【導讀】本文旨在研究一種低成本的無刷直流電機控制器。重研究了無刷直流電機的控制策略及其實現(xiàn)方法。頻以下進行恒壓頻比控制，在基頻以上進行恒功率控制。路采用常用的三相電壓源型逆變電路。頻率增長采用給定積分法。經(jīng)過最終測試，本次設(shè)計系統(tǒng)可達到如下指標，電機能。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 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，從前級到后級依次調(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)計調(diào)試的時候，仍然是按照這樣的原則進行的。以電源模塊為例進行說明。首先用萬用表測試我們的電源能否正常輸出我們期望的電壓，能則繼續(xù)測量芯片 7815 能否正常輸出 10V 直流電，若能則繼續(xù)測量 7805 能否正常輸出 5V 直 流電，否則用萬用表二極管檔測量管角之間是否可靠鏈接。如此進行直到 調(diào)試好這個模塊為止。 軟件調(diào)試 軟件程序編寫是系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容，然而程序編寫完后的軟件調(diào)試也是耗時相當多的一個步驟。在不斷的調(diào)試過程中，我總結(jié)了一些經(jīng)驗：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，針對軟 件當中的某一個具體功能單個調(diào)試。在軟件當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證變量的值是否是想要的值。軟件調(diào)試是個重復檢查的過程，花費的時間也多，限于篇幅，此處不一一列舉。 如圖 61 為程序的編譯結(jié)果，可見程序編譯無錯。 [在此處鍵入 ] 36 圖 61 程序編譯結(jié)果 系統(tǒng)測試結(jié)果 電路板接上電機測試結(jié)果 本次設(shè)計的實質(zhì)是設(shè)計實現(xiàn)基于 LS 單片機的變頻器。其輸出為頻率漸變的三相正弦波。電機是阻感 負載，不需要要濾波，可直接接在逆變器輸出端。 電機 轉(zhuǎn)速滿足如下關(guān)系式： pfn 60? （ 61） 其中極對數(shù) P=4，電源頻率在 3200HZ 之間變化，可以看出電機啟動之后最高速度可達 3000 轉(zhuǎn) /分 。 由于本系統(tǒng)采用了分段同步調(diào)制，電機的啟動過程相對平滑，由于沒有初始定相，電機在最開始啟動時可能會有點抖動，之后啟動平滑轉(zhuǎn)速迅速升高至最高速，順利遷入同步運行。 從實物圖 62 可以看出，電機在高速旋轉(zhuǎn)。測試結(jié)果說明， 此次設(shè)計 能夠平滑啟動電機，順利將電機遷入同步運行狀態(tài)。 [在此處鍵入 ] 37 圖 62 電機同步運行狀態(tài) 相關(guān)測試波形 a. 逆變電路的輸出電壓波形 因為電機 的中性點沒有引出來，無法直接測量 ，所以 逆變電路輸出電壓波形是用 電阻 負載測出的。 如圖 63（ a）所示，當頻率比較低時，載波比 N=63 時逆變電路輸出電壓波形 ，（ b） 為此時的仿真波形 （ a） N=63 低頻時你變輸出電壓波形 （ 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 N=33 輸出電壓波形 （ b）中頻時輸出電壓波形 仿真 圖 64 中頻時輸出電壓波形 （ c）高頻時輸出電壓波形 （ 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 ”字波形而沒有變形， 與仿真波形一致， 并且兩 相 電壓相差 120 度，相位也沒有問題。 b. 單片機發(fā)出的 SPWM 波形 [在此處鍵入 ] 39 如圖 66 所示，為單片機管腳輸出 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 ，這也驗證了面積等效原理 。 （ a）單片機管腳輸出波形 （ b）單片機管腳輸出濾波后波形 圖 66 單片機輸出 SPWM 波形 如圖 67 所示是 ： （ a） 低頻時 N=63，（ b）低 頻時 N=63 單片機發(fā)出的 SPWM 波形 仿真 。 圖 67（ a）低頻時 N=63 單片機發(fā)出波形 [在此處鍵入 ] 40 圖 67（ b）低頻時 N=63 SPWM 仿真波形 從實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，都可以看出這時候開關(guān)頻率比較高。 如圖 68 所示是：（ a）中頻時 N=33 單片機發(fā)出的實際波形，（ b）中頻時 N=33 單片機發(fā)出的 SPWM 波形仿真。 圖 68（ a） 中頻時 N=33 單片機發(fā)出波形 [在此處鍵入 ] 41 圖 68（ b） 中頻時 N=33 單片機發(fā)出波形 仿真 從實際波形看來，其同仿真波形仍然是有差異的，但是變化趨勢是可以看出來的， 不難看出，這時候因為載波比減小，開關(guān)頻率明顯降低，但是在實際中，開關(guān)頻率并沒有明顯降低，因為調(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和 MOS 管的壓力。 