直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要繼有刷直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展后，無(wú)刷直流電機(jī)也相繼有了發(fā)展。目前，盡管各種各樣的直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)在工業(yè)傳動(dòng)應(yīng)用中發(fā)揮了主導(dǎo)作用，但無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也正備受關(guān)注。隨著這社會(huì)的不斷發(fā)展、人們的生活水平不斷提高，同時(shí)辦公自動(dòng)化、現(xiàn)代化生產(chǎn)、發(fā)展等關(guān)鍵設(shè)備也都慢慢走向高智能化、小型化和高效率化，電機(jī)作為執(zhí)行元件的重要部分，需要具有效率高、速度快和精度高等等特點(diǎn)，因此直流無(wú)刷電機(jī)的應(yīng)用得到了逐步的推廣。本設(shè)計(jì)首先介紹了直流無(wú)刷電機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，然后研究了直流無(wú)刷電機(jī)的基本運(yùn)行原理，再次建立了以AT89C51單片機(jī)為核心的硬件電路和軟件流程圖，最后在MATLAB中搭建仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的正確性。關(guān)鍵詞：直流無(wú)刷電機(jī)；單片機(jī)；MATLAB第一章 緒論1.1 研究意義直流無(wú)刷電機(jī)是一種新型電機(jī)，由于它結(jié)合機(jī)電一體化，因此有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高熱容量、高效率和高可靠性等等諸多優(yōu)勢(shì)，而且長(zhǎng)壽命、低噪聲和低成本等方面也是其它的優(yōu)勢(shì)。從現(xiàn)階段來(lái)看，隨著不斷地有新材料技術(shù)的出現(xiàn)，直流無(wú)刷電機(jī)的發(fā)展也因此獲得了良好的契機(jī)。目前無(wú)刷電機(jī)的各方面的應(yīng)用已經(jīng)遍布各種各樣的領(lǐng)域，辦公自動(dòng)化和工廠(chǎng)自動(dòng)化等方面就比較的需要小功率直流無(wú)刷電機(jī)，例如家用電器或者是外設(shè)復(fù)印機(jī)等等。所以說(shuō)，無(wú)刷電機(jī)目前正在快速地取代傳統(tǒng)電機(jī)的地位。直流無(wú)刷電機(jī)集特種電機(jī)、變速結(jié)構(gòu)、檢測(cè)元件、控制軟件與硬件于一體，形成新一代伺服系統(tǒng)，體現(xiàn)了當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多最新成果，是機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品。直流無(wú)刷電機(jī)集交流電機(jī)和直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一體，它既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好的特點(diǎn)，同時(shí)無(wú)勵(lì)磁損耗。在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電動(dòng)機(jī)一樣，不過(guò)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組是處在定子上的，永久磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子上，采用多相形式的電樞繞組，在通過(guò)逆變器之后，然后連接到直流電源上面，定子方面利用了電子換向來(lái)替換傳統(tǒng)電機(jī)的電刷和換向器，在各繞組依次通電后，跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)氣隙中生成，同時(shí)與轉(zhuǎn)子的主磁場(chǎng)相互作用，因此產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，和其它電機(jī)相比，直流無(wú)刷電機(jī)具有高可靠性和高效率等優(yōu)勢(shì)，由于現(xiàn)階段，隨著具體性能的提高與價(jià)格的下降等優(yōu)勢(shì)的新型稀土永磁材料不斷出現(xiàn)，這給永磁直流無(wú)刷電機(jī)在成本方面帶來(lái)了下降，因此其優(yōu)勢(shì)將會(huì)越發(fā)的凸顯出來(lái)。在一些發(fā)達(dá)的國(guó)家里，無(wú)刷直流電機(jī)逐步替代了有刷直流電機(jī)的地位而應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域?，F(xiàn)階段，很少見(jiàn)到一些國(guó)外買(mǎi)進(jìn)來(lái)的設(shè)備中會(huì)有以有刷直流電機(jī)作為執(zhí)行系統(tǒng)的情況了，比如說(shuō)美國(guó)、日本等的相關(guān)公司已經(jīng)不再會(huì)去大幅度地生產(chǎn)有刷直流電動(dòng)機(jī)。由上可知，相對(duì)于其它類(lèi)型電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，無(wú)刷直流電機(jī)還是一種新型電機(jī)，它的驅(qū)動(dòng)、控制更是和電子技術(shù)息息相關(guān)，因此，對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)本體及其控制方法進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平和研究情況1.2.1國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中，作為最早的電動(dòng)機(jī)-有刷直流電動(dòng)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，它憑借著優(yōu)良的調(diào)速性能，在應(yīng)用調(diào)速理念的領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，可是有一個(gè)原因限制了它進(jìn)一步的發(fā)展，那就是機(jī)械換相裝置的存在。它的機(jī)械電刷和換向器由于始終不斷地要進(jìn)行強(qiáng)迫性接觸，這將會(huì)帶來(lái)可靠性差、火花、噪聲等各種各樣的棘手問(wèn)題，會(huì)直接影響他的性能和調(diào)速的精度。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，半導(dǎo)體技術(shù)、開(kāi)關(guān)型晶體管的研發(fā)成功這些都給新型的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的創(chuàng)造帶來(lái)機(jī)遇?！爸绷鳠o(wú)刷電機(jī)”的概念已有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)?，F(xiàn)今，直流無(wú)刷電機(jī)集電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、檢測(cè)元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。直流無(wú)刷電機(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(wú)級(jí)調(diào)速)，調(diào)速范圍寬，低速性能好(起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小)，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應(yīng)用場(chǎng)合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、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。