【正文】 ENT AMP， 1個自身工作電源欠壓檢測 UNDER VOLTAGE DETECTOR， 1個故障處理單元 FAULT LOGIC 及 1個清除封鎖邏輯單 CLEAR LOGIC。 VS1～ VS3． 是其對應(yīng)的懸浮電源地端。所有的 IR 公司柵極驅(qū)動集成電路是與 CMOS 兼容的，而且大多數(shù)是與 TTL 兼容的，輸出電流高達 2A。在本系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制。加大積分系數(shù)有利于減小系統(tǒng)的靜差，但過強的積分作用會使超調(diào)增大。加大比例系數(shù)可以提高系統(tǒng)對偏差的分辨率，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。因此，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量采用的仍然是 PID 算法， PID 參數(shù)的整定方法很多，但大多數(shù)都以對象特性為參數(shù)。無刷直流電動機轉(zhuǎn)子霍爾位置傳感器可以檢測轉(zhuǎn)子磁極位置角，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 3600電角，霍爾信號狀態(tài)變化 6次。電流檢測電路主要由分流電阻、濾波電容、功率放大器組成。上電壓達到測量電流的目的。 （ 1）電流互感器法 圖 ，它類似于變壓器，是利用交流電的電磁感應(yīng)原理測量電流的，如工頻交流電流，適用于高壓大電流 ，但測量動態(tài)或低頻等信號時，精度不高。 數(shù)字 I/O 口輸入是將數(shù)字 I/O 口引腳設(shè)置成輸入功能，霍爾元件的輸出信號經(jīng)過單片機的數(shù)字 I/O 口輸入，定時讀取 I/O 口端口數(shù)據(jù)寄存器，并判斷霍爾位置信號的電平高低變化，從而確定轉(zhuǎn)子位置信息，并估計轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，達到控制無刷直流電動機導(dǎo)通順序的目的。檢測信號分為電量和非電量兩類。很多國內(nèi)外學(xué)者對于無位置傳感器的無刷直流電機 (雙無電機 )進行了許多研究，針對雙無電機位置檢測和起動問題提出了不少方案，但 這些方案盡管省去了位置傳感器，卻由于轉(zhuǎn)子位置檢測電路、起動控制電路等的加入使得整個控制系統(tǒng)的硬件電路趨于復(fù)雜化，不可避免地帶來系統(tǒng)工作可靠性和穩(wěn)定性的問題。 功能特性 兼容 MCS51指令系統(tǒng) 8kB 可反復(fù)擦寫 (大于 1000次） Flash ROM； 32個雙向 I/O 口； 256x8bit 內(nèi)部 RAM； 3個 16位可編程定時 /計數(shù)器中斷； 時鐘頻率 024MHz； 2個串行中斷，可編程 UART 串行通道； 2個外部中斷源，共 8個中斷源； 2個讀寫中斷口線， 3級加密位； 低功耗空閑和掉電模式， 軟件 設(shè)置睡眠和喚醒功能； 1有 PDIP、 PQFP、 TQFP 及 PLCC 等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。只不過其中的轉(zhuǎn)矩和反電勢運用平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動勢的概念。 顯然在繞組通電的時間里，如果載流導(dǎo)體正好處在比較強的氣隙磁場中，它所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動小，轉(zhuǎn)矩平均值較大。 （ 3） 控制電路在開關(guān)狀態(tài)下工作，功率晶體管壓降為恒值。 電動機本體的電樞繞組為三相星形連接、位置傳感器與電動機本體同軸，控制電路對 位置信號進行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電動機的各相繞組按一定的順序工作。 2． 2 無刷直流電動機的基本工作原理 眾所周知，一般的永磁式直流電 動機的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機氣隙中產(chǎn)生磁場。 由于永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子是永磁，因此常用磁敏式霍爾位 置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置。 轉(zhuǎn)子位置傳感器 無刷直流電動機除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動機的本體以外，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，使得無刷直流電動機在運行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的永磁磁場，在空間始終保持在rad2?左右的電角度。目前，無刷直流電動機中功率開關(guān)管主要為功率 MOSFET 和 IGBT。由此可見，三三導(dǎo)通方式也有六種導(dǎo)通狀態(tài)，同樣也是每隔 600 改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改變一次工作狀態(tài)換相一次，但是每個開關(guān)管導(dǎo)通 180。 圖 給出了無刷直流電動機三相繞組的反電動勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的開關(guān)導(dǎo)通規(guī)律。 （ 1）二二導(dǎo)通方式 二二導(dǎo)通方式是指在任意瞬間使兩個開關(guān)同時導(dǎo)通。 無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的，具有一定的磁極對數(shù)的永磁體，產(chǎn)生隙磁通。 5．采用軟件模塊化實現(xiàn)了無刷直流電動機系統(tǒng)速度、電流的雙閉環(huán)軟件設(shè)計，其中包括轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)和其他環(huán)節(jié)的實現(xiàn)，結(jié)合軟硬件調(diào)試整個電路。例如，數(shù)碼攝像機、便攜式儀器、便攜式視聽設(shè)備、筆記本電腦中的光盤驅(qū)動器和磁盤驅(qū)動器等。對于實時性很強的控制，速度低的單片機往往不能勝任。 近年來，單片機的一個重大變化是出現(xiàn)了各種同步串行總線，如 sⅣ總線、 2c 總線。在我國經(jīng)歷了 Z80 單板機時代和 MCS． 51 單片機時代。 (3) 靈活性和適應(yīng)性 微處理器的控制方式是由軟件完成的。特別是隨著專用控制集成電路的批量生產(chǎn)，價格大幅度下降，解決了妨礙無刷直流電動機向民用領(lǐng)域發(fā)展的高價格問題，使無刷直流電動機的應(yīng)用更方便、更容易推廣普及。 而后又經(jīng)過人們的多年努力，借助于霍爾元件來實現(xiàn)換向的無刷直流電動機終于在1962 年問世，從而開創(chuàng)了無刷直流電動機的新紀元。 1． 2． 2 無刷直流電動機發(fā)展歷程 一百多年來，電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個 領(lǐng)域以及人們的日常生活之中，電動機主要 類型有同步電動機、異步電動機與直流電動機三種，其容量小到幾瓦，大至上萬千瓦。 (3) 由于采用電力電子器件代替機械換向器，無刷直流電動機克服了有刷直流電動機的致命缺點。因此， 8 位單片機將會成為普通電動機控制的主流處理器。 由于直流電動機具有非常優(yōu)秀的線性機械特性、寬的調(diào)速范圍、大的啟動轉(zhuǎn)矩、簡單的控制電路等優(yōu)點，長期以來一直廣泛地應(yīng)用在各種驅(qū)動裝置和伺服系統(tǒng)中。仿真結(jié)果表明該模型的輸出波形與理論分析完全吻合。如今，利用單片機為核心設(shè)計的直流無刷電機控制系統(tǒng)，由于其固有的結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速范圍寬、低噪聲、高功率密度、啟動扭矩大、壽命長等特點，在日常生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。實驗結(jié)果證明，該設(shè)計方案合理，工作穩(wěn)定，具有較高的性能指標。 隨著電子技術(shù)、功率元件技術(shù)和高性能的磁性材料制造技術(shù)的飛速發(fā)展，這種想法已成為現(xiàn)實。 ②由于沒有轉(zhuǎn)子損耗，也無需定子勵磁電流分量，所以無刷直流電動機具有較高的效和功率密度。高性能的無刷直流電動機工作 壽命可達數(shù)十萬小時。 20 世紀 30 年代，就有人開始研制以電子換向來代替電刷機械換向的無刷直流電動機，并取得了一 定成果。國外發(fā)達國家在民用領(lǐng)域推廣，并形成無刷直流電動機及驅(qū)動器件的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)；國內(nèi)研發(fā)和生產(chǎn)的無刷直流電動機品種和數(shù)量不多主要用于軍工國防設(shè)備。各國電子元件制造商瞄準無刷直流電動機這一巨大市場，十分重視無刷直流電動機專用控制集成電路芯片的開發(fā)和生產(chǎn)。 (4) 無零點漂移，控制精度高 數(shù)字控制 不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點漂移問題。 PWM 口廣泛地應(yīng)用在直流電動機控制中。還有一個最突出的優(yōu)點是單片機可利用的引腳相對增多。這樣一來，一方面提供了更多的 引腳作為 FO 口使用，另一方面也可以去掉眾多引腳而使芯片小型化。 本論文主要研究內(nèi)容 國內(nèi)在無刷直流電動機控制系統(tǒng)領(lǐng)域理論研究多，而基于單片機實現(xiàn)的系統(tǒng)少，本論文針對這種發(fā)展現(xiàn)狀，將側(cè)重點放在系統(tǒng)的基本實現(xiàn)上，開發(fā)設(shè)計出一套能夠?qū)崿F(xiàn)無刷直流電機控制的完整軟硬件系統(tǒng)。那么，能不能既保持直流電動機的優(yōu)良特性，又去掉機械換向裝置呢 ?無局 4 直流電動機正是在直流電動 機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型電機。 各相繞組分別與電子開關(guān)電路相連，開關(guān)電路中的開關(guān)受位置傳感器的信號控制。 電機的瞬時電磁轉(zhuǎn)矩可由電樞繞組的電磁功率求得： ???? ccbbaae ieieieT （ ） 式中 ae、 b、 c為 A、 B、 C 三相繞組的反電動勢。由此可見，如果忽略換相過程的影響，當梯形波反電動勢的平頂寬大于等于 120電角度時，電機的轉(zhuǎn)矩脈動為 0。而在三三通電方式下，因每個管子導(dǎo)通時間為 1800 電角度，一個管子的導(dǎo)通和關(guān)斷稍有延遲，就會發(fā)生直通短路，導(dǎo)致開關(guān)器件損壞。 PIC 將多個 (如 2 個或 6 個 )功率開關(guān)管及其快恢復(fù)二極管集成為一體。 