摘要 隨著世界對(duì)能源和環(huán)境要求的不斷提升，電力推進(jìn)和牽引系統(tǒng)已經(jīng)在各行各 業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于直流電機(jī)本身存在機(jī)械換向和電刷這樣的缺陷， 導(dǎo)致單機(jī)容量有限、可靠性不高和噪音大。這就迫使人們探索更加安靜、高效可 靠、單機(jī)容量大的推進(jìn)電機(jī)。近年來(lái)隨著電力電子和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，永磁 直流無(wú)刷電機(jī)以其體積小、重量輕、高效低噪、單機(jī)容量大、可靠性高的特點(diǎn)， 成為了新一代電力推進(jìn)電機(jī)。 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及其硬件芯片的迅猛發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)永磁直流無(wú)刷電機(jī)快 速、可靠地控制提供了有利條件。美國(guó)德州儀器t i 公司專(zhuān)門(mén)為電機(jī)的數(shù)字化控 制設(shè)計(jì)了1 6 位定點(diǎn)d s p 控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 。其信號(hào)具有高速處理能力， 適用于電機(jī)控制的外圍電路，可以為高性能傳動(dòng)控制提供可靠而高效的信號(hào)處理 與控制硬件。 本文根據(jù)實(shí)際控制系統(tǒng)的要求，對(duì)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制的基本原理以及d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作了介紹，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于d s p 的包括 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 外圍擴(kuò)展電路，驅(qū)動(dòng)電路，電流檢測(cè)電路等直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，以及模糊p i d 控制算法，最后給出了整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié) 果驗(yàn)證，獲得了良好的速度控制性能。d s p 技術(shù)使系統(tǒng)獲得了高精度、高可靠 性，還簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器；直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)；模糊p i d 控制 a b s t r a c t w i t ht h ew o r l d si n c r e a s i n gd e m a n d sf o re n e r g ya n de n v i r o n m e n t ，e l e c t r i c p r o p u l s i o na n de l e c t r i ct r a c t i o ns y s t e mh a v eb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e di n e v e r yw a l ko fl i f e d u et od cm o t o ri n h e r e n tl i m i t a t i o nt h a tm a c h i n ec o m m u t a t i o n a n db r u s hr e s u l t si ns t a n d a l o n ec a p a b i l i t y sl i m i tl o wr e l i a b i l i t y ，b i gn o i s e s ，p e o p l e m a n a g et oe x p l o r em o r eq u i e t ，h i g he f f i c i e n ta n dr e l i a b i l i t y ，b i gs t a n d a l o n ec a p a b i l i t y p r o p u l s i o nm o t o r t h e s ey e a r sa l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e r e l e c t r o n i c s t e c h n i q u ea n dm i c r o c o n t r o lt e c h n i q u e ，p e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s sd cm o t o ri s c h a r a c t e r i z e db ys m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h t ，h i g he f f i c i e n c y ，l o wn o i s e s ，b i g s t a n d - a l o n ec a p a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya p p e a r e da n dm a t u r e d s oi ti s h o p e f u lt o b e c o m en e wg e n e r a t i o ne l e c t r i cp r o p u l s i o nm o t o r t h eg r e a td e v e l o p m e n to fd i g i t a ls i g n a l sp r o c e s s o r sa n dh a r d w a r ec h i p sh e l pt o r e a l i z ep e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s sd cm o t o r sf a s ta n dr e l i a b l ec o n t r 0 1 t e x a s i n s t r u m e n t so f f e r san e wd s pc o n t r o l l e rf a m i l y ，s p e c i f i c a l l yd e s i g n e df o rt h en e e d so f d i 西t a lm o t o rc o n t r 0 1 i nas i n g l ec h i ps o l u t i o n ，t h i sd e v i c ec o m b i n e saf i x e d p o i n t d s pc o r ew i mm i c r o - c o n t r o l l e rr m i p h e r a l s a r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o no fd s pc h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7w a sb r i e f l yi n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r h a r d w a r ed e s i g no fb l d cm o t o rc o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n gt h eb a s i c e x p a n do ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，d r i v ec i r c u i ta n dc u r r e n t d e t e c t i n gc i r c u i t i na d d i t i o n ，i t u s e st h ef u z z y p i da r i t h m e t i c t h er e s u l td e m o n s t r a t e st h a tt h ed s pt e c h n i q u el e tt h e s y s t e mb e c o m em o r ep r e c i s ea n dr e l i a b l ea n di ts i m p l i f yt h es y s t e mf r a m e w o r k k e y w o r d s ：d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ；b r u s h l e s sd cm o t o r ；f u z z y - p i dc o n t r 0 1 廈門(mén)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 茲呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立完成的研究成 果。