直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究摘 要隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展和永磁材料性能的不斷提高，無刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)在高性能運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域越來越受到重視。無刷直流電動(dòng)機(jī)既具有直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好、無勵(lì)磁損耗等諸多特點(diǎn)，又具備交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益普及。本文在對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用綜述的基礎(chǔ)上，詳細(xì)的介紹了無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)行特性，并給出了其數(shù)學(xué)模型。簡述了無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制策略，并分析了無位置傳感器控制技術(shù)的原理和方法。然后對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)論述。系統(tǒng)以 ti 公司的

2、 tms320lf2407 芯片為控制核心，分析了 pwm 信號(hào)的產(chǎn)生分配情況，給出反電動(dòng)勢過零點(diǎn)、速度及電流等檢測電路設(shè)計(jì)，并以 ir2130 作為驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)了無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，采用三段式起動(dòng)方式來起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括初始化程序、起動(dòng)子程序、換相子程序、adc 中斷服務(wù)程序等。最后運(yùn)用 simulink 建立了無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)給定實(shí)例進(jìn)行仿真。本論文所述無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，可以獲得良好的速度控制性能，而且 dsp 技術(shù)不僅使系統(tǒng)獲得了高精度，高可靠性，還簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。：關(guān)鍵詞：無刷直流電動(dòng)機(jī) pwm 控制 無位置傳

3、感器 仿真abstractwith the development of power electronics technology and ceaseless advance of permanent magnet material, brushless dc motor (bldcm) is more and more attention in the field of high performance motion control. bldcm has been widely used in the various fields of the national economy becaus

4、e this motor not only has the merit of the dc motor for high efficiency, good performance and no excitation loss etc. but also has the merit of the ac induction motor for reliable operation, simple structure and easy maintenance etc.on the basis of the summary for developments and applications of bl

5、dcm control system,the thesis introduces the structure, running principle, operational characteristics and mathematical model of bldcm. it outlines bldcm control strategy, and discusses the principles and methods of the control technology with no position sensor detection. then the hardware and soft

6、ware design of the double closed loop control system is dissertated in detail.the controller of the hardware of the system is built by using the tms320lf2407 as the microprocessor. it analyses the formation of pwm signals and designs the circuit of bemf-zero-crossing, velocity and current detection.

7、 this system chooses syllogism jump-start motor. besides, the drive circuit of the bldcm is designed with ir2130. system software is modular in design methods, including initialization, starting, commutation subroutine, adc interrupt service procedures. finally, it established a bldcm control system

8、 simulation model by simulink, and simulate to the case model.this thesis described the design options about bldcm control system, it can get a good performance of speed control; dsp technology enables the system has not only a high-precision,high reliability, also simplifies the system architecture

9、.keywords：brushless dc motor pwm no position sensor simulation目 錄第1章 概 述- 1 -1.1 無刷直流電機(jī)的現(xiàn)狀- 1 -1.2 電無刷直流電動(dòng)機(jī)的概況- 2 -1.2.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用- 2 -1.2.2 發(fā)展前景- 3 -1.3 本設(shè)計(jì)的主要工作- 4 -第2章 無刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析- 5 -2.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)- 5 -2.1.1 電動(dòng)機(jī)本體電動(dòng)機(jī)本體- 6 -2.1.2 轉(zhuǎn)子位置檢測器- 6 -2.1.3 電子換相- 7 -2.2 無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理- 7 -2.3 直流電動(dòng)機(jī)的pwm調(diào)

10、速原理- 9 -第3章 無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)- 11 -3.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)- 11 -3.2 spwm 控制技術(shù)- 13 -3.2.1 spwm控制的基本原理- 13 -3.2.2 spwm的數(shù)學(xué)模型- 14 -3.3 無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器的檢測方法- 15 -3.3.1 反電動(dòng)勢過零檢測法- 15 -3.3.2 續(xù)流二極管間接檢測法- 16 -3.3.3 反電動(dòng)勢積分法- 17 -3.3.4 反電動(dòng)勢三次諧波檢測法- 17 -3.4 數(shù)字pid控制器及算法- 18 -3.4.1 模擬pid控制原理- 19 -3.4.2 pid算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)- 20 -第4章 無

11、刷直流電動(dòng)機(jī)的 dsp 控制系統(tǒng)- 23 -4.1 dsp的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)- 23 -4.1.1 dsp在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用- 23 -4.1.2 tms320lf2407結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)- 24 -4.2 無刷直流電動(dòng)機(jī)的dsp控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)- 26 -4.2.1 pwm波形的產(chǎn)生- 27 -4.2.2 速度檢測與調(diào)節(jié)- 29 -4.2.3 電流檢測與調(diào)節(jié)- 31 -4.2.4 異步串行通訊接口電路- 31 -4.2.5 電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路- 32 -4.3 基于dsp的無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)- 33 -4.3.1 位置型pid算法程序的設(shè)計(jì)- 34 -4.3.2 數(shù)字pi速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)- 3

