【正文】 1 圖 68（ b） 中頻時(shí) N=33 單片機(jī)發(fā)出波形仿真 從實(shí) 際波形看來，其同仿真波形仍然是有差異的，但是變化趨勢(shì)是可以看出來的， 不難看出，這時(shí)候因?yàn)檩d波比減小，開關(guān)頻率明顯降低，但是在實(shí)際中，開關(guān)頻率并沒有明顯降低，因?yàn)檎{(diào)制波的頻率在升高，這里這樣做的目的就是為了減少調(diào)制波頻率升高帶給單片機(jī)和 MOS 管的壓力。 從實(shí)物圖 62 可以看出，電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)。在軟件當(dāng)中也可以采用一些技巧，如單步調(diào)試可以查看程序的走向，再如查看寄存器的值以驗(yàn)證變量的值是否是想要的值。 [在此處鍵入 ] 34 開始Fr = 80 ?Y計(jì)算 N = 63 時(shí)開關(guān)周期值Fr = 150 ?NY計(jì)算 N = 33 時(shí)開關(guān)周期值N Fr 200 ?Y計(jì)算 N = 21 時(shí)開關(guān)周期值頻率給定增加 頻率給定增加 頻率給定增加F l a g 1 = 1 ?F l a g 2 = 1 ?清標(biāo)志 ， 賦值Y清標(biāo)志 ， 賦值 清標(biāo)志 ， 賦值返回 返回返回F l a g 1 = 1 ?F l a g 2 = 1 ?YFl a g 1 = 1 ?Fl a g 2 = 1 ?YN NN 圖 57 中斷服務(wù)程序流程圖 [在此處鍵入 ] 35 第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試 硬件調(diào)試 對(duì) 硬件 PCB 板的調(diào)試是是遵循這樣的原則的：化整為零分模塊調(diào)試，從輸入到輸出，從前級(jí)到后級(jí)依次調(diào)試。值得注意的是，在采用全比較單元 PWM 波形的時(shí)候， 定時(shí)器本身的比較功能應(yīng)當(dāng)關(guān)閉掉。 綜合以上考慮， 分段同步調(diào)制 載波比 分別取 取 6 3 21，保證輸出波形高度對(duì)稱，并且盡量提高載波比?？紤]到本系統(tǒng)輸出頻率 較 高，選用 分段 同步調(diào)制較好。 u 圖 54 同步調(diào)制波形 [在此處鍵入 ] 30 同樣的，如果 載波信號(hào) 三角波的頻率 cF 隨 調(diào)制信號(hào) 正弦波的頻率 Fr的變化而變化 ，則 稱這種方法為異步調(diào)制。 [在此處鍵入 ] 29 圖 53 雙極性 SPWM 調(diào)制示意圖 綜合以上考慮，本次設(shè)計(jì)采用雙極性調(diào)制 。 設(shè)正弦調(diào)制信號(hào)波為 (51) 式中， a 稱為調(diào)制度， 0≤a1； ?r為正弦信號(hào)波角頻率，從圖 51 中得如下關(guān)系式 (52) 因此可得 [在此處鍵入 ] 27 (53) 則占空比 (54) 比較值為 (55) 式（ 54） 是規(guī)則采樣 法 單相 SPWM 波占空比的算法公式，依此可容易得到其他兩相的占空比公式，思路是在 A 相角頻率的基礎(chǔ)上讓角頻率滯后 120 度、 240 度。這種在自然交點(diǎn)處控制 MOS 管 關(guān) 斷的方法，需要實(shí)時(shí)求解一個(gè)超越方程。使用集成芯片 方式的靈活性較低，不宜實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。在載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的交點(diǎn)處 改變開關(guān)狀態(tài) ，得到脈寬 按照 正弦波幅值 變化 的一組等幅 不 等寬的矩形脈沖序列，用這個(gè)脈沖序列來改 變功率開關(guān)器件的通斷。第一 部分 是 SPWM 波 形 的生成程序，這是整個(gè)程序的主體 。電源模塊部分電路圖如 42 所示： 圖 42 電源模塊電路圖 [在此處鍵入 ] 22 單片機(jī)控制模塊 單片機(jī)控制模塊主要 應(yīng)用了 LS0T52AX 的全比較單元模塊，生成 6路 PWM 波形 （ P20P25） 作為驅(qū)動(dòng)電路的輸入 。 [在此處鍵入 ] 19 圖 39 三相電壓仿真波形 如圖 310 所示為單片機(jī)發(fā)出 SPWM 波形仿真，可以看到波形相對(duì)稀疏，開關(guān)頻率更低 ， 可以看到減小載波比減小了開關(guān)頻率，降低了單片機(jī)的壓力，但同時(shí)是以犧牲精度為代價(jià)的 。 [在此處鍵入 ] 15 圖 33 電機(jī)三相電壓仿真波形 如圖 34 所示為單片機(jī)發(fā)出 SPWM 波形仿真 ，可以看出，波形比較密集，開關(guān)頻率高。 本次設(shè)計(jì)所采用的方法 本次設(shè)計(jì)本著設(shè)計(jì)一款低成本的控制器的宗旨，在認(rèn)真分析各種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)之后，選擇了無傳感器方式下的 基于 SPWM 的變壓變頻開環(huán)控制方法， SPWM 生成的方式采用規(guī)則采樣法，并且為了克服一些[在此處鍵入 ] 12 其他方面的不足，采用較為復(fù)雜的分段同步調(diào)制。 兩種控制方式的比較 a. 有位置傳感器 優(yōu)點(diǎn)： (1) 因?yàn)橛谢魻栁恢脗鞲衅?，所以電機(jī)換相準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)子位置檢測的準(zhǔn)確度不受電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響； (2) 不需要外加的轉(zhuǎn)子位置檢測電路， 硬件電路簡單； (3) 電機(jī)換相控制編程簡單，不需要處理濾波延遲等問題。