【導(dǎo)讀】本文旨在研究一種低成本的無(wú)刷直流電機(jī)控制器。重研究了無(wú)刷直流電機(jī)的控制策略及其實(shí)現(xiàn)方法。頻以下進(jìn)行恒壓頻比控制，在基頻以上進(jìn)行恒功率控制。路采用常用的三相電壓源型逆變電路。頻率增長(zhǎng)采用給定積分法。經(jīng)過(guò)最終測(cè)試，本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)可達(dá)到如下指標(biāo)，電機(jī)能。流最大2A，輸出最高頻率200HZ，直流母線側(cè)電壓12V，最大功率24W。

　　

【正文】 圖 57 中斷服務(wù)程序流程圖 [在此處鍵入 ] 35 第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試 硬件調(diào)試 對(duì) 硬件 PCB 板的調(diào)試是是遵循這樣的原則的：化整為零分模塊調(diào)試，從輸入到輸出，從前級(jí)到后級(jí)依次調(diào)試。這樣才能做到有的放矢，以最高的效率調(diào)通 電路板。 在本次設(shè)計(jì)調(diào)試的時(shí)候，仍然是按照這樣的原則進(jìn)行的。以電源模塊為例進(jìn)行說(shuō)明。首先用萬(wàn)用表測(cè)試我們的電源能否正常輸出我們期望的電壓，能則繼續(xù)測(cè)量芯片 7815 能否正常輸出 10V 直流電，若能則繼續(xù)測(cè)量 7805 能否正常輸出 5V 直 流電，否則用萬(wàn)用表二極管檔測(cè)量管角之間是否可靠鏈接。如此進(jìn)行直到 調(diào)試好這個(gè)模塊為止。 軟件調(diào)試 軟件程序編寫(xiě)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，然而程序編寫(xiě)完后的軟件調(diào)試也是耗時(shí)相當(dāng)多的一個(gè)步驟。在不斷的調(diào)試過(guò)程中，我總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)：軟件調(diào)試可以采用跟硬件調(diào)試相同的方法，分模塊調(diào)試，針對(duì)軟 件當(dāng)中的某一個(gè)具體功能單個(gè)調(diào)試。在軟件當(dāng)中也可以采用一些技巧，如單步調(diào)試可以查看程序的走向，再如查看寄存器的值以驗(yàn)證變量的值是否是想要的值。軟件調(diào)試是個(gè)重復(fù)檢查的過(guò)程，花費(fèi)的時(shí)間也多，限于篇幅，此處不一一列舉。 如圖 61 為程序的編譯結(jié)果，可見(jiàn)程序編譯無(wú)錯(cuò)。 [在此處鍵入 ] 36 圖 61 程序編譯結(jié)果 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果 電路板接上電機(jī)測(cè)試結(jié)果 本次設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于 LS 單片機(jī)的變頻器。其輸出為頻率漸變的三相正弦波。電機(jī)是阻感 負(fù)載，不需要要濾波，可直接接在逆變器輸出端。 電機(jī) 轉(zhuǎn)速滿足如下關(guān)系式： pfn 60? （ 61） 其中極對(duì)數(shù) P=4，電源頻率在 3200HZ 之間變化，可以看出電機(jī)啟動(dòng)之后最高速度可達(dá) 3000 轉(zhuǎn) /分 。 由于本系統(tǒng)采用了分段同步調(diào)制，電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程相對(duì)平滑，由于沒(méi)有初始定相，電機(jī)在最開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)可能會(huì)有點(diǎn)抖動(dòng)，之后啟動(dòng)平滑轉(zhuǎn)速迅速升高至最高速，順利遷入同步運(yùn)行。 從實(shí)物圖 62 可以看出，電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明， 此次設(shè)計(jì) 能夠平滑啟動(dòng)電機(jī)，順利將電機(jī)遷入同步運(yùn)行狀態(tài)。 [在此處鍵入 ] 37 圖 62 電機(jī)同步運(yùn)行狀態(tài) 相關(guān)測(cè)試波形 a. 逆變電路的輸出電壓波形 因?yàn)殡姍C(jī) 的中性點(diǎn)沒(méi)有引出來(lái)，無(wú)法直接測(cè)量 ，所以 逆變電路輸出電壓波形是用 電阻 負(fù)載測(cè)出的。 如圖 63（ a）所示，當(dāng)頻率比較低時(shí)，載波比 N=63 時(shí)逆變電路輸出電壓波形 ，（ b） 為此時(shí)的仿真波形 （ a） N=63 低頻時(shí)你變輸出電壓波形 （ b）仿真波形 圖 63 逆變輸出電壓波形 [在此處鍵入 ] 38 （ a）中 頻時(shí) N=33 輸出電壓波形 （ b）中頻時(shí)輸出電壓波形 仿真 圖 64 中頻時(shí)輸出電壓波形 （ c）高頻時(shí)輸出電壓波形 （ d）輸出電壓仿真波形 圖 65 逆變電路輸出電 壓波形 從輸出波形中可以看出，無(wú)論是低頻、中頻還是高頻，輸出電壓都能很好的保持 “品 ”字波形而沒(méi)有變形， 與仿真波形一致， 并且兩 相 電壓相差 120 度，相位也沒(méi)有問(wèn)題。 