如圖 69 所示是：（ a）高頻頻時 N=21 單片機發(fā)出的實際波形，（ b）N=21 時 單片機發(fā)出的 SPWM 波形仿真。 圖 69（ a） 高頻 時單片機發(fā)出 SPWM 波形 [在此處鍵入 ] 42 圖 69（ b）高頻 時單片機發(fā)出 SPWM 波形仿真 從波形中可以看出，此時開關(guān)頻率明顯降低， 這很好的解決了單片機的運算速度問題，實現(xiàn)了較好的實時性，但是這是以犧牲精度為代價的，因為在高頻時，載波比降到了 N=21， 一個正弦波周期內(nèi)的脈沖個數(shù)減少，這必然會產(chǎn)生相比高載波比更多的諧波，不過該載波比在實際使用過程中仍然是可以接受的。 c. 死區(qū)波形 本次設(shè)計采用的是雙極性調(diào)制，為防止 MOS 管同一橋臂同時導通，本次設(shè)計加入死區(qū)時間，理論設(shè)計死區(qū)時間為 542ns，如圖 610 所示，從實際輸出波形看來，實際輸出波形符合理論設(shè)計，且沒有影響逆變器電壓輸出。 [在此處鍵入 ] 43 圖 610 死區(qū)時間波形 d. 反電動勢波形 如 圖 611 所示，為無刷直流電機的反電勢波形，可以看出，無刷直流電機的反電動勢波形仍然是正弦波。 圖 611 反電動勢波形 無刷直流電機是永磁同步電機的一種，其反電動勢波形是梯形波，但是對于小功率無刷之流電機來說，其反電動勢波形接近正弦波，從而可以采用同步電機的變壓變頻控制，此次實驗波形正好驗證了這一點。 并且，從反電動勢也可以看到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信息， 所以本次設(shè)計的后期展望工作就是利用 AD 采樣對反電動勢波形進行采樣進而得到轉(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)計結(jié)論 本設(shè) 計在理論基礎(chǔ)上結(jié)合實踐，設(shè)計了一種基于 LS052AX 單片機 的SPWM 電壓源型 變頻器 ， 用以控制電機的開環(huán)啟動。只是這種變頻器跟一般的變頻器有所區(qū)別，因為該變頻器是用來控制電機運轉(zhuǎn)的，所以它的頻率變化必須符合一定規(guī)律，本次設(shè)計采用恒壓頻比，頻率采用給定積分進行增加。 系統(tǒng)具有如下技術(shù)指標： (1) 啟動時間：系統(tǒng)能在 5s 之內(nèi)快速升速至 3000 轉(zhuǎn)每分，并保持最高速運行。 (2) 輸出頻率： 輸出頻率最低 1Hz，最高頻 200Hz，步長 1Hz。輸出頻率最大值可以根據(jù)實際情況加大，但由于單片機運算速度有限，要增加最高頻率必須采取其他措施 。 (3) 輸出電壓： 612V 按 VVVF 方式自動變化，以達到節(jié)能目標。 U/F 曲線可調(diào)節(jié)以適應不同負載。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)計展望 鑒于時間、經(jīng)費和個人能力等多方面局限性，本設(shè)計難免存在一些不足，下面對這些不足做些說明。 (1) 本次設(shè)計只做了電機的開環(huán)啟動，由于時間原因，并沒有做成調(diào)速功能，這也是最初設(shè)計 PCB 板的時候所沒考慮到的， PCB 板上沒有加按鍵，若時間充裕， 通過按鍵來控制電機起停和加減速 肯定是可以做好的。 [在此處鍵入 ] 45 (2) 本設(shè)計為速度開環(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)速精度和更強的帶載能力。這也是本設(shè)計優(yōu)化的一 個 方向。 (3) 本次設(shè)計的最高頻率是 200Hz， 然而要進一步提高電機轉(zhuǎn)速，提高頻率是必須解決的問題，根據(jù)本次設(shè)計經(jīng)驗，提高頻率有兩種方法，硬件方面，提高晶振頻率 以縮短計算時間 ， LS 單片機最高可支持 40M 晶振頻率；軟件方面，由于 LS 單片機有三道程序并發(fā)功能，可以采用一些策略，提高單片機的運算效率，可以提高電機的轉(zhuǎn)速。 (4) 本次設(shè)計測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電機運行會產(chǎn)生一定熱量，長時間運行下去，肯定對電 機本身不利甚至損壞電機。在后期研究當中可以采用算法優(yōu)化濾去高次諧波，以減少電機的發(fā)熱量。 [在此處鍵入 ] 46 參考文獻 【 1】 夏長亮 .無刷直流電機控制系統(tǒng) [M]. 北京 :科學出版社 ,2020 【 2】 胡少軼 . 無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)研究 [D].陜西 ：西安理工大學， 2020， 3 【 3】 郭慶鼑 ,趙希梅 .直流無刷電動機原理與技術(shù)應用 [M].北京 :中國電力出版社 ,2020 【 4】 黃燦勝，楊修增 .基于單片機實現(xiàn) SPWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 [J].25（ 3）， 2020， 6 【 5】 張大為，劉迪，張艷麗 . 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