无刷直流电机控制方法.pdf

无刷直流电机的控制清华大学电机系电气工程及其自动化专业中文摘要本文首先论述了无刷直流电动机的历史、发展、基本组成环节、基本工作 原理、运行特性和存在的问题。介绍了当前国内外解决无刷直流电动机输出转 矩脉动问题的研究概况。文中阐述了新型无刷直流电动机无转矩脉动输出的工作原理，详细给出了 新型电机的本体结构及用于控制电机换流的变频器拓扑设计方案。设计了以 ADMC(F)3 41为主控芯片的控制系统和以MOS FET为开关器件变频器主回路用于 电机控制。文中对整个控制系统的硬、软件设计作了详细论述，硬件部分重点 论述了电源电路、驱动电路、绝对值整流电路，以及各个硬件电路设计的要点、方法和一些重要电子元器件参数的选择。软件部分包括了整体设计和几个主要 子程序的设计。文中还给出了利用单个电流传感器检测三相电流方案的工作原 理。应用上述软硬件进行了实验，文中给出的实验结果表明本文所设计的基于 ADMC(F)3 41芯片的新型无转矩脉动的无刷直流电动机系统能够正常工作。关键词：无刷直流电动机 ADMC(F)341 转矩脉动Abst rac tBased on the overview of solve ripple-free torque about BLDCM,the thesis expound the history,the development,the basic component parts,the basic operational principle,the operational characteristic and existing problem of the Brushless DC Motor(BLDCM).The thesis dissertate the basic running principle of A New Ripple-Free Torque Brushless DC Motor.The basic structure of new motor and the topology of power circuit of the inverter are given.The digital process chip,ADMC(F)341,is used in control system as centre of the motor control,and the MOSFET is applied in the inverter as switch device also.The hardware and software design of the whole control system is introduced in detail.The chapter of hardware design first explains the whole design.Then the design of several primary circuit is discussed and the choice of some important electronic component of power circuit,driver circuit,absolute value commutation circuit.The chapter of software design also first gives the whole design.Then the design of several primary subroutines is discussed.The basic principle that it can measure three phase current by one current sensor was detailed analyzed.We apply the design scheme above to a Brushless DC Motor.The experimental results indicate that the new ripple-free torque brushless DC motor control system based on ADMC(F)341 DSP chip works well.Key words:Brushless DC Motor ADMC(F)341 Ripple Torque目 录中文摘要.IIAbstract.Ill目 