無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、目錄1緒論11.1 直流無刷電動機(jī)發(fā)展?fàn)顩r11.2直流無刷電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展12 直流無刷電動機(jī)的工作原理32.1 直流無刷電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理32.2三相繞組直流無刷電動機(jī)控制主回路的基本類型42.3直流無刷電動機(jī)控制系統(tǒng)中的PWM控制器53 直流無刷電動機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型63. 1直流無刷電動機(jī)的基本方程83. 2直流無刷電動機(jī)控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型114 硬件電路134.1 主電路134.2換相電路155 軟件部分設(shè)計175. 1軟件總體構(gòu)成175. 2主程序的設(shè)計175. 3中斷子程序的設(shè)計19結(jié)論21參考文獻(xiàn)22致謝231緒論1.1 直流無刷電動機(jī)發(fā)展?fàn)顩r電動機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，

2、其應(yīng)用范圍已經(jīng)遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，電動機(jī)主要類型有同步電動機(jī)、異步電動機(jī)與直流電動機(jī)三種。直流電動機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速系統(tǒng)中。但傳統(tǒng)的直流電動機(jī)均采用機(jī)械電刷的方式進(jìn)行換向，存在相對的機(jī)械摩擦，和由此帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點。因此，早在1917年，Bulgier就提出了用整流管代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無刷直流電機(jī)(BLDCM: Brushless Direct Current Motor)的基本思想。1955年，美國D·Harrison等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專利，標(biāo)

3、志著無刷直流電機(jī)的誕生。1978年，原聯(lián)邦德國MANNESMANN公司的Indramat分部在漢諾威貿(mào)易展覽會上正式推出其MAC永磁無刷直流電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)，標(biāo)志著永磁無刷直流電機(jī)真正進(jìn)入了實用階段。二十世紀(jì)80年代國際上對無刷電機(jī)開展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波無刷直流電機(jī)，在10多年的時間里，無刷直流電機(jī)在國際上己得到較為充分的發(fā)展?，F(xiàn)代電力電子器件工藝日臻成熟，出現(xiàn)了功率晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，特別是絕緣柵雙極晶體管(IGBT ), MOS可控晶閘管(IGCT)的開發(fā)成功，使無刷直流電機(jī)功率驅(qū)動電路的可靠性和穩(wěn)定性得到保障。直流

4、無刷電動機(jī)的發(fā)展也使得傳統(tǒng)的電機(jī)學(xué)科同當(dāng)代許多新技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。隨著大功率半導(dǎo)體器件、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展以及高性能永磁材料的不斷出現(xiàn)，如今的無刷直流電機(jī)系統(tǒng)己經(jīng)成為集特種電動機(jī)、功率驅(qū)動器、檢測元件、控制軟件與硬件于一體的典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，體現(xiàn)了當(dāng)今工程科學(xué)領(lǐng)域的許多最新成果。1.2直流無刷電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展常規(guī)控制器(PID控制)盡管控制精度較高，但它需要建立描述動態(tài)系統(tǒng)的精確的數(shù)學(xué)模型，對于未知動態(tài)變化的系統(tǒng)要建立精確的數(shù)學(xué)模型是比較困難的。比如干擾、參數(shù)漂移和噪聲等不可能在很高的精度下進(jìn)行模型化。直流無刷電機(jī)是一個多變量、非線性、強(qiáng)耦合

5、的對象，因此利用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)等具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織功能的智能控制來進(jìn)行無刷直流電機(jī)的控制是一種有效的手段，控制器的計算和存儲能力的不斷增強(qiáng)也為這些先進(jìn)控制算法的實現(xiàn)提供了有利的條件。直流無刷電動機(jī)控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了如下的發(fā)展過程：(1)無位置傳感器控制對于無刷電動機(jī)，由于它具有體積、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠的優(yōu)點所以備受歡迎。但是無刷電動機(jī)要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，就要實時的檢測出轉(zhuǎn)子的位置實現(xiàn)正確換相。所以位置的檢測和換相技術(shù)的研究是直流無刷電動機(jī)控制目前的一個方面。最常用的方式是采用傳感器的方式。這種方式可以正確的檢測轉(zhuǎn)子位置信號，但是由于傳感器的安裝不

