1、無刷電機驅(qū)動設計西安微電機研究所白新力電話13279361765電子信箱： BXL1963163.COM概論概論 伺服電動機控制系統(tǒng)即伺服系統(tǒng)（伺服控制技術）是自動化學科中與產(chǎn)業(yè)部門聯(lián)系最緊密、服務最廣泛的一個分支。自從第二次世界大戰(zhàn)期間雷達和火炮伺服系統(tǒng)出現(xiàn)以來，在近半個世紀中，伺服控制技術及其系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等各個領域都得到了廣泛的應用。伺服控制經(jīng)歷了發(fā)電機-電動機系統(tǒng)、交磁電機擴大機控制、晶閘管控制、集成電路控制、計算機控制的發(fā)展過程，至今已經(jīng)進入一個全新的鼎盛時期。反映這一時期的現(xiàn)代伺服控制技術及其系統(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）技術在伺服功率驅(qū)動中的廣泛應用；微處理機特別是數(shù)字信號微處理器（DSP）在伺服系統(tǒng)中的普遍應用，使得現(xiàn)代控制理論逐漸工程實用化；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，以便于計算機控制的方向發(fā)展；伺服控制系統(tǒng)的可靠性設計及其診斷技術伴隨著系統(tǒng)功能、性能及其復雜化程度的升級而受到人們的普遍重視。永磁無刷電動機系統(tǒng)永磁無刷電動機系統(tǒng) 永磁無刷電動機（BLDCM），采用半導體功率開關器件（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的換向器和電刷部分，以電子換相代替機械換向，從而提高了可靠性。它的外特性和一

3、臺有刷直流電動機相似。 BLDCM 具有普通直流電動機相似的線性機械特性和線性轉(zhuǎn)矩 / 電流特性，其優(yōu)點已為人們普遍認識，故應用越來越廣泛。永磁無刷電動機由電機和驅(qū)動器兩部分組成。電機部分的結構是定子上有多相繞組，轉(zhuǎn)子上鑲有永久磁鐵。因此，永磁無刷電動機可看成是由專門的電子逆變器驅(qū)動的有位置傳感器反饋控制的交流同步電動機。 永磁無刷電動機的電樞繞組同交流電機的繞組一樣，采用多相型式，經(jīng)由驅(qū)動器接到直流電源上，定子采用位置傳感器實現(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。 永磁無刷電動機的控制模式分為兩大類：方波驅(qū)動正弦波驅(qū)動 方波驅(qū)動時，其驅(qū)動電流為近似矩形

4、波 正弦波驅(qū)動時，其驅(qū)動電流為正弦波方波驅(qū)動永磁無刷電動機工作原理方波驅(qū)動永磁無刷電動機工作原理 以兩相導通星形三相六狀態(tài)運行說明以兩相導通星形三相六狀態(tài)運行說明方波驅(qū)動永磁無刷電動機的工作原理。圖方波驅(qū)動永磁無刷電動機的工作原理。圖所示為兩極方波驅(qū)動三相永磁無刷電動機所示為兩極方波驅(qū)動三相永磁無刷電動機系統(tǒng)，定子電樞繞組為三相星形聯(lián)結，位系統(tǒng)，定子電樞繞組為三相星形聯(lián)結，位置傳感器與電動機同軸連接。控制電路對置傳感器與電動機同軸連接。控制電路對位置信號進行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，位置信號進行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，控制逆變器的功率開關管，使電動機的各控制逆變器的功率開關管，使電動機的各相繞組

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，電機有六種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導通，每相繞組的導通時間對應于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120度電角度。把永磁無刷電動機的這種工作方式稱為兩相導通星形三相六狀態(tài)運行。這是三相方波運行永磁無刷電動機最常用的一種工作方式。觀察觀察課件課件正弦波驅(qū)動無刷電動機的工作原理正弦波驅(qū)動無刷電動機的工作原理 正弦波驅(qū)動要求電動機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，使電動機轉(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，使電動機的反電勢和電流相位相同，A、B、C三相繞組的反電動勢和相電流可以表示如下)(Ee)(EeEecba32sin232sin2sin2)(Ii)(IiIia32sin232sin2sin2cbea 、eb 、ec為相反電動勢；ia 、ib 、ic為相電流；E 為相反電動勢有效值；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 電動機的電磁功率可表示為：EIieieiePccbbaaem3IEPTeme3 對一臺制造好的電動機，E /為定值。上式表明，正弦波驅(qū)動的無刷電動機具有線性

