畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

1、精品文檔編號(hào) 無(wú)錫太湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文）題目：電動(dòng)小車(chē)中無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng) 機(jī)電 系 電子信息工程 專(zhuān)業(yè)學(xué) 號(hào)： 0822104學(xué)生姓名： 姚振德 指導(dǎo)教師： 方光輝 （職稱(chēng)：副教授） （職稱(chēng)： ）2012年5月25日無(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng) 信 承 諾 書(shū)本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電動(dòng)小車(chē)中無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。 班 級(jí)： 電信83 學(xué) 號(hào)： 0822104 作者姓名： 2012 年

2、 5 月 25 日值得下載無(wú)錫太湖學(xué)院信 機(jī)系 電子信息工程 專(zhuān)業(yè)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書(shū)一、題目及專(zhuān)題：1、題目電動(dòng)小車(chē)中無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng) 2、專(zhuān)題 一、 課題來(lái)源及選題依據(jù)：直流電動(dòng)機(jī)因其優(yōu)良的調(diào)速、起動(dòng)、制動(dòng)性能在各種電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到 廣泛的應(yīng)用，但因直流電機(jī)的機(jī)械換向出現(xiàn)的火花等問(wèn)題在一些地方限制了直流電機(jī)的使用。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，電力電子器件迅速發(fā)展，研制并生產(chǎn)出多種既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的全控型器件，如門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、電力場(chǎng)效應(yīng)管（P-MOSFET）、絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）等，這些全控型器件性能優(yōu)良，由它們構(gòu)成

3、的電子開(kāi)關(guān)在直流電機(jī)中取代了機(jī)械換向，構(gòu)成直流無(wú)刷電機(jī)，解決了機(jī)械換向出現(xiàn)的火花等問(wèn)題，同時(shí)由全控元件組成的脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)PWM調(diào)速系統(tǒng)）近年來(lái)在中小功率直流傳動(dòng)中得到了迅猛的發(fā)展,且由于專(zhuān)用集成電路的出現(xiàn)，使控制器性能更加優(yōu)良，體積減小。本課題研究電動(dòng)小車(chē)中無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)。二、本設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的要求：了解電動(dòng)小車(chē)的工作情況，其負(fù)荷特點(diǎn)；了解PWM技術(shù)的現(xiàn)狀發(fā)展以及其應(yīng)用價(jià)值和可操作性。明確生產(chǎn)機(jī)械對(duì)ZD調(diào)速系統(tǒng)的要求；擬定ZD調(diào)速方案；熟悉無(wú)刷ZD電動(dòng)機(jī)的基本工作原理；熟悉位置檢測(cè)傳感器的原理；選用專(zhuān)用PWM集成電路在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度控制；應(yīng)用集成驅(qū)動(dòng)電路完成對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)

4、動(dòng)和調(diào)速等性能的要求；完成畢業(yè)設(shè)計(jì)總體方案。本設(shè)計(jì)應(yīng)做到以下幾點(diǎn):1、 擬定ZD調(diào)速方案2、 設(shè)計(jì)主電路3、 選用位置檢測(cè)傳感器4、 選用專(zhuān)用PWM集成電路5、 完成總電路的設(shè)計(jì)同時(shí)本設(shè)計(jì)應(yīng)具有以下功能:A. 欠電壓保護(hù)功能 當(dāng)電源電壓下降到設(shè)定值時(shí)，控制器停止工作，起保護(hù)作用。B. 過(guò)電流保護(hù)功能 當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載或發(fā)生其它意外情況，有大電流過(guò)時(shí)，控制器立即停止工作，保護(hù)電機(jī)。C.無(wú)級(jí)調(diào)速 可根據(jù)負(fù)載要求實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速。四、接受任務(wù)學(xué)生： 電信83 班 姓名 姚振德 五、開(kāi)始及完成日期：自2011年11月7日 至2012年5月25日六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）：指導(dǎo)教師簽名 簽名 簽名教研室主任

5、學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)簽名 系主任 簽名2011年11月7日值得下載摘 要 電動(dòng)小車(chē)最重要的配件是電機(jī)，一輛電動(dòng)小車(chē)的電機(jī)基本決定了這輛車(chē)的性能和檔次。目前電動(dòng)小車(chē)所使用的電機(jī)大都是高效稀土永磁電機(jī)，其中主要又分高速有刷+齒輪減速電機(jī)、低速有刷電機(jī)和低速無(wú)刷電機(jī)三種。本文針對(duì)無(wú)刷電機(jī)在現(xiàn)在電動(dòng)小車(chē)中的應(yīng)用，介紹了一種無(wú)刷電機(jī)的控制方法。根據(jù)電動(dòng)小車(chē)要求啟動(dòng)快、制動(dòng)快、工作過(guò)程要求轉(zhuǎn)速穩(wěn)定等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了帶有轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)，以PI調(diào)節(jié)器為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器 也用PI調(diào)節(jié)器，以TL494為PWM脈沖產(chǎn)生芯片，經(jīng)過(guò)綜合邏輯電路加上位置反饋信號(hào)，由IR2130驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率開(kāi)關(guān)。主要內(nèi)容包

6、括PWM生成電路和功率開(kāi)關(guān)器件、綜合邏輯電路的選擇，以及驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)等。關(guān)鍵詞：電動(dòng)小車(chē)；無(wú)刷直流電機(jī)；PWM調(diào)速 AbstractThe most important part of an Electric trolley is motor.It basicly decides its performance and level. At present，Electric trolleys are mostly using efficient rare earth permanent magnet as their motors, which also could be divide

7、d into three types as High speed brush+gear reduction motors，low speed brush motors and low speed brushless motors. This paper aim at the Brushless DC Motor be applied in Electric trolleys, introduce a new control method of BLDC. Based on Electric trolleys characteristic, such as start-up rapidness,