6、僅會使電機(jī)的體積增大，而且傳感器也難于安裝和維修。因此無傳感器的傳動控制引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界很大的重視，成為近年的研究熱點。(2)變結(jié)構(gòu)控制由無刷電機(jī)組成的控制系統(tǒng)，為了提高它的控制性能，人們也在使用一些新型的控制策略。變結(jié)構(gòu)控制由于具有響應(yīng)速度快、對控制對象參數(shù)變化及外部擾動不靈敏、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，人們開始將直流無刷電機(jī)采用變結(jié)構(gòu)控。(3)模糊控制和PID相結(jié)合的Fuzzy-PID控制在控制系統(tǒng)中，如何在較寬調(diào)速范圍內(nèi)提高電流調(diào)節(jié)特性以及減小力矩波動一直是系統(tǒng)研究的焦點。模糊控制是近年來研究的熱點，它不依賴于被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)有較好的魯棒性；PID控制方法可以很好的消

7、除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，所以人們將兩者結(jié)合也用于直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)同時兼有兩種方法的優(yōu)點。采用Fuzzy-PID復(fù)合控制，系統(tǒng)具有Fuzzy和PID控制的雙重優(yōu)點，響應(yīng)快，速度無超調(diào)，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000，定位精度高，在不同的負(fù)載下具有較強(qiáng)的魯棒性。2 直流無刷電動機(jī)的工作原理2.1 直流無刷電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理直流無刷電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖2-1所示。圖 2-1直流無刷電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖從圖2-1可見直流無刷電動機(jī)組件主要由電動機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分構(gòu)成。其定子繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成。電動機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動機(jī)相似，但沒有籠型繞組和其它起動裝

8、置。其定子繞組一般制成多相(三相、四相、五相不等)，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù)(=2，4)組成。定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件聯(lián)接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。當(dāng)電子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置信號變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)ǎㄗ酉嚯娏麟S轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。因此平常所說的直流無刷電動機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺由電子開關(guān)線路、電動機(jī)本體及位置傳感器三部分組成的電動機(jī)系統(tǒng)。直流無刷電動機(jī)的組成原理框圖如圖2-2所示。電動機(jī)本體

9、功率驅(qū)動邏輯變換直流電源轉(zhuǎn)子位置傳感器圖 2-2 直流無刷電動機(jī)的組成原理框圖直流無刷電動機(jī)電子開關(guān)線路用來控制電動機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時間，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩部分組成。功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，它的功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給直流無刷電動機(jī)定子上各相繞組，以便使直流無刷電動機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩，而各相繞組導(dǎo)通順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號，但位置傳感器產(chǎn)生的信號一般不能直接用來控制功率單元，常需要經(jīng)過一定的邏輯處理后才能去控制功率單元。與有刷直流電動機(jī)區(qū)別的是：有刷直流電動機(jī)必須有一個滑動的接觸機(jī)構(gòu)一電刷和換向器，通過它們把電

10、流反饋給旋轉(zhuǎn)著的電樞。綜上所述，構(gòu)成直流無刷電動機(jī)的主要部件框圖如圖2-3所示。主定子直流無刷電動機(jī)電動機(jī)本體 主轉(zhuǎn)子功率邏輯開關(guān)電子開關(guān)線路位置信號處理傳感器定子傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器圖 2-3 直流無刷電動機(jī)的組成框圖2.2三相繞組直流無刷電動機(jī)控制主回路的基本類型直流無刷電動機(jī)的應(yīng)用，己遍及各個技術(shù)領(lǐng)域其控制方法和運(yùn)行方式也層出不窮，其他一切直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法均可以用來控制直流無刷電動機(jī)。前己指出，直流無刷電動機(jī)實際上是一個由電動機(jī)本體，功率管、主回路及轉(zhuǎn)子磁鋼位置傳感器等部分組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了討論方便起見把功率管主回路和轉(zhuǎn)子磁鋼位置傳感器合并在一起稱之為電子換相器，其主要功能

