娙跞Q于比例系數(shù)，越大，控制越強，但過大的會導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以 PID 控制器的控制規(guī)律為 ――比列系數(shù) ――積分常數(shù) ――微分常數(shù) ――控制常量 比列環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間做出快速反應(yīng)。圖中 r t 是給定值， y t 是系統(tǒng)的實際輸出值，實際輸出值與給定值構(gòu)成控制偏差 c t 。其中 Ra為電驅(qū)等效電阻， Ec 為電驅(qū)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反向電動勢，它和電驅(qū)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越快，反向電動勢越大。比例調(diào)節(jié)對干擾有及時而有力的抑制作用；積分調(diào)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差；微分調(diào)節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的動作速度，減少超調(diào)，克服振蕩?？芍鋫鬟f函數(shù)為： （式 314） 式中為電機傳遞函數(shù)，；為轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù)，；為電磁時 間常數(shù)。由式 35 和 38 可得轉(zhuǎn)矩系數(shù)為： 式 313 無刷直流電機的動態(tài)特性 無刷直流的動態(tài)特性可由下列方程組來描述： 式中中為電動機的負載阻轉(zhuǎn)矩；為電動機轉(zhuǎn)子飛輪力矩 N??m2 ， 4gJ J 為轉(zhuǎn)動慣量 。 無刷直流電機的轉(zhuǎn)速 將式 32 ，式 33 代入式 35 ，可得轉(zhuǎn)速為： （式 310） 令 Ia 0,可得理想空載轉(zhuǎn)速： （式 311） 電勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù) 電勢系數(shù)是電動機單位轉(zhuǎn)速在電樞繞組中所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的平均值。 整理得電機的電磁轉(zhuǎn)矩為： （式 36） 即： （式 37） 平均電磁轉(zhuǎn)矩為： （式 38） 轉(zhuǎn)速 n 0,時，平均轉(zhuǎn)矩為： （式 39） 由此可知，在一個磁狀態(tài)一相導(dǎo)通區(qū)域內(nèi)，由于電勢的脈動使轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生了波動，轉(zhuǎn)矩波動會使電機產(chǎn)生噪音和運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，所以一般都希望轉(zhuǎn)矩波動小。若以轉(zhuǎn)子磁極曲線與 A 相繞組軸線重合時作為轉(zhuǎn)子的 起始位置，為了使電機的輸出功率最大，通常當轉(zhuǎn)子磁極軸線處在電勢波形相鄰交點所對應(yīng)的角度范圍時，讓電勢大的一相導(dǎo)通，由圖 31 a 可得 A 相導(dǎo)通時磁極軸線處于與范圍內(nèi) ,繞組感應(yīng)電動勢為 : （式 31） 感應(yīng)電動勢最大值為 : （式 32） （ 為電樞繞組每相有效匝數(shù) 。△ Ur 為功率晶體管的飽和壓降。 為電樞電流 。式中， Ua 為電源電壓 。 3 忽略過渡導(dǎo)通狀態(tài)和開關(guān)動作的過渡過程，認為每相電流時瞬時產(chǎn)生和切除 。為了便于分析，作如下假設(shè) : 1 轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的磁場在氣隙中沿圓周按正弦分布 。 3 無刷直流電機數(shù)學(xué)模型及 PID 控制器的設(shè)計 無刷直流電機的運行特性 圖 31 a 電驅(qū)繞組感應(yīng)電勢波形圖 以三相非橋式星形接法兩極電機為例，分析無刷直流電動機的運行特性。 所以，利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場，對霍爾半導(dǎo)體通入直流電， 當轉(zhuǎn)子的磁場強度大小和方向隨著它的不同而發(fā)生變化時，霍爾半導(dǎo)體就會輸出霍爾電動勢，霍爾電動勢的大小和相位隨轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測轉(zhuǎn)子位置的作用。