【正文】 C2)采用一個(gè)分流電阻間接測(cè)流。但是，對(duì)于直流無刷電機(jī)的 控制特點(diǎn)，至少需要檢測(cè)兩相電流，需要兩組傳感器。 相電流檢測(cè)電路 4 過程論述 第 27 頁（共 37 頁） 檢測(cè)是直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)電流環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于電流檢測(cè)一般常用以下兩種方法 : CI)采用電流檢測(cè)模塊。 從無刷直流電機(jī)的工作原理分析以得出其對(duì)開關(guān)元件的性能要求有： 1. 滿足系統(tǒng)電壓、電流值的要 求，并有一定裕量； 2. 盡可能低的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷以后的漏電流，降低系統(tǒng)損耗； 3. 足夠的安全工作區(qū)； 4. 盡可能高的開關(guān)速度和盡可能低的開關(guān)損耗； 5. 盡可能小的驅(qū)動(dòng)功率； 6. 盡可能簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路，使開關(guān)元件及驅(qū)動(dòng)電路的成本盡可能低。如果這二路驅(qū)動(dòng)電壓小于 8． 3 V，輸出信號(hào)會(huì)因欠壓而被片內(nèi)封鎖。當(dāng) HIN= LIN=1時(shí)， HO=1， LO=1， MOSFET導(dǎo)通，當(dāng) HIN=0， LIN=0時(shí)， HO=0， LO=0， MOSFET關(guān)斷。 兩個(gè)高壓 MOS管推挽驅(qū)動(dòng)器的最大灌入或輸出電流為 2A。L／ CMOS電平兼容，其輸入引腳閥值與電源 V+成比例，為電源電壓 V+的 10％ ，各通道相對(duì)獨(dú)立。邏輯輸人端采用施密特觸發(fā)電路，提高抗干擾能力。 直流無刷電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 第 26 頁（共 37 頁） 引腳 1和 7是兩路獨(dú)立的輸出，分別是 LO(低端輸出 )和 HO(高端輸出 )，引腳 3和 6分別是 VCC(低端電源電壓 )和 VB(高端浮置電源電壓 )，引腳 9(VDD)是邏輯電路電源電壓，引腳 2(COM)是低端電源公共端，引腳 5和 13分別是 VS(高端浮置電源公共端 )和VSS(邏輯電路接地端 )，引 腳 10(HIN)是邏輯輸入控制端，引腳 11(SD)是輸入關(guān)閉端，引腳 12(LIN)是低端邏輯輸入。采用 CMOS施密特觸發(fā)輸入，以提高電路抗干擾能力。 圖 4— 3 功率驅(qū)動(dòng)電路 IR2110簡(jiǎn)介： 圖 4— 4 IR2110引腳 IR2110邏輯電源電壓范圍為 5 V～ 20 V，適應(yīng) TTL或 CMOS邏輯信號(hào)輸入，具有獨(dú)立的高端和低端 2個(gè)輸出通道。 選取三片 IR2110組成驅(qū)動(dòng)電路，一片 IR2110驅(qū)動(dòng)兩個(gè)功率管，功率 驅(qū)動(dòng)電路如下圖 所示 ： 4 過程論述 第 25 頁（共 37 頁） 圖中 IR2110芯片引腳“ HIN”和“ LIN”接 TMS320LF2407輸出的其中兩路 PWM（脈寬） 觸發(fā)控制信號(hào)，觸發(fā)控制信號(hào)經(jīng) IR2110功率放大后，通過引腳“ HO”和“ LO”經(jīng)兩個(gè)限流電阻分別接至兩個(gè)功率管的柵極以控制功 率管的通斷。 通過前面的分析比較已經(jīng)選定三相全控 Y型功率變 換電路，此處不再贅述，下面主要介紹功率驅(qū)動(dòng)電路。功率變換器的設(shè)計(jì)包括電路結(jié)構(gòu)選擇和元件定額估算兩方面的內(nèi)容。電流參考信號(hào)與實(shí)際的電動(dòng)機(jī)相電流信號(hào)相比較 ,差值經(jīng) PID 控制器 （微分與積分）調(diào)節(jié)后 ,將適當(dāng)?shù)?PWM（脈寬） 信號(hào)施加到電動(dòng)機(jī)的功率電子主回路 (功率變換器 )上 ,通過控制功率晶體管的開通關(guān)斷順序和時(shí)間 ,可改變電動(dòng)機(jī)定子繞組中的電流大小和繞組的導(dǎo)通順序 ,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的控制。首先 ,根據(jù)所檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào) ,計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)速度 。 反電動(dòng)勢(shì)與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成直流無刷電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 第 24 頁（共 37 頁） 正比 ,而轉(zhuǎn)矩與相電流也是成正比 的 。本文選擇霍爾 傳感器 ，下文對(duì)其 結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè) 計(jì)原則等方面做較詳細(xì)的介紹。因而本文采用這種方案， 并在下文中做出詳細(xì)的介紹。