【導(dǎo)讀】是保護(hù)電機(jī)應(yīng)用的一個重要技術(shù)。直流電動機(jī)具有調(diào)速性能好，能耗低，減整器。供了更多的靈活性來控制直流電機(jī)，并且該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的性能。機(jī)控制系統(tǒng)，可以降低系統(tǒng)成本，節(jié)約人力資源，提高工作效率。結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，操作維修方便。因此，直流電動機(jī)的起動和調(diào)速要求較高的機(jī)械廣泛用于保持轉(zhuǎn)矩，但因?yàn)樾枰S護(hù)換向器，更多的麻煩，3000小時(shí)左右更換刷。直流電機(jī)的高速特性是其致命的缺。迅速下降，加入了半導(dǎo)體開關(guān)器件，高性能小型直流電機(jī)固有的優(yōu)點(diǎn)是從新整合，已成為一個源體積小，效率高，穩(wěn)定可控，便宜。究直流電機(jī)的速度控制，有十分重要的意義。的精度在所需要的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動。驅(qū)動不夠就可以采用兩個L298N。另外一組5V、9V電源給L298N的+VSS、+VS供電。光耦隔開，以免影響控制部分電源的品質(zhì)。電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)速和U、I有關(guān)，

　　

【正文】 置傳感器 轉(zhuǎn)子位置傳感器是永磁無刷直流電機(jī)的關(guān)鍵部件。它對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測，其輸出信號經(jīng)過邏輯變換后去控制開關(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。轉(zhuǎn)子位置傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)為：輸出信號的幅值、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 并置于外磁場中，即輸出霍爾電勢信號，當(dāng)其不受外磁場作用時(shí)，其輸出端無信號。用霍爾元件作轉(zhuǎn)子位置傳感器通常有兩種方式。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 。對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電機(jī)，三個霍 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)，三個霍爾元件便交替輸出三個寬度為 180176。電角、相位互差120176。電角的矩形波信號。 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即可判斷轉(zhuǎn)子磁極位置，將信號放大處理后便可驅(qū)動逆變器工作。 如圖 312所示，霍爾元件式位置傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格低、可靠，但對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，否則輸出信號電平太低，不能正常工作。因此，在對性能和環(huán)境要求不是很高的永磁無刷直流電機(jī)應(yīng)用場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定、轉(zhuǎn)子磁芯耦合，輸出繞組中則感應(yīng)出高頻信號，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較大，一般不需要經(jīng)過放大便可直接驅(qū)動開關(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 光電式位置傳感器由 固定在定子上的幾個光電耦合開關(guān)和固定在轉(zhuǎn)子軸上的遮光板所組成。幾個光電耦合開關(guān)沿圓周均布，每只光電耦合開關(guān)由相互對著的紅外發(fā)光二極管和光敏三極管組成。遮光盤處于發(fā)光二極管和光 敏三極管中間，盤上開有一定角度的窗口。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，其輸出信號反應(yīng)了轉(zhuǎn)子的位置，經(jīng)過放大后去驅(qū)動逆變器開關(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，無位置傳感器的永磁無刷直流電機(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)，這種無位置傳感器的永磁無刷直流電機(jī)更顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。無位置傳感器的無刷直流電機(jī)的主要弱點(diǎn)是起動轉(zhuǎn)矩比較低，一般只適用于空載或輕載條件下起動。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體勵磁時(shí)，永磁體 的強(qiáng)磁場使得電機(jī)在較低速度時(shí)就可以檢測到電樞繞組反電動勢，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)的起動過程，實(shí)現(xiàn)寬的調(diào)速范圍。 2 霍爾器件在 無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用 當(dāng)霍爾傳感器用作無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息檢測裝置時(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)無刷直流電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾器件附近時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的磁場令霍爾器件輸出一個電壓信號，該信號被送到控制部分，由控制部分發(fā)出信號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)子磁場極性相同的磁場，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。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，控制部分使得對應(yīng)定子繞組通電，產(chǎn)生推斥場使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，如此循環(huán)，維持電 機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 周邊保護(hù)電路 電流采樣及過電流保護(hù) 圖 313 電流采樣及過流保護(hù)圖 1 電流信號 電機(jī)主回路電流信號經(jīng)采樣電阻獲得。