【導(dǎo)讀】如今，利用單片機為核心設(shè)計的直流無刷電機控制系統(tǒng)，由于其固有的?；钪械玫搅嗽絹碓綇V泛的應(yīng)用。在硬件電路設(shè)計中，提出了檢測方案和調(diào)節(jié)方案?？朔?jīng)典PID算法中參數(shù)不易確定的問題。通過Matlab建立的電機轉(zhuǎn)速。明該模型的輸出波形與理論分析完全吻合。采用該仿真模型可以靈活地實現(xiàn)各種控制算。直流無刷電機控制系統(tǒng)提供了一個理想試驗平臺。系統(tǒng)硬件電路簡單，實用，經(jīng)濟性好。實驗結(jié)果證明，該設(shè)計方案合理，工作穩(wěn)定，具。有較高的性能指標。機與人們的生活息息相關(guān)、密不可分。直流電動機的電刷和換向器卻成為阻礙它發(fā)展的障礙，機械電刷和換向器因強迫性接觸，境以及需要定期維護等不足，嚴重影響了直流電動機的調(diào)速精度和性能。來人們一直在尋找一種不用電刷和換向器的直流電動機?？?、維護方便等優(yōu)點，使它一經(jīng)出現(xiàn)就以極快的速度發(fā)展和普及。近年來，電動機的控制部分已由模擬控制逐漸讓位于以單片機為主的微處理器控制。

　　

【正文】 口連接無刷直流電動機的霍爾位置傳感器；在電流檢測中，采用電阻法，電阻法是利用電流流過電阻會產(chǎn)生壓降，檢測電阻兩端電壓大小就可以知道流過電阻的電流大小；在速度檢測中，利用無刷直流電動機轉(zhuǎn)子霍爾位置傳感器可以檢測轉(zhuǎn)子磁極位置角，在通過利用定時器確定相鄰 2次霍爾狀態(tài)變化所需要的時間，就可以計算轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速。 5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)方案 圖 5． 1給出了三相無刷直流電動機單片機控制結(jié)構(gòu)框圖。其中三相無刷直流電動機定子繞組為星形接法，控制器單片機采用 C8051F330，驅(qū)動電路采用取公司的專用集成芯片 IR2130，逆變器采用三相橋式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子位置采用霍爾元件檢測，并利用位置信號去計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)。 圖 直流電動機的單片機控制結(jié)構(gòu)圖 功率驅(qū)動電路 IR2130 整流器 (International Rectifier— IR)公司的 MOSFET 和 IGBT 柵極驅(qū)動集成電路驅(qū)動MOSFET 或 IGBT 可達到 1200V、 12kW 的應(yīng)用，是使用更簡便、體積更小和費用更低的解決方案，相對于其他分立式、脈沖變壓器及光耦合器解決方案，可減少外部元件數(shù)(超過 30％ )和電路板面積 (50％ )。以很少量的附加元件，瓜公司柵極驅(qū)動集成電路以極其快速的通斷速度提供完整的驅(qū)動能力，而且牢固可靠和低功耗。柵極驅(qū)動集成電路接收從數(shù)字信號處理器、微控制器或其他的邏輯器件的邏輯輸出的信號而產(chǎn)生開 通和關(guān)閉MOSFET 或 IGBT 所必需的電流和電壓。其典型輸入值是 3． 3 v 邏輯電平信號。所有的 IR 公司柵極驅(qū)動集成電路是與 CMOS 兼容的，而且大多數(shù)是與 TTL 兼容的，輸出電流高達 2A。對于 MOSFET 或 IGBT 半橋或三相逆變橋的高側(cè)驅(qū)動，柵極驅(qū)動集成電路提供附加的柵極電源，此電源是浮地的，在最大的總線電壓上浮動?，樄緰艠O驅(qū)動集成電路使用一個專利的電平移動技術(shù)用于 1200V高壓器件。 IR2130是三相逆變橋 MOSFET 或 IGBT 柵極驅(qū)動集成電路。 (1)驅(qū)動芯片的特點 TR2130可用來驅(qū)動工作在母線電壓不高于 600V的電路中的功率 MOS 門器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動電流為 250mA，而反向峰值驅(qū)動電流為 500mA。