【正文】 AbstractBrushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of. At this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under mon concern.Since the 1990s, as people39。為了取代有刷直流電動機的機械換向裝置，人們進行了長期的探索。在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上，前聯(lián)邦德國的MANNESMANN公司正式推出了 MAC無刷直流電動機及其驅(qū)動器，引起了世界各國的關(guān)注，隨即在國際上掀起了研制和生產(chǎn)無刷直流系統(tǒng)的熱潮，這業(yè)標(biāo)志著無刷直流電動機走向?qū)嵱秒A段。1987年，在北京舉辦的聯(lián)邦德國金屬加工設(shè)備展覽會上，SIEMENS和BOSCH兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動器，引起了國內(nèi)有關(guān)學(xué)者的廣泛注意，自此國內(nèi)掀起了研制開發(fā)和技術(shù)引進的熱潮。這種優(yōu)異的熱傳導(dǎo)特性允許減小電動機的尺寸，所以輸出功率/外形尺寸之比高中等/低。 圖11 無刷直流電動機工作原理示意圖如圖11所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（順時針）到圖a所示的位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使TT6 導(dǎo)通，即A、B兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再從B相繞組流出，經(jīng)T6回到電源的負(fù)極，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。在次期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。2．無刷直流電動機與輸出開關(guān)管換流信號 無刷直流電動機的位置一般采用三個在空間上相隔120電角度的霍爾位置傳感器進行檢測，當(dāng)位于霍爾傳感器位置處的磁場極性發(fā)生變化時，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個霍爾傳感器位檢測元件的位置在空間上各差120電角度，因此從這三個檢測元件輸出端可以獲得三個在時間上互差120度、寬度為180度的電平信號，分別用A、B、C來表示，如圖12所示，以信號A為例，A相位置寬度為180電導(dǎo)角：在060度，T1必須導(dǎo)通，故T1狀態(tài)為1，而C相還剩下60度通電寬度，所以此段時間為T1和T6等于1，（此時下部可供導(dǎo)通的管子為T T6和T2，而為避免橋臂直通，T4不能導(dǎo)通；T2的導(dǎo)通時間未到，故只能是T6導(dǎo)通）；而在60度—120度，此時只有A相通電，B和C相處于非導(dǎo)電期，故導(dǎo)通的開關(guān)管為T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是為B相導(dǎo)電作準(zhǔn)備；而在120度—180度時，由于 每一相只有120電導(dǎo)角導(dǎo)電時間，故此時T1關(guān)斷（T1=0），T2仍然導(dǎo)通（B相開始進入導(dǎo)電期），此時可知，T1關(guān)斷，T5不能開通（防止橋臂直通），則此時只能開通T3，所以T3信號此時間段為1。同理，其他開關(guān)管的導(dǎo)通時刻也可以按同樣方法確定。圖13 機械特性曲線簇當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時，流過開關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時，管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示的機械特性曲線會偏離直線，向下彎曲。 工作特性 電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖15所示。尤其在節(jié)能已成為時代主題的今天，無刷直流電機高效率的特點更顯示了其巨大的應(yīng)用價值。目前，無刷直流電機的研究主要集中在以下方面：（1）無機械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。2 定子三次諧波檢測法。存在轉(zhuǎn)矩脈動是無刷直流電動機的固有缺點，特別是隨著轉(zhuǎn)速升高，換相導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動加劇，并使平均轉(zhuǎn)矩顯著下降。目前，專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是三個最主要的理論和方法。1．電機本體無刷直流電動機最初的設(shè)計思想來自普通的有刷直流電動機，不同的是將直流電動機的定子、轉(zhuǎn)子位置進行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對稱繞組。定子的結(jié)構(gòu)與普通同步電動機或感應(yīng)電動機相同，鐵心中嵌有多相對稱繞組。不同的組合使電動機產(chǎn)生不同的性能和成本。從這個角度來看，三相繞組優(yōu)于四相和五相繞組。（3）電路成本。3．