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，理論上轉(zhuǎn)矩波動為零。正弦波驅(qū)動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)角無關的恒定輸出轉(zhuǎn)矩，實際上可以做到3%以下的轉(zhuǎn)矩波動，有良好的低速平穩(wěn)性，同時也大大改善了在中、高速大轉(zhuǎn)矩時的特性，但它對電動機設計、轉(zhuǎn)子位置傳感器提出了更高要求，驅(qū)動器電路更加復雜，成本更高。1 無刷電機驅(qū)動作用及組成 在自動控制系統(tǒng)中，把輸出量能夠以一定準確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動系統(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，驅(qū)動被控對象跟隨指令運動，并保證動作的快速和準確，這就要求高質(zhì)量的 速度和位置伺服。一般較復

8、雜自動控制系統(tǒng)的精度和速度等技術指標往往取決于其中所使用的伺服電動機控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)組成方框圖 開環(huán)運行方框圖 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 伺服電動機 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。高性能而價格適宜的永磁材料，為提高電動機的伺服性能和實用化提供了條件。由于轉(zhuǎn)子上沒有勵磁繞組，由永磁體產(chǎn)生磁場，因而不需要引入勵磁電流，電動機內(nèi)部的發(fā)熱只取決于電樞電流。在電動機的定子鐵心上繞有三相電樞繞組，接在伺服驅(qū)動器上。在結構上，定子鐵心直接裸露于外界空間，因此散熱

9、情況良好，也使電動機易于實現(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。在永磁無刷電動機中還包括轉(zhuǎn)子位置傳感器，其作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于定子繞組的位置，為驅(qū)動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、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。無位置傳感器檢測是通過檢測和計算與轉(zhuǎn)子位置有關的物理量而間接地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，主要有反電動勢檢測法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法和瞬時電壓方程法等。一般采用霍爾元件檢測轉(zhuǎn)子位置的為最多，而正弦波驅(qū)動時則采用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器等高精度位置傳感器。實際上，這些功能可用一個光電編碼器或旋轉(zhuǎn)

10、變壓器來完成，至少一個檢測器需要完成兩種功能。多種功能用一個傳感器來實現(xiàn)，可以減小電動機的軸向尺寸，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，其主要作用是檢測伺服電動機繞組的電流，進行電流有效控制。 驅(qū)動器 接受控制指令，可實現(xiàn)對電動機的轉(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。控制部分主要由三閉環(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的基準信號產(chǎn)生、反饋信號的檢測、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、是為了能進行穩(wěn)定的速度控制，以使其在定位時不產(chǎn)生振蕩。在伺服系統(tǒng)中，為了進行位置控制，要求速度環(huán)能有快速響應速度指令的能力，并且在穩(wěn)態(tài)時具有良好特性硬度，對各種擾動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和反饋信號，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，以適應對電流瞬時值跟蹤控制的要求。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）控制信號的驅(qū)動下，將輸入的直流電變換成可調(diào)的直流或交流電，輸入到伺服電動機的電樞繞組中，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，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，對應于不同的伺服電動機雖然其工作原理有所不同，但驅(qū)動器的基本結構和控制方法以及相關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)上的擾動消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或者在輸入指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。2精度高 精度是伺服系統(tǒng)的一項重要的性能要求

13、。它是指其輸出量復現(xiàn)輸入指令信號的精確程度3快速響應性好 快速響應性是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的另一項重要指標。快速響應性有兩方面含義，一是指動態(tài)響應過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態(tài)響應過程結束的迅速程度2 功率變換（逆變技術） 與整流相對應，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載a)b)tS1S2S3S4i

14、ouoUduoiot1t2S1-S4是橋式電路的4個臂，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，負載電壓u uo o為正正。S1、S4斷開斷開，S2、S3閉合閉合時，負載電壓u uo o為負負。直流電交流電改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率。改變兩組開關切換時間長短（PWM)，可改變輸出交流電流大小和方向。a)b)tuoiot1t2電阻負載電阻負載時，負載電流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感負載阻感負載時，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支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程。開通：適當?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使器件

