【正文】 院校。經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，目前我國已有幾種系列產(chǎn)品生產(chǎn)，如 ST 系列， IFTS系列， ASM 系列，但仍沒有制定出國家標準，限于我國元器件水平及相關(guān)理論與實踐相 結(jié)合的程度還比較低，尤其是制造工藝和加工設(shè)備較國際水準差距較大，所以目前我國無刷電機綜合水平仍低于國際水平，大約相當于國外 70 年代末 80 年代初的水準，有待進一步研究和開發(fā)。 直流電機具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產(chǎn)生額定負載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持 90176。，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷 及整流子，免維護、堅固、應(yīng)用廣，但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達到。現(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標系統(tǒng)中，適當控制交流電機在兩軸電流分量，達到類似直流電機控制并有與直流電機相當?shù)男阅?。無刷直流電機的發(fā)展空間得到進一步的提升。 無刷直流電機的應(yīng)用十分廣泛，如汽車、工具、工業(yè)工控、自動化以及航空航天等等。總的來說，無刷直流電機可以分為以下三種主要用途：持續(xù)負載應(yīng)用 ：主要是需要一定轉(zhuǎn)速但是對轉(zhuǎn)速精度要求不高的領(lǐng)域，比如風(fēng)扇、抽水機、吹風(fēng)機等一類的應(yīng)用，這類應(yīng)用成本較低且多為開環(huán)控制。可變負載應(yīng)用：主要是轉(zhuǎn)速需要在某個范圍內(nèi)變化的應(yīng)用，對電機轉(zhuǎn)速特性和動態(tài)響應(yīng)時間特性有更高的需求。如家用電器具中的、甩干機和壓縮機就是很好的例子，汽車工業(yè)領(lǐng)域中的油泵控制、電控制器、發(fā)動機控制等，這類應(yīng)用的系統(tǒng)成本相對更高些。定位應(yīng)用：大多數(shù)工業(yè)控制和自動控制方面的應(yīng)用屬于這個類別，這類應(yīng)用中往往會完西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 成能量的輸送，所以對轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩有特別的要求，對控制器的要求也較高。測速時可能會用 上光電和一些同步設(shè)備。過程控制、機械控制和運輸控制等很多都屬于這類應(yīng)用。 課題的設(shè)計思想 無刷直流電機在生活和工業(yè)系統(tǒng)中扮演著重要角色，因此設(shè)計一款無刷直流電機控制器是非常有必要的。無刷直流電機控制器的設(shè)計基本要求是能夠?qū)崿F(xiàn)對電機的調(diào)速，控制電機的正反轉(zhuǎn)和急停，通過液晶顯示電機轉(zhuǎn)速和功率信息，用霍爾傳感器采集轉(zhuǎn)子的位置信息。 課題研究的內(nèi)容 學(xué)習(xí)無刷直流電機的工作原理，實現(xiàn)對無刷直流電機電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩的控制，并反饋回電機實時的轉(zhuǎn)速信息，設(shè)計系統(tǒng)的保護電路。 研究論文的章節(jié) 安排 無刷直流電機控制器的設(shè)計，本論文的結(jié)構(gòu)及內(nèi)容安排如下： 第一章：緒論 主要介紹了無刷直流電機的背景、現(xiàn)狀及課題來源，闡述了課題研究的應(yīng)用價值，并對本系統(tǒng)設(shè)計的目的和內(nèi)容做了論述； 第二章：無刷直流電機工作原理與總體設(shè)計 簡要介紹了無刷直流的機械和電器系統(tǒng)的組成； 第三章：無刷直流電機控制器的硬件設(shè)計 確定了設(shè)計系統(tǒng)的硬件設(shè)計原理方法，并詳細介紹了系統(tǒng)正常運行和故障處理的各個模塊的器件選擇與原理設(shè)計。 第四章：無刷直流電機控制器系統(tǒng)的軟件設(shè)計 簡要介紹了軟件編程方法，在設(shè)計系統(tǒng)的軟件總體流程設(shè)計下對設(shè)計 各個子模塊的設(shè)計流程做了詳細介紹，介紹了在軟件中對各種故障處理的控制算法，最后對 ATmega128 的集成編譯環(huán)境做了簡要說明。 第五章：無刷直流電機控制器的調(diào)試 介紹了實驗室調(diào)試。 第六章：結(jié)論 對整個設(shè)計系統(tǒng)進行總結(jié)，指出設(shè)計系統(tǒng)的成功之處，同時從工業(yè)產(chǎn)品的角度，對整個設(shè)計中的不足之處和有待改進之處進行論述。 2 無刷直流電機控制器的工作原理與總體設(shè)計 4 2 無刷直流電機控制器的工作原理與總體設(shè)計 經(jīng)過對課題工程背景的研究，設(shè)計需要從控制對象的角度尋找設(shè)計的切入點，本章從無刷直流電機的原理分析，從而得出無刷直流電機控制器的總體設(shè)計思想框架。 