直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 研究背景</b></p><p>　　一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，電機(jī)作為電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活中。電機(jī)的主要類(lèi)型有同步電機(jī)、異步電機(jī)與直流電機(jī)三種。直流電機(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

2、傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)均以機(jī)械換相方法進(jìn)行換相，存在相對(duì)的機(jī)械摩擦，因此帶來(lái)噪聲、火花、無(wú)線電干擾及壽命等致命弱點(diǎn)，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍。而相比有刷直流電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)是以電力電子電路取代傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的電刷，故其既具有有刷直流電機(jī)運(yùn)行效率高、運(yùn)行性能好等優(yōu)點(diǎn)，又具有交流電機(jī)運(yùn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。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(wú)刷直流電機(jī)已成為調(diào)速領(lǐng)域的領(lǐng)軍力量，它

3、具有巨大的開(kāi)發(fā)潛質(zhì)和廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　1.2 無(wú)刷直流電機(jī)的研究歷史及現(xiàn)狀</p><p>　　永磁無(wú)刷直流電機(jī)是一種電子電動(dòng)機(jī)。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(wèn)世，為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定的基礎(chǔ), 它由直流電源經(jīng)過(guò)逆變器、位置檢測(cè)裝置向電動(dòng)機(jī)供電，因而既保持了

4、直流電機(jī)的優(yōu)良特性，又改善了有刷直流電機(jī)效率低、耗電多、噪音大、維護(hù)困難、使用壽命短等運(yùn)行狀況。電機(jī)系統(tǒng)屬環(huán)保節(jié)能型產(chǎn)品，是國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策支持的高新技術(shù)項(xiàng)目，正處在產(chǎn)品成長(zhǎng)期，具有廣闊的市場(chǎng)前景。無(wú)刷永磁直流電機(jī)正在以其特有的優(yōu)勢(shì)不斷蓬勃發(fā)展。</p><p>　　國(guó)外在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以提高它的性能。但無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)過(guò)大，

5、這是采用優(yōu)良的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和先進(jìn)的器件所無(wú)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(zhuān)用控制器的迅速發(fā)展，明顯改善了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)特性的同時(shí)，人們又把對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(gè)方面，試圖來(lái)抑制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。</p><p>　　我國(guó)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研制工作開(kāi)始于七十年代初期，主要是為我國(guó)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(guò)二十多年的發(fā)展，雖然在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面縮短了與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，但由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是集電動(dòng)機(jī)、微電子、電力電子、控制、計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一身的高科技產(chǎn)品，受到我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)落后的制約，因此無(wú)論產(chǎn)量、質(zhì)量、品種及應(yīng)用于國(guó)際先進(jìn)水平有著較大的差距，目前國(guó)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(wú)刷電機(jī)，產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。</p><p>

7、　　1.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(jī)的基本理論基礎(chǔ)。從19世紀(jì)40年代研制成功第一臺(tái)直流電機(jī)，經(jīng)過(guò)大約17年的時(shí)間，直流電機(jī)技術(shù)才趨于成熟。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)直流電機(jī)的要求也就越來(lái)越高，有接觸的機(jī)械換向裝置限制了有刷直流電機(jī)在許多場(chǎng)合中的應(yīng)用。為了取代有刷直流電機(jī)的電刷－換向器結(jié)構(gòu)的機(jī)械接觸裝置，人們?cè)鴮?duì)此作過(guò)長(zhǎng)期的探索。1915年，美

8、國(guó)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的定子繞組按轉(zhuǎn)子位置換接的所謂換向器電機(jī)，但此種電機(jī)由于可靠性差、效率低、整個(gè)裝置笨重又復(fù)雜而無(wú)實(shí)用價(jià)值。</p><p>　　科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶來(lái)了電力半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍。開(kāi)關(guān)型晶體管的研制成功，為創(chuàng)造新型直流電機(jī)——無(wú)刷直流電機(jī)帶來(lái)了生機(jī)。1955年，美國(guó)人Harrison首次提出了用

9、晶體管換相線路代替電機(jī)電刷接觸的思想，這就是無(wú)刷直流電機(jī)的雛形。它由功率放大部分、信號(hào)檢測(cè)部分、磁極體和晶體管開(kāi)關(guān)電路等組成，其工作原理是當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在信號(hào)繞組中感應(yīng)出周期性的信號(hào)電動(dòng)勢(shì)，此信號(hào)電動(dòng)勢(shì)分別使晶體管輪流導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)換相。問(wèn)題在于，首先，當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)繞組內(nèi)不能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，晶體管無(wú)偏置，功率繞組也就無(wú)法饋電，所以這種無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；其次，由于信號(hào)電動(dòng)勢(shì)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(lái)保證電機(jī)可靠地起動(dòng)。但前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而后者需要附加的起動(dòng)脈沖。其后，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和不斷的實(shí)踐，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來(lái)代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向裝置，從而為直流電機(jī)的發(fā)展開(kāi)辟了新的途徑。20世紀(jì)60年代初期，接近開(kāi)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(wèn)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(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p>　　永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(Brushless DC Motor, BLDC)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是由電動(dòng)機(jī)本體、逆變器、位置檢測(cè)器和控制器組成的自同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.1所示。位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，開(kāi)關(guān)信號(hào)以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開(kāi)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(dòng)機(jī)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(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　眾所周知，有刷直流電機(jī)具有旋轉(zhuǎn)的電樞和固定的磁場(chǎng)，因此有刷直流電機(jī)必須有一個(gè)滑動(dòng)的接觸結(jié)構(gòu)——電刷和換向器，通過(guò)它們把電流反饋給旋轉(zhuǎn)著的電樞。無(wú)刷直流電機(jī)卻與有刷直流電機(jī)相反，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)和固定的電樞。這樣，電子換

