【正文】 37 頁） 單片機(jī)控制方案 本系統(tǒng)以 AT89C52 單片機(jī)為核心，通過 LM621，以 2*3 矩陣鍵盤做為輸入， 4位 數(shù)碼管顯示，達(dá)到控制無刷直流電機(jī)的啟停、速度和方向。為了降低成本 ,簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ， 可采用三個霍爾元件作為轉(zhuǎn)子位置傳感器 ， 電機(jī)轉(zhuǎn)速及加速度由軟件根據(jù)傳感器信號 算出 。 四相電動機(jī)位置傳感器空間間距 90176。直接與 PWM 信號接口和霍爾位置傳感器接口 178。由于所施加的邏輯電平?jīng)Q定電機(jī)轉(zhuǎn)向 178。引腳 4（ CLOCK TIMING):時鐘定時端。 178。時，施加零電平。引腳 10（ POWER GROUND):功率地。引腳 1 1 16（ CURRENT SINK OUT):抽電流輸出端。 178。 數(shù)字信號處理 (Digital Signal Processing,簡稱 DSP)是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng) 域的新興學(xué)科。由于采用了面向電機(jī)控制的高速數(shù)字信號處理器，無論是速度控制器的設(shè)計，還是電流控制器的實現(xiàn)，以及各種反饋信號的處 理和 PWM控制信號的產(chǎn)生，均采用了數(shù)字信號處理技術(shù)，用軟件實現(xiàn)硬件電路的功能，實現(xiàn)無刷直流電動機(jī)的實時控制。 2407是 TI公司近年來推出的面向 DMC的 16位定點型數(shù)字信號處理器，它具有高速信號處理和數(shù)字控制所必須的體系結(jié)構(gòu)特點，而 且有為電機(jī)控制應(yīng)用提供單片機(jī)解決方案所必須的外圍設(shè)備。 2407的主要功能： CX DSP內(nèi)核，內(nèi)部存儲器，事件管理器和片內(nèi)外接口。此外，現(xiàn)代廣泛采用 PWM算法，單片機(jī)中都沒有可以產(chǎn)生 PWM脈沖的硬件設(shè)備，都是通過軟件編程來實現(xiàn)。并且基于 DSP的無刷直流電動機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)具有良好的控制性能和調(diào)速性能，獲得了較好的動態(tài)性能和較高的穩(wěn)態(tài)精度，運(yùn)行效率高，抗干擾能力強(qiáng)。本文選擇霍爾 傳感器 ，下文對其 結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè) 計原則等方面做較詳細(xì)的介紹。首先 ,根據(jù)所檢測到的電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號 ,計算得到電動機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)動速度 。功率變換器的設(shè)計包括電路結(jié)構(gòu)選擇和元件定額估算兩方面的內(nèi)容。 選取三片 IR2110組成驅(qū)動電路，一片 IR2110驅(qū)動兩個功率管，功率 驅(qū)動電路如下圖 所示 ： 4 過程論述 第 25 頁（共 37 頁） 圖中 IR2110芯片引腳“ HIN”和“ LIN”接 TMS320LF2407輸出的其中兩路 PWM（脈寬） 觸發(fā)控制信號，觸發(fā)控制信號經(jīng) IR2110功率放大后，通過引腳“ HO”和“ LO”經(jīng)兩個限流電阻分別接至兩個功率管的柵極以控制功 率管的通斷。采用 CMOS施密特觸發(fā)輸入，以提高電路抗干擾能力。邏輯輸人端采用施密特觸發(fā)電路，提高抗干擾能力。 兩個高壓 MOS管推挽驅(qū)動器的最大灌入或輸出電流為 2A。如果這二路驅(qū)動電壓小于 8． 3 V，輸出信號會因欠壓而被片內(nèi)封鎖。 相電流檢測電路 4 過程論述 第 27 頁（共 37 頁） 檢測是直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)電流環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，對于電流檢測一般常用以下兩種方法 : CI)采用電流檢測模塊。 C2)采用一個分流電阻間接測流。但是，對于直流無刷電機(jī)的 控制特點，至少需要檢測兩相電流，需要兩組傳感器。 