小功率無刷直流電動機(jī)綜述

1、摘要介紹以專用控制芯片MC33035 MC3303為核心構(gòu)成的家用傳動裝置中永磁無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)，無刷直流電機(jī)一般是小型的電機(jī)一般采用L298N驅(qū)動，他一般可以同時驅(qū)動兩電機(jī)，如果擔(dān)心驅(qū)動不夠就可以采用兩個L298N其內(nèi)部原理是采用H橋式差動放大。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種 二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，主要涉及核心控制電路的構(gòu)成，功率開關(guān)元件的驅(qū)動。實(shí)現(xiàn)以敏感元件(霍爾元件)為 速度反饋電路的雙閉環(huán)無級調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動。關(guān)鍵 詞：無刷直流電機(jī)；專用控制芯片；控制器；功率開關(guān)元件；設(shè)計(jì)AbstractThispa

2、per inv estigatedthe desig nof the perma nent magnetbrush ness DC (PMBLDC) motor con trollerappl yingthe special in tegrated circuits for service of driver for home , including the con struct ionof main con trolcircuits , the driv ingof power semicon ductor.It actives to con trol driver of double cl

3、ose - loop no-gradespeed - con trolledsystem by magn etically activatedin tegratedcircuits (hall effect switches) .Key wordsPMBLDC motor ;specialin tegratedcircuits;con trollerdriv ingof powersemic on ductordesig n第一章緒論1.1對小功率無刷直流電機(jī)的認(rèn)識一種用電子換向的小功率直流電動機(jī)。又稱無換向器電動機(jī)、無整流子直流電動 機(jī)。它是用半導(dǎo)體逆變器取代一般直流電動機(jī)中的機(jī)械換向器，構(gòu)

4、成沒有換向器的直流電動機(jī)。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，沒有火花，電磁噪聲低，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代 生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和高級家用電器。無刷直流電動機(jī)由同步電動機(jī)和驅(qū)動器組成， 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。同 步電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)十分相似。而轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。 驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機(jī)的啟動、停止、制 動信號，以控制電動機(jī)的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用 來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，用來 控制和

5、調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。無刷直流電動機(jī)由一臺同步電機(jī)、一組轉(zhuǎn)子位置檢測器和一套受位置檢測器控制的自 控式逆變器組成。中小型電機(jī)的逆變器一般由晶體管組成； 大型電機(jī)的逆變器通常采 用晶閘管構(gòu)成,稱為晶閘管電動機(jī)。置（例如90°或120。電角度），位置檢測器便產(chǎn)生 相應(yīng)的信號，作用于對應(yīng)的半導(dǎo)體元件，使相應(yīng)的相繞組通電，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。電動機(jī)轉(zhuǎn) 子每轉(zhuǎn)過一對磁極，各半導(dǎo)體元件輪流導(dǎo)通一周，逆變器輸出的交流電相應(yīng)地變化一 個周期。所以自控式逆變器的輸出頻率和電動機(jī)的轉(zhuǎn)速始終保持同步，不會出現(xiàn)失步現(xiàn)象。在小型無刷直流電動機(jī)中，逆變器由晶體管組成。由于晶體管具有自關(guān)斷能力， 只要其基極上的控制

6、信號消失，晶體管就自行關(guān)斷，所以控制比較簡單。在容量較大 的無刷直流電機(jī)中，逆變器由晶閘管組成。晶閘管沒有自關(guān)斷能力，不能靠除去觸發(fā) 信號使其關(guān)斷。所以當(dāng)一相電流需要截止，讓另一相通電時，如何關(guān)斷原先導(dǎo)通的晶 閘管，把電流轉(zhuǎn)移到新的一相晶閘管，即晶閘管之間的換流問題是晶閘管電機(jī)的技術(shù) 關(guān)鍵。1.2本課題的研究意義實(shí)用性新型無刷電機(jī)是與電子技術(shù)、 微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、自控技術(shù)以及材料科 學(xué)等發(fā)展緊密聯(lián)系的。它不僅限于交直流領(lǐng)域，還涉及電動、發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換和信號 傳感等領(lǐng)域。在電機(jī)領(lǐng)域中新型無刷電機(jī)的品種是較多的， 但性能優(yōu)良的無刷電機(jī)因 受到價格的限制，其應(yīng)用還不十分廣泛。下面分別就主要的新型

7、無刷電機(jī)進(jìn)行探索與 研究。直流無刷電動機(jī)與一般直流電動機(jī)具有相同的工作原理和應(yīng)用特性，而其組成是不一樣的。除了電機(jī)本身外，前者還多一個換向電路，電機(jī)本身和換向電路緊密結(jié)合 在一起。許多小功率電動機(jī)的電機(jī)本身是與換向電路合成一體，從外觀上看直流無刷 電動機(jī)與直流電動機(jī)完全一樣。 直流無刷電動機(jī)的電機(jī)本身是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換部分，它除了電機(jī)電樞、永磁勵磁兩部分外，還帶有傳感器。電機(jī)本身是直流無刷電機(jī)的核心， 它不僅關(guān)系到性能指標(biāo)、噪聲振動、可靠性和使用壽命等，還涉及制造費(fèi)用及產(chǎn)品成 本。由于采用永磁磁場，使直流無刷電機(jī)擺脫一般直流電機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，滿足各種應(yīng)用市場的要求，并向著省銅節(jié)材、制造簡便的方