13、向線路中的功率開(kāi)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(diǎn)數(shù)繞組鏈接。在電機(jī)內(nèi)，裝有一個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器，用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中的位置。它與電子換相線路一起，替代了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向裝置。綜上所述，無(wú)刷直流電機(jī)有電機(jī)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(wú)刷直流電機(jī)組成框圖</p><p&

14、gt;<b>　　2.1.1電機(jī)本體</b></p><p>　　永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最初的設(shè)計(jì)思想來(lái)自普通的有刷直流電動(dòng)機(jī)，只不過(guò)將直流電動(dòng)機(jī)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(duì)稱(chēng)繞組。原直流電動(dòng)機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器所代替。所以永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體實(shí)際上是一種永磁同步電機(jī)。</p><p>　　

15、定子的結(jié)構(gòu)與普通同步電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，鐵心中嵌有多相對(duì)稱(chēng)繞組(三相最為常見(jiàn))，繞組可以結(jié)成星形或三角形，并分別與逆變器中的各開(kāi)關(guān)管相連。</p><p>　　永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子利用永磁體形成主磁極，常見(jiàn)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(jiǎn)單制造成本低的特點(diǎn)，但在高速時(shí)永磁體易被離心力甩出，所以多用于低速電機(jī)。具有這種轉(zhuǎn)子的電機(jī)稱(chēng)為面貼式電機(jī)(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(jī)氣隙較小，多用于對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性要求較高的場(chǎng)合。具有這種轉(zhuǎn)子的電機(jī)稱(chēng)為內(nèi)埋式電機(jī)(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(jī)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(jī)；內(nèi)埋式電機(jī)幾何結(jié)構(gòu)為

17、隱極，電氣特性上屬于凸極電機(jī)，這一點(diǎn)與普通電機(jī)是不相同的。</p><p>　　圖2.3 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(jī)運(yùn)行時(shí)，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)主要用于電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)。</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(jī)供電。與一般逆變器不同，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的逆變器的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組與逆變器的連接</p><p>　　逆變器功率開(kāi)

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(kāi)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(cè)器</p><p>　　位置檢測(cè)器的作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于定子繞組的位置信號(hào)，為逆變器提供正確的換相信息。位置檢測(cè)包括有位置傳感器檢測(cè)和無(wú)位

21、置傳感器檢測(cè)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(jī)本體同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子磁極的位置；定子固定在電機(jī)本體定子或端蓋上，以檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置傳感器的種類(lèi)包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開(kāi)關(guān)式、旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。</p><p>　　無(wú)位置傳感器位置檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)和計(jì)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(shì)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)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(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器輸出的信號(hào)、PWM調(diào)制信號(hào)以及其他控制信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供開(kāi)關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)行。</

23、p><p>　　(2)對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)靜態(tài)性能。</p><p>　　(3)實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)電壓和欠電壓等故障保護(hù)功能。</p><p>　　2.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理</p><p>　　永磁無(wú)刷直流電機(jī)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(gè)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(gè)功率管，橋臂之間左右互換，每個(gè)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(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，同樣每隔60°電角度換相一次，每次換相一個(gè)功率管，但換相發(fā)生在同一橋臂上下管之間，因而每個(gè)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(jī)出力大，轉(zhuǎn)矩特性較好，且不會(huì)發(fā)生開(kāi)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(shí)，位置檢測(cè)裝置輸出的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)經(jīng)過(guò)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使功率開(kāi)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?gòu)腂相繞組流出，經(jīng)VT6回到電源的負(fù)極。電樞繞組在空間產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)Fa如圖2.5.1所示，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度，到達(dá)圖2.5.2所示位置時(shí)，位置檢測(cè)器輸出的位置信號(hào)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?gòu)腃相繞組

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(dòng)勢(shì)Fa如圖2.5.2所示，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，轉(zhuǎn)矩方向不變，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度，逆變器開(kāi)關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開(kāi)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(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩作用，沿

28、順時(shí)針?lè)较蜻B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(chǎng)沿順時(shí)針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而定子合成磁場(chǎng)在空間保持靜止。只有當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度到達(dá)圖2.5.2所示位置時(shí)，定子合成磁場(chǎng)才從圖2.5.1的Fa位置跳躍到圖2.5.2的Fa位置?？梢?jiàn)，定子合成磁場(chǎng)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(chǎng)，每個(gè)步進(jìn)角是60°電角度。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò)60&#