電流信號經(jīng)過 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)。電流采樣信號通過 LM358與一固定電壓值比較，當(dāng)電壓的電流過大時(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 通常對電機(jī)三相電流進(jìn)行控制需要三個獨(dú)立的電流閉環(huán)，而永磁無刷直流電機(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。對于永磁無刷直流電機(jī)多采用后一種方法。采樣直流母線電流有兩種方法，一種是在待測電路上串入一個小電阻，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，可以采用磁場平衡式霍爾電流傳感器?？紤]到本控制系統(tǒng)的成本問題，本系統(tǒng)采用第一種電流采樣方式。 3 過流保護(hù) 過流保護(hù)電路可以對 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上通過大電流燒毀的危險(xiǎn)。過流保護(hù)是控制器的最后防線，過流保護(hù)電阻用的是康銅絲，當(dāng)系統(tǒng)電流超過最大保護(hù)電流值時(shí)，康銅絲會燒斷，從而起到保護(hù)作用。 圖 314 過流保護(hù)原理圖 LM358 雙運(yùn)放大電路 如圖 315所示， LM358內(nèi)部包括有兩個獨(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)算放大器的場合。 圖 315 LM358引腳功能圖 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)電池電壓過低時(shí)給出欠壓信號，輸出截止，防止電池由于過放而損壞。對于無刷直流電機(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對控制系統(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刷直流電機(jī)控制器的可靠性。 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。 第 4 章 無刷直流電動機(jī)軟件設(shè)計(jì) 直流無刷電機(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 , 再打開中斷 , 當(dāng)檢測到轉(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 , 將該信號的狀態(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。限流保護(hù)檢測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)行的過程中應(yīng)時(shí)刻檢測是否有剎車信號輸人 , 若有剎車信號輸人 , 則關(guān)閉輸出。 系統(tǒng)各部分功能在軟件中的實(shí)現(xiàn) 1 驅(qū)動控制 驅(qū)動控制通過查表實(shí)現(xiàn)霍爾元件狀態(tài)到輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。直流無刷電機(jī)的 3個霍爾元件組合起來有 8種狀態(tài) , 其 中 6種是有效的 , 對應(yīng) 1個輸出的狀態(tài)。這 6個狀態(tài)對應(yīng)沒有明顯的簡單數(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) , 只需增加一個反轉(zhuǎn)狀態(tài)表即可。正反轉(zhuǎn)驅(qū)動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)可共用一個驅(qū)動程序。 2 啟動 理論上講 , 轉(zhuǎn)子位置過磁場換相臨界點(diǎn)時(shí) , 電流換相的速度越快越好。根據(jù)這一想法 , 可以將霍爾信號的改變設(shè)置為中斷 , 從而轉(zhuǎn)子的換相可以得到立即響應(yīng)。但是在電動自行車控制場合 ,這樣的想法是沒有必要的。電動自行車直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速相對來說很低 。設(shè)電動自行車運(yùn)行在最高速 20km/s(這是國家法律規(guī)定的速度限制 ), 而其使用的小徑輪胎 , 則霍爾信號改變的時(shí)間為。這個時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單片機(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狀態(tài)的檢測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。 3 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)器在每個時(shí)間周期增加 1。它在計(jì)數(shù)滿后復(fù)位到 00h重新開始 , 同時(shí)產(chǎn)生一個中斷信號。若想控制定時(shí)器定時(shí)時(shí)間 , 可以在其中斷程 序里面將定時(shí)器置數(shù) , 定時(shí)器便從這個數(shù)開始計(jì)數(shù)直到溢出。這樣定時(shí)時(shí)間可以由這個寫入定時(shí)器寄存器的數(shù)值控制。須注意對有的定時(shí)器計(jì)數(shù)值寄存器寫的時(shí)候 , 會把預(yù)分頻值清除 , 因此必須在寫計(jì)數(shù)值的同時(shí)重新寫預(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)間有兩個方法 :一是改變 PR2值 , 一是對 TIMER2置數(shù) , 改變其初始值。值得注意的是 :改變 TIMER2會連帶將其預(yù)分頻值改變?yōu)槟?認(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。 4 剎車控制 剎車控制在主程序里面 , 主程序時(shí)刻檢測剎車信號 , 當(dāng)有剎車信號 , 關(guān)斷波的輸出若沒有剎車信號 , 根據(jù)轉(zhuǎn)把輸入的電壓 , 控制波的輸出。 5 電源電壓檢測 電壓檢測也是在主程序里 ,電源電壓由于受到負(fù)載的影響 , 因此檢測值需要結(jié)合電源負(fù)載電流情況來綜合判斷。 6 PWM脈寬時(shí)間算法 PWM周期和占空比計(jì)算公式為 : PWM周期 =[(PR2)+l]*4*TOSC*(TMR2預(yù)分頻值 )， TOSC為晶振周期 : PWM占空比 =(CCPRIL:CCPICON5:4)*TOSC*(TMR2預(yù)分頻值 )。 計(jì) 算 脈 沖 寬 度