畢業(yè)設(shè)計(jì)張華友(終稿)

I目錄4787摘要 I31054Abstract II22020第1章緒論 171641.1課程研究背景及意義 1196421.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢 3117111.3畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容及任務(wù) 4326071.3.1研究內(nèi)容及設(shè)計(jì)方案 42951.3.2畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的方法和手段 5229821.4本論文主要內(nèi)容安排 512336第2章三相無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及特性 6239552.1電機(jī)的分類及無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 639002.1.1電機(jī)的分類 6106802.1.2無刷直流電機(jī)特點(diǎn) 6299632.1.3無刷直流電機(jī)的組成 618402.1.4無刷直流電機(jī)工作原理 8263942.1.5無刷直流電機(jī)參數(shù) 9277112.2無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 9302912.2.1無刷直流電壓方程 9130532.2.2轉(zhuǎn)矩方程 11138202.3三相無刷直流電機(jī)主電路及工作方式 11258512.3.1本系統(tǒng)三相無刷直流電機(jī)主電路的選擇 11182332.3.2三相無刷直流電機(jī)工作方式 1219773第3章無刷直流電機(jī)的控制原理 1814503.1無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的基本控制原理和總體框圖 18191713.1.1控制系統(tǒng)的基本原理 1815143.1.2系統(tǒng)整體框圖 18292343.2三相直流電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)原理 18237933.2.1三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 18140523.3脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù) 1981083.3.1脈寬調(diào)制原理 19291523.3.2脈寬調(diào)制方式 2017488第4章無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 22260584.1無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 2269534.1.1單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 22166594.1.2單片機(jī)AT89C51的特點(diǎn) 227564.1.3專用集成電路驅(qū)動(dòng)芯片LM621特點(diǎn) 26208364.2無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì) 30238184.2.1無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)電流環(huán)芯片及A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇 30316514.2.2電流環(huán)檢測芯片特點(diǎn)及工作原理 30102154.2.3電流環(huán)A/D轉(zhuǎn)換芯片的參數(shù)及特點(diǎn) 31258274.2.4檢測芯片與轉(zhuǎn)換芯片在原理圖中的應(yīng)用 3268564.3鍵盤輸入電路及啟動(dòng)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì) 32235434.3.1鍵盤輸入電路 32131884.3.2鍵盤各鍵功能介紹 33206124.3.3啟動(dòng)電流限制保護(hù)電路 34286074.4系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì) 35194004.4.1系統(tǒng)顯示電路驅(qū)動(dòng)芯片選擇及芯片特點(diǎn) 35299984.4.2七段數(shù)碼管引腳及工作原理 36164954.4.3顯示電路硬件接線圖 3818565第5章無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 39292235.1無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件組成 39289935.2無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)流程圖 39314545.2.1主程序流程圖 3962655.2.2鍵盤程序流程圖 41252825.2.3鍵盤掃描程序 4125417第6章結(jié)論 4310625參考文獻(xiàn) 443487致謝 4621091附錄 47沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章緒論1.1課程研究背景及意義1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，為現(xiàn)代電機(jī)的基本理論奠定了基礎(chǔ)。從19世紀(jì)40年代研制成功了第一臺(tái)直流電機(jī)之后，經(jīng)過近20年的時(shí)間，直流電機(jī)技術(shù)才趨于成熟。隨著電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，需要性能更高的直流電機(jī)，但是有接觸的機(jī)械換向裝置使有刷的直流電機(jī)在許多場合中的應(yīng)用受到了限制[1]。為了使直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)無刷化，人們曾對此做過長期探索和努力。在20世紀(jì)初，美國人Langnall研究出具有控制柵極的汞弧整流器，做出了首個(gè)可以實(shí)現(xiàn)將直流逆變成交流功能的裝置[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，開關(guān)型晶體管的研制成功，為創(chuàng)造新型直流電機(jī)—無刷直流電機(jī)帶來了生機(jī)[3]。美國人Harrison首次提出了用晶體管換相線路代替電機(jī)電刷接觸的思想，這就是無刷直流電機(jī)的雛形。無刷直流電機(jī)由功率放大部分、信號檢測部分、磁極體和晶體管開關(guān)電路等組成，其工作原理是當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在信號繞組中感應(yīng)出周期性的信號電動(dòng)勢，此信號電動(dòng)勢分別使晶體管輪流導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)換相[4]。問題在于，首先，當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，信號繞組內(nèi)不能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，晶體管無偏置，功率繞組也無法反饋電，所以這種無刷直流電機(jī)沒有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；其次，由于信號電動(dòng)勢的前沿陡度不大，晶體管的功耗大。為了克服這些弊病，人們采用離心裝置的換向器，或采用在定子上放置輔助磁鋼的方法來保證電機(jī)可靠地起動(dòng)[5]。但前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而后者需要附加的起動(dòng)脈沖。其后，經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)和不斷的實(shí)踐，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相裝置，從而為直流電機(jī)的發(fā)展開辟了新的途徑[6]。在1960年，各種新型的位置傳感器不斷被研制成功，伴隨著對半導(dǎo)體技術(shù)研究的不斷深入，人們對19世紀(jì)70年代末美國人霍爾提出的霍爾效應(yīng)再次進(jìn)行了深入研究，最后在20世紀(jì)60年代初成功地利用霍爾元件實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的換相，達(dá)到了電機(jī)無刷化的目的[7]。隨后，通過利用敏磁二極管來進(jìn)行換相的無刷直流電機(jī)又被研制出來。在20世紀(jì)60年代末，德國W.Mieslnger尋求采用電容移相來實(shí)現(xiàn)換相的新方法。在此基礎(chǔ)上。德國人R.Hanitsch試制成功借助數(shù)字式環(huán)形分配器和過零鑒別器的組合來實(shí)現(xiàn)換相的無位置傳感器無刷直流電機(jī)，各種永磁無刷直流電機(jī)和永磁無刷交流電機(jī)統(tǒng)稱為永磁無刷電機(jī)[8]。由于上述電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)顯著，已經(jīng)成為目前微特電機(jī)發(fā)展主流[9]。無刷直流電機(jī)是由特種電機(jī)、變速結(jié)構(gòu)、檢測元件、控制軟件及硬件組成的形成新型伺服系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的典型代表。無刷直流電機(jī)不但有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)等特點(diǎn)，又有直流電機(jī)效率高、調(diào)速性能好的特點(diǎn)，同時(shí)無勵(lì)磁損耗[10]。無刷直流電機(jī)在電磁結(jié)構(gòu)上和直流電機(jī)一樣，而且無刷直流電機(jī)的外特性與有刷直流電機(jī)相似。不同點(diǎn)是無刷直流電機(jī)將它的電樞繞組放在定子上，將永久磁鋼安放在定子上。無刷直流電機(jī)的電樞繞組一般采用多相形式，經(jīng)過逆變器接到直流電源，定子采用電子換向代替有刷電機(jī)的電刷和機(jī)械換向器，各項(xiàng)繞組逐次通電，在氣隙中產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn)子磁場主磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)無刷直流電機(jī)和其他類型的電機(jī)相比具有更高的可靠性、更高的效率和優(yōu)良的調(diào)速性能等諸多優(yōu)越性，并且隨著新型稀土永磁材料性能的提高與價(jià)格的降低帶來永磁無刷直流電機(jī)成本的降低，使這種優(yōu)越性將更加明顯[11]。無刷直流電動(dòng)機(jī)與數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，因此通過以單片機(jī)為主的數(shù)字控制是無刷直流電機(jī)的主要控制方法[12]。