電力電子技術(shù)的進(jìn)步對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展來(lái)說(shuō)具有一個(gè)很大的推動(dòng)作用，在其發(fā)展的早期，當(dāng)時(shí)處于初級(jí)發(fā)展階段的大功率開(kāi)關(guān)器件，不僅可靠性差，而且其價(jià)格昂貴，同時(shí)又受到驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)水平、永磁材料兩方面的制約，這導(dǎo)致自發(fā)明以后的無(wú)刷直流電機(jī)在一段很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，只能處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，沒(méi)有辦法得到應(yīng)有的推廣與發(fā)展，20世紀(jì)七十年代，伴隨著電力電子工業(yè)的高速發(fā)展，各種新型的全控型半導(dǎo)體功率器件如春雨般出現(xiàn)在世人眼前，這為它后來(lái)廣泛應(yīng)用與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1978年，在當(dāng)時(shí)的漢諾威貿(mào)易博覽會(huì)上， MANNESMANN公司正式推出了 一種MAC無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，它的出現(xiàn)，在當(dāng)時(shí)引起了世界各國(guó)的極大關(guān)注，隨后，研發(fā)和生產(chǎn)無(wú)刷直流系統(tǒng)的熱潮也在國(guó)際上噴涌而出，這也就標(biāo)志著無(wú)刷直流電機(jī)正在逐步地走向?qū)嵱秒A段。在人們對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)不斷的了解基礎(chǔ)上，無(wú)刷直流電機(jī)的理論也逐步進(jìn)行了完善與改進(jìn)。在1986年，當(dāng)時(shí)H.R.Bolton對(duì)其作了全面而又系統(tǒng)的總結(jié)，在總結(jié)中，他指出了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的眾多研究領(lǐng)域，標(biāo)志著無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在理論上走向成熟。無(wú)刷直流電機(jī)對(duì)與我國(guó)來(lái)說(shuō)，對(duì)其研究的還是比較晚。1987年，聯(lián)邦德國(guó)金屬加工設(shè)備展覽會(huì)在北京舉辦，當(dāng)時(shí)BOSCH和SIEMENS兩家公司相繼展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器，這在我們當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)，引起了眾多相關(guān)研究學(xué)者的關(guān)注，自此以后，國(guó)內(nèi)也相繼掀起了研發(fā)和技術(shù)引進(jìn)的熱潮。經(jīng)過(guò)多年的不懈努力，目前，我們國(guó)內(nèi)已研制出無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的一系列的產(chǎn)品。1.2.2 直流無(wú)刷電機(jī)的主要研究方向采用永久磁鐵的直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子，氣隙磁通保持在常值，因此它非常適用于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行狀態(tài)，但是對(duì)于恒功率運(yùn)行狀態(tài)，雖然直流無(wú)刷電機(jī)難以直接改變磁通以此來(lái)進(jìn)行弱磁控制，但是進(jìn)行控制改進(jìn)的改進(jìn)也還是可以得到弱磁控制的效果。稀土永磁材料具有可產(chǎn)生很大的氣隙磁通的優(yōu)點(diǎn)，由于此，可以大大縮小轉(zhuǎn)子的半徑，同時(shí)也可以減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因而，當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求具有非常良好的靜態(tài)特性或者高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的時(shí)候，直流無(wú)刷電機(jī)相比較于交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)就凸顯出了它更多的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段，直流無(wú)刷電機(jī)的發(fā)展已遍布全國(guó)的各個(gè)領(lǐng)域并且不斷的加深，尤其是在家用電器、航空航天等重要領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用與發(fā)展?，F(xiàn)階段，直流無(wú)刷電機(jī)的研究主要在以下方面進(jìn)行介紹：(1) 無(wú)機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制作為整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為脆弱的部件-轉(zhuǎn)子位置傳感器，不僅在成本和復(fù)雜性為系統(tǒng)增加的負(fù)擔(dān)，而且系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性也受到了下降，與此同時(shí)還要占據(jù)一定的空間位置等等。在很多的場(chǎng)合，比如說(shuō)空調(diào)器或者是計(jì)算機(jī)外設(shè)等都要求以無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運(yùn)行。無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行本質(zhì)上就是需要在不使用機(jī)械傳感器的前提下，以電機(jī)的電流和電壓信息來(lái)獲取轉(zhuǎn)子磁極的準(zhǔn)確位置。目前來(lái)看，相對(duì)成熟的無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行方式主要有：1 續(xù)流二極管電流通路檢測(cè)法。目前的這些方法里面都或多或少的存在這各自的缺陷，不過(guò)依然在完整中； 2 反電動(dòng)勢(shì)法具體包括了直接反電動(dòng)勢(shì)法、間接反電動(dòng)勢(shì)法和派生反電動(dòng)勢(shì)積分法等等；3 定子三次諧波檢測(cè)法；(2) 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制由于無(wú)刷直流電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等固有缺陷，尤其是在伴隨著轉(zhuǎn)速的升高，或者換向的時(shí)候，轉(zhuǎn)動(dòng)脈動(dòng)會(huì)產(chǎn)生加劇的現(xiàn)象，以至于導(dǎo)師平均轉(zhuǎn)矩明顯下降。因此，對(duì)于提高無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的性能方面來(lái)說(shuō)，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是一個(gè)重要方面。(3) 智能控制在運(yùn)動(dòng)控制研究領(lǐng)域當(dāng)中，伴隨著信息技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，先進(jìn)的控制理論就是其中一個(gè)新的發(fā)展方向，特別是智能控制方面的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，模糊邏輯控制、專(zhuān)家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是其中三個(gè)最為重要的控制理論和方法。