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直流电(dian)机(ji)(ji)(ji)具有(you)良好的(de)调(diao)速性(xing)能(neng),如无级调(diao)速、调(diao)速范围宽(kuan)、低速性(xing)能(neng)好、高(gao)起动转矩、高(gao)效(xiao)率(lv)等。无刷直流电(dian)机(ji)(ji)(ji)由于采用(yong)(yong)电(dian)子换向,PWM调(diao)速,在进一步提高(gao)直流电(dian)机(ji)(ji)(ji)性(xing)能(neng)的(de)同(tong)时又克(ke)服(fu)了(le)(le)直流电(dian)机(ji)(ji)(ji)机(ji)(ji)(ji)械换向带(dai)来的(de)一系列(lie)问题(ti),从而大(da)大(da)延(yan)长了(le)(le)电(dian)机(ji)(ji)(ji)的(de)使用(yong)(yong)寿命,近年来已广泛应用(yong)(yong)于家电(dian)、汽车(che)、数(shu)控机(ji)(ji)(ji)床、机(ji)(ji)(ji)器人(ren)等领域(yu)。

1、无刷机优势特点

无(wu)刷直(zhi)流(BLDC)电机(ji)具有(you)多种优点：效率(lv)更(geng)高(gao)、寿命(ming)更(geng)长、不产(chan)生火花、可(ke)(ke)靠性高(gao)，可(ke)(ke)以选择多档速度，并有(you)大(da)扭(niu)矩。因此，越(yue)来越(yue)多的应用依赖于无(wu)刷直(zhi)流（BLDC）电机(ji)，包括医疗设(she)备(bei)、家用电器、楼宇(yu)控制和工业自动化等(deng)等(deng)。

2、无刷直流电机的速度控制方案

对无(wu)刷直流(liu)电机(ji)(ji)转(zhuan)速的(de)(de)控制即可(ke)(ke)采用(yong)开环(huan)(huan)控制,也(ye)可(ke)(ke)采用(yong)闭(bi)环(huan)(huan)控制。与(yu)开环(huan)(huan)控制相(xiang)(xiang)比,速度控制闭(bi)环(huan)(huan)系统(tong)的(de)(de)机(ji)(ji)械特性(xing)(xing)有(you)以下(xia)优越性(xing)(xing)：闭(bi)环(huan)(huan)系统(tong)的(de)(de)机(ji)(ji)械特性(xing)(xing)与(yu)开环(huan)(huan)系统(tong)机(ji)(ji)械特性(xing)(xing)相(xiang)(xiang)比,其性(xing)(xing)能大(da)大(da)提高;理想空载转(zhuan)速相(xiang)(xiang)同(tong)时(shi)(shi),闭(bi)环(huan)(huan)系统(tong)的(de)(de)静(jing)差(cha)率（额定负载时(shi)(shi)电机(ji)(ji)转(zhuan)速降(jiang)落(luo)与(yu)理想空载转(zhuan)速之比）要(yao)小得多;当(dang)要(yao)求(qiu)的(de)(de)静(jing)差(cha)率相(xiang)(xiang)同(tong)时(shi)(shi), 闭(bi)环(huan)(huan)调速系统(tong)的(de)(de)调速范围(wei)可(ke)(ke)以大(da)大(da)提高。无(wu)刷直流(liu)电机(ji)(ji)的(de)(de)速度控制方案如图1所(suo)示。