15、開通。關斷：全控型器件可通過門極關斷。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 PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脈寬調(diào)制技術：即通過對一系列脈沖的寬度進行調(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)制技術應用于交流變頻器。全控型器件的發(fā)展使得實現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM控制技術正是有賴于在逆變電路中的成功應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。現(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術，在電力電子領域有著廣泛的應用，并對電力

16、電子技術產(chǎn)生了十分深遠影響的一項技術。IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善，給PWM控制技術提供了強大的物質(zhì)基礎。PWM控制的基本思想1）重要理論基礎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，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。 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正弦半波OutOwtUd-Ud對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效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，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。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）三角波與基準三角波與基準正弦波疊加正弦波疊加（比較器）（比較器）SPWM調(diào)制波調(diào)制波基準正弦波基準正弦波(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-+時，輸出為低電平。與交點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、預測PWM、隨機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，常采用六個二級管橋式整流器結構將交流變?yōu)橹绷鳎妷悍挡蛔儭?為逆變器的供電。UI 逆變器 由六個功率開關器件組成，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)律導通、截

20、止，輸出一系列功率級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SPWM電壓，使電機轉(zhuǎn)動。 功率開關器件還可采用：功率場效應晶體管MOSFET、絕緣門極晶體管IGBT等。 為使伺服電動機具有伺服的性能，就是利用逆變技術，使伺服電動機繞組產(chǎn)生所需要的具有一定幅值和相位的電流波形，從而達到線性控制轉(zhuǎn)矩的作用。在永磁無刷電動機中，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隨之改變。如果僅改變?nèi)嗾抑噶钚盘柕姆担敵龅幕ǚ狄搽S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抑噶钚盘柕南嘈颍敵鋈嘟涣麟妷夯螂娏鞯南嘈蛞搽S之改變，因此，很容易改變伺服電動機的轉(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 要有一個三角波發(fā)生器和一個快速電壓比較器。由于數(shù)字信號微處理器（DSP）技術的發(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，可方便的應用于各種伺服電動機控制系統(tǒng)中。基于對電動機磁鏈跟蹤控制原理出現(xiàn)的“電壓空間矢量SVPWM”方法，對逆變器的控制而言亦完全不同于SPWM的概念，這種方法是從電動機的角度出發(fā)

23、，其目的使電動機產(chǎn)生圓形磁場，被應用于正弦波永磁無刷電動機中。采用SPWM工作原理來控制逆變器的6個功率管開關，具有以下特點：1）最低次諧波頻率高，因而僅靠電動機的繞組本身的電感，就足以使電流成為相當光滑的正弦波。適當提高載波頻率，可以起到減少電流脈動的效果，從而提高了運行的平穩(wěn)性。2）基波分量幅值與調(diào)制系數(shù)成正比關系。所以，調(diào)節(jié)代表指令信號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通損耗和開關損耗。功率管飽和壓降所產(chǎn)生的功率損耗與工作頻率無關，而開關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 逆變器的開關工作頻率不宜過高。當伺服電動機一

24、旦確定后，開關工作頻率也不宜過低，負則會引起過流，無法正常起動。當逆變器的功率開關器件確定后，開關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)矩的脈動來看，開關工作頻率越高越好。實際上，開關工作頻率過高，電流或轉(zhuǎn)矩的脈動雖可減少，但可能達不到要求的電流幅值。因此，最高開關工作頻率只要能滿足要求的電流脈動即可。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

25、電動機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升（生）電壓”。儲能的增加量基本上等于運動系統(tǒng)在制動時釋放的全部動能。應按制動儲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)所需的電容量達到數(shù)千微法。在大電容量或負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，可以采用制動電阻來消耗掉部分動能。電阻的分流電路靠開關器件在泵升電壓達到允許數(shù)值時接通。 在伺服系統(tǒng)中，逆變器中的功率開關器件并不是理想的開關，存在導通的延時和關斷的延時

