【正文】 樣的棘手問題，會(huì)直接影響他的性能和調(diào)速的精度。直流無刷電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在：調(diào)速方便 (可無級調(diào)速 )，調(diào)速范圍寬，低速性能好 (起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小 )，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應(yīng)用場合從工業(yè)到民用極其廣泛。 在人們對無刷直流電機(jī)不斷的了解基礎(chǔ)上，無刷直流電機(jī)的理論也逐步進(jìn)行了完善與改進(jìn)。經(jīng) 過多年 的不懈努力，目前，我們國內(nèi)已研制出無刷直流電動(dòng)機(jī)的一系列的產(chǎn)品 。 現(xiàn)階段，直流無刷電機(jī)的研究主要在以下方面進(jìn)行介紹： (1) 無機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制 作為整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為脆弱的部件 轉(zhuǎn)子位置傳感器，不僅在成本和復(fù)雜性為系統(tǒng)增加的負(fù)擔(dān)，而且系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性也受到了下降，與此同時(shí)還要占據(jù)一定的空間位置等等。目前的這些方法里面都或多或少的存在這各自的缺陷，不過依然在完整中； 2 反電動(dòng)勢法 ——具體包括了直接反電動(dòng)勢法、間接反電動(dòng)勢法和派生反電動(dòng)勢積分法等等； 3 定子三次諧波檢測法； (2) 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制 由于無刷直流電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等固有缺陷，尤其是在伴隨著轉(zhuǎn)速的升高，或者換向的時(shí)候，轉(zhuǎn)動(dòng)脈動(dòng)會(huì)產(chǎn)生加劇的現(xiàn)象，以至于導(dǎo)師 平均轉(zhuǎn)矩明顯下降。所謂的模糊控制，就是將一些成熟經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則有機(jī)地融入到所研究的傳動(dòng)控制策略當(dāng)中去，目前，已經(jīng)有很多方面得到了非常成功的應(yīng)用。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，也就沒 有了勵(lì)磁損耗，又由于主磁場是恒定的，因此鐵損也是極小的 (在方波電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞磁勢的軸線是脈動(dòng)的，會(huì)在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)產(chǎn)生一定的鐵損，和方波電流驅(qū)動(dòng)相比，采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)鐵損更小 )。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在功率不大于 10KW且連續(xù)運(yùn)行的情況下，為了減少體積，節(jié)省材料，提高效率和降低能耗，越來越多的電機(jī)正被直流無刷電機(jī)逐步取代，這類應(yīng)用有：自動(dòng)門、電梯、水泵、風(fēng)機(jī)等。這在包裝機(jī)械、食品機(jī)械、印刷機(jī)械、物料輸送機(jī)械、紡織機(jī)械和交通車輛中有大量應(yīng)用。在實(shí)際情況下，伺服電動(dòng)機(jī)擁有這各式各樣的控制形式如：電流控制、轉(zhuǎn)矩控制、位置控制和速度控制等等。 文章結(jié)構(gòu) 本文的大致結(jié)構(gòu)如下： 第一章：主要介紹了直流無刷電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，國內(nèi)外發(fā)展水平和研究情況；直流無刷電機(jī)的主要研究方向，直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)。 第五章：對全文進(jìn)行了總結(jié)以及未來發(fā)展展望。在定子形成旋轉(zhuǎn)磁場以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在滿足足夠磁通要求下，電樞繞組通過某一恒定 電流產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。整矩集中繞組在同一個(gè)槽內(nèi)分布每相繞組，其反電動(dòng)勢波形為各個(gè)導(dǎo)體的反電動(dòng)勢的疊加，具有為較好的梯形反電動(dòng)勢波形；短矩繞組優(yōu)點(diǎn)是可以縮短繞組端接線，節(jié)約材料成本。另外，與傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的差別是無刷直流電機(jī)的電樞繞組處于定子側(cè)，這將改善無刷直流電機(jī)的散熱性能。 目前直流無刷電機(jī)的位置傳感器主要包括電磁式、光電式、磁敏式等幾個(gè)種類。在永磁直流無刷電機(jī)中，電樞繞組安放于定子鐵心中，是電磁感應(yīng)的關(guān)鍵部件之一。