录.IV第一章：引言.11、1目的和意义.11、2无刷直流电动机的发展历史.21、3无刷直流电动机减小输出脉动的研究现状及文献综述.31、4 本论文的主要内容.12第二章：新型无刷直流电动机的原理和结构.132、1新型无刷直流电动机系统基本结构和原理.132、2三相导通三相六状态无刷直流电动机无脉动输出的运行原理.14第三章：新型无刷直流电动机的研制.183、1新型无刷直流电动机的整体结构设计.183、2新型无刷直流电动机的硬件设计.193、2、1电源部分.193、2、2控制部分.213、2、3 ADMC(F)341 的介绍.233.3新型无刷直流电动机的硬件组成和工作原理.293、3、1、信号整形电路.323、3、2、检测三相电流和过流电路.323、3、3、信号放大和互锁电路.353、3、4、驱动电动机电路.373、4新型无刷直流电动机控制系统的软件设计.403、4、1 ADMC(F)341开发系统介绍.403、4、2 DSP控制软件开发流程及开发环境.413、4、3本系统的软件编程思想.433、4、3、1 PWMSYNC中断处理程序.453、4、3、2 PWMTRIP中断处理程序.473、4、3、3电枢电流换向程序.483、4、3、4输出PWM波形程序.50第四章：新型无刷直流电动机试验结果分析.524、1实验中使用的主要仪器.524.2实验波形与结果分析.534、2、1电枢电流换向控制波形.534、2、2功率管驱动波形.544、2、3不同PWM占空比下电枢电流波形.564、2、4三相绕组电压波形及其直流母线上电压波形.594、2、5空载和加载下吸收电容两端电压波形.61结 论.63参考文献.65致 谢.68第一章：引言1、1目的和意义近年来,世界各国对能源的紧缺越来越重视，而能源大部份是消耗在工业 上，所以在工业上仪器设备的能源利用率就显得特别重要了。据报道，美国55%以上的电力是消耗在电动机运行上，而在中小功率工业上用的最多异步电动机 和无刷直流电动机的它们能源利用效率分别为：86.4%和92.4%1151,从数据上 可以看出在中小功率电动机应用中无刷直流电动机应该是最有发展前途的。随 着经济、工业和技术的发展，无刷直流电动机的应用领域不断扩大，广泛应用 在数控机床、机器人、雷达跟踪、冶金机械、纺织机械、电子电动玩具等各个 领域皿。据资料统计：小功率电动机每年都有数十亿台的需求量。其中以无刷 直流电动机的增长最为迅速，每年以大约15%的比例在增加“力。在工业应用中,无刷直流电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、耐受环 境和经济性等方面具有明显优势。加上近几年,随着稀土永磁材料和电力电子器 件性能价格比的不断提高,无刷直流电动机作为中小功率高性能调速电动机和 伺服电动机在工业中的应用越来越广泛，造成了一个不可逆转的趋势是无刷直 流电动机在中小功率电动机应用中将逐步代替有刷直流电动机、步进电动机、异步电动机。虽然无刷直流电动机具备上述的诸多优点，但是它也有很多性能要改进的 地方，输出转矩脉动大是无刷直流电动机应用中主要的问题之一,也因为这个原 因大大阻碍它的进一步发展和应用，尤其是用于视听设备、电影机械、计算机 中的无刷直流电动机,更要求运行平稳、没有噪声。在这些应用场合中的电动机,大多为小功率、小尺寸的电动机，尺寸紧凑，改动更为困难。为了改进性能减少 输出转矩脉动，各种方法都被应用，很多研究者从控制相电流波形来达到减少 输出转矩脉动，Pillay and Krishnan利用控制磁滞来控制输出转矩”，Joon-Hwan Lee利用傅立叶级数的方法来最大限度减少输出转矩的波动刖，Caricchi7 s利用60的梯形平顶波，来减少输出脉动”，但是上面的这些 方法或需要复杂的电流控制，或需要标准平顶磁通波形。本论文提出一种新型 无刷直流电动机的控制方法，在保留现有无刷直流电动机结构和设计规则的条 件下，理论上可以无脉动输出，不仅控制方法简单，甚至在转子气隙磁场波形 为任意波形分布的情况下，依然能保证输出转矩的平稳性。1、2无刷直流电动机的发展历史有刷直流电机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但 是，机械电刷却是有刷直流电机的一个致命的弱点，机械换向导致换向不良，严重时会产生火花，调速范围较窄，维护量大。为了解决这一问题，早在本世 纪30年代，就有人开始研究以电子线路代替电刷机械换向的直流无刷电动机，直到1955年，美国D.