本發(fā)明涉及電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種可作為電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

背景技術(shù)：

直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但普通的直流電動(dòng)機(jī)由于采用電刷式機(jī)械換相，可靠性差，需要經(jīng)常維護(hù)；換相時(shí)產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，影響了直流電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。

為了克服機(jī)械換相帶來的缺點(diǎn)，以電子換相取代機(jī)械換相的無刷電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。之后，國際上對無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了深入的研究，先后研制成方波無刷電動(dòng)機(jī)和正弦波直流無刷電動(dòng)機(jī)。20多年以來，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)特別是大功率開關(guān)器件的發(fā)展，無刷電動(dòng)機(jī)得到了長足的發(fā)展。無刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)不是專指具有電子換相的直流電動(dòng)機(jī)，而是泛指具備有刷直流電動(dòng)機(jī)外部特性的電子換相電動(dòng)機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)不僅保持了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、易于控制。其應(yīng)用從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域迅速發(fā)展。

無刷直流電動(dòng)機(jī)一般由電子換相電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路和電動(dòng)機(jī)本體三部分組成，電子換相電路一般由控制部分和驅(qū)動(dòng)部分組成，而對轉(zhuǎn)子位置的檢測一般用位置傳感器來完成。工作時(shí)，控制器根據(jù)位置傳感器測得的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置有序的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路中的各個(gè)功率管，進(jìn)行有序換流，以驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng) 機(jī)。

用位置傳感器作為轉(zhuǎn)子的位置檢測裝置是最直接有效的方法。但是由于位置傳感器的存在，增加了無刷直流電動(dòng)機(jī)的重量和結(jié)構(gòu)尺寸，不利于電動(dòng)機(jī)的小型化；旋轉(zhuǎn)時(shí)傳感器難免有磨損，且不易維護(hù)；同時(shí)，傳感器的安裝精度和靈敏度直接影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能；另一方面，由于傳輸線太多，容易引入干擾信號；由于是硬件采集信號，更降低了系統(tǒng)的可靠性。為適應(yīng)無刷電動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，它一般利用電樞繞組的感應(yīng)反電動(dòng)勢來間接獲得轉(zhuǎn)子磁極位置，與直接檢測法相比，省去了位置傳感器，簡化了電動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)，取得了良好的效果，并得到了廣泛的應(yīng)用。而近些年，隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，位置檢測可以通過芯片配合適當(dāng)?shù)乃惴▉韺?shí)現(xiàn)。但現(xiàn)有的用于無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)普便存在電路不完善，硬件電路復(fù)雜，沒有相應(yīng)的電壓、電流保護(hù)電路及成本相對較高等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明提供一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其目的是解決現(xiàn)有的無位置傳感器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器硬件電路復(fù)雜、成本高，沒有相應(yīng)的電壓、電流保護(hù)電路等方面存在的問題。

本發(fā)明實(shí)施方式是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明實(shí)施方式提供一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，包括：DSP控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路、三相全橋逆變電路、反電動(dòng)勢檢測電路、電流檢測電路和保護(hù)電路；

所述DSP控制器，其脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的三相全橋逆變電路連接，用于輸出正確的PWM控制方波，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路控制三相全橋逆變電路的通斷，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的正確饋電，控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；

所述反電動(dòng)勢檢測電路，經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC與所述DSP控制器，用于 根據(jù)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換所測量得到的端電壓信號來得到反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，進(jìn)而確定換相點(diǎn)，通過所述DSP控制器控制輸出正確的PWM控制方波；

所述電流檢測電路，通過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC與所述DSP控制器連接，其反饋端與所述三相全橋逆變電路輸出端連接，用于對三相全橋逆變電路反饋的電流信號進(jìn)行檢測，并經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換后傳送至所述DSP控制器用于確定是否過流；

所述保護(hù)電路，與所述DSP控制器的控制端連接，用于根據(jù)所述DSP控制器控制端提供的電流與電壓的變化，對所述DSP控制器進(jìn)行過流、過壓保護(hù)。

