直流無刷電機轉(zhuǎn)速控制電路設(shè)計開題報告

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 研究背景</b></p><p>　　一個多世紀(jì)以來，電機作為電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活中。電機的主要類型有同步電機、異步電機與直流電機三種。直流電機具有運行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速系統(tǒng)中，但

2、傳統(tǒng)的有刷直流電機均以機械換相方法進(jìn)行換相，存在相對的機械摩擦，因此帶來噪聲、火花、無線電干擾及壽命等致命弱點，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍。而相比有刷直流電機，無刷直流電機的結(jié)構(gòu)是以電力電子電路取代傳統(tǒng)有刷直流電機的電刷，故其既具有有刷直流電機運行效率高、運行性能好等優(yōu)點，又具有交流電機運行結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點。目前，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速進(jìn)步與永磁材料的新發(fā)現(xiàn)，高性能、低成本的永磁無刷直流電機已成為調(diào)速領(lǐng)域的領(lǐng)軍力量，它

3、具有巨大的開發(fā)潛質(zhì)和廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　1.2 無刷直流電機的研究歷史及現(xiàn)狀</p><p>　　永磁無刷直流電機是一種電子電動機。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相繼出現(xiàn)以及高性能永磁材料，如稀土永磁材料的問世，為無刷直流電動機的廣泛應(yīng)用奠定的基礎(chǔ), 它由直流電源經(jīng)過逆變器、位置檢測裝置向電動機供電，因而既保持了

4、直流電機的優(yōu)良特性，又改善了有刷直流電機效率低、耗電多、噪音大、維護(hù)困難、使用壽命短等運行狀況。電機系統(tǒng)屬環(huán)保節(jié)能型產(chǎn)品，是國家產(chǎn)業(yè)政策支持的高新技術(shù)項目，正處在產(chǎn)品成長期，具有廣闊的市場前景。無刷永磁直流電機正在以其特有的優(yōu)勢不斷蓬勃發(fā)展。</p><p>　　國外在無刷直流電動機發(fā)展的前期，主要致力于將更加先進(jìn)的電力電子器件和材料應(yīng)用于無刷直流電動機以提高它的性能。但無刷直流電動機在低速運行時的轉(zhuǎn)矩波動過大，

5、這是采用優(yōu)良的電動機設(shè)計和先進(jìn)的器件所無法從根本上取得突破的瓶頸。在八十年代以后，隨著磁性材料、電力電子器件和專用控制器的迅速發(fā)展，明顯改善了無刷直流電動機特性的同時，人們又把對無刷直流電動機研究的目光轉(zhuǎn)移到電子換向、稀土永磁材料以及智能控制三個方面，試圖來抑制無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩波動。</p><p>　　我國無刷直流電動機的研制工作開始于七十年代初期，主要是為我國自行研制的軍事裝置和宇航技術(shù)發(fā)展而配套。由于數(shù)

6、量少，由某些科研單位試制就能滿足要求。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，雖然在新產(chǎn)品開發(fā)方面縮短了與國際先進(jìn)水平的差距，但由于無刷直流電動機是集電動機、微電子、電力電子、控制、計算機等技術(shù)于一身的高科技產(chǎn)品，受到我國基礎(chǔ)工業(yè)落后的制約，因此無論產(chǎn)量、質(zhì)量、品種及應(yīng)用于國際先進(jìn)水平有著較大的差距，目前國內(nèi)的研制單位雖不少，但形成一定批量的單位卻屈指可數(shù)，而且其中絕大部分屬于低檔的無刷電機，產(chǎn)品的市場競爭力不強。</p><p>

7、　　1.3 無刷直流電動機的發(fā)展歷程</p><p>　　1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，奠定了現(xiàn)代電機的基本理論基礎(chǔ)。從19世紀(jì)40年代研制成功第一臺直流電機，經(jīng)過大約17年的時間，直流電機技術(shù)才趨于成熟。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，對直流電機的要求也就越來越高，有接觸的機械換向裝置限制了有刷直流電機在許多場合中的應(yīng)用。為了取代有刷直流電機的電刷－換向器結(jié)構(gòu)的機械接觸裝置，人們曾對此作過長期的探索。1915年，美

8、國人Langnall發(fā)明了帶控制柵極的汞弧整流器，制成了由直流變交流的逆變裝置。20世紀(jì)30年代，有人提出用離子裝置實現(xiàn)電機的定子繞組按轉(zhuǎn)子位置換接的所謂換向器電機，但此種電機由于可靠性差、效率低、整個裝置笨重又復(fù)雜而無實用價值。</p><p>　　科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶來了電力半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍。開關(guān)型晶體管的研制成功，為創(chuàng)造新型直流電機——無刷直流電機帶來了生機。1955年，美國人Harrison首次提出了用

9、晶體管換相線路代替電機電刷接觸的思想，這就是無刷直流電機的雛形。它由功率放大部分、信號檢測部分、磁極體和晶體管開關(guān)電路等組成，其工作原理是當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在信號繞組中感應(yīng)出周期性的信號電動勢，此信號電動勢分別使晶體管輪流導(dǎo)通實現(xiàn)換相。問題在于，首先，當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時，信號繞組內(nèi)不能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，晶體管無偏置，功率繞組也就無法饋電，所以這種無刷直流電機沒有起動轉(zhuǎn)矩；其次，由于信號電動勢的前沿陡度不大，晶體管的功耗大。為了克服這些弊病，人們采用

10、了離心裝置的換向器，或采用在定子上放置輔助磁鋼的方法來保證電機可靠地起動。但前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而后者需要附加的起動脈沖。其后，經(jīng)過反復(fù)的試驗和不斷的實踐，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機的機械換向裝置，從而為直流電機的發(fā)展開辟了新的途徑。20世紀(jì)60年代初期，接近開關(guān)式位置傳感器、電磁諧振式位置傳感器和高頻耦合式位置傳感器相繼問世，之后又出現(xiàn)了磁電耦合式和光電式位置傳感器</p><p>　

11、　2 無刷直流電機的結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p>　　永磁無刷直流電動機(Brushless DC Motor, BLDC)是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，它是由電動機本體、逆變器、位置檢測器和控制器組成的自同步電動機系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.1所示。位置檢測器檢測轉(zhuǎn)子位置信號，控制器對轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號，開關(guān)信號以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開關(guān)器件，將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給定子

12、各相繞組，使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　圖2.1 結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　2.1 無刷直流電機的結(jié)構(gòu)</p><p>　　眾所周知，有刷直流電機具有旋轉(zhuǎn)的電樞和固定的磁場，因此有刷直流電機必須有一個滑動的接觸結(jié)構(gòu)——電刷和換向器，通過它們把電流反饋給旋轉(zhuǎn)著的電樞。無刷直流電機卻與有刷直流電機相反，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞。這樣，電子換

13、向線路中的功率開關(guān)器件，如晶閘管、晶體管、功率MOSFET或IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）等可直接與點數(shù)繞組鏈接。在電機內(nèi)，裝有一個轉(zhuǎn)子位置傳感器，用來檢測轉(zhuǎn)子在運行過程中的位置。它與電子換相線路一起，替代了有刷直流電機的機械換向裝置。綜上所述，無刷直流電機有電機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相線路三大部分組成，如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 無刷直流電機組成框圖</p><p&

