單片機(jī)畢業(yè)設(shè)計--無刷直流電機(jī)控制方案設(shè)計（外文翻譯）

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　無刷直流電機(jī)具有高速度、高效率、高動態(tài)響應(yīng)、高熱容量和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)的同時，還具有低噪聲和長壽命等特點(diǎn)。在計算機(jī)系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)、交通工具、醫(yī)療機(jī)械等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)對無刷直流電機(jī)的研究以及成為了重要的課題。DSP是在數(shù)字信號處理的各種理論和算法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，對于完成各種實時數(shù)字信息處理。在無刷直流控制系統(tǒng)中

2、引入DSP技術(shù)，對采集的信號直接進(jìn)行實時處理，提高了系統(tǒng)控制放入自動化程度、精確和可靠性。本文研究的主要內(nèi)容是基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計，實現(xiàn)全數(shù)字化雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。論文主要研究了無刷直流電機(jī)的控制眼里，給出了系統(tǒng)的整體方案，設(shè)計了硬件電路，編寫了軟件程序。</p><p>　　關(guān)鍵詞:無刷直流電機(jī)；PIC單片機(jī)；控制系統(tǒng)；位置傳感器</p><p><b>　

3、　Abstract</b></p><p>　　BLDC has advantages of high speed,high efficiebncy,high dynamic response,high temperature bearing capacity and reliability. It also behaves a long life and low noise characterist

4、ics. There are extensive applications in many field, such as computer system,electrical house appliances, Industry,traffic and the medical equipment and so on. The research of brushless DC motor is an important topic now

5、 in china, DSP is developing in the foundation of variable theories and arithmetic,used for completing</p><p>　　Keywrd: BLDC, PIC MCU, Control System, position sensor</p><p><b>　　目 錄<

6、/b></p><p>　　第一章 緒論- 1 -</p><p>　　1.1無刷直流電機(jī)的現(xiàn)狀- 1 -</p><p>　　1.2無刷直流電機(jī)控制器概述- 2 -</p><p>　　1.3論文研究內(nèi)容- 3 -</p><p>　　第二章 無刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析- 4 -</p>&l

7、t;p>　　2.1電機(jī)的基本原理- 4 -</p><p>　　2.1.1稀土永磁無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)- 4 -</p><p>　　2.1.2電機(jī)的基本工作原理- 5 -</p><p>　　2.1.3三相無刷直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動原理- 6 -</p><p>　　2.2電機(jī)的特性分析- 8 -</p>

8、<p>　　2.2.1電機(jī)的運(yùn)行特性分析- 8 -</p><p>　　2.2.2機(jī)械特性和調(diào)速特性分析- 11 -</p><p>　　2.2.3其他特性分析- 11 -</p><p>　　2.3直流電動機(jī)的PWM調(diào)速原理- 12 -</p><p>　　2.4霍爾傳感器- 13 -</p><p&

9、gt;　　2.4.1開關(guān)型霍爾集成傳感器- 14 -</p><p>　　2.4.2霍爾器件在無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用- 14 -</p><p>　　第三章 無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計- 15 -</p><p>　　3. 1單片機(jī)選擇- 15 -</p><p>　　3.1.1單片機(jī)選擇依據(jù)- 15 -</p><

10、;p>　　3.1.2 PIC單片機(jī)特點(diǎn)- 16 -</p><p>　　3.1.3 PIC16F72單片機(jī)的功能特性- 17 -</p><p>　　3.1.4 PWM信號在PIC單片機(jī)中的處理- 18 -</p><p>　　3. 2微控制器電路- 18 -</p><p>　　3.3三相全橋逆變電路和驅(qū)動電路- 21 -

11、</p><p>　　3.3.1頂端、底端驅(qū)動電路- 22 -</p><p>　　3.3.2電源電路- 24 -</p><p>　　3.3.3振蕩倍壓電路- 25 -</p><p>　　3.3.4硬件保護(hù)電路- 26 -</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計- 27 -</p><

12、;p>　　4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計概述- 27 -</p><p>　　4.2主程序介紹- 27 -</p><p>　　4.2.1 啟動子程序- 28 -</p><p>　　4.3中斷- 29 -</p><p>　　4.3.1單片機(jī)中斷資源- 29 -</p><p>　　4.3.2定時器資源分配-

13、30 -</p><p>　　4. 4 PWM(脈沖寬度調(diào)制)- 31 -</p><p>　　4.5欠壓保護(hù)、過流保護(hù)和堵轉(zhuǎn)保護(hù)- 32 -</p><p>　　4.5. 1欠壓和過流保護(hù)功能- 32 -</p><p>　　4.5.2堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能- 32 -</p><p>　　4.6數(shù)字PI速度調(diào)節(jié)-

14、33 -</p><p>　　4.6.1概述- 33 -</p><p>　　4.6.2 P I D基本原理- 33 -</p><p>　　4.6.3位置型PID算法程序的設(shè)計- 35 -</p><p>　　4.6.4數(shù)字PI速度調(diào)節(jié)器設(shè)計- 36 -</p><p>　　第五章 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行分析- 3

15、8 -</p><p>　　5.1系統(tǒng)軟、硬件部分調(diào)試- 38 -</p><p>　　5.1 .1系統(tǒng)硬件調(diào)試- 38 -</p><p>　　5.1.2系統(tǒng)軟件調(diào)試- 39 -</p><p>　　5.2實驗結(jié)果分析與建議- 40 -</p><p>　　5.2.1實驗結(jié)果分析- 40 -</p&g

16、t;<p>　　5. 2. 2實驗結(jié)論與建議- 40 -</p><p>　　第六章 總結(jié)- 42 -</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)- 43 -</p><p><b>　　致謝- 45 -</b></p><p>　　英文論文及翻譯- 46 -</p><p>&l

17、t;b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1無刷直流電機(jī)的現(xiàn)狀</p><p>　　有刷直流電動機(jī)作為最早的電動機(jī)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，由于其寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，在需要調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域占有重要地位，但機(jī)械換向裝置的存在，限制了其發(fā)展和應(yīng)用范圍。直流電動機(jī)的機(jī)械電刷和換向器因強(qiáng)迫性接觸，造成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、火花、噪聲等一系列問題，影響了直

18、流電動機(jī)的調(diào)速精度和性育旨。</p><p>　　科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶來了半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍，開關(guān)型晶體管的研制成功為創(chuàng)造新型的無刷直流電動機(jī)帶來生機(jī)。1955年，美國人首次提出用晶體管換向線路代替機(jī)械換向裝置，經(jīng)過反復(fù)實驗，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來代替有刷直流電動機(jī)的機(jī)械換相裝置，出現(xiàn)了磁電藕合式、光電式及霍爾元件作為位置傳感器的無刷直流電動機(jī)，以后人們發(fā)現(xiàn)電量波形和轉(zhuǎn)子磁場的位置存在著一定的

