【正文】 是轉(zhuǎn)子磁鋼的制造不同，由此帶來了兩種電機在控制方法和性能方面的差異。 所以 多應用在需要 高精度位置控制 的 場合， 當然 其控制 方式相比于 無刷直流電機 也要 復雜的多。所以在對 電機 定位精度要求不特別高的傳動 場合 ，永磁無刷直流電機因其控制簡單，效率高，體積小而具有明顯的優(yōu)勢 [1]3。 在無刷直流永磁電機中，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。 永 磁 無 刷 直 流 電 機電 機 本 體轉(zhuǎn) 子 位 置 傳 感 器電 子 換 向 電 路定 子 線 圈 繞 組轉(zhuǎn) 子 永 磁 體 圖 11 永磁無刷直流電機組成框圖 從上面的簡單介紹不難發(fā)現(xiàn)，無刷直流永磁電動機與有刷直流永磁電動機，工作原理基本完全一致，只是用電子換向器取代機械換向器而已。 無刷直流電機的控制技術(shù) 目前，國內(nèi)外無刷直流電機的一般控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，我國已經(jīng)制定了GJBI863 無刷直流電機通用規(guī)范。 1）無位置傳感器檢測技術(shù) 無位置傳感器控制技術(shù)，顧名思義即是不用位置傳感器，而主要通過電機內(nèi)容易獲取的電壓或電流等信號，經(jīng)過一定的算法處理，間接得到轉(zhuǎn)子位置信號。電角度即為換相時刻。 （ 3）續(xù)流二極管法：通過檢測反向并聯(lián)在驅(qū)動管上二極管的導通 狀態(tài)來得出轉(zhuǎn)子的位置。 尤其 近十年來，隨著微處理器性能的提高，這種方法已獲得 進一步 發(fā)展，被用到 了 實際的無刷電機控制系統(tǒng)中。 （ 7）變電機結(jié)構(gòu)法： 是一種對 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或定子結(jié)構(gòu)作改 善，而 實現(xiàn)電機的無位置傳感器控制。 采用無 位置傳感器控制的無刷直流電機 ， 較難直接啟動 。 轉(zhuǎn)矩脈動會直接降低電力傳動系統(tǒng)控制特性和驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性，并帶來振動、諧振、噪聲等問題。文獻 [7]對電樞反應引起的轉(zhuǎn)矩波動進行了分析，并從換相 控制和 磁路設(shè)計兩個方面提出抑制 脈動 的方法。因此，當前主要采用專用集成電路 (ASIC)控制器、 FPGA、 CPLD、單片機 和 DSP 控制器等方式。 CPLD 可以用 VHDL或 Verilog語言來編程，具有靜態(tài)可重復編程和動態(tài)在線系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣 可 通過編程來修改。 無刷直流電機控制技術(shù)的發(fā)展趨勢 無刷直流電機主要由電機本體、驅(qū)動電路和位置傳感器三部分組成，其控制涉及電機技術(shù)、電力電子技術(shù)、檢測與傳感器技術(shù)和控制理論技術(shù)。 而 對于一般的工業(yè)用無刷直流電機控制系統(tǒng)，是否 將 控制器裝 入 電機內(nèi)部，還需要綜合考慮系統(tǒng)成 本 、電路工作可靠性及維修方便性 等因素 [3]15?？刂破鞯娜珨?shù)字化將使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更加簡化。這樣 ， 不論是電磁噪聲還是電流波形都能得到改善。 2）控制器硬件電路設(shè)計： 設(shè)計分析一種以 CPLD 為控制核心的有位置傳感器無刷直流電機的驅(qū)動方案。 CPLD：系統(tǒng)的主控芯片及其基本外設(shè) 。 3）控制算法設(shè)計 : 根據(jù)已有的成熟算法，結(jié)合自身的應用場合和功能要求，選擇一種合適的控制算法。 逆變電路的 保護電路：采樣檢測流過 MOS 功率管的電流，防止由于某種原因而使功率管過流燒毀。 213Q1PWM1213Q2PWM2213Q3PWM3213Q4PWM4213Q5PWM5213Q6PWM6VCCAB C 圖 22 三相橋逆變電路原理圖 其三個橋臂都是完全相同的結(jié)構(gòu)，通過門極輸入的 PWM 控制信號，實現(xiàn)每相的 PWM 電壓輸出，實現(xiàn) 對電機的 調(diào)壓 驅(qū)動 。這樣既可通過調(diào)節(jié)PWM 信號的占空比，調(diào)節(jié) AB 相的驅(qū)動電壓。