無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目錄1緒論11.1 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)發(fā)展?fàn)顩r11.2 直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展12直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的工作原理21.1 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理21.2 三相繞組直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制主回路的基本類(lèi)型41.3 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的PWM控制器53直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型63. 1直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的基本方程74. 2直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型104硬件電路121.1 主電路121.2 換相電路145軟件部分設(shè)計(jì)175. 1軟件總體構(gòu)成176. 2主程序的設(shè)計(jì)177. 3中斷子程序的設(shè)計(jì)19結(jié)論21參考文獻(xiàn)22致謝錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。1緒論1.1 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)發(fā)展?fàn)顩r電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電

2、能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已經(jīng)遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，電動(dòng)機(jī)主要類(lèi)型有同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)三種。直流電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速系統(tǒng)中。但傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)均采用機(jī)械電刷的方式進(jìn)行換向，存在相對(duì)的機(jī)械摩擦，和由此帶來(lái)的噪聲、火花、無(wú)線(xiàn)電干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn)。因此，早在1917年，Bulgier就提出了用整流管代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM:BrushlessDirectCurrentMotor）的基本思想。1955年，美國(guó)DHarrison等人首次申請(qǐng)了用晶體管換向線(xiàn)路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專(zhuān)利，標(biāo)志著無(wú)

3、刷直流電機(jī)的誕生。1978年，原聯(lián)邦德國(guó)MANNESMANN公司的Indramat分部在漢諾威貿(mào)易展覽會(huì)上正式推出其MAC永磁無(wú)刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，標(biāo)志著永磁無(wú)刷直流電機(jī)真正進(jìn)入了實(shí)用階段。二十世紀(jì)80年代國(guó)際上對(duì)無(wú)刷電機(jī)開(kāi)展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波無(wú)刷直流電機(jī)，在10多年的時(shí)間里，無(wú)刷直流電機(jī)在國(guó)際上己得到較為充分的發(fā)展?，F(xiàn)代電力電子器件工藝日臻成熟，出現(xiàn)了功率晶體管（GTR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）,特別是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）,MOS可控晶閘管（IGCT）的開(kāi)發(fā)成功，使無(wú)刷直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路的可靠性和穩(wěn)定性得到保障。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

4、的發(fā)展也使得傳統(tǒng)的電機(jī)學(xué)科同當(dāng)代許多新技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。隨著大功率半導(dǎo)體器件、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展以及高性能永磁材料的不斷出現(xiàn)，如今的無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)己經(jīng)成為集特種電動(dòng)機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)元件、控制軟件與硬件于一體的典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，體現(xiàn)了當(dāng)今工程科學(xué)領(lǐng)域的許多最新成果。1.2 直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展常規(guī)控制器（PID控制）盡管控制精度較高，但它需要建立描述動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于未知?jiǎng)討B(tài)變化的系統(tǒng)要建立精確的數(shù)學(xué)模型是比較困難的。比如干擾、參數(shù)漂移和噪聲等不可能在很高的精度下進(jìn)行模型化。直流無(wú)刷電機(jī)是一個(gè)多變量、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的對(duì)象，

5、因此利用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、專(zhuān)家系統(tǒng)等具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織功能的智能控制來(lái)進(jìn)行無(wú)刷直流電機(jī)的控制是一種有效的手段，控制器的計(jì)算和存儲(chǔ)能力的不斷增強(qiáng)也為這些先進(jìn)控制算法的實(shí)現(xiàn)提供了有利的條件。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了如下的發(fā)展過(guò)程：(1)無(wú)位置傳感器控制對(duì)于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，由于它具有體積、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)所以備受歡迎。但是無(wú)刷電動(dòng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，就要實(shí)時(shí)的檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的位置實(shí)現(xiàn)正確換相。所以位置的檢測(cè)和換相技術(shù)的研究是直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制目前的一個(gè)方面。最常用的方式是采用傳感器的方式。這種方式可以正確的檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，但是由于傳感器的安裝不僅會(huì)使電