12、5 -4.3.2 數(shù)字pi速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)- 37 -第五章 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)- 38 -5.1 主程序結(jié)構(gòu)- 38 -5.2 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)子程序- 39 -5.3 換相子程序- 40 -5.4 adc中斷子程序- 40 -總 結(jié)- 44 -致 謝- 45 -參 考 文 獻(xiàn)- 46 -附 錄1： 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究- 47 -第1章 概 述1.1 無刷直流電機(jī)的現(xiàn)狀有刷直流電動(dòng)機(jī)作為最早的電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，由于其寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，在需要調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域占有重要地位，但機(jī)械換向裝置的存在，限制了其發(fā)展和應(yīng)用范圍。直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷和換向器因強(qiáng)迫性接

13、觸，造成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、火花、噪聲等一系列問題，影響了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速精度和性能?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶來了半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍，開關(guān)型晶體管的研制成功為創(chuàng)造新型的無刷直流電動(dòng)機(jī)帶來生機(jī)。1955年，美國人首次提出用晶體管換向線路代替機(jī)械換向裝置，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來代替有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換相裝置， 出現(xiàn)了磁電禍合式、光電式及霍爾元件作為位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，以后人們發(fā)現(xiàn)電量波形和轉(zhuǎn)子磁場的位置存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此又出現(xiàn)了通過觀測電樞繞組中不同電量波形，監(jiān)測轉(zhuǎn)子位置的無位置傳感器的電動(dòng)機(jī)。80年代初，無刷直流電機(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段，方波和正弦波無

14、刷直流電機(jī)先后研究成功?！盁o刷直流電機(jī)”的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機(jī)發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)?，F(xiàn)今，無刷直流電機(jī)集電機(jī)、變速機(jī)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(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。無刷 直 流 電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在:調(diào)速方便(可無級(jí)調(diào)速)，調(diào)速范圍寬，低速性能好(啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小)，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應(yīng)用場合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、電梯、抽油煙機(jī)、豆?jié){機(jī)、小型清污機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等等.由于無刷直流電機(jī)具有這些優(yōu)點(diǎn)，因此在2004年的國際電機(jī)會(huì)議上提出了有刷電機(jī)將被無刷電機(jī)取代這一發(fā)展趨勢。

15、美、日、英、德在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以無刷直流電機(jī)代替有刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換。美國福特公司率先把無刷直流電機(jī)應(yīng)用于汽車20世紀(jì)80年代以來，隨著微機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各種稱為無位置傳感器控制技術(shù)的方法，是當(dāng)代無刷直流電機(jī)控制研究的熱點(diǎn)之一。各國知名半導(dǎo)體公司allegro,philips,microlinear,等，先后推出了許多無刷直流電機(jī)無傳感器控制集成電路。2004年12月我國電機(jī)制造業(yè)共1167家生產(chǎn)企業(yè)，全部從業(yè)人員388282人，資產(chǎn)972億。我國生產(chǎn)的微特電機(jī)己經(jīng)占世界60%以上，目前是全球最大的永磁體(生產(chǎn)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)刷電機(jī)的主要原材料)生產(chǎn)供應(yīng)基地，中國還

16、將會(huì)成為全球最大的無刷電機(jī)生產(chǎn)國。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車用小功率電機(jī)的需求增長帶動(dòng)了以永磁無刷直流電機(jī)為主體的車用小功率電機(jī)的興起，我國正在成為世界電動(dòng)汽車制造業(yè)的主要供應(yīng)商。1.2 電無刷直流電動(dòng)機(jī)的概況1.2.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用無刷直流電動(dòng)機(jī)保留了有刷直流電機(jī)的優(yōu)良調(diào)速性能，又省去了機(jī)械電刷和換器。它采用一種位置檢測器和電子開關(guān)變換器替代電刷和換向器，既有傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)良特性，又有交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、壽命長的優(yōu)點(diǎn)。在電磁結(jié)構(gòu)上，無刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電機(jī)一樣，但是它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子上放置永磁磁鋼。無刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組像交流電機(jī)的繞組一樣，采用多相形式

17、，經(jīng)由逆變器接到直流電源上，定子各相逐次接通電流，和轉(zhuǎn)子磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比，無刷直流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、效率高、功率因素高、轉(zhuǎn)矩/重量比高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、易于散熱，易于維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用范圍極為廣泛，尤其是在要求高控制精度和高可靠性的場合，如航空、航天、數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人、電動(dòng)汽車、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和家用電器等方面獲得廣泛應(yīng)用。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)異性能，使得世界上許多科研機(jī)構(gòu)和公司都投入到這一技術(shù)領(lǐng)域，使無刷直流電動(dòng)機(jī)的技術(shù)得到了充分展示和更加廣泛的應(yīng)用。據(jù)美國mtt預(yù)測公司的報(bào)告，就1986年美國市場而言，無刷直流電機(jī)的銷售量為