14、gt;<b>　　2.1.1電機本體</b></p><p>　　永磁無刷直流電動機最初的設(shè)計思想來自普通的有刷直流電動機，只不過將直流電動機的定、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對稱繞組。原直流電動機的電刷和機械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器所代替。所以永磁無刷直流電動機的電機本體實際上是一種永磁同步電機。</p><p>　　

15、定子的結(jié)構(gòu)與普通同步電動機或感應(yīng)電動機相同，鐵心中嵌有多相對稱繞組(三相最為常見)，繞組可以結(jié)成星形或三角形，并分別與逆變器中的各開關(guān)管相連。</p><p>　　永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子利用永磁體形成主磁極，常見的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式，如圖2.3所示。面貼式結(jié)構(gòu)是在鐵心外面粘貼上瓦片形永磁體，具有結(jié)構(gòu)簡單制造成本低的特點，但在高速時永磁體易被離心力甩出，所以多用于低速電機。具有這種轉(zhuǎn)子的電機稱為面貼式電機(Sur

16、face-mounted Permanent Magnet Machine,SMPM)。內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)是將永磁體嵌入鐵心里面，能有效避免永磁體失磁，電機氣隙較小，多用于對電機動態(tài)特性要求較高的場合。具有這種轉(zhuǎn)子的電機稱為內(nèi)埋式電機(Interior Permanent Magnet Machine,IPM)。由于稀土永磁的磁導(dǎo)率接近于1，與氣隙相當(dāng)，所以雖然面貼式電機在幾何結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)為凸極，但在電氣特性上卻屬于隱極電機；內(nèi)埋式電機幾何結(jié)構(gòu)為

17、隱極，電氣特性上屬于凸極電機，這一點與普通電機是不相同的。</p><p>　　圖2.3 永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式</p><p>　　除了上述基本結(jié)構(gòu)外，還有一種外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，即帶有永磁極的轉(zhuǎn)子在外面，嵌有繞組的定子在里面。電機運行時，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)主要用于電動車的驅(qū)動。</p><p><b>　　2.1.2逆變器</b><

18、;/p><p>　　逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機供電。與一般逆變器不同，永磁無刷直流電動機的逆變器的輸出頻率不是獨立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號，是一個“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，永磁無刷直流電動機輸入電流的頻率和電機轉(zhuǎn)速始終保持同步，不會產(chǎn)生振蕩和失步，這也是永磁無刷直流電動機的重要優(yōu)點之一。</p><p>　　逆變器主電路有橋式和非橋式兩種，而電樞繞組既可以結(jié)成星形也可

19、以結(jié)成角形(封閉形)，因此電樞繞組與逆變器主電路的連接有多種不同的組合，圖2.4給出了幾種常用的連接方式。其中，圖(a)和圖(b)是非橋式主電路，電樞繞組只允許單方向通電，屬于半控型主電路；其余為橋式主電路，電樞繞組允許雙向通電，屬于全控型主電路。目前，星形連接三相橋式主電路應(yīng)用最多。</p><p>　　圖2.4 永磁無刷直流電動機電樞繞組與逆變器的連接</p><p>　　逆變器功率開

20、關(guān)一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件。IGBT具有較低的導(dǎo)通壓降，而MOSFET具有更快的開關(guān)頻率。有些主電路已有集成的功率模塊(PIC)和智能功率模塊(IPM)，選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　2.1.3位置檢測器</p><p>　　位置檢測器的作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于定子繞組的位置信號，為逆變器提供正確的換相信息。位置檢測包括有位置傳感器檢測和無位

21、置傳感器檢測兩種方式。</p><p>　　轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其轉(zhuǎn)子與電機本體同軸，以跟蹤電機本體轉(zhuǎn)子磁極的位置；定子固定在電機本體定子或端蓋上，以檢測和輸出轉(zhuǎn)子位置信號。轉(zhuǎn)子位置傳感器的種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開關(guān)式、旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。</p><p>　　無位置傳感器位置檢測是通過檢測和計算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的的物理量間接地獲得轉(zhuǎn)子位置，主要有反電

22、勢法，這也是本文所要采用的方法。</p><p><b>　　2.1.4控制器</b></p><p>　　控制器是永磁無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：</p><p>　　(1)對轉(zhuǎn)子位置檢測器輸出的信號、PWM調(diào)制信號以及其他控制信號進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動電路提供開關(guān)信號，實現(xiàn)電機的正常運行。</

23、p><p>　　(2)對電機進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動靜態(tài)性能。</p><p>　　(3)實現(xiàn)短路、過流、過電壓和欠電壓等故障保護(hù)功能。</p><p>　　2.2 無刷直流電動機的基本工作原理</p><p>　　永磁無刷直流電機最常用的主電路為星形連接三相橋式主電路（圖2.4（c）），這種電路主要有兩種導(dǎo)通方式：二二導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通

24、方式。</p><p>　　二二導(dǎo)通方式是指每一瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期（60°電角度）換相一次，每次換相一個功率管，橋臂之間左右互換，每個功率管導(dǎo)通120°電角度。</p><p>　　三三導(dǎo)通方式是在任一瞬間使三個開關(guān)管同時導(dǎo)通，同樣每隔60°電角度換相一次，每次換相一個功率管，但換相發(fā)生在同一橋臂上下管之間，因而每個功率管導(dǎo)通180°

25、;電角度。</p><p>　　相比較之下，二二導(dǎo)通方式電機出力大，轉(zhuǎn)矩特性較好，且不會發(fā)生開關(guān)管直通短路的現(xiàn)象，因此最為常用。其工作原理如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5 永磁無刷直流電動機工作原理示意圖</p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到圖2.5.1所示的位置時，位置檢測裝置輸出的轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)過控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使功率開關(guān)VT1、VT6導(dǎo)

26、通，A、B兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)VT1A相繞組，再從B相繞組流出，經(jīng)VT6回到電源的負(fù)極。電樞繞組在空間產(chǎn)生的磁動勢Fa如圖2.5.1所示，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。</p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過60°電角度，到達(dá)圖2.5.2所示位置時，位置檢測器輸出的位置信號使VT1、VT2導(dǎo)通，A、C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)VT1流入A相繞組，再從C相繞組

27、流出，經(jīng)VT2回到電源的負(fù)極。電樞繞組在空間產(chǎn)生的磁動勢Fa如圖2.5.2所示，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，轉(zhuǎn)矩方向不變，使電機的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動。</p><p>　　轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60°電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)的導(dǎo)通邏輯為VT1、VT6→VT1、VT2→VT3、VT2→VT3、VT4→VT5、VT4→VT5、VT6→VT1、VT6。在此期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿

28、順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　在圖2.5.1到圖2.5.2的60°電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場沿順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而定子合成磁場在空間保持靜止。只有當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°電角度到達(dá)圖2.5.2所示位置時，定子合成磁場才從圖2.5.1的Fa位置跳躍到圖2.5.2的Fa位置。可見，定子合成磁場在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而是一種跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，每個步進(jìn)角是60°電角度。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60&#

29、176;電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場的狀態(tài)就發(fā)生一次躍變?？梢姡姍C有六種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組導(dǎo)通的時間對應(yīng)著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120°電角度。永磁無刷直流電動機的這種工作方式稱為兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)，這是無刷直流電動機最常用的一種工作方式。</p><p>　　從永磁無刷直流電動機的工作原理可知，轉(zhuǎn)子位置的正確測量對電動機的正常運行起著十分重要的作用，這與一般的永磁同步電動機是