通常 P 溝道 FET 的性能較差，他有較高的柵極門限電壓、較高的 onR 以及較低的飽和電流 [9]。 依舊以 AB 相導通為例，此時 Q1 和 Q4 管導通，一般場效應管的導通電阻 onR都在毫歐級，所以 B 點的電位近似為 0V， A 點的電位就近似為 VCC。詳見逆變電路 MOS 管的驅(qū)動電路。故下面只對其中一個做分析 此 驅(qū)動電路中， MOSFET工作在開關(guān)管狀態(tài) DSTGS VVV ?? )( ,可以用 SR開關(guān)模型對其建模，結(jié)合柵極電容，可描述為 SRC模型 [10]，如下圖 26所示 ： DSGCGSTGS VV ?DSGCGSTGS VV ?關(guān)斷狀態(tài) 導通狀態(tài)onR 圖 26 MOSFET的開關(guān) 電阻 電容（ SRC）模型 其中，查表可知， ?? ， 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 模型 也 可用代數(shù)方式描述為：???????? VV 0 VV TGSTGSONDSDS RVi （ 1） 如圖 25 所示，模塊中用虛線包圍的這部分電路，是驅(qū)動 MOS 管的輔助電路。 4）和 IN4744 構(gòu)成穩(wěn)壓電路，防止 GSV 擊穿： 柵源極擊穿電壓 VVGS 20?? ， IN4744 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值 15V。 逆變電路 MOS 管的驅(qū)動電路 MOSFET的驅(qū)動電路設(shè)計不當， MOSFET很容易損壞。 1）芯片結(jié)構(gòu)及原理和典型電路 其主要由：輸入邏輯電路，電平轉(zhuǎn)換器，低端功率晶體驅(qū)動管和高端晶體驅(qū)動管組成。 VCC5HIN1LIN2COM3LO4Vs6HO7Vb8U13IR2181SD32FR107225C24225C27104C33100uF25VC30D29FR107+15VVS1V_HB1VCC5HIN1LIN2COM3LO4Vs6HO7Vb8U14IR2181SD33FR107225C25225C28104C34100uF25VC311D30FR107+15VVS2V_HB2VCC5HIN1LIN2COM3LO4Vs6HO7Vb8U15IR2181SD34FR107225C26225C29104C35100uF25V12C32D31FR107+15VVS3V_HB3U_HinU_LinV_HinV_LinW_HinW_LinHO1LO1HO2LO2HO3LO3 圖 210 基于 IR2181的 MOS管驅(qū)動電路 不難發(fā)現(xiàn)，其由完全相同的三個模塊來分別驅(qū)動逆變電路完全相同的三個MOS橋臂。而另一個 上 端 MOS的驅(qū)動信號 HO，以 VS點的電勢為零參考點。從而存在燒毀控制器 MOS 管的可能。依舊以 MOS 管的 SRC 模型來等價描述這個電路，如下圖 212 所示。下面介紹對這個信號進行進一步處理的 MOS 管導通電流監(jiān)測報警電路。 U8TLP281104C19R49R50312D24LM431U7TLP281104C18R47R48312D23LM431V_HB1VS1+15VProtectFAULT_1FAULT_2VS1+5V2KR591CI2CIFIFVREFIzrCEV 圖 215 MOS 管導通電流監(jiān)測報警電路子模塊 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 下面以如圖 215 所示 ， 其中一個模塊為例加以說明 電路的工作原理 ， 其與來自 逆變橋第一個橋臂 MOS 管導通電流采樣 電路 輸出 的 1_FAULT 和 2_FAULT 信號 相對應 。 查三端可調(diào)穩(wěn)壓管 LM431 的 datesheet 得： VVREF ? ， 所以當： REFFAULT VV ?2_ ? AVVR VVIONFREF ??????? （ 8） 時， Protect 信號被光耦管拉地，輸出過流報警信號給 CPLD。顯然降低截止頻率可以明顯提高濾波效果，但同時伴隨提高的時間系數(shù)，會降低信號傳播的實時性。耐壓值選用系統(tǒng)額定輸入電壓（ V28? ） 的 2 倍，標準化后即 63V。 V5? 基準源來自電源管理模塊的 V5? 穩(wěn)壓輸出。是傳統(tǒng)線性三端式穩(wěn)壓集成電路（如 7805）的理想替代產(chǎn)品。 