西北工业大学
硕士学位论文
舵机用无刷直流电机控制系统研究
姓名：刘彬
申请学位级别：硕士
专业：电力电子与电力传动
指导教师：刘景林
20040301
西Ｌ／Ｌ＂ｉ：业＿天警硕士学谯论文摘要
摘要
本课题来源于国家高技术研究发展计划（８６３计划），旨在研究基于数字信号处理器（ＤＳＰ控制器）的舵机用２７０Ｖ高压双余度稀土永磁无刷直流电动机控制系统，以实现无人飞行平台飞控系统的精确可靠控制。
论文首先分析了无刷直流电动机控制系统基本构成、工作原理，研究了无刷直流电动机动态数学模型、双闭环无刷直流电动机控制系统动态数学模型及其基本控制策略，设计了一套由纯硬件构建的舵机用４８Ｖ双余度稀土永磁无刷直流电动机控制系统，并进行了实验测试。在此基础上，提出了基于ＤＳＰ控制器的舵机用２７０Ｖ高压双余度稀土永磁无刷直流电动机控制系统设计方案，并对系统进行了仿真。论文应用全桥式逆变电路解决了系统２７０Ｖ高压直流驱动设计，采用ＴＭｓ３２０ＬＦ２４０７ＡＤｓＰ芯片为主控单元，实现了系统硬件电路小型化、低功耗设计及系统双余度结构设计。
测试结果表明系统满足设计技术指标要求。该技术不仅可以应用于舵机，还可应用于其他各种驱动控制设备，具有广阔的应用前景。
关键词：舵机：数字信号处理器（ＤＳＰ）；无刷直流电动机；双余度；比例积分微分（Ｐ１Ｄ）控制：２７０Ｖ高压直流驱动
砖ｊ∞？监大学强七学位论文Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｏｒｉｇｉｎａｔｉｎｇｆｒｏｍｎａｔｉｏｎａｌｈｉ【曲ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｓｅａｒｃｈｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｌａｎ（８６３ｐｌａｎ）ｉｓｔｏｓｔｕｄｙａｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆ２７０ｖｏｌｔａｇｅｓｄｕａｌ—ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙＲａｒｅＥａｒｔｈＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ（ＲＥＰＭ）ＢｍｓｈｌｅｓｓＤＣＭｏｔｏｒ（ＢＬＤＣＭ）ｂａｓｅｄｏｎＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｐｒｅｃｉｓｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｔｕａｔｏｒｏｆｈｉｇｈａｌｔｉｔｕｄｅｕｎｍａｎｎｅｄａｉｒｐｌａｎｅ．
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣｏｎｔｒｏｌＡｃｔｕａｔｏｒ；ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）；ＢｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣＭｏｔｏｒ（ＢＬＤＣＭ）；Ｄｕａｌ?ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ；ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ（ＰＩＤ）
Ｃｏｎｔｒｏｌ；２７０ＶＨｉ曲ＶｏｌｔａｇｅＤＣＤｒｉｖｉｎｇ
鹋托Ｌ业大学硕士学位论文常１蕈绪管
第１章绪论
本章简要介绍了本课题的研究背景、主要研究内容及其意义，简单描述了作者所做的主要研究工作，并概述了本课题的难点及其关键技术。
１．１课题研究背景及主要内容
１．１．１课置研究背景
