【正文】 ng a lowcost controller. This paper determines the VVVF openloop control mode, which can achieve Constant control in the following baseband, constant power control in the above baseband. This design uses LS052Ax microcontroller as control core, which is mainly used to send the SPWM wave。 本次設(shè)計(jì) 利用LS052Ax 單片機(jī) 作 為控制核心， 主要用來(lái)發(fā)出 SPWM 脈寬調(diào)制波， 主電路采用常用的三相電壓源型逆變電路。[在此處鍵入 ] 畢業(yè)設(shè) 計(jì)（ 論 文） 題 目 基于 LS 單片機(jī)的無(wú)刷直流電 機(jī) 系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 生 指導(dǎo)教師 2020 年 [在此處鍵入 ] i 基于 LS單片機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí)：電氣 095 作者： 指導(dǎo)教師： 職稱：講師 高工 答辯日期： 2020621 摘 要 為了解決客車、城市公交車在實(shí)際使用中發(fā)動(dòng)機(jī)不同溫度狀況下的散熱問(wèn)題，有效地保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常使用溫度，車載電子風(fēng)扇是最佳選擇。本文 最終確定了無(wú)刷直流電機(jī)的變壓變頻開環(huán)控制方式 ， 其 能夠?qū)崿F(xiàn)在基頻以下進(jìn)行恒壓頻比控制，在基頻以上進(jìn)行恒功率控制 。經(jīng)過(guò)最 終測(cè)試，本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)可達(dá)到如下指標(biāo)，電機(jī)能夠在 6s 之內(nèi)轉(zhuǎn)速迅速升高至 3000RPM，且起動(dòng)成功率為 100%，輸出電流最大 2A，輸出最高頻率 200HZ，直流母線側(cè)電壓 12V，最大功率 24W。 the maximum output frequency is 200HZ。 選題的目的及意義 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)是集電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)技術(shù)于一身的機(jī)電一體化系統(tǒng)，體現(xiàn)了當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多最新成果，是機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品 [1]。由上面的分析可以看出，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相對(duì)于其它類型電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是一種新型電動(dòng)機(jī)，它的驅(qū)動(dòng)、控制更是和電子技術(shù)息息相關(guān)， 因此，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)本體及其控制方法進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。系統(tǒng)軟件采用 c 語(yǔ)言編寫，開發(fā)環(huán)境為 KEIL。它與電子換相線路一起，替代了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相裝置。轉(zhuǎn)子[在此處鍵入 ] 4 由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)（ 2p=2， 4，??）組成。在無(wú)刷 直流 電動(dòng)機(jī)中常見的位置傳感 器有以下幾種：電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位置 傳感器。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場(chǎng)。所以無(wú)刷 直流 電動(dòng)機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動(dòng)機(jī)本體以外，還要由位置傳感器、控 制電路以及邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換相裝置，使得無(wú)刷 直流 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中定子繞組所產(chǎn)生的的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁場(chǎng)，在空間始終保持在（π /2） rad 左右的電角度 [4]。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。 [在此處鍵入 ] 7 DCuvwv 1 v 3 v 5v 4 v 6 v 2L 圖 23 電流源型 逆變電路拓?fù)鋱D 電流型逆變電路的特點(diǎn) (1)直流側(cè)串聯(lián)大電感，相當(dāng)于電流源。 (3)當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電感起緩沖無(wú)功能量的作用。對(duì)于電機(jī)類感性負(fù)載，我們期望電流波形接近正弦波，所以這次設(shè)計(jì)采用電壓型逆變電路。 LS052Ax 的工作頻率為 0Hz～ 40MHz，并支持空閑 1，空閑 2 和掉電三種軟件可設(shè)置的節(jié)電工作方式。執(zhí)行 1 道程序的性能是兼容芯片的 倍，同時(shí)執(zhí)行三道程序的處理能力最高可達(dá)到兼容芯片的 倍。 b. 