8、向發(fā)展。永磁磁場的發(fā)展與永 磁材料的應(yīng)用密切相關(guān)，第三代永磁材料的應(yīng)用，促使直流無刷電機(jī)向高效率、 小型 化、節(jié)能方向邁進(jìn)。為了實(shí)現(xiàn)電子換向必須有位置信號來控制電路。 早期用機(jī)電位置 傳感器獲得位置信號，現(xiàn)已逐步用電子式位置傳感器或其它方法得到位置信號，最簡便的方法是利用電樞繞組的電勢信號作為位置信號。 要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制必須有速 度信號。用獲得位置信號相近方法取得速度信號，最簡單的速度傳感器是測頻式測速 發(fā)電機(jī)與電子線路相結(jié)合。直流無刷電機(jī)的換向電路由驅(qū)動及控制兩部分組成，這兩部分是不容易分開的，尤其小功率用電路往往將兩者集成化成為單一專用集成電路。 在功率較大的電機(jī)中，驅(qū)動電路和控制電路

9、可各自成為一體。驅(qū)動電路輸出電功率， 驅(qū)動電動機(jī)的電樞繞組，并受控于控制電路。目前，驅(qū)動電路已從線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)成 脈寬調(diào)制的開關(guān)狀態(tài)，相應(yīng)電路組成也從晶體管分立電路轉(zhuǎn)成模塊化集成電路。模塊化集成電路有功率雙極晶體管、功率場效應(yīng)管和隔離柵場效應(yīng)雙極晶體管等組成形 式。雖然，隔離柵場效應(yīng)雙極晶體管價格較貴，但從可靠安全和性能角度看，選用它 還是較合適的?？刂齐娐酚米骺刂齐姍C(jī)的轉(zhuǎn)速、 轉(zhuǎn)向、電流（或轉(zhuǎn)矩）以及保護(hù)電機(jī)的 過流、過壓、過熱等。上述參數(shù)容易轉(zhuǎn)成模擬信號，用此來控制較簡單，但從發(fā)展來 看，電機(jī)的參數(shù)應(yīng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過數(shù)字式控制電路來控制電機(jī)。當(dāng)前，控制電路 有專用集成電路、微處理器和數(shù)字

10、信號處理器等三種組成方式。 在對電機(jī)控制要求不高的場合，專用集成電路組成控制電路是簡單實(shí)用的方式。 采用數(shù)字信號處理器組成 控制電路是今后發(fā)展方向，有關(guān)數(shù)字信號處理器將在下面交流同步伺服電動機(jī)中介 紹。目前，在微小功率范疇直流無刷電動機(jī)是發(fā)展較快的新型電機(jī)。由于各個應(yīng)用領(lǐng)域需要各自獨(dú)特的直流無刷電動機(jī)， 所以直流無刷電動機(jī)的類型較多。 大體上有計(jì)算 機(jī)外存儲器以及VCD DVD CD主軸驅(qū)動用扁平式無鐵心電機(jī)結(jié)構(gòu)，小型通風(fēng)機(jī)用外 轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)，家電用多極磁場結(jié)構(gòu)及內(nèi)裝式結(jié)構(gòu)， 電動自行車用多極、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 等等。上述直流無刷電動機(jī)的電機(jī)本身和電路均成一體， 使用十分方便，它的產(chǎn)量也 非常大。1

11、.3課題的研究目的本課題主要介紹以MC33035核心構(gòu)成的無刷直流電動機(jī)控制器的設(shè)計(jì)， 主要涉及 核心控制電路的構(gòu)成，IR2103的驅(qū)動，調(diào)速電路的實(shí)現(xiàn)，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的抗 干擾等方面的內(nèi)容。從而研究出高精度的人工心臟葉輪血泵。1.4無刷直流電機(jī)的發(fā)展永磁直流無刷電動機(jī)是近年來迅速成長起來的新型機(jī)電一體化電機(jī)。該電機(jī)由定子，轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子位置檢測元件霍爾傳感器等組成，既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便方便等特點(diǎn)，又具有直流電機(jī)的良好調(diào)速性，并且無機(jī)械式換向 器，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于各種場合。無刷直流電動機(jī)因其體積小，轉(zhuǎn)矩高，可靠性高， 維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在自動家用設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。 以前沒

