（化工过程机械专业论文）基于dspic的无刷直流电机调速控制与实验研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t m 3 4 学科分类号 5 3 0 3 1 论文编号 1 0 0 10 2 0 1 1 0 6 5 8 密级公开 学位授予单位代码 10 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名李昆学号 2 0 0 8 0 0 0 6 5 8 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 5 3 0 3 i 课题来源自选项目研究方向直流电机控制 论文题目基于d s p i c 的无刷直流电机调速控制与实验研究 关键词无刷直流电机，调速控制，d s p i c ，脉冲宽度调制 论文答辩日期 2 0 1 1 5 2 l 论文类型开发研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师张连凯副教授北京化工大学 评阅人1 李方俊副教授 北京化工大学 评阅人2刘志国研究员北京师范大学 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席张有忱教授北京化工大学 答辩委员1 李方俊副教授北京化工大学 答辩委员2张东胜副教授北京化工大学 答辩委员3张爱军副教授北京化工大学 答辩委员4 王琳 副教授 北京化工大学 答辩委员5刘志国研究员北京师范大学 汪：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 基于d s p i c 的无刷直流电机调速控制与妻删 摘要 电机是电气传动系统、位置伺服系统中重要的驱动和执行元件。 无刷直流电机具有传统直流电机的高运行效率和优调速性能优点，又 克服了电机电刷换向时容易产生噪声、火花和干扰并且影响寿命等致 命缺陷，因此在工业生产和科研工作中应用非常广泛。近年来，随着 永磁材料和相关电子技术的发展，人们对无刷直流电机的关注度越来 越高，利用无刷电机的各种高性能工控系统也越来越多地出现在人们 的视野中。 无刷直流电机控制系统的应用方向主要是调速控制、位置控制和 转矩控制，其中调速控制是最基本也是最核心的方向。脉冲宽度调制 ( p w m ) 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，利用p w m 技术改变供电电压的占空比可以实现对电机转速的调节。p i d 控制是 工业自动控制系统经常使用的控制方法，采用速度和电流的双闭环结 构可以实现对无刷直流电机的可靠调速控制。 本文在介绍了无刷直流电机及其控制系统的发展情况之后，首先 研究了无刷直流电机的结构特点和工作原理，简要分析了电机拖动系 统和控制系统的数学模型。然后，在确定以微芯( m i c r o c h i p ) 公 司的d s p i c 3 0 f 2 0 l o 作为系统的主控芯片之后，设计了相关的硬件电 路并编写了软件代码，研制出一套无刷直流电机的调速控制系统。设 北京化工人学硕l j 学位论文 计了系统运行试验，对调速系统的性能进行了测试。对于无刷直流电 机调速系统在低速下运行时出现的不平稳问题进行了分析，并讨论了 解决的方法。 本文的出发点是设计面向市场的产品级无刷电机调速系统，在提 高现有产品的控制精度和运行性能的前提下，不增加外形尺寸，不扩 展用处不大的外围功能，结合实践经验与较为成熟的控制算法，对推 动无刷直流电机转速控制技术的工程应用具有实践意义d 无刷直流电机，调速控制，d s p i c ，脉冲宽度调制 a b s 下r a c t s p e e dc o n t r o lo fb l d c m b a s e do nd s p i c 3 0 f 2 0 1 0 a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s e r c h a b s t r a c t m o t o ri st h ei m p o r t a n td r i v e ra n da c t u a t o ri ne l e c t n c a lt r a n s m i s s i o n s y s t e ma n dp o s i t i o ns e r v os y s t e m w i t hi t sh i g he 伍c i e n c ya n dg o o d s p e e dr e g u l a t i o np e r f o n n a n c e ，a sw e l la so v e r c o m i n gt h ey a w p 、e l e c t r i c s p a r ka n di n t e r f e r e n c ew h i c hw i l ls e r i o u s l yr e d u c et h es e r v