30、不相同的。</p><p>　　3 無刷直流電機無位置傳感器控制</p><p>　　3.1 BLDC無位置傳感器控制問題的提出</p><p>　　無位置傳感器BLDCM減少了位置傳感器，因而電機結(jié)構(gòu)簡單，體積小、可靠性高。當(dāng)電機體積較小、位置傳感器難以安裝或工作環(huán)境惡劣以至于位置傳感器無法正常工作時，無位置傳感器BLDCM就更加顯示其獨特的優(yōu)越性。</p&

31、gt;<p>　　有位置傳感器無刷直流電機的定子繞組的換流時刻是由位置傳感器的信號決定的，而無位置傳感器無刷直流電機主要是依靠電機的電壓和電流信息間接的獲得轉(zhuǎn)子磁極的位置信號，進(jìn)而控制繞組的換流順序和時刻。目前，比較常用的無位置傳感器位置檢測方法有5種：</p><p><b>　　(1)反電動勢法。</b></p><p>　　(2)定子三次諧波檢測法

32、。</p><p>　　(3)續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法。</p><p>　　(4)瞬時電壓方程法。</p><p><b>　　(5)狀態(tài)觀察法。</b></p><p>　　本文系統(tǒng)采用的是最常用的傳統(tǒng)的反電動勢法。</p><p><b>　　3.2 反電勢法</b>&

33、lt;/p><p>　　目前，反電動勢過零點法[16,26]是技術(shù)是應(yīng)用最廣泛、最成熟的轉(zhuǎn)子位置檢測方法。適用于三相六狀態(tài)、繞組星型聯(lián)結(jié)、120°兩兩通電方式。其原理為：在無刷直流電機穩(wěn)態(tài)運行時、忽略電機電樞反應(yīng)的前提下，通過檢測關(guān)斷相反電動勢的過零點來獲得永磁轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵位置信號，從而控制繞組電流的切換。</p><p>　　掌握反電勢檢測法首先要明確以下兩點：</p>

34、<p>　　(1)反電動勢檢測的基礎(chǔ)是由于BLDC 電機采用兩相導(dǎo)通模式，因此不導(dǎo)通的第三相就可以來檢測反電動勢的大小。如下圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 三相輸出電壓</p><p>　　(2)為了檢測反電勢，必須滿足以下兩個條件：</p><p>　　處于對角線上的兩個橋臂上的功率開關(guān)（一個上管、一個下管）都被同一個PWM信號驅(qū)動。&l

35、t;/p><p>　　另外一個用于檢測反電動勢的橋臂沒有電流流過。</p><p>　　反電勢法是目前最成熟的轉(zhuǎn)子位置無傳感器檢測方法，其原理是通過探測定子繞組中的反電勢來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的離散檢測，以保證換向的正確進(jìn)行。具體可以分為如下幾種：</p><p>　　1.反電勢過零檢測法</p><p>　　這種方法是通過檢測定子繞組未導(dǎo)通相的反電勢過

36、零點來確定轉(zhuǎn)子的位置，以便發(fā)出相應(yīng)的切換信號。主電路為三相橋式全控星形連接的無刷直流電動機的等效電路如圖3.2所示，在二二導(dǎo)通方式下，各導(dǎo)通管腳、繞組電流及反電勢波形如圖3.3所示。在圖3.3中我們看到，功率管的切換發(fā)生在反電勢過零后延遲30°的地方。因此，只要檢測出了反電勢過零點，就能正確進(jìn)行功率管的切換。</p><p>　　圖3.2 永磁無刷直流電動機等效電路</p><p&g

37、t;　　圖3.3永磁無刷直流電動機電流、反電勢波形及開關(guān)管導(dǎo)通順序</p><p>　　2.反電勢直接換向點檢測法</p><p>　　這種方法是利用反電勢信號直接檢測換向點，而無需考慮延時問題。具體又分為：</p><p><b>　?。?）反電勢積分法</b></p><p>　　GE公司的D.Erdam首先提出這種

38、方法，其思路是在反電勢過零后對其絕對值積分,當(dāng)積分值達(dá)到預(yù)先設(shè)定的門限值時，發(fā)出切換信號。為防止斬波噪聲對積分的干擾，采用了特殊的PWM調(diào)制法：在功率管導(dǎo)通的前半周進(jìn)行PWM調(diào)制，后半周一直導(dǎo)通，從而有效避免了PWM脈沖隊過零點的干擾。不過，門限值的確定比較困難。</p><p>　　（2）反電勢三次諧波積分法</p><p>　　由圖3.3可知，在二二導(dǎo)通方式下，BLDC三相反電勢之和的

39、波形如圖3.4中的實線所示，將其濾波后得到一個三次諧波，三次諧波的積分波形如圖3.4中的虛線所示。對照圖3.3可知，開關(guān)管的切換就發(fā)生在該波形的每一個過零點處。因此，這種方法在算法上相對簡單一些。</p><p>　　圖3.4 BLDC三相反電勢之和及其基波之積分波形</p><p>　　實線：BLDC三相反電勢之和 虛線：三相反電勢之和的基波的積分</p><p&g

40、t;　　3.續(xù)流二極管監(jiān)測法</p><p>　　此方法通過監(jiān)測反并聯(lián)于逆變器的六個二極管的導(dǎo)通和截止情況來判斷轉(zhuǎn)子位置。對于關(guān)斷相繞組來說，其續(xù)流二極管的電流，主要由反電勢產(chǎn)生(電感較小)，所以二極管的熄滅點對應(yīng)著反電勢的過零點。這種方法較少受到PWM脈沖的影響，因而精度較高。日本學(xué)者通過這種方法在很低的轉(zhuǎn)速下獲得了轉(zhuǎn)子位置信息。</p><p>　　實際應(yīng)用中，由于受PWM調(diào)制的影響，

41、反電勢過零點往往不是很明確，必須經(jīng)深度濾波將PWM脈沖的影響濾除以后才能得到有用信號，從而產(chǎn)生相移，使位置檢測不準(zhǔn)確，必須進(jìn)行補償。另外，如何精確延時30°也是一個問題，尤其是在變速運行的時候。</p><p>　　反電動勢過零點檢測法的缺點是靜止或低速時反電動勢信號為零或很小，難以得到有效的轉(zhuǎn)子位置信號，系統(tǒng)低速性能較差，需要開環(huán)方法起動此外為消除調(diào)制引起的高頻干擾而對反電動勢信號進(jìn)行深度濾波，這帶來

42、了與速度有關(guān)的相移，為保證正確的電流換相要對此相移進(jìn)行補償。因此，國內(nèi)外研究人士紛紛就其相位滯后、換相轉(zhuǎn)矩脈動、忽略電樞反應(yīng)造成的誤差等問題做了深入研究。</p><p>　　無刷直流電機中，受定子繞組產(chǎn)生的合成磁場的作用，轉(zhuǎn)子沿著一定的方向轉(zhuǎn)動。電機定子上放有電樞繞組，因此，轉(zhuǎn)子一旦旋轉(zhuǎn)，就會在空間形成導(dǎo)體切割磁力線的情況，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，導(dǎo)體切割磁力線會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電熱。所以，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時候就會在

