【正文】 shows that the hardware circuit of control system based C805 AT89C52 and IR2130 driver designed simply， practical and economically． The experiment result proves that this schematic is reasonable， stable operation and better performance. Keywords: Brushless DC Motor AT89C52 fuzzy control 1 緒論 研究背景及意義 在電氣時代的今天，電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。無刷直流電動機利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器，因此，使這種電動機不僅保留了直流電動機的優(yōu)點，而且又具有交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，使它一經(jīng)出現(xiàn)就以極快的速度發(fā)展和普及。對于同等容量輸出，感應(yīng)電動機需要更大功率的整流器和逆變器。而有刷直流電動機壽命一般較短，在高溫環(huán)境下甚至只有幾分鐘。但由于當(dāng)時大功率電力電子器件僅處于初級發(fā)展階段，而無法推廣使用。由于它具有的一系列優(yōu)點，近年來在空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、電動自行車及微型風(fēng)機等應(yīng)用，一般是輸出功率不大的微型與特種無刷直流電動機。 1． 3 單片機對電動機控制所起的作用及新型單片機的特點 單片機對電動機控制所起的作用 電動機的控制部分已由模擬控制逐漸讓位于以單片機為主的微處理器控制。無論被控量的大或小，都 可以保證足夠的控制精度。它一經(jīng)初始化設(shè)定后會自動地發(fā)出 PWM 控制信號， CPU 只在需要調(diào)整參數(shù)時才介入。這就是同步串行總線風(fēng)靡起來的原因，它大有取代并行總線之勢。小型化的單片機給用戶提供了低成本、電路尺寸小的選擇。 本文的主要內(nèi)容如下： 1．通過對無刷直流電動機的組成和基本工作原理的簡要介紹，分析推導(dǎo)了無刷直流電動機的運行特性及其傳遞函數(shù)，為之后進行的的仿真研究、實際系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了有效依據(jù)。無刷直流電動機是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，它是由電動機本體、控制電路和轉(zhuǎn)子位置傳感器 3 部分組成，其原理圖如圖 2． 1 所示。 目前，無刷直流電動機的電機本體大多采用三相對稱繞組，由于三相繞組既可以是星形連接又可以是三角形連接，同時功率逆變器又有橋式和非橋式兩種。 ai、 b、 ci為 A、 B、 C 三相繞組的電流。因此，無刷直流電動機在設(shè)計時，應(yīng)盡量增大磁極的極弧系數(shù)，以獲得足夠?qū)挼拇琶芏确植疾ㄐ危瑥亩玫狡巾敳糠州^寬的反電動勢波形。而且，兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式很好地利用了方波氣隙磁場地平頂部分，使電機出力很大，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好． 控制電路 無刷直流電動機需要用功率電子開關(guān)器件組成的功率控制器才能工作。這樣，無刷直流電動機開關(guān)主電路的逆變電路就可以由一個功率開關(guān)管集成塊來實現(xiàn)。常用的敏感元件有光敏元件 (如光電二極管和光電三極管等 )和磁敏元件 (如霍爾元件、磁敏二極管和磁敏三極管 )。利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動機的永磁轉(zhuǎn)子，同時也是霍爾式傳感器的轉(zhuǎn)子。這與傳統(tǒng)直流永磁電動機的結(jié)構(gòu)剛好相反。它涉及非線性理路和數(shù)值解法等諸多問題，在一般工程應(yīng)用上尚無此必要。其電路圖如圖 所示。由 平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動勢便可求得無刷直流電動機穩(wěn)定運 行時的電壓平衡方程式，為此，首先定義反電動勢系數(shù) ec和轉(zhuǎn)矩系數(shù) mc： nEce? （ ） it 對于某個具體的電動機，它們?yōu)槌?shù)。 又因為 dmeICT ? ，dtdnGDTT Le ??? 3752， nCe 式中， l為電動機負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩 2GD電動機轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩，gJGD 42 ?(J 為轉(zhuǎn)動慣量 )。 RST/VPD（ 9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。