三相六磁極無刷直流電機模型如圖 21所示： 圖 無刷直流電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 由上圖可知無刷直流電機電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與交流同步電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全 相同，因此可以采用交流同步電機的控制方式對其控制；同時也可以對其采用步進電機的三相六拍控制方式。 A 0A 1B 0C 1C 0B 1NS90西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 380 V ~S1R2R 3R 4R 5R 6RbRcRaRrCLPV TC電動機1C2C3C4C5C6CV D1 V D2 V D3V D4 VD5V D6V D7 V D8 VD9V D10 V D 11 V D12V D13 V D14 V D15V T1 V T2VT3V T4V T5 V T6V D16V D17 VD18圖 無刷直流電機在三三導(dǎo)通方式下的工作原理 三相逆變橋的電路簡圖如上圖所示，控制逆 變管的導(dǎo)通和關(guān)斷可以把直流電逆變成矩形波三相交流電，圖中 R、 Y、 B為逆變橋的輸出。 180176。導(dǎo)通型三相逆變器的控制規(guī)律如圖（ b）所示，其中深色部分表示逆變管導(dǎo)通。可以看出，每一時刻總有三個逆變管導(dǎo)通，另三個逆變管關(guān)斷，并且 VT1與 VT4 、 VT2 與 VT5 、 VT3 與 VT6 每對逆變管不能同時導(dǎo)通。線電壓 RYU ， YBU ， BRU的波形如圖（ c）所示，可以看出，它們的幅值為 U，三者之間互差 120176。各階段的等值電路及相電壓和線電壓值見下表所示。 表 180176。導(dǎo)通型三相逆變器各階段的等值電路及相電壓和線電壓值 階段 0176。~60176。 60176。~120176。 120176。~180176。 120176。~240176。 240176。~300176。 300176。~360176。 導(dǎo)通管號 1， 3， 5 1， 5， 6 1， 2， 6 2， 4， 6 2， 3， 4 3， 4， 5 等 值 電 路 ??RZBYOYZR?RBYZO?YBZR?OYBZRYZBR西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 圖 （ a） 電路簡圖；（ b） 逆變管通斷時序；（ c） 線電壓與相電壓波形 交流異步電動機的定子繞組的反電動勢是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的結(jié)果，其有效值的計算式為 （ ） 式中： 為與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)； 為電源頻率； 為磁通。 而在電源一側(cè)，電源電壓的平衡方程式為 （ ） 加在電機繞組端的電源電壓 ，一部分產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 ，另一部分消耗在 阻抗（線圈電阻 和漏電感 ）上。 定子電流 分兩部分，即 式中： 是少部分，用于建立主磁場磁通 ； 是大部分，用于產(chǎn)生電磁力帶動機械負載。 VT1 V T2 VT3VT4 V T5 VT6（ a ）V T 1V T 2V T 3V T 4V T 5V T 61t2t3t4t5t6t（ b ） tOttttRYUYBUBRUROUYOUBOU（ c ） tUBRZYZBZOOOOO（ ）（ ） （ ）西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 交流異步電動機進行變頻調(diào)速時，如頻率 下降，則 降低。在電源電壓不變的情況下，定子電流 將增加。此時如果外負載不變，則 不變， 將增加，也就是使磁通量增加。 的增加又使 增加，達到新的平衡點。 通常在設(shè)計時已使電動機的磁通容量達到最大容量，因此磁通量再增加將產(chǎn)生磁飽和，引起電流波形畸變，削弱電磁力矩，影響機械特性。 解決機械特性下降問題的一種方案是維持磁通量恒定不變，即設(shè)法使 =常數(shù)，這就要求當電動 機調(diào)速改變電源頻率 時， 也進行相應(yīng)變化，以維持它們的比值不變。實際上，因為無法控制 的大小，通常是忽略在阻抗上產(chǎn)生的壓降，用調(diào)節(jié)電源電壓 來近似地代替調(diào)節(jié) ，使其跟隨頻率的變化，保持磁通量近似恒定，即 （ ） 這就是為什么在變頻的同時也要變壓，即 VVVF。 調(diào)制波 用脈寬調(diào)制 PWM，可以方便地實現(xiàn)變頻和變壓：調(diào)節(jié)占空比 α ，就可以調(diào)節(jié)輸出的平均電壓；調(diào)節(jié) PWM 波的頻率 ，就可以改變電源頻率，實現(xiàn)調(diào)速。 然而，矩形波含有許多高次諧波成分，將產(chǎn)生使交流異步電動機發(fā)熱、力矩下降、振動噪聲等不良后果。 使逆變電路輸出的電壓波形成為正弦波的一種方法是，將等寬的矩形波變成一組寬度漸變的脈沖波，其寬度變化規(guī)律應(yīng)符合正弦的變化規(guī)律，如圖 348 所示的正弦脈寬調(diào)制波，簡稱 SPWM 波。