12、有一個專用芯片對霍 爾傳感器檢測出的位置信號進(jìn)行譯碼，它本身更不具備過流，過熱，欠壓，正反轉(zhuǎn) 選擇等輔助功能，因而設(shè)計(jì)者最初采用分立元件組成的龐大的模擬電路來對它進(jìn)行 控制，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，調(diào)試變得相當(dāng)復(fù)雜，而且要占用很大的電路板，有時候與 把控制器內(nèi)嵌到電機(jī)內(nèi)部的要求相矛盾。 電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接 法，同三相異步電動機(jī)十分相似。電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體， 為了檢測 電動機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電 路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機(jī)的啟動、停止、制動信號，以控制電動機(jī)的啟動、 停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變

13、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，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和 顯示等等。由于無刷直流電動機(jī)是以自控式運(yùn)行的， 所以不會象變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無刷直流電動機(jī)的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能積的稀土釹鐵硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁無刷電動機(jī)的體積比同容量三相異步電動機(jī)縮 小了一個機(jī)座號。近三十年來針對異步電動機(jī)變頻調(diào)速的研究， 歸根到底是在尋找控制異步電動 機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法，稀土永磁無刷直流電動機(jī)必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài) 轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢。第二章課題設(shè)計(jì)的技

14、術(shù)原理和設(shè)計(jì)思路ML4428是美國Micro Lin ear公司生產(chǎn)的一種新型電動機(jī)控制專用集路。適合于 三角形或星形聯(lián)結(jié)三相無位置傳感器無刷直流電機(jī)全渡橋式驅(qū)動控制。該集成電路內(nèi)含有兩個專利技術(shù)，即新穎的電機(jī)起動技術(shù)和采用鎖相環(huán)的反電勢控制換相技術(shù)。該IC還內(nèi)置了線性與PW模式轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制及關(guān)斷時間固定的 PWM電機(jī)電流限制控制。 簡單的正反轉(zhuǎn)和制動控制，對與電機(jī)換相信號頻率相同的 vcO俞出信號進(jìn)行處理可測 得電機(jī)轉(zhuǎn)速，對電動機(jī)的限制是要求電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時定子繞組電感有30%的變化率。因此ML4428芯片在微型電動機(jī)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。2.1控制器結(jié)構(gòu)MC33035是MOTORLOR公司研制的第二

15、代無刷直流電機(jī)控制專用集成電路，加 上1片MC3309電子測速器將無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行FN轉(zhuǎn)換，形成轉(zhuǎn)速反饋信號，即可構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。外接6個功率開關(guān)器件組成三相逆變器，就可驅(qū)動三相永磁無刷直流電機(jī)，控制器電路構(gòu)成，如圖1所示，圖中S1控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，S2控制系統(tǒng)起停，S3選擇系統(tǒng)開環(huán)或閉環(huán)運(yùn)行，S4控制系統(tǒng)制動， S5選擇轉(zhuǎn)子位置檢測信號為60。或120。方式，S6控制系統(tǒng)的復(fù)位。電位器 RP1 用以設(shè)定所需電機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)光二板管L1用作故障指示，當(dāng)出現(xiàn)不正常的位置檢測信 號、主電路過流、3種欠電壓之一（芯片電壓低于 9.1V，驅(qū)動電路電壓低于9.1V， 基準(zhǔn)電壓低于4.5V）

16、、芯片內(nèi)部過熱、起停端低電平時，L1發(fā)光報(bào)警，同時自動封 鎖系統(tǒng)。故障排除后，經(jīng)系統(tǒng)復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。2.2控制原理從電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測器送來的三相位置檢測信號(SA,SB,SC 方面送入) MC33035經(jīng)芯片內(nèi)部譯碼電路結(jié)合正反轉(zhuǎn)控制端、起?？刂贫?、制動控制端、電流 檢測端等控制邏輯信號狀態(tài)，經(jīng)過運(yùn)算后，產(chǎn)生逆變器三相上、下橋臂開關(guān)器件的6路原始控制信號，其中，三相下橋開關(guān)信號還要按無刷直流電機(jī)調(diào)速機(jī)理進(jìn)行脈寬調(diào) 制處理。處理后的三相下橋 PWM控制信號 (Ar ,Br, Cr)經(jīng)過驅(qū)動電路整形、放大 后，施加到逆變器的6個開關(guān)管上，使其產(chǎn)生出供電機(jī)正常運(yùn)行所需的三相方波交流 電流。另一

17、方面，轉(zhuǎn)子位置檢測信號還送入 MC33039經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換，得到一個頻率與 電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號FB oFB通過簡單的 阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后形成轉(zhuǎn)速反饋信號， 利用MC33035中的誤差放大器即可構(gòu)成一個簡單的 P調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán) 控制，以提高電機(jī)的機(jī)械特性硬度。實(shí)際應(yīng)用中，還可外接各種PI, PD，調(diào)節(jié)電路以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。2.1設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過程分為下三個階段：反電勢控制換相原理：對于三相無刷直流電機(jī)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，定子繞組反電勢過零點(diǎn)對于轉(zhuǎn)子的空間坐 標(biāo)是固定的，不因電機(jī)的轉(zhuǎn)速而變。各種反電勢位置檢測換向控制系統(tǒng)一般都是利用 這個過零點(diǎn)進(jìn)行電機(jī)定子繞組換相控制。使電機(jī)

