【正文】 .............................................. 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。 the main circuit is a threephase voltage source inverter. Frequency increases by the given integral method. Experimental results show that this control method is reliable, lowcost, and can obtain good dynamic and static performance. In the final test, the design of the system can achieve the following indicators: the motor can accelerate to 3000RPM within 6 seconds, and the motor can finish setup each time。頻率增長(zhǎng)采用給定積分法。 本文旨在研究一種低成本的無(wú)刷直流電機(jī)控制器。 為了 研發(fā)一款低成本的控制器， 較好 地 控制無(wú)刷直流電機(jī)， 本文著重研究了無(wú)刷直流電機(jī)（永磁同步電機(jī)）的控制策略 及其實(shí)現(xiàn)方法。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，這種控制方法控制可靠，成本低廉， 能夠獲得良好的動(dòng)靜態(tài)性能。 the maximum output current is 2A。 為了解決客車、城市公交車在實(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?，F(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]。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。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。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等）。位 置傳感器種類較多，且各具特點(diǎn)。 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)。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)。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。 [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。 (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。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。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。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)。 LS 主要功能特性 LS052Ax 片內(nèi)包含 2K～ 64K 字節(jié)程序存儲(chǔ)器 (Flash)， 1K～ 16K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (SRAM)， 4 個(gè) 16 位定 時(shí) /計(jì)數(shù)器， 16 個(gè)中斷源 /兩級(jí)中斷機(jī)制，并發(fā)三道處理引擎， 36 個(gè) I/O 端口驅(qū)動(dòng)器， 2 個(gè)全雙工串行通信端口， 1個(gè) SPI 主從模式通信端口， 2 個(gè) I2C 主從模式通信端口， 1 個(gè)一線通信主模式通信端口， 7 通道空間矢量 SVPWM， 4/8 路 10 位精度 ADC， 1 個(gè)可編程看門狗，振蕩器及時(shí)鐘電路。 LS052Ax 采用新型的發(fā)明專利技術(shù) L 體系結(jié)構(gòu)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多核多任務(wù)并行處理，可以只運(yùn)行單道程序，也可同時(shí)執(zhí)行關(guān)聯(lián)或非關(guān)聯(lián)的三道程序?；魻栁恢脗鞲衅魇悄壳氨容^成熟的 IC 器件，具有體積小、簡(jiǎn)單可靠、安裝靈活方便、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的位置傳感器。 [在此處鍵入 ] 11 缺點(diǎn)： (1) 增大了電機(jī)的體積。若傳感器損壞，還可能連鎖反應(yīng)引起逆變 器等器件的損壞； (4) 傳感器的安裝精度對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能影響很大，相對(duì)增加了生產(chǎn)工藝的難度。 