19、對應(yīng)關(guān)系，因此又出現(xiàn)了通過觀測電樞繞組中不同電量波形，監(jiān)測轉(zhuǎn)子位置的無位置傳感器的電動機(jī)。</p><p>　　80年代初，無刷直流電機(jī)進(jìn)入了實用階段，方波和正弦波無刷直流電機(jī)先后研究成功?！盁o刷直流電機(jī)”的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機(jī)發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)。現(xiàn)今，無刷直流電機(jī)集電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動調(diào)速系統(tǒng)。</p>

20、<p>　　無刷直流電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在:調(diào)速方便(可無級調(diào)速)，調(diào)速范圍寬，低速性能好(啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小)，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應(yīng)用場合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動自行車、電動汽車、電梯、抽油煙機(jī)、豆?jié){機(jī)、小型清污機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等等。由于無刷直流電機(jī)具有這些優(yōu)點(diǎn)，因此在2004年的國際電機(jī)會議上提出了有刷電機(jī)將被無刷電機(jī)取代這一發(fā)展趨勢。美、日、英、德在工業(yè)自動化領(lǐng)域中已經(jīng)實現(xiàn)了以無刷直

21、流電機(jī)代替有刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　美國福特公司率先把無刷直流電機(jī)應(yīng)用于汽車20世紀(jì)80年代以來，隨著微機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各種稱為無位置傳感器控制技術(shù)的方法，是當(dāng)代無刷直流電機(jī)控制研究的熱點(diǎn)之一。各國知名半導(dǎo)體公司如Allegro, Philips, Micro Linear, Toshiba等，先后推出了許多無刷直流電機(jī)無傳感器控制集成電路。</p><p>　　

22、2004年12月我國電機(jī)制造業(yè)共1167家生產(chǎn)企業(yè)，全部從業(yè)人員388282人，資產(chǎn)972億。我國生產(chǎn)的微特電機(jī)已經(jīng)占世界60%以上，目前是全球最大的永磁體(生產(chǎn)無無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計刷電機(jī)的主要原材料)生產(chǎn)供應(yīng)基地，中國還將會成為全球最大的無刷電機(jī)生產(chǎn)國。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車用小功率電機(jī)的需求增長帶動了以永磁無刷直流電機(jī)為主體的車用小功率電機(jī)的興起，我國正在成為世界電動汽車制造業(yè)的主要供應(yīng)商。</p><

23、p>　　1.2無刷直流電機(jī)控制器概述</p><p>　　無刷直流電動機(jī)兼有直流電動機(jī)調(diào)整和起動性能好以及異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單無需維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因而在高可靠性的電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。目前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)主要采用兩種控制方案:一種采用專用集成電路。這種方案可以降低設(shè)備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。

24、這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便。</p><p>　　電機(jī)控制器是無刷直流電動機(jī)正常運(yùn)行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能:對各種輸入信號進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動電路提供各種控制信號;產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速;對電機(jī)進(jìn)行速度環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能;實現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護(hù)功能。像MOTOLORA公司研制的專用集成電路MC33035，其針對無刷

25、電機(jī)的控制要求，無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計將控制邏輯集成在芯片內(nèi)，一般該類控制器稱為模擬式控制器，其工作原理是用電子裝置代替電刷控制電機(jī)線圈電流換向，根據(jù)電機(jī)內(nèi)的位置傳感器(霍爾傳感器)信號，決定換相的順序和時間，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是智能性差，保護(hù)措施有限，系統(tǒng)升級空間小。</p><p>　　本文采用單片機(jī)做為主控芯片，用編程的方法來模擬無刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)是使用靈活，通過修改程序可

26、適應(yīng)不同規(guī)格的無刷電機(jī)，增加系統(tǒng)功能方便，如電機(jī)缺相保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、添加力矩傳感器等等，可根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行控制的優(yōu)化以達(dá)到良好的匹配，通常將此類控制器稱為數(shù)字式控制器。</p><p>　　近幾年，國外一些大公司紛紛推出較MCU性能更加優(yōu)越的DSP(數(shù)字信號處理器)芯片電機(jī)控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一個以D

27、SP為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。但是這些專用芯片價格昂貴，外圍電路設(shè)計復(fù)雜，在廣大的民用市場無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。</p><p>　　無刷電機(jī)控制方法主要分為有位置傳感器控制和無位置傳感器控制兩種。在有位置傳感器的控制方法中，現(xiàn)今，由于霍爾傳感器性價比高，安裝方便，被廣泛應(yīng)用作為無刷直流電機(jī)的位置傳感器。當(dāng)前，國內(nèi)外對無刷直流電機(jī)無位

28、置傳感器的控制方法主要有反電勢法、定子三次諧波法、續(xù)流二極管檢測法、脈沖檢測法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。</p><p><b>　　1.3論文研究內(nèi)容</b></p><p>　　本課題主要基于TMS320LF2407 DSP芯片對無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。本文詳細(xì)分析了直流無刷電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型，控制過程和實現(xiàn)方法，進(jìn)行了系統(tǒng)硬件的研究和設(shè)計，實現(xiàn)了機(jī)遇TI公司

29、的TMS320LF2047無刷直流電動機(jī)芯片的軟件控制，主要工作包括：</p><p>　?、笔煜ぶ绷魉㈦姍C(jī)的工作原理和運(yùn)行特性</p><p>　?、彩煜MS320LF2407的結(jié)構(gòu)原理</p><p>　　⒊設(shè)計系統(tǒng)控制方案，有位置傳感器</p><p>　?、丛O(shè)計制作和調(diào)試控制系統(tǒng)硬件電路</p><p>　　

30、⒌設(shè)計控制系統(tǒng)軟件流程圖</p><p>　　第二章 無刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析</p><p>　　直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、起動轉(zhuǎn)矩較大，以及從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因為直流電機(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持90°，這就需要碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉，因此除了會造成組件損壞之外，使用

31、場合也受到限制。</p><p>　　交流電機(jī)沒有碳刷及整流子，免維護(hù)、堅固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能實現(xiàn)。現(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速，功率組件切換頻率加快許多，提升了驅(qū)動電機(jī)的性能。微處理機(jī)速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機(jī)在兩軸電流分量，可達(dá)到類似交流電機(jī)的控制并有與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅堋o刷直流電機(jī)即是以電子方式控制交流電機(jī)換相

32、，得到類似直流電機(jī)特性且結(jié)構(gòu)上優(yōu)于直流電機(jī)的一種電機(jī)。</p><p>　　2.1電機(jī)的基本原理</p><p>　　2.1.1稀土永磁無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　稀土永磁無刷直流電動機(jī)的基本構(gòu)成包括電動機(jī)基體、開關(guān)電路、位置傳感器三部分，如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1無刷直流電動機(jī)的組成</p>