本人在論文寫(xiě)作中參考的其他個(gè)人或集體的研究成果，均在 文中以明確方式標(biāo)明。本人依法享有和承擔(dān)由此論文產(chǎn)生的權(quán)利 和責(zé)任。 聲明人( 簽名) ：栽甙帶 ) 。0 6 年6 月 f 日 廈門(mén)大學(xué)學(xué)位論文著作權(quán)使用聲明 本人完全了解廈門(mén)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。廈 門(mén)大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家主管部門(mén)或其指定機(jī)構(gòu)送交論文的紙 質(zhì)版和電子版，有權(quán)將學(xué)位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制并允 許論文進(jìn)入學(xué)校圖書(shū)館被查閱，有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有關(guān) 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，有權(quán)將學(xué)位論文的標(biāo)題和摘要匯編出版。保密 的學(xué)位論文在解密后適用本規(guī)定。 本學(xué)位論文屬于 1 、保密() ，在年解密后適用本授權(quán)書(shū)。 2 、不保密( ) ( 請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)括號(hào)內(nèi)打“4 ”) 日期：2 。6 年6 月日 日期：? 6 年月6 日 第一章緒論 第一章緒論 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1 9 1 7 年， b o l i g e r 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)( b l d c m ：b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ) 的基本思想。 1 9 5 5 年，美國(guó)d h a r r i s o n 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)刷直流電機(jī)的誕生。1 9 7 8 年，原聯(lián)邦德國(guó) m a l 州e s m a n n 公司的l n d r a m a t 分部在漢諾威貿(mào)易展覽會(huì)上正式推出其m a c 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)8 0 年代國(guó)際上對(duì)無(wú)刷電機(jī)丌展了深入的研究，先后研制成方波和 正弦波無(wú)刷直流電楓，在l o 多年的時(shí)間罩，無(wú)刷直流電機(jī)在國(guó)際上己得到較為 充分的發(fā)展。近年來(lái)，稀土永磁材料迅速發(fā)展，其矯頑力高、抗去磁能力強(qiáng)，且 常規(guī)去磁曲線(xiàn)在大范圍線(xiàn)性可逆等特點(diǎn)為永磁直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了廣 闊的前景。同時(shí)現(xiàn)代電力電子器件工藝日臻成熟，出現(xiàn)了功率晶體管( g t r ) 、可 關(guān)斷晶閘管( g t o ) 、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( m o s f e n ，特別是絕緣柵雙極晶體管 ( i g b t ) 、m o s 可控晶閘管( i g c t ) 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。永磁直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)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)，如今的永磁無(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。 艇i 1 大學(xué)碩士學(xué)位論文 直流無(wú)刷電動(dòng)帆的d s p 控制系統(tǒng)設(shè)汁與實(shí)現(xiàn) 1 2 直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展z 。 常規(guī)控制器( p i d 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，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)的控制是一季申有效的手段，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)，由于它具有體積小，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)的研究是真流無(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)。 但是由于定子反電動(dòng)勢(shì)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，所以在電機(jī)靜止時(shí)反電動(dòng)勢(shì)為 零，沒(méi)有換相信號(hào)，電機(jī)不能白啟動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)必須外加啟動(dòng)信號(hào)，使電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)子向確定的方向加速，繞組中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，然后再用模擬開(kāi)關(guān)切換到反電 動(dòng)勢(shì)檢測(cè)換相的方式。在啟動(dòng)方式中主要有外同步方式和預(yù)定位方式兩種。外同 步驅(qū)動(dòng)方式啟動(dòng)是以變頻方式同步拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，需要專(zhuān)門(mén)的脈沖分配電路 提供各相導(dǎo)通的控制信號(hào)，因此啟動(dòng)電路比較復(fù)雜；預(yù)定位方式啟動(dòng)的控制電路 相對(duì)簡(jiǎn)單，但是為了起動(dòng)可靠，必須設(shè)計(jì)起動(dòng)控制電路并且合理的調(diào)整電路參數(shù)， 目前對(duì)電路要求比較簡(jiǎn)單的啟動(dòng)方法是：?jiǎn)?dòng)時(shí)首先箍加激勵(lì)電壓，應(yīng)用主動(dòng)檢 測(cè)方法測(cè)得響應(yīng)電流，利用相電流和相電感的關(guān)系得出轉(zhuǎn)子的初始位置。這里要 求確切的知道相電流和相電感的關(guān)系。 ( 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 第一章緒論 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)控制。變 結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)模式既可以由系統(tǒng)的傳遞函數(shù)導(dǎo)出，也可根據(jù)系統(tǒng)的最大速度、最大加 速度等系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)，都會(huì)使系統(tǒng)的位置控制達(dá)到較好的控制效果。 ( 3 1 模糊控制和p i d 相結(jié)合的f u z z y p i d 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；p i d 控制方法可以很好的 消除系統(tǒng)的穩(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f u z z y p i d 復(fù)合控制，系統(tǒng)具有f u z z y 和 p i d 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 ：1 0 0 0 0 ，定位 精度高，在不同的負(fù)載下具有較強(qiáng)的魯棒性。 ( 4 1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制相結(jié)合的復(fù)合控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既具有非線(xiàn)性映射的能力，能夠逼近任何線(xiàn)性和非線(xiàn)性模型，又具 有自學(xué)習(xí)、自收斂性，而且對(duì)被控對(duì)象無(wú)需精確建模，對(duì)參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯 棒性。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的優(yōu)點(diǎn)，人們開(kāi)始研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制相結(jié)合的控 制算法并且將其應(yīng)用在直流無(wú)刷電機(jī)控制中。通常有兩種結(jié)合方式：一種是在大 誤差范圍內(nèi)采用模糊控制來(lái)改善性能，提高快速性，同時(shí)在小誤差范圍內(nèi)采用神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器達(dá)到精確定位的目的；另一種是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制規(guī)則 的映射。實(shí)踐證明這種控制算法可以達(dá)到很好的動(dòng)、靜態(tài)性能，完全可以用于高 精度的定位系統(tǒng)。 1 3 論文研究意義 最近十年，伴隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，困難也隨之而來(lái)，高度發(fā)達(dá)的生產(chǎn)力已 經(jīng)給我們生存的環(huán)境造成一系列不容忽視的問(wèn)題，能源短缺和環(huán)境污染就是其中 最重要的問(wèn)題。其中由于汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展及大量普及，在這方面造成的影響 尤為嚴(yán)重。與日俱增的能源與環(huán)境的壓力促使人們迫切要求開(kāi)展對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的研 究和開(kāi)發(fā)。目前全球約6 億輛汽車(chē)，每年要消耗約1 8 億噸石油，然后排放大量 尾氣污染大氣，成為大氣的主要污染源。在我困，隨著汽車(chē)數(shù)量的激增，1 9 9 4 廈門(mén)大學(xué)碩士學(xué)位論文 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的d s p 擰制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn) 年我國(guó)就成為石油純進(jìn)口國(guó)，對(duì)石油輸出國(guó)的依賴(lài)性越來(lái)越大，與此同時(shí)，汽車(chē) 尾氣和噪聲對(duì)城市的污染貢獻(xiàn)率迅速增加，成為主要污染源。以北京為例，1 9 9 8 年機(jī)動(dòng)車(chē)排放一氧化碳和氮氧化物的分擔(dān)率分別達(dá)到8 2 7 和4 2 7 ，近年來(lái)氮 氧化物等污染物有增無(wú)減。雖然國(guó)家制定了機(jī)動(dòng)車(chē)的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，但是如果不 從根本上改變傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)為發(fā)動(dòng)機(jī)的做功方式，在能源與污染問(wèn)題的解決方法 上還是治標(biāo)不治本。電動(dòng)汽車(chē)以蓄電池儲(chǔ)存的電能為動(dòng)力，在行駛中幾乎沒(méi)有廢 氣排出，排放要比內(nèi)燃機(jī)減少9 2 - - 9 8 ，因?yàn)闆](méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，它的噪音 僅有內(nèi)燃機(jī)的一半。同時(shí)電動(dòng)汽車(chē)可以很好地解決能源問(wèn)題，因?yàn)殡娔軐儆诙?能源，通過(guò)多種途徑將其他能源( 火力，水力，風(fēng)力，核能，太陽(yáng)能，潮汐能等) 轉(zhuǎn)換得到，所以不存在能源枯竭問(wèn)題。這些突出優(yōu)點(diǎn)迫使人們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行研 究和開(kāi)發(fā)，而電動(dòng)汽車(chē)的研究重點(diǎn)就是動(dòng)力系統(tǒng)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的 研究。該課題是圍繞建設(shè)實(shí)驗(yàn)室直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置而展開(kāi)的。 1 4 論文研究的內(nèi)容 論文研究主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面： 1 ，從直流無(wú)刷電機(jī)的基本原理出發(fā)，導(dǎo)出其數(shù)學(xué)模型。分析和研究了直流 無(wú)刷電機(jī)的工作原理、驅(qū)動(dòng)方法及運(yùn)行特性。 2 對(duì)本系統(tǒng)中使用到的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 做了詳細(xì)介紹，設(shè)計(jì)了基于d s p 的有位置傳感器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)方案，并研究和實(shí)現(xiàn)了模糊p i d 控制算法。 3 設(shè)計(jì)了調(diào)速系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)各主要部分的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳 細(xì)的分析和闡述。根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和所采用的控制策賂，完成了以c 語(yǔ)言 在c c s 環(huán)境下的控制軟件編程工作。 4 對(duì)所設(shè)計(jì)的軟硬件進(jìn)行調(diào)試，給出了電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，并提 出了需要進(jìn)一步研究的若干問(wèn)題。 第二章直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作原理 第二章直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作原理 2 1 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1 1 直流電動(dòng)機(jī)具有非常優(yōu)秀的線(xiàn)性機(jī)械特性、寬的調(diào)速范圍、大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、 簡(jiǎn)單的控制電路等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)一直廣泛地應(yīng)用在各種伺服系統(tǒng)中。但是直流 電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器成為其發(fā)展障礙。機(jī)械電刷和換向器造成的火花、噪聲等 一系列問(wèn)題，影響了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速精度和性能以及限制了它的應(yīng)用場(chǎng)合。因 此人們一直在尋找一種不用電刷和換向器的直流電動(dòng)機(jī)。隨著電子技術(shù)，功率半 導(dǎo)體和高性能的磁性材料制造技術(shù)的發(fā)展，這種想法已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)。