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[11] 葛小榮 王慶 . 電動(dòng)自行車控制器 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[EB/OL]. 電動(dòng)車情商網(wǎng) .2021. 四、 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究的主 攻方向 電機(jī)分為直流電機(jī)、同步電機(jī)和異步電機(jī)，在我國(guó)三種電機(jī)的生產(chǎn)分工較為VI 明確，無(wú)刷直流電機(jī)是三種電機(jī)的集合，是電機(jī)發(fā)展的高層次產(chǎn)品，代表電機(jī)的發(fā)展方向。 課題研究的方法： 計(jì)劃采用理論分析研究與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的研究方法。 當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)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(hào)，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各項(xiàng)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。學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)的情況，解決實(shí)際問(wèn)題的能力， 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水 平，是否同意參加答辯 。 本文所完成的主要工作如下 :(1) 無(wú)刷直流電機(jī) 工作原理 論述 。 mutation detection。上世紀(jì) 70 年代以來(lái)，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導(dǎo)體功率器件，如 GTR、 MOSFET、 IGBT、 IPM 等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料的問(wèn)世，均為直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。過(guò)程控制、機(jī)械控制和運(yùn)輸控制等很多都屬于這類應(yīng)用。 轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù) (2p=2, 4,?) 組成。各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來(lái)自位置傳感器的信號(hào)。電度角空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使 位置傳感器 U、 V、 W 產(chǎn)生新的信號(hào)，新的信號(hào) 又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸再前進(jìn) 60176。 直流無(wú)刷電機(jī)的換向電路由驅(qū)動(dòng)及控制兩部分組成 ， 驅(qū)動(dòng)電路輸出電功率，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電樞繞組，并受控于控制電路。其中 amp。發(fā)生減速度，直至實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止。 從上述電磁轉(zhuǎn)矩的公式中可以看出，如果某一項(xiàng)線圈持續(xù)通入直流電的話，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩按照正弦規(guī)律變化，并且其平均值為零；但是定子電樞是三相對(duì)稱分布的，并且由位置傳感器控制定子各相電樞線圈依次通電，每相 只是通過(guò) 1/3 周期的矩形波電流 ， 電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線上相當(dāng)于 1/3 周期的一段 ， 且這一段曲線 與定子繞組開始通電時(shí)的轉(zhuǎn)子相對(duì)位置有關(guān)， 下圖所示的電路中列舉了獲取最大平均轉(zhuǎn)矩的情況： 圖 17三相電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形 如上圖所示， γ=0176。因此在三相半控電路情況下，特別是在起動(dòng)時(shí)， γ o不宜大于 30； 一般情況下， 考慮到傳感器延時(shí)、處理器執(zhí)行時(shí)間、放大器移相等諸多環(huán)節(jié)造成的延時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)奶崆敖?，總是盡力為把 γ o角調(diào)整到稍大于 0176。 由于假設(shè)各繞組相互對(duì)稱，并且相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)忽略不計(jì)，根據(jù)上述三相星型繞組簡(jiǎn)化電路可以得到直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式為： 其中， Ea=KEn， Ta =KTI代入電壓平衡方程式中，經(jīng)過(guò)整理可以得到直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的幾下特性如下： 式中， n 是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 (r/min)； U是電源電壓 (V)； △ U 是功率管壓降 (V)； Ta是電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)轉(zhuǎn)矩平均值 (N178。 直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但普通的直流電動(dòng) 機(jī)由于需要機(jī)械換相和電刷，可靠性差，需要經(jīng)常維護(hù)；換相時(shí)產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，影響了直流電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作期限主要取決于軸承及其潤(rùn)滑系統(tǒng)。 (3)盡管異步電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用較為普遍和成熟 ,但由于其非線形本質(zhì) ,控制系統(tǒng)極為復(fù)雜。 80 年代以來(lái) ,隨著矢量控制技術(shù)的不斷成熟 ,極大推動(dòng)了交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展 ,使得交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能可以與直流伺服系統(tǒng)媲美 ,特別是自永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的日趨成熟 ,在一些高性能伺服驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè)（共 37 頁(yè)） 場(chǎng)合更有取代直流伺服的趨勢(shì)。 自二十世紀(jì)九十年代以后，人類更加關(guān)注環(huán)境保護(hù)，節(jié)約能源及國(guó)民經(jīng) 濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。 