【正文】 VSS（ 20 腳）為供電端口，分別接 +5V 電源的正負(fù)端。經(jīng)拉式變換后得 )(2)(2)()( sLsIsRIsEsU ddd ??? )()( sICsT dme ? )(375)()( 2 ssnGDSTsT Le ?? )()( snCSE e? 在零初始條件下，對(duì)式取拉氏變換得電壓與電流和電流與電動(dòng)勢(shì)之間得傳遞函數(shù)分別為： sTRsRLREsusImdd????? 121121)()( sTRsIsI SE mld ?? )()( )( mem CCRGDT3752? 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)要介紹了無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成和基本工作原理，分析了無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，并推出了其傳遞函數(shù)，為后面的仿真研究、實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了依據(jù)。當(dāng)然，其大小同主回路的接法 (如三相半控或三相全控 )以及開關(guān)管的換相方式 (如兩兩換相或三三換相 )有關(guān)。 由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度在電動(dòng)機(jī)氣隙中是按正弦規(guī)律分布的，即 ?sinMBB?，這樣一來，如果在定子中某一相 (例如 B 相 )繞組中通入持續(xù)的直流電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為：?sinrILBZT MDM ? （ ） 式中： DZ— 每相繞組的有效導(dǎo)體數(shù)； L— 繞組中導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度，即磁鋼長(zhǎng)度，單位 m； r— 電動(dòng)機(jī)中氣隙的半徑，單位 m； I— 繞組相電流，單位 A 在三相全控電路兩兩通電時(shí)，共有六種通電方式，每種方式都由兩個(gè)繞組線圈串聯(lián)通電，這時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為兩個(gè)繞組的轉(zhuǎn)矩合成，其大小為： MTT 3? （ ） 就是說某一相通以持續(xù)不變的直流后，它和 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也將隨轉(zhuǎn)子位置的不同而按正弦規(guī)律變化，如圖 所示。古通常均做如下假設(shè)。但僅這樣做還是不行的，因?yàn)橛靡话阒绷麟娫唇o定子上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，它不能與運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)相互作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)動(dòng)。通過感知轉(zhuǎn)子上的磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化來辨別轉(zhuǎn)子所處的位置。 耦合式是指變壓器耦合 (即磁電式 )和高頻空心線圈耦合等。目前，三相半橋和三相橋式逆變器主電路均有商品化功率集成 電路出售，在設(shè)計(jì)時(shí)可以選用。功率逆變器主電路與繞組的聯(lián)接形式、電機(jī)的功率等有關(guān)。 同時(shí)，如果假定電流為平頂波，電機(jī)工作在兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式時(shí)，總的電磁轉(zhuǎn)矩是每相電磁轉(zhuǎn)矩的兩倍。 ? 為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。因此，無刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路有星形連接三相半橋式、星形連接三相橋式和三角形連接三相橋式。 圖 2． 1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成 圖 2． 1 中，直流電源通過控制電路控制電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)來控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而自動(dòng)地控制了哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實(shí)現(xiàn)電子換向。 2．對(duì) 89 系列的微控制器內(nèi)核和片內(nèi)存儲(chǔ)器、端 口輸入／輸出、片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列以及片內(nèi)調(diào)試電路等特性進(jìn)行系統(tǒng)介紹。 單片機(jī)的低電壓和低功耗也是新一代單片機(jī)的特色。在電動(dòng)機(jī)的控制中，要用到鍵盤和顯示器作為人機(jī)界面，有時(shí)還要用到外接存儲(chǔ)器，這時(shí)使用有 同步串行總線接口的芯片將會(huì)大大減小電路的尺寸，降低成本。捕捉功能在電動(dòng)機(jī)控制中可用于測(cè)頻。 (5) 可提供人機(jī)界面，多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作 在電動(dòng)機(jī)的控制中，要用到鍵盤和顯示器作為人機(jī)界面。微處理 器取代模擬電路作為電動(dòng)機(jī)的控制器有如下特點(diǎn)網(wǎng)： (1) 使電路更簡(jiǎn)單 模擬電路為了實(shí)現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件，使電路復(fù)雜。機(jī)械、紡織、印染、冶金、輕工等行業(yè)所需的與小型交流異步電動(dòng)機(jī)功率等級(jí)對(duì)應(yīng)的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī) (功率在 范圍 )應(yīng)用才慢慢展開。 1955 年，美國 D ②無電氣接觸火花、無線電干擾少，不必經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)和修理，可工作于高真空、不良介質(zhì)環(huán)境。 ③由于沒有轉(zhuǎn)子發(fā)熱，無刷 直流電動(dòng)機(jī)也無需要考慮轉(zhuǎn)子冷卻問題。 近年來，電動(dòng)機(jī)的控制部分已由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù) 與辦公設(shè)備中，還是在日常生活中的家用電器中，都大量地使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。 