所謂的模糊控制，就是將一些成熟經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則有機(jī)地融入到所研究的傳動(dòng)控制策略當(dāng)中去，目前，已經(jīng)有很多方面得到了非常成功的應(yīng)用。伴隨著無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在各方面不斷擴(kuò)大的應(yīng)用情形，可以預(yù)測(cè)智能控制技術(shù)將會(huì)受到眾多學(xué)者更廣泛的關(guān)注。2.3 直流無(wú)刷電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用保持著有刷直流電機(jī)的良好機(jī)械及控制特性的直流無(wú)刷電機(jī)，在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電動(dòng)機(jī)一樣，不過(guò)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組是處在定子上的，永久磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子上，采用多相形式的電樞繞組，在通過(guò)逆變器之后，然后連接到直流電源上面，定子方面利用了電子換向來(lái)替換傳統(tǒng)電機(jī)的電刷和換向器，然后各相依次通電產(chǎn)生電流，定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁極主磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 和有刷直流電機(jī)相比，直流無(wú)刷電機(jī)由于取消了電機(jī)的滑動(dòng)接觸機(jī)構(gòu)，因而消除了故障的主要根源。轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，也就沒(méi)有了勵(lì)磁損耗，又由于主磁場(chǎng)是恒定的，因此鐵損也是極小的(在方波電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞磁勢(shì)的軸線(xiàn)是脈動(dòng)的，會(huì)在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)產(chǎn)生一定的鐵損，和方波電流驅(qū)動(dòng)相比，采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)鐵損更小)?？偠灾懦S承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磨損之外，其轉(zhuǎn)子方面的損耗非常小，因而這將進(jìn)一步增強(qiáng)了其可靠性。 由于不但擁有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，它還又具有運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗同時(shí)調(diào)速性能又好等優(yōu)勢(shì)，因此，故在現(xiàn)階段社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，比如儀表儀器、化工、輕紡以及家用電器等方面的應(yīng)用日益普及。直流無(wú)刷電機(jī)的應(yīng)用主要分為以下幾類(lèi)：1.定速驅(qū)動(dòng)機(jī)械一般工業(yè)場(chǎng)合不需要調(diào)速的領(lǐng)域以往大多是采用三相或單相交流異步和同步電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在功率不大于10KW且連續(xù)運(yùn)行的情況下，為了減少體積，節(jié)省材料，提高效率和降低能耗，越來(lái)越多的電機(jī)正被直流無(wú)刷電機(jī)逐步取代，這類(lèi)應(yīng)用有：自動(dòng)門(mén)、電梯、水泵、風(fēng)機(jī)等。而在功率較大的場(chǎng)合，由于一次成本和投資較大，除了永磁電機(jī)外還要增加驅(qū)動(dòng)器，因此目前較少有應(yīng)用。2.調(diào)速驅(qū)動(dòng)機(jī)械 速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié)，但控制精度要求不高的調(diào)速系統(tǒng)分為兩種：一種是開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，另一種是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(此時(shí)的速度反饋器件多采用低分辨率的脈沖編碼器或交、直流測(cè)速等)。通常采用的電機(jī)主要有三種：直流電機(jī)、交流異步電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)。這在包裝機(jī)械、食品機(jī)械、印刷機(jī)械、物料輸送機(jī)械、紡織機(jī)械和交通車(chē)輛中有大量應(yīng)用。 調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域最初用得最多的是直流電機(jī)，隨著交流調(diào)速技術(shù)特別是電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用，它們很快都滲透到原有的直流調(diào)速系統(tǒng)的絕大多數(shù)營(yíng)養(yǎng)研究領(lǐng)域當(dāng)中。這些年來(lái)，各式各樣的中小功率型交流變頻系統(tǒng)正逐漸被直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)所替換，這正是由于直流無(wú)刷電機(jī)重量小、體積小和高效節(jié)能等諸多優(yōu)勢(shì)，尤其是在印刷機(jī)械、紡織機(jī)械等原先主要應(yīng)用的是變頻系統(tǒng)的領(lǐng)域，而對(duì)于某些直流電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，它們一直直接由電池來(lái)供電的，則更多的被直流無(wú)刷電機(jī)所代替。3.精密控制 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，伺報(bào)電動(dòng)機(jī)高精度控制扮演了十分重要的角色，由于其各自的應(yīng)用場(chǎng)合不太一樣，因此其控制性能的要求當(dāng)然也不盡相同了。在實(shí)際情況下，伺服電動(dòng)機(jī)擁有這各式各樣的控制形式如：電流控制、轉(zhuǎn)矩控制、位置控制和速度控制等等。具有良好的控制性能的無(wú)刷直流電機(jī)，它在高速、高精度定位系統(tǒng)中也慢慢的替換掉了直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的地位，是首選的伺服電機(jī)之一?，F(xiàn)階段，對(duì)于掃描儀、醫(yī)療診斷CT、CD唱機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)控車(chē)床驅(qū)動(dòng)及計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)等都大量應(yīng)用直流無(wú)刷電機(jī)伺服系統(tǒng)用于精密控制。 4.其他應(yīng)用 家用電器、大型同步電機(jī)啟動(dòng)等。1.3 文章結(jié)構(gòu)本文的大致結(jié)構(gòu)如下：第一章：主要介紹了直流無(wú)刷電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平和研究情況；直流無(wú)刷電機(jī)的主要研究方向，直流無(wú)刷電機(jī)的控制系統(tǒng)。第二章：簡(jiǎn)單的介紹了直流無(wú)刷電機(jī)的基本原理，研究直流無(wú)刷電機(jī)的換向準(zhǔn)則，用圖示的方法簡(jiǎn)單清晰明了。第三章：研究了直流無(wú)刷電機(jī)的控制系統(tǒng)，介紹了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了數(shù)字控制芯片AT89C51的基本性能。第四章：對(duì)所研究的直流無(wú)刷電機(jī)建立了控制系統(tǒng)，建立速度外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明所搭建的控制系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定的跟蹤速度參考給定值。