它內(nèi)部設(shè)計有過流、過壓及欠壓保護、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶可方便的用來保護被驅(qū)動的 MOS門功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運用使其可用于高壓系統(tǒng)，它還可對同一橋臂上下2個功率器件的門極驅(qū)動信導(dǎo)產(chǎn)生 29s 互鎖延時時間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬(3～ 20V)，在它的內(nèi)部還設(shè)計有與被驅(qū)動的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計還保證了內(nèi)部的 3個通道的高 壓側(cè)驅(qū)動器和低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨使用，亦可只用其內(nèi)部的 3個低壓側(cè)驅(qū)動器，并且輸入信號與 TTL 及 COMS 電平兼容。 IR2130管腳如圖 圖 IR2130引腳分布 VBI～ VB3：是懸浮電源連接端，通過自舉電容為 3個上橋臂功率管的驅(qū)動器提供內(nèi)部懸浮電源。 VS1～ VS3． 是其對應(yīng)的懸浮電源地端。 HINI～ HIN LIN1～ LIN3：逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動信號輸入端，低電平有效。 ITRIP：過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護。 CA、 CAO、 VSO：內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來完成電流信號檢測。 H01～ H0 LOI～ L03．逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動器信號輸出端。 FAULT：過流、直通短路、過壓、欠匿保護輸出端，該端提供一個故障保護的指示信號。它在芯片內(nèi)部是漏極開路輸出端，低電平有效。 VCC、 VSS：芯片供電電源連接端， VCC 接正電源，而 VSS 接電源地。 (2)IR2130內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理 IR2130的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 5． 3所示，它的內(nèi)部集成有 1個電流比較器CURRENTCOMPARATOR， 1個電流放大器 CURRENT AMP， 1個自身工作電源欠壓檢測 UNDER VOLTAGE DETECTOR， 1個故障處理單元 FAULT LOGIC 及 1個清除封鎖邏輯單 CLEAR LOGIC。除上述外，它內(nèi)部還集成有 3個輸入信號處理器 INPUT SIGNAL GENERATOR、 3個脈沖處理器和電平移位器 PULSE GENERATOR LEVEL SHIFTER， 3個上橋臂側(cè)功 率管驅(qū)動信號鎖存器 LATCH， 3個上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動信號與欠壓檢測器，UV DETECTOR 及 6個低輸出阻抗 MOS 功率管驅(qū)動器 DRIVER 和 1個或門電路。 圖 IR2130內(nèi)部結(jié)構(gòu) 當(dāng) IR2130正常工作時，輸入的 6路驅(qū)動信號經(jīng)輸入信號處理器處理后變?yōu)?6路輸出脈沖，驅(qū)動下橋臂功率管的信號 L1～ L3經(jīng)輸出驅(qū)動器功放后，直接送往被驅(qū)動功率器件。而驅(qū)動上橋臂功率管的信號 H1～ H3先經(jīng)集成于 IR2130內(nèi)部的 3個脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進行電位變換， 變?yōu)?3路電位懸浮的驅(qū)動脈沖，再經(jīng)對應(yīng)的 3路輸出鎖存器鎖存并經(jīng)嚴格的驅(qū)動脈沖與否檢驗之后，送到輸出驅(qū)動器進行功放后才加到被驅(qū)動的功率管。一旦外電流發(fā)生過流或直通，即電流檢測單元送來的信號高于 ，則IR2130內(nèi)部的電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，促使故障邏輯處理單元輸出低電平，一則封鎖 3路輸入脈沖信號處理器的輸出，使 IR2130的輸出全為低電平，保護功率管；另一方面，同時 IR2130的 FAULT 腳給出故障指示。