[電子電路]無位置傳感器直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：無位置傳感器直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 的硬件設(shè)計(jì) 專 業(yè) 姓 名 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 浙 江 理 工 大 學(xué) 畢業(yè)論文誠信聲明 我謹(jǐn)在此保證：本人所寫的畢業(yè)論文，凡引用他人的研 究成果均已在參考文獻(xiàn)或注釋中列出。論文主體均由本人獨(dú) 立完成，沒有抄襲、剽竊他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果 行為。如出現(xiàn)以上違反知識(shí)產(chǎn)權(quán)的情況，本人愿意承擔(dān)相應(yīng) 的責(zé)任。 聲明人（簽名）： 年 月 日 摘摘 要要 近年來，伴隨著電力電子技術(shù)、新型磁性材料以及微電子技術(shù)的發(fā)展，無 刷直流電動(dòng)機(jī)以其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、家電等領(lǐng)域獲得了廣泛的 應(yīng)用，特別是人們?cè)谌∠麄鹘y(tǒng)位置傳感器的努力更為無刷

2、直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開 辟了廣闊的前景。無刷直流電機(jī)是以電子換向器代替機(jī)械電刷和換相器來實(shí)現(xiàn) 直流電機(jī)的換向。無刷直流電機(jī)以法拉第電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，又以新興的電 力電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和各種物理原理為后盾，具有很強(qiáng)的生命力。 無位置傳感器無刷直流電機(jī)是近年來發(fā)展比較快的一種無刷直流電機(jī)。它 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高且有利于批量生產(chǎn)。如何實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無 位置傳感器控制一直是近一、二十年來的研究熱點(diǎn)。 本文介紹了無位置傳感器無刷直流電機(jī)的工作原理和特性，對(duì)無位置傳感 器無刷直流電機(jī)控制器的硬件部分進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)用的是反 電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)法。啟動(dòng)方法采用的是三段式啟動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)

3、現(xiàn)了無位置傳感 器無刷直流電機(jī)的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；無位置傳感器；反電勢(shì)過零點(diǎn)法 abstract in recent years, along with the power electronics technology, new magnetic materials and the development of microelectronics technology, brushless dc motor with its unique advantages of cnc machine tools, robots, home appliances and oth

4、er fields to obtain a wide range of applications, especially people in the efforts to abolish traditional position sensor brushless dc motor is more opened up broad prospects for application. it takes electrical commentator instead of mechanical brush and mechanical commentator. brushless direct cur

5、rent motor was built on faradays law of electromagnetic induction, and armed with power electronic technique，digital electronic technique，principle of physics .so brushless direct current motor enjoys strong vitality . bldcm is a relatively fast development in recent years, brushless dc motor. it is

6、 simple structure, small size, and higher reliability and is conducive to mass production. how brushless dc motor sensor less control has been nearly two decades of research focus. this paper details working principle and characteristics of sensor less bldcm analyses the hardware circuit design roto

7、r position detection make use of the zero-crossing of back electromotive force method ,and introduces the three-step start technique. the results of the experiment show that the control system can make the motor start successfully and achieve the motors correct commutation. key words: bldc; sensor l

8、ess; back electromotive force method 目目 錄錄 摘要 abstract 第一章 緒論.1 1.1研究意義.1 1.2課題背景及研究現(xiàn)狀.2 1.3研究的基本內(nèi)容和擬解決的主要問題.3 1.3.1 無位置傳感器無刷直流電機(jī)的工作原理.3 1.3.2 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法.4 1.3.3 設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，反電動(dòng)勢(shì)采樣電路.5 1.3.4 無位置傳感器無刷直流電機(jī)的啟動(dòng).5 1.4 論文結(jié)構(gòu).5 第二章 無位置傳感器無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理.7 2.1 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu).7 2.1.1 電機(jī)本體.7 2.1.2 電子開關(guān)線路.8 2.2 無刷直流電機(jī)

9、的運(yùn)行原理.8 2.3 無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性.10 2.3.1 機(jī)械特性.11 2.3.2 調(diào)速特性.12 第三章 無位置傳感器無刷直流電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理.14 3.1 無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制策略.14 3.2 硬件系統(tǒng)介紹及系統(tǒng)框圖.14 3.3 控制電路硬件設(shè)計(jì).15 3.3.1 控制芯片選擇及特點(diǎn).15 3.3.2 freescale 的 56f8013 微控器統(tǒng) .19 4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng).21 4.1.1 單片機(jī)復(fù)位電路.21 4.1.2 單片機(jī)時(shí)鐘輸入電路.21 4.1.3 單片機(jī)工作時(shí)的電壓電路及電源電路.22 4.2 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路.22 4.3 mo

10、sfet 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).23 4.4 調(diào)速電路設(shè)計(jì).25 4.5 保護(hù)電路.26 第 5 章 總結(jié)及展望.27 參考文獻(xiàn).28 致謝.30 附錄.31 第一章第一章 緒論緒論 1.11.1研究意義研究意義 近年來，伴隨著電力電子技術(shù)、新型磁性材料以及微電子技術(shù)的發(fā)展，無 刷直流電動(dòng)機(jī)以其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、家電等領(lǐng)域獲得了廣泛的 應(yīng)用，特別是人們?cè)谌∠麄鹘y(tǒng)位置傳感器的努力更為無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開 辟了廣闊的前景。無刷直流電機(jī)包括有位置傳感器的無刷直流電機(jī)和無位置傳 感器的無刷直流電機(jī)兩種工作方式1。 無位置傳感器無刷直流電機(jī)是近年來發(fā)展比較快的一種無刷直流電機(jī)。它 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小

11、、可靠性高且有利于批量生產(chǎn)。如何實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無 位置傳感器控制一直是近一、二十年來的研究熱點(diǎn)，本文主要綜述各種無位置 傳感器無刷直流電機(jī)的位置檢測(cè)策略2。 無刷直流電機(jī)大多以霍爾元件、光電碼盤或其它位置檢測(cè)元件作為位置傳 感器，但當(dāng)電機(jī)的尺寸小到一定程度時(shí)，使用位置傳感器的弊病就比較明顯。 因此，在小型和輕載起動(dòng)條件下，無位置傳感器無刷直流電機(jī)成為理想的選擇。 目前這種電機(jī)被廣泛地應(yīng)用于空調(diào)、洗衣機(jī)等。 除了在電機(jī)上安裝霍爾元件、光電碼盤等裝置直接檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置外， 還可以通過檢測(cè)電機(jī)的磁鏈、電流和電壓等物理量，再經(jīng)過相應(yīng)的處理間接地 求得電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。由于不是直接檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位