无(wu)(wu)刷直(zhi)(zhi)流(liu)电(dian)(dian)机(ji)控(kong)制(zhi)(zhi)器可(ke)采用电(dian)(dian)机(ji)控(kong)制(zhi)(zhi)专(zhuan)用DSP，也(ye)可(ke)采用单片机(ji)＋无(wu)(wu)刷直(zhi)(zhi)流(liu)电(dian)(dian)机(ji)控(kong)制(zhi)(zhi)专(zhuan)用集成(cheng)电(dian)(dian)路(lu)的(de)方案。前(qian)者集成(cheng)度(du)(du)高，电(dian)(dian)路(lu)设计简单，运算(suan)(suan)(suan)速(su)度(du)(du)快，可(ke)实现复杂的(de)速(su)度(du)(du)控(kong)制(zhi)(zhi)算(suan)(suan)(suan)法，但由于DSP的(de)价格高而不适合于小(xiao)功(gong)率低成(cheng)本的(de)无(wu)(wu)刷直(zhi)(zhi)流(liu)电(dian)(dian)机(ji)控(kong)制(zhi)(zhi)器。后者虽然(ran)运算(suan)(suan)(suan)速(su)度(du)(du)低，但只要采用适当的(de)速(su)度(du)(du)控(kong)制(zhi)(zhi)算(suan)(suan)(suan)法，依然(ran)可(ke)以达(da)到(dao)较高的(de)控(kong)制(zhi)(zhi)精(jing)度(du)(du)，适合于小(xiao)功(gong)率低成(cheng)本的(de)无(wu)(wu)刷直(zhi)(zhi)流(liu)电(dian)(dian)机(ji)控(kong)制(zhi)(zhi)器。

第二代无刷直流电机(ji)控制(zhi)专用集成(cheng)电路(lu)(lu)，集成(cheng)了转(zhuan)子(zi)位置传感(gan)器(qi)译码器(qi)电路(lu)(lu)、脉宽调制(zhi)电路(lu)(lu)（PWM）、功率输出(chu)驱动电路(lu)(lu)、限流电路(lu)(lu)，可以实(shi)现无刷直流电机(ji)速(su)度开环系统的(de)全部控制(zhi)功能。以及(ji)由(you)(you)MOSFET型场(chang)效应(ying)管组成(cheng)的(de)功率驱动电路(lu)(lu)，无刷电机(ji)控制(zhi)逻辑和(he)保护由(you)(you)对号完成(cheng)，单(dan)片机(ji)用来完成(cheng)转(zhuan)速(su)设定值的(de)获取、转(zhuan)速(su)反馈的(de)实(shi)时采样以及(ji)速(su)度控制(zhi)算(suan)法的(de)实(shi)现。

闭环速度(du)调(diao)(diao)节(jie)器采用比例积分微分控制(zhi)(zhi)（简(jian)称PID控制(zhi)(zhi)），其输(shu)出是输(shu)入的(de)比例、积分和微分的(de)函数(shu)。PID调(diao)(diao)节(jie)器控制(zhi)(zhi)结构简(jian)单，参数(shu)容(rong)易整定，不必求出被控对象的(de)数(shu)学模(mo)型，因此PID调(diao)(diao)节(jie)器得(de)到了(le)广(guang)泛的(de)应用。

PID调节器虽然(ran)易于使用(yong)，但(dan)在(zai)设计(ji)、调试无刷(shua)直流(liu)电(dian)机(ji)控制器的(de)过程中应注(zhu)意：PID调节器易受干扰、采样精度(du)的(de)影响(xiang)，且(qie)受数字量上下(xia)限的(de)影响(xiang)易产生上下(xia)限积分饱和而失去调节作用(yong)。所以，在(zai)不影响(xiang)控制精度(du)的(de)前提下(xia)对PID控制算(suan)法加以改进，关系到(dao)整个无刷(shua)直流(liu)电(dian)机(ji)控制器设计(ji)的(de)成败(bai)。

3、速度设定值和电机转速的获取

为在单片(pian)机中实(shi)现PID调节，需(xu)(xu)要(yao)得到电(dian)机速(su)度设定(ding)值(zhi)（通(tong)过(guo)A／D变换(huan)器(qi)）和(he)电(dian)机的(de)(de)实(shi)际转速(su)，这需(xu)(xu)要(yao)通(tong)过(guo)精(jing)心(xin)的(de)(de)设计才(cai)能完(wan)成(cheng)。

无刷(shua)直(zhi)流电机的实际转(zhuan)速可(ke)通过测(ce)量转(zhuan)子(zi)位置(zhi)传(chuan)感(gan)(gan)器（通常(chang)是(shi)霍(huo)尔传(chuan)感(gan)(gan)器）信号得(de)到(dao)，在(zai)电机转(zhuan)动(dong)过程中(zhong)，通过霍(huo)尔传(chuan)感(gan)(gan)器可(ke)以(yi)得(de)到(dao)如(ru)图2所示的周(zhou)期信号。

