【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 目前在無刷直流電機(jī)上使用最多的一種位置式傳感器。 霍爾式位置傳感器是利用“霍爾效應(yīng)”來進(jìn)行工作的。利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，同時(shí)也是霍爾式傳感器的轉(zhuǎn)子。通過感知轉(zhuǎn)子上的磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化來辨別轉(zhuǎn)子所處的位置。 在長(zhǎng)方形半導(dǎo)體薄片上通以電流 hI， 當(dāng)將半導(dǎo)體薄片置于外磁場(chǎng)中，并使其與外磁場(chǎng)垂直時(shí)，則在與電流 HI和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 會(huì)構(gòu)成的平面相垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì) HE，稱其為霍爾電動(dòng)勢(shì)，其大小為： BIKE HHH ? （ ） 式中 HK是霍二式原件的靈敏度。 當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度方向與半導(dǎo)體薄片不垂直，而是成 θ 角時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小改為 ?cosBIKE HHH ? （ ） 利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)，對(duì)霍爾元件通入直流電，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小和方向隨 著它的位置不同而發(fā)生變化時(shí)，霍爾半導(dǎo)體就會(huì)輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小和相位隨著轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的作用。 2． 2 無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理 眾所周知，一般的永磁式直流電 動(dòng)機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場(chǎng)。由于電刷的換向作用，使得這兩個(gè)磁場(chǎng)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)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。無刷直流電動(dòng)機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無電刷換向，首先要求把一般直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組放在定予上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上。這與傳統(tǒng)直流永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅這樣做還是不行的，因?yàn)橛靡话阒绷麟娫唇o定子上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，它不能與運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)相互作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)動(dòng)。所以，無刷直流電動(dòng)機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動(dòng)機(jī)的本體以外， 還要有由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置，使得無刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)，在空間始終保持在rad2?左右的電角度，從而使電機(jī)能不停的運(yùn)轉(zhuǎn)。 為了更加清晰地闡述這種無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理，下面以三相星形連接繞組為例來加以說明。 電動(dòng)機(jī)本體的電樞繞組為三相星形連接、位置傳感器與電動(dòng)機(jī)本體同軸，控制電路對(duì) 位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電動(dòng)機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。 圖 無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖 電機(jī)有六種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 120度電角度，我們把無刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式稱為兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)。兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)工作方式控制簡(jiǎn)單、性能最好，所以這種工作方式最為常用，這是無刷直流電動(dòng)機(jī)最常用的一種工作方式。 無刷直流電機(jī)的運(yùn)行 特性和傳遞函數(shù) 要十分精確的分析無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性是十分困難的。它涉及非線性理路和數(shù)值解法等諸多問題，在一般工程應(yīng)用上尚無此必要。古通常均做如下假設(shè)。 （ 1） 電動(dòng)機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度沿氣隙按正弦分布。 （ 2） 繞組通電時(shí)，該電流產(chǎn)生的磁通對(duì)氣隙磁通的影響忽略不計(jì)。 （ 3） 控制電路在開關(guān)狀態(tài)下工作，功率晶體管壓降為恒值。 （ 4） 各相繞組對(duì)稱，其對(duì)應(yīng)的電路單元完全一致的，相應(yīng)的電氣時(shí)間常數(shù)忽略不計(jì)。 （ 5） 位置傳感器等控制電路的功率損耗忽略不計(jì)。 下面以三相全控電路，兩兩通電模式為例分析無刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的特性。其電路圖如圖 所示。 由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度在電動(dòng)機(jī)氣隙中是按正弦規(guī)律分布的，即 ?sinMBB?，這樣一來，如果在定子中某一相 (例如 B 相 )繞組中通入持續(xù)的直流電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為：?sinrILBZT MDM ? （ ） 式中： DZ— 每相繞組的有效導(dǎo)體數(shù)； L— 繞組中導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度，即磁鋼長(zhǎng)度，單位 m； r— 電動(dòng)機(jī)中氣隙的半徑，單位 m； I— 繞組相電流，單位 A 在三相全控電路兩兩通電時(shí)，共有六種通電方式，每種方式都由兩個(gè)繞組線圈串聯(lián)通電，這時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為兩個(gè)繞組的轉(zhuǎn)矩合成，其大小為： MTT 3? （ ） 就是說某一相通以持續(xù)不變的直流后，它和 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也將隨轉(zhuǎn)子位置的不同而按正弦規(guī)律變化，如圖 所示。 圖 在恒定電流下的單相轉(zhuǎn)矩 它對(duì)外負(fù)載講，所得的電動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)矩為零。但在無刷直流電動(dòng)機(jī)三相全控電路的工作情況下，實(shí)際上各相繞組中通過的不是持續(xù)不變的直流電流，只是通過 1/6 周期的矩形波電流，那么該電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線中相當(dāng)于1/6 周期的一段，且這一段曲線與繞組開始通電時(shí)的轉(zhuǎn)子相對(duì)位置有關(guān)。 顯然在繞組通電的時(shí)間里，如果載流導(dǎo)體正好處在比較強(qiáng)的氣隙磁場(chǎng)中，它所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，轉(zhuǎn)矩平均值較大。