6、機(jī)的體積增大，而且傳感器也難于安裝和維修。因此無(wú)傳感器的傳動(dòng)控制引起國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界很大的重視，成為近年的研究熱點(diǎn)。(2)變結(jié)構(gòu)控制由無(wú)刷電機(jī)組成的控制系統(tǒng)，為了提高它的控制性能，人們也在使用一些新型的控制策略。變結(jié)構(gòu)控制由于具有響應(yīng)速度快、對(duì)控制對(duì)象參數(shù)變化及外部擾動(dòng)不靈敏、物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，人們開(kāi)始將直流無(wú)刷電機(jī)采用變結(jié)構(gòu)控。(3)模糊控制和PID相結(jié)合的Fuzzy-PID控制在控制系統(tǒng)中，如何在較寬調(diào)速范圍內(nèi)提高電流調(diào)節(jié)特性以及減小力矩波動(dòng)一直是系統(tǒng)研究的焦點(diǎn)。模糊控制是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，它不依賴(lài)于被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有較好的魯棒性；PID控制方法可以很好的消除系統(tǒng)的

7、穩(wěn)態(tài)誤差，所以人們將兩者結(jié)合也用于直流無(wú)刷電機(jī)的控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)同時(shí)兼有兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。采用Fuzzy-PID復(fù)合控制，系統(tǒng)具有Fuzzy和PID控制的雙重優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)快,速度無(wú)超調(diào)，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000,定位精度高，在不同的負(fù)載下具有較強(qiáng)的魯棒性。2直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的工作原理2.1 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖2-1所示。2圖2-1直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖從圖2-1可見(jiàn)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)組件主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路三部分構(gòu)成。其定子繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒(méi)有籠型繞組和其它起動(dòng)裝置。其定子

8、繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等），轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)（Zp=2,4）組成。定子繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路中相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件聯(lián)接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。當(dāng)電子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置信號(hào)變換成電信號(hào)，去控制電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。因此平常所說(shuō)的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺(tái)由電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路、電動(dòng)機(jī)本體及位置傳感器三部分組成的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的組成原理框圖如圖2-2所示直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)電子

9、開(kāi)關(guān)線(xiàn)路用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時(shí)問(wèn)，主要由功率邏輯開(kāi)關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)處理單元兩部分組成。功率邏輯開(kāi)關(guān)單元是控制電路的核心，它的功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組，以便使直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩，而各相繞組導(dǎo)通順序和時(shí)間主要取決于來(lái)自位置傳感器的信號(hào)，但位置傳感器產(chǎn)生的信號(hào)一般不能直接用來(lái)控制功率單元，常需要經(jīng)過(guò)一定的邏輯處理后才能去控制功率單元。與有刷直流電動(dòng)機(jī)區(qū)別的是：有刷直流電動(dòng)機(jī)必須有一個(gè)滑動(dòng)的接觸機(jī)構(gòu)一電刷和換向器，通過(guò)它們把電流反饋給旋轉(zhuǎn)著的電樞。綜上所述，構(gòu)成直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的主要部件框圖如圖2-3所示。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)圖

10、2-3直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的組成框圖位置傳感器2.2 三相繞組直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制主回路的基本類(lèi)型直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，己遍及各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域其控制方法和運(yùn)行方式也層出不窮，其他一切直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法均可以用來(lái)控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。前己指出，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)實(shí)際上是一個(gè)由電動(dòng)機(jī)本體，功率管、主回路及轉(zhuǎn)子磁鋼位置傳感器等部分組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了討論方便起見(jiàn)把功率管主回路和轉(zhuǎn)子磁鋼位置傳感器合并在一起稱(chēng)之為電子換相器，其主要功能是保證電動(dòng)機(jī)定子繞組準(zhǔn)確換相，確保直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中定轉(zhuǎn)子兩磁場(chǎng)始終保持基本垂直，以提高運(yùn)行效率。因此根據(jù)功率管主回路的不同和換相控制器件的不同也就派生出了諸多典型控制電

11、路。主要有以下幾種：分立元件全模擬電路；專(zhuān)用集成控制電路；數(shù)?；旌峡刂齐娐?全數(shù)字控制電路。其中全模擬電路在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中曾被廣泛應(yīng)用，目前在許多經(jīng)濟(jì)實(shí)用型的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中仍占著主導(dǎo)的地位。但是，由于模擬電路不可避免的存在參數(shù)的漂移和不一致問(wèn)題，以及線(xiàn)路復(fù)雜，調(diào)試不方便等因素，因而使電動(dòng)機(jī)的可靠性和其它性能受到影響。至于什么情況下選用什么樣的控制電路則應(yīng)根據(jù)對(duì)電路的精度要求與實(shí)際條件確定。2.3 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的PWM控制器晶閘管變流器構(gòu)成的直流調(diào)速由于其線(xiàn)路簡(jiǎn)單控制靈活、體積小、效率高以及無(wú)旋轉(zhuǎn)噪聲和無(wú)磨損等優(yōu)點(diǎn)，在一般工業(yè)應(yīng)用中，特別是大功率系統(tǒng)中一直占據(jù)著主要的地位。但是當(dāng)