26、。為了保證逆變電路的安全工作，必須在同一相上、下兩個橋臂開關器件的通斷信號之間設置一段死區(qū)時間（或稱時滯），即在上（下）橋臂器件得到關斷信號后，要留出一定時間以后才允許給下（上）橋臂器件送入導通信號，以防止其中一個器件尚未完全關斷時，另一個器件已經(jīng)導通，而導致上、下兩橋臂器件同時導通，產(chǎn)生逆變器直流側(cè)被短路的事故。死區(qū)時間的長短因開關器件而異，一般對功率開關器件IGBT及IPM為25s。死區(qū)時間的存在顯然會使逆變器不能完全精確地復現(xiàn)PWM控制信號的理想波形，或產(chǎn)生更多的諧波，或使電流、磁鏈跟蹤性能變差，總之，會影響伺服系統(tǒng)的運行性能。改善死區(qū)的影響是采取對死區(qū)的補償。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器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有多種故障檢測電路，并可將檢測信號送到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)動電路及快速保護電路構成。即使發(fā)生負載事故或使用不當，也可以使IPM自身不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開關元件，并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結構。以其高可靠性、使用方便，尤其適合于驅(qū)動器主電路的一種非常理想的電力電子器件。使用時只需用少量連線，提供控制部分的電源，輸入相應開關量控制信號即可，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 控制技術控制技術數(shù)字信號微處理器數(shù)字信號微處理器將

28、實時處理能力和控制器外設集于一身的電機控制專將實時處理能力和控制器外設集于一身的電機控制專用高性能數(shù)字信號微處理器（用高性能數(shù)字信號微處理器（DSP），其強大的數(shù)據(jù)處理），其強大的數(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)絡理論等一些復雜算法數(shù)字化得以實現(xiàn)，控制策略得到優(yōu)化，而且一些復雜算法數(shù)字化得以實現(xiàn)，控制策略得到優(yōu)化，而且面向電機控制的片內(nèi)外設，使控制系統(tǒng)硬件結構得到簡化，面向電機控制的片內(nèi)外設，使控制系統(tǒng)硬件結構得到簡化，整個系統(tǒng)的性能得到顯著提高。其單周期乘、加運算能力，整個系統(tǒng)的性能得到顯著提高。其單周期乘、加運算能力，可以

29、優(yōu)化與縮短反饋回路，從而有助于實現(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，減小電機振動、延長電機壽命。相對傳統(tǒng)單片機而言，減小電機振動、延長電機壽命。相對傳統(tǒng)單片機而言，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。基于基于DSP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)的結構大為簡化，具有良好的動、靜態(tài)性能，且在使

30、系統(tǒng)的結構大為簡化，具有良好的動、靜態(tài)性能，且在外界參數(shù)大范圍變化的情況下表現(xiàn)出很強的魯棒性。外界參數(shù)大范圍變化的情況下表現(xiàn)出很強的魯棒性。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，離不開電機繞組電在伺服系統(tǒng)控制中，離不開電機繞組電流的測量。此反饋信號對電動機的運行特流的測量。此反饋信號對電動機的運行特性有著重要的影響。常用的電流測量方法性有著重要的影響。常用的電流測量方法有電阻片、霍爾傳感器等。雖然電阻片能有電阻片、霍爾傳感器等。雖然電阻片能實現(xiàn)交直流及任意信號波形的測量，但由實現(xiàn)交直流及任意信號波形的測量，但由于測量反饋電路與主電路沒有隔離及受溫于測量

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量電流的衡原理測量電流的 。 一次被測電流多采用穿線式。將被測電機繞組線電流的導線由傳感器模塊中間的孔穿過（單匝或多匝）即可得到測量電流 ，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。當被測電流小時，可以通過增加一次穿線匝數(shù)提高測量精度。但同時需要注意，一次匝數(shù)增多后會降低響應速度。當一次接線由單匝增至兩匝后，響應速度則由

32、0.1s增至1s。此外，一次穿線與模塊耦合不緊也會降低響應速度 全數(shù)字伺服系統(tǒng)電流反饋測量電路。采用變比為1：1000霍爾元件檢測主電路電流信號。在DSP中，由于A/D輸入信號范圍為0V3.3V，因此必須將霍爾元件輸出的小電流信號首先變換為電壓信號，再經(jīng)放大濾波后進人AD通道進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把其數(shù)字量適當定標，并疊加偏移量后，得到合適的數(shù)字信號。在A/D轉(zhuǎn)換結束的時候，向CPU發(fā)中斷請求，CPU對該數(shù)字信號進行處理。如果每隔50s，DSP控制器對反饋電流進行采樣，則可實現(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電流的調(diào)節(jié)控制就是對轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)控制。采用霍爾電流傳感器對電樞電流進行無接觸