i c elif eo ft h e m o t o r ， b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) i sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o na n dr e s e a r c h i nr e c e n t y e a r s ， w i t ht h e d e v e l o p m e n to f p e 衄a n e n tm a g n e t i cm a t e n a l sa n dt h er e l a t e de l e c t r o n i c t e c h n o l o g y p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ob l d c m ，w h i l eh i g h p e r f o 硼a n c ei n d u s t 打a l c o n t r 0 1s y s t e mu s e db l d c m i n c r e a s i n g l yc o m eo u t t h ea p p l i c a t i o no fb l d c mc o n t r 0 1 s y s t e m i s m a i n l yi ns p e e d c o n t r o l 、 p o s i t i o n c o n t r o la n dt o r q u e c o n t r o l ，w h i l et h ef i r s to n ei s ：向n d a m e n t a la n dc o r e p u l e s w i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) i sa nd i g i t a l c o d i n gm e t h o do fa n a l o gs i g n a l i nt h i st e c h n o l o g yw ec a nu s ead u t y c y c l et oc h a n g et h em o t o rs p e e d p i dc o n t r o li sw e l lu s e di ni n d u s t r i a l a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h eu s eo fs p e e da n dc u l t e n td u a l 1 0 0 p s t m c t u r em a k eam o r er e l i a b l es p e e dc o n t r o lr e s u l to fb l d c m 北京化t 人学硕i ：学位论文 a r e rad e s c r i p t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fb l d c ma n di t sc o n t r o l s y s t e m ，t h i sp 印e ri n t r o d u c e st h es t m c t u r ea n d c h a r a c t e r i s t i c so fb l d c m ， a n db r i e n ya n a l y s e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm o t o rd r i v es y s t e ma n d c o n t r o l s y s t e m an e wb l d c ms p e e dc o n t r 0 1s y s t e m b a s e do n d s p i c 3 0 f 2 01ob ym i c r o c h i pi sd e s i g n e da n dp r o d u c e da sw e l li nt h i s r e s e a r c h p e r f o m l a n c et e s ti s a l s os e tf o rt h en e ws y s t e m w h e na b l d c mc o n t r 0 1s y s t e mu s e di nl o wr o t a t es p e e d ，p r o b l e m sl i k ev i b r a t i o n w i l lb eb r o u g h t t h er e a s o no ft h i sp h e n o m e n o na n dh o wt oi m p r o v et h e p e r f l o n n a n c eo f b l d ci n1 0 ws p e e di