12、系統(tǒng)運(yùn)行在較低速時(shí)，晶閘管的導(dǎo)電角很小，系統(tǒng)的功率因數(shù)相應(yīng)也很小，并產(chǎn)生較大的諧波電流，使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，限制了調(diào)速范圍。要克服上述問(wèn)題必須加大平波電抗器的電感量，但電感大又限制了系統(tǒng)的快速性，止匕外，功率因數(shù)低，諧波電流大，還將引起電網(wǎng)電壓波形畸變，變流器設(shè)備容量大，還將造成所謂的“電力公害”，在這種情況下必須增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可控關(guān)斷的即自關(guān)斷電力電子器件，即全控式器件。如大功率晶體管（GTR）、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（powerMOSFET）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、MOS控制品閘管（MCT）、絕緣柵門(mén)極控制晶體管（IGBT）等自關(guān)斷器件，采用全控型開(kāi)關(guān)器件

13、很容易實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制，與半控型開(kāi)關(guān)器件晶閘管變流器相比，體積可縮小百分之三十以上，裝置效率高，功率因數(shù)高。同時(shí)由于開(kāi)關(guān)頻率的提高，直流脈沖寬度調(diào)制（PWM-EM）調(diào)速控制系統(tǒng)與VM調(diào)速控制系統(tǒng)相比，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較小，低速性能好，穩(wěn)精度高，系統(tǒng)通頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是以電子換向線(xiàn)路和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置而組成的新型電機(jī)。下面結(jié)合直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)來(lái)分析直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中的PWM控制系統(tǒng)。脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation）簡(jiǎn)稱(chēng)PWM,它是通過(guò)功率管開(kāi)關(guān)作用將恒定直流電壓轉(zhuǎn)換

14、成頻率一定，寬度可調(diào)的方波脈沖電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖電壓的寬度，改變輸出電壓的平均值的一種功率變換技術(shù)。由脈沖寬度調(diào)制變換器向電動(dòng)機(jī)供電的系統(tǒng)稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制調(diào)速控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM調(diào)速系統(tǒng)。由于PWM控制器的主電路元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此控制器的損耗小，效率高。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)PMW控制器可分成兩大部分：控制電路和逆變主電路。PWM控制系統(tǒng)的控制電路由脈寬調(diào)制器、邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)、脈沖分配和功率管驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等基本電路組成。PMW控制系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱(chēng)PMW變換器。PMW變換器分為不可逆和可逆兩類(lèi)。不可逆PWM變換器僅在一、二兩個(gè)象限中運(yùn)行，可逆PMW變換器則可在四個(gè)象限中運(yùn)

15、行，工作于正轉(zhuǎn)電動(dòng)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)電動(dòng)和反轉(zhuǎn)制動(dòng)四種狀態(tài)，因而，伺服系統(tǒng)中多采用可逆PMW變換器?？赡鍼MW變換器常用H型橋式變換器結(jié)構(gòu)型式，它在控制上分為雙極式、單極式和受限單極式三種。3直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以三相Y形聯(lián)結(jié)的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)為例，來(lái)分析直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。首先來(lái)研究直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的等效直流電機(jī)模型。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是由一組變流器，一臺(tái)同步電機(jī)和一個(gè)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器所組成，而這個(gè)變流器和一般變流器不同，它受控于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，是一個(gè)所謂自控式逆變器。它有三個(gè)固定的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)元件A、B、C。這些位置檢測(cè)元件受裝在轉(zhuǎn)子軸上的一個(gè)位置檢測(cè)裝置控制，當(dāng)某一檢測(cè)元件被激勵(lì)時(shí)

