【正文】 微型 電動(dòng)機(jī) 是很大的問(wèn)題。如圖 48 所示。每個(gè)事件管理器模塊都有一個(gè)正交編碼脈沖（ QEP）電路，如果 QEP 電路被使能，可以對(duì)相應(yīng)引腳上的正交脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)算。 核心控制電路及外圍電路 PMBDCM 無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)需要快速的、高精度的計(jì)算，要求控制系統(tǒng)有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)于一般的單片機(jī)，其指令執(zhí)行速度和運(yùn)算能力很難做到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，尤其是對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)控制系統(tǒng)。 PMBDCM 的特殊性在于， 它的輸出由轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)所控制，而不是獨(dú)立調(diào)節(jié)，是一個(gè)“自控式逆變器”。所以，目前大多數(shù)對(duì)無(wú)位置傳感器控制方法的研究核心和關(guān)鍵就是尋找和建立新型的位置信號(hào)檢測(cè)方法，從硬件和軟件上間接的獲取可靠的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，以便觸發(fā)逆變器從而驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī) 運(yùn)行。智能控制理論作為現(xiàn)今最為熱門 的研究學(xué)科，其發(fā)展已經(jīng)非常成熟。 表 32 換向表 換向狀態(tài)字 位置信號(hào) 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) RB0(A) RB1(B) RB2(C) 導(dǎo)通的功率管 1 0 0 1 Q Q1 Q Q5 2 0 1 0 Q Q5 Q Q6 3 0 1 1 Q Q6 Q Q6 4 1 0 0 Q Q3 Q Q3 5 1 0 1 Q Q2 Q Q4 6 1 1 0 Q Q4 Q Q2 具體的程序編寫(xiě)將在計(jì)算機(jī)中完成，并且與中斷程序配合實(shí)現(xiàn)下列功能： 向單片機(jī)發(fā)出控制命令，如 電動(dòng)機(jī) 的啟、停，轉(zhuǎn)速的控制等； 查詢 電動(dòng)機(jī) 的運(yùn)行狀態(tài)（轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速） 和控制模式 [23]。 當(dāng)位置信號(hào)發(fā)生變化后，會(huì)進(jìn)入中斷，對(duì)位置值和捕獲值進(jìn)行讀取，并進(jìn)行相應(yīng)的換向?qū)?PWM調(diào)制 [2022]。 而其中最為重要的環(huán)節(jié)就是對(duì)位置信號(hào)的處理，因?yàn)檫@一環(huán)節(jié)決定了芯片的后續(xù)一系列動(dòng)作。 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，我們 首先 需要 對(duì)單片機(jī)進(jìn)行外圍電路的繪 制（圖 33）。 圖 32 IR2130 驅(qū)動(dòng)電路 我們可以看到，在芯片 IR2130 的管腳中，有一個(gè) ITRIP 管腳，它的作用是：當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)流故障時(shí)，故障信號(hào)將傳送到該管腳 ，從而鎖住 IR2130，使IR2130 輸出的六個(gè)脈沖信號(hào)均為低電平，這樣就會(huì)關(guān)閉六個(gè)功率元件。 在該模塊中，我們選擇 IRC 生產(chǎn)的 IR2130 六路集成芯片來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和保護(hù)。 本章，將以 單片機(jī) PIC16F877A 芯片為核心 ，簡(jiǎn)要構(gòu)造一個(gè)PMBDCM的控制系統(tǒng)。 機(jī)械特性 硬；負(fù)載條件允許時(shí)，可在所有速度下運(yùn)行 中等硬；高速運(yùn)行時(shí)，電刷摩擦增加，有用力矩減小。 表 22 無(wú)刷和有刷直流電機(jī)的比較 比較項(xiàng)目 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 有刷直流電動(dòng)機(jī) 換向方式 借助轉(zhuǎn)子位置傳感器 實(shí)現(xiàn)電子換向 通過(guò)電刷和換向器進(jìn)行機(jī)械換向 控制要求 必須有控制器，用來(lái)維 持 電動(dòng)機(jī) 運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以用 做變速控制。由此可見(jiàn)，定子合成磁場(chǎng)在空間中是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其躍遷跟隨每 600 電角度 步進(jìn)。此時(shí)又有電流流通路徑：電流正極→功率管 V1→ A 相繞組→ C 相繞組→功率管 V2→電源負(fù)極。 現(xiàn)在，我們以常見(jiàn)的兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài) PMBDCM 系統(tǒng)為例，來(lái)解釋該類電動(dòng)機(jī)的工作原理。 圖 26 有刷直流 電動(dòng)機(jī) 結(jié)構(gòu)圖 圖 27 有刷直流 電動(dòng)機(jī) 工作原理圖 天津科技大學(xué) 2020 級(jí)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 前文中，我們 提到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以電子換向代替了機(jī)械換向，從而使得電動(dòng)機(jī)避免產(chǎn)生換向火花電磁干擾、使用壽命短等一系列問(wèn)題。 換向器：直流電動(dòng)機(jī) 特有元件 ，由 多個(gè)相隔絕緣片的 換向片組成。而有刷直流 電動(dòng)機(jī) 的組成部分是定子、轉(zhuǎn)子和換向器三部分（圖 26）。 