直流無(wú)刷電機(jī)論文

1、基于單片機(jī)的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要本文從無(wú)刷直流電機(jī)的研究背景、研究意義、發(fā)展方向及分類，再到電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方式都做了一系列的論述，尤其是在電機(jī)控制方式上。無(wú)刷直流電機(jī)通過(guò)霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)的電子換向優(yōu)于傳統(tǒng)直流電機(jī)的機(jī)械換向，現(xiàn)代電機(jī)有多種控制方式，電機(jī)專用控制集成芯片控制、單片機(jī)和DSP控制，本文將采用DSPIC30F2010的單片機(jī)的PWM控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。本文設(shè)計(jì)主電路采用MOSFET三相逆變橋，驅(qū)動(dòng)電路采用驅(qū)動(dòng)器IR2130使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔。軟件部分有主程序和中斷程序組成，配合硬件電路，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和換向功能。 關(guān)鍵詞 無(wú)刷直流電機(jī)

2、DSPIC30F2010 霍爾傳感器Design of Brushless DC Motor Control System based on MicrocontrollerABSTRACTThis article from the brushless DC motor of the research background, research significance, the development direction and classification, and then to motor system structure, working principle, control mode

3、have made a series of system, this paper especially on motor control mode. Brushless DC motor with hall sensor to realize the electronic commutation is superior to the traditional dc motor mechanical commutator,there are a number of modern motor control mode, the special motor control chip control,

4、MCU and DSP control, this paper will use DSPIC30F2010 MCU PWM control module for motor speed control. In this paper, design of main circuit adopts MOSFET three-phase inverter bridge, drive circuit using driver IR2130 make the structure more compact. The software part consists of the main program and

5、 interrupt program with hardware circuit, can realize the brushless dc motor starting, braking and reversing function.KEY WORDS brushless DC motor DSPIC30F2010  Holzer sensor目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒 論11.2 直流無(wú)刷電機(jī)簡(jiǎn)介11.3 直流無(wú)刷電機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用場(chǎng)合11.4 直流無(wú)刷電機(jī)研究的意義32 直流無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理52.1 直流無(wú)刷電機(jī)特點(diǎn)52.1.1 電機(jī)分類52.1.2

6、 直流無(wú)刷電機(jī)的主要特點(diǎn)52.2 直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)72.2.1 電機(jī)主體72.2.2 位置傳感器82.2.3 電子換相 102.3 無(wú)刷直流電機(jī)工作原理112.4 脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)123 直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)133.1 系統(tǒng)控制方案133.2 系統(tǒng)主電路133.2.1 三相橋式全控整流電路143.2.2 功率管的選用143.3.3 三相橋式逆變電路153.3 驅(qū)動(dòng)電路163.4 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路183.4 微處制器控制電路193.5 PWM脈寬控制的實(shí)現(xiàn)213.6 保護(hù)電路223.6.1 過(guò)電壓保護(hù)電路223.6.2 過(guò)電流保護(hù)電路234 軟件部分244.1 微處理器DS

7、PIC30F2010開(kāi)發(fā)環(huán)境244.2 軟件總體構(gòu)成245 結(jié) 論26致 謝27參考文獻(xiàn)28附 錄301 緒 論1.1 引言電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活之中。眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)均采用電刷，以機(jī)械方法進(jìn)行換向，導(dǎo)致造價(jià)高，并產(chǎn)生了一些機(jī)械摩擦、使用壽命縮短、無(wú)線電干擾、可靠性差等一系列問(wèn)題。 隨著社會(huì)生產(chǎn)力與科技的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的不斷的更新，經(jīng)過(guò)人們多年努力，在能夠保持有刷直流電機(jī)的良好性能和啟動(dòng)性能的前提下，消除不足之處，人們借助霍爾元件來(lái)實(shí)現(xiàn)換向，用電子換向替代機(jī)械換向機(jī)械裝

8、置，從而進(jìn)入直流無(wú)刷電機(jī)產(chǎn)品化的新紀(jì)元。1.2 直流無(wú)刷電機(jī)簡(jiǎn)介直流無(wú)刷電機(jī)又稱“無(wú)換向器電機(jī)交一直一交系統(tǒng)”或“直交系統(tǒng)”。是將交流電源整流后變成直流，再由逆變器轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的交流電,但是,注意此處逆變器是工作在直流斬波方式。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（ Brushless Direct Current Motor ,BLDC ）,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)。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)具有上述的三高特性,非常適合使用在24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的產(chǎn)業(yè)機(jī)械及空調(diào)冷

9、凍主機(jī)、風(fēng)機(jī)水泵、空氣壓縮機(jī)負(fù)載;低速高轉(zhuǎn)矩及高頻繁正反轉(zhuǎn)不發(fā)熱的特性，更適合應(yīng)用于機(jī)床工作母機(jī)及牽引電機(jī)的驅(qū)動(dòng);其穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)精度比直流有刷電機(jī)更高,比矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制速度閉環(huán)的變頻驅(qū)動(dòng)還要高,性能價(jià)格比更好,是現(xiàn)代化調(diào)速驅(qū)動(dòng)的最佳選擇。1.3 直流無(wú)刷電機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用場(chǎng)合1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，為現(xiàn)代電機(jī)奠定理論基礎(chǔ)，但受電力電子器件和永磁材料等發(fā)展的限制，當(dāng)時(shí)人們使用機(jī)械換向的有刷直流電機(jī)。隨著人們對(duì)物質(zhì)生活的需求越來(lái)越高及科學(xué)技術(shù)上的突破，有刷直流電機(jī)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人的需求。19175年，美國(guó)人Langmuir發(fā)明了控制柵極的水銀整流器,并制成了直流變交流的逆變裝置。針對(duì)

10、傳統(tǒng)直流電機(jī)的弊病，20世紀(jì)30年代，一些學(xué)者開(kāi)始研制采用電子換相的無(wú)刷直流電機(jī)，為無(wú)刷直流電機(jī)的誕生提供條件。但由于當(dāng)時(shí)的大功率電子器件還處于初級(jí)發(fā)展階段，沒(méi)能找到理想的電子換相器件，使得這種可靠性差、效率低的電機(jī)只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無(wú)法推廣使用。1955 年, 美國(guó)D. Harrison和Pye首次申請(qǐng)成功用整流管換向線路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專利, 這就是現(xiàn)代BLDCM的雛形。其工作原理是，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在信號(hào)繞組中感應(yīng)出周期性的感應(yīng)電勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)晶體管導(dǎo)通，這樣就使相應(yīng)功率繞組輪流饋電，實(shí)現(xiàn)了換流。但該電機(jī)的問(wèn)題在于：首先，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，信號(hào)繞組內(nèi)不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，晶體管無(wú)偏