16、，該元件就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)去觸發(fā)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管：使電流在相應(yīng)的時(shí)刻輸入到對(duì)應(yīng)的電機(jī)電樞繞組中去。由于位置檢測(cè)裝置是和磁極一起旋轉(zhuǎn)的，它們之間的相對(duì)位置是固定的。所以當(dāng)開(kāi)始激勵(lì)某一位置檢測(cè)元件（例如元件A）時(shí)，磁極的軸線(xiàn)和相對(duì)應(yīng)的繞組（a相繞組）的軸線(xiàn)之間必然相差一個(gè)特定的角度。這時(shí)由位置檢測(cè)元件A所產(chǎn)生的信號(hào)觸發(fā)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管，使電流輸入到a相繞組，這個(gè)電流相對(duì)于電機(jī)空載內(nèi)電勢(shì)的相位也是固定的。同樣當(dāng)開(kāi)始激勵(lì)檢測(cè)元件B、C時(shí)，磁極的軸線(xiàn)與b、c相繞組的軸線(xiàn)也相差同樣的一個(gè)特定的角度，輸入到b相繞組的電流與內(nèi)電勢(shì)之間也保持著同樣的相位差。這樣，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器決定著電樞電流的相位，以及電樞磁勢(shì)在空間的分布。

17、改變位置檢測(cè)元件的相對(duì)位置，可以改變位置檢測(cè)元件產(chǎn)生信號(hào)的先后，也就是改變開(kāi)關(guān)管觸發(fā)的相位，從而改變電樞繞組中電流對(duì)電勢(shì)的相位差和電樞反應(yīng)磁勢(shì)對(duì)磁極的相對(duì)位置。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電樞電流是受轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器控制的。每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一對(duì)磁極，電機(jī)中的電流，也就是逆變器的輸出將相應(yīng)的變化一個(gè)周期。這種輸出頻率受電機(jī)本身轉(zhuǎn)速控制的逆變器就叫做自控式逆變器，所以直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)又被稱(chēng)為自控式同步電機(jī)。直流電機(jī)電樞繞組中感應(yīng)的電勢(shì)和實(shí)際通過(guò)的電流其實(shí)是交變的。從電樞繞組和定子磁場(chǎng)之間的相互作用來(lái)看，它實(shí)際上就是一臺(tái)同步電機(jī)，這個(gè)同步電機(jī)和直流電源之間是通過(guò)換向器和電刷把它們聯(lián)系起來(lái)的。在電動(dòng)機(jī)的情況下，換向器就起

18、著逆變器的作用，它把電源的直流電逆變成交流電送入電樞繞組。直流電機(jī)中的電刷不僅起著引導(dǎo)電流的作用，而且由于電樞導(dǎo)體在經(jīng)過(guò)電刷所在位置時(shí)，其中的電流要改變方向，所以電刷的位置決定著電機(jī)中電流換向的位置。這就是說(shuō)，直流電機(jī)的電刷起著電樞電流換向位置的檢測(cè)作用，它和位置檢測(cè)器一樣，決定著電樞磁勢(shì)的分布，見(jiàn)圖3-1。圖3-1電刷的位置檢測(cè)作用在分析了直流電機(jī)中電樞、換向器和電刷的作用以后，把它和直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)相比，其實(shí)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和直流電機(jī)一樣。只是普通直流電機(jī)中加的是一個(gè)機(jī)械的逆變器一換向器，而直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是用開(kāi)關(guān)管組成的半導(dǎo)體逆變器。直流電機(jī)中用以控制換向發(fā)生地點(diǎn)的電刷，在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中是用

19、位置檢測(cè)器來(lái)代替的，盡管二者構(gòu)造不同，但它們所起的作用卻是完全相同的。目前常用的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)一般由三相永磁同步電機(jī)加一套逆變器組成。這相當(dāng)于一臺(tái)有三個(gè)線(xiàn)圈，三個(gè)換向片的直流電機(jī)，所以直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的等效直流電機(jī)模型可如圖32所示。圖3-2直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的直流電機(jī)模型3.1直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的基本方程假設(shè)磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗，三相繞組完全對(duì)稱(chēng)，則三相繞組的電壓平衡方程式可表示為:Uar0Ub=0r：u"-00MLM(3-1)式中：UaUbUc定子繞組相電壓（V）iaibic定子繞組相電流（A）ea6bec止子繞組相電動(dòng)勢(shì)（V）p微分算子p=gdtL每相繞組的自感（H）M每?jī)上嗬@

