无刷直流电机伺服系统研究与实现

发表时间：2017-12-11T16:30:21.163Z 来源：《基层建设》2017年第26期 作者： 杨澄波 俞立峰

[导读] 摘要：随着电力电子技术的迅猛发展，各种类型的电机应运而生，如直流电机、步进电机、同步电机以及异步电机等，这些电机的容量小到几毫瓦，大到百万千瓦。

上海航天电子技术研究所 上海 201109

摘要：随着电力电子技术的迅猛发展，各种类型的电机应运而生，如直流电机、步进电机、同步电机以及异步电机等，这些电机的容量小到几毫瓦，大到百万千瓦。其中直流电机由于其运行效率高、调速性能好，在对启动和调速要求较高的拖动场合得到了广泛的应用。然而传统的直流电机均采用机械换相装置，这就导致电机在运行过程中存在着机械摩擦，不但使电机寿命缩短，同时还带来了噪声、火花和无线电干扰等问题，这些因素限制了直流电机在某些领域的应用。因此，本文就无刷直流电机伺服系统研究与实现进行分析和探讨。 关键词：无刷直流电机；伺服系统；研究实现

本文系统阐述了无刷直流电机的基本结构和工作原理，针对其数学模型做了详细分析。针对主要应用与无刷直流电机控制系统中的几种驱动方式做了简要分析，采用三相全桥式驱动电路。针对无刷直流电机伺服控制系统，在位置调节器中采用模糊PID控制算法，内环中的电流环和转速环则采用经典的调节器。 1、无刷直流电机的结构及工作过程 1.1、无刷直流电机的基本结构

无刷直流电机就是用电子开关电路和位置传感器取代了有刷直流电机的机械电刷。为了达到有刷直流电机机械电刷换相的作用，无刷直流电机将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子上，构成倒装式直流电机结构。因此，要想实现对电机转速和转动方向的控制，在电机内部需要装一个位置传感器，以检测转子位置，并与电子幵关电路一同构成了无刷直流电机的换相机构。所以，无刷直流电机主要由电机本体、电子换相线路以及转子位置传感器构成。其基本结构原理如图所示：

C-Uump式以及H桥式等。三相半桥式驱动电路系统成本低、控制结构简单，但由于其产生的旋转磁场分布是跳跃式的，所以存在着转矩波动大和电机绕组利用率低得缺点，因此实际应用比较少。C-Dump式驱动电路是一种介于半桥式控制和全桥式控制间的折中控制方法，用到的功率器件少，它的能量损耗也比较低，但是由于电容和电感的增加使得。换相转矩波动比较大，因此应用场合较全桥式驱动电路少。桥式驱动电路的特点是一个桥功率逆变桥驱动一个绕组，这样可以灵活的改变绕组的电流矢量。然而由于其功率器件数量是相数的四倍，因此，这种驱动电路一般适用于单相或两相的无刷直流电机中。

本问中采用最常用用于驱动三相无刷直流电机的全桥式驱动方式，如图所示。根据霍尔元件的逻辑信号控制电机三相绕组的导通和关断，常见的全桥式电路有两两导通和三三导通两种导通方式，其硬件原理完全相同。

两两导通方式就是同一时刻都有两相导通，每一相的导通顺序和导通时间由位置信号决定。这种导通方式定子合成的磁场也是步进的旋转磁场，与半桥式不同的是每个步进角度为60°电角度，也就是说电机有六个磁状态，每相绕组电流流过的时间同转子旋转120°电角度的时间相同。因此这种驱动方式的转矩波动小。三三导通方式是指在同一时刻内有三只功率器件同时导通，每一功率器件导通180°电角度，每隔1/6周期换相一次。与两两导通方式不同的是功率器件的导通次序不同，电枢绕组的利用率较高，转矩波动小。但却存在着换相时刻同

一桥臂上的上、下桥臂同时导通的问题，因此要注意这一点。 3、无刷直流电机的控制策略

电机在启动阶段要求能维持较大的允许启动力矩，可充分利用电机的过载能力，可使其获得最快启动。同时，电机在稳定运行的状态下能够实现转速无静差的效果，此外，保证电机能够实现准确的位置跟踪。为实现电机在运行中的精确可控性，在本课题中，控制系统采用三闭环控制结构，分别是位置、转速及电流环控制，三者之间实行串级连接，如图所示。

4、系统硬件设计

无刷直流电机控制系统的硬件部分主要由主电路、控制电路、驱动电路以及保护电路组成。在本课题中采用TI公司的

TMS320F2812DSP作为控制器，用来实现电机的控制算法以及接口电路的通讯：驱动电路采用IR公司生产的工82130芯片作为驱动器，实现对功率逆变单元的驱动。 5、系统软件设计

系统软件开发是在TI公司开发的CCS（CodeComposerStudio）环境下进行的，本系统用的是CCS3.3软件。该开发环境包括了编程环境配置，汇编/C源文件编辑，程序调试、分析、跟踪以及优化等模块，可以完成无刷直流电机控制系统设计的各个环节。无刷直流电机控制系统的软件设计环节主要包括：主程序和中断程序。 5.1、主程序设计

无刷直流电机控制系统软件主程序处理的主要功能是，完成系统的初始化、根据转子初始位置起动电机、实现电机的控制算法以及待机状态下的参数显示、键盘处理功能功能。 5.2、中断程序

中断程序包括捕获单元子程序，电流检测程序，A/D转换子程序等。当程序进入中断后首先进行现场保护，待所有任务完成后即可恢复现场，返回主程序。

总之，本文以基于的无刷直流电机智能控制系统为主题进行了分析与研究，希望有一定的借鉴作用。 参考文献：

[1]马义方.无刷直流电机伺服系统先进控制策略的研究[D].浙江大学，2006. [2]王巍.无刷直流电机伺服控制系统的研究与设计[D].青岛大学，2012.