1、長江大學工程技術學院畢業設計(論文)題 目 名 稱基于DSP的直流無刷電機控制系統設計系 部信 息 系專 業 班 級自動化6100X班學 生 姓 名XXX指 導 教 師XX/講師輔 導 教 師時 間2013年9月至2014年6月目錄任務書I 開題報告II指導教師評審意見III評閱教師評語IV答辯記錄及成績評定V中文摘要VI英文摘要VII1 前言12 選題背景22.1 題目來源22.2 課題研究的背景22.3 課題研究目的和意義32.4 國內外現狀和發展趨勢與研究的主攻方向33 無刷直流電機的基本結構及原理63.1 什么是無刷直流電機 63.2 無刷主流電機的特點及應用63.3 無刷直流電機的工

2、作原理7 3.3.1 無刷直流電動機的基本結構8 3.3.2 無刷直流電機的工作原理 93.4 無刷直流電機的優缺點124 無刷直流電動機速度控制策略134.1 無刷直流電機的調速方法和調速性能13 4.1.1 電動機的調速方法和調速性能13 4.1.2 直流斬波器或脈寬調制變換器 14 4.2 SPWM控制技術15 4.3 無刷直流電動機轉速負反饋單比環直流調速系統165 硬件系統設計195.1 TMS320LF24X概述19 5.1.1 DSP在運動控制領域的應用19 5.1.2 TMS320LF2407A芯片的概述19 5.1.3 TMS320LF2407A 電機控制系統的反饋環節205

3、.2 硬件電路設計215.3 DSP外圍電路設計22 6 軟件系統設計326.1 硬件調試程序設計思想326.2 模塊功能的實現和流程圖32結論與展望38參考文獻39致謝40附錄（電器原理圖）41 長江大學工程技術學院畢業設計(論文)任務書 系： 信息系 專業：自動化 班級：自動化61002 學生姓名：XXX 指導教師/職稱：王宇/講師 1 畢業設計(論文)題目：基于DSP的直流無刷電機控制系統設計2 畢業設計(論文)起止時間：2013年9月10日-2014年6月1日3 畢業設計(論文)所需資料及原始數據1劉和平等編著.TMS320LF240XDSP 結構、原理及應用M.北京：北京航空航天大學

4、出版社，20022王兆安，黃俊主編.電力電子技術M.第四版.北京：機械工業出版社，2012.63王曉明，王玲電動機的DSP控制TI公司DSP 應用M.北京：北京航空航天大學出版社，20044王曉明.電動機的單片機控制M.北京:北京航空航天大學出版社，20025張深主編. 直流無刷電動機原理及應用M 北京：機械出版社，20046 湯蘊謬，史乃.電機學M.北京：機械工業出版社，2005.7王成元,夏加寬,楊俊友,孫益標.電機現代技術M.機械工業出版，20068唐萬生,劉豹. 現在控制理論M.第三版，北京：機械工業出版社,2013.39汪國梁.無刷直流電機的控制技術R.電機與控制學報，2006，10

5、（3）：1114.10陳伯時主編.電力拖動自動控制系統M.第三版.北京：機械工業出版.2012.611楊三青，王仁明等主編. 過程控制M 武漢：華中科技大學出版社，2008.212高國燊，余文杰等主編. 自動控制原理M.第三版，廣州：華南理工大學出版社，2009.913李哲英等編著.DSP 基礎理論與應用技術M.北京：北京航空航天大學出版社，200214TI Company.TMS320LF/LC240XA DSP Controllers Reference GuideSystem and Perpherals ,200115戴明楨,周建江. TMS320C54X DSP結構,原理及應用M.北

6、京:北京航空航III天大學出版社,2007.816Bateman A Stephens I.P. The DSP Handbook Algorithms Applications and Design Techniques,2003 17陳娟，許芹，基于TMS320LF2407的無刷直流電機控制系統設計J，機械工程師，2008(6):45-4618張傳友，張一主編.感測技術基礎M.第三版,北京：電子工業出版社，2011.219張一，李濤主編. 感測技術基礎M.北京：電子工業出版社，2011.220曹仁賢，茆美琴，許沐華.六輸出高壓驅動器IR2130的應用J.國外電子元件件，1996(9):30

7、-3221 蘇濤.DSP 接口電路設計及編程M.西安：西安電子科技大學出版社，20034 畢業設計(論文)應完成的主要任務(1) 查閱文獻，提出研究方案，2013年11月10日前完成開題報告。(2) 完成無刷直流電機系統的硬件電路和電機的控制策略及設計(3) 2014年3月5日前完成英文翻譯工作，內容在2萬個英文印刷字符以上。(4) 2014年5月25日前提交畢業設計（論文）初稿，要求排版格式規范，字數在15000字左右。5.任務書下達日期 2013 年 10月 18 日指導教師(簽字）: III長江大學工程技術學院 畢業設計（論文）開題報告題 目 名 稱基于DSP的直流無刷電機控制系統設計系