哈利森等人申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器 的换向专利，这就是现代直流无刷电动机的雏形。后又经过人们多年的努力，借助霍尔元件来实现换向的直流无刷电动机终于在1962年问世。川随着电力 电子技术、微电子技术和控制理论等相关技术的飞速发展，出现了许多新型的 高性能的功率器件，及相关的新型驱动、控制电路和电动机。21、3无刷直流电动机减小输出脉动的研究现状及文献综述近年来，无刷直流电动机一直是国内外研究的重要领域，调速范围广、输 出转矩脉动小、成本低、可靠性高、维护量小。一直是国内外科研工作者所追 求的目标。先后研制成方波永磁无刷直流电动机和正弦波永磁无刷直流电动机。方波永磁同步电动机是专为无刷直流电动机特制，这种电动机的本体结构理论 上可以消除因电磁方面引起的输出转矩波动，但需要增加成本，并且降低了系 统的通用性。正弦波永磁同步电动机可采用普通的永磁同步电动机，这样能够 降低成本，增加了系统的应用范围，但是这种结构的无刷直流电动机的输出转 矩波动较大。随着无刷永磁直流电动机在精密电子设备和器具领域、工业自动化设备领 域、汽车和电动车辆以及现代家用电器中的应用越来越广泛。转矩脉动成了限 制永磁无刷直流电动机调速系统性能提高的重要缺陷，制约着其在某些情况下 的应用，尤其是在低速场合，转矩脉动影响更为突出，所以如何消除和减弱永 磁无刷直流电动机的转矩脉动一直都是研究的热点。概括起来，引起永磁无刷 直流电动机系统转矩脉动的因素主要有以下几种：。电磁因素引起的转矩脉动。O 电流换向引起的转矩脉动。O 电枢反应引起的转矩脉动。O 齿槽引起的转矩脉动。下面我们分别就从以上不同因素着手研究降低转矩脉动的方法。电磁因素引起的转矩脉动与电机气隙磁通密度分布及电枢绕组电流的波形有关。消除的方法有下面几 种:3A、增加极弧宽度:考虑永磁无刷直流电机采用方波电流源供电情况下,气隙磁通密度呈方波 分布时,极弧宽度影响到转矩脉动，当极弧宽度增加时,转矩脉动减小，当极弧宽 度达到几时，电机出力最大,而转矩脉动为零。所以对实际电机虽然极弧宽度不 可能为冗，但其应接近冗。另外应使电机电枢表面电流分布尽量均匀。我们就对一台三相二通六状态永磁无刷直流电动机来说。先做如下假定,3 J：(1)电机绕组连续均匀分布于电枢表面。忽略齿槽影响。电枢绕组60 相带分布、整矩。如果想让通入方波电流而输出转矩无脉动，它要求的条件是 极弧系数为1,平顶波区占180。电角度。如图1 1虚线所示。但是实际中的转子磁场如图1 1实线所示，它是一种帽形分布，极弧系数小于1,且平顶波 区域远小于180电角度，这种非理想的磁密波形必然引起实际的转矩脉动，若 极弧宽度越长越接近180电角度，那么输出的转矩脉动就越小，若极弧系数为 1时，输出的转矩脉动为零，但在实际制造过程中，是不可能达到的，即使极弧 系数达到0.889,输出转矩波动达T r=10%”,因此，这种理论上可以让输出转矩 脉动减小到零，无转矩脉动输出，但在实际中难以做到。B、谐波消去法：根据电磁谐波力矩的产生原理,根据气隙磁密波形决定电枢绕组的电流波 形，以消除电磁谐波力矩，即谐波消去法。其主要的目的是消除电流和反电势谐 4波成分产生的波动力矩,其基本原理如下：当无刷直流电动机系统电流或反电势含有谐波分量时，系统的平均电磁力 矩和某些低次谐波力矩可表示为：式中 Emk各次反电势谐波幅值的标么值,k=l,5,7,1129；7 一E,E E 7 Em m5 mi ml 17 J3E m7-Em-E ml+m5，加52纵Er E i E 17 E 7 E q+E v E x+E i ini3 m 1 mi ml ini9 m5 m23 m1机7kJE in E ir E”El,E+E 1 E GO+E r_ mi9 ml m 23 zl3 ni25 m 1 in29 ml m 1 _Imk各次电流谐波幅值的标么值,k=l,5,7,11；3,角速度；根据实际测得反电势波形可以用傅立叶分析得到各次电势谐波成分纥 令T 6二T 12二T 18二0,即可求解出最佳电流波形的各次谐波幅值,把这几次电流波组 合在一起得到了最佳电流波形,用它作为相电流参考信号，以减小反电势谐波产 生的波动力矩，这样输出的转矩只剩下T 0和一些脉动次数高而幅值小 T 6*K(K=4,5,6,)。研究表明，谐波消去法抑制较大的电势谐波产生的波动力 矩较为明显,或者只可将波动力矩抑制于一定的水平。