【正文】 和計算功能都阻礙了這一要求的實現(xiàn)。例如，在很多領(lǐng)域 (如工業(yè)、家電和汽車 )，用戶希望使用效率高且去掉霍爾效應傳感器的電機。這種電機控制可以通過使用先進的電機控制理論、采用高效的控制算法來實現(xiàn)。但是這可能超出上述微處理器的計算能力。 使用高性能的數(shù)字信號處理器 (DSP)來解決電機控制器不斷增加的計算量和速度需求是目前較為普遍的做法。將一 系列外圍設備如模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (A/D)、脈寬調(diào)制發(fā)生器 (PWM)和數(shù)字信號處理器 (DSP)集成在一起，就獲得一個既功能強大又非常經(jīng)濟的電機控制專用的 DSP 芯片。近年來，各種集成化一單片 DSP 的性能得到很大的改善，軟件和開發(fā)工具越來越多，越來越好，價格卻大幅度降低。低端產(chǎn)品價格已接近單片機的價格水平，但卻比單片機具有更高的性能價格比。越來越多單片機用戶開始選用DSP 器件來提高產(chǎn)品性能， DSP 器件取代高檔單片機的時機己成熟 [3]。 首先，與單片機相比， DSP 器件具有較高的集成度。 DSP 具有更快的 CPU,更大容量的存 儲器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和 FIFO 緩沖器，提供高速、同步串口和標準異步串口。有的片內(nèi)集成了 A/D 和采樣 /保持電路，可提供 PWM 輸出。更為不同的是，DSP 器件為精簡指令器件，大多指令都能在一個周期內(nèi)完成，并且通過并行處理技術(shù)，使一個指令周期內(nèi)可完成多條指令。同時 DSP 采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時存取程序和數(shù)據(jù)。又配有內(nèi)置高速硬件乘法器、多級流水線，使 DSP 器件具有高速的數(shù)據(jù)計算能力。而單片機為復雜指令系統(tǒng)計算 (CISC)，多數(shù)指令要 23 個指令周期來完成。單片機采用馮 .諾依曼結(jié)構(gòu)，程 序和數(shù)據(jù)在同一空間存取，同一時刻只能單獨訪問指令和數(shù)據(jù)、 ALU 只能做加法，乘法需要由軟件來實現(xiàn)，選題背景 第 5 頁 (共 41 頁 ) 因此占用較多的指令周期，也就是說速度比較慢。所以，結(jié)構(gòu)上差異使 DSP 器件比準 16 位單片機單指令執(zhí)行時間快 810 倍，完成一次乘法運算快 1630 倍。 DSP 器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提供了 FFT 快速傅立葉變換和濾波器的運算。此外，DSP 器件提供了 JTAG 接口，具有更先進的開發(fā)手段，批量生產(chǎn)測試更方便 [4]。 其次，基于 DSP 芯片制造的電機控制器可以降低對傳感器等外圍器件的要求。通過復雜的算法達到同樣的控制 性能，降低成本，可靠性高，有利于專利技術(shù)的保密?，F(xiàn)在各大 DSP 生產(chǎn)廠家都推出自己的內(nèi)嵌式 DSP 電機控制專用集成電路。如占 DSP市場份額 45%的美國德州儀器公司，憑借自己的實力，推出了電機控制器專用DSPTMS320C24x。新的 TMS320C24x DSP 采用 TI 公司 TMS320C2xLP16 位定點DSP 核，并集成了一個電機事件管理器，后者的特點是可以最佳方式實現(xiàn)對電機的控制。該器件利用 TI 的可重用 DSP 核心技術(shù)，顯示出 TI 的特殊能力一通過在單一芯片上集成一個 DSP 和混合信號外設件，制造出面向各種應用的 DSP 方案。TMS320C24x 作為第一個數(shù)字電機控制器的專用 DSP 系列，可支持用于電機控制的指令產(chǎn)生、控制算法處理、數(shù)據(jù)交流和系統(tǒng)監(jiān)控等功能。集成的 DSP 核、最佳化電機控制器事件管理器和單片式 A/D 設計等諸多功能塊加在一起，就可以提供一個單芯片式數(shù)字電機控制方案。系列中的 TMS320LF2407 包括一個 30MIPSDSP 核、兩個事件管理器、 32 位的中央算術(shù)邏輯單元、多達 16 通道的 IO 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 64K 的I/0 空間和一個 32K 字的閃速存儲器，它利用 TMS320 的定點 DSP 軟件開發(fā)工具和JTAG 仿真支持， 可使電機控制領(lǐng)域的研發(fā)人員方便地調(diào)試控制器和脫機使用。 第三， DSP 運算速度快，控制策略中可以使用先進實時算法，如自適應控制、狀態(tài)預估等，大大提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)。而且 DSP 控制軟件可用 C 語言或匯編語言編寫或者二者嵌套使用。因此采用 DSP 芯片制造的電機控制器便于用戶的調(diào)試和應用。 最后，在越來越多場合，如電動汽車、紡織行業(yè)、水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)等，他們往往是規(guī)模比較大，時序、組合邏輯都很復雜的情況，這時如果同時運用 DSP 芯片和一些其它的可編程邏輯器件可以大大減小系統(tǒng)的體積、提高系統(tǒng)運算能力，實現(xiàn)復雜的實時控制。 