18、內(nèi)工作氣隙產(chǎn)生一個跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁 場，這個旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。ML4428芯片反電勢換向控制單元由反電勢采樣電路、壓控振蕩器及環(huán)路濾渡器組成鎖相環(huán)電路。 將壓控振蕩器vcO俞出頻率鎖定在電機(jī)定子繞組反電勢過零點(diǎn)所確定的頻率上，可控制電機(jī)逆變器換相邏輯，獲得準(zhǔn)確的換相時序。反電勢采樣電路又由中點(diǎn)模擬電路、 多路切換開關(guān)、符號變換電路組成電機(jī)定子繞組端電壓波形與假想中點(diǎn)電位相交點(diǎn)附 近部分，是該相繞組不激勵時間的反電勢波形。 通過VCCE控振蕩器輸出信號控制多 路切換開關(guān)輪番地將電機(jī)三相端電壓中的反電勢信號取出，經(jīng)與模擬中點(diǎn)電位相減后再通過符號電路處理，得到換相誤

19、差信號，該誤差信號通過跨導(dǎo)放大器加在環(huán)路濾波 器上。落后的換相使誤差放大器向20腳濾波器充電，從而增大VCC輸入電壓，使VCO 頻率增加。相反，提早換相將會引起 20腳上電容放電，使VCO俞入電壓減少，VCO 頻率減小。起動電路：前述電動機(jī)反電勢換相電路需要繞組反電勢有一定的大小，但當(dāng)電機(jī)起動或低速時，反電勢為零或較低，此時必須由其他辦法起動，ML4428起動電機(jī)時通過定子繞組的總電流波形。電動機(jī)起動時，ML4428先檢測轉(zhuǎn)子位置，由于電動機(jī)定子繞組隨 轉(zhuǎn)子位置不同其電感也不同。因此 ML4428向電動機(jī)定子繞組施加6個不同方向的檢 測激勵脈沖，在該脈沖激勵下電動機(jī)相應(yīng)產(chǎn)生 6個電流響應(yīng)，根據(jù)

20、6個電流響應(yīng)幅值 的不同可以確定轉(zhuǎn)子位置。由于每次激勵時間極短，一般為200 s,電動機(jī)在此階段不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。總的轉(zhuǎn)子位置檢測時間一般為 3 ms。然后根據(jù)測得的轉(zhuǎn)子位置選擇 恰當(dāng)?shù)尿?qū)動狀態(tài)。使電動機(jī)加速旋轉(zhuǎn).驅(qū)動時間可根據(jù)電機(jī)負(fù)載情況由19腳電阻設(shè)定，如此反復(fù)步進(jìn)驅(qū)動，直到 2(1腳電壓大于0. 6 V，定子繞組能產(chǎn)生足夠大的反 電勢時，進(jìn)入正常的反電勢鎖相環(huán)換相控制。速度控制：當(dāng)電機(jī)進(jìn)入正常的反電勢鎖相環(huán)換相控制時，內(nèi)置的速度控制電路開始起作用， 兩個跨導(dǎo)誤差放大器及附屬電壓反饋網(wǎng)絡(luò)與電流反饋網(wǎng)絡(luò)可分別構(gòu)成閉環(huán)速度調(diào)器 和電流調(diào)節(jié)器，采用PI控制方式，其輸出與鋸齒渡信號比較構(gòu)成 PWM方式

21、調(diào)速電路。 也可使6腳CPW端接地，此時跨導(dǎo)放大器的輸出通過緩沖電路后直接調(diào)制三個外置 N溝道MOSFE柵極，此時系統(tǒng)為線性方式調(diào)速模式。無刷直流電機(jī)一般是小型的電機(jī)一般采用L298N驅(qū)動，他一般可以同時驅(qū)動兩電機(jī)，如果擔(dān)心驅(qū)動不夠就可以采用兩個 L298M其內(nèi)部原理是采用H橋式差動放大。 L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機(jī)的 專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器， 接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電 平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機(jī)。其引腳排列如圖1中U4所示，1腳和15腳 可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個

22、電機(jī)，OUT、OUT2和OUT3 OUT4之間分別接2個電動機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制 電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。1298的邏輯功能如表1 所列。表1 L298N的邏輯功能Intel8253輸出二組PW波，每一組PW波用來控制一個電機(jī)的速 度另外二個I /O口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制方法與控制電路 都比較簡單。即P10 P11控制第一個電機(jī)的方向，輸入的：PWM控制第一個電機(jī)的 速度；P12、P13控制第二個電機(jī)的方向，輸入的 PWM控制第二個電機(jī)的速度。由于 電機(jī)在正常工作時對電源的干擾很大， 只用一組電源時會影響單片機(jī)的正常工作。 所 以選