11、置，功率繞組也就無(wú)法饋電，所以這種無(wú)刷電機(jī)無(wú)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩其次，信號(hào)電勢(shì)的前沿陡度不大，使得晶體管的功耗較大。上世紀(jì)60年代末至70 年代初方波直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)一般采用光敏元件和遮光板位置傳感器, 采用三相半控120°相帶導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)方式。由于受到功率開(kāi)關(guān)器件、永磁材料和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展水平的制約,且此電動(dòng)機(jī)尚無(wú)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以這一時(shí)期的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為直流無(wú)刷電機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1978年，聯(lián)邦德國(guó)Mannesmann公司這是推出MAC直流無(wú)刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這標(biāo)志著直流無(wú)刷電機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段。之后，國(guó)際上對(duì)直無(wú)刷電機(jī)開(kāi)展深入的研究，先后研制成方波和正弦波無(wú)刷直流電機(jī)。直流無(wú)刷電

12、機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示?？煽醋鍪遣捎棉D(zhuǎn)子位置反饋來(lái)進(jìn)行換相控制，從而保證自同步運(yùn)行且不需要啟動(dòng)繞組的電機(jī)。20世紀(jì)90年代以后，計(jì)算機(jī)技術(shù)與控制理論發(fā)展迅速，單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程們陣列等微處理器得到了空前的發(fā)展，指令速度和存儲(chǔ)空間都有了質(zhì)的飛越，進(jìn)一步推動(dòng)了無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展。 由于電機(jī)本體及其相關(guān)學(xué)科的迅猛發(fā)展,“無(wú)刷直流電機(jī)”的概念已由最初的具有電子換向的直流電機(jī)發(fā)展到泛指一切具有有刷直流電機(jī)外部特性的電子換向電機(jī)。直流無(wú)刷電機(jī)的發(fā)展亦使得電機(jī)理論與大功率開(kāi)關(guān)器件、模擬和數(shù)字專用集成電路、微處理技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及高性能材料的結(jié)合更加緊密。無(wú)刷電動(dòng)機(jī)技術(shù)隨著永磁材料的

13、不斷提高和完善，以及電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)研究和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的積累逐步走向成熟，使直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用、開(kāi)發(fā)進(jìn)入一個(gè)新的階段。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn), 又具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn), 已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到我們的日常生活和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域之中。目前我國(guó)已有很多單位正在積極開(kāi)發(fā), 引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù), 進(jìn)一步提高無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的性能,未來(lái)市場(chǎng)對(duì)無(wú)刷電機(jī)的需求量還將急劇增加。近年來(lái)，我國(guó)中小型電機(jī)和微特電機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速，在汽車、航空航天、家用電器、辦公室自動(dòng)化領(lǐng)域等行業(yè)內(nèi)得到了較好的發(fā)展，隨著各種先進(jìn)控制策略被

14、用于直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)中，使控制系統(tǒng)的性能大幅度提高，從而全面推進(jìn)直流無(wú)刷電機(jī)硬件系統(tǒng)朝小型化、輕量化、智能化和高效節(jié)能的方向發(fā)展。圖1-1 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D1.4 直流無(wú)刷電機(jī)研究的意義直流無(wú)刷電機(jī)是將控制芯片、檢測(cè)元件、換向機(jī)構(gòu)、軟硬件相結(jié)合的一種新型機(jī)電產(chǎn)品，綜合了許多現(xiàn)代科技的最新成果，是現(xiàn)代機(jī)電一體化的最新最好的詮釋。它不僅僅繼承了現(xiàn)有交流電機(jī)和直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且自身還有獨(dú)特的特點(diǎn)。沿襲了直流電機(jī)調(diào)速性能好、機(jī)械特性呈線性、運(yùn)行效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且突出的有點(diǎn)就是沒(méi)有勵(lì)磁損耗。用置傳感器代替機(jī)械換向裝置的好處很突出，沒(méi)有了機(jī)械換向裝置產(chǎn)生的機(jī)械摩擦以及摩擦產(chǎn)生的火花，就大大減少了投入

15、維護(hù)運(yùn)行用的費(fèi)用，而且從可靠安全的角度上考慮直流無(wú)刷電機(jī)可以用在高溫高壓等環(huán)境比較惡劣或者是要求比較嚴(yán)格的場(chǎng)合，這些都是以往應(yīng)用的電機(jī)所不具備的。另一方面，從減少機(jī)械振動(dòng)和減少噪音方面無(wú)刷直流電機(jī)做的也是非常成功的。這就為人類的工作提供了更加良好的工作環(huán)境，從環(huán)保的角度上考慮也是很好的。雖然由于驅(qū)動(dòng)電路與換向電路在成本上有一定的增加，但是相信這些隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展都會(huì)得到客服，隨著永磁材料的更新進(jìn)步，制作轉(zhuǎn)子永磁體變得也越來(lái)越容易成本也在下降，這就又為直流無(wú)刷電機(jī)的推廣應(yīng)用增加了一定的籌碼，因此在來(lái)，相信很長(zhǎng)一段時(shí)間里，直流無(wú)刷電機(jī)會(huì)越來(lái)越多的應(yīng)用在民用領(lǐng)域中，漸漸的將會(huì)取代現(xiàn)有的直流電

16、機(jī)。早在1964年，直流無(wú)刷電機(jī)就被美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）使用，用于衛(wèi)星姿態(tài)控制、太 陽(yáng)電池板的跟蹤控制、衛(wèi)星上泵的驅(qū)動(dòng)等。現(xiàn)代直流無(wú)刷電機(jī)都是以永磁勵(lì)磁的。所以永磁材料的研究與發(fā)展從某種程度上來(lái)說(shuō)對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。過(guò)去的鋁鎳鈷永磁材料已逐漸被鐵氧體、稀土永磁材料所代替，20世紀(jì)80年代高慈能積的銣鐵硼永磁材料的出現(xiàn)與發(fā)展更是極大程度的推動(dòng)了永磁電機(jī)的發(fā)展。隨著電力半導(dǎo)體器件的更新與換代，從小功率晶體管，到大功率晶體管（GTR）、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）等新型開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展使得直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路更加簡(jiǎn)單，微電子技

