【正文】 片是由xxx有限公司提供的，該公司是LS系列芯片的西北代理，該公司經(jīng)理介紹，這款芯片是一款51內(nèi)核的8位單片機，但其性能遠遠超越51單片機，在某種程度上可以和DSP等控制芯片媲美，可以滿足本次設(shè)計的要求，更重要的是它的價格很低，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。為此，國?nèi)外的研究人員進行了大量的研究工作，提出了很多種位置信號檢測方法，大多是利用檢測定子電壓、電流等容易獲取的物理量進行轉(zhuǎn)子位置的估算，其中較為成熟的有: 反電勢過零點檢測法, 反電勢3次諧波積分法, 續(xù)流二極管法等[2]。容量在數(shù)百瓦以下的小容量方波型無刷直流電機常用的霍爾位置傳感器的成本相對于電機本體來說所占比例比較大；(3) 傳感器的輸出信號易受到干擾。缺點：(1) 如反電勢法等轉(zhuǎn)子位置檢測方法在低速時檢測準確度都不高，需要其他方法輔助電機起動；(2) 由于各種濾波、比較電路引起的相位延遲必須在算法中加以補償，所以算法編程難度較大；(3) 由于架構(gòu)了轉(zhuǎn)子位置檢測電路，所以增加了硬件的復雜性。這種方法是利用逆變器產(chǎn)生頻率逐漸增加的三相互差120度的交流電壓，三相交流電加在電機定子繞組上產(chǎn)生三相正弦電流進而在電機部產(chǎn)生內(nèi)圓形旋轉(zhuǎn)磁場，此圓形旋轉(zhuǎn)磁場與電機轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的磁場互相作用帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，最終達到電機的同步運行。圖32（a）電機三相電流波形圖32（b）電機三相電流波形FFT分析如圖33所示為電機三相電壓仿真波形，可以看到，輸出波形和理論分析一致為“品”字波形且三相電壓互差120度。圖35（a）N=33時電機三相電流波形圖35（b）N=33時電機三相電流波形FFT分析如圖36所示為電機三相電壓仿真波形，可以看出，輸出波形相比變得稀疏，波形仍為“品”字波形，相位保持不變。38（a）N=21時三相電流波形38（b）N=21時三相電流波形FFT分析如圖39（a）所示為電機三相電壓仿真波形，可以看出，輸出波形形狀良好，相比變得更為稀疏。實際上仿真中采用的方法是嚴格的自然采樣法，這種方法生成SPWM是最接近理想值得，然而在實際中用單片機發(fā)出SPWM波形是采用規(guī)則采樣法?？傮w框圖如圖41所示：圖41系統(tǒng)總體框圖 電源模塊設(shè)計直流電源采用常用的12v電源模塊，經(jīng)過兩個降壓芯片7815和7805降壓分別得到5v直流給單片機供電，和10v直流給驅(qū)動電路供電，同時12v直流電作為逆變電路的直流側(cè)電壓源。IR2101主要特性包括：懸浮通道電源采用自舉電路；功率器件柵極驅(qū)動電壓范圍10～20驅(qū)動電路模塊電路圖如44所示：圖44 驅(qū)動電路模塊電路圖 PCB板的設(shè)計本次設(shè)計中，在確定了各模塊所采取的實現(xiàn)方法之后，我用Altium Designer 軟件繪制了各模塊的原理圖，之后在西安電氣有限公司的經(jīng)理和同事幫助之下，完成了PCB圖的布線和排版作，以及之后的PCB板的制作都是在該公司的直接幫助下完成的。只要能在定時器1的中斷中實時修改PWM波的占空比和周期，就可以實時計算產(chǎn)生SPWM波。SPWM控制方式是用SPWM的脈沖驅(qū)動逆變電路中的功率開關(guān)器件，使逆變器輸出的PWM脈沖電壓與期望輸出的正弦信號在每一個周期內(nèi)面積相等[7]。 SPWM實現(xiàn)方案對比a. 硬件調(diào)制法硬件調(diào)制法按使用的元器件的不同，有兩種不同的實現(xiàn)方法。其二，可以使用集成芯片，如HEF4752芯片。b. 軟件生成法SPWM控制方式的逆變器中，控制器可以用邊查表邊作簡單計算的方式生產(chǎn)SPWM。軟件生成法有兩種基本算法：即自然采樣法和規(guī)則采樣(1) 自然采樣法自然采樣法是以載波三角波和調(diào)制波正弦波的自然交點控制MOS管的開通關(guān)斷。當然，自然采樣法輸出的正弦波也實際正弦波更接近。在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣而得到D點，過D點作一水平直線和三角波分別交于A點和B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制功率開關(guān)器件的通斷。其二，雖然LS052AX能夠處理浮點數(shù)據(jù)，但由于微機處理浮點時的耗時較長，實時性不夠，所以將算出來的數(shù)據(jù)縮小十倍，在實時計算的公式中擴大十倍，只讓單片機去計算整形數(shù)據(jù)，節(jié)約微機的處理時間，提高實時性。圖52 單極性SPWM調(diào)制示意圖如圖53所示，載波三角波和調(diào)制信號正弦波在雙極性調(diào)制方式中極性不同，在一個周期內(nèi)極具有正負極性變化的信號。其二，雖然雙極性調(diào)制需要加入死區(qū)來防止同一橋臂的上下MOS管的誤導通，但結(jié)合LS052AX控制器的全比較單元互補輸出PWM功能，能方便的實現(xiàn)雙極性調(diào)制方式。在低頻段時，同步調(diào)制方式由于載波比不變，其載波頻率會下降，會產(chǎn)生高次諧波。異步調(diào)制方式在調(diào)制頻率較低時，半周期內(nèi)脈沖個數(shù)會發(fā)生變化，因而有利于改善低頻時的輸出電壓波形，且減少了電機上的轉(zhuǎn)矩脈動。