43、定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，即運動電勢，一般稱為反電動勢或反電勢。對于采用三相六狀態(tài)、繞組星型接法、120°兩兩導(dǎo)通方式的無刷直流電機而言，三相繞組在任意時刻總有一相處于斷開狀態(tài)，檢測斷開相的反電勢信號，當(dāng)其過零點時，轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組重合，再延遲30°即為無刷直流電動機的換相點。</p><p>　　在本文中，采用的就是第一種方法，反電動勢過零點檢測法。</p><p>

44、　　3.3 BLDC反電勢過零點檢測方法</p><p>　　通常，對于無刷直流電機來說，有三種PWM調(diào)制方式[1]：一種較為常見，是高壓側(cè)功率管PWM調(diào)制方式，而低壓側(cè)功率管常導(dǎo)通；一種是低壓側(cè)功率管PWM調(diào)制方式，高壓側(cè)功率管常導(dǎo)通；還有一種是高、低壓側(cè)功率管同時采用PWM調(diào)制的方式。</p><p>　　本文中采用的是PWM調(diào)制第一種方式，采用高壓側(cè)功率管調(diào)制方式，而低壓側(cè)只是在電機

45、換相時導(dǎo)通或關(guān)斷，不導(dǎo)通相得反電動勢可以在PWM高電平和相電流續(xù)流階段中被檢測出來。在任意時刻，一相繞組連接于高壓側(cè)PWM調(diào)制的功率管，另一相連接于低壓側(cè)常開通的功率管。剩下的一相沒有電流通過，其端電壓用于檢測出反電動勢。如圖3.5所示，A相和B相兩相導(dǎo)通，C相不導(dǎo)通。假設(shè)某一個換相階段，電機處于A相和B相導(dǎo)通，C相為不導(dǎo)通狀態(tài)，如圖3.5所示，在一個PWM調(diào)制周期中，當(dāng)PWM信號為低電平相電流處于續(xù)流狀態(tài)時，高壓側(cè)功率管SW1關(guān)斷，相

46、電流經(jīng)由功率管中集成的續(xù)流二極管VD1，在A相和B相繞組中續(xù)流。在這個續(xù)流階段中，不導(dǎo)通相端電壓同樣可以檢測出反電動勢的過零點。具體如下：</p><p>　　圖3.5 BLDC運行時三相端電壓電路</p><p><b>　　對于A相繞組有：</b></p><p>　　（3.3） </p><p><

47、b>　　對于B相繞組有 </b></p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　將 式（3.3） 和式（3.4）相加有</p><p><b>　　（3.5）</b></p><p>　　根據(jù)無刷直流電機三相繞組對稱的關(guān)系，有</p><

48、p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　根據(jù)式（3.5）和式（3.6）有</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　因此，在永磁無刷直流電機相電流處于續(xù)流狀態(tài)時，有</p><p><b>　?。?.8） </b></p

49、><p>　　從式（3.3）到（3.8） 可知，當(dāng)相電流在功率管的集成二極管中續(xù)流時，不導(dǎo)通相得端電壓直接和反電動勢成正比，而此時由于不存在功率管的開關(guān)狀態(tài)，因此不會有大</p><p>　　量的開關(guān)噪聲。將此時的端電壓和固定的參考電壓進(jìn)行比較，可以精確地得到不導(dǎo)通相反電動勢的過零點，在過零點時刻延時30°電角度，即是無刷直流電機的換相點。電機的反電動勢檢測出來以后，可以找到反電動勢

50、的過零點，在反電動勢過零處進(jìn)行是的適當(dāng)?shù)負(fù)Q相操作，可以完成BLDC電機的連續(xù)運行，如圖3.6所示。和常用的無位置傳感器控制方法相比，這種方法有較高的靈敏度。由于不用對端電壓分壓檢測，因此所檢測的端電壓不會有衰減。尤其在無刷直流電機低速階段，擁有很高的檢測精度，因此拓寬了這種方法的轉(zhuǎn)速適用范圍，也加快了電機開環(huán)啟動的過程。另外，由于不導(dǎo)通相的反電動勢，在PWM關(guān)斷狀態(tài)時被檢測，因此能夠避免高頻的PWM開關(guān)噪聲。這種同步的檢測方法能夠很方便

51、地去除開關(guān)噪聲帶來的過零點精度問題；由于不需要低通濾波，因此不會帶來所檢測到的反電動勢過零點發(fā)生過大的偏移；最后，便于在數(shù)字控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行方法實現(xiàn)。</p><p>　　圖3.6 反電動勢波形與BLDC的換相</p><p><b>　　4 硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)</b></p><p>　　圖4.1所示為所設(shè)計的無位置傳感器控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。其

52、中，經(jīng)限幅電路輸出的三個反電動勢信號經(jīng)過過零比較器，輸入到控制器中，由控制器判斷出過零點，進(jìn)過DSP內(nèi)部控制算法后輸出6路PWM信號給三相逆變橋，對無刷直流電機進(jìn)行換相和調(diào)速，從而可以進(jìn)行相應(yīng)的換相控制。</p><p>　　圖4.1 無位置傳感器控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　4.1 TMS320F2812 DSP 系統(tǒng)與應(yīng)用</p><p>　　數(shù)字控制器采

53、用DSP芯片作為主控制器，硬件上由CPU、存儲器、數(shù)字I/O口、PWM模塊和A/D模塊組成。PWM模塊產(chǎn)生6路PWM信號用于永磁無刷直流電機的換相。數(shù)字I/O口還有3路信號的輸入，是反電動勢檢測信號。轉(zhuǎn)速計算模塊根據(jù)換相檢測信號計算出轉(zhuǎn)速的數(shù)值；速度控制模塊根據(jù)調(diào)速要求計算輸出PWM的占空比；換相控制模塊根據(jù)換相信號的電平跳變，進(jìn)行相應(yīng)的換相。</p><p>　　為了實現(xiàn)上述功能，采用了專用的控制芯片——TI公

54、司的TMS320F2812 DSP作為控制器。TMS320F2812 DSP給設(shè)計者提供了整套的片上系統(tǒng)，主頻高達(dá)150MHz,片內(nèi)具有高達(dá)128K字的編程FLASH，集成了PWM發(fā)生模塊，帶有CAP捕獲模塊的事件管理器（EV）模塊，32位定時器，12位AD采樣模塊，多個復(fù)用輸入輸出可自定義的I/O端口。</p><p>　　TMS320F2812 DSP 事件管理器模塊為用戶提供了許多的功能與特點，包括通用（

55、GP）定時器、全比較/PWM單元、捕獲單元和正交編碼脈沖（QEP）電路等。這些功能對無位置傳感器控制系統(tǒng)都有及其重要的作用，其功能特點如表4.1所示。</p><p>　　各個功能部分說明如下：</p><p>　　(1)通用（GP）定時器 事件管理器各有兩組GP定時器。GP定時器x（x=1或2對應(yīng)EVA；x=3或4對應(yīng)EVB）包括：</p><p>　　A.1個1

56、6位定時器TXCNT，為增/減計數(shù)器，可以讀/寫。</p><p>　　B.1個16位定時器比較寄存器TxCMPR（帶影子的雙緩沖寄存器），可以讀/寫。</p><p>　　C.1個16位定時器周期寄存器TxPR（帶影子的雙緩沖寄存器），可以讀/寫。</p><p>　　D.1個16位定時器控制寄存器TXCON，可以讀/寫。</p><p>

