【文章內(nèi)容簡介】 (19) 電磁轉(zhuǎn)矩為： 錯誤 !未找到引用源。 (110) 當(dāng)不計(jì) U 的變化和電樞反應(yīng)的影響時，式 19 等號右邊的第一項(xiàng)是常數(shù)，所以電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的減小而線性增加。此時， 流過 晶體 管和電樞繞組的電流很大，晶體管 管壓降 TU? 隨著電流 的 增大而增加 較快 ， 從而 使 加 在電樞繞組上的電壓 不恒定而 有所減小，因而 無刷直流電動機(jī) 的機(jī)械特性曲線會偏離直線，向下彎曲 ，如圖 122 所示。 當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時，此時的轉(zhuǎn)速即為起動電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)式 110 等號右邊兩項(xiàng)相等時，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。 由式 110 可知，在同一轉(zhuǎn)速下改變電源電壓，可以容易的改變輸出轉(zhuǎn)矩或在同一負(fù)載下改變轉(zhuǎn)速。所以，無刷直流電機(jī)的調(diào)速性能很好，可以通過改變電源電壓實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但此時電子換相線路及其他控制線路的電源電壓仍應(yīng)保持不變。總之，無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性與有刷直流點(diǎn)及極為相似，有著良好的伺服控制性能。 圖 122 無刷直流電機(jī)機(jī)械特性曲線 圖 14 調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為： macpa KTrU ?0 （ 111） eKK1? （ 112） 從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無刷直流電動機(jī)與一般直流電動機(jī)一樣，具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。但不能通過調(diào)節(jié)勵磁調(diào)速，因?yàn)橛来朋w的勵磁磁場不可調(diào)。 電機(jī)的 PWM 調(diào)速原理 直流電動機(jī)的調(diào)速方法主要包括調(diào)節(jié)電樞電路中的外串電阻或調(diào)節(jié)加在電 動機(jī)電樞上的電壓，其中調(diào)節(jié)電樞電壓的方法運(yùn)用最為廣泛。改變電樞電壓調(diào)速 的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)【 23】【 24】。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制技術(shù) (Pulse Width Modulation，即 PWM)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動機(jī)的電樞端電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。它被越來越廣泛的應(yīng)用在各種功率的直流調(diào)速系統(tǒng)中。本 系統(tǒng)利用開關(guān)驅(qū)動方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制 (PWM)來控制無刷直流電動機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 圖 29是對電機(jī)進(jìn)行 PWM 調(diào)速控制時的電樞繞組兩端的電壓波形。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平 1U 時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機(jī)電樞繞組兩端有電壓 sU ； 1t 秒后，柵極輸 入變?yōu)榈碗娖剑_關(guān)管截止，電動機(jī)電樞兩端電壓為 0； 2t 秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。 電動機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值 0U 為： sss UUTtttUtU ???? ?? 12110 0 式中占空比 ? 表示了在一個周期 T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值， ?變化范圍為 0~1 之間。所以當(dāng)電源電壓 sU 不變時，電樞的端電壓的平均值 0U 取決于占空比大小，改變 ? 值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 第三章 無刷直流電機(jī)硬件設(shè)計(jì) 無刷直流電機(jī)控制器的概述 無刷直流電動機(jī)兼有直流電動機(jī)調(diào)整和起動性能好以及異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單無需維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因而在高可靠性的電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。目前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)主要采用兩種控制方案 :一種采用專用集成電路。這種方案可以降低設(shè)備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件 系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便。 電機(jī)控制器是無刷直流電動機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：對各種信號進(jìn)行邏輯綜合，以給驅(qū)動電路提供各種控制信號；產(chǎn)生 PWM 調(diào)制信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速；對電機(jī)進(jìn)行速度環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能；實(shí)現(xiàn)短路、過流、欠壓、堵轉(zhuǎn)等故障保護(hù)功能。 