sa l s od i s c u s s e d t h ep u 印o s eo ft h i sr e s e a r c hi st od e s i g nab l d c ms p e e dc o n t r o l s y s t e mf o rm a r k e tw h i c h w i l lm a r k e d l yi m p r o v et h ec o n t r o la c c u r a c ya n d p e r f o m a n c eo fe x i s t i n gp r o d u c tw i t h o u ti n c r e a s i n gt h ed i m e n s i o n s o r e x t e n dp e r i p h e r a l 如n c t i o n so fl o wu s a g e c o m b i n ep r a c t i c a le x p e r i e n c e a n dm a t u r ea l g o r i t h m ，t h i sr e s e a r c hp r o v i d er e f i e r e n c e v a l u ef o rt h e p r o m o t i o no fa p p l i c a t i o no fb l d c m s p e e dc o n t r o lt e c h n 0 1 0 9 y k e y w o r d s ：b l d c m ，s p e e dc o n t r o l ，d s p i c ，p 、7 | 厂m l v 日录 目录 第一章绪论1 1 1 直流电机发展及现状1 1 1 1 直流电机的发展1 1 1 2 直流电机的分类及特点2 1 1 3 无刷直流电机的发展3 1 2 直流电机运动控制技术发展及现状5 1 3 无刷直流电机控制所需要解决的问题6 1 4 无刷直流电机控制实现与实验基本构思7 1 5 小结8 第二章无刷直流电机运行控制原理研究9 2 1 无刷直流电机结构分析9 2 1 1 无刷直流电机运行的基本原理9 2 1 2 电机本体1o 2 1 3 电子换向器1 1 2 1 4 位置传感器1 2 2 2 无刷直流电机的数学模型14 2 3 无刷直流电机运行控制性能指标分析1 7 2 3 1 静态指标l7 2 3 2 动态指标18 2 4 无刷直流电机运行控制可靠性分析18 2 5 小结1 9 第三章无刷直流电机控制系统的硬件设计2 l 3 1d s p i c 芯片的特点和外围功能2 1 3 1 1 内核特点2 l 3 1 2 存储器构成2 2 3 1 3 外设功能2 2 v 北京化t 人学硕j ：学位论义 3 2 控制系统硬件结构简介2 3 3 3 模块电路设计2 3 3 3 1 电源整流2 3 3 3 2 主控芯片外围电路2 4 3 3 3 驱动电路2 5 3 3 4 速度采样2 6 3 3 5 电流检测2 7 3 3 6u a i 玎通讯接口2 8 3 4 电磁兼容性研究2 9 3 5 小结3 0 第四章无刷直流电机控制系统的软件设计3 3 4 1 无刷直流电机运行控制基本模型分析3 3 4 2 无刷直流电机控制软件开发工具3 4 4 3 无刷直流电机控制系统的软件结构3 5 4 4 软件程序调试3 6 4 4 1 初始化子程序3 7 4 4 2p w m 脉宽调制子程序3 8 4 4 ，3 换相中断子程序4 0 4 4 4p i d 算法子程序4 0 4 5 j 、结一4 1 第五章无刷直流电机低速平稳性研究4 3 5 1 无刷直流电机低速平稳性分析4 3 5 2 影响无刷直流电机低速平稳性的主要因素4 3 5 2 1 摩擦力矩4 3 5 2 2 转矩波动4 5 5 3 无刷直流电机运行平稳性补偿控制4 7 5 3 1 对摩擦力矩的补偿4 7 5 3 2 对转矩波动的补偿4 7 5 。4 小结4 8 v i 第六章无刷直流电机运行试验系统4 9 6 1 无刷直流电机运行试验系统构建4 9 6 2 无刷直流电机运行试验控制界面5 0 6 3 无刷直流电机运行试验数据分析一5 1 结论5 5 参考文献5 7 致谢。6l 研究成果及发表的学术论文。6 3 作者及导师简介6 5 v l i 北京化_ t 人学硕l ：学位论文 v i l l 1 5c o n c l u s i o no f t h i sc h a p t e r 8 c h a p t e r2r e a s e r c ho nb l d c mo p e r a t i n ga n dc o n t r o lt h e o r y 。