33、<p><b>　　(1)電機(jī)基體</b></p><p>　　稀土永磁電動機(jī)基體是由帶有電樞繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子組成。常用的有三種結(jié)構(gòu)形式:轉(zhuǎn)子鐵心外圓粘貼瓦片形稀土永磁體;轉(zhuǎn)子鐵心中嵌入矩形板狀稀土永磁體:轉(zhuǎn)子外套上一個整體粘結(jié)稀土磁環(huán)的環(huán)形永磁體。還有一種外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，即帶有稀土永磁極的轉(zhuǎn)子在外，嵌有繞組的定子在里。電機(jī)運(yùn)行時，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。</p><p

34、><b>　　(2)開關(guān)電路</b></p><p>　　開關(guān)電路由逆變器和驅(qū)動電路組成。逆變器將直流電機(jī)換成交流電向電動機(jī)供電，其輸出頻率受制于轉(zhuǎn)子位置信號，逆變器主要有橋式和非橋式兩種。電樞繞組與逆變器聯(lián)接形式多種多樣，但應(yīng)用最廣泛的是三相星形六狀態(tài)。驅(qū)動電路將控制電路的輸出信號進(jìn)行功率放大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通與關(guān)斷的驅(qū)動信號。</p><p>

35、　　(3)轉(zhuǎn)子位置傳感器</p><p>　　轉(zhuǎn)子位置傳感器是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于電樞繞組軸線的位置，向控制器提供位置信號的一種裝置。它由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電動機(jī)同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子位置;其定子固定于電機(jī)本體定子或端蓋，以感應(yīng)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號。</p><p>　　2.1.2電機(jī)的基本工作原理</p><p>　　一般永磁直流電動機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主

36、要作用是在電動機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場，其轉(zhuǎn)子-電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場，由于電刷的換相作用，使得這兩個磁場的方向在直流電動機(jī)的運(yùn)行過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電動機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。直流無刷電動機(jī)為了實現(xiàn)無刷換相，首先要求把一般直流電動機(jī)的電樞繞組放在定子上，把永久磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動機(jī)的結(jié)構(gòu)正好相反，而且還要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同組成換相裝置，使得直流無刷電動機(jī)在運(yùn)行過程中由定子繞組所產(chǎn)生的磁

37、場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永久磁場，在空間中始終保持在90°左右的電角度，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　無刷直流電動機(jī)按驅(qū)動方式可以分為半橋驅(qū)動和全橋驅(qū)動，按繞組接法又可分為星形連接和角形連接。不同的繞組接法和驅(qū)動方式的選擇將會使電動機(jī)產(chǎn)生不同的性能并且成本也不同，主要從以下三個方面來進(jìn)行分析:</p><p><b>　　(1)繞組利用率</b

38、></p><p>　　無刷直流電動機(jī)的繞組是斷續(xù)通電的，適當(dāng)?shù)奶岣呃@組通電利用率將可以使同時通電導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，提高效率。從這個角度來看，三相比四相好，四相比五相好，全橋比半橋好。</p><p><b>　　(2)轉(zhuǎn)矩的波動</b></p><p>　　無刷直流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波動比普通直流電動機(jī)大，因此希望盡量減小轉(zhuǎn)矩波動。

39、一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的波動越小，全橋驅(qū)動比半橋驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的波動小。</p><p><b>　　(3)電路成本</b></p><p>　　相數(shù)越多，驅(qū)動電路所使用的開關(guān)管越多，成本越高，全橋驅(qū)動比半橋驅(qū)動所使用的開關(guān)管多一倍，因此成本要高。多相電動機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。</p><p>　　綜合上述分析，三相電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動方式綜合性能最好

40、，應(yīng)用最多，本系統(tǒng)即是選擇的這種控制方式，下面介紹三相無刷直流電動機(jī)星形連接全橋驅(qū)動的基本原理。</p><p>　　2.1.3三相無刷直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動原理</p><p>　　無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)的影響，在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。無刷直流電機(jī)控制器包括電源部分和控制部分，如圖2.2所示。電源部分提供三相電

41、源給電機(jī)，控制部分則按照需求轉(zhuǎn)換電源頻率。電源部分可以直接以直流電輸入，送入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由逆變器(inverter)轉(zhuǎn)成三相電壓來驅(qū)動電機(jī)。逆變器一般由六個功率晶體管，分為上橋臂和下橋臂，連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)?？刂撇糠謩t提供PWM脈沖寬度調(diào)制信號決定功率晶體管開關(guān)頻率及逆變器換相的時機(jī)。對于無刷直流電機(jī)，當(dāng)負(fù)載變動時，一般希望速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會有太大的變動，所以電機(jī)內(nèi)部裝有霍爾傳感器(hall-sens

42、or)，作為速度的閉回路控制，同時也作為相序控制的依據(jù)。</p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)動由霍爾傳感器感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子所在位置，決定開啟或關(guān)閉逆變器中功率晶體管的順序來控制，如圖2.3所示，逆變器中的AH, BH, CH(上橋臂功率晶體管)及AL, BL, CL(下橋臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈，產(chǎn)生順向或逆向旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的磁場相互作用，使電機(jī)順向或逆向轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到霍爾傳感器感應(yīng)出另

43、一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)，電機(jī)就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。功率晶體管的開啟方法舉例如下:AH, BL一組→AH, CL一組→BH, CL一組→BH, AL一組→CH, AL一組→CH, BL一組，但不能使AH, AL或BH, BL或CH, CL，即同相上下橋臂同時導(dǎo)通。此外，因為電子零件總有開關(guān)的響應(yīng)時間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就

44、已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器采集的位置信號為Ha, Hb, He，分別對應(yīng)于逆變器的A相、B相、C相，則當(dāng)前位置與下一位置電子開關(guān)導(dǎo)通相的對應(yīng)關(guān)系如表2.1所示。</p><p>　　在電機(jī)轉(zhuǎn)動時，控制部分會根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的速度決定功率管的導(dǎo)通時間。若系統(tǒng)要求加速，則增長功率管導(dǎo)通的時間，若要求減速，則縮短功率管導(dǎo)通的時間，此部分工作由PWM脈寬調(diào)制信號控制。</p&

45、gt;<p>　　圖2.2三相無刷直流電機(jī)工作原理</p><p>　　圖2.3逆變器原理圖</p><p>　　表2. 1霍爾位置信號與換相的關(guān)系</p><p>　　2.2電機(jī)的特性分析</p><p>　　2.2.1電機(jī)的運(yùn)行特性分析</p><p>　　電動機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動機(jī)