18、560萬臺(tái)，在全部電機(jī)中占 7%；在 1991 年無刷直流電機(jī)的消費(fèi)量達(dá)到 2600 萬臺(tái)，在全部電機(jī)中占 16%，增長速度最快7。總之，無刷直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，在技術(shù)上已經(jīng)逐步成熟，在大量應(yīng)用中已經(jīng)顯示其優(yōu)良特性，應(yīng)用領(lǐng)域幾乎可覆蓋所有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，并可以起到其他類型電動(dòng)機(jī)不能達(dá)到的功能。1.2.2 發(fā)展前景電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活之中。傳統(tǒng)直流電機(jī)采用機(jī)械機(jī)構(gòu)（電刷）進(jìn)行換向，因而存在機(jī)械摩擦，并由此帶來電磁噪聲、換向火花以及壽命短等缺點(diǎn)，再加上制造成本高、維修困難，從而極大的限制了它的發(fā)展和應(yīng)用范圍。針對(duì)上述傳統(tǒng)有刷

19、直流電動(dòng)機(jī)的弊病，早在 20 世紀(jì) 30 年代，就有人開始研制以電子換向代替電刷機(jī)械換向的無刷直流電動(dòng)機(jī)，并取得了一定成果。但由于當(dāng)時(shí)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。使得這種電動(dòng)機(jī)只能停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，而無法推廣使用。1955 年，美國 d.哈利森等人首次申請(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)代無刷直流電動(dòng)機(jī)的雛形。但由于該電動(dòng)機(jī)尚無起動(dòng)轉(zhuǎn)矩而不能產(chǎn)品化。爾后又經(jīng)過人們多年努力，借助于霍爾元件來實(shí)現(xiàn)換向的無刷直流電動(dòng)機(jī)終于在 1962 年問世。在此之后，又相繼出現(xiàn)了新型永磁材料釤鈷、釹鐵硼，它們具有高剩磁密度，高矯頑力以及高磁能積等優(yōu)異磁性能

20、，使永磁電機(jī)有了較大發(fā)展。進(jìn)入九十年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導(dǎo)體功率器件，如 gtr、mosfet、igbt 等相繼問世，以及微處理器、大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，逆變裝置也發(fā)生了根本性的變化。這些開關(guān)器件本身向著高頻化、大容量、智能化方向發(fā)展，并出現(xiàn)集半導(dǎo)體開關(guān)、信號(hào)處理、自我保護(hù)等功能為一體的智能功率模塊(ipm)和大功率集成電路，使無刷直流電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一逆變器的成本降低，且向高頻化、小型化發(fā)展。同時(shí)，永磁材料的性能不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善，加上永磁電機(jī)研究和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和開發(fā)進(jìn)入一個(gè)新階段，目前

21、正朝著超高速、高轉(zhuǎn)矩，高功能化。1.3 本設(shè)計(jì)的主要工作20 多年以來，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)特別是大功率開關(guān)器件的發(fā)展，無刷直流電動(dòng)機(jī)得到了長足的發(fā)展。本文針對(duì) dsp 在無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用趨勢，采用 ti 公司的運(yùn)動(dòng)控制專用 dsptms320lf2407 作為控制器，設(shè)計(jì)了基于該 dsp 的無刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)電流的 pwm 控制和速度控制。本文主要內(nèi)容如下：1.對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r、特點(diǎn)及應(yīng)用和研究現(xiàn)狀作了簡單的介紹。 2.介紹了無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，給出了無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并

22、分析了無刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性。3.詳細(xì)介紹了無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制策略，其控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)。闡述了 spwm的基本原理和無傳感器控制技術(shù)中的反電勢法工作原理，并對(duì)數(shù)字 pid 算法作了簡單的介紹。4.基于 ti 公司的 tms320lf2407 控制芯片，設(shè)計(jì)了無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路部分。分析了 pwm 的產(chǎn)生分配情況，給出速度檢測、電流檢測及故障保護(hù)等電路，并以 ir2130 作為驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)了無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。5.對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，給出了各個(gè)部分的軟件設(shè)計(jì)框圖。第2章 無刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析2.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)無刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷

23、直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它的電樞繞組是經(jīng)由電子“換向器”接到直流電源上，可把他歸為直流電動(dòng)機(jī)的一種。從供電逆變器的角度來看，它又可屬于永磁同步電動(dòng)機(jī)的一種，因?yàn)闊o刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化以及電樞繞組中的電流變化是和逆變器的頻率是一致的。但是無刷直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組中流過的電流以方波形式變化，故又稱為方波電流永磁交流電動(dòng)機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成是用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極，用具有多相繞組的定子取代電樞，用由逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器組成的電子換向器取代機(jī)械換向器和電刷。無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)成包括電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測器和電子換相電路三部分。如圖2-1所示：圖2-1 無刷直流電

24、動(dòng)機(jī)的構(gòu)成在無刷直流電動(dòng)機(jī)中，借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置檢測器的輸出信號(hào)，控制逆變器換向，使電樞繞組依次通電，從而在主定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置檢測器不斷的送出信號(hào)，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電動(dòng)機(jī)的無接觸式換流過程的實(shí)質(zhì)。2.1.1 電動(dòng)機(jī)本體電動(dòng)機(jī)本體與永磁同步電機(jī)相似，轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵勵(lì)磁，目前多使用稀土永磁材料，但沒有籠型繞組和其它起動(dòng)裝置。其定子繞組采用交流繞組形式，一般制成多相（三相、四相、五相不等）。轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)(2p=2,4,)組成，繞組形式往往采用整距、集中或接近整距