29、176;電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的狀態(tài)就發(fā)生一次躍變?？梢?jiàn)，電機(jī)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(shí)間對(duì)應(yīng)著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120°電角度。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式稱(chēng)為兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)，這是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最常用的一種工作方式。</p><p>　　從永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，轉(zhuǎn)子位置的正確測(cè)量對(duì)電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行起著十分重要的作用，這與一般的永磁同步電動(dòng)機(jī)是

30、不相同的。</p><p>　　3 無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制</p><p>　　3.1 BLDC無(wú)位置傳感器控制問(wèn)題的提出</p><p>　　無(wú)位置傳感器BLDCM減少了位置傳感器，因而電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、可靠性高。當(dāng)電機(jī)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(wú)法正常工作時(shí)，無(wú)位置傳感器BLDCM就更加顯示其獨(dú)特的優(yōu)越性。</p&

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

32、。</p><p>　　(3)續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)法。</p><p>　　(4)瞬時(shí)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(dòng)勢(shì)法。</p><p><b>　　3.2 反電勢(shì)法</b>&

33、lt;/p><p>　　目前，反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)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(cè)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(wú)刷直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)、忽略電機(jī)電樞反應(yīng)的前提下，通過(guò)檢測(cè)關(guān)斷相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)來(lái)獲得永磁轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵位置信號(hào)，從而控制繞組電流的切換。</p><p>　　掌握反電勢(shì)檢測(cè)法首先要明確以下兩點(diǎn)：</p>

34、<p>　　(1)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)的基礎(chǔ)是由于BLDC 電機(jī)采用兩相導(dǎo)通模式，因此不導(dǎo)通的第三相就可以來(lái)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)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(cè)反電勢(shì)，必須滿足以下兩個(gè)條件：</p><p>　　處于對(duì)角線上的兩個(gè)橋臂上的功率開(kāi)關(guān)（一個(gè)上管、一個(gè)下管）都被同一個(gè)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)。&l

35、t;/p><p>　　另外一個(gè)用于檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)的橋臂沒(méi)有電流流過(guò)。</p><p>　　反電勢(shì)法是目前最成熟的轉(zhuǎn)子位置無(wú)傳感器檢測(cè)方法，其原理是通過(guò)探測(cè)定子繞組中的反電勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的離散檢測(cè)，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(shì)過(guò)零檢測(cè)法</p><p>　　這種方法是通過(guò)檢測(cè)定子繞組未導(dǎo)通相的反電勢(shì)過(guò)

36、零點(diǎn)來(lái)確定轉(zhuǎn)子的位置，以便發(fā)出相應(yīng)的切換信號(hào)。主電路為三相橋式全控星形連接的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(shì)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(shì)過(guò)零后延遲30°的地方。因此，只要檢測(cè)出了反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，就能正確進(jìn)行功率管的切換。</p><p>　　圖3.2 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)等效電路</p><p&g

37、t;　　圖3.3永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電流、反電勢(shì)波形及開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序</p><p>　　2.反電勢(shì)直接換向點(diǎn)檢測(cè)法</p><p>　　這種方法是利用反電勢(shì)信號(hào)直接檢測(cè)換向點(diǎn)，而無(wú)需考慮延時(shí)問(wèn)題。具體又分為：</p><p><b>　　（1）反電勢(shì)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(shì)過(guò)零后對(duì)其絕對(duì)值積分,當(dāng)積分值達(dá)到預(yù)先設(shè)定的門(mén)限值時(shí)，發(fā)出切換信號(hào)。為防止斬波噪聲對(duì)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(duì)過(guò)零點(diǎn)的干擾。不過(guò)，門(mén)限值的確定比較困難。</p><p>　?。?）反電勢(shì)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(shì)之和的

39、波形如圖3.4中的實(shí)線所示，將其濾波后得到一個(gè)三次諧波，三次諧波的積分波形如圖3.4中的虛線所示。對(duì)照?qǐng)D3.3可知，開(kāi)關(guān)管的切換就發(fā)生在該波形的每一個(gè)過(guò)零點(diǎn)處。因此，這種方法在算法上相對(duì)簡(jiǎn)單一些。</p><p>　　圖3.4 BLDC三相反電勢(shì)之和及其基波之積分波形</p><p>　　實(shí)線：BLDC三相反電勢(shì)之和 虛線：三相反電勢(shì)之和的基波的積分</p><p&g

40、t;　　3.續(xù)流二極管監(jiān)測(cè)法</p><p>　　此方法通過(guò)監(jiān)測(cè)反并聯(lián)于逆變器的六個(gè)二極管的導(dǎo)通和截止情況來(lái)判斷轉(zhuǎn)子位置。對(duì)于關(guān)斷相繞組來(lái)說(shuō)，其續(xù)流二極管的電流，主要由反電勢(shì)產(chǎn)生(電感較小)，所以二極管的熄滅點(diǎn)對(duì)應(yīng)著反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。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(guò)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(shí)際應(yīng)用中，由于受PWM調(diào)制的影響，

