【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，電動機一直在現代化的生產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構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，使它一經出現就以極快的速度發(fā)展和普及。對于同等容量輸出，感應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，近年來在空調器、電冰箱、洗衣機、電動自行車及微型風機等應用，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。它一經初始化設定后會自動地發(fā)出 PWM 控制信號， CPU 只在需要調整參數時才介入。這就是同步串行總線風靡起來的原因，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，分析推導了無刷直流電動機的運行特性及其傳遞函數，為之后進行的的仿真研究、實際系統的設計和調試提供了有效依據。無刷直流電動機是一種典型的機電一體化產品，它是由電動機本體、控制電路和轉子位置傳感器 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計時，應盡量增大磁極的極弧系數，以獲得足夠寬的磁密度分布波形，從而得到平頂部分較寬的反電動勢波形。而且，兩相導通三相六狀態(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主電路的逆變電路就可以由一個功率開關管集成塊來實現。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子，同時也是霍爾式傳感器的轉子。這與傳統直流永磁電動機的結構剛好相反。它涉及非線性理路和數值解法等諸多問題，在一般工程應用上尚無此必要。其電路圖如圖 所示。由 平均轉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 ec和轉矩系數 mc： nEce? （ ） it 對于某個具體的電動機，它們?yōu)槌怠? 又因為 dmeICT ? ，dtdnGDTT Le ??? 3752， nCe 式中， l為電動機負載阻轉矩 2GD電動機轉子飛輪轉矩，gJGD 42 ?(J 為轉動慣量 )。 RST/VPD（ 9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。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)。該電勢經過放大器驅動電子器件導電，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)中也會產生方向正好與被測導體相反的磁場。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 采樣電阻應根據最大允許電流的限制來選取，其阻值以端電壓 0． 5V 為準。電樞繞組每隔 600電角度換相一次，如果電機的極對數為 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速給定與所測轉速進行比較，如果轉速誤差超過最大允許值，則通過數字 PID 算法對轉速進行調節(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 次采樣時調節(jié)器的輸出 根據遞推原理，可寫出第 k1次的 PID 輸出表達式 )]()([ 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)：提高系統的抗干擾能力，消除系統的靜態(tài)誤差。有助于減小超調，克服振蕩，使系統趨于穩(wěn)定；同時加快系統的響應速度，減小調整時間，從而改善了系統的動態(tài)性能。 圖 直流電動機的單片機控制結構圖 功率驅動電路 IR2130 整流器 (International Rectifier— IR)公司的 MOSFET 和 IGBT 柵極驅動集成電路驅動MOSFET 或 IGBT 可達到 1200V、 12kW 的應用，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(超過 30％ )和電路板面積 (50％ )。 (1)驅動芯片的特點 TR2130可用來驅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動電流為 250mA，而反向峰值驅動電流為 500mA。 H01～ H0 LOI～ L03．逆變器上下橋臂功率開關器件驅動器信號輸出端。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內部的電流比較器迅速翻轉，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。由于功率場效應晶體管 (Power MOSFET)是一種單極型電壓控制器件，具有開關速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導線性度高等顯著特點，因而在各類中小功率開關電路中得到了廣泛的應用。 圖 設計系統總體硬件圖 6 系統算法仿真與軟件設計 Matlab 仿真 隨著刷直流電動機應用領域的不斷擴大，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的模型就顯得非常重要。 控制系統軟件設計與上述硬件電路接口設計密切相關。這一步的軟件編程任務主要是對雙閉環(huán)控制中電流調節(jié)器、速度環(huán)調節(jié)器的設計和參數調整，以及必要的改進設計。 軟件設計 本系統的軟件開發(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。 對于產生 15 V的供電電壓，本文采用 7815將開關電源 24 V經過三端穩(wěn)壓器 7815轉換 成 15V輸出；對于產生 5 V的供電電壓，本文采用將得到的 15V電經過三端穩(wěn)壓器 7805轉變成 5V輸出；對于產生 ，就需要將 5V電源轉換成 ，為 此選擇低功耗電源轉換芯片 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內部結構 當 IR2130正常工作時，輸入的 6路驅動信號經輸入信號處理器處理后變?yōu)?6路輸出脈沖，驅動下橋臂功率管的信號 L1～ L3經輸出驅動器功放后，直接送往被驅動功率器件。 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驅動集成電路使用一個專利的電平移動技術用于 1200V高壓器件。 5 系統的硬件設計與實現方案 圖 5． 1給出了三相無刷直流電動機單片機控制結構框圖。它是根據偏差的變化速度來調節(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，則微分調節(jié)就有一個較大的輸出， 它的速度比比例調節(jié)還要迅速。對帶有滯后的系統，可能產生振蕩，動態(tài)特性也差。模擬 PID 控制系統原理框圖如圖 4． 4所示，系統由模擬 PID 控制器和被控對象組成。電角，極對數為 P 的電機轉子每轉過一周，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 霍爾效應電流傳感器 測量系統主要由被測導體，聚磁環(huán)、線圈、霍爾元件、放大驅動電流和測量電阻組成。 電流檢測方案 電流環(huán)調節(jié)主要作用是限制電機的最大電流，調節(jié)對 象的動態(tài)結構，加快系統的動態(tài)響應，減小因電網電壓等因素引起的動態(tài)速變。在檢測系統中占絕大多數檢測信號屬于非電量信號，如位置、速度等。本系統主回路主要由單片機、 IR21 MOSFET 組成，控制部分以 C8051F330為核心，構成功能齊全的電流、速度雙閉環(huán)控制系統。功能包括對會聚主 IC 內部 寄存器 、數據 RAM 及外部接口等功能部件的初始化，會聚調整控制，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、相應的時間常數忽略不計。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，從而產生最大轉矩而驅動電動機不停地運轉?；魻柺轿恢脗鞲衅饔捎诮Y構簡單、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)。