17、術(shù)更是將直流無(wú)刷電機(jī)的專用控制集成電路與電子電路更好的結(jié)合起來(lái)。由上面的分析可以看出，隨著時(shí)代的進(jìn)步與科學(xué)的發(fā)展直流無(wú)刷電機(jī)在今后的社會(huì)發(fā)展中必定會(huì)逐漸成為主流，縱使它的出場(chǎng)成本依然昂貴，但是隨著永磁材料與電力電子微電子技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展，相信成本問(wèn)題終將不會(huì)限制它的成長(zhǎng)。因此，對(duì)它的研究在現(xiàn)如今以致在今后未來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間里都會(huì)具有很深遠(yuǎn)的意義。2 直流無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理2.1 直流無(wú)刷電機(jī)特點(diǎn)2.1.1 電機(jī)分類電機(jī)分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，直流電機(jī)分有刷和無(wú)刷兩種，直流無(wú)刷電機(jī)是在有刷電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，但它的驅(qū)動(dòng)電流是不折不扣的交流；一般地，無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流有兩種，一種是梯形波（一般

18、是“方波”），另一種是正弦波。電機(jī)分類框圖2-1所示。按所需電源種類有刷直流電機(jī)直 流 電 機(jī)交 流 電 機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)單相電機(jī)三相電機(jī)永磁直流電機(jī)電磁直流電機(jī)方波驅(qū)動(dòng)正弦波驅(qū)動(dòng)圖2-1 電機(jī)分類結(jié)構(gòu)圖2.1.2 直流無(wú)刷電機(jī)的主要特點(diǎn)傳統(tǒng)的直流電機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)速性能在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，但機(jī)械電刷卻是它的致命弱點(diǎn)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)就是為了既要保持有刷直流電動(dòng)機(jī)的特性、又要革除電刷和換向器的目的研究開(kāi)發(fā)的。控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)應(yīng)該具有下列優(yōu)點(diǎn):快速性、可控性、可靠性、體積小、重量輕、節(jié)能、效率高、適應(yīng)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性。下面將就這些方面具體分析無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)所在。為了實(shí)現(xiàn)快速的

19、起、停、加速、減速，要求電動(dòng)機(jī)具有小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子主要是由永磁材料構(gòu)成的磁極體組成，電樞繞組在定子上，因而轉(zhuǎn)子外徑可以相對(duì)較小，轉(zhuǎn)子慣量也就較小;轉(zhuǎn)矩方面，只有直流電動(dòng)機(jī)才能達(dá)到大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和大的最大轉(zhuǎn)矩，而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有直流電動(dòng)機(jī)的特性，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩都較大。這使得它具有快速性的特點(diǎn)。 在可控性方面，直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和繞組流過(guò)的電流成線性關(guān)系，直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩又大，因此可控性最好、最方便。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有一般有刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性，只要簡(jiǎn)單地改變電動(dòng)機(jī)的輸入電壓的大小就可以在廣闊的范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。在可靠性方面，消除了電刷，也就

20、消除故障的主要根源，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，因而在轉(zhuǎn)子上沒(méi)有電的損耗，又由于主磁場(chǎng)使恒定的，因此鐵損也是極小的，總的來(lái)說(shuō)，除了軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦損耗外，轉(zhuǎn)子方的損耗很小，進(jìn)一步增加了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作的可靠性。 由此可知 ，和其它類型的電動(dòng)機(jī)相比，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)不僅較為可靠而且損耗較小，它的電樞在定子上，直接和機(jī)殼相連，散熱條件好，熱傳導(dǎo)系數(shù)大。由于這樣的關(guān)系，在相同的條件下，在相同的出力要求下，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可以設(shè)計(jì)得體積更小，重量更輕。不論是電機(jī)設(shè)計(jì)還是系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高效率、節(jié)約能量都具有重要意義，有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)報(bào)道，美國(guó)55%以上的電力是消耗在電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行上，美國(guó)GE公

21、司曾預(yù)測(cè)，僅在制冷器具的應(yīng)用中，若用無(wú)刷電機(jī)取代傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)，其效率可提高20%，全美國(guó)一年可節(jié)約用電2.2MkWh。而異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在輕載時(shí)功率因素低，增加線路和電網(wǎng)的損耗，根據(jù)有關(guān)報(bào)導(dǎo)，我國(guó)消耗在電動(dòng)機(jī)上的電力占整個(gè)電力的65%以上。因此，提高電動(dòng)機(jī)的效率，選擇損耗最小、效率最高的電機(jī)是很重要的。從以上的分析可以看出，相對(duì)于其他類型的電機(jī)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的損耗最小、節(jié)能效率最高。一份資料作過(guò)對(duì)比分析，對(duì)于7.5kW的異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)效率可達(dá)86.4%，但是同樣容量的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)效率可達(dá)92.4%。 在環(huán)境適應(yīng)性方面，對(duì)于高性能系統(tǒng)，只能采用直流電動(dòng)機(jī)，但在同時(shí)要求長(zhǎng)壽命，免維修以及防爆

22、、防燃的環(huán)境條件下，有刷直流電動(dòng)機(jī)就無(wú)法適應(yīng)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)才是最好的選擇。 在經(jīng)濟(jì)性方面，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的價(jià)格不斷的下降，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、控制器的價(jià)格己經(jīng)和異步機(jī)的變頻器相差不多了，只是由于稀土永磁材料的價(jià)格較貴，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的成本也較高.但是在考慮綜合指標(biāo)(系統(tǒng)性能、重量、能量消耗)之后，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用仍呈上升趨勢(shì)。因此無(wú)刷直流電機(jī)鐵芯利用率更高，具有更大的功率密度、更高的效率和更好的控制性能，如將節(jié)能因素、省卻變頻器以及產(chǎn)能提高因素考慮在內(nèi)，綜合使用陳本下降很多。綜上所述，直流無(wú)刷電機(jī)，不僅具有體積小、節(jié)能、控制性能好、又輕易實(shí)現(xiàn)減速直接驅(qū)動(dòng)消除齒輪減速裝置，

23、低噪音、平層精度和舒服性都優(yōu)于以前的有刷直流電機(jī)調(diào)速和異步電機(jī)變頻調(diào)速。2.2 直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直流無(wú)刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說(shuō)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(p)影響。它具有旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)和固定的電樞。這樣電子換相線路中的功率開(kāi)關(guān)器件，如晶閘管，晶體管等可直接與電樞繞組連接。在電機(jī)內(nèi)，裝有一個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器，用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中的位置。它與電子換相線路一起，替代了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相裝置。綜上所述，無(wú)刷直流電機(jī)由電機(jī)本體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相線路三大部分組成，定子繞組分別于電子開(kāi)關(guān)線路中相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件連接，位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸連接。其內(nèi)部基本