8、 部信息系專 業 班 級自動化61002學 生 姓 名XXX指 導 教 師XX/講師輔 導 教 師開題報告時間2013年11月25日I基于DSP的直流無刷電機控制系統設計學 生：XXX，信息系指導教師：XX，信息系一、題目來源 題目來源于生產/社會實際。二、研究（設計）目的和意義在電氣時代的今天，電動機一直在現代化的生產和生活中起著十分重要的作用。無論是在農業生產，交通運輸，國防航空技術，醫療衛生，商務與辦公設備，還是在日常生活中的家用電器都大量的使用著各種各樣的電動機。而隨著控制智能化，儀器小型化，功耗微小化等對設備要求的日益苛刻，把單片機應用于電動機的控制也越來越成為研究的焦點。無刷直流電

9、動機的主要特點：高效率，功率因子高，啟動轉矩大，啟動電流小：啟動電流小，調節范圍寬，但沒有因電刷換向器引起的缺點，電子換向取代了機械換向，適應性強。無刷直流電動機是一種自控式調速系統，它無需像普通同步電動機那樣需要啟動繞組；適合長期低速運轉、頻繁啟動的場合，在負載突變時，不會產生振蕩和失步。具有直流電動機特性、交流異步電動機的結構。無刷直流電動機控制系統是一種新型的調速系統。該系統具有良好的運行、控制及經濟性能，顯示出巨大的發展潛力。尤其值得指出的是，我國稀土資源豐富，稀土磁鋼生產已達到國際水平，如果充分利用和發揮我國在這方面的優勢，大力發展稀土永磁電機，形成無刷直流電動機系列產品，將對提高我

10、國機電產品在國際市場的競爭力，具有戰略意義。三、閱讀的主要參考文獻1劉和平等編著.TMS320LF240XDSP 結構、原理及應用M.北京：北京航空航天大學出版社，20022王兆安，黃俊主編.電力電子技術M.第四版.北京：機械工業出版社，2012.63王曉明，王玲電動機的DSP控制TI公司DSP 應用M.北京：北京航空航天大學出版社，20044王曉明.電動機的單片機控制M.北京:北京航空航天大學出版社，20025張深主編. 直流無刷電動機原理及應用M 北京：機械出版社，20046 湯蘊謬，史乃.電機學M.北京：機械工業出版社，2005.7王成元,夏加寬,楊俊友,孫益標.電機現代技術M.機械工業

11、出版，20068唐萬生,劉豹. 現在控制理論M.第三版，北京：機械工業出版社,2013.39汪國梁.無刷直流電機的控制技術R.電機與控制學報，2006，10（3）：1114.10陳伯時主編.電力拖動自動控制系統M.第三版.北京：機械工業出版.2012.611楊三青，王仁明等主編. 過程控制M 武漢：華中科技大學出版社，2008.212高國燊，余文杰等主編. 自動控制原理M.第三版，廣州：華南理工大學出版社，2009.913 李哲英等編著.DSP 基礎理論與應用技術M.北京：北京航空航天大學出版社，200214TI Company.TMS320LF/LC240XA DSP Controllers

12、 Reference GuideSystem and Perpherals ,200115戴明楨,周建江. TMS320C54X DSP結構,原理及應用M.北京:北京航空航天大學出版社,2007.816Bateman A Stephens I.P. The DSP Handbook Algorithms Applications and Design Techniques,200317陳娟，許芹，基于TMS320LF2407的無刷直流電機控制系統設計J，機械工程師，2008(6):45-4618張傳友，張一主編.感測技術基礎M.第三版,北京：電子工業出版社，2011.219張一，李濤主編. 感

13、測技術基礎M.北京：電子工業出版社，2011.220曹仁賢，茆美琴，許沐華.六輸出高壓驅動器IR2130的應用J.國外電子元件件，1996(9):30-3221 蘇濤.DSP 接口電路設計及編程M.西安：西安電子科技大學出版社，2003四、國內外現狀和發展趨勢無刷直流電機是最近發展起來結合了多學科技術的一種新型電機，結合機電一體化，具有高速度、高效率、高動態響應、高熱容量和高可靠性等優點，同時還具有低噪聲和長壽命以及低成本等特點。近年來，隨著新材料技術的發展，無刷直流電機也迅速的發展，其功率覆蓋等級較大。目前無刷電機已廣泛應用于醫療儀器、分析儀器、材料處理、過程控制、機床工業、紡織工業和輕工機