第五章：對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)以及未來(lái)發(fā)展展望。最后對(duì)有關(guān)人士表達(dá)了深深的謝意。第二章 直流無(wú)刷電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理2.1 直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路三部分組成?；谟兴⒅绷麟姍C(jī)改進(jìn)的直流無(wú)刷電機(jī)，內(nèi)部電樞繞組與功率開(kāi)關(guān)器件相連，其驅(qū)動(dòng)過(guò)程是通過(guò)內(nèi)部主轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出信號(hào)來(lái)完成的，使電樞繞組依次通電。在定子形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷地輸出具體位置信號(hào)，位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后通過(guò)控制芯片來(lái)改變電樞繞組的通電狀態(tài)，電樞電流方向始終保持恒定不變，因此，整個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)的換向過(guò)程過(guò)程完全屬于無(wú)接觸式。圖2-1為直流無(wú)刷電機(jī)工作原理框圖。圖2-1 直流無(wú)刷電機(jī)工作原理框圖2.1.1 電機(jī)本體電機(jī)本體的主要部件包括轉(zhuǎn)子和定子。在滿(mǎn)足足夠磁通要求下，電樞繞組通過(guò)某一恒定電流產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。其次在保證機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固和穩(wěn)定情況下，傳送該電磁轉(zhuǎn)矩。（1）繞組：直流無(wú)刷電機(jī)常見(jiàn)的繞組形式包括整矩集中、整矩和短矩分布式三種。不同的繞組形式對(duì)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形產(chǎn)生不同影響，甚至間接影響到電機(jī)本身的性能文獻(xiàn)。整矩集中繞組在同一個(gè)槽內(nèi)分布每相繞組，其反電動(dòng)勢(shì)波形為各個(gè)導(dǎo)體的反電動(dòng)勢(shì)的疊加，具有為較好的梯形反電動(dòng)勢(shì)波形；短矩繞組優(yōu)點(diǎn)是可以縮短繞組端接線(xiàn)，節(jié)約材料成本。主要用于消弱轉(zhuǎn)矩諧波。（2）定子：電樞繞組可以Y型連接也可以三角形連接，鐵芯內(nèi)部繞組要求對(duì)稱(chēng)，且沒(méi)有中性點(diǎn)引出。其中電樞繞組Y型連接應(yīng)用相對(duì)較多。另外，與傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的差別是無(wú)刷直流電機(jī)的電樞繞組處于定子側(cè)，這將改善無(wú)刷直流電機(jī)的散熱性能。（3） 轉(zhuǎn)子：由一定極對(duì)數(shù)的永磁體鑲嵌在鐵心表面或者內(nèi)部構(gòu)成。與有刷直流電機(jī)中的永磁體在電機(jī)氣隙中作用一樣，都是要求形成足夠大的磁場(chǎng)，差別僅在于位置布局上的不同，無(wú)刷電機(jī)的永磁體設(shè)于轉(zhuǎn)子側(cè)。2.1.2 位置傳感器位置傳感器即檢測(cè)直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的位置，將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理控制定子繞組的換相，使電樞電流隨著轉(zhuǎn)子位置的不同進(jìn)行同步換相，在一定氣隙下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子不斷續(xù)旋轉(zhuǎn)。目前直流無(wú)刷電機(jī)的位置傳感器主要包括電磁式、光電式、磁敏式等幾個(gè)種類(lèi)。直流無(wú)刷電機(jī)的控制系統(tǒng)中常采用霍爾位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，它本身屬于屬于磁敏式的一種，具有體積小、方便使用以及廉價(jià)特性。本文采用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)的方法，改善了系統(tǒng)穩(wěn)定性。2.2直流無(wú)刷電機(jī)工作原理無(wú)刷六流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體和控制器緊密結(jié)合，是典型的機(jī)電一體化器件。在永磁直流無(wú)刷電機(jī)中，電樞繞組安放于定子鐵心中，是電磁感應(yīng)的關(guān)鍵部件之一。作為直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換通道的電樞繞組，其構(gòu)成應(yīng)滿(mǎn)足電機(jī)要求產(chǎn)生足夠大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并形成感應(yīng)電流產(chǎn)生一定電磁轉(zhuǎn)矩。其定子繞組采用三相星形對(duì)稱(chēng)接法。其轉(zhuǎn)子附有永磁體用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的極性。位置傳感器裝設(shè)在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，通過(guò)檢測(cè)磁極位置來(lái)確定定子繞組是否導(dǎo)通，產(chǎn)生不斷續(xù)且穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置主要由功率電子器件和相關(guān)電路組成，控制電機(jī)啟動(dòng)、停止和制動(dòng)的信息接受和動(dòng)作過(guò)程；接受位置傳感器用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速。下面以?xún)上鄬?dǎo)通星形三相六狀態(tài)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例說(shuō)明其工作原理，圖2-2為其工作原理圖 。圖2-2直流無(wú)刷電機(jī)工作原理圖2-3所示為定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)示意圖，其工作原理分析如下：（a）A、B兩相導(dǎo)通 （b）A、C兩相導(dǎo)通圖2-3 定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)示意圖首先，圖2-3（a）所示轉(zhuǎn)子位于A(yíng)、B兩相導(dǎo)通狀態(tài) ，此時(shí)定子的北極和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)同時(shí)指向繞組B，定子磁動(dòng)勢(shì)指向繞組C。電樞電流流通方向?yàn)槔@組A流入繞組B繞組X流出。根據(jù)磁場(chǎng)的基本理論，定子和轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)力的相互作用下促使轉(zhuǎn)子發(fā)生旋轉(zhuǎn)。同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制電路通過(guò)轉(zhuǎn)子的位置傳感器對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行翻譯，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此時(shí)VT1和VT6處于導(dǎo)通狀態(tài)，使繞組A正向?qū)?，繞組B反向?qū)?。圖2-3(a)所示磁動(dòng)勢(shì)Fm和定子合成磁動(dòng)勢(shì)Fa的空間位置，轉(zhuǎn)子受永磁順時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電流路徑為：電源正極 VT1管 A相繞組 B相繞組 VT6管負(fù)極。 