基于 DSP 的直流無刷電機控制系統(tǒng)的設計 第 6 頁 (共 41 頁 ) 3 無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu)及原理 什么是無刷直流電機 由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。無刷電機是指無電刷和換向器 (或集電環(huán) )的電機，又稱無換向器電機。早在上世紀誕生電機的時候，產(chǎn)生的實用性電機就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動機，這種電動機得到了廣泛應用。但是，異步電動機有許多無法克服的缺陷，以致電機技術(shù)發(fā)展緩慢。本世紀中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無刷電機就應運而生了。這種新型無刷電機稱為電子換向式直流電機，它克服了第一代無刷電機缺陷。 無刷直流電機的特點 及應用 無刷直流電機保持著有刷直流電機的優(yōu)良機械及控制特性，在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電機一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子上放置永久磁鋼。無刷直流電機的電樞繞組像交流電機的繞組一樣，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現(xiàn)電子換相來代替有刷直流電機的電刷和換向器，各相逐次通電產(chǎn)生電流，定子磁場和轉(zhuǎn)子磁極主磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 [5]。 和有刷直流電機相比，無刷直流電機由于取消了電機的滑動接觸機構(gòu)，因而消除了故障的主要根源。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，也就沒有了勵磁損 耗，又由于主磁場是恒定的，因此鐵損也是極小的 (在方波電流驅(qū)動時，電樞磁勢的軸線是脈動的，會在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)產(chǎn)生一定的鐵損，采用正弦波電流驅(qū)動比方波電流鐵損更小 )?？偟恼f來，除了軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磨損外，轉(zhuǎn)子的損耗很小，因而進一步增加了其可靠性。 由于無刷直流電動機既具有交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具有直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好的特點，故在當今國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，如醫(yī)療器械、儀表儀器、化工、輕紡以及家用電器等方面的應用日益普及。無刷直流電機的應用主要分為以下幾類： （ 1）定速驅(qū)動機械 一般工業(yè)場合不需要調(diào)速的領(lǐng)域以往大多是采用三相或單相交流異步和同步電機。隨著電力電子技術(shù)的進步，在功率不大于 10KW 且連續(xù)運行的情況下，為了減少體積，節(jié)省材料，提高效率和降低能耗，越來越多的電機正被無刷直流電機逐步取代，這類應用有：自動門、電梯、水泵、風機等。而在功率較大的場合，由于一次成無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)及原理 第 7 頁 (共 41 頁 ) 本和投資較大，除了永磁電機外還要增加驅(qū)動器，因此目前較少有應用。 （ 2）調(diào)速驅(qū)動機械 速度需要任意設定和調(diào)節(jié)，但控制精度要求不高的調(diào)速系統(tǒng)分為兩種：一種是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，另一種是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) (此時 的速度反饋器件多采用低分變率的脈沖編碼器或交。直流測速等 )。通常采用的電機主要有三種：直流電機、交流異步電機和無刷直流電機。這在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛中有大量應用。 調(diào)速應用領(lǐng)域最初用得最多的是直流電機，隨著交流調(diào)速技術(shù)特別是電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)獲得了廣泛應用，變頻器和交流電動機迅速滲透到原來直流調(diào)速系統(tǒng)的絕大多數(shù)應用領(lǐng)域。近幾年來，由于無刷直流電機體積小、重量小和高效節(jié)能等一系列優(yōu)點，中小功率的交流變頻系統(tǒng)正逐步被無刷直流電機系統(tǒng)所取代，特別 是在紡織機械、印刷機械等原來應用變頻系統(tǒng)較多的領(lǐng)域，而在一些直接由電池供電的直流電機應用領(lǐng)域，則更多的由無刷直流電機所取代。 （ 3）精密控制 伺報電動機在工業(yè)自動化領(lǐng)域的高精度控制中扮演了一個十分重要的角色，應用場合不同，對伺服電動機的控制性能要求也不盡相同，在實際應用中，伺服電動機有各種不同控制形式：轉(zhuǎn)矩控制 /電流控制、速度控制、位置控制。無刷直流電機由于其良好的控制性能，在高速、高精度定位系統(tǒng)中逐步取代了直流電機與步進電機，成為其首選的伺服電機之一。