【正文】 ......................................................................... 24 SPWM 實(shí)現(xiàn)方案對(duì)比 ............................................................................. 25 調(diào)制方式選擇 ......................................................................................... 28 主程序設(shè)計(jì) ................................................................................................ 31 全 比較單元模塊配置 ................................................................................ 32 通用定時(shí)器 T1 的配置 .......................................................................... 32 死區(qū)單元的配置 ..................................................................................... 33 中斷模塊設(shè)計(jì) ............................................................................................ 33 第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試 ............................................................................................. 35 硬件調(diào)試 ..................................................................................................... 35 軟件調(diào)試 ..................................................................................................... 35 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果 ............................................................................................ 36 電路板接上電機(jī)測(cè)試結(jié)果 .................................................................... 36 相關(guān)測(cè)試波形 ......................................................................................... 37 第 7 章 結(jié)論與展望 ......................................................................................... 44 [在此處鍵入 ] III 設(shè)計(jì)結(jié)論 ..................................................................................................... 44 設(shè)計(jì)展望 ..................................................................................................... 44 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................ 46 致謝 .................................................................................................................... 48 附錄 1 整體電路圖 .......................................................................................... 49 附錄 2 部分源程序 .......................................................................................... 50 [在此處鍵入 ] IV [在此處鍵入 ] 1 第 1 章 緒論 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題來(lái)源、類(lèi)型 本課題來(lái)源于生產(chǎn)生活實(shí)際中需要解決的問(wèn)題，為工科課題。 為了解決客車(chē)、城市公交車(chē)在實(shí)際使用中發(fā)動(dòng)機(jī)不同溫度狀況下的散熱問(wèn)題，有效地保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常使用溫度，車(chē)載電子風(fēng)扇是最佳選擇 ， 本設(shè)計(jì)旨在研究 設(shè)計(jì) 一款低成本的無(wú)刷 直流 電機(jī)控制器。 選題的目的及意義 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)是集電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)技術(shù)于一身的機(jī)電一體化系統(tǒng)，體現(xiàn)了當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多最新成果，是機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品 [1]。選擇該課題 進(jìn)行研究的目的和意義在于：在解決生產(chǎn)生活實(shí)際中問(wèn)題的同時(shí)，培養(yǎng)自己獨(dú)立從事技術(shù)開(kāi)發(fā)和科學(xué)研究的能力。 本課題在國(guó)內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 目前在工業(yè)先進(jìn)的國(guó)家里，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的有刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)逐步被無(wú)刷直流電機(jī)取代。現(xiàn)在從國(guó)外進(jìn)口的設(shè)備中，已經(jīng)很少看到以有刷直流電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，一些國(guó)家如美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)的相關(guān)公司經(jīng)不再大量生產(chǎn)伺服驅(qū)動(dòng)用的有刷直流電動(dòng)機(jī) [2]。由上面的分析可以看出，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相對(duì)于其它類(lèi)型電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是一種新型電動(dòng)機(jī)，它的驅(qū)動(dòng)、控制更是和電子技術(shù)息息相關(guān)， 因此，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)本體及其控制方法進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 [在此處鍵入 ] 2 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)在首先認(rèn)真分析了無(wú)刷 直流 電機(jī)的結(jié)構(gòu)，了解了它的控制方法，并對(duì)不同的控制方法做了對(duì)比，結(jié)合 LS 單片機(jī)的性能，并充分考慮控制器低成本的要求，最終重點(diǎn)研究了基于 LS 單片機(jī)的 SPWM 變壓變 頻起動(dòng)的原理和實(shí)現(xiàn)方法。本次設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面：硬件和軟件。