（如圖 233（ a）） 圖 233（ a） 霍爾位置傳感器集成電路圖 圖 233（ b） 霍爾效應(yīng)原理圖 如圖 233（ b）所示，在長方形半導(dǎo)體薄片上通入電流 I，電流方向如圖，當在垂直于薄片的方向上施加磁感應(yīng)強度為 B 的磁場時，則在與電流 I 和磁場強度 B 構(gòu)成的平面相垂直的方向上會產(chǎn)生一個電動勢 E，稱其大小為： （ K 為靈敏度系數(shù)），我們稱這種效應(yīng)為霍爾效應(yīng)。利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動機的永磁轉(zhuǎn)子，同時也是霍爾傳感器的轉(zhuǎn)子。經(jīng)過放大整形輸出的是脈沖信號，易于與數(shù)字電路接口。 光電元件一般是砷化鎵發(fā)光二極管和光敏三極管或光敏二極管。這樣，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，遮光板使光敏接收元件輪流接收光信號，所以產(chǎn)生不同的輸出。的扇形開口，如圖 232 b 所示，扇形開口的數(shù)目等于直流無刷電動機轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)。其中，發(fā)光二極管和光敏接收元件分別安裝在遮光板的兩側(cè)，固定不動；遮光板安裝在轉(zhuǎn)子上，隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 光電式位置傳感器： 光電式位置傳感器利用光電效應(yīng)進行工作 。相位。假設(shè)隨著電動機的逆時針轉(zhuǎn)動，導(dǎo)磁扇片也跟著轉(zhuǎn)動，并逐漸靠近繞組，遠離繞組，使繞組產(chǎn)生感應(yīng)電壓 UB，并逐漸增大，繞組上的感應(yīng)電壓 UA 逐漸減小為 O。 圖 231 電磁式位置傳感器 當轉(zhuǎn)子處在如圖所示的位置時，勵磁極所產(chǎn)生的高頻磁通通過轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)磁材料耦合到感應(yīng)極上的繞組上，在繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓 UA。定子是由高頻導(dǎo)磁材料的鐵心制成，一般有 6 個極，等間距分布，每個極上都纏有線圈。扇形導(dǎo)磁片的個數(shù)與無刷直流電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)相等。它由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。 無刷直流電動機的位置傳感器 無刷直流電動機的位置傳感器主要有三種： 電磁式位置傳感器： 電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來實現(xiàn)位置測量的。由于通電相發(fā)生了變化，使定子磁場方向也發(fā)生了變化，與轉(zhuǎn)子永磁磁場相互作用，仍然會產(chǎn)生與前面過程同樣大的轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動。 3 個接收元件在空間上間隔 120 度，分別控制、 3 個開關(guān)管。 圖 22 無刷直流電機工作原理圖 三相無刷直流電動機的工作原理如圖 22 所示。由于電子開關(guān)線路導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機械換向器的換向與調(diào)速的作用。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。圖 21 中的電動機本體為三相兩極。 圖 21 無刷直流電動機結(jié)構(gòu)原理圖 無刷直流電動機主要由電動機本體，位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。檢測單元采集電機運行的相關(guān)信息，包括主回路電流信號、主驅(qū)動電壓信號、電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)相，并送給 DSP 主控制器。系統(tǒng)主要分為三個部分如圖 13：電機驅(qū)動系統(tǒng)， DSP 控制系統(tǒng)，人機監(jiān)控系統(tǒng)。他提出無刷直流電機必須滿足以下 5 個條件： 1 電機由定子電樞繞組和轉(zhuǎn)子永磁體構(gòu)成； 2 逆變器直流供電； 3 電機速度正比于直流電壓； 4 逆變器矩陣開關(guān)函數(shù)決定定子繞組的端電壓； 5 轉(zhuǎn)子位置檢測器的邏輯決定逆變器開關(guān)的導(dǎo)通時刻。從有刷到無刷，從半控元件到全控元 件，發(fā)展過程中各種新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，從電機結(jié)構(gòu)到控制方式也層出不窮。經(jīng)過多年的努力，國內(nèi)已有無刷直流電機的系列產(chǎn)品，