25、、集中的形式，以便保留磁密中的其它諧波。因而 bldcm 的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)既有傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，又有近年來出現(xiàn)的盤式結(jié)構(gòu)、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和線性結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)形式。伴隨著新型永磁材料釹鐵硼(ndfeb)的實(shí)用化，電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)越來越多樣化，使 bldcm正朝著高轉(zhuǎn)矩、高精度、微型化和耐環(huán)境等多種用途發(fā)展。2.1.2 轉(zhuǎn)子位置檢測器轉(zhuǎn)子位置檢測器也就是位置傳感器，在 bldcm 中，位置傳感器與電動(dòng)機(jī)同軸安裝，起著測定轉(zhuǎn)子位置的作用，為逆變器提供正確的換相信息。由于逆變器的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而與逆變器一起，起著與有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換相器和電刷相類似的作用。位置傳感器種類較多，特點(diǎn)各異。1.電磁式

26、位置傳感器電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來測量轉(zhuǎn)子位置的，有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)電路等多種類型。電磁式位置傳感器具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長、對(duì)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)，但這種傳感器體積較大，信噪比較低，同時(shí)，其輸出波形為交流，一般需經(jīng)整流、濾波方可使用。2.光電式位置傳感器光電式位置傳感器是利用光電效應(yīng)，由跟隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光部分和固定不動(dòng)的光源等部件組成。有絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器之分，增量式編碼器精度很高，多用于精密控制中，價(jià)格昂貴，且需要附加初始位置定位裝置；絕對(duì)式編碼器價(jià)格低廉，不需要初始定位，但精度不高，可用于一般的速度控制中。總之，光電式位置傳感器性能比較穩(wěn)

27、定，體積小、重量輕，但對(duì)環(huán)境要求較高。3.磁敏式位置傳感器磁敏式位置傳感器是利用某些半導(dǎo)體敏感元件的電參數(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場變化而變化的原理制成。其基本原理是霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。目前，常見的磁敏式傳感器由霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻和磁敏二極管等。一般來說，這種器件對(duì)環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng)，成本低廉，同樣，精度不高。除了上述三大類位置傳感器外，還有正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器等多種位置傳感器，它們一般較復(fù)雜，而且這些元件成本較高、體積較大、所配線路復(fù)雜，因而在一般無刷直流電動(dòng)機(jī)中很少采用。2.1.3 電子換相電子換向電路由功率變換電路和驅(qū)動(dòng)控制電路兩大部分組成，它與位置檢測器相配合，去控制電動(dòng)機(jī)定子

28、各相繞組通電的順序和時(shí)間，起到換向相類似的作用。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，功率變換器接受控制電路的控制信息。將系統(tǒng)工作電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給直流無刷電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組，以便使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機(jī)供電，與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”，bldcm 由于采用自控式逆變器，電機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是 bldcm 的重要優(yōu)點(diǎn)之一。電機(jī)各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來自位置檢測器的信號(hào)，但位置檢測器所產(chǎn)生的信號(hào)一般不能直接用來驅(qū)動(dòng)功率變換器的功率開關(guān)元

29、件，往往需要經(jīng)過控制電路一定邏輯處理、隔離放大后才能去驅(qū)動(dòng)功率變換器的開關(guān)元件。驅(qū)動(dòng)控制電路的作用是將位置傳感器檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行處理，按一定的邏輯代碼輸出，去觸發(fā)功率開關(guān)管。2.2 無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理一般的直流電機(jī)由于電刷的換相，使得由永久磁鋼產(chǎn)生的磁場與電樞繞組通電后產(chǎn)生的磁場在電機(jī)運(yùn)行過程中始終保持垂直從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理和有刷直流電動(dòng)機(jī)基本相同，即在一個(gè)具有恒定磁通密度分布的磁極下，保證電樞繞組中通過的電流總量恒定，以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，而且轉(zhuǎn)矩只與電樞電流的大小有關(guān)。由于轉(zhuǎn)子的氣隙磁通為梯形波，由電機(jī)學(xué)原理可知，電樞的感應(yīng)電動(dòng)勢亦為梯形波，大

30、小與轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)速成正比。bldcm 三相電樞繞組的每相電流為 120通電型的交流方波，反電動(dòng)勢為 120梯形波。只要控制好逆變器各橋臂功率器件的開關(guān)時(shí)刻就能滿足上述要求。bldcm 三相繞組主回路基本類型有三相半控和三相全控兩種。三相半控電路的特點(diǎn)是簡單，一個(gè)可控硅控制一相的通斷，每個(gè)繞組只通電 1/3 的時(shí)間，另外 2/3 時(shí)間處于斷開狀態(tài)，沒有得到充分的利用，在運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。所以最好采用三相全控式電路，電路如圖 2.2 所示，在該電路中，電動(dòng)機(jī)的繞組為 y 聯(lián)結(jié)。圖 2-2 中 ui 為逆變器，pmm 為永磁電動(dòng)機(jī)本體，ps 為與電動(dòng)機(jī)本體同軸連接的轉(zhuǎn)子位置傳感器?？刂齐娐穼?duì)