14、械等各領域。小功率無刷直流電機主要應用于工廠自動化和辦公自動化方面，如計算機外設復印機和家用電器中，它正迅速取代傳統的直流電機和異步電機。90年代以來，在高精度的數控設備中相當多地采用了永磁同步無刷電機，以取代直流伺服電機，特別是在機器人和機械手的驅動中，無刷直流電機的應用相當多。聯合國歐洲經濟委員會發表的2002年全球機器人報告預測，全球現在至少有76萬臺機器人正投入使用，在未來3年內，全球機器人的數量將接近百萬臺，目前包括中國、巴西和墨西哥在內的一些發展中國家也在工業生產中使用機器人，且需求增長十分驚人。這己經成為無刷直流電機的主要應用領域。目前國外全數字伺服系統己經部分形成系列，如德國L

15、ens公司，而寶鋼引進軋機流水線,電氣傳動基本采用了無換向器電機實現。而在這些先進數字控制系統當中，DSP成了控制器的核心器件。我們國家在這方面的研究也十分活躍，近幾年來，基于DSP控制器的無刷直流電機調速系統的研究也取得了很多成果，但是這方面的技術還很不成熟，沒有形成系列產品，主要采用國外成熟的系統。所以，基于DSP控制器的無刷直流電機調速系統的研究具有很重要的現實意義和發展前景。五、主要研究（設計）內容、關鍵問題及解決思路5.1 主要研究內容 1、根據其調速原理確定系統的控制結構、控制技術、控制策略及控制芯片等； 2、以TI公司DSPTMS320LF2407A為控制核心，結合IR公司的驅動

16、芯片 IR2130、功率開關管IRF2807，進行系統硬件電路的設計； 3、應用C語言進行系統軟件程序的編寫。 5.2 關鍵問題 1、無位置傳感器無刷直流電機控制中如何準確的檢測到轉子的位子 2、TMS320LF2407A為主控芯片的應用系統是一個混合電壓系統。 3、如何控制無刷電動機的速度5.3 解決思路1、利用反電動勢過零點檢測轉子位置信號2、對于小功率或對電源效率要求較低的時候可以采用低電壓差線性穩壓器。但是對于大功率或對電源效率要求較高的時候，則應該使用電源模塊3、利用PWM調速系統采用軟件啟動的方法來克服硬件啟動電路的缺憾六、完成畢業設計（論文）所必須具備的工作條件有關DSP芯片直流

17、無刷電動機和傳感器原理及應用結構有關方面的書籍 實驗設備：微型計算機一臺 霍爾傳感器 DSP芯片(TMS320LF2407A) 無刷直流電動機 直流斬波器或脈寬調制變換器 MC33039 MOSFET功率管IRF2807 電機控制驅動器IR2130芯片 功率開關器件IRF2807 光速隔離期間6N137七、預期成果本文采用的是DSP作為控制系統的核心。該設計方案電路簡單、可靠性強、價格便宜。系統主要包括DSP TMS320LF2047，無刷直流電動機、轉速設定與檢測，功率驅動電路、驅動保護電路、轉子位置檢測電路等。本設計總共分成六個部分：第一部分主DSP外圍電路的設計；第二部分轉子電路設計；第

18、三部分DSP電源及電壓電路的設計；第四部分驅動及逆變單元的設計，第五部分外擴存儲器接口電路設計，第六部分保護電路的設計。其原理如下圖所示。DSPTMS320LF2407無刷直流電動機轉子位置檢測電路功率驅動電路MOSFET驅動器驅動保護電路轉速設定與檢測 本次設計采用的是TI公司的電機控制專用DSP芯片（TMS320LF2407A），由該芯片控制的其無刷直流電機控制系統硬件結構簡單、軟件實現方便，系統的功耗低、控制精度高、實時性強、升級空間較大，而且能夠方便地與上位機進行數據的交換和傳輸，能夠實現的控制功能豐富。電機在開環情況下能夠很好地按設定的速度曲線運轉，在閉環情況下起動平穩、運行良好，電

19、機的正反轉控制實現簡單、反應迅速。八、工作的主要階段、進度與時間安排第一階段：2013年10月31日 2013年11月10日，查閱文獻資料，完成開題報告；第二階段：2013年11月11日 2014年12月11日：查閱相關資料及進行方案論證，做好計劃；第三階段：2014年12月12日 2014年3月5日：研究無刷電機的基本結構和原理，電動機控速策略，SPWM控制技術，TMS320LF24X系列芯片的特點，DSP在運動控制領域的應用，器件的選型第四階段：2014年3月6日 2014年3月31日：完成外文翻譯第五階段：2014年4月1日 2014年4月30日，編制軟件編程、仿真、進行軟件硬件調試與系