图2：霍尔传感器信号

由图2可(ke)知,电机(ji)(ji)每转一圈,每一相霍尔(er)传感(gan)器产生2个周期的(de)方波,且其周期与(yu)电机(ji)(ji)转速(su)成反比,因此可(ke)以(yi)利用霍尔(er)传感(gan)器信(xin)号得(de)到(dao)电机(ji)(ji)的(de)实际转速(su)。为尽可(ke)能缩短(duan)一次速(su)度采样的(de)时间,可(ke)测(ce)得(de)任意一相霍尔(er)传感(gan)器的(de)一个正脉冲的(de)宽度,则电机(ji)(ji)的(de)实际转速(su)为：

但由于(yu)利用霍(huo)尔传(chuan)感(gan)器(qi)信号(hao)测(ce)(ce)速(su)(su)，所(suo)以测(ce)(ce)量电(dian)(dian)机(ji)(ji)转(zhuan)速(su)(su)时(shi)的(de)(de)采(cai)样(yang)(yang)(yang)周(zhou)期(qi)是(shi)变(bian)(bian)化的(de)(de)，低速(su)(su)时(shi)采(cai)样(yang)(yang)(yang)周(zhou)期(qi)要(yao)长些，这影响了PID调节(jie)器(qi)的(de)(de)输出，导(dao)致电(dian)(dian)机(ji)(ji)低速(su)(su)时(shi)的(de)(de)动态特性变(bian)(bian)差。解决(jue)的(de)(de)办(ban)法是(shi)将三相霍(huo)尔传(chuan)感(gan)器(qi)信号(hao)相“与”，产生3倍(bei)于(yu)一(yi)相霍(huo)尔传(chuan)感(gan)器(qi)信号(hao)频(pin)率的(de)(de)倍(bei)频(pin)信号(hao)，这样(yang)(yang)(yang)可(ke)缩短(duan)一(yi)次(ci)速(su)(su)度(du)采(cai)样(yang)(yang)(yang)的(de)(de)时(shi)间，但得增(zeng)加额(e)外的(de)(de)硬件(jian)开(kai)销。直接利用霍(huo)尔传(chuan)感(gan)器(qi)信号(hao)测(ce)(ce)速(su)(su)虽然(ran)方(fang)便易(yi)行，但这种测(ce)(ce)速(su)(su)方(fang)法对(dui)霍(huo)尔传(chuan)感(gan)器(qi)在电(dian)(dian)机(ji)(ji)定(ding)子(zi)圆周(zhou)上(shang)的(de)(de)定(ding)位有较严格的(de)(de)要(yao)求，当(dang)霍(huo)尔传(chuan)感(gan)器(qi)在电(dian)(dian)机(ji)(ji)定(ding)子(zi)圆周(zhou)上(shang)定(ding)位有误差时(shi)，相邻(lin)2个正脉冲(chong)的(de)(de)宽度(du)不一(yi)致，会(hui)导(dao)致较大的(de)(de)测(ce)(ce)速(su)(su)误差，影响PID调节(jie)器(qi)的(de)(de)调节(jie)性能(neng)。若对(dui)测(ce)(ce)速(su)(su)精度(du)要(yao)求较高时(shi)，可(ke)采(cai)用增(zeng)量式光电(dian)(dian)码盘，但同(tong)样(yang)(yang)(yang)会(hui)增(zeng)加了电(dian)(dian)路的(de)(de)复(fu)杂(za)性和硬件(jian)的(de)(de)开(kai)销。

电(dian)机(ji)速度设定(ding)值(zhi)可以通(tong)过(guo)一定(ding)范围内的电(dian)压来(lai)(lai)表(biao)示。系统中采用了串行(xing)A／D来(lai)(lai)实(shi)现速度设定(ding)值(zhi)的采样。但在电(dian)机(ji)调速的过(guo)程中，电(dian)机(ji)控制(zhi)器的功率输出部分会对A／D模拟输入电(dian)压产生(sheng)干扰，进行(xing)抗干扰处理。

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