無刷直流電機(jī)主要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的控制。換相控制：對于有位置傳感器的控制系統(tǒng)，要根據(jù)位置傳感器獲得的信號進(jìn)行有規(guī)律的換相，需要進(jìn)行正確的選擇那些相通電、那些相斷電；對于位置傳感器的控制系統(tǒng)，要根據(jù)得到的感應(yīng)電動(dòng)勢信號來計(jì)算換相點(diǎn)，進(jìn)而判斷哪些相應(yīng)該通電、哪些相應(yīng)該斷電。轉(zhuǎn)速控制：無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制原理和有刷直流電動(dòng)機(jī)一樣，通過PWM方法來控制平均電樞電壓，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。利用帶有PWM口的單片機(jī)來自動(dòng)輸出PWM波便可以很容易的控制無刷直流電機(jī)。轉(zhuǎn)向控制：通過改變換相的通電順序來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制。但是，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可知，單純的利用單片機(jī)編程來控制無刷直流電機(jī)是非常復(fù)雜的，可以通過單片機(jī)來控制芯片，進(jìn)而控制無刷電機(jī)，這樣可以大大簡化編程、提高控制性能[13]。由上述的分析可以看出，無刷直流電機(jī)對于其它類型的電動(dòng)機(jī)來說是一種相對新型的電動(dòng)機(jī)，而且無刷直流電機(jī)的控制、驅(qū)動(dòng)與電子技術(shù)的發(fā)展十分密切，因此對于無刷直流電機(jī)本體及控制系統(tǒng)的了解研究是十分必要的[14]。1.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢多年來，隨著電動(dòng)機(jī)的不斷發(fā)展，在日常生活中電動(dòng)機(jī)已經(jīng)隨處可見。人們通過利用電動(dòng)機(jī)將機(jī)電能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，主要采用的電機(jī)可以分為交流電機(jī)和直流電機(jī)兩大類，其中交流電機(jī)又可以分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)兩種，對應(yīng)的容量大到上萬千瓦，小到幾瓦[15]。但是，眾所周知，早期的直流電機(jī)是通過機(jī)械電刷來進(jìn)行換相的，因而存在噪聲大、無線電干擾及機(jī)械摩擦減短使用壽命短等弱點(diǎn)，再加上傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的成本高和維護(hù)困難等缺點(diǎn)，使它的應(yīng)用范圍大大的受到了限制，所以在目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，大多選用三相異步電機(jī)。自1962年，人們研制出第一臺(tái)無刷直流電機(jī)以來，永磁無刷直流電機(jī)的控制已由單一控制向集中控制轉(zhuǎn)變。無刷直流電機(jī)的控制方法的研究及應(yīng)用已由經(jīng)典控制理論到現(xiàn)代控制理論再到智能控制理論，如PID控制、變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、無位置傳感器控制等等。永磁無刷直流電機(jī)、永磁無刷交流同步電機(jī)、永磁無刷力矩電機(jī)統(tǒng)稱為永磁無刷電機(jī)。由于永磁無刷電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為目前微特電機(jī)的主要研究方向[16]。近幾十年來，由于電機(jī)本體和相關(guān)學(xué)科如電力電子等的不斷完善，“無刷直流電機(jī)”這一概念已由單純的通過電子換相的直流電機(jī)延伸到指代所有具備既有刷直流電機(jī)的外部特性，又具有電子換向功能的電機(jī)。與此同時(shí)，隨著電機(jī)逐漸無刷化使電機(jī)的理論與模擬及數(shù)字專用集成電路等一系列相關(guān)學(xué)科進(jìn)一步相輔相成。如今在工業(yè)先進(jìn)的國家里，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的有刷直流電機(jī)已經(jīng)逐步被無刷直流電機(jī)取代，如美國、英國、日本、德國等國家的相關(guān)公司已經(jīng)不再大量生產(chǎn)伺服驅(qū)動(dòng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)。現(xiàn)在國內(nèi)外無刷直流電機(jī)的控制技術(shù)基本比較成熟，我國已經(jīng)制定出了GJB1863無刷直流電機(jī)通用規(guī)范。國外發(fā)達(dá)國家對無刷直流電機(jī)的研究內(nèi)容與國內(nèi)基本一致，但是美國與日本具在無刷電機(jī)的制造和控制方面領(lǐng)先國內(nèi)[17]?，F(xiàn)階段無刷直流電機(jī)的研究熱點(diǎn)如下所述：(1)通過簡化位置傳感器來提高系統(tǒng)可靠性，將電機(jī)的體積在最小化；(2)通過改良電機(jī)的設(shè)計(jì)方法及控制手段，來尋求抑制電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的新途徑，達(dá)到將伺服精度和應(yīng)用范圍最大化的目的；(3)研究用在無刷直流電機(jī)中更加穩(wěn)定、兼容性更好的控制器。由于無刷直流電機(jī)既有直流電機(jī)效率高、調(diào)速性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，又有交流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上簡單、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，所以在當(dāng)前國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都可以看到無刷直流電機(jī)的應(yīng)用，并在如航天、汽車制造業(yè)以及民用電器等方面將會(huì)更加普及[18]。1.3畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容及任務(wù)1.3.1研究內(nèi)容及設(shè)計(jì)方案綜合查閱，了解國內(nèi)外三相無刷直流電機(jī)的研究成果，然后自行設(shè)計(jì)一個(gè)三相無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)，完成相對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制部分的相關(guān)軟硬件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)得到性價(jià)比較高的三相無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，達(dá)到三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制要求，實(shí)現(xiàn)速度—電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)。基于單片機(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，主要是由電機(jī)本體、位置傳感器、控制器和功率驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，其控制核心是AT89C51單片機(jī)。通過采用PWM方式對三相無刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制，首先對輸入電流進(jìn)行整流，得到穩(wěn)定的8—12V后提供給逆變電路向三相無刷直流電機(jī)供電?；魻杺鞲衅鳈z測轉(zhuǎn)子位置信號并將得到的信號經(jīng)過處理送到LM621，程序根據(jù)位置信號發(fā)出一系列的PWM波，控制相應(yīng)的功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確換向，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電流霍爾傳感器采樣的實(shí)際電流經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，再進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。將整個(gè)三相永磁無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)分為逆變模塊、電機(jī)本體模塊、速度電流控制模塊等幾個(gè)部分。其中逆變電路采用三相全橋式，雙閉環(huán)采用PI控來加快系統(tǒng)反應(yīng)速度以消除系統(tǒng)穩(wěn)定誤差[19]。本系統(tǒng)是采用雙閉環(huán)實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，通過LM621來完成換相工作，達(dá)到控制無刷直流電機(jī)的啟停、速度和方向，完成了基本要求和發(fā)揮部分的要求。在系統(tǒng)中，采用PWM技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行控制，通過對占空比的改變達(dá)到精確調(diào)速的目的。該無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)分為兩部分，硬件部分和軟件部分。硬件部分主要包括電動(dòng)機(jī)本體、控制電路、功率變換電路、檢測電路和保護(hù)電路五部分。其中，功率變換電路包括：PWM信號處理電路和功率管驅(qū)動(dòng)電路。保護(hù)電路包括：電流保護(hù)電路、過壓欠壓保護(hù)電路。該系統(tǒng)主要的功能有電動(dòng)機(jī)的換相控制、正/反轉(zhuǎn)控制、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測量和閉環(huán)調(diào)速、電流限制等保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。軟件部分主要包括主程序、鍵盤掃描程序、顯示程序、啟動(dòng)程序、停機(jī)程序、正/反轉(zhuǎn)程序、測速程序、PWM輸出程序、延時(shí)程序等幾部分[20]。1.3.2畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的方法和手段本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是做三相無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)，通過PWM技術(shù)進(jìn)行調(diào)速，其中轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路采用開關(guān)型霍爾元件作為轉(zhuǎn)子位置傳感器來實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)子位置，通過帶有霍爾電流傳感器的芯片來檢測電流，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制。功率開關(guān)電路采用三相全橋式逆變電路，選用六個(gè)功率場效應(yīng)管（MOSFET）。1.4本論文主要內(nèi)容安排第1章簡單介紹了本論文研究題目的歷史背景和現(xiàn)代的發(fā)展趨勢以及研究課題的意義。第2章詳細(xì)闡述了電機(jī)的分類以及無刷直流電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和基本工作原理，并給出無刷直流電機(jī)的主電路圖。第3章對無刷直流電機(jī)的微機(jī)控制技術(shù)和系統(tǒng)主要控制方案進(jìn)行說明。第4章詳細(xì)介紹了AT89C51單片機(jī)及無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的功能，并給出51系列單片機(jī)配合無刷直流電機(jī)專用芯片控制電機(jī)的完整硬件電路圖。第5章是本系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)，給出各個(gè)主要部分的軟件流程圖。