23、用 雙電源供電。一組5V電源給單片機(jī)和控制電路供電，另外一組5V、9V電源 給L298N的+VSS +VS供電。在控制部分和電機(jī)驅(qū)動部分之間用光耦隔開，以免影響 控制部分電源的品質(zhì)。2.2芯片介紹 R1 Un' |I占2.3芯片功能MC33035結(jié)構(gòu)組成及功能其主要組成部分包括：（1 ）轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路；2 ）帶溫度補(bǔ)償?shù)膬?nèi)部基準(zhǔn)電源;3 ）頻率可設(shè)定的鋸齒波振蕩器;4 ）誤差放大器；（5 ）脈寬調(diào)制（PWM比較器；6 ）輸出驅(qū)動電路；7 ）欠電壓封鎖保護(hù)芯片過熱保護(hù)等故障輸出；8 ）限流電路。該集成電路的典型控制功能包括 PWM開環(huán)速度控制，使能控制（起動或停止） 正反轉(zhuǎn)控制和

24、能耗制動控制，適當(dāng)加上一些外圍元件，可實(shí)現(xiàn)軟起動。第三章硬件電路設(shè)計(jì)3.1硬件電路組成圖硬件扌空制系統(tǒng)框圖所示：圖2-1硬件控制系統(tǒng)框圖Fig. 2-1 The Diagram of Hardware Control System轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路該譯碼電路將電動機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器信號轉(zhuǎn)換成六路驅(qū)動輸出信號，三路上側(cè) 驅(qū)動輸出和三路下側(cè)驅(qū)動輸出。它適合于集電極開路的霍爾集成電路或光耦合電路等 傳感器。輸入端腳4、5、6都設(shè)有提升電阻，輸入電路分 TTL電路電平兼容，門檻 電壓為2.2V。該集成電路適用于傳感器相位差為,60 °、120°、240°、300

25、76;四種 情況的三相無刷電動機(jī)。由于3個輸入邏輯信號，可有8種邏輯組合。其中6種正常狀態(tài)決定了電動 機(jī)，個不同位置狀態(tài)。其余2種組合對應(yīng)于位置傳感不正常狀態(tài)，即 3個信號線 開路或?qū)Φ囟搪窢顟B(tài)，此時腳14將輸出故障信號（低電平）。用腳3邏輯電平來確定電動機(jī)轉(zhuǎn)向。當(dāng)腳3邏輯狀態(tài)改變時，傳感器信號在譯 碼器內(nèi)將原來的邏輯狀態(tài)改變成非， 再經(jīng)譯碼后，得到反相序的換向輸出，使電動機(jī) 反轉(zhuǎn)。電動機(jī)的起?？刂朴赡_7使能端來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)腳7懸空時，內(nèi)部有電流源使驅(qū) 動輸出電路正常工作。若腳7接地，3個上側(cè)驅(qū)動輸出開路（1狀態(tài)），3個下側(cè) 驅(qū)動輸出強(qiáng)制為低電平（0狀態(tài)），使電動機(jī)失去激勵而停車，同時故障信號輸出

26、 為零。當(dāng)加到腳23上的制動信號為高電平時，電動機(jī)進(jìn)行制動操作。它使3個上側(cè)驅(qū)動輸出開路，下側(cè)3個驅(qū)動輸出為高電平，外接逆變橋下側(cè) 3個功率開關(guān)導(dǎo)通， 使電動機(jī)3個繞組端對地短接，實(shí)現(xiàn)能耗制動。芯片內(nèi)設(shè)一個四與門電路，其輸入 端是腳23的制動信號和上側(cè)驅(qū)動輸出3個信號，它的作用是等待3個上側(cè)驅(qū)動輸 出確實(shí)已轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)后，才允許 3個下側(cè)驅(qū)動輸出變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，從而避 免逆變橋上下開關(guān)出現(xiàn)同時導(dǎo)通的危險，其控制真值表，如表1示。* lfc .mm 1.1<1出.； ： *Lr眩冃I%SF KGIf檢Lj!bkGn1o0io011g01F11O1iooQ1oo11(11O1ioo1o1

27、i04)ii111io01I<1I0IOO11ifloI1(1atoli1Qi1I1oo011d1oI1O0o141Q11ClIoot11°01on11ao1<1iO10>o1oij01ii）1oI11o1o1 n1iaII1t魅o<11IIQ1柑iDl»1111u1<1o1uii11oiQi昨|>N0*11ii）0Cl0I1nCClM11io<»ooNo(JI1io41«»K11(111I1r1tV-0111ti11101o111tQ0oif A1E1R-誕為 H O :誤差放大器該芯片內(nèi)設(shè)有高性能，

