【正文】 由于磁極的改變，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向也隨之改變， Ae 經(jīng)過過零后點(diǎn)后變成正值。 以 A 相為例，在轉(zhuǎn)子位于 0o～ 120o 區(qū)間內(nèi)，相帶始終在 S 磁極下，相帶 A′始終在 N極下，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Ae 是恒定的。 這樣如此下去，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 60o 角就換相一次，相電流按圖所示的順序進(jìn)行斷電和通電，電動(dòng)機(jī)就會(huì)平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)下去。根據(jù)上面講的道理必須要進(jìn)行換相，即 A 相斷電， B 相正相通電，（ e）所示。因此，為了避免出現(xiàn)這樣的結(jié)果，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖（ b）的位置時(shí)，就必須換相，使 B 相斷電， C 相反相通電。 當(dāng)轉(zhuǎn)過 60o 角后，轉(zhuǎn)子位置如圖（ b）所示。CSN （ g） B 相正向通電， A 相反向通電 （ h）轉(zhuǎn)過 60o 圖 12 無(wú)刷直流機(jī)轉(zhuǎn)子位置與換相的關(guān)系 The diagram of brushless DC motor rotor position and mutation relations 假設(shè)當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖 11（ a）位置時(shí)為 0o ，相帶 A′、 B、 C′在 N 級(jí)下，相帶 A、 B39。BA39。AB39。CSN （ e） B 相正向通電， C 相反向通電 （ f）轉(zhuǎn)過 60o C39。BA39。ACB39。CNS （ c）繼續(xù)旋轉(zhuǎn) （ d） A 相正向通電， C 相反向通電轉(zhuǎn)過 60o BC39。C39。ASNB39。ASN （ a） A 相正向通電， B 相反向通電 （ b）轉(zhuǎn)過 60o BC39。BA39。AC39。 BA39。 位置傳感器 綜合上述分析，目前以三相星形全橋驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)用最多。全橋驅(qū)動(dòng)比半橋驅(qū)動(dòng)所使用的開關(guān)管多一倍，因此成本要高。全橋驅(qū)動(dòng)比半橋驅(qū)動(dòng)的波動(dòng)小。因此希望盡量減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。從這個(gè)角度來(lái)看，三相比四相好，四相比五相好，全橋比半橋好。以下對(duì)此作一個(gè)對(duì)比 : 1)繞組利用率 不像普通直流電動(dòng)機(jī)那樣，無(wú)刷直流機(jī)的繞組是斷續(xù)通電的。 無(wú)刷直流機(jī)有多相結(jié)構(gòu)，每種電動(dòng)機(jī)可分為半橋驅(qū)動(dòng)、全橋驅(qū)動(dòng)，全橋驅(qū)動(dòng)又可分為星形和角形聯(lián)結(jié)以及不同的通電方式。這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在一周有三種狀態(tài)，每種狀態(tài)持續(xù) 120o。為了使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來(lái)，必須使定子電樞各相繞組不斷地?fù)Q相通電，這樣才能使定子磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子的位置不斷地變化，使定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)始終保持 90o 左右的空間角，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) [5]。 無(wú)刷直流機(jī)為了去掉電刷，將電樞放到定子上去，而轉(zhuǎn)子做成永磁體，這樣的結(jié)構(gòu)正好與普通電動(dòng)機(jī)相反。 直流電源 開關(guān) 電路 電動(dòng)機(jī) 圖 11 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理框圖 The diagram of block diagram of brushless DC motor 無(wú)刷直流機(jī)的工作原理 普通直流電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，而定子產(chǎn)生固定不動(dòng)的磁場(chǎng)。圖中，直流電源通過開關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子所處位置， 并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)來(lái)控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止。 無(wú)刷直流機(jī)的工作離不開電子開關(guān)的電路，因此由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)電路三部分組成了無(wú)刷直流機(jī)控制系統(tǒng)。無(wú)刷直流機(jī)的定子電樞繞組采用整距集中式繞組，繞組的相數(shù)有二、三、四、五相，但應(yīng)用最多的是三相和四相。為了能產(chǎn)生梯形波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，無(wú)刷直流 機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的形狀呈弧形（瓦片狀），氣隙磁場(chǎng)呈梯形分布。為了使整個(gè)系統(tǒng)能夠可靠運(yùn)行，因而采用了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)都采用 PI 調(diào)節(jié)器。 本文對(duì)無(wú)刷直流機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理做了簡(jiǎn)單的介紹，以為了更好地理解無(wú)刷直流機(jī)控制系統(tǒng)。由于 DSP 具有處理數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性好和精度高等優(yōu)點(diǎn) ,所以本文控制器采用的是 DSP。另外，采用 DSP 的專用集成塊的另一優(yōu)點(diǎn)就是，可以降低系統(tǒng)對(duì)傳感器等外圍器件的要求，通過復(fù)雜的算法可以達(dá)到同樣的控制性能。運(yùn)動(dòng)控制專用微處理器種類很多，尤其以 TI 公司的TMS320C24 系列將電機(jī)控制所需的外圍功能電路集成在一個(gè) DSP 芯片內(nèi)，其具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易于使用、可靠性高的特點(diǎn)，運(yùn)算速度可達(dá) 20～ 40MINPS，指令周期僅為幾十納秒，與普通的 MCU相比，運(yùn)算及處理能力增強(qiáng) 10～ 50 倍 ，確保了系統(tǒng)具有更優(yōu)越的控制性能。