直流無(wú)刷電 動(dòng)機(jī)利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和換向器，因此使這種電動(dòng)機(jī)不僅保留了直 流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且又具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu) 點(diǎn)，使它一經(jīng)出現(xiàn)就以極快的速度發(fā)展和普及。隨著電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化， 宜流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)憑借其特有的優(yōu)勢(shì)占據(jù)著重要地位。 2 1 1 永磁材料特性 永磁功能材料常稱(chēng)永磁材料，又稱(chēng)硬磁材料，而軟磁功能材料常稱(chēng)軟磁材料。 這旱的硬和軟并不是指力學(xué)性能上的硬和軟，而是指磁學(xué)性能上的硬和軟。磁性 硬是指磁性材料經(jīng)過(guò)外加磁場(chǎng)磁化以后能長(zhǎng)期保留其強(qiáng)磁性( 簡(jiǎn)稱(chēng)磁性1 ，其特征 是矯頑力( 矯頑磁場(chǎng)1 高。矯頑力是磁性材料經(jīng)過(guò)磁化以后再經(jīng)過(guò)退磁使其剩余磁 性( 剩余磁通密度或剩余磁化強(qiáng)度) 降低到零的磁場(chǎng)強(qiáng)度。而軟磁材料則是加磁場(chǎng) 既容易磁化，又容易退磁，即矯頑力很低的磁性材料。退磁是指在加磁場(chǎng)( 稱(chēng)為磁 化場(chǎng)) 使磁性材料磁化以后，再加同磁化場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)使其磁性降低的磁場(chǎng)。 永磁材料是發(fā)現(xiàn)和使用最早的一類(lèi)磁性材料。我國(guó)最早發(fā)明的指南器( 稱(chēng)為 司南1 便是利用天然永磁材料磁鐵礦制成的?，F(xiàn)在的永磁材料不但種類(lèi)很多，而 且用途也十分廣泛。常用的永磁材料主要具有4 種磁特性：( 1 ) 高的最大磁能積。 最大磁能積是永磁材料單位體積存儲(chǔ)和可利用的最大磁能量密度的量度：( 2 ) 高 的矯頑( 磁) 力。矯頑力是永磁材料抵抗磁的和非磁的干擾而保持其永磁性的量 度；f 3 ) 高的剩余磁通密度和高的剩余磁化強(qiáng)度。它們是具有空氣隙的永磁材料 廈門(mén)大學(xué)碩士學(xué)位論文直流光刷寇動(dòng)機(jī)的d s p 控制系統(tǒng)沒(méi)計(jì)實(shí)現(xiàn) 的氣隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度的量度；( 4 ) 高的穩(wěn)定性，即對(duì)外加干擾磁場(chǎng)和溫度、震動(dòng)等 環(huán)境因素變化的高穩(wěn)定性。當(dāng)前常用的重要永磁材料主要有：( 1 ) 稀土永磁材料， 這是當(dāng)前最大磁能積最高的一大類(lèi)永磁材料，為稀土族元素和鐵族元素為主要成 分的金屬互化物( 3 l 稱(chēng)金屬問(wèn)化合物) 。( 2 ) 金屬永磁材料。這是一類(lèi)發(fā)展和應(yīng)用都 較早的，以鐵和鐵族元素( 如鎳、鈷等) 為重要組元的合會(huì)型永磁材料，主要有鋁 鎳鈷( a i n ，c 。) 系和鐵鉻鈷( f 。c r c 。) 系兩大類(lèi)永磁合金。鋁鎳鈷系合金永磁性能和成 本屬于中等，發(fā)展較早，性能隨化學(xué)成分和制造工藝而變化的范圍較寬，故應(yīng)用 范圍也較廣。鐵鉻鈷系永磁合金的特點(diǎn)是永磁性能中等，但其力學(xué)性能可進(jìn)行各 種機(jī)械加工及冷或熱的塑性變形，可以制成管狀、片狀或線(xiàn)狀永磁材料而供多種 特殊應(yīng)用。( 3 ) 鐵氧體永磁材料。這是以屁，d ，為主要組元的復(fù)合氧化物強(qiáng)磁材料 ( 狹義) 和磁有序材料如反鐵磁材料( 廣義) 。其特點(diǎn)是電阻率高，特別有利于在高 頻和微波應(yīng)用。如鋇鐵氧體( b a f ej 2 0 1 9 ) 和鍶鐵氧體( s ，f ej 2 0 】9 ) 等都有很多應(yīng) 用。除上述3 類(lèi)永磁材料外，還有一些制造、磁性和應(yīng)用各有特點(diǎn)的永磁材料。 例如微粉永磁材料、納米永磁材料、膠塑永磁材料( 可應(yīng)用于電冰箱門(mén)的封閉) 、 可加工永磁材料等。 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展是分不開(kāi)的，磁性材料的發(fā)展過(guò)程基本 上經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段：鋁鎳鈷，鐵氧體磁性村料釹鐵硼( n d f 。b ) 。釹鐵 硼有高磁能積，它的出現(xiàn)引起了磁性材料的一場(chǎng)革命。第三代釹鐵硼永磁材料的 應(yīng)用，進(jìn)一步減少了電機(jī)的用銅量，促使無(wú)刷電機(jī)向高效率、小型化、節(jié)能的方 向發(fā)展。 2 1 ，2 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的本體在結(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 其他啟動(dòng)裝置，其定子繞組一般制成多相，三相，四相，五相不等，轉(zhuǎn)子由永磁 鋼按一定極對(duì)數(shù)( 2 d - 2 ，4 ) 組成三相定子繞組，分別與電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路中相 應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件連接，位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接。當(dāng)定子繞 組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(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 第一二章直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)t 作原理 而按一定的次序換相，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷的送出信號(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，這就是直 流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的換流原理。由于電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)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)械換相器的換相作用。因此所謂直流無(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)電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路、永磁同步電動(dòng)機(jī)以及位置傳感器三者組成的 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2 1 所示： 一一j 圖2 1 ：直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 其原理框圖如圖2 2 所示： 電予開(kāi)莢錢(qián)臻 圖2 2 ：直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的原理框圖 2 1 3 直流無(wú)刷電機(jī)的位置檢測(cè)方法 直流無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行是通過(guò)逆變器功率器件隨轉(zhuǎn)予不同位置相應(yīng)改變其不同 觸發(fā)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)時(shí)切換功率器件觸 7 廈門(mén)大學(xué)碩上學(xué)位論文 直流尤刷電動(dòng)機(jī)的d s p 控制系統(tǒng)鹼計(jì)與實(shí)現(xiàn) 發(fā)組合狀態(tài)是控制直流無(wú)刷電機(jī)的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)裝置最直接、有效是利 用位置傳感器得到不同位置信號(hào)，經(jīng)門(mén)電路、模擬開(kāi)關(guān)或?qū)Ｓ眯酒傻玫讲煌| 發(fā)邏輯信號(hào)，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)狀態(tài)的自動(dòng)切換，但是位置傳感器使用增加了電機(jī)體積， 使直流無(wú)刷電機(jī)微型化帶來(lái)了困難，也增加了電機(jī)制造的工藝。 