8、 brake rapidness, work process rotate speed level off and so on, design one system with speed and current adjuster, the speed adjuster is PID and the current adjuster is PI , use the TL494 chip generate PWM pulse , pass the synthesis logic circuit and the feedback of rotors location through IR2130 d

9、rive the power switch . Mostly content consist of PWM generate circuit , synthesis logic circuit, power switch and drive circuit and so on .Key words: Electric trolley；brushless DC motor；modulate velocity by PWM 目 錄摘 要IVAbstractV目 錄VI2 電動(dòng)小車(chē)及電機(jī)的工作特點(diǎn)22.1 電動(dòng)小車(chē)的工作特點(diǎn)分析及電機(jī)選擇22.2 無(wú)刷直流電機(jī)的介紹、結(jié)構(gòu)及工作原理22.2.1 直流

10、無(wú)刷電機(jī)的介紹22.2.2 直流無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理框圖32.2.3 直流無(wú)刷電機(jī)的控制原理32.3 控制方案53 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)63.1 調(diào)節(jié)器選擇及動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)63.1.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)63.1.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)93.2 位置檢測(cè)113.2.1 位置間接檢測(cè)原理123.2.2 位置檢測(cè)電路133.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)143.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器164 系統(tǒng)電路圖184.1 PWM生成電路及電流調(diào)節(jié)器184.2 綜合邏輯電路204.3 驅(qū)動(dòng)電路214.4 各相導(dǎo)通信號(hào)產(chǎn)生電路244.5 系統(tǒng)整體電路圖254.6系統(tǒng)的工作原理275 結(jié)論和展望28致 謝29參考文獻(xiàn)30附 錄31精品文檔 1 緒論從19

11、95年清華大學(xué)研制的第一臺(tái)輕型電動(dòng)車(chē)問(wèn)世，到現(xiàn)在林林總總的電動(dòng)車(chē)系列產(chǎn)品，過(guò)去的十五年中，中國(guó)電動(dòng)小車(chē)事業(yè)從無(wú)到有，再發(fā)展成為目前全球最大的輕型電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)。短短十?dāng)?shù)載，已經(jīng)成就了讓全球仰慕的電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)規(guī)模，國(guó)人應(yīng)當(dāng)自豪！電動(dòng)小車(chē)行業(yè)的發(fā)展，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為已經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：初級(jí)階段、初級(jí)生產(chǎn)規(guī)?；A段、超速發(fā)展階段。電動(dòng)小車(chē)的初級(jí)階段也被稱(chēng)作是電動(dòng)小車(chē)的早期實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn)階段，時(shí)間大概是1995年到1999年。這個(gè)階段主要是對(duì)電動(dòng)小車(chē)的四大件，電機(jī)、電池、充電器和控制器的關(guān)鍵技術(shù)摸索研究。初階生產(chǎn)規(guī)?；A段是電動(dòng)小車(chē)規(guī)?；笊a(chǎn)在遇到幾個(gè)發(fā)展大機(jī)遇后獲得較快發(fā)展的階段，時(shí)間在2000年到2004年

12、。這個(gè)階段隨著關(guān)鍵技術(shù)方面的突破和電動(dòng)小車(chē)性能的不斷提升，讓電動(dòng)小車(chē)成為了摩托車(chē)和自行車(chē)的替代產(chǎn)品，而它的快捷、環(huán)保、方便和廉價(jià)，同時(shí)也激發(fā)了市場(chǎng)對(duì)它的消費(fèi)需求。一些新的企業(yè)投資加入，進(jìn)行較大市場(chǎng)規(guī)模運(yùn)作，產(chǎn)能迅速擴(kuò)展，并初步形成了行業(yè)內(nèi)的江蘇、浙江、天津?yàn)榇淼娜螽a(chǎn)業(yè)聚集地。超速發(fā)展階段是企業(yè)間激烈競(jìng)爭(zhēng)大大刺激了技術(shù)進(jìn)步和新技術(shù)擴(kuò)散，全行業(yè)的技術(shù)水平大幅度提升，產(chǎn)業(yè)獲得“井噴式”大發(fā)展的階段，時(shí)間在2005年至今。技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在蓄電池壽命和容量提高了35%，電機(jī)從單一的有刷有齒電機(jī)發(fā)展成為無(wú)刷高效電機(jī)為主流，壽命提高了5倍，效率提高了近30%，爬坡和載重能力提高約3.5倍。與此同時(shí)，制

13、造成本也大幅度下降，價(jià)格功率下降到原來(lái)21%；在控制器系統(tǒng)和充電系統(tǒng)，技術(shù)水平也大幅提高。我國(guó)是世界公認(rèn)的稀土資源大國(guó)和稀土產(chǎn)品的制造強(qiáng)國(guó)，得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢(shì)特別是電機(jī)性能?chē)?guó)際市場(chǎng)價(jià)格昂貴的 BLDC（無(wú)刷直流永磁電機(jī)）系統(tǒng)在中國(guó)企業(yè)得到廣泛應(yīng)用在電池技術(shù)和電機(jī)技術(shù)方面都有了很大的進(jìn)展，電動(dòng)車(chē)專(zhuān)用鉛酸電池在技術(shù)上的突破已經(jīng)領(lǐng)先國(guó)際。 2 電動(dòng)小車(chē)及電機(jī)的工作特點(diǎn)2.1 電動(dòng)小車(chē)的工作特點(diǎn)分析及電機(jī)選擇 電動(dòng)小車(chē)的工作狀態(tài)要求電機(jī)工作在頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程，而且要求電機(jī)的啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程速度快。這樣電機(jī)啟、制動(dòng)過(guò)程中會(huì)使電機(jī)電流過(guò)大，故在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)要設(shè)計(jì)電機(jī)的過(guò)電流保護(hù)，以免使電機(jī)由于電流過(guò)大

