A06B-0143-B175 永磁方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在普通無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，因具有良好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性和優(yōu)良的控制性能，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、航空航天、柔性制造系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用[1]。
通常，永磁方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用模擬或以單片機(jī)為核心的數(shù)模混合的控制方式，這往往很難獲得令人滿(mǎn)意的性能指標(biāo)，也難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用中提出的實(shí)時(shí)控制要求，以致使永磁方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的潛力得不到充分地發(fā)揮，大大限制了其應(yīng)用范圍。近年來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展和高速、高性能的數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)為解決這一突出矛盾提供了先進(jìn)的行之有效的解決方案，從而為永磁方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)辟了廣闊的應(yīng)用前景。
本文介紹了以TMS320F240 DSP為控制核心的永磁方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1 永磁方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制特性
從電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)角度，永磁方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼采用性能優(yōu)異的稀土永磁材料，通過(guò)優(yōu)化的磁路設(shè)計(jì)，使電動(dòng)機(jī)獲得接近于方波（120°電角頂寬的矩形波或梯形波）的氣隙密。本系統(tǒng)采用的永磁方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有120°電角頂寬的梯形波氣隙磁密，定子繞組采用三相星形連接方式。
研究結(jié)果表明，永磁方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩出力大、無(wú)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)現(xiàn)象、具有與直流電動(dòng)機(jī)相似的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速控制特性，而且控制電路簡(jiǎn)單、可靠[2]。所以，與普通無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相比，易于獲得更加優(yōu)越的綜合性能。
2 控制策略和PWM開(kāi)關(guān)方案
2.1 控制策略
由上述可知, 永磁方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有與直流電動(dòng)機(jī)相似的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速控制特性。因此，采取類(lèi)似直流電動(dòng)機(jī)控制的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制策略就可以獲得良好的控制性能，原理框圖如圖1所示。
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系統(tǒng)采用數(shù)字轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。由于采用了面向電機(jī)控制的高速數(shù)字信號(hào)處理器，無(wú)論是速度控制器的設(shè)計(jì)，還是電流控制器的實(shí)現(xiàn)，以及各種反饋信號(hào)的處理和PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生，均采用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，用軟件實(shí)現(xiàn)硬件電路的功能，實(shí)現(xiàn)永磁方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制。與傳統(tǒng)的控制方式相比，數(shù)字控制系統(tǒng)不僅大大降低硬件電路的復(fù)雜程度，而且獲得了更高的性?xún)r(jià)比。
系統(tǒng)的工作原理是：首先，速度給定UN* 與速度反饋UN進(jìn)行比較，得到的速度差值經(jīng)速度控制器輸出相應(yīng)的相電流的給定值Ni*，與相應(yīng)的相電流的反饋Ni進(jìn)行比較之后，電流差值經(jīng)電流控制器變換成對(duì)應(yīng)PWM波的脈沖寬度，然后綜合轉(zhuǎn)子位置信號(hào)后產(chǎn)生所需的PWM控制信號(hào)，經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)之后，驅(qū)動(dòng)逆變電路中相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件工作。其中，通過(guò)對(duì)電流檢測(cè)的分時(shí)反饋處理，使相反電勢(shì)和相電流的相位始終保持一致；通過(guò)對(duì)霍爾集成位置傳感器輸出的交變信號(hào)的軟件計(jì)算，得到速度反饋值。
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