12、置，因此這種通過檢測(cè) 磁鏈、電流和電壓等物理量來得到轉(zhuǎn)子位置的直流電機(jī)也被稱為無位置傳感器 的無刷直流電機(jī)3。 20 世紀(jì) 80 年代后，隨著研究的深入與發(fā)展，無刷直流電機(jī)的性能更為優(yōu) 越，并且消除了直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械式換向的一系列限制，體積小、效率高，因而 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防、航空航天、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設(shè)備 等各方面廣泛應(yīng)用。在節(jié)能減排已成為時(shí)代主題的今天，無刷直流電機(jī)的高效 率顯示出了巨大的應(yīng)用價(jià)值。而傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)采用位置信號(hào)傳感器，隨 著電動(dòng)機(jī)尺寸的進(jìn)一步縮小，其弊端日益突出，安裝位置傳感器也使電動(dòng)機(jī)結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，降低了工作的可靠性。所以，從控制系統(tǒng)的成本、可靠性等方面

13、考慮， 研究無位置傳感器的無刷直流電機(jī)具有重要意義。 1.21.2課題背景及研究現(xiàn)狀課題背景及研究現(xiàn)狀 直流電動(dòng)機(jī)具有線性機(jī)械特性、調(diào)速范圍廣、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、控制電路簡(jiǎn)單 和效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此長期以來一直廣泛地應(yīng)用在備種驅(qū)動(dòng)裝置和飼服系 統(tǒng)中。但是直流電動(dòng)機(jī)均采用電刷，用機(jī)械換向器進(jìn)行換向，因?yàn)闄C(jī)械電刷和 換向器存 在著相對(duì)的機(jī)械摩擦，由此帶來它結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、變化的接觸 電阻、噪聲?；鸹āo線電干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn)，再加上制造成本高及 維修困難等缺點(diǎn)，影響了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速精度和性能，從而限制了它的應(yīng)用 范圍。 由于位置傳感器給控制系統(tǒng)帶來了很多缺點(diǎn)，為此，國內(nèi)外學(xué)者都致力于 無位

14、置傳感器控制系統(tǒng)的研究。早在 1968 年，德國的 w.mieslinger 就提出采 用電容移相實(shí)現(xiàn)換流的方法，這就是最早提出的間接位置檢測(cè)的概念。在此基 礎(chǔ)上，1976 年德國的 r.hanitsch 等人試制成功借助數(shù)字式環(huán)形分配器和過零 點(diǎn)鑒別器的組合來實(shí)現(xiàn)換流，而去掉了位置傳感器。到 1979 年，h.wright 發(fā) 表了一篇關(guān)于“無位置傳感器直流電機(jī)電子換向的方法和參數(shù)”的文章，進(jìn)一 步完善了該方法。到 1980 年，h.lehuy 等人提出利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)定子繞組中感 應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行位置檢測(cè)，這就是所謂的“反電勢(shì)法”4。在 1990 年， s.ogasawara 提出了一種巧妙的方

15、法續(xù)流二極管法5。通過檢測(cè)反向并聯(lián)在 驅(qū)動(dòng)三極管上的二極管的導(dǎo)通狀態(tài)來得出轉(zhuǎn)子的位置。續(xù)流二極管法的基本原 理還是反電勢(shì)法，但它是從電流角度來考慮反電勢(shì)的，而且設(shè)計(jì)巧妙。在 1992 年，有人提出了根據(jù)電流和電壓的瞬時(shí)方程來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法6，這兩種 方法的提出，使人們開始真正從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)子的位置變化，得出的是轉(zhuǎn)子的 連續(xù)位置信號(hào)。在最近幾年，有人提出從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或定子結(jié)構(gòu)上作一些改動(dòng)， 如在轉(zhuǎn)子表面安裝一些非磁性材料，通過檢測(cè)該材料中渦流而造成的斷開相電 壓改變來獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的方法7。 電力電子技木和微電子技術(shù)的發(fā)展也帶動(dòng)著功率集成電路pic（分為高壓集 成電路（hvic）和智能集成電

16、路（spi的進(jìn)一步發(fā)展和普及，為逆變器實(shí)現(xiàn)智 能化，高頻化，小型化等創(chuàng)造了有利的條件，這些都為直流無刷直流電機(jī)的驅(qū) 動(dòng)控制電路的提高工辟了新的方向。 伴隨著這些新的電力電于器件，高性能的數(shù)字集成電路以及先迸的控制理 論的應(yīng)用，直流無刷直流電機(jī)調(diào)速控制部仲功能日夜完善，所需的控制部件數(shù) 目愈來愈少，控制器件的體積也越來越小，控制器件的可靠性提高而成本愈來 愈低。 正因?yàn)閎ldcm既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、低噪音。 重量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速 性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而直流無刷電機(jī)的應(yīng)用范圍不再局限于傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域， 在當(dāng)個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)

17、領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備軟驅(qū)、 光驅(qū)、硬盤等） 、辦公自動(dòng)化設(shè)備（打印機(jī)、復(fù)印機(jī)。繪圖儀等） 、家電（洗衣 機(jī)、寧凋、風(fēng)扇等） 、音像設(shè)備（vcd、攝像機(jī)、錄像機(jī)等） 、汽車、電動(dòng)自行車、 數(shù)控機(jī)床、雷達(dá)和各種軍用武器隨動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)、大規(guī)模集 成電路制造、激光加工、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 我國對(duì)無刷直流電機(jī)的研究起步較晚。1987 年，在北京舉辦的聯(lián)辦德國金 屬加工設(shè)備展覽會(huì)，siemens 和 bosch 兩公司展出了永磁式同步伺服系統(tǒng)和驅(qū) 動(dòng)器，引起了國內(nèi)有關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注。也對(duì)此進(jìn)行了研究和技術(shù)引進(jìn)。經(jīng)過 數(shù)年的研究，國內(nèi)已經(jīng)有方波無刷直流電機(jī)

18、的系列產(chǎn)品，并形成了一定的生產(chǎn) 規(guī)模。 我國在無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制方面的研究也十分活躍。近幾年 來，基于 dsp 控制器的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究取得了很多 成果，但這方而的技術(shù)還不是很成熟，沒有形成系列產(chǎn)品，主要采用國外成熟 的系統(tǒng)。這些年來，業(yè)內(nèi)人士致力于研究開發(fā)重量更輕、尺寸更小、功率密度 更高、運(yùn)行可靠性更高和低價(jià)格的無轉(zhuǎn)子位置傳感器的無刷直流電機(jī)及其控制 技術(shù)8。 1.31.3研究的基本內(nèi)容和擬解決的主要問題研究的基本內(nèi)容和擬解決的主要問題 1.3.11.3.1 無位置傳感器無刷直流電機(jī)的工作原理無位置傳感器無刷直流電機(jī)的工作原理 無刷直流電動(dòng)機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)