24、結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2-2所示。無(wú) 刷 直 流 電 機(jī)電 機(jī) 主 體位 置 傳 感 器電 子 換 向 線 路圖2-2 直流無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖2.2.1 電機(jī)主體直流無(wú)刷電機(jī)在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷電機(jī)基本一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子采用的重量、結(jié)構(gòu)化了結(jié)構(gòu)、提高了性能，使其可靠性得以提高。電機(jī)主體包括定子和轉(zhuǎn)子，直流無(wú)刷電機(jī)的定子由鑄鋼疊片組成，轉(zhuǎn)子是由永磁體鑲嵌在鐵芯表面或者嵌入鐵芯內(nèi)部構(gòu)成。定子繞組置于內(nèi)部圓周軸向開(kāi)鑿的槽中如圖所示，在槽中放置一個(gè)或多個(gè)線圈，并使它們相互連接組成繞組，電樞繞組可以星形連接或三角形連接，但考慮到系統(tǒng)的性能和成本，目前大多使用星形連接的電樞繞組。沿定子圓周分布這

25、些繞組，以構(gòu)成均勻分布的磁極，且有利于常用的內(nèi)轉(zhuǎn)子無(wú)數(shù)直流電機(jī)散熱，電機(jī)主體圖如2-3所示。圖2-3電機(jī)主體圖2.2.2 位置傳感器位置傳感器在無(wú)刷直流電機(jī)中起著檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置、為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確換向信息的作用，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后去控制定子繞組換相，使電機(jī)電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按一定次序換相，通過(guò)氣隙形成步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)。位置傳感器的種類很多，有電磁式、光電式、磁敏式等?；魻栁恢脗鞲衅鳛榇琶羰轿恢脗鞲衅鞯囊环N，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、安裝靈活方便、易于機(jī)電一體化的優(yōu)點(diǎn)，因此，在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中一般采用霍爾位置傳感器作為轉(zhuǎn)子位置

26、檢測(cè)裝置?；魻柺轿恢脵z測(cè)器是利用“霍爾效應(yīng)”進(jìn)行工作的。利用霍爾式位置傳感器工作的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，同時(shí)也是霍爾式位置傳感器的轉(zhuǎn)子。通過(guò)感知轉(zhuǎn)子上的磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化來(lái)辨別轉(zhuǎn)子所處的位置。霍爾傳感器按功能和應(yīng)用可分為線性型和開(kāi)關(guān)型兩種： (1)線性型：線性型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍耳元件、差分放大器、輸出級(jí)等部分組成，輸入為變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度得到與磁場(chǎng)強(qiáng)度成線性關(guān)系的輸出電壓，可用于磁場(chǎng)測(cè)量、電流測(cè)量、電壓測(cè)量等。 (2)開(kāi)關(guān)型：開(kāi)關(guān)型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍耳元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)等部分組成。輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為開(kāi)關(guān)信號(hào)。直流無(wú)刷電機(jī)的霍耳位置傳感器和電機(jī)的本體一樣，也是

27、由靜止部分和運(yùn)動(dòng)部分組成，即位置傳感器定子和傳感器轉(zhuǎn)子。其轉(zhuǎn)子與電機(jī)主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電動(dòng)機(jī)主轉(zhuǎn)子的位置，即可以直接利用電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，也可以在轉(zhuǎn)軸其它位置上另外安裝永磁轉(zhuǎn)子。定子由若干個(gè)霍耳元件，按一定的間隔，等距離的安裝在傳感器定子上，以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。 位置傳感器的基本功能是在電動(dòng)機(jī)的每一個(gè)電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)。位置傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一對(duì)磁極（N、S幾極）的轉(zhuǎn)角，也就是說(shuō)每轉(zhuǎn)過(guò)360 電角度，就要產(chǎn)生出與電動(dòng)機(jī)繞組邏輯分配狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)。以完成電動(dòng)的一個(gè)換流全過(guò)程，如果轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)越多，則在360 機(jī)械角內(nèi)完成該換流全過(guò)程的次數(shù)也就越多。霍耳位置傳感

28、器必須滿足以下兩個(gè)條件：(1）位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是不重復(fù)的，每一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)所占的電角度相等。 (2）位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)應(yīng)和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)相對(duì)應(yīng)。圖2-4霍爾集成電路及開(kāi)關(guān)型輸出特性位置傳感器輸出的開(kāi)關(guān)狀態(tài)能滿足以上條件，那么總可以通過(guò)一定的邏輯變換將位置傳感器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)與電動(dòng)機(jī)的換相狀態(tài)對(duì)應(yīng)起來(lái)，進(jìn)而完成換相。對(duì)于三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其位置傳感器的霍耳元件的數(shù)量是3，安裝位置應(yīng)當(dāng)間隔120 電角度，其輸出信號(hào)是Ha、Hb、Hc?；魻柤呻娐芳伴_(kāi)關(guān)型輸出特性如圖2-4所示，霍爾式位置傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，成本低，因此是目前在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)

29、上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。2.2.3 電子換相換向又可以稱為“換流”,在無(wú)刷直流電機(jī)中，來(lái)自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)，經(jīng)處理后按照一定的邏輯程序，驅(qū)使某些與電樞繞組相連接的功率開(kāi)關(guān)晶體管在某一瞬間導(dǎo)通或截止，迫使某些原來(lái)沒(méi)有電流的電樞繞組內(nèi)開(kāi)始流通電流，某些原來(lái)有電流的電樞繞組內(nèi)開(kāi)始關(guān)斷電流或改變電流的流通方向，從而迫使定子磁狀態(tài)產(chǎn)生變化。我們把這種利用電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電樞繞組內(nèi)電流變化的物理過(guò)程稱為電子換向或“換流”。沒(méi)“換流”一次，定子磁狀態(tài)就改變一次，連續(xù)不斷地“換流”，就會(huì)在工作氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)跳躍的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)電子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁極相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩

30、，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再有位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置信號(hào)變換成電信號(hào)，去控制電子開(kāi)關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開(kāi)關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向的作用。圖2-5 “三相星形橋式連接”的電子換向電路圖2-5是“三相星形橋是連接”的電子換向電路的原理圖。“三相星形橋是連接”的電子換向過(guò)程如下：第一步：當(dāng)時(shí)，圖2-5中的MOSFET管、導(dǎo)通，即有電源正端UV電源負(fù)端；第二步：當(dāng)時(shí)，MOSFET管、導(dǎo)通，即有電源正端UW電源負(fù)端；第三步：當(dāng)時(shí)，MOSFET管、導(dǎo)通，即有電源正端VW電源負(fù)端；第四步：當(dāng)時(shí)，MOSFET管、