目前，掃描儀、攝影機、 CD 唱機驅(qū)動、醫(yī)療診斷 CT、計算機硬盤驅(qū)動及數(shù)控車床驅(qū)動中等都廣泛采用了無刷直流電機伺服系統(tǒng)用于精密控制。 （ 4）其他應用 家用電器、大型同步電機啟動等。 無刷直流電機的工作原理 本小節(jié)實現(xiàn)介紹無刷直流電機的基本組成環(huán)節(jié)，分析了無刷直流電動機的定子繞組在三相非橋式星形的接法，三相星形橋式接法和三相封閉式橋式接法三種情況工作原理。 基于 DSP 的直流無刷電機控制系統(tǒng)的設計 第 8 頁 (共 41 頁 ) 無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu) 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 1 所示，它主要由電動機本體，位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。電動機本 體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電機相似，但沒有籠形繞組和其他氣動裝置 [6] 。其定子的繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù)(2P=2,4， … )組成。圖 1 中電動機本體為三相兩級，三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應的概率開關(guān)器件相連接，在圖 1 中， A、 B、 C 相繞組分別與概率管 V1， V2，V3 相接。位置傳感器負責跟蹤轉(zhuǎn)子并和電動機的轉(zhuǎn)抽相連接，當定子繞組某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置信號變?yōu)殡娦盘枺刂齐娮娱_關(guān)線路，從而使定子各相繞組按 一定的次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機械換向器的作用。 + B A C 位置傳感器 A 開關(guān)電路 V1 V2 V3 圖 1 無刷直流 電動機的結(jié)構(gòu)原理圖 電動機轉(zhuǎn)子的永久磁鋼與永磁有刷電動機中所使用的永磁鋼作用相似，均在電動機氣隙中簡歷足夠的磁場，其不同之處在于：直流無刷電動機中永久磁鋼在轉(zhuǎn)子上，而直流有刷電動機的永久磁鋼裝在定子上。 因此，所謂無刷直流電動機，就是基本結(jié)構(gòu)而言，可以認為是一臺由電子開關(guān)線路，永磁式同步電動機以及位置傳感器三者組成的“電動機系統(tǒng)”。其原理如圖 2 所無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)及原理 第 9 頁 (共 41 頁 ) 示。 圖 2 無刷直流電動機的原理框圖 無刷主流電動 機電子開關(guān)線路用來控制電動機定子上各相繞組通電的順序和時間，主要由功率邏輯開關(guān)單元的位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。功率邏輯單元是控制電路的核心，其功能是將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給直流無刷電動機定子的各相繞組，以便使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導通順序和時間主要取決于轉(zhuǎn)子位置傳感器信號。但位置傳感器所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來控制功率邏輯開關(guān)單元，往往需要經(jīng)過一定的邏輯處理。綜上所述，組成無刷直流電動機各個主要部分部件的框圖，如圖 3 所示。 圖 3 無刷直流電動機的組成框圖 無刷直流電機的工作原理 無刷直流電動機的電樞繞組太長有三種接法，為了便于闡述，下面以三相星行繞組半控電路為例來說明無刷直流電動機的工作原理圖。如圖 4 所示，為了便于說明此處用光電轉(zhuǎn)換器件作為轉(zhuǎn)子的位置傳感器，在圖 4 中以三只功率管 V1， V2， V3 構(gòu)直流電源 開關(guān)電路 位置傳感器 電動機 無 刷 直 流 電 動 機 電動機本體 主定子 主轉(zhuǎn)子 功率邏輯開關(guān) 位置信號處理 電子開關(guān)線路 位置傳感器 傳感器定子 傳感器定子 基于 DSP 的直流無刷電機控制系統(tǒng)的設計 第 10 頁 (共 41 頁 ) 成功率邏輯單元。 永磁無刷直流電機一般由以下幾部分構(gòu)成：電動機本體、位置傳感器和電子換向電路。在無刷直流電機中，借助反映轉(zhuǎn)子位置的位 置傳感器的輸出信號，通過電子換相電路去驅(qū)動與電樞繞組聯(lián)接的相應的功率開關(guān)元件，使電樞繞組依次饋電，從而在主定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，拖動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置傳感器不斷的送出信號，改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電動機的無接觸式換流過程的實質(zhì)。其原理如圖 2 所示。由于無刷直流電機中的永久磁鋼裝在轉(zhuǎn)子上，而有刷直流電機磁鋼裝在定子上。無刷直流電機的電子換向線路是用來控制電機定子上上各相繞組通電的順序和時間的，主要由功率開關(guān)單元和位置傳感器的信號處 理單元兩個部分組成。 + B A C VP3 VP1 B1 B VP2 A V1