33、檢測，測得的電流值作為反饋信號與電流的指令信號進行比較而得電流誤差。由電流調(diào)節(jié)器按電流誤差進行調(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法是在設定的采樣周期內(nèi)記錄反饋脈沖的個數(shù)。反饋脈沖數(shù)與電動機的轉(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周期內(nèi)所測得的高頻脈沖個數(shù)來測量電動機轉(zhuǎn)速。在DSP中，正交編碼脈沖輸入單元(QEP)能對脈沖前后沿進行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機轉(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，速度指令信號與由測速元件取得的速度反饋信號進行比較而得速度誤差值，由速度調(diào)節(jié)器按速度誤差進行調(diào)節(jié)控制，其輸出作為電流控制器的輸入信號。使電動機轉(zhuǎn)速快速跟隨指令值變化。穩(wěn)態(tài)時速度無靜差，動態(tài)時限制轉(zhuǎn)速超調(diào)。同時，由于轉(zhuǎn)速負反饋的作用，會大大減小負載變化對轉(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，一般位置反饋信號從安裝于伺服電動機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，位置反饋的實現(xiàn)具有與速度的反饋相同的QEP單元。對光電編碼器進行四倍頻和正反向自動計數(shù)，該數(shù)值在規(guī)定的字節(jié)長度內(nèi)，與電動機的轉(zhuǎn)角位置一一對應。同時，光電編碼器還輸出U、V和W三路脈沖信號。這三路信號彼此相差120度，且一轉(zhuǎn)內(nèi)的周期數(shù)與電動機的極對數(shù)一致。此信號主要用來檢測永磁無刷電動機上電時轉(zhuǎn)子磁極的初始位置，一旦初始位置確定，A、B信號計數(shù)指明轉(zhuǎn)子磁極的細節(jié)位置。旋轉(zhuǎn)變壓器本身具有結構堅固耐用、抗沖擊、可通過控制電路較容易改變分辨率等特點，常用在軍事等領域。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，其信號處理電路比較復雜，通常采用一

36、種稱為R/D轉(zhuǎn)換器的電路進行數(shù)字量轉(zhuǎn)化，供系統(tǒng)使用，系統(tǒng)也必須同時向旋變提供一路定子線圈的勵磁信號。但是R/D輸出分辨率與跟蹤速度成反比，電機在最高轉(zhuǎn)速下的運行必然帶來R/D輸出分辨率下降，靈敏度降低。伺服電機的轉(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計與參數(shù)的合理匹配來滿足采樣信號靈敏度與穩(wěn)定性的協(xié)調(diào)一致，以達到位置信號跟蹤的要求。位置控制器位置控制器 按照位置控制的要求，位置反饋信號必須跟隨位置指令信號的變化而變化。位置控制器按設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)律進行調(diào)節(jié)，使其在最短時間內(nèi)達到零。位置控

37、制器保證系統(tǒng)對位置指令信號的快速跟蹤，實現(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機系統(tǒng)中常用的位置傳感器不但要完成電機轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測，同時要實現(xiàn)速度測量與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角檢測。但目前并不是所有的位置傳感器都能同時完成這些功能的，有的檢測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，要針對具體控制對象要求，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 光電編碼器的特點是數(shù)據(jù)處理

38、電路簡單。因為是數(shù)字信號，所以噪聲容限較大，容易實現(xiàn)高分辨率，檢測精度高。其缺點是不耐沖擊及振動，容易受溫度變化影響，適應環(huán)境能力較差。光電編碼器廣泛用于各類伺服電動機的速度和位置檢測。 信號處理裝置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、半導體磁阻效應型、強磁體磁阻效應型等。磁性編碼器在數(shù)控機床主軸拖動中已經(jīng)得到了應用，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)點是：適應環(huán)境能力強、耐高溫、耐

