【文章內(nèi)容簡介】 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機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，同時也是霍爾式傳感器的轉(zhuǎn)子。通過感知轉(zhuǎn)子上的磁場強(qiáng)弱變化來辨別轉(zhuǎn)子所處的位置。 在長方形半導(dǎo)體薄片上通以電流 hI， 當(dāng)將半導(dǎo)體薄片置于外磁場中，并使其與外磁場垂直時，則在與電流 HI和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 會構(gòu)成的平面相垂直的方向上會產(chǎn)生一個電動勢 HE，稱其為霍爾電動勢，其大小為： BIKE HHH ? （ ） 式中 HK是霍二式原件的靈敏度。 當(dāng)磁場強(qiáng)度方向與半導(dǎo)體薄片不垂直，而是成 θ 角時，霍爾電動勢的大小改為 ?cosBIKE HHH ? （ ） 利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場，對霍爾元件通入直流電，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁場強(qiáng)度大小和方向隨 著它的位置不同而發(fā)生變化時，霍爾半導(dǎo)體就會輸出霍爾電動勢，霍爾電動勢的大小和相位隨著轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測轉(zhuǎn)子位置的作用。 2． 2 無刷直流電動機(jī)的基本工作原理 眾所周知，一般的永磁式直流電 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。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場。由于電刷的換向作用，使得這兩個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)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。無刷直流電動機(jī)為了實現(xiàn)無電刷換向，首先要求把一般直流電動機(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)直流永磁電動機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅這樣做還是不行的，因為用一般直流電源給定子上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場，它不能與運(yùn)動中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場相互作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)動。所以，無刷直流電動機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動機(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，使得無刷直流電動機(jī)在運(yùn)行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場，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。 電動機(jī)本體的電樞繞組為三相星形連接、位置傳感器與電動機(jī)本體同軸，控制電路對 位置信號進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電動機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。 圖 無刷直流電動機(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)通時間對應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 120度電角度，我們把無刷直流電動機(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，該電流產(chǎn)生的磁通對氣隙磁通的影響忽略不計。 （ 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） 各相繞組對稱，其對應(yīng)的電路單元完全一致的，相應(yīng)的電氣時間常數(shù)忽略不計。 （ 5） 位置傳感器等控制電路的功率損耗忽略不計。 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機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的特性。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)線的有效長度，即磁鋼長度，單位 m； r— 電動機(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，共有六種通電方式，每種方式都由兩個繞組線圈串聯(lián)通電，這時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為兩個繞組的轉(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 它對外負(fù)載講，所得的電動機(jī)平均轉(zhuǎn)矩為零。但在無刷直流電動機(jī)三相全控電路的工作情況下，實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的轉(zhuǎn)子相對位置有關(guān)。 顯然在繞組通電的時間里，如果載流導(dǎo)體正好處在比較強(qiáng)的氣隙磁場中，它所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動小，轉(zhuǎn)矩平均值較大。電動機(jī)一旦在電動轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動后，旋轉(zhuǎn)了的轉(zhuǎn)子磁場就要切割定子繞組，在各相繞組上感生出電動勢，當(dāng)其轉(zhuǎn)速 n 不變時，該電動勢波形也是正弦波，相位同轉(zhuǎn)矩相位一致。感生電動勢波形如圖 所示。 圖 三相無刷直流電動機(jī)全控電路的反電動勢 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勢的平均值 E。由 平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動勢便可求得無刷直流電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn) 行時的電壓平衡方程式，為此，首先定義反電動勢系數(shù) ec和轉(zhuǎn)矩系數(shù) mc： nEce? （ ） it 對于某個具體的電動機(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，為簡便計算，假定各相繞組對稱、相應(yīng)的時間常數(shù)忽略不計。由圖 2． 4可得電動機(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— 電動機(jī)的內(nèi)阻，單位 Q； 由式 ()可知，無刷直流電動機(jī)的機(jī)械特性方程同一般直流他勵電動機(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)矩和反電勢運(yùn)用平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動勢的概念。這是由于它的反電動勢和轉(zhuǎn)矩的波動比較大的緣故，式 (2． 11)表示電動機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時的機(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，無刷直流電動機(jī)的動態(tài)特性可由下列方程組 來描寫 目前已指出，為簡便計算，假定各相繞組對稱、相應(yīng)的時間常數(shù)忽略不計。在 AB相導(dǎo)通時，0?ci，由于繞組中性點電流為零，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 ??為平均反電動勢。 又因為 dmeICT ? ，dtdnGDTT Le ??? 3752， nCe 式中， l為電動機(jī)負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩 2GD電動機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩，gJGD 42 ?(J 為轉(zhuǎn)動慣量 )。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，對式取拉氏變換得電壓與電流和電流與電動勢之間得傳遞函數(shù)分別為： sTRsRLREsusImdd????? 121121)()( sTRsIsI SE mld ?? )()( )( mem CCRGDT3752? 本章小結(jié) 本章簡要介紹了無刷直流電動機(jī)的組成和基本工作原理，分析了無刷直流電動機(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、實際系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了依據(jù)。 3 單片機(jī) 本課題的控制對象時無刷直流電動機(jī)，其控制中心是單片機(jī)。 AT89 系列單片機(jī)簡介 AT89C52 是一個低電壓，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 程序存儲器 和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存儲技術(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個雙向 I/O 口； 256x8bit 內(nèi)部 RAM； 3個 16位可編程定時 /計數(shù)器中斷； 時鐘頻率 024MHz； 2個串行中斷，可編程 UART 串行通道； 2個外部中斷源，共 8個中斷源； 2個讀寫中斷口線， 3級加密位； 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，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主 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，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號 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)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)