【文章內(nèi)容簡介】 ，對電 機(jī)的制造工藝也帶來了不利的影響。因此，國內(nèi)外對無刷直流電動機(jī)的無位置運(yùn)行方式給予高度重視。 無機(jī)械式位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測是通過檢測和計(jì)算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量間接地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，主要有反電動勢檢測法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法、定子三次諧波檢測法和瞬時電壓方程法等。 4．控制器 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： （ 1）對轉(zhuǎn)子位置檢測器輸出的信號、 PWM調(diào)制信號、正反轉(zhuǎn)和停車信號進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動電路提供各開關(guān)管的斬波信號和選通信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn) 及停車控制。 （ 2） 產(chǎn)生 PWM調(diào)制信號，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號而自動變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。 （ 3）對電動機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能。 （ 4）實(shí)現(xiàn)短路、過流、過電壓和欠電壓等故障保護(hù)電路。 12 無刷直流電動機(jī) 控制 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 方案 設(shè)計(jì)方案比較 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 :對各種輸入信號進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動電路提供各種控制信號 。產(chǎn)生 PWM脈寬調(diào)制信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速 。實(shí)現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護(hù)功能。 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，其針對無刷電機(jī)的控制要求， 將控制邏輯集成在芯片內(nèi)，一般該類控制器稱為模擬式控制器，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。 本 設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作 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。 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 TMS320C24 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。 無刷電機(jī)控制方法主要分為有位置傳感器控制和無位置傳感器控制兩種。在有位置傳感器的控制方法中，現(xiàn)今，由于霍爾傳感器性價比高，安裝 13 方便，被廣泛應(yīng)用作為無刷直流電機(jī)的位置傳感器。當(dāng)前，國內(nèi)外對無刷直流電機(jī)無位置傳感器的控制方法主要有反電勢法、定子三次諧波法、續(xù)流二極管檢測法、脈沖檢測法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。但是由于無位置傳感器控制方法在低速時無法實(shí)現(xiàn)精確的速度調(diào)制，所以現(xiàn)階段在電動車領(lǐng)域只是處于研究階段，無法推廣到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng) 中 。 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 基于 的考慮 ,可繪出無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖 ,如圖 21所示 : 圖 21 電動機(jī)驅(qū)動控制框圖 （ 1）微控制器 主要功能是根據(jù)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的要求和來自霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個輸出信號，將它們處理成功率 驅(qū)動單元 的 六個功率開關(guān)器件所要求的驅(qū)動順序。微控制器的另一個重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號，以及隨機(jī)發(fā)出的制動信號，經(jīng)過 AD變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時鐘信號產(chǎn)生一個帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號。 