直流无刷电机驱动技术的研究毕业设计论文

1、 摘 要随着现代电力电子技术的发展和永磁材料性能的不断提高，无刷直流电动机的系统在高性能运动控制领域越来越受到重视。无刷直流电动机既具有直流电动机运行效率高、调速性能好、无励磁损耗等诸多特点，又具备交流电动机的运行可靠、结构简单、维护方便等一系列优点，在国民经济各个领域的应用日益普及。本文在对无刷直流电动机控制系统的发展及应用综述的基础上，详细的介绍了无刷直流电动机的基本结构、工作原理和运行特性，并给出了其数学模型。简述了无刷直流电动机的控制策略，并分析了无位置传感器控制技术的原理和方法。然后对无刷直流电动机双闭环控制系统的硬、软件设计作了详细论述。系统以 TI 公司的 TMS320LF240

2、7 芯片为控制核心，分析了 PWM 信号的产生分配情况，给出反电动势过零点、速度及电流等检测电路设计，并以 IR2130 作为驱动芯片设计了无刷直流电动机的驱动电路，采用三段式起动方式来起动电动机。系统的软件采用模块化设计方法，主要包括初始化程序、起动子程序、换相子程序、ADC 中断服务程序等。最后运用 SIMULINK 建立了无刷直流电动机控制系统的仿真模型，并对给定实例进行仿真。本论文所述无刷直流电动机控制系统的设计方案，可以获得良好的速度控制性能，而且 DSP 技术不仅使系统获得了高精度，高可靠性，还简化了系统结构。：关键词：无刷直流电动机 PWM 控制 无位置传感器 仿真Abstrac

3、tWith 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 because this motor

4、 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 BLDCM control

5、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 software design

6、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. This system

7、 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 simulation

8、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.Keywords：Br

9、ushless DC motor PWM No position sensor Simulation目 录第1章 概 述- 1 -1.1 无刷直流电机的现状- 1 -1.2 电无刷直流电动机的概况- 2 -1.2.1 无刷直流电动机的特点和应用- 2 -1.2.2 发展前景- 3 -1.3 本设计的主要工作- 4 -第2章 无刷电机控制系统分析- 5 -2.1 无刷直流电动机的基本结构- 5 -2.1.1 电动机本体电动机本体- 6 -2.1.2 转子位置检测器- 6 -2.1.3 电子换相- 7 -2.2 无刷直流电动机的工作原理- 7 -2.3 直流电动机的PWM调速原理- 9 -第3章

10、无刷直流电机控制器硬件设计- 11 -3.1 无刷直流电动机双闭环调速系统- 11 -3.2 SPWM 控制技术- 13 -3.2.1 SPWM控制的基本原理- 13 -3.2.2 SPWM的数学模型- 14 -3.3 无刷直流电动机无位置传感器的检测方法- 15 -3.3.1 反电动势过零检测法- 15 -3.3.2 续流二极管间接检测法- 16 -3.3.3 反电动势积分法- 17 -3.3.4 反电动势三次谐波检测法- 17 -3.4 数字PID控制器及算法- 18 -3.4.1 模拟PID控制原理- 19 -3.4.2 PID算法的数字实现- 20 -第4章 无刷直流电动机的 DSP

11、控制系统- 23 -4.1 DSP的结构和特点- 23 -4.1.1 DSP在运动控制领域的应用- 23 -4.1.2 TMS320LF2407结构和特点- 24 -4.2 无刷直流电动机的DSP控制系统的设计- 26 -4.2.1 PWM波形的产生- 27 -4.2.2 速度检测与调节- 29 -4.2.3 电流检测与调节- 31 -4.2.4 异步串行通讯接口电路- 31 -4.2.5 电动机的驱动电路- 32 -4.3 基于DSP的无位置传感器无刷直流电动机的起动- 33 -4.3.1 位置型PID算法程序的设计- 34 -4.3.2 数字PI速度调节器设计- 35 -4.3.2 数字P