電動(dòng)機(jī)一旦在電動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)后，旋轉(zhuǎn)了的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就要切割定子繞組，在各相繞組上感生出電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)其轉(zhuǎn)速 n 不變時(shí)，該電動(dòng)勢(shì)波形也是正弦波，相位同轉(zhuǎn)矩相位一致。感生電動(dòng)勢(shì)波形如圖 所示。 圖 三相無刷直流電動(dòng)機(jī)全控電路的反電動(dòng)勢(shì) 由上述分析，可以很方便的求出輸出轉(zhuǎn)矩的平均值疋和感生電動(dòng)勢(shì)的平均值 E。由 平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動(dòng)勢(shì)便可求得無刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn) 行時(shí)的電壓平衡方程式，為此，首先定義反電動(dòng)勢(shì)系數(shù) ec和轉(zhuǎn)矩系數(shù) mc： nEce? （ ） it 對(duì)于某個(gè)具體的電動(dòng)機(jī)，它們?yōu)槌?shù)。當(dāng)然，其大小同主回路的接法 (如三相半控或三相全控 )以及開關(guān)管的換相方式 (如兩兩換相或三三換相 )有關(guān)。 目前己指出，為簡(jiǎn)便計(jì)算，假定各相繞組對(duì)稱、相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)忽略不計(jì)。由圖 2． 4可得電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程為： IREuu ???? () 式中， dmeICT ?，nE e，將上式整理后，可得機(jī)械特性方程： emee TCCRC uun ???? () 式中： n— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速， 單位 r／ mim； U— 電源電壓，單位 V； u?— 功率管管壓降，單位 V； R— 電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻，單位 Q； 由式 ()可知，無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程同一般直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程在形式上完全一致。只不過其中的轉(zhuǎn)矩和反電勢(shì)運(yùn)用平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動(dòng)勢(shì)的概念。這是由于它的反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)比較大的緣故，式 (2． 11)表示電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的機(jī)械方程，即一般所說的靜態(tài)方程。 同理，在上述假設(shè)條件不變的情況下，無刷直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性可由下列方程組 來描寫 目前已指出，為簡(jiǎn)便計(jì)算，假定各相繞組對(duì)稱、相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)忽略不計(jì)。在 AB相導(dǎo)通時(shí)，0?ci，由于繞組中性點(diǎn)電流為零，則 dbaiii ???可得到如下電壓平衡方程組為： dtdiLRiEu daaa ??? () dtdiLRiEu bbab ??? () 兩式相減得： dtdiLRiEu ddd 22 ??? () 這里 baduuu ??為逆變器輸出電壓， baEEE ??為平均反電動(dòng)勢(shì)。 又因?yàn)? dmeICT ? ，dtdnGDTT Le ??? 3752， nCe 式中， l為電動(dòng)機(jī)負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩 2GD電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩，gJGD 42 ?(J 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 )。經(jīng)拉式變換后得 )(2)(2)()( sLsIsRIsEsU ddd ??? )()( sICsT dme ? )(375)()( 2 ssnGDSTsT Le ?? )()( snCSE e? 在零初始條件下，對(duì)式取拉氏變換得電壓與電流和電流與電動(dòng)勢(shì)之間得傳遞函數(shù)分別為： sTRsRLREsusImdd????? 121121)()( sTRsIsI SE mld ?? )()( )( mem CCRGDT3752? 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)要介紹了無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成和基本工作原理，分析了無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，并推出了其傳遞函數(shù)，為后面的仿真研究、實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了依據(jù)。 3 單片機(jī) 本課題的控制對(duì)象時(shí)無刷直流電動(dòng)機(jī)，其控制中心是單片機(jī)。 AT89 系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89C52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位 單片機(jī) ，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀 程序存儲(chǔ)器 和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng) ， 片內(nèi)置通用 8 位 中央處理器 和 Flash 存儲(chǔ)單元 ， AT89C52 單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。 功能特性 兼容 MCS51指令系統(tǒng) 8kB 可反復(fù)擦寫 (大于 1000次） Flash ROM； 32個(gè)雙向 I/O 口； 256x8bit 內(nèi)部 RAM； 3個(gè) 16位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷； 時(shí)鐘頻率 024MHz； 2個(gè)串行中斷，可編程 UART 串行通道； 2個(gè)外部中斷源，共 8個(gè)中斷源； 2個(gè)讀寫中斷口線， 3級(jí)加密位； 低功耗空閑和掉電模式， 軟件 設(shè)置睡眠和喚醒功能； 1有 PDIP、 PQFP、 TQFP 及 PLCC 等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 單片機(jī)引腳 AT89C52為 8 位 通用微處理器 ，采用工業(yè)標(biāo) PDIP 封裝的 AT89C52引腳圖 準(zhǔn)的 C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的 8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對(duì)會(huì)聚主 IC 內(nèi)部 寄存器 、數(shù)據(jù) RAM 及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào) IR 的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有： XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 RST/VPD（ 9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。 VCC（ 40 腳）和 VSS（ 20 腳）為供電端口，分別接 +5V 電源的正負(fù)端。 P0~P3 為可編程通用 I/O 腳，其功能用途由 軟件 定義，在本設(shè)計(jì)中， P0 端口（ 32~39 腳）被定義為 N1 功能 控制端口 ，分別與 N1的相應(yīng)功能管腳相連接， 13 腳定義為 IR 輸入端， 10 腳和 11腳定義為 I2C 總線控制端口，分別連接 N1的 SDAS（ 18腳）和 SCLS（ 19腳）端口， 12 腳、 27 腳及 28 腳定義為握手信號(hào)功能端口，連接主板 CPU 的 相應(yīng)功能端， 用于當(dāng)前制式的檢測(cè)及會(huì)聚調(diào)整狀態(tài)