20、統調試；第六階段：2014年5月1日 2014年5月20日：畢業論文及相關文檔定稿、審查、評閱；第七階段：2014年6月6日 2014年6月8日：畢業設計答辯。九、指導老師審查意見:長江大學工程技術學院畢業設計(論文)指導教師審查意見學生姓名XXX專業班級自動化61002畢業設計(論文)題目 基于DSP的直流無刷電機的控制指導教師職 稱評審日期評審參考內容：畢業設計(論文)的研究內容、研究方法及研究結果，難度及工作量，質量和水平，存在的主要問題與不足。學生的學習態度和組織紀律，學生掌握基礎和專業知識的情況，解決實際問題的能力，畢業設計(論文)是否完成規定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意

21、參加答辯。評審意見： 指導教師簽名： 評定成績（百分制）：_分（注：此頁不夠，請轉反面）VI長江大學工程技術學院畢業設計(論文)評閱教師評語學生姓名XXX專業班級自動化61002畢業設計(論文)題目基于DSP的直流無刷電機的控制評閱教師職 稱評閱日期評閱參考內容：畢業設計(論文)的研究內容、研究方法及研究結果，難度及工作量，質量和水平，存在的主要問題與不足。學生掌握基礎和專業知識的情況，解決實際問題的能力，畢業設計(論文)是否完成規定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯。評語：評閱教師簽名： 評定成績（百分制）：_分長江大學工程技術學院畢業設計(論文) 答辯記錄及成績評定學生姓名

22、XXX專業班級自動化61002畢業設計(論文)題目基于DSP的直流無刷電機的控制答辯時間 年 月 日 時答辯地點一、答辯小組組成答辯小組組長：成 員：二、答辯記錄摘要答辯小組提問（分條摘要列舉）學生回答情況評判三、答辯小組對學生答辯成績的評定（百分制）：_分 畢業設計(論文)最終成績評定(依據指導教師評分、評閱教師評分、答辯小組評分和學校關于畢業設計(論文)評分的相關規定)等級(五級制)：_答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽名)： 年 月 日系答辯委員會主任(簽名)： 系 (蓋章)基于DSP的直流無刷電機控制系統設計 學 生：XXX，信息系 指導老師：王宇，長江大學工程技術學院 【摘要】傳統的

23、直流電機由于其本身固有的特性，有機械換向器和電刷從而導致電機容量有限和可靠性不高、噪音大，迫使人們探索低噪音、高效率并且大容量的驅動電機。隨著電力電子技術和微控制技術的迅猛發展而成熟起來的永磁無刷直流電機具有體積小、重量輕、效率高、噪音低、容量大且可靠性高的特點，從而使其極有希望代替傳統的直流電機成為電機的主流。 論文提出了基于DSP芯片TMS320LF2407A的永磁無刷直流電動機的控制系統設計方案。利用 DSP 系列芯片進行低成本、高智能無刷直流電動機控制系統的設計，能夠簡化系統構成、降低系統成本、增強系統性能、滿足更多應用場合的需要。 本文主要從以下幾個方面進行了分析與研究： 首先根據其

24、調速原理確定系統的控制結構、控制技術、控制策略及控制芯片等；然后以TI公司 DSPTMS320LF2407A 為控制核心，結合IR公司的驅動芯片IR2130、功率開關管IRF2807，進行系統硬件電路的設計；最后應用C語言進行系統軟件程序的編寫。 【關鍵詞】 無刷直流電機；數字信號處理器；位置傳感器；調速Design of a BLDC Motor Based on DSP Student: zhan mei jin, Department of Information Tutor: wang yu ,Engineering & Technology College of Yangtz

25、e University【Abstract】Although conventional DC motor is mechanical commentator and brush result in limited capability, low reliability, big noise .People manage to develop more quiet, high efficiency and reliability, big capability driving motor. With the development of the power-electronics and mic

26、ro-control technique, permanent-magnet brushless DC motor which has small volume, light weight, high efficiency, low noise, big capability and reliability appeared and matured, so it is hopeful to become main motor applied in our life. This dissertation presents a solution to control a permanent-mag

27、net brushless DC motor using TMS320LF2407A. This new family of DSP enables cost-effective design of intelligent controllers for brushless motors which can fulfill more conditions, consisting of fewer system components lower system cost and increased performances. The research is divided into three p

28、arts: The control structure, technology strategy and chip are confirmed by the timing principle; Based on TIs DSP-TMS320LF2407A and IRs drivingchip-IR2130 and Mosfet-IR2807the hardware circuit is designed; With assemble language of C, the software programs is written. 【Key word】Brushless DC motor; D

