【正文】 2．逆變器 目前，無刷直流電動(dòng)機(jī)的逆變器主開關(guān)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(dòng)機(jī)的電機(jī)本體實(shí)際上是一種永磁同步電機(jī)。隨著無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，智能控制技術(shù)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(yīng)用場合，例如空調(diào)器和計(jì)算機(jī)外設(shè)都要求無刷直流電動(dòng)機(jī)以無轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運(yùn)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(zhuǎn)子半徑，減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因而在要求有良好的靜態(tài)特性和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等應(yīng)用中，無刷直流電機(jī)比交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)顯示了更多的優(yōu)越性。 無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)向現(xiàn)階段，雖然各種交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動(dòng)機(jī)正受到普遍的關(guān)注。圖14 調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為： （12） （13）從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無刷直流電動(dòng)機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。 圖12 無刷電動(dòng)機(jī)位置檢測及開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)表12 無刷電動(dòng)機(jī)直流通電控制方式開關(guān)切換表旋轉(zhuǎn)方向位置傳感器逆變橋開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)ABCT1T2T3T4T5T6正轉(zhuǎn)001000011010001100011000110100110000101100001110011000反轉(zhuǎn)001011000010100001011110000100000110101001100110000011 無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 機(jī)械特性無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為： （11）UT開關(guān)器件的管壓降Ia電樞電流Ce電機(jī)的電動(dòng)勢常數(shù)每級(jí)磁通量可見無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。理論上，只要保證三個(gè)位置傳感器在空間上互差120度，開關(guān)管的換流時(shí)刻總是可以推算出來的?？梢?，電機(jī)有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)橛来朋w設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)自慣量高，限制了動(dòng)態(tài)特性速度范圍比較高。 無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較表11 無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較項(xiàng)目無刷直流電動(dòng)機(jī)有刷直流電動(dòng)機(jī)換向借助轉(zhuǎn)自子位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換向由電刷和換向器進(jìn)行機(jī)械換向維護(hù)由于沒有電刷和換向器，很少需要維護(hù)需要周期性維護(hù)壽命比較長比較短機(jī)械（速度/力矩）特性平（硬）在負(fù)載條件下能在所有速度上運(yùn)行中等平（中等硬）。1986年，指出了無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究領(lǐng)域，成為無刷直流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)典文獻(xiàn)，標(biāo)志著無刷直流電動(dòng)機(jī)在理論上走向成熟。，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷直流電動(dòng)機(jī)的誕生。有刷直流電動(dòng)機(jī)從19世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)一直在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。自20世紀(jì)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(dòng)化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)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(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長?，F(xiàn)階段，雖然各種交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動(dòng)機(jī)正受到普遍的關(guān)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(dòng)機(jī)的發(fā)展概況 1 無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較 2 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理 3 無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 6 機(jī)械特性 6 調(diào)節(jié)特性 6 工作特性 7 無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)向 8第2章 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 10 無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成 10 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 12 設(shè)計(jì)方案比較 12 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 13第3章 無刷直流電動(dòng)機(jī)硬件設(shè)計(jì) 15 逆變主電路設(shè)計(jì) 15 功率開關(guān)主電路圖 15 逆變開關(guān)元件選擇和計(jì)算 15 逆變開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 17 IR2110功能介紹 17 自舉電路原理 19 單片機(jī)的選擇 20 PIC單片機(jī)特點(diǎn) 20 PIC16F72單片機(jī)管腳排列及功能定義 22 PIC16F72單片機(jī)的功能特性 22 PWM信號(hào)在PIC單片機(jī)中的處理 23 時(shí)鐘電路 23 復(fù)位電路 24 人機(jī)接口電路 24 轉(zhuǎn)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(hù)電路 30 電流采樣及過電流保護(hù) 30 LM358雙運(yùn)放大電路 31 欠電壓保護(hù) 32 電源電路 32第4章 無刷直流電動(dòng)機(jī)軟件設(shè)計(jì) 33 直流無刷電機(jī)控制器程序的設(shè)計(jì)概況 33 系統(tǒng)各部分功能在軟件中的實(shí)現(xiàn) 33 軟件流程圖 34結(jié)束語 36致謝 37參考文獻(xiàn) 38附錄1 39附錄2 51 第1章 概 述 無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況無刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，這一淵源關(guān)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(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無刷直流電機(jī)的基本思想。隨著人們對無刷直流電動(dòng)機(jī)特性了解的日益深入，無刷直流電動(dòng)機(jī)的理論也逐漸得到了完善。經(jīng)過多年的努力，目前，國內(nèi)已有無刷直流電動(dòng)機(jī)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(nèi)，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(zhuǎn)自慣量低。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過60電角度，到達(dá)圖b所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使TT2導(dǎo)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(fù)極。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，定子繞組就進(jìn)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(shí)間段的開關(guān)管導(dǎo)通情況與此類似。本設(shè)計(jì)選用的是三相無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)，其額定電壓UH=36V,電樞額定電流IaH=,電樞峰值電流IaP15A,額定轉(zhuǎn)速nH=350r/min,額定功率PH=250W。 調(diào)節(jié)特性無刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖14所示。圖15 工作特性在輸出額定轉(zhuǎn)矩時(shí),電機(jī)效率高、損耗低是無刷直流電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)之一。無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩運(yùn)行；對于恒功率運(yùn)行，無刷直流電機(jī)雖然不能直接改變磁通實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但通過控制方法的改進(jìn)也可以獲得弱磁控制的效果。轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為脆弱的部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)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(zhuǎn)矩脈動(dòng)是提高無刷直流電動(dòng)機(jī)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(yàn)和規(guī)則有機(jī)地融入到傳動(dòng)控制策略當(dāng)中，現(xiàn)已成功地應(yīng)用到許多方面。原直流電動(dòng)機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)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(guān)管相連，三相無刷直流電動(dòng)機(jī)最為常見。綜合以下三個(gè)指標(biāo)有助于我們做出正確的選擇：（1）繞組利用率。（2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。相數(shù)越多，逆變器電路使用的開關(guān)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(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍，對電機(jī)的制造工藝也帶來了不利的影響。（2）產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便?？刂破魇请妱?dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是電動(dòng)自行車的大腦。 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為主控芯片，用編程的方法來模擬無刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)是使用靈活，通過修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無刷電機(jī)，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(jià)比高，安裝方便，被廣泛應(yīng)用作為無刷直流電機(jī)的位置傳感器。微控制器的另一個(gè)重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號(hào)，以及隨機(jī)發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過AD變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號(hào)。（4）周邊輔助、保護(hù)電路主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過電流保護(hù)電路、調(diào)速信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)等輸入電路。 逆變開關(guān)元件選擇和計(jì)算MOSFET在1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla首次實(shí)驗(yàn)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?yàn)橹圃斐杀镜土c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(lǐng)域里，重要性遠(yuǎn)超過BJT。GTR耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問題，通過計(jì)算可得I=，額定電壓UH=36V，峰值電壓應(yīng)有一個(gè)百分之40的余量所以 UM=UH*=36*=通過以上計(jì)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(nèi)部功能如圖32所示：圖32 IR2110內(nèi)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(guān)斷LIN（引腳12）:邏輯低端輸入Vss（引腳13）