這種方式是同步調(diào)制的一種靈活應用，優(yōu)點是既保留了同步調(diào)制在高頻段的優(yōu)點，又保留了異步調(diào)制在低頻段的優(yōu)點。決定采用分段同步調(diào)制后，還有一個重要問題就是確定載波比N的確定。當載波比太低時，在調(diào)制頻率較低時，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)較少，會引起轉(zhuǎn)矩脈動等問題。 主程序設(shè)計LS052AX微控制器為系統(tǒng)的控制芯片，其軟件部分的主流程圖如圖56所示。(a) 第0道主程序 (b) 第2道程序圖56 主程序流程圖 全比較單元模塊配置 通用定時器T1的配置定時器T1為全比較單元提供計時基準，所以定時器必須準確配置。b. 定時器中斷設(shè)置定時器中斷使能,包括通用定時器1的：上溢中斷、下溢中斷、比較中斷，周期中斷，本次設(shè)計應該開定時器T1下溢中斷；因為選擇了增減計數(shù)模式，第1周期由0遞增到周期值、第2周期由周期值遞減到0，2個周期為一個應用周期，一個應用周期結(jié)束后變更周期值和比較值，如此，應選擇下溢中斷。 中斷模塊設(shè)計中斷模塊的主要作用是在定時器的周期中斷中準備好下一開關(guān)周期的數(shù)據(jù)并在下一次中斷中修改比較值和周期值。在本次設(shè)計調(diào)試的時候，仍然是按照這樣的原則進行的。 軟件調(diào)試軟件程序編寫是系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容，然而程序編寫完后的軟件調(diào)試也是耗時相當多的一個步驟。如圖61為程序的編譯結(jié)果，可見程序編譯無錯。電機轉(zhuǎn)速滿足如下關(guān)系式： （61）其中極對數(shù)P=4，電源頻率在3200HZ之間變化，可以看出電機啟動之后最高速度可達3000轉(zhuǎn)/分。圖62 電機同步運行狀態(tài) 相關(guān)測試波形a. 逆變電路的輸出電壓波形因為電機的中性點沒有引出來，無法直接測量，所以逆變電路輸出電壓波形是用電阻負載測出的。圖67（a）低頻時N=63單片機發(fā)出波形圖67（b）低頻時N=63 SPWM仿真波形從實際波形和仿真波形可以看出，兩者是有差別的，這是由于仿真是理想的，而實際波形不可能是這樣的，但是大致形狀是一樣的，都可以看出這時候開關(guān)頻率比較高。圖69（a）高頻時單片機發(fā)出SPWM波形圖69（b）高頻時單片機發(fā)出SPWM波形仿真從波形中可以看出，此時開關(guān)頻率明顯降低，這很好的解決了單片機的運算速度問題，實現(xiàn)了較好的實時性，但是這是以犧牲精度為代價的，因為在高頻時，載波比降到了N=21，一個正弦波周期內(nèi)的脈沖個數(shù)減少，這必然會產(chǎn)生相比高載波比更多的諧波，不過該載波比在實際使用過程中仍然是可以接受的。并且，從反電動勢也可以看到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信息，所以本次設(shè)計的后期展望工作就是利用AD采樣對反電動勢波形進行采樣進而得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速做閉環(huán)控制以做到更為精確的控制。(2) 輸出頻率：輸出頻率最低1Hz，最高頻200Hz，步長1Hz。輸出電壓由中間直流環(huán)節(jié)的電壓決定。(1) 本次設(shè)計只做了電機的開環(huán)啟動，由于時間原因，并沒有做成調(diào)速功能，這也是最初設(shè)計PCB板的時候所沒考慮到的，PCB板上沒有加按鍵，若時間充裕，通過按鍵來控制電機起停和加減速肯定是可以做好的。(4) 本次設(shè)計測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電機運行會產(chǎn)生一定熱量，長時間運行下去，肯定對電機本身不利甚至損壞電機。在后期的論文定稿中，吳老師給我提出了許多中肯的意見，他一絲不茍的工作作風讓我受益良多。 //測量時間基準 約170us if(Fr=80) { //計算全比較單元的比較值 tmp1_cmph=(uint)(500/Fr*tmpA50_cmp[point])8。 tmp2_cmph=(uint)(1000/Fr*tmpB100_cmp[point])8。 tmp3_cmph=(uint)(2000/Fr*tmpC200_cmp[point])8。 //置同步標志 1 為 1 另：這句包含自動翻頁和自動恢復頁碼 } }/**********************************************************************三道并發(fā)程序之第二道程序功能：并行計算全比較單元比較值的低位 以縮短比較值得計算時間，獲得較好 的實時性 **********************************************************************/ void LP2_main(void) // 第 2 道程序的入口函數(shù){ while(1) { if(Fr=80) { //計算全比較單元的比較值 tmp1_cmpl=(uint)(500/Fr*tmpA50_cmp[point])amp。 tmp3_cmpl=(uint)(500/Fr*tmpC50_cmp[point])amp。 tmp2_cmpl=(uint)(1000/Fr*tmpB100_cmp[point])amp。 } else if(Fr=300) { //計算全比較單元的比較值 tmp1_cmpl=(uint)(2000/Fr*tmpA200_cmp[point])amp。 tmp3_cmpl=(uint)(2000/Fr*tmpC200_cmp[point])am