位置檢測器位置檢測器的作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對與定子繞組的位置信號，為逆變器提供正確的換相信息。在無刷直流電動機系統(tǒng)中安裝機械式位置傳感器解決了電機轉(zhuǎn)子位置的檢測問題。4．控制器控制器是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：（1）對轉(zhuǎn)子位置檢測器輸出的信號、PWM調(diào)制信號、正反轉(zhuǎn)和停車信號進行邏輯綜合，為驅(qū)動電路提供各開關(guān)管的斬波信號和選通信號，實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)及停車控制。 無刷直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計方案 設(shè)計方案比較無刷直流電動機兼有直流電動機調(diào)整和起動性能好以及異步電動機結(jié)構(gòu)簡單無需維護的優(yōu)點，因而在高可靠性的電機調(diào)速領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。實現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護功能。該控制系統(tǒng)的缺點是智能性差，保護措施有限，系統(tǒng)升級空間小。無刷電機控制方法主要分為有位置傳感器控制和無位置傳感器控制兩種。 無刷直流電動機控制系統(tǒng)組成框圖,可繪出無刷直流電動機控制系統(tǒng)框圖,如圖21所示:圖21 電動機驅(qū)動控制框圖（1）微控制器主要功能是根據(jù)電動機旋轉(zhuǎn)方向的要求和來自霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個輸出信號，將它們處理成功率驅(qū)動單元的六個功率開關(guān)器件所要求的驅(qū)動順序。（3）位置傳感器位置傳感器在無刷直流電動機中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動機輸入電流的頻率和電機轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機和逆變器不會產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無刷直流電動機的重要優(yōu)點之一。IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動，驅(qū)動功率小開關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTO電樞額定電流IaH=，因為每個控制元件導(dǎo)通120o,所以控制元件的峰值電流可以由以下方程算出。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上,容許邏輯電路參考地(USS) 與功率電路參考地(COM) 之間有 5 V和+ 5 V 的偏移量,并且能屏蔽小于50 ns 的脈沖,這樣有較理想的抗噪聲效果。其推薦典型工作參數(shù)如表32所示。HO和LO輸出分別與HIN和LIN輸入同相位。以提高抗擾能力。輸出驅(qū)動MOSFET接成源極跟隨器，另一只輸出驅(qū)動MOSFET接成共源極電路，高端的脈沖發(fā)生器驅(qū)動HV電平轉(zhuǎn)化器并觸發(fā)RS閂鎖置位或復(fù)位。本設(shè)計采用PIC16F72單片機作為主控芯片，不僅可以實現(xiàn)專用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易實現(xiàn)系統(tǒng)擴展，通過軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)多功能的電機控制。在無刷電機控制中，脈寬調(diào)制PWM ( PulseWidth Modulation)技術(shù)廣泛應(yīng)用，因此所選單片機應(yīng)具有脈寬調(diào)制輸出端口?？紤]到該設(shè)計要與市場接軌，因此價格問題尤為重要，要選擇一個性價比較高的單片機，包括單片機的單片價格和開發(fā)系統(tǒng)的造價。使之具有卓越的性能，代表著單片機發(fā)展新的潮流。(2) 哈佛總線結(jié)構(gòu)如圖34所示，PIC系列單片機在普林斯頓體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用獨特的哈佛總線結(jié)構(gòu)，徹底將芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，為采用不同的字節(jié)寬度，有效擴展指令的字長奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。(4)指令特色 PIC系列單片機的指令系統(tǒng)具有尋址方式簡單和代碼壓縮率高等優(yōu)點。(8)應(yīng)用平臺界面友好，開發(fā)方便Microchip公司為用戶提供了周全的技術(shù)方案，不管是對初學(xué)者還是后續(xù)的應(yīng)用開發(fā)，都提供了完善的硬件和軟件支持，包括各種檔次的硬件仿真器和編程器。（2）RA0RA5：雙向可編程，亦可作為并行口。