永磁無刷電動(dòng)機(jī)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)西安微電機(jī)研究所白新力電話13279361765電子信箱： BXL1963163.COM概論概論 伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)即伺服系統(tǒng)（伺服控制技術(shù)）是自動(dòng)化學(xué)科中與產(chǎn)業(yè)部門聯(lián)系最緊密、服務(wù)最廣泛的一個(gè)分支。自從第二次世界大戰(zhàn)期間雷達(dá)和火炮伺服系統(tǒng)出現(xiàn)以來，在近半個(gè)世紀(jì)中，伺服控制技術(shù)及其系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。伺服控制經(jīng)歷了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、交磁電機(jī)擴(kuò)大機(jī)控制、晶閘管控制、集成電路控制、計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展過程，至今已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)全新的鼎盛時(shí)期。反映這一時(shí)期的現(xiàn)代伺服控制技術(shù)及其系統(tǒng)的主要特征，可以概括為：全控型電力電子器件組成的脈

2、沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)在伺服功率驅(qū)動(dòng)中的廣泛應(yīng)用；微處理機(jī)特別是數(shù)字信號(hào)微處理器（DSP）在伺服系統(tǒng)中的普遍應(yīng)用，使得現(xiàn)代控制理論逐漸工程實(shí)用化；各種伺服控制元件與線路向著集成化、數(shù)字化、功能化、模塊化、智能化，以便于計(jì)算機(jī)控制的方向發(fā)展；伺服控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)及其診斷技術(shù)伴隨著系統(tǒng)功能、性能及其復(fù)雜化程度的升級(jí)而受到人們的普遍重視。永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 永磁無刷電動(dòng)機(jī)（BLDCM），采用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件（晶體管、MOSFET、IGBT、IPM），用霍爾元件、光敏元件等作位置傳感器代替有刷直流電機(jī)的換向器和電刷部分，以電子換相代替機(jī)械換向，從而提高了可靠性。它的外特性和一

3、臺(tái)有刷直流電動(dòng)機(jī)相似。 BLDCM 具有普通直流電動(dòng)機(jī)相似的線性機(jī)械特性和線性轉(zhuǎn)矩 / 電流特性，其優(yōu)點(diǎn)已為人們普遍認(rèn)識(shí)，故應(yīng)用越來越廣泛。永磁無刷電動(dòng)機(jī)由電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。電機(jī)部分的結(jié)構(gòu)是定子上有多相繞組，轉(zhuǎn)子上鑲有永久磁鐵。因此，永磁無刷電動(dòng)機(jī)可看成是由專門的電子逆變器驅(qū)動(dòng)的有位置傳感器反饋控制的交流同步電動(dòng)機(jī)。 永磁無刷電動(dòng)機(jī)的電樞繞組同交流電機(jī)的繞組一樣，采用多相型式，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)器接到直流電源上，定子采用位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換向，各相依次通電，產(chǎn)生電流，電流和轉(zhuǎn)子磁極的主磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 永磁無刷電動(dòng)機(jī)的控制模式分為兩大類：方波驅(qū)動(dòng)正弦波驅(qū)動(dòng) 方波驅(qū)動(dòng)時(shí)，其驅(qū)動(dòng)電流為近似矩形

4、波 正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)，其驅(qū)動(dòng)電流為正弦波方波驅(qū)動(dòng)永磁無刷電動(dòng)機(jī)工作原理方波驅(qū)動(dòng)永磁無刷電動(dòng)機(jī)工作原理 以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)運(yùn)行說明以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)運(yùn)行說明方波驅(qū)動(dòng)永磁無刷電動(dòng)機(jī)的工作原理。圖方波驅(qū)動(dòng)永磁無刷電動(dòng)機(jī)的工作原理。圖所示為兩極方波驅(qū)動(dòng)三相永磁無刷電動(dòng)機(jī)所示為兩極方波驅(qū)動(dòng)三相永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，定子電樞繞組為三相星形聯(lián)結(jié)，位系統(tǒng)，定子電樞繞組為三相星形聯(lián)結(jié)，位置傳感器與電動(dòng)機(jī)同軸連接?？刂齐娐穼?duì)置傳感器與電動(dòng)機(jī)同軸連接?？刂齐娐穼?duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制逆變器的功率開關(guān)管，使電動(dòng)機(jī)的各控制逆變器的功率開關(guān)管，使電動(dòng)機(jī)的各相繞組

5、按一定的順序工作。相繞組按一定的順序工作。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60度電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。可見，電機(jī)有六種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120度電角度。把永磁無刷電動(dòng)機(jī)的這種工作方式稱為兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)運(yùn)行。這是三相方波運(yùn)行永磁無刷電動(dòng)機(jī)最常用的一種工作方式。觀察觀察課件課件正弦波驅(qū)動(dòng)無刷電動(dòng)機(jī)的工作原理正弦波驅(qū)動(dòng)無刷電動(dòng)機(jī)的工作原理 正弦波驅(qū)動(dòng)要求電動(dòng)機(jī)安裝高分辨率位置反饋裝置，能提供高分辨率和高精度的位置信息，以該位置信息能較精確接近產(chǎn)生正弦波，以強(qiáng)制提供正弦波相電流為特征的電子換相方法。三相繞組正弦波電流產(chǎn)生連

6、續(xù)旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn)子磁場作用，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。觀察課件觀察課件 （第四節(jié)）通過矢量和相位控制，使電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)和電流相位相同，A、B、C三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)和相電流可以表示如下)(Ee)(EeEecba32sin232sin2sin2)(Ii)(IiIia32sin232sin2sin2cbea 、eb 、ec為相反電動(dòng)勢(shì)；ia 、ib 、ic為相電流；E 為相反電動(dòng)勢(shì)有效值；I 為相電流有效值；為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度電氣角。 輸出電磁轉(zhuǎn)矩Te為 電動(dòng)機(jī)的電磁功率可表示為：EIieieiePccbbaaem3IEPTeme3 對(duì)一臺(tái)制造好的電動(dòng)機(jī)，E /為定值。上式表明，正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷電動(dòng)機(jī)具有線性

7、的轉(zhuǎn)矩/電流特性，而且瞬態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)角 無關(guān)，理論上轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為零。正弦波驅(qū)動(dòng)是一種高性能的控制方式，電流是連續(xù)的，理論上可獲得與轉(zhuǎn)角無關(guān)的恒定輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)際上可以做到3%以下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，有良好的低速平穩(wěn)性，同時(shí)也大大改善了在中、高速大轉(zhuǎn)矩時(shí)的特性，但它對(duì)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子位置傳感器提出了更高要求，驅(qū)動(dòng)器電路更加復(fù)雜，成本更高。1 無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)作用及組成 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，把輸出量能夠以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，亦稱伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自上位控制裝置的指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象跟隨指令運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速和準(zhǔn)確，這就要求高質(zhì)量的 速度和位置伺服。一般較復(fù)

