无刷直流电机数字控制系统的研究与设计毕业设计(编辑修改稿)

无刷直流电机数字控制系统的研究与设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

B39。 AC39。 SN C39。 BA39。 CB39。 ASN （ a） A 相 绕组正向通电流 ， B 相 绕组 反向通电 流 （ b）转过 60 角度 BC39。 A39。 ASNB39。 C BA39。 C39。 AB39。 CNS （ c）继续 向左 旋转 （ d） A 相 绕组正向通电流 ， C 相 绕组 反向通电 流 转过 60o BC39。 A39。 ACB39。 S C39。 BA39。 AB39。 CSN （ e） B 相 绕组正 向通电 流 ， C 相 绕组 反向通电 流 （ f） 向左 转过 60 角度 C39。 BA39。 AB39。 CNS C39。 BA39。 AB39。 CSN （ g） B 相 绕组正 向通电 流 ， A 相 绕组 反向通电 流 （ h） 向左 转过 60 角度 图 23 无刷直流机转子位置与换相的关系 假设当 无刷直流电机的 转子 是 处于 如图 23（ a） 所示的 位置时 ，其角度认为是 为 0o ， 另外 相带 A′、 B、 C′ 三绕组端是 在 磁极 N 级 以 下 的 ，相带 A、 B39。 、C 绕组端 是 在 磁极 S 级 以 下，这时 A 相 绕组 正向通 入 电 流 ， B 相 绕组 反向通 入电流 ， C 相 绕组是 不通电 的，对应 IGBT 都是关断的 ，各相 绕组 通 入 电 流的 波形见图 23所示 ， 它们之间 产生的定子 绕组 磁场与转子 绕组 磁场 之间 是 相互作用 的 ，这样才能有效的 使 无刷直流电机的 转子 能逆时针以某个速度维持 转动。 当 无刷直流电机 转子 转过 60o 角后， 无刷直流 电机 的 转子位置如图 23（ b）所示。 这时如果 无刷直流电机的转子继续向左旋转旋转 下去就 会 进入 如图 23（ c）所示的位置，无刷直流电机电枢绕组中有一定量 导体的电流方向 是 不一致 的 ， 这样会使 它们互相抵 消，削弱磁场 的大小 ，使 无刷直流电机发出 电磁转矩 大大地 减小。 因此，为了避免 无刷直流电机 出现 电磁转矩减小的结果，那么当电机的转子旋转 到 如 图23（ b） 所示 的位置时，就必须 实现逆变器桥的 换相，使 B 相 绕组 断电， C 相 绕组 反相通 入 电 流，无刷直流电机的 转子继续 向左 旋转， 即逆时针旋转，再 转过60o 角后到 了如 图 23（ d）所示的 位置。 根据上面 所讲的原理就 必须要 使逆变桥进行换相，即 A 相 绕组 断电， B 相 绕组 正 向 相通 入 电 流 ， 如图 23（ e）所示 ，依次循环， 这样如此 循环 下去， 无刷直流电机 转子每转过 60o 角就 要 换相一次，根据不同的位置，各 相电流按图 23 所示的 步进 顺序进行断电和通电， 无刷直流电动机就会平稳地旋转下去。 按图 23 的驱动方式，就可以得到如图 24 所示的 无刷直流电机定子 电流和定子 感应电动势 的 波形。 对于 B 相 绕组 和 C 相 绕组 ， 无刷直流电机的 感应电动势的波形 是相同的，只是 在相位上滞后于 A 相 绕组 120o 和 240o。 图 24 电流与感应电动势波形 表 21 三相星形联结全桥驱动的通电规律 通电顺序 正转（逆时针） 转子位置 0～ 60 60～ 120 120～ 180 180～ 240 240～ 300 300～ 360 无刷直流电机运行特性与原理 设转子永久磁铁所产生的磁场在电动机气隙中是按正弦分布，转子转角为 时， sinmBB。 当定子绕组某相通过直流电流时，电动机产生的转矩为： sinrILBZT mDa  （ 21） 式中 , DZ 为相导体数； L 为导体的有效长度； mB 为气隙磁通最大值； r 为气隙半径； I 为定子绕组相电流。 