1、設計的主要要求 本文針對 DSP 在無刷直流電動機控制系統中的應用趨勢，采用 TI 公司的運動控制專用 DSPTMS320LF2407 作為控制器，設計了基于該 DSP 的無刷直流電動機雙閉環數字控制系統，實現了對無刷直流電動機電流的 PWM 控制和速度控制。本論文主要內容如下： 1.對無刷直流電動機的發展狀況、特點及應用和研究現狀作了簡單的介紹。 2.介紹了無刷直流電動機的基本結構及工作原理，給出了無刷直流電動機的數學模型，并分析了無刷直流電動機運行特性。 3.詳細介紹了無刷直流電動機的控制策略，其控制系統采用雙閉環。闡述了 SPWM的基本原理和無傳感器控制技術中的反電勢法工作原理，并對數字

2、 PID 算法作了簡單的介紹。 4.基于 TI 公司的 TMS320LF2407 控制芯片，設計了無刷直流電動機控制系統的硬件電路部分。分析了 PWM 的產生分配情況，給出速度檢測、電流檢測及故障保護等電路，并以 IR2130 作為驅動芯片設計了無刷直流電動機的驅動電路。 5.對無刷直流電動機的軟件設計采用模塊化的設計思想，給出了各個部分的軟件設計框圖。無刷直流電動機發展前景電動機作為機電能量轉換裝置，其應用范圍已遍及國民經濟的各個領域以及人們的日常生活之中。傳統直流電機采用機械機構（電刷）進行換向，因而存在機械摩擦，并由此帶來電磁噪聲、換向火花以及壽命短等缺點，再加上制造成本高、維修困難，從

3、而極大的限制了它的發展和應用范圍。針對上述傳統有刷直流電動機的弊病，早在 20 世紀 30 年代，就有人開始研制以電子換向代替電刷機械換向的無刷直流電動機，并取得了一定成果。但由于當時大功率電子器件僅處于初級發展階段，沒能找到理想的電子換向元器件。使得這種電動機只能停留在實驗室研究階段，而無法推廣使用。1955 年，美國 D.哈利森等人首次申請了應用晶體管換向代替電動機機械換向的專利，這就是現代無刷直流電動機的雛形。但由于該電動機尚無起動轉矩而不能產品化。爾后又經過人們多年努力，借助于霍爾元件來實現換向的無刷直流電動機終于在 1962 年問世。無刷直流電動機的特點 無刷直流電動機保留了有刷直流

4、電機的優良調速性能，又省去了機械電刷和換器。它采用一種位置檢測器和電子開關變換器替代電刷和換向器，既有傳統直流電機的優良特性，又有交流電機的結構簡單、運行可靠、壽命長的優點。無刷直流電動機的構成 1、由定子、轉子、檢測轉子磁極位置的傳感器及換相電路組成 。2、定子采用疊片結構并在槽內鋪設繞組的方式 。3、定子繞組多采用三相并以星形方式連接 。工作原理 1 1）旋轉磁場如何產生？）旋轉磁場如何產生？BLDC本質上是一種同步電機，即定子繞組通電產生旋轉磁場，吸引轉子磁極與之對準，產生軸的運動。假定電機定子為3相6極，相對應極的兩個繞組首尾相接組成一相繞組，3相繞組星型連接。無刷直流電動機三相全控電

5、路 （7）6步通電順序為產生旋轉磁場，三相繞組按按如下規則通電：每步三個繞組中一個繞組流入電流，一個繞組流出電流，一個繞組不導通；通電順序為： 1 1.A+B- .A+B- 2.2.C+B- C+B- 3. 3.C+A- C+A- 4.4.B+A- B+A- 5.5. B+C- B+C- 6.6.A+C-A+C-每步僅一個繞組被換相。每步磁場旋轉60度，每6步旋轉磁場旋轉一周。無刷直流電動機反電動勢波形檢測電路 （15）如何實現換相1 1.A+B- .A+B- 2.2.C+B- C+B- 3. 3.C+A- C+A- 4.4.B+A- B+A- 5.5. B+C- B+C- 6.6.A+C-A

6、+C-必須換相才能實現磁場的旋轉。在無刷電機中，根據轉子磁極的位置實現換相。要想根據轉子磁極的位置換相，就必須知道轉子磁極的位置。并不需要連續的位置信息，僅知道換相點的位置即可。在BLDC中，一般采用3個開關型霍爾傳感器測量轉子的位置。由其輸出的3位二進制編碼去控制逆變器中6個功率管的導通實現換相。無刷電機中霍爾傳感器輸出波形及編碼如果將一只霍爾傳感器安裝在靠近轉子的位置，當轉子N極靠近霍爾傳感器即磁感應強度達到一定值時，其輸出是導通狀態；導通狀態保持直到電機旋轉使得S極靠近霍爾傳感器并達到一定值時，其輸出才翻轉為截止狀態。在S-N交替變化磁場下，傳感器輸出波形占高、低電平各占50%。如果轉子

7、是一對極，則電機旋轉一周霍爾傳感器輸出一個周期的電壓波形，如果轉子是兩對極，則輸出兩個周期的電壓波形。霍爾傳感器間隔120度時的輸出波形及編碼直流無刷電機中一般安裝3個霍爾傳感器，間隔120度或60度按圓周分布。如果間隔120度，則3個霍爾傳感器的輸出波形相差120度轉子旋轉180度后轉子磁極極性轉換，因此輸出信號中高、低電平各占180度。如果規定輸出信號高電平為“1”，低電平為“0”，則輸出的三個信號可用3位二進制編碼表示。每60度編碼改變一次。SPWM控制的基本原理在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不相等的窄脈沖加在具有慣性的環節上，其效果基本相同。這一結論是 SPWM 控制

8、的重要理論基礎。如圖 3-2(a)所示，將正弦波看成是由 N 個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都為/N，但幅值不等，且脈沖的頂部為曲線，各脈沖的幅值按正弦波規律變化。如果將上述脈沖序列用同樣數量的等幅而不等寬的矩形狀脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應的正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖的相應正弦部分面積相等，就有圖3-2(b)所示的脈沖序列。像這種脈沖的寬度按正弦規律變化而與正弦波等效的波形，即為 SPWM 波形。PWM電路結構圖 （27）TMS320LF2407結構和特點（24） TI 公司的 TMS320LF2407 是專門為控制應用和數字運動控制領域設計的 DSP 控制器。TMS320LF2407 不但具有數據處理能力，而且集成了許多部件，如 A/D、比較器、捕獲器、PWM、串行口及看門狗等，為將 DSP 應用于智能測控，電機控制，電力電子技術等領域提供了資源條件。TMS320LF2407 具有高速信號處理和數字控制功能所必需的體系結構特點速度檢測原理圖 （29）相電流檢測電路（31）全橋式電機驅動控制電路（32）DSP 串行通訊口的設計 （32）主程序框圖和啟動子程序框圖