【正文】 圖 2 1 無 刷 直 流 電 動 機 的 組 成 原 理 圖 A C ’B A ’C B ’V 1V 2V 3 圖 13 無刷直流電動機的組成原理圖 定子繞組的某一相通電時，該電流與轉子永久磁鐵的磁極產生的磁場相互作用，從而產生轉矩，驅動轉子旋轉；再由位置傳感器將轉子磁極位置信號變換成電信號，去控制電子開關線路，從而使定子各相繞組按一定 順序導通，定子相電流隨轉子位置的變化而按一定的順序換相。而各相繞組的導通順序和時間主要取決于來自轉子位置傳感器的信號。在無刷直流電機 中，借助反映轉子位置的位置傳感器的輸出信號，通過電子 開關電路 路去驅動與電樞繞組聯接的相應的功率開關 器 件，使電樞繞組依次 通 電，從而在主定子上產生跳躍式的旋轉磁場， 驅 動永磁轉子旋轉。 無刷直流電機的電子換向線路 的主要功能 是 通過 一定邏輯處理 過 后 的 位置傳感器的轉子位置信號 去控制電機定子上各相繞組的通電順序和時間， 其 主要由功率開關單元和位置傳感器的信號處理單元兩個部分組成。其電樞繞組通電后產生 感 應磁場。盡管二者構造不同，但它們所起的作用卻是完全相同的，都是為了實現直流電機的換相。據此，電機的運行特性可分為起動特性，工作特性、機械特性和調速特性。 是電樞繞組的平均電阻（Ω）；Δ U是功率晶體管飽和管壓降（ V），對于橋式換相線路為 2Δ U。 由式（ 1－ 1）、式（ 1－ 2）可知： 錯誤 !未找到引用源。m） 。 在轉速變化的情況下，則 錯誤 !未找到引用源。隨著轉子的加速，反電動勢 E 增加，電磁轉矩降低，加速轉矩也減小，最后進入正常工作狀態(tài)。 需要指出的是，無刷直流電機的起動轉矩，除了與起動電流有關外，還與轉子相對與電樞繞組的位置有關。 工作特性 在無刷直流電機中，工作特性主要包活如下幾方面的關系：電樞電流和電機效率與輸出轉矩之間的關系。 02?M ，即沒有轉矩時，電機的效率為零。 機械特性和調速特性 由式 1 1 1 15 可以看出，無刷直流電動機基本公式與一般直流電動機基本公式在形式上完全一樣，差別只是式中各物理量和系數的計算式不同，另外，電源電壓 aU 變成 Ta UU ?? ,因此無刷直流電動機的機械特性和調節(jié)特性形狀應與一般直流電動機相同，如圖 122和圖 14所示。 (110) 當不計 U 的變化和電樞反應的影響時，式 19 等號右邊的第一項是常數，所以電磁轉矩隨轉速的減小而線性增加。 由式 110 可知，在同一轉速下改變電源電壓，可以容易的改變輸出轉矩或在同一負載下改變轉速。但不能通過調節(jié)勵磁調速，因為永磁體的勵磁磁場不可調。它被越來越廣泛的應用在各種功率的直流調速系統中。 電動機電樞繞組兩端的電壓平均值 0U 為： sss UUTtttUtU ???? ?? 12110 0 式中占空比 ? 表示了在一個周期 T里，開關管導通的時間與周期的比值， ?變化范圍為 0~1 之間。目前，數字調速系統主要采用兩種控制方案 :一種采用專用集成電路。 電機控制器是無刷直流電動機正常運行并實現各種調速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：對各種信號進行邏輯綜合，以給驅動電路提供各種控制信號；產生 PWM 調制信號，實現電機的調速；對電機進行速度環(huán)和電流環(huán)調節(jié)，使系統具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能；實現短路、過流、欠壓、堵轉等故障保護功能。隨著微處理器的迅速發(fā)展和推廣， 控制器由模擬式轉換成了數?；旌鲜剑⑦M一步發(fā)展到全數字式，技術的進步使 得許多模擬器件難以實現的功能都可以方便地用軟件實現，使系統的可靠性和智 能化水平大大提高。另一種是以微處理器為控制核心構成硬件系統。 目前，市場上常用的電動自行車無刷直流電機控制器主要采用專用集成電路為主控芯片，像 MOTOLORA 公司研制的專用集成電路 MC33035， 其工作原理是用電子裝置代替電刷控制 電機線圈電流換向，根據電機內的位置傳感器 (霍爾傳感器 )信號，決定換相的順序和時間，從而決定電機的轉向和轉速。 采用單片機為主控芯片，如 MSSl 系列、 AVRxx系列、 PICxx 系列等等，這類芯片響應速度快、功耗低、體積小、價格低廉且組成系統時所需的外圍器件少等特點 [3]。 