发布时间 : 星期三 文章无刷直流电机控制毕业设计论文更新完毕开始阅读8557393da517866fb84ae45c3b3567ec102ddc93
江西理工大学2012届本科生毕业设计（论文）
图2-1 直流无刷电动机结构原理图
其原理框图如图 2-2 所示：
直流电源 开关电路 开关电路电动机 输出 图2-2 直流无刷电动机的原理框图
位置传感器
2.1.3 直流无刷电机的位置检测方法
直流无刷电机运行是通过逆变器功率器件随转子不同位置相应改变其不同触发状态来实现的。因此准确检测转子位置并根据转子位置准时切换功率器件触发组合状态是控制直流无刷电机的关键。转子的位置检测装置最直接、有效是利用位置传感器得到不同位置信号，经门电路、模拟开关或专用芯片可得到不同触发逻辑信号，实现触发状态的自动切换。但是位置传感器使用增加了电机体积，使直流无刷电机微型化带来了困难，也增加了电机制造的工艺。
还可以通过检测与功率器件反并联的二极管的导通与否来判断绕组反电势的过零点。这种方法在低速时也能检测到二极管的导通，是电机能在低速时正常运行且有利于顺利完成启动过程。但是，这种检测方法需在二极管上并列检测电
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路。这对于集成的功率器件很难实现，并且二极管的导通时刻并不是绕组的真正过零时刻，要想消除这种误差就必须另加补偿电路。
反电动势法是一种简单的方法。由于直流无刷电动机的绕组反电势波形直接反映转子的位置，因此人们很自然地想到利用绕组反电势来获取转子的位置信息。对于采用两相导通、三相六拍运行方式的直流无刷电动机而言，三相绕组中在任意时刻总有一相处于断开状态，检测断开相的反电势信号。当其过零点时转子直轴与该相绕组重合，再经过 30°电角度依照开通顺序进行换相。据此只要检测到各相反电势的过零点，即可获知转子的若干个关键位置，这就是反电势法的基本原理。设计相应的过零检测电路和移相(或定时)电路，就可实现反电势法的无传感器控制。但是，绕组反电势是难以直接测取的物理量。因此，通常的做法是通过检测电机端电压信号，进行比较来间接获取绕组反电势信号的过零点，从而获得转子的位置。故这种方法又称为“端电压法”。在以往的反电势法控制系统的硬件设计中，将端电压经过简单的无源滤波器、电压比较器及编码器，得到逆变器的触发信号。反电势法的缺陷是当电机在静止或低速运行时，反电势为零或太小，因而无法利用。
为此，以往采用的设计方案中都设计了专门的启动电路，使电机以他控式变频方式同步拖动电机转子旋转，电机产生一定的初速度和电动势后，再切换到无刷机自控状态。这个过程称为三段式启动，包括转子定位、加速和运行状态切换三个阶段。这种启动方式需要专门的脉冲分配电路提供各相导通的控制信号，因而启动电路较为复杂，同时电机运行状态的切换也必须满足一些条件。由于无位置传感器的直流无刷电机的工作原理与有位置传感器的直流无刷电机相类似，所以可用有位置传感器的直流无刷电机的数学模型来说明无位置传感器的直流无刷电机，本系统采用的是具有霍尔位置传感器的直流无刷电动机。
2.2 直流无刷电机工作原理与数学模型 2.2.1 直流无刷电动机的工作原理
普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电机旋转，需要通过换向器和电刷不断地改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电机不断旋转。
直流无刷电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通直流电动机相反。然而即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直流电以后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电动机的转子转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持 90°左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。直流无刷电机采用二二导通、三相六状
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态 PWM 调制方式。电机定子绕组轴向示意图2-3所示。
图2-3 定子绕组轴向示意图
这时A相正向通电，B相反向通电，C相不通电，产生的定子磁场与转子磁场相互作用，使转子顺时针恒速转动。当转子转过60°角后，转子继续转下去就到上图中的 II，这样就会使同一磁极下的电枢绕组中有部分导体的电流方向不一致，它们相互抵消，消弱磁场，使电磁转矩减小。因此当转过60°时就必须换相，使B相断电，C相反向通电。
实现这个过程的关键是取得转子位置，TMS320LF2407的捕获口就起这个作用，如它的三路输出：CAP1、CAP2、CAP3，在转子分别位于图2.3中的I到VI各区时，输出信号相应为：011、001、101、100、110、010。这样，通过捕捉任一路输出上的跳变沿，读取跳变沿后的捕捉口输出状态，就可以确定转子的新位置，实现定子绕组电流换向。同时，利用定时器检测两次换相之间的时间间隔，计算出电机运行的速度，再通过调整PWM信号的占空比，调整定子电流，实现调速。DSP的PWM模块六路输出经隔离电路连到功率管的驱动电路，再到功率管上控制6个功率管的关断。
2.2.2 直流无刷电动机的换相原理
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从三相直流无刷电动机控制原理可知，为了能够得到恒定的最大转矩，就必须要不断地对三相直流无刷电动机进行换相。掌握好恰当的换相时刻，可以减小转矩的波动。因此位置检测是非常重要的。
位置信号是通过三个霍尔传感器得到的。每一个霍尔传感器都会产生180°脉宽的输出信号，如图2-4所示。三个霍尔传感器的输出信号互差120°相位差。这样它们在每个机械转中共有6个上升或下降沿，正好对应着6个换相时刻。通过将DSP设置为双沿触发捕捉中断功能，就可以获得这6个时刻。
但是只有换相时刻还不能正确换相，还需要知道应该换哪一相。通过将DSP的捕捉口CAP1~CAP3设置为I/O口，并检测该口的电平状态，就可以知道哪一个霍尔传感器的什么沿触发的捕捉中断。
图2-4 霍尔位置传感器输出波形与电流波形对应关系
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