速度反饋則是通過霍爾位置傳感器輸出的位置量，經(jīng)過計算得到的。下面分別介 紹這些物理量的檢測方法。作為高性能的無刷直流電機均帶有電流環(huán)。該電勢經(jīng)過放大器驅(qū)動電子器件導(dǎo)電，從而繞在聚磁環(huán)上的線圈就流過電流，線圈中流過的電流在聚磁環(huán)中也會產(chǎn)生方向正好與被測導(dǎo)體相反的磁場。電阻法測電流的優(yōu)點是使用的元器件成本低，線路簡單，反應(yīng)速度快等，通常在小電流情況下使用。 圖 電流檢測和保護電路原理 采樣電阻應(yīng)根據(jù)最大允許電流的限制來選取，其阻值以端電壓 0． 5V 為準(zhǔn)。電樞繞組每隔 600電角度換相一次，如果電機的極對數(shù)為 P，則電機的機械角速度為： )/(3 sradtp??? ? （ ） 電機的速度為 min)/(1013606060 00 rtptpn ????? （ ） 每隔一定的時間對轉(zhuǎn)速給定與所測轉(zhuǎn)速進行比較，如果轉(zhuǎn)速誤差超過最大允許值，則通過數(shù)字 PID 算法對轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。 ke 為第 k 次采樣周期時的偏差值 1?k為第 k1次采樣周期的偏差值 ku為第 k 次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出 根據(jù)遞推原理，可寫出第 k1次的 PID 輸出表達(dá)式 )]()([ 211011 ?????? ???? ? kkDkjlkPkeeTTjETTeKu () 將式（ ）與（ ）相減，即可得到增量式 PID 控制算法公式： 211 ????????? kkkkkk CeBeAeuuu 式中 TTKCTTKBTTTTKADPDPDlP???????)21()1( 可以看出，如果計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 r，一旦確定了 A、 B、 C，只要使用前后三次測量值的偏差 ，就可以由式 (4． 8)求出控制量。 積分環(huán)節(jié)：提高系統(tǒng)的抗干擾能力，消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；同時加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。 圖 直流電動機的單片機控制結(jié)構(gòu)圖 功率驅(qū)動電路 IR2130 整流器 (International Rectifier— IR)公司的 MOSFET 和 IGBT 柵極驅(qū)動集成電路驅(qū)動MOSFET 或 IGBT 可達(dá)到 1200V、 12kW 的應(yīng)用，是使用更簡便、體積更小和費用更低的解決方案，相對于其他分立式、脈沖變壓器及光耦合器解決方案，可減少外部元件數(shù)(超過 30％ )和電路板面積 (50％ )。 (1)驅(qū)動芯片的特點 TR2130可用來驅(qū)動工作在母線電壓不高于 600V的電路中的功率 MOS 門器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動電流為 250mA，而反向峰值驅(qū)動電流為 500mA。 H01～ H0 LOI～ L03．逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動器信號輸出端。一旦外電流發(fā)生過流或直通，即電流檢測單元送來的信號高于 ，則IR2130內(nèi)部的電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，促使故障邏輯處理單元輸出低電平，一則封鎖 3路輸入脈沖信號處理器的輸出，使 IR2130的輸出全為低電平，保護功率管；另一方面，同時 IR2130的 FAULT 腳給出故障指示。下橋臂三個 MOS 的源極連接在一起，即共地連接，可直接接入 15V電源。由于功率場效應(yīng)晶體管 (Power MOSFET)是一種單極型電壓控制器件，具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。 圖 設(shè)計系統(tǒng)總體硬件圖 6 系統(tǒng)算法仿真與軟件設(shè)計 Matlab 仿真 隨著刷直流電動機應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，各種控制算法和控制策略層出不窮， 為了便于理論分析和驗證各種控制算法和策略，正確建立無刷直流電動機控制系統(tǒng)的模型就顯得非常重要。 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計與上述硬件電路接口設(shè)計密切相關(guān)。這一步的軟件編程任務(wù)主要是對雙閉環(huán)控制中電流調(diào)節(jié)器、速度環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整，以及必要的改進設(shè)計。 