这是因为,该方法对电流 调节器的带宽有较高的要求,正常情况下，电流调节器无法使相电流完全复现电 流指令中的各次谐波成分，因此,谐波消去法的作用是有限的。C、采用最佳开通角：永磁无刷直流电动机输出的脉动和电动机本身的结构、磁极弧度、漏抗、反电势波形等都有关系。但是一旦这个电动机已经设计好了这些参数就确定了。采用电流最优开通角使电流波形和反电势波形的配合适当可削弱转矩脉动。消除谐波转矩脉动有通过谐波调制法来消除某些特定的谐波转矩，也可以 通过另外一种方法来做，如果能把其关键作用的谐波转矩值降为很小，也可以 消除谐波转矩脉动。现在我们重写电机转矩中谐波转矩的幅值项：5AT诫6_ 24EpIpsinv4(sink3-sink2)七尸为(4%)以3式中：Ep反电势的幅值;IP电流幅值；。2电流的开通角；0 3换流结束角;0 4梯形波斜率角；3 m角速度；K电流波的谐波次数;V电枢反电势的谐波次数；图12电流波形 图1-3反电势波形(0 3-0 2)代表电流换流角，其大小对电机的转矩波动影响最大。因为其它 的参数一旦电机选中就确定了，但是不同的电流换流角产生不同的脉动转矩，什么时候开通电流也会影响输出转矩脉动的大小，而通过最优开通角使电流波 形和反电势波形的配合更接近于理想情况，达到部分补偿由于换流角引起的转 矩波动。最优开通角的实现可以通过将转子位置传感器位置逆转向移动一定角 度来达到。这种方法结构简单，成本低，可以起到减小输出转矩脉动作用。消 除是不可以的。D、磁场正弦化：一般研究和应用无刷直流电动机都是用方波电动机为主，但是正弦波永磁 直流电动机也有自己的优点，它可以采用普通的永磁同步机，这样能够降低成 本，结构简单。但是正弦波永磁直流电动机输出的转矩脉动较大，若能克服这 一缺点那么它的应用范围得到大大提高。从理论上和实际中都不可能让输出脉 6动减小为零，但是可能减小。无刷直流电动机的电磁力矩可以表示为：网n 加T e 二上(1)叫1式中：p-极对数；coe-电气角速度；m-相数；%-第j相反电势；ij-第j相相电流；若电动机的反电势及相电流波形均为正弦形状,则有分=&sin q _2(./1)=(2)m.T.心 2(j 1),、ij=sm Oe-兀(3)m式中：Em 反电势幅值；Im 一一相电流幅值；丛一一电气转角；将式(2)、(3)代入式得:(二詈&乙 从式可知、电磁力矩同转子转角无关,不存在波动力矩,所以波动力矩的 抑制可以从电动机系统的设计入手,采用气隙磁场、相电流正弦化的设计方法来 减小波动力矩。一方面,通过气隙磁场的正弦化设计和采用定子分布绕组,尽可 能减少电势中的谐波成分；可以采用双层表面磁钢转子结构来消除电势谐波，使五次、七次谐波得到了充分抑制，保证电枢反电势最大的正弦化；另一方面,通过合理设计驱动系统，使电机相电流的谐波成分降到最低。要使电流止弦化主 要采用PWM技术，无刷直流电动机不是用电流源就是用电压源驱动，输入到定 子电流还是方波电流，可是我们需要正弦波电流，我们可以把方波电源进行PWM 7调制让其控制电枢电流尽可能接近正弦形，这样就保证输出转矩平稳性。在实际设计正弦波无刷直流电动机时，由于受磁极对数、极弧变化、气隙 宽度及充磁形式的影响，不能保证其转子永磁体励磁磁场所产生的气隙磁场波 形为正弦形，。同时电枢电流也不能保证为理想的正弦形，因此无法得到完全无 脉动的转矩输出。电流换相引起的转矩脉动无刷直流电动机每经过一个磁状态，电枢绕组中的电流就要从某一相切换 到另一相,理想的瞬时换流不会产生转矩脉动，但是实际系统由于电枢绕组电感 的存在，换流过程需要一定的时间，在换流过程中，电机一般处于三相同时导 通的状态，从而引起电机转矩的脉动。采用下面几种办法来解决：A、重叠换相法：无刷直流电机的电磁转矩可以看作是定子绕组中的电流与转子磁场相互作 用而产生的,假设转子磁场是固定的，那么引起电机转矩脉动的只有电枢电流 了，如果在电流换相时，我们能让电枢电流和转子反电势作用的值保持恒定，那么输出的转矩就稳定了，我们可以把电磁转矩表示为：T 二 L+办 ih+/ic(t)/(5)/mea(t)-A相反电势；.-B相反电势；eg)-C相反电势：-A相电流；ib(r)-B相电流；ic(r)C相电流;3m-转子角度根据公式(5)可以看到只要在电流换相时保证等式右侧分子恒定，则输出 的转矩恒定，重叠换相法的原理是这样的：换相时应关断相所对应的功率开关 器件不立即关断,而是延长导通了一个时间间隔5。由于重叠换相，先使非换相 相电流绝对值上升,后使其绝对值下降,这样可使其脉动的最大值减小到一个较 8为可观的数值。