趙文龍, 歐陽(yáng)明長(zhǎng), 程若發(fā), 鄭禮超
(南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院,南昌 330063)
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)又稱永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī),它是隨著現(xiàn)代電子技術(shù)高速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型機(jī)電一體化電動(dòng)機(jī),是電力電子技術(shù)、電動(dòng)機(jī)技術(shù)和控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在航天、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、工業(yè)和民用等場(chǎng)合。由于其經(jīng)過(guò)電子換向能得到類似于直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性,有較好的可控性、寬調(diào)速范圍和更高的效率而逐步地取代現(xiàn)有的有刷直流電動(dòng)機(jī)[1]。
雖然無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,應(yīng)用范圍極其廣泛,但是高校電力拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)展到此種程度,因此將無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)納入高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程就顯得尤為必要[2]。很多學(xué)者致力于研究無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制方法[3-6],大部分以快速、易實(shí)現(xiàn)且控制效果好的PID控制方法為主,都能達(dá)到很好的控制效果。其中,文獻(xiàn)[3-4]中運(yùn)用了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制,沒(méi)有加入電流調(diào)節(jié)器。文獻(xiàn)[5]中僅討論了電流閉環(huán)控制。文獻(xiàn)[6]中雖采用了雙閉環(huán)控制,但沒(méi)有基于硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)監(jiān)控。上述研究多采用仿真試驗(yàn)方式,此種方式雖方便易行,但是實(shí)物對(duì)象控制往往顯得更加復(fù)雜,控制效果與仿真存在較大差異,欲想得知仿真實(shí)驗(yàn)控制效果理想與否還需實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證并通過(guò)上位機(jī)得知實(shí)驗(yàn)效果?;诖?,本文設(shè)計(jì)了一套完整的可以用于試驗(yàn)教學(xué)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制裝置,為高校開展電力拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了良好的基礎(chǔ)。
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)大體可分為TMS320F28335主控模塊、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)模塊、全橋驅(qū)動(dòng)模塊、直流電源模塊、通信模塊、母線電流和母線電壓檢測(cè)模塊等。
圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖
裝置采用TMS320F28335為核心控制器,設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有電氣隔離、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)的小功率無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制裝置。為了更好地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件直觀地監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的母線電壓、母線電流、轉(zhuǎn)速給定和響應(yīng)波形曲線。
采用雙閉環(huán)控制策略,外環(huán)為速度環(huán),內(nèi)環(huán)為電流環(huán)[7]。外環(huán)采用數(shù)字增量式PI調(diào)節(jié),內(nèi)環(huán)采用PID調(diào)節(jié),如圖2所示。調(diào)節(jié)器的輸出為PWM信號(hào),作為隔離PWM逆變器的輸入,控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[8]。
圖2 調(diào)速控制原理圖
為了方便定量分析,能突出問(wèn)題的主要方面,做出如下假設(shè):①不考慮電動(dòng)機(jī)繞組電感和互感;②不考慮電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響;③不考慮轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流效應(yīng);④功率開關(guān)可用其等效電路代替。
無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在一個(gè)完整的工作周期內(nèi)總是可以劃分為若干個(gè)對(duì)稱的狀態(tài)角,因此只須考察它的一個(gè)狀態(tài)角內(nèi)的一個(gè)等效電路就有足夠的代表性。首先假設(shè)有:
(1)
式中:u為直流母線電壓;D表示PWM占空比;ΔU為MOS管導(dǎo)通壓降;rm為電動(dòng)機(jī)繞組內(nèi)阻;rg為MOS管導(dǎo)通電阻。
基于式(1)畫出一個(gè)狀態(tài)角內(nèi)簡(jiǎn)化模型的等效電路圖,如圖3所示。
圖3 簡(jiǎn)化模型等效電路圖
由圖3運(yùn)用基爾霍夫電壓定律可以列出電壓平衡方程為:
U*=Ee+iRe
(2)