第2章三相無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及特性2.1電機(jī)的分類及無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.1.1電機(jī)的分類電機(jī)按工作電源種類可以分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，具體劃分如下所示，(1)直流電機(jī)包括有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)。其中永磁直流電機(jī)包括稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)、鐵氧永磁直流電動(dòng)機(jī)、鋁鎳永磁直流電動(dòng)機(jī)。電磁直流電機(jī)包括串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。而無刷直流電機(jī)為稀土永磁無刷直流電機(jī)。(2)交流電機(jī)包括同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)。其中同步電動(dòng)機(jī)包括永磁同步電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電動(dòng)機(jī)、磁滯同步電動(dòng)機(jī)。而異步電動(dòng)機(jī)包括交流換向器電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。2.1.2無刷直流電機(jī)特點(diǎn)無刷直流電機(jī)的特點(diǎn)很多，敘述如下：(1)工作電壓種類多：直流供電，高低交流電壓均不受限制。(2)容量范圍大：標(biāo)準(zhǔn)的無刷直流電機(jī)容量可達(dá)400KW。(3)低頻轉(zhuǎn)矩大：低速時(shí)便可達(dá)到理想轉(zhuǎn)矩輸出，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)到兩倍以上。(4)高精度運(yùn)轉(zhuǎn)：不超過1rpm（不受電壓或負(fù)載變動(dòng)的影響）。(5)高效率：效率比傳統(tǒng)的直流電機(jī)高出5～30%。(6)過載容量高：負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動(dòng)在200%以內(nèi)，輸出轉(zhuǎn)速不變。(7)調(diào)速范圍：簡易型/通用型（1：10）高精度型（1：100）。(8)體積彈性大：比異步電機(jī)尺寸小，可以按需要做成各種形狀。(9)制動(dòng)性能良好：可以在四象限運(yùn)行。其他：可以設(shè)計(jì)成外轉(zhuǎn)子電機(jī)（定子旋轉(zhuǎn)）；可設(shè)計(jì)成全封閉型IP-54IP-65防爆型；允許高頻度快速啟動(dòng)電機(jī)；通用型的產(chǎn)品安裝尺寸和一般的異步電動(dòng)機(jī)相同，便于技術(shù)改造[21]。2.1.3無刷直流電機(jī)的組成無刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)類似，內(nèi)部也有旋轉(zhuǎn)磁場及電樞，但是無刷直流電機(jī)中有一個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器，用來檢測轉(zhuǎn)子的位置，并且將它與換相線路相連，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流電機(jī)中起換相作用的電刷。同時(shí)，無刷直流電機(jī)中的電樞繞組直接與功率開關(guān)器件（如晶閘管、晶體管、電力場效應(yīng)管等）相連，通過控制功率開關(guān)器件的關(guān)斷及導(dǎo)通來進(jìn)行換相。無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖直流無刷直流電機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路共三部分組成。對于電機(jī)本體來說，電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上和交流電機(jī)中的永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，不同點(diǎn)是無刷直流電機(jī)沒有籠型繞組和其他的啟動(dòng)裝置，定子繞組一般都制成多相，轉(zhuǎn)子則是由永久磁鋼按照一定的極對數(shù)（2p=2，4，···）組成。對于位置傳感器來說，位置傳感器在無刷直流電動(dòng)機(jī)中作用是測定轉(zhuǎn)子磁極位置，然后提供正確的換相信息給邏輯開關(guān)電路，即將位置傳感器獲得的轉(zhuǎn)子永久磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，再去控制定子繞組的換相。在目前的市場中，位置傳感器的種類較多，而且特性各異。其中，電磁感應(yīng)式位置傳感器、光電式位置傳感器、敏磁式位置傳感器、光電編碼器式位置傳感器[1]都是直流無刷電動(dòng)機(jī)中常用的幾種位置傳感器。對于無刷直流電動(dòng)機(jī)中的電子開關(guān)線路的作用是控制電動(dòng)機(jī)定子各相繞組的通電順序和時(shí)間，主要由功率開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩部分組成。其中，功率開關(guān)單元作為控制電路的核心，起到將電源的功率分配給電動(dòng)機(jī)定子上的各相繞組的作用，使連續(xù)的轉(zhuǎn)矩由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生出來。而位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置信號決定各相繞組的導(dǎo)通的順序及時(shí)間長短，但是位置傳感器的信號需要特定的邏輯處理關(guān)系才能控制功率開關(guān)。對于無刷電機(jī)通過電子換相取代機(jī)械換向器換相問題的解決方法是在定子繞組的某一相通電時(shí)，該相的電流和轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁極相互作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，通過位置傳感器將轉(zhuǎn)子永久磁鋼的位置信號轉(zhuǎn)化成電信號來控制電子開關(guān)電路，從而使定子各相繞組按照一定順序?qū)?，進(jìn)而定子相電流會(huì)隨著轉(zhuǎn)子位置的變化而按照一定的次序換相，而且，電子開關(guān)線路的導(dǎo)通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，就保證了電子換相取代機(jī)械換向器作用的目的，實(shí)現(xiàn)了無刷。無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。圖2-2無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖2.1.4無刷直流電機(jī)工作原理就無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)而言，可以將其看成由電子開關(guān)線路、轉(zhuǎn)子磁極位置傳感器以及永磁同步電動(dòng)機(jī)三者共同組成的一臺(tái)“電子電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”。無刷直流電機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。圖2-3無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理框圖一般來說，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)都是以電樞為轉(zhuǎn)子，磁鐵為定子，在氣隙里產(chǎn)生勵(lì)磁磁場，當(dāng)電樞通電便產(chǎn)生感應(yīng)磁場。運(yùn)行時(shí)，為了產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，通過電刷作用使兩個(gè)磁場在方向上始終保持垂直，來保證電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，電刷的換向作用使兩個(gè)磁場間相互保持正交，在理論上沒有耦合作用，就可以獨(dú)立的對電樞電流進(jìn)行控制，從而十分方便的來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。但是，為了達(dá)到直流電機(jī)的無刷換向的目的，首先要把一般直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組安裝在定子上，而把永久磁鐵放在轉(zhuǎn)子上，恰好跟傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)相反。當(dāng)然，僅僅這樣是不行的，由于在普通的直流電機(jī)定子上的各相繞組通以一般的直流電源，只能產(chǎn)生固定不變的磁場，該磁場無法與運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)子磁鐵所產(chǎn)生的永久磁場相互作用，來產(chǎn)生單一方向的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩。因此，除了有由定子和轉(zhuǎn)子組成的電動(dòng)機(jī)本體之外，還要有位置傳感器、控制電路和功率邏輯開關(guān)所組成的還想裝置，保證定子繞組所產(chǎn)生的磁場和在轉(zhuǎn)子中轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的永久磁場在直流無刷電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，在空間始終保持在900左右的電角度[22]。2.1.5無刷直流電機(jī)參數(shù)本控制系統(tǒng)選用的無刷直流電機(jī)參數(shù)：額定功率，100W；額定電壓，24V(DC)；額定轉(zhuǎn)速，3000r/min；額定電流，4.0A；最大電流，8.0A；額定轉(zhuǎn)矩，0.23N.m；最大轉(zhuǎn)矩，0.46N.m；定位轉(zhuǎn)矩，0.01N.m；極對數(shù)，4；霍爾傳感器位置，呈600放置。2.2無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析時(shí)將研究對象理想化，假設(shè)如下所述：(1)三相繞組完全對稱，氣隙磁場視為方波，定子電流及轉(zhuǎn)子磁場都對稱。(2)將電樞繞組均勻連續(xù)的分布在定子的內(nèi)表面。(3)定子電流視為三相的對稱1200（電角度）的矩陣波，定子繞組視為600相寬的集中整矩繞組。(4)忽略溫度和電樞反應(yīng)等影響。2.2.1無刷直流電壓方程由電機(jī)的電壓平衡方程如下：(2-1)式中，U為每相的電壓，r為每相的電阻，i為每相的電流，L為每相的電感，E為每相的反電動(dòng)勢，則三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電壓方程如下所示：(2-2)(2-3)(2-4)其中，ua、ub、uc為外加的對應(yīng)各相的相電壓，ia、ib、ic是對應(yīng)各相的相電流，L為每相電感的自感，Mab、Mbc、Mca為每相間的互感，ea、eb、ec為對應(yīng)各相的每相的反電勢。ra、rb、rc為對應(yīng)各相的相電阻。由于是三相六個(gè)狀態(tài)每次導(dǎo)通兩相，且為Y形連接，沒有中心線，另外，(2-5)其中，ia、ib、ic是A相、B相、C相的相電流。把式(2-5)代入(2-2)，(2-3)，(2-4)中，且Mab=Mbc=Mca=M，方程可化為：(2-6)其中，ua、ub、uc為外加的A相、B相、C相的相電壓；ia、ib、ic是A相、B相、C相的相電流；ea、eb、ec為A相、B相、C相每相的反電動(dòng)勢；P為微分算子，P=d/dt。根據(jù)式(2-6)可得到一下等效電路如圖2-4所示。圖2-4無刷直流等效電路圖2.2.2轉(zhuǎn)矩方程無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電動(dòng)機(jī)相似，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流幅值成正比，即：(2-7)其中，Te為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，Pn為電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)；為電動(dòng)機(jī)的角速度；ia、ib、ic是A、B、C相的相電流；ea、eb、ec為A相、B相、C相每相的反電動(dòng)勢。在忽略轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的粘滯系數(shù)的情況下，無刷直流電動(dòng)機(jī)的方程如下：(2-8)其中，Te為額定轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的總和，為機(jī)械角速度[24]。2.3三相無刷直流電機(jī)主電路及工作方式2.3.1本系統(tǒng)三相無刷直流電機(jī)主電路的選擇無刷直流電機(jī)一般制成多相結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)有半橋驅(qū)動(dòng)和全橋驅(qū)動(dòng)兩種。全橋驅(qū)動(dòng)根據(jù)聯(lián)結(jié)方式不同分為三角形聯(lián)結(jié)和星形聯(lián)結(jié)，并對應(yīng)不同的通電方式。對于不同的電機(jī)性能要求和成本估計(jì)可以有不同的選擇方案，這需要每個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者從實(shí)際方面進(jìn)行考慮。下面將幾個(gè)需要考慮的方面進(jìn)行說明：對于繞組的利用率來說，由于無刷直流電動(dòng)機(jī)和普通直流電動(dòng)機(jī)不同的是無刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組不是連續(xù)通電的（即斷續(xù)的），所以可以適當(dāng)?shù)奶岣呃@組利用率不但可以使通電導(dǎo)體數(shù)量增加，同時(shí)電阻下降，還可以提高效率。因此，從這方面可以看出，三相電機(jī)比四相電機(jī)好，全橋比半橋好。對于轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)來說，無刷直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比普通直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，希望轉(zhuǎn)矩波動(dòng)越小越好。一般來說，相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)就越小，同時(shí)全橋驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比半橋波動(dòng)要小。對于電路的成本來說，由于電機(jī)的相數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)電路的需要的開關(guān)管越多，所以，成本就會(huì)越高。全橋驅(qū)動(dòng)所需的開關(guān)管數(shù)量是半橋所需數(shù)量的兩倍[25]。根據(jù)基本原理及上面所述可知，無刷電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行時(shí)，定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永久磁場在空間始終在（）rad左右的電角度，選用三相電源供給定子繞組，電機(jī)主電路圖如圖2-5所示。圖2-5電機(jī)主電路圖2.3.2三相無刷直流電機(jī)工作方式本文是基于單片機(jī)研究無刷電機(jī)控制系統(tǒng)，因此將單片機(jī)的控制信號輸入到LM621的輸入端，再通過LM621輸出控制信號驅(qū)動(dòng)MOSFEI開關(guān)，這樣就達(dá)到單片機(jī)的輸出端將高壓信號加載到無刷直流電機(jī)各繞組上的目的。在本系統(tǒng)中，三相逆變電路中應(yīng)用使用最頻繁的三相橋式全控逆變電路。將電機(jī)的三相繞組聯(lián)結(jié)為星形（Y聯(lián)結(jié)），選用六個(gè)MOSFEI管作為繞組的開關(guān)，高電平導(dǎo)通，常見的通電方式為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通[26]。(1)兩兩通電方式對于兩兩通電方式表示有兩個(gè)功率管在每一瞬間導(dǎo)通，每隔1/6周期（周期3600)進(jìn)行一次換相，并換一個(gè)功率管，每個(gè)導(dǎo)通的功率管的導(dǎo)通電角度為1200。六個(gè)功率管的以VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、VF1VF2···為導(dǎo)通順序不斷循環(huán)。當(dāng)VF1和VF2導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)VF1管從A相繞組流入，再從C相繞組流出，再過VF2管流回電源。如果將流入繞組的電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩認(rèn)為是正的，則認(rèn)為流出繞組的電流對應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是負(fù)的，合成轉(zhuǎn)矩大小為Ta,對應(yīng)的方向?yàn)門a和-Tc的角平分線方向。在電機(jī)轉(zhuǎn)過600之后，按照到通順可知，換成VF2與VF3兩個(gè)管導(dǎo)通。這時(shí)電流從B相流入經(jīng)C相流出，再通過VF2流回電源，合成轉(zhuǎn)矩大小不變，但方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了600。同理可知，按照導(dǎo)通順序，每換一次相的同時(shí)換另一個(gè)功率管，而產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩矢量大小保持Ta不變，但方向?qū)?yīng)轉(zhuǎn)過了600電角度。星形聯(lián)結(jié)繞組采用兩兩通電產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖如圖2-6所示。(a)VF1、VF2導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩；(b)VF2、VF3導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩；(c)兩兩通電時(shí)合成轉(zhuǎn)矩矢量圖圖2-6星形(Y)聯(lián)結(jié)繞組兩兩通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖因此，對于同一臺(tái)無刷直流電機(jī)來說，在同樣采用星形聯(lián)結(jié)條件下，每相通電繞組在兩兩換相時(shí)三相全控電路相比三相半控電路，合成轉(zhuǎn)矩增加了倍，在一個(gè)周期中，每個(gè)功率管導(dǎo)通1200，對應(yīng)每個(gè)繞組通電2400，正反相各自通電1200，輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖2-7所示。圖2-7全控橋輸出波形圖通過圖2.6可以看出，采用三相全控電路產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩比采用三相全控時(shí)小很多，僅從0.87Tm到Tm.例如將三個(gè)霍爾集成電路以1200的相位差安裝在無刷直流電機(jī)上，控制電路可以選用一片74LS138型譯碼器和74LS09、74LS38兩片門電路構(gòu)成，產(chǎn)生的波形如圖2-8所示。圖2-8全控橋兩兩通電電路傳感器輸出轉(zhuǎn)矩波形本系統(tǒng)選用無刷直流電機(jī)專用集成LM621來控制電機(jī)換相，全控橋兩兩通電電路原理示意圖如圖2-9所示。圖2-9全控橋兩兩通電電路原理示意圖(2)三三通電方式對于三三通電方式是指在每一瞬間同時(shí)有三只功率管導(dǎo)通，每個(gè)功率管導(dǎo)通180電角度，每隔600換相一次，以VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3···作為導(dǎo)通順序。