41、反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)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(hào)，從而產(chǎn)生相移，使位置檢測(cè)不準(zhǔn)確，必須進(jìn)行補(bǔ)償。另外，如何精確延時(shí)30°也是一個(gè)問(wèn)題，尤其是在變速運(yùn)行的時(shí)候。</p><p>　　反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法的缺點(diǎn)是靜止或低速時(shí)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)為零或很小，難以得到有效的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，系統(tǒng)低速性能較差，需要開(kāi)環(huán)方法起動(dòng)此外為消除調(diào)制引起的高頻干擾而對(duì)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)進(jìn)行深度濾波，這帶來(lái)

42、了與速度有關(guān)的相移，為保證正確的電流換相要對(duì)此相移進(jìn)行補(bǔ)償。因此，國(guó)內(nèi)外研究人士紛紛就其相位滯后、換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、忽略電樞反應(yīng)造成的誤差等問(wèn)題做了深入研究。</p><p>　　無(wú)刷直流電機(jī)中，受定子繞組產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)的作用，轉(zhuǎn)子沿著一定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)定子上放有電樞繞組，因此，轉(zhuǎn)子一旦旋轉(zhuǎn)，就會(huì)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(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電熱。所以，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時(shí)候就會(huì)在

43、定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，即運(yùn)動(dòng)電勢(shì)，一般稱(chēng)為反電動(dòng)勢(shì)或反電勢(shì)。對(duì)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(wú)刷直流電機(jī)而言，三相繞組在任意時(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，再延遲30°即為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換相點(diǎn)。</p><p>　　在本文中，采用的就是第一種方法，反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法。</p><p>

44、　　3.3 BLDC反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法</p><p>　　通常，對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，有三種PWM調(diào)制方式[1]：一種較為常見(jiàn)，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(shí)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(jī)

45、換相時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，不導(dǎo)通相得反電動(dòng)勢(shì)可以在PWM高電平和相電流續(xù)流階段中被檢測(cè)出來(lái)。在任意時(shí)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(kāi)通的功率管。剩下的一相沒(méi)有電流通過(guò)，其端電壓用于檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)。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(gè)換相階段，電機(jī)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(gè)PWM調(diào)制周期中，當(dāng)PWM信號(hào)為低電平相電流處于續(xù)流狀態(tài)時(shí)，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(gè)續(xù)流階段中，不導(dǎo)通相端電壓同樣可以檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。具體如下：</p><p>　　圖3.5 BLDC運(yùn)行時(shí)三相端電壓電路</p><p><b>　　對(duì)于A相繞組有：</b></p><p>　?。?.3） </p><p><

47、b>　　對(duì)于B相繞組有 </b></p><p><b>　　（3.4）</b></p><p>　　將 式（3.3） 和式（3.4）相加有</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)三相繞組對(duì)稱(chēng)的關(guān)系，有</p><

48、p><b>　　（3.6）</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(wú)刷直流電機(jī)相電流處于續(xù)流狀態(tài)時(shí)，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(shí)，不導(dǎo)通相得端電壓直接和反電動(dòng)勢(shì)成正比，而此時(shí)由于不存在功率管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此不會(huì)有大</p><p>　　量的開(kāi)關(guān)噪聲。將此時(shí)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(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，在過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻延時(shí)30°電角度，即是無(wú)刷直流電機(jī)的換相點(diǎn)。電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)出來(lái)以后，可以找到反電動(dòng)勢(shì)

50、的過(guò)零點(diǎn)，在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零處進(jìn)行是的適當(dāng)?shù)負(fù)Q相操作，可以完成BLDC電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，如圖3.6所示。和常用的無(wú)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(duì)端電壓分壓檢測(cè)，因此所檢測(cè)的端電壓不會(huì)有衰減。尤其在無(wú)刷直流電機(jī)低速階段，擁有很高的檢測(cè)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(jī)開(kāi)環(huán)啟動(dòng)的過(guò)程。另外，由于不導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)，在PWM關(guān)斷狀態(tài)時(shí)被檢測(cè)，因此能夠避免高頻的PWM開(kāi)關(guān)噪聲。這種同步的檢測(cè)方法能夠很方便

51、地去除開(kāi)關(guān)噪聲帶來(lái)的過(guò)零點(diǎn)精度問(wèn)題；由于不需要低通濾波，因此不會(huì)帶來(lái)所檢測(cè)到的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)發(fā)生過(guò)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(shí)現(xiàn)。</p><p>　　圖3.6 反電動(dòng)勢(shì)波形與BLDC的換相</p><p><b>　　4 硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　圖4.1所示為所設(shè)計(jì)的無(wú)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(gè)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器，輸入到控制器中，由控制器判斷出過(guò)零點(diǎn)，進(jìn)過(guò)DSP內(nèi)部控制算法后輸出6路PWM信號(hào)給三相逆變橋，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)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(wú)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(chǔ)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(hào)用于永磁無(wú)刷直流電機(jī)的換相。數(shù)字I/O口還有3路信號(hào)的輸入，是反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)信號(hào)。轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊根據(jù)換相檢測(cè)信號(hào)計(jì)算出轉(zhuǎn)速的數(shù)值；速度控制模塊根據(jù)調(diào)速要求計(jì)算輸出PWM的占空比；換相控制模塊根據(jù)換相信號(hào)的電平跳變，進(jìn)行相應(yīng)的換相。</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)上述功能，采用了專(zhuān)用的控制芯片——TI公