19、，困而得到廣泛的應(yīng)用，促使人們對(duì)其不 斷研究探索。當(dāng)前的無刷直流電動(dòng)機(jī)己經(jīng)不單純是簡(jiǎn)單意義上的電動(dòng)機(jī)，而是 電機(jī)理論、電力電于、微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及高性能永磁村料相工結(jié) 合，集軟硬件于一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 無位置傳感器 bldcm 減少了位置傳感器，因而電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、可 靠性高。當(dāng)電機(jī)體積較小、位置傳感器難以安裝或工作環(huán)境惡劣以至于位置傳 感器無法正常上作時(shí)，無位置傳感器 bldcm 就更加顯示其獨(dú)特的優(yōu)越性。所謂 無位置傳感器，應(yīng)該是無機(jī)械的位置傳感器，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，作為逆變橋 功率器件換相導(dǎo)通時(shí)序的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)仍然是需要的，只不過這種信號(hào)不再是 由位置傳感器來提供，而

20、是由新的位置信號(hào)檢測(cè)電路來代替，即以提高電路和 控制的復(fù)雜性來降低電機(jī)的復(fù)雜性9。無位置傳感器是基于有位置傳感器無刷 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，而它主要是依靠電機(jī)的電壓和電流信息間接的獲 得轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)，進(jìn)而控制繞組的換流順序和時(shí)刻。 1.3.21.3.2 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法 從70年代末開始，無位置傳感器技木就開始成為無刷直流電機(jī)拄制領(lǐng)域研 究的熱點(diǎn)，并相繼提出了許多方法。其主要有： 1 反電動(dòng)勢(shì)法： 這是目前最常見和應(yīng)用最廣泛的方法。由于電機(jī)繞組的反電動(dòng)勢(shì)隨轉(zhuǎn)于位 置的改變而該變，利用在定子繞組中感應(yīng)出的反電動(dòng)勢(shì)；可以得到轉(zhuǎn)子的位置。 這種方法一般需要對(duì)電機(jī)的三相端電壓

21、進(jìn)行檢測(cè)，并據(jù)此計(jì)算出反電動(dòng)勢(shì)，從 而得到轉(zhuǎn)子的位置。該方法在120度運(yùn)行的方波直流電機(jī)中最為常見，因?yàn)樵谶@ 種類型的尤刷直流電機(jī)中，如何瞬間三個(gè)繞組中，只有兩個(gè)導(dǎo)通，未導(dǎo)通相繞 組的端電壓即為反電勢(shì)信號(hào)。反電勢(shì)法可分為：端電壓法、積分法以及續(xù)流二 級(jí)管法。 2 三次諧波檢測(cè)法 對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)為梯形的方波電機(jī)，它的反電動(dòng)勢(shì)除了基波外，還還有豐富 的高次諧波分量，通過對(duì)電樞三相相電壓的簡(jiǎn)單疊加，反電勢(shì)的基波分量和其 他高次諧波分量由于相位互差 120度而相互抵消，只有三次諧波及其奇數(shù)倍次 的諧波由于同相疊加而加強(qiáng)。因此可以從中提取反電動(dòng)勢(shì)的三次諧波分量，以 檢測(cè)轉(zhuǎn)于的位置。該方法只實(shí)用于 y型連接

22、的方波電機(jī)。 3 相電感檢測(cè)方法 凸極永磁電機(jī)的定子繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置的變化有較大的改變，定于電感 是轉(zhuǎn)于位置和相電流的函數(shù)。簡(jiǎn)單的電感檢測(cè)方法：在未導(dǎo)通相中注入高頻載 波信號(hào)，定子繞組中的電流變化與相電感的瞬時(shí)值成反比，這樣就可以檢測(cè)到 轉(zhuǎn)于的位置。該方法可以用于載波模式，其顯著優(yōu)點(diǎn)是在反電勢(shì)恨小甚至為零 的低速和靜止情況下，都具有很好的可靠性。但是，電流的變化率和轉(zhuǎn)子位置 之間的關(guān)系比較復(fù)雜，特別是在高速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)對(duì)定子電流有較大的影響， 產(chǎn)生的誤差不能忽略。 4狀態(tài)觀測(cè)器法： 這種方法是將電機(jī)三相電壓、電流作坐標(biāo)變換，在派克方程的基礎(chǔ)上估算 出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置10。 1.3.31.3.3

23、設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，反電動(dòng)勢(shì)采樣電路設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，反電動(dòng)勢(shì)采樣電路 討論、分析無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理針對(duì)無位置傳感器無刷直流 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難的問題，結(jié)合轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路的特點(diǎn)設(shè)計(jì)一種快速、可靠的 啟動(dòng)方案。路的特點(diǎn)設(shè)計(jì)一種快速、可靠的啟動(dòng)方案。無位置傳感器控制技術(shù) 是課題研究的重點(diǎn)。詳細(xì)分析反電動(dòng)勢(shì)法的工作原理，設(shè)計(jì)不同形式的轉(zhuǎn)子位 置檢測(cè)電路，并進(jìn)行驗(yàn)證。 1.3.41.3.4 無位置傳感器無刷直流電機(jī)的啟動(dòng)無位置傳感器無刷直流電機(jī)的啟動(dòng) 無位置傳感器無刷直流電機(jī)與有位置無刷直流電機(jī)相比減小了電機(jī)的安裝 體積，增加了工作的可靠性。但也存在著啟動(dòng)困難且不易實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)，

24、而這個(gè) 問題也是實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 控制無位置傳感器無刷直流電機(jī)換相采用的是反電動(dòng)勢(shì)法，當(dāng)用反電勢(shì)法 檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)時(shí)，由于定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，所以當(dāng)電 機(jī)在靜止或低速時(shí)反電動(dòng)勢(shì)法無法正常工作。因此反電動(dòng)勢(shì)法需要采用特殊啟 動(dòng)技術(shù)。如三段式啟動(dòng)法，就是把電機(jī)的啟動(dòng)過程分成三個(gè)階段：定位、加速、 切換。 定位：電機(jī)靜止時(shí)的轉(zhuǎn)子位置決定了逆變器第一次應(yīng)該觸發(fā)哪兩個(gè)功率器 件，而在沒有位置傳感器時(shí)判斷轉(zhuǎn)子初始位置有一定困難。一種方法是先讓逆 變器任意兩相導(dǎo)通，并控制電機(jī)電流，通電一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)到與該導(dǎo) 通狀態(tài)相對(duì)于的預(yù)知位置，這樣就可以完成轉(zhuǎn)子的定位。 加速：確