57、　　E.可選擇的內(nèi)部或外部輸入時鐘。</p><p>　　F.一個對于內(nèi)部或外部輸入時鐘可編程的預(yù)定標(biāo)因子。</p><p>　　G.控制和中斷邏輯，用于4種可屏蔽中斷：定時器周期中斷、定時器比較中斷、上溢中斷和下溢中斷。</p><p>　　H.一個輸入方向選擇引腳（TDIRx）（當(dāng)選擇為定向增/減計數(shù)模式后，進(jìn)行增計數(shù)或減計數(shù)）。</p><

58、p>　　GP定時器可以單獨操作，也可以與其他定時器同步操作。每個GP定時器所具有的比較寄存器可以用作比較功能和PWM波形的產(chǎn)生。對于每一個 GP定時器，在增或增/減計</p><p>　　數(shù)模式下都有3種連續(xù)操作模式。通過預(yù)定標(biāo)因子，每個GP定時器可以使用內(nèi)部或外部時鐘。GP定時器可以為事件管理器的其他子模塊提供時基：GP定時器1可以為所有的比較和PWM電路提供時基電路，而GP定時器1和GP定時器2都可以為

59、捕獲電路和正交</p><p>　　表4.1 DSP事件管理器模塊功能表</p><p>　　脈沖計數(shù)操作提供時基。雙緩沖的周期和比較寄存器通過可編程的變化定時器（PWM）的周期，可以得到比較/PWM脈沖的期望占空比。</p><p>　　(2)全比較單元 每個事件管理器有3個比較單元，當(dāng)該比較單元使用定時器1為其通提供時鐘基準(zhǔn)時，通過使用可編程的死區(qū)電路產(chǎn)生6個

60、比較輸出或PWM波形輸出，而6個輸出中的任何一個輸出狀態(tài)都可以單獨設(shè)置。比較單元中的比較寄存器是雙緩沖的，允許可編程地變換比較/PWM脈沖的占空比。EV事件管理器模塊中具有全比較單元，可以輸出PWM信號。比較單元都能產(chǎn)生相關(guān)的PWM輸出，它是一個比較匹配信號，比較單元的時基有 通用定時器提供。</p><p>　　此項功能用于產(chǎn)生對無刷直流電機進(jìn)行調(diào)制的PWM信號，而PWM信號的占空比和周期有比較寄存器和周期寄存

61、器來決定，并根據(jù)控制寄存器輸出所要求的PWM波形。</p><p>　　(3)可編程的死區(qū)發(fā)生器 死區(qū)發(fā)生器電路包括3個8位計數(shù)器和8位比較寄存器，它們可以將需要的死區(qū)幅值通過編程寫入比較寄存器，以便3個比較單元的輸出。通過每個比較單元的輸出，可以單獨時能或禁止死去的產(chǎn)生。死區(qū)發(fā)生器的電路可以為每個比較寄存器的輸出信號產(chǎn)生2個輸出（帶有或不帶有死區(qū)地帶）。通過雙緩沖ACTRx 寄存器，可以根據(jù)需要設(shè)置或更改死區(qū)

62、發(fā)生器的輸出狀態(tài)。</p><p>　　(4)PWM波形的產(chǎn)生 每個事件管理器在同一時刻產(chǎn)生多達(dá)8個PWM的波形輸出，通過帶有可編程死區(qū)的3個全比較單元可單獨產(chǎn)生3對（6路）輸出，通過GP定時器的比較功能可產(chǎn)生2個單獨的PWM。</p><p>　　TMS320F2812 DSP中的事件管理器模塊EV中有特定功能的外設(shè)寄存器，包括定時器寄存器，用于產(chǎn)生PWM波形的全比較單元寄存器，以及捕

63、獲單元寄存器。通過對這些寄存器的設(shè)置和讀取，可以控制DSP的工作狀態(tài)以及輸入和輸出功能。EV模塊可以產(chǎn)生中斷請求 。當(dāng)外設(shè)中斷請求信號被CPU接受時，進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序（ISR），以執(zhí)行相應(yīng)的中斷操作。</p><p>　　(5)捕獲單元 捕獲單元為用戶提供了對不同事件和變化進(jìn)行記錄的功能。當(dāng)捕獲輸入引腳CAN（x=1、2或3屬于EVA；x=4、5或6屬于EVB）檢測到變化時，它會將捕獲到的所選擇的GP定時

64、器的當(dāng)前計數(shù)值，并把該計數(shù)值存儲在兩級深度的FIFO堆棧中。捕獲單元由3個捕獲電路組成，捕獲單元的特點如下：</p><p>　　A 1個16位的捕獲控制寄存器CAPCONx（讀寫）。</p><p>　　B 1個16位的捕獲FIFO狀態(tài)寄存器CAPFIFOx 。</p><p>　　C 可以選擇GP定時器1、2（為EVA）或GP定時器3、4（為EVB）作為時基。&

65、lt;/p><p>　　D 3個16位的兩級深度FIFO堆棧，為每個捕獲單元配備1個。</p><p>　　E 6個捕獲輸入引腳（CAP1/2/3為EVA所用，CAP 4/5/6 為EVB所用），而每個捕獲單元都有1個捕獲引腳，所有捕獲引腳的輸入都與器件的CPU時鐘同步。為了能正確地捕獲到引腳的變化，輸入引腳的信號電平須保持兩個時鐘的上升沿。其中，輸入引腳的CAP 1/2和CAP 4/5也可以

66、作為正交編碼脈沖電路的輸入引腳。</p><p>　　F 用戶可指定診測變化的方式（上升沿、下降沿或兩個邊沿）。</p><p>　　G 3個可屏蔽中斷標(biāo)志，每個捕獲單元各具有1個。</p><p>　　DSP的性能和速度完全可以保證對反電動勢零點的檢測與對BLDC的控制。將無位置檢測所產(chǎn)生的過零點信號進(jìn)過光電隔離電路輸入個DSP的CAP捕獲端口，以使DSP對過零信

67、號跳變沿進(jìn)行相應(yīng)，以進(jìn)入DSP的捕獲中斷進(jìn)行換相。當(dāng)CAP輸入引腳上的信號發(fā)生跳變時，根據(jù)使用CAP模塊所采用的定時器所運行的數(shù)值會被捕獲進(jìn)入存儲器中，此捕獲值可以作為換相時間的參考。與此同時，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位被置位，于是過零點比較信號可以作為產(chǎn)生一個中斷請求。DSP的這個功能實現(xiàn)了對過零點比較信號的檢測。</p><p>　　(6)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊 DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）包括帶內(nèi)置采樣保持的12位AD轉(zhuǎn)換

68、模塊，多達(dá)16個的模塊輸入可切換通道。DSP內(nèi)部具有AD采樣排序寄存器，能夠決定模擬通道轉(zhuǎn)換的順序，并能夠?qū)⒉蓸拥玫降闹荡娣旁贏D采樣結(jié)果寄存器中，在程序操作時可以實時地將采樣值讀出。靈活的中斷控制允許在不同的AD操作階段產(chǎn)生中斷請求。</p><p>　　(7)數(shù)字復(fù)用I/O口 DSP可以根據(jù)當(dāng)前的位置信號狀態(tài)輸出6路PWM信號，進(jìn)過隔離放大可作用在功率管逆變橋上，對無刷直流電機進(jìn)行驅(qū)動。另外，DSP2812