46、械，因此我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨電壓、負(fù)載變化的規(guī)律。據(jù)此，電動機(jī)的運(yùn)行特性可分為:起動特性、電動運(yùn)行特性、機(jī)械特性及調(diào)速特性。對于無刷直流電機(jī)，其電勢平衡方程式為:</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　式中 ——電源電壓(V);</p><p>　　——電樞繞組反電勢(V); </p

47、><p>　　——平均電樞電流(A);</p><p>　　——電樞繞組的平均電阻;</p><p>　　——功率器件的飽和管壓降(V)。</p><p>　　對于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢均可表示為:</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p

48、>　　式中——電動機(jī)轉(zhuǎn)速(); ——反電勢系數(shù)() 。</p><p>　　由式2.1, 2.2可知</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　在轉(zhuǎn)速不變時，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為:</p><p>　　式中——電磁轉(zhuǎn)矩(N·m);</p><p>　　——輸出

49、轉(zhuǎn)矩(N·m);</p><p>　　——摩擦轉(zhuǎn)矩(N·m)。</p><p><b>　　這里</b></p><p><b>　　(2.4)</b></p><p><b>　　——轉(zhuǎn)矩系數(shù)()。</b></p><p>　　在轉(zhuǎn)

50、速變動情況下，則有</p><p><b>　　(2.5)</b></p><p><b>　　式中系數(shù):</b></p><p>　　——轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量();</p><p>　　——轉(zhuǎn)子的機(jī)械角加速度()。</p><p>　　下面從這些基本公式出發(fā)，來討論無刷直流電

51、動機(jī)的各種運(yùn)行特性。</p><p><b>　　(1)起動特性</b></p><p>　　由式2.1, 2.4, 2.5可知，電動機(jī)在起動時，由于反電勢為零，因此電樞電流(即起動電流)為</p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　其值可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍。

52、所以起動電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動機(jī)可以很快起動，并能帶負(fù)載直接起動。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢E增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速力矩也減小，最后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。</p><p>　　(2)電動機(jī)運(yùn)行特性</p><p>　　在電動運(yùn)行狀態(tài)下，6只開關(guān)管任意時刻只有2只開關(guān)管導(dǎo)通，分別屬于上橋臂和下橋臂。</p><p>　　圖2.4電動運(yùn)行等效電路圖</p><

53、p>　　由圖2.4的運(yùn)行等效電路圖可得，在電動運(yùn)行時AH管和CL管導(dǎo)通時通電回路的回路電壓方程如下:</p><p><b>　　(2.7)</b></p><p>　　式中 , ——相電勢，電動運(yùn)行最大幅 </p><p><b>　　,——相電阻，;</b&g

54、t;</p><p>　　, ——相電感， ;</p><p>　　, ——兩相互感，;</p><p><b>　　——蓄電池電壓;</b></p><p><b>　　,——相電流;</b></p><p><b>　　設(shè)，上式可改寫為:</b>&l

55、t;/p><p><b>　　(2.8)</b></p><p>　　在電動運(yùn)行時，換相前電路電流為零，換相后于。由于R很小，可以忽略，故在電路接通后過渡過程結(jié)束前，正向增加，電路工作在吸收電功率狀態(tài)，吸收的電功率為:</p><p><b>　　(2. 9)</b></p><p>　　對AH管和CL

56、管進(jìn)行脈寬調(diào)制，改變占空比，就可控制電流的平均值，從而控制平均轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　2.2.2機(jī)械特性和調(diào)速特性分析</p><p>　　機(jī)械特性是指外加電源電壓恒定時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。由式2.1,2.2, 2.3可知，式2.11等號右邊的第一項是常數(shù)(當(dāng)不計△U的變化和電樞反應(yīng)的影響時)。所以電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而線性增加。當(dāng)速度為零時，即為起動電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)式2.

57、10右邊兩項相等時，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。實際上，由于電動機(jī)損耗中可變部分及電樞反應(yīng)的影響，輸出轉(zhuǎn)矩稍稍偏離直線變化。又因為功率晶體管的飽和管壓降隨著集電極電流的變化而變化，在基極電流不變時，功率晶體管的飽和壓降和集電極電流之間成正比的關(guān)系。所以，隨著轉(zhuǎn)速的減小，電動機(jī)的反電勢也減小，電樞電流增加，AU增大，到一定值以后，增加較快。所以其機(jī)械特性是在接近堵轉(zhuǎn)(即轉(zhuǎn)速很低)時，加快下跌。</p><

58、p><b>　　(2.10)</b></p><p><b>　　(2.11)</b></p><p>　　若假定外加直流電壓一定，減小電機(jī)負(fù)載，轉(zhuǎn)速升高，逆變器的觸發(fā)頻率也會提高，同時反電勢增加，電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩也減小。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時，電機(jī)就維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。如果負(fù)載不變，提高外加直流電壓，則轉(zhuǎn)速升高，逆變器的頻率

59、提高，反電勢增大，使電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩又呈現(xiàn)減小趨勢，這樣就使電機(jī)維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。由此可見，由于無刷直流電動機(jī)的自同步性，其調(diào)速方法與有刷直流電動機(jī)非常相似，可通過調(diào)節(jié)直流電壓來實現(xiàn)。又從式2.11可見，改變電源電壓，可以很容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩(在同一轉(zhuǎn)速下)或(在同一負(fù)載下)。所以在電子換相線路及其它控制線路保持不變的情況下，無刷直流電動機(jī)調(diào)速性能很好，可以利用改變電壓來實現(xiàn)平滑的調(diào)速。</p><p&g

60、t;　　2.2.3其他特性分析</p><p>　　無刷直流電機(jī)的基本物理量有電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流、反電動勢和轉(zhuǎn)速等。這些物理量的表達(dá)式與電機(jī)氣隙磁場分布、繞組形式有十分密切的關(guān)系。對于稀土永磁無刷直流電機(jī)，其氣隙磁場波形可以為方波，也可以是正弦波或者梯形波，本文主要研究方波無刷直流電機(jī)的特性及其控制策略，其氣隙磁場的理想波形如圖2.5所示。為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度。</p><p>　　對于二相導(dǎo)

61、通星形三相六狀態(tài)無刷直流電機(jī)，方波氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間的寬度應(yīng)大于120°電角度，在定子電樞繞組中感應(yīng)的梯形波反電勢的平頂波寬度應(yīng)大于120°電角度。這種具有方波氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度分布、梯形波反電勢的無刷直流電機(jī)稱為方波電機(jī)。方波電機(jī)通常采用方波電流驅(qū)動，即與120°導(dǎo)通型三相逆變器相匹配，由逆變器向方波電機(jī)提供三相對稱的、寬度為120°電角度的</p><p>　　圖2.5方