敏感式位置傳感器是利用敏感元件來感受轉(zhuǎn)子位置信息，并輸出電信號去控制各相繞組的導(dǎo)通順序。 霍爾式位置傳感器是利用“霍爾效應(yīng)”來進行工作的。無刷直流電動機為了實現(xiàn)無電刷換向，首先要求把一般直流電動機的電樞繞組放在定予上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上。 無刷直流電機的運行 特性和傳遞函數(shù) 要十分精確的分析無刷直流電動機的運行特性是十分困難的。 下面以三相全控電路，兩兩通電模式為例分析無刷直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時的特性。 圖 三相無刷直流電動機全控電路的反電動勢 由上述分析，可以很方便的求出輸出轉(zhuǎn)矩的平均值疋和感生電動勢的平均值 E。在 AB相導(dǎo)通時，0?ci，由于繞組中性點電流為零，則 dbaiii ???可得到如下電壓平衡方程組為： dtdiLRiEu daaa ??? () dtdiLRiEu bbab ??? () 兩式相減得： dtdiLRiEu ddd 22 ??? () 這里 baduuu ??為逆變器輸出電壓， baEEE ??為平均反電動勢。主要管腳有： XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。電流的反饋是通過檢測電阻 R 上的壓降來實現(xiàn)。在電機控制系統(tǒng)中，常用的檢測信號主要有電流、電壓、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速等物理量。在電機的起動過程中，使電機在所能允許的最大電流下“恒流”起動，保證起動的快速性；在轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨電流給定變化。當被檢測導(dǎo)體流過電流時，導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場集中在聚磁環(huán)的氣隙中，氣隙磁場使安放在氣隙中的 霍爾元件產(chǎn)生霍爾電勢，這是因為霍爾元件上流過恒定電流所致。這種方法是最基本的。電流檢測信號一方面作為 1112130的過流保護信號，接至刀 R2130的 ITRIP 腳；另一方面作為電流環(huán)的反饋信號輸入到單片機中。利用定時器確定相鄰 2次霍爾狀態(tài)變化所需要的時間，就可以計算轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速。 圖 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值)(tr與實際輸出值)(ty構(gòu)成控制偏差 )()()( tytrte ?? （ ） PID 的控制規(guī)律為])()(1)([)( 0 dt tdeTdtteTteKtu Dtlp??? ? （ ） 式中 PK是比例系數(shù)， lT為積分時間常數(shù)， dT是微分時間常數(shù)，將公式 )]([ 10 ?? ???? ? kkDkj jlkpkeeTTeTTeKu () 式中，k 為采樣序號， k=1,2... Tt?? 采樣周期，必須使 T 足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度。比例系 數(shù)過大會產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；若取的過小，可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，穩(wěn)定裕度增大，但會降低系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，使過渡時間延長。它能給出響應(yīng)過程提前制動的減速信號。其中三相無刷直流電動機定子繞組為星形接法，控制器單片機采用 C8051F330，驅(qū)動電路采用取公司的專用集成芯片 IR2130，逆變器采用三相橋式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子位置采用霍爾元件檢測，并利用位置信號去計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)。 IR2130是三相逆變橋 MOSFET 或 IGBT 柵極驅(qū)動集成電路。 CA、 CAO、 VSO：內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來完成電流信號檢測。而驅(qū)動上橋臂功率管的信號 H1～ H3先經(jīng)集成于 IR2130內(nèi)部的 3個脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進行電位變換， 變?yōu)?3路電位懸浮的驅(qū)動脈沖，再經(jīng)對應(yīng)的 3路輸出鎖存器鎖存并經(jīng)嚴格的驅(qū)動脈沖與否檢驗之后，送到輸出驅(qū)動器進行功放后才加到被驅(qū)動的功率管。 圖 IR2130和 COM 逆變器的接線原理圖 驅(qū)動電路可分為下橋臂驅(qū)動和上橋臂驅(qū)動兩部分，兩部分驅(qū)動電路都需要有充足的電源供應(yīng)才能完成驅(qū)動工作。鑒于所研究的實驗系統(tǒng)容量較小，主 開關(guān)器件采用功率 MOS 場效應(yīng)管 MOSFET。 系統(tǒng)總體硬件示意圖 按照上面的步驟，設(shè)計系統(tǒng)總體硬件圖，如圖 5． 6所示。程序的調(diào)試是在 uV2 集成開發(fā)環(huán)境中進行的。 系統(tǒng)程序主要由主程序模塊和中斷程序模塊構(gòu)成：主