11、是保證電動機(jī)定子繞組準(zhǔn)確換相，確保直流無刷電動機(jī)在運(yùn)行過程中定轉(zhuǎn)子兩磁場始終保持基本垂直，以提高運(yùn)行效率。因此根據(jù)功率管主回路的不同和換相控制器件的不同也就派生出了諸多典型控制電路。主要有以下幾種：分立元件全模擬電路；專用集成控制電路；數(shù)?；旌峡刂齐娐?；全數(shù)字控制電路。其中全模擬電路在無刷直流電動機(jī)中曾被廣泛應(yīng)用，目前在許多經(jīng)濟(jì)實用型的無刷直流電動機(jī)中仍占著主導(dǎo)的地位。但是，由于模擬電路不可避免的存在參數(shù)的漂移和不一致問題，以及線路復(fù)雜，調(diào)試不方便等因素，因而使電動機(jī)的可靠性和其它性能受到影響。至于什么情況下選用什么樣的控制電路則應(yīng)根據(jù)對電路的精度要求與實際條件確定。2.3直流無刷電動機(jī)控制系

12、統(tǒng)中的PWM控制器晶閘管變流器構(gòu)成的直流調(diào)速由于其線路簡單控制靈活、體積小、效率高以及無旋轉(zhuǎn)噪聲和無磨損等優(yōu)點，在一般工業(yè)應(yīng)用中，特別是大功率系統(tǒng)中一直占據(jù)著主要的地位。但是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在較低速時，晶閘管的導(dǎo)電角很小，系統(tǒng)的功率因數(shù)相應(yīng)也很小，并產(chǎn)生較大的諧波電流，使轉(zhuǎn)矩脈動大，限制了調(diào)速范圍。要克服上述問題必須加大平波電抗器的電感量，但電感大又限制了系統(tǒng)的快速性，此外，功率因數(shù)低，諧波電流大，還將引起電網(wǎng)電壓波形畸變，變流器設(shè)備容量大，還將造成所謂的“電力公害”，在這種情況下必須增設(shè)無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可控關(guān)斷的即自關(guān)斷電力電子器件，即全控式器件。如大功率晶體

13、管(GTR)、電力場效應(yīng)晶體管(power MOSFET)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、MOS控制晶閘管(MCT) 、絕緣柵門極控制晶體管(IGBT)等自關(guān)斷器件，采用全控型開關(guān)器件很容易實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制，與半控型開關(guān)器件晶閘管變流器相比，體積可縮小百分之三十以上，裝置效率高，功率因數(shù)高。同時由于開關(guān)頻率的提高，直流脈沖寬度調(diào)制(PWM-EM)調(diào)速控制系統(tǒng)與VM調(diào)速控制系統(tǒng)相比，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較小，低速性能好，穩(wěn)精度高，系統(tǒng)通頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。直流無刷電動機(jī)是以電子換向線路和轉(zhuǎn)子位置檢測器代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電動機(jī)的機(jī)械換向裝置而組成的新型電機(jī)。下面結(jié)合直流無

14、刷電動機(jī)和PWM控制技術(shù)的特點來分析直流無刷電動機(jī)中的PWM控制系統(tǒng)。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）簡稱PWM，它是通過功率管開關(guān)作用將恒定直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率一定，寬度可調(diào)的方波脈沖電壓，通過調(diào)節(jié)脈沖電壓的寬度，改變輸出電壓的平均值的一種功率變換技術(shù)。由脈沖寬度調(diào)制變換器向電動機(jī)供電的系統(tǒng)稱為脈沖寬度調(diào)制調(diào)速控制系統(tǒng)，簡稱PWM調(diào)速系統(tǒng)。由于PWM 控制器的主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，因此控制器的損耗小，效率高。直流無刷電動機(jī)PMW控制器可分成兩大部分：控制電路和逆變主電路。PWM控制系統(tǒng)的控制電路由脈寬調(diào)制器、邏輯延時環(huán)節(jié)、脈沖分配和功率管驅(qū)動電路、保護(hù)電路等基本

15、電路組成。PMW 控制系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PMW變換器。PMW變換器分為不可逆和可逆兩類。不可逆PWM變換器僅在一、二兩個象限中運(yùn)行，可逆PMW變換器則可在四個象限中運(yùn)行，工作于正轉(zhuǎn)電動、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)電動和反轉(zhuǎn)制動四種狀態(tài)，因而，伺服系統(tǒng)中多采用可逆PMW變換器。可逆PMW變換器常用H型橋式變換器結(jié)構(gòu)型式，它在控制上分為雙極式、單極式和受限單極式三種。3 直流無刷電動機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以三相Y形聯(lián)結(jié)的直流無刷電動機(jī)為例，來分析直流無刷電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。首先來研究直流無刷電動機(jī)的等效直流電機(jī)模型。直流無刷電動機(jī)是由一組變流器，一臺同步電機(jī)和一個轉(zhuǎn)子位置檢測器所組成，而這個變