无刷直流电机是随着电机控制技术、电力电子技术和微电子技术的发展而出现的一种新型电机，它的最大特点就是以电子换向线路替代了由换向器和电刷组成的机械式换向结构。无刷直流电机既克服了一般直流电机由于机械换向带来的缺点，又保持了一般直流电机调速方便的特点。特别是稀土永磁材料在这类电机中的应用，使得这类电机体积减小、重量降低、动态性能得到改善，
从而使得稀土永磁无刷直流电机具有功率密度高、特性好、无换相电火花及无线电干扰等优点。但是，目前传统的无刷直流电动机的控制电路，多采用单片机实现，由于受ＣＰＵ运算速度的限制，难以实现许多复杂的算法，再加上外围扩展电路数据转换速度慢，使得稀土永磁无刷真流电动机的性能得不到充分得发挥。
ＤＳＰ控制器是近十年发展起来的一款将实时处理能力和控制器外设集于一身的电机控制专用高性能单片机。ＤＳＰ控制器强大的数据处理能力使得现代控制理论、模糊控制理论和神经网络理论等一些复杂算法数字化得以实现，控制策略得到优化，且它的面向电机控制的片内外设，使控制系统硬件结构得到简化，整个系统的性能得到显著提高。其单周期乘、加运算能力，可以优化与缩短反馈回路，从而有助于实现数字式电流闭环控制；直接产生高精度的ＰＷＭ输出，抑制了转矩纹波，从而减小电机震动、延长电机寿命；可以根据系统变化，进行实时动态调整。相对传统单片机而言，ＤＳＰ控制器可以提供更快、更精确的控制。
张北Ｉ业大学硕士学位论文第ｌ章锗论
目前国外多种高性能作战飞机如直升机、歼击机、无人机等的飞控舵机电驱动控制系统正在由稀土永磁无刷直流电动机逐步取代传统的有刷直流电动机，如美国的“捕食者”、“全球鹰”无人机以及法国的“美洲豹”等。其驱动控制系统的微处理器主控单元也正在由传统单片机向数字信号处理器（ＤＳＰ控制器）过渡。
而国内目前的飞机电动舵机基本上都是采用以纯硬件构建的有刷直流电动机驱动控制系统，如各种国产的无人机均采用纯硬件电路控制直流电动机驱动舵面，大大制约了飞机电动舵机的系统综合性能。随着稀土永磁无刷直流电动机在各个领域的广泛应用，其优越的性能和可靠性得到充分体现，再加上近十年来新一代微处理器ＤＳＰ控制器的迅猛发展，基于ＤＳＰ控制器的稀土永磁无刷直流电动机驱动控制系统的研究渐成热点，国内已有不少研究单位和生产厂家开始这方面的研发工作。但在航空航天领域，特别是在舵机电驱动控制方面还是鲜见。
１．１．２课纛研究主要内容及其意义
本课题来源于国家高技术研究发展计划（８６３计划）航空航天领域飞机基础技术主题项目全电飞控系统的关键部件技术研究，旨在采用ＤＳＰ控制器实现舵机用２７０Ｖ高压双余度稀土永磁无刷直流电动机驱动控制系统的全数字控制，驱动无人机舵机动作，进而实现对无人机正常飞行的控制。该系统要求无超调，
抗负载扰动能力强，实时性、快速响应性好，具有快速精确的定位性能。其主要技术指标如下：
?工作方式：连续
?额定转速：１００００ｒ／ｍｉｎ
?额定电压：２７０ＶＤＣ
?电机功率：单余度最大功率０．６ＫＷ，双余度最大功率１．２ＫＷ
?系统结构：Ｉ、ＩＩ余度互为备份，亦可Ｉ、ＩＩ余度同时工作共三种工作模式
本课题的研究可以实现高高空多功能无人飞行平台飞控系统的精确可靠控制，提高系统频响，快速反应能力。从而改善飞控系统的动态特性及系统可靠
砖托Ｉ监夫学碗七学位论文第ｌ章绪论
性，提高无人飞行平台的战术性能。该技术不仅可以应用于无人机，还可以推广应用于其他各种飞机舵机、导弹舵机等军工领域及民用领域，具有显著的社会效益和经济效益。
１．２完成的主要研究工作
１．２．１纯硬件原理样机设计与测试
为确定基于ＤＳＰ的舵机用数字式２７０Ｖ高压双余度稀土永磁无刷直流电动机控制系统的设计方案，首先参与设计了由纯硬件构建的舵机用４８Ｖ双余度稀土永磁无刷直流电动机驱动控制系统原理样机，并对纯硬件原理样机进行实验测试。该阶段的工作主要包括：
１．原理样机总体设计方案：确定原理样机的总体设计实现方案，包括系统执行电动机方案、控制策略、驱动方式等的确定：