62、波氣隙磁場分布</p><p>　　圖2.6梯形波反電勢與方波電流</p><p>　　方波電流。方波電流應(yīng)與電勢同相位或位于梯形波反電勢的平頂波寬度范圍內(nèi)，如圖2.6所示。其中B為磁通密度，ea和ia分別為一相的反電勢和相電流。</p><p>　　2.3直流電動機(jī)的PWM調(diào)速原理</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法

63、就是調(diào)節(jié)電樞電壓。改變電樞電壓調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制（PWM)技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動機(jī)的電樞端電壓，實現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。它被越來越廣泛的應(yīng)用在各種功率的調(diào)速系統(tǒng)中。</p><p>　　本系統(tǒng)利用開關(guān)驅(qū)動方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制

64、(PWM)來控制電動機(jī)電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。圖2.7是對電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制時的電樞繞組兩端的電壓波形。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機(jī)電樞繞組兩端有電壓Us, t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機(jī)電樞兩端電壓為0, t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。</p><p>　　圖2.7輸入輸出電壓波形</p><p>　　電動機(jī)電樞繞組

65、兩端的電壓平均值U0為:</p><p><b>　　(2.13)</b></p><p>　　式中占空比表示在一個周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值，變化范圍為0-1之間。所以當(dāng)電源電壓不變時，電樞的端電壓的平均值U0取決于占空比的大小，改變值就可改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。理想空載轉(zhuǎn)速與占空比成正比。</p><p><

66、;b>　　2.4霍爾傳感器</b></p><p>　　霍爾器件是一種磁傳感器。按照霍爾器件的功能可將它們分為:霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量，可用于磁場的測量和控制。霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1 MHz) ,耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻栭_關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回

67、跳、位置重復(fù)精度高。此外，其工作溫度范圍寬，可達(dá)一55oC~150oC。</p><p>　　由無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)工作原理可知，電機(jī)位置傳感器在無刷直流電動機(jī)中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息?？紤]傳感器的體積和性能通常采用的傳感器是磁敏式開關(guān)式傳感器，目前使用最廣泛的是開關(guān)型霍爾集成傳感器。</p><p>　　2.4.1開關(guān)型霍爾集成傳感器</p&g

68、t;<p>　　開關(guān)型集成霍爾元件，簡稱霍爾開關(guān)，是由電壓調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出級組成的集成電路。輸入是磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是數(shù)字信號。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳以及輸出特性如圖2.8所示。</p><p>　　圖2.8開關(guān)集成霍爾傳感器原理圖</p><p>　　由此可見開關(guān)集成霍爾傳感器可與數(shù)字電路直接配合使用，直接滿足控制系統(tǒng)的需要。</p>

69、<p>　　2.4.2霍爾器件在無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用</p><p>　　當(dāng)霍爾傳感器用作無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息檢測裝置時，將其安放在電機(jī)定子的適當(dāng)位置，霍爾器件的輸出與控制部分相連。當(dāng)無刷直流電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾器件附近時，永磁轉(zhuǎn)子的磁場令霍爾器件輸出一個電壓信號，該信號被送到控制部分，由控制部分發(fā)出信號使得定子繞組供電電路導(dǎo)通，給相應(yīng)的定子繞組供電，從而產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場極性相同的磁場，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)

70、轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子到下一位置時，前一位置的霍爾器件停止工作，下一位置的霍爾器件輸出電壓信號，控制部分使得對應(yīng)定子繞組通電，產(chǎn)生推斥場使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，如此循環(huán)，維持電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　第三章 無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計</p><p>　　無刷直流電機(jī)控制器在控制方式上主要有以專用集成芯片、單片機(jī)和DSP芯片控制三種方式。以專用集成芯片為核心的控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格較便宜，但是系統(tǒng)

71、靈活性不足，保護(hù)功能有限;以DSP芯片為核心的控制器，控制精度較高，但是算法較復(fù)雜，開發(fā)周期長，成本較高，不易在市場上推廣。本設(shè)計使用單片機(jī)作為主控芯片可以彌補(bǔ)上述兩方案的不足。</p><p><b>　　3. 1單片機(jī)選擇</b></p><p>　　目前，市場上有很多無刷電機(jī)專用控制芯片，大部分電機(jī)生產(chǎn)廠商采用Motorola公司的MC3303無刷電機(jī)專用控制芯

72、片，它具有無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)所需要的基本功能。本設(shè)計采用PIC16F72單片機(jī)作為主控芯片，不僅可以實現(xiàn)專用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易實現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，通過軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)多功能的電機(jī)控制。</p><p>　　3.1.1單片機(jī)選擇依據(jù)</p><p>　　(1)價格因素?？紤]到該設(shè)計要與市場接軌，因此價格問題尤為重要，要選擇一個性價比較高的單片機(jī)，包括單片機(jī)的單片價格和開發(fā)

73、系統(tǒng)的造價。</p><p>　　(2)性能因素。通過對該系統(tǒng)分析，8位單片機(jī)可以滿足系統(tǒng)控制精度的要求。由于整個系統(tǒng)有多種模擬參數(shù)需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，因此選用的單片機(jī)應(yīng)該有多通道九心轉(zhuǎn)換模塊。在無刷電機(jī)控制中，脈寬調(diào)制PWM ( PulseWidth Modulation)技術(shù)廣泛應(yīng)用，因此所選單片機(jī)應(yīng)具有脈寬調(diào)制輸出端口。</p><p>　　(3)安全因素。電子產(chǎn)品的安全性是一個非常重

74、要的環(huán)節(jié)，作為控制系統(tǒng)的核心，單片機(jī)的安全性必須達(dá)到系統(tǒng)要求。</p><p>　　3.1.2 PIC單片機(jī)特點(diǎn)</p><p>　　PIC (Periphery Interface Chip)系列單片機(jī)是美國Microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。PIC單片機(jī)以其獨(dú)特的硬件系統(tǒng)和指令系統(tǒng)的設(shè)計，逐漸被廣大工程設(shè)計人員采用。</p><p>　　Microchip公司是一

75、家集開發(fā)、研制和生產(chǎn)為一體的專業(yè)單片機(jī)芯片制造商，其產(chǎn)品綜合應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的思路，具有很強(qiáng)的技術(shù)特色。產(chǎn)品采用全新的流水線結(jié)構(gòu)，單字節(jié)指令體系，嵌入Flash以及10位A/D轉(zhuǎn)換器。使之具有卓越的性能，代表著單片機(jī)發(fā)展新的潮流。PIC系列單片機(jī)具有高，中，低3個檔次，可以滿足不同用戶開發(fā)的需求，適合在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。PIC系列單片機(jī)具有如下特點(diǎn):</p><p>　　(1)單片機(jī)種類豐富</p>&