39、油污、功耗低、傳感器結構簡單、成本低、堅固耐用、響應速度快，非常適用于高速旋轉(zhuǎn)運動場合使用。缺點是制成高分辨率有一定的困難。霍爾集成電路霍爾集成電路 霍爾元件是一種利用霍爾效應原理制成的半導體器件。 分立霍爾元件輸出的電動勢信號較低，使用時需要較多的外圍電路。霍爾集成電路是將有關外圍電路和霍爾元件集成在一起，組成一個有源的磁敏集成電路。通常將霍爾元件、放大器、溫度補償電路、輸出級、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型兩大類。霍爾集成電路在使用中必須有外加磁場，并且對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、壓與外磁場強度呈線性關系。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、溫度補償電路、信號發(fā)生器和集電極開路輸出極制作在一個硅片上。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)變壓器的特點是結構堅固、耐用、抗振動沖擊能力強、可在高溫下工作，具有很強的環(huán)境適應能力，可通過控制電路較容易改變分辨率，缺點是信號處理電路復雜，可以作為磁極位置、電動機速度和系統(tǒng)位置檢測用。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)學表達式可以表示成： sinkEER2R1S3-S1coskEER2R1S4-S2(次極Sin相輸出)(次極Cos相輸出) ER1-R2為初極勵磁電壓，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。tsinEE0R2-R1w其中： （E0 為勵磁電壓幅值） 旋變解碼時將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=，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計的。 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機的無位置傳感器控制方法，如反電動勢檢測法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法、瞬時電壓方程法等。利用反電動勢檢測轉(zhuǎn)子位置是目前最常見和應用最廣泛的一種方法。對于最常見的兩相導通星形三相六狀態(tài)工作方式，除了換相的瞬間之外，在任意時刻，電機總有一相繞組處于斷電狀態(tài)。當斷電相繞組的反電動勢過零點之后，再經(jīng)過30度電角度，就是該相的換相點

43、。因此，只要檢測到各相繞組反電動勢的過零點，就可確定電機的轉(zhuǎn)子位置和下次換流的時間。反電動勢法的缺陷是當電機在靜止或低速運行時，反電動勢為零或太小，因而無法利用，一般采用專門的起動電路，使電機以他控變頻方式起動，當電機具有一定的初速度和電動勢后，再切換到自控變頻狀態(tài)。這個過程稱為三段式起動，包括轉(zhuǎn)子定位、加速和運行狀態(tài)切換三個階段數(shù)字數(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)器改進的數(shù)字改進的數(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勢的擾動。在速度變化過程中，必須依靠積分作用抑制反電動勢，使電樞電流快速跟隨給定值，以保證最大的起動和制動電流。因此，在轉(zhuǎn)速偏差大時，電流調(diào)節(jié)器應選用較大的Kp和KI參數(shù)，使實際電流能迅速跟隨給定值。在轉(zhuǎn)速偏差較小時，過大的Kp和KI又將導致輸出電流的振蕩，增加速度控制器的負擔，嚴重時還將導致轉(zhuǎn)速的振蕩。分段PI算法可以解決動態(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)間進行切換數(shù)字濾波技術數(shù)字濾波技術全

45、數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測量值是通過對系統(tǒng)的輸出量進行采樣而得到的。它與給定值之差形成偏差信號，所以，測量值是決定偏差大小的重要數(shù)據(jù)。測量值如果不能真實地反映系統(tǒng)的輸出，控制系統(tǒng)就失去它的作用。在實際中，對電動機輸出的測量值常混有干擾噪聲。用混有干擾的測量值作為反饋信號，將引起系統(tǒng)誤動作，在有微分控制環(huán)節(jié)的系統(tǒng)中還會引起系統(tǒng)振蕩，因此危害極大。干擾噪聲可分為周期性和隨機性兩類。對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；但對于低頻周期性干擾和隨機性干擾，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算或判斷來減少干擾在有用信號中的比重，達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：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；可以對頻率很低的信號實現(xiàn)濾波；在設計和調(diào)試數(shù)字濾波器的過程中，可以根據(jù)不同的干擾情況，隨時修改濾波程序和濾波方法，具有很強的靈活性。其主要方法有：算術平均值法、移動平均濾波法、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。在電動機控制中，要求動態(tài)響應速度要快，因此在選用數(shù)字濾波的時候，除了考慮濾波效果外，還要考慮濾波器的濾波速度。在實際應