無(wú)位置傳感器控制方式 無(wú)位置傳感器控制方式是指無(wú)刷直流電機(jī)不直接安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器，但在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，控制電機(jī)換相的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)還是需要檢測(cè)的， 因此，無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制研究的關(guān)鍵是架構(gòu)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路，通過(guò)軟硬件間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。安裝了位置傳感器后，一方面電機(jī)結(jié)構(gòu)變復(fù)雜了，另一方面電機(jī)的體積相對(duì)來(lái)說(shuō)變大了，妨礙了電機(jī)的小型化； (2) 增加了電機(jī)成本。 b. 無(wú)位置傳感器 優(yōu)點(diǎn)： (1) 降低成本，減小電機(jī)的體積； (2) 抗干擾能力強(qiáng)，能在高溫、濕度大、有腐蝕物質(zhì)、空氣污濁的環(huán)境中工作； (3) 無(wú)傳感器安裝的問(wèn)題，減小電機(jī)的生產(chǎn)難度。 這種控制方法被廣泛應(yīng)用于調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合 [8]。如圖 32（ b）為三相電流波形的 FFT 分析，可以看出，電流波形僅含載波頻率整數(shù)倍次 附近頻率的諧波 ， 諧波次數(shù) 高 且幅值低 ，對(duì)電機(jī)影響較小。如圖 35（ b）為三相電流波形的 FFT 分析，可以看出，電流波形僅含載波頻率整數(shù)倍次 附近頻率諧波 ， 諧波次數(shù)較高， 幅值較低， 對(duì)電機(jī)影響較小。如圖 38（ b）為三相電流波形的 FFT 分析，可以看出，電流波形 含載波頻率整數(shù)倍次 附近頻率諧波 ，諧波幅值 相比有所增加 但仍然可以 接受 。 此次設(shè)計(jì)采用的基本原理是 SPWM 調(diào)制波形，在仿真中，采用比較器來(lái)生成 SPWM 波形，其正向輸入為調(diào)制波即正弦波，反向輸入為載波即三角波，當(dāng)調(diào)制波大于載波時(shí)輸出為高，當(dāng)調(diào)制波小于載波時(shí)輸出為[在此處鍵入 ] 20 低。 [在此處鍵入 ] 21 第 4 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)控制模塊， PCB 電源模塊，驅(qū)動(dòng)電路模塊以及三相逆變電路模塊。同時(shí)上管采用外部自舉電容上電，使驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他 IC 驅(qū)動(dòng)大大減少，在工程上減少了控制變壓器體積和電源數(shù)目，降低了產(chǎn)品成本提高了系統(tǒng)可靠性。 驅(qū)動(dòng)電路 模塊電路圖 如 44 所示： [在此處鍵入 ] 23 圖 44 驅(qū)動(dòng)電路模塊電路圖 PCB 板的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)中，在確定了各模塊所采取的實(shí)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(shí)器 1 的中斷中 實(shí)時(shí)修改 PWM 波的占空比 和周期 ，就可以實(shí)時(shí)計(jì)算產(chǎn)生 SPWM 波。 SPWM 控制方式是用 SPWM 的脈沖驅(qū)動(dòng)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(hào)在每一個(gè)周期內(nèi)面積相等 [7]。 [在此處鍵入 ] 25 SPWM 實(shí)現(xiàn)方案對(duì)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(shí)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(jiǎn)單計(jì)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(diǎn)控制 MOS管的開通關(guān)斷。當(dāng)然，自然采樣法輸出的正弦波也實(shí)際正弦波更接近。在三角波的負(fù)峰時(shí)刻 對(duì)正弦信號(hào)波采樣而得到 D 點(diǎn)，過(guò) D 點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)，在 A 點(diǎn)時(shí)刻 和 B 點(diǎn)時(shí)刻 控制功率開關(guān)器件的通斷。其二，雖然 LS052AX 能夠 處理浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，但由于微機(jī)處理浮點(diǎn)時(shí)的耗時(shí)較長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性不夠，所以將算出來(lái)的數(shù)據(jù)縮小十倍，在實(shí)時(shí)計(jì)算的公式中擴(kuò)大十倍，只讓單片機(jī)去計(jì)算整形數(shù)據(jù)， 節(jié)約微機(jī)的處理時(shí)間，提高實(shí)時(shí)性。 u+ U d U d 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(hào) 正弦 波在雙極性調(diào)制方式中極性不同，在一個(gè)周期內(nèi)極 具有正負(fù)極性變化的信號(hào)。其二，雖然雙極性調(diào)制需要加入死區(qū)來(lái)防止同一橋臂的上下 MOS 管的誤導(dǎo)通，但結(jié)合 LS052AX 控制器 的 全比較單元 互補(bǔ)輸出 PWM 功能，能方便的實(shí)現(xiàn)雙極性調(diào)制方式。 在低頻 段 時(shí) ，同步調(diào)制方式由于載波比不變， 其 載波頻率會(huì)下降 ， 會(huì)產(chǎn)生高次諧波 。異步調(diào)制方式在調(diào)制頻率較低時(shí)，半周期內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)會(huì)發(fā)生變化，因而有利于改善低頻時(shí)的輸出電壓波形，且減少了電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這種方式是同步調(diào)制的一種靈活應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)是既保留了同步調(diào)制 在高頻段的優(yōu)點(diǎn)，又保留了異步調(diào)制在低頻段的優(yōu)點(diǎn)。 [在此處鍵入 ] 31 決定采用 分段 同步調(diào)制后，還有一個(gè)重要問(wèn)題就是確定載波比 N 的確定 。 當(dāng)載波比太低時(shí)，在調(diào)制頻率較低時(shí)，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)較少，會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等問(wèn)題。 主程序設(shè)計(jì) 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。 [在此處鍵入 ] 32 開始開總中斷清同步標(biāo)志位f l a g 1 和 f l a g 2開啟第一道程序開啟第二道程序全比較單元初始化等中斷開始Fr = 80 ?Y計(jì)算 N = 63 時(shí)的全比價(jià)單元比較值N Fr = 1 5 0 ?Y計(jì)算 N = 33 時(shí)的全比價(jià)單元比較值N Fr = 3 0 0 ?Y計(jì)算 N = 21 時(shí)的全比價(jià)單元比較值置同步標(biāo)志位NN um ++結(jié)束 (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(shí)器 T1 的配置 定時(shí)器 T1 為全比較單元提供計(jì)時(shí) 基準(zhǔn) ，所以定時(shí)器必須準(zhǔn)確配置。 b. 定時(shí)器中斷設(shè)置 [在此處鍵入 ] 33 定時(shí)器中斷使能 ,包括通用定時(shí)器 1 的：上溢中斷、 下溢中斷、比較中斷，周期中斷，本次設(shè)計(jì)應(yīng)該開定時(shí)器 T1 下溢中斷；因?yàn)檫x擇了增減計(jì)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(gè)周期為一個(gè)應(yīng)用周期，一個(gè)應(yīng)用周期結(jié)束后變更周期值 和比較值 ，如此，應(yīng)選擇下溢中斷 。 中斷模塊設(shè)計(jì) 中斷模塊的主要作用是 在定時(shí)器的周期中斷中準(zhǔn)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(jì)調(diào)試的時(shí)候，仍然是按照這樣的原則進(jìn)行的。 軟件調(diào)試 軟件程序編寫是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，然而程序編寫完后的軟件調(diào)試也是耗時(shí)相當(dāng)多的一個(gè)步驟。 如圖 61 為程序的編譯結(jié)果，可見程序編譯無(wú)錯(cuò)。 電機(jī) 轉(zhuǎn)速滿足如下關(guān)系式： pfn 60? （ 61） 其中極對(duì)數(shù) P=4，電源頻率在 3200HZ 之間變化，可以看出電機(jī)啟動(dòng)之后最高速度可達(dá) 3000 轉(zhuǎn) /分 。 [在此處鍵入 ] 37 圖 62 電機(jī)同步運(yùn)行狀態(tài) 相關(guān)測(cè)試波形 a. 逆變電路的輸出電壓波形 因?yàn)殡姍C(jī) 的中性點(diǎn)沒(méi)有引出來(lái)，無(wú)法直接測(cè)量 ，所以 逆變電路輸出電壓波形是用 電阻 負(fù)載測(cè)出的。 圖 67（ a）低頻時(shí) N=63 單片機(jī)發(fā)出波形 [在此處鍵入 ] 40 圖 67（ b）低頻時(shí) N=63 SPWM 仿真波形 從實(shí)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(shí)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(shí)候開關(guān)頻率比較高。 圖 69（ a） 高頻 時(shí)單片機(jī)發(fā)出 SPWM 波形 [在此處鍵入 ] 42 圖 69（ b）高頻 時(shí)單片機(jī)發(fā)出 SPWM 波形仿真 從波形中可以看出，此時(shí)開關(guān)頻率明顯降低， 這很好的解決了單片機(jī)的運(yùn)算速度問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了較好的實(shí)時(shí)性，但是這是以犧牲精度為代價(jià)的，因?yàn)樵诟哳l時(shí)，載波比降到了 N=21， 一個(gè)正弦波周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)減少，這必然會(huì)產(chǎn)生相比高載波比更多的諧波，不過(guò)該載波比在實(shí)際使用過(guò)程中仍然是可以接受的。 并且，從反電動(dòng)勢(shì)也可以看到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信息， 所以本次設(shè)計(jì)的后期展望工作就是利用 AD 采樣對(duì)反電動(dòng)勢(shì)波形進(jìn)行采樣進(jìn)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(zhǎng) 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(jì)只做了電機(jī)的開環(huán)啟動(dòng)，由于時(shí)間原因，并沒(méi)有做成調(diào)速功能，這也是最初設(shè)計(jì) PCB 板的時(shí)候所沒(méi)考慮到的， PCB 板上沒(méi)有加按鍵，若時(shí)間充裕， 通過(guò)按鍵來(lái)控制電機(jī)起停和加減速 肯定是可以做好的。 (4) 本次設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電機(jī)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定熱量，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下去，肯定對(duì)電 機(jī)本身不利甚至損壞電機(jī)。 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(fēng)讓我受益良