b. 單片機(jī)發(fā)出的 SPWM 波形 [在此處鍵入 ] 39 如圖 66 所示，為單片機(jī)管腳輸出 SPWM 波形 其中（ a）未經(jīng)濾波的波形，（ b）為 阻容 濾波之后的波形，可以看出，單片的輸出波形能夠很好擬合正弦波 ，這也驗(yàn)證了面積等效原理 。 （ a）單片機(jī)管腳輸出波形 （ b）單片機(jī)管腳輸出濾波后波形 圖 66 單片機(jī)輸出 SPWM 波形 如圖 67 所示是 ： （ a） 低頻時(shí) N=63，（ b）低 頻時(shí) N=63 單片機(jī)發(fā)出的 SPWM 波形 仿真 。 圖 67（ a）低頻時(shí) N=63 單片機(jī)發(fā)出波形 [在此處鍵入 ] 40 圖 67（ b）低頻時(shí) N=63 SPWM 仿真波形 從實(shí)際波形和仿真波形可以看出，兩者是有差別的，這是由于仿真是理想的，而實(shí)際波形不可能是這樣的，但是大致形狀是一樣的，都可以看出這時(shí)候開(kāi)關(guān)頻率比較高。 如圖 68 所示是：（ a）中頻時(shí) N=33 單片機(jī)發(fā)出的實(shí)際波形，（ b）中頻時(shí) N=33 單片機(jī)發(fā)出的 SPWM 波形仿真。 圖 68（ a） 中頻時(shí) N=33 單片機(jī)發(fā)出波形 [在此處鍵入 ] 41 圖 68（ b） 中頻時(shí) N=33 單片機(jī)發(fā)出波形 仿真 從實(shí)際波形看來(lái)，其同仿真波形仍然是有差異的，但是變化趨勢(shì)是可以看出來(lái)的， 不難看出，這時(shí)候因?yàn)檩d波比減小，開(kāi)關(guān)頻率明顯降低，但是在實(shí)際中，開(kāi)關(guān)頻率并沒(méi)有明顯降低，因?yàn)檎{(diào)制波的頻率在升高，這里這樣做的目的就是為了減少調(diào)制波頻率升高帶給單片機(jī)和 MOS 管的壓力。 如圖 69 所示是：（ a）高頻頻時(shí) N=21 單片機(jī)發(fā)出的實(shí)際波形，（ b）N=21 時(shí) 單片機(jī)發(fā)出的 SPWM 波形仿真。 圖 69（ a） 高頻 時(shí)單片機(jī)發(fā)出 SPWM 波形 [在此處鍵入 ] 42 圖 69（ b）高頻 時(shí)單片機(jī)發(fā)出 SPWM 波形仿真 從波形中可以看出，此時(shí)開(kāi)關(guān)頻率明顯降低， 這很好的解決了單片機(jī)的運(yùn)算速度問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了較好的實(shí)時(shí)性，但是這是以犧牲精度為代價(jià)的，因?yàn)樵诟哳l時(shí)，載波比降到了 N=21， 一個(gè)正弦波周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)減少，這必然會(huì)產(chǎn)生相比高載波比更多的諧波，不過(guò)該載波比在實(shí)際使用過(guò)程中仍然是可以接受的。 c. 死區(qū)波形 本次設(shè)計(jì)采用的是雙極性調(diào)制，為防止 MOS 管同一橋臂同時(shí)導(dǎo)通，本次設(shè)計(jì)加入死區(qū)時(shí)間，理論設(shè)計(jì)死區(qū)時(shí)間為 542ns，如圖 610 所示，從實(shí)際輸出波形看來(lái)，實(shí)際輸出波形符合理論設(shè)計(jì)，且沒(méi)有影響逆變器電壓輸出。 [在此處鍵入 ] 43 圖 610 死區(qū)時(shí)間波形 d. 反電動(dòng)勢(shì)波形 如 圖 611 所示，為無(wú)刷直流電機(jī)的反電勢(shì)波形，可以看出，無(wú)刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形仍然是正弦波。 圖 611 反電動(dòng)勢(shì)波形 無(wú)刷直流電機(jī)是永磁同步電機(jī)的一種，其反電動(dòng)勢(shì)波形是梯形波，但是對(duì)于小功率無(wú)刷之流電機(jī)來(lái)說(shuō)，其反電動(dòng)勢(shì)波形接近正弦波，從而可以采用同步電機(jī)的變壓變頻控制，此次實(shí)驗(yàn)波形正好驗(yàn)證了這一點(diǎn)。 并且，從反電動(dòng)勢(shì)也可以看到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信息， 所以本次設(shè)計(jì)的后期展望工作就是利用 AD 采樣對(duì)反電動(dòng)勢(shì)波形進(jìn)行采樣進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速做閉環(huán)控制以做到更為精確的控制。 [在此處鍵入 ] 44 第 7 章 結(jié)論與展望 設(shè)計(jì)結(jié)論 本設(shè) 計(jì)在理論基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)踐，設(shè)計(jì)了一種基于 LS052AX 單片機(jī) 的SPWM 電壓源型 變頻器 ， 用以控制電機(jī)的開(kāi)環(huán)啟動(dòng)。只是這種變頻器跟一般的變頻器有所區(qū)別，因?yàn)樵撟冾l器是用來(lái)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的，所以它的頻率變化必須符合一定規(guī)律，本次設(shè)計(jì)采用恒壓頻比，頻率采用給定積分進(jìn)行增加。 系統(tǒng)具有如下技術(shù)指標(biāo)： (1) 啟動(dòng)時(shí)間：系統(tǒng)能在 5s 之內(nèi)快速升速至 3000 轉(zhuǎn)每分，并保持最高速運(yùn)行。 (2) 輸出頻率： 輸出頻率最低 1Hz，最高頻 200Hz，步長(zhǎng) 1Hz。輸出頻率最大值可以根據(jù)實(shí)際情況加大，但由于單片機(jī)運(yùn)算速度有限，要增加最高頻率必須采取其他措施 。 (3) 輸出電壓： 612V 按 VVVF 方式自動(dòng)變化，以達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。 U/F 曲線可調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同負(fù)載。輸出電壓由中間直流環(huán)節(jié)的電壓決定。 (4) 輸出電流： 2A (5) 輸出功率： 24W。輸出功率由中間直流環(huán)節(jié)的電壓決定。 設(shè)計(jì)展望 鑒于時(shí)間、經(jīng)費(fèi)和個(gè)人能力等多方面局限性，本設(shè)計(jì)難免存在一些不足，下面對(duì)這些不足做些說(shuō)明。 (1) 本次設(shè)計(jì)只做了電機(jī)的開(kāi)環(huán)啟動(dòng)，由于時(shí)間原因，并沒(méi)有做成調(diào)速功能，這也是最初設(shè)計(jì) PCB 板的時(shí)候所沒(méi)考慮到的， PCB 板上沒(méi)有加按鍵，若時(shí)間充裕， 通過(guò)按鍵來(lái)控制電機(jī)起停和加減速 肯定是可以做好的。 [在此處鍵入 ] 45 (2) 本設(shè)計(jì)為速度開(kāi)環(huán)控制，如果能采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制， 則 能獲得更好的調(diào)速精度和更強(qiáng)的帶載能力。這也是本設(shè)計(jì)優(yōu)化的一 個(gè) 方向。 (3) 本次設(shè)計(jì)的最高頻率是 200Hz， 然而要進(jìn)一步提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高頻率是必須解決的問(wèn)題，根據(jù)本次設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提高頻率有兩種方法，硬件方面，提高晶振頻率 以縮短計(jì)算時(shí)間 ， LS 單片機(jī)最高可支持 40M 晶振頻率；軟件方面，由于 LS 單片機(jī)有三道程序并發(fā)功能，可以采用一些策略，提高單片機(jī)的運(yùn)算效率，可以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 (4) 本次設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電機(jī)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定熱量，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下去，肯定對(duì)電 機(jī)本身不利甚至損壞電機(jī)。在后期研究當(dāng)中可以采用算法優(yōu)化濾去高次諧波，以減少電機(jī)的發(fā)熱量。 [在此處鍵入 ] 46 參考文獻(xiàn) 【 1】 夏長(zhǎng)亮 .無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng) [M]. 北京 :科學(xué)出版社 ,2020 【 2】 胡少軼 . 無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)研究 [D].陜西 ：西安理工大學(xué)， 2020， 3 【 3】 郭慶鼑 ,趙希梅 .直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理與技術(shù)應(yīng)用 [M].北京 :中國(guó)電力出版社 ,2020 【 4】 黃燦勝，楊修增 .基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn) SPWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].25（ 3）， 2020， 6 【 5】 張大為，劉迪，張艷麗 . 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