47、用中，有時將幾種濾波器組合在一起使用。PWMPWM生成和功率變換驅(qū)動接口生成和功率變換驅(qū)動接口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。當計數(shù)值與比較單元的值相同時，產(chǎn)生的PWM信號進入波形發(fā)生單元。再進入死區(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器件的開通和關斷時間，設定PWM波的死區(qū)時間為32s 。輸出邏輯控制單元控制PWM信號的極性，可設置PWM信號為強制高電平、強制低電平、激活高電平、激活低電平等4種狀態(tài)。保護和輔助功能保護和輔助功能為保證系統(tǒng)中功率變換電路及電動機安全可靠的工作，伺服系統(tǒng)一般具備過電壓、過電流、過熱、超速、反饋斷線

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

49、用技術越來越復雜，系統(tǒng)設計者正在通過利用電動機控制集成電路尋求工作的簡化。電動機控制集成化的一個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)時間，就能將其最終產(chǎn)品在市場上銷售。事實上，許多伺服電動機在消費、商業(yè)和工業(yè)應用的市場競爭中，以更短時間推向市場這個因素變得更具有決定性。電機控制集成電路市場主要包括：工業(yè)自動化、計算機與外圍設備、汽車、家用電器、消費類產(chǎn)品、醫(yī)學設備，軍事/航空宇宙/航空和商用的電動機驅(qū)動控制。工業(yè)自動化仍是最普遍的應用市場，用于家用電器和消費產(chǎn)品部分將會增加，更多的焦點放置在功率管理和功率變換上。目前用于電機控制的集成電路大致可以分為三大類：電機控制集

50、成電路以及專門為電機控制設計的微控制器（MCU）和數(shù)字信號微處理器（DSP）集成電路。電機控制專用集成電路的出現(xiàn)對電機控制的影響是深遠的，它大大推動了電機控制行業(yè)的發(fā)展，市場前景十分廣闊。但是，隨著技術的進步，特別是數(shù)字化趨勢流行的今天，人們不會滿足于停留在模擬數(shù)字混合的時代。針對電機控制應用的MCU和DSP芯片替換了曾經(jīng)充滿整個電路板的許許多多的元器件。隨著技術的發(fā)展，會有功能更強，性能更好，適合于各種電機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自適應控制4滑模變結構控制5智能控制4 方波驅(qū)動永磁無刷電動機方波驅(qū)動永磁無刷電動機 在以方波驅(qū)動的永磁無刷電動機控制中,大多

51、只進行速度閉環(huán)的控制，在要求具有動態(tài)性能時，增加電流閉環(huán)。在整個驅(qū)動系統(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。其速度反饋測量和磁極位置傳感只采用有限的霍爾信號，因此性能不如正弦波驅(qū)動的永磁無刷電動機。 速度閉環(huán)控制速度閉環(huán)控制對無刷電動機的速度調(diào)節(jié)范圍和速度控制精度有較高的要求，應當采用速度閉環(huán)的控制結構。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。在無刷電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，速度控制器的輸出信號，用作PWM的控制信號。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加以6倍頻處理后，形成速度反饋信號。反饋信號

52、始終為正,也只有大小。方向給定和霍爾位置傳感器信號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)控制的無刷電動機控制系統(tǒng)可以提高電動機的速度控制精度，減小速度誤差。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求電動機快速起動、制動、突加負載時速度改變小、恢復快等，單閉環(huán)系統(tǒng)就無法滿足要求了。這時，需要速度和電流的雙閉環(huán)控制，使其具有伺服的性能。與有刷直流電動機雙閉環(huán)系統(tǒng)相比，無刷電動機雙閉環(huán)系統(tǒng)中的電流環(huán)的結構具有其特殊性，這里有三相電樞繞組，如采用二二導通方式，在不同的時刻，電動機的電流經(jīng)過其中不同的兩個繞組，根據(jù)這一特點，至少必

53、須設置兩路電流傳感器（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算得到。 當1管導通時，A相電流iA的方向為正，當4管導通時，A相電流iA的方向為負；當3管導通時，B相電流iB的方向為正，當6管導通時，B相電流iB的方向為負。在這里，方波電流幅值Im與電動機轉(zhuǎn)矩成正比。 采用兩個電流調(diào)節(jié)器構成雙閉環(huán)系統(tǒng)，需要對速度調(diào)節(jié)器的輸出信號Ugi進行“分解”，使其能夠成為A相和B相的電流的給定信號。實現(xiàn)對Ugi的“分解”的電路如圖。對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