20、組間的互感（H）由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子的位置變化而變化，因此，定子繞組的自感和互感為常數(shù)當(dāng)三相繞組為Y連接，并且沒(méi)有中線(xiàn)時(shí)，則有:ia+ib+ic=0(3-3)(3-2)Mib+Mi=-ML,bca將式（32）和式（33）代入式（31）,得到電壓方程式為:-Ua!L-MUbRb0ib0L-MalL-Mjjcj(3-4)電磁轉(zhuǎn)矩為:35)式中：Q電動(dòng)機(jī)的角速度（rad/s）在通電期間，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的帶電導(dǎo)體處于相同的磁場(chǎng)下，各相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:EmPmN：.：,30mn(3-6)式中:Pm極對(duì)數(shù)總導(dǎo)體數(shù)主磁通n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)淖冾l器的直流端看，Y型聯(lián)結(jié)的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。由兩相繞組經(jīng)逆

21、變器串聯(lián)組成，所以有Ed=2Em=學(xué).5(3-7)15因此，電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可化為：Td=2pmNId(3-8)fl二n式中：Id方波電流的幅值-電機(jī)的角速度二冬60由式(3-8)可以看出，直流無(wú)刷方波電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式與普通直流電機(jī)相同，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流的幅值成正比，所以控制逆變器輸出方波電流的幅值即可控制直流無(wú)刷方波電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。另外電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程為:TdB'1Tl(3-9)進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得:ddt1=-(Td-T)JB1J(310)式中：Ti負(fù)載轉(zhuǎn)矩J轉(zhuǎn)子與負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量B粘滯阻尼系數(shù)由于本系統(tǒng)采用120。導(dǎo)通電壓型三相逆變器，任一時(shí)刻只有兩相通電，直流無(wú)刷方波電機(jī)的

22、輸出相電壓幅值為下動(dòng)態(tài)電壓平衡方程式：1 di“U=1Us=idRa+LA受+E(311)2 dt式中：Us電源電壓忽略粘性摩擦，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：GD2dnMd-Ml=*一(312)375出定義下列時(shí)間常數(shù):=%電磁時(shí)間常數(shù)Ra2GD2RaTm-ZZ"375CaCm由式（3-12）可得:TmdEid-L：Ra出(313)對(duì)式（3-11）和式（3-13）兩邊分別進(jìn)行拉式變換后得:1Id(s)記；Us(s).E(s)TlS1(314)E)Id(s)-Il(S)>ms(3-15)聯(lián)合式（314）和式（315）,并考慮到E=Cen,得到直流無(wú)刷方波電機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3-3

23、所示。3.2直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型本文所用的電動(dòng)機(jī)為直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)為：磁極數(shù)：12工作電壓（V）:46相數(shù)：3連堵力矩（Nm）:2.40電機(jī)兩端電阻（建）：1.81電機(jī)兩端電感（mH）:5.1連堵力矩時(shí)的電流（A）:5.42峰值力矩時(shí)的電流（A）:25.310電勢(shì)常數(shù)（V/rpm）:0.0484轉(zhuǎn)矩常數(shù)（Nm/A）:0.462空載轉(zhuǎn)速（rpm）:900機(jī)電時(shí)間常數(shù)（S）:0.13將代入Ra，Tl，Tm，Ce直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，則直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示。圖3-4直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖PWM6制器的傳遞函數(shù)為:GPWM(S)=KPWMTs

24、S1(316)其中:KPWMUdUsUcUcc46:4.610(317)由于PWM的開(kāi)關(guān)頻率為f=20KHz,因此f20103=510(s)(318)所以:GPWM(S)=4.60.00005s1(319)本系統(tǒng)速度檢測(cè)可認(rèn)為是比例環(huán)節(jié)，從負(fù)載軸檢測(cè)，其比例系數(shù)為:Kfnufn=0.516(320)11本系統(tǒng)電流檢測(cè)也可認(rèn)為是比例環(huán)節(jié)，具比例系數(shù)為:(321).:Uft10Kft=-=0.3333L30PI調(diào)節(jié)器的輸入電路為兩個(gè)T型濾波器，作為給定信號(hào)與反饋信號(hào)濾波Usc(S)=KPTS+1Usr(S)Uf(s)TfS1(322)_R_一_1一一一1一一一一其中：KP=,7=R1cl,Tg=R

25、Cg,Tf=R0cf,可取Cg=Cf&g40g4g以上介紹了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本方程，且建立了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并分析了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，進(jìn)而推出了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)，以及PWM控制器和PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。4硬件電路第2章我們介紹了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理，根據(jù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理設(shè)計(jì)了直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，具原理框圖如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)控制框圖4.1主電路主電路開(kāi)關(guān)器件的選擇，其主要依據(jù)是所要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功率等級(jí)，一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)12關(guān)期間的額定耐壓值應(yīng)不小于2倍的直流側(cè)最大電壓，主開(kāi)關(guān)器件的額定工作電流應(yīng)不小于23倍電路的額定工作電流。我們實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的額定直