為了省去位置傳感器，人們?cè)O(shè)計(jì)了多種方法來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。端電壓檢測(cè) 法是根據(jù)各相反電動(dòng)勢(shì)隨轉(zhuǎn)子位置改變，把三相端電壓經(jīng)低通濾波器延時(shí)9 0 。 電角度，再經(jīng)比較電路得出觸發(fā)邏輯信號(hào)。但該方法存在著低通濾波器在電機(jī)低 速時(shí)，對(duì)不足9 0 。電角度情況下導(dǎo)致觸發(fā)信號(hào)提前切換，對(duì)電機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩產(chǎn) 生較大影響，嚴(yán)重時(shí)引起電機(jī)失步。 在端電壓檢測(cè)法的基礎(chǔ)上，可以在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)采用三相端電壓兩兩比較 直接得出觸發(fā)邏輯信號(hào)的方法，在整個(gè)運(yùn)行段根據(jù)不同轉(zhuǎn)速，在兩個(gè)位置檢測(cè)電 路之間進(jìn)行切換。隨著微處理器的應(yīng)用，利用軟件可以完全簡(jiǎn)化端電壓檢測(cè)的位 置檢測(cè)信號(hào)。 還可以通過(guò)檢測(cè)與功率器件反并聯(lián)的二極管的導(dǎo)通與否來(lái)判斷繞組反電勢(shì) 的過(guò)零點(diǎn)。這種方法在低速時(shí)也能檢n n - 極管的導(dǎo)通，是電機(jī)能在低速時(shí)正常 運(yùn)行且有利于順利完成啟動(dòng)過(guò)程。但是，這種檢測(cè)方法需在二極管上并列檢測(cè)電 路。這對(duì)于集成的功率器件很難實(shí)現(xiàn)。并且二極管的導(dǎo)通時(shí)刻并不是繞組的真正 過(guò)零時(shí)刻，要想消除這種誤差就必須另加補(bǔ)償電路。 還有一種檢測(cè)轉(zhuǎn)予位置的新方法，在永磁轉(zhuǎn)予的表面粘貼一些非磁性的導(dǎo)電 材料，利用定子繞組高頻開(kāi)關(guān)工作時(shí)非磁性的導(dǎo)電材料上的渦流效應(yīng)，使開(kāi)路相 電壓大小隨轉(zhuǎn)子位簧角而改變。從而可通過(guò)檢測(cè)開(kāi)路相電壓來(lái)判斷轉(zhuǎn)子位置，此 法不依靠反電勢(shì)。因此能保證電機(jī)在低速時(shí)可靠運(yùn)行和順利啟動(dòng)。但此方法需特 殊電機(jī)，對(duì)電機(jī)制造工藝有很大要求。 磁通估計(jì)法是通過(guò)對(duì)電機(jī)的電壓和電流的檢測(cè)，合成積分得出定子磁場(chǎng)磁通 矢量，進(jìn)而通過(guò)磁通與電流之間的夾角獲得最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制。n e r t u g r u l 等提出了 一種具有雙電流環(huán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)器，其中外環(huán)用于校正轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值， 并用二階多項(xiàng)式曲線(xiàn)擬合預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置，內(nèi)環(huán)用于校正被估磁通。 反電動(dòng)勢(shì)法是一種最為簡(jiǎn)單的方法。由于直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的繞組反電勢(shì)波形 直接反映轉(zhuǎn)子的位置，因此人們很自然地想到利用繞組反電勢(shì)來(lái)獲取轉(zhuǎn)子的位置 第二章直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作原理 信息。對(duì)于采用兩相導(dǎo)通、三相六拍運(yùn)行方式的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)而言，三相繞組 中在任意時(shí)刻總有一相處于斷開(kāi)狀態(tài)，檢測(cè)斷開(kāi)相的反電勢(shì)信號(hào)。當(dāng)其過(guò)零點(diǎn)時(shí) 轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組重合，再經(jīng)過(guò)3 0 。電角度依照開(kāi)通順序進(jìn)行換相。據(jù)此只 要檢測(cè)到各相反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，即可獲知轉(zhuǎn)子的若干個(gè)關(guān)鍵位置，這就是反電勢(shì) 法的基本原理。設(shè)計(jì)相應(yīng)的過(guò)零檢測(cè)電路和移相( 或定時(shí)) 電路，就可實(shí)現(xiàn)反電勢(shì) 法的無(wú)傳感器控制。但是，繞組反電勢(shì)是難以直接測(cè)取的物理量。因此，通常的 做法是通過(guò)檢測(cè)電機(jī)端電壓信號(hào)，進(jìn)行比較來(lái)間接獲取繞組反電勢(shì)信號(hào)的過(guò)零 點(diǎn)，從而獲得轉(zhuǎn)子的位置。故這種方法又稱(chēng)為“端電壓法”。在以往的反電勢(shì)法 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，將端電壓經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的無(wú)源濾波器、電壓比較器及編碼器， 得到逆變器的觸發(fā)信號(hào)。 反電勢(shì)法的缺陷是當(dāng)電機(jī)在靜止或低速運(yùn)行時(shí)，反電勢(shì)為零或太小，因而無(wú) 法利用。為此，以往采用的設(shè)計(jì)方案中都設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的啟動(dòng)電路，使電機(jī)以他控 式變頻方式同步拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電機(jī)產(chǎn)生一定的初速度和電動(dòng)勢(shì)后，再切換 到無(wú)刷機(jī)自控狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為三段式啟動(dòng)，包括轉(zhuǎn)子定位、加速和運(yùn)行狀態(tài) 切換三個(gè)階段。這種啟動(dòng)方式需要專(zhuān)門(mén)的脈沖分配電路提供各相導(dǎo)通的控制信 號(hào)，因而啟動(dòng)電路較為復(fù)雜，同時(shí)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的切換也必須滿(mǎn)足一些條件。 由于無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)的工作原理與有位置傳感器的直流無(wú)刷 電機(jī)相類(lèi)似，所以可用有位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型來(lái)說(shuō)明無(wú)位置傳 感器的直流無(wú)刷電機(jī)，本系統(tǒng)采用的是具有霍爾位置傳感器的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。 2 2 直流無(wú)屆4 電機(jī)工作原理與數(shù)學(xué)模型s 2 2 1 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的工作原理 普通直流電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，而定子產(chǎn)生固定不動(dòng)的磁場(chǎng)。