在VF6VF1VF2導(dǎo)通時(shí)，電流從VF1管流入A相繞組，經(jīng)過C相和B相繞組，再分別從VF6管和VF2管流出，這時(shí)C相和B相繞組的電流分別為A相繞組流過的電流的一半，如果假定電流的方向從A到B、C到B、A到C所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)。流向A相繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，而流入B相繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)，其產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩的對應(yīng)矢量方向和A相相同，大小為1.5Ta。當(dāng)經(jīng)過了600（電角度），從VF6VF1VF2換相到VF1VF2VF3，先關(guān)斷VF6而后將VF3由關(guān)斷狀態(tài)變成導(dǎo)通，電流分別從VF1和VF3流入，經(jīng)過A相和B相繞組，最后電流流入C相繞組，再經(jīng)VF2流出。合成轉(zhuǎn)矩方向相應(yīng)的轉(zhuǎn)過600（電角度），與-C相同，大小為1.5Ta不變。再經(jīng)過600（電角度），按照導(dǎo)通順序換相到VF1VF2VF3，對應(yīng)的合成轉(zhuǎn)矩如圖2-10所示。(a)VF6VF1VF2導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩；(b)VF1VF2VF3導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩；(c)三三通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩圖2-10三三通電時(shí)對應(yīng)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖通過對逆變電路的整體分析可知，在三三通電方式中，每個(gè)時(shí)刻總有三個(gè)功率管同時(shí)通電，每個(gè)功率管導(dǎo)通1800電角度，每次有一個(gè)功率管換相。因此，從某一相上看，星形聯(lián)結(jié)三三通電方式的相電壓波形如圖2-11所示。圖2-11星形（Y）聯(lián)結(jié)三三通電方式單相電壓波形另外，從直流電源性質(zhì)的角度可以將逆變電路分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路兩種[27]。對于電壓型逆變電路特點(diǎn)如下所述：(1)將電壓源作為直流側(cè)，一般并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。好處是直流側(cè)的電壓基本無脈動(dòng)，而且直流回路呈現(xiàn)低阻抗。(2)由于直流電壓源起到鉗位作用，所以交流側(cè)輸出矩形波的電壓輸出，而且和負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流對應(yīng)的波形及相位隨著負(fù)載的變化而變化。(3)當(dāng)交流側(cè)的負(fù)載為阻感性時(shí)，需要提供給交流側(cè)無功功率，直流側(cè)的電容起到對無功能量的緩沖作用。在逆變橋的各橋臂上并聯(lián)二極管用于為交流側(cè)向直流側(cè)提供通道來反饋無功能量。對于電流型逆變電路特點(diǎn)如下所述：(1)將大電感串聯(lián)在直流側(cè)，起到電流源的作用。直流側(cè)的電流基本上沒有脈動(dòng)，并且直流回路表現(xiàn)為高阻抗。(2)開關(guān)器件在電路里的作用僅是改變直流電流的途徑，所以交流側(cè)的輸出電流波形為矩陣波，而且和負(fù)載的阻抗角沒有關(guān)系。對應(yīng)交流側(cè)輸出的電壓波形及相位則隨負(fù)載阻抗變化而變化。(3)在交流側(cè)接阻感負(fù)載的時(shí)侯無功功率需要被提供，起緩沖無功能量作用的是直流側(cè)的電感。電流型逆變電路不用在開關(guān)器件上并聯(lián)反饋二極管為無功能量提供流通途徑，因?yàn)樵摕o功能量并不反向。通過上述比較，本系統(tǒng)采用電壓型逆變電路，電壓型逆變電路主要應(yīng)用于籠式交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和不停電電源兩方面。

第3章無刷直流電機(jī)的控制原理3.1無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的基本控制原理和總體框圖3.1.1控制系統(tǒng)的基本原理本系統(tǒng)是以AT89C51單片機(jī)作為控制核心，利用LM621來控制無刷直流電動(dòng)機(jī)換相，設(shè)計(jì)2*3鍵盤輸入，通過使用MC14511BCP來拓展單片機(jī)端口實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管來顯示轉(zhuǎn)速的目的，通過霍爾傳感器將轉(zhuǎn)速反饋給專用集成芯片LM621，通過帶有霍爾電流傳感器的芯片ACS712將電機(jī)電流模擬量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0804轉(zhuǎn)換后將電流數(shù)字量反饋給AT89C51實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)。在系統(tǒng)中是通過調(diào)節(jié)占空比來達(dá)到轉(zhuǎn)速精確調(diào)節(jié)的目的，也就是所謂的PWM技術(shù)。3.1.2系統(tǒng)整體框圖系統(tǒng)整體框圖如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)整體框圖3.2三相直流電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)原理3.2.1三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由于本系統(tǒng)是基于單片機(jī)對三相無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究，所以通過控制專用集成電路芯片來驅(qū)動(dòng)三相全橋逆變電路來實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的換相。當(dāng)單片機(jī)的控制信號送到控制集成電路芯片的輸入端，然后通過集成芯片的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)來控制信號加載到功率管MOSFEI的柵極上，通過控制功率管再進(jìn)一步控制無刷直流電機(jī)換相。這樣單片機(jī)通過控制各相輸出的相位關(guān)系在轉(zhuǎn)子到達(dá)適當(dāng)位置時(shí)進(jìn)行換相，這樣就可以使單片機(jī)端口輸出的TTL電平的同時(shí)將輸出端的高壓信號加載無刷直流電機(jī)相對應(yīng)的繞組上[28]。由于全橋驅(qū)動(dòng)器將輸入的直流電壓直接逆變成為三相交流電壓，所以在一定程度上，可以將系統(tǒng)中的全橋驅(qū)動(dòng)器看成全橋逆變電路三相全橋驅(qū)動(dòng)電路如圖3-2所示。圖3-2三相直流電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)電路由上章可以知道本系統(tǒng)采用電壓型逆變電路，所以由電壓型逆變電路特點(diǎn)可以知道，由于交流側(cè)的負(fù)載為阻感性，所以需要供給交流側(cè)無功功率，在逆變橋的各橋臂上并聯(lián)反饋二極管給交流側(cè)向直流側(cè)反饋無功能量提供通道，這樣可以釋放感應(yīng)出的大電流，保護(hù)電機(jī)線圈，延長電機(jī)的使用壽命。3.3脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)3.3.1脈寬調(diào)制原理PWM(PulseWidthModulation)控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。PWM是一種利用數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的技術(shù)，在逆變電路中應(yīng)用最為廣泛。在實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)中，PWM是控制固定電壓的直流電源的開關(guān)頻率來改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法[29]。在一個(gè)PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)速系統(tǒng)中，以一個(gè)固定的頻率來接通關(guān)斷電源，可以根據(jù)要求在固定周期中改變接通或者關(guān)斷時(shí)間大小，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)平均電壓的目的，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如圖3-3所示。圖3-3PWM占空比原理假設(shè)電動(dòng)機(jī)接通電源時(shí)，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為Vmax，設(shè)占空比的大小D=t1/T，則電機(jī)的平均速度公式Va=Vmax*D。其中，Va為電機(jī)的平均速度；Vmax為電機(jī)通電時(shí)的最大轉(zhuǎn)速；D為占空比。因此，由上述公式可知，當(dāng)改變占空比的大小，對應(yīng)電機(jī)的平均速度Va也隨之變化，也就是對電機(jī)進(jìn)行了調(diào)速。由于嚴(yán)格來說，電機(jī)的平均速度大小Va與占空比大小D不是理想化的線性關(guān)系，但是為了計(jì)算簡便，常常將兩者近似當(dāng)作線性關(guān)系計(jì)算。由于模擬電路控制容易隨時(shí)間漂移，容易產(chǎn)生不必要的熱損耗，有時(shí)模擬電路對噪聲也比較敏感，而通過PWM技術(shù)可以具有很強(qiáng)的抗噪性，可以節(jié)約空間、能源等，實(shí)現(xiàn)用數(shù)字方式來控制模擬信號的目的，同時(shí)大幅降低了成本和功耗[24]。3.3.2脈寬調(diào)制方式由于受到電力電子器件發(fā)展水平的制約，雖然PWM控制基本原理早已提出，但直到上世紀(jì)80年代，伴隨著全控型電力電子器件的迅猛發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。到目前為止，已經(jīng)研究出多種PWM技術(shù)，并且該技術(shù)與微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及一些如現(xiàn)代控制理論、非線性控制思想等新的理論方法緊密相聯(lián)，使PWM技術(shù)得到了極大的發(fā)展空間。根據(jù)不同的PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，目前主要包括相電壓控制PWM、線電壓控制PWM、電流控制PWM、空間電壓矢量控制PWM、矢量控制PWM、直接轉(zhuǎn)矩控制PWM等。其中，相電壓控制PWM包括等脈寬PWM法、隨機(jī)PWM法、SPWM法、梯形波與三角波比較法；線電壓控制PWM包括馬鞍形波與三角波比較法和單元脈寬調(diào)制法；電流控制PWM包括滯環(huán)比較法、三角波比較法、預(yù)測電流控制法。

