【正文】 電動機無需像有刷直流電動機那樣使用換向器和電刷來使電動機轉(zhuǎn)動。電動機要把電能轉(zhuǎn)化為機械能，就要把轉(zhuǎn)子動起來，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來就可得到相互作用的磁場，當直流無刷電動機接上電源后，電流就會接入線圈，就會得到磁動勢，和轉(zhuǎn)子的磁場相互作用，就會得到電功率，從而實現(xiàn)電動機把電能轉(zhuǎn)化為機械能的這一過程。電子換相電路（如圖 22 所示）由六只晶體管組成，它在電動機運轉(zhuǎn)當中有著至關(guān)重要的作用。磁場順時針旋轉(zhuǎn)的時候，電動機順時針旋轉(zhuǎn)的順序：1→2→3→4→5→6；磁場逆時針旋轉(zhuǎn)的時候，電動機逆時針旋轉(zhuǎn)的順序：6→5→4→3→2→1。最終實現(xiàn)了 BLDC電動機的調(diào)速控制。霍爾電壓隨磁場強度的變化而變化，磁場越強，電壓越高，磁場越弱，電壓越低，霍爾電壓值一般只有幾毫伏，但如果通過功率放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強的信號?；魻栃?yīng)傳感器屬于被動型傳感器，它要有外加電源才能工作，這一特點使它能檢測轉(zhuǎn)速低的運轉(zhuǎn)情況。曲線向下彎曲的原因是,在轉(zhuǎn)矩很大、轉(zhuǎn)速較小的情況下。較好的機械特性和調(diào)節(jié)特性為 BLDC 電動機良好的調(diào)速性能打下了基礎(chǔ)。sR轉(zhuǎn)矩方程 (22)[]/eabcTiei???運動方程為 (23) eLmBJ??式中， 為阻尼系數(shù)， 為負載轉(zhuǎn)矩。分別與傳統(tǒng)直流電動機和三相交流電機的機械特性作比較，突出無刷電機的優(yōu)良性能。80C51 內(nèi)部有時鐘電路，但需要石英晶體和微調(diào)電容外接，本系統(tǒng)中采用 12MHz 的晶振。圖中 B1~B5是 5 個自復(fù)位按鈕。 74ls373 為三態(tài)輸出的八 D 鎖存器，當三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，Q0～Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。當 LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mV。 驅(qū)動電路本文對無刷電動機的控制采用三相全橋電路，二二導(dǎo)通六狀態(tài)導(dǎo)通方式，使用了6 個 N 溝道功率 MOSFET 管 SMP60N06 構(gòu)成三相橋式逆變器。 IR2101 采用 HVIC 和閂鎖抗干擾制造工藝，集成 DIP、SOIC 封裝。 圖 39 為一橋臂 IR2101 的接法。轉(zhuǎn)換時間為 10?s，單通道最大采集速率 100kHz。 AD1674 有兩種工作模式，一是完全控制模式，一是獨立工作模式。 ?? /VFS12048 /VIN??圖 310 轉(zhuǎn)速檢測部分AD1674 的 STS 是 A/D 轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)指示信號，一旦啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，STS 變?yōu)楦唠娖?，當轉(zhuǎn)換結(jié)束，STS 變?yōu)榈碗娖剑畣纹瑱C既可以用中斷方式也可以用查詢方式判斷 AD1674 的工作狀態(tài)。 sa、sb、sc 是霍爾傳感器的輸出端。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 23 頁 共 63 頁圖 42 程序流程圖無刷直流電動機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁 主函數(shù)define uchar unsigned chardefine uint unsigned intinclude include //顯示頭文件；include //按鍵檢測頭文件；include //延時頭文件；include //電動機控制頭文件；include //轉(zhuǎn)速反饋頭文件；sbit RC=P3^0。sbit LED0=P2^0。 //電動機六狀態(tài)；extern uchar code zz[6]。 //段顯碼；char r=0。P0=0。TMOD=0x01。TR0=0。上電后，檔位應(yīng)顯示“00” ，轉(zhuǎn)速應(yīng)顯示“0000”所以調(diào)用了檔位顯示函數(shù)led0、led1和轉(zhuǎn)速顯示函數(shù) sl對檔位顯示和轉(zhuǎn)速顯示進行了初始化。extern char r。sbit SL2=P2^5。 P0=seg。LED1=0。P0=speednode[buff]。