為了使直流 電機(jī)旋轉(zhuǎn)，需要通過(guò)換向器和電刷不斷地改變電樞繞組中電流的方向，使兩個(gè)磁 場(chǎng)的方向始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)。 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)為了去掉電刷，將電樞放到定子上去，而轉(zhuǎn)子做成永磁體， 這樣的結(jié)構(gòu)正好與普通直流電動(dòng)機(jī)相反。然而即使這樣改變還不夠，因?yàn)槎ㄗ由?的電樞通入直流電以后，只能產(chǎn)生不變的磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)依然轉(zhuǎn)不起來(lái)。為了使電 廈門(mén)大學(xué)碩士學(xué)位論文 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的d s p 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來(lái)，必須使定子電樞各相繞組不斷地?fù)Q相通電，這樣才能使定子 磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子的位置在不斷地變化，使定予磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)始終保持9 0 。 左右的空間角，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 三相直流無(wú)刷電機(jī)采用二二導(dǎo)通、三相六狀態(tài)p w m 調(diào)制方式。電機(jī)定子繞 組軸向示意圖2 3 所示。 abc a c 七一 a b 圖2 3 ：定子繞組軸向示意圖 這時(shí)a 相正向通電，b 相反向通電，c 相不通電，產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁 場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子順時(shí)針恒速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)6 0 0 角后，轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)下去就 到上圖中的i i ，這樣就會(huì)使同一磁極下的電樞繞組中有部分導(dǎo)體的電流方向不一 致，它們相互抵消，消弱磁場(chǎng)，使電磁轉(zhuǎn)矩減小。因此當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)6 0 0 時(shí)就必須換相， 使b 相斷電，c 相反向通電。 實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵是取得轉(zhuǎn)子位置，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的捕獲口就起這個(gè)作 用，如它的三路輸出：c a p l 、c a p 2 、c a p 3 ，在轉(zhuǎn)子分別位于圖l 中的i 到v i 各區(qū)時(shí)，輸出信號(hào)相應(yīng)為：0 1 1 、0 0 1 、1 0 1 、1 0 0 、1 1 0 、0 1 0 。這樣，通過(guò)捕捉任 一路輸出上的跳變沿，讀取跳變沿后的捕捉口輸出狀態(tài)，就可以確定轉(zhuǎn)子的新位 置，實(shí)現(xiàn)定子繞組電流換向。同時(shí)，利用定時(shí)器檢測(cè)兩次換相之間的時(shí)間腳隔， 第二章直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)t 作原理 計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行的速度，再利用p i 或p i d 等控制方法，通過(guò)調(diào)整p w m 信號(hào)的 占空比，調(diào)整定予電流，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。d s p 的p w m 模塊六路輸出經(jīng)隔離電路連到 功率管的驅(qū)動(dòng)電路，再到功率管上控制6 個(gè)功率管的關(guān)斷。 2 2 2 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的換相原理 從三相直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制原理可知，為了能夠得到恒定的最大轉(zhuǎn)矩，就必 須要不斷地對(duì)三相直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行換相。掌握好恰當(dāng)?shù)膿Q相時(shí)刻，可以減小 轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。因此位置檢測(cè)是非常重要的。 位置信號(hào)是通過(guò)三個(gè)霍爾傳感器得到的。每一個(gè)霍爾傳感器都會(huì)產(chǎn)生1 8 0 0 脈寬的輸出信號(hào)，如圖2 4 所示。三個(gè)霍爾傳感器的輸出信號(hào)互差1 2 0 。相位差。 這樣它們?cè)诿總€(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)中共有6 個(gè)上升或下降沿，正好對(duì)應(yīng)著6 個(gè)換相時(shí)刻。通 過(guò)將d s p 設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，就可以獲得這6 個(gè)時(shí)刻。 0 l h l 上升沿h l 下降沿 1 8 0；3 6 0 c o l h 2 上升沿 h 2 下降沿 1 2 0 3 0 03 6 0 國(guó) l h 3 下降沿 h 3 上升沿 6 0 2 4 03 6 0 國(guó) 廈門(mén)大學(xué)碩士學(xué)位論文直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的d s p 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) o o i o i j 1 8 0 3 0 0 1 2 0 3 6 0 i 6 03 0 0 1 2 0 2 4 0 7 jl 出 i l 6 01 8 0 一 2 4 03 6 0 圖2 4 ：霍爾位置傳感器輸出波形與電流波形對(duì)應(yīng)關(guān)系 但是只有換相時(shí)刻還不能正確換相，還需要知道應(yīng)該換哪一相。通過(guò)將d s p 的捕捉口c a p l c a p 3 設(shè)置為y o 口，并檢測(cè)該口的電平狀態(tài)，就可以知道哪一 個(gè)霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷。 圖2 5 ：功率開(kāi)關(guān)電路圖 第二章直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作原理 我們將捕捉口的電平狀態(tài)稱(chēng)為換相控制字，功率管開(kāi)關(guān)電路圖見(jiàn)圖2 5 。換 相控制字與換相的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1 ： 表1 ：換相控制字與換相的對(duì)應(yīng)關(guān)系 換相控制字觸發(fā)中斷沿各開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài) c a p 3c a p 2c a p l狀態(tài)v 1v 2v 3v 4v 5v 6 101h 1 上p w mo f fo f fp ，m o f fo f f oolh 3 下p w mo f fo f fo f fc i f fp w m ol1h 2 上0 f fo f fp w mo f fo f fp w m o10h l 下 o f fp w mp w mo f fo f fo f f l1oh 3 上o f fp w mo f fo f fp w mo f f 1 o oh 2 下o f fo f f 0 f fp w mp w mo f f 2 2 3 電壓方程 b l d c m 的特征是反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，意味著定子和轉(zhuǎn)子間的互感是非正弦 的，將b l d c m 三相方程變換為d 、q 方程是比較困難的，因?yàn)閐 、q 方程適用于 氣隙磁場(chǎng)為正弦分布的電動(dòng)機(jī)。