２．原理样机硬件电路的设计与实现：根据确定的原理样机设计方案选择合适的控制芯片、驱动芯片等元器件，完成硬件电路原理图的设计、ＰＣＢ板的绘制以及硬件电路的组装与调试；
３．原理样机的实验测试：对原理样机进行各种功能及性能指标的实验测试，为后阶段基于ＤＳＰ控制器的数字式２７０Ｖ高压双余度稀土永磁无刷直流电动机控制系统的设计实现奠定了基础。
１．２．２系统总体方案论证与设计
研究了以ＤＳＰ控制器为主控单元的双余度稀土永磁无刷直流电机控制系统闭环控制技术、控制策略及其实现方法，以纯硬件原理硬件的设计与测试为基础，确定了基于ＤＳＰ控制器的舵机用数字式２７０Ｖ高压双余度稀土永磁无刷直流电机控制系统的总体设计方案。该阶段的工作主要包括：
１．系统总体方案的论证：广泛查阅国内外相关技术资料，研究了各型ＤＳＰ控制器芯片的不同特性以及双余度稀土永磁无刷直流电机控制系统闭环控制技术、控制策赂，并对基于ＤＳＰ控制器的舵机用数字式２７０Ｖ高压双余度稀士永磁无刷真流电动机驱动控制系统的各种实现方案进行了论证；
３
曲托Ｉ：监凡学硕士学位论文第ｌ章缝论
２．系统总体方案的设计：主要完成系统执行电机双余度稀土永磁无刷直流电动机的选型，ＤＳＰ控制器芯片的选择，系统硬件控制电路、驱动电路基本框架以及系统基本控制策略的确定等，从而确定了系统的总体设计方案：３．系统仿真：为了验证系统采用控制策略的可行性，利用Ｍａｔｌａｂ软件对整个控制系统进行了系统仿真。
１．２．３系统硬件电路设计
在此阶段，根据已确定的基于ＤＳＰ控制器的舵机用数字式２７０Ｖ高压双余度稀土永磁无刷直流电动机控制系统总体设计方案完成了系统硬件电路的设计、
实现以及硬件电路的调试工作。该阶段的工作主要包括：
１．系统硬件电路设计：根据确定的系统总体设计方案完成系统硬件电路的设计，包括以ＤＳＰ控制器为核心的控制电路设计、电动机主功率及其驱动电路设计、ＰＣＢ板的绘制、系统硬件组装等；
２．系统硬件电路调试：主要完成系统硬件的电气测试，各功能模块的调试，如电机驱动控制板功率保护电路、ＡＤ母线电流采样电路以及系统状态显示电路等。
１．２．４系统控制软件设计与软硬件联调
按照系统技术指标要求和确定的系统控制策略，对系统控制软件进行合理的分析、规划及设计，并对系统硬件、软件进行联合调试。该阶段的工作主要包括：
１．系统软件分析：根据系统技术指标的要求以及选用ＤＳＰ控制器的特点对系统控制软件进行整体的分析与规划；
２．系统软件设计与实现：采用结构化、模块化软件设计方法设计控制软件，包括主程序及各功能模块子程序、中断程序，如电机转子位置检测、速度计算及其闭环调节控制算法、电流采样及其闭环调节控制算法、功率保护与余度切换以及电动机运行状态的监控显示等；
３．系统软、硬件联调：对系统硬件电路、控制软件进行联合调试，并对控制系统功能进行了初步的性能测试。
４
两托：ｆ：韭夫学硕士学位论文第ｌ章绪论
１．３课题难点与关键技术
本课题在研究开发过程中主要解决如下难点与关键技术：
１．２７０Ｖ高压直流驱动技术
由于控制系统执行电动机的额定工作电压为２７０Ｖ高压直流，势必对主功率及其驱动电路的设计、驱动电路与控制电路的隔离等提出了非常高的要求。为了保证系统安全可靠的运行，在进行主功率及其驱动电路设计时必须要有通盘的考虑，如各种功率元器件的选择，过压、欠压、过流功率保护电路的设计等。另外，在驱动电路与主控单元之间必须要设计有非常完善的隔离电路。
２．系统双余度结构的设计实现
在航空航天领域对可靠性的要求是非常苛刻的，本控制系统设计成双余度结构模式的主要目的就是为了提高整个控制系统的可靠性。如何实现控制系统的三种运行模式及其相互之间的切换，使得当一余度驱动电路出现故障时，切断此余度的ＰＷＭ输出，同时使能另一余度驱动电路驱动电机继续运行。在控制系统运行时，如何保证工作模式切换的及时、平稳而不出现扰动成为本课题设计的一个难点。
