直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-07-19 08:00 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 序霍爾傳感器導(dǎo)通開關(guān)相電流ABCABC1011VT3VT4負(fù)極斷開正極2001VT5VT4斷開負(fù)極正極3101VT5VT6正極負(fù)極斷開4100VT1VT6正極斷開負(fù)極5110VT1VT2斷開正極負(fù)極6010VT3VT2負(fù)極正極斷開從運(yùn)行過程看，定子繞組每隔600電角度換向一次，定子合成磁動(dòng)勢(shì)位置就改變一次，每相繞組何次導(dǎo)通1200電角度，且始終保持兩相繞組導(dǎo)通，此工作方式稱為兩相導(dǎo)通的六狀態(tài)運(yùn)行方式。該方式中，每一狀態(tài)持續(xù)600度電角度，在此期間，定子繞組合成磁動(dòng)勢(shì)空間位置固定不動(dòng)，而永磁磁極連續(xù)旋轉(zhuǎn)600電角度。定子磁動(dòng)勢(shì)為跳躍式旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，使定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)之間的空間夾角周期性變化，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。第3章 直流無刷電機(jī)硬件軟件設(shè)計(jì)任何一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)穩(wěn)定而可靠的工作幾乎都離不開合理的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與良好的軟件代碼編寫，系統(tǒng)的性能是由軟硬件共同決定的。無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也同樣包含硬件設(shè)計(jì)部分與軟件編寫部分，本章將著重闡述控制的直流無刷電機(jī)硬件設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)本文所設(shè)計(jì)的直流無刷電機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)包括微控制器部分、功率驅(qū)動(dòng)及逆變電路部分、檢測(cè)電路部分、電源電路部分以及其他接口單元。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和對(duì)硬件資源的合理整合，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)硬件框圖如圖31所示。圖31 系統(tǒng)硬件框圖1）微控制器AT89C51：系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)控對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬采樣、運(yùn)算與控制等；2）驅(qū)動(dòng)電路IR2103：IR2103芯片國(guó)際整流器公司生產(chǎn)的控制芯片，這種芯片具有功率放大作用，可以將AT89C51單片機(jī)輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大，放大后再驅(qū)動(dòng)逆變電路中的功率開關(guān)管工作；3）逆變電路：逆變電路拓?fù)洳捎萌鄻蚴侥孀冸娐?，開關(guān)器件采用MOSFET即可，根據(jù)MOSFET上的開關(guān)時(shí)序，將直流電逆變成交流電，再給電機(jī)供電，從而達(dá)到對(duì)電機(jī)的控制目的。4）電流檢測(cè)電路：電流檢測(cè)一般采用霍爾元件實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)采用的芯片為ACS712，該霍爾完成對(duì)系統(tǒng)電流的檢測(cè)并送入單片機(jī)處理器處理。5）位置檢測(cè)電路：一般情況下，電機(jī)會(huì)有自帶的三相霍爾傳感器，此系統(tǒng)選用的自帶的三相霍爾傳感器的電機(jī)，霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子信號(hào)并送入單片機(jī)處理器處理；6）電源電路：輸入市電電壓，經(jīng)變壓器降壓后整流經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓產(chǎn)生四路獨(dú)立的輸出電壓 +12V、5V 和 ，給整個(gè)系統(tǒng)供電。 微控制器AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)處理器。AT89C51采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，使它成為 一種高效微控制器。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。這種單片機(jī)應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域[1]。⑴ AT89C51的主要性能參數(shù)：1）與MCS51 兼容； 2）4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器；3）壽命：1000寫擦循環(huán)； 4）數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年； 5）全靜態(tài)工作：0Hz24MHz； 6）三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定； 7）1288位內(nèi)部RAM； 8）32可編程IO線； 9）兩個(gè)16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器；10）5個(gè)中斷源；11）可編程串行通道；12）低功耗的閑置和掉電模式；13）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路；⑵特性概述：AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)IO口線，兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)同，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導(dǎo)下一個(gè)硬件復(fù)位。AT89C51引腳圖如圖32所示。