由于 DSP 可對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理，特別是 DSP 器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提高了數(shù)字濾波器的運(yùn)算速度，這樣使得它在控制器的規(guī)則實(shí)施、矢量控制和矩陣變換方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用較多的是 8096 系列產(chǎn)品，但單片機(jī)的處理能力有限，特別是需要處理的數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性和精度要求高時(shí)，單片機(jī)往往不再能滿足要求。對(duì)于專用集成電路 (ASICApplication Specific Integrated Circuit)使用時(shí)靈活性較差，受 到的限制過多。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，也就沒有了勵(lì)磁損耗，又由于主磁場(chǎng)是恒定的，因此鐵損也是極小的 ,因而進(jìn)一步增加了工作的可靠性 [2]。無(wú)刷直流機(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(lái)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(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁極主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 70年代以來(lái)，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件，如 GTO, MOSFET, IGBT 等相繼出現(xiàn)，為無(wú)刷直流機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) [1]。 1955 年 ,美國(guó)的 D. Harrison 等人首次申請(qǐng)了應(yīng)用晶體管換向代替電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向的專利，這就是現(xiàn)代無(wú)刷直流機(jī)的雛形，但由于電動(dòng)機(jī)尚無(wú)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩而不能產(chǎn)品化。早在本世紀(jì) 30 年代，就有人開始研制以電子換向來(lái)代替電刷機(jī)械換向的無(wú)刷直流機(jī)，并取得了一定的成果。 0 引言 隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，需要不斷地開發(fā)各種新型電動(dòng)機(jī)。新技術(shù)新材料的不斷涌現(xiàn)，促進(jìn)了電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的不斷推陳出新。但由于當(dāng)時(shí)的大功率電子器件僅處于初級(jí)發(fā)展階段，沒能找到理想的電子換向元器件。而后又經(jīng)過人們多年的努力，借助于霍爾元件來(lái)實(shí)現(xiàn)換向的無(wú)刷 直流機(jī)終于在 1962 年問世，從而開創(chuàng)了無(wú)刷直流機(jī)產(chǎn)品化的新紀(jì)元。 無(wú)刷直流機(jī)保持著有刷直流電機(jī)的優(yōu)良機(jī)械及控制特性，在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電機(jī)一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子上放置永久磁鋼。和有刷直流電機(jī)相比，無(wú)刷直流機(jī)由于取消了電機(jī)的滑動(dòng)接觸機(jī)構(gòu)，因而消除了故障的主要根源。 對(duì)于無(wú)刷直流機(jī)的控制器，當(dāng)前主要有專用集成電路 (ASIC)控制器、微處理器 (MCU)和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)等三種方式。現(xiàn)在市面上的無(wú)刷直流機(jī)控制器大多采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 因此，人們便自然地想到了 DSP(數(shù)字信號(hào)處理器 )。若要無(wú)刷直流機(jī)完成一些較復(fù)雜的控制功能，如電壓電流雙閉環(huán)調(diào)速、轉(zhuǎn)子電流正弦波驅(qū)動(dòng)，則必須要用運(yùn)動(dòng)控制專用微處理器。因此，采用 DSP 作為控制芯片將是今后的發(fā)展方向。 1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 本文針對(duì)有刷直流電動(dòng)機(jī)存在換向火花、機(jī)械換向困難、磨損嚴(yán)重等缺點(diǎn)，提出了采用無(wú)刷直流機(jī)來(lái)代替有刷直流電動(dòng)機(jī)，來(lái)提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量 ,本文設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流機(jī)的數(shù)字控制方法。此系統(tǒng)的雙閉環(huán)就是通過 DSP 軟件編程實(shí)現(xiàn)的，比起以往的用模擬器件實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)，其整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、控制精度高并且具有很強(qiáng)的靈活性，系統(tǒng)可根據(jù)用戶的控制要求只需更改設(shè)定參數(shù)（即指令操作數(shù)）就可以實(shí)現(xiàn)其 控制結(jié)果。雖然用位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法比較直接，但位置傳感器必須安裝在電動(dòng)機(jī)軸上，使電動(dòng)機(jī)更加笨重，并且增加了整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械磨損等，所以本文采用了無(wú)位置傳感器方法來(lái)獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào) ,本文采用反電勢(shì)檢測(cè)法。 無(wú)刷直流 電動(dòng) 機(jī)的結(jié)構(gòu) 無(wú)刷直流機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的 ,具有一定磁極對(duì)數(shù)的永磁體。