25、定了轉(zhuǎn)子初始位置后，由于定子繞組中反電動(dòng)勢(shì)為零，所以必須 人為的改變電機(jī)的外加電壓和換相信號(hào)，使電機(jī)從靜止到加速運(yùn)動(dòng)，這一過程 又稱為外同步加速。 切換：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到一定值時(shí)，反電勢(shì)信號(hào)可以準(zhǔn)確檢測(cè)，即可有外 同步向自同步切換。 其他啟動(dòng)方法還有升頻升壓同步啟動(dòng)法、預(yù)定位啟動(dòng)法、檢測(cè)脈沖轉(zhuǎn)子定 位啟動(dòng)法等1112。每一種啟動(dòng)方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，具體使用何種方法還要看 適用于何種場(chǎng)合。 1.41.4 論文結(jié)構(gòu)論文結(jié)構(gòu) 第一章，主要介紹了無位置傳感器無刷直流電機(jī)的課題背景和研究意義。 進(jìn)而提出了本論文的研究任務(wù)。 第二章，主要介紹了無位置傳感器無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。 第三章，詳細(xì)介紹了無

26、位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)，包括芯片介 紹、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法、啟動(dòng)方法等。 第四章，給出了無位置傳感器無刷直流電機(jī)的硬件框圖和主要電路圖。 第五章，對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)無位置傳感器無刷直流電機(jī)的發(fā)展進(jìn)行展 望。 第二章第二章 無位置傳感器無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理無位置傳感器無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 2.12.1 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 我們知道，有刷直流電機(jī)是具有旋轉(zhuǎn)的電樞和固定的磁場(chǎng)，因此有刷直流 電機(jī)必須有一個(gè)滑動(dòng)的接觸結(jié)構(gòu)電刷和換向器，通過它們把電流饋給旋轉(zhuǎn)著 的電樞。而無刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)相比，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)和固定的電 樞。電子開關(guān)線路中的功率開

27、關(guān)器件如晶體管、功率 mosfet 或 igbt 等可以直 接與電樞繞組相連接。而在電機(jī)內(nèi)部，裝有一個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器，用它可以檢 測(cè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中的位置。電子開關(guān)線路和轉(zhuǎn)子位置傳感器一起，替代了有 刷直流電機(jī)的機(jī)械換相裝置。所以，可以將無刷直流電機(jī)系統(tǒng)分成電動(dòng)機(jī)本體、 轉(zhuǎn)子位置傳感器、電子開關(guān)線路三個(gè)部分13 14。 圖圖 2-1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖 2.1.12.1.1 電機(jī)本體電機(jī)本體 電機(jī)本體的主要部分包括定子和轉(zhuǎn)子。首先，他們要滿足電磁方面的要求， 保證在工作氣隙中能夠產(chǎn)生足夠的磁通，電樞繞組允許通過一定的電流，以便 產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。其次，要保證機(jī)械

28、結(jié)構(gòu)牢固和穩(wěn)定，能傳送一定的轉(zhuǎn)矩。 定子是電機(jī)本體的靜止部分，它有導(dǎo)磁的定子鐵心、導(dǎo)電的電樞繞組和固 定鐵心和繞組所需要的一些零部件、絕緣材料等組成，如機(jī)殼、絕緣片、引出 線等。定子鐵心一般由硅鋼片疊成，選用硅鋼片的目的是為了減少主定子的鐵 耗。定子繞組是電機(jī)本體的一個(gè)最重要的部件。當(dāng)電機(jī)通電后，電流流入繞組， 產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，并與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 轉(zhuǎn)子是電機(jī)本體的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，是產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的部件。它有永磁體、導(dǎo)磁 體和支撐零部件組成。 2.1.22.1.2 電子開關(guān)線路電子開關(guān)線路 電子開關(guān)線路的作用是將位置傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、功率放大，然 后去觸發(fā)相應(yīng)的功率晶體

29、管在某一瞬間導(dǎo)通或截止，迫使某些原來沒有電路的 電樞繞組內(nèi)開始流通電流，某些原來有電流的電樞繞組內(nèi)開始關(guān)斷電流或改變 電流的流通方向，從而使定子磁狀態(tài)發(fā)生變化。我們把這種利用電子電路來實(shí) 現(xiàn)電樞繞組內(nèi)電流變化的物理過程稱為電子換相。電子換相是無刷直流電機(jī)的 關(guān)鍵技術(shù)之一，只有正確的實(shí)現(xiàn)換相，才能保證電機(jī)的可靠運(yùn)行。 2.22.2 無刷直流電機(jī)的運(yùn)行原理無刷直流電機(jī)的運(yùn)行原理 無刷直流電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。有刷直流電機(jī)的工 作原理為：電樞繞組放在轉(zhuǎn)子上，通電以后產(chǎn)生反應(yīng)磁場(chǎng)，由于電刷的換相作 用，使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在電機(jī)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(dòng)電機(jī)不

30、停的旋轉(zhuǎn)。 在無刷直流電機(jī)中，位置傳感器輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，通過電子開關(guān)線路驅(qū) 動(dòng)有電樞繞組相連接的功率開關(guān)器件，是電樞繞組依次通電，從而在定子撒謊 那個(gè)產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。位置傳感器不斷的送出信號(hào)， 以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終不變，這就 是無刷直流電機(jī)的換相過程。圖 2-2 是無刷直流電機(jī)的原理方框圖。 圖圖2-22-2 無刷直流電動(dòng)機(jī)原理方框圖無刷直流電動(dòng)機(jī)原理方框圖 無刷直流電機(jī)的電樞繞組與交流電機(jī)的定子繞組類似，基本上可以分為星 形繞組和封閉式繞組兩類，它們的換相電路也有橋式和非橋式之分。 星形聯(lián)結(jié)是把所有繞組的首端和尾端連接在一起。與

31、它們相配合的電子開 關(guān)線路可以為橋式電路和非橋式電路。 封閉式繞組是由各相繞組組成封閉形。即第一繞組的尾端與第二繞組的首 端相連，第二繞組的尾端與第三繞組的首端相連，依次類推，直到最后一相繞 組的尾端與第一繞組的首端相連。與它想配合的電子開關(guān)線路為橋式。 無刷直流電機(jī)的運(yùn)行方式因電機(jī)本體的繞組型式不同而不同。多數(shù)無刷直 流電機(jī)的定子繞組為三相繞組。連接方式又分為三相三角形連接和三相星型連 接。本文以三相星型繞組為例對(duì)無刷直流電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行分析。三相星型連接 有兩種運(yùn)行方式：三相全控電路方式和三相半控電路方式。三相全控方式運(yùn)行 具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、繞組利用率高的優(yōu)點(diǎn)。三相全控方式因同時(shí)導(dǎo)通的繞組數(shù)的