54、司的TMS320F2812 DSP作為控制器。TMS320F2812 DSP給設(shè)計(jì)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(shí)器，12位AD采樣模塊，多個(gè)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(diǎn)，包括通用（

55、GP）定時(shí)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(duì)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)都有及其重要的作用，其功能特點(diǎn)如表4.1所示。</p><p>　　各個(gè)功能部分說(shuō)明如下：</p><p>　　(1)通用（GP）定時(shí)器 事件管理器各有兩組GP定時(shí)器。GP定時(shí)器x（x=1或2對(duì)應(yīng)EVA；x=3或4對(duì)應(yīng)EVB）包括：</p><p>　　A.1個(gè)1

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

57、　　E.可選擇的內(nèi)部或外部輸入時(shí)鐘。</p><p>　　F.一個(gè)對(duì)于內(nèi)部或外部輸入時(shí)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(shí)器周期中斷、定時(shí)器比較中斷、上溢中斷和下溢中斷。</p><p>　　H.一個(gè)輸入方向選擇引腳（TDIRx）（當(dāng)選擇為定向增/減計(jì)數(shù)模式后，進(jìn)行增計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)）。</p><

58、p>　　GP定時(shí)器可以單獨(dú)操作，也可以與其他定時(shí)器同步操作。每個(gè)GP定時(shí)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(duì)于每一個(gè) GP定時(shí)器，在增或增/減計(jì)</p><p>　　數(shù)模式下都有3種連續(xù)操作模式。通過(guò)預(yù)定標(biāo)因子，每個(gè)GP定時(shí)器可以使用內(nèi)部或外部時(shí)鐘。GP定時(shí)器可以為事件管理器的其他子模塊提供時(shí)基：GP定時(shí)器1可以為所有的比較和PWM電路提供時(shí)基電路，而GP定時(shí)器1和GP定時(shí)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(jì)數(shù)操作提供時(shí)基。雙緩沖的周期和比較寄存器通過(guò)可編程的變化定時(shí)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(gè)事件管理器有3個(gè)比較單元，當(dāng)該比較單元使用定時(shí)器1為其通提供時(shí)鐘基準(zhǔn)時(shí)，通過(guò)使用可編程的死區(qū)電路產(chǎn)生6個(gè)

60、比較輸出或PWM波形輸出，而6個(gè)輸出中的任何一個(gè)輸出狀態(tài)都可以單獨(dú)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(hào)。比較單元都能產(chǎn)生相關(guān)的PWM輸出，它是一個(gè)比較匹配信號(hào)，比較單元的時(shí)基有 通用定時(shí)器提供。</p><p>　　此項(xiàng)功能用于產(chǎn)生對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)制的PWM信號(hào)，而PWM信號(hào)的占空比和周期有比較寄存器和周期寄存

61、器來(lái)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(gè)8位計(jì)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(guò)編程寫(xiě)入比較寄存器，以便3個(gè)比較單元的輸出。通過(guò)每個(gè)比較單元的輸出，可以單獨(dú)時(shí)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(gè)比較寄存器的輸出信號(hào)產(chǎn)生2個(gè)輸出（帶有或不帶有死區(qū)地帶）。通過(guò)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(gè)事件管理器在同一時(shí)刻產(chǎn)生多達(dá)8個(gè)PWM的波形輸出，通過(guò)帶有可編程死區(qū)的3個(gè)全比較單元可單獨(dú)產(chǎn)生3對(duì)（6路）輸出，通過(guò)GP定時(shí)器的比較功能可產(chǎn)生2個(gè)單獨(dú)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(shí)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(guò)對(duì)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(qǐng)求 。當(dāng)外設(shè)中斷請(qǐng)求信號(hào)被CPU接受時(shí)，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(duì)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(cè)到變化時(shí)，它會(huì)將捕獲到的所選擇的GP定時(shí)

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

65、lt;/p><p>　　D 3個(gè)16位的兩級(jí)深度FIFO堆棧，為每個(gè)捕獲單元配備1個(gè)。</p><p>　　E 6個(gè)捕獲輸入引腳（CAP1/2/3為EVA所用，CAP 4/5/6 為EVB所用），而每個(gè)捕獲單元都有1個(gè)捕獲引腳，所有捕獲引腳的輸入都與器件的CPU時(shí)鐘同步。為了能正確地捕獲到引腳的變化，輸入引腳的信號(hào)電平須保持兩個(gè)時(shí)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(cè)變化的方式（上升沿、下降沿或兩個(gè)邊沿）。</p><p>　　G 3個(gè)可屏蔽中斷標(biāo)志，每個(gè)捕獲單元各具有1個(gè)。</p><p>　　DSP的性能和速度完全可以保證對(duì)反電動(dòng)勢(shì)零點(diǎn)的檢測(cè)與對(duì)BLDC的控制。將無(wú)位置檢測(cè)所產(chǎn)生的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)進(jìn)過(guò)光電隔離電路輸入個(gè)DSP的CAP捕獲端口，以使DSP對(duì)過(guò)零信