26、流電壓為50V,其額定電流不超過(guò)15A,所以是小功率樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)中我所選取的開(kāi)關(guān)器件為IGBT,其型號(hào)為BSM100GB120DNZ,額定耐壓為1200V,其集電極最大電流為150A,足以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的要求?？刂齐娐钒錏XB841工20V0V光耦合器隔離電源過(guò)電流保護(hù)輸出圖4-3EXB系列驅(qū)動(dòng)器的典型應(yīng)用線(xiàn)路首先，1415引腳為觸發(fā)脈沖輸入，由于內(nèi)部有光電隔離，所以，它具有很好的隔離功能。如果在14,15腳之間輸入10mA的電流，則光耦打開(kāi)，這樣就能夠產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。除了隔離和觸發(fā)功能以外，EXB841內(nèi)部集成了過(guò)電流保護(hù)功能，對(duì)應(yīng)的引腳是4. 5,6。6腳一般接于IGBT的集電極，當(dāng)發(fā)生過(guò)流時(shí)，集

27、電極為高，則5腳變成低，可以以此信號(hào)經(jīng)隔離，作為過(guò)電流信號(hào)。但是，對(duì)于過(guò)電流時(shí)間小于10Ns的情況，13EXB841采取了慢關(guān)斷，可以避免關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓尖峰，使IGBT擊穿。EXB841的輸出是采用推挽輸出的形式，這樣可以增加驅(qū)動(dòng)功率，使IGBT可靠導(dǎo)通，并且內(nèi)部電路具有負(fù)電壓關(guān)斷的功能，使IGBT可靠關(guān)斷。本文所采用的驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4-3所示。在設(shè)計(jì)EXB814電源的時(shí)候，最好是每個(gè)EXB814對(duì)應(yīng)一個(gè)電源，這樣，可以消除因電源之間的耦合對(duì)觸發(fā)可靠性的影響。但在本設(shè)計(jì)中，采用了4個(gè)電源，每個(gè)橋臂上面的開(kāi)關(guān)管都有自己的電源，而每個(gè)橋臂下面的開(kāi)關(guān)管共用一個(gè)電源，這樣做也是可行的，因?yàn)樵趯?shí)際

28、的電路中，每個(gè)橋臂下面的開(kāi)關(guān)管本來(lái)就是共地的。由于EXB841的工作電源是20V,所以，在設(shè)計(jì)電源的時(shí)候，我們首先利用變壓器將220V交流電降壓，然后經(jīng)過(guò)二極管整流，最后用集成穩(wěn)壓電源MC7820,得到了20V直流電。另外，在EXB841電路中，我們需要注意的是IGBT的觸發(fā)線(xiàn)一定要用雙絞線(xiàn)的形式，而且，線(xiàn)不能太長(zhǎng)。利用EXB814作為驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)，應(yīng)注意需另外設(shè)置過(guò)電流保護(hù)電路，EXB841的保護(hù)功能只能作為輔助保護(hù)，主保護(hù)還需對(duì)其電流進(jìn)行采樣，然后利用比較電路來(lái)產(chǎn)生過(guò)電流信號(hào)，因?yàn)槎搪坊蛘哌^(guò)電流時(shí)，一般都需要盡快的通知控制器，能夠使控制器盡可能快的采取相應(yīng)的操作，雖然EXB841具有短路保護(hù)

29、功能，但是動(dòng)作時(shí)間不確定，其可靠性有待提高。4.2換相電路換相電路主要由電動(dòng)機(jī)換相專(zhuān)用芯片LM612來(lái)實(shí)現(xiàn)。無(wú)刷電動(dòng)機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)的區(qū)別是無(wú)換向電刷，所以需要單片機(jī)控制電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路的通斷去控制電動(dòng)機(jī)的換相。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向由LM621的引腳2來(lái)控制，位置傳感器采樣回來(lái)的霍爾信號(hào)接在6,7引腳上，17腳的PWM_EN端接在電流測(cè)量電路的與門(mén)的輸入端。如果要用單片機(jī)控制換向操作使電機(jī)轉(zhuǎn)下去，這時(shí)，單片機(jī)大部分時(shí)間花在換相工作中，同時(shí)還要監(jiān)視用戶(hù)界面，控制調(diào)速和轉(zhuǎn)向操作，因此負(fù)擔(dān)較重。如果使用專(zhuān)用集成電路則可以大大減輕單片機(jī)工作，騰出時(shí)間進(jìn)行通訊，檢測(cè)，故障診斷等其他工作。用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的專(zhuān)用芯

