【正文】 緊密 的 結(jié)合在一起 ,電機 作為 一種 機電能量轉(zhuǎn)換的重要裝置 ,其發(fā)展經(jīng)歷了很多時期，同時也 有著廣泛的應(yīng)用范圍 ，在各行各業(yè)和 國民經(jīng)濟 的發(fā)展中做出了很大的貢獻。電動機 從功能上可以分為直流電機、同步電 機 、異步電機 這三 大 種類型 ， 其容量范圍可以 從幾瓦到上萬千瓦 兆瓦 不等。它的機械電刷和換向器由于始終不斷地要進行強迫性接觸，這將會帶來可靠性差、火花、噪聲等各種各樣的棘手問題，會直接影響他的性能和調(diào)速的精度。 現(xiàn)今，直流無刷電機集電機、變速機構(gòu)、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動調(diào)速系統(tǒng)。如電動自行車、電動汽車、電梯、抽油煙機、豆?jié){機、小型清污機、數(shù)控機床、機器人等。 由 無刷直流電機 電機的運行原理可知 ，控制系統(tǒng) 隨著轉(zhuǎn)子 不斷的發(fā)生 位置的改變 ，三相橋式逆變器 的 功率器件也 同樣相應(yīng)改變其 狀態(tài) ,要么開通要么關(guān)斷，有著多種不同的組合， 這樣 就 可實現(xiàn) 無刷直流 電機的運行 。 無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展 控制系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀 電力電子技術(shù)的進步對無刷直流電動機的發(fā)展來說具有一個很大的推動作用，在其發(fā)展的早期，當(dāng)時處于初級發(fā)展階段的大功率開關(guān)器件，不僅可靠性差，而且其價格昂貴，同時又受到驅(qū)動控制技術(shù)水平、永磁材料兩方面的制約，這導(dǎo)致自發(fā)明以后的無刷直流電機在一段很長的時間內(nèi)，只能處于實驗室研究階段，沒有辦法得到應(yīng)有的推廣與發(fā)展， 20世紀(jì)七十年代，伴隨著電力電子工業(yè)的高速發(fā)展，各種新型的全控型半導(dǎo)體功率器件如春雨般出現(xiàn)在世人眼前，這為它后來廣泛應(yīng)用與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 在人們對無刷直流電機不斷的了解基礎(chǔ)上，無刷直流電機的理論也逐步進行了完善與改進。 電機 的 控制技術(shù)從最初的模擬控制 ， 到以 數(shù)字信號處理器 為主的模 擬數(shù)字 混合 式的 控制 ,再到全 DSP 數(shù)字信號處理器的數(shù)字控制 演變 ,這些都 始終與計算機技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān) 。 那 個時候 ,微處理器的品種 是 有限 的 ,運算速度 還是非常的 慢 ,在 處理器內(nèi)部 硬件資源上 都 比較 的 匾乏 ，用這種微處理器 構(gòu)成的電機控制系統(tǒng) 常常 需要輔以大量的外圍 硬件數(shù)字邏輯電路和模擬電路。 最近幾年以來 ， 對于無刷直流電機的 應(yīng)用 研究也有了 突破性的 進展 。 控制算法的 介紹 在 直流 電機控制 系統(tǒng) 中 ,首先要求被控過程必須具有一定的穩(wěn)定性 和魯棒性 ,能夠迅速 同時并且準(zhǔn)確地跟蹤參考 速度給定值的變化 ,并且有 較小的 給定 超調(diào)量 。 有上分析可知 ,如果要 同時滿足上述 的 各項 實際 要求 并不是一件很容易的事情， 所以在實際應(yīng)用當(dāng)中 ,設(shè)計人員 必須根據(jù) 實際中 具體過程的 特殊 要求 ，在 滿足主要方面 的同時 ,還要 兼顧其它方面 的性能 。 由于 PI 控制器的結(jié)構(gòu) 是 簡單 的 ， 并且還有 穩(wěn)定性能好，工作可靠性高 和控制 參數(shù)易于整定 的優(yōu)點，在數(shù)字程序中調(diào)整起來也相對非常的 方便。 目前 ，現(xiàn)代人工智能控制技術(shù)，如模糊控制測量，遺傳算法分配策略，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略，滑模變結(jié)構(gòu)控制策略以及自適應(yīng)控制策略都已經(jīng)在無刷直流電動機控制中得到了應(yīng)用 。 但是， 智能控制 算法技術(shù)的計算運算 量較大 ,控制 算法也較復(fù)雜 實現(xiàn)困難， 實時性 不強， 因而 ， PI 調(diào)節(jié)器還是目前最為常見的 控制方法 ，這在實用性上有很大提高。 相對 于 開環(huán)控制系統(tǒng) 的特點 而言 ， 閉環(huán)控制 系統(tǒng) 具有一系列的優(yōu)點 。 