12、I速度调节器设计- 37 -第五章 无刷直流电动机控制系统的软件设计- 38 -5.1 主程序结构- 38 -5.2 电动机启动子程序- 39 -5.3 换相子程序- 40 -5.4 ADC中断子程序- 40 -总 结- 44 -致 谢- 45 -参 考 文 献- 46 -附 录1： 直流无刷电机驱动技术的研究- 47 -第1章 概 述1.1 无刷直流电机的现状有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换向装置的存在，限制了其发展和应用范围。直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成其结构复杂、可靠

13、性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机。1955年，美国人首次提出用晶体管换向线路代替机械换向装置，经过反复实验，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电动机的机械换相装置， 出现了磁电祸合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机，以后人们发现电量波形和转子磁场的位置存在着一定的对应关系，因此又出现了通过观测电枢绕组中不同电量波形，监测转子位置的无位置传感器的电动机。80年代初，无刷直流电机进入了实用阶段，方波和正弦波无刷直流电机先后研究成功。

14、“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。无刷 直 流 电机具有最优越的调速性能，主要表现在:调速方便(可无级调速)，调速范围宽，低速性能好(启动转矩大，启动电流小)，运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等等.由于无刷直流电机具有这些优点，因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。美、日、英、德在工业自动

15、化领域中已经实现了以无刷直流电机代替有刷电动机的转换。美国福特公司率先把无刷直流电机应用于汽车20世纪80年代以来，随着微机控制技术的快速发展，出现了各种称为无位置传感器控制技术的方法，是当代无刷直流电机控制研究的热点之一。各国知名半导体公司Allegro,Philips,MicroLinear,等，先后推出了许多无刷直流电机无传感器控制集成电路。2004年12月我国电机制造业共1167家生产企业，全部从业人员388282人，资产972亿。我国生产的微特电机己经占世界60%以上，目前是全球最大的永磁体(生产无刷直流电机控制系统设计刷电机的主要原材料)生产供应基地，中国还将会成为全球最大的无刷电

16、机生产国。随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应商。1.2 电无刷直流电动机的概况 无刷直流电动机的特点和应用无刷直流电动机保留了有刷直流电机的优良调速性能，又省去了机械电刷和换器。它采用一种位置检测器和电子开关变换器替代电刷和换向器，既有传统直流电机的优良特性，又有交流电机的结构简单、运行可靠、寿命长的优点。在电磁结构上，无刷直流电动机和有刷直流电机一样，但是它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永磁磁钢。无刷直流电动机的绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子各

17、相逐次接通电流，和转子磁场相互作用，产生转矩。与传统的电励磁同步电动机相比，无刷直流电动机具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因素高、转矩/重量比高，转动惯量低、易于散热，易于维护保养等优点，因而应用范围极为广泛，尤其是在要求高控制精度和高可靠性的场合，如航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面获得广泛应用。由于无刷直流电动机的优异性能，使得世界上许多科研机构和公司都投入到这一技术领域，使无刷直流电动机的技术得到了充分展示和更加广泛的应用。据美国MTT预测公司的报告，就1986年美国市场而言，无刷直流电机的销售量为560万台，在全部电机中占 7%；

18、在 1991 年无刷直流电机的消费量达到 2600 万台，在全部电机中占 16%，增长速度最快7。总之，无刷直流电动机经过 20 多年的发展，在技术上已经逐步成熟，在大量应用中已经显示其优良特性，应用领域几乎可覆盖所有电动机驱动领域，并可以起到其他类型电动机不能达到的功能。 发展前景电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。传统直流电机采用机械机构（电刷）进行换向，因而存在机械摩擦，并由此带来电磁噪声、换向火花以及寿命短等缺点，再加上制造成本高、维修困难，从而极大的限制了它的发展和应用范围。针对上述传统有刷直流电动机的弊病，早在 20 世纪 30 年