32、 區(qū)別而分為兩兩導(dǎo)通方式(也稱為120o導(dǎo)通方式)和三三導(dǎo)通方式(也稱為180o導(dǎo) 通方式) 15 16。 圖圖2-32-3 無刷直流電動(dòng)機(jī)三相全控電路無刷直流電動(dòng)機(jī)三相全控電路 假設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖 2.4(a)所示的位置時(shí)，通過位置檢測(cè)，控制器輸出控制信 號(hào)使功率開關(guān)管 v1、v2 導(dǎo)通，即繞組 a、c 通電，電流流通路徑為:電源正極 v1 管a 相繞組c 相繞組vz 管電源負(fù)極，兩相繞組中的電流在空間產(chǎn) 生合成磁場(chǎng)，其方向?yàn)槿鐖D 2.4(b)中所示的 fac 的方向。定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng) 相互作用，使轉(zhuǎn)子沿圖 2.4(a)箭頭方向(順時(shí)針)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖 2.4(c)所 示位置，轉(zhuǎn)子位置傳感

33、器輸出變化，經(jīng)控制器邏輯變換后使 v1 管關(guān)斷，v3 管 導(dǎo)通，即繞組 b、c 通電，電流流通路徑為:電源正極v3 管b 相繞組c 相 繞組v2 管電源負(fù)極，這時(shí)，兩相繞組中的電流在空間產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)方向 為如圖 2.4(d)中所示的 fbc 的方向。定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互所用，使轉(zhuǎn)子繼 續(xù)朝順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 2.4(c)箭頭所示。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖 2.4(e)所示位置， 轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出變化，經(jīng)控制器邏輯變換后使 v2 管關(guān)斷，v4 管導(dǎo)通，即 繞組 b、a 通電，電流流通路徑為:電源正極v3 管b 相繞組a 相繞組v4 管電源負(fù)極，這時(shí)，兩相繞組中的電流在空間產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)方向?yàn)槿鐖D 2

34、.3(f)中所示 fba 的方向。該磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子保持朝順時(shí)針 方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 2.4(e)箭頭所示。依此類推，轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針每轉(zhuǎn)過 60o電角度， 功率開關(guān)管切換一次，功率開關(guān)管導(dǎo)通邏輯為 v1v2v2v3v3v4v4v5v5v6v6v1，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終受到定子合成磁場(chǎng)的 作用，沿順時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。不難看出，在換相過程中，定子繞組電流在空 間內(nèi)所形成的合成磁場(chǎng)不是連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而是一種跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，每 個(gè)步進(jìn)角度為 60o電角度。 圖圖2-42-4 開關(guān)順序及定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)示意圖開關(guān)順序及定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)示意圖 從上述分析中可以得出結(jié)淪，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 60o電角度，逆變器開關(guān)管之

35、間 就進(jìn)行次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次。如果標(biāo)記 v1、v2 功率管導(dǎo)通時(shí)的狀態(tài) 為狀態(tài) 1 的話，后面依次可以標(biāo)記為狀態(tài) 2、3、4、5、6。電機(jī)總共有六個(gè)磁 狀態(tài)，每一個(gè)磁狀態(tài)都是兩相導(dǎo)通，每相繞組中流過電流的時(shí)間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn) 120o電角度的時(shí)間，每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通角為 120o電角度，所以這種逆變器稱 為 120o導(dǎo)通型，這種導(dǎo)通方式習(xí)慣仁也稱之為 120o導(dǎo)通方式。 2.32.3 無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性17 17 1818 電機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動(dòng)機(jī)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)速隨輸入電壓、電流、負(fù)載變化而變化的規(guī)律。

36、 據(jù)此，電機(jī)的運(yùn)行特性可分為起動(dòng)特性、工作特性、機(jī)械特性和調(diào)速特性。 討論各種電機(jī)的運(yùn)行特性時(shí)，般都從轉(zhuǎn)速公式、電動(dòng)勢(shì)平衡方程式、轉(zhuǎn) 矩公式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式出發(fā)。 對(duì)于無刷直流電機(jī)，其電動(dòng)勢(shì)平衡方程式為： （2-uiacpracpeu 1） 公式中，是電源電壓（v） ；是電樞繞組反電動(dòng)勢(shì)(v)；是平均電ueiacp 樞電流(a)；是電樞繞組的平均電阻；u 是功率晶體管飽和管壓降(v)，racpu 對(duì)于橋式換相線路為。u2 對(duì)于不同的電樞繞組形式和換相線路形式，電樞繞組反電動(dòng)勢(shì)有不同的等 效表達(dá)式，但是均可表示為 （2-kene 2） 公式中，為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min） ；為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)(v/r/

37、min)。nke 由式（2-1） 、 （2-2）可知： （2- ke iacpracpuu ke e n 3） 在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩平衡方程為： （2-02mmm 3） 上式中，是輸出轉(zhuǎn)矩（nm） ，是摩擦轉(zhuǎn)矩（nm） ，是電磁轉(zhuǎn)2m0mm 矩（nm） 。 在轉(zhuǎn)速變化的情況下，則 （2- dt dw jmmm02 4） 公式中，是轉(zhuǎn)動(dòng)部分（包括電機(jī)本體轉(zhuǎn)子及負(fù)載）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgm2） ；j 是轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度（rad/s） 。w 從這些公式來討論無刷直流電機(jī)的各種運(yùn)行特性。 2.3.12.3.1 機(jī)械特性機(jī)械特性 機(jī)械特性是指外加電源電壓恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。由 公式（2-1）

38、 、 （2-2） 、 （2-3）可以得到： （2- racp nke racp uu iacp 5） （2-)( racp nke racp uu kmkmiacpm 6） 當(dāng)不計(jì) u 的變化和電樞反應(yīng)的影響是，是（2-5）等號(hào)右邊的第一項(xiàng)是常數(shù)， 所以電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的減小而線性增加。如圖 2-5 圖圖2-52-5 機(jī)械特性曲線機(jī)械特性曲線 2.3.22.3.2 調(diào)速特性調(diào)速特性 由（2-6）式，在同一轉(zhuǎn)速下改變電源電壓，可以很容易的改變輸出轉(zhuǎn)矩或 在同一負(fù)載下改變轉(zhuǎn)速。所以，無刷直流電機(jī)的調(diào)速性能很好，可以通過改變 電源電壓實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但此時(shí)電子換相線路及其他控制線路的電源電壓仍應(yīng) 保持不