14、無(wú)法正常工作。 由于電動(dòng)小車(chē)的頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)，這樣一定會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的啟動(dòng)、制動(dòng)電流，這樣大的電流，對(duì)永磁體產(chǎn)生的去磁影響必須引起注意。特別在電機(jī)運(yùn)行在負(fù)載溫升時(shí)，隨著工作溫度的升高，這種去磁作用就越大。若對(duì)永磁體的厚度選取不當(dāng)，這種去磁反應(yīng)還將影響到永磁體的圓復(fù)線。在選擇電動(dòng)小車(chē)用永磁 電機(jī)時(shí)，必須考慮二點(diǎn) ：第一是電機(jī)最高工作溫度。第二是起、制動(dòng)時(shí)的電樞反應(yīng)去磁作用2。根據(jù)電動(dòng)小車(chē)的各種啟動(dòng)制動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)要求啟動(dòng)快、制動(dòng)快，在不同的情況下，分別運(yùn)行在恒功率和恒轉(zhuǎn)矩兩種不同的運(yùn)行方式下。本系統(tǒng)選用適當(dāng)?shù)碾妱?dòng)小車(chē)，無(wú)刷電機(jī)選用SY-94ZWX02型號(hào)。電機(jī)的額定值為 ：2.2 無(wú)刷直流

15、電機(jī)的介紹、結(jié)構(gòu)及工作原理 2.2.1 直流無(wú)刷電機(jī)的介紹無(wú)刷直流電機(jī)因?yàn)榫哂兄绷饔兴㈦姍C(jī)的特性,同時(shí)也是頻率變化的裝置,所以又名直流變頻,國(guó)際通用名詞為BLDC.無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率,低速轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) Brushless Direct Current Motor ,采用方波自控式永磁同步電機(jī),以霍爾傳感器取代碳刷換向器,以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料;產(chǎn)品性能超越傳統(tǒng)直流電機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又解決了直流電機(jī)碳刷滑環(huán)的缺點(diǎn),數(shù)字式控制,是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)。本產(chǎn)品具有高效率,高轉(zhuǎn)矩,高精度的三高特點(diǎn);同時(shí)

16、具有體積小,重量輕,可做成各種體積形狀,是當(dāng)今最高效率的調(diào)速電機(jī),與傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)比較,或與交流變頻調(diào)速比較均有更好的性能。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱(chēng)星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。而轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速。 2.2.2 直流

17、無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理框圖圖2-1 無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理框圖 無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)換向器的直流電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)的直流永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反，直流無(wú)刷電機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成的電動(dòng)機(jī)本體外，還要有位置傳感器、控制電路以及功率開(kāi)關(guān)器件共同構(gòu)成換向裝置，使得直流無(wú)刷電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)，在空間始終保持在90度左右的電角度。 2.2.3 直流無(wú)刷電機(jī)的控制原理永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)按控制電路分有橋式和非橋式兩種，按電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)來(lái)分有星形和三角型兩種方式。橋式星形接法的電機(jī)有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，輸出轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。本論文的樣機(jī)即采

18、用三相橋式星形結(jié)構(gòu)的電機(jī)，下面就以此類(lèi)電機(jī)為例來(lái)說(shuō)明永磁無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理。 刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)傳感器控制原理如圖2-2所示，通過(guò)位置檢測(cè)電路檢測(cè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的端電壓，經(jīng)微處理器運(yùn)算后得到電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，再由驅(qū)動(dòng)電路按轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)輪流導(dǎo)通功率逆變橋的六個(gè)功率管，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)三相繞組的通電。三相橋式星形結(jié)構(gòu)的無(wú)刷電機(jī)在任意時(shí)刻有兩相繞組導(dǎo)通，第三相繞組處于懸空狀態(tài)。功率管有6種觸發(fā)狀態(tài)，每次只有兩只管子導(dǎo)通，每隔 16周期即600電角度換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每一個(gè)功率管導(dǎo)通 1200電角度。由于采用兩兩導(dǎo)通方式，所以每次只有兩相導(dǎo)通，一相截止。其各相反電勢(shì)波形、相電流波形及各功

19、率管導(dǎo)通狀態(tài)如圖2-3所示?？梢钥闯?，導(dǎo)通相電流大小相等，方向相反，非導(dǎo)通相電流為零。非導(dǎo)通相在此期間其反電勢(shì)有一次過(guò)零。無(wú)刷直流電機(jī)的反電勢(shì)過(guò)零法換相控制正是基于這種方法，即檢測(cè)斷開(kāi)相的反電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)其過(guò)零時(shí)，轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組重合，延時(shí)300電角度依照開(kāi)通順序進(jìn)行換相。因此，只要檢測(cè)到各相反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，即可獲得轉(zhuǎn)子的 6個(gè)換相點(diǎn)。 圖2-2 無(wú)刷直流電機(jī)控制原理圖 圖2-3無(wú)刷直流電機(jī)反電勢(shì)、相電流及功率管導(dǎo)通時(shí)序圖2.3 控制方案電機(jī)采用有傳感器的無(wú)刷電機(jī)。根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生一系列的PWM脈沖信號(hào)，同位置傳感器產(chǎn)生的相導(dǎo)通信號(hào)一起控制功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的速度

20、調(diào)節(jié)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含單閉環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中只含有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，對(duì)轉(zhuǎn)速具有調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器使轉(zhuǎn)速跟隨給定電壓變化，對(duì)負(fù)載有抗擾作用。但是，系統(tǒng)對(duì)電源的變化沒(méi)有抗擾作用，而且系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程慢。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)含有轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器，不僅能夠?qū)ω?fù)載擾動(dòng)有抗擾作用，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中使電流跟隨電流調(diào)節(jié)器給定電壓變化，而且對(duì)電源也有抗擾作用，啟動(dòng)時(shí)保證獲得恒定的最大允許電流，減少了了電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。根據(jù)電動(dòng)小車(chē)的工作特點(diǎn)，要求啟動(dòng)時(shí)間短，工作過(guò)程轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，雙閉環(huán)系統(tǒng)可以對(duì)電流、轉(zhuǎn)速同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器選擇能夠使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能都比較好的調(diào)節(jié)器。 3