因此 ， 閉環(huán) 控制 系統(tǒng)具有著抑制 外部和內(nèi)部 干擾的能力 ，對器 件特性變化不敏感 ，可以 改善 整個系統(tǒng) 響應(yīng)特性等優(yōu)點 ，很具有實用性 。 除了這個缺點之外， 單閉環(huán) 速度 調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗 外部 干擾性能 也 比較差 ， 當(dāng)電網(wǎng)電壓 出現(xiàn)小幅度 波動時 ，控制系統(tǒng)必須等到 速發(fā)生變化后 才能發(fā)揮 調(diào)節(jié)作用 ， 因而 單閉環(huán) 會產(chǎn)生較大的動態(tài)誤差 。 通過 上述中的 分析 可以 發(fā)現(xiàn) ， 如果 需要能夠?qū)崿F(xiàn)電機的 快速起動 和制動，必須使電 機在起動 或者制動 過程中 保持 輸出最大的恒定 的在允許范圍內(nèi)的 電磁轉(zhuǎn)矩 ， 即 盡 最大 可能的 允許 恒定的 電樞電流 ， 當(dāng) 電機內(nèi) 電樞電流保持最大 的 允許值時 ，直流 電動機能 以恒 定的加速度快速的聲 至給定 的 轉(zhuǎn)速 或者停機， 然后 電機內(nèi) 電樞電流 則 立即降至負(fù)載電流值 或者降低為零 。 以上 分析的 兩點都涉及 到了電機內(nèi) 電樞電流的控制 ， 所以自然 而然的就需要 考慮到將 電機內(nèi) 電樞電流也作為一個 被控 物理 量 ，從而有效的 組成轉(zhuǎn)速 外環(huán) +電流 內(nèi)環(huán)的 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 第二章：簡單的介紹了無刷直流電機的基本原理，研究無刷直流電機的換向準(zhǔn)則，用圖示的方法簡單清晰明了。 第四章： 對所研究的無刷直流電機建立了控制系統(tǒng)，建立速度外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明所搭建的控制系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定的跟蹤速度參考給定值。最后對有關(guān)人士表達了深深的謝意。 無刷直流電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 無刷直流機的轉(zhuǎn)子 具有一定磁極對數(shù)的永磁體，它 是由永磁材料制成的 ,。 無刷直流電機的 定子上有電樞 繞組 ，這一點與永磁有刷直流電動機正好 是 相反 的 。 電機的各相 繞組分別與外部的 電力 電子開關(guān)電路相連， 電力電子 開關(guān)電路中的 功率器件 開關(guān)管受位置傳感器的信號控制 ，從而可以有效的實現(xiàn)無刷直流電機的控制，以滿足實際 需求 ?；谟兴⒅绷麟姍C改進的直流無刷電機，內(nèi)部電樞繞組與功率開關(guān)器件相連，其驅(qū)動過程是通過內(nèi)部主轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出信號來完成的，使電樞繞組依次通電，其原理框圖如圖 21 所示。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置傳感器不斷地輸出具體位置信號，位置信號轉(zhuǎn)換為電信號后通過控制芯片來改變電樞繞組的通電狀態(tài) ，電樞電流方向始終保持恒定不變，因此，整個直流無刷電機的換向 過程完全屬于無接觸式。為了使 普通 直流電動機 有效的穩(wěn)定 旋轉(zhuǎn)， 這必要 需要 采取某些措施，比如 通過 機械式的換向器在與電機固定不變的 電刷 進行不斷的 有效的 改變電樞繞組中電流 流通 的方向，使兩個 正交的靜止磁場 方向 能夠始終保持 著 相互垂直 的關(guān)系 ， 這是一種解耦的方法，直流電機之所以能夠有效控制正是因為電樞電流和氣隙磁場相互垂直 ，無刷直流電機正也是借助這點被研究出來。 在 無刷直流電機 換相的過程中， 電機 定子 的 各項繞組 會在工作氣隙中 形成的旋轉(zhuǎn)磁場是 不是連續(xù)變化的，而是 跳躍式 的 運動。它們 會 跟蹤轉(zhuǎn)子 一起變化 ，并與轉(zhuǎn)子 周圍 的磁場相互作用， 這樣才 能夠產(chǎn)生推動 無刷直流電機 轉(zhuǎn)子繼續(xù) 向前 轉(zhuǎn)動的 電磁 轉(zhuǎn)矩。因此， 根據(jù)實際的需要， 選擇 不同形式的驅(qū)動逆變器 會使電動機產(chǎn)生不同的 驅(qū)動 性能 ，同時生產(chǎn) 成本也 會 不相同。與普通直流電動機驅(qū)動方式不同 ，無刷直流機的 定子 繞組 通電不是連續(xù)的而 是斷續(xù)通電的。 