第三章 無刷直流電機控制器硬件設計 單片機的選擇 目前，市場上有很多 的 無刷電機專用控制芯片， 但 大部分電動自行車生產廠商都采用 Motorola公司的 MC33035無刷電機專用控制芯片，它具有無刷直流電機控制系統所需要的基本功能。 在無刷直流電機的控制中，脈寬調制 PWM ( PulseWidth Modulation)技術 被 廣泛應用，因此所選 的 單片機應 該 具有脈寬調制 PWM模塊 。 ★ 產品 價格因素： 這也是一個很重要的因素，在其它條件相當的情況下，當然選擇價格低的產品，這樣可以提高性價比。 ★ 定時／計數器 ： 多數單片 機提供 2~3 個定時／計數器，有些定時／計數器還具有輸入捕獲、輸出比較和 PWM(脈沖寬度調制 )功能，利用這些模塊不僅可以簡化軟件設計，而且能少占用 CPU 的資源。 ★ 其他方面 ： 在單片機的性能上還有很多要考慮的因素，比如中斷源的數量和優(yōu)先級、工作溫度范圍、有沒有低電壓檢測功能、單片機內部有無時鐘振蕩器、有無上電復位功能等等。 PIC 單片機以其獨特的硬件系統和指令系統的設計，逐漸被廣大工程設計人員接受。指令少， PIC 中低檔系列單片機共有 35 條指令，非常有利于易記憶和掌握 ,指令為單字節(jié)，占用程序存儲器的空間小，而且中檔系列單片機每一條指令為 14 位，前 6位存操作指令，后 8 位存操作數 . 大部分芯片有其兼容的 FLASH程序存儲器的芯片，支持低電壓擦寫 ,擦寫速度快，允許多次擦寫，程序修改方便。 ，每個存儲器 獨立編址 、獨立訪問。 中央處理器 首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內容，解碼后得到數據地址，再到相應的數據存儲器中讀取數據，并進行下一步的操作。主要特點有： 性能特點： ① 由于 指令集 簡化后， 流水線 以及常用指令均可用硬件執(zhí)行； ②采用大量 的 寄存器 ，使大部分指令操作都在 寄存器 之間進行，提高了處理速度； ③ 采用緩存 — 主機 — 外存三級存儲結構，使取數與存數指令分開執(zhí)行，使處理器可以完成盡可能多的工作，且不因從存儲器存取信息而放慢處理速度。PIC16F72單片機指令集系統有 35條指令，均采用單字節(jié)指令，而且除 4條判斷轉移指令發(fā)生間跳外，其余的都是單周期指令，執(zhí)行的速度較高 。 (7)應用平臺界面友好，開發(fā)方便 它的應用平臺界面友好，開發(fā)方便，這不管是對初學者還是后續(xù)的應用開發(fā)，都提供了完善的硬件和軟件支持，包括各檔次的硬件仿真器和編程器。 PIC16F72 單片機的引腳排列 圖 31 PIC16F72 引腳圖 各引腳應用如下： 1： MCLR復位 /燒寫高壓輸入兩用口 2：模擬量輸入口：放大后的電流信號輸入口，單片機將此信號進行AD轉換后經過運算來控制 PWM的輸出，使電流不致過大而燒毀功率管?？梢允褂?AD轉換器判斷，或根據電平高低判斷，平時該腳為高電平，當有剎車信號輸入時，該腳變成低電平，單片機收到該信號后切斷給電機的供電，以減少不必要的損耗。排列的電機。 10：單片機外接振蕩器反饋輸出腳。和 60176。就是相差 60176。 +5V 電壓輸入， 上限是 。該功能在后面詳細講解。在眾多的電樞電壓控制方法中，脈寬調制 (PWM)技術因為需用的大功率可控器件少、線路簡單、調速范圍寬、電流波形系數好、附加損耗小、功率因數高的優(yōu)點，從而得到廣泛應用。 逆變開關管驅動電路設計 逆變開關元件 MOSFET MOSFET 在 1960 年由貝爾實驗室的 D. Kahng 和 Martin Atalla 實驗成功，這種元件的操作原理和雙載子晶體管（ 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。 IR2103 配備有大脈沖電流緩沖級，可將交叉?zhèn)鲗p至最低；同時采用具有下拉功能的施密特觸發(fā)式輸入設計，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開通。引腳 2和引腳 3分別是上橋臂功率管和下橋臂功率管的驅動信號邏輯輸入端，引腳 2 是高電平有效，引腳 3 是低電平有效，他們的輸入信號范圍為 3V~5V，與 TTL 電平和 CMOS 電平兼容。 IR2103 的 3 腳受單片機控制的。