【正文】 2．逆變器 目前，無刷直流電動機的逆變器主開關一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主電路已有集成的功率模塊（PIC）和智能功率模塊（IPM），選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。所以無刷直流電動機的電機本體實際上是一種永磁同步電機。隨著無刷直流電動機應用范圍的擴大，智能控制技術將受到更廣泛的重視。（2）智能控制。但現(xiàn)有方法都存在各自的局限性，仍在不斷完善之中。在很多應用場合，例如空調器和計算機外設都要求無刷直流電動機以無轉子位置傳感器方式運行。由于稀土永磁材料的矯頑力高、剩磁大，可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，這樣可以大大縮小轉子半徑，減小轉子的轉動慣量，因而在要求有良好的靜態(tài)特性和高動態(tài)響應的伺服驅動系統(tǒng)中，如數(shù)控機床、機器人等應用中，無刷直流電機比交流伺服電機和直流伺服電機顯示了更多的優(yōu)越性。 無刷直流電動機的應用與研究動向現(xiàn)階段，雖然各種交流電動機和直流電動機在傳動應用中占主導地位，但無刷直流電動機正受到普遍的關注。圖14 調節(jié)特性調節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為： （12） （13）從機械特性和調節(jié)特性可以看出，無刷直流電動機與一般直流電動機一樣，具有良好的調速控制性能，可以通過調節(jié)電源電壓實現(xiàn)無級調速。 圖12 無刷電動機位置檢測及開關管驅動信號表12 無刷電動機直流通電控制方式開關切換表旋轉方向位置傳感器逆變橋開關管驅動信號ABCT1T2T3T4T5T6正轉001000011010001100011000110100110000101100001110011000反轉001011000010100001011110000100000110101001100110000011 無刷直流電動機的運行特性 機械特性無刷直流電動機的機械特性為： （11）UT開關器件的管壓降Ia電樞電流Ce電機的電動勢常數(shù)每級磁通量可見無刷直流電動機的機械特性與一般直流電動機的機械特性表達式相同，機械特性較硬。理論上，只要保證三個位置傳感器在空間上互差120度，開關管的換流時刻總是可以推算出來的?？梢姡姍C有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導通，每相繞組的導通時間對應于轉子旋轉120電角度。此時定轉子磁場相互作用，使電機的轉子繼續(xù)順時針轉動。因為永磁體設置在轉子上，改善了動態(tài)響應轉自慣量高，限制了動態(tài)特性速度范圍比較高。 無刷直流永磁電動機與有刷直流永磁電動機的比較表11 無刷直流永磁電動機與有刷直流永磁電動機的比較項目無刷直流電動機有刷直流電動機換向借助轉自子位置傳感器實現(xiàn)電子換向由電刷和換向器進行機械換向維護由于沒有電刷和換向器，很少需要維護需要周期性維護壽命比較長比較短機械（速度/力矩）特性平（硬）在負載條件下能在所有速度上運行中等平（中等硬）。1986年，指出了無刷直流電動機的研究領域，成為無刷直流電動機的經(jīng)典文獻，標志著無刷直流電動機在理論上走向成熟。，標志著現(xiàn)代無刷直流電動機的誕生。有刷直流電動機從19世紀40年代出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉矩控制特性，在相當長的一段時間內一直在運動控制領域占據(jù)主導地位。自20世紀90年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機器人等設備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機必須具有精度高、速度快、效率高等特點，無刷直流電機的應用也因此而迅速增長?，F(xiàn)階段，雖然各種交流電動機和直流電動機在傳動應用中占主導地位，但無刷直流電動機正受到普遍的關注。s living standards improve and modernize production, the development of office automation, household appliances, industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency, small size and high intelligence, as the implementation of ponents An important ponent of the motor must have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application is also growing rapidly.This design is the brushless DC motor as the electric bicycle motordriven control system, PIC16F72 microcontroller for control circuit, SCM collection and parisonlevel electrical signal Hall feedback, software programming through brushless DC motor control .Key words bldcm the single chip processor hall position sensor摘 要 IAbstract II第1章 概 述 1 無刷直流電動機的發(fā)展概況 1 無刷直流永磁電動機與有刷直流永磁電動機的比較 2 無刷直流電動機的結構及基本工作原理 3 無刷直流電動機的運行特性 6 機械特性 6 調節(jié)特性 6 工作特性 7 無刷直流電動機的應用與研究動向 8第2章 無刷直流電動機控制系統(tǒng)設計方案 10 無刷直流電動機系統(tǒng)的組成 10 無刷直流電動機控制系統(tǒng)設計方案 12 設計方案比較 12 無刷直流電動機控制系統(tǒng)組成框圖 13第3章 無刷直流電動機硬件設計 15 逆變主電路設計 15 功率開關主電路圖 15 逆變開關元件選擇和計算 15 逆變開關管驅動電路設計 17 IR2110功能介紹 17 自舉電路原理 19 單片機的選擇 20 PIC單片機特點 20 PIC16F72單片機管腳排列及功能定義 22 PIC16F72單片機的功能特性 22 PWM信號在PIC單片機中的處理 23 時鐘電路 23 復位電路 24 人機接口電路 24 轉把和剎車 24 顯示電路 25 門陣列可編程器件GAL16V8 27 GAL16V8圖及引腳功能 27 傳感器選擇 28 周邊保護電路 30 電流采樣及過電流保護 30 LM358雙運放大電路 31 欠電壓保護 32 電源電路 32第4章 無刷直流電動機軟件設計 33 直流無刷電機控制器程序的設計概況 33 系統(tǒng)各部分功能在軟件中的實現(xiàn) 33 軟件流程圖 34結束語 36致謝 37參考文獻 38附錄1 39附錄2 51 第1章 概 述 無刷直流電動機的發(fā)展概況無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展起來的，這一淵源關系從其名稱中就可以看出來。