19、代，就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的无刷直流电动机，并取得了一定成果。但由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向元器件。使得这种电动机只能停留在实验室研究阶段，而无法推广使用。1955 年，美国 D.哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向的专利，这就是现代无刷直流电动机的雏形。但由于该电动机尚无起动转矩而不能产品化。尔后又经过人们多年努力，借助于霍尔元件来实现换向的无刷直流电动机终于在 1962 年问世。在此之后，又相继出现了新型永磁材料钐钴、钕铁硼，它们具有高剩磁密度，高矫顽力以及高磁能积等优异磁性能，使永磁电机有了较大发展。进入九十年代以来，

20、随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如 GTR、MOSFET、IGBT 等相继问世，以及微处理器、大规模集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的变化。这些开关器件本身向着高频化、大容量、智能化方向发展，并出现集半导体开关、信号处理、自我保护等功能为一体的智能功率模块(IPM)和大功率集成电路，使无刷直流电动机的关键部件之一逆变器的成本降低，且向高频化、小型化发展。同时，永磁材料的性能不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟，无刷直流电动机的应用和开发进入一个新阶段，目前正朝着超高速、高转矩，高功能化。1.3 本设

21、计的主要工作20 多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷直流电动机得到了长足的发展。本文针对 DSP 在无刷直流电动机控制系统中的应用趋势，采用 TI 公司的运动控制专用 DSPTMS320LF2407 作为控制器，设计了基于该 DSP 的无刷直流电动机双闭环数字控制系统，实现了对无刷直流电动机电流的 PWM 控制和速度控制。本文主要内容如下：1.对无刷直流电动机的发展状况、特点及应用和研究现状作了简单的介绍。 2.介绍了无刷直流电动机的基本结构及工作原理，给出了无刷直流电动机的数学模型，并分析了无刷直流电动机运行特性。3.详细介绍了

22、无刷直流电动机的控制策略，其控制系统采用双闭环。阐述了 SPWM的基本原理和无传感器控制技术中的反电势法工作原理，并对数字 PID 算法作了简单的介绍。4.基于 TI 公司的 TMS320LF2407 控制芯片，设计了无刷直流电动机控制系统的硬件电路部分。分析了 PWM 的产生分配情况，给出速度检测、电流检测及故障保护等电路，并以 IR2130 作为驱动芯片设计了无刷直流电动机的驱动电路。5.对无刷直流电动机的软件设计采用模块化的设计思想，给出了各个部分的软件设计框图。第2章 无刷电机控制系统分析2.1 无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。它的电枢绕组是

23、经由电子“换向器”接到直流电源上，可把他归为直流电动机的一种。从供电逆变器的角度来看，它又可属于永磁同步电动机的一种，因为无刷直流电动机转速变化以及电枢绕组中的电流变化是和逆变器的频率是一致的。但是无刷直流电动机电枢绕组中流过的电流以方波形式变化，故又称为方波电流永磁交流电动机。无刷直流电动机的组成是用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，用具有多相绕组的定子取代电枢，用由逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、转子位置检测器和电子换相电路三部分。如图2-1所示：图2-1 无刷直流电动机的构成在无刷直流电动机中，借助反映转子位

24、置的位置检测器的输出信号，控制逆变器换向，使电枢绕组依次通电，从而在主定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置检测器不断的送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电动机的无接触式换流过程的实质。 电动机本体电动机本体与永磁同步电机相似，转子采用永久磁铁励磁，目前多使用稀土永磁材料，但没有笼型绕组和其它起动装置。其定子绕组采用交流绕组形式，一般制成多相（三相、四相、五相不等）。转子由永久磁钢按一定极对数(2P=2,4,)组成，绕组形式往往采用整距、集中或接近整距、集中的形式，以便保留磁密中的其它谐波。因而 BLDC

