基于DSP無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 無刷直流電動機(jī)
本文針對有刷直流電動機(jī)存在換向火花、機(jī)械換向困難、磨損嚴(yán)重等缺點(diǎn)，提出了采用無刷直流機(jī)來代替有刷直流電動機(jī)，來提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量,本文設(shè)計(jì)了無刷直流機(jī)的數(shù)字控制方法。由于DSP具有處理數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性好和精度高等優(yōu)點(diǎn),所以本文控制器采用的是DSP。此系統(tǒng)的雙閉環(huán)就是通過DSP軟件編程實(shí)現(xiàn)的，比起以往的用模擬器件實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)，其整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單、控制精度高并且具有很強(qiáng)的靈活性，系統(tǒng)可根據(jù)用戶的控制要求只需更改設(shè)定參數(shù)（即指令操作數(shù)）就可以實(shí)現(xiàn)其控制結(jié)果。
本文對無刷直流機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理做了簡單的介紹，以為了更好地理解無刷直流機(jī)控制系統(tǒng)。雖然用位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置的方法比較直接，但位置傳感器必須安裝在電動機(jī)軸上，使電動機(jī)更加笨重，并且增加了整個系統(tǒng)的機(jī)械磨損等，所以本文采用了無位置傳感器方法來獲得轉(zhuǎn)子位置信號,本文采用反電勢檢測法。為了使整個系統(tǒng)能夠可靠運(yùn)行，因而采用了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)都采用PI調(diào)節(jié)器。
1.1 無刷直流機(jī)的結(jié)構(gòu)
無刷直流機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的,具有一定磁極對數(shù)的永磁體。為了能產(chǎn)生梯形波感應(yīng)電動勢，無刷直流機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的形狀呈弧形（瓦片狀），氣隙磁場呈梯形分布。定子上有電樞，這一點(diǎn)與永磁有刷直流電動機(jī)正好相反。無刷直流機(jī)的定子電樞繞組采用整距集中式繞組，繞組的相數(shù)有二、三、四、五相，但應(yīng)用最多的是三相和四相。各項(xiàng)繞組分別與外部的電子開關(guān)電路相連，開關(guān)電路中的開關(guān)管受位置傳感器的信號控制。
無刷直流機(jī)的工作離不開電子開關(guān)的電路，因此由電動機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)電路三部分組成了無刷直流機(jī)控制系統(tǒng)。其原理框圖如圖1-1所示。圖中，直流電源通過開關(guān)電路向電動機(jī)定子繞組供電，位置傳感器隨時(shí)檢測到轉(zhuǎn)子所處位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止。從而自動地控制了哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實(shí)現(xiàn)了電子換向[4]。





圖1-1無刷直流電動機(jī)原理框圖
Fig.1-1 The diagram of block diagram of brushless DC motor
1.2 無刷直流機(jī)的工作原理
普通直流電動機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，而定子產(chǎn)生固定不動的磁場。為了使直流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，需要通過換向器和電刷不斷的改變電樞繞組中電流的方向，使兩個磁場的方向始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電動機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)。
無刷直流機(jī)為了去掉電刷，將電樞放到定子上去，而轉(zhuǎn)子做成永磁體，這樣的結(jié)構(gòu)正好與普通電動機(jī)相反。然而即使這樣改變還不夠，因?yàn)槎ㄗ由系碾姌型ㄈ胫绷麟娨院?，只能產(chǎn)生不變的磁場電動機(jī)依然轉(zhuǎn)不起來。為了使電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來，必須使定子電樞各相繞組不斷地?fù)Q相通電，這樣才能使定子磁場隨著轉(zhuǎn)子的位置不斷地變化，使定子磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場始終保持90o左右的空間角，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[5]。在換相的過程中，定子各項(xiàng)繞組在工作氣隙中所形成的旋轉(zhuǎn)磁場是跳躍式運(yùn)動。這種旋轉(zhuǎn)磁場在一周有三種狀態(tài)，每種狀態(tài)持續(xù)120o。它們跟蹤轉(zhuǎn)子，并與轉(zhuǎn)子的磁場相互作用，能夠產(chǎn)生推動轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩。


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