從無刷直流電機(jī)的工作原理分析以得出其對開關(guān)元件的性能要求有： 1. 滿足系統(tǒng)電壓、電流值的要 求，并有一定裕量； 2. 盡可能低的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷以后的漏電流，降低系統(tǒng)損耗； 3. 足夠的安全工作區(qū)； 4. 盡可能高的開關(guān)速度和盡可能低的開關(guān)損耗； 5. 盡可能小的驅(qū)動功率； 6. 盡可能簡單的驅(qū)動電路，使開關(guān)元件及驅(qū)動電路的成本盡可能低。當(dāng) HIN= LIN=1時， HO=1， LO=1， MOSFET導(dǎo)通，當(dāng) HIN=0， LIN=0時， HO=0， LO=0， MOSFET關(guān)斷。L／ CMOS電平兼容，其輸入引腳閥值與電源 V+成比例，為電源電壓 V+的 10％ ，各通道相對獨(dú)立。 直流無刷電動機(jī)控制電路設(shè)計 第 26 頁（共 37 頁） 引腳 1和 7是兩路獨(dú)立的輸出，分別是 LO(低端輸出 )和 HO(高端輸出 )，引腳 3和 6分別是 VCC(低端電源電壓 )和 VB(高端浮置電源電壓 )，引腳 9(VDD)是邏輯電路電源電壓，引腳 2(COM)是低端電源公共端，引腳 5和 13分別是 VS(高端浮置電源公共端 )和VSS(邏輯電路接地端 )，引 腳 10(HIN)是邏輯輸入控制端，引腳 11(SD)是輸入關(guān)閉端，引腳 12(LIN)是低端邏輯輸入。 圖 4— 3 功率驅(qū)動電路 IR2110簡介： 圖 4— 4 IR2110引腳 IR2110邏輯電源電壓范圍為 5 V～ 20 V，適應(yīng) TTL或 CMOS邏輯信號輸入，具有獨(dú)立的高端和低端 2個輸出通道。 通過前面的分析比較已經(jīng)選定三相全控 Y型功率變 換電路，此處不再贅述，下面主要介紹功率驅(qū)動電路。電流參考信號與實際的電動機(jī)相電流信號相比較 ,差值經(jīng) PID 控制器 （微分與積分）調(diào)節(jié)后 ,將適當(dāng)?shù)?PWM（脈寬） 信號施加到電動機(jī)的功率電子主回路 (功率變換器 )上 ,通過控制功率晶體管的開通關(guān)斷順序和時間 ,可改變電動機(jī)定子繞組中的電流大小和繞組的導(dǎo)通順序 ,從而實現(xiàn)對直流無刷電動機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的控制。 反電動勢與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速成直流無刷電動機(jī)控制電路設(shè)計 第 24 頁（共 37 頁） 正比 ,而轉(zhuǎn)矩與相電流也是成正比 的 。因而本文采用這種方案， 并在下文中做出詳細(xì)的介紹。本文也不考慮這種方案。 TMS320 LF2407A 電流梀測 位置 /速度檢測 保護(hù)電路 隔離驅(qū)動 AD C B A P PDPINTP W M 4 過程論述 第 23 頁（共 37 頁） 采用單片機(jī)控制方案 ,由于單片機(jī)本身結(jié)構(gòu)的限制，以之為核心所組成的單片機(jī)控制系統(tǒng)需要外部擴(kuò)展存儲器 ,外接模擬 /數(shù)字（ A/D）轉(zhuǎn)換器等。 2407具有 32位的 CALU和 32位累加器， 16179。 TMS320LF2407芯片簡介 由于 TMS320LF2407引腳圖較為復(fù)雜，功能很多，此處不一一介紹，主要介紹本文控制系統(tǒng)所用到的部分和該芯片的一些基本信息。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示 。 采用 DSP (數(shù)字信號處理器 )控制方案 為了 使電動機(jī)控制系統(tǒng)既可以適用于一般的應(yīng)用場合，又可以滿足一些高精度、高性能的控制要求。引腳 17（ OUTPUT INHIBIT)：輸出禁止端。引腳 1 1 13（ CURRENT SOURCE OUT)：灌電流輸出端。引腳 9（ LOGIC GROUND):邏輯地。三相電動機(jī)傳感器空間間距 30176。 178?？刂扑绤^(qū)功能，高電平有效。引腳 1（ Vcc1）：第一電源，邏輯部分和時鐘用電源， +5V 178。輸出端直接驅(qū)動雙極型功率管（可提供 35mA 基極電流）或 MOSFET 功率器件 178。