69、具有大量的通用、雙向的數(shù)字I/O（GPIO）,可通過修改DSP內(nèi)部的I/O配置寄存器將具有基本功能的端口復(fù)用成為數(shù)字I/O端口，以作為無位置傳感器檢測電路的觸發(fā)、使能信號以及不導(dǎo)相的選擇信號。</p><p>　　4.2 硬件組成及其工作原理</p><p>　　無位置傳感器檢測電路框圖如圖4.2所示。將BLDC三相繞組端電壓取出，經(jīng)過限幅后，經(jīng)由電壓跟隨器，電機運行過程中，以保證端電壓信

70、號不會衰減，再分別通過過零比較器。將無位置檢測所產(chǎn)生的過零點信號進(jìn)過光電隔離電路輸入給DSP的數(shù)字I/O捕獲端口，以使DSP對過零信號跳變沿進(jìn)行相應(yīng)，以進(jìn)入DSP的捕獲中斷進(jìn)行換相。當(dāng)輸入I/O引腳上的信號發(fā)生跳變時，既是不導(dǎo)通相反電動勢的過零點，延時30°電角度就是BLDC的換相點。根據(jù)使用換相控制模塊所采用的定時器所運行的數(shù)值會被捕獲進(jìn)入存儲器中，此捕獲值可以作為換相時間的參考。</p><p>　

71、　圖4.2 無位置傳感器檢測電路系統(tǒng)框圖</p><p>　　4.2.1 DSP最小系統(tǒng)</p><p><b>　　1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　一個典型的 DSP 最小系統(tǒng)如圖4.3所示，包括DSP芯片、 電源電路、 復(fù)位電路、 時鐘電路及J TA G接口電路。考慮到與 PC 通信的需要，最小系統(tǒng)一般還需增添串口通信電路。<

72、;/p><p><b>　　圖4.3 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　TMS320F2812 是 TI公司 C2000 系列中性價比較高的一款器件。該器件集成了豐富而又先進(jìn)的外設(shè)，如 128kB 的 Flash 存儲器、4kB 的引導(dǎo)ROM、數(shù)學(xué)運算表、電機控制外設(shè)、串口通信外設(shè)、2kB 的OTP ROM 以及16 通道高性能12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，提供了兩個采樣保持

73、電路可以實現(xiàn)雙通道信號同步采樣，同時具有很高的運算精度(32位)和系統(tǒng)處理能力(達(dá)到 150MIPS)，可廣泛應(yīng)用于電力自動化、電機控制和變頻家電等領(lǐng)域。</p><p><b>　　2.系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　?。?） 電源及復(fù)位電路設(shè)計</p><p>　　DSP系統(tǒng)一般都采用多電源系統(tǒng) ,電源及復(fù)位電路的設(shè)計對于系統(tǒng)性能有

74、重要影響。TMS320F2812 是一個較低功耗芯片 ,核電壓為 1. 8V , IO 電壓為 3. 3V。本文采用 TI 公司的 TPS767D318 電源芯片。該芯片屬于線性降壓型 DC/ DC 變換芯片 ,可以由 5V 電源同時產(chǎn)生兩種不同的電壓( 3. 3V、 1. 8V 或 2. 5V ) ,其 最 大 輸 出 電 流 為1000mA ,可以同時滿足一片 DSP 芯片和少量外圍電路的供電需要 ,如圖4-4 所示。該芯片自帶電源

75、監(jiān)控及復(fù)位管理功能 ,可以方便地實現(xiàn)電源及復(fù)位電路設(shè)計。復(fù)位電路原理圖如圖4.5所示。</p><p><b>　　圖4.4 電源電路</b></p><p><b>　　圖4.5 復(fù)位電路</b></p><p>　?。?） 時鐘電路設(shè)計</p><p>　　TMS320 F2812 DSP 的時

76、鐘可以有兩種連接方式,即外部振蕩器方式和諧振器方式。如果使用內(nèi)部振蕩器,則必須在 X1/ XCLKIN 和 X2 兩個引腳之間連接一個石英晶體。如果采用外部時鐘,可將輸入時鐘信號直接連到 X1/ XCLKIN 引腳上,X2 懸空。本文采用的是內(nèi)部振蕩器，在 X1/ XCLKIN 和 X2 兩個引腳之間連接一個石英晶體。晶體電路如圖4.6所示。</p><p>　　圖4.6 晶體電路</p><

77、;p>　　（3） DSP與J TAG接口設(shè)計</p><p>　　JATG接口用于上位機與目標(biāo)板之間相互傳輸數(shù)據(jù)和信息，通過JATG接口可以將程序下載到DSP的程序存儲器中，如圖4-7所示。值得注意的是，通常JATG接口都沒有進(jìn)行電氣隔離，因此應(yīng)當(dāng)避免在控制電路上引入高電壓。特別是在電力電子與電力傳動應(yīng)用領(lǐng)域，要注意將不同電位的系統(tǒng)進(jìn)行隔離，以免在調(diào)試過程中燒毀上位機的主板。</p><

78、p>　　DSP仿真器通過DSP芯片上提供的掃描仿真引腳實現(xiàn)仿真功能,掃描仿真消除了傳統(tǒng)電路仿真存在的電纜過長會引起的信號失真及仿真插頭的可靠性差等問題。采用掃描仿真,使得在線仿真成為可能,給調(diào)試帶來極大方便。J TAG接口電路如圖4.7所示。 </p><p>　　圖4.7 JATG接口電路</p><p>　　4.2.2主電路設(shè)計</p><p><

79、;b>　　1.驅(qū)動電路</b></p><p>　　圖4.8所示，為6路PWM信號脈沖驅(qū)動電路。該電路有一塊IR2130芯片所組成，IR2130工作時，從脈沖形成部分輸出的6路脈沖信號，經(jīng)3個輸入信號處理器，按真值表處理后，變?yōu)?路輸出脈沖，其對應(yīng)的驅(qū)動3路低電壓側(cè)功率MOS管的信號，經(jīng)3路輸出驅(qū)動器放大后，直接送往被驅(qū)動功率MOS器件的柵源級。而另外3路高壓側(cè)驅(qū)動信號H1~H3先經(jīng)集成于IR2

80、130內(nèi)部的3個脈沖處理和電平移位器中的自舉電路進(jìn)行電位變換，變?yōu)?路電位懸浮的驅(qū)動脈沖，再經(jīng)過對應(yīng)的3路輸出鎖存器鎖存，并經(jīng)嚴(yán)格的驅(qū)動脈沖欠壓與否檢測后，送到輸出驅(qū)動器進(jìn)行功率放大，最后才被加到驅(qū)動的功率MOS期間的柵源極。這6路脈沖輸出后，就可以加載到IGBT模塊進(jìn)行三相電路換相操作。</p><p>　　圖4.8 IR2130 PWM 驅(qū)動電路</p><p><b>　　

81、2.電子開關(guān)主電路</b></p><p>　　圖4.9 為IGBT 功率放大模塊。圖中Q1~Q6是由數(shù)字信號處理器控制的功率開關(guān)，根據(jù)電動機的額定電壓和額定電流，功率開關(guān)可以選擇MOSFET管、IGBT管或者更簡單的雙極型晶體管。6個PWM信號分別驅(qū)動Q1~Q6端口，如果PWMx信號根據(jù)指定的順序進(jìn)行ON/OFF切換，則電動機將以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這里假設(shè)直流母線電壓等于電動機的額定電壓。如果需要調(diào)節(jié)電