76、lt;p>　　PIC最大的特點(diǎn)是不搞單純的功能堆積，而是從實際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能與價格比，靠發(fā)展多種型號來滿足不同層次的應(yīng)用要求。就實際而言，不同的應(yīng)用對單片機(jī)功能和資源的需求也是不同的。</p><p><b>　　(2)哈佛總線結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　PIC系列單片機(jī)在普林斯頓體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用獨(dú)特的哈佛總線結(jié)構(gòu)，徹底將芯片內(nèi)部的

77、數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，為采用不同的字節(jié)寬度，有效擴(kuò)展指令的字長奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。圖3.1描述了PIC單片機(jī)的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖3. 1 PIC系列單片機(jī)哈佛總線結(jié)構(gòu)</p><p>　　(3) RISC技米</p><p>　　RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精簡指令集計算機(jī)。RISC技術(shù)并非只是簡單地去

78、減少指令，而是著眼于如何改善計算機(jī)的結(jié)構(gòu)，更加簡單合理地提高計算機(jī)的運(yùn)算速度。PICF877單片機(jī)指令集系統(tǒng)只有35條指令，全部采用單字節(jié)指令，而且除4條判斷轉(zhuǎn)移指令發(fā)生間跳外，均為單周期指令，執(zhí)行速度較高。</p><p><b>　　(4)指令特色</b></p><p>　　PIC系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)具有尋址方式簡單和代碼壓縮率高等優(yōu)點(diǎn)。</p>

79、<p><b>　　(5)功耗低</b></p><p>　　由于PIC系列單片機(jī)采用CMOS結(jié)構(gòu)，使其功率消耗極低。</p><p><b>　　(6)驅(qū)動能力強(qiáng)</b></p><p>　　PIC系列單片機(jī)I/O端口驅(qū)動負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個輸出引腳可以驅(qū)動多達(dá)20-25mA的負(fù)載，既能夠高電平直接驅(qū)動發(fā)光二極

80、管LED、光電禍合器、小型繼電器等，也可以低電平直接驅(qū)動，這樣可以大大簡化控制電路。</p><p>　　(7)同步串行數(shù)據(jù)傳送方式</p><p>　　可以滿足主控/從動和主控總線要求。</p><p>　　(8)應(yīng)用平臺界面友好，開發(fā)方便</p><p>　　Microchip公司為用戶提供了周全的技術(shù)方案，不管是對初學(xué)者還是后續(xù)的應(yīng)用開

81、發(fā)，都提供了完善的硬件和軟件支持，包括各種檔次的硬件仿真器和編程器。</p><p>　　(9)程序存儲器版本齊全</p><p>　　Microchip公司提供的產(chǎn)品是一個單片機(jī)系列，可供選擇的存儲器類別和產(chǎn)品封裝工藝的形式較多，為產(chǎn)品的不同試驗階段和不同應(yīng)用場合可提供一個全方位的選擇內(nèi)容和不同的性能檔次。</p><p>　　3.1.3 PIC16F72單片機(jī)

82、的功能特性</p><p><b>　　(1)功能部件特性</b></p><p>　　·帶8位A/D轉(zhuǎn)換輸入</p><p>　　·高驅(qū)動電流，I/O腳可直接驅(qū)動數(shù)碼管(LED)顯示每個I/O引腳最大灌電流25mA;每個I/O引腳最大拉電流25mA</p><p>　　·雙向可獨(dú)立編程設(shè)置

83、I/O引腳</p><p>　　·8位定時器/計數(shù)器TMRO，帶8位預(yù)分頻</p><p>　　·有1路捕捉輸入/比較輸出/PWM輸出(CCP)</p><p>　　·16位定時器/計數(shù)器TMR 1，睡眠中仍可計數(shù)</p><p>　　·8位定時器/計數(shù)器 TMR2,·帶有8位的周期寄存器及預(yù)

84、分頻器和后分頻器</p><p><b>　　(2)微控制器特性</b></p><p>　　·內(nèi)置上電復(fù)位電路((POR)</p><p>　　·上電定時器，保障工作電壓的穩(wěn)定建立振蕩定時器，保障振蕩的穩(wěn)定建立</p><p>　　·斷電復(fù)位鎖定，即當(dāng)芯片電源電壓下降到某一值以后時，使芯片

85、保持復(fù)位，當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常后恢復(fù)運(yùn)行</p><p>　　·內(nèi)置自振式(RC振蕩)看門狗</p><p>　　·程序保密位，可防程序代碼的非法拷貝</p><p><b>　　·掉電保護(hù)電路</b></p><p><b>　　·在線串行編程</b><

86、/p><p>　　3.1.4 PWM信號在PIC單片機(jī)中的處理</p><p>　　改變直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的方法分為勵磁控制法(控制磁通)與電樞電壓控制法(改變電樞端電壓)。在眾多的電樞電壓控制方法中，脈寬調(diào)制PWM( PulseWidth Modulation)技無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計術(shù)因為需用的大功率可控器件少、線路簡單、調(diào)速范圍寬、電流波形系數(shù)好、附加損耗小、功率因數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，從而得到廣泛

87、應(yīng)用。</p><p>　　CCP(捕捉輸入/比較輸出//PWM輸出)模塊是PIC16F72芯片的重要組成部分，它有3種工作方式:捕捉方式、輸出比較方式和脈寬調(diào)制方式。當(dāng)處于脈寬調(diào)制工作方式時，可以在引腳輸出分辨率高達(dá)10位的PWM信號。用程序語句控制PWM信號的周期和高電平持續(xù)時間，從而控制電機(jī)電樞電壓，達(dá)到調(diào)速目的。</p><p>　　3. 2微控制器電路</p>&l

88、t;p>　　微控制器電路由微控制核心PIC16F72單片機(jī)、邏輯保護(hù)門74LS00和+SV電源電路構(gòu)成，附加電路包括電源濾波電路、位置傳感器信號采集電路、電池電壓降壓監(jiān)測電路、微控制器時鐘振蕩電路和上電復(fù)位電路構(gòu)成;同時電路向外提供各種輸入和輸出接口:助力傳感器接口fSensor、速度傳感器接口SP、速度限定接口SE, a相位傳感器輸無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計入接口aSensor, b相位傳感器輸入接口bSensor, c相位傳感器

89、輸入接口。Sensor、一個模式開關(guān)接口KMOD、剎車開關(guān)接口kBRK、面板接口Panel.</p><p>　　(1)轉(zhuǎn)子位置信號采集電路</p><p>　　·R60, D5, R63和C11構(gòu)成a相轉(zhuǎn)子位置信號采集電路;</p><p>　　·R61, D6, R64和C12構(gòu)成b相轉(zhuǎn)子位置信號采集電路;</p><p&