25、M 的转子结构既有传统的内转子结构，又有近年来出现的盘式结构、外转子结构和线性结构等新型结构形式。伴随着新型永磁材料钕铁硼(NdFeB)的实用化，电机转子结构越来越多样化，使 BLDCM正朝着高转矩、高精度、微型化和耐环境等多种用途发展。 转子位置检测器转子位置检测器也就是位置传感器，在 BLDCM 中，位置传感器与电动机同轴安装，起着测定转子位置的作用，为逆变器提供正确的换相信息。由于逆变器的导通次序是与转子转角同步的，因而与逆变器一起，起着与有刷直流电动机的机械换相器和电刷相类似的作用。位置传感器种类较多，特点各异。1.电磁式位置传感器电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置的，有开口

26、变压器、铁磁谐振电路、接近开关电路等多种类型。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、对环境要求不高等优点，但这种传感器体积较大，信噪比较低，同时，其输出波形为交流，一般需经整流、滤波方可使用。2.光电式位置传感器光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电动机转子一起旋转的遮光部分和固定不动的光源等部件组成。有绝对式编码器和增量式编码器之分，增量式编码器精度很高，多用于精密控制中，价格昂贵，且需要附加初始位置定位装置；绝对式编码器价格低廉，不需要初始定位，但精度不高，可用于一般的速度控制中。总之，光电式位置传感器性能比较稳定，体积小、重量轻，但对环境要求较高。3.磁敏式位置传感器磁敏式

27、位置传感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随周围磁场变化而变化的原理制成。其基本原理是霍尔效应和磁阻效应。目前，常见的磁敏式传感器由霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻和磁敏二极管等。一般来说，这种器件对环境适应性很强，成本低廉，同样，精度不高。除了上述三大类位置传感器外，还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位置传感器，它们一般较复杂，而且这些元件成本较高、体积较大、所配线路复杂，因而在一般无刷直流电动机中很少采用。 电子换相电子换向电路由功率变换电路和驱动控制电路两大部分组成，它与位置检测器相配合，去控制电动机定子各相绕组通电的顺序和时间，起到换向相类似的作用。当系统运行时，功率变换器接

28、受控制电路的控制信息。将系统工作电源的功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。逆变器将直流电转换成交流电向电机供电，与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”，BLDCM 由于采用自控式逆变器，电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是 BLDCM 的重要优点之一。电机各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置检测器的信号，但位置检测器所产生的信号一般不能直接用来驱动功率变换器的功率开关元件，往往需要经过控制电路一定逻辑处理、隔离放大后才能去驱动功率变换器的开关

29、元件。驱动控制电路的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定的逻辑代码输出，去触发功率开关管。2.2 无刷直流电动机的工作原理一般的直流电机由于电刷的换相，使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电动机运转。无刷直流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通过的电流总量恒定，以产生恒定转矩，而且转矩只与电枢电流的大小有关。由于转子的气隙磁通为梯形波，由电机学原理可知，电枢的感应电动势亦为梯形波，大小与转子磁通和转速成正比。BLDCM 三相电枢绕组的每相电流为 120&#

30、176;通电型的交流方波，反电动势为 120°梯形波。只要控制好逆变器各桥臂功率器件的开关时刻就能满足上述要求。BLDCM 三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路的特点是简单，一个可控硅控制一相的通断，每个绕组只通电 1/3 的时间，另外 2/3 时间处于断开状态，没有得到充分的利用，在运行过程中的转矩波动较大。所以最好采用三相全控式电路，电路如图 2.2 所示，在该电路中，电动机的绕组为 Y 联结。图 2-2 中 UI 为逆变器，PMM 为永磁电动机本体，PS 为与电动机本体同轴连接的转子位置传感器。控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后，产生脉宽调

31、制(PWM)信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电动机气隙中产生跳跃式旋转磁场911。下面以两相导通星形三相六状态无刷直流电动机来说明其工作原理。无刷直流电动机三相全控电路如图2-2所示：图2-2 无刷直流电动机三相全控电路当转子永磁磁极位于图 2.3(a)所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过驱动电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管 VT1，VT6导通，即绕组 A，B 通电，A进 B 出，电枢绕组在空间的合成磁势为 Fa，如图 2.3(a)所示。此时定、转子磁场相互作用，拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极VT1管A