8、雜自動(dòng)控制系統(tǒng)的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)往往取決于其中所使用的伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)組成方框圖 開環(huán)運(yùn)行方框圖 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方框圖 速度控制系統(tǒng)方框圖 位置控制系統(tǒng)方框圖 完整的控制系統(tǒng)方框圖 伺服電動(dòng)機(jī) 主要由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成，在轉(zhuǎn)子上裝有特殊形狀的永磁體，用以產(chǎn)生恒定磁場。轉(zhuǎn)子上的永磁材料可以用鐵氧體或稀土永磁材料。高性能而價(jià)格適宜的永磁材料，為提高電動(dòng)機(jī)的伺服性能和實(shí)用化提供了條件。由于轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁繞組，由永磁體產(chǎn)生磁場，因而不需要引入勵(lì)磁電流，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的發(fā)熱只取決于電樞電流。在電動(dòng)機(jī)的定子鐵心上繞有三相電樞繞組，接在伺服驅(qū)動(dòng)器上。在結(jié)構(gòu)上，定子鐵心直接裸露于外界空間，因此散熱

9、情況良好，也使電動(dòng)機(jī)易于實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化。傳感器位置傳感器、速度傳感器和電流傳感器。在永磁無刷電動(dòng)機(jī)中還包括轉(zhuǎn)子位置傳感器，其作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于定子繞組的位置，為驅(qū)動(dòng)器提供正確的換相信息。位置傳感器、速度傳感器、轉(zhuǎn)子位置傳感器常采用接近開關(guān)、光電編碼器、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾元件、磁/電變換元件等。無位置傳感器檢測(cè)是通過檢測(cè)和計(jì)算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量而間接地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，主要有反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)法和瞬時(shí)電壓方程法等。一般采用霍爾元件檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的為最多，而正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)則采用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器等高精度位置傳感器。實(shí)際上，這些功能可用一個(gè)光電編碼器或旋轉(zhuǎn)

10、變壓器來完成，至少一個(gè)檢測(cè)器需要完成兩種功能。多種功能用一個(gè)傳感器來實(shí)現(xiàn)，可以減小電動(dòng)機(jī)的軸向尺寸，并能簡化控制和安裝。電流傳感器常采用電阻片、霍爾傳感器等，其主要作用是檢測(cè)伺服電動(dòng)機(jī)繞組的電流，進(jìn)行電流有效控制。 驅(qū)動(dòng)器 接受控制指令，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度、轉(zhuǎn)子位置控制。主要包括控制和功率變換（主電路）兩大部分?？刂撇糠种饕扇]環(huán)控制器即電流控制器、速度控制器和位置控制器以及與其相應(yīng)的基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生、反饋信號(hào)的檢測(cè)、處理電路等組成。位置控制是外環(huán)，速度控制是中環(huán)，轉(zhuǎn)矩或電流控制是內(nèi)環(huán)。一般情況下，速度控制器為PI（比例-積分）控制規(guī)律，它的輸出為電流指令（直流量）。速度控制器的作用主要

11、是為了能進(jìn)行穩(wěn)定的速度控制，以使其在定位時(shí)不產(chǎn)生振蕩。在伺服系統(tǒng)中，為了進(jìn)行位置控制，要求速度環(huán)能有快速響應(yīng)速度指令的能力，并且在穩(wěn)態(tài)時(shí)具有良好特性硬度，對(duì)各種擾動(dòng)具有良好的抑制能力作用。電流控制器作為速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，在輸入端綜合電流指令信號(hào)和反饋信號(hào)，使電樞繞組中的電流在幅值和相位上都得到有效控制，完成與磁通矢量的正交或弱磁高速控制，電流控制器通常也采用PI控制規(guī)律，要求它具有更高的快速性，以適應(yīng)對(duì)電流瞬時(shí)值跟蹤控制的要求。功率變換 主要由整流（器）和逆變（器）兩部分組成，整流器將輸入的三相交流電整流成直流電，經(jīng)過電容器濾波平滑后提供給逆變器作為它的直流輸入電壓。逆變器（電路）的作用是在脈沖寬

12、度調(diào)制（PWM）控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，將輸入的直流電變換成可調(diào)的直流或交流電，輸入到伺服電動(dòng)機(jī)的電樞繞組中，即是PWM生成電路以一定的頻率產(chǎn)生出觸發(fā)功率逆變器的控制信號(hào)，使功率逆變器的輸出電壓可調(diào)或輸出頻率和電壓保持協(xié)調(diào)關(guān)系，并使流入電樞繞組中的電流保持恒定或交流電流保持良好的正弦性。在伺服系統(tǒng)中，對(duì)應(yīng)于不同的伺服電動(dòng)機(jī)雖然其工作原理有所不同，但驅(qū)動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)和控制方法以及相關(guān)外圍電路和配置基本相同。 基本要求1穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性是指作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行或者在輸入指令信號(hào)作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。2精度高 精度是伺服系統(tǒng)的一項(xiàng)重要的性能要求

13、。它是指其輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的精確程度3快速響應(yīng)性好 快速響應(yīng)性是衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的另一項(xiàng)重要指標(biāo)?？焖夙憫?yīng)性有兩方面含義，一是指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量跟隨輸入指令信號(hào)變化的迅速程度，二是指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度2 功率變換（逆變技術(shù)） 與整流相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電稱為逆變。逆變主要分為電壓型和電流型，兩種類型的區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波，前者采用大電容濾波，后者采用大電感濾波。在伺服系統(tǒng)中，常采用電壓型逆變器電路，其大多由全控型電力電子器件（功率開關(guān)管）組成。 以單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理逆變電路的基本工作原理負(fù)載a)b)tS1S2S3S4i

14、ouoUduoiot1t2S1-S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。S1、S4閉合閉合，S2、S3斷開斷開時(shí)，負(fù)載電壓u uo o為正正。S1、S4斷開斷開，S2、S3閉合閉合時(shí)，負(fù)載電壓u uo o為負(fù)負(fù)。直流電交流電改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。改變兩組開關(guān)切換時(shí)間長短（PWM)，可改變輸出交流電流大小和方向。a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載阻感負(fù)載時(shí)，i io o相位滯后于u uo o，波形也不同。換相換相電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程。開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使器件

15、開通。關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(guān)斷。在采用IGBT 、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。PWM控制技術(shù) PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。1964年德國人率先提出脈寬調(diào)制變頻思想，把通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流變頻器。全控型器件的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位?，F(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術(shù)，在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并對(duì)電力

16、電子技術(shù)產(chǎn)生了十分深遠(yuǎn)影響的一項(xiàng)技術(shù)。IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善，給PWM控制技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)。PWM控制的基本思想1）重要理論基礎(chǔ)面積等效原理面積等效原理沖量沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同效果基本相同。沖量沖量窄脈沖的面積效果基本相同效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同d)單位脈沖函數(shù)f (t)d (t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf (t)f (t)f (t)b)沖量相等的各種窄脈沖的響應(yīng)波形“面積等效原理面積等效原理”a）u u (t)(t)電壓窄脈沖，是電路的輸入 。 i i (t)

17、(t)輸出電流，是電路的響應(yīng)。 OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波OutOu t若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波OutOwtUd-Ud對(duì)于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個(gè)完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。SPWMSPWM控制波的生成控制波的生成: :正弦波正弦波三角波調(diào)制三角波調(diào)制、方波、方波三角波調(diào)制三角波調(diào)制方