21、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)上一章選擇的控制方案，系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本章主要介紹的控制系統(tǒng)的各個(gè)部分，主要有位置傳感器、電流傳感器、調(diào)節(jié)器、PWM產(chǎn)生電路、綜合邏輯電路、驅(qū)動(dòng)電路、各相導(dǎo)通信號(hào)產(chǎn)生電路等幾部分組成。系統(tǒng)的各個(gè)部分分別有模擬電路和數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。3.1 調(diào)節(jié)器選擇及動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)上述的控制方案，雙閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如3-1下圖所示。 圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由圖中可知忽略了反電勢(shì)作用的影響。根據(jù)選擇的電機(jī)為SY-94ZWX02型號(hào)，電機(jī)的參數(shù)選擇為。選擇逆變電路的時(shí)間常數(shù)放大倍數(shù)，電阻。電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋時(shí)間常數(shù)。 3.1.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 為了選擇電流調(diào)節(jié)器，首

22、先面臨的問(wèn)題是，應(yīng)該決定把電流環(huán)校正成哪一類(lèi)典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流環(huán)做到無(wú)靜差；從動(dòng)態(tài)要求看，電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用就是 保持電機(jī)電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，即在突加控制作用時(shí)不希望有超調(diào)，或者超調(diào)越小越好。從這一考慮出發(fā)，應(yīng)該把電流環(huán)校正成典I系統(tǒng)。（1） 電流環(huán)控制對(duì)象參數(shù)如下 電樞回路總電阻：； 電磁時(shí)間常數(shù)：； 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)：； 電流反饋系數(shù)：=0.25V/A。（2）由控制對(duì)象的傳遞函數(shù)可知，為把電流環(huán)校正成典I系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)該選擇PI調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如下圖3-2所示。 圖3-2 PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （3-1）式中-電流調(diào)節(jié)器的比例放大倍

23、數(shù)； -電流調(diào)節(jié)器的領(lǐng)先時(shí)間常數(shù)。選擇PI參數(shù)，使 以讓調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)對(duì)消控制對(duì)象的大慣性環(huán)節(jié)的極點(diǎn)，則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為典型系統(tǒng)的形式。PI調(diào)節(jié)器的比例放大倍數(shù)的選擇取決于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和所需的截止頻率，在電動(dòng)小車(chē)系統(tǒng)中希望超調(diào)量小，為了使電流環(huán)的超調(diào)較小，取電流環(huán)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為 則ACR的比例放大倍數(shù)為 由 ，按經(jīng)驗(yàn)取，所以 又由，故在根據(jù)濾波時(shí)間常數(shù)， 所以 （3） 校驗(yàn)近似條件： 逆變器傳遞函數(shù)近似條件 （3-2）現(xiàn)在 ，而顯然滿足近似條件。 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 （3-3）而 顯然也滿足近似條件。、 忽略反電勢(shì)影響的條件忽略反電動(dòng)勢(shì)影響的近似條件為，現(xiàn) 而電流環(huán)截止頻

24、率 ，顯然滿足近似條件。設(shè)計(jì)后電流環(huán)可達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為 可以滿足電動(dòng)小車(chē)的要求。 3.1.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，把電流環(huán)當(dāng)作轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，和其他環(huán)節(jié)一起構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對(duì)象。為此，求出電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)。求得電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)經(jīng)過(guò)近似處理后，得到，整個(gè)電流環(huán)等效成只有小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。由控制對(duì)象和電流環(huán)的傳遞函數(shù)知，轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對(duì)象的傳遞函數(shù)包含了一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，而積分環(huán)節(jié)在負(fù)載擾動(dòng)作用之后。轉(zhuǎn)速環(huán)的主要擾動(dòng)為負(fù)載擾動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，則必須在擾動(dòng)之前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，于是應(yīng)該按典型II系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器了。 （1） 轉(zhuǎn)速環(huán)控制對(duì)象參數(shù)如

25、下轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：（2） 由結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)可以看出，為了把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型II系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器， 其傳遞函數(shù)如下： （3-4）式中， 為比例放大倍數(shù) 為積分時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II系統(tǒng)設(shè)計(jì)。取，則 （3-5）系統(tǒng)按準(zhǔn)則選擇ASR參數(shù)： 則 取 ，則 再根據(jù) ，得 （3） 校驗(yàn)近似條件： 電流環(huán)傳遞函數(shù)等效條件 （3-6）按準(zhǔn)則設(shè)計(jì)時(shí)而 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 （3-7）現(xiàn)在 滿足近似處理?xiàng)l件。（4） 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)轉(zhuǎn)速超調(diào)量 （3-8）現(xiàn)在 取中頻帶寬為，按準(zhǔn)則確定參數(shù)， 因此 由此可以看出，轉(zhuǎn)速超調(diào)量非常小，上升時(shí)間非常短，可以滿足電動(dòng)小車(chē)的要求。這

26、樣，整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)就為典型II系統(tǒng)，系統(tǒng)的參數(shù)也就基本上確定下來(lái)。按照所求得的參數(shù)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)畫(huà)出電路圖。根據(jù)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)參數(shù)，通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)是否符合電動(dòng)小車(chē)的要求3.2 位置檢測(cè) 置傳感器在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中起著檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為功率開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)位置信號(hào)處理電路處理后控制定子繞組換相。由于功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，因而位置傳感器與功率開(kāi)關(guān)一起，起著與傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向器和電刷相類(lèi)似的作用。位置傳感器的種類(lèi)比較多，可分為電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位置傳感器等。電磁式傳感