2）電機 轉(zhuǎn)矩的波動。因此 ，為了 希望 能夠 盡量減小 電機的 轉(zhuǎn)矩波動。 從驅(qū)動逆變器的角度來說，電壓型 全橋驅(qū)動 逆變器 比 電壓型 半橋驅(qū)動 逆變器 的波動 程度要 小。 無刷直流電機的 相數(shù)越多， 所需的驅(qū)動電路逆變器的 開關(guān)管越多， 功率開關(guān)管的驅(qū)動電路 成本 也就 越高。 然而，多相 無刷無刷直流 電動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 驅(qū)動逆變器也越復(fù)雜，相應(yīng)的生產(chǎn)和設(shè)計以及運行維護的成本也越高 。 VT1D1VT3D3VT5D5VT4D4VT6D6VT2D2A 39。CC 39。CB39。SN C39。CB39。A39。C BA39。AB39。A39。S C39。AB39。BA39。CNS C39。AB39。、C 繞組端 是 在 磁極 S 級 以 下，這時 A 相 繞組 正向通 入 電 流 ， B 相 繞組 反向通 入電流 ， C 相 繞組是 不通電 的，對應(yīng) IGBT 都是關(guān)斷的 ，各相 繞組 通 入 電 流的 波形見圖 23所示 ， 它們之間 產(chǎn)生的定子 繞組 磁場與轉(zhuǎn)子 繞組 磁場 之間 是 相互作用 的 ，這樣才能有效的 使 無刷直流電機的 轉(zhuǎn)子 能逆時針以某個速度維持 轉(zhuǎn)動。這時如果 無刷直流電機的轉(zhuǎn)子繼續(xù)向左旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) 下去就 會 進入 如圖 23（ c）所示的位置，無刷直流電機電樞繞組中有一定量 導(dǎo)體的電流方向 是 不一致 的 ， 這樣會使 它們互相抵 消，削弱磁場 的大小 ，使 無刷直流電機發(fā)出 電磁轉(zhuǎn)矩 大大地 減小。根據(jù)上面 所講的原理就 必須要 使逆變橋進行換相，即 A 相 繞組 斷電， B 相 繞組 正 向 相通 入 電 流 ， 如圖 23（ e）所示 ，依次循環(huán)， 這樣如此 循環(huán) 下去， 無刷直流電機 轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 60o 角就 要 換相一次，根據(jù)不同的位置，各 相電流按圖 23 所示的 步進 順序進行斷電和通電， 無刷直流電動機就會平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)下去。對于 B 相 繞組 和 C 相 繞組 ， 無刷直流電機的 感應(yīng)電動勢的波形 是相同的，只是 在相位上滯后于 A 相 繞組 120o 和 240o。當(dāng)定子繞組某相通過直流電流時，電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為： ?sinrILBZT mDa ? （ 21） 式中 , DZ 為相導(dǎo)體數(shù)； L 為導(dǎo)體的有效長度； mB 為氣隙磁通最大值； r 為氣隙半徑； I 為定子繞組相電流。 m； R 為 無刷直流 電動機內(nèi)阻， ?； eK 、 TK 分別為 無刷直流感應(yīng) 電勢 的 系數(shù)、 電磁 轉(zhuǎn)矩 的 系數(shù)。但實際 中使用的無刷直流機 調(diào)速 控制 系統(tǒng) 是 使用 的 微機 進行 控制 的 ， 檢測電路把檢測到 電壓信號 經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后 送到 DSP 主控器中 ， DSP 則會 計算出 無刷直流電動機的 實際 轉(zhuǎn)速， 這樣 再與 參考 給定的轉(zhuǎn)速 進行 比較， 從而 輸出 控制 IGBT 的PWM 脈沖 信號， 即通過 控制開關(guān)管 IGBT 的通 和斷，就能有效的 控制 無刷 電動機電流（電壓）大小， 使 無刷直 流 電動機的轉(zhuǎn)速 穩(wěn)定跟蹤參考給定值 。 第三章 無刷直流電機的控制系統(tǒng)設(shè)計 無刷直流電機的控制系統(tǒng)由硬件 電路 系統(tǒng)和軟件 控制 系統(tǒng)組成，硬件 電路 系統(tǒng)包括速度 和轉(zhuǎn)子位置 檢測電路， PI 控制器 電路， 三相 電流檢測 與反饋 電路，PWM 信號 驅(qū)動電路， 三相電壓型全橋 逆變器， 無刷直流 電機等。為了使無刷直流電機能夠按照 參考 給定的速度 穩(wěn)定 運行， 那么 必須設(shè)計 出 性能良好的硬件 電路 系統(tǒng)以及軟件處理程序。 