9 2 1s t r u c t u r a la n a l v s i so fb l d c m 9 2 1 1b a s i cp r i n c i p l eo fb l d c m 9 2 1 2m o t o rb o d v 1 0 2 1 3e l e c t r o n i cc o n l m u t a t o r ll 2 1 4p o s i t i o ns e n s o r 12 2 2e s t a b l i s e n to f m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rb l d c 1 4 2 3o p e r a t i n gp e r f o 衄a n c ei n d i c a t o r so fb l d c m 17 2 3 1s t a t i ci n d i c a t o r 1 7 2 3 2 【) v n a m i ci n d i c a t o r 1 8 2 4o p e r a t i n gr e l i a b i l i t ya n a l y s i so fb l d c m 18 2 5c o n c l u s i o no ft h i sc h a d t e r 19 c h a p t e r3h a r d w a r ed e s i g no fb l d c m c o n t i o ls y s t e m 。2 1 3 1f e a t u r e so fd s p i cc h i pa n d p e n p h e r a l 向n c t i o n 2 1 3 1 1d c sf e a t u r e 2l 3 1 2m e m o r y 2 2 3 1 3p e p h e r a l s 2 2 i x 1 l 2 3 5 6 北京化t 人学硕i ：学位论文 3 2i n t r o d u c t i o no fh a r d w a l es t r u c t u r e 2 3 3 3d e s i 星口o f m o d u l a rc i r c u i t 2 3 3 3 1p o w e rr e c t i f i e r 2 3 3 3 2p e d p h e r a lc i r c u i to fc o n t r o lc h i p 2 4 3 3 3d d v i n gc i r c u i t 2 5 3 3 4s p e e ds 锄p l i n g 2 6 3 3 5c u r r e n ts 锄p l i n g 2 7 3 3 6c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ew i mu a i u 2 8 3 4r e a s e r c ho ne m c 2 9 3 5c o n c l u s i o no f t h i sc h a p t e r 3 0 c h a p t e r4s o f t w a r ed e s i g no fb l d c m c o n t r o ls y s t e m 。一”3 3 4 1b a s i cm o d e la n a l y s i so f b l d c mc o n t r 0 1 3 3 4 2s o r w a r ed e v e l o 睥l e n tt 0 0 1 s 3 4 4 3s o r w a r es t m c t u r e 。3 5 4 4s o r w a r ed e b u g g i n g 一3 6 4 4 1i i l i t i a l i z e r 3 7 4 4 2p w m 3 8 4 4 3c o m m u t a t i o ni n t e m 坤t 4 0 4 3 4p i d 4 0 4 5c o n c l u s i o no f t l l i sc h a p t e r 4 l c h a p t e r5r e a s e r c ho ns t a t i o n a r i t yo fb l d c m i nl o ws p e e d ”4 3 5 1p m a l y s i so fs t a t i o n a r i t yo fb l d c mi nl q ws p e e d 4 3 5 2m a i ni n n u e n c i n gf a c t o r s 4 3 5 2 1f r i c t i o nt o r q u e 4 3 5 2 2t o r q u er i p p l e 4 5 5 3c o m p e n s a t i o nf o rs t a t i o n a r i t yo fb l d c m 4 7 5 3 1c o m p e n s a t i o nf o r 衔c t i o nt o r q u e 4 7 5 3 2c o m p e n s a t i o nf o rt o r q u er i p p l e 4 7 5 4c o n c l u s i o no ft h i sc h a p t e r 4 8 x x l 北京化工人学硕1 ：学位论文 x l i f c f s 屹 库伦摩擦水平 静摩擦力水平 s t r i b e c k 速率 北京化t 火学硕 ：学位论义 x l v 第一章绪论 1 1 直流电机发展及现状 第一章绪论弟一早珀下匕 社会生产进入工业化以后，各种各样的大规模生产操作最终都归结为机械结 构的机械运动。