考慮到不同的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有不同的反電動(dòng)勢(shì)波形,將等效電路的反電動(dòng)勢(shì)Ee以函數(shù)形式表示為:
Ee=EmF(θ),θ∈θZ
(3)
式中:Em為反電動(dòng)勢(shì)幅值(V),
Em=KeΩ
(4)
Ke為等效繞組反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)(V/(rad·s-1)),Ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度(rad/s)。
轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械功率為W1,設(shè)氣隙電磁功率為W2,有:
TeΩ=W1
(5)
Eei=W2
(6)
由能量守恒,有W1=W2。式(5)中Te為電磁轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)值(N·m)。
上述各式代入式(2)推導(dǎo)可以得到瞬時(shí)電流表達(dá)式為:
(7)
瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩為:
(8)
計(jì)算在狀態(tài)角θZ內(nèi)的電磁轉(zhuǎn)矩平均值為:
(9)
式中:Kav為反電動(dòng)勢(shì)波形函數(shù)f(θ)在狀態(tài)角θZ內(nèi)的平均值系數(shù);Kef為反電動(dòng)勢(shì)波形函數(shù)f(θ)在狀態(tài)角θZ內(nèi)的有效值系數(shù)。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí),即Ω=0,堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩平均值為:
(10)
式中:IS為堵轉(zhuǎn)電流(A);KT為轉(zhuǎn)矩系數(shù)(N·m/A),
KT=KavKe
(11)
在理想空載點(diǎn)有Tav=0,理想空載轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度Ω=Ω0,其中:
Ω0=U*/KE
(12)
KE為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)(V/rad·s-1),
(13)
將KE、KT代入式(9)可以得到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性通用表達(dá)式:
(14)
代入Ω0可得:
Ω=Ω0-Tav/D*
(15)
式中:D*為黏性阻尼系數(shù)(N·m/(rad·s-1)),
(16)
上式表明,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和有刷直流電動(dòng)機(jī)相似[9],呈線性關(guān)系。如圖4所示,在不同外施母線電壓下的機(jī)械特性是一簇平行直線,機(jī)械特性的斜率等于D*。
圖4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性
由圖4無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性可得,在不考慮電動(dòng)機(jī)繞組電感和互感的大前提下,進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)易控制可以類似于有刷直流電動(dòng)機(jī),在每個(gè)狀態(tài)角內(nèi)進(jìn)行PWM調(diào)制,等效于改變加在兩相繞組上的電壓值可以達(dá)到控制目的。
(1) TMS320F28335。主控芯片選用TI公司的TMS320F28335,屬于C2000系列DSP,主頻高達(dá)150 MHz。選用此款芯片是由于芯片運(yùn)算速度快,外設(shè)豐富,有獨(dú)立的PWM模塊和CAP模塊。
(2) 信號(hào)隔離與采集電路。采用信號(hào)隔離電路可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。采用HCPL631雙路高速光耦芯片,PWM信號(hào)輸入輸出均采用上拉設(shè)計(jì),增強(qiáng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力,如圖5所示。另外電動(dòng)機(jī)內(nèi)部開關(guān)霍爾信號(hào)關(guān)系到電動(dòng)機(jī)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn),因此霍爾信號(hào)的采集電路也需采用上拉方式。
圖5 信號(hào)隔離電路圖
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與有刷直流電動(dòng)機(jī)最大不同之處在于換向,因此換向電路的穩(wěn)定性至關(guān)重要,系統(tǒng)采用全橋隔離逆變電路[10],如圖6所示。電路中驅(qū)動(dòng)器采用IR2136專用高壓集成驅(qū)動(dòng)芯片,內(nèi)有6路PWM通道,可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET和IGBT,并且自帶過(guò)流比較器,具有專用過(guò)電流信號(hào)檢測(cè)輸入端ITRIP,可從硬件上防止過(guò)流故障對(duì)系統(tǒng)造成危害[11]。電路中MOSFET選用F3205S,峰值電流可達(dá)到110 A,開關(guān)速度達(dá)到ns級(jí)。
圖6 全橋逆變電路原理圖
系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集母線電壓和電流信號(hào),圖7所示為母線電壓檢測(cè)電路原理圖。A1A運(yùn)放構(gòu)成同相放大電路使母線電壓放大合適倍數(shù),將信號(hào)調(diào)理至CPU采集允許的電壓范圍,采用HCNR200線性光耦隔離控制電路與驅(qū)動(dòng)電路,其中R1=R2,A2A運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器,增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。母線電流檢測(cè)方法類似,由于圖6中電流采樣電阻R13很小,故需要將BUS-的值放大合適倍數(shù)。
圖7 母線電壓檢測(cè)電路
系統(tǒng)采用三相繞組星型聯(lián)結(jié)電動(dòng)機(jī),其橋式導(dǎo)通方式見表1。