并且基于 DSP的無刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)具有良好的控制性能和調(diào)速性能，獲得了較好的動(dòng)態(tài)性能和較高的穩(wěn)態(tài)精度，運(yùn)行效率高，抗干擾能力強(qiáng)。本文也不考慮這種方案。此外，現(xiàn)代廣泛采用 PWM算法，單片機(jī)中都沒有可以產(chǎn)生 PWM脈沖的硬件設(shè)備，都是通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。 TMS320 LF2407A 電流梀測(cè) 位置 /速度檢測(cè) 保護(hù)電路 隔離驅(qū)動(dòng) AD C B A P PDPINTP W M 4 過程論述 第 23 頁（共 37 頁） 采用單片機(jī)控制方案 ,由于單片機(jī)本身結(jié)構(gòu)的限制，以之為核心所組成的單片機(jī)控制系統(tǒng)需要外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器 ,外接模擬 /數(shù)字（ A/D）轉(zhuǎn)換器等。 2407的主要功能： CX DSP內(nèi)核，內(nèi)部存儲(chǔ)器，事件管理器和片內(nèi)外接口。 2407具有 32位的 CALU和 32位累加器， 16179。 2407是 TI公司近年來推出的面向 DMC的 16位定點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)處理器，它具有高速信號(hào)處理和數(shù)字控制所必須的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而 且有為電機(jī)控制應(yīng)用提供單片機(jī)解決方案所必須的外圍設(shè)備。 TMS320LF2407芯片簡(jiǎn)介 由于 TMS320LF2407引腳圖較為復(fù)雜，功能很多，此處不一一介紹，主要介紹本文控制系統(tǒng)所用到的部分和該芯片的一些基本信息。由于采用了面向電機(jī)控制的高速數(shù)字信號(hào)處理器，無論是速度控制器的設(shè)計(jì)，還是電流控制器的實(shí)現(xiàn)，以及各種反饋信號(hào)的處 理和 PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生，均采用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，用軟件實(shí)現(xiàn)硬件電路的功能，實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示 。 數(shù)字信號(hào)處理 (Digital Signal Processing,簡(jiǎn)稱 DSP)是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng) 域的新興學(xué)科。 采用 DSP (數(shù)字信號(hào)處理器 )控制方案 為了 使電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)既可以適用于一般的應(yīng)用場(chǎng)合，又可以滿足一些高精度、高性能的控制要求。 178。引腳 17（ OUTPUT INHIBIT)：輸出禁止端。引腳 1 1 16（ CURRENT SINK OUT):抽電流輸出端。引腳 1 1 13（ CURRENT SOURCE OUT)：灌電流輸出端。引腳 10（ POWER GROUND):功率地。引腳 9（ LOGIC GROUND):邏輯地。時(shí)，施加零電平。三相電動(dòng)機(jī)傳感器空間間距 30176。 178。 178。引腳 4（ CLOCK TIMING):時(shí)鐘定時(shí)端?？刂扑绤^(qū)功能，高電平有效。由于所施加的邏輯電平?jīng)Q定電機(jī)轉(zhuǎn)向 178。引腳 1（ Vcc1）：第一電源，邏輯部分和時(shí)鐘用電源， +5V 178。直接與 PWM 信號(hào)接口和霍爾位置傳感器接口 178。輸出端直接驅(qū)動(dòng)雙極型功率管（可提供 35mA 基極電流）或 MOSFET 功率器件 178。 四相電動(dòng)機(jī)位置傳感器空間間距 90176。三相和思想無刷直流電動(dòng)機(jī)兼容 雙極性驅(qū)動(dòng)三相三角形聯(lián)結(jié)或星形聯(lián)結(jié)繞組 單極性驅(qū)動(dòng)三相有中心抽頭的星形聯(lián)結(jié)繞組 三相電動(dòng)機(jī)位置傳感器空間間距 30176。為了降低成本 ,簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ， 可采用三個(gè)霍爾元件作為轉(zhuǎn)子位置傳感器 ， 電機(jī)轉(zhuǎn)速及加速度由軟件根據(jù)傳感器信號(hào) 算出 。 如果采用軟件換相，單片機(jī)要不斷地執(zhí)行換相操作，才能使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)下去，同時(shí)還要監(jiān)控用戶界面，控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向操作，因此負(fù)擔(dān)很重，故本系統(tǒng)中采用專用集成電路芯片 LM621來完成換相工作。 3 方案論證 第 19 頁（共 37 頁） 單片機(jī)控制方案 本系統(tǒng)以 AT89C52 單片機(jī)為核心，通過 LM621，以 2*3 矩陣鍵盤做為輸入， 4位 數(shù)碼管顯示，達(dá)到控制無刷直流電機(jī)的啟停、速度和方向。