18、波發(fā)生器方波發(fā)生器（帶正反饋比較（帶正反饋比較 又有又有RC積分）積分）三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器（積分器）（積分器）三角波與基準(zhǔn)三角波與基準(zhǔn)正弦波疊加正弦波疊加（比較器）（比較器）SPWM調(diào)制波調(diào)制波基準(zhǔn)正弦波基準(zhǔn)正弦波(由速度指令由速度指令轉(zhuǎn)化過來的轉(zhuǎn)化過來的)VD1調(diào)制波調(diào)制波載波載波uutu1:utu1u0OOOtttRFRR1R2R3R4R5R6R7VD2VD3VD4C 1C 2U0 (ua、ub、 uc )tO-+tut:在電壓比較器的兩個(gè)輸入端分別輸入正弦波參考電壓和三角波電壓，由于分別接至電壓比較器的“-”和“+”輸入端，顯然當(dāng)-+時(shí)，輸出為低電平。與交點(diǎn)之間的距離決定了電壓比較

19、器輸出電壓脈沖的寬度，因而可得到幅值相等而脈沖寬度不等的SPWM波。調(diào)制方法很多，目前用得最多的是正弦脈寬調(diào)制。還有空間電壓矢量PWM、最優(yōu)PWM、預(yù)測(cè)PWM、隨機(jī)PWM、規(guī)則采樣數(shù)字化PWM等等。 SPWM交直交變壓變頻器的原理框圖如下：M3UIURUR整流器 固定電壓不可控整流器，常采用六個(gè)二級(jí)管橋式整流器結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷鳎妷悍挡蛔儭?為逆變器的供電。UI 逆變器 由六個(gè)功率開關(guān)器件組成，常采用大功率晶體管。其控制極（大功率晶體管GTR為基極 ）輸入由基準(zhǔn)正弦波（由速度指令轉(zhuǎn)化過來的）和三角波疊加出來的SPWM調(diào)制波（等幅、不等寬的矩形脈沖波） ，使這些大功率晶體管按一定規(guī)律導(dǎo)通、截

20、止，輸出一系列功率級(jí)等效于正弦交流電的可變頻變壓的等幅、不等寬的矩形脈沖電壓波，即功率級(jí)SPWM電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 功率開關(guān)器件還可采用：功率場效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣門極晶體管IGBT等。 為使伺服電動(dòng)機(jī)具有伺服的性能，就是利用逆變技術(shù)，使伺服電動(dòng)機(jī)繞組產(chǎn)生所需要的具有一定幅值和相位的電流波形，從而達(dá)到線性控制轉(zhuǎn)矩的作用。在永磁無刷電動(dòng)機(jī)中，采用三相全橋逆變電路。三相全橋逆變電路uAB50HzSPWMD1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12T1T2T3T4T5T6uauaububucucu1u2u3utu1utudua1t1t1t1t1t1tuA0uB0uC0逆變器輸出逆變

21、器輸出A相等效正弦相等效正弦脈寬電壓波脈寬電壓波逆變器輸出逆變器輸出B相等效正弦相等效正弦脈寬電壓波脈寬電壓波逆變器輸出逆變器輸出C相等效正弦相等效正弦脈寬電壓波脈寬電壓波逆變器輸出線逆變器輸出線電壓等效正弦電壓等效正弦脈寬電壓波脈寬電壓波u1:由由F轉(zhuǎn)換來的轉(zhuǎn)換來的ut改變調(diào)制波的頻改變調(diào)制波的頻率、幅值，就可率、幅值，就可改變最終輸出改變最終輸出 ：變頻變壓的交流變頻變壓的交流電壓電壓三相逆變器基本工作原理 如果 不變，而僅僅改變 ，由圖可知，逆變器輸出的三相交流電的頻率也相應(yīng)隨之改變。如果僅改變?nèi)嗾抑噶钚盘?hào)的幅值，輸出的基波幅值也隨之改變。逆變器的這種工作原理稱之為正弦脈沖寬度調(diào)制（

22、SPWM）工作原理。 （1）如果改變?nèi)嗾抑噶钚盘?hào)的相序，輸出三相交流電壓或電流的相序也隨之改變，因此，很容易改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。 （2）可采用電壓控制方式，也可以采用電流控制方式。 fsf SPWM工作原理的主要特征 要有一個(gè)三角波發(fā)生器和一個(gè)快速電壓比較器。由于數(shù)字信號(hào)微處理器（DSP）技術(shù)的發(fā)展，無論是三角波發(fā)生器還是電壓比較器，均易通過軟件來實(shí)現(xiàn)，因而也出現(xiàn)各種數(shù)字控制方法。DSP內(nèi)部集成了PWM發(fā)生器，可方便的應(yīng)用于各種伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中?；趯?duì)電動(dòng)機(jī)磁鏈跟蹤控制原理出現(xiàn)的“電壓空間矢量SVPWM”方法，對(duì)逆變器的控制而言亦完全不同于SPWM的概念，這種方法是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)

23、，其目的使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生圓形磁場，被應(yīng)用于正弦波永磁無刷電動(dòng)機(jī)中。采用SPWM工作原理來控制逆變器的6個(gè)功率管開關(guān)，具有以下特點(diǎn)：1）最低次諧波頻率高，因而僅靠電動(dòng)機(jī)的繞組本身的電感，就足以使電流成為相當(dāng)光滑的正弦波。適當(dāng)提高載波頻率，可以起到減少電流脈動(dòng)的效果，從而提高了運(yùn)行的平穩(wěn)性。2）基波分量幅值與調(diào)制系數(shù)成正比關(guān)系。所以，調(diào)節(jié)代表指令信號(hào)的正弦波幅值即可調(diào)節(jié)基波幅值的大小。3）逆變器本身的損耗小。它包括功率管飽和導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。功率管飽和壓降所產(chǎn)生的功率損耗與工作頻率無關(guān)，而開關(guān)損耗則與工作頻率近似成比例。 逆變器的工作頻率逆變器的工作頻率 逆變器的開關(guān)工作頻率不宜過高。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)一

24、旦確定后，開關(guān)工作頻率也不宜過低，負(fù)則會(huì)引起過流，無法正常起動(dòng)。當(dāng)逆變器的功率開關(guān)器件確定后，開關(guān)器件的最高工作頻率，為允許的損耗所限制。但從限制電流或轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)來看，開關(guān)工作頻率越高越好。實(shí)際上，開關(guān)工作頻率過高，電流或轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)雖可減少，但可能達(dá)不到要求的電流幅值。因此，最高開關(guān)工作頻率只要能滿足要求的電流脈動(dòng)即可。一般情況，如果逆變器使用雙極型功率晶體管，三角波頻率可在1 kHZ3kHZ；如使用P-MOSFET，則選擇5 kHZ20kHZ；如使用IGBT則選擇20kHZ以上，為解決噪聲可使IGBT開關(guān)頻率在10 kHZ20kHZ。泵升電壓和死區(qū)泵升電壓和死區(qū) 濾波電容器用做濾波外，還有當(dāng)

25、電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升（生）電壓”。儲(chǔ)能的增加量基本上等于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)釋放的全部動(dòng)能。應(yīng)按制動(dòng)儲(chǔ)能要求選擇電容容量。電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千微法。在大電容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，這時(shí)，可以采用制動(dòng)電阻來消耗掉部分動(dòng)能。電阻的分流電路靠開關(guān)器件在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通。 在伺服系統(tǒng)中，逆變器中的功率開關(guān)器件并不是理想的開關(guān)，存在導(dǎo)通的延時(shí)和關(guān)斷的延時(shí)