第4章無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片的選擇4.1.1單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片的選擇選擇單片機(jī)時(shí)，首先要考慮的是該芯片的穩(wěn)定性，因?yàn)楫?dāng)穩(wěn)定性達(dá)到要求時(shí)可以最大程度的降低整個(gè)開發(fā)系統(tǒng)的成本。通過多方面比較我們選擇美國ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的主控制器。該單片機(jī)為51內(nèi)核，可以使用C51對其進(jìn)行編程，而且該單片機(jī)使用調(diào)試方便，價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定。在該單片機(jī)的內(nèi)部集成了上電復(fù)位、RC振蕩器等電路，而且只要使用PL2303對VCC、RXD、TXD、GND四個(gè)端口進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，就可以將程序?qū)懭隱30]。由于采用軟件換相，單片機(jī)需要不斷的執(zhí)行換相操作才能保證電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)下去，同時(shí)單片機(jī)還要控制轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等操作，所以這樣編程會(huì)十分的復(fù)雜，所以本控制系統(tǒng)采用專用集成電路芯片LM621來完成電動(dòng)機(jī)的換相工作。4.1.2單片機(jī)AT89C51的特點(diǎn)本系統(tǒng)選用ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)屬于51系列，特點(diǎn)如下所述，(1)AT89C51單片機(jī)從內(nèi)部的硬件到軟件具有一套完整的按位操作系統(tǒng)，即位處理器，或稱作布爾處理器。眾所周知，能對位進(jìn)行邏輯運(yùn)算的單片機(jī)十分少見，51單片機(jī)的位處理器的處理對象是位，不但可以對片內(nèi)特殊功能寄存器的位進(jìn)行傳送、置位、測試、清零等操作，還可以對位進(jìn)行邏輯運(yùn)算。(2)AT89C51單片機(jī)在片內(nèi)RAM區(qū)間開辟了一個(gè)具有雙重的地址區(qū)間，共十六個(gè)字節(jié)，單元地址為20H～2FH，該區(qū)間既可以對字節(jié)進(jìn)行處理，又可以對位進(jìn)行處理，使用十分靈活，給使用者提供了極大的方便。因?yàn)橐粋€(gè)復(fù)雜的程序在運(yùn)行過程中必然會(huì)遇到很多的分支，因此需要建立標(biāo)志位，同時(shí)在運(yùn)行中需要對相關(guān)的標(biāo)志位進(jìn)行置位、檢測或清零，來保證程序運(yùn)行方向的正確，在51單片機(jī)里，實(shí)現(xiàn)這一功能只需要一條位操作指令即可。(3)AT89C51單片機(jī)的乘法和除法指令給編程帶來很多方便。由于很多的八位單片機(jī)都不具有乘法功能，需要編上一段子程序來執(zhí)行乘法。而在51單片機(jī)中，做乘法只需一條指令就行了，即MULAB。而八位除以八位的除法指令，由于精度不夠，一般不常用。(4)AT89C51單片機(jī)的DA指令可以將二進(jìn)制BCD碼轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的調(diào)整指令，這對十進(jìn)制的計(jì)量十分方便，而在其他單片機(jī)中，在需要進(jìn)行二進(jìn)制-十進(jìn)制轉(zhuǎn)換需要調(diào)用專用的子程序，所以51單片機(jī)在這方面更加方便[19]。AT89C51單片機(jī)的引腳圖如圖4-1所示。圖4-1AT89C51單片機(jī)引腳圖P0口：P0口為一個(gè)八位漏極開路雙向I/O口，每個(gè)腳可以吸收8個(gè)TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫“1”P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上位電阻的八位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4個(gè)TTL門電流。P1口管腳寫入“1”P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接受，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。當(dāng)對16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取或者把P2口作為外部的程序存儲(chǔ)器時(shí)，P2口的輸出作為地址的高八位。當(dāng)?shù)刂窞椤?P3口：八個(gè)帶有內(nèi)部的上拉電阻的雙向I/O口為P3口引腳，該口可以接收或輸出4個(gè)TTL的門電流。在P3端口寫入“1”RST：復(fù)位鍵輸入端口。在振蕩器復(fù)位器件的時(shí)侯，需要將RST腳保持在高電平兩個(gè)機(jī)器周期。ALE/PROG：在訪問外部的存儲(chǔ)器的時(shí)候，地址鎖存器可以允許輸出電平對地址的位字節(jié)起到鎖存地址的作用。在FLASH編程的時(shí)侯，編程脈沖可以通過此引腳輸入。在一般情況時(shí)，ALE以1/6振蕩器的頻率將正脈沖信號輸出，可以用它來給外部輸出脈沖或進(jìn)行定時(shí)。值得注意的地方是在用作外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)侯，將會(huì)把一個(gè)ALE脈沖跳過。若需要禁止ALE輸出，可以將SFR8H地址置零。這樣，只有當(dāng)執(zhí)行MOVX,MOVC指令的時(shí)候，ALE才會(huì)起作用。/PSEN：外部的程序存儲(chǔ)器的選通信號輸入端。當(dāng)外部的程序存儲(chǔ)器在取指的時(shí)侯，在每一個(gè)機(jī)器周期中，會(huì)有兩次選通信號輸入端有效。在訪問外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)侯，兩次有效的/PSEN信號將不會(huì)出現(xiàn)。/EA/VPP：將/EA置低電平時(shí)，外部的程序存儲(chǔ)器地址范圍為0000H-FFFFH，不考慮內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器。將/EA置高電平時(shí)，使用內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器。此引腳也可以用來接12V的編程電源，實(shí)現(xiàn)VPP功能。XTAL1：作為內(nèi)部時(shí)鐘工作電路和反向振蕩放大器的輸入。XTAL2：作為反向振蕩器的輸出端接口。XTAL1和XTAL2是反向放大器的輸入和輸出端。而反向放大器的功能可以通過片內(nèi)的振蕩器來實(shí)現(xiàn)。石晶振蕩或陶瓷振蕩均可采用。注意的是，如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接，同時(shí)對外部時(shí)鐘信號的脈寬沒有特殊要求，但必須保證要求的脈沖的高低電平寬度。ATMEL公司的AT89C51提供的標(biāo)準(zhǔn)功能如下所示：一個(gè)4K字節(jié)的Flash閃速存儲(chǔ)器、內(nèi)部RAM大小為128字節(jié)、32個(gè)I/O口線、兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、一個(gè)五向量的兩級中斷結(jié)構(gòu)、一個(gè)全雙工的串行通信口、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。此外，AT89C51可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，可選的節(jié)電工作模式支持兩種軟件。當(dāng)在閑置模式的時(shí)侯，雖然CPU停止工作，但是RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口和中斷系統(tǒng)則繼續(xù)工作。在掉電模式的時(shí)候，自動(dòng)保存RAM的內(nèi)容同時(shí)凍結(jié)振蕩器，并且禁止所有其他芯片的功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位到來為止，有效的防止了信息丟失[31]。片內(nèi)資源介紹如下：(1)8位CPU·4kbytes程序存儲(chǔ)器(ROM)；(2)256bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)；(3)32條I/O口線·111條指令；(4)21個(gè)專用寄存器；(5)2個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器·5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級；(6)一個(gè)全雙工串行通信口；(7)64kB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間；(8)64kB的外部程序存儲(chǔ)器尋址空間；(9)邏輯操作位尋址功能·雙列直插40PinDIP封裝；(10)單一+5V電源供電；(11)CPU：由運(yùn)算和控制邏輯組成，同時(shí)還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器；(12)RAM：用來存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，例如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及需要顯示的數(shù)據(jù)；(13)ROM：用來存放程序、部分原始數(shù)據(jù)及表格；(14)I/O口：4個(gè)八位的并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出；(15)T/C：兩個(gè)定時(shí)/記數(shù)器，既可以工作在定時(shí)模式，也可工作在記數(shù)模式；(16)五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)；(17)一個(gè)全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口，可以用來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或者單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信的功能；(18)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，需要外接石英晶體和微調(diào)電容。