【導(dǎo)讀】無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。現(xiàn)階段，雖然各種交。流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長(zhǎng)。

　　

【正文】 ： 時(shí)鐘輸入端 。 CLEAR ： 同步清除輸入端（ 高 電平有效） A， B 串行數(shù)據(jù)輸入端 。 QA－ QH :輸出端 。 2. 面板指示燈狀態(tài)定義 面板指示燈狀態(tài)定義如表 33 表 33 面板指示燈狀態(tài)定義 序 號(hào) 功 能 指示燈狀態(tài) 1 過(guò) 流 過(guò)流時(shí)亮，否則滅 2 欠 壓 欠壓時(shí)亮，否則滅 3 剎 車(chē) 剎車(chē)時(shí)亮，否則滅 25 第五節(jié) 門(mén)陣列可編程器件 GAL16V8 一、 GAL16V8 圖及引腳功能 圖 311 GAL16V8引腳功能圖 表 34 GAL16V8（門(mén)陣列可編程器件）引腳名稱及功能 名 稱 功 能 I0I9 輸 入 F0F7 輸入 /輸出 I0/CK 時(shí)鐘輸入 UDD 電 源 GND 地 GAL 器件是從 PAL 發(fā) 展 過(guò)來(lái)的， PAL 器件的出現(xiàn)為數(shù)字電路的研制工作和小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了很大的方便。但是，由于它采用的是雙極型熔絲工藝，一旦編程以后不能修改，因而不適應(yīng)研制工作中經(jīng)常修改電路的需要。 GAL 有如下優(yōu)點(diǎn)： 1. 具有電可擦除的功能，克服了采用熔斷絲技術(shù)只能一次編程的缺點(diǎn)，其可改寫(xiě)的次數(shù)超過(guò) 100次； 26 2. 由于采用了輸出宏單元結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行組態(tài)，一片 GAL 器件可以實(shí)現(xiàn)各種組態(tài)的 PAL 器件輸出結(jié)構(gòu)的邏輯功能，給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的方便； 3. 具有加密的功能，保護(hù)了知識(shí)產(chǎn)權(quán)； 4. 在器件中開(kāi)設(shè)了一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域用來(lái)存放識(shí)別標(biāo)志 —— 即電子標(biāo)簽的功能。 GAL16V8主要是把驅(qū)動(dòng)順序信號(hào)和帶有各種控制信息的脈寬調(diào)制 PWM信號(hào)綜合成六個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 第六節(jié) 傳感器選擇 霍爾器件是一種磁傳感器。按照霍爾器件的功能可將它們分為 :霍爾線性器件和霍爾開(kāi)關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量，可用于磁場(chǎng)的測(cè)量和控制。霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高 (可達(dá) 1 MHz) ,耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻栭_(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn) 、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高。此外，其工作溫度范圍寬，可達(dá) 55 0C~150oC。 一、 在無(wú)刷直流動(dòng)機(jī)中常用的轉(zhuǎn)子位置傳感器 轉(zhuǎn)子位置傳感器是永磁無(wú)刷直流電機(jī)的關(guān)鍵部件。它對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯變換后去控制開(kāi)關(guān)管的通斷，使電機(jī)定子各相繞組按順序?qū)?，保證電機(jī)連續(xù)工作。轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸，以跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置；其定子固定于電機(jī)本體定子或端蓋上，以感應(yīng)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)為：輸出信號(hào)的幅值、精度，響應(yīng) 速度，工作溫度，抗干擾能力，損耗，體積重量，安裝方便性以及可靠性等。其種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開(kāi)關(guān)式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。 其中最常用的有以下幾種： 1. 霍爾元件式位置傳感器 霍爾元件式位置傳感器是磁敏式位置傳感器的一種。它是一種半導(dǎo)體器件，是利用霍爾效應(yīng)制成的。當(dāng)霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場(chǎng)中，即輸出霍爾電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)其不受外磁場(chǎng)作用時(shí)，其輸出端無(wú)信號(hào)。