但若 IR2103 使用不當，尤其是自舉電容選擇不好，易導致芯片損壞或不能正常工作。 無刷直流電機控制器的硬件設計 無刷直流電機控制器硬件設計思路 本文設計的 無刷直流電機控制器硬件電路 主要 包括直流電源模塊、調速與剎車輸入模塊、功率驅動模塊（即逆變橋驅動電路 ，其主要功能是驅動功率MOSFET 管控制電機電流 ）、功率輸出模塊（即逆變橋電路）、 智能控制模塊（以PIC16F72 單片機為 主控電路，其主要功能是完成電機的起動、換相、調速、制動等控制并實現對電機、電池的保護 ）；以及包活霍爾 位置信號處理電路、電流信號處理電路以及一些外圍保護、輔助電路，其主要功能有完成對信號的采樣、對電路的供電、提供顯示信號、發(fā)出報警信號等功能。它的實現方式為通過輸出電位器的電壓變化來表示此時電機的輸出速度應該做的增減調整，為后面所提及的 PWM 調速原理提供依據。一方面，控制模塊接收來自無刷電機的霍爾傳感器發(fā)送 過來 的位置信號，并經過一系列算法的處理 后 向逆變橋電路輸出換相的波形，使電機能正常運轉；另一方面，控制模塊通過對調速和剎車信號的 采 集來確定電機的預定轉速，同時根據實時采集的霍爾位置信號 來 確定預定速度 和實際速度 之間 的差值。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算， Vo=（ 1+R2/R1）。 其次是 317 穩(wěn)壓塊都有一個最小穩(wěn)定工作電流，一般為 。 LM317 有三個管腳， 第一引腳，為電壓調節(jié)腳； 第二引腳，為電壓輸出腳； 第三引腳，為電壓輸入腳。 典型負載調整率 %。 調整管安全工作區(qū)保護。帶散熱片時，輸出電流可達 1A。 系列和負電壓輸出的 79179。用 78/79 系列三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及 調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。 第二路輸出 +，主要供給 MOSFET 作開通電壓用，其實現電壓轉換的原理是通過 LM317 電壓穩(wěn)壓器 與 R R4 組合輸出電壓， 輸出電壓可用下式計算： Vo=*（ 1+R2/R1） (31)。 第三路輸出 +5V 電壓，由 7805 提供，它一方面要為智能控制系統提供電源電壓，另一方面是作為 AD 轉換的基準電壓值，所以對這路電壓精度的要求比較搞，一般要讓其波動電壓范圍穩(wěn)定在 ~， 7805 芯片能滿足這個要求。 + 487K 5R217K 5R231K 2R24104C382K 2R55V _T EST在右圖中，輸入單片機 A/D 轉換的電壓值為 錯誤 !未找到引用源。 電流檢測信號和處理部分 雙運算放大器 LM358 芯片簡介 LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的 雙運算放大器 ，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用， 而且 也適合用于雙電源工作模式。 LM358 特性 178。 電源電壓范圍寬：單電源 (3— 30V)； 雙電源 (177。 低輸入偏流 178。 輸出電壓擺幅大 (0 至 ) 電流檢測和過流保護電路部分 電 流檢測電路的實現在電流環(huán)的控制電路中，電流放大器通常選擇較大的增益，其好處是可以選擇一個較小的電阻來獲得足夠的檢測電壓，而檢測電阻小損耗也小。電阻 R45 安裝在功率驅動橋的下端與功放板地線之間，這樣通過無刷直流電機的電流最終是要經過電阻 R45 接地的。 =。選擇的放大倍數較小的原因有兩個： 1） LM358 的頻率響應不夠高，而 PWM 波形的頻率是 15KHz，如果放大倍數比較大的話，那么其電流響應將變成梯形波，不利于電流信號的采集； 2） 輸出的電流信號雜波太多，尤其在起動的時候，電流值的波動非常大，如果放大倍數選得太大的話，有可能引起誤判。由于功率開關的導通順序與轉子轉角同步，因而霍爾位置傳感器與功率開關一起，起著與傳統有刷直流電機的機械換向器和電刷相類似的 作用?；魻栁恢脗鞲衅鞯慕Y構如圖 10 所示： 圖 10 霍爾位置傳感器結構示意圖 霍爾 位置傳感器的基本功能是在電動機的每一個電周期內，產生出所要求的開關狀態(tài)數。 霍爾位置傳感器信號處理部分 霍爾位置傳感器信號處理部分的電