所述的DSP控制器采用TMS320LF240x系列芯片。

所述的DSP控制器采用TMS320LF240芯片。

所述的電流檢測電路由接在三相全橋逆變電路的逆變橋下端與功率驅(qū)動(dòng)電路的功率板地線之間的分流電阻和放大電路組成。

所述的反電動(dòng)勢檢測電路是由兩個(gè)電阻和一個(gè)起濾波作用的電容組成的端電壓分壓電路。

所述的功率驅(qū)動(dòng)電路由三片IR21101連接組成。

所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還包括：接口電路，用于連接外部設(shè)備，具體包括鍵盤和顯示電路以及內(nèi)存擴(kuò)展電路。

所述的保護(hù)電路為過流保護(hù)電路和過壓保護(hù)電路。

所述三相全橋逆變電路由六片功率MOSFET管兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)的方式構(gòu)成；其中功率MOSFET管采用IRFP250/200v/30A或IRFP054/60V/70A。

通過本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施，很好的解決了現(xiàn)有的無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)成本高、硬件電路復(fù)雜，沒有相應(yīng)的電壓、電流保護(hù)電路等方面存在的問題；本發(fā)明電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過DSP控制器、電流檢測電路、反電動(dòng)勢檢測電路、保護(hù)電路和三相全橋逆變電路各部分的配合，采用兩兩導(dǎo)通，三相六狀態(tài)的PWM調(diào)制方式，由反電動(dòng)勢檢測電路經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC所測量 得到的端電壓信號經(jīng)DSP控制處理后得到反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，進(jìn)而得到換相點(diǎn)，按照換相規(guī)律，控制輸出正確的PWM控制方波，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路控制相應(yīng)三相全橋逆變電路通斷，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的正確饋電，控制電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。在電流檢測電路經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換所反饋的電流信號的基礎(chǔ)上，可以控制實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)定子繞組的電流并判斷是否實(shí)施過流保護(hù)。這樣，整個(gè)控制系統(tǒng)可準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對無刷直流電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制。具有整體電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，便于維護(hù)，控制方式靈活，控制效果好的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明電路原理圖；

圖2為本發(fā)明控制系統(tǒng)各電路模塊連接示意圖；

圖3為本發(fā)明功率驅(qū)動(dòng)電路圖；

圖4為本發(fā)明三相全橋逆變電路圖；

圖5為本發(fā)明反電動(dòng)勢檢測電路圖；

圖6為本發(fā)明控制系統(tǒng)控制策略示意圖；

圖7為本發(fā)明控制系統(tǒng)軟件流程圖；

圖8為本發(fā)明采用的數(shù)字PID控制器結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施方式提供了一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，是基于DSP(數(shù)字信號處理器)的無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，具有控制電路簡單、控制方式靈活及可以對電壓、電流保護(hù)的特點(diǎn)。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實(shí)施方式作地一步說明：

實(shí)施例

本實(shí)施例提供一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以作為無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)控 制系統(tǒng)，該驅(qū)動(dòng)器是基于數(shù)字信息處理器DSP的控制系統(tǒng)，如圖1所示，該控制系統(tǒng)具體包括：DSP控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測電路、反電動(dòng)勢檢測電路、接口電路、保護(hù)電路、三相全橋逆變電路；其中DSP控制器的PWM信號輸出端口經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路與三相全橋逆變電路連接；DSP控制器分別經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC與電流檢測電路和反電動(dòng)勢檢測電路連接；接口電路與保護(hù)電路相應(yīng)連接到DSP控制器的控制端；其中三相全橋逆變電路連接到電動(dòng)機(jī)的輸出端通過反饋線路與電流檢測電路連接；上述的反電動(dòng)勢檢測電路經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC所測量得到的端電壓信號經(jīng)DSP控制器內(nèi)存儲(chǔ)的程序計(jì)算得到反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，進(jìn)而計(jì)算得到換相點(diǎn)，按照換相規(guī)律，由DSP控制器內(nèi)存儲(chǔ)的程序控制輸出正確的PWM控制方波，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路控制三相全橋逆變電路的相應(yīng)功率開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的正確饋電，控制電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。

實(shí)際中，DSP控制器可以采用TMS320LF240x系列芯片，是TMS320C2000平臺下的一種定點(diǎn)DSP芯片。該240x系列DSP芯片具有低成本、低消耗、高性能的處理能力，對電動(dòng)機(jī)的數(shù)字化控制作用非常突出，并且這種微處理機(jī)將控制電機(jī)必需的功能做在芯片中，像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digitalconverter，ADC)、脈沖寬度調(diào)制(Pulse Wide Modulator，PWM)等，而且體積越來越小，節(jié)省了使用它的設(shè)備的空間。