30、片有很多種，它們大多是針對(duì)有霍爾式位置傳感器的三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)而設(shè)計(jì)的。它們大多具有換向功能，PWM調(diào)速功能，轉(zhuǎn)向控制功能，制動(dòng)控制功能，電動(dòng)機(jī)相數(shù)和工作方式選擇功能，保護(hù)功能（如限流保護(hù)，欠壓保護(hù)，過(guò)熱保護(hù)等）。有些芯片還集成了驅(qū)動(dòng)電路，可以方便地驅(qū)動(dòng)小功率無(wú)刷直流14電動(dòng)機(jī)。本課題采用的是專(zhuān)用集成電路LM621,下面介紹一下它的工作原理。LM261專(zhuān)用集成電路芯片專(zhuān)用與三相或四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制。三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可以選擇全橋或半橋驅(qū)動(dòng)，角形或星形聯(lián)結(jié)方式；四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用半橋驅(qū)動(dòng)。它的輸出端提供35mA基極電流，可以直接驅(qū)動(dòng)雙極型功率晶體管；要求電動(dòng)機(jī)使用霍爾式位置傳感器；可

31、以直接與外部PWM信號(hào)接口，實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能；有轉(zhuǎn)向控制功能：有死區(qū)調(diào)節(jié)功能，有過(guò)流保護(hù)功能和欠壓保護(hù)功能。LM261芯片采用雙列直插式封裝，有18個(gè)引腳。欠壓封鎖電路用于對(duì)Vcc1進(jìn)行監(jiān)視，如果電壓過(guò)低則立即關(guān)閉輸出。典型動(dòng)作電壓為+3.6V。通過(guò)引腳17,外部也能控制輸出封鎖。死區(qū)的作用是避免上，下橋臂開(kāi)關(guān)管出現(xiàn)直通現(xiàn)象。這種直通現(xiàn)象出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)管開(kāi)”與關(guān)”的延時(shí)過(guò)程中，以及突然改變轉(zhuǎn)向的過(guò)程中。通過(guò)引腳4與外接RC振蕩電路，為死區(qū)時(shí)間發(fā)生器提供振蕩時(shí)鐘，因此，死區(qū)的時(shí)間應(yīng)該是振蕩周期的兩倍。振蕩周期Tclk(Ns)可由下式計(jì)算。Tclk=(R+1KC)Cm0.756m10-3(41)可根據(jù)實(shí)際

32、需要確定死區(qū)時(shí)，從而計(jì)算所需要的R值和C值。圖4-4LM621接線(xiàn)圖由圖可看出死區(qū)時(shí)間發(fā)生器輸出一個(gè)死區(qū)信號(hào)OE,它通過(guò)換相譯碼電路實(shí)現(xiàn)死區(qū)功能。來(lái)自引腳2的正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)也通過(guò)死區(qū)時(shí)間發(fā)生器，并產(chǎn)生一個(gè)延時(shí)后的轉(zhuǎn)向15信號(hào)DIR輸出，來(lái)保證轉(zhuǎn)向的狀態(tài)變化是在死區(qū)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的。換相譯碼電路將來(lái)自霍爾傳感器的信號(hào)和引腳8的信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制開(kāi)關(guān)管的換向信號(hào)。LM612通過(guò)外接IGBT組成全橋驅(qū)動(dòng)電路。引腳8接高電平，表示采用30°間距角，二二導(dǎo)通方式的換向邏輯進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。弓I腳3也接高電平，表示使用死區(qū)功能，死區(qū)時(shí)間設(shè)計(jì)為4.8Ns。電路設(shè)有過(guò)流保護(hù)功能，當(dāng)電流在電阻R上的壓降等于給定電壓U