以A相上桥换相到B相上桥为例来说明，在原来应关断A相电流 时刻延长导通A相一个时间间隔6,使C相电流绝对值增长,从而可以对C相电流进行PWM调节,使波动限制在一定范围内，达到抑制转矩脉动的目的。但是采用重叠换相法,重叠换相时间8较难确定。一旦确定,也不能从最大 程度上减少转矩脉动。该方法在理论上可行，在实际中有困难。B、采用C dump存能电容变压器供电：认为换相电流变化率不一致造成的换相缺口是产生换相转矩脉动的主要原 因，转矩脉动和其速度有关。下面我用图示法来说明。设A相和B相换流。(a)电流换流率相同(b)B相上升率A相下降率(c)B相上升率(A相下降率图14我们想要的波形如图(a),换流的上升率等于下降率,换流产生的转矩脉动 就减小到零，但是在实际中换流波形多数是(b)图或(c)图。要想减小电机换相产 生转矩脉动就应对参与换相的两相电流的变化率加以控制。采用C dump存能 电容变压器供电的永磁无刷直流电动机无刷直流电机，由于C-dump存能电容 变压器特殊的结构及参数，电机和电源电压确定后,其转矩脉动主要由储能电容 电压E决定。由于E的大小可由设置两态调制方式中的门槛值方便地加以改变,所以可根据电机稳态工作转速的大小来调整E,使得换相的两相电流变化率相同 或相近，这样就可以让永磁无刷直流电动机输出的转矩脉动为零或较小。电枢反应引起的转矩脉动电机电枢绕组中流过电流产生电枢反应磁势，该磁势造成电机内气隙磁场9的畸变，而引起的转矩脉动。解决的办法有：A、采用电流PWM调制：三相永磁无刷直流电动机在换相时是每隔60度换流一次,产生的气隙磁势必图1 5定是跳跃式的如图(1-5)，而永磁转子却是连续旋转的,这就有可能导致定子 和转子磁场相互作用产生的电磁转矩是脉动的。ll0J下面我们以最常用的二相通三相六状态的合成转矩矢量图(1-5)来说明 电枢磁动势都输出转矩的影响。若电机的磁共能为：叱 二g h+g 七2 考(6)式中：L绕组电感；M绕组互感；A、i2二相导通电流；若知=知/05夕 小&为近似常数则3 WT=一=kF,F sin 0(7)e 3 9 sFr-转子磁势；Fs-电枢磁势；根据公式(7)可见每次电流换相造成的气隙磁势角度偏转越大输出的转矩 10脉动也越大，最简单的办法就是增加电机相数，把电机做成四相、五相或更多 相，这样输出的转矩脉动就会更小，由于制造工艺问题，采用这种方法去转矩 脉动作用不大。若要输出的转矩脉动小也可以采用在换相前后工冗的积不变，我们知道力矩大小是由气隙磁密和电枢电流决定的。在换相前后时输出的转矩 处于谷值，若采用电流PWM调制在换相是让电枢电流变大，而后慢慢减小。这 样输出动态跟踪性电流。这样可以保持工冗的积不变或在很小的范围波动，也 就保持输出转矩不变或在很小的范围波动。B、三相导通法：两相导通三相六状态无刷直流电动机在电流换相前后输出的转矩出于谷 值，其后转矩就慢慢变大，到最大值后又慢慢变小。在下以次换相前输出的转 矩时最小的。我们知道力矩大小是由气隙磁密和电枢电流决定的。同方向的电 流越大输出的转矩就越大，我们可以这样把两相导通的电路变成在某一时刻三 相同时导通，以增大同方向电流来补偿转矩的减小。做法是：把要开通的相提 前一个四角，把要关断相滞后&角，这样出现A、B、C三相同时导通，通过增 大电枢电流增多导通元件个数来对谷值转矩作一些补偿如图(1-6)这样 输出的转矩就可以更加平稳了。11齿槽引起的转矩脉动定子铁心槽齿的存在，使得在一个磁状态内，磁路磁阻发生变化而引起的转 矩脉动。解决的方法：由于齿、槽导磁率不一样，导致气隙磁密不均匀分布而引起转矩波动，减 弱齿槽转矩脉动最普通的方法是定子采用斜槽或转子采用斜极，另外增大气隙、采用分数槽也有助于减少齿槽转矩脉动。当然采用无槽电机是消除齿槽转矩脉 动的一种根本方法。1、4本论文的主要内容本文以一种新型无脉动转矩无刷直流电动机调速系统为研究对象，研制了 一套基于DS P的软、硬件控制平台，并从理论分析、样机实验两方面进行了研 究。主要内容安排如下：(1)在第一章中，介绍了本文的选题和意义，简单回顾无刷直流电动机的发 展历史，阐述了无刷直流电动机调速系统在消除转矩脉动方面国内外发展，研 究现状以及存在的问题。(2)在第二章中，简单介绍无刷直流电动机的基本结构和原理，详细分析 了新型无刷直流电动机无脉动转矩输出的原理和其独特的通电方式。(3)在第三章中，主要讲述新型无刷直流电动机的研制，方案整体构想、硬件平台、软件实施。(4)在第四章中，这部分为实验波形进行分析，得出相应的结论。