82、動機的轉(zhuǎn)速，則必須將這些信號經(jīng)過脈寬調(diào)制(PWM)到更高頻率的信號上。一般情況下，PWM頻率至少是電動機頻率的10倍。改變PWM調(diào)制信號的占空比時，電動機定子的平均電壓也隨之改變，從而使電動機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。采用PWM調(diào)制信號控制的另外一個優(yōu)點既是當(dāng)母線電壓高于電動機的額定電壓時，可以通過限定PWM的占空比使電動機一直在額定電壓范圍內(nèi)。因此，采用脈寬調(diào)制技術(shù)控制電動機的電壓具有靈活方便的特點。</p><p>　

83、　圖4.9 IGBT 模塊電路</p><p>　　3.反電勢過零點檢測電路</p><p>　　本系統(tǒng)采用的是端電壓法檢測反電動勢，如圖4.10所示，端電壓Va、Vb、Vc經(jīng)分壓后，分別通過電壓跟隨器，這樣是為了保證較小的輸出阻抗和不導(dǎo)通端電壓輸出的最小衰減，在限幅電路后面加一級電壓跟隨電路。再分別進(jìn)過電壓比較電路LM339、光電隔離等，送入到DSP的三個數(shù)字口GPIOB0、GPIOB1

84、、GPIOB2。</p><p>　　電壓比較器用的是芯片LM339，內(nèi)部集成了4個單獨的比較器，采用正負(fù)15V電源供電，其中每個比較器的參數(shù)和功能是相同的。系統(tǒng)每相反電動勢檢測電路都有一個LM3339，設(shè)計時選其周圍電路元件的參數(shù)為相同，使三路比較器工作在相同的狀態(tài)，每一個比較器均設(shè)計為過零比較器，這樣，經(jīng)過分壓跟隨后的反電動勢信號再經(jīng)過電壓比較器，在其輸出端得到的信號就是方波信號。反電動勢過零點有兩種情況：一

85、種是由正變?yōu)樨?fù)的過零，一種是由負(fù)變?yōu)檎倪^零，這樣電壓比較器輸出信號中由高電平變?yōu)榈碗娖降倪呇睾陀傻?lt;/p><p>　　圖4.10 反電勢檢測電路</p><p>　　電平變?yōu)楦唠娖降倪呇貙⒍紴橛行?。由電壓比較器輸出的信號經(jīng)過光耦6N317(這樣既實現(xiàn)了電氣上的隔離，又實現(xiàn)了電平的轉(zhuǎn)換)得到最終需要的電平信號，得到的信號送到DSP的三個數(shù)字口GPIOB0、GPIOB1、GPIOB2，DS

86、P根據(jù)相應(yīng)的捕捉信號判斷反電動勢過零點。</p><p><b>　　4.光耦電路</b></p><p>　　主電路的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動電路與控制信號的連接處，以及主電路與檢測電路的連接處，一般需要進(jìn)行電氣隔離。此外，由于主電路中往往有電壓和電流的

87、沖擊，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過零點的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路需附加一些保護(hù)電路，以保證主電路能正?？煽窟\行。</p><p>　　圖4.11是三個反電勢過零點檢測信號的光耦電路。</p><p>　　圖4.11 光耦電路</p><p>　　圖4.11中，GPIOB0, GPIOB1, GPIOB2三個信號，分

88、別送入到DSP控制芯片即可進(jìn)行電機的控制調(diào)速等功能調(diào)試。</p><p>　　5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　5.1 系統(tǒng)程序開發(fā)平臺概述</p><p>　　本系統(tǒng)的一個特點是控制系統(tǒng)軟件化，系統(tǒng)的很多功能是在硬件的基礎(chǔ)上依靠軟件來實現(xiàn)的，軟件的可靠性也直接影響了系統(tǒng)的性能。整個程序的都是用C語言編寫完成，本系統(tǒng)采用TI公司的CCS2集成開發(fā)環(huán)境，包含代

89、碼編程、編譯、鏈接、調(diào)試、下載、燒寫與運行等功能。4.2.1節(jié)中式講述了以TMS320LF2812為核心搭建的DSP最小系統(tǒng)，這一電路是能使DSP能夠?qū)崿F(xiàn)程序調(diào)試與運行的最基本電路，其外接RAM存儲器，用于程序仿真調(diào)試時的程序存取：一個JTAG接口，用于與仿真器連接，進(jìn)行程序的仿真與燒寫工作。</p><p>　　5.2 軟件總體設(shè)計</p><p>　　為了便于DSP程序的編寫、查錯、調(diào)

90、試和維護(hù)，無位置傳感器控制程序采用了模塊化設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)軟件框圖如圖5.1所示，軟件上包括系統(tǒng)初始化模塊、起動加速模塊、換相控制模塊、速度計算模塊、I/O控制模塊。</p><p>　　圖5.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖</p><p>　　系統(tǒng)初始化模塊分配存儲器空間和各個程序變量，主要完成DSP的一些基本配置、時間管理器模塊參數(shù)的設(shè)定、A/D采樣參數(shù)的設(shè)置、電機換相參數(shù)設(shè)置等。圖5-2所

91、示為初始化模塊的主要內(nèi)容。</p><p>　　起動加速模塊把起動時間數(shù)組中的值，作為DSP中定時器CPUTimer0的計數(shù)值，每次在DSP換相之前將值存入定時器。當(dāng)定時器機時到一定時間后，進(jìn)入CPUTimer0的中斷程內(nèi)進(jìn)行無刷直流電機的換相，使得電機能夠逐步加速到一個較高的速度，以便于切換至閉環(huán)控制狀態(tài)。</p><p>　　圖5.2 初始化模塊</p><p>

92、;　　換相控制模塊是在電機運行過程中，根據(jù)起動起始設(shè)置以及不導(dǎo)通相的比較信號，進(jìn)入換相中斷后，延時進(jìn)行換相的程序模塊。</p><p>　　速度計算模塊是對由無位置傳感器模擬檢測電路產(chǎn)生的飯電動勢信號進(jìn)行檢測，從而得到當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速的程序模塊。由于比較信號時方波，隨著轉(zhuǎn)速的增加，可以通過GPIO輸入端口檢測到的信號計算出當(dāng)前電機的速度，以延時30°電角度進(jìn)行換相的依據(jù)，并可以將所測定的電機轉(zhuǎn)速作為速度控制

93、環(huán)的輸入。</p><p>　　I/O控制模塊根據(jù)當(dāng)前的電機換相狀態(tài)，通過內(nèi)部DSP的換相標(biāo)志位情況來決定輸出6路占空比受到調(diào)制的PWM電機逆變橋驅(qū)動信號，電機的轉(zhuǎn)速也就得到了控制。</p><p>　　以上4個軟件模塊在DSP主程序中實現(xiàn)，基于圖5.3所示的軟件模塊結(jié)構(gòu)，形成了整個無位置傳感器的控制程序。</p><p>　　圖5.3 DSP主程序軟件模塊結(jié)構(gòu)&l