31、轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的信號(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，從而控制電動(dòng)機(jī)各相繞組按一定順序工作，在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場911。下面以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動(dòng)機(jī)來說明其工作原理。無刷直流電動(dòng)機(jī)三相全控電路如圖2-2所示：圖2-2 無刷直流電動(dòng)機(jī)三相全控電路當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁磁極位于圖 2.3(a)所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出磁極位置信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使功率開關(guān)管 vt1，vt6導(dǎo)通，即繞組 a，b 通電，a進(jìn) b 出，電樞繞組在空間的合成磁勢為 fa，如圖 2.3(a)所示。此時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順

32、時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。電流流通路徑為：電源正極vt1管a 相繞組b 相繞組vt6管電源負(fù)極。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 60電角，到達(dá)圖 2-3(b)中位置時(shí)，位置傳感器輸出信號(hào)，經(jīng)邏輯變換后使開關(guān)管 vt6截止、vt2導(dǎo)通，此時(shí) vt1仍導(dǎo)通。這使繞組 a，c 通電，a進(jìn) c 出，電樞繞組在空間合成磁場如圖 2-3(b)中 fa。此時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，電流的流通路徑為：電源正極vt1管a 相繞組c 相繞組vt2管電源負(fù)極，依此類推。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針每轉(zhuǎn)過 60電角時(shí)，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為：vt3vt2vt3vt4vt5vt4vt5vt6vt1vt6則轉(zhuǎn)子磁場始終受到定子合成磁場的

33、作用并沿順時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。無刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理如圖2-3所示： (a)磁極處于b相繞組平面 (b)磁極處于a相繞組平面圖2-3 無刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖在圖 2-3(a)到圖 2-3(b)的 60電角范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場順時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而定子合成磁場在空間保持圖 2-3(a)中的 fa的位置不動(dòng)，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)夠 60電角到達(dá)圖 2-3(b)中的 fa的位置時(shí)，定子合成磁場才從圖 2-3(a)中 fa位置順時(shí)針躍變至圖 2-3(b)中的 fa的位置?？梢姸ㄗ雍铣纱艌鲈诳臻g不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，每個(gè)步進(jìn)角是 60電角。2.3 直流電動(dòng)機(jī)的pwm調(diào)速原理直流調(diào)速系統(tǒng)

34、中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法就是調(diào)節(jié)電樞電壓。改變電樞電壓調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制（pwm）技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動(dòng)機(jī)的電樞端電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。它被越來越廣泛的應(yīng)用在各種功率的調(diào)速系統(tǒng)中。本系統(tǒng)利用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制(pwm)來控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。兩端的電壓波形。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電

35、壓為0, tz秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過程如下圖2-4所示： u1 0 tu0 us t1 t2 0圖2-4 輸入輸出電壓波形電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值。為 （2-1）式中占空比a表示在一個(gè)周期t里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值，a變化范圍為0-1之間。所以當(dāng)電源電壓us不變時(shí)，電樞的端電壓的平均值u。取決于占空比的大小，改變a值就可改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的.理想空載轉(zhuǎn)速與占空比a成正比。第3章 無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制器在控制方式上主要有以專用集成芯片、單片機(jī)和dsp芯片控制三種方式。以專用集成芯片為核心的控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，

36、價(jià)格較便宜，但是系統(tǒng)靈活性不足，保護(hù)功能有限，以dsp芯片為核心的控制器，控制精度較高，但是算法較復(fù)雜，開發(fā)周期長，成本較高，不易在市場上推廣。本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為主控芯片可以彌補(bǔ)上述兩方案的不足。 3.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)若只通過 pwm(或 spwm)改變驅(qū)動(dòng)電路的控制電壓來達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，則稱該系統(tǒng)為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即控制是單方向進(jìn)行的，輸出轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生。在實(shí)際中許多需要無級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定提出較嚴(yán)格的要求。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能要求較高時(shí)，必須采用閉壞調(diào)速系統(tǒng)。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜

37、合多種信號(hào)，各參數(shù)之間相互影響，難以進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。在采用電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，一個(gè)調(diào)節(jié)器需完成兩種調(diào)節(jié)任務(wù)：正常負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，過載時(shí)進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。一般而言，在這種情況下，調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)無法保證兩種調(diào)節(jié)過程同時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。如果是多級(jí)電機(jī)，則可得下式： （3-1）式中， 為電機(jī)極對(duì)數(shù)， 、 分別為反電動(dòng)勢和相電流的向量形式。反電動(dòng)勢 又可寫為： （3-2）結(jié)合以上兩個(gè)公式可見，反電勢與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。顯然，轉(zhuǎn)矩的大小 與電機(jī)中的相電流成正比，改變相電流 ，相應(yīng)的也就改變了轉(zhuǎn)矩 的大小，也就改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速的目的。因