當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)600電角度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)后，定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)空間位置如圖2-3(b)所示，此時(shí)A、C兩相導(dǎo)通。轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)后，位置傳感器檢測(cè)到其位置信號(hào)發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)譯碼電路完成翻譯，產(chǎn)生新的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此時(shí)VT1、VT2處于導(dǎo)通狀態(tài)，繞組A正向?qū)?，而繞組C反向?qū)?。磁?dòng)勢(shì)Fm和Fa空間位置如圖2-3(b)所示，電機(jī)產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子仍然沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，電樞電流路徑為：電源正極 VT1管 A相繞組 C相繞組 VT2管負(fù)極。按照這個(gè)規(guī)律，可以知道轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)600電角度，其繞組導(dǎo)通狀態(tài)都會(huì)變化一次，其導(dǎo)通順序?yàn)椋篈BAC BCBACACBAB。 綜上所述得知，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置每發(fā)生變化，都伴隨驅(qū)動(dòng)控制電路檢測(cè)和輸出位置信號(hào)，再經(jīng)過(guò)譯碼電路翻譯后產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以改變定子繞組的導(dǎo)通狀態(tài)，讓轉(zhuǎn)子按原來(lái)方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。在兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)導(dǎo)通工作方式下，轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的繞組導(dǎo)通順序如表2-1所示，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的繞組導(dǎo)通順序如表2-2所示。傳統(tǒng)有刷直流電動(dòng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，只需改變勵(lì)磁磁場(chǎng)的極性或電樞電流就可以完成。雖然無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)的原理與有刷直流電動(dòng)機(jī)類(lèi)似，但由于它不能通過(guò)簡(jiǎn)單的功率開(kāi)關(guān)管的單向?qū)щ娦?，達(dá)到改變電源極性來(lái)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的局限，無(wú)刷直流電機(jī)通常采用改變繞組的通電順序方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。如圖2-2所示的三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，假設(shè)要使電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)和接受轉(zhuǎn)子位置，然后根據(jù)表2-1所示的各開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序，進(jìn)行相應(yīng)導(dǎo)通和關(guān)斷操作。反之，若要電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器采樣和收集轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，在根據(jù)表2-2所示的相應(yīng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序，對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷操作。表2-1： 轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通順序及相電流狀態(tài)順序霍爾傳感器導(dǎo)通開(kāi)關(guān)相電流ABCABC1110VT1VT6正極負(fù)極斷開(kāi)2100VTIVT2正極斷開(kāi)負(fù)極3101VT3VT2斷開(kāi)正極負(fù)極4001VT3VT4負(fù)極正極斷開(kāi)5011VT5VT4負(fù)極斷開(kāi)正極6010VT5VT6斷開(kāi)負(fù)極正極表2-2： 轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通順序及相電流狀態(tài)順序霍爾傳感器導(dǎo)通開(kāi)關(guān)相電流ABCABC1011VT3VT4負(fù)極斷開(kāi)正極2001VT5VT4斷開(kāi)負(fù)極正極3101VT5VT6正極負(fù)極斷開(kāi)4100VT1VT6正極斷開(kāi)負(fù)極5110VT1VT2斷開(kāi)正極負(fù)極6010VT3VT2負(fù)極正極斷開(kāi)從運(yùn)行過(guò)程看，定子繞組每隔600電角度換向一次，定子合成磁動(dòng)勢(shì)位置就改變一次，每相繞組何次導(dǎo)通1200電角度，且始終保持兩相繞組導(dǎo)通，此工作方式稱(chēng)為兩相導(dǎo)通的六狀態(tài)運(yùn)行方式。該方式中，每一狀態(tài)持續(xù)600度電角度，在此期間，定子繞組合成磁動(dòng)勢(shì)空間位置固定不動(dòng)，而永磁磁極連續(xù)旋轉(zhuǎn)600電角度。定子磁動(dòng)勢(shì)為跳躍式旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，使定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)之間的空間夾角周期性變化，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。第3章 直流無(wú)刷電機(jī)硬件軟件設(shè)計(jì)任何一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)穩(wěn)定而可靠的工作幾乎都離不開(kāi)合理的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與良好的軟件代碼編寫(xiě)，系統(tǒng)的性能是由軟硬件共同決定的。無(wú)刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也同樣包含硬件設(shè)計(jì)部分與軟件編寫(xiě)部分，本章將著重闡述控制的直流無(wú)刷電機(jī)硬件設(shè)計(jì)。3.1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)本文所設(shè)計(jì)的直流無(wú)刷電機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)包括微控制器部分、功率驅(qū)動(dòng)及逆變電路部分、檢測(cè)電路部分、電源電路部分以及其他接口單元。