31、導(dǎo)通，即有電源正端VU電源負(fù)端；第五步：當(dāng)時(shí)，MOSFET管、導(dǎo)通，即有電源正端WU電源負(fù)端；第六步：當(dāng)時(shí)，MOSFET管、導(dǎo)通，即有電源正端WV電源負(fù)端；第七步：當(dāng)時(shí)，又重復(fù)時(shí)的狀態(tài)。2.3 無(wú)刷直流電機(jī)工作原理直流電源邏輯變換開(kāi)關(guān)線路電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器圖2-6直流無(wú)刷電機(jī)原理框圖直流無(wú)刷電機(jī)沒(méi)有換向器，并且繞組是在定子上，轉(zhuǎn)子上鑲有永磁剛。當(dāng)定子上的線圈通有直流電后會(huì)產(chǎn)生不變的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)不能與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)始終形成一個(gè)電角度來(lái)產(chǎn)生力矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，這就要求定子上通電后要產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，可以和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)在360°始終形成一個(gè)固定的電角度產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)

32、位置傳感器感受轉(zhuǎn)子位置產(chǎn)生不同的邏輯信號(hào)，改變邏輯開(kāi)關(guān)組成的電路中功率管的導(dǎo)通改變定子繞組通電相來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的變化，致使轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)和繞組換相導(dǎo)通的磁場(chǎng)始終保持一個(gè)90°電角度，這樣電機(jī)就連續(xù)不斷的運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)了。無(wú)刷直流電機(jī)中電樞繞組被設(shè)置在定子上，永磁體磁極被設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，定子各相電樞繞組相對(duì)轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)的位置，由轉(zhuǎn)子位置傳感器通過(guò)電子方式或電磁方式所感知；并利用其輸出信號(hào)，通過(guò)電子換相線路，按照一定的邏輯程序去驅(qū)動(dòng)與電樞繞組相連接的相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)晶體管，把電流開(kāi)關(guān)到相應(yīng)的電樞繞組。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置傳感器不斷地發(fā)送出信號(hào)，致使電樞繞組不斷地依次通電，不斷地改變通電狀態(tài)

33、，使得在某一磁極下的線圈導(dǎo)體中流過(guò)的電流方向始終不變，直流無(wú)刷電機(jī)原理框圖如2-6所示。2.4 脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)PWM脈寬調(diào)制，是靠改變脈沖寬度來(lái)控制輸出電壓，通過(guò)改變周期來(lái)控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可通過(guò)改變此脈沖的調(diào)制周期來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個(gè)作用配合一致，且于中間直流環(huán)節(jié)無(wú)關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動(dòng)態(tài)性能。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大大改善。利用PWM逆變器能夠抑制或消除低次諧波。加上使用自關(guān)斷器件，開(kāi)關(guān)頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。 PWM變頻電路具有以下特點(diǎn)：  (1) 可

34、以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓 (2) 整流電路采用二極管，可獲得接近1的功率因數(shù) (3) 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 (4) 通過(guò)對(duì)輸出脈沖寬度的控制可改變輸出電壓，加快了變頻過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 現(xiàn)在通用變頻器基本都再用PWM控制方式，所以介紹一下PWM控制基本原理:控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次斜波諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論，即沖

35、量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。沖量既指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同。是指該環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，則它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。3 直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)控制方案本系統(tǒng)采用DSPIC30F2010為核心控制芯片，單片機(jī)輸出與輸入的信號(hào)先經(jīng)過(guò)光耦隔離（目的消除干擾），運(yùn)行時(shí)，三相交流電源經(jīng)過(guò)晶閘管全橋整流電路為逆變橋提供穩(wěn)定的整流直流電，加載到逆變橋兩端。由控制芯片提供六路PWM波，通過(guò)位置傳感器感受轉(zhuǎn)子的位置變化并將其轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)反饋到控制芯片中，控制芯片對(duì)此作出相應(yīng)的判斷，對(duì)轉(zhuǎn)速

36、做到實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片IR2130以此控制相對(duì)應(yīng)的功率管按照既定的方式導(dǎo)通，使得定子繞組產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，產(chǎn)生推動(dòng)轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)的系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。微 處 理 器電 機(jī) 驅(qū)動(dòng) 電 路逆 變 橋整 流 橋三 相 交流 電 源轉(zhuǎn) 子 位 置 信號(hào)無(wú)刷電 機(jī)電平轉(zhuǎn)換圖3-1直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)框圖3.2 系統(tǒng)主電路無(wú)刷直流電機(jī)硬件系統(tǒng)主電路主要由交流電源、整流橋和逆變橋組成。輸入交流電先經(jīng)過(guò)整流電路整流后變換為直流電，逆變橋?qū)⒋酥绷麟娊?jīng)過(guò)變換后輸出，用來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件部分由主電路、驅(qū)動(dòng)電路、微處理器

37、控制電路與保護(hù)電路等組成。軟件部分包括主程序和定時(shí)中斷服務(wù)子程序等內(nèi)容。3.2.1 三相橋式全控整流電路根據(jù)不同的系統(tǒng)要求和應(yīng)用場(chǎng)合，交流電源可采用單相或三相交流電源對(duì)于單相交流電源，常采用整流電路有橋式全控整流電路、橋式半控整流電路和橋式倍壓整流電路。三相交流電源多采用三相橋式整流模塊實(shí)現(xiàn)整流，接線簡(jiǎn)單且效果好。橋式全控整流電路如圖3-2所示，由圖知橋式全控整流電路習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1、VT3、 VT5）稱為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽(yáng)極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl管按圖示的順序編號(hào)，即共陰極組中

38、與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽(yáng)極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。從后面的分析可知，按此編號(hào)，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1VT2VT3VT4VT5VT6。圖3-2三相橋式全控整流電路3.2.2 功率管的選用功率管（功率場(chǎng)效應(yīng)控制器）是一種用電壓信號(hào)控制工作電流的電力電子器件。特點(diǎn)是輸入阻抗極高，所需驅(qū)動(dòng)功率很小，在控制信號(hào)撤除后會(huì)自行關(guān)斷，是一種高性能的自關(guān)斷器件。目前廣泛使用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路，特別是應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制中。本設(shè)計(jì)選用的功率管如下：(1) N管選用STP60NF06，這種系列MOSFET功率管

39、是一種具有獨(dú)特的STripFET過(guò)程微電子穩(wěn)壓管，特別是具有極小的輸入電容和柵極電荷。因此，特別適合作為電信和計(jì)算機(jī)的先進(jìn)高效的主要的開(kāi)關(guān)隔離式DC - DC轉(zhuǎn)換器。還可應(yīng)用在要求低電荷驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的電路。 (2) P管選用STP80PF55，主要應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)控制、DC-DC和DC-AC變換器中。MOSFET管工作在高頻時(shí)，為了防止振蕩，有兩點(diǎn)必須注意：第一，盡可能減少各端點(diǎn)的連接線長(zhǎng)度，特別是柵極引線，如果無(wú)法使引線縮短，可以在靠近柵極處串聯(lián)一個(gè)小電阻以便控制寄生振蕩；第二，由于MOSFET管的輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)電源的阻抗必須比較低，以避免正反饋所引起的振蕩，特別是MOSFET管的直流輸入阻抗非常