无刷直流机的 在运行时 电压平衡方程式 可写 为： IREUU a  （ 22） 开关管 1， 4 1， 6 3， 6 3， 2 5， 2 5， 4 A相 + + B 相 + + C 相 + + 通电顺序 反转（顺时针） 转子位置 360～ 300 300～ 240 240～ 180 180～ 120 120～ 60 60～ 0 开关管 3， 6 1， 6 1， 4 5， 4 5， 2 3, 2 A相 + + B 相 + + C 相 + + nKE ea  （ 23） IKT Ta  （ 24） 根据式（ 22） ~（ 24）得到无刷直流电机的机械特性方程为 nnTKK RK UUn aTee  0)( （ 25） 式中， n 为 无刷直流 电动机转速， min/r ； U为 供电的 直流电源电压， V； U 为 IGBT 功率晶体管 导通的 压降， V； aT 为 无刷直流 电动机 输出电磁 转矩 的 平均值， N m； R 为 无刷直流 电动机内阻， ； eK 、 TK 分别为 无刷直流感应 电势 的 系数、 电磁 转矩 的 系数。 和 普通的 直流电动机 运行原理基本 一样，当 供电电压 U 变化时即 可以 改变无刷直流电机的转速 0n ， 无刷直流 电动机 也 可以 实现 无级调速。 但实际 中使用的无刷直流机 调速 控制 系统 是 使用 的 微机 进行 控制 的 ， 检测电路把检测到 电压信号 经过模数转换成数字信号之后 送到 DSP 主控器中 ， DSP 则会 计算出 无刷直流电动机的 实际 转速， 这样 再与 参考 给定的转速 进行 比较， 从而 输出 控制 IGBT 的PWM 脉冲 信号， 即通过 控制开关管 IGBT 的通 和断，就能有效的 控制 无刷 电动机电流（电压）大小， 使 无刷直 流 电动机的转速 稳定跟踪参考给定值。 其 控制系统的 调速原理是通过 检测电路检测出某个信号 再与参考给定的比较，通过 DSP产生的信号控 制 IGBT，即控制电机定子绕组通入的电流就可以有效的控制电机的转速和电磁转矩。 第三章 无刷直流电机的控制系统设计 无刷直流电机的控制系统由硬件 电路 系统和软件 控制 系统组成，硬件 电路 系统包括速度 和转子位置 检测电路， PI 控制器 电路， 三相 电流检测 与反馈 电路，PWM 信号 驱动电路， 三相电压型全桥 逆变器， 无刷直流 电机等。 软件系统包括检测程序，按键 扫描 程序，信号处理程序 ，中断程序 等等。 为了使无刷直流电机能够按照 参考 给定的速度 稳定 运行， 那么 必须设计 出 性能良好的硬件 电路 系统以及软件处理程序。 如图 31 所示的硬件 电路 控制系统框图。 图 31 硬件控制系统总体框图 无刷直流电机控制策略 无刷直流 电机的速度控制系统可分为开环控制 系统和闭环 控制 系统 两种 情况 ，接下来我们将逐个研究这两种控制策略。 无刷直流电机的开环控制策略 开环控制 系统 没有 任何 反馈环节，系统的稳定性 也 不高， 可靠性不强，响应时间虽然相对闭环快 ， 但是稳定 精确度不高，其特点是 电路系统的输出量不会对系统的控制作用有任何影响，没有自动调节 能力。 这种控制策略 只能用于对系统稳态精度要求不高 ，控制结构简单的场合，但是 在 控制 要求比较高 的场合 ，开环控制 策略 就受到很大的限制。 开环 控制 系统 拓扑 结构 相对闭环控制系统 简单 ， 在没有 任何 反馈信号 下，电功率驱动电路 三相全桥逆变电路 无刷直流 电机 电流检测电路 反电动势检测电路 其他接口电路及必要 PWM ADC ADC TMS320F2407 核 心 控 制 器 机的输出量可能会受到电压波动和负载突变的影响。 正是因为 开环控制系统 的 静特性 比闭环系统的要 差 很多 ，在 电磁 转矩变化的情况下 会导致电机 转速变化 很 大，这种情 不利于 无刷直流 电机 的 平 稳 运行。 如图 32 所示是 无刷直流电机的开环调速系统 框图。 