最高振蕩頻率為12M。4.1.3專用集成電路驅(qū)動(dòng)芯片LM621特點(diǎn)LM621是TI公司研發(fā)的無刷直流電機(jī)專用集成電路驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片具有工作性能穩(wěn)定可靠，與單片機(jī)串行方便，抗干擾強(qiáng)，性價(jià)比高等一系列優(yōu)點(diǎn)，是研究無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的首要選擇。該芯片是MOS、IGBT功率器件的專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片，利用自舉電路原理既可以驅(qū)動(dòng)橋式電路中低壓側(cè)的功率器件，又可以驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的功率器件，在電機(jī)控制、伺服驅(qū)動(dòng)等方面應(yīng)用廣泛。對于在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，LM621雙極型直流無刷電動(dòng)機(jī)專用集成電路，適用于三相和四相電動(dòng)機(jī)，可以直接控制功率開關(guān)器件以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，設(shè)有“死區(qū)”，電路避免橋式開關(guān)電路直通問題。LM621可以用于驅(qū)動(dòng)母電壓不高于600V電路中的MOS門器件，可輸出最大正向峰值電流達(dá)250mA，對應(yīng)的反向峰值驅(qū)動(dòng)電流大小為500mA。值得一提的是，LM621內(nèi)部就有過電流等保護(hù)，使用戶可以更方便的設(shè)計(jì)整個(gè)硬件電路，同時(shí)，該芯片可以對同一橋臂上的上下兩個(gè)功率器件的門極驅(qū)動(dòng)信號生成2s的互鎖延時(shí)時(shí)間。在LM621的內(nèi)部還設(shè)計(jì)有電流放大器，該放大器與被驅(qū)動(dòng)的功率器件的電流成線性關(guān)系。通過電路設(shè)計(jì)保證了內(nèi)部的三個(gè)通道的高壓測驅(qū)動(dòng)器和低壓驅(qū)動(dòng)器可以單獨(dú)使用。LM621管腳功能定義：引腳1（Vcc1）：第一電源，邏輯和時(shí)鐘用電源+5V。引腳2：轉(zhuǎn)向控制端，由所施加的電平?jīng)Q定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。引腳3：死區(qū)時(shí)間使能端?？刂扑绤^(qū)功能，高電平有效。引腳4：時(shí)鐘定時(shí)端。該端外接定時(shí)電容和電阻至地，設(shè)定時(shí)震蕩周期，決定死區(qū)時(shí)間。引腳5、6、7：霍爾位置傳感器輸入端。三相電動(dòng)機(jī)3個(gè)霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器接此三端，四相電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)霍爾傳感器接至5和6，7和6短接。引腳8：30/選擇端。三相電動(dòng)機(jī)傳感器空間間距30°時(shí)，該端施加高電平；60°時(shí)，施加零電平。對四相電動(dòng)機(jī)，取高電平。引腳9：邏輯地。引腳10：功率地。引腳11、12、13：灌電流輸出端。引腳14、15、16：抽電流輸出端。引腳17：輸出禁止端。對該引腳施加高電平時(shí)，輸出被關(guān)閉。引腳18：Vcc2（+5～40V）端。第二電源，它提供11～13腳輸出的灌電流，當(dāng)該電路用來驅(qū)動(dòng)MOSFEI時(shí)，電壓可取至40V，足以滿足驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O。當(dāng)用來驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管時(shí)，電壓取5V，以降低芯片的功耗與發(fā)熱。LM621管腳如圖4-2所示。圖4-2LM621引腳圖如表4-1給出了LM621的換相譯碼真值表。表4-1LM621換相譯碼真值表傳感器空間角度位置角度角傳感器輸入抽電流輸出灌電流輸出HS1HS2HS312312330deg0-6060-120120-180180-240240-300300-360000111001110011100ONONoffoffoffoffoffoffONONoffoffoffoffoffoffONONoffoffoffONONoffONoffoffoffoffONoffONONoffoffoff60deg0-6060-120120-180180-240240-300300-360111000001110100011offoffONONoffoffoffoffONONoffoffoffoffoffoffONONoffoffoffONONoffONoffoffoffoffONoffONONoffoffoff90deg0-9090-180180-270270-36000111001HS2HS2HS2HS2offONoffoffnanananaoffoffONoffoffoffoffONnanananaONoffoffoff引腳號：567161514131211對于轉(zhuǎn)子為兩對磁極的三相電動(dòng)機(jī)，表中的30°和60°指的是三個(gè)霍爾傳感器的空間間距，他們分別對應(yīng)60°和120°電角度。它的內(nèi)部集成有1個(gè)電流比較器，一個(gè)電流放大器，一個(gè)自身工作電源欠壓檢測器，一個(gè)故障處理單元及一個(gè)清除封鎖邏輯單元。此外，它內(nèi)部還集成有三個(gè)輸入信號處理器，兩個(gè)脈沖處理和電平移位器，三個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號鎖存器，三個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號與欠壓檢測器及六個(gè)低輸出阻抗MOS功率管驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)或門電路。在正常工作時(shí)，信號處理器將六路驅(qū)動(dòng)信號處理后輸出六路輸出脈沖，驅(qū)動(dòng)下橋臂功率管的信號L1～L3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H1～H3先經(jīng)集成于LM621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)生過流或直通，即電流檢測單元送來的信號高于0.5V時(shí)，則LM621內(nèi)部的電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，促使故障邏輯處理單元輸出低電平，一則封鎖3路輸入脈沖信號處理器的輸出，使LM621的輸出全為低電平，保護(hù)功率管；另一方面，同時(shí)LM621的FAULT腳給出故障指示。同樣若發(fā)生LM621的工作電源欠壓，則欠壓檢測器迅速翻轉(zhuǎn)，也會(huì)進(jìn)行類似動(dòng)作。發(fā)生故障后，LM621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，在信號輸入端LIN1～LIN3同時(shí)被輸入高電平，才可以解除故障閉鎖狀態(tài)。當(dāng)LM621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)信號檢測器迅速動(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同時(shí)為高電平，則LM621輸出的2路門極驅(qū)動(dòng)信號全為低電平，從而有效的避免“橋臂直通現(xiàn)象”的發(fā)生。600間距的換相波形如圖4-3所示。圖4-3600間距的換相波形4.2無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì)4.2.1無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)電流環(huán)芯片及A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇選用ACS712作為控制系統(tǒng)的電流檢測傳感器，ACS712是Allegro公司研發(fā)的一種線性的電流傳感器，在該器件的內(nèi)部裝有霍爾傳感器電路，而且該電路是線性的，即輸出的電壓值跟檢測的交流或直流量成比例。該芯片具有噪聲低、響應(yīng)迅速、輸出靈敏度高等一系列特點(diǎn)，在電動(dòng)機(jī)控制、載荷檢測及管理、開關(guān)式電源等方面都有應(yīng)用，特別是那些要求電氣絕緣卻未使用光電絕緣器或其他昂貴絕緣技術(shù)的應(yīng)用中。由于AT89C51片內(nèi)沒有A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，需要在片外擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換接口。本設(shè)計(jì)選用ADC0804轉(zhuǎn)換器。ADC0804是屬于連續(xù)漸進(jìn)式的A/D轉(zhuǎn)換器，這類型的A/D轉(zhuǎn)換器除了轉(zhuǎn)換速快、分辨率高外，還有價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，被普遍應(yīng)用與微機(jī)接口設(shè)計(jì)上。4.2.2電流環(huán)檢測芯片特點(diǎn)及工作原理ACS712采用小型的SOIC8封裝，采用單電源5V供電，其引腳圖如圖4-4所示。圖4-4ACS712引腳圖ACS712主要由芯片表面附近的電流通路及高精度的低偏置線性霍爾傳感器電路構(gòu)成。在被測電流的通路（1和2、3和4之間的電路）中裝有1.2m的內(nèi)電阻，功耗較低。被測電流通路和傳感器引腳（引腳5～8）的絕緣電壓大?。?.1KVRMS，近乎可以看成絕緣。對于流經(jīng)銅制電流通路的電流所產(chǎn)生的磁場，能夠被片內(nèi)的霍爾IC感應(yīng)并將其轉(zhuǎn)化成比例的電壓?？梢杂煞€(wěn)定斬波型低偏置BICMOS霍爾集成電路提供精確的成比例的輸出電壓，在出廠時(shí)已對該集成電路進(jìn)行了精確的編程。穩(wěn)定斬波技術(shù)是一種給片內(nèi)的霍爾元件和放大器提供最小的偏置電壓，該技術(shù)幾乎可以消除芯片由于溫度所產(chǎn)生的輸出漂移。其中，ACS712的引腳1和2、3和4均內(nèi)置有保險(xiǎn)，為待測電流的兩個(gè)輸入端，當(dāng)檢測直流電流時(shí)，1和2、3和4分別為待測電流的輸入端和輸出端。ACS712引腳功能如表4-2所示。