３．系统硬件电路的小型化、低功耗设计技术
在航空航天领域由于体积、能源的制约，对其各种承载设备的体积、功耗都有非常严格的要求。因此，对于应用于高高空无人侦察机舵机的本控制系统来说，其硬件电路的小型化、低功耗设计就显得十分重要。如在满足系统技术指标要求的前提下，尽可能使硬件电路设计简化，尽可能选择功耗较低的元器件，等等。
４．基于ＤＳＰ控制器的软件设计技术
控制软件是控制系统的灵魂，如何设计基于ＤＳＰ控制器的控制软件以实现系统的最佳控制策略，使得系统无超调，抗负载扰动能力强，实时性、快速响应性好，具有快速定位性能则是本课题的另一难点。
强北Ｉ业大学硕士学位论文第２章无秘直漉电动祝控售ｇ系统第２章无刷直流电动机控制系统
本章介绍了无刷直流电动机控制系统基本组成、工作原理，描述了无刷直流电动机的电磁特性及其动态数学模型，在此基础上阐述了无刷直流电动机双闭环控制系统的组成，导出了无刷直流电动机双闭环控制系统的动态数学模型。
２．１控制系统组成与工作原理
２．１．１无刷直流电动机控镧系统构成
对于无刷直流电动机控制系统来说，它一般由无刷直流电动机本体、主控单元（模拟式或数字式）、功率主电路及其驱动电路、转子位置检测、直流电源五大主要部分再加上其他各种外围辅助电路组成，其系统结构框图如图２．１所示。主控单元根据系统采用的控制策略将外部给定的速度信号进行转换，然后根据转予位置传感器接口给出的反馈脉冲产生相应的控制逻辑信号，经由驱动电路隔离放大后送与功率主电路的相关功率开关管，触发功率开关管使之导通，从而实现对无刷直流电动机的驱动控制。
图２．１无刷直流电动机控制系统结构框图
２．１．２无刷直流电动机控制系统工作原理
下面以二相导通星形三相六状态无刷直流电动机控制系统为例来说明其工作原理。图２．２为二相导通星形三相六状态无刷直流电动机控制系统原理框图，
６
荫北ｔ业太学硕士学位论文第２章无翱矗流宅动机控蒂ｇ系统
主控单元对转子位罱传感器检测的转子位置反馈信号和外部给定的速度信号进行逻辑综合后产生控制信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管Ｔ１～Ｔ６的门（栅）极Ｇ１～Ｇ６，从而控制电动机各相绕组按一定顺序分别导通工作，在电动机气隙中产生跳跃式旋转磁场，从而使得无刷直流电动机转子转起来。
图２－２无刷直流电动机控制系统原理框图
在二相导通星形三相六状态无刷直流电动机工作的过程中，当永磁体转子位于图２?３（ａ）的位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器使功率开关管Ｔ１、Ｔ６导通，即绕组Ａ、Ｂ通电，电枢绕组在空间的合成磁势圮，如图２．３（ａ）所示。此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极＿Ｔｌ管斗Ａ相绕组斗Ｂ相绕组一Ｔ６管斗电源负极。当转子转过６００电角度，到达图２．３（ｂ）中位置时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管Ｔ６截止，Ｔ２导通，此时Ｔ１仍导通。则绕组Ａ、Ｃ通电，电枢绕组在空间合成磁场如图３（ｂ）中Ｒ。此时定转子相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极＿Ｔ１管＿＇Ａ相绕组寸Ｃ相绕组呻Ｔ２管一电源负极，以此类推。当转子继续沿顺时针每转过６０。电角度时，功率开关管的导通逻辑为Ｔ３舵?Ｔ３Ｔ４＿Ｔ５Ｔ４寸Ｔ５Ｔ６呻ＴｌＴ６……，则始终受到定予合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。同理，由此不难推出电动机转子磁场沿逆时针方向连续转动时各功率开关管的导通逻辑为Ｔ１Ｔ６寸Ｔ５Ｔ６一Ｔ５Ｔ４哼Ｔ３Ｔ４ｊＴ３Ｔ２斗Ｔ１Ｔ２呻Ｔ１Ｔ６……。