現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與微處理器的發(fā)展息息相關(guān)，可以說，每一次微處理器 的進(jìn)步都推動了控制技術(shù)的一次飛躍。在微處理器出現(xiàn)之前，控制器只能由模擬 系統(tǒng)構(gòu)成。由模擬器 件構(gòu)成的控制器只能實(shí)現(xiàn)簡單的控制，功能單一、升級換代 困難，而且由分立器件構(gòu)成的系統(tǒng)控制精度不高，溫度漂移，器件老化嚴(yán)重，使 得維護(hù)成本增高，限制了它的發(fā)展和應(yīng)用 范圍 。隨著微處理器的迅速發(fā)展和推廣， 控制器由模擬式轉(zhuǎn)換成了數(shù)?；旌鲜?，并進(jìn)一步發(fā)展到全數(shù)字式，技術(shù)的進(jìn)步使 得許多模擬器件難以實(shí)現(xiàn)的功能都可以方便地用軟件實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)的可靠性和智 能化水平大大提高。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模 擬調(diào)速系統(tǒng)。目前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)主要采用兩種控制方案：一種采用專用集成電路。這種方案可以降低設(shè)備投 資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便 [9][10]。 控制器是電動自行車的驅(qū)動系統(tǒng)，它是電動自行車的大腦。其主要作用是在保證電動自行車正常工作的前提下，提高電機(jī)和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護(hù) 電機(jī)及蓄電池，以及降低電動自行車在受到破壞時的損傷程度。 目前，市場上常用的電動自行車無刷直流電機(jī)控制器主要采用專用集成電路為主控芯片，像 MOTOLORA 公司研制的專用集成電路 MC33035， 其工作原理是用電子裝置代替電刷控制 電機(jī)線圈電流換向，根據(jù)電機(jī)內(nèi)的位置傳感器 (霍爾傳感器 )信號，決定換相的順序和時間，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是智能性差，保護(hù)措施有限，系統(tǒng)升級空間小 。 近幾年，國外一些大公司紛紛推出較 MCU 性能更加優(yōu)越的 DSP(數(shù)字信號處理器 )芯片電機(jī)控制器，如 ADI 公司的 ADMC3xx 系列， TI 公司的 TMS320C2xx 系列及 Motorola 公司的 DSP56F8xx 系列，都是由一個以 DSP為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。但 是這些專用芯片價格昂貴，外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，在廣大的民用市場無法大規(guī)模推廣應(yīng)用 。 采用單片機(jī)為主控芯片，如 MSSl 系列、 AVRxx系列、 PICxx 系列等等，這類芯片響應(yīng)速度快、功耗低、體積小、價格低廉且組成系統(tǒng)時所需的外圍器件少等特點(diǎn) [3]。它們將是未來電動自行車無刷電機(jī)控制器主控芯片的發(fā)展方向，擁有廣闊的市場前景。 本論文選取 Microchip 公司的一款具有極高性能價格比的 PIC 單片機(jī)PICl6F72 做為主控芯片，用編程的方法來模擬無刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)是使用靈活，通過修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無刷 電機(jī)，增加系統(tǒng)功能方便，通常將此類控制器稱為數(shù)字式控制器 ；并且 采用速度、電流雙閉環(huán)控制策略，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，提高電機(jī)的運(yùn)行效率，同時加入一些保護(hù)功能，如欠壓保護(hù)、過電流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等等，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更合理化、人性化。系統(tǒng)采用軟件編程的方法來模擬無刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)是使用靈活，通過修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無刷電機(jī)，增加系統(tǒng)功能方便。 第三章 無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選擇 目前，市場上有很多 的 無刷電機(jī)專用控制芯片， 但 大部分電動自行車生產(chǎn)廠商都采用 Motorola公司的 MC33035無刷電機(jī)專用控制芯片，它具有無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)所需要的基本功能。本 論文 設(shè)計(jì) 的無刷直流電機(jī)控制器 采用PIC16F72單片機(jī)作為 控制器的 主控芯片，不僅可以實(shí)現(xiàn)專用控制芯片 MC33035的全部功能，而且 也 容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 的 擴(kuò)展，通過硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多功能的電機(jī)控制。 單片機(jī)選擇 的 原則 有 ： ★ 性能 性能因素： 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的復(fù)雜程度 ，分析 采用 8位 的 單片機(jī)可以滿足系統(tǒng)的控制精度的 要求。 但 由于整個控制系統(tǒng)有多種模擬 量 需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，因此 所 選的單片機(jī)應(yīng)該 具 有多通道 A/D轉(zhuǎn)換模塊。 在無刷直流電機(jī)的控制中，脈寬調(diào)制 PWM ( PulseWidth Modulation)技術(shù) 被 廣泛應(yīng)用，因此所選 的 單片機(jī)應(yīng) 該 具有脈寬調(diào)制 PWM模塊 。 