因此，在一些要求比較高的場(chǎng)合，一般使用 Y形連接全控電路?？梢钥吹酱藭r(shí)的合成轉(zhuǎn)矩同樣增加了 3 倍。當(dāng) VF1VF2通電時(shí)，電流從 VF1流入，分別通過 A相繞組和 B， C兩相繞組，再從 VF2管流出。該連接電路的組成元件與三相 Y形連接全控橋式電路類似。通過矢量合成，可以看到合成矢量增加了 3 倍 ,如圖 35(a),當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 060 后合成轉(zhuǎn)矩如圖 (b),圖 (c)表示全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。各功率管的導(dǎo)通順序依次為 VF1VF VF2VFVF3VF VF4VF VF5VF VF6VF1。他們的通電方式有三三通電方式和兩兩導(dǎo)通方式兩種 ,下面重點(diǎn)介紹兩兩導(dǎo)通方式。圖中， VF1— VF6為 6個(gè) MOSFET功率管，起繞組的開關(guān)作用。因此，在一些要求比較高的場(chǎng)合，一般不使用三相半控電路。 圖 3— 3 三相半控電路中的位置傳感器的信號(hào)波形 3 方案論證 第 17 頁（共 37 頁） 和一般的直流電動(dòng)機(jī)一樣，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，由于其轉(zhuǎn)速很低，故轉(zhuǎn)子磁通切割定子繞組所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)很小，因而可能產(chǎn)生較大的電流。La Lb LcV F 3V F 2V F 1U1H1H2H3 圖 3— 2 三相半控電路 圖 3— 2中， L L L3 為電動(dòng)機(jī) A、 B、 C三相繞組； VF VF VF3 為 3 個(gè)大功率 MOSFET 管，主要起開關(guān)作用； H H H3 為來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)。 圖 31控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 直流無刷電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 第 16 頁（共 37 頁） 直流無刷電動(dòng)機(jī)的主回路設(shè)計(jì) 了解直流無刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，首先必須了解其定子繞組與電子換向器之間的各種連接方法；由于定子繞組為三相繞組的直流無刷電動(dòng)機(jī)在實(shí)際生活中最為常用，因此在此著重加以討論。 位置傳感器 在無刷直流電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息。 功率驅(qū)動(dòng)單元主要包括功率開關(guān)器件組成的三相全橋逆變電路和自舉電路。可繪出無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖 : 微控制器（單片機(jī)） 主要功能是根據(jù)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的要求和來自霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個(gè)輸出信號(hào)，將它們處理成功率驅(qū)動(dòng)單元的六個(gè)功率開關(guān)器件所要求的驅(qū)動(dòng)順序。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便。這種方案可以降低設(shè)備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。限于我國(guó)元器件水平及相關(guān)理論與實(shí)踐相結(jié)合的程 度還比較低，尤其是制造工藝和加工設(shè)備距離國(guó)際水準(zhǔn)差距較大，所以目前我國(guó)無刷電 機(jī)綜合水平仍低于國(guó)際水平，有 待進(jìn)一步的研究和開發(fā) 3 方案論證 系統(tǒng)概述 在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場(chǎng)合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。而永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)就是這種產(chǎn)品 的典型之一。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、精密機(jī)械技 術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)及人工智能技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，以機(jī)械為 主體的工業(yè)、民用產(chǎn)品不斷采用高新 技術(shù)，并向自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。