圖2所示的是本發(fā)明基于TMS320LF240x的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理圖，它采用TMS320LF240作為DSP控制器，處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。TMS320LF240控制器首先通過三個(gè)I/O端口捕捉直流電動(dòng)機(jī)上的霍爾元件H1、H2、H3的高速脈沖信號，檢測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應(yīng)的控制字來改變PWM信號的當(dāng)前值，從而改變地直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(全橋控制電路MOSFET)中功率管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制。電動(dòng)機(jī)的碼盤信號A、B通過DSP控制器的CAP1、CAP2端口進(jìn)行捕捉。捕捉到的數(shù)據(jù)存放到寄存器中，通過比較捕捉到的A、B兩相脈沖值可以確定當(dāng)前電動(dòng) 機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)以及轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路會(huì)檢測當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)過流或者欠壓情況，PWM信號驅(qū)動(dòng)器IR2130會(huì)啟動(dòng)內(nèi)部保護(hù)電路，鎖住后繼PWM信號的輸出，同時(shí)通過FAULT引腳拉低DSP控制器的PDPINT引腳電壓，啟動(dòng)DSP控制器的電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)。這時(shí)所有的EV模塊輸出引腳將被硬件置為高阻態(tài)，實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的保護(hù)。該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的保護(hù)電路主要用于保護(hù)DSP控制器和電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。

實(shí)際使用中DSP控制器可以采用TMS320LF2407芯片及其外圍電路、反電勢過零檢測電路、速度給定和顯示電路等構(gòu)成。TMS320LF2407A芯片是美國TI公司推出的針對電動(dòng)機(jī)數(shù)字化控制的DSP芯片，與此前的普通24x芯片相比，機(jī)器周期更短，外圍部件的集成度更高，片內(nèi)存儲(chǔ)器更大，模數(shù)轉(zhuǎn)換速度更快，更適合對快速性和精度要求較高的場合作為電動(dòng)機(jī)控制器使用。

圖1中的功率驅(qū)動(dòng)電路由三片IR2110組成(見圖3)；三相全橋逆變電路由六片功率MOSFET管IRFP250(200V、30A)或IRFP054(60V、70A)采用兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)的方式組成(見圖4)；電流檢測電路由接在三相全橋逆變電路的逆變橋下端與功率驅(qū)動(dòng)電路的功率板地線之間的分流電阻和放大電路組成；反電動(dòng)勢檢測電路(見圖5)實(shí)際上是由兩個(gè)電阻和一個(gè)電容組成的端電壓分壓電路，電容起濾波作用。接口電路主要是指鍵盤和顯示電路以及內(nèi)存擴(kuò)展電路(如果系統(tǒng)內(nèi)存不夠而需要擴(kuò)展內(nèi)存的話)，保護(hù)電路主要包括過壓過流等保護(hù)電路。

上述的DSP控制器芯片TMS320LF2407A可產(chǎn)生6路PWM波，通過光電隔離作用于PS21255控制輸入端T1～T6，在IPM的輸出端U，V，W輸出三相相差120°的PWM波來驅(qū)動(dòng)方波直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)，通過改變各相輸出電壓的平均值，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。由于IPM具有過熱、過(欠)壓、過流和過熱探測及保護(hù)電路，當(dāng)任何一種故障發(fā)生時(shí)，將會(huì)封鎖內(nèi)部的6只IGBT，同時(shí)送出故障信號FO給TMS320LF2407A的PDPINTA端，向TMS320LF2407A請求中斷，TMS320LF2407A將立即停止PWM波的輸出。逆變器的三相輸出端相對于直流側(cè)負(fù) 極電壓(以下簡稱端電壓)，經(jīng)反電勢過零檢測電路送入DSP控制器的3路捕獲口，通過檢測捕獲口的狀態(tài)確定6只IGBT的導(dǎo)通時(shí)刻。

