【正文】 這一步的軟件編程任務(wù)主要是對(duì)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(jì)和參數(shù)調(diào)整，以及必要的改進(jìn)設(shè)計(jì)。這一步的軟件設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)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(cè)環(huán)境；二是通過(guò)軟件編程，較好的解決電機(jī)繞組的換相問(wèn)題，掌握位置反饋信號(hào)和電機(jī)繞組通斷電的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成電機(jī)的速度給定和正反轉(zhuǎn)控制。圖 為調(diào)速系統(tǒng)框圖。 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與上述硬件電路接口設(shè)計(jì)密切相關(guān)。 軟件設(shè)計(jì) 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(yǔ)言編譯器、匯編器、和其它相關(guān)的開發(fā)工具，具有強(qiáng)大的軟 件仿真環(huán)境，使得用戶可以直接利用 C 語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，同時(shí)，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(jí)別，用它生成的高效簡(jiǎn)潔的 C 代碼可以和匯編語(yǔ)言相媲美。 通過(guò) Matlab 建立的電機(jī)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。 圖 系統(tǒng)仿真簡(jiǎn)化圖 轉(zhuǎn)速環(huán)模擬電路圖如圖 所示。 圖 設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體硬件圖 6 系統(tǒng)算法仿真與軟件設(shè)計(jì) Matlab 仿真 隨著刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)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(yàn)證各種控制算法和策略，正確建立無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的模型就顯得非常重要。 對(duì)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(guò)三端穩(wěn)壓器 7815轉(zhuǎn)換 成 15V輸出；對(duì)于產(chǎn)生 5 V的供電電壓，本文采用將得到的 15V電經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓器 7805轉(zhuǎn)變成 5V輸出；對(duì)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 。 (2)5v：?jiǎn)纹瑱C(jī)的 17個(gè)端口，容許 5V輸入。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(gè)部分構(gòu)成了主電路的主體。由于功率場(chǎng)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(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無(wú)二次擊穿問(wèn)題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點(diǎn)，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。 功率器件的選擇 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的主電路采用三相橋式主電路。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(shí)即可開始為上橋臂驅(qū)動(dòng)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(bǔ)充。圖 5． 5說(shuō)明了該電路的工作原理。下橋臂三個(gè) MOS 的源極連接在一起，即共地連接，可直接接入 15V電源。 逆變器由六個(gè) 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(wú)感電阻 3R~ 8馬選為50?。當(dāng)逆變器同一橋臂 上 2個(gè)功率器件的輸入信號(hào)同時(shí)為高電平，則 IR2130輸出的 2路門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，從而可靠地避免橋臂直通現(xiàn)象發(fā)生。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(hào)輸入端 LIN1～ LIN3同時(shí)被輸入高電平，才可以解除故障閉鎖狀態(tài)。一旦外電流發(fā)生過(guò)流或直通，即電流檢測(cè)單元送來(lái)的信號(hào)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(hào)處理器的輸出，使 IR2130的輸出全為低電平，保護(hù)功率管；另一方面，同時(shí) IR2130的 FAULT 腳給出故障指示。 圖 IR2130內(nèi)部結(jié)構(gòu) 當(dāng) IR2130正常工作時(shí)，輸入的 6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)輸入信號(hào)處理器處理后變?yōu)?6路輸出脈沖，驅(qū)動(dòng)下橋臂功率管的信號(hào) L1～ L3經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)器功放后，直接送往被驅(qū)動(dòng)功率器件。 (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(gè)電流比較器CURRENTCOMPARATOR， 1個(gè)電流放大器 CURRENT AMP， 1個(gè)自身工作電源欠壓檢測(cè) UNDER VOLTAGE DETECTOR， 1個(gè)故障處理單元 FAULT LOGIC 及 1個(gè)清除封鎖邏輯單 CLEAR LOGIC。它在芯片內(nèi)部是漏極開路輸出端，低電平有效。 H01～ H0 LOI～ L03．逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸出端。 ITRIP：過(guò)流信號(hào)檢測(cè)輸入端，可通過(guò)輸入電流信號(hào)來(lái)完成過(guò)流或直通保護(hù)。 VS1～ VS3． 是其對(duì)應(yīng)的懸浮電源地端。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(jì)有與被驅(qū)動(dòng)的功率器件所通過(guò)的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計(jì)還保證了內(nèi)部的 3個(gè)通道的高 壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)使用，亦可只用其內(nèi)部的 3個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，并且輸入信號(hào)與 TTL 及 COMS 電平兼容。 (1)驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn) TR2130可用來(lái)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流為 250mA，而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為 500mA。瑯公司柵極驅(qū)動(dòng)集成電路使用一個(gè)專利的電平移動(dòng)技術(shù)用于 1200V高壓器件。所有的 IR 公司柵極驅(qū)動(dòng)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(dá) 2A。柵極驅(qū)動(dòng)集成電路接收從數(shù)字信號(hào)處理器、微控制器或其他的邏輯器件的邏輯輸出的信號(hào)而產(chǎn)生開 通和關(guān)閉MOSFET 或 IGBT 所必需的電流和電壓。 圖 直流電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖 功率驅(qū)動(dòng)電路 IR2130 整流器 (International Rectifier— IR)公司的 MOSFET 和 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)集成電路驅(qū)動(dòng)MOSFET 或 IGBT 可達(dá)到 1200V、 12kW 的應(yīng)用，是使用更簡(jiǎn)便、體積更小和費(fèi)用更低的解決方案，相對(duì)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(guò) 30％ )和電路板面積 (50％ )。 5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案 圖 5． 1給出了三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)單片機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖。在本系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制。適當(dāng)選取微分環(huán)節(jié)，可以減小系統(tǒng)的超調(diào)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是過(guò)大的微分系數(shù)會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且對(duì)變化的過(guò)于敏感使系統(tǒng)的抗干擾性能變差。有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；同時(shí)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。它是根據(jù)偏差的變化速度來(lái)調(diào)節(jié)的，所以它的輸出快，有時(shí)盡管偏差很小，只要它的變化速 度很快，則微分調(diào)節(jié)就有一個(gè)較大的輸出， 它的速度比比例調(diào)節(jié)還要迅速。加大積分系數(shù)有利于減小系統(tǒng)的靜差，但過(guò)強(qiáng)的積分作用會(huì)使超調(diào)增大。只要有偏差存在，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)就不斷動(dòng)作，直到把偏差信號(hào)消除。 積分環(huán)節(jié)：提高系統(tǒng)的抗干擾能力，消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。對(duì)帶有滯后的系統(tǒng)，可能產(chǎn)生振蕩，動(dòng)態(tài)特性也差。加大比例系數(shù)可以提高系統(tǒng)對(duì)偏差的分辨率，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。而位置式 PID 控制算法也可通過(guò)增量式控制算法推出遞推計(jì)算公式為式 (4． 10） kkk uuu ?? ?1 （ ） PID 調(diào)節(jié)器各參數(shù)對(duì)控制效果的影響 PID 三大參數(shù)選擇的好壞，直接影響到控制效果的好壞。 ke 為第 k 次采樣周期時(shí)的偏差值 1?k為第 k1次采樣周期的偏差值 ku為第 k 次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出 根據(jù)遞推原理，可寫出第 k1次的 PID 輸出表達(dá)式 )]()([ 211011 ?????? ???? ? kkDkjlkPkeeTTjETTeKu () 將式（ ）與（ ）相減，即可得到增量式 PID 控制算法公式： 211 ????????? kkkkkk CeBeAeuuu 式中 TTKCTTKBTTTTKADPDPDlP???????)21()1( 可以看出，如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 r，一旦確定了 A、 B、 C，只要使用前后三次測(cè)量值的偏差 ，就可以由式 (4． 8)求出控制量。模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 4． 4所示，系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對(duì)象組成。因此，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，大量采用的仍然是 PID 算法， PID 參數(shù)的整定方法很多，但大多數(shù)都以對(duì)象特性為參數(shù)。 