表1 三相繞組橋式120°導(dǎo)通方式
由表1可得,使電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要依次按照狀態(tài)1~狀態(tài)6的導(dǎo)通順序,或者與之相反。
系統(tǒng)軟件主要完成的是采集輸入信號(hào)和反饋信號(hào)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行迅速的控制,在過(guò)壓過(guò)流情況下能夠快速斷開驅(qū)動(dòng)電源,能將實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、母線電壓電流信號(hào)傳輸給上位機(jī)的功能。系統(tǒng)程序在CCS編譯環(huán)境中運(yùn)用C#編寫完成。系統(tǒng)主程序簡(jiǎn)易流程圖如圖8所示。
表1所示為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的導(dǎo)通方式,按此方式對(duì)應(yīng)到圖6中開通MOSFET的順序,如果為Q1Q4→Q1Q6→Q3Q6→Q3Q2→Q5Q2→Q5Q4→Q1Q4,則電動(dòng)機(jī)順/逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),逆向循環(huán)則為逆/順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)[12]。
圖8 主程序簡(jiǎn)易流程圖
對(duì)應(yīng)到程序中需要用到DSP的脈沖捕獲模塊,模塊的輸入為電動(dòng)機(jī)霍爾信號(hào)。3個(gè)輸入引腳都配置成上升沿下降沿捕獲模式,每一個(gè)信號(hào)跳變都將進(jìn)入捕獲中斷進(jìn)行正常的換向。在某一狀態(tài)中,PWM控制橋臂快速導(dǎo)通關(guān)斷,開通期間電動(dòng)機(jī)有電流流過(guò)繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,關(guān)斷時(shí)需要續(xù)流,對(duì)應(yīng)狀態(tài)下橋臂導(dǎo)通,通過(guò)MOSFET寄生二極管進(jìn)行續(xù)流[13],如不考慮關(guān)斷續(xù)流情況很可能會(huì)擊穿橋臂。
運(yùn)用DSP內(nèi)部SCI模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,由于需要傳送的數(shù)據(jù)較多,直接傳送容易引起數(shù)據(jù)錯(cuò)亂,故采用數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,即幀頭+電壓數(shù)據(jù)+電流數(shù)據(jù)+電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速+給定轉(zhuǎn)速+幀尾,其中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速數(shù)值較大需2 Byte傳輸。由于數(shù)據(jù)傳送不能耗費(fèi)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間,故將此任務(wù)嵌入定時(shí)中斷,每次發(fā)送1 Byte數(shù)據(jù),波特率設(shè)置為115 200,設(shè)定傳送幀數(shù)據(jù)周期為3 ms。
上位機(jī)采用C#編寫,主要完成的是數(shù)據(jù)的解析、濾波與顯示的功能,窗口采用自適應(yīng)量程,數(shù)據(jù)顯示更為直觀。系統(tǒng)整體實(shí)物如圖9所示。
圖9 系統(tǒng)整體實(shí)物圖
系統(tǒng)采用定頻變寬的方式對(duì)ePWM1~ePWM6進(jìn)行調(diào)制,工作方式設(shè)置為向上-下計(jì)數(shù)模式[14],PWM占空比通過(guò)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行控制。PWM波形頻率與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)大小有關(guān),其脈沖數(shù)越多電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)越小,又考慮CPU實(shí)際情況不能將其無(wú)限增大,因此將PWM頻率設(shè)置為20 kHz[15]。
由于IR2136驅(qū)動(dòng)芯片輸入與輸出是邏輯非的關(guān)系,故PWM模塊比較計(jì)數(shù)器初始化為最大數(shù),通過(guò)增量型的數(shù)字調(diào)節(jié)器來(lái)改變比較計(jì)數(shù)值的大小。
系統(tǒng)用到了三路AD采集,分別是電壓信號(hào)、電流信號(hào)、外部輸入給定信號(hào)。TMS320F28335芯片內(nèi)部嵌入有12位AD,能識(shí)別的電壓信號(hào)范圍是0~3 V。
將ADC模塊的觸發(fā)源設(shè)置為ePWMxSOCA,即每一周期PWM波的輸出都將觸發(fā)一次ADC模塊[14],因此采樣的周期與PWM周期相同。ADC模塊時(shí)鐘則由系統(tǒng)時(shí)鐘分頻得到,決定ADC轉(zhuǎn)換的速率,將其配置為最高頻率25 MHz。
系統(tǒng)減速采用剎車與數(shù)字調(diào)節(jié)器共同控制的方式,由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是大慣性之后環(huán)節(jié),故再減速時(shí),單單靠調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)方式往往達(dá)不到理想的減速效果,因此需要采用制動(dòng)的方式。直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式有:能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)[16]。
由于系統(tǒng)選用電動(dòng)機(jī)為小功率電動(dòng)機(jī),額定電流小,開關(guān)管的電流裕量大,故采用能耗制動(dòng)較為方便,能耗制動(dòng)基本原理為:讓電動(dòng)機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)時(shí),短接繞組產(chǎn)生制動(dòng)力矩,具體步驟為判斷兩次采樣外部速度給定,采樣時(shí)間間隔為15 ms,如果減速數(shù)值大于1 000 r/min則啟用短接制動(dòng),否則采用轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器跟蹤輸入。