掉電模式切斷片內(nèi)所有供電線路，僅維持喚醒值班模塊工作， SRAM 中的內(nèi)容維持不變，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 本系統(tǒng)采用 電壓型逆變電路 電壓型逆變電路的逆變器輸出電壓波形為矩形波，輸出電流波形近似正弦波。即每個(gè)橋臂一周期內(nèi)導(dǎo)電 120o，按 VT1 到 VT6 的順序每個(gè) 60o 依次導(dǎo)通，這樣，每個(gè)時(shí)刻上橋臂組的三個(gè)臂和下橋臂的三個(gè)臂都各有一個(gè)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩橋臂進(jìn)行，因此也被稱作縱向換流。無刷 直流 電動(dòng)機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無電刷換相，首先要求把一般直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。 b. 位置傳感器 位置傳感器在無刷 直流 電動(dòng)機(jī)中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后去控制定子繞組換相。這樣電子換相線路中的功率開關(guān)器件，如晶閘管，晶體管等可直接與電樞繞組連接。 本課題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 目前在工業(yè)先進(jìn)的國家里，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的有刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)逐步被無刷直流電機(jī)取代。 the main circuit is a threephase voltage source inverter. Frequency increases by the given integral method. Experimental results show that this control method is reliable, lowcost, and can obtain good dynamic and static performance. In the final test, the design of the system can achieve the following indicators: the motor can accelerate to 3000RPM within 6 seconds, and the motor can finish setup each time。 本文旨在研究一種低成本的無刷直流電機(jī)控制器。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，這種控制方法控制可靠，成本低廉， 能夠獲得良好的動(dòng)靜態(tài)性能。 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 ， 本設(shè)計(jì)旨在研究 設(shè)計(jì) 一款低成本的無刷 直流 電機(jī)控制器。硬件方面包括控制芯片的選擇，主電路的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，及 PCB 板的制作；軟件方面包括 SPWM 波形的生成，單片機(jī)多通道的設(shè)置， VVVF 控 制方法的實(shí)現(xiàn)算法等。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等）。 無刷直流電機(jī)工作原理 一般的永磁 式電動(dòng)機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場。其基本工作方式是 180o導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂導(dǎo)通電角度 180o，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)橋臂交替導(dǎo)通，各相開始導(dǎo)電的電角度依次相差 120o。 (3)當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因?yàn)樨?fù)載阻抗情況不同而不同。 LS 主要功能特性 LS052Ax 片內(nèi)包含 2K～ 64K 字節(jié)程序存儲(chǔ)器 (Flash)， 1K～ 16K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (SRAM)， 4 個(gè) 16 位定 時(shí) /計(jì)數(shù)器， 16 個(gè)中斷源 /兩級(jí)中斷機(jī)制，并發(fā)三道處理引擎， 36 個(gè) I/O 端口驅(qū)動(dòng)器， 2 個(gè)全雙工串行通信端口， 1個(gè) SPI 主從模式通信端口， 2 個(gè) I2C 主從模式通信端口， 1 個(gè)一線通信主模式通信端口， 7 通道空間矢量 SVPWM， 4/8 路 10 位精度 ADC， 1 個(gè)可編程看門狗，振蕩器及時(shí)鐘電路?；魻栁恢脗鞲衅魇悄壳氨容^成熟的 IC 器件，具有體積小、簡單可靠、安裝靈活方便、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的位置傳感器。