這種方法與傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法有所不同，它 一般 用來(lái)控制異步電機(jī)和同步電機(jī)的[5]，但由于小功率無(wú)刷直流電機(jī)的空間磁場(chǎng)接近正弦波 [6]，可以當(dāng)作永磁同步電機(jī)來(lái)控制，故本次設(shè)計(jì)采用變壓變頻控制方法。 圖 31 PSIM 仿真圖 [在此處鍵入 ] 14 仿真波形 及分析 載波比 N=63 如圖 32（ a）所示為載波比 N=63 時(shí)電機(jī)的三相電流波形，可以看出電流波形 比較光滑 接近正弦波。 圖 34 單片機(jī)發(fā)出波形仿真 載波比 N=33 如圖 35（ a）所示為載波比 N=33 時(shí)電機(jī)的三相電流波形，可以看出電流波形接近正弦波 ，相比 N=63 該波形 沒(méi)有那么平滑 。 圖 37 單片機(jī)發(fā)出波形仿真 載波比 N=21 如圖 38（ a）所示為載波比 N=21 時(shí)電機(jī)的三相電流波形，電流波形接近正弦波 但相比來(lái) 說(shuō)波形變得更為粗糙 ，這是因?yàn)檩d波比減小的緣故 。 圖 310 單片機(jī)管腳發(fā)出波形仿真 仿真總結(jié) 此次仿真采用 PSIM 軟件，該軟件繪制原理圖方便，容易上手， 仿真主要對(duì)控制系統(tǒng)的原理進(jìn)行了仿真。 另外，本次設(shè)計(jì)采用分段同步調(diào)制，仿真中對(duì)不同的 載波比都進(jìn)行了仿真，從結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果和理論分析幾乎相差無(wú)幾，這對(duì)后面的硬件調(diào)試起到了很好的指導(dǎo)作用。單片機(jī)控制模塊部分電路圖如 43 所示： 圖 43 單片機(jī)控制模塊 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) IR2101 是雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率驅(qū)動(dòng)器，該器件采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了 邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。 本次設(shè)計(jì) 在驅(qū)動(dòng)電路前級(jí)加上三極管 電流放大電路， 這樣做的目的是確保有足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，因?yàn)?LS 芯片本身管腳驅(qū)動(dòng)電流小。 LS052AX 單片機(jī)的 全 比較單元模塊（通用定時(shí)器 1 提供基準(zhǔn) ） 可以產(chǎn)生 6 路 互補(bǔ) PWM 波形 ，可以 用來(lái)產(chǎn)生 SPWM波 形 。 三相 SPWM 原理及算法實(shí)現(xiàn) SPWM 介紹與原理分析 正弦脈沖寬度調(diào)制 (SPWM)的理論基礎(chǔ)是面積等效原理，該理論是 采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論 ，即 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。根據(jù)采樣定理，輸出的 SPWM 波 形經(jīng)過(guò)濾波后能得到平滑的正弦波。這種純硬件的方法使用器件多、線路復(fù)雜、控制精度受影響程度大且輸出頻率和占空比不好控制。因而，本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)更智能化，不采用集成芯片的方式，期望從控制器直接輸出 SPWM。 LS052AX 的速度比普通 51 快 ， 再通過(guò)策略 以邊查表邊計(jì)算的方式實(shí)現(xiàn) SPWM 波的生成。而且由于交點(diǎn)具有任意性，控制器計(jì)算負(fù)荷重。 圖 51 規(guī)則采樣法 說(shuō)明 取三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期 ，使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）為對(duì)稱。 考慮到 LS052A 微控制器的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)處理有幾個(gè)技巧，其一，將正弦值先用 Excel 計(jì)算出來(lái)， 再算出來(lái)某一相的比較值 存儲(chǔ)在 ROM 中，計(jì)算的時(shí)候，只要查表 并作簡(jiǎn)單計(jì)算 即可， 部分 正弦表及比較 值如表 51所示，其中載波比分別 取 6 3 21。從開(kāi)關(guān)器件來(lái)看，在半周期內(nèi)，同一相橋臂的上下兩個(gè) MOS 管，其中一個(gè)一直導(dǎo)通，另一個(gè)導(dǎo)通或關(guān)斷。原因有以下幾點(diǎn)：其一，單極性調(diào)制方式雖然程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單，但其輸出正弦波不及雙極性調(diào)制平滑，即雙極性調(diào)制輸出正弦波與理論輸出正弦波失真度較小。 在載波比為 6 時(shí)，圖54 顯示調(diào)制信號(hào)頻率變化時(shí)半周期內(nèi)的載波信號(hào)個(gè)數(shù)沒(méi)有發(fā)生變化。