32、相绕组B 相绕组VT6管电源负极。当转子转过 60°电角，到达图 2-3(b)中位置时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管 VT6截止、VT2导通，此时 VT1仍导通。这使绕组 A，C 通电，A进 C 出，电枢绕组在空间合成磁场如图 2-3(b)中 Fa。此时定、转子磁场相互作用，使转子继续沿顺时针方向转动，电流的流通路径为：电源正极VT1管A 相绕组C 相绕组VT2管电源负极，依此类推。当转子继续沿顺时针每转过 60°电角时，功率开关管的导通逻辑为：VT3VT2VT3VT4VT5VT4VT5VT6VT1VT6则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动

33、。无刷直流电动机工作原理如图2-3所示： (a)磁极处于B相绕组平面 (b)磁极处于A相绕组平面图2-3 无刷直流电动机工作原理示意图在图 2-3(a)到图 2-3(b)的 60°电角范围内，转子磁场顺时针方向连续转动，而定子合成磁场在空间保持图 2-3(a)中的 Fa的位置不动，只有当转子磁场转够 60°电角到达图 2-3(b)中的 Fa的位置时，定子合成磁场才从图 2-3(a)中 Fa位置顺时针跃变至图 2-3(b)中的 Fa的位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是 60°电角。2.3 直流电动机的PWM调速原理直

34、流调速系统中应用最广泛的一种调速方法就是调节电枢电压。改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制（PWM）技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。它被越来越广泛的应用在各种功率的调速系统中。本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。两端的电压波形。当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机

35、电枢两端电压为0, tz秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程如下图2-4所示： U1 0 TU0 Us t1 t2 0图2-4 输入输出电压波形电动机电枢绕组两端的电压平均值。为 （2-1）式中占空比a表示在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值，a变化范围为0-1之间。所以当电源电压Us不变时，电枢的端电压的平均值U。取决于占空比的大小，改变a值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的.理想空载转速与占空比a成正比。第3章 无刷直流电机控制器硬件设计无刷直流电机控制器在控制方式上主要有以专用集成芯片、单片机和DSP芯片控制三种方式。以专用集成芯片为核心的控制器，系统

36、结构简单，价格较便宜，但是系统灵活性不足，保护功能有限，以DSP芯片为核心的控制器，控制精度较高，但是算法较复杂，开发周期长，成本较高，不易在市场上推广。本设计使用单片机作为主控芯片可以弥补上述两方案的不足。 3.1 无刷直流电动机双闭环调速系统无刷直流电动机控制系统若只通过 PWM(或 SPWM)改变驱动电路的控制电压来达到调节电动机转速的目的，则称该系统为开环调速系统，即控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。在实际中许多需要无级调速的生产机械常常对电动机转速的稳定提出较严格的要求。当电动机的调速性能要求较高时，必须采用闭坏调速系统。在单闭环调速系统中用一

37、个调节器综合多种信号，各参数之间相互影响，难以进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。在采用电流截止负反馈和转速负反馈的单闭环调速系统中，一个调节器需完成两种调节任务：正常负载时实现速度调节，过载时进行电流调节。一般而言，在这种情况下，调节器的动态参数无法保证两种调节过程同时具有良好的动态品质。如果是多级电机，则可得下式： （3-1）式中， 为电机极对数， 、 分别为反电动势和相电流的向量形式。反电动势 又可写为： （3-2）结合以上两个公式可见，反电势与电机的转速成正比。显然，转矩的大小 与电机中的相电流成正比，改变相电流 ，相应的也就改变了转矩 的大小，也就改变转子的转速，达到调速