PWM模塊可用來產(chǎn)生不同頻率和占空比的脈沖信號?？煞奖銓?shí)現(xiàn)D／ A輸出功能 和 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速等功能。 ★ 安全因素： 電子產(chǎn)品的安全性是一個非常重要的環(huán)節(jié)，作為控制系統(tǒng)的核心 部分 ，單片機(jī)的安全性必須達(dá)到 控制 系統(tǒng) 的 要求。 ★ 產(chǎn)品 價格因素： 這也是一個很重要的因素，在其它條件相當(dāng)?shù)那闆r下，當(dāng)然選擇價格低的產(chǎn)品，這樣可以提高性價比。 所以， 根據(jù) 上述 原則對單片機(jī)進(jìn)行選擇， 選擇出最能適用于你的應(yīng)用系統(tǒng)的單片機(jī)，從而保證應(yīng)用系統(tǒng)有最高的可靠性、最優(yōu)的性價比、最長的使用壽命和最好的升級換代性 ，還有市場的推廣性 。 ★ 運(yùn)行速度 ： 單片機(jī)的運(yùn)行速度首先看時鐘頻率，指令集，幾個時鐘為一個機(jī)器周期 在選用單片機(jī)時要根據(jù)需要選擇速度，不要片面追求高速度，單片機(jī)的穩(wěn)定性、抗干擾性等參數(shù)基本上是跟速度成反比的，另外速度快功耗也大。 ★ I／ O 口 ： I／ O 口的數(shù)量和功能是選用單片機(jī)時首先要考慮的問題之一，根據(jù)實(shí)際需要確定數(shù)量， I／ O 多余不僅芯片的體積增大，也增加了成本。 ★ 定時／計(jì)數(shù)器 ： 多數(shù)單片 機(jī)提供 2~3 個定時／計(jì)數(shù)器，有些定時／計(jì)數(shù)器還具有輸入捕獲、輸出比較和 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )功能，利用這些模塊不僅可以簡化軟件設(shè)計(jì)，而且能少占用 CPU 的資源。 ★ 串行接口 ： 單片機(jī)常見的串行接口有：標(biāo)準(zhǔn) UART 接口、增強(qiáng)型 UART 接口、 I2C總線接口、 CAN總線接口、 SPI 接口、 USB 接口等。大部分單片機(jī)都提供了 UART 接口，也有部分單片機(jī)沒有串行接口。 ★ 工作電壓、功耗 ： 單片機(jī)的工作電壓最低可以達(dá)到 ，最高為 6V，常見的是 3V 和 5V 單片機(jī)的功耗參數(shù)主要是指正常模式、空閑模式、掉電模式下的工作 電流，用電 池供電的系統(tǒng)要選用電流小的產(chǎn)品，同時要考慮是否要用到單片機(jī)的掉電模式，如果要用的話必須選擇有相應(yīng)功能的單片機(jī)。 ★ 其他方面 ： 在單片機(jī)的性能上還有很多要考慮的因素，比如中斷源的數(shù)量和優(yōu)先級、工作溫度范圍、有沒有低電壓檢測功能、單片機(jī)內(nèi)部有無時鐘振蕩器、有無上電復(fù)位功能等等。 PIC 單片機(jī)特點(diǎn)： 單片機(jī)（ Peripheral Interface Controller）是一種用來開發(fā)和控制外圍設(shè)備的 集成電路 。一種具有分散作用（多任務(wù)）功能的 CPU。 是美國 Microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。 PIC 單片機(jī)以其獨(dú)特的硬件系統(tǒng)和指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，逐漸被廣大工程設(shè)計(jì)人員接受。 PIC 系列單片機(jī)具有高，中，低 3個檔次，可以滿足不同用戶開發(fā)的需求，適合在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。 PIC系列單片機(jī)具有如下特點(diǎn) : PIC單片機(jī)是 MICROCHIP 公司的產(chǎn)品 ，其突出的特點(diǎn)是體積小，功耗低，精簡指令集 ，抗干擾性好，可靠性高，有較強(qiáng)的模擬接口，代碼保密性好。在一些小型的應(yīng)用中，比傳統(tǒng)的 51 單片機(jī)更加靈活，外圍電路更少，因而得到了廣泛的應(yīng)用。指令少， PIC 中低檔系列單片機(jī)共有 35 條指令，非常有利于易記憶和掌握 ,指令為單字節(jié)，占用程序存儲器的空間小，而且中檔系列單片機(jī)每一條指令為 14 位，前 6位存操作指令，后 8 位存操作數(shù) . 大部分芯片有其兼容的 FLASH程序存儲器的芯片，支持低電壓擦寫 ,擦寫速度快，允許多次擦寫，程序修改方便。 (1)單片機(jī)種類豐富 PIC單片機(jī)目前有 8位系列、 16位系列和 32位系列。它的最大特點(diǎn)是重視產(chǎn)品的性能和價格比，靠發(fā)展多種系列產(chǎn)品來滿足不同層次的應(yīng)用要求，而不是搞單純的功能堆積。 (2) 哈佛總線結(jié)構(gòu) 如圖 34所示， PIC系列單片機(jī)在普林斯頓體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用的哈佛總線結(jié)構(gòu)， 將 程序存儲器 和 數(shù)據(jù)存儲 器分開，使得讀程序和對數(shù)據(jù)的存取可以同時進(jìn)行 ，為采用不同的字節(jié)寬度，有效擴(kuò)展指令的字長奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 ，每個存儲器 獨(dú)立編址 、獨(dú)立訪問。與兩個存儲器相對應(yīng)的是系統(tǒng)的 4 條總線：程序的 數(shù)據(jù)總線 與 地址總線 ，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線。這種分離的程序總線和 數(shù)據(jù)總線 可允許在一個 機(jī)器周期 內(nèi)同時獲得 指令字 和 操作數(shù) ，從而提高了執(zhí)行速度，提高了數(shù)據(jù)的吞吐率。又由于程序和數(shù)據(jù)存儲在兩個分開的物理空間中，因此取址和執(zhí)行能完全重疊。 中央處理器 首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作。程序指令存儲和 數(shù)據(jù)存儲 分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度。 并且 程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器采用 的是 不同的 總線 ，從而提供了較大的 存儲器帶寬 ，使數(shù)據(jù)的移動和交換更加方便，尤其提供了較高的 數(shù)字信號處理 性能。 C P U程 序 存 儲 器數(shù) 據(jù) 存 儲 器程