40、高，但它的交流輸入阻抗是隨頻率而改變的，因此MOSFET管的驅(qū)動(dòng)波形的上升和下降時(shí)間與驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器阻抗有關(guān)。3.3.3 三相橋式逆變電路圖3-3三相橋式逆變電路圖三相橋式逆變電路如圖3-3所示，由六個(gè)MOSFET或IGBT構(gòu)成的三相橋式逆變器，圖中二極管D1D6可作為電機(jī)向直流側(cè)反饋能量的通道，故稱為反饋二極管；他們同時(shí)起著使電機(jī)電流續(xù)流的作用，因此又稱為續(xù)流二極管。續(xù)流二極管旁由阻容和另一個(gè)二級(jí)管組成吸收電路，其作用為抑制功率管兩端的過(guò)沖電壓，減小功率管的關(guān)斷損耗。由三相橋式逆變電路圖及原理，我們來(lái)討論功率管的導(dǎo)通所帶來(lái)的繞組換向問(wèn)題及由功率管所構(gòu)成的逆變電路。怎么樣才能使轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的

41、磁場(chǎng)與繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)在360度電角度內(nèi)始終形成固定的90度的電角度，通過(guò)電路的一系列工作方式來(lái)說(shuō)明這些問(wèn)題?，F(xiàn)代無(wú)刷直流電機(jī)最常用的三相全橋逆變電路。采用6個(gè)MOSFET功率管和6個(gè)續(xù)流二極管組成。電機(jī)采用三相Y型連接方式。三相繞組導(dǎo)通方式通常有兩兩導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式。下面就兩種主要導(dǎo)通方式進(jìn)行論述和分析。 (1) 兩兩導(dǎo)通方式兩兩導(dǎo)通方式是指每一時(shí)刻電機(jī)都有兩相導(dǎo)通，第三相懸空，各相的導(dǎo)通順序與時(shí)間由位置傳感器獲得的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)決定。定子合成磁場(chǎng)在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，而是一種步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，每個(gè)步進(jìn)角是60°電角度。轉(zhuǎn)子沒(méi)轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度時(shí)，逆變橋就進(jìn)行一次換流，

42、定子磁狀態(tài)就相應(yīng)改變一次，由此可見(jiàn)，電機(jī)有六個(gè)磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩兩導(dǎo)通，每相繞組中連續(xù)流過(guò)電流的時(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120°電角度所需要的時(shí)間。 每一時(shí)刻都有一個(gè)上橋臂功率器件導(dǎo)通，使相應(yīng)的繞組獲得正向電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；同時(shí)又有一個(gè)下橋臂功率器件導(dǎo)通，使另一相繞組獲得反相電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此相應(yīng)時(shí)刻的合成轉(zhuǎn)矩是兩相繞組通電產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和。每經(jīng)過(guò)一次換相，合成轉(zhuǎn)矩的方向就轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度，一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩要經(jīng)歷六次方向變換，使得轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比三相半控式驅(qū)動(dòng)電路要平緩很多。(2) 三三導(dǎo)通方式三三導(dǎo)通方式是指每一瞬間逆變橋均有三只功率器件同時(shí)通電。同兩兩導(dǎo)通方式相比，也是，每隔1/6周期

43、（60°電角度）換相一次，其硬件原理完全相同。只是功率器件的導(dǎo)通次序不同，每一功率器件導(dǎo)通180°電角度。三三導(dǎo)通方式可以更進(jìn)一步提高繞組的利用率，減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。值得注意的是三三導(dǎo)通方式在換相時(shí)刻容易導(dǎo)致同一橋的上、下橋臂同時(shí)導(dǎo)通。3.3 驅(qū)動(dòng)電路MOSFET驅(qū)動(dòng)電路既可以由分立器件構(gòu)成，也可以由專用的驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。由專用驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的電路簡(jiǎn)單，可靠性高，應(yīng)用較為廣泛。驅(qū)動(dòng)器種類很多，其中IR2110和IR2130較為常用。IR2130是IR公司生產(chǎn)的高性能三相橋式驅(qū)動(dòng)器，它是高壓集成驅(qū)動(dòng)器，可作為交直流調(diào)速、UPS電源、電子鎮(zhèn)流器以及永磁無(wú)刷電機(jī)調(diào)速電路中主功率元件的驅(qū)動(dòng)電路

44、。IR2130具有六路輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，其中六路輸出信號(hào)中的三路具有電平轉(zhuǎn)換功能，因而他既能驅(qū)動(dòng)橋式電路中低壓側(cè)的功率器件，又能驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的功率元件。也就是說(shuō)IR2130只使用一路驅(qū)動(dòng)電源，但可以輸出6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，而且IR2130保護(hù)功能設(shè)計(jì)的更加完美，使電路更加可靠。IR2130可在不高于600V的電路中工作，輸出的上橋臂驅(qū)動(dòng)電流峰值為250mA，下橋臂驅(qū)動(dòng)電流峰值為500mA。其內(nèi)部集成有1個(gè)電流比較器、1個(gè)電流放大器、1個(gè)自身工作電源欠壓檢測(cè)器、1個(gè)故障處理單元、1個(gè)清除封鎖邏輯單元、3個(gè)輸入信號(hào)處理器、3個(gè)脈沖處理和電平移位器、3個(gè)上橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖存器、3個(gè)上橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)

45、欠壓檢測(cè)器、6個(gè)低壓輸出阻抗功率驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)或門(mén)電路。圖3-4直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖在無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，微處理器產(chǎn)生6路PWM脈沖信號(hào)作為IR2130的6路輸入，其中3路驅(qū)動(dòng)上橋臂，3路驅(qū)動(dòng)下橋臂。驅(qū)動(dòng)下橋臂功率管的3路信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后，直接被送往功率器件的控制極；而驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的3路信號(hào)先經(jīng)過(guò)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)脈沖信號(hào)，再經(jīng)對(duì)應(yīng)的3路輸出鎖存器鎖存，通過(guò)嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)脈沖檢驗(yàn)之后，被送到輸出驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率放大，到最后到被驅(qū)動(dòng)的上橋臂功率管控制極。直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖3-4所示。圖3-4中，IR2130的HIN1HIN3、LIN