(5)最后对全文的主要内容和研究工作的总结。12第二章：新型无刷直流电动机的原理和结构2、1新型无刷直流电动机系统基本结构和原理新型无刷直流电动机的结构原理如图2 1所示，它主要由电动机本体，位 置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机 相似，由永磁转子和固定的电枢组成，并且在电动机中装有一个位置传感器，VDDA3XA2B3YB2C3ZC2图2-1新型无刷直流电动机的结构原理图还有一套电子换向线路把电枢绕组和位置传感器的输出信号相连接。当定子绕 组的某一相通电时，该电流与永磁磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转 矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变成电信号，去控制电子 开关线路，从而使定子各相绕组按一定的次序导通，定子绕组相电流随转子位 置的变化而按一定的次序换向。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同 步的，因而起到了类似直流电机机械换向的作用。山转子的主要作用是在电动 13机气隙中产生磁场，其电枢绕组通电后产生电枢反应磁场。由于位置传感器起 换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机的过程中始终保持在垂直位置 附近，从而产生驱动转矩而使电动机运行。2、2三相导通三相六状态无刷直流电动机无脉动输出的运行原理传统的方波无刷直流电动机难以实现无脉动运行是主要因为下面的几个原 因：(1)气隙磁场不具有方波特性。考虑永磁转子励磁方式，由于结构和充磁方 面的原因，设计为方波的转子磁场只能得到帽形的磁密分布，这种非理 想磁密波形必然引起实际的转矩脉动。(2)换相时电流不能瞬间完成。电动机时电感性元件，而电感因本身的特性 电流不能突变，造成了因电流换相时产生的脉动。为此，各国的科研工作者从各个方面来考虑来减小输出转矩脉动，也就是 第一章所提到的各种方法，他们的方法有一定作用，但是结构复杂，成本高。那么是否能设计出一种无刷直流电动机的输出转矩脉动可以和气隙磁场波 形关系不大，甚至在任何气隙磁场下，都可以无转矩脉动输出。下面我们介绍 一种新型的电机结构和通电方式可以实现它。假设逆变桥采用三个单相H桥逆变器，绕组为串联接法，换流方式为三相 六状态换流，180导通型，既任何一个时刻三相绕组都同时通电，系统接线如 图2 1。在电机同轴安装有三个位置传感器S I、S 2、S 3 o S I、S 2、S 3位置相差 120均匀排列，分别安装在绕组A、B、C侧，随着电机的旋转，三个传感器的 组合状态每经过60改变一次。每一个S I、S 2、S 3的组合对应着转子一个具体 位置，因此接收到位置传感器的状态后就知道到了转子现在的位置，然后根据 定子绕组磁势应达到的位置，驱动相应的功率管来产生该位置的定子磁势。14图2-2转子气隙展开图该系统电机的本体结构如图2 3所示，它的一个转子磁钢占120。电角度,定子为普通的三相60相带绕组。图2-2为定转子绕组沿气隙圆周方向展开 图。其中AX、BY、CZ各为一对极的两个60相带。通电方式为三相同时导通，我们先假设电流的导通方向A为电流从A进入，X出，4为电流从X输入，A出。B、C相也作同样定义。我们假设转子的位置刚好处于图2 3,这时控制驱动电路使电枢绕组电流流动的方向为A8C,这样转子就在永磁磁场和电枢磁场的作用下继续转动，再顺时针旋转30后，位置信息发生改变，电势绕组通入A8C 方向电流，转子就在永磁磁场和电枢磁场的作用下继续转动,再顺时针旋转30 后转子位置到达图24。这样就完成了 B相换流同时转子旋转60。若电枢电 流每相依次换相一次，就能驱动转子就能旋转一周，根据转子位置信息不断改 变电枢电流导通方向，转子就能不断旋转下去。假设电流输入的顺序依次为ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC 那么这三相导通三相六状态电流对应产生输出转子位置图分别为2 3、24、2 5、26、2 7、2-8o这种通电结构电机地输出转矩的稳定性在文献1215图2-8图2-916有详细的证明。由于在上面理论分析中做了几个理想的假设而与实际电机有一定的差距，这反映在：A、电机定子开有齿槽，电流在定子表面并非连续放置，而是集中放置于齿 槽中，这与假设有一定差别，产生了转矩的齿谐波。