在硬件電路設(shè)計(jì)中，提出了檢測(cè)方案和調(diào)節(jié)方案。重點(diǎn)討論了在調(diào)節(jié)方案，為了克服經(jīng)典 PID 算法中參數(shù)不易確定的問題。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在有90％以上的動(dòng)力源來自于電動(dòng)機(jī)．我國生產(chǎn)的電能大約有 60％用于電動(dòng)機(jī)。在 選擇單片機(jī)的過程中，過去很多學(xué)者認(rèn)為 8 位單片機(jī)不適合作為電機(jī)控制器，而轉(zhuǎn)向使用 16 位單片機(jī)。 ④盡管感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用較為普通和成熟，但由于其非線性本質(zhì)，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。 ③可在高轉(zhuǎn)速下工作，專門設(shè)計(jì)的高速無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘 10萬轉(zhuǎn)以上 ，并且機(jī)械噪聲很低。哈利森等人首次申請(qǐng)了應(yīng)用晶體管換向代替電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向器換向的專利，這就是現(xiàn)代無刷直流電動(dòng)機(jī)的雛形。隨著國際經(jīng)濟(jì)一體化趨勢(shì)的到來，我國的無刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)充滿發(fā)展機(jī)會(huì)。采用微處理器后，絕大多數(shù)控制邏輯可通過軟件實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在普遍采用單片機(jī)作為電動(dòng)機(jī)的控制器，單片機(jī)是世間上使用量最大的微處理器。它相當(dāng)于在老式單片機(jī)中用計(jì)數(shù)器與外中斷聯(lián)合測(cè)頻功能。 (2) 速度更快 速度更快了是新一代單片機(jī)的又一個(gè)最大特點(diǎn)。大多數(shù)單片機(jī)都有休眠省電工作方式，一些單片機(jī)還采用 3V 電壓供電，這些措施都可以減少單片機(jī)耗電。 3．概括介紹了本系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制總體設(shè)計(jì)方案，其中包括相應(yīng)的檢測(cè)方案和采用模糊策略對(duì) PID 控制器的調(diào)節(jié)方案，并對(duì)其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了相關(guān)介紹。 電機(jī)本體 無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖 2． 2 所示。在此，主要看一下星形連接三相橋式主電路。 可見，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動(dòng)勢(shì)的大小。 (2) 三三導(dǎo)通方式 三三導(dǎo)通方式是任一瞬間使三個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。目前以星形三相三狀態(tài)和兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)兩種方式最為常用。 在功率半導(dǎo)體器件與微電子技術(shù)結(jié)合的基礎(chǔ)上，還出現(xiàn)了智能功率模塊 (mM)．它是將功率半導(dǎo)體器件與具有信號(hào)處理功能、自我保護(hù)功能、各種診斷功能等的電路集成或組裝在一起，可以實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路和許多控制電路的功能，使得電機(jī)控制器具有體積小、重量輕、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和可靠性高等顯著特點(diǎn)，是高性能無刷直流電動(dòng)機(jī)的理想器件。 諧振式是利用電感和電容等元件組成的諧振電路，當(dāng)滿足諧振條件時(shí)，輸出信號(hào)最強(qiáng)，以此控制電樞繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷。 在長(zhǎng)方形半導(dǎo)體薄片上通以電流 hI， 當(dāng)將半導(dǎo)體薄片置于外磁場(chǎng)中，并使其與外磁場(chǎng)垂直時(shí)，則在與電流 HI和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 會(huì)構(gòu)成的平面相垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì) HE，稱其為霍爾電動(dòng)勢(shì)，其大小為： BIKE HHH ? （ ） 式中 HK是霍二式原件的靈敏度。所以，無刷直流電動(dòng)機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動(dòng)機(jī)的本體以外， 還要有由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置，使得無刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)，在空間始終保持在rad2?左右的電角度，從而使電機(jī)能不停的運(yùn)轉(zhuǎn)。 （ 1） 電動(dòng)機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度沿氣隙按正弦分布。 圖 在恒定電流下的單相轉(zhuǎn)矩 它對(duì)外負(fù)載講，所得的電動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)矩為零。 目前己指出，為簡(jiǎn)便計(jì)算，假定各相繞組對(duì)稱、相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)忽略不計(jì)。 3 單片機(jī) 本課題的控制對(duì)象時(shí)無刷直流電動(dòng)機(jī)，其控制中心是單片機(jī)。 P0~P3 為可編程通用 I/O 腳，其功能用途由 軟件 定義，在本設(shè)計(jì)中， P0 端口（ 32~39 腳）被定義為 N1 功能 控制端口 ，分別與 N1的相應(yīng)功能管腳相連接， 13 腳定義為 IR 輸入端， 10 腳和 11腳定義為 I2C 總線控制端口，分別連接 N1的 SDAS（ 18腳）和 SCLS（ 19腳）端口， 12 腳、 27 腳及 28 腳定義為握手信號(hào)功能端口，連接主板 CPU 的 相應(yīng)功能端， 用于當(dāng)前制式的檢測(cè)及會(huì)聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。