29、SP(digital signal processor); position sensor; Speed regulation 基于DSP的直流無刷電機控制系統設計1前言無刷直流電動機控制系統是一種新型的調速系統。該系統具有良好的運行、控制及經濟性能，顯示出巨大的發展潛力。尤其值得指出的是，我國稀土資源豐富，稀土磁鋼生產已達到國際水平，如果充分利用和發揮我國在這方面的優勢，大力發展稀土永磁電機，形成無刷直流電動機系列產品，將對提高我國機電產品在國際市場的競爭力，具有戰略意義。 本次設計中采用的是美國 TI 公司專門為電機的數字化控制設計的16位定點 DSP控制器TMS320LF2407A作為微

30、控制器。它集DSP的信號高速處理能力及適用于電機控制的優化的外圍電路于一體，可以為高性能傳動控制提供可靠高效的信號處理與控制硬件。基于DSP控制器構成的無刷直流電動機控制系統，具有傳統的單片機無刷直流電動機控制系統和專用芯片無刷直流電動機控制系統的優勢，即專用的電動機控制機制，用戶可編程，擴展能力強，功能強大等；同時又克服了它們各自的缺點，如外設和存儲器集成在芯片內，可節省印刷電路板面積、減少系統中元器件的個數、提高CPU的處理能力、提高系統可靠性等1。本設計在對永磁無刷直流電動機調速系統的發展及應用綜述的基礎上，介紹了采用DSP芯片對無刷直流電動機進行換向與轉速控制的微機控制系統。文中給出了

31、系統的總體設計方案，分析了無刷直流電機的工作原理，提出了驅動電路和控制電路的設計策略，DSP外圍電路的設計。介紹了該系統的基本結構、工作原理、運行特性及其設計方法。本設計的課題屬于實踐性質的，完成好此設計對今后的工作和學習都會有幫助的。第 III 頁 共 58 頁選題背景2 選題背景2.1 題目來源 題目來源于生產/社會實際。2.2 課題研究的背景電氣傳動是以電動機的轉矩和轉速為控制對象，按生產機械工藝要求進行電動機轉速控制的自動化系統。根據電動機的不同，工程上通常把電氣傳動分為直流電氣傳動和交流電氣傳動兩大類 。縱觀電氣傳動的發展過程，交流與直流兩大電氣傳動并存于各個時期的各大工業領域內，雖

32、然它們所處的地位和作用不同，但它們始終隨著工業技術而發展的。特別是隨著電力電子技術和微電子學的發展，在相互競爭中完善著自身，發生著變更。由于直流電機具有良好的線性調速特性，簡單的控制性能，因此在工業場合應用廣泛。近代，隨著生產技術的發展，對電氣傳動在起制動、正反轉以及調速能力、靜態特性和動態響應方面都提出了更高的要求，所以計算機控制電力拖動控制系統已成為計算機應用的一個重要內容。 直流調速系統在工農業生產中有著更為廣泛的應用。隨著計算機技術和電力電子技術的飛速發展，兩者的有機結合使電力拖動控制技術產 生了新的變化。電力電子技術、計算機技術和直流拖動技術的組合是技術領域的交叉，具有廣泛的應用前景

33、。有不少的研究者己經在用DSP作為控制器進行研究。直流調速控制系統的控制方法經歷了機械式的、雙機組式的、分立元件電路式的、集成電路式的、單片機式的發展過程。隨著數字信號處理器DSP的出現，給直流調速控制提供了新的手段和方法。將計算機技術的最新發展成果運用在直流調速系統中，在經典控制的基礎之上探討一種新的控制方法，為計算機技術在電力拖動控制系統中的應用做些研究性的工作。用計算機技術實現直流調速控制系統，計算機的選型很多。經過選擇，選取DSP芯片作為控制器。直流調速系統的內容十分豐富，有開環控制系統，有閉環控制系統；有單閉環控制系統，有雙閉環控制系統和多閉環控制系統；有可逆調速系統，有不可逆調速系

34、統等。 開展本課題研究的控制對象是閉環直流調速系統；研究目的是利用計算機硬件和軟件發展最新成果，對控制系統升級進行研究；研究工作是在對控制對象全面回顧總結的基礎上，重點對控制部分展開研究，它包括對實現控制所需要的硬件和軟件環境的探討，控制策略和控制算法的探討等內容。目前，對于控制對象的研究和討論很多，有比較成熟的理論，但實現控制的方法和手段隨著技術的發展，特別是計算機技術的發展，不斷地進行技術升級。這個過程經歷了從分立元件控制，集成電路控制和單片計算機控制等過程。每一次的技術升級都是控制系統的性能有較大地提高和改進。隨著新的控制芯片的出現，給技術升級提供了新的可能。2.3 課題研究的目的及意義