16、流器和一般變流器不同，它受控于轉(zhuǎn)子位置檢測器，是一個所謂自控式逆變器。它有三個固定的轉(zhuǎn)子位置檢測元件A、B、C。這些位置檢測元件受裝在轉(zhuǎn)子軸上的一個位置檢測裝置控制，當(dāng)某一檢測元件被激勵時，該元件就會產(chǎn)生信號去觸發(fā)相應(yīng)的開關(guān)管：使電流在相應(yīng)的時刻輸入到對應(yīng)的電機(jī)電樞繞組中去。由于位置檢測裝置是和磁極一起旋轉(zhuǎn)的，它們之間的相對位置是固定的。所以當(dāng)開始激勵某一位置檢測元件(例如元件A)時，磁極的軸線和相對應(yīng)的繞組(a相繞組)的軸線之間必然相差一個特定的角度。這時由位置檢測元件A所產(chǎn)生的信號觸發(fā)相應(yīng)的開關(guān)管，使電流輸入到a相繞組，這個電流相對于電機(jī)空載內(nèi)電勢的相位也是固定的。同樣當(dāng)開始激勵檢測元件B

17、、C時，磁極的軸線與b、c相繞組的軸線也相差同樣的一個特定的角度，輸入到b相繞組的電流與內(nèi)電勢之間也保持著同樣的相位差。這樣，轉(zhuǎn)子位置檢測器決定著電樞電流的相位，以及電樞磁勢在空間的分布。改變位置檢測元件的相對位置，可以改變位置檢測元件產(chǎn)生信號的先后，也就是改變開關(guān)管觸發(fā)的相位，從而改變電樞繞組中電流對電勢的相位差和電樞反應(yīng)磁勢對磁極的相對位置。直流無刷電動機(jī)的電樞電流是受轉(zhuǎn)子位置檢測器控制的。每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一對磁極，電機(jī)中的電流，也就是逆變器的輸出將相應(yīng)的變化一個周期。這種輸出頻率受電機(jī)本身轉(zhuǎn)速控制的逆變器就叫做自控式逆變器，所以直流無刷電動機(jī)又被稱為自控式同步電機(jī)。直流電機(jī)電樞繞組中感應(yīng)的電

18、勢和實際通過的電流其實是交變的。從電樞繞組和定子磁場之間的相互作用來看，它實際上就是一臺同步電機(jī)，這個同步電機(jī)和直流電源之間是通過換向器和電刷把它們聯(lián)系起來的。在電動機(jī)的情況下，換向器就起著逆變器的作用，它把電源的直流電逆變成交流電送入電樞繞組。直流電機(jī)中的電刷不僅起著引導(dǎo)電流的作用，而且由于電樞導(dǎo)體在經(jīng)過電刷所在位置時，其中的電流要改變方向，所以電刷的位置決定著電機(jī)中電流換向的位置。這就是說，直流電機(jī)的電刷起著電樞電流換向位置的檢測作用，它和位置檢測器一樣，決定著電樞磁勢的分布，見圖3-l。圖3-1 電刷的位置檢測作用在分析了直流電機(jī)中電樞、換向器和電刷的作用以后，把它和直流無刷電動機(jī)相比，

19、其實直流無刷電動機(jī)和直流電機(jī)一樣。只是普通直流電機(jī)中加的是一個機(jī)械的逆變器換向器，而直流無刷電動機(jī)是用開關(guān)管組成的半導(dǎo)體逆變器。直流電機(jī)中用以控制換向發(fā)生地點的電刷，在直流無刷電動機(jī)中是用位置檢測器來代替的，盡管二者構(gòu)造不同，但它們所起的作用卻是完全相同的。目前常用的直流無刷電動機(jī)一般由三相永磁同步電機(jī)加一套逆變器組成。這相當(dāng)于一臺有三個線圈，三個換向片的直流電機(jī)，所以直流無刷電動機(jī)的等效直流電機(jī)模型可如圖32所示。圖3-2直流無刷電動機(jī)的直流電機(jī)模型3. 1直流無刷電動機(jī)的基本方程假設(shè)磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗，三相繞組完全對稱，則三相繞組的電壓平衡方程式可表示為： (31)式中： 定子