38、此，如何改變無刷直流電動(dòng)機(jī)相電流了成了調(diào)速的關(guān)鍵一環(huán)。具體實(shí)現(xiàn)是通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電流占空比(pwm)的方法來達(dá)到改變相電流i 的目的，相應(yīng)地改變了轉(zhuǎn)矩的大小。由以上分析，可以確定控制方案如圖3-1所示： 圖3-1 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，既要控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又要控制電流使系統(tǒng)在充分利用電動(dòng)機(jī)過載能力的條件下獲得最佳的過渡過程，其關(guān)鍵是處理好轉(zhuǎn)速控制與電流控制之間的關(guān)系，就是將二者分開，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 的輸出電壓作為電流調(diào)節(jié)器 acr 的電流給定信號(hào)，再用 acr 的輸出電壓作為

39、逆變電路的換相控制電壓。由圖3-1可知，內(nèi)環(huán)即電流調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)節(jié)定子磁場的大小，定子磁場的大小正比于流過定子線圈的電流，控制定子線圈的電流即可控制定子磁場的大小。外環(huán)即速度控制環(huán)，將給定的速度信號(hào)與經(jīng)過轉(zhuǎn)子位置檢測器后計(jì)算的速度信號(hào)之差作為速度環(huán)的輸入，其作用是增加系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，抑制速度波動(dòng)，并具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性。另外，系統(tǒng)還有一個(gè)環(huán)路就是位置檢測環(huán)，獲得轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，確保電機(jī)能正確進(jìn)行換相。當(dāng)定子繞組的某一相導(dǎo)通的時(shí)候，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置檢測器將轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定順序?qū)?，?/p>

40、子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的作用。3.2 spwm 控制技術(shù)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制(pwm)技術(shù)已在中小功率電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。但 pwm 波形的諧波分量大，過高的諧波會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生附加損耗和噪音，不利于電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。正弦波脈寬調(diào)制 spwm(sinusoidal pulse width modulation)技術(shù)是基于正弦波產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)的方法，其效果與正弦波等效，很好地克服了 pwm技術(shù)的缺陷。3.2.1 spwm控制的基本原理在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形

41、狀不相等的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。這一結(jié)論是 spwm 控制的重要理論基礎(chǔ)。如圖 3-2(a)所示，將正弦波看成是由 n 個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都為/n，但幅值不等，且脈沖的頂部為曲線，各脈沖的幅值按正弦波規(guī)律變化。如果將上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形狀脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)的正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖的相應(yīng)正弦部分面積相等，就有圖3-2(b)所示的脈沖序列。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而與正弦波等效的波形，即為 spwm 波形。圖3-2 spwm控制的基本原理圖3.2.2 spwm的數(shù)學(xué)模型spwm 法可由模擬電路和

42、數(shù)字電路等硬件電路來實(shí)現(xiàn)，也可由微控制器，即硬件與軟件結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)。用硬件電路實(shí)現(xiàn) spwm 法，通常是用一個(gè)正弦波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生可以調(diào)頻調(diào)幅的正弦波(調(diào)制波)信號(hào)，再用一個(gè)三角波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值不變的三角波（載波）信號(hào)，將它們進(jìn)行比較，由兩者的交點(diǎn)來確定逆變器開關(guān)的轉(zhuǎn)換，如圖3-3所示：圖3-3 三角波載波spwm法3.3 無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器的檢測方法無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。正因?yàn)橛兴⒅绷麟姍C(jī)的換向器與電刷等嚴(yán)重的限制了電機(jī)性能的提高和發(fā)展?jié)摿?，才使得人們想去掉換向器與電刷，在這種情況下，位置傳感器的應(yīng)用被提上了日程。它大大的解決了因換向器

43、與電刷互相摩擦所帶來的電火花、噪聲、無線電干擾以及壽命短等問題。但是它也有自身的缺點(diǎn)，由于位置傳感器的存在，增加了無刷直流電動(dòng)機(jī)的重量和尺寸，不利于電機(jī)的小型化；旋轉(zhuǎn)時(shí)傳感器難免有磨損，且不易維護(hù)。同時(shí)，傳感器的安裝精度和靈敏度直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能。為了適應(yīng)無刷電機(jī)的發(fā)展，無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，它不直接檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，與有刷電機(jī)相比，省去了位置傳感器，簡化了電動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)，取得了良好效果，并得到了廣泛的應(yīng)用。在小型和輕載起動(dòng)條件下，無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)成為理想的選擇。目前這種電機(jī)被廣泛地應(yīng)用于空調(diào)、洗衣機(jī)等。除了在電機(jī)上安裝霍爾元件、光電碼盤等裝置直接檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置

44、，還可以通過檢測電機(jī)的磁鏈、電流和電壓等物理量，再經(jīng)過相應(yīng)的處理間接地求得電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。由于不是直接檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，因此這種通過檢測磁鏈、電流和電壓等物理量來得到轉(zhuǎn)子位置的直流電動(dòng)機(jī)也被稱為無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)。以下將介紹幾種無位置傳感器的檢測電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的方法。3.3.1 反電動(dòng)勢過零檢測法對(duì)于永磁結(jié)構(gòu)的電機(jī)，反電動(dòng)勢的大小依賴轉(zhuǎn)子位置。如果可以精確的檢測反電動(dòng)勢，就可以得到轉(zhuǎn)子位置，從而控制電子換向開關(guān)的動(dòng)作。對(duì)于反電動(dòng)勢為梯形波的無刷直流電動(dòng)機(jī)來說，由于在任意時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通，而另一相懸空，因此可以方便的檢測出懸空相的反電動(dòng)勢。而懸空相反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)，再延時(shí) 30電角即為換