如圖 55 所示，在調(diào)制信號(hào)頻率變化時(shí)，載波信號(hào)的頻率沒(méi)有變化，但在半個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的個(gè)數(shù)變化了。 u u 圖 55 非同步調(diào)制中波形比較圖 還有一種分段 同步 調(diào)制的方法，即在不同的頻率段采用固定的載波比。 分段同步調(diào)制在程序?qū)崿F(xiàn)上比同步調(diào)制稍微復(fù)雜。 硬件方面 載波頻率由 MOS 管的開(kāi)關(guān)特性限制，它不可能做的很高；軟件方面中斷中修改占空比及周期的速度就越快，受單片機(jī)計(jì)算速度的限制，頻率也不能太高。這樣，在輸出頻率較低時(shí)，由同步調(diào)制引起的低頻諧波的影響降到最小。 主程序以循環(huán)結(jié)構(gòu)運(yùn)行，并等特中斷。另外，定時(shí)器的開(kāi)啟計(jì)數(shù)命令應(yīng)當(dāng)放在初始化程序的最后一行。 本次設(shè)計(jì)中取 M=4， P=3， f=，可得死區(qū)時(shí)間大約為 540ns。這樣才能做到有的放矢，以最高的效率調(diào)通 電路板。如此進(jìn)行直到 調(diào)試好這個(gè)模塊為止。軟件調(diào)試是個(gè)重復(fù)檢查的過(guò)程，花費(fèi)的時(shí)間也多，限于篇幅，此處不一一列舉。電機(jī)是阻感 負(fù)載，不需要要濾波，可直接接在逆變器輸出端。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明， 此次設(shè)計(jì) 能夠平滑啟動(dòng)電機(jī)，順利將電機(jī)遷入同步運(yùn)行狀態(tài)。 （ a）單片機(jī)管腳輸出波形 （ b）單片機(jī)管腳輸出濾波后波形 圖 66 單片機(jī)輸出 SPWM 波形 如圖 67 所示是 ： （ a） 低頻時(shí) N=63，（ b）低 頻時(shí) N=63 單片機(jī)發(fā)出的 SPWM 波形 仿真 。 如圖 69 所示是：（ a）高頻頻時(shí) N=21 單片機(jī)發(fā)出的實(shí)際波形，（ b）N=21 時(shí) 單片機(jī)發(fā)出的 SPWM 波形仿真。 圖 611 反電動(dòng)勢(shì)波形 無(wú)刷直流電機(jī)是永磁同步電機(jī)的一種，其反電動(dòng)勢(shì)波形是梯形波，但是對(duì)于小功率無(wú)刷之流電機(jī)來(lái)說(shuō)，其反電動(dòng)勢(shì)波形接近正弦波，從而可以采用同步電機(jī)的變壓變頻控制，此次實(shí)驗(yàn)波形正好驗(yàn)證了這一點(diǎn)。 系統(tǒng)具有如下技術(shù)指標(biāo)： (1) 啟動(dòng)時(shí)間：系統(tǒng)能在 5s 之內(nèi)快速升速至 3000 轉(zhuǎn)每分，并保持最高速運(yùn)行。 U/F 曲線可調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同負(fù)載。 設(shè)計(jì)展望 鑒于時(shí)間、經(jīng)費(fèi)和個(gè)人能力等多方面局限性，本設(shè)計(jì)難免存在一些不足，下面對(duì)這些不足做些說(shuō)明。 (3) 本次設(shè)計(jì)的最高頻率是 200Hz， 然而要進(jìn)一步提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高頻率是必須解決的問(wèn)題，根據(jù)本次設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提高頻率有兩種方法，硬件方面，提高晶振頻率 以縮短計(jì)算時(shí)間 ， LS 單片機(jī)最高可支持 40M 晶振頻率；軟件方面，由于 LS 單片機(jī)有三道程序并發(fā)功能，可以采用一些策略，提高單片機(jī)的運(yùn)算效率，可以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 xxx 老師 著重 培養(yǎng) 啟發(fā)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，自己解決問(wèn)題 的思維方式和能力 ， xxx 老師的這種方法雖然讓我走了很多彎路，但是實(shí)踐證明，這種方法更能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，更能鍛煉學(xué)生獨(dú)立完成科研項(xiàng)目的能力。 [在此處鍵入 ] 49 附錄 1 整體電路圖 C13 100uF/50VC5104VCC5D31N4148Vin1GND2+5V3U17805C7104C1222uF/25V24VDR160/1w100MATXDRXDX1C2530PFC2430PFGND394041424344123RST45678910111213XTAL214XTAL115GND161718192021222324。 本次 畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中， 我要特別感謝 xxx 公司的辛經(jīng)理及同事們，在繪制原理圖和 PCB 設(shè)計(jì)的過(guò)程