硬件方面包括控制芯片的選擇，主電路的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，及 PCB 板的制作；軟件方面包括 SPWM 波形的生成，單片機(jī)多通道的設(shè)置， VVVF 控 制方法的實(shí)現(xiàn)算法等。系統(tǒng)軟件采用 c 語(yǔ)言編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)環(huán)境為 KEIL。 [在此處鍵入 ] 3 第 2 章 系統(tǒng)總體方案論證 控制對(duì)象分析 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu) 無(wú)刷直流電機(jī)是一種自控變頻的永磁同步電機(jī)，就其組成結(jié)構(gòu)而言，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。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，如圖 21 所示 [3]。 NS電動(dòng)機(jī)本體U 1U 2W 2V 1V 2W 1VT 1 VT 2 VT 3位置傳感器電子開(kāi)關(guān)線路 圖 21 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 a. 電機(jī)本體 電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒(méi)有籠型繞組和其他起 動(dòng)裝置。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等）。轉(zhuǎn)子[在此處鍵入 ] 4 由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)（ 2p=2， 4，??）組成。本次設(shè)計(jì)采用的電機(jī)定子為三相，轉(zhuǎn)子為 8 極。 b. 位置傳感器 位置傳感器在無(wú)刷 直流 電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后去控制定子繞組換相。位 置傳感器種類(lèi)較多，且各具特點(diǎn)。在無(wú)刷 直流 電動(dòng)機(jī)中常見(jiàn)的位置傳感 器有以下幾種：電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位置 傳感器。 c. 電子換相 當(dāng)定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)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感 器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(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)械換向器的換向作用。 無(wú)刷直流電機(jī)工作原理 一般的永磁 式電動(dòng)機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場(chǎng)。由于電樞的換相作用，使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停的運(yùn)轉(zhuǎn)。無(wú)刷 直流 電動(dòng)機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無(wú)電刷換相，首先要求把一般直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅這樣做還是不行的，因?yàn)橛靡话阒绷麟娫唇o定子上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場(chǎng)。所以無(wú)刷 直流 電動(dòng)機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動(dòng)機(jī)本體以外，還要由位置傳感器、控 制電路以及邏輯開(kāi)關(guān)共同構(gòu)成的換相裝置，使得無(wú)刷 直流 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中定子繞組所產(chǎn)生的的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁場(chǎng)，在空間始終保持在（π /2） rad 左右的電角度 [4]。 [在此處鍵入 ] 5 無(wú)刷直流電機(jī)參數(shù) 本次設(shè)計(jì)所采用的無(wú)刷直流電機(jī)為三相八極電機(jī)。 電機(jī)主要參數(shù)如表 21 所示 ： 表 21 電機(jī)主要參數(shù) 類(lèi)別 最大電壓 額定轉(zhuǎn)速 額定電流 額定功率 參數(shù) 36V 13753RPM A W 類(lèi)別 繞組電阻 繞組電感 機(jī)械時(shí)間常數(shù) 電磁時(shí)間常數(shù) 參數(shù) mH ms ms 控制系統(tǒng)主電路分析論證 三相逆變電路分類(lèi) a. 電壓源型逆變電路 如圖 22 所示， 為 電壓源型 逆變電路拓?fù)鋱D。其基本工作方式是 180o導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂導(dǎo)通電角度 180o，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)橋臂交替導(dǎo)通，各相開(kāi)始導(dǎo)電的電角度依次相差 120o。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€(gè)橋臂，下面兩個(gè)橋臂，也可能是上面兩個(gè)橋臂，下面一個(gè)橋臂。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩橋臂進(jìn)行，因此也被稱(chēng)作縱向換流。 [在此處鍵入 ] 6 DCuvwv 1 v 3 v 5v 4 v 6 v 2 圖 22 電壓源型 逆變電路拓?fù)?圖 電壓源型 逆變電路 的特點(diǎn) [7] (1)直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)由大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。 (2)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且去負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。 (3)當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。 b. 電流型逆變電路 如圖 23 所示為三相電流型逆變電路拓?fù)鋱D，這種電 路的基本工作方式是 120o 導(dǎo)電方式。即每個(gè)橋臂一周期內(nèi)導(dǎo)電 120o，按 VT1 到 VT6 的順序每個(gè) 60o 依次導(dǎo)通，這樣，每個(gè)時(shí)刻上橋臂組的三個(gè)臂和下橋臂的三個(gè)臂都各有一個(gè)導(dǎo)通。換流時(shí)，是在上橋臂組或下橋臂組的組內(nèi)依次換流，為橫向換流。 [在此處鍵入 ] 7 DCuvwv 1 v 3 v 5v 4 v 6 v 2L 圖 23 電流源型 逆變電路拓?fù)鋱D 電流型逆變電路的特點(diǎn) (1)直流側(cè)串聯(lián)大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。 (2)電路中開(kāi)關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無(wú) 關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因?yàn)樨?fù)載阻抗情況不同而不同。 (3)當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電感起緩沖無(wú)功能量的作用。因?yàn)榉答仧o(wú)功能量時(shí)電流并不反向，因此不必想電壓型逆變電路那樣給開(kāi)關(guān)器件反并聯(lián)二極管。 本系統(tǒng)采用 電壓型逆變電路 電壓型逆變電路的逆變器輸出電壓波形為矩形波，輸出電流波形近似正弦波。電壓型逆變電路對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的耐壓要求比電流型逆變電路的要低，更容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于電機(jī)類(lèi)感性負(fù)載，我們期望電流波形接近正弦波，所以這次設(shè)計(jì)采用電壓型逆變電路。 [在此處鍵入 ] 8 控制系統(tǒng)的控制芯片選型 LS 芯片簡(jiǎn)介 本次設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)沙柯珞微電子科技有限公司生產(chǎn)的 LS05