39、變。圖 2-6 是無刷直流電機(jī)的調(diào)速特性曲線。 圖圖 2-62-6 調(diào)速特性曲線調(diào)速特性曲線 第三章第三章 無位置傳感器無刷直流電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理無位置傳感器無刷直流電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理 3.13.1 無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制策略無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制策略 無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制技術(shù)的核心是通過硬件和軟件相結(jié)合的手 段來間接獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，從而控制相應(yīng)的功率器件，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的 調(diào)速運(yùn)行。無刷直流電機(jī)的位置檢測(cè)方法主要包括反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)法、電流 檢測(cè)法、三次諧波電壓檢測(cè)法等。本文采用的是反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)法。 由于本設(shè)計(jì)采用的是反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)方法，當(dāng)電機(jī)靜

40、止或電機(jī)的轉(zhuǎn)速較 低時(shí)，繞組的反電勢(shì)信號(hào)幅值較小，無法可靠檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，不能提供換 相依據(jù)。本設(shè)計(jì)采用的是三段式啟動(dòng)方法。也就是需要電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，不管電機(jī) 的轉(zhuǎn)子處于什么位置，給電機(jī)提供一個(gè)確定的工作狀態(tài)并維持一定的時(shí)間，定 子繞組產(chǎn)生的合成磁勢(shì)在空間 上會(huì)有一個(gè)確定的方向，吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與之垂直 的位置，從而能夠明確知道一個(gè)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，這是轉(zhuǎn)子的預(yù)定位階段。 本次設(shè)計(jì)控制芯片采用 freescale 的 56f8013，主要采樣轉(zhuǎn)子位置信號(hào)過 零點(diǎn)電壓信號(hào)，并產(chǎn)生 pwm 脈沖信號(hào)。通過三個(gè) ir2103 芯片驅(qū)動(dòng)六個(gè) mosfet 的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而產(chǎn)生無刷直流電機(jī)的換相信號(hào)。從而

41、驅(qū)動(dòng)電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定的 運(yùn)轉(zhuǎn)。 3.23.2 硬件系統(tǒng)介紹及系統(tǒng)框圖硬件系統(tǒng)介紹及系統(tǒng)框圖 本文介紹的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的硬件系統(tǒng)框圖如圖 3-1 所示。 在本次硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用的是 freescale 公司的 56f8013 微控制器。 其主要功能是根據(jù)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的要求和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，將他們處理成為功 率驅(qū)動(dòng)單元的六個(gè)功率開關(guān)器件所需要的驅(qū)動(dòng)時(shí)序。56f8013 的另一個(gè)重要作 用是根據(jù)電流、電壓和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號(hào)，以及隨機(jī)發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過 ad 變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)帶有上述各種信息的脈 寬調(diào)制信號(hào)。 pwm 邏輯處理單元是采用的是 ir2103 芯

42、片，它是專用的 mosfet 驅(qū)動(dòng)芯片， 每一個(gè) ir2103 芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè) mosfet。主要功能是把驅(qū)動(dòng)順序信號(hào)和帶有 各種控制信息的脈寬調(diào)制 pwm 信號(hào)綜合成六個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)來驅(qū)動(dòng) mosfet。從而形 成電機(jī)換相所需要的時(shí)序信號(hào)。 功率驅(qū)動(dòng)單元主要包括 mosfet 功率開關(guān)器件組成的三相半橋逆變電路和自 舉電路等。 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路主要是由比較器電路組成。主要功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)三相繞 組輸出端的反電動(dòng)勢(shì)，檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，將信號(hào)送到 56f8013，再由 56f8013 給出換相信號(hào)。此部分電路是系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分。 電源 整流電壓檢測(cè)電路 56f8013 整流 ir2103 逆變

43、電路 驅(qū)動(dòng)電路 反電勢(shì)檢測(cè)電路 保護(hù)電路 bld c 圖圖 3-13-1 硬件系統(tǒng)整體框圖硬件系統(tǒng)整體框圖 3.33.3 控制電路硬件設(shè)計(jì)控制電路硬件設(shè)計(jì) 3.3.13.3.1 控制芯片選擇及特點(diǎn)控制芯片選擇及特點(diǎn) 本控制系統(tǒng)中微控制器選擇的是freescale的56f8013微控器系統(tǒng)，其引腳信號(hào) 功能分布如圖3-2所示。 56f8013/56f8011是基于56800e核的數(shù)字信號(hào)處理器(dscs)系列的一員。在單芯 片中，集成了dsp的數(shù)字處理功能和微控制功能，以及各種靈活搭配的外設(shè)，具 有很高的性價(jià)比。由于成本低，外設(shè)搭配靈活和精簡(jiǎn)的指令代碼， 56f8013/56f8011可以適用于

44、各種用途。56f8013/56f8011提供了各種功能的外 設(shè)接口，如應(yīng)用于工業(yè)控制、電機(jī)控制、家電控制、安防系統(tǒng)、開關(guān)電源、電 源管理和醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)，或者用于普通的高頻器、高精度的傳感器之中。 56800e核基于雙哈佛體系結(jié)構(gòu)，由三個(gè)并行執(zhí)行單元組成，每個(gè)指令周期可以 完成6個(gè)操作。類似mcu的編程模式和優(yōu)化后的指令集能產(chǎn)生高效簡(jiǎn)潔的數(shù)字運(yùn) 算代碼和控制代碼。該指令集對(duì)c編譯器來說也是高效的，能快速開發(fā)優(yōu)化的控 制程序。 （1）一個(gè)多功能的6通道輸出的脈寬調(diào)制模塊(pwm) 高達(dá)96mhz的pwm工作時(shí)鐘 15位的分辨率 中心對(duì)齊和邊緣對(duì)齊兩種pwm信號(hào)模式 4個(gè)帶可編程數(shù)字濾波器的可編程的

45、錯(cuò)誤輸入 雙緩沖的pwm寄存器 每個(gè)互補(bǔ)的pwm信號(hào)對(duì)可以輸出不同開關(guān)頻率，pwm的發(fā)生源可以選擇為： pwm發(fā)生器 擴(kuò)展的普通io 內(nèi)部定時(shí)器 adc轉(zhuǎn)換結(jié)果的限制 當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果比高域值更大時(shí)，關(guān)閉pwm信號(hào) 當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果比低域值更小時(shí)，發(fā)送pwm信號(hào) (2) 兩個(gè)獨(dú)立的12位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(adcs) 2個(gè)3通道的輸入端口 支持同時(shí)和連續(xù)轉(zhuǎn)換 adc轉(zhuǎn)換可以與pwm和定時(shí)器模塊同步 采樣速率高達(dá)2.67msps 8字長的結(jié)果緩沖寄存器 adc智能的功耗管理(自動(dòng)待機(jī)，自動(dòng)降低功耗) (3) 一個(gè)16位的多用途4通道定時(shí)器模塊(tmr) 高達(dá)96mhz的工作時(shí)鐘 4個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)/定時(shí)的級(jí)聯(lián)能