系統(tǒng)通過軟 、硬件的協(xié)調(diào)配合采用全數(shù)字雙閉環(huán)控制?；魻栁恢脗鞲衅骼么琶艋魻栐z測(cè)轉(zhuǎn)子永磁磁極位置，假設(shè)當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁 N 極接近霍爾元件時(shí)，輸出信號(hào)為高電平，而當(dāng)轉(zhuǎn)子 S 極接近霍爾元件時(shí)，輸出信號(hào)為低電平，那么轉(zhuǎn)子永磁磁極間位置就是霍爾元件輸出電平位上升沿或下降沿的位置。電流是電機(jī)內(nèi)部最基本的物理量。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體上的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)近似相等時(shí)，由磁勢(shì)平衡原理可知，線圈上流過的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與線圈的匝數(shù)成反比，而與被測(cè)導(dǎo)體的電流成正比。 對(duì)于兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)無刷直流電動(dòng)機(jī)，在任一時(shí)刻，只有兩相繞組通電，電流從一相繞組流入，再從 一相繞組流出，電流大小與直流側(cè)電流大小相等。如果電動(dòng)機(jī)最大電流為 Jo，則采樣電阻按式 (4． 1)選擇 max? （ ） 速度信號(hào)檢測(cè) 在一般的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，通常均在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼器等測(cè)速裝置，以此來精確地測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 PID 調(diào)節(jié)器 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對(duì)象隨著負(fù)荷變化或干擾因素影響，其對(duì)象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。而位置式 PID 控制算法也可通過增量式控制算法推出遞推計(jì)算公式為式 (4． 10） kkk uuu ?? ?1 （ ） PID 調(diào)節(jié)器各參數(shù)對(duì)控制效果的影響 PID 三大參數(shù)選擇的好壞，直接影響到控制效果的好壞。只要有偏差存在，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)就不斷動(dòng)作，直到把偏差信號(hào)消除。適當(dāng)選取微分環(huán)節(jié)，可以減小系統(tǒng)的超調(diào)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是過大的微分系數(shù)會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且對(duì)變化的過于敏感使系統(tǒng)的抗干擾性能變差。柵極驅(qū)動(dòng)集成電路接收從數(shù)字信號(hào)處理器、微控制器或其他的邏輯器件的邏輯輸出的信號(hào)而產(chǎn)生開 通和關(guān)閉MOSFET 或 IGBT 所必需的電流和電壓。它自身工作和電源電壓的范圍較寬(3～ 20V)，在它的內(nèi)部還設(shè)計(jì)有與被驅(qū)動(dòng)的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計(jì)還保證了內(nèi)部的 3個(gè)通道的高 壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)使用，亦可只用其內(nèi)部的 3個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，并且輸入信號(hào)與 TTL 及 COMS 電平兼容。它在芯片內(nèi)部是漏極開路輸出端，低電平有效。發(fā)生故障后， IR2130內(nèi) 的故障邏輯處理單元的輸出將保持故障閉鎖狀態(tài)．直到故障清除后，在信號(hào)輸入端 LIN1～ LIN3同時(shí)被輸入高電平，才可以解除故障閉鎖狀態(tài)。圖 5． 5說明了該電路的工作原理。DI～ D6是續(xù)流二極管，由于其工作頻率較高，因而要求具有較好的開關(guān)特性，普通的二極管難以勝任，通常選擇快速恢復(fù)二極管或開關(guān)二極管，這兩個(gè)部分構(gòu)成了主電路的主體。 圖 系統(tǒng)仿真簡(jiǎn)化圖 轉(zhuǎn)速環(huán)模擬電路圖如圖 所示。圖 為調(diào)速系統(tǒng)框圖。這一步的軟件設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)目的 ，一是構(gòu)建系統(tǒng)的軟件框架，為下面的雙閉環(huán)控制建立調(diào)試和監(jiān)測(cè)環(huán)境；二是通過軟件編程，較好的解決電機(jī)繞組的換相問題，掌握位置反饋信號(hào)和電機(jī)繞組通斷電的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成電機(jī)的速度給定和正反轉(zhuǎn)控制。 通過 Matlab 建立的電機(jī)轉(zhuǎn)速，仿真結(jié)果表明該模型的輸出波形與理論分析完全吻合。 (2)5v：?jiǎn)纹瑱C(jī)的 17個(gè)端口，容許 5V輸入。當(dāng)下橋臂開關(guān)管關(guān)斷后，電容器上的電壓保持不變，此時(shí)即可開始為上橋臂驅(qū)動(dòng)電路供電，當(dāng)下橋臂再次導(dǎo)通，電容器上損失的電壓即可得到補(bǔ)充。當(dāng)逆變器同一橋臂 上 2個(gè)功率器件的輸入信號(hào)同時(shí)為高電平，則 IR2130輸出的 2路門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，從而可靠地避免橋臂直通現(xiàn)象發(fā)生。 (2)IR2130內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理 IR2130的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 5． 3所示，它的內(nèi)部集成有 1個(gè)電流比較器CURRENTCOMPARATOR， 1個(gè)電流放大器 CURR