用霍爾元件作轉(zhuǎn)子位置傳感器通常有 27 兩種方式。第一種方式是將霍爾元件粘貼于電機(jī)端蓋內(nèi)表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝 在與電機(jī)軸同軸的永磁體，如圖 。對(duì)于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電機(jī)，三個(gè)霍爾元件在空間彼此相隔 120176。電角度，永磁體的極弧寬度為 180176。電角度。這樣，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)霍爾元件便交替輸出三個(gè)寬度為180176。電角、相位互差 120176。電角的矩形波信號(hào)。 第二種方式是直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁體主極作為傳感器的永磁體，根據(jù)霍爾元件的輸出信號(hào)即可判斷轉(zhuǎn)子磁極位置，將信號(hào)放大處理后便可驅(qū)動(dòng)逆變器工作。 如圖 312所示，霍爾元件式位置傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 體積小、價(jià)格低、可靠，但對(duì)工作溫度有一定要求，同時(shí)霍爾元件應(yīng)靠近傳感器的永磁體，否則輸出信號(hào)電平太低，不能正常工作。因此，在對(duì)性能和環(huán)境要求不是很高的永磁無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合大量使用霍爾元件式位置傳感器。 圖 312 霍爾元件式位置傳感器結(jié)構(gòu) 2. 電磁式位置傳感器 電磁式位置傳感器的定子由磁芯、高頻激磁繞組和輸出繞組組成。轉(zhuǎn)子由扇形磁芯和非導(dǎo)磁襯套組成。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸入繞組中通以高頻激磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子扇形磁芯處在輸出繞組下面時(shí)，輸入和輸出繞組通過(guò)定、轉(zhuǎn)子磁芯耦合，輸出繞組中則感應(yīng)出高頻信號(hào)，經(jīng)濾波整形 和邏輯處理后，即可控制逆變器工作。這種傳感器具有較高的強(qiáng)度，可經(jīng)受較大的振動(dòng)沖擊，故多用于航空航天領(lǐng)域。電磁式位置傳感器輸出信號(hào)較大，一般不需要經(jīng)過(guò)放大便可直接驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，但此輸出電壓是交流，必須先整流。由于這種傳感器過(guò)于笨重復(fù)雜，因而大大限制了其在普通條件下的應(yīng)用。 3. 光電式位置傳感器 28 光電式位置傳感器由固定在定子上的幾個(gè)光電耦合開(kāi)關(guān)和固定在轉(zhuǎn)子軸上的遮光板所組成。幾個(gè)光電耦合開(kāi)關(guān)沿圓周均布，每只光電耦合開(kāi)關(guān)由相互對(duì)著的紅外發(fā)光二極管和光敏三極管組成。遮光盤(pán)處于發(fā)光二極管和光敏三極管中間，盤(pán)上開(kāi)有一定 角度的窗口。紅外發(fā)光二極管通電后發(fā)出紅外光，當(dāng)遮光盤(pán)隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)時(shí)，紅外光間斷的照在光敏三極管上，使其不斷導(dǎo)通和截至，其輸出信號(hào)反應(yīng)了轉(zhuǎn)子的位置，經(jīng)過(guò)放大后去驅(qū)動(dòng)逆變器開(kāi)關(guān)管。光電式位置傳感器輕便可靠，安裝精度高，抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)整方便，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。 近年來(lái)，無(wú)位置傳感器的永磁無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展比較快。它省去了轉(zhuǎn)子位置傳感器，因而電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高。當(dāng)電機(jī)體積較小、位置傳感器難以安裝時(shí)或電機(jī)工作在惡劣環(huán)境中以致于位置傳感器工作的可靠性難以保證時(shí)，這種無(wú)位置傳感器的永磁無(wú)刷直流電機(jī)更 顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)的主要弱點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較低，一般只適用于空載或輕載條件下起動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體勵(lì)磁時(shí)，永磁體的強(qiáng)磁場(chǎng)使得電機(jī)在較低速度時(shí)就可以檢測(cè)到電樞繞組反電動(dòng)勢(shì)，在較低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自同步運(yùn)行狀態(tài)切換，從而加快電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)寬的調(diào)速范圍。 