位置傳感器裝設(shè)在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，通過檢測磁極位置來確定定子繞組是否導(dǎo)通，產(chǎn)生不斷續(xù)且穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電樞電流流通方向?yàn)槔@組A 流入→繞組 B→繞組 X 流出。 當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過 600 電角度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)后，定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)空間位置如圖 23(b)所示，此時(shí) A、 C 兩相導(dǎo)通。 綜上所述得知，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置每發(fā)生變化，都伴隨驅(qū)動(dòng)控制電路檢測和輸出位置信號(hào)，再經(jīng)過譯碼電路翻譯后產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào) ，以改變定子繞組的導(dǎo)通狀態(tài)，讓轉(zhuǎn)子按原來方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖22 所示的三相六狀態(tài)無刷直流電動(dòng)機(jī)，假設(shè)要使電機(jī)順時(shí) 針旋轉(zhuǎn)，可通過轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測和接受轉(zhuǎn)子位置，然后根據(jù)表 21 所示的各開關(guān)管導(dǎo)通順序，進(jìn)行相應(yīng)導(dǎo)通和關(guān)斷操作。定子磁動(dòng)勢為跳躍式旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，使定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢之間的空間夾角周期性變化，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和對硬件資源的合理整合，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)硬件框圖如圖 31 所示。 微控制器 AT89C51 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲(chǔ)器 （ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位 單片機(jī) 處理器 。這種單片機(jī) 應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域 [1]。掉電方式保存 RAM中的內(nèi)同，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導(dǎo)下一個(gè)硬件復(fù)位。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動(dòng)機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無刷直流電動(dòng)機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一。 N溝道增強(qiáng)型 MOSFET的 結(jié)構(gòu) 圖 如 圖 34所示， MOSFET底部為 一塊 P型硅半導(dǎo)體材料 (圖 34① a)， 第二層設(shè)置了 兩個(gè) N型區(qū) (圖 34① b)， 第三 層 擴(kuò)散了 二氧化硅絕緣層 (圖 34① c)， 由 N區(qū)上方 采 用 一定 的方法 引出 兩個(gè)孔， 然后 用 一定 的方法分別在絕緣層上及兩個(gè)孔內(nèi) 引出了 三個(gè)電極： G(柵極 )、 S(源極 )和 D(漏極 )， 最后做成 如 (圖 34① d)所示 的樣子 。 根據(jù) MOSFET 結(jié)構(gòu)及工作特性，本系統(tǒng)選擇的開關(guān)器件為功率 MOSFET， 全橋逆變電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用 三相橋式全控逆變電路 ，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 31 所示，在電路圖設(shè)計(jì)中，六個(gè)功率開關(guān)器件選用國際整流公司的 IRF3205 型功率 MOSFET,如圖 35a)所示。 QB QB QB5 三個(gè) IRF3205 作為上 橋 臂，另外 QB QB QB6 為下臂。 驅(qū)動(dòng)電路 前面提到六個(gè) IRF3205 管都需要一定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)還能工作，而單片機(jī)的信號(hào)功率微弱，中間必須加功率放大環(huán)節(jié)，在本系統(tǒng)中，采用專門的全橋電路驅(qū)動(dòng)芯片 IR2103 來驅(qū)動(dòng)三相橋式變換器， IR2103 的輸出電壓 1020V, 這款芯片自帶自舉電路驅(qū)動(dòng)功能，專門為全橋電路上下功率管提供驅(qū)動(dòng)，外圍電路相對簡單，不用為全橋中的上管提供專門的隔離驅(qū)動(dòng)電源。