上述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的逆變器控制方法采用PWM技術(shù)，它能方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變小，調(diào)速范圍變寬。利用TMS320LF2407A的事件管理器模塊(EV)可實(shí)現(xiàn)對三相全橋逆變電路的PWM控制。EVA的定時(shí)器1有3個(gè)與之相關(guān)的比較單元，每個(gè)比較單元都可單獨(dú)設(shè)置成PWM模式，在周期寄存器T1PR值一定的情況下，通過改變比較寄存器的值就能改變輸出PWM信號脈沖寬度，從而控制逆變器三相輸出電壓的平均值，實(shí)現(xiàn)方波直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)調(diào)速。

上述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用兩兩導(dǎo)通，三相六狀態(tài)的PWM調(diào)制方式，由反電動(dòng)勢檢測電路經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換所測量得到的端電壓信號經(jīng)程序計(jì)算得到反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，進(jìn)而計(jì)算得到換相點(diǎn)，按照換相規(guī)律，由程序控制輸出正確的PWM控制方波，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制相應(yīng)功率開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的正確饋電，控制電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。在電流檢測電路經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換所反饋的電流信號的基礎(chǔ)上，由程序控制實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)定子繞組的電流并判斷是否實(shí)施過流保護(hù)。這樣，整個(gè)數(shù)字控制系統(tǒng)在軟、硬件的協(xié)同配合下實(shí)現(xiàn)對無刷直流電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制。

本發(fā)明實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是基于DSP的無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其控制方式可以采用軟件的方式實(shí)現(xiàn)，具體如下：

(1)控制策略：無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制與直流電動(dòng)機(jī)的控制策略相同，也是一個(gè)包括速度調(diào)節(jié)環(huán)和一個(gè)電流調(diào)節(jié)環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如圖6所示。

首先利用采集的三相電壓和電流信號通過執(zhí)行程序來確定轉(zhuǎn)子的位置，計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前速度；然后與速度參考值進(jìn)行比較，得到速度誤差信號，經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器后，得到相應(yīng)的電流參考信號，該電流參考信號與實(shí)際電動(dòng)機(jī)相電流信號進(jìn)行比較，誤差經(jīng)電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)腜WM信號，施加到電動(dòng)機(jī)的功率電子開關(guān)電路上，通過控制功率管的開通關(guān)斷順序和時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對直流無刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的控制。

(2)系統(tǒng)軟件流程圖：由上述控制策略可得系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。

(3)控制系統(tǒng)軟化策略研究：

①軟件開環(huán)換相啟動(dòng)策略及實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置信號的獲取是基于反電動(dòng)勢過零檢測算法實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)反電動(dòng)勢檢測電路經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換反饋回三相端電壓信號后，程序?qū)ξ磳?dǎo)通相的反電動(dòng)勢進(jìn)行計(jì)算，判斷其符號是否改變，以確定反電動(dòng)勢的過零時(shí)刻，檢測到過零點(diǎn)后，從過零點(diǎn)延時(shí)合適的電角度即得到換相點(diǎn)，此時(shí)程序控制電動(dòng)機(jī)換相，實(shí)現(xiàn)無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)的正確換相。

無刷直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，先由程序控制給電動(dòng)機(jī)的任意兩相定子繞組通電而另一相關(guān)斷，則定子合成磁勢軸線在空間有一確定方向，把轉(zhuǎn)子磁極拖到與其重合的位置，經(jīng)過一段時(shí)間即可確定轉(zhuǎn)子的初始位置。然后按照電動(dòng)機(jī)預(yù)定轉(zhuǎn)向的換相順序由程序控制給相應(yīng)繞組饋電，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，期間程序不進(jìn)行反電動(dòng)勢的過零檢測，換相不受反電動(dòng)勢檢測信號的控制，換相時(shí)間間隔由軟件延時(shí)控制，且該時(shí)間間隔不變，程序控制PWM波占空比逐漸增大以提高電壓，采取恒頻升壓的起動(dòng)方式。開環(huán)換相過程持續(xù)一個(gè)換相周期后，電動(dòng)機(jī)已具有一定的轉(zhuǎn)速，反電動(dòng)勢達(dá)到一定大小，可以測量得到，此時(shí)程序跳出開環(huán)換相過程，進(jìn)入由反電動(dòng)勢檢測信號控制電動(dòng)機(jī)換相的自控式運(yùn)行狀態(tài)，完成電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程。