同樣若發(fā)生 IR2130的工作電源欠壓，則欠壓檢測器迅速翻轉(zhuǎn)，也會進行類似動作。發(fā)生故障后， IR2130內(nèi) 的故障邏輯處理單元的輸出將保持故障閉鎖狀態(tài)．直到故障清除后，在信號輸入端 LIN1～ LIN3同時被輸入高電平，才可以解除故障閉鎖狀態(tài)。 當(dāng) IR2130驅(qū)動上橋臂功率管的自舉電源工作電壓不足時，則該路的驅(qū)動信號檢測器迅速動作，封鎖該路的輸出，避免功率器件因驅(qū)動信號不足而損壞。當(dāng)逆變器同一橋臂 上 2個功率器件的輸入信號同時為高電平，則 IR2130輸出的 2路門極驅(qū)動信號全為低電平，從而可靠地避免橋臂直通現(xiàn)象發(fā)生。 (3)IR2130與 MOS 逆變器的連接 圖 IR2130與 MOS 逆變器的接線原理圖。 逆變器由六個 MOS 單管組成， DD2和 D3為超快二極管 RFl07，白舉電容 Cl、 C2和 C3為 1F?、無感電阻 3R~ 8馬選為50?。 圖 IR2130和 COM 逆變器的接線原理圖 驅(qū)動電路可分為下橋臂驅(qū)動和上橋臂驅(qū)動兩部分，兩部分驅(qū)動電路都需要有充足的電源供應(yīng)才能完成驅(qū)動工作。下橋臂三個 MOS 的源極連接在一起，即共地連接，可直接接入 15V電源。但是，上橋臂的三個管子源極分別與輸出及下橋臂管子的漏極相連，無法與下橋臂共用一個電源供電，需要單獨供電，為了盡量簡化系統(tǒng)內(nèi)部供電，因而采用自舉供電方式．如圖 5． 4中由二極管 DI、 D D3和電容 C C C3組成的電路。圖 5． 5說明了該電路的工作原理。 圖 自舉電路工作原理 當(dāng)下橋臂開關(guān)管導(dǎo)通，電源通過二極管對電容器充電，在很短的時間內(nèi)，電容器兩端的電壓即可上升到與 VCC 相同的幅值 (忽略二極管的正向壓降 )，如圖 (a)所示。當(dāng)下橋臂開關(guān)管關(guān)斷后，電容器上的電壓保持不變，此時即可開始為上橋臂驅(qū)動電路供電，當(dāng)下橋臂再次導(dǎo)通，電容器上損失的電壓即可得到補充。如此周而復(fù)始，只要電容器的容量滿足要求，則其上的電壓可看作是恒定的，可將其作為上橋臂驅(qū)動電路的電源。 功率器件的選擇 無刷直流電機控制系統(tǒng)的主電路采用三相橋式主電路。鑒于所研究的實驗系統(tǒng)容量較小，主 開關(guān)器件采用功率 MOS 場效應(yīng)管 MOSFET。由于功率場效應(yīng)晶體管 (Power MOSFET)是一種單極型電壓控制器件，具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。本文采用的是 IR 公司的 IRF3710S。DI～ D6是續(xù)流二極管，由于其工作頻率較高，因而要求具有較好的開關(guān)特性，普通的二極管難以勝任，通常選擇快速恢復(fù)二極管或開關(guān)二極管，這兩個部分構(gòu)成了主電路的主體。 電源電路的設(shè)計 由于本系統(tǒng)的電壓等級電機的供電電壓為 24v，所以整個系統(tǒng)的外加電源為 24v，故所需要的電壓等級有 3個 (1)15V：驅(qū)動功率管 MOSFET。 (2)5v：單片機的 17個端口，容許 5V輸入。 (3)：單片機所需要的供電電壓。 對于產(chǎn)生 15 V的供電電壓，本文采用 7815將開關(guān)電源 24 V經(jīng)過三端穩(wěn)壓器 7815轉(zhuǎn)換 成 15V輸出；對于產(chǎn)生 5 V的供電電壓，本文采用將得到的 15V電經(jīng)過三端穩(wěn)壓器 7805轉(zhuǎn)變成 5V輸出；對于產(chǎn)生 ，就需要將 5V電源轉(zhuǎn)換成 ，為 此選擇低功耗電源轉(zhuǎn)換芯片 AS1117，輸入 5 v，輸出 。 系統(tǒng)總體硬件示意圖 按照上面的步驟，設(shè)計系統(tǒng)總體硬件圖，如圖 5． 6所示。 圖 設(shè)計系統(tǒng)總體硬件圖 6 系統(tǒng)算法仿真與軟件設(shè)計 Matlab 仿真 隨著刷直流電動機應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，各種控制算法和控制策略層出不窮， 為了便于理論分析和驗證各種控制算法和策略，正確建立無刷直流電動機控制系統(tǒng)的模型就顯得非常重要。 