若傳感器損壞，還可能連鎖反應(yīng)引起逆變 器等器件的損壞； (4) 傳感器的安裝精度對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能影響很大，相對(duì)增加了生產(chǎn)工藝的難度。 圖 31 PSIM 仿真圖 [在此處鍵入 ] 14 仿真波形 及分析 載波比 N=63 如圖 32（ a）所示為載波比 N=63 時(shí)電機(jī)的三相電流波形，可以看出電流波形 比較光滑 接近正弦波。 圖 37 單片機(jī)發(fā)出波形仿真 載波比 N=21 如圖 38（ a）所示為載波比 N=21 時(shí)電機(jī)的三相電流波形，電流波形接近正弦波 但相比來 說波形變得更為粗糙 ，這是因?yàn)檩d波比減小的緣故 。 另外，本次設(shè)計(jì)采用分段同步調(diào)制，仿真中對(duì)不同的 載波比都進(jìn)行了仿真，從結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果和理論分析幾乎相差無幾，這對(duì)后面的硬件調(diào)試起到了很好的指導(dǎo)作用。 本次設(shè)計(jì) 在驅(qū)動(dòng)電路前級(jí)加上三極管 電流放大電路，這樣做的目 的是確保有足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，因?yàn)?LS 芯片本身管腳驅(qū)動(dòng)電流小。 三相 SPWM 原理及算法實(shí)現(xiàn) SPWM 介 紹與原理分析 正弦脈沖寬度調(diào)制 (SPWM)的理論基礎(chǔ)是面積等效原理，該理論是 采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論 ，即 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。這種純硬件的方法使用器件多、線路復(fù)雜、控制精度受影響程度大且輸出頻率和占空比不好控制。 LS052AX 的速度比普通 51 快 ， 再通過策略 以邊查表邊計(jì)算的方式實(shí)現(xiàn) SPWM 波的生成。 圖 51 規(guī)則采樣法 說明 取三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期 ，使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）為對(duì)稱。從開關(guān)器件來看，在半周期內(nèi)，同一相橋臂的上下兩個(gè) MOS 管，其中一個(gè)一直導(dǎo)通，另一個(gè)導(dǎo)通或關(guān)斷。 在載波比為 6 時(shí)，圖54 顯示調(diào)制信號(hào)頻率變化時(shí)半周期內(nèi)的載波信號(hào)個(gè)數(shù)沒有發(fā)生變化。 u u 圖 55 非同步調(diào)制中波形比較圖 還有一種分段 同步 調(diào)制的方法，即在不同的頻率段采用固定的載波比。 硬件方面 載波頻率由 MOS 管的開關(guān)特性限制，它不可能做的很高；軟件方面中斷中修改占空比及周期的速度就越快，受單片機(jī)計(jì)算速度的限制，頻率也不能太高。 主程序以循環(huán)結(jié)構(gòu)運(yùn)行，并等特中斷。 本次設(shè)計(jì)中取 M=4， P=3， f=，可得死區(qū)時(shí)間大約為 540ns。如此進(jìn)行直到 調(diào)試好這個(gè)模塊為止。電機(jī)是阻感 負(fù)載，不需要要濾波，可直接接在逆變器輸出端。 （ a）單片機(jī)管腳輸出波形 （ b）單片機(jī)管腳輸出濾波后波形 圖 66 單片機(jī)輸出 SPWM 波形 如圖 67 所示是 ： （ a） 低頻時(shí) N=63，（ b） 低 頻時(shí) N=63 單片機(jī)發(fā)出的 SPWM 波形 仿真 。 圖 611 反電動(dòng)勢(shì)波形 無刷直流電機(jī)是永磁同步電機(jī)的一種，其反電動(dòng)勢(shì)波形是梯形波，但是對(duì)于小功率無刷之流電機(jī)來說，其反電動(dòng)勢(shì)波形接近正弦波，從而可以采用同步電機(jī)的變壓變頻控制，此次實(shí)驗(yàn)波形正好驗(yàn)證了這一點(diǎn)。 U/F 曲線可調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同負(fù)載。 (3) 本次設(shè)計(jì)的最高頻率是 200Hz， 然而要進(jìn)一步提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高頻率是必須解決的問題，根據(jù)本次設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提高頻率有兩種方法，硬件方面，提高晶振頻率 以縮短計(jì)算時(shí)間 ， LS 單片機(jī)最高可支持 40M 晶振頻率；軟件方面，由于 LS 單片機(jī)有三道程序并發(fā)功能，可以采用一些策略，提高單片機(jī)的運(yùn)算效率，可以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 [在此處鍵入 ] 49 附錄 1 整體電路圖 C13 100uF/50VC5104VCC5D31N4148Vin1GND2+5V3U17805C7104C1222uF/25V24VDR160/1w100MATXDRXDX1C2530PFC2430PFGND394041424344123RST45678910111213XTAL214XTAL115GND16171819202122232。在后期研究當(dāng)中可以采用算法優(yōu)化濾去高次諧波，以減少電機(jī)的發(fā)熱量。 (4) 輸出電流： 2A (5) 輸出功率： 24W。 [在此處鍵入 ] 44 第 7 章 結(jié)論與展望 設(shè)計(jì)結(jié)論 本設(shè)