27、器具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但其體積比較大，信噪比較低且輸出為交流信號(hào)，需整流濾波后才能使用。光電式位置傳感器性能比較穩(wěn)定、體積小、重量輕，但對(duì)環(huán)境要求較高。磁敏式位置傳感器的基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效用，它對(duì)環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng)，成本低廉，但精度不高。 3.2.1 位置間接檢測(cè)原理永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，必須知道轉(zhuǎn)子的位置信息，傳統(tǒng)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)是以位置傳感器來(lái)獲得轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)的。實(shí)際上，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置不同，電機(jī)的各相繞組電壓和磁通會(huì)發(fā)生變化，如果能找到電機(jī)測(cè)得的變量與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系，那么就可以不通過(guò)位置傳感器而只通過(guò)測(cè)得的變量值得到轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，這就是間接

28、位置檢測(cè)的基本思想。以三相橋式星形結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電機(jī)為例，電機(jī)的電壓平衡方程為：（3-9）式中 Va Vb Vc 一一繞組相電壓。 ia ib ic一一繞組相電流。 ，一一繞組自感和繞組間的互感。 一一繞組電阻。 一一磁極磁鏈。 一一電角度。上式中，凡是角度的函數(shù)，式（ 3 9 ）通過(guò)變換可得：（3-10）由于電阻和電感是電機(jī)的固有參數(shù)，認(rèn)為是可知的，由式 （310）可知，若連續(xù)得到某時(shí)刻的電流電壓值，則可得到三相的禮值，由禮就可得知0的范圍，即轉(zhuǎn)子的位置。目前大部分的間接位置檢測(cè)方法均基于此原理。由以上分析可知，要知道電機(jī)的位置，需要知道電流電壓與磁極磁鏈的關(guān)系以及磁極磁鏈與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系

29、。在不同的場(chǎng)合，可通過(guò)不同的方法實(shí)現(xiàn)上面的兩層映射關(guān)系。常見(jiàn)的間接位置檢測(cè)方法有反電勢(shì)法、電感法、續(xù)流二極管法和磁鏈估計(jì)法等。反電勢(shì)法是根據(jù)轉(zhuǎn)子在不同的位置時(shí)定子繞組中的反電勢(shì)的不同，通過(guò)得到特殊點(diǎn)的反電勢(shì)從而推算出轉(zhuǎn)子的位置的；電感法則是根據(jù)轉(zhuǎn)子在不同的位置時(shí)對(duì)電機(jī)電樞電感的影響，通過(guò)檢測(cè)電流得到電感的變化從而得到轉(zhuǎn)子的位置；續(xù)流二極管法是通過(guò)檢測(cè)未導(dǎo)通相的二極管的續(xù)流情況來(lái)確定轉(zhuǎn)子的位置；磁鏈法是通過(guò)電壓電流值計(jì)算得到磁鏈的值，從而推出轉(zhuǎn)子的位置。 3.2.2 位置檢測(cè)電路 本系統(tǒng)采用霍爾傳感器檢測(cè)位置，霍爾集成電路內(nèi)部原理圖如下圖3-3所示。 圖3-3霍爾集成電路原理圖 霍爾元件的作用是

30、利用霍爾效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生輸出電壓，由于霍爾元件產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低，應(yīng)用時(shí)需要外接放大器，很不方便。隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件與半導(dǎo)體集成電路一起制作在同一塊N型硅外延片上，這就構(gòu)成了霍爾集成電路?；魻柤呻娐吠ㄟ^(guò)霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢(shì)來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件。本系統(tǒng)的位置檢測(cè)電路如下圖3-4所示。圖3-4 位置檢測(cè)電路 由上圖可知位置檢測(cè)有霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)三個(gè)霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢(shì)來(lái)判斷轉(zhuǎn)子位置，并控制功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷?；魻杺鞲衅鳟a(chǎn)生的信號(hào)與PWM信號(hào)共同控制逆變器器件的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，一般的霍爾傳感器是霍爾集成電路，霍爾集成電路有線性型和開(kāi)關(guān)型兩種，這里

31、采用開(kāi)關(guān)型集成電路。將三只霍爾集成電路按相位差120º安裝，則它們所產(chǎn)生的位置信號(hào)波形圖如下圖3-5所示。圖3-5 轉(zhuǎn)子位置波形3.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè) 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路是通過(guò)LM2907頻壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的，LM2907為集成式頻率/電壓轉(zhuǎn)換器，是一種將頻率轉(zhuǎn)換成電壓的器件。芯片中包含了比較器、充電泵、高增益運(yùn)算放大器，能將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)。只要通過(guò)檢測(cè)傳感器的頻率就可檢測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。LM2907的內(nèi)部原理圖如下圖3-6所示： 圖3-6 LM2907的原理框圖各引腳功能如下：腳（F）和11腳（IN-）為運(yùn)算放大器比較器的輸入端；腳接充電泵的定時(shí)電容（C1）；腳接充電泵的輸出電阻和積分電

32、容（R1/C2）；腳（IN+）和10腳（UF1）為運(yùn)算放大器的輸入端；腳為輸出晶體管的發(fā)射極（U0）；腳為輸出晶體管的集電極，一般接電源（UC）；腳為正電源端（VCC）；12腳為接地端（GND）；，13，14腳未用。 LM2907的工作原理為：當(dāng)充電泵把從輸入級(jí)輸入來(lái)的頻率轉(zhuǎn)換成為直流電壓時(shí)，需外接定時(shí)電容C1、輸出電阻R1以及積分電容或?yàn)V波電容C2，當(dāng)?shù)谝患?jí)輸出的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)（這種情況可能發(fā)生在輸入端上有合適的過(guò)零電壓或差分輸入電壓時(shí)），定時(shí)電容在電壓差Vcc/2的兩電壓值之間被線性地充電或放電，在輸入頻率信號(hào)的半周期中，定時(shí)電容上的電荷變化量為C1Vcc/2，泵入電容中的平均電