逆變器（ 電子開(kāi)關(guān)線路 ） PMBDCM 逆變器 是用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子各相繞組 的導(dǎo)通順序 和 導(dǎo)通 時(shí)間，其結(jié)構(gòu) 主要由功率邏輯開(kāi)關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)處理單元兩個(gè)部分組成。 雖然位置傳感器的研究已經(jīng)趨于成熟，但是近年來(lái)，一種無(wú)位置傳感器的PMBDCM 發(fā)展更為迅速。 即 通過(guò) 將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后去控制定子繞組換向。除了上述基本結(jié)構(gòu)形式外，還有一種外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式主要用于電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng) 。 天津科技大學(xué) 2020 級(jí)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 22PMBDCM 基本結(jié)構(gòu) 電動(dòng)機(jī)本體 PMBDCM 電機(jī) 結(jié)構(gòu)與永磁同步 電動(dòng)機(jī) 頗為相似 ， 電機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)子和定子；定子繞組采用交流繞組形式，基本 為多相繞組（三相、四相、五相 等）；轉(zhuǎn)子上裝配永磁體， 常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式有三種（ 圖 23） 。其主要結(jié)構(gòu)有電動(dòng)機(jī) M（ 三相兩極 ）、位置傳感器和 逆變器 三部分組成。當(dāng)然， PMBDCM 的應(yīng)用不僅僅限于這些，其良好的發(fā)展前景和優(yōu)越的性能決定PMBDCM會(huì)在以后有更多、更全面的應(yīng)用。該類PMBDCM 尺寸小、加工精度高，屬于技術(shù)密集型，需求量巨大， 且 目前 其主要來(lái)源于 各 發(fā)達(dá)國(guó)家 。 在精密電子設(shè)備和器械中的應(yīng)用 骨科醫(yī)療器械 ：根據(jù)各種 手術(shù)的需要，要求 電動(dòng)機(jī)的 動(dòng)力系統(tǒng)能在較寬的范圍 內(nèi) 連續(xù)變速，以適應(yīng)銑縫、鉆孔、鋸等 技術(shù) 的要求。 變頻空調(diào)的興起使 PMBDCM 在空調(diào)驅(qū)動(dòng)中的 采用率 正逐步提高。當(dāng)今國(guó)際上的車輛驅(qū)動(dòng)使用的方案，基本上是采用取消齒輪、直接驅(qū)動(dòng)的外轉(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)（如圖 11），然而 由于 經(jīng)費(fèi) 的因天津科技大學(xué) 2020 級(jí)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 素 ，許多汽車生產(chǎn)廠家會(huì) 選擇 內(nèi)轉(zhuǎn)子式 PMBDCM。 其他 航空航天用 PMBDCM，如高速離心泵和高速攝像槍 等，它們使用到的電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速 能夠 達(dá)到萬(wàn)轉(zhuǎn) /分鐘 ， 因此 需考慮 到 高速旋轉(zhuǎn)時(shí) 對(duì) 電動(dòng)機(jī)機(jī)械、電氣方面的影響以及出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)的解決方案 。 天津科技大學(xué) 2020 級(jí)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 PMBDCM 的最大特點(diǎn)，就是沒(méi)有換 向器和電刷組成的機(jī)械接觸結(jié) 構(gòu) ； 能夠產(chǎn)生熱量的電樞繞組通常安裝在外殼定子上，使其 散熱容易。 現(xiàn)今，使用做多的仍舊是反電動(dòng)勢(shì)控制技術(shù)，其原理是通過(guò)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)的零點(diǎn)來(lái)確定轉(zhuǎn)子磁鋼的精確位置，同時(shí)控制 PMBDCM的換向。我們都知道，無(wú)刷直流 電動(dòng)機(jī) 是在 有刷直流 電動(dòng)機(jī) 的基礎(chǔ)上成長(zhǎng)起來(lái)的 ，而在長(zhǎng)期 的探索和研究中，其主要方向便是尋找有效的技術(shù)或部件將 有刷直流 電動(dòng)機(jī) 中的電刷、 換向器 取而代之。位置傳感器為逆變器提供 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)以 確 定電動(dòng)機(jī)的換相 ，是 電動(dòng)機(jī) 系統(tǒng)的重要組成部分， 但 同時(shí) 位置傳感器 的許多缺點(diǎn)也是無(wú)法避免的 。因此， 高壓低流 應(yīng)該是 未來(lái) PMBDCM的發(fā)展方向 之一； 另一方面， 處理器微型化正在高速發(fā)展， 高速微處理器和 DSP 等 元件 的 產(chǎn)出 ， 極大的簡(jiǎn)化了 PMBDCM 的控制系統(tǒng) ，并顯著提高了 電動(dòng)機(jī) 的性能 [46]。 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的研究 概況 PMBDCM 是一種非常具有代表性的新型機(jī) 電一體化產(chǎn)品， 這種產(chǎn)品由定子、轉(zhuǎn)子、位置傳 感器和電子開(kāi)關(guān)等組成， 它的成長(zhǎng)與材料技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)等 研究 的進(jìn)步密切相關(guān)。 37 致謝 36 參考文獻(xiàn) 26 “反電勢(shì)”法運(yùn)行程序 19 控制系統(tǒng)框圖 19 4. 