三相和思想無刷直流電動機(jī)兼容 雙極性驅(qū)動三相三角形聯(lián)結(jié)或星形聯(lián)結(jié)繞組 單極性驅(qū)動三相有中心抽頭的星形聯(lián)結(jié)繞組 三相電動機(jī)位置傳感器空間間距 30176。 如果采用軟件換相，單片機(jī)要不斷地執(zhí)行換相操作，才能使電動機(jī)轉(zhuǎn)動下去，同時還要監(jiān)控用戶界面，控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向操作，因此負(fù)擔(dān)很重，故本系統(tǒng)中采用專用集成電路芯片 LM621來完成換相工作。因此，在一些要求比較高的場合，一般使用 Y形連接全控電路。當(dāng) VF1VF2通電時，電流從 VF1流入，分別通過 A相繞組和 B， C兩相繞組，再從 VF2管流出。通過矢量合成，可以看到合成矢量增加了 3 倍 ,如圖 35(a),當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動 060 后合成轉(zhuǎn)矩如圖 (b),圖 (c)表示全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。他們的通電方式有三三通電方式和兩兩導(dǎo)通方式兩種 ,下面重點介紹兩兩導(dǎo)通方式。因此，在一些要求比較高的場合，一般不使用三相半控電路。La Lb LcV F 3V F 2V F 1U1H1H2H3 圖 3— 2 三相半控電路 圖 3— 2中， L L L3 為電動機(jī) A、 B、 C三相繞組； VF VF VF3 為 3 個大功率 MOSFET 管，主要起開關(guān)作用； H H H3 為來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號。 位置傳感器 在無刷直流電動機(jī)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?？衫L出無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖 : 微控制器（單片機(jī)） 主要功能是根據(jù)電動機(jī)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。這種方案可以降低設(shè)備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。而永磁直流無刷電動機(jī)就是這種產(chǎn)品 的典型之一。于是電動汽車專用電機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)成為了研究的焦點 ,國外電動汽車驅(qū)動裝置實際應(yīng)用的交流電機(jī)主要有鼠籠異步電機(jī)和永磁同步機(jī) ,但目前認(rèn)為最適合用于電動汽車的電機(jī)是多相永磁無刷直流電機(jī) ,所以對無刷直流電動機(jī)控制的研究是十分有必要的。光機(jī)電一體化技術(shù)和信息技術(shù)作 為 20 世紀(jì)末誕生的“高新技術(shù)”必將在到來的新世紀(jì)里獲得更加快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。一個多世紀(jì)以來 ,直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)一直占主導(dǎo)地位 ,但 是由于傳統(tǒng)直流電動機(jī)均采用機(jī)械方法進(jìn)行換向 ,帶來不可克服的“機(jī)械磨損、電火花、噪聲、無線電干擾、壽命短”等致命弱點 ,因此 ,使其應(yīng)用范圍受到了一定限制 ,尤其是在高性能中、小功率伺服驅(qū)動場合。 (1)電驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用。 (2)由于沒有轉(zhuǎn)子損耗 ,也無需定子勵磁電流分量 ,所以無刷直流電動機(jī)具有較高的效率和功率密度 ,對于同等容量的輸出 ,異步電機(jī)需要更大功率的整流器和逆變器。 (3)發(fā)熱的繞組安放在定子上 ,有利于散熱 ,便于溫度監(jiān)控 ,易得到較高功率密度。 無刷直流電動機(jī)與有刷直流電動機(jī)相比 ,具有以下特點 : (1)可靠性高、壽命長。