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和對(duì)硬件資源的合理整合，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)硬件框圖1）微控制器AT89C51：系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)控對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬采樣、運(yùn)算與控制等；2）驅(qū)動(dòng)電路IR2103：IR2103芯片國(guó)際整流器公司生產(chǎn)的控制芯片，這種芯片具有功率放大作用，可以將AT89C51單片機(jī)輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大，放大后再驅(qū)動(dòng)逆變電路中的功率開(kāi)關(guān)管工作；3）逆變電路：逆變電路拓?fù)洳捎萌鄻蚴侥孀冸娐罚_(kāi)關(guān)器件采用MOSFET即可，根據(jù)MOSFET上的開(kāi)關(guān)時(shí)序，將直流電逆變成交流電，再給電機(jī)供電，從而達(dá)到對(duì)電機(jī)的控制目的。4）電流檢測(cè)電路：電流檢測(cè)一般采用霍爾元件實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)采用的芯片為ACS712，該霍爾完成對(duì)系統(tǒng)電流的檢測(cè)并送入單片機(jī)處理器處理。5）位置檢測(cè)電路：一般情況下，電機(jī)會(huì)有自帶的三相霍爾傳感器，此系統(tǒng)選用的自帶的三相霍爾傳感器的電機(jī)，霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子信號(hào)并送入單片機(jī)處理器處理；6）電源電路：輸入市電電壓，經(jīng)變壓器降壓后整流經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓產(chǎn)生四路獨(dú)立的輸出電壓 +/-12V、5V 和 3.3V，給整個(gè)系統(tǒng)供電。3.2 微控制器AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)處理器。AT89C51采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，使它成為 一種高效微控制器。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。這種單片機(jī)應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域1。 AT89C51的主要性能參數(shù)：1）與MCS-51 兼容； 2）4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器；3）壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)； 4）數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年； 5）全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz； 6）三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定； 7）1288位內(nèi)部RAM； 8）32可編程I/O線(xiàn)； 9）兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；10）5個(gè)中斷源；11）可編程串行通道；12）低功耗的閑置和掉電模式；13）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路；特性概述：AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線(xiàn)，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)同，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導(dǎo)下一個(gè)硬件復(fù)位。AT89C51引腳圖如圖3-2所示。圖3-2 AT89C51芯片引腳圖3.3逆變電路圖3-3逆變器主電路逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電然后再向電機(jī)供電，采用三相橋式全控逆變電路，其主電路如圖3-3所示，功率開(kāi)關(guān)器件采用功率MOSFET。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一。3.2.1 功率MOSFET近年來(lái)由于MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位訊號(hào)處理的場(chǎng)合上，也有越來(lái)越多類(lèi)比訊號(hào)處理的積體電路可以用MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)。MOSFET是英文（MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor）的縮寫(xiě)，譯成中文是“金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管”。 MOSFET是由金屬、二氧化硅或氮化硅與半導(dǎo)體制成的半導(dǎo)體器件。 N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示，MOSFET底部為一塊P型硅半導(dǎo)體材料(圖3-4a)，第二層設(shè)置了兩個(gè)N型區(qū)(圖3-4b)，第三層擴(kuò)散了二氧化硅絕緣層(圖3-4c)，由N區(qū)上方采用一定的方法引出兩個(gè)孔，然后用一定的方法分別在絕緣層上及兩個(gè)孔內(nèi)引出了三個(gè)電極：G(柵極)、S(源極)和D(漏極)，最后做成如(圖3-4d)所示的樣子。 圖3-4功率MOSFET的結(jié)構(gòu)圖從圖3-4中可以看出MOSFET的G極與D極和S極是相互絕緣的，D極與S極之間有兩個(gè)PN結(jié)。一般情況下，MOSFET的襯底與源極在內(nèi)部連接在一起。為了改善某些參數(shù)的特性，比如提高M(jìn)OSFET的工作電流、工作電壓、降低導(dǎo)通電阻、提高開(kāi)關(guān)特性等，廠(chǎng)家制成不同的結(jié)構(gòu)及工藝，比如現(xiàn)有的VMOS、DMOS、TMOS等結(jié)構(gòu)。根據(jù)MOSFET結(jié)構(gòu)及工作特性，本系統(tǒng)選擇的開(kāi)關(guān)器件為功率MOSFET，3.2.2 全橋逆變電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用三相橋式全控逆變電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-1所示，在電路圖設(shè)計(jì)中，六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件選用國(guó)際整流公司的IRF3205型功率MOSFET,如圖3-5a)所示。這種器件為N溝道型MOSFET。其特點(diǎn)是導(dǎo)通內(nèi)阻小，這樣通態(tài)損耗低，耐壓55V，額定電流110A，因此適用于低壓大電流的功率變換場(chǎng)合。硬件電路設(shè)計(jì)圖如圖3-5所示。QB1、QB3、QB5三個(gè)IRF3205作為上橋臂，另外QB2、QB4、QB6為下臂。六個(gè)IRF3205通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路給予的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制其導(dǎo)通與關(guān)斷，在驅(qū)動(dòng)過(guò)程為了避免上下管直通導(dǎo)致短路，驅(qū)動(dòng)信號(hào)間設(shè)置有一定的死區(qū)時(shí)間，另外，為了減小IRF3205管發(fā)熱，提高整體效率，必須為IRF3205管提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力，另外，每個(gè)IRF3205上接有兩個(gè)電阻，比如QB1上，RB1是驅(qū)動(dòng)電阻，RB2為給功率開(kāi)關(guān)管IRF3205結(jié)電容提供放電回路的放電電阻。a) IRF3205圖3-5b)三相全橋硬件電路圖另外，在圖3-5b)下橋臂三個(gè)IRF3205功率放開(kāi)關(guān)管QI的源極下面反接了一個(gè)IRF3205功率開(kāi)關(guān)管，這樣做目的是為了防止電源正負(fù)極反接對(duì)電機(jī)造成損壞。