33、流或流出電容中的平均電流為：輸出電路把這一電流準(zhǔn)確地送到負(fù)載電阻（輸出電阻）R1中，R1電阻的另一端接地，這樣濾波后的電流被濾波電容積分后得到輸出電壓：其中為增益常數(shù)，典型值為。電容2的值取決于紋波電壓的大小和實(shí)際應(yīng)用中所需要的響應(yīng)時(shí)間。本系統(tǒng)采用LM2907集成式頻率/電壓轉(zhuǎn)換器，將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，電路圖如下圖3-7所示。 圖3-7 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路 本系統(tǒng)采用LM2907頻率/電壓轉(zhuǎn)換器，將霍爾傳感器脈沖頻率轉(zhuǎn)換成電壓反饋到轉(zhuǎn)速環(huán)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速反饋。這樣可以省去測(cè)速發(fā)電機(jī)，減輕設(shè)備重量及體積。其中，。參考電壓可以很好的調(diào)節(jié)輸出的最小電壓和帶負(fù)載能力。3.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)之前調(diào)節(jié)器的選擇和

34、計(jì)算，本系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器電路圖如下圖3-8所示。 圖3-8轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由上圖可知轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由模擬電路組成，P 主要是使系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，增加系統(tǒng)的快速性，I是積分環(huán)節(jié)，主要是提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。PI調(diào)節(jié)器有較好的調(diào)節(jié)性能，使系統(tǒng)具有響應(yīng)快速、穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能較好等性能。通過(guò)PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。4 系統(tǒng)電路圖4.1 PWM生成電路及電流調(diào)節(jié)器PWM生成及電流調(diào)節(jié)器由TL494實(shí)現(xiàn)。TL494是美國(guó)德州儀器（Texas Instrument）公司產(chǎn)品，原是為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的脈沖寬度調(diào)節(jié)器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖4-1所示。 圖4-1 TL494的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖TL49

35、4是16腳集成電路，內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。 下圖4-2是它的管腳圖圖4-2 TL494的管腳圖其中1、2腳是誤差放大器I的同相和反相輸入端；3腳是相位校正和增益控制；4腳為間歇期調(diào)理，其上加03.3V電壓時(shí)可使截止時(shí)間從2%線性變化到100%；5、6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容，所接的振蕩電阻和電容決定了震蕩器產(chǎn)生鋸齒波的頻率；7腳為接地端；8、9腳和11、10腳分別為T(mén)L494內(nèi)部?jī)蓚€(gè)末級(jí)輸出三極管集電極和發(fā)射極；12腳為電源供電端；13腳為輸出控制端，該腳接地時(shí)為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時(shí)，兩路輸出分別

36、由觸發(fā)器Q和端控制，形成雙輸出方式，即為推挽輸出方式；14腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流10mA；15、16腳是誤差放大器II的反相和同相輸入端。PWM生成及電流調(diào)節(jié)器電路圖如下圖4-3（見(jiàn)下一頁(yè)）所示。 TL494內(nèi)部有兩個(gè)誤差放大器，利用誤差放大器1作為電流調(diào)節(jié)器，由2腳輸入電流給定信號(hào)，電流反饋信號(hào)由1腳輸入，在2腳和3腳之間接入阻容環(huán)節(jié)以構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，從而實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)。而誤差放大器2可作為限流保護(hù)，由15腳輸入限流給定值，由16腳輸入電流采樣反饋值。 作為電流調(diào)節(jié)器時(shí)，TL494的死區(qū)時(shí)間是不希望有的。如果4腳接地，PWM信號(hào)的最大占空比為96%，即功率開(kāi)關(guān)器件不可能完全導(dǎo)通，

37、這對(duì)電流跟蹤控制應(yīng)用是不利的。因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)突加給定時(shí)，若受控電流在一個(gè)脈沖周期內(nèi)不能跟蹤給定值，在電流上升過(guò)程中每個(gè)周期都有4%時(shí)間要強(qiáng)迫關(guān)斷。如果調(diào)制頻率較高，則此關(guān)斷時(shí)間極短，雖然對(duì)電流響應(yīng)速度影響不大，但卻造成不必要的開(kāi)關(guān)損耗。而當(dāng)開(kāi)關(guān)器件在4%T的時(shí)間內(nèi)還沒(méi)有完全關(guān)斷又強(qiáng)迫開(kāi)通時(shí)，其損耗更為嚴(yán)重，甚至影響逆變器的安全。因此，要采取措施消除此死區(qū)。實(shí)驗(yàn)表明，在4腳加-0.3電平時(shí)，即可將PWM信號(hào)最大占空比擴(kuò)展到100%。圖4-3PWM生成電路及電流調(diào)節(jié)器4.2 綜合邏輯電路 綜合邏輯電路主要有與門(mén)電路組成，PWM和各相導(dǎo)通信號(hào)通過(guò)與門(mén)電路，產(chǎn)生所需要的功率器件開(kāi)關(guān)信號(hào)。只有當(dāng)兩路信號(hào)全部

38、為高電平時(shí)，與門(mén)的輸出才為高電平，即產(chǎn)生的信號(hào)是開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的信號(hào)。綜合邏輯電路主要是用來(lái)分配開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，是驅(qū)動(dòng)電路按一定的順序產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。綜合邏輯電路圖如下圖4-4所示：圖4-4綜合邏輯電路 位置傳感器輸出和PWM信號(hào)經(jīng)與門(mén)疊加后，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路IR2130來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)器件。4.3 驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路由IR2130實(shí)現(xiàn)，IR2130可用來(lái)驅(qū)動(dòng)工作在母電壓不高于600V的電路中的功率MOS門(mén)器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為250mA，而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為500mA。IR2130是美國(guó)國(guó)際整流器公司生產(chǎn)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片，只需一個(gè)供電電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆

39、變電路的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，可以使整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單可靠。它內(nèi)部設(shè)計(jì)有過(guò)流、過(guò)壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶(hù)可方便的用來(lái)保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的MOS門(mén)功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運(yùn)用使其可用于高壓系統(tǒng)，它還可對(duì)同一橋臂上下2個(gè)功率器件的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信導(dǎo)產(chǎn)生2s互鎖延時(shí)時(shí)間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬(320V)，在它的內(nèi)部還設(shè)計(jì)有與被驅(qū)動(dòng)的功率器件所通過(guò)的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計(jì)還保證了內(nèi)部的3個(gè)通道的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)使用，亦可只用其內(nèi)部的3個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，并且輸入信號(hào)與TTL及COMS電平兼容。 IR2130管腳如下圖4-5所示。 圖4-5IR2130的管腳圖VB1VB