系統(tǒng)采用30 W小功率,三相六狀態(tài)星型連接兩磁對(duì)極無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),額定電壓12 V,額定空載轉(zhuǎn)速2 000 r/min。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況整定出合適的內(nèi)外環(huán)PID參數(shù),采用12 V開關(guān)電源供電得出系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形如圖10和圖11所示。
圖10表示轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線,其中紫色實(shí)線為給定轉(zhuǎn)速曲線,粉色實(shí)線為系統(tǒng)響應(yīng)轉(zhuǎn)速曲線,縱軸表示轉(zhuǎn)速幅值,橫軸表示采樣周期值,即每一點(diǎn)表示一幀數(shù)據(jù)。其中:T1時(shí)段表示的是電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間比例控制起主導(dǎo)作用的時(shí)間,讀取數(shù)據(jù)為4格,包括電動(dòng)機(jī)的死區(qū)時(shí)間2.5格,1格表示5個(gè)采樣點(diǎn),采樣周期為3 ms,計(jì)算得到T1為100 ms。T2時(shí)段表示的是電動(dòng)機(jī)恒流升速并將轉(zhuǎn)速偏差調(diào)節(jié)到零的階段,讀取數(shù)據(jù)為12格,即T2為180 ms。得到系統(tǒng)正階躍信號(hào)響應(yīng)需要的時(shí)間是280 ms。T3時(shí)段表示系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中突加擾動(dòng)響應(yīng)情況,讀取T3為9格135 ms,由此可見,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)較為迅速,最終能恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。T4表示電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)間,讀取數(shù)據(jù)為6格,制動(dòng)時(shí)間為90 ms。得到負(fù)階躍信號(hào)響應(yīng)時(shí)間為90 ms。
圖10 階躍響應(yīng)轉(zhuǎn)速圖
圖11 階躍響應(yīng)電壓電流圖
圖11表示的是階躍響應(yīng)電壓電流波形圖,紅色實(shí)線表示母線電壓值,淺藍(lán)色實(shí)線表示母線電流值。母線電壓波形大約穩(wěn)定在12 V,電流波形對(duì)應(yīng)圖10中響應(yīng)時(shí)間段。
由圖11可知,T1表示比例調(diào)節(jié)起主導(dǎo)作用的時(shí)間段,此時(shí)的母線電流峰值達(dá)到5.2 A,大于系統(tǒng)額定電流約2倍,快速提速,持續(xù)時(shí)間短。T2表示恒流升速并將誤差消除的時(shí)間,此時(shí)電流大小基本穩(wěn)定在額定電流2.5 A左右,恒定轉(zhuǎn)矩提升到給定轉(zhuǎn)速。T3表示擾動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間段,此時(shí)的電流值突變迅速,也即系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩迅速響應(yīng)。T4表示制動(dòng)時(shí)間段,由于制動(dòng)是利用電動(dòng)機(jī)相電流產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,故流經(jīng)母線電流數(shù)值幾乎為零。
由于系統(tǒng)減速采用了制動(dòng)和調(diào)節(jié)器聯(lián)合調(diào)節(jié)的方法,對(duì)于小范圍的減速如果仍采取制動(dòng)則系統(tǒng)很難維持穩(wěn)定,故小范圍的減速需采用調(diào)節(jié)器的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖12所示為兩種減速情況波形圖,t1時(shí)刻給定減速值較小,此時(shí)系統(tǒng)自由減速,利用調(diào)節(jié)器控制。t2時(shí)刻給定減速值為1 050 r/min,大于程序設(shè)定閾值1 000 r/min,啟動(dòng)制動(dòng)程序,此時(shí)從開始調(diào)節(jié)到消除誤差所花時(shí)間為14格,210 ms。制動(dòng)響應(yīng)雖迅速,但是會(huì)產(chǎn)生較大超調(diào),因此需要減速數(shù)值較大時(shí)才會(huì)啟用。
圖12 減速調(diào)節(jié)響應(yīng)圖
裝置采用TMS320F28335芯片為CPU處理速度快,外設(shè)資源豐富,編譯器CCS直觀易用。采用隔離化的硬件設(shè)計(jì)方式能很大程度保證系統(tǒng)的可靠性,過(guò)壓過(guò)流保護(hù)程序的設(shè)計(jì)能防止出現(xiàn)錯(cuò)誤,對(duì)裝置造成嚴(yán)重?fù)p害。采用雙閉環(huán)調(diào)速能快速響應(yīng)且穩(wěn)定性好,能耗制動(dòng)的加入能讓控制對(duì)象能迅速的跟隨輸入。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)能夠完成跟隨輸入,快速性穩(wěn)定性好,穩(wěn)態(tài)誤差幾乎能夠完全消除,擾動(dòng)的突加能夠迅速調(diào)節(jié)并穩(wěn)定。上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。事實(shí)結(jié)果證明,本文設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制裝置能完成控制的基本目的,理論結(jié)合了實(shí)際。為高校開展電力拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)提供了很好的案例。
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