定子上有電樞，這一點(diǎn)與永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)正好相反。各項(xiàng)繞組分別與外部的電子開關(guān)電路相連，開關(guān)電路中的開關(guān)管受位置傳感器的信號(hào)控制。其原理框圖如圖 11 所示。從而自動(dòng)地控制了哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實(shí)現(xiàn)了電子換向 [4]。為了使直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，需要通過換向器和電刷不斷的改變電樞繞組中電流的方向，使兩個(gè)磁場(chǎng)的方向始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電 動(dòng)機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)。然而即使這樣改變還不夠，因?yàn)槎ㄗ由系碾姌型ㄈ胫绷麟娨院?，只能產(chǎn)生不變的磁場(chǎng)電動(dòng)機(jī)依然轉(zhuǎn)不起來(lái)。在換相的過程中，定子各項(xiàng)繞組在工作氣隙中所形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是跳躍式運(yùn)動(dòng)。它們跟蹤轉(zhuǎn)子，并與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用，能夠產(chǎn)生推動(dòng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩。因此，不同的選擇會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不同的性能并且成本也不相同。適當(dāng)?shù)靥岣呃@組通電率將可以使同時(shí)通電導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，提高效率。 2)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng) 無(wú)刷直流機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比普通直流 電動(dòng)機(jī)的大。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)越小。 3)電路成本 相數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)電路所使用的開關(guān)管越多，成本越高。多相電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。 三相無(wú)刷直流機(jī)星形聯(lián)結(jié)全橋驅(qū)動(dòng)原理 驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)管的控制原理可用圖 12 加以說(shuō)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）。CB39。SN C39。CB39。A39。C BA39。AB39。A39。S C39。AB39。BA39。CNS C39。AB39。、C 在 S 級(jí)下，這時(shí) A 相正向通電， B 相反向通電， C 相不通電，各相通電波形見圖 13，產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針恒速轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)如果轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)下去就進(jìn)入圖（ c）所示的位置，這樣就會(huì)使同一磁極下的電樞繞組中有部分導(dǎo)體的電流方向不一致，它們互相抵消，削弱磁場(chǎng)， 使電磁轉(zhuǎn)矩減小。 轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過 60o 角后到圖（ d）所示位置。 轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過 60o 角，如圖（ f）所示位置，再進(jìn)行換相，使 C 相斷電， A 相反向通電，如圖（ g）所示。 按圖 11 的驅(qū)動(dòng)方式，就可以得到如圖 12 所示的電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形。在轉(zhuǎn)子位于 120o～ 180o 區(qū)間內(nèi)，隨著 A 相的斷電，相帶 A 相和相帶 A′相分別同時(shí)逐漸全部進(jìn)入 N 極下和 S 極下，實(shí)現(xiàn)換極。在轉(zhuǎn)子位于 180o～ 300o區(qū)間內(nèi)， A 相反向通電，相帶 A 和相帶 A′仍然分別在 N 磁極下和 S 極下，獲得恒定的負(fù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是梯形波，且其平頂部分恰好包含了 120o 電流方波。 圖 13 電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形 The diagram of current and induced voltage waveforms 對(duì)于 B 相和 C 相，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形也是如此，只不過在相位上滯后于 A 相 120o 和240o。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的梯形波有利于電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)圖 11 的通斷順序，三相星形聯(lián)結(jié)全橋驅(qū)動(dòng)的通電規(guī)律如表 11 所列 表 11 三相星形聯(lián)結(jié)全橋驅(qū)動(dòng)的通電規(guī)律 Table of starconnected threephase fullbridge driver of the power law 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 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 + + 無(wú)刷直流機(jī)的運(yùn)行特性和調(diào)速原理 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? 。 無(wú)刷直流機(jī)的電壓平衡方程式為： IREUU a ???? ………………………………………… （ 12） nKE ea ? …………………………………………………………… （ 13） IKT Ta ? ……………………………………………………………… （ 14） 則 可寫出機(jī)械特性方程式為 : nnTKK RK UUn aTee ??????? 0)(…………………………… （ 15） 式中， n 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速， min/r ； U為直流電源電壓， V；