38、的目的。因此，如何改变无刷直流电动机相电流了成了调速的关键一环。具体实现是通过调节电动机的电流占空比(PWM)的方法来达到改变相电流I 的目的，相应地改变了转矩的大小。由以上分析，可以确定控制方案如图3-1所示： 图3-1 无刷直流电动机控制系统框图在转速电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳的过渡过程，其关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器 ASR 的输出电压作为电流调节器 ACR 的电流给定信号，再用 ACR 的输

39、出电压作为逆变电路的换相控制电压。由图3-1可知，内环即电流调节环调节定子磁场的大小，定子磁场的大小正比于流过定子线圈的电流，控制定子线圈的电流即可控制定子磁场的大小。外环即速度控制环，将给定的速度信号与经过转子位置检测器后计算的速度信号之差作为速度环的输入，其作用是增加系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动，并具有良好的动、静态特性。另外，系统还有一个环路就是位置检测环，获得转子的位置信号，确保电机能正确进行换相。当定子绕组的某一相导通的时候，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用产生转矩，驱动转子旋转，再由位置检测器将转子位置转换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺

40、序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的作用。3.2 SPWM 控制技术随着电力电子技术的发展，脉冲宽度调制(PWM)技术已在中小功率电动机的变频调速技术中得到广泛的应用。但 PWM 波形的谐波分量大，过高的谐波会使电机产生附加损耗和噪音，不利于电机的平稳运行。正弦波脉宽调制 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)技术是基于正弦波产生脉宽调制信号的方法，其效果与正弦波等效，很好地克服了 PWM技术的缺陷。 SPWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形

41、状不相等的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。这一结论是 SPWM 控制的重要理论基础。如图 3-2(a)所示，将正弦波看成是由 N 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都为/N，但幅值不等，且脉冲的顶部为曲线，各脉冲的幅值按正弦波规律变化。如果将上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形状脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲的相应正弦部分面积相等，就有图3-2(b)所示的脉冲序列。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而与正弦波等效的波形，即为 SPWM 波形。图3-2 SPWM控制的基本原理图 SPWM的数学模型SPWM 法可由模拟电路和数字电路等

42、硬件电路来实现，也可由微控制器，即硬件与软件结合的方法来实现。用硬件电路实现 SPWM 法，通常是用一个正弦波信号发生器产生可以调频调幅的正弦波(调制波)信号，再用一个三角波信号发生器产生幅值不变的三角波（载波）信号，将它们进行比较，由两者的交点来确定逆变器开关的转换，如图3-3所示：图3-3 三角波载波SPWM法3.3 无刷直流电动机无位置传感器的检测方法无位置传感器无刷直流电动机是在有刷直流电机的基础上发展起来的。正因为有刷直流电机的换向器与电刷等严重的限制了电机性能的提高和发展潜力，才使得人们想去掉换向器与电刷，在这种情况下，位置传感器的应用被提上了日程。它大大的解决了因换向器与电刷互相

43、摩擦所带来的电火花、噪声、无线电干扰以及寿命短等问题。但是它也有自身的缺点，由于位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和尺寸，不利于电机的小型化；旋转时传感器难免有磨损，且不易维护。同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能。为了适应无刷电机的发展，无位置传感器无刷直流电动机应运而生，它不直接检测转子磁极位置，与有刷电机相比，省去了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好效果，并得到了广泛的应用。在小型和轻载起动条件下，无位置传感器无刷直流电动机成为理想的选择。目前这种电机被广泛地应用于空调、洗衣机等。除了在电机上安装霍尔元件、光电码盘等装置直接检测电机转子的位置，还可以通

44、过检测电机的磁链、电流和电压等物理量，再经过相应的处理间接地求得电机的转子位置。由于不是直接检测电机转子的位置，因此这种通过检测磁链、电流和电压等物理量来得到转子位置的直流电动机也被称为无位置传感器的无刷直流电动机。以下将介绍几种无位置传感器的检测电动机转子的方法。 反电动势过零检测法对于永磁结构的电机，反电动势的大小依赖转子位置。如果可以精确的检测反电动势，就可以得到转子位置，从而控制电子换向开关的动作。对于反电动势为梯形波的无刷直流电动机来说，由于在任意时刻只有两相导通，而另一相悬空，因此可以方便的检测出悬空相的反电动势。而悬空相反电动势的过零点，再延时 30°电角即为换流的关键