在图２．３（ａ）到（ｂ）的６０。电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定子合成磁场在空间保持图２－３（ａ）中凡的位罨不动，只有当转子磁场转够６０。电角度到达图２—３（ｂ）中毋的位置时，定子合成磁场才从图２—３（ａ）中只位置
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残托｛Ｉ业大学硕士学位论文第２章无疑舂流电动机控嚣ｑ系统顺时针跃变至（ｂ）中Ｅ的位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳越式旋转磁场，每个步进角是６０。电角度。
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图２－３无刷直流电动机工作原理不意图
当转子每转过６０。电角度时，逆变器开关管之间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次。可见电机有六个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕组中流过电流的时间相当于转子旋转１２００电角度，每个开关管的导通角为１２００，故该逆变器为１２０。导通型。二相导通星形三相六状态无刷直流电动机的三相绕组Ａ、Ｂ、Ｃ与开关管Ｔ１～Ｔ６导通顺序的关系如图２－４所示。Ｈ＾［５
３电角度０。６０。１２００１８０。２４００３０００００６００１２００１８００状态—，Ｅｌ１２１３Ｉ，—Ｉ
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；；图２－４两相导通星型三相六状态绕组与开关管导通关系图
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蔼毙。ｃ业大学硕七学位论文第２幸无弱直流电动枫控翩系统２．２无刷直流电动机动态数学模型
无刷直流电动机的动态过程是一个非常复杂的机电瞬变过程。在整个机电过渡过程中，电气过渡过程和机械过渡过程同时存在，又相互影响。因此一个良好的驱动控制系统，要兼顾两者的不同特性，才能使控制效果最佳。对于有刷直流电动机，由于参与换向的绕组元件相对较少，通常只考虑电阻对机械特性的影响，忽略或较少考虑电感的作用。对于无刷直流电动机，定子电枢为多相绕组，参与换向的绕组为一相绕组，而不是单个线圈，因此电感较大。但当无刷直流电动机的励磁采用径向励磁结构形式时，电动机电感作用较少，电阻作用较大，电动机具有硬的机械特性（实际应用的无刷直流电动机也多采用这种励磁结构，因为电动机的励磁采用切向励磁结构形式时，电动机电感较大，
机械特性较软），此时的无刷直流电动机的动态特性和永磁直流电动机的动态特性相似。“１故下面就以永磁直流电动机为无届４直流电动机的简化模型，来分析无刷直流电动机的动态特性。
无刷直流电动机的动态方程可以表示如下：
舻卧讽“等（２＿１）
ｅ＝Ｃ。中刀＝Ｋ，Ｑ（２－２）
乙＝ｔ讽Ｑ＋，詈（２．３）
ｔ。＝Ｃｒｏｆ。＝Ｋ。ｊ。（２－４）式中“、屯、ｅ、疋。——分别为动态过程中电压（Ｖ）、电流（Ａ）、感应电动
势（Ｖ）、电磁转矩（Ｎ．ｍ）的瞬时值：
厶——为电枢电感（Ｈ）；
心——为电枢电阻（Ｑ）：
死——为负载转矩，包括电动机轴上输出转矩和恒定阻力
转矩（Ｎ?ｍ）；
Ｋ，——为转矩系数；
鹊乾丁业大学硬士学位论文第２章无稻直流电动杌控翩系统
Ｒ。——为阻力系数；
Ｑ——为转子机械角速度（ｒａｄ／ｓ）；
，——为转子转动惯量（ｋｇ?ｍ２）；
ｎ——为转子瞬对转速（ｒ／ｒａｉｎ）。
在无刷直流电动机中，由于一般由永磁体励磁，在电机的正常运行中，不考虑饱和时可认为中不变，故Ｋ，为一常数。对式（２－１）～（２－４）进行拉普拉斯变换，并令全部初始条件为零，整理可得：