电动机为机械结构的运动提供驱动力，有些时候电动机本身就是 运动的执行者。 今天，上到太空探索、工业生产，下至百姓生活、吃穿住行，大大小小种类 繁多的电动机在我们看到和看不到的地方工作着。 可以说，人类的生活早已与电机的默默或者“隆隆”地工作密不可分。机车 的牵引、机械手臂的动作、硬盘的旋转，直线动作、回转动作甚至是复杂到难以 分解的动作，无一不是电机的驱动。电动机有多种分类方法，常用的是按结构和 工作原理划分，可分为直流电机、同步电机和异步电机三种。 直流电机作为最早将电能转化为机械能的电动机，它的发展过程和应用水平 与电子电力技术和现代工业自动化技术的发展相契合。 1 1 1 直流电机的发展 直流电机最早出现于十九世纪前期，英国物理学家迈克尔法拉第( m i c h a e l f a r a d a y ) 第一次在实验室实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电动 机的实验室模型。 尽管这一简单装置只是显示了通电导体和磁铁因相互作用而连续旋转，它仍 被人们认为是世界上第一台电机。经过反复改良后的直流电机成为当时最主要的 电能机械能转换机构，直至十九世纪八十年代感应电机的出现。 其后很长一段时间，交流电机在各种工业应用中占据了主导地位。二十世纪 六十年代，随着对调速控制越来越强的需求，直流电机重新回到人们的视野。此 时，磁铁材料、碳刷结构和绝缘材料的改良以及单向可控硅的出现大幅度提高了 直流电机的使用和控制性能。 到了1 9 8 0 年，直流伺服驱动系统成为自动化工业与精密加工的关键技术。 宽阔而平滑的良好调速性能和高效的运行效率是传统有刷直流电机最大的优点， 而机械换向器一电刷可能导致的电火花危害、难以处理的无线电干扰和电刷频 繁摩擦的寿命短、维修难问题成为它的致命短板，大大影响了直流电机的应用拓 展。 为了解决传统有刷直流电机的这些问题，无刷直流电机应运而生。永磁材料 北京化t 人学硕i ：学位论文 和无电刷机构的结合产物永磁无刷直流电机( p m b d c m ) 更是在当今的工 业生产和应用中占有重要一席。 9 0 年代，永磁电机向大功率、高功能和微型化发展，出现了单机容量超过 1 0 0 0 k w ，最高转速超过3 0 0 0 0 0 印m ，最低转速低于o 0 l 印m ，最小体积只有 o 8 x 1 2 m m 的品种。西门子开发的船舶电推进用低速大力矩电动机容量 1 0 9 5 k w ，转速2 3 0 r p m ，比普通电励磁直流电机体积减小6 0 【i 】。在大型大功率 直流电机的发展中，九十年代初期，俄国为了提高挖掘机和钻探用大型直流电机 的技术水平、运行可靠性以及减少材料用量和工作量出发，改进了大型电机的结 构【2 】o 到上个世纪末，直流电机及其控制系统在经历了系列变革后，电机本体在 可靠性大大增加的同时降低了成本，重量轻、尺寸小、效率高、输出转矩大的新 结构电机本体不断涌现。 另外，利用磁性材料不同性能、不同形状、不同表面粘接式( s p m ) 和嵌入 式永磁( i p m ) 转子结构的电机出现，分割式铁芯结构工艺在日本的使用使永磁 无刷伺服电机的生产实现了高效率、大批量和自动化，并引起国内厂家的研究。 嵌入式永磁( i p m ) 转子结构形式，因其可以得到较高效率和增强转子的抗高速 离心力的能力，已经逐渐在同本知名家电厂家中成为主流【3 】。 在国内，直流电机的应用范围虽然拓展到石油化工、能源交通和建筑等各个 领域，但是通用电机多，专用电机欠发展。针对某一行业甚至某一特定应用的专 用个性化电机是重要的发展方向。随着市场细分的深入，实用性强、优势明显的 专用电机的发展不仅能更好地满足市场要求，更有助于直流电机在结构和控制性 能上的优化。 进入新世纪，直流电机及其控制系统将以多媒体和互联网为依托，越来越多 地满足低噪、节能、智能和专业性应用的要求，向节约资源、环境友好、高效节 能运行的方向发展。 1 1 2 壹流电机的分类及特点 直流电机在其发展过程中划分了结构和应用特点明确的以下几种类型，如表 1 1 所示。 