26、。為了保證逆變電路的安全工作，必須在同一相上、下兩個(gè)橋臂開關(guān)器件的通斷信號(hào)之間設(shè)置一段死區(qū)時(shí)間（或稱時(shí)滯），即在上（下）橋臂器件得到關(guān)斷信號(hào)后，要留出一定時(shí)間以后才允許給下（上）橋臂器件送入導(dǎo)通信號(hào)，以防止其中一個(gè)器件尚未完全關(guān)斷時(shí)，另一個(gè)器件已經(jīng)導(dǎo)通，而導(dǎo)致上、下兩橋臂器件同時(shí)導(dǎo)通，產(chǎn)生逆變器直流側(cè)被短路的事故。死區(qū)時(shí)間的長短因開關(guān)器件而異，一般對(duì)功率開關(guān)器件IGBT及IPM為25s。死區(qū)時(shí)間的存在顯然會(huì)使逆變器不能完全精確地復(fù)現(xiàn)PWM控制信號(hào)的理想波形，或產(chǎn)生更多的諧波，或使電流、磁鏈跟蹤性能變差，總之，會(huì)影響伺服系統(tǒng)的運(yùn)行性能。改善死區(qū)的影響是采取對(duì)死區(qū)的補(bǔ)償。智能功率模塊智能功率模塊不

27、同于一般功率模塊，這種新型電力電子器件不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有多種故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到DSP作中斷處理。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)電路及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以使IPM自身不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開關(guān)元件，并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。以其高可靠性、使用方便，尤其適合于驅(qū)動(dòng)器主電路的一種非常理想的電力電子器件。使用時(shí)只需用少量連線，提供控制部分的電源，輸入相應(yīng)開關(guān)量控制信號(hào)即可，提高了系統(tǒng)抗干擾能力和可靠性。IPM已被廣泛用于伺服系統(tǒng)中 。3 控制技術(shù)控制技術(shù)數(shù)字信號(hào)微處理器數(shù)字信號(hào)微處理器將

28、實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)集于一身的電機(jī)控制專將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)集于一身的電機(jī)控制專用高性能數(shù)字信號(hào)微處理器（用高性能數(shù)字信號(hào)微處理器（DSP），其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理），其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力使得現(xiàn)代控制理論、模糊控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等能力使得現(xiàn)代控制理論、模糊控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等一些復(fù)雜算法數(shù)字化得以實(shí)現(xiàn)，控制策略得到優(yōu)化，而且一些復(fù)雜算法數(shù)字化得以實(shí)現(xiàn)，控制策略得到優(yōu)化，而且面向電機(jī)控制的片內(nèi)外設(shè)，使控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)得到簡化，面向電機(jī)控制的片內(nèi)外設(shè)，使控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)得到簡化，整個(gè)系統(tǒng)的性能得到顯著提高。其單周期乘、加運(yùn)算能力，整個(gè)系統(tǒng)的性能得到顯著提高。其單周期乘、加運(yùn)算能力，可以

29、優(yōu)化與縮短反饋回路，從而有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)字式電流閉可以優(yōu)化與縮短反饋回路，從而有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)字式電流閉環(huán)控制。直接產(chǎn)生高精度的環(huán)控制。直接產(chǎn)生高精度的PWM輸出，抑制轉(zhuǎn)矩紋波，輸出，抑制轉(zhuǎn)矩紋波，減小電機(jī)振動(dòng)、延長電機(jī)壽命。相對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)而言，減小電機(jī)振動(dòng)、延長電機(jī)壽命。相對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)而言，DSP控制器可以提供更快、更精確的控制。控制器可以提供更快、更精確的控制。TMS320LF2407A（DSP）是這一系列中的典型芯片。）是這一系列中的典型芯片?；诨贒SP的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，充分利用其豐富的周邊接口，的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，充分利用其豐富的周邊接口，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大為簡化，具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，且在使

30、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大為簡化，具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，且在外界參數(shù)大范圍變化的情況下表現(xiàn)出很強(qiáng)的魯棒性。外界參數(shù)大范圍變化的情況下表現(xiàn)出很強(qiáng)的魯棒性。電流反饋及控制器電流反饋及控制器 電流反饋及處理電流反饋及處理在伺服系統(tǒng)控制中，離不開電機(jī)繞組電在伺服系統(tǒng)控制中，離不開電機(jī)繞組電流的測(cè)量。此反饋信號(hào)對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特流的測(cè)量。此反饋信號(hào)對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性有著重要的影響。常用的電流測(cè)量方法性有著重要的影響。常用的電流測(cè)量方法有電阻片、霍爾傳感器等。雖然電阻片能有電阻片、霍爾傳感器等。雖然電阻片能實(shí)現(xiàn)交直流及任意信號(hào)波形的測(cè)量，但由實(shí)現(xiàn)交直流及任意信號(hào)波形的測(cè)量，但由于測(cè)量反饋電路與主電路沒有隔離及受溫于測(cè)量

31、反饋電路與主電路沒有隔離及受溫度變化阻值改變的影響，一般用于低壓及度變化阻值改變的影響，一般用于低壓及精度要求不高的場合。在伺服系統(tǒng)中，最精度要求不高的場合。在伺服系統(tǒng)中，最好采用霍爾電流傳感器，它是采用磁場平好采用霍爾電流傳感器，它是采用磁場平衡原理測(cè)量電流的衡原理測(cè)量電流的 。 一次被測(cè)電流多采用穿線式。將被測(cè)電機(jī)繞組線電流的導(dǎo)線由傳感器模塊中間的孔穿過（單匝或多匝）即可得到測(cè)量電流 ，其值額定值一般為100mA，通過采樣電阻，可將電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。當(dāng)被測(cè)電流小時(shí)，可以通過增加一次穿線匝數(shù)提高測(cè)量精度。但同時(shí)需要注意，一次匝數(shù)增多后會(huì)降低響應(yīng)速度。當(dāng)一次接線由單匝增至兩匝后，響應(yīng)速度則由

32、0.1s增至1s。此外，一次穿線與模塊耦合不緊也會(huì)降低響應(yīng)速度 全數(shù)字伺服系統(tǒng)電流反饋測(cè)量電路。采用變比為1：1000霍爾元件檢測(cè)主電路電流信號(hào)。在DSP中，由于A/D輸入信號(hào)范圍為0V3.3V，因此必須將霍爾元件輸出的小電流信號(hào)首先變換為電壓信號(hào)，再經(jīng)放大濾波后進(jìn)人AD通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把其數(shù)字量適當(dāng)定標(biāo)，并疊加偏移量后，得到合適的數(shù)字信號(hào)。在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的時(shí)候，向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求，CPU對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。如果每隔50s，DSP控制器對(duì)反饋電流進(jìn)行采樣，則可實(shí)現(xiàn)頻率為20kHz的電流環(huán)調(diào)節(jié)。電流控制器電流控制器對(duì)電流的調(diào)節(jié)控制就是對(duì)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)控制。采用霍爾電流傳感器對(duì)電樞電流進(jìn)行無接觸

