【正文】 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)讓我受益良多。 (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。 (2) 輸出頻率： 輸出頻率最低 1Hz，最高頻 200Hz，步長 1Hz。 圖 69（ a） 高頻 時單片機發(fā)出 SPWM 波形 [在此處鍵入 ] 42 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。 [在此處鍵入 ] 37 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。 如圖 61 為程序的編譯結(jié)果，可見程序編譯無錯。 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。 b. 定時器中斷設(shè)置 [在此處鍵入 ] 33 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(yīng)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(yīng)用周期，一個應(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 。 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。 [在此處鍵入 ] 31 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 。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。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(dǎo)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。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。當然，自然采樣法輸出的正弦波也實際正弦波更接近。 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。 [在此處鍵入 ] 25 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。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。同時上管采用外部自舉電容上電，使驅(qū)動電源數(shù)目較其他 IC 驅(qū)動大大減少，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。 此次設(shè)計采用的基本原理是 SPWM 調(diào)制波形，在仿真中，采用比較器來生成 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，當調(diào)制波大于載波時輸出為高，當調(diào)制波小于載波時輸出為[在此處鍵入 ] 20 低。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， 對電機影響較小。 這種控制方法被廣泛應(yīng)用于調(diào)速性能要求不高的場合 [8]。安裝了位置傳感器后，一方面電機結(jié)構(gòu)變復(fù)雜了，另一方面電機的體積相對來說變大了，妨礙了電機的小型化； (2) 增加了電機成本。執(zhí)行 1 道程序的性能是兼容芯片的 倍，同時執(zhí)行三道程序的處理能力最高可達到兼容芯片的 倍。對于電機類感性負載，我們期望電流波形接近正弦波，所以這次設(shè)計采用電壓型逆變電路。 [在此處鍵入 ] 7 DCuvwv 1 v 3 v 5v 4 v 6 v 2L 圖 23 電流源型 逆變電路拓撲圖 電流型逆變電路的特點 (1)直流側(cè)串聯(lián)大電感，相當于電流源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。所以無刷 直流 電動機除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動機本體以外，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，使得無刷 直流 電動機在運行過程中定子繞組所產(chǎn)生的的磁場和轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁場，在空間始終保持在（π /2） rad 左右的電角度 [4]。在無刷 直流 電動機中常見的位置傳感 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。它與電子換相線路一起，替代了有刷直流電機的機械換相裝置。由上面的分析可以看出，無刷直流電動機相對于其它類型電動機來說還是一種新型電動機，它的驅(qū)動、控制更是和電子技術(shù)息息相關(guān)， 因此，對無刷直流電機本體及其控制方法進行系統(tǒng)、深入的研究有著十分重要的現(xiàn)實意義。 the maximum output frequency is 200HZ。本文 最終確定了無刷直流電機的變壓變頻開環(huán)控制方式 ， 其 能夠?qū)崿F(xiàn)在基頻以下進行恒壓頻比控制，在基頻以上進行恒功率控制 。 本次設(shè)計 利用LS052Ax 單片機 作 為控制核心， 主要用來發(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。 the DC bus voltage is 12V。 [在此處鍵入 ] 2 本畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計在首先認真分析了無刷 直流 電機的結(jié)構(gòu)，了解了它的控制方法，并對不同的控制方法做了對比，結(jié)合 LS 單片機的性能，并充分考慮控制器低成本的要求，最終重點研究了基于 LS 單片機的 SPWM 變壓變 頻起動的原理和實現(xiàn)方法。綜上所述，無刷直流電機由電機本體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相線路三大部分組成，如圖 21 所示 [3]。 c. 電子換相 當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感 器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相 繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。 [在此處鍵入 ] 5 無刷直流電機參數(shù) 本次設(shè)計所采用的無刷直流電機為三相八極電機。 (2)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且去負載阻抗角無關(guān)。直流側(cè)基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。 [在此處鍵入 ] 8 控制系統(tǒng)的控制芯片選型 LS 芯片簡介 本次設(shè)計采用長沙柯珞微電子科技有限公司生產(chǎn)的 LS052Ax 系列MCU（單片機），該單片機是該公司設(shè)計、生產(chǎn)的高性能 8 位系列 MCU，其指令系統(tǒng)與 MCS51 兼容，內(nèi)部功能、引腳功能、引腳排列以及引腳的電氣特性與 AT89S52 基本兼容。 ? 新型體系結(jié)構(gòu)－ L 結(jié)構(gòu) [在此處鍵入 ] 9 ? 3 核并發(fā)處理引擎，可并發(fā)執(zhí)行 3 道程序 ? 指令兼容 MCS51 ? 每個指令周期為 6 個 時鐘周期 ? 2～ 64KB 內(nèi)部 Flash 程序存儲器， 20200 次擦寫周期 ? 2～ 16KB 內(nèi)部 SRAM ? 寬電壓： ～ 工作電壓 ? 0Hz～ 40MHz 工作頻率 ? 兩級程序存儲器加密機制 ? 36 個可編程 I/O 端口， 20mA 吸入電流，可直接驅(qū)動 LED ? 2 級中斷機制 ? 16 個中斷源， 2～ 4 個外部中斷 ? 4 個 16 位定時器 /計數(shù)器 ? 2 個全雙工 UART 通信端口 ? 空間矢量 PWM(SVPWM), 3 相雙向 6 路， 1 路啟停控制 ? 4/8 路 10 位精度 ADC，轉(zhuǎn)換速率 200KBPS ? 1 個可編程看門狗 ? 支持自編程功 能 ? SPI 編程接口 ? 溫度范圍：－ 45 ℃～＋ 85℃ 本次設(shè)計選用該芯片的緣由 本次設(shè)計的控制芯片是 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ΑＨ萘吭跀?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。 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。 [在此處鍵入 ] 16 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 。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。 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 V；邏輯電源范圍 5～ 20V，且邏輯電源地和功率地之間允許 +5V的偏移量；獨立的低端和高端輸入通道。第二 部分 是 是針對中斷當中能實時修改占空比和周期所研究的一些策略，硬件方面提高晶振頻率以縮短機器周期，軟件方面采用分段同步調(diào)制的方法解決了實時性的問題。其一，可以用分立元件搭建。由于控制器的發(fā)展很快，其運算速度不斷提高，使得生成 SPWM 波形變 得比較容易，因此，軟件生成法 也就被主泛應(yīng)用到實際中 。 (2) 規(guī)則采樣法 [在此處鍵入 ] 26 規(guī)則采樣法 是一種應(yīng)用較廣的工程實用方法，其效果接近自然采樣法，但計算量卻比自然采樣法小得多。 表 51 部分正弦表及比較值 [在此處鍵入 ] 28 調(diào)制方式選擇 a. 單極性和雙極性 SPWM 調(diào)制 方式 可分為單極性 調(diào)制方式 和雙極性 調(diào)制方式 兩種。 b. 同步調(diào)制和異步調(diào)制 根據(jù) 載波信號三角波 cU 和調(diào)制信號 正弦波 Ur 的頻率關(guān)系，又可將SPWM 調(diào)制方式分為同步調(diào)制 和異 步調(diào)制兩種方式。然后，由于正負半周會出現(xiàn)不對稱的情況，因而輸出波形會出現(xiàn)偶次諧波。載波比既不能太高，也不能太低。從主流程圖中可以看出，軟件 部分 的主要任務(wù)是 按恒壓頻比控制方式生成 SPWM 波 。 死區(qū)單元的配置 死區(qū)單元主要用與控制每個比較單元相關(guān)的 2 路 PWM 輸出不在同一事件內(nèi)發(fā)生，從而保證了所控制的一對正向和負向設(shè)備在任何情況下不同時導(dǎo)通。以電源模塊為例進行說明。 [在此處鍵入 ] 36 圖 61 程序編譯結(jié)果 系統(tǒng)測試結(jié)果 電路板接上電機測試結(jié)果 本次設(shè)計的實質(zhì)是設(shè)計實現(xiàn)基于 LS 單片機的變頻器。 如圖 63（ a）所示，當頻率比較低時，載波比 N=63 時逆變電路輸出電壓波形 ，（ b） 為此時的仿真波形 （ a） N=63 低頻時你變輸出電壓波形 （ b）仿真波形 圖 63 逆變輸出電壓波形 [在此處鍵入 ] 38 （ a）中 頻時 N=33 輸出電壓波形 （ b）中頻時輸出電壓波形 仿真 圖 64 中頻時輸出電壓波形 （ c）高頻時輸出電壓波形 （ d）輸出電壓仿真波形 圖 65 逆變電路輸出電壓波形 從 輸出波形中可以看出，無論是低頻、中頻還是高頻，輸出電壓都能很好的保持 “品 ”字波形而沒有變形， 與仿真波形一致， 并且兩 相 電壓相差 120 度，相位也沒有問題。 c. 死區(qū)波形 本次設(shè)計采用的是雙極性調(diào)制，為防止 MOS 管同一橋臂同時導(dǎo)通，本次設(shè)計加入死區(qū)時間，理論設(shè)計死區(qū)時間為 542ns，如圖 610 所示，從實際輸出波形看來，實際輸出波形符合理論設(shè)計，且沒有影響逆變器電壓輸出。輸出頻率最大值可以根據(jù)實際情況加大，但由于單片機運算速度有限，要增加最高頻率必須采取其他措施。 [在此處鍵入 ] 45 (2) 本設(shè) 計為速度開環(huán)控制，如果能采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制， 則 能獲得更好的調(diào)速精度和更強的帶載能力。 本次 畢業(yè)設(shè)計過程中， 我要特別感謝 xxx 公司的辛經(jīng)理及同事們，在繪制原理圖和 PCB 設(shè)計的過程中，辛經(jīng)理和同事們對我提出了許多中肯的意見，最后的制板也是在辛經(jīng)理的直接幫助下完成的。 xxx 老師 著重 培養(yǎng) 啟發(fā)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題，自己解決問題 的思維方式和能力 ， xxx 老師的這種方法雖然