45、时刻。无刷直流电动机定子绕组采用星形接法，其电枢绕组具有梯形的反电动势波，为保证一相断路，系统采用两两导通、三相六状态 PWM调制方式，每相绕组正反向分别导通 120°电角度，即每一瞬间有两个功率管导通，每隔 60°电角换相一次 ，功率管的导通顺序为：V1V6V3V2V3V4V5V4V5V6。当功率管V1和 V2导通时，电流从功率管 V1流入 A 相绕组，再从 C 相绕组流出，经 V2回到电源。在忽略无刷直流电动机电枢反应影响的前提下，通过检测未导通相的反电动势过零点，获取转子的位置信号，以此作为逆变桥功率器件的触发信号，轮流触发导通，实现电机的正确换相，以驱动电机运转。反

46、电动势波形检测电路图如图3-4所示：图3-4 无刷直流电动机反电动势波形检测电路 续流二极管间接检测法在三相星型六状态的无刷直流电动机中，当采用斩波方式对电机进行控制时，非导通相的反电动势将使得续流二极管中有电流流过，且续流二极管在两次换相的中点时刻开始导通或者停止导通，这恰好是非导通相反电动势的过零点。因此，可以通过检测非导通相的续流二极管是否导通间接的检测反电动势的过零点。这种检测方法比直接检测反电动势过零点要精确，因而可以在一个很宽的转速范围内有效，包括很低的转速，但不能为零。由于可以在很低的转速时工作，因此这种方法也使得电机起动要比其它方法简单。这种方法最大的缺点是必须提供六个用于比较

47、电路的隔离电源。 反电动势积分法反电动势积分法是反电动势过零检测法的一种改进方法。在检测到非导通相反电动势的过零点后，对该相反电动势进行积分，得到积分值 。由于在过零点附近，反电动势的瞬时值近似为时间的线性函数，即= ，因此有： （3-3）其中，为反电动势的幅值，k为积分系数，当积分值 达到阀值 时，即为换相时刻。反电动势积分法一方面可以减小开关噪声，另一方面反电动势幅值与转速成比例，保持电流和反电动势同相，因而电机可以工作在更高的转速。与反电动势过零点检测方法一样，反电动势积分法在低速时不能正常工作，并且电机不能自起动。 反电动势三次谐波检测法无刷直流电动机的梯形波反电动势包含基波以及其它高

48、次谐波分量。将三相反电动势相加，可以消去基波分量以及五次、七次谐波分量，剩下三次谐波以及其它高次谐波分量。无论转速以及负载的情况，三次谐波分量和转子磁通都保持一个固定的相位关系，并且不受逆变器开关噪声的影响，因此是一种可靠的检测方法。梯形反电动势和它的基波谐波三次分量如图3-5所示：图3-5 梯形反电动势和它的基波谐波三次分量由无刷直流电动机的相电压波形可以看出：定子绕组采用Y型接法的无刷直流电动机，其定子三相相电压之和就等于定子绕组中反电动势之和，而且可以分解为 3 次谐波和 3 的奇数倍次谐波之和。由于高次谐波的幅值较小、频率较高，因此可以通过低通滤波器把高次谐波滤掉，只留下 3 次谐波。

49、3 次谐波在基波的一个周期内有 6 个过零点，而且每个过零点都和反电动势的过零点一一对应，因此只要检测到 3 次谐波的过零点就可以知道转的位置，从而确定换相时间16。采用上述位置检测方法时，只需把三相定子绕组的相电压相加，再经过滤波就可以得到用来换相的 3 次谐波，这决定了这种方法的一个特点：因为是把相电压相加，所以必须引出定子绕组的中性点，否则没有办法测量相电压。而在很多情况下，是没有办法引出电机的中性点的。3.4 数字PID控制器及算法将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，用该控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称为 PID 控制器。PID 控制器是控制系统中