表4-2ACS712各管腳功能表引腳名稱功能描述1和23和45678IP+IP-GNDFILTERVIOUTVCC被測電流輸入或輸出被測電流輸入或輸出信號地外接電容模擬電壓輸出電源電壓4.2.3電流環(huán)A/D轉(zhuǎn)換芯片的參數(shù)及特點(diǎn)本系統(tǒng)中的電流環(huán)選用ADC0804轉(zhuǎn)換芯片，該芯片的參數(shù)如下所述：工作電壓：+5V，即VCC=+5V；模擬輸入電壓范圍：0～5V，即0≤Vin≤+5V；分辨率：8位，即分辨率為1/2=1/256，轉(zhuǎn)換值介于0～256之間；轉(zhuǎn)換時(shí)間：100us；轉(zhuǎn)化誤差：1LSB；參考電壓：2.5V，即Vref=2.5V。ADC0804的管腳圖如圖4-5所示。其中，各個(gè)管腳功能為：D0-D7：八位數(shù)字量輸出端；CLK：為芯片提供工作脈沖，外接時(shí)鐘電路；CS：片選信號；WR：寫信號輸入端；RD：讀信號輸入端；INTR：轉(zhuǎn)換完畢后中斷提供端；其它：是供電或提供參考電壓的管腳輸入端。圖4-5ADC0804管腳圖4.2.4檢測芯片與轉(zhuǎn)換芯片在原理圖中的應(yīng)用ACS712與ADC0804原理圖中的應(yīng)用如圖4-6所示。圖4-6ACS712與ADC0804原理圖中的應(yīng)用4.3鍵盤輸入電路及啟動(dòng)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)4.3.1鍵盤輸入電路系統(tǒng)鍵盤接口如圖4-7所示。圖4-7系統(tǒng)鍵盤接口4.3.2鍵盤各鍵功能介紹本論文研究的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用2*3矩陣鍵盤來對系統(tǒng)進(jìn)行操作，如表4-3所示鍵盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。表4-3鍵盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)啟動(dòng)/制動(dòng)▲正反轉(zhuǎn)▼S1～S6六個(gè)鍵對應(yīng)的功能和鍵值如表4-4所示。表4-4各鍵對應(yīng)功能和鍵值鍵值功能鍵值S1S2S3S4S5S6啟動(dòng)/制動(dòng)▲正反轉(zhuǎn)▼0XA0OX900X880X600X500X48各鍵詳細(xì)功能如下：(1)S1：啟動(dòng)系統(tǒng)。單片機(jī)上電初始化后，首先掃描鍵盤，若S1被按下，則啟動(dòng)系統(tǒng)，否則將一直掃描鍵盤，此時(shí)其他鍵沒有任何功能。(2)S4和S6：系統(tǒng)運(yùn)行期間，若按下S4或S6，系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)速狀態(tài)，此時(shí)4位數(shù)碼管從左邊第一位開始閃爍，代表當(dāng)前位，若5S內(nèi)鍵盤沒輸入，則自動(dòng)確認(rèn)當(dāng)前輸入值，通過調(diào)速達(dá)到設(shè)定值。(3)S2和S5：通過按S4或S6，當(dāng)前位閃爍，此時(shí)通過S2和S5可對當(dāng)前位進(jìn)行+1/-1，若5S內(nèi)沒有操作，系統(tǒng)自動(dòng)確認(rèn)當(dāng)前輸入值。(4)S3：正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)機(jī)的反轉(zhuǎn)。4.3.3啟動(dòng)電流限制保護(hù)電路限流電路如圖4-8所示。圖4-8限流保護(hù)電路由附錄可以看出，在主電路里，通過電動(dòng)機(jī)的電流最后是經(jīng)過電阻接地的。所以，Uf=R*IM，Uf的大小正比于電動(dòng)機(jī)的電流IM。將Uf和U0分別送給LM324運(yùn)算放大器，當(dāng)反饋電壓Uf大于來自數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的給定信號U0，則LM324輸出低電平，使VF4、VF6、VF2無法導(dǎo)通，使電動(dòng)機(jī)電流下降，當(dāng)電流降到小于U0時(shí)，則LM324的輸出回到高電平，VF4、VF6、VF2又具備導(dǎo)通能力，但電機(jī)通電次序仍由P1口控制，該電路起到了限流的作用。對于無刷直流電機(jī)的改變轉(zhuǎn)向問題，由于在直流無刷電動(dòng)機(jī)中，由永久磁鋼產(chǎn)生磁通量，無法像一般的直流電動(dòng)機(jī)那樣通過改變磁場的方向或通過改變電樞電壓的極性來改變電機(jī)的方向，加之半導(dǎo)體的導(dǎo)電性為單向的，很不方便反接電源電壓，所以，無刷直流電機(jī)一般都是通過控制定子繞組的換相次序來改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。具體辦法是更換換向控制表來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)反向[32]。4.4系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì)4.4.1系統(tǒng)顯示電路驅(qū)動(dòng)芯片選擇及芯片特點(diǎn)由于本系統(tǒng)的核心AT89C51的引腳有限，所以對其進(jìn)行拓展來設(shè)計(jì)顯示電路，本系統(tǒng)選擇MC14511BCP作為驅(qū)動(dòng)芯片，以七段數(shù)碼管作為顯示器件的顯示模塊作為系統(tǒng)的輸出，并在數(shù)碼管和驅(qū)動(dòng)芯片之間加1K的電阻作為限流電阻，保證驅(qū)動(dòng)芯片和數(shù)碼管的安全運(yùn)行。MC14511BCP是一個(gè)由二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換到十進(jìn)制的七段鎖存/譯碼器/驅(qū)動(dòng)器。它的結(jié)構(gòu)是一個(gè)采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）增強(qiáng)模式器件和雙極輸出驅(qū)動(dòng)器的單一的整體結(jié)構(gòu)。該電路提供的功能是將4個(gè)8421二進(jìn)制編碼的位存儲(chǔ)鎖存器的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換到七段譯碼器，它具有驅(qū)動(dòng)的能力，可以直接帶動(dòng)LED顯示。MC14511BCP可以用來與七段發(fā)光二極管，氣體放電或晶體讀數(shù)直接或間接連接，該芯片的電源電壓從3V至18V，在計(jì)算機(jī)顯示驅(qū)動(dòng)，駕駛艙顯示驅(qū)動(dòng)均可應(yīng)用。在本系統(tǒng)中，我們采取的是直接強(qiáng)制性的是邏輯電平BI=1LI=1,即是芯片的兩個(gè)輔助使能端強(qiáng)制的是芯片處于待工作狀態(tài)，一旦片選信號由低脈沖發(fā)生時(shí)候，芯片能快速的進(jìn)入工作狀態(tài)。MC14511BCP引腳圖如圖4-9所示。圖4-9MC14511BCP引腳圖MC14511BCP真值表如表4-5所示。表4-5MC14511BCP真值表輸入輸出LEBILTDCBAabcdefgDisplayXX0XXXX11111118X01XXXX0000000Blank0000111111110000000000110111101111111111101110001000001101230000111111110000111100110101010110011111011000101110111045670000111111111111000000110101110011001100100010001100110089BlankBlank00001111111111111111001101010000000000000000000000000000BlankBlankBlankBlank111XXXX**4.4.2七段數(shù)碼管引腳及工作原理在單排年級應(yīng)用系統(tǒng)和智能化儀器儀表中廣泛使用各種顯示器來顯示數(shù)據(jù)文字或者圖形畫面，其中最常用的顯示器是LED，因?yàn)樗哂序?qū)動(dòng)電路簡單，配置靈活方便，功耗低響應(yīng)速度快，可靠性高以及易于實(shí)現(xiàn)及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。LED顯示實(shí)際上是有若干發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或者一個(gè)筆畫發(fā)光，控制不同的組合二極管導(dǎo)通，就可以顯示出各種字符。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常使用的是七段的LED。通常的七段LED顯示器有八個(gè)發(fā)光二極管，其中七個(gè)二極管構(gòu)成七段字形“8”，一個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)，當(dāng)某個(gè)發(fā)光管的樣機(jī)為高點(diǎn)平時(shí)，即邏輯“1圖4-10LED接入電路的具體接法七段LEDDE段選碼如表4-6所示。表4-6LEDDE段選碼表顯示字符共陰極段選碼01234567893FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH6FH4.4.3顯示電路硬件接線圖系統(tǒng)顯示電路原理接線圖如圖4-11示。圖4-11系統(tǒng)顯示電路接線圖

第5章無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件組成本系統(tǒng)程序由主程序、中斷服務(wù)程序、鍵盤掃描程序、顯示程序、啟動(dòng)程序、停機(jī)程序、升速程序、降速程序、左移程序、右移程序、正反轉(zhuǎn)程序、測速程序、PWM輸出程序、延時(shí)程序組成。其中，鍵盤程序、測速程序、顯示程序、PWM輸出程序由主程序調(diào)用。啟動(dòng)程序、正反轉(zhuǎn)程序、升（降）速程序、左（右）移程序由鍵盤程序調(diào)用。本系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)標(biāo)志位tag和tag1。其中，tag是啟動(dòng)標(biāo)志位，tag的值為0時(shí)代表運(yùn)行，值為1時(shí)代表停止；tag1是閃爍標(biāo)志位，當(dāng)tag1的值為0時(shí)代表有閃爍，值為1時(shí)代表無閃爍。另外設(shè)置兩個(gè)數(shù)組為數(shù)碼管段選數(shù)組dp和位選數(shù)組p1。5.2無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)流程圖5.2.1主程序流程圖主程序流程圖如圖5-1所示。圖5-1主程序流程圖5.2.2鍵盤程序流程圖鍵盤流程圖如圖5-2所示。圖5-2鍵盤程序流程圖5.2.3鍵盤掃描程序voidkeyget() /*鍵盤掃描函數(shù)*/{ ucharx;/*定義變量*/ P2=0xC0;/*鍵盤掃描，看是否有鍵按下*/ if((P2&0xC0)==0)/*有鍵按下*/ { P2=0x80;/*P2.7置1，掃描第一行*/ if((P2&0x80)==0)/*第一行有鍵按下*/ { d_ms(1500);/*延時(shí)去抖*/ x=P2;/*讀P2口*/ } P2=0x40;/*P2.6 置1，掃描第二行*/ if((P2&0x40)==0)/*第二行有鍵按下*/ { d_ms(1500);/*延時(shí)去抖*/ x=P2;