2 第一章绪论 表1 1 直流电机的分类和特点 1 a b l e l lc l a s s i f i c a t i o na n dc h a f a c t e s t i c so fd cm o t o r s 类别 结构特征 性能和特点应h l 场合 励磁绕组与电枢绕组 用丁重载且速度 串励直流 通过电刷与换向器串联后 调二宵不重要的场 电 电动机接直流电源，励磁电流就 启动转矩火，过载能力强 合，如机下类负载 磁 是电枢电流 的牵引 励磁绕组与电枢绕组 机械特性较好，负载变时 广泛用于j l ：业场 式 并励直流 相并联，由一个直流电源 转速变化很小，调肖范闱 合，如变速机械j ： 直 电动机 供电 人，启动转矩较人 具的驱动 流 他励直流 励磁绕组和电枢绕组 调速范围人，调速均匀 多h 丁主机拖动 电 可实现无级调速 中电动机 分别由两个直流电源供电 机 串励电机的高转矩对转矩和调速要 复励直流 有并励和串励两个励磁绕 电动机 组 并励电机的优良凋速性能 求高的场合，花费 昂贵 他励直流电机的发展 机械特性好，恒转矩运行 永磁式直流电机 体积小，重量轻，运行成 多用于中小功率 永磁铁作为励磁材料 场合 本低 电子换向器取代机械换向 高转速，人转矩，小体积 广泛应用于：j ：业、 无刷直流电机 无级调速，调速范围人， 民片= i 设备和消费 器 免维护电子产业 以恒力矩输出动力，转速机械制造、纺织造 扁平型，电枢槽数、换向 低、机械特性软，力矩波 纸、橡胶塑料、金 直流力矩电机 片数、串联导体数多 动小，可以堵转。无需减 属线材和电线电 速机直接驱动负载缆等t 业中 1 1 3 无刷直流电机的发展 普遍认为美国人d 哈里森于1 9 5 5 年提出用品体管换向器代替机械换向器的 专利一事为现代无刷直流电动机的雏形。而真正意义上的能够产品化的无刷直流 电机的出现则是多年后使用霍尔元件作为位置传感器实现换向的电机结构问世。 不久又出现了永磁材料制成的永磁无刷直流电机，并在十年之内发展到基本理论 和控制方法都比较成熟的阶段。 永磁无刷电机的励磁材料经历了几代发展，从最初的铝镍钻材料到铁氧体材 料、稀土永磁材料，再到性能更为优异的高磁能积钕铁硼永磁材料，都大大推动 了永磁无刷直流电机结构和性能的改进。 北京化t 大学硕i 二学位论文 国外制造商将电机本体结构进行了优化设训4 1 ，采用多极集中绕组，减少绕 组端部长度，用拼块式或铰链式电枢冲片来提高槽满率。 由于霍尔元件等位置传感器结构增大了电机体积，增加了制造的复杂度，在 一定程度上提高了电机使用对环境的要求，因此基于无位置传感器换向技术的无 刷直流电机也一直是科研人员探寻的重要方向。历史上德国人提出过采用电容移 相实现换流和借助数字式环形分配器与过零鉴别器的组合来实现的无换向装置。 今天，无位置传感器技术已经实现应用。 可以说无刷电机是在有刷电机的基础上发展而来的，相对于传统有刷电机和 感应电机而言，具有很多优良特性，效率高、寿命长、噪声小、力矩大，特别是 去单位体积的功率输出特性使得无刷电机适应对尺寸和重量敏感的场合。 工业控制领域、汽车工业、航空航天等领域，无刷直流电机都有着非常广泛 的应用。在对火花敏感的防爆工况、工作环境恶劣的挖掘和钻探现场，无刷电机 无疑是首选。美国的控制电机市场上，无刷直流电机的份额从1 9 8 6 年的1 5 1 到九十年代初的近3 0 。我国于1 9 9 4 年颁布了g j b l 8 6 3 无刷直流电动机通用规 范，用于军事装备中的无刷直流电机。 随着无刷直流电机的性价比不断提高，其应用领域越来越深入民用工业，特 别是家用电器领域。在一台全直流变频家用高档空调器中出现了五台无刷直流电 动机，分别用于压缩机、贯流风机、室外风机、排气风机和加湿机；智能型大波 轮套缸洗衣机中使用了扁平型外转子多极无刷直流电动机；空气清新机、干手机 和燃气热水器中也使用了无刷直流风机【5 】。日本三旺电机的风扇用无刷直流电机 采用无铁芯的杯型线圈和滚珠轴承，又将驱动电路内藏于电机本体中，能够最低 限度地抑制电机的齿槽效应【6 j 。 在小型家电领和i t 领域，由于革新了产品结构和工艺来实现生产的自动化 和规模化效益，主轴驱动用的无刷直流电机的成本已经很低。在这些领域，由于 采用了专用的电机驱动和控制集成模块，控制线路与电机本体一体化的紧凑结构 产品越来越多，推动了电机在微型化、轻量化方面的发展。 电动汽车作为传统燃料汽车的替代品具有环保、节约资源等优势。电动汽车 最早由有刷直流电机驱动，交流电机的调速性能得到提升后开始逐渐占领市场。 无刷直流电机与用作电动汽车驱动的交流电机相比，比功率密度高，运行效率更 高，逐渐在这一领域成为热点。 在日本和德国生产的新型电动车辆中，无刷直流电机驱动占到了很大比例。 国内方面，上海新联电动车厂的电动轿车和清华大学研发的1 6 座电动客车采用 了无刷直流电机作为驱动，并且已有样车试制成功 7 】。 近二三十年出现的开关磁阻电机严格来讲也是无刷直流电机的一种，二者结 4 平滑的调速性能，其主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。 从上世纪七十年代以来，大功率晶体管的出现很好地解决了电源从直流到交 流这一逆变过程出现的问题。逆变过程的实现是由按一定结构组成的若干电力开 关按照一定的顺序交替接通和关断来完成的，这不仅要求开关器件能够承受足够 大的电压和电流，更要长时问承受高密度开关操作带来的问题，并提供便捷的开 关动作控制方式。大功率晶体管和十多年后出现的绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 给无刷直流电机的运动控制提供了令人满意的硬件基础。 直流电机的控制从控制对象上分为转速控制和位置控制，其中转速控制是对 电机系统最基本也是应用最多的控制要求。