由于諧波成 分大大減少，驅(qū)動效果可以達到基本滿意的水平。 產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波 SPWM 的通常方法是，用一組等腰三角形波與一個正弦波進行比較，如圖 所示，以其交點作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時刻。等腰三角形波稱為載波，而正弦波則稱為調(diào)制波。改變正弦波的頻率，就可以改變輸出電源的頻率，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速；改變正弦波的幅值，也就改變了正弦波與載波的交點，使輸出脈沖系列的寬度發(fā)生變化，從而改變輸出電壓。 圖 SPWM波形 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 圖 SPWM波生成方法 三相逆變開關(guān)管生成 SPWM 波的控制方式有單極性控制和雙極性控制兩種。 （ 1）單極性控制。 每半個周期內(nèi)，在逆變橋的同一橋臂的上下兩個逆變開關(guān)管中，只有一個逆變開關(guān)管按圖 24 的規(guī)律反復(fù)通斷，而另一個 逆變開關(guān)管始終關(guān)斷；在另半個周期內(nèi)，兩個逆變開關(guān)管的工作狀態(tài)正好相反。 三相逆變器中的六個逆變開關(guān)管的工作狀態(tài)仍然可以用圖 （ b）進行描述，例如， 開關(guān)管在 、 、 時間段中按 SPWM 波的規(guī)律進行開通和關(guān)斷，在 、 、 時間 段則全關(guān)斷；同一橋臂的 開關(guān)管正好相反，在 、 、 時間段全關(guān)斷，而在 、 、 間段則按 SPWM 波的規(guī)律進行開通和關(guān)斷；三個橋臂工作的規(guī)律都相同，只是在相位上相差 120176。 （ 2）雙極性控制。 在全部周期內(nèi)，同一橋臂的上下 兩個逆變管交替開通與關(guān)斷，形成互補的工作方式，其各種波形如圖 。 圖 （ a）表示了三相調(diào)制波與等腰三角形載波的關(guān)系，三相調(diào)制波由頻率和幅值都一樣，但相位上相差 120176。的三條正弦波 、 、 組成。每一條正弦波與等腰三角形載波的交點決定了同一橋臂（同相）逆變開關(guān)管的開通與關(guān)斷的時間。 圖 （ b）、（ c）、（ d）表示了各相電壓 、 、 輸出的波形，它們的最大幅值是 ，其中上臂開關(guān)管產(chǎn)生正脈沖。下臂開關(guān)管產(chǎn)生負脈沖。同樣，三相相電壓波形的相位也互差 120176。 圖 （ e）是線電壓 的輸出波形，同理也可以得到 。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 SPWM 波僅僅是近似正弦波，仍然含有高次諧波的成分。一般說來，載波頻率應(yīng)大于調(diào)制波頻率 10~20 倍，載波頻率越高，諧波波幅越小，電流波形越 平滑。高的載波頻率還可以使變頻器和電機的噪聲進入超聲范圍，達到靜音效果。 載波頻率的提高，受逆變開關(guān)管的最高開關(guān)頻率限制。采用 IGBT（工作頻率可達幾十 kHz 以上）為逆變開關(guān)管，可以得到較平滑的電流波形。 載波與調(diào)制波的頻率調(diào)整有以下三種形式。 （ 1）同步控制方式。 使調(diào)制波頻率與載波頻率的比值等于常數(shù)，即在逆變器輸出電壓的每個周期內(nèi)，所使用的三角波數(shù)目不變，因此產(chǎn)生的 SPWM 波的脈沖數(shù)是一定的。 這種控制方式的優(yōu)點是，在調(diào)制波頻率變化的范圍內(nèi)，逆變器輸出波形的正負半波完全對稱，使輸出三相波形之間具有 120176。 相差的對稱關(guān)系。但在低頻時有嚴重的不足：每個周期 SPWM 脈沖個數(shù)過少，使諧波分量增大。 （ 2）異步控制方式 。使載波頻率固定不變，只調(diào)整調(diào)制波頻率進行調(diào)速。雖然不存在同步控制方式所產(chǎn)生的低頻諧波分量大的缺點，但是可能會造成逆變器輸出的正半波與負半波、三相波之間不嚴格對稱的現(xiàn)象，引起電動機運行不平穩(wěn)。 圖 三相逆變 器輸出雙極性 SPWM 波形圖 (a) 三相調(diào)制波與三角載波； (b) R 相相電壓波形； (c) Y 相相電壓波形； (d) B 相相電壓波形； (e) 線電壓波形 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 （ 3）分段同步控制方式。 實際應(yīng)用較多的分段同步控制方式綜合了同步控制和異步控制的優(yōu)點：在低頻段使用異步控制方式，而在其它頻率段使用同步控制方式。 在兩兩導(dǎo)通方式下的工作 無刷直流電機采用三相六拍工作方式，其工作原理與步進電機的工作方式是 相同的。電機在旋轉(zhuǎn)之前首先完成轉(zhuǎn)子定位工作，然后再根據(jù)霍爾傳感器反饋回的轉(zhuǎn)子位置信息給出下一步的控制信息。 轉(zhuǎn)子處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)時霍爾傳感器