周邊輔助、保護(hù)電路主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過(guò)電流保護(hù)電路、調(diào)速信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)等輸入電路。 2．三相 Y形連接全控電路 圖 3— 4給出了一種三相 Y形連接的全控電路。 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè)（共 37 頁(yè)） 圖 35 Y形連接繞組兩兩通電時(shí)合成轉(zhuǎn)矩矢量圖 3．三相△形連接全控電路 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的三相△形連接主回路如圖 3— 6所示。本設(shè)計(jì)采用此方案 ,電機(jī)通電方式為兩兩通電方式。或 60176。引腳 2（ DIRECTION)：轉(zhuǎn)向控制端。引腳 7（ HS HS HS3）：霍爾位置傳感器輸入端。 178。對(duì)該引腳施加高電平時(shí)， 輸出被關(guān)閉。 如下圖 3— 10為以 DSP為控制核心的控制框圖 ： 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè)（共 37 頁(yè)） 圖 310DSP控制框圖 系統(tǒng)采用數(shù)字轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。 16位的乘法器。 數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)所需的元器件少 ，從而大大降低了系統(tǒng)的成本，提高了系統(tǒng)的可靠 性；數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)方法，使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性、可編程性，易于操作和維護(hù)，便于在已有硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)。 根據(jù)這些特點(diǎn) ,可以采用如下 所示的 控制策略 ： 圖 41 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的速度和電流控制 如圖所示上述系統(tǒng)包含 一個(gè)速度調(diào)節(jié)環(huán)和一個(gè)電流調(diào)節(jié)環(huán)。 從 TMS320LF2407 DSP芯片輸出的 PWM(脈寬 )觸發(fā)控制信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)功率管的通斷，因此在觸發(fā)控制信號(hào)和功率管柵極之間應(yīng)設(shè)置功率驅(qū)動(dòng)電路 。 IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)如 上 圖 所示 ，其中包括：邏輯輸人、電平轉(zhuǎn)換、保護(hù)、上橋臂輸出和下橋臂輸出。其中 SD輸人可以用來(lái)閉鎖這二路驅(qū)動(dòng)。檢測(cè)輸出信號(hào)可以直接由 DSP芯片接受，但是造價(jià)很貴。 本文介紹的系統(tǒng)的功率開關(guān)元件采用 MOSFET管。 邏輯信號(hào)均通過(guò)電平連接到各自的通道上，容許邏輯電路參考地(vss)與功率電路參考地 (COM)之間有一 5和 +5的偏移量，并且能屏蔽小于 50 ns的脈沖，有較理想 的抗噪聲效果。 邏輯信號(hào)均通過(guò)電平耦合電路連接到各自 的通道上，容許邏輯電路參考地 (USS)與功率電路參考地 (COM)之間有一 5 V和 +5 V的偏移量，并且能屏蔽小于 50 ns的脈沖，這樣有較理想的抗噪聲效果。 系統(tǒng)功率變換器的設(shè)計(jì) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功率變換器 (即主回路 )由開關(guān)電路組成，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，功率變換器接受控制電路的指令，將系統(tǒng)的工作電源 (直流電源或交流整流電源 )轉(zhuǎn)換為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中使用的位置傳感器有許多種類，而霍爾位置傳感器因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便靈 活，易于機(jī)電一體化等優(yōu)點(diǎn)，目前已越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)中元器件的 增加使得系統(tǒng)的可靠性及可維護(hù)性降低，增加了印制電路板的尺寸，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的成本；單片機(jī)的處理速度都比較慢（指令周期為 ms或 us級(jí)），因此，對(duì)于一些可以提高系統(tǒng)性能的復(fù)雜控制算法，如模糊控制、魯棒算法等，很難做到實(shí)時(shí)執(zhí)行。 下面簡(jiǎn)稱為 2407。 TI公司推 出了面向運(yùn)動(dòng)控制、電動(dòng)機(jī)控制的 TMS320LF2407系列 DSP控制器 ,它把一個(gè) 16位的定點(diǎn) DSP核和用于控制的外設(shè)、大容量的片上存儲(chǔ)器集成在單一芯片上 ,為電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)注入了新的活力。 178。時(shí)，該端施加高電平； 60176。 178。有可調(diào)死區(qū)時(shí)間及其時(shí)鐘振蕩器 圖 37無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)框圖 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè)（共 37 頁(yè)） 178。 單片機(jī)最小系統(tǒng)作為主控單元 ， 轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)由單片機(jī)采樣輸入 ,來(lái)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速以及加速度 ， 電樞電流信號(hào)經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器由單片機(jī)的輸入口輸入 。此時(shí)，繞組的連接是 B與 C兩相繞組串聯(lián)后再同 A相繞組并聯(lián)，如果假定流過(guò) A相繞組的電流為 I，則流過(guò) B和 C兩相繞組的電流分別為 1/2。 V F 1 V F 5V F 4 V F 6 V F 2V F 3三相直流譯碼電路U1H1H2H3無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 圖 3— 4 Y形連接繞組三相全控 橋式電路 兩兩導(dǎo)通方式，即每一瞬間有 2個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔 1/6周期一次，每次換相一個(gè)功率管，每一功率管導(dǎo)通 120度電角度。在三相半控電路中，要求位置傳感器的輸出信號(hào) 1/3 周期為高電平， 2/3 周期為低電平，并要求各傳感器之間的相位差也是 1/3 周期，如圖 3— 3所示。微控制器的另一個(gè)重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號(hào)，以及隨機(jī)發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò) AD 變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號(hào)。 