【正文】 (4) 本次設(shè)計(jì)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電機(jī)運(yùn)行會產(chǎn)生一定熱量，長時(shí)間運(yùn)行下去，肯定對電 機(jī)本身不利甚至損壞電機(jī)。 并且，從反電動勢也可以看到轉(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。 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)啟動之后最高速度可達(dá) 3000 轉(zhuǎn) /分 。 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。 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，會引起轉(zhuǎn)矩脈動等問題。 在低頻 段 時(shí) ，同步調(diào)制方式由于載波比不變， 其 載波頻率會下降 ， 會產(chǎn)生高次諧波 。在三角波的負(fù)峰時(shí)刻 對正弦信號波采樣而得到 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。其二，可以使用集成芯片，如 HEF4752 芯片。 驅(qū)動電路 模塊電路圖 如 44 所示： [在此處鍵入 ] 23 圖 44 驅(qū)動電路模塊電路圖 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。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 。 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。 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。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。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場。系統(tǒng)軟件采用 c 語言編寫，開發(fā)環(huán)境為 KEIL。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。 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 ] 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。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)動電動機(jī)不停的運(yùn)轉(zhuǎn)。 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?？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。 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； (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。 [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 。 [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。該芯片不需要控制器配合就可以產(chǎn)生 SPWM?？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 。而高次諧波會 在電機(jī) 上 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲。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)。如圖 57 所示為中斷服務(wù)程序的流程圖。 由于本系統(tǒng)采用了分段同步調(diào)制，電機(jī)的啟動過程相對平滑，由于沒有初始定相，電機(jī)在最開始啟動時(shí)可能會有點(diǎn)抖動，之后啟動平滑轉(zhuǎn)速迅速升高至最高速，順利遷入同步運(yùn)行。 [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) 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。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。 (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。 圖 611 反電動勢波形 無刷直流電機(jī)是永磁同步電機(jī)的一種，其反電動勢波形是梯形波，但是對于小功率無刷之流電機(jī)來說，其反電動勢波形接近正弦波，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)。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。 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。 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。 在載波比為 6 時(shí)，圖54 顯示調(diào)制信號頻率變化時(shí)半周期內(nèi)的載波信號個(gè)數(shù)沒有發(fā)生變化。 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)）為對稱。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。 本次設(shè)計(jì) 在驅(qū)動電路前級加上三極管 電流放大電路， 這樣做的目的是確保有足夠大的驅(qū)動電流，因?yàn)?LS 芯片本身管腳驅(qū)動電流小。 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 。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電機(jī)的運(yùn)行性能影響很大，相對增加了生產(chǎn)工藝的難度。 LS 主要功能特性 LS052Ax 片內(nèi)包含 2K～ 64K 字節(jié)程序存儲器 (Flash)， 1K～ 16K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器 (SRAM)， 4 個(gè) 16 位定 時(shí) /計(jì)數(shù)器， 16 個(gè)中斷源 /兩級中斷機(jī)制，并發(fā)三道處理引擎， 36 個(gè) I/O 端口驅(qū)動器， 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。 (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。 無刷直流電機(jī)工作原理 一般的永磁 式電動機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場。硬件方面包括控制芯片的選擇，主電路的設(shè)計(jì)，驅(qū)動電路的設(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。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，這種控制方法控制可靠，成本低廉， 能夠獲得良好的動靜態(tài)性能。 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。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。無刷 直流 電動機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無電刷換相，首先要求把一般直流電動機(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)直流永磁電動機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。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。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。 [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 。第一 部分 是 SPWM 波 形 的生成程序，這是整個(gè)程序的主體 。使 用集成芯片方式的靈活性較低，不宜實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。 設(shè)正弦調(diào)制信號波為 (51) 式中， a 稱為調(diào)制度， 0≤a1； ?r為正弦信號波角頻率，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。 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 三角波的頻率 cF 隨 調(diào)制信號 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。 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稱，并且盡量提高載波比。 [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 F