②閉環(huán)自控狀態(tài)換相的軟化策略及實(shí)現(xiàn)：

首先指出：反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)并不是換相點(diǎn)，而是要從過零點(diǎn)延時(shí)適當(dāng)?shù)碾娊嵌炔攀菗Q相點(diǎn)。而延時(shí)可以采用硬件或軟件的方式實(shí)現(xiàn)，但使用硬件延時(shí)電路的方案會(huì)增加系統(tǒng)控制電路的復(fù)雜性，而且電路本身會(huì)帶來相移誤差，增加了相移修正問題的難度，另外硬件電路的靈活性也較差，一旦電路固定了則難于改動(dòng)以適應(yīng)實(shí)際環(huán)境變化所帶來的相移變化。因此，實(shí)際中，可以采用由軟件程序計(jì)算的方式來實(shí)現(xiàn)相角延時(shí)以得到換相點(diǎn)。

具體計(jì)算換相點(diǎn)為：在本發(fā)明控制程序中設(shè)置一個(gè)存儲(chǔ)變量(例如EPE2R10D)以記錄電動(dòng)機(jī)運(yùn)行一個(gè)電周期所需用的時(shí)間，由于一個(gè)電周期對應(yīng)360°電角度，根據(jù)確定的延時(shí)電角度(例如18°)，即可由程序計(jì)算求得延時(shí)電角度所對應(yīng)的延時(shí)時(shí)間，并在程序中設(shè)置一存儲(chǔ)變量(例如SH IFTTIME)來存放該延時(shí)時(shí)間，則SH IFTTIME＝EPER IOD/20。應(yīng)該指出電動(dòng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行的換相延時(shí)時(shí)間是根據(jù)前一個(gè)電周期計(jì)算得到的，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)處于當(dāng)前運(yùn)行時(shí)不可能得到當(dāng)前運(yùn)行的電周期。但是這樣處理的前提是，與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能相比相臨兩個(gè)電周期所對應(yīng)的電動(dòng)機(jī)速度變化不能太大。而這個(gè)前提假設(shè)與實(shí)際運(yùn)行情況通常是相符的，通常情況下電動(dòng)機(jī)的加速或減速過程是比較平滑穩(wěn)定的，所以電動(dòng)機(jī)的速度變化不會(huì)太劇烈，尤其是當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定勻速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)相臨電周期已經(jīng)是相等的了。當(dāng)系統(tǒng)控制程序檢測到反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)后，由程序控制從過零時(shí)刻起延時(shí)計(jì)算所得到的延時(shí)時(shí)間，當(dāng)延時(shí)時(shí)間到后，即得到換相點(diǎn)，此時(shí)啟動(dòng)換相程序控制電動(dòng)機(jī)正確換相。

在采用上述換相點(diǎn)的控制方式時(shí)，也自然提高了整個(gè)無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的魯棒性。假設(shè)處于穩(wěn)定運(yùn)行的無刷直流電動(dòng)機(jī)由于受到外界的隨機(jī)干擾而使速度下降時(shí)，則電動(dòng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行的前一電周期就要比當(dāng)前運(yùn)行電周期小，或者說計(jì)算得到的換相延時(shí)時(shí)間要比實(shí)際換相延時(shí)時(shí)間短，使得換相點(diǎn)提前，換相電周期減小。事實(shí)上無刷直流電動(dòng)機(jī)本身是一臺同步電動(dòng)機(jī)，由同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理可知，由于換相電周期的減小相當(dāng)于定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速增加，從而使無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，這樣受到干擾而導(dǎo)致速度下降的電動(dòng)機(jī)又可以恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)隨機(jī)干擾使無刷直流電動(dòng)機(jī)速度上升時(shí)，換相點(diǎn)滯后，換相電周期增加，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，同樣可以恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，這樣就起到了自然的魯棒控制效果，同時(shí)也體現(xiàn)了“硬件軟化”設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)。