35、長期以來，直流電機一直占據著速度控制和位置控制的統治地位。由于它具有良好的線性調速特性，簡單的控制性能，高質高效的平滑運轉的特性，盡管近年來不斷受到其它電動機的挑戰，但到目前為止，就其性能來說仍無其它電動機可比。 在控制系統的構成上，本課題對硬件電路進行了設計，而這個硬件系統具有一定的通用性，也即可以將它作為一個硬件平臺，在其它過程控制中應用。另外，由DSP的特點量身訂做，可以在其它的控制系統中根據不同的要求進行外圍電路的設計，進而來構成硬件的系統，這樣既便于設計思想的物化，又使得設計的系統更加緊湊，不浪費資源。2.4 國內外現狀和發展趨勢與研究的主攻方向近些年來，隨著現代電力電子技術、控制技

36、術和計算機技術的發展，電機的應用技術也得到了進一步的發展，新產品、新技術層出不窮。除了人們己經熟悉的普通電機外，許多不同用途的特種電機也不斷問世，如廣泛應用于辦公設備的無刷直流電機和高精度的步進電機、用于照相機的超聲波電機、用于心臟血液循環系統的微型電機等。另一方面，由于應用了電力電子技術，電機的控制技術變得更加靈活，效率也更高，如變頻器控制的異步電機及伺服系統即是典型的例子2。 在實際中，電機應用已由過去簡單的起停控制、提供動力為目的應用，上升到對其速度、位置、轉矩等進行精確的控制，使被驅動的機械運動符合預想的要求。例如在工業自動化、辦公室自動化和家庭住宅自動化方面使用大量的電機，幾乎都采用

37、功率器件進行控制，將預定的控制方案、規劃指令轉變成期望的機械運動。這種新型控制技術己經不是傳統的“電機控制”或“電氣傳動”而是“運動控制”。運動控制使被控機械實現精確位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力控制，以及這些被控機械量的綜合控制。因此現代電機控制技術離不開功率器件和電機控制器的發展。電機的控制器經歷了從模擬控制器到數字控制器的發展。由于模擬器件的一些參數受外界因素影響較大，并且它的精度也差。所有這些都使得模擬控制器的可重復性比較差，控制效果不理想，因此調速電機的控制器逐漸朝數字化方向發展。數字控制器與模擬控制器相比較，具有可靠性高、參數調整方便、更改控制策略靈活、控制精度高、對環境

38、因素不敏感等優點。 隨著現有的工業電氣傳動、自動控制和家電領域對電機控制產品需求的增加用戶也不斷提高對電機控制技術的要求。總是希望能在驅動系統中集成更多的功能，達到更高的性能。許多設備試圖使用8位或是準16位微處理器實現電機的閉環控制，然而它們內部體系結構和計算功能都阻礙了這一要求的實現。例如，在很多領域(如工業、家電和汽車)，用戶希望使用效率高且去掉霍爾效應傳感器的電機。這種電機控制可以通過使用先進的電機控制理論、采用高效的控制算法來實現。但是這可能超出上述微處理器的計算能力。 使用高性能的數字信號處理器(DSP)來解決電機控制器不斷增加的計算量和速度需求是目前較為普遍的做法。將一系列外圍設

39、備如模數轉換器(A/D)、脈寬調制發生器(PWM)和數字信號處理器(DSP)集成在一起，就獲得一個既功能強大又非常經濟的電機控制專用的DSP芯片。近年來，各種集成化一單片DSP的性能得到很大的改善，軟件和開發工具越來越多，越來越好，價格卻大幅度降低。低端產品價格已接近單片機的價格水平，但卻比單片機具有更高的性能價格比。越來越多單片機用戶開始選用DSP器件來提高產品性能，DSP器件取代高檔單片機的時機己成熟3。首先，與單片機相比，DSP器件具有較高的集成度。DSP具有更快的CPU,更大容量的存儲器，內置有波特率發生器和FIFO緩沖器，提供高速、同步串口和標準異步串口。有的片內集成了A/D和采樣/

40、保持電路，可提供PWM輸出。更為不同的是，DSP器件為精簡指令器件，大多指令都能在一個周期內完成，并且通過并行處理技術，使一個指令周期內可完成多條指令。同時DSP采用改進的哈佛結構，具有獨立的程序和數據空間，允許同時存取程序和數據。又配有內置高速硬件乘法器、多級流水線，使DSP器件具有高速的數據計算能力。而單片機為復雜指令系統計算(CISC)，多數指令要2-3個指令周期來完成。單片機采用馮.諾依曼結構，程序和數據在同一空間存取，同一時刻只能單獨訪問指令和數據、ALU只能做加法，乘法需要由軟件來實現，因此占用較多的指令周期，也就是說速度比較慢。所以，結構上差異使DSP器件比準16位單片機單指令執