￡，（５）一Ｅ（Ｏ＝（．己。Ｊ＋Ｒ。），。（Ｓ）（２．５）
Ｅ（ｓ）＝Ｋ，Ｑ（ｓ）（２－６）
乙（ｓ）一疋（ｓ）＝（ｄｓ＋Ｒ。）Ｑ（ｓ）（２－７）
ｔ。（ｓ）＝Ｋ，Ｉ。（ｓ）（２—８）
将式（２－５）～（２—８）联立并整理可得如下电动机角速度传递函数：
Ｑ（ｓ）２巧瓦而Ｋｔ丽ｕ（ｓ卜巧瓦Ｌ面ｊ＋丽Ｒａ删
、Ｋ２＋（厶ｓ＋兄）（出＋如）‘。Ｋ２＋（匕Ｊ＋兄）（出＋如）…
＝Ｇ１（ｓ）Ｕ（ｓ）＋Ｇ２０）瓦（Ｓ）（２－９）式中Ｇｌ（ｓ）——为电压一角速度传递函数，
印）２虿瓦未丽雨ｐｌｏ）Ｇ２０）——为负载转矩～角速度传递函数。
Ｇ２（ｓ）２ｉ砸万Ｌｏｓ而＋Ｒｏ面面‘２—１１）以外加电压“ｓ）和负载转矩ＴＬ（ｓ）为输入量，以角速度Ｑ∽为输出量，由式（２－５）～（２—８）可得出无刷直流电动机的动态结构图，如图２－５所示。
由上可知，无刷直流电动机本身就是一个闭环系统，感应电动势引入了与电动机角速度成正比的负反馈信号，增加了系统的有效阻尼：电动机的电磁特性及电磁参数（厶、Ｒ。）和电流的上升率有关，是控制系统内环电流上升率的依据：机械参数（危、死）是决定速度环参数和稳定性的主要因素。”１
０
砖北ｊｌ：业大学硕士学位论文第２章无魂直流电动机控铂系统
图２－５无刷直流电动机动态结构图
２．３无刷直流电动机双闭环控制系统
２．３，１双闭环控制系统组成
对于任何控制系统来说都有三个基本要求：稳、准、快，其中稳——是最根本要求，准——是稳态要求（稳态误差要小），快——动态要求（超调量要小，调节时间要短）。对于任何一套需要无刷直流电动机控制系统的仪器或设备，必然对其无刷直流电动机控制系统都有相应的静、动态性能要求。在一些高、精、尖领域（如航空航天等），其对无刷直流电动机控制系统的性能要求可以说是相当苛刻的。由于无刷直流电动机控制系统转速静差率的存在，采用开环控制技术不能消除静差率，不能满足控制系统稳、准、快的三个基本要求，故在实际工程应用中的无刷直流电动机控制系统都是采用闭环控制技术实现的。旺３无刷直流电动机转速负反馈单闭环控制系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，但又不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，因而常在对动态性能要求不高的场合采用。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环控制系统就难以满足需要。为了改善无刷直流电动机控制系统的动态特性，就很有必要在速度负反馈单闭环控制系统的基础上再引入电流负反馈环来控制系统动态过程的电流和转矩。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，无刷直流电动机双闭环控制系统如图２－６所示。图中ＧＴ为驱动控制装置，Ｖ为功率开关管，以’、阮分别为转速给定电压和转速反馈电压，Ｕ’、明分别为电流给定电压和电流反馈电压。这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出
西Ｉ∽ｉ业火学碗士学位论文第２章无戳在漉电动枕控翩系统
去控制功率开关管的触发装置，进而控制功率开关管的导通与关断，从而实现对无刷直流电动机转速、电流或转矩的控制。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环：转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了一个无刷直流电动机转速、电流双闭环控制系统。“１
图２－６无刷直流电动机双闭环控制系统
２．３．２双闭环控制系统动态数学模型