于是電動(dòng)汽車專用電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為了研究的焦點(diǎn) ,國(guó)外電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)際應(yīng)用的交流電機(jī)主要有鼠籠異步電機(jī)和永磁同步機(jī) ,但目前認(rèn)為最適合用于電動(dòng)汽車的電機(jī)是多相永磁無刷直流電機(jī) ,所以對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制的研究是十分有必要的。 直流無刷電動(dòng)機(jī)力矩大 ,調(diào)速范圍寬 ,不產(chǎn)生電刷粉塵和電火花 ,摩擦力矩小故其性能優(yōu)越 ,但阻礙其普及應(yīng)用的主要因素是價(jià)格 ,它的電子控制和換相部分價(jià)格較高 ,所以研究一種實(shí)用且控制更加簡(jiǎn)捷、靈活的直流無刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是十分必要的。光機(jī)電一體化技術(shù)和信息技術(shù)作 為 20 世紀(jì)末誕生的“高新技術(shù)”必將在到來的新世紀(jì)里獲得更加快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。這樣便為永磁無刷電動(dòng)機(jī)贏得了又一廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。一個(gè)多世紀(jì)以來 ,直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一直占主導(dǎo)地位 ,但 是由于傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)均采用機(jī)械方法進(jìn)行換向 ,帶來不可克服的“機(jī)械磨損、電火花、噪聲、無線電干擾、壽命短”等致命弱點(diǎn) ,因此 ,使其應(yīng)用范圍受到了一定限制 ,尤其是在高性能中、小功率伺服驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。永磁無刷電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等微特電機(jī)綜合性能的提高 ,也使得微特電機(jī)大量進(jìn)入電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為執(zhí)行元件成為必然趨勢(shì) ,而永磁無刷電動(dòng)機(jī)作為微特電機(jī)中的“佼佼者” ,必將在高性能工業(yè)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合獲得廣泛的應(yīng)用。 (1)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。永磁同步電動(dòng)機(jī)把交流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜的磁場(chǎng)定向控制轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子位置定向控制 ,而無刷直流電動(dòng)機(jī)則進(jìn)一步將其簡(jiǎn)化為離散六狀態(tài)的轉(zhuǎn)子位置控制。 (2)由于沒有轉(zhuǎn)子損耗 ,也無需定子勵(lì)磁電流分量 ,所以無刷直流電動(dòng)機(jī)具有較高的效率和功率密度 ,對(duì)于同等容量的輸出 ,異步電機(jī)需要更大功率的整流器和逆變器。 與異步電動(dòng)機(jī)相比 ,無刷直流電動(dòng)機(jī)具有更大的功率密度、更高的效率和更好的控制性能。 (3)發(fā)熱的繞組安放在定子上 ,有利于散熱 ,便于溫度監(jiān)控 ,易得到較高功率密度。高性能的無刷直流電動(dòng)機(jī)工作壽命可達(dá)數(shù)十萬小時(shí) ,而有刷直流電動(dòng)機(jī)壽命一般較短 ,在高溫環(huán)境下甚至只有幾分鐘。 無刷直流電動(dòng)機(jī)與有刷直流電動(dòng)機(jī)相比 ,具有以下特點(diǎn) : (1)可靠性高、壽命長(zhǎng)。 無刷直流電動(dòng)機(jī)不僅保持了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、易于控制。工作時(shí)，控制器根據(jù)位置傳感器測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有序的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路中的各個(gè)功率管，進(jìn)行有序換流，以驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī) 無刷直流電動(dòng)機(jī)用一套電子換向裝置代替了有刷直流 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置 ,保留了有刷直流電動(dòng)機(jī)寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能 ,同時(shí)又克服了有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等一系列缺點(diǎn)。為了克服機(jī)械換相