41、行時間快8-10倍，完成一次乘法運算快16-30倍。DSP器件還提供了高度專業化的指令集，提供了FFT快速傅立葉變換和濾波器的運算。此外，DSP器件提供了JTAG 接口，具有更先進的開發手段，批量生產測試更方便4。 其次，基于DSP芯片制造的電機控制器可以降低對傳感器等外圍器件的要求。通過復雜的算法達到同樣的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于專利技術的保密。現在各大DSP生產廠家都推出自己的內嵌式DSP電機控制專用集成電路。如占DSP市場份額45%的美國德州儀器公司，憑借自己的實力，推出了電機控制器專用DSP-TMS320C24x。新的TMS320C24x DSP采用TI公司TMS320C2

42、xLP16位定點DSP核，并集成了一個電機事件管理器，后者的特點是可以最佳方式實現對電機的控制。該器件利用TI的可重用DSP核心技術，顯示出TI的特殊能力一通過在單一芯片上集成一個DSP和混合信號外設件，制造出面向各種應用的DSP方案。TMS320C24x作為第一個數字電機控制器的專用DSP系列，可支持用于電機控制的指令產生、控制算法處理、數據交流和系統監控等功能。集成的DSP核、最佳化電機控制器事件管理器和單片式A/D設計等諸多功能塊加在一起，就可以提供一個單芯片式數字電機控制方案。系列中的TMS320LF2407包括一個30MIPSDSP核、兩個事件管理器、32位的中央算術邏輯單元、多達1

43、6通道的IO位A/D轉換器、64K的I/0空間和一個32K字的閃速存儲器，它利用TMS320的定點DSP軟件開發工具和JTAG仿真支持，可使電機控制領域的研發人員方便地調試控制器和脫機使用。第三，DSP運算速度快，控制策略中可以使用先進實時算法，如自適應控制、狀態預估等，大大提高控制系統的品質。而且DSP控制軟件可用C語言或匯編語言編寫或者二者嵌套使用。因此采用DSP芯片制造的電機控制器便于用戶的調試和應用。最后，在越來越多場合，如電動汽車、紡織行業、水泵變頻調速系統等，他們往往是規模比較大，時序、組合邏輯都很復雜的情況，這時如果同時運用DSP芯片和一些其它的可編程邏輯器件可以大大減小系統的體

44、積、提高系統運算能力，實現復雜的實時控制。第 41 頁 (共 41 頁)無刷直流電動機的結構及原理3無刷直流電機的基本結構及原理3.1 什么是無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。無刷電機是指無電刷和換向器(或集電環)的電機，又稱無換向器電機。早在上世紀誕生電機的時候，產生的實用性電機就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動機，這種電動機得到了廣泛應用。但是，異步電動機有許多無法克服的缺陷，以致電機技術發展緩慢。本世紀中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無刷電機就應運而生了。這種新型無刷電機稱為電子換向式直流電機，它克服了第一代無刷電機缺陷。3.

45、2 無刷直流電機的特點及應用 無刷直流電機保持著有刷直流電機的優良機械及控制特性，在電磁結構上和有刷直流電機一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉子上放置永久磁鋼。無刷直流電機的電樞繞組像交流電機的繞組一樣，采用多相形式，經由逆變器接到直流電源上，定子采用位置傳感器實現電子換相來代替有刷直流電機的電刷和換向器，各相逐次通電產生電流，定子磁場和轉子磁極主磁場相互作用，產生轉矩5。和有刷直流電機相比，無刷直流電機由于取消了電機的滑動接觸機構，因而消除了故障的主要根源。轉子上沒有繞組，也就沒有了勵磁損耗，又由于主磁場是恒定的，因此鐵損也是極小的(在方波電流驅動時，電樞磁勢的軸線是脈動的，會在轉子鐵心內產

46、生一定的鐵損，采用正弦波電流驅動比方波電流鐵損更小)。總的說來，除了軸承旋轉產生磨損外，轉子的損耗很小，因而進一步增加了其可靠性。 由于無刷直流電動機既具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點，又具有直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好的特點，故在當今國民經濟的各個領域，如醫療器械、儀表儀器、化工、輕紡以及家用電器等方面的應用日益普及。無刷直流電機的應用主要分為以下幾類： （1）定速驅動機械 一般工業場合不需要調速的領域以往大多是采用三相或單相交流異步和同步電機。隨著電力電子技術的進步，在功率不大于10KW且連續運行的情況下，為了減少體積，節省材料，提高效率和降低能

47、耗，越來越多的電機正被無刷直流電機逐步取代，這類應用有：自動門、電梯、水泵、風機等。而在功率較大的場合，由于一次成本和投資較大，除了永磁電機外還要增加驅動器，因此目前較少有應用。（2）調速驅動機械 速度需要任意設定和調節，但控制精度要求不高的調速系統分為兩種：一種是開環調速系統，另一種是閉環調速系統(此時的速度反饋器件多采用低分變率的脈沖編碼器或交。直流測速等)。通常采用的電機主要有三種：直流電機、交流異步電機和無刷直流電機。這在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛中有大量應用。 調速應用領域最初用得最多的是直流電機，隨著交流調速技術特別是電力電子技術和控制技術的發展