从图２－５无刷直流电动机动态数学模型中可以看出，无刷直流电动机有两个输入量，一个是外加电压信号Ｕ，另一个是负载转矩死：前者是控制输入量，后者是扰动输入量。将扰动输入量死的综合点移前，并进行等效变换，可得如下无刷直流电动机动态等效结构图。如图２—７所示。
图２－７无刷直流电动机动态等散结构图
要控制功率开关管整流装置总离不开控制触发电路，因此在分析系统时往往把它们当作一个环节来看待。这一环节的输入量是触发电路的控制电压％，
输出量是无刷直流电动机的外加电压Ｕ。如果把它们之间的放大系数疋看成常数，又由于功率开关管装置存在滞后作用，故功率开关管的触发与整流装置可
丝！些丝：丝堡丝重墅墼丝塑垄丝蝥以看成是一个具有纯滞后的放大环节，其传递函数可近似成一阶惯性环节
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（２—１２）其动态结构图如图２－８所示。
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图２－８功率开关管触发和整流装置动态结构图
速度、电流的计算和检测可以认为是瞬时的，因此它们的放大系数也就是它们的传递函数，即
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知道了各环节的传递函数后，把它们按图２－６所示在系统中的相互关系组合起来，就可以画出无刷直流电动机双闭环控制系统的动态结构框图，如图２－９所示。图中％船Ｏ）和％＠Ｏ）分别表示转速和电流调节器。Ⅲ川
图２－９无刷直流电动机双闭环控制系统动态结构框图
鹊靶ｉｌ业犬学碗士学韫论文第３章地硬件碌理样机设计第３章纯硬件原理样机设计
为确定系统设计方案，作为技术铺垫，先设计了由纯硬件构建的舵机用４８Ｖ双余度稀土永磁无刷直流电动机控制系统。本章简要介绍了由纯硬件构建的舵机用４８Ｖ双余度稀土永磁无刷直流电动机控制系统原理样机的总体设计，对系统执行电动机方案的选择，纯硬件原理样机硬件主要组成部分的设计进行了详细的阐述。
３．１纯硬件原理样机总体设计
由纯硬件构建的４８Ｖ双余度稀土永磁无刷直流电动机控制系统在技术上相对基于ＤＳＰ控制器的数字式２７０Ｖ高压双余度稀土永磁无刷直流电动机控制系统来说容易实现一些。在这里设计４８Ｖ纯硬件原理样机的目的主要是为基于ＤＳＰ控制器的舵机用数字式２７０Ｖ高压双余度稀土永磁无刷直流电动机控制系统在系统执行电动机的选型、主功率及其驱动电路的设计、控制策略的选择以及双余度工作模式的确定等作一个理论和技术上的探索，为基于ＤＳＰ控制器数字式系统的最终设计实现奠定基础。由纯硬件构建的舵机用４８Ｖ双余度稀土永磁无刷直流电动机控制系统原理样机如图３．１所示。该原理样机的驱动控制功能全部由硬
图３－ｌ纯硬件原理样机
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馥托Ｉ监大学硕七学能论文第３章纯硬释：擐理徉祝设计件完成，可独立接受外部旋钮给定的模拟速度信号指令实现双余度稀土永磁无刷直流电动机驱动控制。该原理样机即可实现单余度工作，当一个余度故障时，另一余度仍能正常工作且保证足够的出力；也可实现Ａ、Ｂ两个余度同时工作。纯硬件原理样机总体设计结构原理框图如图３．２所示。
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圈３－２纯硬件原理样机总体设计结构原理框图
由于纯硬件原理样机硬件电路由两套完全对称、功能相同的硬件电路组成，分别控制执行电机的两套工作绕组，构成双余度控制系统，本章如无特殊说明均为单余度论述。系统每余度控制系统硬件电路由以下主要功能模块构成；
?主功率电路及功率驱动电路；
?速度信号变换与电流反馈电路；
?比例调节与ＰＷＭ主控电路；
?逻辑综合分配电路。
在以下的小节中将对系统执行电动机选型、各部分硬件电路设计进行具体阐述。
３．２执行电动机方案
３．２．１力矩电机与伺服电机