94、t;/p><p>　　5.3 PWM波的產(chǎn)生</p><p>　　5.3.1 PWM波生成原理</p><p>　　PWM波形生成方法有多種，如諧波消去法、等面積法和采樣法等。其中采樣法比較簡單直觀，易于實現(xiàn)，在實際中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)采樣時刻的不同，采樣法又分為自然采樣法、對稱規(guī)則采樣法、不對稱規(guī)則采樣法等幾種類型。</p><p><b

95、>　　1.自然采樣法</b></p><p>　　自然采樣法是利用高頻三角載波與調(diào)制波的交點來自然確定PWM脈沖的寬度。其示意圖如圖5.4所示。</p><p>　　圖5.4 自然采樣法生成PWM波</p><p>　　可求得PWM波的脈沖寬度為：</p><p><b>　　（5.3）</b><

96、/p><p>　　由于自然采樣的采樣時刻不是周期性的，式（5.3）求解起來比較麻煩，因此自然采樣法只能用于模擬電路，不適于數(shù)字實時控制。</p><p><b>　　2.對稱規(guī)則采樣法</b></p><p>　　對稱規(guī)則采樣法是以每個三角載波的對稱軸（頂點對稱軸或底點對稱軸）所對應(yīng)的時間作為采樣時刻對調(diào)制波進(jìn)行采樣，并過采樣點作平行線與三角載波的

97、兩個腰相交形成PWM脈沖。因為采樣發(fā)生在固定的時刻且兩個交點是對稱的，所以稱為對稱規(guī)則采樣法，如圖5.5所示。</p><p>　　圖5.5 對稱規(guī)則采樣法生成PWM波</p><p>　　由圖可得PWM脈沖寬度為：</p><p><b>　　(5.4)</b></p><p>　　對稱規(guī)則采樣法的采樣時刻是按照固定規(guī)

98、律周期性變化的，在三角載波的頂點處采樣時：</p><p>　　(k=0,1,2,…) (5.5)</p><p><b>　　在底點處采樣時：</b></p><p>　?。╧=0,1,2,…） (5.6)</p><p>　　由于采樣時間

99、已知，脈沖寬度可根據(jù)式（5.4）實時計算出來，易于通過數(shù)字控制來實現(xiàn)。</p><p>　　3.不對稱規(guī)則采樣法</p><p>　　對稱規(guī)則采樣法實現(xiàn)起來非常簡單，但由于每個載波周期只采樣一次，因此其輸出波形和參考波的逼近程度稍遜于自然采樣法。如果既在三角波的頂點采樣，又在三角波的底點采樣，也就是每個周期采樣兩次，則波形的逼近程度就會大大提高。這種方法的采樣依然發(fā)生在固定時刻，但三角波的

100、兩個交點并不對稱，故稱為不對稱規(guī)則采樣法。如圖5.6所示。</p><p>　　圖5.6 不對稱規(guī)則采樣法生成PWM波</p><p>　　兩次采樣分別發(fā)生在、時刻，由圖可得：</p><p><b>　　(5.7)</b></p><p><b>　　式中</b></p><p

101、>　?。╧=0,1,2, …） (5.8)</p><p>　　（k=0,1,2, …） (5.9)</p><p>　　三種PWM波形生成方法相比較，自然采樣法波形逼近程度最高，但脈沖寬度計算復(fù)雜；對稱規(guī)則采樣法實施起來最簡單，但波形逼近程度較低；不對稱規(guī)則采樣法則介于二者之間。不過通過數(shù)字仿真分析可知，當(dāng)

102、載波比時，上述三種方法性能基本一致。因此，實現(xiàn)起來相對簡單的對稱規(guī)則采樣法在實際中得到廣泛應(yīng)用，本系統(tǒng)也采用這種方法。</p><p>　　5.3.2 PWM波的DSP實現(xiàn)</p><p>　　本系統(tǒng)根據(jù)對稱規(guī)則采樣法，利用TMS320F2812內(nèi)置的事件管理器模塊來產(chǎn)生PWM波。2812有兩個事件管理器（EVA和EVB），每個事件管理器模塊包括通用目的定時器、全比較單元、捕捉單元、死區(qū)發(fā)

103、生器、正交編碼脈沖電路等， PWM波依靠全比較單元、通用目的計時器和死區(qū)發(fā)生器來產(chǎn)生。</p><p>　　PWM波的載波頻率通過通用目的定時器的周期寄存器來設(shè)置，脈沖寬度通過全比較單元的比較寄存器來設(shè)置，PWM脈沖由全比較單元的六個相應(yīng)引腳輸出，功率器件所需的死區(qū)時間通過死區(qū)發(fā)生器的死區(qū)寄存器來設(shè)定。2812產(chǎn)生PWM波的示意圖如圖5.7所示。</p><p>　　圖5.7利用DSP的全

104、比較單元產(chǎn)生PWM波</p><p>　　通用定時器被設(shè)置成連續(xù)增/減計數(shù)模式，以便產(chǎn)生對稱的PWM波形。在此計數(shù)模式下，計數(shù)器自動從0增計數(shù)至周期值，然后又減計數(shù)至0，如此循環(huán)往復(fù)，產(chǎn)生三角載波。通用定時器的周期寄存器的存儲值決定了三角載波的周期，二者的關(guān)系為：</p><p><b>　　(5.10)</b></p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)置

105、定時器的時鐘頻率為150MHz，載波頻率為15KHz，故周期寄存器存儲值為5000。</p><p>　　通用定時器在計數(shù)過程中，計數(shù)器的值不斷與比較寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)二者相等時，就會在比較單元的兩個輸出引腳上出現(xiàn)一個跳變，這兩個引腳的跳變通常被設(shè)置為互補行為，用以觸發(fā)三相逆變器的上下橋臂。</p><p>　　5.4 反電勢過零點檢測和計算</p><p>　

106、　反電勢法是通過檢測定子繞組未導(dǎo)通相的反電勢過零點來確定轉(zhuǎn)子的位置，以便發(fā)出相應(yīng)的切換信號。主電路為三相橋式全控星形連接，在二二導(dǎo)通方式下，各導(dǎo)通管腳、繞組電流及反電勢波形如圖5.7所示。在圖5.7中我們看到，功率管的切換發(fā)生在反電動勢過零后延遲30°電角度的地方。因此，只要檢測出了反電勢過零點，就能正確進(jìn)行功率管的切換。</p><p>　　圖5.8 永磁無刷直流電動機電流、反電勢波形及開關(guān)管導(dǎo)通順序

107、</p><p>　　通過檢測DSP的三個數(shù)字口GPIOB0、GPIOB1和GPIOB2的捕獲的信號來確定反電勢過零點。過零檢測分為兩個階段，第一階段是起動階段，為了檢測反電勢是否有過零點，來確定外同步加速向自同步轉(zhuǎn)換的時刻，第二個階段是檢測反電勢過零點確定換相時刻，并且通過兩個反電勢過零點的時間來計算轉(zhuǎn)速，給PI調(diào)速提供依據(jù)。反電勢檢測和計算流程圖如圖5.9所示。</p><p><

108、;b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p>　　圖5.9 位置檢測和計算程序流程圖</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　經(jīng)過閱讀大量的國內(nèi)外關(guān)于無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)文獻(xiàn)和書籍，了解并總結(jié)了國內(nèi)外的研究成果，在此