B、转子磁钢理论上要做到极弧120,而另外60要求无磁场分布，这在 实际电机中也是不能做到的。解决方法：对于齿槽引起转矩脉动，可以采取上面见过的方法，对于极弧引起 的转矩脉动可以采取极弧小于120的做法，可以大大减小以输出脉动，可是 输出转矩也变小了。17第三章：新型无刷直流电动机的研制3、1新型无刷直流电动机的整体结构设计根据上一章所述新型无刷直流电动机通电原理，我们开发了一个实验平台,系统包括了电机本体和控制系统两大部分。下面我们根据图3-1来阐述一下整 个方案的结构设计，它是一个闭环控制系统。图3 1整体框架图首先霍尔元件根据转子现在所处的位置发出的位置状态信息,DS P接收到位置信 息后，根据新型导通原理，发出相应电枢电流换向信号，经过光藕隔离，电枢 电流换向信号再去驱动功率管，而功率管的负载就是无刷直流电动机的电枢了,这样电枢电流换向信号就可以控制加到无刷直流电动机的电枢电压和电流，这 时电枢产生的磁势和转子永磁磁场产生的磁势相互作用使转子不停的旋转。在 使用全桥逆变器中最忌讳的是逆变器的上下桥臂同时导通，这样驱动电路就处 于短路状态，桥臂上驱动功率管因流过太大电流而瞬间烧毁，这是非常可怕的,所以在设计驱动电路方面，我们要考虑上下桥臂不能同时导通的死区问题，所 以在这个闭环控制系统中我们设计了一个电流反馈电路，若在电机使用过程中 出现电流突然猛增，DS P处理器通过A/D采集到这个信号后程序马上进入中断,禁止PWM输出，这样逆变器的上下桥臂就处于关断状态，在查清楚事故原因后 方可再启动电路，这样能确保硬件平台的安全和增加系统的可靠性。183、2新型无刷直流电动机的硬件设计3、2、1电源部分电源设计的好坏是判别整个电路设计好坏重要标准，电源是保证整个系统 正常工作的基础，同时电源也是最容易受干扰的，很多电路之所以不能正常、稳定工作就是因为电源引起的。功率驱动部分是本电路电源设计的重中之重，见图2 1的功率驱动部分，在这个有一设计原则就是逆变器的上下桥臂不能公用一路电源。假如我们公用 一路电源会发生什么事情呢？见图2 1,功率管QA1的地和功率管QA4地连在 一起，那么功率管QA4根本不起作用，逆变桥不能正常工作。所以逆变器的上 下桥臂是不能共用一个电源。因为上面原因，本系统需要很多路独立电源，光功率驱动部分就需要12路+15V电源，加上控制电路中运算放大器需要1路15V,普通电子元器件需要 1路+5V。这样我们就需要13路+15V、1路一15V、1路+5V。电源输出功率在 设计电源时也是必须要考虑的，在本系统中电源的输出功率我是这么设计的，首先考虑12路驱动功率管的电流，由于我的无刷直流电动机功率比较小才 120W,所以驱动的功率管选用IR F840,它是MOS FET,是电压型器件，故驱动电 流比较小，我设计每路能输出500mA是绝对够的，这样电源还可以在别的地方 使用，还有1路15V和1路+5V我们为了方便设计也设计输出500mAo如图3 2是电源的原理图，这块电路板能5路+15V、1路15V和1路+5V。因为我 们需要13路+15V的电源，所以我们就做了三块。19 W+0aHH一耳q+Q uE-2一卜Hz一c m/OJWOUrlH(一乙)Is+LH,L二+。u当3工z M_+IHHnir图3 2电源原理图203、2、2控制部分控制部分是整个系统的灵魂，选择怎么样的控制芯片对整个系统的性能有 决定性作用，而选择控制芯片也必须考虑很多相关因素，首先要考虑这款芯片 性能是否满足我们的设计的要求，在所有满足设计要求的情况下，选择性能价 格比高的产品，同时还要考虑产品的供货稳定性、技术支持、开发技术难度系 数和业界使用情况等等因素，一旦选定某个公司的产品，一般要求采用这个公 司大力推广的产品同时采用最新型号来开发。在控制电机系统中,PWM控制技术应用广泛。电机控制芯片是专为电机控制 系统而优化的,通常都有专用的PWM控制单元,可实现电机的PWM控制。常用的 电机控制芯片有 Intel 的 8XC196MC/MD/MH、Motorola 的 MC68HC08/16、T I 的 T MS 3 20c24x系列、AD的ADMC x x x系列等等。这些电机控制芯片均有一个功 能强大的计算内核与PWM控制单元，除此之外,还有一些附加片内外设,如快速高 分辨率的A/D变换器、多路输入输出I/O 口等，这些片内外设简化了产生PWM波 形的控制软件和外部硬件。1161下面我们就拿Intel的8XC196MC和T I的T MS 3 20C24X系列和AD的ADMC3 4X 系列来简单分析一下他们的性能差别。