若將電感表示為級(jí)數(shù)形式且采用多參考坐標(biāo)理 論，也可進(jìn)行這種坐標(biāo)變換，但運(yùn)算繁瑣；若僅僅取其基波進(jìn)行變換，則計(jì)算結(jié) 果誤差大。相反，直接利用電動(dòng)機(jī)原有的相變量來(lái)建立數(shù)學(xué)模型卻比較方便，又 能獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果。為簡(jiǎn)化分析，以實(shí)驗(yàn)室7 5 k w 的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)為研究 對(duì)象，并假設(shè)： ( 1 ) 定子繞組為6 0 。相帶整距集中繞組，星形連接。 ( 2 ) 忽略齒槽效應(yīng)，繞組均勻分布于光滑定子的內(nèi)表面。 ( 3 ) 忽略磁路飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗。 ( 4 ) 不考慮電樞反應(yīng)，氣隙磁場(chǎng)分布近似為矩形波，平頂寬度為1 2 0 。電 角度。 ( 5 ) 轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組，永磁體不起阻尼作用。 定子三相繞組的電壓方程可表示為： 壁! ! 查蘭堡主堂垡笙皇 皇墮重型皇塑墊墼旦翌墼型墨墮堡墮皇! ! 翌 e ；1 = 喜丟耋i i + 亳薹蕁 d ； + 圣 c 2 _ 1 ， 螄， 口，“c 為三相定子電壓；e ，細(xì)，e c 為三相定子反電動(dòng)勢(shì)；l a ，如， ：i p m 使用單一的+ 1 5 v 供電，若供電電壓低于 1 2 5 v ，且時(shí)間超過(guò)，。= 1 0 m s ，發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信 號(hào)。 ( 2 ) 過(guò)溫保護(hù)( o t ) ：在靠近i g b t 芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器， 當(dāng)l p m 溫度傳感器測(cè)出其基板的溫度超過(guò)溫度值時(shí)，發(fā)生過(guò)溫保護(hù)，封鎖門(mén)極 驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。 ( 3 ) 過(guò)流保護(hù)( o c ) ：若流過(guò)i g b t 的電流值超過(guò)過(guò)流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過(guò)t o s , 則發(fā)生過(guò)流保護(hù)，封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。為避免發(fā)生過(guò)大的d i d t ， 大多數(shù)i p m 采用兩級(jí)關(guān)斷模式。 ( 4 ) 短路保護(hù)( s c ) ：若負(fù)載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致短路，流過(guò)i g b t 的 電流值超過(guò)短路動(dòng)作電流，則立刻發(fā)生短路保護(hù)，封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障 信號(hào)。跟過(guò)流保護(hù)樣，為避免發(fā)生過(guò)大的d i d t ，大多數(shù)l p m 采用兩級(jí)關(guān)斷模 式。為縮短過(guò)流保護(hù)的電流檢測(cè)和故障動(dòng)作間的響應(yīng)時(shí)間，i p m 內(nèi)部使用實(shí)時(shí)電 流控制電路( r t c ) ，使響應(yīng)時(shí)間小于1 0 0 n s ，從而有效抑制了電流和功率峰值， 提高了保護(hù)效果。 當(dāng)i p m 發(fā)生u v 、o c 、o t 、s c 中任一故障時(shí)，其故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間 ，陽(yáng)為1 8 m s ( s c 持續(xù)時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些) ，此時(shí)間內(nèi)i p m 會(huì)封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)，關(guān)斷1 p m ； 故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，i p m 內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位，門(mén)極驅(qū)動(dòng)通道開(kāi)放。 第四章控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 現(xiàn)以p m 7 5 c s a l 2 0 為例進(jìn)行介紹，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采用的是7 5 k w ，2 5 2 a 額定 電流的三相直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。p m 7 5 c s a l 2 0 是一種d 型的i p m ，內(nèi)部封裝了六 個(gè)i g b t ，工作在1 2 0 0 v 7 5 a 以下，功率器件的丌關(guān)頻率最大為2 0 k h z 。由于i p m 內(nèi)置了驅(qū)動(dòng)電路，與i g b t 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相比，外圍驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較方便， 只要能提供1 5 v 直流電壓即可。 但是i p m 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓的要求很?chē)?yán)格，具體為： 1 驅(qū)動(dòng)電壓范圍為1 5 v 土1 0 ，電壓低于1 3 5 v 將發(fā)生欠壓保護(hù)，電壓高于 1 6 5 v 將可能損壞內(nèi)部部件。 2 驅(qū)動(dòng)電壓相互隔離，以避免地線(xiàn)噪聲干擾。 3 驅(qū)動(dòng)電源絕緣電壓至少是i p m 極間反向耐壓值的兩倍( 2 p ) 。 4 驅(qū)動(dòng)電流可以參閱器件給出的2 0 k h z 驅(qū)動(dòng)電流要求，根據(jù)實(shí)際的開(kāi)關(guān) 頻率加以修正。 5 驅(qū)動(dòng)電路輸出端濾波電容不能太大，這是因?yàn)楫?dāng)寄生電容超過(guò)1 0 0 p f 時(shí)， 噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路。 這罩介紹一種可獲得高質(zhì)量1 5 v 電源的方案。該方案中的m 5 7 1 4 0 0 1 和 m 5 7 1 2 0 l 是三菱公司為其i p m 系列產(chǎn)品專(zhuān)門(mén)配置的電壓變換模塊。在m 5 7 1 2 0 l 的輸入端加一路1 1 3 v 4 0 0 v 的直流電壓可以在輸出端得到一路2 0 v 的直流電 壓，在m 5 7 1 4 0 0 1 的輸入端加一路1 8 v 2 2 v 的直流電壓，輸出端可以得到4 路 相互隔離的1 5 v 電壓，方便地為i p m 供電；h c p l 4 5 0 4 和p c 8 1 7 是高速光耦， 起到電氣隔離i p m 與外部電路的作用，i p m 的控制信號(hào)c k 和故障輸出信號(hào)f o 通過(guò)光耦傳輸。 在應(yīng)用要求不高的場(chǎng)合也可以用常用的整流電路得到的2 0 v 直流電壓取代 m 5 7 1 2 0 作為m 5 7 1 4 0 0 1 的輸入端，也可以采用整流電路直接得到的1 5 v 直流電 壓為p m 7 5 c s a l 2 0 供電，但效果不如用m 5 7 1 4 0 0 l 和m 5 7 1 2 0 l 方案，實(shí)踐應(yīng)用 中證明了這一點(diǎn)。 4 3 4 光耦隔離電路 驅(qū)動(dòng)電路與控制電路的接口部分必須采取電氣隔離措旋以防止強(qiáng)電部分對(duì) 弱電部分的干擾，并當(dāng)功率電路發(fā)生故障時(shí)保護(hù)弱電部分不受牽連。