本系統(tǒng)控制框圖由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊、電流調(diào)節(jié)器模塊、逆變器端電壓模塊和電機本體模塊四部分組成，如圖 6． 1 所示。 圖 系統(tǒng)仿真簡化圖 轉(zhuǎn)速環(huán)模擬電路圖如圖 所示。 圖 轉(zhuǎn)速模塊 仿真結(jié)果圖如圖 所示 圖 仿真圖 由圖可與看出，其控制使原控制系統(tǒng)更好，超調(diào)量更大，震動次數(shù)也多。 通過 Matlab 建立的電機轉(zhuǎn)速，仿真結(jié)果表明該模型的輸出波形與理論分析完全吻合。采用該仿真模型可以靈活地實現(xiàn)各種控制算法，能有效地節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計周期，加快實際系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試的進程，因此它為分析和設(shè)計無刷直流電機控制系統(tǒng)提供了一個理想試驗平臺。 軟件設(shè)計 本系統(tǒng)的軟件開發(fā) 89c51 系列單片開發(fā)的軟件，它可帶有 C 語言編譯器、匯編器、和其它相關(guān)的開發(fā)工具，具有強大的軟 件仿真環(huán)境，使得用戶可以直接利用 C 語言進行開發(fā)，同時，所帶的 C 編譯器具有性能優(yōu)異的優(yōu)化功能，用戶可以選擇優(yōu)化級別，用它生成的高效簡潔的 C 代碼可以和匯編語言相媲美。程序的調(diào)試是在 uV2 集成開發(fā)環(huán)境中進行的。 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計與上述硬件電路接口設(shè)計密切相關(guān)。三相無刷直流電動機兩相導(dǎo)通模式的軟件設(shè)計思想是根據(jù)外部模擬量輸入轉(zhuǎn)速指令給定值以及轉(zhuǎn)向要求確定轉(zhuǎn)速指令0n，在利用轉(zhuǎn)予位置傳感器霍爾元件檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號變化計算轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速n，并得到轉(zhuǎn)速誤差信號nne ?? 0；然后利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器計算無刷直流電動機母線電流參考指令*dcI；同時采樣直流母線電流值 dcI；接著計算電流誤差信號dcdc III ??? *，利用電流調(diào)節(jié)確定功率開關(guān)器件的占空比；最后根據(jù)霍爾元件信號以及直流母線指令電 流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的正負確 定無刷直流電動機定子繞組控制邏輯，輸出相應(yīng)的 PWM 波形，使得轉(zhuǎn)予按照控制的要求進行。圖 為調(diào)速系統(tǒng)框圖。 圖 無刷直流電動機調(diào)速控制框圖 從系統(tǒng)的整體設(shè)計規(guī)劃考慮，無刷直流電動機控制系統(tǒng)的設(shè)計可以分為以下兩步： 第一步，完成開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)，讓電機在霍爾位置傳感器信號反饋下實現(xiàn)簡單的控制，可以正反轉(zhuǎn)，可以通過 PC 機觀測到實時的速度變化，可以通過示波器觀測電流、電壓波形。這一步的軟件設(shè)計主要有兩個目的 ，一是構(gòu)建系統(tǒng)的軟件框架，為下面的雙閉環(huán)控制建立調(diào)試和監(jiān)測環(huán)境；二是通過軟件編程，較好的解決電機繞組的換相問題，掌握位置反饋信號和電機繞組通斷電的對應(yīng)關(guān)系，完成電機的速度給定和正反轉(zhuǎn)控制。 第二步，完成速度、電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)。這一步的軟件編程任務(wù)主要是對雙閉環(huán)控制中電流調(diào)節(jié)器、速度環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整，以及必要的改進設(shè)計。 系統(tǒng)程序主要由主程序模塊和中斷程序模塊構(gòu)成：