圖 37 中電容 C、二極管 VD 分別為自舉電容和自舉二極管。在兩路互補(bǔ)的 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)信號(hào)按上述方式完成了對橋臂中的上下功率 MOSFET 管的驅(qū)動(dòng)。采用霍 爾元件取樣 ,控制和主功率電路有隔離 ,可以檢出直流信號(hào) ,信號(hào)還原性好 , 但有 μs 級的延遲 ,并且價(jià)格比較貴 。典 型應(yīng)用包括電動(dòng)機(jī)控制、載荷檢測和管理、開關(guān)式電源和過電流故障保護(hù) [3]。 采用三個(gè) ACS712 分別測量三相的相電流，將其送入 AT89C51，經(jīng)過 ADC 讀入微控制器，完成對三相電流的檢測和處理形成電流閉環(huán)。 圖 310 位置檢測電路 電源電路 系統(tǒng)的供電電源部分結(jié)構(gòu)框圖如圖 311 所示，將電網(wǎng)側(cè)的 220V 交流電經(jīng)過變壓器降壓，整流，濾波及穩(wěn)壓后給系統(tǒng)供電。其程序流程圖如圖 313 所示。 NNNNNNNNYYYYYY YYYN恢復(fù)現(xiàn)場退出計(jì)算延遲時(shí)間FLA GUP=1允許速度調(diào)節(jié)置磁定位結(jié)束標(biāo)志延遲時(shí)間初值禁止速度調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器滿？是否計(jì)算延遲時(shí)間？轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)？更新比較值磁定位計(jì)數(shù)器加1磁定位結(jié) 束？計(jì)算中性點(diǎn)電壓允許更新比較值和換相換向準(zhǔn)備延遲時(shí)間=0？延遲時(shí)間減1過零？電流PI調(diào)節(jié)讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果速度調(diào)節(jié)環(huán)計(jì)數(shù)器加1速度PI調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)時(shí)間到？第一轉(zhuǎn)完成？磁定位結(jié)束保存現(xiàn)場圖 314 ADC 中斷子程序流程圖 YYNNYN返回置過零標(biāo)志更新延遲時(shí)間符號(hào)變化?計(jì)算不通電相感應(yīng)電動(dòng)勢過零?濾除干擾延時(shí)時(shí)間到?更新該相 PWM 占空比根據(jù)換相控制字換相每轉(zhuǎn)時(shí)間計(jì)數(shù)加 1開始 圖 315 換相子程序框圖 第四章 直流無刷電機(jī) MATLAB 仿真 MATLAB/Simulink 的介紹 MATLAB 的簡介 MATLAB 是矩陣 +實(shí)驗(yàn)室（ Matrix Laboratory）的簡稱， 它 是美國 MathWorks公司 于 1984 年開始 出品的 一種軟件 ， 在各個(gè)行業(yè) 算法 的 開發(fā)、數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)分析 可視化、數(shù)據(jù) 處理 以及數(shù)值 科學(xué) 計(jì)算 等都有很高的計(jì)算能力與處理能力。 目前還沒有相關(guān)軟件在矩陣計(jì)算、數(shù)據(jù)處理等方面超過 MATLAB，本文正是在 MATLAB/Simulink 中搭建了直流無刷電機(jī)的仿真模型。m) 圖 42 直流無刷電機(jī) 仿真波形 直流無刷電機(jī) 仿真圖 圖 4圖 44 和圖 45 給 出了 直流無刷電機(jī) 在 MATLAB 中的仿真圖。 展望 本文雖然完成了初步的工作，但是在很多方面尚未深入探索，很多問題尚未解決。 致 謝 經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。 感謝我的爸爸媽媽，養(yǎng)育之恩，無以回報(bào)，你們永遠(yuǎn)健康快樂是我最大的心愿。 sbit ena=P3^7。 ///占空比控制字 uchar n=1。 unint ys=0。 delays()。 P2=0。 TMOD=0X15。 TH0=0。 ///允許定時(shí)器 0 中斷 ET1=1。 ///調(diào)用按鍵掃描程序 control()。 ///停止定時(shí) zc++。 TH1=0Xfa。 } if(zc==15) { zc=0。 ///求速度個(gè)位值送各位顯示緩沖 sw=(speedbuf/10)%10。i4。 } else if(i==1) ///顯示十位 { P0=zm[sw]。 } else if(i==3) ///顯示千位 { P0=zm[qw]。 ///停止計(jì)數(shù) speedbuf=((TH0*256+TL0)*8)/3。 TR0=1。i)。 ///讀 P1 口 if(i==0xfe) ///第一個(gè)鍵按下 { delays()。 ///延時(shí)去抖動(dòng) if(i==0xfd) ///再判斷按鍵是否按下 { in1=1。 ///速度加 ((慢速 ) if(a=15) a=15。 } } if(i==0xef) { delays()。 if(i==0xdf) if(a3) ///速度減 ,(快速 ) a=am。 ///停止轉(zhuǎn)動(dòng) in2=0。 ///等待按鍵放下 }