PID 調(diào)節(jié)器 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，許多被控對(duì)象隨著負(fù)荷變化或干擾因素影響，其對(duì)象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。電樞繞組每隔 600電角度換相一次，如果電機(jī)的極對(duì)數(shù)為 P，則電機(jī)的機(jī)械角速度為： )/(3 sradtp??? ? （ ） 電機(jī)的速度為 min)/(1013606060 00 rtptpn ????? （ ） 每隔一定的時(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)速給定與所測(cè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，如果轉(zhuǎn)速誤差超過(guò)最大允許值，則通過(guò)數(shù)字 PID 算法對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。電角，極對(duì)數(shù)為 P 的電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一周，霍爾信號(hào)變化 6P 次。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子霍爾位置傳感器可以檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置角，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò) 3600電角，霍爾信號(hào)狀態(tài)變化 6次。如果電動(dòng)機(jī)最大電流為 Jo，則采樣電阻按式 (4． 1)選擇 max? （ ） 速度信號(hào)檢測(cè) 在一般的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，通常均在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼器等測(cè)速裝置，以此來(lái)精確地測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 圖 電流檢測(cè)和保護(hù)電路原理 采樣電阻應(yīng)根據(jù)最大允許電流的限制來(lái)選取，其阻值以端電壓 0． 5V 為準(zhǔn)。 如圖 4． 3所示，電流信號(hào)通過(guò)檢測(cè)采樣電阻 R 兩端電壓得到。電流檢測(cè)電路主要由分流電阻、濾波電容、功率放大器組成。 對(duì)于兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，在任一時(shí)刻，只有兩相繞組通電，電流從一相繞組流入，再?gòu)?一相繞組流出，電流大小與直流側(cè)電流大小相等。電阻法測(cè)電流的優(yōu)點(diǎn)是使用的元器件成本低，線路簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度快等，通常在小電流情況下使用。 (3)電阻法 電阻法是利用電流流過(guò)電阻會(huì)產(chǎn)生壓降，檢測(cè)電阻兩端電壓大小就可以知道流過(guò)電阻的電流大小。上電壓達(dá)到測(cè)量電流的目的。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體上的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)近似相等時(shí)，由磁勢(shì)平衡原理可知，線圈上流過(guò)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與線圈的匝數(shù)成反比，而與被測(cè)導(dǎo)體的電流成正比。該電勢(shì)經(jīng)過(guò)放大器驅(qū)動(dòng)電子器件導(dǎo)電，從而繞在聚磁環(huán)上的線圈就流過(guò)電流，線圈中流過(guò)的電流在聚磁環(huán)中也會(huì)產(chǎn)生方向正好與被測(cè)導(dǎo)體相反的磁場(chǎng)。 圖 霍爾效應(yīng)電流傳感器 測(cè)量系統(tǒng)主要由被測(cè)導(dǎo)體，聚磁環(huán)、線圈、霍爾元件、放大驅(qū)動(dòng)電流和測(cè)量電阻組成。 （ 1）電流互感器法 圖 ，它類似于變壓器，是利用交流電的電磁感應(yīng)原理測(cè)量電流的，如工頻交流電流，適用于高壓大電流 ，但測(cè)量動(dòng)態(tài)或低頻等信號(hào)時(shí)，精度不高。電流是電機(jī)內(nèi)部最基本的物理量。作為高性能的無(wú)刷直流電機(jī)均帶有電流環(huán)。 電流檢測(cè)方案 電流環(huán)調(diào)節(jié)主要作用是限制電機(jī)的最大電流，調(diào)節(jié)對(duì) 象的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減小因電網(wǎng)電壓等因素引起的動(dòng)態(tài)速變。 數(shù)字 I/O 口輸入是將數(shù)字 I/O 口引腳設(shè)置成輸入功能，霍爾元件的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)的數(shù)字 I/O 口輸入，定時(shí)讀取 I/O 口端口數(shù)據(jù)寄存器，并判斷霍爾位置信號(hào)的電平高低變化，從而確定轉(zhuǎn)子位置信息，并估計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)通順序的目的。霍爾位置傳感器利用磁敏霍爾元件檢測(cè)轉(zhuǎn)子永磁磁極位置，假設(shè)當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁 N 極接近霍爾元件時(shí)，輸出信號(hào)為高電平，而當(dāng)轉(zhuǎn)子 S 極接近霍爾元件時(shí)，輸出信號(hào)為低電平，那么轉(zhuǎn)子永磁磁極間位置就是霍爾元件輸出電平位上升沿或下降沿的位置。下面分別介 紹這些物理量的檢測(cè)方法。在檢測(cè)系統(tǒng)中占絕大多數(shù)檢測(cè)信號(hào)屬于非電量信號(hào)，如位置、速度等。檢測(cè)信號(hào)分為電量和非電量?jī)深?。系統(tǒng)通過(guò)軟 、硬件的協(xié)調(diào)配合采用全數(shù)字雙閉環(huán)控制。速度反饋則是通過(guò)霍爾位置傳感器輸出的位置量，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的。本系統(tǒng)主回路主要由單片機(jī)、 IR21 MOSFET 組成，控制部分以