90、gt;　　·R62, D7, R65和C13構(gòu)成c相轉(zhuǎn)子位置信號采集電路。</p><p>　　本系統(tǒng)采用的是開關(guān)型霍爾傳感器作為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器，此霍爾傳感器是集電極開路輸出，所以要在檢測環(huán)節(jié)加上拉電阻。此外，電路中對檢測波形采取了硬件濾波措施。經(jīng)過電阻上拉和濾波后的信號被送到單片機(jī)的1/O口。以a相轉(zhuǎn)子位置信號采集電路為例，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出為低電平，二極管D5導(dǎo)通，單片機(jī)aSensor端口采集

91、到數(shù)字0;當(dāng)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出為高電平，二極管D5截止，VCC使得單片機(jī)aSensor端口采集到數(shù)字1，電路如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2轉(zhuǎn)子位置信號采集電路</p><p><b>　　(2)速度控制電路</b></p><p>　　速度控制電路由電位器JP 1, JP2、電阻R9一R12構(gòu)成了，JP 1外接電位器，通過改變電

92、位器2和3端口的阻值，改變單片機(jī)adSPD端口采集到的電壓值，通過AID轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，控制單片機(jī)輸出的PWM信號的占空比，從而實現(xiàn)調(diào)速控制。JP2是限速用電位器，限制單片機(jī)AD輸入口adSPD的上限，從而限制電動自行車的速度上限。</p><p>　　圖3.3速度控制電路</p><p><b>　　(3)邏輯保護(hù)電路</b></p><p&

93、gt;　　U2為四輸入與非門74LS00，用于控制底端輸出，其作用是硬件邏輯保護(hù)，從硬件上杜絕同一橋臂的兩個MOSFET管同時導(dǎo)通的狀況發(fā)生;aTOP, bTOP和。TOP為三相頂端驅(qū)動接口，在電路中，定義該接口為低電平有效。aBOT, bBOT和。BOT為三相底端驅(qū)動接口，在電路中，定義該接口為高電平有效。aBTM, bBTM和cBTM為經(jīng)過邏輯保護(hù)后的三相底端驅(qū)動接口，在電路中，定義該接口為低電平有效。</p><

94、;p>　　圖3.4邏輯互鎖保護(hù)電路</p><p>　　圖3.5與非門真值表</p><p>　　圖3.5為與非門真值表，以A相為例，輸入端A連接aTOP，輸入端B連接aBOT,輸出端Y連接aBTM，由真值表可見，當(dāng)頂端驅(qū)動接口aTOP處于有效的低電平狀態(tài)時:經(jīng)過邏輯保護(hù)后的底端驅(qū)動接口aBTM為無效的高電平狀態(tài);只有當(dāng)頂端驅(qū)動接口aTOP處于無效的高電平狀態(tài)，并且底端驅(qū)動接口aBO

95、T處于有效的高電平狀態(tài)時，經(jīng)過邏輯保護(hù)后的底端驅(qū)動接口aBTM才會為有效的低電平狀態(tài)?？梢姡布壿嫳Ｗo(hù)使得aTOP和aBTM不可能同時有效，從而避免了同相橋臂同時導(dǎo)通的危險。</p><p>　　3.3三相全橋逆變電路和驅(qū)動電路</p><p>　　逆變電路和驅(qū)動電路是主控芯片與被控電機(jī)之間聯(lián)系的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給

96、無刷直流電動機(jī)定子上各相繞組。功率場效應(yīng)晶體管具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點(diǎn)，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　在本控制系統(tǒng)中就采用了MOSFET組成的逆變器變換電路。根據(jù)第二章所述，半橋逆變器的控制比較復(fù)雜，需要六組控制信號，電機(jī)三相繞組的工作也相對獨(dú)立，必須對三相電流分別控制。而全橋逆變器

97、的控制比較簡單，只需三組獨(dú)立控制信號，且任一時刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對其中一相電流進(jìn)行控制，另外一相電流也得到了控制。因此本設(shè)計采用全橋逆變電路來控制各相位的導(dǎo)通，如圖2.4所示。</p><p>　　本設(shè)計中逆變器上下橋臂都采用N溝道MOSFET管，如圖3.9所示。P型MOSFET管由于工藝的原因，參數(shù)一致性較差，價格較貴，而且其內(nèi)阻比N溝道的MOSFET管大，損耗也大。因此，當(dāng)前的無刷控制器一般都采用兩個

98、N溝道MOSFET管組成逆變器的一相。</p><p>　　當(dāng)功率MOSFET管用作開關(guān)，被驅(qū)動飽和導(dǎo)通，即在它的兩極之間壓降最低時，其柵極驅(qū)動要求可概括如下:</p><p>　　(1)柵極電壓一定要比漏極電壓高10-15V，用作高壓側(cè)開關(guān)時其柵極電壓必定高于干線電壓，常?？赡苁窍到y(tǒng)中的最高電壓。</p><p>　　(2)柵極電壓從邏輯上看必須是可控的，它通常以

99、地為參考點(diǎn)。</p><p>　　(3)柵極驅(qū)動電路吸收的功率不會顯著地影響總效率。</p><p>　　本系統(tǒng)中功率MOSFET的漏極電壓為36V，本系統(tǒng)的最高電源電壓也為36V。為滿足柵極高于漏極lOV-15V的要求，需要采用升壓電路。</p><p>　　3.3.1頂端、底端驅(qū)動電路</p><p><b>　　(1)驅(qū)動電路

100、</b></p><p>　　如圖3.9所示，由于受到匹配電壓的限制，頂端驅(qū)動電路無法直接與TTL器件匹配，因此在電路中通過LM339用來間接匹配電壓，匹配后的LM339輸出端((a相2腳、b相1腳、c相14腳)電平分別為12V的有效狀態(tài)或大于25V的無效狀態(tài)。</p><p>　　當(dāng)某相頂端驅(qū)動電路有效時，場效應(yīng)器件VF1(或VF3, VF5 )的柵極電壓不低于46V，才能保

101、證場效應(yīng)管的充分導(dǎo)通。導(dǎo)通后，X1(或X2, X3電壓與電池電壓相同)。</p><p>　　由于MOSFET管的柵極絕緣柵易被擊穿破壞，因此柵源間電壓不得超過正負(fù)20V.柵源間并聯(lián)電阻或齊納二極管，以防止柵源間電壓過大。本設(shè)計中，頂端驅(qū)動電路中的15V穩(wěn)壓二極管DZ2, DZ4和DZ6為保護(hù)二極管。漏源間也要加保護(hù)電路以防止開關(guān)過程中因電壓的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓損壞管子，可用齊納二極管籍位。當(dāng)電機(jī)意外突然停轉(zhuǎn)