二、 霍爾器件在無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用 當(dāng)霍爾傳感器用作無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息檢測(cè)裝置時(shí)，將其安放在電機(jī)定子的適當(dāng)位置，霍爾器件的輸出與控制部分相連。當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)霍爾器件附近時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)令霍爾器件 輸出一個(gè)電壓信號(hào)，該信號(hào)被送到控制部分，由控制部分發(fā)出信號(hào)使得定子繞組供電電路導(dǎo)通，給相應(yīng)的定子繞組供電，從而產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)極性相同的磁場(chǎng)，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子到下一位置時(shí)，前一位置的霍爾器件停止工作，下一位置的霍爾器件輸出電壓信號(hào)，控制部分使得對(duì)應(yīng)定子繞組通電，產(chǎn)生推斥場(chǎng)使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，如此循環(huán)，維持電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 29 第七節(jié) 周邊保護(hù)電路 一、 電流采樣及過(guò)電流保護(hù) 圖 313 電流采樣及過(guò)流保護(hù)圖 1. 電流信號(hào) 電機(jī)主回路電流信號(hào)經(jīng)采樣電阻獲得。電流信號(hào)經(jīng)過(guò) LM358放大，由單片機(jī)PIC16F72A/D通道 RA1（管腳 2）輸入，并進(jìn)行控制處理。同時(shí)。電流采樣信號(hào)通過(guò) LM358與一固定電壓值比較，當(dāng)電壓的電流過(guò)大時(shí)， LM358輸出高電平，送入 GAL16V8直接關(guān)斷輸出，進(jìn)行邏輯保護(hù)。 2. 電流采樣 通常對(duì)電機(jī)三相電流進(jìn)行控制需要三個(gè)獨(dú)立的電流閉環(huán)，而永磁無(wú)刷直流電機(jī)采用兩相導(dǎo)通方式，即電機(jī)三相定子繞組在某一時(shí)刻只有兩相通電，導(dǎo)通的兩相繞組的電流大小相等，方向相反，因此任意時(shí)刻只需控制一個(gè)電流量。 電流采樣方式可采取直接采樣兩相電流的方法或采樣直流母線電流的方法。對(duì)于永磁無(wú)刷直流電機(jī)多采用后 一種方法。采樣直流母線電流有兩種方法，一種是在待測(cè)電路上串入一個(gè)小電阻，用小電阻上的壓降反映電流的大??；另一種是采用電流傳感器。在電流較大，或要求電隔離的情況下，可以采用磁場(chǎng)平衡式霍爾電流傳感器?？紤]到本控制系統(tǒng)的成本問(wèn)題，本系統(tǒng)采用第一種電流采樣方式。 3. 過(guò)流保護(hù) 過(guò)流保護(hù)電路可以對(duì) MOSFET進(jìn)行保護(hù)，將最大電流控制在設(shè)定范圍內(nèi)，當(dāng)達(dá)到閥值時(shí)關(guān)閉電機(jī)，避免了 MOSFET上通過(guò)大電流燒毀的危險(xiǎn)。過(guò)流保護(hù)是控制器的最后防 30 線，過(guò)流保護(hù)電阻用的是康銅絲，當(dāng)系統(tǒng)電流超過(guò)最大保護(hù)電流值時(shí)，康銅絲會(huì)燒斷，從而起到 保護(hù)作用。 圖 314 過(guò)流保護(hù)原理圖 二、 LM358 雙運(yùn)放大電路 如圖 315所示， LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。 圖 315 LM358引腳功能圖 三、 欠電壓保護(hù) 圖 316 欠電壓保護(hù)電路圖 如圖 317所示，電池電壓經(jīng)分壓后接單片機(jī) RA1（管腳 3），由單片機(jī)采入進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)電池電壓過(guò)低時(shí)給出欠壓信號(hào)，輸出截止，防止電池由于過(guò)放而損壞。對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)控制器，由于輸入控制變量比較多，控制器可以利用各種輸入信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)完成相當(dāng)完善與靈活的保護(hù)，這些保護(hù)功能可以大大提高無(wú)刷直流電機(jī)控制器的 31 可靠性。 第八節(jié) 電源電路 圖 317 電源電路圖 如圖 317所示， 36V電池送入 U1 U1 U15穩(wěn)壓器輸出 +15V和 +5V給 PIC單片機(jī)和IR2110供電。 32 第 四 章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)軟件設(shè)計(jì) 第一節(jié) 直流無(wú)刷電機(jī)控制器程序的設(shè)計(jì)概況 該程 序在設(shè)計(jì)的過(guò)程中 , 首先要上電復(fù)位 , 然后初始化時(shí)鐘和中斷源 , 再打開(kāi)中斷 , 當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)把的輸人電壓時(shí) , 將該電壓經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后按算法計(jì)算出 PWM的占空比輸出 PWM波。