46、力 每個(gè)定時(shí)器都有捕捉和比較功能 高達(dá)12個(gè)工作模式 (4) 一個(gè)帶lin從機(jī)功能的串行通信接口(sci) 3 全雙工或者單線的傳輸模式 兩種接收器喚醒模式： 空閑線 地址屏蔽 (5) 一個(gè)串行外設(shè)接口(spi) 全雙工工作模式 主機(jī)和從機(jī)模式 可編程的傳輸數(shù)據(jù)長度(2 到 16 位) (6) 一個(gè) i2c 端口 傳輸高達(dá) 400kbps 支持主機(jī)和從機(jī)操作 (7) 可以選擇不同時(shí)鐘源的 cop/看門狗計(jì)時(shí)能力 (8) 5v 容限的 26 個(gè)通用 i/o(gpio)引腳 (9) 完整的上電復(fù)位和低電壓中斷模塊 (10) 鎖相環(huán)(pll)提供了高速時(shí)鐘頻率內(nèi)核和外設(shè) (11) 時(shí)鐘源： 片內(nèi)振蕩

47、器 外部時(shí)鐘源 (12) 片內(nèi)電壓調(diào)節(jié)器為數(shù)字和模擬電路減少和降低噪音 (13) 實(shí)時(shí)調(diào)試的 jtag/eonce 調(diào)試編程接口 圖圖3-23-2 56f8013/56f801156f8013/56f8011引腳信號(hào)功能分布引腳信號(hào)功能分布 本系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件的芯片選擇的是美國 ir 公司的芯片，ir2103 芯片是 ir 公司專為驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管而設(shè)計(jì)的，是一種高電壓高速的功率 mosfet 和 igbt 驅(qū)動(dòng)器，它有兩個(gè)獨(dú)立的高端和低端輸出通道，一個(gè)芯片可以 驅(qū)動(dòng)兩個(gè) mosfet 管或 igbt 管。輸出的浮置通道可用來驅(qū)動(dòng)高端接于 600v(最 大)的 n 溝道電力 mosfet

48、或 igbt。 下圖是 ir2103s 的 ir2103s 外形結(jié)構(gòu)。 圖圖 3-33-3 ir2103sir2103s 外形結(jié)構(gòu)外形結(jié)構(gòu) 3.3.33.3.3 freescalefreescale 的的 56f801356f8013 微控器系統(tǒng)微控器系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用freescale公司的56f8013為核心，由56f8013芯片產(chǎn)生pwm控制 信號(hào)，從gpioa0-gpioa5管腳輸出送到ir2103s芯片，再通過反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路 測(cè)量出電壓信號(hào)從ana2，anb0，anb1管腳輸入，再根據(jù)56f8013內(nèi)部的程序來 pwm控制信號(hào)的輸出，以達(dá)到電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行19。 另外包括復(fù)位電路和晶振

49、電路。復(fù)位電路包括上電復(fù)位和按鍵復(fù)位。當(dāng)電 路剛上電時(shí),電容c5上電有充電,此時(shí),電容相當(dāng)于短路,引腳1reset為低電位,當(dāng) c5充電完成以后,電容相當(dāng)開路,引角1為高電平,這樣就實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位;當(dāng)按鍵 按下時(shí),引腳1接地為低電位,這樣就實(shí)現(xiàn)了按鍵復(fù)位,此電路是由晶振產(chǎn)生5mhz 的震蕩頻率,輸入給56f8013芯片,再由56f8013芯片的內(nèi)部電路產(chǎn)生一個(gè)四倍頻 20mhz的工作頻率。再將c9和c10兩個(gè)電容并聯(lián)到晶振上,以起到濾波的作用,產(chǎn) 生穩(wěn)定的5mhz的頻率。圖3-3為56f8013微控器系統(tǒng)。 圖圖 3-43-4 56f801356f8013 微控器系統(tǒng)微控器系統(tǒng) 3.3.43.

50、3.4 無刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)采樣電路無刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)采樣電路 反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)法是技術(shù)上應(yīng)用最廣泛、最成熟的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法11。 采用兩兩通電方式。其原理為:在無刷直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)、忽略電機(jī)電樞120 反應(yīng)的前提下，通過檢測(cè)關(guān)斷相反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)來獲得永磁轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵位置 信號(hào)，從而控制繞組電流的切換20。 本系統(tǒng)采用的是端電壓法檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)，如圖所示，端電壓、0au0bu 經(jīng)分壓后，經(jīng)濾波得到檢測(cè)信號(hào)、。 ，再經(jīng)過電壓比較器0cu0au0bu0cu lm358、光電隔離器等，最后分別送到 pic 單片機(jī)的三個(gè)捕捉口，圖為 a 相反電 動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路。圖中 r1o3、r104 和 r10

51、5 可以看成一個(gè)分壓器，將定子繞組反 電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行分壓，得到。分壓器電阻的阻值要根據(jù)電機(jī)在工作時(shí)的反電0au0au 動(dòng)勢(shì)的大小進(jìn)行選擇，分壓電阻的阻值要滿足功率的要求。反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)有 兩種情況:一種是由正變?yōu)樨?fù)的過零，一種是由負(fù)變?yōu)檎倪^零，這樣電壓比較 器輸出信號(hào)中由高電平變?yōu)榈碗娖降倪呇睾陀傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖降倪呇貙⒍紴?有效。由電壓比較器輸出的信號(hào)經(jīng)過光耦 tlp521(這樣既實(shí)現(xiàn)了電氣上的隔離， 又實(shí)現(xiàn)了電平的轉(zhuǎn)換)得到最終需要的電平信號(hào)，得到的信號(hào)送到 pic 單片機(jī)的 三個(gè)捕捉口，單片機(jī)根據(jù)相應(yīng)的捕捉信號(hào)判斷反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)。 圖圖 3-43-4 反電動(dòng)勢(shì)采樣電路反電動(dòng)勢(shì)采樣電路 第第

52、4 4章章 無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制電路設(shè)計(jì)無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制電路設(shè)計(jì) 4.14.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng) 4.1.14.1.1 單片機(jī)復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路 圖圖 4-14-1 單片機(jī)復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路 當(dāng)電路剛上電時(shí),電容c5上電有充電,此時(shí),電容相當(dāng)于短路,引腳1reset為低電 位,當(dāng)c5充電完成以后,電容相當(dāng)開路,引角1為高電平,這樣就實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位; 當(dāng)按鍵按下時(shí),引腳1接地為低電位,這樣就實(shí)現(xiàn)了按鍵復(fù)位。 4.1.24.1.2 單片機(jī)時(shí)鐘輸入電路單片機(jī)時(shí)鐘輸入電路 圖圖 4-24-2 晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路 此電路是由晶振產(chǎn)生5mhz的震蕩頻率