45、流的關(guān)鍵時(shí)刻。無刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組采用星形接法，其電樞繞組具有梯形的反電動(dòng)勢波，為保證一相斷路，系統(tǒng)采用兩兩導(dǎo)通、三相六狀態(tài) pwm調(diào)制方式，每相繞組正反向分別導(dǎo)通 120電角度，即每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔 60電角換相一次 ，功率管的導(dǎo)通順序?yàn)椋簐1v6v3v2v3v4v5v4v5v6。當(dāng)功率管v1和 v2導(dǎo)通時(shí)，電流從功率管 v1流入 a 相繞組，再從 c 相繞組流出，經(jīng) v2回到電源。在忽略無刷直流電動(dòng)機(jī)電樞反應(yīng)影響的前提下，通過檢測未導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，獲取轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，以此作為逆變橋功率器件的觸發(fā)信號(hào)，輪流觸發(fā)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正確換相，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。反電動(dòng)勢波形檢測電

46、路圖如圖3-4所示：圖3-4 無刷直流電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢波形檢測電路3.3.2 續(xù)流二極管間接檢測法在三相星型六狀態(tài)的無刷直流電動(dòng)機(jī)中，當(dāng)采用斬波方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，非導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢將使得續(xù)流二極管中有電流流過，且續(xù)流二極管在兩次換相的中點(diǎn)時(shí)刻開始導(dǎo)通或者停止導(dǎo)通，這恰好是非導(dǎo)通相反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)。因此，可以通過檢測非導(dǎo)通相的續(xù)流二極管是否導(dǎo)通間接的檢測反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)。這種檢測方法比直接檢測反電動(dòng)勢過零點(diǎn)要精確，因而可以在一個(gè)很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有效，包括很低的轉(zhuǎn)速，但不能為零。由于可以在很低的轉(zhuǎn)速時(shí)工作，因此這種方法也使得電機(jī)起動(dòng)要比其它方法簡單。這種方法最大的缺點(diǎn)是必須提供六個(gè)用于比較電路的

47、隔離電源。3.3.3 反電動(dòng)勢積分法反電動(dòng)勢積分法是反電動(dòng)勢過零檢測法的一種改進(jìn)方法。在檢測到非導(dǎo)通相反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)后，對(duì)該相反電動(dòng)勢進(jìn)行積分，得到積分值 。由于在過零點(diǎn)附近，反電動(dòng)勢的瞬時(shí)值近似為時(shí)間的線性函數(shù)，即= ，因此有： （3-3）其中，為反電動(dòng)勢的幅值，k為積分系數(shù)，當(dāng)積分值 達(dá)到閥值 時(shí)，即為換相時(shí)刻。反電動(dòng)勢積分法一方面可以減小開關(guān)噪聲，另一方面反電動(dòng)勢幅值與轉(zhuǎn)速成比例，保持電流和反電動(dòng)勢同相，因而電機(jī)可以工作在更高的轉(zhuǎn)速。與反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測方法一樣，反電動(dòng)勢積分法在低速時(shí)不能正常工作，并且電機(jī)不能自起動(dòng)。3.3.4 反電動(dòng)勢三次諧波檢測法無刷直流電動(dòng)機(jī)的梯形波反電動(dòng)勢包含

48、基波以及其它高次諧波分量。將三相反電動(dòng)勢相加，可以消去基波分量以及五次、七次諧波分量，剩下三次諧波以及其它高次諧波分量。無論轉(zhuǎn)速以及負(fù)載的情況，三次諧波分量和轉(zhuǎn)子磁通都保持一個(gè)固定的相位關(guān)系，并且不受逆變器開關(guān)噪聲的影響，因此是一種可靠的檢測方法。梯形反電動(dòng)勢和它的基波諧波三次分量如圖3-5所示：圖3-5 梯形反電動(dòng)勢和它的基波諧波三次分量由無刷直流電動(dòng)機(jī)的相電壓波形可以看出：定子繞組采用y型接法的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其定子三相相電壓之和就等于定子繞組中反電動(dòng)勢之和，而且可以分解為 3 次諧波和 3 的奇數(shù)倍次諧波之和。由于高次諧波的幅值較小、頻率較高，因此可以通過低通濾波器把高次諧波濾掉，只留下