20、繞組相電壓(V) 定子繞組相電流(A) 定子繞組相電動勢(V)P微分算子L每相繞組的自感(H)M每兩相繞組間的互感(H)由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子的位置變化而變化，因此，定子繞組的自感和互感為常數(shù)。當(dāng)三相繞組為Y連接，并且沒有中線時，則有： +=0 (32)M+M=M (33)將式(32)和式(33)代入式(31)，得到電壓方程式為： (34)電磁轉(zhuǎn)矩為： (35)式中： 電動機(jī)的角速度(rad/s)在通電期間，直流無刷電動機(jī)的帶電導(dǎo)體處于相同的磁場下，各相繞組的感應(yīng)電動勢為： (36)式中： -極對數(shù) N-總導(dǎo)體數(shù) -主磁通 n-電動機(jī)轉(zhuǎn)速從變頻器的直流端看，Y型聯(lián)結(jié)的直流無刷電動機(jī)感應(yīng)電動勢E。

21、由兩相繞組經(jīng)逆變器串聯(lián)組成，所以有=2 (37)因此，電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可化為： (38)式中： 方波電流的幅值 電機(jī)的角速度由式(38)可以看出，直流無刷方波電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式與普通直流電機(jī)相同，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流的幅值成正比，所以控制逆變器輸出方波電流的幅值即可控制直流無刷方波電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。另外電動機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動方程為： (39)進(jìn)一步化簡可得： (310)式中： 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 J轉(zhuǎn)子與負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量 B粘滯阻尼系數(shù)由于本系統(tǒng)采用120°導(dǎo)通電壓型三相逆變器，任一時刻只有兩相通電，直流無刷方波電機(jī)的輸出相電壓幅值為下動態(tài)電壓平衡方程式： (311)式中： 電源電壓忽略粘性摩擦，電動

22、機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為： (312)定義下列時間常數(shù)： 電磁時間常數(shù)由式(3-12)可得： (313)對式(3-11)和式(3-13)兩邊分別進(jìn)行拉式變換后得： (314) (315)聯(lián)合式(314)和式(315)，并考慮到，得到直流無刷方波電機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3-3所示。UIdIdEn圖3-3直流無刷電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3. 2直流無刷電動機(jī)控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型本文所用的電動機(jī)為直流無刷電動機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)為：磁極數(shù)：12 工作電壓(V)：46相數(shù)：3 連堵力矩(N·m)： 2.40電機(jī)兩端電阻()：1.81 電機(jī)兩端電感(mH)：5.1連堵力矩時的電流(A)： 5.42 峰值力矩

23、時的電流(A)：25.3電勢常數(shù)(V/rpm)：0.0484 轉(zhuǎn)矩常數(shù)(N·m/A)：0.462空載轉(zhuǎn)速(rpm)：900 機(jī)電時間常數(shù)(S)：0.13 將代入，直流無刷電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，則直流無刷電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖34所示。20.66En圖3-4直流無刷電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖PWM控制器的傳遞函數(shù)為： （316）其中： （317）由于PWM的開關(guān)頻率為f=20K，因此 （318）所以： （319）本系統(tǒng)速度檢測可認(rèn)為是比例環(huán)節(jié)，從負(fù)載軸檢測，其比例系數(shù)為： （320）本系統(tǒng)電流檢測也可認(rèn)為是比例環(huán)節(jié)，其比例系數(shù)為： （321）PI調(diào)節(jié)器的輸入電路為兩個T型濾波器，作為給定信號與反