圖32 AT89C51芯片引腳圖圖33逆變器主電路逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電然后再向電機(jī)供電，采用三相橋式全控逆變電路，其主電路如圖33所示，功率開關(guān)器件采用功率MOSFET。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動(dòng)機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無刷直流電動(dòng)機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一。 功率MOSFET近年來由于MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位訊號(hào)處理的場(chǎng)合上，也有越來越多類比訊號(hào)處理的積體電路可以用MOSFET來實(shí)現(xiàn)。MOSFET是英文（MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor）的縮寫，譯成中文是“金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管”。 MOSFET是由金屬、二氧化硅或氮化硅與半導(dǎo)體制成的半導(dǎo)體器件。 N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)圖如圖34所示，MOSFET底部為一塊P型硅半導(dǎo)體材料(圖34①a)，第二層設(shè)置了兩個(gè)N型區(qū)(圖34①b)，第三層擴(kuò)散了二氧化硅絕緣層(圖34①c)，由N區(qū)上方采用一定的方法引出兩個(gè)孔，然后用一定的方法分別在絕緣層上及兩個(gè)孔內(nèi)引出了三個(gè)電極：G(柵極)、S(源極)和D(漏極)，最后做成如(圖34①d)所示的樣子。 圖34功率MOSFET的結(jié)構(gòu)圖從圖34中可以看出MOSFET的G極與D極和S極是相互絕緣的，D極與S極之間有兩個(gè)PN結(jié)。一般情況下，MOSFET的襯底與源極在內(nèi)部連接在一起。為了改善某些參數(shù)的特性，比如提高M(jìn)OSFET的工作電流、工作電壓、降低導(dǎo)通電阻、提高開關(guān)特性等，廠家制成不同的結(jié)構(gòu)及工藝，比如現(xiàn)有的VMOS、DMOS、TMOS等結(jié)構(gòu)。根據(jù)MOSFET結(jié)構(gòu)及工作特性，本系統(tǒng)選擇的開關(guān)器件為功率MOSFET， 全橋逆變電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用三相橋式全控逆變電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖31所示，在電路圖設(shè)計(jì)中，六個(gè)功率開關(guān)器件選用國(guó)際整流公司的IRF3205型功率MOSFET,如圖35a)所示。這種器件為N溝道型MOSFET。其特點(diǎn)是導(dǎo)通內(nèi)阻小，這樣通態(tài)損耗低，耐壓55V，額定電流110A，因此適用于低壓大電流的功率變換場(chǎng)合。硬件電路設(shè)計(jì)圖如圖35所示。QBQBQB5三個(gè)IRF3205作為上橋臂，另外QBQBQB6為下臂。六個(gè)IRF3205通過驅(qū)動(dòng)電路給予的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制其導(dǎo)通與關(guān)斷，在驅(qū)動(dòng)過程為了避免上下管直通導(dǎo)致短路，驅(qū)動(dòng)信號(hào)間設(shè)置有一定的死區(qū)時(shí)間，另外，為了減小IRF3205管發(fā)熱，提高整體效率，必須為IRF3205管提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力，另外，每個(gè)IRF3205上接有兩個(gè)電阻，比如QB1上，RB1是驅(qū)動(dòng)電阻，RB2為給功率開關(guān)管IRF3205結(jié)電容提供放電回路的放電電阻。a) IRF3205圖35b)三相全橋硬件電路圖另外，在圖35b)下橋臂三個(gè)IRF3205功率放開關(guān)管QI的源極下面反接了一個(gè)IRF3205功率開關(guān)管，這樣做目的是為了防止電源正負(fù)極反接對(duì)電機(jī)造成損壞。如果輸入電源反接，QI管則關(guān)斷，系統(tǒng)沒有回路，電流無法流通，這樣就能夠起到電源反接保護(hù)的作用。前面提到六個(gè)IRF3205管都需要一定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)還能工作，而單片機(jī)的信號(hào)功率微弱，中間必須加功率放大環(huán)節(jié)，在本系統(tǒng)中，采用專門的全橋電路驅(qū)動(dòng)芯片IR2103來驅(qū)動(dòng)三相橋式變換器，IR2103的輸出電壓1020V, 這款芯片自帶自舉電路驅(qū)動(dòng)功能，專門為全橋電路上下功率管提供驅(qū)動(dòng)，外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單，不用為全橋中的上管提供專門的隔離驅(qū)動(dòng)電源。采用自舉驅(qū)動(dòng)方法可降低生產(chǎn)成本，提高電路可靠性。圖36為IR2103驅(qū)動(dòng)芯片引腳圖及其輸入輸出狀態(tài)。圖36 IR2103引腳及其輸入輸出狀態(tài)圖圖37 IR2103原理圖IR2103采用自帶的自舉電路，其工作原理圖如圖37所示。圖37中電容C、二極管VD分別為自舉電容和自舉二極管。自舉電路的工作過程[2]為：與橋臂上功率開關(guān)管Q1的源極和下功率開關(guān)管Q2的漏極與自舉電容C的負(fù)極連接，當(dāng)橋臂下功率開關(guān)管Q2驅(qū)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通時(shí)，由于IR2103管的內(nèi)阻很小，其壓降小，可忽略不計(jì)，此時(shí)VS點(diǎn)電壓可近視為零；這個(gè)時(shí)間段，供電電源VCC可通過自舉二極管VD向自舉電容C充電。當(dāng)橋臂下功率開關(guān)管Q2截止后，自舉電容C兩端屯壓保持不變，接下來在橋臂上管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通的時(shí)候，C通過驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)MOSFET管QV1向外總功率開關(guān)管柵極放電，橋臂上管驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通后，由于IR21
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