48、，交流變頻技術獲得了廣泛應用，變頻器和交流電動機迅速滲透到原來直流調速系統的絕大多數應用領域。近幾年來，由于無刷直流電機體積小、重量小和高效節能等一系列優點，中小功率的交流變頻系統正逐步被無刷直流電機系統所取代，特別是在紡織機械、印刷機械等原來應用變頻系統較多的領域，而在一些直接由電池供電的直流電機應用領域，則更多的由無刷直流電機所取代。 （3）精密控制 伺報電動機在工業自動化領域的高精度控制中扮演了一個十分重要的角色，應用場合不同，對伺服電動機的控制性能要求也不盡相同，在實際應用中，伺服電動機有各種不同控制形式：轉矩控制/電流控制、速度控制、位置控制。無刷直流電機由于其良好的控制性能，在高速

49、、高精度定位系統中逐步取代了直流電機與步進電機，成為其首選的伺服電機之一。目前，掃描儀、攝影機、CD 唱機驅動、醫療診斷 CT、計算機硬盤驅動及數控車床驅動中等都廣泛采用了無刷直流電機伺服系統用于精密控制。（4）其他應用 家用電器、大型同步電機啟動等。3.3 無刷直流電機的工作原理 本小節實現介紹無刷直流電機的基本組成環節，分析了無刷直流電動機的定子繞組在三相非橋式星形的接法，三相星形橋式接法和三相封閉式橋式接法三種情況工作原理。3.3.1 無刷直流電機的基本結構 1.無刷直流電機的基本組成無刷直流電動機的結構原理圖如圖1所示，它主要由電動機本體，位置傳感器和電子開關線路三部分組成。電動機本體

50、在結構上與永磁同步電機相似，但沒有籠形繞組和其他氣動裝置6 。其定子的繞組一般制成多相，轉子由永久磁鋼按一定極對數(2P=2,4， )組成。圖1中電動機本體為三相兩級，三相定子繞組分別與電子開關線路中相應的概率開關器件相連接，在圖1中，A、B、C相繞組分別與概率管V1，V2，V3相接。位置傳感器負責跟蹤轉子并和電動機的轉抽相連接，當定子繞組某一相通電時，該電流與轉子永久磁鋼的磁極所產生磁場相互作用而產生轉矩，驅動轉矩旋轉，再由位置傳感器將轉子位置信號變為電信號，控制電子開關線路，從而使定子各相繞組按一定的次序導通，定子相電流隨轉子位置的變化按一定的次序換相。由于電子開關線路的導通次序是與轉子轉

51、角同步的，因而起到了機械換向器的作用。 + BA C位置傳感器 A開關電路V1 V2V3 圖1 無刷直流電動機的結構原理圖電動機轉子的永久磁鋼與永磁有刷電動機中所使用的永磁鋼作用相似，均在電動機氣隙中簡歷足夠的磁場，其不同之處在于：直流無刷電動機中永久磁鋼在轉子上，而直流有刷電動機的永久磁鋼裝在定子上。因此，所謂無刷直流電動機，就是基本結構而言，可以認為是一臺由電子開關線路，永磁式同步電動機以及位置傳感器三者組成的“電動機系統”。其原理如圖2所示。直流電源開關電路電動機位置傳感器 圖2 無刷直流電動機的原理框圖無刷主流電動機電子開關線路用來控制電動機定子上各相繞組通電的順序和時間，主要由功率邏

52、輯開關單元的位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。功率邏輯單元是控制電路的核心，其功能是將電源功率以一定的邏輯關系分配給直流無刷電動機定子的各相繞組，以便使電動機產生持續不斷的轉矩。而各相繞組導通順序和時間主要取決于轉子位置傳感器信號。但位置傳感器所產生的信號一般不能直接用來控制功率邏輯開關單元，往往需要經過一定的邏輯處理。綜上所述，組成無刷直流電動機各個主要部分部件的框圖，如圖3所示。無刷直流電動機主定子 電動機本體主轉子功率邏輯開關電子開關線路位置信號處理位置傳感器傳感器定子傳感器定子 圖3 無刷直流電動機的組成框圖 3.3.2無刷直流電機的工作原理無刷直流電動機的電樞繞組太長有三種接法，為了便于闡述，下面以三相星行繞組半控電路為例來說明無刷直流電動機的工作原理圖。如圖4所示，為了便于說明此處用光電轉換器件作為轉子的位置傳感器，在圖4中以三只功率管V1，V2，V3構成功率邏輯單元。永磁無刷直流電機一般由以下幾部分構成：電動機本體、位置傳感器和電子換向電路。在無刷直流電機中，借