53、,輸入給56f8013芯片,再由56f8013芯片的 內(nèi)部電路產(chǎn)生一個(gè)四倍頻20mhz的工作頻率。再將c9和c10兩個(gè)電容并聯(lián)到晶振 上,以起到濾波的作用,產(chǎn)生穩(wěn)定的5mhz的頻率。 4.1.34.1.3 單片機(jī)工作時(shí)的電壓電路及電源電路單片機(jī)工作時(shí)的電壓電路及電源電路 圖圖 4-34-3 56f801356f8013 工作時(shí)的電壓工作時(shí)的電壓 圖圖 4-44-4 12v12v 和和 5v5v 電壓產(chǎn)生電路電壓產(chǎn)生電路 單片機(jī)工作時(shí)所需要的電壓為5v。其中12v電壓是電機(jī)工作時(shí)所需要的。 4.24.2 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路 本系統(tǒng)采用的是端電壓法檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)，端電壓經(jīng)電阻網(wǎng)

54、絡(luò)分壓后，輸入到單 片機(jī)的ana2，anb0，anb1管腳輸入，再根據(jù)56f8013內(nèi)部的程序來pwm控制信號(hào) 的輸出，以達(dá)到電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。 圖圖 4-54-5 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路 4.34.3 mosfetmosfet驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)選用的mosfet的驅(qū)動(dòng)芯片為ir公司的ir2103s，該驅(qū)動(dòng)器集控制電路、 電平轉(zhuǎn)換、低阻抗輸出和識(shí)別保護(hù)為一體，其驅(qū)動(dòng)集成電路只需幾個(gè)外圍元器 件，就可以使三相橋式電路的邏輯控制信號(hào)與mos柵極器件完整連接，而且驅(qū)動(dòng) 能力強(qiáng)大、易于調(diào)試。該驅(qū)動(dòng)器可以使功率系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間縮短、尺寸減小、 成本降低、可靠性提高。 下圖是一片

55、單片機(jī)56f8013pwm輸出和ir2103s驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)上下橋臂的電路 圖。pwm1的高端和低端輸出分別作為芯片ir2103s的高端和低端輸入。 圖圖 4-54-5 pwmpwm 脈沖輸出電路脈沖輸出電路 圖圖 4-74-7 mosfetmosfet 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 電壓比較器用的是 lm38。lm358 里面包括有兩個(gè)高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部頻 率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)放，適用于電壓范圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源工作方 式，它的應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電 的使用運(yùn)放的地方使用。 lm358 的特點(diǎn): . 內(nèi)部頻率補(bǔ)償 . 低輸入偏流 . 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流

56、. 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 . 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 . 直流電壓增益高(約 100db) . 單位增益頻帶寬(約 1mhz) . 電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?330v)； . 雙電源(1.5 一15v) . 低功耗電流，適合于電池供電 . 輸出電壓擺幅大(0 至 vcc-1.5v) 圖圖 4-84-8 電壓放大電路電壓放大電路 系統(tǒng)每相反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路都有一個(gè) lm358，使三個(gè)比較器都工作在相同 的狀態(tài)，每一個(gè)比較器均設(shè)計(jì)為過零比較器，這樣，經(jīng)過分壓濾波后的反電動(dòng) 勢(shì)信號(hào)再經(jīng)過電壓比較器，在輸出端得出的信號(hào)就是方波信號(hào)。反電動(dòng)勢(shì)過零 點(diǎn)有兩種情況:一種是由正變?yōu)樨?fù)的過零，

57、一種是由負(fù)變?yōu)檎倪^零，這樣電壓 比較器輸出信號(hào)中由高電平變?yōu)榈碗娖降倪呇睾陀傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖降倪呇貙?都為有效。把電壓比較器的輸出信號(hào)送到單片機(jī)的捕捉口，單片機(jī)根據(jù)相應(yīng)的 信號(hào)即可得到相應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)。 4.44.4 調(diào)速電路設(shè)計(jì)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 通過一個(gè)電位器可以調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)的速度。單片機(jī)上的管腳anao通過 采樣電位器上的分壓speed，再經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換，改變單片機(jī)輸出pwm脈沖的占空比 來調(diào)節(jié)輸入電機(jī)繞組的平均直流電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。 圖圖 4-94-9 電機(jī)調(diào)速電路電機(jī)調(diào)速電路 4.54.5 保護(hù)電路保護(hù)電路 lm358運(yùn)放芯片起到穩(wěn)壓的作用，同時(shí)起到過流保護(hù)的作用。其中 c1

58、5，r16，rf1的作用是為提供電機(jī)的采樣電流。 圖圖 4-104-10 保護(hù)電路保護(hù)電路 第第 5 5 章章 總結(jié)及展望總結(jié)及展望 本課題是基于單片機(jī)56f8013為控制器，以ir2103s作為功率mosfet的驅(qū)動(dòng) 芯片的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)。首先，了解了無刷直流 電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)學(xué)模型等，并對(duì)無刷直流電機(jī)的有位置傳感器 和無位置傳感器進(jìn)行了分析。其次，對(duì)無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制器的硬 件原理圖進(jìn)行了設(shè)計(jì)。介紹和分析了無刷直流電子的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法反電 勢(shì)法，并設(shè)計(jì)了反電勢(shì)檢測(cè)電路。并對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)技術(shù)三段式啟動(dòng)方法進(jìn)行 了介紹。最后對(duì)對(duì)無位置傳感器無刷直

59、流電機(jī)的硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì) 現(xiàn)在，無刷直流電機(jī)以其卓越的性能和技術(shù)優(yōu)勢(shì)使其應(yīng)用越來越廣泛，廣 泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、航空航天、現(xiàn)代科技和日常生活的各個(gè)方面。因 此，在電機(jī)領(lǐng)域內(nèi)，設(shè)計(jì)高性能的無刷直流電機(jī)特別是無位置傳感器無刷直流 電機(jī)成為一個(gè)越來越重要的課題。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1史婷娜,吳曙光,方攸同等.無位置傳感器永磁無刷直流電機(jī)的起動(dòng)控制研究 j.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(6)：111-116 2宋海龍，楊明，范宇等基于 adsp328 的無位置傳感器 bldcm 控制系統(tǒng)j.微 特電機(jī)，2002 , no.3：4-5 3王敏周順榮.無位置傳感器無劇直流電機(jī)控制策略綜述m.上海交

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