67、號(hào)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(hào)發(fā)生跳變時(shí)，根據(jù)使用CAP模塊所采用的定時(shí)器所運(yùn)行的數(shù)值會(huì)被捕獲進(jìn)入存儲(chǔ)器中，此捕獲值可以作為換相時(shí)間的參考。與此同時(shí)，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位被置位，于是過(guò)零點(diǎn)比較信號(hào)可以作為產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求。DSP的這個(gè)功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)零點(diǎn)比較信號(hào)的檢測(cè)。</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(gè)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(shí)可以實(shí)時(shí)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(qǐng)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(hào)狀態(tài)輸出6路PWM信號(hào)，進(jìn)過(guò)隔離放大可作用在功率管逆變橋上，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。另外，DSP2812

69、具有大量的通用、雙向的數(shù)字I/O（GPIO）,可通過(guò)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(wú)位置傳感器檢測(cè)電路的觸發(fā)、使能信號(hào)以及不導(dǎo)相的選擇信號(hào)。</p><p>　　4.2 硬件組成及其工作原理</p><p>　　無(wú)位置傳感器檢測(cè)電路框圖如圖4.2所示。將BLDC三相繞組端電壓取出，經(jīng)過(guò)限幅后，經(jīng)由電壓跟隨器，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，以保證端電壓信

70、號(hào)不會(huì)衰減，再分別通過(guò)過(guò)零比較器。將無(wú)位置檢測(cè)所產(chǎn)生的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)進(jìn)過(guò)光電隔離電路輸入給DSP的數(shù)字I/O捕獲端口，以使DSP對(duì)過(guò)零信號(hào)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(hào)發(fā)生跳變時(shí)，既是不導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，延時(shí)30°電角度就是BLDC的換相點(diǎn)。根據(jù)使用換相控制模塊所采用的定時(shí)器所運(yùn)行的數(shù)值會(huì)被捕獲進(jìn)入存儲(chǔ)器中，此捕獲值可以作為換相時(shí)間的參考。</p><p>　

71、　圖4.2 無(wú)位置傳感器檢測(cè)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(gè)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(shí)鐘電路及J TA G接口電路?？紤]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(jià)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(chǔ)器、4kB 的引導(dǎo)ROM、數(shù)學(xué)運(yùn)算表、電機(jī)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(gè)采樣保持

73、電路可以實(shí)現(xiàn)雙通道信號(hào)同步采樣，同時(shí)具有很高的運(yùn)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(dòng)化、電機(jī)控制和變頻家電等領(lǐng)域。</p><p><b>　　2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　（1） 電源及復(fù)位電路設(shè)計(jì)</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(jì)對(duì)于系統(tǒng)性能有

74、重要影響。TMS320F2812 是一個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)電源及復(fù)位電路設(shè)計(jì)。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>　　（2） 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)</p><p>　　TMS320 F2812 DSP 的時(shí)

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(gè)引腳之間連接一個(gè)石英晶體。如果采用外部時(shí)鐘,可將輸入時(shí)鐘信號(hào)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(gè)引腳之間連接一個(gè)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>　?。?） DSP與J TAG接口設(shè)計(jì)</p><p>　　JATG接口用于上位機(jī)與目標(biāo)板之間相互傳輸數(shù)據(jù)和信息，通過(guò)JATG接口可以將程序下載到DSP的程序存儲(chǔ)器中，如圖4-7所示。值得注意的是，通常JATG接口都沒(méi)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(dòng)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(guò)程中燒毀上位機(jī)的主板。</p><

78、p>　　DSP仿真器通過(guò)DSP芯片上提供的掃描仿真引腳實(shí)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(guò)長(zhǎng)會(huì)引起的信號(hào)失真及仿真插頭的可靠性差等問(wèn)題。采用掃描仿真,使得在線仿真成為可能,給調(diào)試帶來(lái)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(jì)</p><p><

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

80、130內(nèi)部的3個(gè)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(dòng)脈沖，再經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的3路輸出鎖存器鎖存，并經(jīng)嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)脈沖欠壓與否檢測(cè)后，送到輸出驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率放大，最后才被加到驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路</p><p><b>　　

81、2.電子開(kāi)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(hào)處理器控制的功率開(kāi)關(guān)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電壓和額定電流，功率開(kāi)關(guān)可以選擇MOSFET管、IGBT管或者更簡(jiǎn)單的雙極型晶體管。6個(gè)PWM信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)Q1~Q6端口，如果PWMx信號(hào)根據(jù)指定的順序進(jìn)行ON/OFF切換，則電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的額定電壓。如果需要調(diào)節(jié)電

82、動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，則必須將這些信號(hào)經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)到更高頻率的信號(hào)上。一般情況下，PWM頻率至少是電動(dòng)機(jī)頻率的10倍。改變PWM調(diào)制信號(hào)的占空比時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子的平均電壓也隨之改變，從而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。采用PWM調(diào)制信號(hào)控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)既是當(dāng)母線電壓高于電動(dòng)機(jī)的額定電壓時(shí)，可以通過(guò)限定PWM的占空比使電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的電壓具有靈活方便的特點(diǎn)。</p><p>　