50、技术比较成熟，而且应用最广泛的一种控制器。它的结构简单，不一定需要系统的确切数学模型，参数容易调整，在长期应用中已积累了丰富的经验，因此在工业领域中应用广泛。PID 控制器最先出现在模拟控制系统中，传统的模拟 PID 控制器是通过硬件（电子元件、气动和液压元件）来实现它的功能。随着计算机的出现，把它移植到微机控制系统中来，将原来的硬件实现的功能用软件来代替，因此称作数字 PID 控制器，所形成的一整套算法则称为数字 PID 控制算法。数字 PID 控制器与模拟 PID 控制器相比，具有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能。因此，数字 PID控制算法是电机微

51、机控制中常用的一种基本控制算法。 模拟PID控制原理常规的模拟 PID 控制系统原理框图如图 3.10 所示。图中 r (t)是给定值， y (t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差 。 e (t)作为 PID 控制器的输入， u (t)作为 PID 控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟 PID 控制器的控制规律为： (3-4)式中， 比例系数， 为积分参数，为微分常数，为控制常量。模拟 PID 控制原理图如图3-6所示：图3-6 模拟PID控制原理图在模拟 PID 控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方

52、向变化。控制作用的强弱取决于比例系数 ， 越大，控制越强；但过大的 会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断扩大，直到偏差 ，输出的 才可能维持在某一个常量，使系统在给定值不变的条件下趋于稳态。积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的相应速度，增加系统的超调量。增大积分参数IT 会减慢静态误差的消除过程，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。所以，必须根据实际控制的具体要求来确定IT 。微分环节的作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势进行控制，偏差变化越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值

53、变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对高阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。3.4.2 PID算法的数字实现计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制。因此式(3.17)中的积分项和微分项在微机中不能准确的计算，只能用数值计算的方法逼近。如果T 为采样周期，则离散采样时间对应着连续时间t ，用求和的形式代替积分，以增量的形式代替微分，可作如下近似变换： (3-5)式

54、(3.18)中，为了表示方便，将类似于 简化成 等。将式(3.18)代入式(3.17)就可以得到离散的 PID 表达式为： (3-6)式中，k 为采样序号， k =0,1,2,； u (k)为第k 次采样时刻的输出值；为第 k 次采样时刻输入的偏差值；k 1e 为第 k 1次采样时刻输入的偏差值。如果采样周期取得足够小，则式(3.19)的近似计算可获得足够的精确的结果，被控过程与连续控制十分接近。式(3.19)表示的控制算法是直接按式(3.17)所给出的 PID 控制规律定义进行计算的，它直接给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式 PID 控制算法。这种算法的缺点是：由于全量输出，所

55、以每次输出均与过去状态无关，计算时要对进行累加，工作量大；并且，因为微机输出的 u (k)对应的是执行机构的实际位置，如果微机出现故障，输出的 u (k)将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，这在实际过程中是不能允许的。因此，有的系统采用步进电机等增量型执行机构，执行机构需要的控制量是增量，不是位置量的绝对数值，而是其增量，这应采用增量式 PID 控制算法。增量式 PID 控制算法可通过式(3.19)进行推导而得出。由式(3.19)可得控制器在第 个采样时刻的输出值为： (3-7)将式(3.19)与(3.20)相减，并整理，就可以得到增量式 PID 控制算法公式： (3-8)总之，增量式算法只需要保留现时以前三个时刻的偏差值即可。与位置式算法相比，增量式 PID 算法的计算工作小得多，因此在实际中得到了广泛的应用。增量式控制算法不仅适用于增量式控制也用于位置式控制，因为位置式 PID 控制算法可以通过增量式控制算法递推得出，这就是目前微机控制中广泛应用的数字递推 PID 控制算式。第4章 无刷直流电动机的 DSP 控制系统4.1 DSP的结