46、1LIN3作為功率管的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)與主控芯片連接。FAULT與DSPIC30F2010外部中斷引腳連接，由控制器中斷程序處理故障?？紤]到電樞線圈由于自身電感的作用會(huì)產(chǎn)生極高的瞬時(shí)反電動(dòng)勢(shì)，會(huì)擊穿元件，在功率管上加入D5D8這六個(gè)二極管，起作用時(shí)通過(guò)續(xù)流而防止出現(xiàn)過(guò)高的反電動(dòng)勢(shì)造成MOSFET管損壞。C3C5是自舉電容，為上橋臂功率驅(qū)動(dòng)的懸浮電源存儲(chǔ)能量，D1D3的作用防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)的直流電壓母線電壓到IR2130的電源上而使器件損壞，因此D1D3應(yīng)有足夠的反向耐壓，由于二極管與電容串聯(lián)，為了滿足主電路功率管開(kāi)關(guān)頻率的要求，D1D3選著了快速恢復(fù)二極管。3.4 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路在帶位置傳感

47、器無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，為了得到最大轉(zhuǎn)矩，微處理器需要根據(jù)位置傳感器的信號(hào)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行換相操作。掌握好恰當(dāng)?shù)膿Q相時(shí)刻，可以減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，因此位置檢測(cè)非常重要。在大多數(shù)無(wú)數(shù)直流電機(jī)中，霍爾位置傳感器由安裝在定子上的霍爾集成電路和安裝在主轉(zhuǎn)子上的位置傳感器轉(zhuǎn)子構(gòu)成。傳感器轉(zhuǎn)子與電機(jī)主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電機(jī)主轉(zhuǎn)子的位置，若干個(gè)霍爾集成電路按等距的間隔，安裝在電機(jī)定子上，主轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一對(duì)磁極，傳感器就要產(chǎn)生出一組跳變信號(hào)。主轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)越多，則在360°機(jī)械角度內(nèi)傳感器產(chǎn)生的跳變信號(hào)也越多。在一個(gè)電周期內(nèi)，霍爾位置傳感器所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是不重復(fù)的，每一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)所占的電角度相等

48、。以3個(gè)空間位置相差120°電角度的霍爾位置傳感器為例，每個(gè)電周期內(nèi)每一個(gè)霍爾位置傳感器都會(huì)產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號(hào)，3個(gè)霍爾位置傳感器的輸出信號(hào)相位差120°.這樣它們?cè)诿總€(gè)轉(zhuǎn)子電周期中共有3個(gè)上升沿和3個(gè)下降沿，正好對(duì)應(yīng)6個(gè)換相時(shí)刻。位置檢測(cè)不但用于換相控制，而且還可以用于產(chǎn)生速度反饋控制量。轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)被送入微處理器的輸入接口，這一組信號(hào)的電平狀態(tài)和跳變時(shí)刻決定了電機(jī)的換相狀態(tài)和時(shí)刻。如圖3-5所示，霍爾位置傳感器輸出信號(hào)HA、HB和HC經(jīng)過(guò)高速光電隔離后輸出，再經(jīng)過(guò)整形和電容濾波濾去高頻干擾信號(hào)后得到HA、HB和HC，最后送入微控制器。圖3-5轉(zhuǎn)子位

49、置信號(hào)檢測(cè)電路圖3.4 微處制器控制電路微處理器控制電路主要包括微處理器、接口電路和外圍設(shè)備。其中，未處理器是整個(gè)電路的核心部件，它主要負(fù)責(zé)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜算法、通過(guò)輸出接口向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)、將運(yùn)算結(jié)果輸出給外圍設(shè)備、從外圍設(shè)備接收指令并做出相應(yīng)的動(dòng)作。由此可見(jiàn)。選著一個(gè)合適的微處理器，就成為整個(gè)控制系統(tǒng)能否良好運(yùn)行并達(dá)到預(yù)期控制效果的關(guān)鍵。隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，微處理器芯片也朝著高速化、通用化、專用化、高性價(jià)比以及模擬數(shù)字混合集成等方向發(fā)展。美國(guó) MICROCHIP公司推出了性價(jià)比介于高檔 16位單片機(jī)和中檔 DSP 之間的 dsPIC30F系列28位

50、引腳16位MCU，它主要為交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)和普通直流無(wú)刷電機(jī)這些典型的電機(jī)類型而專門(mén)設(shè)計(jì)的。論文中采用該系列中的dsPIC30F2010 微處理器作為直流無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)的主控芯片，它內(nèi)部有專為電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的MCPWM模塊，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化，其外圍電路主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、程序在線調(diào)試和下載電路。以下是DSPIC30F2010電機(jī)控制PWM模塊的一些主要特性：l 6個(gè)PWM輸出通道，互補(bǔ)或獨(dú)立的輸出模式，邊沿和中心對(duì)齊模式l 4個(gè)占空比發(fā)生器。l 具備4中工作模式的專用時(shí)基l 輸出極性可由編程設(shè)定l 用于互補(bǔ)模式的死區(qū)時(shí)間控制l 手動(dòng)輸出控制l 用于同步A/

51、D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)器圖3-6微處制器控制電路dsPIC30F2010 微處理器同時(shí)具有高性能 16 位單片機(jī)的控制特點(diǎn)和 DSP 高速的數(shù)字信號(hào)處理能力，并且采用了改進(jìn)的哈佛 RISC 架構(gòu)，其擁有豐富的外圍模塊、完整的 DSP 引擎、改進(jìn)的中斷處理能力以及大容量的FLASH 存儲(chǔ)器.dsPIC30F2010微處理器內(nèi)核集成了完整的DSP引擎，這極大的提高了微處理器的運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力。它具有一個(gè)高速17位×17位乘法器、一個(gè)40位算數(shù)邏輯單元（ALU）、兩個(gè)40位飽和累加器、一個(gè)40位雙向桶形移位寄存器和16個(gè)16位工作寄存器（ W 0 W15），并且每個(gè)工作寄存器都可以作為數(shù)據(jù)、尋

52、址或者移位寄存器進(jìn)行操作，在這16個(gè)工作寄存器中 W 15作為中斷和程序調(diào)用時(shí)的堆棧指針。 dspIC30F2010微處理器的指令系統(tǒng)支持單片機(jī)和DSP兩大類指令，并且DSP指令可以與普通的單片機(jī)指令同時(shí)進(jìn)行操作，此外，該指令系統(tǒng)基于高效的C語(yǔ)言編譯器，內(nèi)核支持固有尋址（無(wú)操作數(shù)尋址）、相對(duì)尋址、立即數(shù)尋址、存儲(chǔ)器直接尋址、寄存器直接尋址、寄存器間接尋址、寄存器偏移量尋址以及立即數(shù)偏移量尋址。對(duì)于大多數(shù)的指令，內(nèi)核能夠在每個(gè)指令周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)（或程序數(shù)據(jù)）存儲(chǔ)器讀取、工作寄存器（數(shù)據(jù)）讀取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)入以及程序（指令）存儲(chǔ)器讀取的工作。dsPIC30F2010微處理器的內(nèi)核中還加強(qiáng)了陷阱異常