83、　圖4.9 IGBT 模塊電路</p><p>　　3.反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路</p><p>　　本系統(tǒng)采用的是端電壓法檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)，如圖4.10所示，端電壓Va、Vb、Vc經(jīng)分壓后，分別通過(guò)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(jí)電壓跟隨電路。再分別進(jìn)過(guò)電壓比較電路LM339、光電隔離等，送入到DSP的三個(gè)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(gè)單獨(dú)的比較器，采用正負(fù)15V電源供電，其中每個(gè)比較器的參數(shù)和功能是相同的。系統(tǒng)每相反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路都有一個(gè)LM3339，設(shè)計(jì)時(shí)選其周?chē)娐吩膮?shù)為相同，使三路比較器工作在相同的狀態(tài)，每一個(gè)比較器均設(shè)計(jì)為過(guò)零比較器，這樣，經(jīng)過(guò)分壓跟隨后的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)再經(jīng)過(guò)電壓比較器，在其輸出端得到的信號(hào)就是方波信號(hào)。反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)有兩種情況：一

85、種是由正變?yōu)樨?fù)的過(guò)零，一種是由負(fù)變?yōu)檎倪^(guò)零，這樣電壓比較器輸出信號(hào)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(shì)檢測(cè)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(hào)經(jīng)過(guò)光耦6N317(這樣既實(shí)現(xiàn)了電氣上的隔離，又實(shí)現(xiàn)了電平的轉(zhuǎn)換)得到最終需要的電平信號(hào)，得到的信號(hào)送到DSP的三個(gè)數(shù)字口GPIOB0、GPIOB1、GPIOB2，DS

86、P根據(jù)相應(yīng)的捕捉信號(hào)判斷反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。</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(dòng)電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測(cè)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(guò)電壓和過(guò)零點(diǎn)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\(yùn)行。</p><p>　　圖4.11是三個(gè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)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(gè)信號(hào)，分

88、別送入到DSP控制芯片即可進(jìn)行電機(jī)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(jì)</p><p>　　5.1 系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)概述</p><p>　　本系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，軟件的可靠性也直接影響了系統(tǒng)的性能。整個(gè)程序的都是用C語(yǔ)言編寫(xiě)完成，本系統(tǒng)采用TI公司的CCS2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，包含代

89、碼編程、編譯、鏈接、調(diào)試、下載、燒寫(xiě)與運(yùn)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(yùn)行的最基本電路，其外接RAM存儲(chǔ)器，用于程序仿真調(diào)試時(shí)的程序存取：一個(gè)JTAG接口，用于與仿真器連接，進(jìn)行程序的仿真與燒寫(xiě)工作。</p><p>　　5.2 軟件總體設(shè)計(jì)</p><p>　　為了便于DSP程序的編寫(xiě)、查錯(cuò)、調(diào)

90、試和維護(hù)，無(wú)位置傳感器控制程序采用了模塊化設(shè)計(jì)?？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(dòng)加速模塊、換相控制模塊、速度計(jì)算模塊、I/O控制模塊。</p><p>　　圖5.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　系統(tǒng)初始化模塊分配存儲(chǔ)器空間和各個(gè)程序變量，主要完成DSP的一些基本配置、時(shí)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(jī)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(dòng)加速模塊把起動(dòng)時(shí)間數(shù)組中的值，作為DSP中定時(shí)器CPUTimer0的計(jì)數(shù)值，每次在DSP換相之前將值存入定時(shí)器。當(dāng)定時(shí)器機(jī)時(shí)到一定時(shí)間后，進(jìn)入CPUTimer0的中斷程內(nèi)進(jìn)行無(wú)刷直流電機(jī)的換相，使得電機(jī)能夠逐步加速到一個(gè)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(jī)運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)起動(dòng)起始設(shè)置以及不導(dǎo)通相的比較信號(hào)，進(jìn)入換相中斷后，延時(shí)進(jìn)行換相的程序模塊。</p><p>　　速度計(jì)算模塊是對(duì)由無(wú)位置傳感器模擬檢測(cè)電路產(chǎn)生的飯電動(dòng)勢(shì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而得到當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速的程序模塊。由于比較信號(hào)時(shí)方波，隨著轉(zhuǎn)速的增加，可以通過(guò)GPIO輸入端口檢測(cè)到的信號(hào)計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)的速度，以延時(shí)30°電角度進(jìn)行換相的依據(jù)，并可以將所測(cè)定的電機(jī)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(jī)換相狀態(tài)，通過(guò)內(nèi)部DSP的換相標(biāo)志位情況來(lái)決定輸出6路占空比受到調(diào)制的PWM電機(jī)逆變橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也就得到了控制。</p><p>　　以上4個(gè)軟件模塊在DSP主程序中實(shí)現(xiàn)，基于圖5.3所示的軟件模塊結(jié)構(gòu)，形成了整個(gè)無(wú)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(jiǎn)單直觀，易于實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)采樣時(shí)刻的不同，采樣法又分為自然采樣法、對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法、不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法等幾種類(lèi)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(diǎn)來(lái)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>　?。?.3）</b><