40、3：是懸浮電源連接端，通過(guò)自舉電容為3個(gè)上橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)器提供內(nèi)部懸浮電源，VS1VC3是其對(duì)應(yīng)的懸浮電源地端。 HIN1HIN3、LIN1LIN3：逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，低電平有效。ITRIP：過(guò)流信號(hào)檢測(cè)輸入端，可通過(guò)輸入電流信號(hào)來(lái)完成過(guò)流或直通保護(hù)CA-、CAO、：內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來(lái)完成電流信號(hào)檢測(cè)。HO1HO3、LO1L03：逆變器上下橋臂功率開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸出端。FAULT：過(guò)流、直通短路、過(guò)壓、欠壓保護(hù)輸出端，該端提供一個(gè)故障保護(hù)的指示信號(hào)。它在芯片內(nèi)部是漏極開(kāi)路輸出端，低電平有效。、：芯片供電電源連接端，接電源，而接電源地。IR

41、2130內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理：IR2130的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖4-6所示： 圖4-6 IR2130的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 它的內(nèi)部集成有1個(gè)電流比較器CURRENT COMPARATOR，1個(gè)電流放大器CURRENT AMP，1個(gè)自身工作電源欠壓檢測(cè)器UNDERVOLTAGE DETECTOR，1個(gè)故障處理單元FAULT LOGIC及1個(gè)清除封鎖邏輯單元CLEAR LOGIC。除上述外，它內(nèi)部還集成有3個(gè)輸入信號(hào)處理器INPUT SIGNAL GEN-ERATOR兩個(gè)脈沖處理和電平移位器PULSE GENERATOR LEVEL SHIFTER，3個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖存器LATCH，3個(gè)上橋臂側(cè)功率管

42、驅(qū)動(dòng)信號(hào)與欠壓檢測(cè)器，U. V DETECTOR及6個(gè)低輸出阻抗MOS功率管驅(qū)動(dòng)器DRIVER和1個(gè)或門(mén)電路。正常工作時(shí)，輸入的6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)輸入信號(hào)處理器處理后變?yōu)?路輸出脈沖，驅(qū)動(dòng)下橋臂功率管的信號(hào)L1L3經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)器功放后，直接送往被驅(qū)動(dòng)功率器件。而驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的信號(hào)H1H3 先經(jīng)集成于IR2130內(nèi)部的3個(gè)脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進(jìn)行電位變換， 變?yōu)?路電位懸浮的驅(qū)動(dòng)脈沖，再經(jīng)對(duì)應(yīng)的3路輸出鎖存器鎖存并經(jīng)嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)脈沖與否檢驗(yàn)之后，送到輸出驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功放后才加到被驅(qū)動(dòng)的功率管。一旦外電流發(fā)生過(guò)流或直通，即電流檢測(cè)單元送來(lái)的信號(hào)高于0.5V時(shí)，則IR2130內(nèi)部的電流比較器

43、迅速翻轉(zhuǎn)，促使故障邏輯處理單元輸出低電平，一則封鎖3路輸入脈沖信號(hào)處理器的輸出，使IR2130的輸出全為低電平，保護(hù)功率管；另一方面，同時(shí)IR2130的FAULT腳給出故障指示。同樣若發(fā)生IR2130的工作電源欠壓，則欠壓檢測(cè)器迅速翻轉(zhuǎn)， 也會(huì)進(jìn)行類(lèi)似動(dòng)作。發(fā)生故障后，IR2130內(nèi)的故障邏輯處理單元的輸出將保持故障閉鎖狀態(tài)。直到故障清除后，在信號(hào)輸入端LIN1LIN3同時(shí)被輸入高電平，才可以解除故障閉鎖狀態(tài)。 當(dāng)IR2130驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的自舉電源工作電壓不足時(shí)，則該路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)器迅速動(dòng)作，封鎖該路的輸出，避免功率器件因驅(qū)動(dòng)信號(hào)不足而損壞。當(dāng)逆變器同一橋臂上2個(gè)功率器件的輸入信號(hào)同時(shí)為

44、高電平，則IR2130輸出的2路門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，從而可靠地避免橋臂直通現(xiàn)象發(fā)生本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路圖如下圖4-7所示： 圖4-7 驅(qū)動(dòng)電路由于驅(qū)動(dòng)集成芯片內(nèi)部含有過(guò)流、欠壓等保護(hù)，故可使設(shè)計(jì)整個(gè)電路時(shí)不需專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)保護(hù)電路，使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠。4.4 各相導(dǎo)通信號(hào)產(chǎn)生電路控制無(wú)刷電機(jī)，是通過(guò)控制無(wú)刷電機(jī)各相的導(dǎo)通來(lái)控制的。要控制各相的導(dǎo)通，就要通過(guò)轉(zhuǎn)子的位置，來(lái)產(chǎn)生各相導(dǎo)通信號(hào)。其電路圖如下圖4-8（見(jiàn)下一頁(yè)）所示。由圖中可以看出，換相的控制電路是用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)通過(guò)74LS138型3-8譯碼器后，再經(jīng)過(guò)74LS38和74LS09 兩片門(mén)電路邏輯分配來(lái)產(chǎn)生各相導(dǎo)通信號(hào)，最后