54、機換相是與控制電流波形結合在一起來實現(xiàn)的，無需專門的方向控制信號，由圖中可以看出，當Ugi的極性反向以后，A相和B相電流的給定值都會發(fā)生180度相位移動，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iA和iB可以由電流傳感器直接測得。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具有電動機繞組相電壓控制信號的性質(zhì)，C相繞組的相電壓控制信號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Ut進行比較，經(jīng)過調(diào)制后的信號是三路PWM波，可以用其控制逆變器主電路，實現(xiàn)對

55、電動機的驅(qū)動，如圖24所示。采用這種三角載波比較方式實現(xiàn)電流跟蹤控制具有諧波分量固定、電流波動小的特點，可以在一個三角波載波周期內(nèi)實現(xiàn)電流的跟蹤，即實現(xiàn)最短時間控制。三角波載波頻率的選擇，影響電流控制的快慢，平均的控制延時等于半個三角波載波周期，在這一延時小于電動機機電時間常數(shù)的1/10時，可以忽略不計。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機的轉(zhuǎn)子位置需要通過估計來獲得，獲取轉(zhuǎn)子位置的目的是為了換相，所以只需要估計出換相時刻的轉(zhuǎn)子位置。對于三相繞組的電動機，在一個電周期內(nèi)只要估計6個時刻，相鄰兩時刻轉(zhuǎn)子位置相差60度電角度。常用方法有反電動勢法等。無論何種方法，都只適合于電

56、動機穩(wěn)速運行。當電動機速度有波動時所得的估計值誤差較大。從電動機三相繞組的端點取出三相反電動勢，經(jīng)過過零檢測和30度移相，得到了換向控制信號，此信號經(jīng)過功率放大，就可以用來驅(qū)動逆變器主電路開關管。 常用無刷電動機驅(qū)動控制的專用芯片常用無刷電動機驅(qū)動控制的專用芯片 各國著名的半導體廠商推出了多種不同規(guī)格和用途的無刷電動機專用芯片，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)設置有頻率可設定的鋸齒波振蕩器、誤差放大器、PWM比較器和溫度補償基準電壓源等。MC33035原理與應用是MOTOROLA公司稱之為第二代的無刷電動機控制器專用集成電路系列。外接功率開關管器件后，可用來

57、控制三相（全波或半波）、兩相和四相無刷電動機，還可以用作有刷直流電動機的控制。轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼器電路；帶溫度補償?shù)膬?nèi)部基準電源；頻率可設定的鋸齒波振蕩器；誤差放大器；脈寬調(diào)制（PWM）比較器；輸出驅(qū)動電路；欠電壓封鎖保護、芯片過熱保護等故障輸出；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（起動或停止）、正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動控制，適當加上一些外圍元件，可實現(xiàn)軟起動。引腳號符號與功能1,2,24TBTATC集電極開路輸出，可用來驅(qū)動三相橋上側(cè)三個功率開關。最大允許電壓為40V，最大吸入電流為50mA3正向/反向改變電動機轉(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機起動，邏輯低電平使電動機停車8基準電壓輸出典型值6.24V9電流檢測輸入電流檢測比較器的同相輸入端10振蕩器由外接定時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故障信號輸出集電極開路輸出，故障時輸出低電平15電流檢測輸入反相輸入端16接地17CCVCV供給本集成電路的正電源，1030V18給下驅(qū)動輸出提供正電源，1030V19,20,21BCBBBA下側(cè)驅(qū)動輸出端2260度/120度選擇高電平對應傳感器相差60度，低電平對應傳感器相差120度23制動

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

60、比的測速電壓。引腳號符號與功能1、2、3ABC連接電機的位置傳感器4A引腳3的反向信號5outf678TTCR外接定時元件TR和TCGnd接地Vcc外接電源輸出測速信號，其直流分量與電機轉(zhuǎn)速成正比功能說明MC33039/MC33035組成的三相全波無刷電動機閉環(huán)速度控制系統(tǒng)MC33035其本身只能對電機的開環(huán)控制，對電機的閉環(huán)控制電路中，需要一個與電機速度成正比的輸入電壓，這通常是由一個測速計來獲得電機速度的反饋電壓。這里用一片MC33039來代替，從而大大提高了系統(tǒng)的性價比。MC33039的電源電壓為6.25V，由MC33035的第8腳提供。霍爾傳感器信號連到MC33035的轉(zhuǎn)子位置譯碼器，