工作時，控制器根據(jù)位置傳感器測得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有序的觸發(fā)驅(qū)動電路中的各個功率管，進(jìn)行有序換流，以驅(qū)動直流電動機(jī) 無刷直流電動機(jī)用一套電子換向裝置代替了有刷直流 電動機(jī)的機(jī)械換向裝置 ,保留了有刷直流電動機(jī)寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能 ,同時又克服了有刷直流電動機(jī)機(jī)械換向帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等一系列缺點。據(jù)有關(guān)報道，我國消耗在電動機(jī)的電力占整個電力的 65%以上。m 2)， GD2=4gJ（ J 是轉(zhuǎn)動慣量） ，其所在的方程式為電動機(jī)單軸系統(tǒng)的運(yùn)動方程式；上述方程組經(jīng)過拉普拉斯變換后可以得到： 從而可以得到直流無刷電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下： 直流無刷電動機(jī)控制電路設(shè)計 第 12 頁（共 37 頁） 圖 19動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 從而求出其傳遞函數(shù)為： 其中， KI 是電動機(jī)的電動勢傳遞系數(shù)， KI=1/KE； Kτ 是轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù)， Kτ=R／ KEKT）； Te是電磁時間常數(shù)， Te=RGD2（ 375KEKT）。對外加電壓而言，三相直流無刷電動機(jī)半控電路的反電動勢波形如圖所示 ： 圖 18反電動勢波形 通過計算可以得到電樞繞組的感應(yīng)電動勢的平均值為： 為了便于求出平均反電動勢，定義反電動系數(shù)和轉(zhuǎn)矩細(xì)數(shù)如下： 1 前言 第 11 頁（共 37 頁） 反電動勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)為常數(shù) ， 其大小同主電路的接法（三相半控或全控電路）以及功率晶體管的換相方式（如兩兩換相或三三換相）有關(guān)。這樣，電動機(jī)所產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩 Ta 最大，可改善電動機(jī)的動態(tài)特性和效率。 后，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時將出現(xiàn)負(fù)值，其總輸出轉(zhuǎn)矩的平均值更小。在三相半控電路情況下，當(dāng) γ o=30176。 根據(jù)上述假設(shè)，化簡之后可以得到其電子開關(guān)電路如下： R11 0 kR21 0 kR31 0 kQ1NP NQ2NP NQ3NP NB A T 11 .5 V來自霍爾元件的信號 圖 16半控電路 1 前言 第 9 頁（共 37 頁） 由于轉(zhuǎn)子磁場在氣隙中，是按照正弦規(guī)律分部的， B=BMsinθ這樣一來，如果在定子某一相（例如 B 相）繞組 中通一持續(xù)的直流量，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為 TM=ZLBMrIsinθ 其 中， Z 是每相繞組的有效導(dǎo)體數(shù)； L 是繞組中導(dǎo)線的有效長度，即磁鐵長度 (m)；r 是電動機(jī)中氣隙的半徑 (m)； I 是繞組相電流 (A) 。 由于無刷直流電動機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電動機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。減小， Tm 減小 。 (V178。 amp。直流無刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù) (P)影響： N=120． f / P 在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。用獲得位置信號相近方法取得速度信號，最簡單的速度傳感器是測頻式測速發(fā)電機(jī)與電子線路相結(jié)合。由于定子磁場軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，這 正是他勵