8XC196MC单片机片内外设丰富。通过对WG的特殊功能寄存器(WG_R EL0AD、WG_C0M_PX.WG_C0N、WG_0U T PU T 和 WG_PR OT ECT)进行编程，并利用 WG 中断 就可产生各种PWM信号,它把必需的外接芯片和元件降到最低限度。因此，价格 与DS P器件相对要便宜一点。在一些控制要求不太高的场合,它是理想的选择。与典型单片机相比,DS P器件集成度高,CPU速度快,存储容量大。DS P采用改进的 哈佛结构,独立的程序空间和数据空间使之允许同时存取程序和数据。内置高速 硬件乘法器，增强的多级流水线，使DS P器件具有高速的数据处理能力。单片机 21采用诺依曼结构,程序和数据在同一空间，同一时刻只能单独访问指令或数据。ALU只能作加法,乘法需要用软件来实现,因而需要较多的时间和空间。结构差异 使DS P器件比16位的单片机单指令执行时间快810倍,完成一次乘加运算快 1630倍。T MS 3 20C240和ADMC3 3 1都具有DS P内核，从而将DS P的高速运算能 力与面向电机的高效控制能力集于一体，应用于交流电机控制系统中均可获得 较好的控制效果，因而更具有竞争力。随着时间的推移和技术的发展，他们的 开发软件和工具也越来越多，越来越好；价格却大幅度下滑，目前低端产品已接 近单片机的价格水平,且具有更高的性能价格比。从而使得DS P器件及技术更容 易使用，价格也能够为广大用户接受。越来越多的单片机用户开始选用DS P器件 来提高产品性能,DS P器件取代高档单片机的时机已经成熟。ADMC3 3 1和T MS 3 20C240都是典型的集成DS P电机控制器,应用于三相交流 感应电机、永磁同步电动机、无刷直流电动机和开关磁阻电机的全数矢量控制 系统中，都可获得较好的控制效果。但ADMC3 3 1在时间上较MS 3 20C240出现得晚 一些,采用了一些新技术。性能更突出一些。具体表现在：(1)ADMC3 3 1的DS P内 核,体系结构为并行结构,应用并行处理技术加快程序的执行。可在一个处理周 期内完成乘加运算,有利于电机系统数字控制的差分方程的求解。(2)ADMC3 3 1 的PWM发生单元的灵活性和可编程性,能够更好地满足不同方式的数字PWM的方 案的要求。(3)ADMC3 3 1的内部程序存储器固化的电机系统矢量控制所必须的子 程序,方便了控制系统的程序设计,减少了数字控制系统的程序计算时间。tl7AD公司的电机控制专用DS P目前主推的有ADMC3 3 1、ADMC401和ADMC(F)341 三个品种，结合实际情况我们采用ADMC3 41芯片，下面将具体介绍这一芯片在 系统中的应用。2,)223、2、3 ADMC(F)341 的介绍1、总、论ADMC(F)341是低成本，单片数字处理控制器，适用于交流感应电动机，永 磁同步电动机，无刷直流电动机，以及开关磁阻电动机，ADMC(F)341集成了一 个20MIPS(每秒百万条指令)定点DS P内核，包括整套电机控制外围线路，ADMC(F)341的DS P内核是ADS P-2171,它与ADS P-2100数字信号处理器系列的代 码完全兼容。这为熟悉ADS P-2100系列的用户使用该控制器带来了便利。1网同 时为用户快速、高效地开发电机控制创造了十分有利的条件。ADMC3 41的功能框图如图3 3所示。ADMC3 41 DS P主要特点概括如下：它有三个计算单元，两个数据地址发生器和一个程序时序器。三个计算单 元分别是算术逻辑单元ALU,乘法器/累加器MAC,桶式移位器。ADS P2171增加了 位操作、乘方(X的平方)、数据舍入操作和全局中断屏蔽等新指令。另外，FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAMMULTIPLEXED ON EXTERNAL PINS图3 3 ADMC3 41功能框图23ADMC(F)3 41还有两个灵活的、双缓冲、双向同步串行口。ADMC(F)341提供了 512X24位的程序存储器R AM,512X16位的数据存储 器R AM,4KX24位的程序存储器R OM和4KX24位的程序FLAS H存储器。程序和 数据存储器R AM可经由串行口只读存储器(S R OM),电可擦可编程只读存储器(E2PR 0M),外部异步接收发送口(U AR T)或同步接口程序引导装入。程序存储 器R OM包括一个监视器，其主要作用是增