33、。時(shí)，比較器輸出低電平，使與非門(mén)輸出高電平LM621封鎖輸出，起到保護(hù)作用。單片機(jī)74HC273通過(guò)與非門(mén)和LM612對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。通過(guò)單片74HC273來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。由于大部分控制工作交給了LM621完成，單片機(jī)只在調(diào)速和改變轉(zhuǎn)向時(shí)才進(jìn)行干預(yù)，所以單片機(jī)有充裕的時(shí)間做其他工作。16平頂山學(xué)院2010屆本科生論文無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)劉銳意5軟件部分設(shè)計(jì)第4章我們己經(jīng)完成了對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，這些硬件電路要靠軟件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)才能正常的工作。在一個(gè)控制系統(tǒng)中，承擔(dān)執(zhí)行任務(wù)的都是硬件電路，而給硬件電路發(fā)送執(zhí)行命令的應(yīng)該是軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)告訴了硬件電路該怎么樣執(zhí)行，什么時(shí)候執(zhí)行，執(zhí)行

34、到什么程度。這一章我們對(duì)軟件系統(tǒng)做總體的介紹。5. 1軟件總體構(gòu)成本無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)軟件主要完成以下功能：(1)電機(jī)轉(zhuǎn)向的判斷。電機(jī)具有正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)兩種旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)S1的按鍵值不同決定電機(jī)的運(yùn)行方向(2)測(cè)量電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(3)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。使電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠跟隨給定值變化，并且能夠穩(wěn)定行；(4)檢測(cè)電機(jī)是否過(guò)流。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行處理，關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，停止電機(jī)運(yùn)行，保護(hù)電機(jī)的安全；6. 2主程序的設(shè)計(jì)一般軟件系統(tǒng)中只有一個(gè)主程序，主程序貫穿整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程，它就象是一個(gè)平臺(tái)，起著組織和調(diào)度的作用，另外，它應(yīng)該完成系統(tǒng)運(yùn)行初期的初始化操作，而且在系統(tǒng)復(fù)位以后，應(yīng)該從主程序開(kāi)始執(zhí)行，

35、我們所設(shè)計(jì)的主程序塊是以系統(tǒng)工作的路線(xiàn)為執(zhí)行路徑，它包括初始化，讀取給定，顯示給定，起動(dòng)，運(yùn)行幾個(gè)大的模塊，我們可以看出，主程序只完成了系統(tǒng)的初始化操作，除此之外，它只是把我們程序的模塊組合在一起，使各個(gè)模塊成為一個(gè)有機(jī)的整體。主程序的流程圖如圖5-1所示。圖5-1主程序流程圖在主程序中主要完成的內(nèi)容有軟件參數(shù)初始化，電機(jī)起制動(dòng)判斷，電機(jī)起制動(dòng)控制，電機(jī)正反轉(zhuǎn)判斷，速度顯示等。(1)系統(tǒng)參數(shù)初始化。主要是設(shè)定一些變量值，口位，和對(duì)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作模式等進(jìn)行設(shè)定。(2)電機(jī)起動(dòng)制動(dòng)控制。判斷S1鍵值，若為起動(dòng)狀態(tài)，則系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行；當(dāng)S1剛開(kāi)始沒(méi)有變化時(shí)，則繼續(xù)等待，直到檢測(cè)到

36、S1的鍵值為起動(dòng)狀態(tài)；若電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中檢測(cè)到S1的鍵值為制動(dòng)狀態(tài)，則LM621芯片發(fā)出控制信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。(3)電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制，電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)選擇是由S2鍵值的選擇來(lái)控制的。通過(guò)鍵盤(pán)掃描程序，我們確定S2的鍵值，由電機(jī)換向?qū)Ｓ眯酒琇M621發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)來(lái)控制無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的換向。(4)電機(jī)的速度顯示，當(dāng)掃描到S3的鍵值變化時(shí)，LED數(shù)碼管將顯示當(dāng)時(shí)測(cè)量出來(lái)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外，由于單片機(jī)不可避免的會(huì)出現(xiàn)死機(jī)情況，一旦死機(jī)，如果沒(méi)有很好的恢復(fù)措施，將造成嚴(yán)重的后果，例如橋臂直通，導(dǎo)致了電路短路，有可能會(huì)燒壞開(kāi)關(guān)管。18看門(mén)狗技術(shù)的引入，使系統(tǒng)在死機(jī)后自動(dòng)重起，所以，我們只要實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)系統(tǒng)的狀態(tài)信息，當(dāng)看門(mén)狗動(dòng)作后，我們直接調(diào)入上一次存儲(chǔ)的系統(tǒng)狀態(tài)，就能使