【正文】 本設(shè) 計(jì)在理論基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)踐，設(shè)計(jì)了一種基于 LS052AX 單片機(jī) 的SPWM 電壓源型 變頻器 ， 用以控制電機(jī)的開環(huán)啟動(dòng)。 如圖 68 所示是：（ a）中頻時(shí) N=33 單片機(jī)發(fā)出的實(shí)際波形，（ b）中頻時(shí) N=33 單片機(jī)發(fā)出的 SPWM 波形仿真。 由于本系統(tǒng)采用了分段同步調(diào)制，電機(jī)的啟動(dòng)過程相對平滑，由于沒有初始定相，電機(jī)在最開始啟動(dòng)時(shí)可能會(huì)有點(diǎn)抖動(dòng)，之后啟動(dòng)平滑轉(zhuǎn)速迅速升高至最高速，順利遷入同步運(yùn)行。在不斷的調(diào)試過程中，我總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)：軟件調(diào)試可以采用跟硬件調(diào)試相同的方法，分模塊調(diào)試，針對軟 件當(dāng)中的某一個(gè)具體功能單個(gè)調(diào)試。如圖 57 所示為中斷服務(wù)程序的流程圖。 a. 定時(shí)器的計(jì)數(shù)方式 本次設(shè)計(jì)定時(shí)器的計(jì)數(shù)方式是增減技術(shù)方式，在這種方式下，通過全比較單元可以很容易實(shí)現(xiàn)對稱 PWM 波形的生成，并且，在這種計(jì)數(shù)方式下，相同周期 下寄存器賦值可減小一半。另外，為了使輸出一相波形正負(fù)半周嚴(yán)格對稱，載波比還應(yīng)滿足 3 的整數(shù)倍且為奇數(shù)。 綜合以上考慮，本次設(shè)計(jì)采用 分段 同步調(diào)制。而高次諧波會(huì) 在電機(jī) 上 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。 這種調(diào)制方式下，同一相橋臂的上下兩個(gè) MOS 管輪流開通關(guān)斷?？梢钥闯觯眠@種規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度 和 用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近 。當(dāng)調(diào)制波幅值大于載波三角波的幅值時(shí)， MOS 管開通；當(dāng)調(diào)制波幅值小于載波三角波的幅值， MOS 管關(guān)斷。該芯片不需要控制器配合就可以產(chǎn)生 SPWM。 SPWM 調(diào)制技術(shù)的思想是：采用等腰三角波作為載波信號(hào)，用正弦波作為調(diào)制信號(hào)。 [在此處鍵入 ] 24 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的軟件 部分 設(shè)計(jì)分模塊進(jìn)化設(shè)計(jì)，這樣以 模塊化 的思想 節(jié)省開發(fā)時(shí)間，減小了軟件調(diào)試的工作量?？傮w框圖如圖 41 所示： LS 0 5 2 AX6 路 P W M 波形驅(qū)動(dòng)電路 逆變電路12v直流電源M降壓為 10 v降壓為 5 v圖 41 系統(tǒng)總體框圖 電源模塊設(shè)計(jì) 直流電源采用常用的 12v 電源模塊，經(jīng)過兩個(gè)降壓芯片 7815 和 7805降壓分別得到 5v 直流給單片機(jī)供電，和 10v 直流給驅(qū)動(dòng)電路供電，同時(shí)12v 直流電作為逆變電路的直流側(cè)電壓源。 [在此處鍵入 ] 18 38（ a） N=21 時(shí)三相電流波形 38（ b） N=21 時(shí)三相電流波形 FFT 分析 如圖 39（ a）所示為電機(jī)三相電壓仿真波形 ，可以看出，輸出波形形狀良好， 相比變得更為稀疏 。 圖 32（ a）電機(jī)三相電流波形 圖 32（ b）電機(jī)三相電流波形 FFT 分析 如圖 33 所示為電機(jī)三相電壓仿真波形， 可以看到， 輸出波形和理論分析一致為“品”字波形 且三相 電壓互差 120 度 。 缺點(diǎn)： (1) 如反電勢法等轉(zhuǎn)子位置檢測方法在低速時(shí)檢測準(zhǔn)確度都不高，需要其他方法輔助電機(jī)起動(dòng)； (2) 由于各種濾波、比較電路引起的相位延遲必須在算法中加以補(bǔ)償，所以算法編程難度較大； (3) 由于架構(gòu)了轉(zhuǎn)子位置檢測電路，所以增加了硬件的復(fù)雜性。為此，國內(nèi)外的研究人員進(jìn)行了大量的研究工作，提出了很多種位置信號(hào)檢測方法，大多是利用檢測定子電壓、電流等容易獲取的物理量進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的估算，其中較為成熟的有 : 反電勢過零點(diǎn)檢測法 , 反電勢 3 次諧波積分法 , 續(xù)流二極管法 等 [2]?？臻e方式 1 僅停止 CPU 的工作，但維持 SRAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串行通信口等外設(shè)機(jī)制繼續(xù)工作；空閑方式2 停止振蕩器工作，切斷片內(nèi)所有 時(shí)鐘， SRAM 中的內(nèi)容維持不變。因?yàn)榉答仧o功能量時(shí)電流并不反向，因此不必想電壓型逆變電路那樣給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。 b. 電流型逆變電路 如圖 23 所示為三相電流型逆變電路拓?fù)鋱D，這種電 路的基本工作方式是 120o 導(dǎo)電方式。可能是上面一個(gè)橋臂，下面兩個(gè)橋臂，也可能是上面兩個(gè)橋臂，下面一個(gè)橋臂。由于電樞的換相作用，使得這兩個(gè)磁場的方向在直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停的運(yùn)轉(zhuǎn)。