102、時，電機(jī)繞組產(chǎn)生瞬間的反向高壓可能會損壞功率管，所以在直流母線上并聯(lián)一只耐高壓電容，意外停機(jī)時，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會由于電容兩端電壓不能突變而得到抑制。</p><p>　　底端電壓驅(qū)動電路采用NE555內(nèi)部的推挽電路，利用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號調(diào)制底端驅(qū)動信號，調(diào)制后的信號通過電阻禍合至底端驅(qū)動場效應(yīng)管的柵極，控制場效應(yīng)管的導(dǎo)通狀態(tài)。因為底端驅(qū)動電路中NE555功耗較大，因此，需要為U8, U9和U10配上禍

103、合電容C37, C39和C43.</p><p>　　底端電壓驅(qū)動電路中的R22, R30, R38為串聯(lián)柵電阻，是場效應(yīng)管底端驅(qū)動的保護(hù)電路，可消去由MOSFET電容和柵一源電路在任何串聯(lián)繞組感應(yīng)而生的高頻振蕩。</p><p>　　以A相為例，頂端驅(qū)動，當(dāng)LM339的2口輸出為低時，VZ1正端接地，使得Q1基極電壓為22V, Q1開通，電流流過R19，電流方向為左正右負(fù)(從而保證Q1開

104、通時Q2關(guān)斷)，VF1柵極電壓為50V左右，源極電壓為36V左右，VF1開通;當(dāng)LM339的2口輸出為高時，Q1關(guān)斷，這時VF1截止。Q2與R18, R19, C26組成有源濾波器。底端驅(qū)動，當(dāng)經(jīng)過邏輯保護(hù)的A相底端控制信號aBTM輸入為1時，經(jīng)過底端驅(qū)動電路產(chǎn)生12V有效信號，使得VF2導(dǎo)通。同時，單片機(jī)輸出的PWM信號送到NE555的RST端，對底端控制信號進(jìn)行調(diào)制。</p><p><b>　　(

105、2)電流采樣</b></p><p>　　由于負(fù)載的變化可能會產(chǎn)生很大的沖擊電流，以致超過器件的額定峰值電流，所以要通過電流采樣電阻反應(yīng)主回路的電流變化，在微秒級的時間內(nèi)將MOs管關(guān)斷。因此，驅(qū)動電路地端通過電流采樣電阻Ri(康銅絲)與系統(tǒng)地相連，Ri值的選取一方面要考慮LM339保護(hù)電路和微控制器的控制和采樣精度，應(yīng)當(dāng)比較大;另一方面要從系統(tǒng)的工作效率和采樣電阻上的功耗考慮，應(yīng)當(dāng)比較小。因此，系統(tǒng)中

106、兼顧了兩方面的問題，將瓦上面的電壓降控制在0.2V以內(nèi)，在該點(diǎn)附近設(shè)置了硬件保護(hù)電路的極限電壓。由于Ri上的電流是通過PWM信號調(diào)制的，所以當(dāng)對Ri上的電壓作采樣時，應(yīng)當(dāng)通過濾波電容C36(見圖3.11)對包含大量PWM信號的電壓作平滑處理。</p><p>　　圖3.9 MOSFET驅(qū)動逆變電路</p><p><b>　　3.3.2電源電路</b></p&g

107、t;<p>　　驅(qū)動電路的電源部分包含兩部分電路:一部分是將電池電源36V，通過三端穩(wěn)壓器LM7915產(chǎn)生相對電源電壓的一15V電壓，即36V-15V=21 V，用于倍壓電路產(chǎn)生高驅(qū)動電壓;另一部分是通過三端穩(wěn)壓器LM7812產(chǎn)生的++12V電壓，用于頂端驅(qū)動匹配和底端驅(qū)動電路。如圖3.10所示，電源電路中，根據(jù)各個部分的電流，合理的選擇分流電阻**R14和**R45的阻值和功率，減小直接流過三端穩(wěn)壓器件的電流，降低其發(fā)熱

108、量，提高電路穩(wěn)定性。</p><p>　　圖3.10 +21V和+12V電源電路</p><p>　　3.3.3振蕩倍壓電路</p><p>　　如圖3.11所示，NE555的電源接+36V電壓，地端接+21V電壓。NE555D和外圍電路組成振蕩電路，振蕩電路產(chǎn)生的振蕩頻率約為4-5KHz，振蕩信號從NE555D的3腳輸出后，通過陶瓷電容C23和C24、二極管D3和

109、D4構(gòu)成的倍壓電路，將輸出電壓提升到50V左右，送到MOS管的柵極。NE555D的RST腳能夠控制振蕩電路的起停。</p><p>　　倍壓電路的工作原理是:當(dāng)NE555D的3腳為GND電壓(+21V)時，電源36V通過二極管D4給電容C24充電，如果時間常數(shù)合適，C24上的電壓近似等于</p><p>　　36V-21 V=15V，方向為左負(fù)右正;當(dāng)NE555D的3腳為高時，電容C24左

110、側(cè)為36V，右側(cè)為36V+15 V=51 V，因為二極管D4反偏截止，產(chǎn)生的51V電壓就通過二極管D3給C23, C25充電，這樣經(jīng)過若干周期的反復(fù)充電，電容C25上的電壓就升到后部驅(qū)動所需要的51V恒定電壓。</p><p>　　3.3.4硬件保護(hù)電路</p><p>　　為了增加控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，設(shè)計了純硬件制動保護(hù)電路，如圖3.11所示。制動電路通過控制振蕩電路的RST端的電

111、平狀態(tài)，間接控制頂端驅(qū)動電路導(dǎo)通所需的電壓源。通過LM339的保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，測試點(diǎn)1處的電壓通過上拉電阻，電平為12V，經(jīng)過22V穩(wěn)壓二極管，測試點(diǎn)2處的電平在34V左右，振蕩電路正常工作;當(dāng)系統(tǒng)過流時，純硬件的保護(hù)電路U7D反向輸入端的電壓將高于正向輸入端的參考電壓，U7D內(nèi)部的三極管導(dǎo)通，測試點(diǎn)1處電平約0.7V,測試點(diǎn)2處電壓為21V左右，RST有效，振蕩電路停止振蕩，頂端驅(qū)動電路將不再輸出驅(qū)動電壓，從而實現(xiàn)硬件制動

112、。R47和C36組成電流波形尖峰抑制器，可抑制電流波形的前導(dǎo)峰緣，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。</p><p>　　圖3.11振蕩倍壓電路和純硬件保護(hù)電路</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計概述</p><p>　　硬件是控制系統(tǒng)的氣體，軟件是控制系統(tǒng)的靈魂。系統(tǒng)的控制策略和控制方法都是通過軟件實現(xiàn)的。在上一