14 （ 2） 功率驅(qū)動單元 主要包括功率開關(guān)器件組成的三相 全 橋逆變電路和自舉電路。 自舉電路由分立器件構(gòu)成的，也可以采用專門的集成模塊 等高性能驅(qū)動集成電路。 （ 3）位置傳感器 位置傳感器在無刷直流電動機(jī)中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息 。 （ 4）周邊輔助 、 保護(hù)電路 主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過電流保護(hù)電路、調(diào)速信號和制動信號等輸入電路。 15 第 3章 無刷直流電動機(jī)硬件設(shè)計(jì) 逆變主電路設(shè)計(jì) 功率開關(guān)主電路 圖 31 功率開關(guān)主電路 原理 圖 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換 成交流電向電機(jī)供電。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，是一個“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器， 無刷直流電動機(jī) 輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會產(chǎn)生振蕩和失步，這也是 無刷直流電動機(jī) 的重要優(yōu)點(diǎn)之一。 逆變開關(guān)元件選擇和計(jì)算 MOSFET在 1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室（ Bell Lab.）的 D. Kahng和 Martin Atalla首次實(shí) 驗(yàn) 成功，這種元件的操作原理和 1947年蕭克萊（ William Shockley）等人發(fā)明的雙載子晶體管（ Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因?yàn)橹圃斐杀镜土c使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢，在大型積體電路（ LargeScale Integrated Circuits, LSI）或是超大型積體電路（ Very LargeScale Integrated Circuits, VLSI）的領(lǐng)域里，重要性遠(yuǎn)超過 BJT。 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)位訊號處理的場合上，也有越來越多類比訊號處理的積體電路可以用 MOSFET來實(shí)現(xiàn) 。 16 表 31 對 IGBT、 GTR、 GTO 和電力 MOSFET 的優(yōu)缺點(diǎn)的比較 器 件 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) IGBT 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動，驅(qū)動功率小 開關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及 GTO GTR 耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低 開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，存在二次擊穿問題 GTO 電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng) 電 流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低 電 力 MOSFET 開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小且驅(qū)動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過 10kW 的電力電子裝置 通過上述的比較，我選擇 MOSFET。 電樞額定電流 IaH=， 因?yàn)槊總€控制元件導(dǎo)通 120o,所以控制元件的峰值電流可以由 以 下方程算出。 2 / 301 Idt?? ?? ，通過計(jì)算可得 I=， 額定電壓 UH=36V，峰值電壓 應(yīng)有一個百分之 40的余量 所以 UM=UH*=36*= 通過以上計(jì)算，可得出選擇的 MOSFET峰值 電流為 25A,峰值 電壓為 50V。 17 逆變開關(guān)管驅(qū)動電路設(shè)計(jì) IR2110 功能介紹 (1) IR2110 的特點(diǎn)有：輸出驅(qū)動隔離電壓可達(dá) 500V；芯片自身的門輸入驅(qū)動范圍為 10~20V；輸入端帶施密特觸發(fā)電器；可實(shí)現(xiàn)兩路分立的驅(qū)動輸出，可驅(qū)動高壓高頻器件，如 IGBT、功率 MOSFET 等，且 工作頻率高可達(dá)500KHz ， 開通 、 關(guān)斷延遲小，分別為 120ns 和 94ns； 邏輯電源的輸入范圍（腳 9） 5~15V，可方便的與 TTL， CMOS 電平相匹配 。 (2) IR2110 主要功能及技術(shù)參數(shù) IR2110 采用 CMOS 工藝制作 ,邏輯電源電壓范圍為 5 V～ 20 V ,適應(yīng) TTL 或 CMOS 邏輯信號輸入 ,具有獨(dú)立的高端和低端 2 個輸出通道。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上 ,容許邏輯電路參考地 (USS) 與功率電路參考地 (COM) 之間有 5 V和 + 5 V 的偏移量 ,并且能屏蔽小于 50 ns 的脈沖 ,這樣有較理想的抗噪聲效果。采用 CMOS 施密特觸發(fā)輸入 ,以提高電路抗干擾能力。 IR2110 浮置電源采用自舉電路 ,其高端工作電壓可達(dá) 500 V ,工作頻率可達(dá)到 500 kHz。兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。其推薦典型工作參數(shù)如表 32所示 。 表 32 IR2110 工作參數(shù) 參數(shù) 最小值 / V 最大值 / V VB VS + 10 VS + 20 VS 4 500 HO VS VB VCC 10 20 LO 0 VCC VDD VCC + 4. 5 VCC + 20 VSS 5 + 5 HIN ,SD ,LIN VSS VDD 18 (3)IR2110內(nèi) 部功能如 圖 32所示： 圖 32 IR2110內(nèi)部框圖 LO （引腳 1） :低端輸出 COM（引腳 2） :公共端 Vcc（引腳 3） :低端固定電源電壓 Nc （引腳 4） :空端 Vs （引腳 5） :高端浮置電源偏移電壓 VB (引腳 6) :高端浮置電源電壓 HO （引腳 7） :高端輸出 Nc （引腳 8） :空端 VDD（引腳 9） :邏輯電源電壓 HIN（引腳 10） :邏輯高端輸入 SD （引腳 11） :關(guān)斷 LIN（引腳 12） :邏輯低端輸入 Vss（引腳 13） :邏輯電路地電位端，其值可以為 0V Nc （引腳 14） :空端 功能概述 IR2110驅(qū)動器將邏輯輸入信號送到相應(yīng)的低阻抗輸出。高端輸出 HO和低端基準(zhǔn)輸出 LO分別以浮置電位 VBS和固定電位 Vcc為基準(zhǔn)。邏輯電路為兩路輸出提供相應(yīng)的控制脈沖。 HO和 LO輸出分別與 HIN和 LIN輸入同相位。當(dāng) SD輸入高電平時兩路均關(guān)閉。 19 當(dāng) VDD低于欠電壓閥值時，欠電壓 UV檢測電路關(guān)閉兩路輸出。同樣，當(dāng) VBS低于規(guī)定的欠電壓點(diǎn)時，欠電壓檢測電路也會使高端輸出中斷。邏輯輸入采用帶有 施密特觸發(fā) 電路， 以提高抗擾能力。高抗噪聲平移位電路將邏輯信號送到輸出驅(qū)動級。 低端延時電路可簡化控制脈沖定時要求，兩路輸出的傳播延時匹配的。當(dāng) Vs為 500V或接近 500V時，高端功率 MOSFET關(guān)斷。輸出驅(qū)動 MOSFET接成源極跟隨器，另一只輸出驅(qū)動 MOSFET接成共源極電路，高端的脈沖發(fā)生器驅(qū)動 HV電平轉(zhuǎn)化器并觸發(fā) RS閂鎖置位或復(fù)位。由于每個高電壓 DMOS電平轉(zhuǎn)換器僅在 很狹窄的脈沖持續(xù)期內(nèi)才導(dǎo)通，所以功率很低。 自舉電路原理 圖 33 驅(qū)動電路 以一 相為例， 如圖 33所示 ， 當(dāng)下管導(dǎo)通上管截止 時， IR2110LO輸出為高， HO為低，隔離二極管導(dǎo)通，自舉電容 C8充電，三極管 C極電壓近似等于電源正極電壓；當(dāng)下管截止上管導(dǎo)通時，隔離二極管 D2截止，自居電容 C8儲存的電荷給三極管 C極供電， IR211HO為高，三極管導(dǎo)通，驅(qū)動 MOSFET管柵極 ，使上管保持導(dǎo)通。 20 單片機(jī)的選擇 目前，市場上有很多無刷電機(jī)專用控制芯片，大部分電動車生產(chǎn)廠商采用 Motorola公司的 MC3303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。本設(shè)計(jì)采用 PIC16F72單片機(jī)作為主控芯片，不僅可以實(shí)現(xiàn) 專用控制芯片 MC33035的全部功能，而且容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，通過軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多功能的電機(jī)控制。 單片機(jī)選擇依據(jù) ： (1)性能因素。通過對該系統(tǒng)分析， 8位單片機(jī)可以滿足系統(tǒng)控制精度的要求。由于整個系統(tǒng)有多種模擬參數(shù)需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，因此選用的單片機(jī)應(yīng)該有多通道 A/D轉(zhuǎn)換模塊。在無刷電機(jī)控制中，脈寬調(diào)制 PWM ( PulseWidth Modulation)技術(shù)廣泛應(yīng)用，因此所選單片機(jī)應(yīng)具有脈寬調(diào)制輸出端口。 (2)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，單片機(jī)的安全性必須達(dá)到系 統(tǒng)要求。 (3)價格因素?？紤]到該設(shè)計(jì)要與市場接軌，因此價格問題尤為重要，要選擇一個性價比較高的單片機(jī)，包括單片機(jī)的單片價格和開發(fā)系統(tǒng)