49、 3 次諧波。3 次諧波在基波的一個(gè)周期內(nèi)有 6 個(gè)過零點(diǎn)，而且每個(gè)過零點(diǎn)都和反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，因此只要檢測到 3 次諧波的過零點(diǎn)就可以知道轉(zhuǎn)的位置，從而確定換相時(shí)間16。采用上述位置檢測方法時(shí)，只需把三相定子繞組的相電壓相加，再經(jīng)過濾波就可以得到用來換相的 3 次諧波，這決定了這種方法的一個(gè)特點(diǎn)：因?yàn)槭前严嚯妷合嗉樱员仨氁龆ㄗ永@組的中性點(diǎn)，否則沒有辦法測量相電壓。而在很多情況下，是沒有辦法引出電機(jī)的中性點(diǎn)的。3.4 數(shù)字pid控制器及算法將偏差的比例(p)、積分(i)和微分(d)通過線性組合構(gòu)成控制量，用該控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，這樣的控制器稱為 pid 控制器。pid 控制

50、器是控制系統(tǒng)中技術(shù)比較成熟，而且應(yīng)用最廣泛的一種控制器。它的結(jié)構(gòu)簡單，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)學(xué)模型，參數(shù)容易調(diào)整，在長期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，因此在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。pid 控制器最先出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬 pid 控制器是通過硬件（電子元件、氣動(dòng)和液壓元件）來實(shí)現(xiàn)它的功能。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，把它移植到微機(jī)控制系統(tǒng)中來，將原來的硬件實(shí)現(xiàn)的功能用軟件來代替，因此稱作數(shù)字 pid 控制器，所形成的一整套算法則稱為數(shù)字 pid 控制算法。數(shù)字 pid 控制器與模擬 pid 控制器相比，具有非常強(qiáng)的靈活性，可以根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)整參數(shù)，因此可以得到更好的控制性能。因此，數(shù)字 pid控

51、制算法是電機(jī)微機(jī)控制中常用的一種基本控制算法。3.4.1 模擬pid控制原理常規(guī)的模擬 pid 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 3.10 所示。圖中 r (t)是給定值， y (t)是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差 。 e (t)作為 pid 控制器的輸入， u (t)作為 pid 控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。所以模擬 pid 控制器的控制規(guī)律為： (3-4)式中， 比例系數(shù)， 為積分參數(shù)，為微分常數(shù)，為控制常量。模擬 pid 控制原理圖如圖3-6所示：圖3-6 模擬pid控制原理圖在模擬 pid 控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間做出快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用

52、，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù) ， 越大，控制越強(qiáng)；但過大的 會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分環(huán)節(jié)的作用是把偏差的積累作為輸出。在控制過程中，只要有偏差存在，積分環(huán)節(jié)的輸出就會(huì)不斷擴(kuò)大，直到偏差 ，輸出的 才可能維持在某一個(gè)常量，使系統(tǒng)在給定值不變的條件下趨于穩(wěn)態(tài)。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的相應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。增大積分參數(shù)it 會(huì)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。所以，必須根據(jù)實(shí)際控制的具體要求來確定it 。微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢進(jìn)行控制，偏差變化越快，微分控制器的

53、輸出就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對(duì)高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對(duì)輸入信號(hào)的噪聲很敏感，對(duì)那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。3.4.2 pid算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進(jìn)行連續(xù)控制。因此式(3.17)中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)在微機(jī)中不能準(zhǔn)確的計(jì)算，只能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近。如果t 為采樣周期，則離散采樣時(shí)間對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間t ，用求和的形式代替積分，以增量的形式代替微分，可作如下

54、近似變換： (3-5)式(3.18)中，為了表示方便，將類似于 簡化成 等。將式(3.18)代入式(3.17)就可以得到離散的 pid 表達(dá)式為： (3-6)式中，k 為采樣序號(hào)， k =0,1,2,； u (k)為第k 次采樣時(shí)刻的輸出值；為第 k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；k 1e 為第 k 1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。如果采樣周期取得足夠小，則式(3.19)的近似計(jì)算可獲得足夠的精確的結(jié)果，被控過程與連續(xù)控制十分接近。式(3.19)表示的控制算法是直接按式(3.17)所給出的 pid 控制規(guī)律定義進(jìn)行計(jì)算的，它直接給出了全部控制量的大小，因此被稱為全量式或位置式 pid 控制算法。這種算法的

55、缺點(diǎn)是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過去狀態(tài)無關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)進(jìn)行累加，工作量大；并且，因?yàn)槲C(jī)輸出的 u (k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果微機(jī)出現(xiàn)故障，輸出的 u (k)將大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，這在實(shí)際過程中是不能允許的。因此，有的系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)等增量型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的控制量是增量，不是位置量的絕對(duì)數(shù)值，而是其增量，這應(yīng)采用增量式 pid 控制算法。增量式 pid 控制算法可通過式(3.19)進(jìn)行推導(dǎo)而得出。由式(3.19)可得控制器在第 個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值為： (3-7)將式(3.19)與(3.20)相減，并整理，就可以得到增量式 pid 控制算法公式： (3-8)總之，增量式算法只需要保留現(xiàn)時(shí)以前三個(gè)時(shí)刻的偏差值即可。與位置式算法相比，增量式 pid 算法的計(jì)算工作小得多，因此在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。增量式控制算法不僅適用于增量式控制也用于位置式控制，因?yàn)槲恢檬?pid 控制算法可以通過增量式控制算法遞推