隨后采樣位置傳感器產(chǎn)生霍爾信號(hào) , 將該信號(hào)的狀態(tài)與電機(jī)固定的相位序列進(jìn)行比較 , 判斷電機(jī)的相位是否正確。若正確 , 輸出波 PWM, 否則 , 重新復(fù)位。欠壓檢測(cè)是根據(jù)需要設(shè)定欠壓值 , 然后采樣當(dāng)前電源電壓 , 若電壓低于設(shè)定值 ,則關(guān)閉輸出 , 相反 , 則進(jìn)行限流保護(hù)檢測(cè)。限流保護(hù)檢測(cè)是把電壓傳感器康銅絲上的電壓經(jīng)放大、 A/D轉(zhuǎn)換后與設(shè)定的電流限定值進(jìn) 行比較 , 若高于最高限定值 , 則關(guān)閉輸出 , 反之 , 則正常運(yùn)行。在運(yùn)行的過(guò)程中應(yīng)時(shí)刻檢測(cè)是否有剎車(chē)信號(hào)輸人 , 若有剎車(chē)信號(hào)輸人 , 則關(guān)閉輸出。 第二節(jié) 系統(tǒng)各部分功能在軟件中的實(shí)現(xiàn) 一、 驅(qū)動(dòng)控制 驅(qū)動(dòng)控制通過(guò)查表實(shí)現(xiàn)霍爾元件狀態(tài)到輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。直流無(wú)刷電機(jī)的 3個(gè)霍爾元件組合起來(lái)有 8種狀態(tài) , 其中 6種是有效的 , 對(duì)應(yīng) 1個(gè)輸出的狀態(tài)。這 6個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)沒(méi)有明顯的簡(jiǎn)單數(shù)量關(guān)系 , 所以要實(shí)現(xiàn)映射 , 查表是最快捷的方式。若電機(jī)需要反轉(zhuǎn) , 只需增加一個(gè)反轉(zhuǎn)狀態(tài)表即可。正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)只在于電流換相順序的不同 , 反映到程序中僅在查表處有區(qū)別 , 所以正反轉(zhuǎn)可共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。 二、 啟動(dòng) 理論上講 , 轉(zhuǎn)子位置過(guò)磁場(chǎng)換相臨界點(diǎn)時(shí) , 電流換相的速度越快越好。根據(jù)這一想法 , 可以將霍爾信號(hào)的改變?cè)O(shè)置為中斷 , 從而轉(zhuǎn)子的換相可以得到立即響應(yīng)。但是在電動(dòng)自行車(chē)控制場(chǎng)合 ,這樣的想法是沒(méi)有必要的。電動(dòng)自行車(chē)直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)來(lái)說(shuō)很低。設(shè)電動(dòng)自行車(chē)運(yùn)行在最高速 20km/s(這是國(guó)家法律規(guī)定的速度限制 ), 而其使用的小徑輪胎 , 則霍爾信號(hào)改變的時(shí)間為 。這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單片 33 機(jī)主程序循環(huán)一周需要的時(shí)間 (約 ), 所 以將霍爾元件信號(hào)狀態(tài)的檢測(cè)工作放在主程序中即可。這樣做的好處是可以減小中斷程序的執(zhí)行時(shí)間 , 程序運(yùn)行更加流暢。 三、 PWM中斷時(shí)間控制 中斷時(shí)間的控制與定時(shí)器時(shí)間控制相似。定時(shí)器在每個(gè)時(shí)間周期增加 1。它在計(jì)數(shù)滿后復(fù)位到 00h重新開(kāi)始 , 同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)。若想控制定時(shí)器定時(shí)時(shí)間 , 以在其中斷程序里面將定時(shí)器置數(shù) , 定時(shí)器便從這個(gè)數(shù)開(kāi)始計(jì)數(shù)直到溢出。這樣定時(shí)間可以由這個(gè)寫(xiě)入定時(shí)器寄存器的數(shù)值控制。須注意對(duì)有的定時(shí)器計(jì)數(shù)值寄器的時(shí)候 , 會(huì)把預(yù)分頻值清除 , 因此必須在寫(xiě)計(jì)數(shù)值的同時(shí)重新寫(xiě)預(yù)分頻值控制字。 PWM中斷的發(fā)生與定時(shí)器不同的是 :它的發(fā)生不是由于定時(shí)器溢出 , 而是由于定時(shí)器 TIMER2與 PWM周期寄存器 PR2值相等。因此 , 要在中斷程序中控制下次 PWM中斷的時(shí)間有兩個(gè)方法 :一是改變 PR2值 , 一是對(duì) TIMER2置數(shù) , 改變其初始值。值得注意的是 改變 TIMER2會(huì)連帶將其預(yù)分頻值改變?yōu)槟J(rèn)值 , 因此需要同時(shí)修改預(yù)分頻值才能達(dá) 到預(yù)想的效果。 四、 剎車(chē)控制 剎車(chē)控制在主程序里面 , 主程序時(shí)刻檢測(cè)剎車(chē)信號(hào) , 當(dāng)有剎車(chē)信號(hào) , 關(guān)斷波的輸出若沒(méi)有剎車(chē)信號(hào) , 根據(jù)轉(zhuǎn)把輸入的電壓 , 控制波的輸出。 五、 電源電壓 檢