33、檢測(cè)，測(cè)得的電流值作為反饋信號(hào)與電流的指令信號(hào)進(jìn)行比較而得電流誤差。由電流調(diào)節(jié)器按電流誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，使電流快速地跟隨指令值變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)電流無靜差。 速度反饋及控制器速度反饋及控制器速度反饋及處理速度反饋及處理光電編碼器，速度反饋常用的方法有M法、T法和M/T法。M法是在設(shè)定的采樣周期內(nèi)記錄反饋脈沖的個(gè)數(shù)。反饋脈沖數(shù)與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。此方法使用方便。T法是另外施加一高頻脈沖，并通過記錄光電編碼器反饋脈沖在其一個(gè)周期內(nèi)所測(cè)得的高頻脈沖個(gè)數(shù)來測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在DSP中，正交編碼脈沖輸入單元(QEP)能對(duì)脈沖前后沿進(jìn)行4倍頻，而無需添加任何硬件，并可根據(jù)兩路脈沖的次序判別電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向，簡化了系統(tǒng)

34、的硬件。 速度控制器速度控制器在速度環(huán)中，速度指令信號(hào)與由測(cè)速元件取得的速度反饋信號(hào)進(jìn)行比較而得速度誤差值，由速度調(diào)節(jié)器按速度誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，其輸出作為電流控制器的輸入信號(hào)。使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速跟隨指令值變化。穩(wěn)態(tài)時(shí)速度無靜差，動(dòng)態(tài)時(shí)限制轉(zhuǎn)速超調(diào)。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用，會(huì)大大減小負(fù)載變化對(duì)轉(zhuǎn)速變化的影響。速度調(diào)節(jié)器一般也采用帶飽和限幅的PI調(diào)節(jié)器。 位置反饋及控制器位置反饋及控制器 位置反饋及處理位置反饋及處理在伺服系統(tǒng)中，一般位置反饋信號(hào)從安裝于伺服電動(dòng)機(jī)端部的位置傳感器獲得。為了使系統(tǒng)具有高精度位置控制性能，位置檢測(cè)元件本身必須是高精度的。通常此類傳感器一般有光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。

35、在DSP中，位置反饋的實(shí)現(xiàn)具有與速度的反饋相同的QEP單元。對(duì)光電編碼器進(jìn)行四倍頻和正反向自動(dòng)計(jì)數(shù)，該數(shù)值在規(guī)定的字節(jié)長度內(nèi)，與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角位置一一對(duì)應(yīng)。同時(shí)，光電編碼器還輸出U、V和W三路脈沖信號(hào)。這三路信號(hào)彼此相差120度，且一轉(zhuǎn)內(nèi)的周期數(shù)與電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)一致。此信號(hào)主要用來檢測(cè)永磁無刷電動(dòng)機(jī)上電時(shí)轉(zhuǎn)子磁極的初始位置，一旦初始位置確定，A、B信號(hào)計(jì)數(shù)指明轉(zhuǎn)子磁極的細(xì)節(jié)位置。旋轉(zhuǎn)變壓器本身具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用、抗沖擊、可通過控制電路較容易改變分辨率等特點(diǎn)，常用在軍事等領(lǐng)域。旋轉(zhuǎn)變壓器本身輸出的位置信息是連續(xù)變化的模擬量，必須經(jīng)過高頻數(shù)字化處理后才能與DSP接口，其信號(hào)處理電路比較復(fù)雜，通常采用一

36、種稱為R/D轉(zhuǎn)換器的電路進(jìn)行數(shù)字量轉(zhuǎn)化，供系統(tǒng)使用，系統(tǒng)也必須同時(shí)向旋變提供一路定子線圈的勵(lì)磁信號(hào)。但是R/D輸出分辨率與跟蹤速度成反比，電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行必然帶來R/D輸出分辨率下降，靈敏度降低。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都比較高，有的甚至在20000轉(zhuǎn)/分以上，這就必需通過電路設(shè)計(jì)與參數(shù)的合理匹配來滿足采樣信號(hào)靈敏度與穩(wěn)定性的協(xié)調(diào)一致，以達(dá)到位置信號(hào)跟蹤的要求。位置控制器位置控制器 按照位置控制的要求，位置反饋信號(hào)必須跟隨位置指令信號(hào)的變化而變化。位置控制器按設(shè)定的采樣周期不斷地將數(shù)字位置指令值與位置反饋值進(jìn)行比較，求出位置偏差值，再根據(jù)位置環(huán)的控制規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到零。位置控

37、制器保證系統(tǒng)對(duì)位置指令信號(hào)的快速跟蹤，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無振蕩、無超調(diào)的精確定位。位置控制器常采用比例加前饋控制器。位置控制構(gòu)成大體有兩類：一類是模擬位置控制，它的位置控制精度不是很高；另一類是最常用的數(shù)字位置控制。 轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中常用的位置傳感器不但要完成電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測(cè)，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)速度測(cè)量與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角檢測(cè)。但目前并不是所有的位置傳感器都能同時(shí)完成這些功能的，有的檢測(cè)元件只能完成其中的一、二種。各種位置傳感器都有自身的固有特點(diǎn)，要針對(duì)具體控制對(duì)象要求，選擇合適的位置傳感器。目前，系統(tǒng)常用的位置傳感器有光電式、電磁式等。光電編碼器光電編碼器 光電編碼器的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理

38、電路簡單。因?yàn)槭菙?shù)字信號(hào)，所以噪聲容限較大，容易實(shí)現(xiàn)高分辨率，檢測(cè)精度高。其缺點(diǎn)是不耐沖擊及振動(dòng)，容易受溫度變化影響，適應(yīng)環(huán)境能力較差。光電編碼器廣泛用于各類伺服電動(dòng)機(jī)的速度和位置檢測(cè)。 信號(hào)處理裝置abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節(jié)距Z Z B B A Am+/4磁編碼器磁編碼器 隨著磁性材料和磁阻元件的發(fā)展，已開發(fā)出各種類型的磁性編碼器，有電磁解調(diào)型、霍爾元件型、半導(dǎo)體磁阻效應(yīng)型、強(qiáng)磁體磁阻效應(yīng)型等。磁性編碼器在數(shù)控機(jī)床主軸拖動(dòng)中已經(jīng)得到了應(yīng)用，取得了與光電編碼器相同的性能，并且在電氣接線上具有良好的互換性。磁性編碼器與光電編碼器相比較，突出的優(yōu)點(diǎn)是：適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、耐高溫、耐

39、油污、功耗低、傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、堅(jiān)固耐用、響應(yīng)速度快，非常適用于高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)場合使用。缺點(diǎn)是制成高分辨率有一定的困難?；魻柤呻娐坊魻柤呻娐?霍爾元件是一種利用霍爾效應(yīng)原理制成的半導(dǎo)體器件。 分立霍爾元件輸出的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)較低，使用時(shí)需要較多的外圍電路?；魻柤呻娐肥菍⒂嘘P(guān)外圍電路和霍爾元件集成在一起，組成一個(gè)有源的磁敏集成電路。通常將霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路、輸出級(jí)、電源穩(wěn)壓電路等制作在同一硅片上，然后用陶瓷或塑料封裝。按輸出的不同，霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類?；魻柤呻娐吩谑褂弥斜仨氂型饧哟艌?，并且對(duì)磁場的磁密最低值和形狀都有一定的限制。 線性型霍爾集成電路的輸出電