53、和中斷處理結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)，支持最多8個(gè)陷阱異常和54個(gè)中斷源，編程人員可以指定1到7之間的優(yōu)先級(jí)（1為最低優(yōu)先級(jí)；7為最高優(yōu)先級(jí)）或者按照預(yù)定義的“自然順序”，決定每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)。dsPIC30F2010微處理器中，陷阱異常的優(yōu)先級(jí)是固定的，其優(yōu)先級(jí)范圍從8到15。dsPIC30F2010微處理器還集成了豐富的外圍功能模塊，其中包括：高灌電流、高輸出驅(qū)動(dòng)電流的I/O引腳，最大輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá) 25 mA；三個(gè)16位定時(shí)器（計(jì)數(shù)器），在需要的時(shí)候可以將16位定時(shí)器配對(duì)組成32位定時(shí)器進(jìn)行操作；四個(gè)16位輸入捕捉功能引腳；兩個(gè)16位比較或者PWM輸出功能引腳，可工作在雙比較模式下；多種外圍通訊

54、模塊，其中含有SPI、IIC和UART等通訊方式；多通道的A/D采樣模塊以及各種異常情況處理模塊和保護(hù)模塊。當(dāng)dsPIC30F2010微處理器應(yīng)用在電機(jī)控制系統(tǒng)中，其電機(jī)專用控制模塊還提供了六個(gè)PWM輸出通道和四個(gè)占空比發(fā)生器用于三相橋式逆變器的控制，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)相應(yīng)的控制寄存器進(jìn)行編程，使微處理器輸出互補(bǔ)或者獨(dú)立的PWM波，同時(shí)也可以對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間進(jìn)行控制。 綜上所述， dsPIC30F2010微處理器擁有強(qiáng)大的內(nèi)核處理能力，完善的指令系統(tǒng)，豐富的外圍功能模塊以及電機(jī)控制專用模塊，為電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了便利FF0C表現(xiàn)出了良好的控制性能。3.5 PWM脈寬控制的實(shí)現(xiàn)為了使直流無(wú)刷

55、電機(jī)速度可變，必須在兩相繞組的兩端加上可變電壓。從數(shù)字化的語(yǔ)言來(lái)講，從數(shù)字化的語(yǔ)言來(lái)講，就是加在直流無(wú)刷電機(jī)繞組上的PWM信號(hào)的不同占空比可以獲得可變電壓。dsPIC30F2010有六個(gè)由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)的PWM輸出，通過(guò)使用六個(gè)開(kāi)關(guān)、IGBT 或 MOSFET，可以將三相繞組驅(qū)動(dòng)為高電平、低電平或根本不通電。例如，當(dāng)繞組的一端連接到高端驅(qū)動(dòng)器時(shí)，就可在低端驅(qū)動(dòng)器上施加占空比可變的 PWM 信號(hào)。這與將 PWM信號(hào)加在高端驅(qū)動(dòng)器上， 而將低端驅(qū)動(dòng)器連接到 V SS 或GND 的作用相同。一般更喜歡對(duì)低端驅(qū)動(dòng)器施加PWM信號(hào)。PWM信號(hào)由dsPIC30F2010的電機(jī)控制（MotorControl

56、,MC）專用PWM模塊提供。MCPWM模塊是專為電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。MCPWM有一個(gè)專用的16位PTMR 時(shí)基寄存器。此時(shí)定時(shí)器每隔一個(gè)由用戶定義的時(shí)間間隔進(jìn)行一次遞增計(jì)數(shù)，該時(shí)間間隔最短可以為。通過(guò)選擇一個(gè)值并將它裝入PTPER寄存器，用戶可以決定所需的PWM周期。每個(gè)，PTMR與PTPER作一次比較。當(dāng)兩者匹配時(shí)，開(kāi)始一個(gè)新的周期。控制占空比的方法與此類似，只需在三個(gè)占空比寄存器中裝入一個(gè)值即可。與周期比較不同，每隔 /2 就將占空比寄存器中的值與 PTMR 進(jìn)行一次比較（即，比較的頻率是周期比較的兩倍） 。 如果PTMR的值與PDCX的值相匹配，那么對(duì)應(yīng)的占空比輸出引腳就會(huì)根據(jù)選定的P

57、WM模式驅(qū)動(dòng)為低電平或高電平。通過(guò)占空比比較產(chǎn)生的三個(gè)輸出將被分別傳輸給一對(duì)互補(bǔ)的輸出引腳，其中一個(gè)引腳輸出為高電平，而另一個(gè)引腳輸出為低電平，反之亦然。這兩個(gè)輸出引腳也可以被配置為獨(dú)立輸出模式。當(dāng)驅(qū)動(dòng)為互補(bǔ)輸出時(shí)，可以在高電平變低與低電平變高之間插入一段死區(qū)。死區(qū)是由硬件配置的，最小值為 。插入死區(qū)可以防止輸出驅(qū)動(dòng)器發(fā)生意外的直通現(xiàn)象。3.6 保護(hù)電路在控制系統(tǒng)工作中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生很多異常的情況，為了防止這些異常情況對(duì)控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)的損害，電路設(shè)計(jì)中需要加入必要的保護(hù)電路。常用的保護(hù)電路有過(guò)電壓保護(hù)電路、過(guò)電流保護(hù)電路等，以下分別介紹。3.6.1 過(guò)壓保護(hù)電路圖3-8過(guò)壓保護(hù)電路過(guò)壓

58、保護(hù)電路的工作原理：直流側(cè)母線電壓經(jīng)過(guò)采樣后被送入電壓比較器，與事先設(shè)定好的好的參考電壓進(jìn)行比較，如果超過(guò)參考值則證明出現(xiàn)過(guò)壓現(xiàn)象。比較器輸出過(guò)壓保護(hù)信號(hào)，觸發(fā)微處理器的中斷信號(hào)以實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)。采集母線電壓的方式，直接在直流側(cè)母線電壓上設(shè)置分壓電阻，采集到母線電壓經(jīng)比較器后輸出的信號(hào)送入光耦，光耦輸出的信號(hào)再送給微處理器，保證了系統(tǒng)控制電路和主電路的隔離，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其電路原理圖如3-8所示。3.6.2 過(guò)電流保護(hù)電路過(guò)電流保護(hù)原理同過(guò)電壓保護(hù)類似，在直流側(cè)母線中加入采樣電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，然后再進(jìn)行處理，其電路原理如圖所示。3-9過(guò)電流保護(hù)電路4 軟件部分4.1 微處理器DSPIC30