如果輸入電源反接，QI管則關(guān)斷，系統(tǒng)沒(méi)有回路，電流無(wú)法流通，這樣就能夠起到電源反接保護(hù)的作用。3.3驅(qū)動(dòng)電路前面提到六個(gè)IRF3205管都需要一定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)還能工作，而單片機(jī)的信號(hào)功率微弱，中間必須加功率放大環(huán)節(jié)，在本系統(tǒng)中，采用專(zhuān)門(mén)的全橋電路驅(qū)動(dòng)芯片IR2103來(lái)驅(qū)動(dòng)三相橋式變換器，IR2103的輸出電壓10-20V, 這款芯片自帶自舉電路驅(qū)動(dòng)功能，專(zhuān)門(mén)為全橋電路上下功率管提供驅(qū)動(dòng)，外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單，不用為全橋中的上管提供專(zhuān)門(mén)的隔離驅(qū)動(dòng)電源。采用自舉驅(qū)動(dòng)方法可降低生產(chǎn)成本，提高電路可靠性。圖3-6為IR2103驅(qū)動(dòng)芯片引腳圖及其輸入/輸出狀態(tài)。圖3-6 IR2103引腳及其輸入/輸出狀態(tài)圖圖3-7 IR2103原理圖IR2103采用自帶的自舉電路，其工作原理圖如圖3-7所示。圖3-7中電容C、二極管VD分別為自舉電容和自舉二極管。自舉電路的工作過(guò)程2為：與橋臂上功率開(kāi)關(guān)管Q1的源極和下功率開(kāi)關(guān)管Q2的漏極與自舉電容C的負(fù)極連接，當(dāng)橋臂下功率開(kāi)關(guān)管Q2驅(qū)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通時(shí)，由于IR2103管的內(nèi)阻很小，其壓降小，可忽略不計(jì)，此時(shí)VS點(diǎn)電壓可近視為零；這個(gè)時(shí)間段，供電電源VCC可通過(guò)自舉二極管VD向自舉電容C充電。當(dāng)橋臂下功率開(kāi)關(guān)管Q2截止后，自舉電容C兩端屯壓保持不變，接下來(lái)在橋臂上管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通的時(shí)候，C通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)MOSFET管QV1向外總功率開(kāi)關(guān)管柵極放電，橋臂上管驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通后，由于IR2103管的內(nèi)阻很小，壓降小，電源母線(xiàn)電壓與VS點(diǎn)相連，自舉電容C的正極電壓為母線(xiàn)電壓與電源電壓VCC兩者之和,二極管VD的反向作用截止，電容C無(wú)法放電，因此上橋臂管驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持不變。當(dāng)上橋臂管驅(qū)動(dòng)截止時(shí)，電容C通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)MOSFET管QV2放電，Q1截止。在兩路互補(bǔ)的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)信號(hào)按上述方式完成了對(duì)橋臂中的上下功率MOSFET管的驅(qū)動(dòng)。功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3-8所示。圖3-8功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路圖3.4電流檢測(cè)電路為了對(duì)變換器進(jìn)行時(shí)實(shí)控制，就必須把變換器的時(shí)時(shí)工作狀態(tài)反映到控制電路中，以供控制電路處理并調(diào)整，這就必須引入對(duì)主電路的信號(hào)采樣。電流采樣的方法有電流互感器、霍爾元件和直接電阻采樣。采用霍爾元件取樣,控制和主功率電路有隔離,可以檢出直流信號(hào),信號(hào)還原性好, 但有s級(jí)的延遲,并且價(jià)格比較貴;采用電阻取樣價(jià)格非常便宜,信號(hào)還原性好,但是控制電路和主功率電路不隔離,功耗比較大。而電流互感器采樣具有能耗小、頻帶寬、信號(hào)還原性好價(jià)格便宜、控制和主功率電路隔離等諸多優(yōu)點(diǎn)本次設(shè)計(jì)中，主要采用電流互感器對(duì)系統(tǒng)電流信號(hào)采樣，電流互感器選用LEM公司生產(chǎn)的ACS712型號(hào)的高速電流互感器，ACS712 可為工業(yè)、商業(yè)和通信系統(tǒng)中的交流或直流電流感測(cè)提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且精確的解決方案。該器件封裝便于客戶(hù)輕松實(shí)施。典型應(yīng)用包括電動(dòng)機(jī)控制、載荷檢測(cè)和管理、開(kāi)關(guān)式電源和過(guò)電流故障保護(hù)3。ACS712型號(hào)工作電壓為12，輸出電流為-5A+5A，最大誤差1.5%檢測(cè)頻率可以到200KHz。因此完全符合我們的設(shè)計(jì)要求。采用三個(gè) ACS712 分別測(cè)量三相的相電流，將其送入AT89C51，經(jīng)過(guò) ADC 讀入微控制器，完成對(duì)三相電流的檢測(cè)和處理形成電流閉環(huán)。其電路圖如圖3-9所示。圖3-9電流檢測(cè)電路3.5位置檢測(cè)電路 系統(tǒng)的位置檢測(cè)電路如圖3-10所示，由于A(yíng)T89C51芯片高電平對(duì)應(yīng)的電壓為3.3V，因此本設(shè)計(jì)中采用分壓電阻分壓的方式使得輸入AT89C51芯片的I/O口為3.3V。電機(jī)有三路霍爾信號(hào)，將其分別送到AT89C51的3個(gè)I/O 口 PCO、PC1、PC2中，AT89C51芯片會(huì)根據(jù)輸入3路的霍爾信號(hào)，進(jìn)行軟件編程設(shè)置對(duì)應(yīng)的PWM波時(shí)序。圖3-10 位置檢測(cè)電路3.6電源電路系統(tǒng)的供電電源部分結(jié)構(gòu)框圖如圖3-11所示，將電網(wǎng)側(cè)的220V交流電經(jīng)過(guò)變壓器降壓，整流，濾波及穩(wěn)壓后給系統(tǒng)供電。實(shí)際系統(tǒng)中，變壓器采用副邊12V雙端輸出的變壓器，整流電路采用4個(gè)IN4001整流二極管進(jìn)行橋式不可控制整流后，進(jìn)過(guò)35V，1000uF大電容進(jìn)行濾波，然后分別進(jìn)過(guò)LM7812、LM7912和LM7805產(chǎn)生三種直流電給系統(tǒng)供電，詳細(xì)電路如圖3-12a)、3-12b)所示，其中圖3-12b)為單片機(jī)AT89C51的供電電源，采用LM1117MP-3.3電源芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成功經(jīng)驗(yàn)3.3 V給AT89C51供電。圖中Lamp,LED為電源指示燈。 圖3-11 直流穩(wěn)壓框圖a) b) 圖3-12 電源電路圖3.7 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.7.1 主程序流程圖設(shè)計(jì)主程序是一個(gè)循環(huán)程序，其主要思路是，先設(shè)定好速度初始值，這個(gè)初始值與測(cè)速電路送來(lái)的值相比較得到一個(gè)誤差值，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器之后產(chǎn)生PWM脈沖進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其程序流程圖如圖3-13所示。圖3-13直流無(wú)刷電機(jī)主程序3.7.2 ADC中斷流程圖設(shè)計(jì)ADC中斷子程序的框圖和換相子程序流程圖，如圖3-14所示。在A(yíng)DC中斷子程序中，主要進(jìn)行讀ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果、電流調(diào)節(jié)、中性點(diǎn)電壓計(jì)算、延遲時(shí)間計(jì)算、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)符號(hào)判別和換向準(zhǔn)備的操作，另外在磁定位過(guò)程中，根據(jù)電流調(diào)節(jié)的結(jié)果更新PWM占空比、磁定位結(jié)束后的判別操作。