40、壓與外磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系。線性霍爾集成電路內(nèi)部包括霍爾發(fā)生器、差分線性放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓電源電路。 開關(guān)型霍爾集成電路是將電壓穩(wěn)壓器、霍爾電壓發(fā)生器、溫度補(bǔ)償電路、信號(hào)發(fā)生器和集電極開路輸出極制作在一個(gè)硅片上。在奧地利，奧地利微電子公司，利用線性霍爾制造出專用集成電路AS5040, 是最小的10位多輸出旋轉(zhuǎn)磁性編碼器IC旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、耐用、抗振動(dòng)沖擊能力強(qiáng)、可在高溫下工作，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，可通過控制電路較容易改變分辨率，缺點(diǎn)是信號(hào)處理電路復(fù)雜，可以作為磁極位置、電動(dòng)機(jī)速度和系統(tǒng)位置檢測(cè)用。下圖為磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器。 轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊成。硅鋼片的外形輪

41、廓視旋變極數(shù)而定，圖中旋變?yōu)?對(duì)極，其等效電路圖如上圖所示。旋變轉(zhuǎn)子外形似橢圓狀，定子上開有齒槽，一相初極勵(lì)磁線圈和兩相次極輸出線圈都繞在齒槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)改變和定子之間氣隙厚度，從而改變初和次極繞組間的耦合系數(shù)。使得在初極輸入交流勵(lì)磁電壓的情況下，輸出電壓的幅度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度成比例。用數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示成： sinkEER2R1S3-S1coskEER2R1S4-S2(次極Sin相輸出)(次極Cos相輸出) ER1-R2為初極勵(lì)磁電壓，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。tsinEE0R2-R1w其中： （E0 為勵(lì)磁電壓幅值） 旋變解碼時(shí)將Sin相乘以cos，Cos相乘以sin，兩相相減，得如下等式：wsi

42、ncoscossintsinkEVsr0wsintsinkE0 可以用逐次逼近值，使得Vsr=0，此時(shí)=，那么即可解碼出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。多摩川的解碼芯片AU6802N1系列和美國AD2S83系列,就是利用這一原理設(shè)計(jì)的。 無位置傳感器控制無位置傳感器控制近年來推出了幾種永磁無刷電動(dòng)機(jī)的無位置傳感器控制方法，如反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)法、瞬時(shí)電壓方程法等。利用反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置是目前最常見和應(yīng)用最廣泛的一種方法。對(duì)于最常見的兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)工作方式，除了換相的瞬間之外，在任意時(shí)刻，電機(jī)總有一相繞組處于斷電狀態(tài)。當(dāng)斷電相繞組的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)之后，再經(jīng)過30度電角度，就是該相的換相點(diǎn)

43、。因此，只要檢測(cè)到各相繞組反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，就可確定電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和下次換流的時(shí)間。反電動(dòng)勢(shì)法的缺陷是當(dāng)電機(jī)在靜止或低速運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)為零或太小，因而無法利用，一般采用專門的起動(dòng)電路，使電機(jī)以他控變頻方式起動(dòng)，當(dāng)電機(jī)具有一定的初速度和電動(dòng)勢(shì)后，再切換到自控變頻狀態(tài)。這個(gè)過程稱為三段式起動(dòng)，包括轉(zhuǎn)子定位、加速和運(yùn)行狀態(tài)切換三個(gè)階段數(shù)字?jǐn)?shù)字PIPI控制器控制器模擬模擬PIPI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器PP1( )( )( )d( )( )dIu tK e te ttK e tKe ttkiieKkeKku1IP)()()(離散化離散化PIPI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器改進(jìn)的數(shù)字改進(jìn)的數(shù)字PIPI算法算法積分分離法積分分離法

44、kiieKCkeKku1IIp)()()(dd)(, 0)(, 1ieieCI分段分段PIPI算法算法在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流調(diào)節(jié)器功能之一是克服反電動(dòng)勢(shì)的擾動(dòng)。在速度變化過程中，必須依靠積分作用抑制反電動(dòng)勢(shì)，使電樞電流快速跟隨給定值，以保證最大的起動(dòng)和制動(dòng)電流。因此，在轉(zhuǎn)速偏差大時(shí)，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)選用較大的Kp和KI參數(shù)，使實(shí)際電流能迅速跟隨給定值。在轉(zhuǎn)速偏差較小時(shí)，過大的Kp和KI又將導(dǎo)致輸出電流的振蕩，增加速度控制器的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的振蕩。分段PI算法可以解決動(dòng)態(tài)跟隨和穩(wěn)定性的矛盾。分段PI算法有兩套或多套PI參數(shù)，可根據(jù)偏差的大小，在多套參數(shù)間進(jìn)行切換數(shù)字濾波技術(shù)數(shù)字濾波技術(shù)全

45、數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測(cè)量值是通過對(duì)系統(tǒng)的輸出量進(jìn)行采樣而得到的。它與給定值之差形成偏差信號(hào)，所以，測(cè)量值是決定偏差大小的重要數(shù)據(jù)。測(cè)量值如果不能真實(shí)地反映系統(tǒng)的輸出，控制系統(tǒng)就失去它的作用。在實(shí)際中，對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出的測(cè)量值?；煊懈蓴_噪聲。用混有干擾的測(cè)量值作為反饋信號(hào)，將引起系統(tǒng)誤動(dòng)作，在有微分控制環(huán)節(jié)的系統(tǒng)中還會(huì)引起系統(tǒng)振蕩，因此危害極大。干擾噪聲可分為周期性和隨機(jī)性兩類。對(duì)周期性的工頻和高頻干擾，可以通過在電路中加入RC低通濾波器硬件來加以抑制；但對(duì)于低頻周期性干擾和隨機(jī)性干擾，硬件就無能為力了，用數(shù)字濾波可以解決這些問題。同時(shí)在伺服系統(tǒng)中，前向控制通道中也要加入速度給定濾波、電流給定濾波等

46、濾波器。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的軟件計(jì)算或判斷來減少干擾在有用信號(hào)中的比重，達(dá)到減弱或消除干擾的目的。它與模擬濾波相比有如下優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬件投入，因而成本低、可靠性高、穩(wěn)定性好，不存在各回路之間的阻抗匹配問題；可以對(duì)頻率很低的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波；在設(shè)計(jì)和調(diào)試數(shù)字濾波器的過程中，可以根據(jù)不同的干擾情況，隨時(shí)修改濾波程序和濾波方法，具有很強(qiáng)的靈活性。其主要方法有：算術(shù)平均值法、移動(dòng)平均濾波法、防脈沖干擾平均值法、數(shù)字低通濾波法等。各種數(shù)字濾波器各有優(yōu)缺點(diǎn)。在電動(dòng)機(jī)控制中，要求動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要快，因此在選用數(shù)字濾波的時(shí)候，除了考慮濾波效果外，還要考慮濾波器的濾波速度。在實(shí)際應(yīng)