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 圖 219 LM2575 結(jié)構(gòu)框圖 LM2575 典型應用電路如下圖 220 所示（如果需要負電壓輸出，可將其輸出反接實現(xiàn)）。 （ 2）輸出電容的選擇 輸出電容推薦使用的電容量為 100μF～ 470μF，其耐壓值至少應是額定輸出的 倍。 故方案中實際采用的 IN5819 肖特基二極管（允許反向電壓 40V，額定電流1A）滿足要求。 其主要參數(shù)如下： 工作電壓： 5V（兼容 輸入） 邏輯宏單元： 32 個 I/O 口： 32 個 管腳延時 PDt ： 主頻： 111MHz JTAG 口：兼容 和 5V 在系統(tǒng)編程 實際應用的電路原理圖，如下圖 223 所示： 圖 223 CPLD 核心板 其中采用 100MHz 的貼片有源晶振。 D19IN41481D20IN4148680pC3104C41KR23GND+5V1KR21100K312R22GND1TRIG2OUT3RESET4CONT5THRES6DISCH7VCC8NE555U1NE555PWMR1R2R3 圖 226 電機轉(zhuǎn)速控制旋鈕電路： PWM 生成電路 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 電機轉(zhuǎn)速控制旋鈕電路如 上 圖 226 所示： 其中虛線框中的部分電路，由 555 芯片的結(jié)構(gòu)（如下圖 227）可知，其構(gòu)成一個施密特觸發(fā)器 [11] 492。 由 RC 串聯(lián)電路的特性可知 [11]496： 電容充電時間： 211 CLnRT ? （ 14） 電容放電時間： 222 CLnRT ? （ 15） 故得輸出 PWM 的占空比： 21 1RR Rq ?? （ 16） 周期為： 2)( 2121 CL nRRTTT ???? （ 17） 所以原電路輸出 PWM 的占空比約為： %99～1 ，周期約為： ， 其中占空比 為： KtRk tRKRR Rq 102 )(102 )(121 1 ????? kq 1021??? （ 18） 故，此電路輸出的 PWM 的占空比與線性電位器轉(zhuǎn)過的角度 ， 基本呈正比例關(guān)系變化。 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 PCB 設(shè)計 設(shè)計的 PCB 如下圖 23圖 234 所示： 圖 233 控制器 PCB 正面 圖 234 控制器 PCB 反面 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 圖 235 控制器 PCB板 3D視圖 經(jīng)過多次修改，綜合考慮了 PCB 板的電磁兼容性和布局尺寸因素 [12,13]。而一臺電機的運動參數(shù)可由以下變量描述：電機的機械狀態(tài)有轉(zhuǎn)速 ω（ rad/s）、轉(zhuǎn)角 θ（ rad）、轉(zhuǎn)矩 T（ ）；電機的電氣狀態(tài)有，相電壓 V_a、 V_b、 V_c（ V）和相電流 I_a、 I_b、 I_c（ A）。根據(jù)硬件的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 旋鈕，還可 進一步把這個參數(shù)行為劃分為：轉(zhuǎn)速增加和轉(zhuǎn)速 減小 。 控制器任務的實現(xiàn) 下面介紹主控芯片 CPLD 如何具體實現(xiàn)上面所陳述的控制器所肩負的任務。 故實際控制器僅是通過 PWM 這種電壓控制方式，來控制電機的各相電壓 來實現(xiàn)控制 。 而控制器人機接口硬件電路，闡明了控制器至少應該能控制電機的轉(zhuǎn)速 ω（ rad/s）這個運動參數(shù)。 控制器所要完成的任務 本 BLDC 控制器應用于類似于驅(qū)動電動自行車電機的應用場合。但問題出現(xiàn)了， CPLD 芯片沒 AD 轉(zhuǎn)化功能，系統(tǒng) 中專門增加一塊 AD芯片又無疑參加系統(tǒng)成本。 由施密特觸發(fā)器的性質(zhì)可知， IV 的電壓在 VCCVCC 331 時發(fā)生反轉(zhuǎn)，故 IV 的電壓被限定在 ）331（ VCCVCC 。 2)電機正反轉(zhuǎn)及制動按鈕和 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 旋鈕電路 ： 電機正反轉(zhuǎn)及制動按鈕電路如下圖 225 所示： 213S1F/RSWSPDTS2STOPSWSPDT2KR272KR28101C10+5V104C11101