28、全補(bǔ)償?shù)恼`差放大器。在閉環(huán)速度控制時，該放大器的直 流電壓增益為80dB，增益帶寬為0.6MHz,輸入共模電壓范圍從地到 VREF （典型值 為6.25V ），可得到良好性能。作開環(huán)速度控制時，可將此放大器改接成增益為1的 電壓跟隨器，即速度設(shè)定電壓從其同相輸入端腳 11輸入。腳1213短接。脈寬調(diào)制器除非由于過電流或故障狀態(tài)使 6個驅(qū)動輸出調(diào)閉鎖，在正常情況下，誤差放大 器輸出與振蕩器輸出鋸齒波信號比較后，產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號，控制3個下側(cè)驅(qū)動輸出。改變輸出脈沖寬度，相當(dāng)于改變供給電動機(jī)繞組的平均電壓，從而控制其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。脈寬調(diào)制時序圖，如圖 3示。ILn_r.I整嗨11圖3脈寬調(diào)制

29、時序圖電流限制外接逆變橋經(jīng)一電阻Rs接地作電流采樣。采樣電壓由腳 9和腳15輸入至電 流檢測比較器。比較器反相輸入端設(shè)置有 100mV基準(zhǔn)電壓，作為電流限流基準(zhǔn)。在 振蕩器鋸齒波上升時間內(nèi)，若電流過大，此比較器翻轉(zhuǎn)，使下Rs觸發(fā)器重置，將驅(qū)動輸出關(guān)閉，以限制電流繼續(xù)增大。在鋸齒波下降時間，重新將觸發(fā)器置位，使驅(qū)動 輸出開通。利用這樣的逐個周期電流比較，實(shí)現(xiàn)了限流，若允許最大電流為Imax，則采樣電阻按下式選擇：Rs = 0.1/ Imax為了避免由換相尖峰脈沖引起電流檢測誤動作，在腳9輸入前可設(shè)置RC低通濾波器。3.2 MC33039電子測速器MC33039是為無刷直流電動機(jī)閉環(huán)速度控制專門設(shè)

30、計(jì)的集成電路， 系統(tǒng)不必使用 高價的電磁式或光電測速機(jī)，就可實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速控制。它直接利用三相無刷直流電動 機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器3個輸出信號，經(jīng)F / V 變換成正比于電動機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓。從MC33039結(jié)構(gòu)圖圖4可知，腳1、2、3接收位置傳感器3個信號，經(jīng) 有滯后的緩沖電路，以抑制輸入噪聲。經(jīng)“或”運(yùn)算得到相當(dāng)于電動機(jī)每對極下 6個 脈沖的信號。再經(jīng)有外接定時元件CT和Rr的單穩(wěn)態(tài)電路，從腳5輸出的fout信 號的占空比與電動機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，其直流分量與轉(zhuǎn)速成正比，此信號在外接低通濾波器 處理后，即可得到與轉(zhuǎn)速成正比的測速電壓。 三相電動機(jī)中應(yīng)用時的波形圖中，fout 是腳5輸出，Vout，( AVG表

31、示它的平均值，即直流分量。MC33O3g結(jié)構(gòu)謝CAO第四章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的信號采集、控制決策確定及控制量輸出等各項(xiàng)功能都要通過軟、硬件共同來實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能要求而設(shè)計(jì)的，它首先應(yīng)該可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。為此本裝置軟件設(shè)計(jì)的主要原則是：軟件的設(shè)計(jì)與硬件電路的設(shè)計(jì)綜合進(jìn)行。在軟件設(shè)計(jì)時盡量發(fā)揮單片機(jī)高性能的潛力，進(jìn)行硬件的 軟化，以減不控制系統(tǒng)硬件電路無器件的數(shù)量， 降低控制系統(tǒng)的造價和提高系統(tǒng)的可 靠性。各功能程序?qū)崿F(xiàn)模式化、子程序化，這樣便于程序的測試、移植和修改。同 時程序設(shè)計(jì)盡量考慮模塊的通用性， 這樣模塊的反復(fù)利用率高，可以節(jié)省大量

32、的程序 存儲單元。對程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)進(jìn)行合理規(guī)劃，為功能的擴(kuò)展預(yù)留空間，以提高序運(yùn)行的速度，使軟件升級更為容易與簡單。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，同時要進(jìn)行 抗干擾設(shè)計(jì)。軟件抗干擾是微機(jī)控制系統(tǒng)中提高可靠性和抗干擾能力。在程序中盡量避免使用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，因?yàn)閳?zhí)行這些子程序會占用較多的時間，而工業(yè)控制對是動 機(jī)保護(hù)動作實(shí)時性要求較高，例如當(dāng)電動機(jī)發(fā)生短路故障后，要求保護(hù)動作時間必須 小于0.2s，這就使單睛機(jī)沒有足夠的時間去反復(fù)調(diào)用這些子程序。因此本系統(tǒng)在程 序設(shè)計(jì)時都采用定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。本裝置所有軟件全部采用單片機(jī)匯編語言編寫， 而且采用了模塊化結(jié)構(gòu)，包括參 數(shù)設(shè)定模塊和保護(hù)運(yùn)行模塊，從而使程序簡單明了