当然也有一些低端场合并不需要对电 机进行开关以外的干预，例如常见的无刷直流风扇，只需使用一种将电子换向器、 电机、传感器构成整体的价格低廉的无刷电机就能够满足要求。 大多数工业生产中是需要对电机运行的结果进行干预的。一般在高速场合对 电机转速的精确性要求较低，而希望实现在较宽范围的速度可调。低速场合( 例 如光学测量和空间电场等测量中) 常常要求电机转子在一分钟内旋转几百转至几 十转，超低速电机能够低至一分钟几转甚至零点几转。实现低速电机的速度调节 不光需要高精度的速度检测元件，还需要考虑改变常规的控制策略和方法。 直流电机的调速在原理上可以采用串电阻调速、调磁法和调压法。由于串电 阻调速耗电多、电机机械特性软，调速范围小，并且只能进行有级调速，目前常 5 北京化t 大学硕i ：学位论文 用调磁法和调压法对直流电机进行调速。 无刷直流电机的控制算法基本上以p i d 为最成熟、最广泛。现代控制理论 中的模糊控制、神经网络控制、专家系统等新型理论具有自学习、自适应、自组 织的能力，在性能不断提高的硬件的有力支持下应用到无刷直流电机控制的领域 中来，很多科研院所和企业都开始了新型理论的实践化过程。 随着微电子技术的发展，无刷直流电机的控制和驱动电路在国际范围内出现 了专用化和集成化的趋势，很多厂商都推出了基于不同技术的集成模块。 美国飞兆半导体( f a i r c h i l ds e m i c o n d u c t o r ) 公司的智能功率模块 ( s p m t m ) 将直接驱动电机的多个功率管与门极驱动i c 集成在一个封装中，能够 有效地提高驱动模块的可靠性，减小线路板尺寸，同时省去了对分立元件系统的 测试，其价格在几十到上百元，在家电领域已有应用。控制电路方面，美国微芯 ( m i c r o c h i p ) 、德州仪器( t i ) 、国家仪器( n i ) ，日本三洋、东芝、松下等业 界领军企业都推出了不同定位的无刷直流电机专用控制芯片，基本上都是以单片 机或者d s p 为内核，与电机控制必须的外围电路集成在一块芯片内。 尽管d s p 技术在近些年得到了飞速的发展，应用却还不广泛，整个市场对 d s p 的需求还是远小于单片机的。图1 1 是来自c n k i 学术趋势搜索的d s p 和 单片机的学术关注度，图片显示自1 9 9 6 年至2 0 0 8 年，在学术关注度方面，无论 是数量还是趋势，d s p 都尚未对单片机构成威胁。 图1 1d s p 和单片机的学术关注度 f i g 1 一la c a d e m i cc o n c e mo nd s p 锄dm c u 总之，电机应用技术的复杂化导致了控制系统集成化的趋势，系统设计者正 致力于为使用者提供更为便利、高效的软硬件解决方案。 1 3 无刷直流电机控制所需要解决的问题 6 第一章绪论 由于舍弃了传统机械换向器一电刷，无刷直流电机采用电子式换相方法， 不可避免地需要在转子转动过程中检测转子在圆周上的位置来确定电枢的通电 顺序，这也是驱动无刷电机的关键。 通常，根据转子位置检测方法的不同，无刷直流电机控制系统分为带位置传 感器控制系统和无位置传感器控制系统。后者因为避免了在电机内部安装额外的 传感器部件而减小了电机的体积，减少了电机生产工序和引线多的情况，已越来 越多地应用在非伺服场合，特别是环境恶劣的场合。无论有没有位置传感器，都 必须有一套方法确定转子位置以实现电机内的转子位置闭环。 经典p i d 控制理论和多种多样的现代控制理论在无刷直流电机的工程实践 上都有应用。应用最多、理论体系完善的p i d 理沦是适用于线性单回路系统的， 作为多变量和非线性系统的无刷直流电机往往需要在忽略一些非线性或者局部 线性化以后再用p i d 理论进行描述，这无疑造成了控制方法本身的不精确和不 适用。适用于无刷直流电机的非线性控制系统研究遂成为新的研究热点。 无刷直流电机控制中另外一个问题是是如何消除转矩波动。由于摩擦、齿槽 效应、绕组换相、电枢反应等等原因，无刷直流电机的转矩存在比较大的波动， 严重影响电机的低俗运行时的平稳性。减小甚至消除这一影响速度控制特性的现 象一直是国内外研究者不断探索的方向。 有研究者从电机结构的角度提出了一些补偿或削弱的方法，比如更合适的绕 组形式以及和将梯形的气隙磁场等【1 2 1 ，都是原有结构上的改进，没有从根本上 消除转矩波动。 1 4 无刷直流电机控制实现与实验基本构思 对于一个具体的直流电机调速控制系统，最基本的要求是使系统能够快速跟 踪控制输入信号，并进入稳定运行阶段。其中牵涉到合理控制方式的选择，对自 身和拖动对象力学模型的认定，控制传递函数解析与实现，基础反馈器件与精度 的优选，以及试验与检测结果评价等诸多问题。 无刷直流电机控制难点在于速度品质控制，尤其是在低转速区的响应速度与 控制品质，也被称作低速平稳性能，是长期困扰直流电机控制工程师的难题。 如果在运行过程中存在外界干扰，即负载变化干扰，或负载冲击，电机是否 能够恢复到原有稳定运行状态，其恢复能力和恢复响应速度都对控制