47、用中，有時(shí)將幾種濾波器組合在一起使用。PWMPWM生成和功率變換驅(qū)動(dòng)接口生成和功率變換驅(qū)動(dòng)接口DSP的PWM發(fā)生電路可產(chǎn)生6路具有可編程死區(qū)和可變輸出極性的PWM信號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)值與比較單元的值相同時(shí)，產(chǎn)生的PWM信號(hào)進(jìn)入波形發(fā)生單元。再進(jìn)入死區(qū)發(fā)生單元，死區(qū)寬度從0s16s可調(diào)。系統(tǒng)中考慮到所用功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷時(shí)間，設(shè)定PWM波的死區(qū)時(shí)間為32s 。輸出邏輯控制單元控制PWM信號(hào)的極性，可設(shè)置PWM信號(hào)為強(qiáng)制高電平、強(qiáng)制低電平、激活高電平、激活低電平等4種狀態(tài)。保護(hù)和輔助功能保護(hù)和輔助功能為保證系統(tǒng)中功率變換電路及電動(dòng)機(jī)安全可靠的工作，伺服系統(tǒng)一般具備過電壓、過電流、過熱、超速、反饋斷線

48、、缺相等保護(hù)功能，且進(jìn)行鎖存。DSP為此提供了PDPINT輸入信號(hào)。實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的各種保護(hù)功能。各種故障信號(hào)由CD4078綜合后，經(jīng)光電隔離輸入到PDPINT引腳。此時(shí)DSP內(nèi)定時(shí)器立即停止計(jì)數(shù)，所有PWM輸出管腳全部呈高阻狀態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知CPU有異常情況發(fā)生。整個(gè)過程不需要程序干預(yù)，全部自動(dòng)完成。專用集成電路專用集成電路目前，永磁無刷電動(dòng)機(jī)有其專用集成電路。近年來伺服系統(tǒng)得到迅速推廣應(yīng)用的主要原因之一，是專用控制電路芯片和功率集成電路芯片的出現(xiàn)，它把控制器硬件結(jié)構(gòu)及接口和控制算法集于一體形成各種電機(jī)控制專用集成電路。賦予更多的功能，減輕設(shè)計(jì)任務(wù)，使電動(dòng)機(jī)控制更為有效。隨著電動(dòng)機(jī)應(yīng)

49、用技術(shù)越來越復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者正在通過利用電動(dòng)機(jī)控制集成電路尋求工作的簡化。電動(dòng)機(jī)控制集成化的一個(gè)理由是使用者容易獲得最佳的硬件軟件解決方案，人們可用最小的開發(fā)時(shí)間，就能將其最終產(chǎn)品在市場上銷售。事實(shí)上，許多伺服電動(dòng)機(jī)在消費(fèi)、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的市場競爭中，以更短時(shí)間推向市場這個(gè)因素變得更具有決定性。電機(jī)控制集成電路市場主要包括：工業(yè)自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備、汽車、家用電器、消費(fèi)類產(chǎn)品、醫(yī)學(xué)設(shè)備，軍事/航空宇宙/航空和商用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。工業(yè)自動(dòng)化仍是最普遍的應(yīng)用市場，用于家用電器和消費(fèi)產(chǎn)品部分將會(huì)增加，更多的焦點(diǎn)放置在功率管理和功率變換上。目前用于電機(jī)控制的集成電路大致可以分為三大類：電機(jī)控制集

50、成電路以及專門為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的微控制器（MCU）和數(shù)字信號(hào)微處理器（DSP）集成電路。電機(jī)控制專用集成電路的出現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制的影響是深遠(yuǎn)的，它大大推動(dòng)了電機(jī)控制行業(yè)的發(fā)展，市場前景十分廣闊。但是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是數(shù)字化趨勢(shì)流行的今天，人們不會(huì)滿足于停留在模擬數(shù)字混合的時(shí)代。針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用的MCU和DSP芯片替換了曾經(jīng)充滿整個(gè)電路板的許許多多的元器件。隨著技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有功能更強(qiáng)，性能更好，適合于各種電機(jī)的專用集成電路出現(xiàn)。新型的控制策略1直接轉(zhuǎn)矩控制2非線性控制3自適應(yīng)控制4滑模變結(jié)構(gòu)控制5智能控制4 方波驅(qū)動(dòng)永磁無刷電動(dòng)機(jī)方波驅(qū)動(dòng)永磁無刷電動(dòng)機(jī) 在以方波驅(qū)動(dòng)的永磁無刷電動(dòng)機(jī)控制中,大多

51、只進(jìn)行速度閉環(huán)的控制，在要求具有動(dòng)態(tài)性能時(shí)，增加電流閉環(huán)。在整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，其速度環(huán)、電流環(huán)的調(diào)節(jié)和處理具有通用性，關(guān)鍵是PWM的輸出和換向邏輯的合成，要能保證正確的繞組換向。其速度反饋測(cè)量和磁極位置傳感只采用有限的霍爾信號(hào)，因此性能不如正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁無刷電動(dòng)機(jī)。 速度閉環(huán)控制速度閉環(huán)控制對(duì)無刷電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)范圍和速度控制精度有較高的要求，應(yīng)當(dāng)采用速度閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)速的控制由速度給定決定, 正反轉(zhuǎn)的控制由方向給定決定。在無刷電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，速度控制器的輸出信號(hào)，用作PWM的控制信號(hào)。速度給定始終為正,只有大小。一般將霍爾位置傳感器的信號(hào)加以6倍頻處理后，形成速度反饋信號(hào)。反饋信號(hào)

52、始終為正,也只有大小。方向給定和霍爾位置傳感器信號(hào)的組合形成換相邏輯控制。這種控制系統(tǒng)中，一般帶有電流截止負(fù)反饋。 速度電流雙閉環(huán)控制速度電流雙閉環(huán)控制采用速度單閉環(huán)控制的無刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可以提高電動(dòng)機(jī)的速度控制精度，減小速度誤差。如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求電動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)、制動(dòng)、突加負(fù)載時(shí)速度改變小、恢復(fù)快等，單閉環(huán)系統(tǒng)就無法滿足要求了。這時(shí)，需要速度和電流的雙閉環(huán)控制，使其具有伺服的性能。與有刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)相比，無刷電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)中的電流環(huán)的結(jié)構(gòu)具有其特殊性，這里有三相電樞繞組，如采用二二導(dǎo)通方式，在不同的時(shí)刻，電動(dòng)機(jī)的電流經(jīng)過其中不同的兩個(gè)繞組，根據(jù)這一特點(diǎn)，至少必

53、須設(shè)置兩路電流傳感器（霍爾電流傳感器）。根據(jù)基爾霍夫電流定則，第三相的電流可由另外兩相的電流值計(jì)算得到。 當(dāng)1管導(dǎo)通時(shí)，A相電流iA的方向?yàn)檎?，?dāng)4管導(dǎo)通時(shí)，A相電流iA的方向?yàn)樨?fù)；當(dāng)3管導(dǎo)通時(shí)，B相電流iB的方向?yàn)檎?，?dāng)6管導(dǎo)通時(shí)，B相電流iB的方向?yàn)樨?fù)。在這里，方波電流幅值Im與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩成正比。 采用兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成雙閉環(huán)系統(tǒng)，需要對(duì)速度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)Ugi進(jìn)行“分解”，使其能夠成為A相和B相的電流的給定信號(hào)。實(shí)現(xiàn)對(duì)Ugi的“分解”的電路如圖。對(duì)Ugi“分解”，也就是A相電流的給定值i*A的形成，B相電流給定值i*B是按相同的辦法形成的，彼此互差120度電角度。在這種控制方式下，電動(dòng)