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流電動機的機械電刷，從而誕生了無刷直流電機的基本思想。隨著人們對無刷直流電動機特性了解的日益深入，無刷直流電動機的理論也逐漸得到了完善。經(jīng)過多年的努力，目前，國內已有無刷直流電動機的系列 產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。電樞產(chǎn)生的熱量消散在氣隙內，這樣增加了氣隙溫度，從而限制了輸出功率/外形尺寸之比轉自慣量低。當轉子在空間轉過60電角度，到達圖b所示位置時，轉子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅動逆變器，使TT2導通，A、C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負極。轉子在空間每轉過60電角度，定子繞組就進行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。其他時間段的開關管導通情況與此類似。本設計選用的是三相無刷永磁直流電動機，其額定電壓UH=36V,電樞額定電流IaH=,電樞峰值電流IaP15A,額定轉速nH=350r/min,額定功率PH=250W。 調節(jié)特性無刷直流電動機的調節(jié)特性如圖14所示。圖15 工作特性在輸出額定轉矩時,電機效率高、損耗低是無刷直流電動機的重要特點之一。無刷直流電機轉子采用永久磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用于恒轉矩運行；對于恒功率運行，無刷直流電機雖然不能直接改變磁通實現(xiàn)弱磁控制，但通過控制方法的改進也可以獲得弱磁控制的效果。轉子位置傳感器是整個驅動系統(tǒng)中最為脆弱的部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時還需要占據(jù)一定的空間位置。3 續(xù)流二極管電流通路檢測法。減小轉矩脈動是提高無刷直流電動機性能的重要方面。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟經(jīng)驗和規(guī)則有機地融入到傳動控制策略當中，現(xiàn)已成功地應用到許多方面。原直流電動機的電刷和機械換向器被逆變器和轉子位置檢測器所代替。繞組可以接成星形或三角形，并分別與逆變器中的各開關管相連，三相無刷直流電動機最為常見。綜合以下三個指標有助于我們做出正確的選擇：（1）繞組利用率。（2）轉矩脈動。相數(shù)越多，逆變器電路使用的開關管越多，成本越高。位置檢測包括有位置傳感器和無位置傳感器檢測兩種方式。但是位置傳感器的存在增加了系統(tǒng)的成本和體積，降低了系統(tǒng)可靠性，限制了無刷直流電動機的應用范圍，對電機的制造工藝也帶來了不利的影響。（2）產(chǎn)生PWM調制信號，使電機的電壓隨給定速度信號而自動變化，實現(xiàn)電機開環(huán)調速。在電機轉速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調速系統(tǒng)已取代模擬調速系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應用范圍廣，且靈活方便?？刂破魇请妱幼孕熊嚨尿寗酉到y(tǒng)，它是電動自行車的大腦。 本設計采用單片機作為主控芯片，用編程的方法來模擬無刷電機的控制邏輯，其特點是使用靈活，通過修改程序可適應不同規(guī)格的無刷電機，增加系統(tǒng)功能方便，通常將此類控制器稱為數(shù)字式控制器。在有位置傳感器的控制方法中，現(xiàn)今，由于霍爾傳感器性價比高，安裝方便，被廣泛應用作為無刷直流電機的位置傳感器。微控制器的另一個重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉速等反饋模擬信號，以及隨機發(fā)出的制動信號，經(jīng)過AD變換和必要的運算后，借助內置的時鐘信號產(chǎn)生一個帶有上述各種信息的脈寬調制信號。（4）周邊輔助、保護電路主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過電流保護電路、調速信號和制動信號等輸入電路。 逆變開關元件選擇和計算MOSFET在1960年由貝爾實驗室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla首次實驗成功，這種元件的操作原理和1947年蕭克萊（William Shockley）等人發(fā)明的雙載子晶體管（Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因為制造成本低廉與使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢，在大型積體電路（LargeScale Integrated Circuits, LSI）或是超大型積體電路（Very LargeScale Integrated Circuits, VLSI）的領域里，重要性遠超過BJT。GTR耐壓高，電流大，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低開關速度低，為電流驅動，所需驅動功率大，驅動電路復雜，存在二次擊穿問題，通過計算可得I=，額定電壓UH=36V，峰值電壓應有一個百分之40的余量所以 UM=UH*=36*=通過以上計算，可得出選擇的MOSFET峰值電流為25A,峰值電壓為50V。采用CMOS 施密特觸發(fā)輸入,以提高電路抗干擾能力。 表32 　IR2110 工作參數(shù)參數(shù)最小值/ V最大值/ VVBVS + 10VS + 20VS 4500HOVSVBVCC1020LO0VCCVDDVCC + 4. 5VCC + 20VSS 5+ 5HIN ,SD ,LINVSSVDD(3)IR2110內部功能如圖32所示：圖32 IR2110內部框圖LO （引腳1） :低端輸出COM（引腳2） :公共端Vcc（引腳3） :低端固定電源電壓Nc （引腳4） :空端Vs （引腳5） :高端浮置電源偏移電壓VB (引腳6) :高端浮置電源電壓HO （引腳7） :高端輸出Nc （引腳8） :空端VDD（引腳9） :邏輯電源電壓HIN（引腳10）:邏輯高端輸入SD （引腳11）:關斷LIN（引腳12）:邏輯低端輸入Vss（引腳13）