P0=speednode[buff]。P0=speednode[buff]。P0=speednode[buff]。 按鍵檢測函數(shù)include include 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 27 頁 共 63 頁include include include extern char r。amp。 //定時器賦初值；TL0=65436%256。r0){ //判斷UP是否按下；delay12_1ms(100)。 }else if(UP==0amp。if(r=6)r=6。r0){//判斷DOWN 是否被按下；無刷直流電動機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁delay12_1ms(100)。}else if(DOWN==0amp。if(r=6)r=6。 }else if(CLOSE==0){r=0。 //給表示正反位的數(shù)碼管傳字段碼；led1(seglednode[r])。此時應(yīng)當注意的有兩點，第一要加合理的按鍵延時避免出現(xiàn)“連。led1(seglednode[0r])。P1=0xff。 }else if(CPL==0){//判斷CPL是否被按下；delay12_1ms(100)。r0){//判斷DOWN 按下時r的狀態(tài)；delay12_1ms(70)。if(r=6)r=6。 }else if(DOWN==0amp。r0){ //判斷按下時r的狀態(tài)；delay12_1ms(100)。if(r=6)r=6。}}else if(UP==0amp。 //防抖處理；if(OPEN==0){ //判斷OPEN是否按下；r=1。sbit MOTOR=P2^2。}seglednode[8]、speednode[11]分別是檔位顯示，轉(zhuǎn)速顯示的字段碼，檔位顯示要顯示“0” 、 “1”、 “2”、 “3”、 “4”、 “5”、 “6”、 “”八個，而轉(zhuǎn)速需要顯示數(shù)字0~9和負號。 buff=result%10。buff= (result%100)/10。buff=(result%1000)/100。buff=result/1000。無刷直流電動機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁 }void led1(uchar seg){ //檔位顯示2；LED1=1。sbit SL4=P2^7。sbit LED1=P2^1。 顯示函數(shù)include include include uchar code seglednode[8]={0x7e,0x30,0x6d,0x79,0x33,0x5b,0x5f,0x01}。74ls373的CE 端接地即使其始終保持在低電平有效的狀態(tài)，利用LE 使能端作為地址選通端。 //上電顯示部分初始化 ；led1(seglednode[0])。IE=0x83。 //初始化； P3=0xff。 //反轉(zhuǎn)邏輯；extern uchar hal。sbit MOTOR=P2^2。sbit CE=P2^3。無刷直流電動機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁4 BLDC 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 軟件部分綜述在本系統(tǒng)的設(shè)計中，采用 80C51 的定時器 0 定時產(chǎn)生驅(qū)動電路所需的控制脈沖，P1 口的 ~ 分別接受 OPEN、UP、DOWN、CPL、CLOSE 五個按鍵信號；~ 用于接受無刷電動機的霍爾傳感器的信號；外部中斷 0 用于檢測是否有按鍵按下；P2 口用作地址輸出口，其中，~ 檔位顯示， 輸出地址，轉(zhuǎn)速檢測地址，~ 轉(zhuǎn)速輸出顯示地址。設(shè)計的時候在元器件庫中選擇的是 BLDCSTAR 即星型連接的無刷電動機，這個三相星型連接方式的無刷直流電動機有 8 個引腳。獨立工作模式用于系統(tǒng)中有專門的輸人端口，無需全部的總線接口功能。AD1674 的主要特點包括：具有可控三態(tài)輸出緩沖器；12 位數(shù)據(jù)可以在一個讀周期中輸出，也可分在兩個周期中依次輸出；內(nèi)置 10V 的電壓基準源；內(nèi)置時鐘電路，無需外部時鐘；可實現(xiàn)單極性模擬量輸人，也可實現(xiàn)雙極性模擬量輸入；無刷直流電動機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁內(nèi)置采樣保持電路，支持轉(zhuǎn)換器的整個耐奎斯特帶寬。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 19 頁 共 63 頁 圖 38 三相全橋逆變器 圖 39 IR2101 接法 轉(zhuǎn)速檢測電路轉(zhuǎn)速檢測電路采用逐次比較型 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD1674，采用雙極性輸入方式，由于輸入電壓范圍為+10V~10V 所以在無刷電動機的 omega 輸出端接滑動變阻器分壓。