我們選取光 廈門(mén)大學(xué)碩士學(xué)位論文 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的d s p 攛制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 電耦合方式隔離，并針對(duì)不同的信號(hào)選取相應(yīng)的光耦驅(qū)動(dòng)電路。本系統(tǒng)的光耦器 件選取了西門(mén)子公司的高速隔離光耦6 n 1 3 5 ，電氣隔離電壓2 5 0 0 v ，帶寬2 m ，原 理圖如圖4 1 0 。 s c h e m a t i c n o d 基 ： z ： i 1 _ 。 i b 3 8 h e l o h c p l 4 舀啕幔i 檔 h c n w t 5 v 8 圖4 1 0 ：光耦隔離電路原理圖 4 4 控制系統(tǒng)e m 0 設(shè)計(jì)0 l 4 4 1 電磁干擾的概念及途徑 v o q n d 電磁干擾產(chǎn)生于干擾源，它是一種來(lái)自外部和內(nèi)部的并有損于有用信號(hào)的電 磁現(xiàn)象。干擾經(jīng)過(guò)敏感元件、傳輸線(xiàn)、電感器、電容器、空間場(chǎng)等形式的途徑并 以某種形式過(guò)程作用，其干擾效應(yīng)、現(xiàn)象普遍存在，形式各異，這稱(chēng)之為傳導(dǎo)干 擾。傳導(dǎo)干擾源按帶不帶信息可以分為信息傳導(dǎo)干擾源和電磁噪聲傳導(dǎo)干擾源兩 類(lèi)。信息傳導(dǎo)干擾源是指帶有信息的無(wú)用信號(hào)對(duì)模擬通道的干擾。電磁噪聲傳導(dǎo) 干擾源是指不帶任何信息的電磁噪聲對(duì)系統(tǒng)的干擾。 理解傳導(dǎo)電磁于擾的途徑有利于我們對(duì)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)，以便 在硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)中把握其干擾的源，拿出切實(shí)可行的方法，有理有據(jù) 地解決電磁兼容問(wèn)題。傳導(dǎo)電磁干擾傳輸通道是電磁干擾的三要素之一。因此， 研究電磁干擾問(wèn)題不可能不分析干擾源和被干擾對(duì)象之間的途徑問(wèn)題。 傳導(dǎo)電磁干擾傳輸通道可以分為電容傳導(dǎo)耦合( 或稱(chēng)電場(chǎng)耦合) 、電阻傳導(dǎo)耦 第四章控制系統(tǒng)的硬件屯路設(shè)計(jì) 合( 或公共阻抗耦合) 及電感傳導(dǎo)耦合( 或互感耦合) 。電容傳導(dǎo)耦合是指干擾源和 信號(hào)傳輸線(xiàn)( 包括印制電路線(xiàn)) 之問(wèn)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)以及部件的電容互相交鏈而構(gòu)成的 電磁傳導(dǎo)耦合。電阻傳導(dǎo)耦合是指干擾源和信號(hào)傳輸線(xiàn)( 包括印制電路線(xiàn)) 之間通 過(guò)公共阻抗上的電流或電壓交鏈而構(gòu)成的傳導(dǎo)電磁耦合。電感傳導(dǎo)耦合實(shí)質(zhì)上是 磁場(chǎng)耦合，干擾源和信號(hào)傳輸線(xiàn)( 包括印制電路線(xiàn)) 之間通過(guò)干擾源電流產(chǎn)生磁場(chǎng) 相交鏈而構(gòu)成的電感傳導(dǎo)耦合。 電磁干擾是丌關(guān)電源和電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的主要設(shè)計(jì)問(wèn)題。必須考 慮各種噪聲：傳導(dǎo)、輻射、共模和差模噪聲。共模噪聲是系統(tǒng)噪聲最重要的來(lái)源， 在設(shè)計(jì)上要給予足夠重視。 4 4 2 直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的電磁干擾問(wèn)題 本系統(tǒng)主要以d s p 為主要控制芯片的控制系統(tǒng)，d s p 的電磁兼容特性主要 反映在管腳信號(hào)電氣特性上。d s p 的輸入輸出信號(hào)多數(shù)是數(shù)字信號(hào)，其外部接口 電路也多數(shù)是數(shù)字電路，包括功率器件i g b t 也工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)具有 明顯的數(shù)字電路特征。只有電流反饋環(huán)路是模擬信號(hào)，通過(guò)d s p 的片內(nèi)a d 轉(zhuǎn) 換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，再控制p w m 的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 在本設(shè)計(jì)中電磁干擾的表現(xiàn)具體分析為以下幾點(diǎn)。 1 瞬態(tài)脈沖干擾對(duì)數(shù)字電路的影響 數(shù)字信號(hào)處理器以二進(jìn)制碼為基礎(chǔ)。用高、低電平來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并通 過(guò)各種電路來(lái)描述信號(hào)特征，從而達(dá)到控制對(duì)象的目的。瞬態(tài)脈沖干擾將嚴(yán)重地 影響了數(shù)據(jù)傳輸和控制狀態(tài)。對(duì)于數(shù)字電路本身雖然具有很強(qiáng)的抗干擾能力但 在高頻率電路中易受到攜帶高能量的脈沖干擾，其干擾部位表現(xiàn)在時(shí)鐘發(fā)生器、 總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、p w m 控制信號(hào)。i g b t 高速工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)將產(chǎn)生很強(qiáng)的開(kāi)關(guān) 噪聲，通過(guò)地線(xiàn)、電源線(xiàn)、分布電容、分布電感的耦合帶入低壓數(shù)字電路中，有 時(shí)嚴(yán)重的干擾了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 數(shù)字信號(hào)處理器的運(yùn)算，表現(xiàn)在失控、程序跑 飛和死機(jī)。 2 電源對(duì)系統(tǒng)的影響 電源是多種干擾信號(hào)影響系統(tǒng)正常工作的途徑，主要有以下幾點(diǎn)原因。 ( 1 ) 內(nèi)阻不可能為零，凡是共電源的部分其干擾信號(hào)都可以通過(guò)電源內(nèi)阻互 廈門(mén)人學(xué)碩上學(xué)位論文直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的d s p 控制系統(tǒng)醴汁與實(shí)現(xiàn) 竄。 ( 2 ) 電網(wǎng)線(xiàn)上是外部干擾( 如：雷電、電磁發(fā)射) 進(jìn)入的渠道。 ( 3 ) 電源負(fù)載的斷開(kāi)與接通也將在電網(wǎng)線(xiàn)上形成很大的沖擊，特別是感性負(fù) 載的沖擊更為嚴(yán)重。 ( 4 ) 電源本身將產(chǎn)生許多干擾信號(hào)，特別是p w m 變換器，即i g b t 高速開(kāi)關(guān) 產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲。 由于開(kāi)關(guān)電源中通常包含有高頻信號(hào)，p c b 上任何印制線(xiàn)都可以起到天線(xiàn) 的作用，印制線(xiàn)的長(zhǎng)度和寬度會(huì)影響其阻抗和感抗，從而會(huì)影響到頻率響應(yīng)。即 使是通過(guò)直流信號(hào)的印制線(xiàn)也會(huì)從鄰近的印制線(xiàn)耦合到射頻信號(hào)并造成電路問(wèn) 題，甚至再次輻射出干擾信號(hào)。因此應(yīng)將所有通過(guò)交流的印制線(xiàn)設(shè)計(jì)得盡可能的 短而寬，這意味著必須將所有連接到印制線(xiàn)和其他電源線(xiàn)的元件放置得很近。印 制線(xiàn)的長(zhǎng)度與其表現(xiàn)出的電感量和阻抗成正比，而寬度則與印制線(xiàn)的電感量和阻 抗成反比。長(zhǎng)度反映出印制線(xiàn)響應(yīng)的波長(zhǎng)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，印制線(xiàn)能發(fā)送和接受的電 磁波頻率越低，它就能輻射出更多的射頻能量。 4 4 3 硬件抗干擾設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)