③換相時(shí)軟件濾波的實(shí)現(xiàn)：

在換相瞬間，電流的突變會(huì)產(chǎn)生電抗電勢(包括自感電勢L di/dt和互感電 勢M di/dt)，使得反電動(dòng)勢由于電抗電勢的疊加而出現(xiàn)尖峰脈沖，當(dāng)與反電動(dòng)勢相比反向的尖峰電壓幅值較大時(shí)，采用上述通過反電動(dòng)勢符號改變來檢測過零點(diǎn)的算法，則有可能計(jì)算得到多余的過零點(diǎn)而影響換相邏輯，因此必須采取適當(dāng)措施消除這種干擾。采用電勢濾波與整形電路以及邏輯封鎖電路，當(dāng)然可消除干擾，但這樣就增加了硬件電路的復(fù)雜性，且濾波電路會(huì)帶來相移而影響換相邏輯。為此，本發(fā)明采用軟件濾波的方法消除上述干擾。當(dāng)換相事件發(fā)生時(shí)，程序控制從換相時(shí)刻起的一段時(shí)間內(nèi)不計(jì)算反電動(dòng)勢值，也就是在干擾期間跳過反電動(dòng)勢過零檢測程序段，以避開干擾影響。由于干擾持續(xù)的時(shí)間很短，因此放棄檢測的這段時(shí)間也不宜過長，視具體系統(tǒng)而定，可以參考被控電動(dòng)機(jī)最小反電動(dòng)勢周期值(可由電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速通過簡單的計(jì)算得到該最小周期值)。本發(fā)明實(shí)施時(shí)所研究的實(shí)驗(yàn)電動(dòng)機(jī)為三對磁極電動(dòng)機(jī)，最高轉(zhuǎn)速為2000rpm，則對應(yīng)最小反電動(dòng)勢周期為10ms，當(dāng)放棄檢測時(shí)間選在200～500ns之間時(shí)，實(shí)施時(shí)證明采用上述軟件濾波算法可以很好地消除換相瞬間的電抗電勢干擾。

④速度調(diào)節(jié)策略及實(shí)現(xiàn)：

在速度調(diào)節(jié)子程序中，第一項(xiàng)任務(wù)就是根據(jù)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的機(jī)械周期T，從而求得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即電動(dòng)機(jī)的反饋轉(zhuǎn)速；然后就是要完成速度調(diào)節(jié)的主要任務(wù)。本發(fā)明采取比較簡單易行的模糊分段速度調(diào)節(jié)策略。定義誤差轉(zhuǎn)速為期望轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速之差，將誤差轉(zhuǎn)速進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆侄?，每次調(diào)用速度調(diào)節(jié)子程序時(shí)都計(jì)算誤差轉(zhuǎn)速，判斷它落在哪個(gè)分段內(nèi)，再調(diào)用相應(yīng)的程序段進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。要注意分段的數(shù)目要選取合適，分段多了不僅會(huì)使軟件程序趨于復(fù)雜，且增加了程序的計(jì)算量，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，而且分段太細(xì)可能會(huì)造成在調(diào)速過程中出現(xiàn)對干擾過于靈敏的現(xiàn)象，導(dǎo)致調(diào)速過程中的調(diào)節(jié)振蕩而影響系統(tǒng)的快速性；分段少了則會(huì)影響速度調(diào)節(jié)的平滑性，所以分段數(shù)目的選取應(yīng)該折中考慮。

⑤控制算法

算法可實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制。因此，應(yīng)用合理、先進(jìn)的算法，不僅可以提高系統(tǒng)的性能，還可以減少電路中的元器件數(shù)目，降低成本。在三相電動(dòng)機(jī)控制的算法中，常用的有正弦PWM算法、空間矢量PWM算法、PID控制算法、PFC(功率因數(shù)校正)算法、模糊邏輯算法、自適應(yīng)控制算法等。

本發(fā)明實(shí)施例中采用的240xDSP是TI公司為滿足復(fù)雜電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制要求而設(shè)計(jì)的一種新型、廉價(jià)、高效、低功耗的DSP芯片，它具有運(yùn)算速度快、存儲(chǔ)空間大、低功耗和12路PWM等特點(diǎn)，對高精度控制，DSP能滿足控制算法要求的運(yùn)算速度，實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)性能，保證控制精度，特別適合于無刷電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜控制。本發(fā)明控制系統(tǒng)可根據(jù)需要采用上述的一種或多種算法相結(jié)合，以達(dá)到控制要求。

本發(fā)明主要采用PID控制算法：

PID控制即采用比例積分微分控制，其輸出是輸入的比例、積分和微分的函數(shù)。PID調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易整定，不必求出被控對象的數(shù)學(xué)模型，因此PID調(diào)節(jié)器得到了廣泛的應(yīng)用。