本次設(shè)計(jì)采用的電機(jī)定子為三相，轉(zhuǎn)子為 8 極。 [在此處鍵入 ] 3 第 2 章 系統(tǒng)總體方案論證 控制對象分析 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu) 無刷直流電機(jī)是一種自控變頻的永磁同步電機(jī)，就其組成結(jié)構(gòu)而言，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞。選擇該課題 進(jìn)行研究的目的和意義在于：在解決生產(chǎn)生活實(shí)際中問題的同時(shí)，培養(yǎng)自己獨(dú)立從事技術(shù)開發(fā)和科學(xué)研究的能力。 關(guān)鍵詞： 無刷直流電機(jī)， LS052Ax 單片機(jī)， SPWM 脈寬調(diào)制，低成本[在此處鍵入 ] ii Abstract In order to solve the problem of heat dissipation of the vehicle engine under different temperature conditions, ensuring the normal use of the vehicle engine, electric fan is the best choice. This paper aims to study a kind of lowcost brushless DC motor controller. This paper mainly studies the brushless DC motor (PMSM) control strategy and its realization method aiming a lowcost controller. This paper determines the VVVF openloop control mode, which can achieve Constant control in the following baseband, constant power control in the above baseband. This design uses LS052Ax microcontroller as control core, which is mainly used to send the SPWM wave。[在此處鍵入 ] 畢業(yè)設(shè) 計(jì)（ 論 文） 題 目 基于 LS 單片機(jī)的無刷直流電 機(jī) 系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 生 指導(dǎo)教師 2020 年 [在此處鍵入 ] i 基于 LS單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí)：電氣 095 作者： 指導(dǎo)教師： 職稱：講師 高工 答辯日期： 2020621 摘 要 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。經(jīng)過最 終測試，本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)可達(dá)到如下指標(biāo)，電機(jī)能夠在 6s 之內(nèi)轉(zhuǎn)速迅速升高至 3000RPM，且起動(dòng)成功率為 100%，輸出電流最大 2A，輸出最高頻率 200HZ，直流母線側(cè)電壓 12V，最大功率 24W。 選題的目的及意義 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)是集電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)技術(shù)于一身的機(jī)電一體化系統(tǒng)，體現(xiàn)了當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多最新成果，是機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品 [1]。系統(tǒng)軟件采用 c 語言編寫，開發(fā)環(huán)境為 KEIL。轉(zhuǎn)子[在此處鍵入 ] 4 由永久磁鋼按一定極對數(shù)（ 2p=2， 4，??）組成。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。 (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)電感起緩沖無功能量的作用。 LS052Ax 的工作頻率為 0Hz～ 40MHz，并支持空閑 1，空閑 2 和掉電三種軟件可設(shè)置的節(jié)電工作方式。 b. 無位置傳感器控制方式 無位置傳感器控制方式是指無刷直流電機(jī)不直接安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器，但在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，控制電機(jī)換相的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)還是需要檢測的， 因此，無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制研究的關(guān)鍵是架構(gòu)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測電路，通過軟硬件間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。 b. 無位置傳感器 優(yōu)點(diǎn)： (1) 降低成本，減小電機(jī)的體積； (2) 抗干擾能力強(qiáng)，能在高溫、濕度大、有腐蝕物質(zhì)、空氣污濁的環(huán)境中工作； (3) 無傳感器安裝的問題，減小電機(jī)的生產(chǎn)難度。