33、，為軟件的編寫和修改提供了方便。 整個控制軟件的主程序框圖如圖 4.1所示。圖4.1主程序框圖4.2 感應(yīng)電動機(jī)運(yùn)行方式的方案數(shù)字化多功能電動機(jī)就果用數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)血流量的測量。通過對相應(yīng)的動作方程 進(jìn)行計(jì)算，加以分析、判斷，從而執(zhí)行判決的任務(wù)。4.3參數(shù)設(shè)定模塊在參數(shù)設(shè)定模塊中，運(yùn)行人員可通過“參數(shù)通道號”（鍵1）, “ +” （鍵2）, “一'（鍵3）和“完成”（鍵4）四個按鍵方便地進(jìn)行各個運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定、保護(hù)功能的選擇 和保護(hù)動作定值的整定，當(dāng)參數(shù)設(shè)定完后，將參數(shù)寫入EEPRO中保存起來。參數(shù)設(shè)定模塊的程序流程框圖如圖4.2所示。圖4.3參數(shù)設(shè)定模塊的程序流程框圖保護(hù)裝置的抗干擾設(shè)

34、計(jì)電動機(jī)保護(hù)裝置護(hù)電動機(jī)以及電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的重要任務(wù)，因而對可靠性和穩(wěn)定性的要求較高。解決可靠性和穩(wěn)定性的措施是多方面 的，而提高保護(hù)裝置的抗干擾能力是其重要的一方面。對于微機(jī)控制系統(tǒng)，大量干擾的存在會導(dǎo)致系統(tǒng)硬件的損壞，即使不造成系統(tǒng)硬件的損壞，也可能會便控制系統(tǒng)運(yùn) 行不正常，或運(yùn)行失靈。在一個測控系統(tǒng)中，抗干擾措施采取得不好，干擾會對測控 系統(tǒng)產(chǎn)生一些不良的影響，它表現(xiàn)在：數(shù)據(jù)采集誤差加大。干擾侵入微機(jī)的前向通 道中，疊加在信號上，造成數(shù)據(jù)可靠性和穩(wěn)定性運(yùn)行采集誤差加大?？刂茽顟B(tài)失靈。一般控制狀態(tài)的輸出多半是通過微機(jī)的后向通道來 進(jìn)行的，由于控制信號較大，它不易直接受到外界干擾。但

35、在微機(jī)控制系統(tǒng)中其控制 狀態(tài)的輸出常常是根據(jù)某些條件狀態(tài)的輸人和條件狀態(tài)的邏輯處理結(jié)果來進(jìn)行的。在這些環(huán)節(jié)中，由于干擾的侵入，會造成條件狀態(tài)的偏差，致使輸出控制誤差加大，甚 至使控制失常。數(shù)據(jù)受干擾而發(fā)生變化。微機(jī)系統(tǒng)中，由于 RAM是可以讀寫的，因 此，在干擾的侵害下，RAM中的數(shù)據(jù)會發(fā)生改變失真。在單片機(jī)系統(tǒng)中，程序、常數(shù) 都存放在ROM申，雖然避免了程序指令及常數(shù)受干擾而被破壞，但片內(nèi)RAM外部擴(kuò)展RAM以及片內(nèi)各種特殊功能寄存器等狀態(tài)都有可能受外來干擾而變化，干擾竄入渠道和受干擾數(shù)據(jù)性質(zhì)不同，系統(tǒng)受破壞的狀況也就不同，有的造成數(shù)值誤差，有的控 制失靈，有的改變某些部件的工作狀態(tài)等。 程

36、序運(yùn)行失常。微機(jī)系統(tǒng)中的強(qiáng)干擾會 造成程序計(jì)數(shù)器PC值的改變，破壞程序的正常運(yùn)行。由此可見，干擾的存在是值得注意的事情，對一個微機(jī)控制系統(tǒng)，良好的抗干能力是實(shí)現(xiàn)控制功能的前提條件。實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對三相感應(yīng)電動機(jī)的數(shù)字化故障保護(hù)，其特點(diǎn)是利用弱電測控強(qiáng)電，弱電的電壓只有幾伏，電流只有幾十毫安，而強(qiáng)電回路電壓有幾百伏，電流幾十上百 安，保護(hù)裝置所處工作環(huán)境的干擾是十分嚴(yán)重的。這些干擾信號的特點(diǎn)是頻率高、幅 度大，因而可以順利通過各種分布電容的禍合；另一方面這些干擾持續(xù)時間短，模擬 式靜態(tài)保護(hù)裝置可以用延時來躲過這些干擾， 而微機(jī)保護(hù)由于計(jì)算機(jī)的工作在時鐘節(jié) 拍的嚴(yán)格控制下以較高速度同步工作的，不能簡單