軟件設(shè)計 本系統(tǒng)的軟件開發(fā) 89c51 系列單片開發(fā)的軟件，它可帶有 C 語言編譯器、匯編器、和其它相關(guān)的開發(fā)工具，具有強大的軟 件仿真環(huán)境，使得用戶可以直接利用 C 語言進行開發(fā)，同時，所帶的 C 編譯器具有性能優(yōu)異的優(yōu)化功能，用戶可以選擇優(yōu)化級別，用它生成的高效簡潔的 C 代碼可以和匯編語言相媲美。 對于產(chǎn)生 15 V的供電電壓，本文采用 7815將開關(guān)電源 24 V經(jīng)過三端穩(wěn)壓器 7815轉(zhuǎn)換 成 15V輸出；對于產(chǎn)生 5 V的供電電壓，本文采用將得到的 15V電經(jīng)過三端穩(wěn)壓器 7805轉(zhuǎn)變成 5V輸出；對于產(chǎn)生 ，就需要將 5V電源轉(zhuǎn)換成 ，為 此選擇低功耗電源轉(zhuǎn)換芯片 AS1117，輸入 5 v，輸出 。 功率器件的選擇 無刷直流電機控制系統(tǒng)的主電路采用三相橋式主電路。 逆變器由六個 MOS 單管組成， DD2和 D3為超快二極管 RFl07，白舉電容 Cl、 C2和 C3為 1F?、無感電阻 3R~ 8馬選為50?。 圖 IR2130內(nèi)部結(jié)構(gòu) 當(dāng) IR2130正常工作時，輸入的 6路驅(qū)動信號經(jīng)輸入信號處理器處理后變?yōu)?6路輸出脈沖，驅(qū)動下橋臂功率管的信號 L1～ L3經(jīng)輸出驅(qū)動器功放后，直接送往被驅(qū)動功率器件。 ITRIP：過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護?，樄緰艠O驅(qū)動集成電路使用一個專利的電平移動技術(shù)用于 1200V高壓器件。 5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)方案 圖 5． 1給出了三相無刷直流電動機單片機控制結(jié)構(gòu)框圖。它是根據(jù)偏差的變化速度來調(diào)節(jié)的，所以它的輸出快，有時盡管偏差很小，只要它的變化速 度很快，則微分調(diào)節(jié)就有一個較大的輸出， 它的速度比比例調(diào)節(jié)還要迅速。對帶有滯后的系統(tǒng)，可能產(chǎn)生振蕩，動態(tài)特性也差。模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 4． 4所示，系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對象組成。電角，極對數(shù)為 P 的電機轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一周，霍爾信號變化 6P 次。 如圖 4． 3所示，電流信號通過檢測采樣電阻 R 兩端電壓得到。 (3)電阻法 電阻法是利用電流流過電阻會產(chǎn)生壓降，檢測電阻兩端電壓大小就可以知道流過電阻的電流大小。 圖 霍爾效應(yīng)電流傳感器 測量系統(tǒng)主要由被測導(dǎo)體，聚磁環(huán)、線圈、霍爾元件、放大驅(qū)動電流和測量電阻組成。 電流檢測方案 電流環(huán)調(diào)節(jié)主要作用是限制電機的最大電流，調(diào)節(jié)對 象的動態(tài)結(jié)構(gòu)，加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，減小因電網(wǎng)電壓等因素引起的動態(tài)速變。在檢測系統(tǒng)中占絕大多數(shù)檢測信號屬于非電量信號，如位置、速度等。本系統(tǒng)主回路主要由單片機、 IR21 MOSFET 組成，控制部分以 C8051F330為核心，構(gòu)成功能齊全的電流、速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。功能包括對會聚主 IC 內(nèi)部 寄存器 、數(shù)據(jù) RAM 及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號 IR 的接收解碼及與主板CPU通信等。 同理，在上述假設(shè)條件不變的情況下，無刷直流電動機的動態(tài)特性可由下列方程組 來描寫 目前已指出，為簡便計算，假定各相繞組對稱、相應(yīng)的時間常數(shù)忽略不計。感生電動勢波形如圖 所示。 （ 5） 位置傳感器等控制電路的功率損耗忽略不計。兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)工作方式控制簡單、性能最好，所以這種工作方式最為常用，這是無刷直流電動機最常用的一種工作方式。由于電刷的換向作用，使得這兩個磁場的方向在直流電動機運行的過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電動機不停地運轉(zhuǎn)?；魻柺轿恢脗鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，成本低、是目前在無刷直流電機上使用最多的一種位置式傳感器。轉(zhuǎn)子位置傳感器目前主要有敏感式、耦合式、諧振式和接近式。 為了提高逆變器的可靠性、縮小體積，還可以選擇近年來迅速發(fā)展的功率集成電路(PIC)。