24、饋信號濾波。 （322）其中：可取以上介紹了無刷直流電動機(jī)的基本方程，且建立了無刷直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并分析了無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行特性，進(jìn)而推出了無刷直流電動機(jī)傳遞函數(shù)，以及PWM控制器和PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。4 硬件電路第2章我們介紹了無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,根據(jù)無刷直流電動機(jī)的原理設(shè)計了直流無刷電動機(jī)控制系統(tǒng)，其原理框圖如圖4-1所示。整流濾波電路控制電路供電電路控制電路驅(qū)動電路三相逆變電路BLDCM電流檢測電路轉(zhuǎn)子位置檢測電路調(diào)節(jié)及顯示圖 4-1系統(tǒng)控制框圖4.1 主電路主電路開關(guān)器件的選擇，其主要依據(jù)是所要設(shè)計系統(tǒng)的功率等級，一般來說，開關(guān)期間的額定耐壓值應(yīng)不小于2倍的直流側(cè)最大電壓，

25、主開關(guān)器件的額定工作電流應(yīng)不小于23倍電路的額定工作電流。我們實驗中所設(shè)計的額定直流電壓為50V，其額定電流不超過15A，所以是小功率樣機(jī)，在實驗中我所選取的開關(guān)器件為IGBT，其型號為BSM100GB120DNZ，額定耐壓為1200V，其集電極最大電流為150A，足以滿足實驗的要求。 圖4-2電流型逆變電路圖4-3 EXB系列驅(qū)動器的典型應(yīng)用線路首先，1415引腳為觸發(fā)脈沖輸入，由于內(nèi)部有光電隔離，所以，它具有很好的隔離功能。如果在14，15腳之間輸入10mA 的電流，則光耦打開，這樣就能夠產(chǎn)生觸發(fā)信號。除了隔離和觸發(fā)功能以外，EXB841內(nèi)部集成了過電流保護(hù)功能，對應(yīng)的引腳是4，5，6。6

26、腳一般接于IGBT 的集電極，當(dāng)發(fā)生過流時，集電極為高，則5腳變成低，可以以此信號經(jīng)隔離，作為過電流信號。但是，對于過電流時間小于10的情況，EXB841采取了慢關(guān)斷，可以避免關(guān)斷時產(chǎn)生過電壓尖峰，使IGBT擊穿。EXB841 的輸出是采用推挽輸出的形式，這樣可以增加驅(qū)動功率，使IGBT可靠導(dǎo)通，并且內(nèi)部電路具有負(fù)電壓關(guān)斷的功能，使IGBT可靠關(guān)斷。本文所采用的驅(qū)動電路原理圖如圖43所示。在設(shè)計EXB814電源的時候，最好是每個EXB814對應(yīng)一個電源，這樣，可以消除因電源之間的耦合對觸發(fā)可靠性的影響。但在本設(shè)計中，采用了4個電源，每個橋臂上面的開關(guān)管都有自己的電源，而每個橋臂下面的開關(guān)管共用

27、一個電源，這樣做也是可行的，因為在實際的電路中，每個橋臂下面的開關(guān)管本來就是共地的。由于EXB841的工作電源是20V，所以，在設(shè)計電源的時候，我們首先利用變壓器將220V交流電降壓，然后經(jīng)過二極管整流，最后用集成穩(wěn)壓電源MC7820，得到了20V直流電。另外，在EXB841電路中，我們需要注意的是IGBT的觸發(fā)線一定要用雙絞線的形式，而且，線不能太長。利用EXB814作為驅(qū)動模塊時，應(yīng)注意需另外設(shè)置過電流保護(hù)電路，EXB841的保護(hù)功能只能作為輔助保護(hù)，主保護(hù)還需對其電流進(jìn)行采樣，然后利用比較電路來產(chǎn)生過電流信號，因為短路或者過電流時，一般都需要盡快的通知控制器，能夠使控制器盡可能快的采取相

28、應(yīng)的操作，雖然EXB841具有短路保護(hù)功能，但是動作時間不確定，其可靠性有待提高。4.2換相電路換相電路主要由電動機(jī)換相專用芯片LM612來實現(xiàn)。無刷電動機(jī)與一般直流電動機(jī)的區(qū)別是無換向電刷，所以需要單片機(jī)控制電子開關(guān)線路的通斷去控制電動機(jī)的換相。電動機(jī)的轉(zhuǎn)向由LM621的引腳2來控制，位置傳感器采樣回來的霍爾信號接在6，7引腳上，17腳的PWM_EN端接在電流測量電路的與門的輸入端。如果要用單片機(jī)控制換向操作使電機(jī)轉(zhuǎn)下去，這時，單片機(jī)大部分時間花在換相工作中，同時還要監(jiān)視用戶界面，控制調(diào)速和轉(zhuǎn)向操作，因此負(fù)擔(dān)較重。如果使用專用集成電路則可以大大減輕單片機(jī)工作，騰出時間進(jìn)行通訊，檢測，故障診斷