直流稳压电源 逆变器 无刷直流电机PWM 图 32 无刷直流电机开环调速系统 无刷直流电机的闭环环控制策略 物理系统中被控对象的输出物理量会经过某个环节反馈至控制系统，从而改变物理系统的输出量，这种控制策略是典型 闭环控制系统的特点。 闭环控制系统可以是 一个 闭环也可以是两个闭环设置是多个闭环，一个闭环动态性能可能满足不了实际要求，一般采用的是二个闭环系统，多个闭环系统容易不稳定，实际中很少采用。 无刷直流电机一般采用的是 速度外环 +电流内环的 双闭环控制结构图，这种拓扑结构， 如图 33 所示。 直流稳压电源逆变器 无刷直流电机PWM调节器内环电流调节器外环速度refn检测电流 re fabci _abci位置检测速度与转子n图 33 无刷直流电机的双闭环控制结构图 在 图 33 中， nref为 参考 给定 的 速度， n 为 实际电机输出的速度，同时也是 反馈 至控制系统的 速度 ， iabc_ref为速度 外环 PI 调节器输出的 三相参考 电流。 图 33所示的 速度外环 +电流内环的 双闭环控制系统 中速度外环 PI 调节器和电流 内环PI 调节器在双闭环调速 控制 系统 中 的作用 可以解释 如下 ： （ 1）速度外环 PI 调节器的作用 A） 速度外环 PI 调节器 是 无刷直流电机闭环 调速系统 中 的主导 PI 调节器，它的作用是 使 无刷直流电机 输出 的转能够零稳态误差的跟踪参考给定速度 ， 同时系统动态特性也非常的优越 ； B）对 电机负载突变起调节作用 ，抑制 电机输出 速度 的 波动 ，使电机运行平稳。 （ 2）电流 内环 PI 调节器的作用 A）作为内环的 PI 调节器，其最大的 作用 就是 使 电机输出的三相 电流紧紧的 跟随 速度 外环 PI 调节器输出的值，实现零稳态误差的跟踪 ； B）当 电网电压 出现不同程度 的波动 时，能够很好的抑制其对电机输出转速和电磁转矩的影响 ； C）在转速 调节的动态过程中，使电机输出最大允许电流，从而输出最大允许电磁转矩， 加快动态 调节 速度 ，降低动态调节时间。 一般来说， 速度外环 +电流内环的 双闭环 无刷直流电机的 调速系统 一般都具有非常 满意的动态 和稳态 性能。 对于 无刷直流电机 调速系统 来说，从各个动态性能考虑，其中最为重要的 动态性能是抗 外部扰性能，比如 电网电压扰动和负载扰动的 时的抗干扰 性能。 速度外环 +电流内环的双闭环无刷直流电机的调速系统中，由于 电流内环 PI 调节器的作用 ， 电网 电压 或逆变器电压的 波动 都 可以通过 内环电流的 瞬时 反馈得到及时 有效的 调节。 另外， 当 负载扰动是 发生 在电流 内 环之后产生 值之后，这 可以 依 靠 速度外环 调节器对其进行 有效 调节。 上分析可知，当无刷直流电机使用速度外环 +电流内环的 双闭环控制 系统可以使电机 的抗 外部干 扰性能得到很大地改善 ，提高系统的运行稳定性。 无刷直流电机调节器设计 控制器的基本控制规律有比例（ P）、积分（ I）和微分（ D）三种基本控制以及组合比例积分（ PI）、比例微分（ PD）和比例积分微分（ PID）。 比例控制规律（ P） 具有比例控制规律的控制器，其输出信号 )(tu 与输入信号 )(te 之间的关系，可以用下面的数学表达式表示 )()( teKtu P （ 31） 式（ 31）中， PK 为调节器的比例增益或比例放大倍数，因此，比例控制器的传递函数为 PKsE sUsH  )( )()( （ 32） 比例调节器实质上是一个增益，或放大倍数， PK 为调节器输出变量 )(tu 与输入信号 )(te 之比， )(te 是控制系统中设定值和测量值的偏差，也成为偏差信号。 由于控制器的输入和输出可以是不同的量纲，因而 PK 可以有量纲，只是时间上没有延时。 积分控制规律 积分控制器的控制规律可以用数学表达式表示为：  tI dtteKtu 0 )()( （ 33） 式中， IK 积分控制器的积分速度常数。 积分控制器的传递函数为 sKsE sUsH I )( )()( （ 34） 显然，式（ 34）所。