37、的設(shè)置延時電路，這就增加了干擾 問題的嚴(yán)重性。電動機(jī)保護(hù)的可靠性要求體現(xiàn)在兩個方面：不誤動、不拒動。一般地， 由于微機(jī)保護(hù)裝置工作在不停的以極高速度和極短周期循環(huán)執(zhí)行程序狀態(tài)，即處在一種動態(tài)工作過程中，所以只要這個過程不終止，干擾就不會產(chǎn)生拒動，至多是增加一 點(diǎn)動作延時。保護(hù)的防拒動措施主要是萬一干擾引起程序執(zhí)行停頓或進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài) 時能立即使保護(hù)重新自動啟動，”看門狗”即能滿足這一要求。如何防止干擾和元 器損壞引起裝置誤動，這是保護(hù)抗干擾的重點(diǎn)。主要有以下措施：防止可能的干擾迸人裝置內(nèi)部；增加對程序代碼、關(guān)鍵硬件的實(shí)時檢測功能，在關(guān)鍵元器件故障后 能及時采取相應(yīng)的措施；容錯設(shè)計(jì)。由于智能保護(hù)

38、裝置的硬件分為人機(jī)接口和保護(hù)兩大部分，因此相應(yīng)的軟件也就分為接口軟件和保護(hù)軟件兩大部分。接口軟件是指人機(jī)接口部分的軟件， 其程序可分為 監(jiān)控程序和運(yùn)行程序。執(zhí)行哪一部分程序是由接口面板的工作方式或顯示器上顯示的 菜單選擇來決定的。調(diào)試方式下執(zhí)行監(jiān)控程序，運(yùn)行方式下執(zhí)行運(yùn)行程序。監(jiān)控程序 主要就是鍵盤命令處理程序，是為接口插件及各種CPU呆護(hù)插件進(jìn)行調(diào)試和整定而設(shè) 置的程序：接口的運(yùn)行程序由主程序和定時中斷程序構(gòu)成。主程序主要完成巡檢保護(hù) 插件、鍵盤掃描和處理故障信息。定時中斷服務(wù)程序主要是各種啟動程序及軟件始終 程序。保護(hù)CPU勺保護(hù)軟件配置為主程序和兩個中斷服務(wù)程序。 主程序包括三個基本模

39、塊:初始化和自檢循環(huán)模塊、保護(hù)邏輯判斷模塊及跳閘處理模塊。中斷服務(wù)有定時采 樣中斷服務(wù)程序和CANS信中斷服務(wù)程序。4.4程序代碼80C 196KC無片內(nèi)程序存儲器(ROM)，數(shù)據(jù)存儲器空間也很少，僅有256個字節(jié),所以本系統(tǒng)需要擴(kuò)展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，同時考慮到用戶需要對保護(hù)裝置設(shè)定一些參數(shù)和整定值，這些參數(shù)和整定值在掉電的情況下不能丟失，因此還需擴(kuò)展非易失性ROM外部擴(kuò)展了一片32K的程序存儲器EPROM ( 27256 )存放程序，一片32K 的靜態(tài)存儲器RAM ( 62256 )作為采集數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)的暫存區(qū)，一片電可擦除可編 程只讀存儲器 EEPROM ( X84041存放保護(hù)裝

40、置的參數(shù)和整定值。它們的片選均由 GAL16V8來完成。美國晶格半導(dǎo)體公司 (Lattic Semiconductor) 的 GAL ( Generic Array Logic)芯片是目前最為理想的可多次編程的邏輯器件。GAL器件采用電擦除技術(shù)，無需紫外線照射就可以隨時進(jìn)行修改。在GAL的控制下，其配置信息為見附錄。由上面的配置信息可以看出存儲器 27256, 62256, X84041和AlD的地址分配分 別為:X84041 地址區(qū)：FOOOH-FFFFHA/D ( MAX 197地址區(qū)：系統(tǒng)采用74HC373作地址鎖存器，系統(tǒng)總線按 16位地址總線/8位數(shù)據(jù)總線配置。 對應(yīng)于系統(tǒng)總線的高8

41、位地址/數(shù)據(jù)分時復(fù)用總線使用，而P4 口對應(yīng)于系統(tǒng)總線的高 8位地址，這與MCS-51的相似，只是將MCS-51的P0,P2 口換成了 80C196KC的 P3, P4 口。在裝置中采用的EEPRO是 X84041 Micro Port Saver( 微處理器接口節(jié)省器件)，其存儲容量為4096位。它提供了串行存儲器的所有優(yōu)點(diǎn)，例如成本低、低功耗、 低電壓運(yùn)行以及小封裝尺寸。同時它具有較高的數(shù)據(jù)傳送速率以及需要較少的接口代 碼一不需要專用的串行總線。X84041直接連接到向處理器總線，并使用標(biāo)準(zhǔn)總線讀 寫操作序列在單數(shù)據(jù)線上通信。 從而消除了對專用口引腳、并行至串行轉(zhuǎn)換器、復(fù)雜 的ASIC工具軟件或其它連接邏輯的需要，符合本系統(tǒng)力求芯片數(shù)目少，硬件體積小， 成本低的設(shè)計(jì)思想。4.5系統(tǒng)軟件抗干擾設(shè)計(jì)在解決干擾問題時，軟件和硬件都重有重要的作用。因此在設(shè)計(jì)時