29、等其他工作。用于無刷直流電動機(jī)的專用芯片有很多種，它們大多是針對有霍爾式位置傳感器的三相無刷直流電動機(jī)而設(shè)計的。它們大多具有換向功能，PWM調(diào)速功能，轉(zhuǎn)向控制功能，制動控制功能，電動機(jī)相數(shù)和工作方式選擇功能，保護(hù)功能(如限流保護(hù)，欠壓保護(hù)，過熱保護(hù)等)。有些芯片還集成了驅(qū)動電路，可以方便地驅(qū)動小功率無刷直流電動機(jī)。本課題采用的是專用集成電路LM621，下面介紹一下它的工作原理。LM261專用集成電路芯片專用與三相或四相無刷直流電動機(jī)的控制。三相無刷直流電動機(jī)可以選擇全橋或半橋驅(qū)動，角形或星形聯(lián)結(jié)方式；四相無刷直流電動機(jī)采用半橋驅(qū)動。它的輸出端提供35mA基極電流，可以直接驅(qū)動雙極型功率晶體管；

30、要求電動機(jī)使用霍爾式位置傳感器；可以直接與外部PWM信號接口，實現(xiàn)調(diào)速功能；有轉(zhuǎn)向控制功能：有死區(qū)調(diào)節(jié)功能，有過流保護(hù)功能和欠壓保護(hù)功能。LM261芯片采用雙列直插式封裝，有18個引腳。欠壓封鎖電路用于對Vcc1進(jìn)行監(jiān)視，如果電壓過低則立即關(guān)閉輸出。典型動作電壓為+3.6V。通過引腳17，外部也能控制輸出封鎖。死區(qū)的作用是避免上，下橋臂開關(guān)管出現(xiàn)直通現(xiàn)象。這種直通現(xiàn)象出現(xiàn)在開關(guān)管“開”與“關(guān)”的延時過程中，以及突然改變轉(zhuǎn)向的過程中。通過引腳4與外接RC振蕩電路，為死區(qū)時間發(fā)生器提供振蕩時鐘，因此，死區(qū)的時間應(yīng)該是振蕩周期的兩倍。振蕩周期可由下式計算。 (41) 可根據(jù)實際需要確定死區(qū)時，從而計

31、算所需要的R值和C值。圖 4-4 LM621接線圖由圖可看出死區(qū)時間發(fā)生器輸出一個死區(qū)信號OE，它通過換相譯碼電路實現(xiàn)死區(qū)功能。來自引腳2的正反轉(zhuǎn)控制信號也通過死區(qū)時間發(fā)生器，并產(chǎn)生一個延時后的轉(zhuǎn)向信號DIR輸出，來保證轉(zhuǎn)向的狀態(tài)變化是在死區(qū)時間內(nèi)進(jìn)行的。換相譯碼電路將來自霍爾傳感器的信號和引腳8的信號轉(zhuǎn)化成控制開關(guān)管的換向信號。LM612通過外接IGBT組成全橋驅(qū)動電路。引腳8接高電平，表示采用30°間距角，二二導(dǎo)通方式的換向邏輯進(jìn)行驅(qū)動。引腳3也接高電平，表示使用死區(qū)功能，死區(qū)時間設(shè)計為4.8。電路設(shè)有過流保護(hù)功能，當(dāng)電流在電阻R上的壓降等于給定電壓時，比較器輸出低電平，使與非門

32、輸出高電平LM621封鎖輸出，起到保護(hù)作用。單片機(jī)74HC273通過與非門和LM612 對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。通過單片74HC273來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)向。由于大部分控制工作交給了LM621 完成，單片機(jī)只在調(diào)速和改變轉(zhuǎn)向時才進(jìn)行干預(yù)，所以單片機(jī)有充裕的時間做其他工作。235 軟件部分設(shè)計第4章我們己經(jīng)完成了對系統(tǒng)的硬件設(shè)計，這些硬件電路要靠軟件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)才能正常的工作。在一個控制系統(tǒng)中，承擔(dān)執(zhí)行任務(wù)的都是硬件電路，而給硬件電路發(fā)送執(zhí)行命令的應(yīng)該是軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)告訴了硬件電路該怎么樣執(zhí)行，什么時候執(zhí)行，執(zhí)行到什么程度。這一章我們對軟件系統(tǒng)做總體的介紹。5. 1軟件總體構(gòu)成本無刷直流電動機(jī)控制系