如圖 32（ b）為三相電流波形的 FFT 分析，可以看出，電流波形僅含載波頻率整數(shù)倍次 附近頻率的諧波 ， 諧波次數(shù) 高 且幅值低 ，對電機(jī)影響較小。如圖 38（ b）為三相電流波形的 FFT 分析，可以看出，電流波形 含載波頻率整數(shù)倍次 附近頻率諧波 ，諧波幅值 相比有所增加 但仍然可以 接受 。 [在此處鍵入 ] 21 第 4 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)控制模塊， PCB 電源模塊，驅(qū)動(dòng)電路模塊以及三相逆變電路模塊。 驅(qū)動(dòng)電路 模塊電路圖 如 44 所示： [在此處鍵入 ] 23 圖 44 驅(qū)動(dòng)電路模塊電路圖 PCB 板的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)中，在確定了各模塊所采取的實(shí)現(xiàn)方法之后，我用 Altium Designer 軟件繪制了各模塊的原理圖，之后在西安電氣有限公司的經(jīng)理和同事幫助之下，完成了 PCB 圖的布線和排版作，以及之后的 PCB 板的制作都是在該公司的直接幫助下完成的。 SPWM 控制方式是用 SPWM 的脈沖驅(qū)動(dòng)逆變電路中的功率開關(guān)器件，使逆變器輸出的 PWM 脈沖電壓與期望輸出的正弦信號(hào)在每一個(gè)周期內(nèi)面積相等 [7]。其二，可以使用集成芯片，如 HEF4752 芯片。 軟件生成法有兩種基 本算法：即自然采樣法和規(guī)則采樣 (1) 自然采樣法 自然采樣法是以載波三角波和調(diào)制波正弦波的自然交點(diǎn)控制 MOS管的開通關(guān)斷。在三角波的負(fù)峰時(shí)刻 對正弦信號(hào)波采樣而得到 D 點(diǎn)，過 D 點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)，在 A 點(diǎn)時(shí)刻 和 B 點(diǎn)時(shí)刻 控制功率開關(guān)器件的通斷。 u+ U d U d 圖 52 單極性 SPWM 調(diào)制示意圖 如圖 53 所示，載波三角波和 調(diào)制信號(hào) 正弦 波在雙極性調(diào)制方式中極性不同，在一個(gè)周期內(nèi)極 具有正負(fù)極性變化的信號(hào)。 在低頻 段 時(shí) ，同步調(diào)制方式由于載波比不變， 其 載波頻率會(huì)下降 ， 會(huì)產(chǎn)生高次諧波 。這種方式是同步調(diào)制的一種靈活應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)是既保留了同步調(diào)制 在高頻段的優(yōu)點(diǎn)，又保留了異步調(diào)制在低頻段的優(yōu)點(diǎn)。 當(dāng)載波比太低時(shí)，在調(diào)制頻率較低時(shí)，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)較少，會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等問題。 [在此處鍵入 ] 32 開始開總中斷清同步標(biāo)志位f l a g 1 和 f l a g 2開啟第一道程序開啟第二道程序全比較單元初始化等中斷開始Fr = 80 ?Y計(jì)算 N = 63 時(shí)的全比價(jià)單元比較值N Fr = 1 5 0 ?Y計(jì)算 N = 33 時(shí)的全比價(jià)單元比較值N Fr = 3 0 0 ?Y計(jì)算 N = 21 時(shí)的全比價(jià)單元比較值置同步標(biāo)志位NN um ++結(jié)束 (a) 第 0 道主程序 (b) 第 2 道程序 圖 56 主程序流程圖 全比較單元模塊 配置 通用定時(shí)器 T1 的配置 定時(shí)器 T1 為全比較單元提供計(jì)時(shí) 基準(zhǔn) ，所以定時(shí)器必須準(zhǔn)確配置。 中斷模塊設(shè)計(jì) 中斷模塊的主要作用是 在定時(shí)器的周期中斷中準(zhǔn)備好下一開關(guān)周期的數(shù)據(jù)并在下一次中斷中修改比較值和周期值。 軟件調(diào)試 軟件程序編寫是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，然而程序編寫完后的軟件調(diào)試也是耗時(shí)相當(dāng)多的一個(gè)步驟。 電機(jī) 轉(zhuǎn)速滿足如下關(guān)系式： pfn 60? （ 61） 其中極對數(shù) P=4，電源頻率在 3200HZ 之間變化，可以看出電機(jī)啟動(dòng)之后最高速度可達(dá) 3000 轉(zhuǎn) /分 。 圖 67（ a）低頻時(shí) N=63 單片機(jī)發(fā)出波形 [在此處鍵入 ] 40 圖 67（ b）低頻時(shí) N=63 SPWM 仿真波形 從實(shí)際波形和仿真波形可以看出，兩者是有差別的，這是由于仿真是理想的，而實(shí)際波形不可能是這樣的，但是大致形狀是一樣的，都可以看出這時(shí)候開關(guān)頻率比較高。 并且，從反電動(dòng)勢也可以看到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信息， 所以本次設(shè)計(jì)的后期展望工作就是利用 AD 采樣對反電動(dòng)勢波形進(jìn)行采樣進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速做閉環(huán)控制以做到更為精確的控制。輸出電壓由中間直流環(huán)節(jié)的電壓決定。 (4) 本次設(shè)計(jì)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電機(jī)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定熱量，長時(shí)間運(yùn)行下去，肯定對電 機(jī)本身不利甚至損壞