45、各相導(dǎo)通信號(hào)和PWM信號(hào)一起，經(jīng)過(guò)綜合邏輯電路，由驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)的開(kāi)關(guān)器件。圖4-8 各相導(dǎo)通信號(hào)產(chǎn)生電路 由上述邏輯電路產(chǎn)生的換相譯碼真值表如下表4-1所示。表4-1 換相譯碼真值表傳感器輸入功率器件導(dǎo)通信號(hào)H1H2H3VF1VF3VF5VF4VF6VF21011000101001000011100100010100101000110011000010010104.5 系統(tǒng)整體電路圖 根據(jù)以上各個(gè)部分的介紹，把各個(gè)部分連接起來(lái)，在加上電流采樣電路、電壓采樣電路等一些電路就可以組成整個(gè)系統(tǒng)如下圖4-9（見(jiàn)下一頁(yè)）所示。 圖4-9 總電路圖4.6系統(tǒng)的工作原理無(wú)刷直流電機(jī)的供電系統(tǒng)是通過(guò)

46、交流電整流成直流電，在經(jīng)過(guò)逆變器變成交流電給電機(jī)的繞組供電，通過(guò)控制逆變器開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷，從而控制加在繞組上的電壓和電流，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速及電流調(diào)節(jié)器均有限幅值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定值，啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快達(dá)到限幅值，速度環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，ASR只是對(duì)電流調(diào)節(jié)器發(fā)出最大電流指令。在ASR輸出限幅值的作用下，電流調(diào)節(jié)器的輸出也有一躍變，但是電流調(diào)節(jié)器沒(méi)有達(dá)到限幅值。電流調(diào)節(jié)器的輸出增加使的逆變器的輸出逐漸增加，電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸增加，最后達(dá)到給定的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。只要調(diào)節(jié)器的參數(shù)選的合理就能是整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)快，達(dá)到所需要求。制動(dòng)時(shí)按下制動(dòng)按扭，電機(jī)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，直到電機(jī)

47、轉(zhuǎn)速為零，這樣就可以使系統(tǒng)的制動(dòng)過(guò)程快，達(dá)到工業(yè)電動(dòng)小車(chē)的要求。從整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分可以看出，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)全部用模擬電路或者數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，這使的整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，在生產(chǎn)制造時(shí)可以節(jié)省許多成本。但是這樣設(shè)計(jì)雖然簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)也有許多不足之處，如沒(méi)有單片機(jī)控制的響應(yīng)速度快、精確性高等?，F(xiàn)在還有許多無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)是使用DSP實(shí)現(xiàn)的，這使的系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精確性更高，但成本也會(huì)增加。不管用什么元件控制無(wú)刷電機(jī)，其基本原理大體上都是相同的，都是采用電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，通過(guò)位置信號(hào)產(chǎn)生相導(dǎo)通信號(hào)，再加上PWM信號(hào)來(lái)控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速的。5 結(jié)論和展望本文在了

48、解無(wú)刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)性能、控制方式的分析，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的，用模擬電路和數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，是針對(duì)無(wú)刷電機(jī)在電動(dòng)小車(chē)中的應(yīng)用，根據(jù)電動(dòng)小車(chē)的性能、工作特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的要求，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。 現(xiàn)代電動(dòng)小車(chē)工業(yè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電動(dòng)小車(chē)也必定有很大的發(fā)展。無(wú)刷直流電機(jī)是一種新發(fā)展的，性能優(yōu)異的電機(jī)。把無(wú)刷電機(jī)用在電動(dòng)小車(chē)中，電動(dòng)小車(chē)一定會(huì)有很大的發(fā)展。無(wú)刷電機(jī)有許多中不同的控制方法，通過(guò)研究對(duì)無(wú)刷電機(jī)的控制，使無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)異性能得以發(fā)揮，會(huì)很大程度上促進(jìn)電動(dòng)小車(chē)的發(fā)展。 無(wú)刷直流電機(jī)除了有位置傳感器的，近年，還出現(xiàn)了無(wú)位

49、置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)，它不是利用反電動(dòng)勢(shì)來(lái)檢測(cè)位置，而是通過(guò)貼于轉(zhuǎn)子表面的非磁性導(dǎo)體材料，利用定子繞組高頻開(kāi)關(guān)工作時(shí)非磁性材料的渦流效應(yīng)，使開(kāi)路電壓的大小隨轉(zhuǎn)子位置變化，從而通過(guò)檢測(cè)開(kāi)路相電壓來(lái)判斷轉(zhuǎn)子位置。這種無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)克服了一般位置無(wú)刷電機(jī)的啟動(dòng)和低速運(yùn)行問(wèn)題，但該方法需要特殊電機(jī)，對(duì)電機(jī)的制作工藝提出了很高的要求。 不管是位置還是無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電機(jī)，其都有有待解決的問(wèn)題，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)就是無(wú)刷電機(jī)存在的一個(gè)主要問(wèn)題。由于轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)，使的無(wú)刷電機(jī)在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制，尤其是在直接驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)使的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制特性惡化，因此，消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成為提高伺服性

50、能的關(guān)鍵。 隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，位置檢測(cè)可以使用芯片通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴▉?lái)實(shí)現(xiàn)。高速微處理器DSP器件以及專(zhuān)用控制芯片的出現(xiàn)，使得運(yùn)行速度和處理能力有了很大的提高。采用DSP控制無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機(jī)成為研究的熱點(diǎn)，低成本DSP無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)，成為無(wú)刷電機(jī)的發(fā)展方向。 致 謝通過(guò)這幾個(gè)月來(lái)的忙碌和學(xué)習(xí)，本次畢業(yè)論文設(shè)計(jì)已接近尾聲，作為一個(gè)大專(zhuān)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，在這里衷心感謝指導(dǎo)老師的督促指導(dǎo)，以及一起學(xué)習(xí)的同學(xué)們的支持，讓我按時(shí)完成了這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我首先要感謝我的指導(dǎo)老師方光輝老師，她幫助我解決了許多關(guān)鍵性的設(shè)計(jì)問(wèn)題，在她的指導(dǎo)下，我順利的完成了電動(dòng)小車(chē)中無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，我遇到了非常多的問(wèn)題，每次方老師都能夠給予及時(shí)的指導(dǎo)和