（4）RC0RC7：數(shù)字I/O（5）RB0RB7：數(shù)字I/O （6）VDD：+5V電壓輸入 PIC16F72單片機的功能特性(1)功能部件特性 雙向可獨立編程設(shè)置I/O引腳 8位定時器/計數(shù)器 TMR2,帶有8位的周期寄存器及預(yù)分頻器和后分頻器(2)微控制器特性 斷電復(fù)位鎖定，即當(dāng)芯片電源電壓下降到某一值以后時，使芯片保持復(fù)位，當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常后恢復(fù)運行 在線串行編程 PWM信號在PIC單片機中的處理改變直流電動機轉(zhuǎn)速的方法分為勵磁控制法(控制磁通)與電樞電壓控制法(改變電樞端電壓)。用程序語句控制PWM信號的周期和高電平持續(xù)時間，從而控制電機電樞電壓，即可達到調(diào)速目的。然后把這個電壓輸入控制器，控制器再根據(jù)這個信號的大小進行PWM脈寬調(diào)制，從而控制功率管的導(dǎo)通關(guān)閉的比例以控制電機轉(zhuǎn)速的大小。在電動車實際使用當(dāng)中，普遍采用機械觸點開關(guān)，平時常開，剎車時信號線對地短路作為剎車信號，即低電位剎車。面板顯示電路主要由單片機的普通1/O口串行輸出，由串入并出芯片74LS164進行串并轉(zhuǎn)換，采用發(fā)光二極管進行顯示。當(dāng) A、B有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK上升沿作用下決定輸出的狀態(tài)。2 面板指示燈狀態(tài)定義面板指示燈狀態(tài)定義如表33表33 序 號功 能指示燈狀態(tài)1過 流過流時亮，否則滅2欠 壓欠壓時亮，否則滅3剎 車剎車時亮，否則滅 門陣列可編程器件GAL16V8 GAL16V8圖及引腳功能圖311 GAL16V8引腳功能圖表34 GAL16V8（門陣列可編程器件）引腳名稱及功能名 稱 功 能 I0I9 輸 入 F0F7 輸入/輸出I0/CK 時鐘輸入UDD 電 源 GND 地 GAL器件是從PAL發(fā)展過來的，PAL器件的出現(xiàn)為數(shù)字電路的研制工作和小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了很大的方便。 傳感器選擇霍爾器件是一種磁傳感器。霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高。轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電機本體同軸，以跟蹤電機轉(zhuǎn)子的位置；其定子固定于電機本體定子或端蓋上，以感應(yīng)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號。它是一種半導(dǎo)體器件，是利用霍爾效應(yīng)制成的。對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電機，三個霍爾元件在空間彼此相隔120176。電角、相位互差120176。因此，在對性能和環(huán)境要求不是很高的永磁無刷直流電機應(yīng)用場合大量使用霍爾元件式位置傳感器。這種傳感器具有較高的強度，可經(jīng)受較大的振動沖擊，故多用于航空航天領(lǐng)域。幾個光電耦合開關(guān)沿圓周均布，每只光電耦合開關(guān)由相互對著的紅外發(fā)光二極管和光敏三極管組成。近年來，無位置傳感器的永磁無刷直流電機發(fā)展比較快。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子采用永磁體勵磁時，永磁體的強磁場使得電機在較低速度時就可以檢測到電樞繞組反電動勢，在較低轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)電機的自同步運行狀態(tài)切換，從而加快電機的起動過程，實現(xiàn)寬的調(diào)速范圍。 周邊保護電路 電流采樣及過電流保護 圖313 電流采樣及過流保護圖1 電流信號電機主回路電流信號經(jīng)采樣電阻獲得。2 電流采樣通常對電機三相電流進行控制需要三個獨立的電流閉環(huán)，而永磁無刷直流電機采用兩相導(dǎo)通方式，即電機三相定子繞組在某一時刻只有兩相通電，導(dǎo)通的兩相繞組的電流大小相等，方向相反，因此任意時刻只需控制一個電流量。在電流較大，或要求電隔離的情況下，可以采用磁場平衡式霍爾電流傳感器。 圖314 過流保護原理圖 LM358雙運放大電路 如圖315所示，LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。對于無刷直流電機控制器，由于輸入控制變量比較多，控制器可以利用各種輸入信號對控制系統(tǒng)完成相當(dāng)完善與靈活的保護，這些保護功能可以大大提高無刷直流電機控制器的可靠性。若正確, 輸出波PWM, 否則, 重新復(fù)位。 系統(tǒng)各部分功能在軟件中的實現(xiàn)1 驅(qū)動控制驅(qū)動控制通過查表實現(xiàn)霍爾元件狀態(tài)到輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。正反轉(zhuǎn)驅(qū)動只在于電流換相順序的不同, 反映到程序中僅在查表處有區(qū)別, 所以正反轉(zhuǎn)可共用一個驅(qū)動程序。電動自行車直流無刷電機的轉(zhuǎn)速相對來說很低。3 PWM中斷時間控制中斷時間的控制與定時器時間控制相似。這樣定時時間可以由這個寫入定時器寄存器的數(shù)值控制。值得注意的是:改變TIMER2會連帶將其預(yù)分頻值改變?yōu)槟J(rèn)值, 因此需要同時修改預(yù)分頻值才能達到預(yù)想的效果。 軟件流程圖系統(tǒng)軟件按順序掃描控制的模式編制。開始初始化 剎 車？ Y 欠 壓 ？ N Y 過 流 ？ N Y 工 作 模 式 設(shè) 置