33、統(tǒng)軟件主要完成以下功能：(1)電機(jī)轉(zhuǎn)向的判斷。電機(jī)具有正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)兩種旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)S1的按鍵值不同決定電機(jī)的運(yùn)行方向(2)測量電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速(3)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。使電機(jī)實際轉(zhuǎn)速能夠跟隨給定值變化，并且能夠穩(wěn)定行；(4)檢測電機(jī)是否過流。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過流時能夠及時進(jìn)行處理，關(guān)斷開關(guān)管，停止電機(jī)運(yùn)行，保護(hù)電機(jī)的安全；5. 2主程序的設(shè)計一般軟件系統(tǒng)中只有一個主程序，主程序貫穿整個系統(tǒng)執(zhí)行過程，它就象是一個平臺，起著組織和調(diào)度的作用，另外，它應(yīng)該完成系統(tǒng)運(yùn)行初期的初始化操作，而且在系統(tǒng)復(fù)位以后，應(yīng)該從主程序開始執(zhí)行，我們所設(shè)計的主程序塊是以系統(tǒng)工作的路線為執(zhí)行路徑，它包括初始化，讀取給定，顯示給定，起動

34、，運(yùn)行幾個大的模塊，我們可以看出，主程序只完成了系統(tǒng)的初始化操作，除此之外，它只是把我們程序的模塊組合在一起，使各個模塊成為一個有機(jī)的整體。主程序的流程圖如圖5-1所示。開始系統(tǒng)參數(shù)初始化有鍵按下顯示刷新？顯示程序系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)示執(zhí)行鍵值對應(yīng)程序有無是否圖5-1主程序流程圖在主程序中主要完成的內(nèi)容有軟件參數(shù)初始化，電機(jī)起制動判斷，電機(jī)起制動控制，電機(jī)正反轉(zhuǎn)判斷，速度顯示等。(1)系統(tǒng)參數(shù)初始化。主要是設(shè)定一些變量值，口位，和對定時器/計數(shù)器工作模式等進(jìn)行設(shè)定。(2)電機(jī)起動制動控制。判斷S1鍵值，若為起動狀態(tài)，則系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，電機(jī)開始運(yùn)行；當(dāng)S1剛開始沒有變化時，則繼續(xù)等待，直到檢測到S1的鍵

35、值為起動狀態(tài)；若電機(jī)正常轉(zhuǎn)動過程中檢測到S1的鍵值為制動狀態(tài)，則LM621芯片發(fā)出控制信號，使電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。(3)電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制，電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)選擇是由S2鍵值的選擇來控制的。通過鍵盤掃描程序，我們確定S2的鍵值，由電機(jī)換向?qū)Ｓ眯酒琇M621發(fā)出相應(yīng)的控制信號來控制無刷電動機(jī)的換向。(4)電機(jī)的速度顯示，當(dāng)掃描到S3的鍵值變化時，LED數(shù)碼管將顯示當(dāng)時測量出來的電機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外，由于單片機(jī)不可避免的會出現(xiàn)死機(jī)情況，一旦死機(jī)，如果沒有很好的恢復(fù)措施，將造成嚴(yán)重的后果，例如橋臂直通，導(dǎo)致了電路短路，有可能會燒壞開關(guān)管?？撮T狗技術(shù)的引入，使系統(tǒng)在死機(jī)后自動重起，所以，我們只要實時的存儲系統(tǒng)的狀態(tài)信息，當(dāng)看門狗動作后，我們直接調(diào)入上一次存儲的系統(tǒng)狀態(tài)，就能使系統(tǒng)在重起后繼續(xù)按照死機(jī)之前的狀態(tài)執(zhí)行，這實際上是軟硬件結(jié)合的看門狗技術(shù)。5. 3中斷子程序的設(shè)計中斷子程序主要是完成某項特定的功能，在本系