圖 31 硬件控制系統(tǒng)總體框圖 無刷直流電機控制策略 無刷直流 電機的速度控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制 系統(tǒng)和閉環(huán) 控制 系統(tǒng) 兩種 情況 ，接下來我們將逐個研究這兩種控制策略。 這種控制策略 只能用于對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度要求不高 ，控制結(jié)構(gòu)簡單的場合，但是 在 控制 要求比較高 的場合 ，開環(huán)控制 策略 就受到很大的限制 。 正是因為 開環(huán)控制系統(tǒng) 的 靜特性 比閉環(huán)系統(tǒng)的要 差 很多 ，在 電磁 轉(zhuǎn)矩變化的情況下 會導(dǎo)致電機 轉(zhuǎn)速變化 很 大，這種情 不利于 無刷直流 電機 的 平 穩(wěn) 運行。 直流穩(wěn)壓電源 逆變器 無刷直流電機PWM 圖 32 無刷直流電機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 無刷直流電機的閉環(huán)環(huán)控制策略 物理系統(tǒng)中被控對象的輸出物理量會經(jīng)過某個環(huán)節(jié)反饋至控制系統(tǒng)，從而改變物理系統(tǒng)的輸出量，這種控制策略是典型 閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點 。無刷直流電機一般采用的是 速度外環(huán) +電流內(nèi)環(huán)的 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 如圖 33 所示。 圖 33所示的 速度外環(huán) +電流內(nèi)環(huán)的 雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 中速度外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器和電流 內(nèi)環(huán)PI 調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速 控制 系統(tǒng) 中 的作用 可以解釋 如下 ： （ 1）速度外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的作用 A） 速度外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器 是 無刷直流電機閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng) 中 的主導(dǎo) PI 調(diào)節(jié)器，它的作用是 使 無刷直流電機 輸出 的轉(zhuǎn)能夠零穩(wěn)態(tài)誤差的跟蹤參考給定速度 ， 同時系統(tǒng)動態(tài)特性也非常的優(yōu)越 ； B）對 電機負(fù)載突變起調(diào)節(jié)作用 ，抑制 電機輸出 速度 的 波動 ，使電機運行平穩(wěn) 。 一般來說， 速度外環(huán) +電流內(nèi)環(huán)的 雙閉環(huán) 無刷直流電機的 調(diào)速系統(tǒng) 一般都具有非常 滿意的動態(tài) 和穩(wěn)態(tài) 性能。 速度外環(huán) +電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)無刷直流電機的調(diào)速系統(tǒng)中，由于 電流內(nèi)環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的作用 ， 電網(wǎng) 電壓 或逆變器電壓的 波動 都 可以通過 內(nèi)環(huán)電流的 瞬時 反饋得到及時 有效的 調(diào)節(jié)。 上分析可知，當(dāng)無刷直流電機使用速度外環(huán) +電流內(nèi)環(huán)的 雙閉環(huán)控制 系統(tǒng)可以使電機 的抗 外部干 擾性能得到很大地改善 ，提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性 。 比例控制規(guī)律（ P） 具有比例控制規(guī)律的控制器，其輸出信號 )(tu 與輸入信號 )(te 之間的關(guān)系，可以用下面的數(shù)學(xué)表達式表示 )()( teKtu P? （ 31） 式（ 31）中， PK 為調(diào)節(jié)器的比例增益或比例放大倍數(shù)，因此，比例控制器的傳遞函數(shù)為 PKsE sUsH ?? )( )()( （ 32） 比例調(diào)節(jié)器實質(zhì)上是一個增益，或放大倍數(shù)， PK 為調(diào)節(jié)器輸出變量 )