換相子程序則檢測(cè)直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，當(dāng)經(jīng)過(guò)扇區(qū)的分界線(xiàn)時(shí)，產(chǎn)生中斷，告知主程序即將換相，為產(chǎn)生正確的PWM做好準(zhǔn)備。圖3-14 ADC中斷子程序流程圖圖3-15換相子程序框圖第四章 直流無(wú)刷電機(jī)MATLAB仿真4.1 MATLAB/Simulink的介紹4.1.1 MATLAB的簡(jiǎn)介MATLAB是矩陣+實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是美國(guó)MathWorks公司于1984年開(kāi)始出品的一種軟件，在各個(gè)行業(yè)算法的開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)分析可視化、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)值科學(xué)計(jì)算等都有很高的計(jì)算能力與處理能力。MATLAB主要包括仿真和鏈接兩大部分；MATLAB最主要的特點(diǎn)可以概況如下：(1)具有優(yōu)秀的友好的工作運(yùn)行平臺(tái)與程序編寫(xiě)的環(huán)境；(2)具有簡(jiǎn)單易懂且易用的，符合人們思維的程序語(yǔ)言；(3)具有強(qiáng)大的矩陣科學(xué)計(jì)算功能和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力；(4)具有優(yōu)秀的圖形顯示和處理功能；(5)具有應(yīng)用廣泛的，各個(gè)專(zhuān)業(yè)模塊集合的工具箱simulink；(6)具有與其它程序接口的能力和處理發(fā)布平臺(tái)的能力；(7)具有應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)能力，與C語(yǔ)言兼容的能力。4.1.2 Simulink的功能與特點(diǎn)Simulink是MATLAB中一個(gè)重要的工具箱，是MathWorks公司開(kāi)發(fā)的具有連續(xù)和離散功能的，可以用于靜態(tài)計(jì)算和動(dòng)態(tài)仿真的，同時(shí)也具有通信接口能力的仿真工具箱。同時(shí)，Simulink是MATLAB中的一種基于視覺(jué)化的仿真工具箱，里面包含了很多行業(yè)可以用到的模塊，同時(shí)也為用戶(hù)提供了相應(yīng)的S函數(shù)模塊，給用戶(hù)自定義相應(yīng)功能帶來(lái)了很大的好處，不僅可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模塊的建立、仿真計(jì)算和分析處理等，也可以實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性系統(tǒng)控制與分析、非線(xiàn)性系統(tǒng)控制與分析、數(shù)字系統(tǒng)控制與分析及數(shù)字信號(hào)處理與分析中，具有強(qiáng)大的功能。目前還沒(méi)有相關(guān)軟件在矩陣計(jì)算、數(shù)據(jù)處理等方面超過(guò)MATLAB，本文正是在MATLAB/Simulink中搭建了直流無(wú)刷電機(jī)的仿真模型。4.2 直流無(wú)刷電機(jī)仿真在MATLAB中搭建直流無(wú)刷電機(jī)的仿真模型，圖4-1為電子電壓和電流的波形。圖4-2為定子A相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的仿真波形，從圖中可以看出來(lái)，直流無(wú)刷電機(jī)能夠跟蹤參考給定轉(zhuǎn)速，當(dāng)參考轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，實(shí)際電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生變化，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩同樣也會(huì)變化，這說(shuō)明仿真是正確的。圖4-1 直流無(wú)刷電機(jī)定子電壓電流波形圖4-2 直流無(wú)刷電機(jī)仿真波形4.3 直流無(wú)刷電機(jī)仿真圖圖4-3、圖4-4和圖4-5給出了直流無(wú)刷電機(jī)在MATLAB中的仿真圖。圖4-3 速度控制框圖圖4-4 仿真封裝內(nèi)部圖圖4-5 仿真封裝外部圖第五章 總結(jié)與展望5.1 總結(jié)本文仿真結(jié)果表明：波形符合理論分析，系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行，具有較好的靜、動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，該模型提供的各仿真模塊具有通用性。因此，它為分析和設(shè)計(jì)直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)提供了有效手段和工具，也為實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了新的思路。5.2 展望本文雖然完成了初步的工作，但是在很多方面尚未深入探索，很多問(wèn)題尚未解決。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容繁多、工作量大和時(shí)間限制，本文僅對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了一些基本的研究。而且個(gè)人能力有限、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)缺乏，在工作中也在所難免存在很多不足之處。針對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)以及發(fā)展趨勢(shì)，為進(jìn)一步改進(jìn)和完善工作，本人還將繼續(xù)研究。致 謝經(jīng)過(guò)半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。感謝我的導(dǎo)師*老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪。感謝大學(xué)四年來(lái)所有的老師，這些老師知識(shí)淵博，閱歷豐富，講課獨(dú)具風(fēng)格，為我們打下專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)。感謝我的室友們，是你們和我共同維系著彼此之間兄弟般的感情，維系著寢室那份家的融洽。感謝我的爸爸媽媽?zhuān)B(yǎng)育之恩，無(wú)以回報(bào)，你們永遠(yuǎn)健康快樂(lè)是我最大的心愿。感謝理工學(xué)院四年來(lái)對(duì)我的大力培養(yǎng)參考文獻(xiàn)1 1王益全.電動(dòng)機(jī)原理與實(shí)用技術(shù).北京:科學(xué)出版社，20052 李鐘明,劉衛(wèi)國(guó).稀土永磁電機(jī).第一版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，19993 唐蘇亞.電動(dòng)車(chē)輛及其電機(jī)的發(fā)展概況.電機(jī)技術(shù)，19964 陳清泉，詹宜巨.21世紀(jì)的綠色交通工具一電動(dòng)車(chē).北京:清華大學(xué)出版社，廣州:暨南大學(xué)出版社，20005 唐蘇亞.我國(guó)電動(dòng)自行車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀.電機(jī)技術(shù)，2004 6 周志新.電動(dòng)自行車(chē)結(jié)構(gòu)與維修.江蘇:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，20017 張深.直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理與其應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，19968 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