IR2101 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 37 所示。IR2101 是雙通道、柵極驅(qū)動、高壓高速功率驅(qū)動器，該器件采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，同時提高了驅(qū)動電路的可靠性。圖中每一個七段數(shù)碼管均對應(yīng)一個排阻（REP 和 RP），這是由于 80C51 的帶負載能力不強，排阻用于作上拉電阻以增大電流，易于驅(qū)動發(fā)光二極管。當鎖存允許端 LE 為高電平時，Q 隨數(shù)據(jù) D 而變。無刷直流電動機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁 圖 32 主控芯片及按鍵部分在本次設(shè)計中使用了 80C51 的外部中斷接口 0（INT0）用作按鍵檢測（見圖 33），通過四個與門構(gòu)成中斷觸發(fā)電路，當有任何一個按鍵按下去時 tap 端都會產(chǎn)生下降沿從而引發(fā)中斷。 圖 32 為控制核心與按鍵檢測部分的基本接線，圖中 C1~CRRCY 構(gòu)成了單片機最小系統(tǒng)，CY 是 12MHZ 的石英晶振。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15 頁 共 63 頁3 BLDC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 硬件部分的組成框圖如圖 31 所示，主要部分由控制核心、轉(zhuǎn)速顯示部分、檔位顯示部分、按鍵檢測部分、轉(zhuǎn)速檢測及反饋部分、電動機驅(qū)動電路，六部分構(gòu)成。上述兩式表明，電動機反電BLT勢、相電流、轉(zhuǎn)速與負載轉(zhuǎn)矩存在著相互關(guān)系，一些變量具有時變特性，系統(tǒng)存在干擾等，傳統(tǒng)的 PID 控制器難以適應(yīng)。以三相六狀態(tài) BLDCM 為對象，分析直流無刷電動機的數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩特性。機械特性曲線就會偏離原來的直線。無刷電動機的機械特性曲線簇見圖 2－7。下圖所示的方法是用一個轉(zhuǎn)動的葉輪作為控制磁通量的開關(guān)，當葉輪葉片處于磁鐵和無刷直流電動機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁霍爾集成電路之間的氣隙中時，磁場偏離集成片，霍爾電壓消失。霍爾效應(yīng)是一種電磁效應(yīng)，是指運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)。它的換相過程如圖 24 所示： 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 共 63 頁圖 24 換相過程示意圖霍爾傳感器輸出的二進制編碼控制 6 個功率管的導(dǎo)通，它由邏輯電路或軟件編程實現(xiàn)。由于沒有電刷，所以要將轉(zhuǎn)子制作成永磁體,而將線圈繞組放在定子上去，這樣修改后的結(jié)構(gòu)正好與一般直流電動機恰恰相反；然而，如果只給直流無刷電動機通入固定的直流電流，那么直流無刷電動機只可以產(chǎn)生不變的磁場，直流無刷電動機不能轉(zhuǎn)動起來，為了能夠使電動機轉(zhuǎn)動起來，只有實時檢測直流無刷電動機轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給直流無刷電動機的不同相通以對應(yīng)的電流，使定子能夠產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場，電動機 6 步通電順序如圖所示，每步三個繞組中一個繞組流入電流，一個繞組流出電流，一個繞組不導(dǎo)通。 圖 22 直流無刷電動機逆變器結(jié)構(gòu)圖直流無刷電動機要能夠轉(zhuǎn)動起來，除了電動機本體以外，還需要電子換相電路與轉(zhuǎn)子位置傳感器的共同配合。直流無刷電動機結(jié)構(gòu)如圖21： 圖 21 直流無刷電動機結(jié)構(gòu) 電動機本體的主要部件是定子和轉(zhuǎn)子。在對電動機控制要求不高的場合，專用集成電路組成控制電路是簡單實用的方式。雖然，隔離柵場效應(yīng)雙極晶體管價格較貴，但從可靠安全和性能角度看，選用它還是較合適的。在功率較大的電動機中，驅(qū)動電路和控制電路可各自成為一體。早期用機電位置傳感器獲得位置信號，現(xiàn)已逐步用電子式位置傳感器或其它方法得到位置信號，最簡便的方法是利用電