1 無(wú)位置傳感器 PMBDCM 的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 18 4 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置傳感器控制技術(shù) 17 處理位置傳感器的檢測(cè)信號(hào) 4 論文需要做的工作 1 永 磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) Position sensorless control。 因此， 針對(duì)無(wú)位置傳感器的 PMBDCM，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹 PMBDCM的結(jié)構(gòu)和工作原理，以 TMS320F2812 芯片為核心設(shè)計(jì)了 PMBDCM 的無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)的硬件電路 ，給出了模塊化的軟件設(shè)計(jì)思路；并選擇 硬件起動(dòng)法和“反電動(dòng)勢(shì)”過(guò)零檢測(cè)法 來(lái) 控制電機(jī)運(yùn)行 。 永磁直流微電動(dòng)機(jī)控制技術(shù) Permanent mag DC micromotor control technology 專 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 姓 名： 拓明方 指 導(dǎo) 教 師： 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別： 學(xué) 士 論文提交日期： 2020 年 月 日 學(xué)位授予單位： 天津科技大學(xué) 摘 要 傳統(tǒng) 直流電機(jī) 中 電刷和換向器的存在使得其結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜 ， 而且 換相時(shí)發(fā)生的械接觸嚴(yán)重影響了電機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性， 而且會(huì) 縮短其使用 壽命 ，極大的影響了電機(jī)的應(yīng)用范圍。其中無(wú)位置傳感器的 PMBDCM 更是克服了位置傳感器安裝復(fù)雜、成本較高的缺陷，擁有可靠的工作性能和簡(jiǎn)單的電機(jī)結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)。 and simulate motor model adopt the classic doubleloop control method, the simulation results proved feasibility of the backEMF zerocrossing detection method. Keywords: PMBDCM。2 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 3 在家用電器中 的應(yīng)用 4 在精密電子設(shè)備和器械中的應(yīng)用 6 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 6 電動(dòng)機(jī)本體 7 位置傳感器 7 逆變器（電子開(kāi)關(guān)線路） 12 3 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 PIC16F877A 芯片及控制系統(tǒng)原理圖 26 轉(zhuǎn)子零初始位置起動(dòng)程序 29 5 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)的 仿真 32 雙閉環(huán)調(diào)速系仿真結(jié)果 除此之外 ， PMBDCM高能量、高密度、高轉(zhuǎn)矩慣性比 以及 高效率等 長(zhǎng)處決定了其具 有廣闊的發(fā)展 空間 [2]。相對(duì)來(lái)說(shuō)，電子元器件比較容易做到 高壓低流 ，這不僅 能降低傳輸過(guò)程中的 損耗，而且管壓降占總的 線電壓的比例 也會(huì) 下降，可以有效地 增加電動(dòng)機(jī) 系統(tǒng)的 工作 效率。 現(xiàn)如今，對(duì) PMBDCM 一個(gè)研究熱點(diǎn)是無(wú)位置傳感器控制的研究 。 天津科技大學(xué) 2020 級(jí)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 1831 年，著名的科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，從而 為現(xiàn)代電動(dòng)機(jī) 奠定 了 理論基礎(chǔ) [8]。 上文中提到，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是電動(dòng)機(jī)中非常重要的部分，因此 對(duì) 轉(zhuǎn)子位置的 檢測(cè)方法 提出 了 從轉(zhuǎn)子 、 定子結(jié)構(gòu)上 做改動(dòng) ，如在轉(zhuǎn) 子表面安裝非磁性 元件 ，通過(guò)檢測(cè)該 元件 中 由于產(chǎn)生 渦流而 導(dǎo)致 斷開(kāi)相電壓 轉(zhuǎn)變 來(lái)獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的方法 ； 另有 一種新的檢測(cè)思路 —利用 智能控制理論，這種 檢測(cè)方法 通過(guò)自適應(yīng)技術(shù)、模糊控制或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制來(lái)建立被測(cè)相的電 壓、電流和轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系， 這種 控制方法 雖然省去了精確的 數(shù)學(xué)模型，但是 在應(yīng)用中存在很大困難 ，使得該 方法 仍 在研究起始階段， 且更多的只是仿真 ，實(shí)際應(yīng)用不 常見(jiàn) [10]。 尤其，如果 單片機(jī)或 DSP 處理速度 能夠有保障 ，應(yīng) 加大 各種控制算法的實(shí)用化研究，從而全面推進(jìn) PMBDCM 控制系統(tǒng) 朝著微型化 、數(shù)字化、 綠色化 和高效節(jié)能 等 方向發(fā)展。 在航空航天中的應(yīng)用 航空航天用 PMBDCM 最具代表性的是 機(jī)械臂控制、陀螺儀與舵機(jī)驅(qū)動(dòng)等幾種應(yīng)用 ， 這些應(yīng)用對(duì)高速控制和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力有