无刷直流电动机按其结构和完成的功能不同可以分为伺服电机和力矩电机两大类。伺服电机因其驱动控制电路采用方波电压或电流驱动，故又称方波电１５
＿鳆托ｌ？业大学殒ｔ学位论文第３章纯硬件原理样机设计
机，一般在速率伺服系统中使用，而力矩电机则一般在位置伺服系统中使用。
伺服电机与力矩电机之特性对比如表３—１所示。
表：３－１伺服电机与力矩电机对比表
伺服（方波）电机力矩电机适用场合高速低速
控制电路较简单较复杂
软件编程较简单复杂
电机结构简单较复杂
可维护性强较弱
生产成本较低较高
力矩电机一般取扁平外形结构，气隙磁场则采用正弦波，其驱动电路采用正弦波电流驱动。对于一台二相导通星形三相六状念无刷直流电动机来说，它由位置传感器提供转子位置信号，每隔六分之一电周期，功率开关切换一次，使电机电流所产生的定子磁势跳越６０。电度角，进而使转子连续转起来。由于定子磁势呈步进运动，所以产生的电磁转矩将呈现波动，使得电动机产生转矩波动，特别在低速状态下。力矩电机由于是正弦波电流驱动，电机绕组通入对称的－－Ｊｆ目交流电，电枢磁势的运动轨迹为均匀旋转半径恒定的圆形，方向连续变化，电动机产生的电磁转矩平稳，可有效地降低转矩脉动。但这类电机系统无论是电动机本体、位置传感器，还是驱动控制电路，都比较复杂，生产成本也比较高。因此，力矩电动机多用于对转矩波动要求严格的低速直接驱动控制系统或位置伺服系统中。
相对力矩电机而言，伺服电机一般取长细外型结构，气隙磁场采用近乎方波的准方波气隙磁场，其驱动控制电路采用方波电压或电流驱动。其电机本体结构、驱动控制电路相对简单，生产成本也较低。转矩波动主要影响低转速稳定性，当电动机高速运行时，由于转动惯量的飞轮稳速效应，转矩波动对转速稳定性影响大大变小。所以，在速率伺服系统中大都采用方波电压或电流驱动的伺服电机，以便简化驱动电路，降低生产成本。”１
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西北Ｉ业太学硬士学位论文第３章纯硬俘强理样枧设计３．２．２稀土永磁无刷直流电动机
无刷直流电动机通常采用铁氧体永磁体或铝镍钴永磁体转子，而稀土永磁材料的出现则大大推动了无刷直流电动机的发展。稀土永磁材料（如钐钴、钕铁硼等）具有高剩磁密度、高矫顽力以及高磁能积等优异磁性能。这些优点使得稀土永磁无刷直流电动机具有体积更小、重量更轻而动态性能更好，特别适合于对性能、体积、重量要求比较苛刻的场合．如航空航天、精密电子仪器与设备、工业自动化等领域。
对于稀土永磁无刷直流电动机，其气隙磁场波形可以为方波，也可以实现正弦波或梯形波，根据磁路结构和永磁体形状的不同而不同。对于采用非均匀气隙或非均匀磁化方向长度的永磁体的径向激磁结构，气隙磁场波形可以实现正弦分布。正弦波气隙磁场在稀土永磁三相同步电机中常用，而在稀土永磁无刷直流电动机中较少采用。对于径向激磁结构，稀土永磁体直接面向均匀气隙，由于稀土永磁体的取向性好，可以方便地获得具有较好方波形状的气隙磁场。
对于方波气隙磁场，当定子绕组采用集中整距绕组，即每极每相槽数ｑ＝１时，方波磁场在定子绕组中感应的电势为梯形波。对于二相导通星形三相六状态稀土永磁无刷直流电动机，方波气隙磁感应强度在空间的宽度应大于１２０。电角度，在定子电枢绕组中感应的梯形波反电势的平顶宽应大于１２００电角度。这种具有方波气隙磁感应强度分布、梯形波反电势的稀土永磁无刷直流电动机称为稀土永磁方波电动机。方波电动机通常采用方波电流驱动，即与１２００导通型三相逆变器相匹配，由逆变器向方波电动机提供三相对称的、宽度为１２０。电角度的方波电流。方波电流应与电势同相位或位于梯形波反电势的平项宽度范围内，如图３－３所示。另外，为了获得梯形波反电势，电抠绕组应设计成集中绕组。Ⅲ
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图３－３梯形波反电动势与方波电流