54、機(jī)換相是與控制電流波形結(jié)合在一起來實(shí)現(xiàn)的，無需專門的方向控制信號(hào)，由圖中可以看出，當(dāng)Ugi的極性反向以后，A相和B相電流的給定值都會(huì)發(fā)生180度相位移動(dòng)，所以轉(zhuǎn)矩的方向直接體現(xiàn)在Ugi的極性中。A相和B相電流反饋信號(hào)iA和iB可以由電流傳感器直接測(cè)得。A相和B相電流調(diào)節(jié)器分別是LTA、LTB，一般采用比例積分型，輸出信號(hào)分別是U*A和U*B。由反饋系統(tǒng)理論可知，U*A和U*B具有電動(dòng)機(jī)繞組相電壓控制信號(hào)的性質(zhì)，C相繞組的相電壓控制信號(hào)U*C可由以下式得到U*C=-（U*A+U*B）U*A、U*B、U*C和三角載波信號(hào)Ut進(jìn)行比較，經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)是三路PWM波，可以用其控制逆變器主電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)

55、電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，如圖24所示。采用這種三角載波比較方式實(shí)現(xiàn)電流跟蹤控制具有諧波分量固定、電流波動(dòng)小的特點(diǎn)，可以在一個(gè)三角波載波周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流的跟蹤，即實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間控制。三角波載波頻率的選擇，影響電流控制的快慢，平均的控制延時(shí)等于半個(gè)三角波載波周期，在這一延時(shí)小于電動(dòng)機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)的1/10時(shí)，可以忽略不計(jì)。無位置傳感器控制無位置傳感器控制 無位置傳感器的無刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置需要通過估計(jì)來獲得，獲取轉(zhuǎn)子位置的目的是為了換相，所以只需要估計(jì)出換相時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置。對(duì)于三相繞組的電動(dòng)機(jī)，在一個(gè)電周期內(nèi)只要估計(jì)6個(gè)時(shí)刻，相鄰兩時(shí)刻轉(zhuǎn)子位置相差60度電角度。常用方法有反電動(dòng)勢(shì)法等。無論何種方法，都只適合于電

56、動(dòng)機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行。當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度有波動(dòng)時(shí)所得的估計(jì)值誤差較大。從電動(dòng)機(jī)三相繞組的端點(diǎn)取出三相反電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過過零檢測(cè)和30度移相，得到了換向控制信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過功率放大，就可以用來驅(qū)動(dòng)逆變器主電路開關(guān)管。 常用無刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的專用芯片常用無刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的專用芯片 各國著名的半導(dǎo)體廠商推出了多種不同規(guī)格和用途的無刷電動(dòng)機(jī)專用芯片，功能齊全、性能優(yōu)良。大多數(shù)專用芯片的功率控制是采用PWM方式。電路內(nèi)設(shè)置有頻率可設(shè)定的鋸齒波振蕩器、誤差放大器、PWM比較器和溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓源等。MC33035原理與應(yīng)用是MOTOROLA公司稱之為第二代的無刷電動(dòng)機(jī)控制器專用集成電路系列。外接功率開關(guān)管器件后，可用來

57、控制三相（全波或半波）、兩相和四相無刷電動(dòng)機(jī)，還可以用作有刷直流電動(dòng)機(jī)的控制。轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼器電路；帶溫度補(bǔ)償?shù)膬?nèi)部基準(zhǔn)電源；頻率可設(shè)定的鋸齒波振蕩器；誤差放大器；脈寬調(diào)制（PWM）比較器；輸出驅(qū)動(dòng)電路；欠電壓封鎖保護(hù)、芯片過熱保護(hù)等故障輸出；限流電流；該集成電路的典型控制功能包括PWM開環(huán)速度控制、使能控制（起動(dòng)或停止）、正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動(dòng)控制，適當(dāng)加上一些外圍元件，可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。引腳號(hào)符號(hào)與功能1,2,24TBTATC集電極開路輸出，可用來驅(qū)動(dòng)三相橋上側(cè)三個(gè)功率開關(guān)。最大允許電壓為40V，最大吸入電流為50mA3正向/反向改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向4,5,6ASBSCS轉(zhuǎn)子位置傳感器輸入端7使能

58、控制邏輯高電平使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，邏輯低電平使電動(dòng)機(jī)停車8基準(zhǔn)電壓輸出典型值6.24V9電流檢測(cè)輸入電流檢測(cè)比較器的同相輸入端10振蕩器由外接定時(shí)元件決定器振蕩頻率11誤差放大器輸入同相輸入端12誤差放大器輸入反向輸入端13誤差放大器輸出在閉環(huán)控制時(shí)連接校正阻容元件，此引腳亦連接到內(nèi)部PWM比較器反相輸入端14故障信號(hào)輸出集電極開路輸出，故障時(shí)輸出低電平15電流檢測(cè)輸入反相輸入端16接地17CCVCV供給本集成電路的正電源，1030V18給下驅(qū)動(dòng)輸出提供正電源，1030V19,20,21BCBBBA下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出端2260度/120度選擇高電平對(duì)應(yīng)傳感器相差60度，低電平對(duì)應(yīng)傳感器相差120度23制動(dòng)

59、輸入邏輯低電平使電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，邏輯高電平使電動(dòng)機(jī)制動(dòng)減速功能說明MC33039電子測(cè)速原理與轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制應(yīng)用 MC33039是為無刷電動(dòng)機(jī)閉環(huán)速度控制專門設(shè)計(jì)的集成電路，系統(tǒng)不必使用較高價(jià)格的電磁式或光電式測(cè)速機(jī)，就可實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速控制。它直接利用三相式無刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器三個(gè)輸出信號(hào)，經(jīng)F/V變換成正比于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓。1、2、3腳接收位置傳感器三個(gè)信號(hào)，經(jīng)有滯后的緩沖電路，以抑止輸入噪聲。經(jīng)“或”運(yùn)算得到相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)每對(duì)極下6個(gè)脈沖的信號(hào)。再經(jīng)有外接定時(shí)元件和的單穩(wěn)電路，從5腳輸出的信號(hào)的占空比與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，其直流分量與轉(zhuǎn)速成正比。此信號(hào)再外接低通濾波器處理后，即可得到與轉(zhuǎn)速成正

60、比的測(cè)速電壓。引腳號(hào)符號(hào)與功能1、2、3ABC連接電機(jī)的位置傳感器4A引腳3的反向信號(hào)5outf678TTCR外接定時(shí)元件TR和TCGnd接地Vcc外接電源輸出測(cè)速信號(hào)，其直流分量與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比功能說明MC33039/MC33035組成的三相全波無刷電動(dòng)機(jī)閉環(huán)速度控制系統(tǒng)MC33035其本身只能對(duì)電機(jī)的開環(huán)控制，對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制電路中，需要一個(gè)與電機(jī)速度成正比的輸入電壓，這通常是由一個(gè)測(cè)速計(jì)來獲得電機(jī)速度的反饋電壓。這里用一片MC33039來代替，從而大大提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。MC33039的電源電壓為6.25V，由MC33035的第8腳提供?；魻杺鞲衅餍盘?hào)連到MC33035的轉(zhuǎn)子位置譯碼器，