96、/p><p>　　由于自然采樣的采樣時(shí)刻不是周期性的，式（5.3）求解起來(lái)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(shí)時(shí)控制。</p><p><b>　　2.對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法</b></p><p>　　對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法是以每個(gè)三角載波的對(duì)稱(chēng)軸（頂點(diǎn)對(duì)稱(chēng)軸或底點(diǎn)對(duì)稱(chēng)軸）所對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為采樣時(shí)刻對(duì)調(diào)制波進(jìn)行采樣，并過(guò)采樣點(diǎn)作平行線與三角載波的

97、兩個(gè)腰相交形成PWM脈沖。因?yàn)椴蓸影l(fā)生在固定的時(shí)刻且兩個(gè)交點(diǎn)是對(duì)稱(chēng)的，所以稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法，如圖5.5所示。</p><p>　　圖5.5 對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法的采樣時(shí)刻是按照固定規(guī)

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

99、已知，脈沖寬度可根據(jù)式（5.4）實(shí)時(shí)計(jì)算出來(lái)，易于通過(guò)數(shù)字控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　3.不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法</p><p>　　對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但由于每個(gè)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(diǎn)采樣，又在三角波的底點(diǎn)采樣，也就是每個(gè)周期采樣兩次，則波形的逼近程度就會(huì)大大提高。這種方法的采樣依然發(fā)生在固定時(shí)刻，但三角波的

100、兩個(gè)交點(diǎn)并不對(duì)稱(chēng)，故稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法。如圖5.6所示。</p><p>　　圖5.6 不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法生成PWM波</p><p>　　兩次采樣分別發(fā)生在、時(shí)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>　?。╧=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(jì)算復(fù)雜；對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法實(shí)施起來(lái)最簡(jiǎn)單，但波形逼近程度較低；不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法則介于二者之間。不過(guò)通過(guò)數(shù)字仿真分析可知，當(dāng)

102、載波比時(shí)，上述三種方法性能基本一致。因此，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單的對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法在實(shí)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(shí)現(xiàn)</p><p>　　本系統(tǒng)根據(jù)對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法，利用TMS320F2812內(nèi)置的事件管理器模塊來(lái)產(chǎn)生PWM波。2812有兩個(gè)事件管理器（EVA和EVB），每個(gè)事件管理器模塊包括通用目的定時(shí)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(jì)時(shí)器和死區(qū)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生。</p><p>　　PWM波的載波頻率通過(guò)通用目的定時(shí)器的周期寄存器來(lái)設(shè)置，脈沖寬度通過(guò)全比較單元的比較寄存器來(lái)設(shè)置，PWM脈沖由全比較單元的六個(gè)相應(yīng)引腳輸出，功率器件所需的死區(qū)時(shí)間通過(guò)死區(qū)發(fā)生器的死區(qū)寄存器來(lái)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(shí)器被設(shè)置成連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式，以便產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的PWM波形。在此計(jì)數(shù)模式下，計(jì)數(shù)器自動(dòng)從0增計(jì)數(shù)至周期值，然后又減計(jì)數(shù)至0，如此循環(huán)往復(fù)，產(chǎn)生三角載波。通用定時(shí)器的周期寄存器的存儲(chǔ)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(shí)器的時(shí)鐘頻率為150MHz，載波頻率為15KHz，故周期寄存器存儲(chǔ)值為5000。</p><p>　　通用定時(shí)器在計(jì)數(shù)過(guò)程中，計(jì)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(shí)，就會(huì)在比較單元的兩個(gè)輸出引腳上出現(xiàn)一個(gè)跳變，這兩個(gè)引腳的跳變通常被設(shè)置為互補(bǔ)行為，用以觸發(fā)三相逆變器的上下橋臂。</p><p>　　5.4 反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)和計(jì)算</p><p>　

106、　反電勢(shì)法是通過(guò)檢測(cè)定子繞組未導(dǎo)通相的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)來(lái)確定轉(zhuǎn)子的位置，以便發(fā)出相應(yīng)的切換信號(hào)。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(shì)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(dòng)勢(shì)過(guò)零后延遲30°電角度的地方。因此，只要檢測(cè)出了反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，就能正確進(jìn)行功率管的切換。</p><p>　　圖5.8 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電流、反電勢(shì)波形及開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序

107、</p><p>　　通過(guò)檢測(cè)DSP的三個(gè)數(shù)字口GPIOB0、GPIOB1和GPIOB2的捕獲的信號(hào)來(lái)確定反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。過(guò)零檢測(cè)分為兩個(gè)階段，第一階段是起動(dòng)階段，為了檢測(cè)反電勢(shì)是否有過(guò)零點(diǎn)，來(lái)確定外同步加速向自同步轉(zhuǎn)換的時(shí)刻，第二個(gè)階段是檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)確定換相時(shí)刻，并且通過(guò)兩個(gè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，給PI調(diào)速提供依據(jù)。反電勢(shì)檢測(cè)和計(jì)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(cè)和計(jì)算程序流程圖</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)閱讀大量的國(guó)內(nèi)外關(guān)于無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)文獻(xiàn)和書(shū)籍，了解并總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的研究成果，在此