我國(guó)無(wú)刷直流電機(jī)的研制工作始于二十世紀(jì) 70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。這樣對(duì)作為這兩大技術(shù) (含其產(chǎn)業(yè) )的基礎(chǔ)元件之一的微特電機(jī)必將迎來(lái)又一個(gè)快速發(fā)展的春天 ,而作為微特電機(jī)中的永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)成為新世紀(jì)的一大朝陽(yáng)產(chǎn)品也就理所當(dāng)然。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指以電能為電源 ,通過(guò)電動(dòng)機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)器及傳感器與控制器進(jìn)行能量變換的動(dòng)力系統(tǒng) ,是世界主要?jiǎng)恿θ骸? (4)必須與一定的電子換向線配套使用 ,從而使總體成本增加。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)還具2 選題背景 第 13 頁(yè)（共 37 頁(yè)） 有高能量密度 ,高轉(zhuǎn)矩慣性比、高效率等特點(diǎn) ,在快速性、可控性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì) ,且制造和維修成本大大降低。 2 選題背景 電動(dòng)機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械力的設(shè) 備，其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)軸提供的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩是滿足機(jī)械負(fù)載要求的兩個(gè)生重 要的工作指標(biāo)。輸出轉(zhuǎn)矩的 最大 平均值 Ta 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè)（共 37 頁(yè)） 電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)動(dòng)后，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)切割定子 繞組，在各相繞組上 c產(chǎn)生出感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)。 時(shí)，電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩過(guò)零點(diǎn)如圖所示。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在 0360 電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù) 0120 電角度，繞組電流與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用，使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針 方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)過(guò) 0120 電角度后，便進(jìn)入第二狀態(tài)，這時(shí)繞組 A+B斷電，而繞組 A+C隨之通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過(guò)了 0120 ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繼續(xù) 沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 0120 電角度后，便進(jìn)入第三狀態(tài)，這時(shí)繞組 A+C斷 電， B+C通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng) 也同時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)了 0120 電角度，；它繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò) 0120 電角度后就恢復(fù)到初始狀態(tài)了。 Kt/2Ra)Kt(KeW/2Ra)，其中 Ke、 Kt 為電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，當(dāng)角速度 W一定時(shí)，改變占空比可以線性的改變電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，而調(diào)制波的占空比可以通過(guò)一定的控制電路來(lái)控制位置傳感器，從而可以控制相應(yīng)定子線圈 通電時(shí)間的長(zhǎng)短，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩受到的電磁轉(zhuǎn)矩作用的時(shí)間發(fā)生變化，最終得以控制電機(jī)的加速和制動(dòng)過(guò)程；角速度 W取決于速度指令 Vc 的高低 ，如果速度指令最大值為 +5V，則 對(duì)應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速 ，+5V 以下任何電平即對(duì)應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速 n，這就實(shí)現(xiàn)了變速設(shè)定。直流無(wú)刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制 (驅(qū)動(dòng)器 )，控制定子旋轉(zhuǎn)磁1 前言 第 7 頁(yè)（共 37 頁(yè)） 場(chǎng)的頻率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。 為了實(shí)現(xiàn)電子換向 ， 必須有位置信號(hào)來(lái)控制電路。永磁體 NS 交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差 120176。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到其他位置時(shí)，位置傳感器依次控制 V2,V3功率開關(guān)的導(dǎo)通，從而讓定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，持續(xù)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái) 。 1 前言 第 3 頁(yè)（共 37 頁(yè)） 圖 11 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 圖 1— 1中的 位置傳 感器主要用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，并且反饋給控制電路，控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來(lái)控制電樞電流，確保定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終垂直 。 可變負(fù)載應(yīng)用：