一般P.I.D控制如下：

(dutycycle)＝(dutycycle)p+(dutycycle)i+(dutycycle)d

其中dutycycle表示占空比；

P.控制(比例控制)：輸出與輸入誤差訊號成正比關(guān)系，即將誤差固定比例修正，但系統(tǒng)會(huì)有穩(wěn)態(tài)誤差。

I.控制(積分控制)：當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，將誤差取時(shí)間的積分，即便誤差很小也能隨時(shí)間增加而加大，使穩(wěn)態(tài)誤差減小直到為零。

D.控制(微分控制)：當(dāng)系統(tǒng)在克服誤差時(shí)，其變化總是落后于誤差變化，表示系統(tǒng)存在較大慣性組件或(且)有滯后組件。微分即是預(yù)測誤差變化的趨勢以便提前作用避免被控量嚴(yán)重沖過頭。

為了使這種經(jīng)典的控制方法適應(yīng)于更復(fù)雜的控制環(huán)境，并提高它的精度和自適應(yīng)性，并用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)了許多新的數(shù)字PID控制方法。例如自適應(yīng)PID控制、智能PID控制等，把現(xiàn)代控制理論、模糊控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于該控制系統(tǒng)，根據(jù)控制效果不斷對控制器參數(shù)進(jìn)行校正，使其控制效果達(dá)到最佳。

本發(fā)明實(shí)施例采用數(shù)字PID控制器，采用的數(shù)字PID控制器結(jié)構(gòu)如圖8所示，該數(shù)字PID控制器的最大優(yōu)點(diǎn)之一就是系統(tǒng)參數(shù)KP、KI、KD的可變性，從而保證了最佳控制理論的應(yīng)用，也就提高了系統(tǒng)的最優(yōu)性和靈活性。

具體采用的PID算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)如下：

離散形式的PID表達(dá)式為：

其中：KP，KI，KD分別為調(diào)節(jié)器的比例、積分和微分系數(shù)；E(k)，E(k-1)分別為第k次和k-1次時(shí)的期望偏差值；P(k)為第k次時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。比例環(huán)節(jié)的作用是對信號的偏差瞬間做出反應(yīng)，KP越大，控制作用越強(qiáng)，但過大的KP會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分環(huán)節(jié)的作用雖然可以消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，減小KI可以降低系統(tǒng)的超調(diào)量，但會(huì)減慢系統(tǒng)的響應(yīng)過程。微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化，有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

經(jīng)典PID算法的積分飽和現(xiàn)象：

當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值突然改變，或電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時(shí)，會(huì)引起偏差的階躍，使|E(k)|增大，PID的輸出P(k)將急劇增加或減小，以至于超過控制量的上下限Pmax，此時(shí)的實(shí)際控制量只能限制在Pmax，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速M(fèi)(k)雖然不斷上升，但由于控制量受到限制，其增長的速度減慢，偏差E(k)將比正常情況下持續(xù)更長的時(shí)間保持在較大的偏差值，從而使得PID算式中的積分項(xiàng)不斷地得到累積。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值后，開始出現(xiàn)負(fù)的偏差，但 由于積分項(xiàng)已有相當(dāng)大的累積值，還要經(jīng)過相當(dāng)一段時(shí)間后控制量才能脫離飽和區(qū)，這就是正向積分飽和，反向積分飽和與此類似。解決的辦法：一是縮短PID的采樣周期，整定合適的PID參數(shù)；二是對PID算法進(jìn)行改進(jìn)，可以采用非線性變速積分PID算法。

非線性變速積分的PID算法：

變速積分用比例作用消除了大偏差，用積分作用消除小偏差，大部分情況下可基本消除積分飽和現(xiàn)象，同時(shí)大大減小了超調(diào)量，容易使系統(tǒng)穩(wěn)定，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，但對于在大范圍突然變化時(shí)產(chǎn)生的積分飽和現(xiàn)象仍不能很好地消除，這時(shí)可采用非線性變速積分的PID算法。

非線性變速積分的PID算法的基本思想是將PID調(diào)節(jié)器輸出限定在有效的范圍內(nèi)，避免P(k)超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作范圍而產(chǎn)生飽和。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明實(shí)施例揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。