【正文】 （ 1） 如圖 25 所示，模塊中用虛線包圍的這部分電路，是驅(qū)動(dòng) MOS 管的輔助電路。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 213Q1IRFP290710KR310KR720KR51D5IN4744D1HER104D3HER104213Q2IRFP290710KR410KR820KR6D6IN47441D2HER104D4HER104213Q3IRFP290710KR910KR1320KR11D11IN4744D7HER104D9HER104213Q4IRFP290710KR1010KR1420KR12D12IN4744D8HER104D10HER104213Q5IRFP290710KR1510KR1920KR17D17IN4744D13HER104D15HER104213Q6IRFP290710KR1610KR2020KR18D18IN4744D14HER104D16HER104VS1VS2VS3FAULT_1FAULT_2FAULT_3FAULT_4FAULT_5FAULT_6HO1LO1HO2 HO3LO2LO3VCC 圖 23 方案實(shí)際采用的逆變電路 213Q2IRFP290710KR410KR820KR6D6IN47441D2HER104D4HER104FAULT_2LO1 213Q2IRFP290710KR410KR820KR6D6IN47441D2HER104D4HER104FAULT_2LO1 圖 24 構(gòu)成逆變橋的基本 MOS 模塊 圖 25 MOS 管外圍驅(qū)動(dòng)電路 從圖中不難發(fā)現(xiàn)，逆變電路由如圖 24 所示的完全相同的 MOS 模塊構(gòu)成。詳見逆變電路 MOS 管的驅(qū)動(dòng)電路。這使得采用 CPLD 端口直驅(qū)（或加三極管信號(hào)放大直驅(qū)）的方式將不可行。 依舊以 AB 相導(dǎo)通為例，此時(shí) Q1 和 Q4 管導(dǎo)通，一般場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻 onR都在毫歐級，所以 B 點(diǎn)的電位近似為 0V， A 點(diǎn)的電位就近似為 VCC。 實(shí)際選用的型號(hào)為 IRFP2907。通常 P 溝道 FET 的性能較差，他有較高的柵極門限電壓、較高的 onR 以及較低的飽和電流 [9]。 故 MOS 中已經(jīng)集成 的 這個(gè) 穩(wěn)壓二極管發(fā)揮著延續(xù)相電流流動(dòng) ，防止擊穿 MOS 管 的作用。這樣既可通過調(diào)節(jié)PWM 信號(hào)的占空比，調(diào)節(jié) AB 相的驅(qū)動(dòng)電壓。這種驅(qū)動(dòng)方式，具體的說是， 對于 電機(jī)的三相連接線 A、 B、 C端口，其中 懸空相 端口 ：與其相連 的兩個(gè) MOS 管全部高阻；其中需要高電平的相端口 ： 與其 相連的上端的 MOS 管柵極接收 PWM 控制信號(hào)，間歇性的導(dǎo)通關(guān)斷，而另一個(gè) 下端 MOS 管完全高阻，即是使這相受到電源的 PWM 驅(qū)動(dòng)；而剩下的需要低電平的端口 ： 與其相連的上端 MOS 管高阻，下端 MOS 管完全導(dǎo)通接地。 213Q1PWM1213Q2PWM2213Q3PWM3213Q4PWM4213Q5PWM5213Q6PWM6VCCAB C 圖 22 三相橋逆變電路原理圖 其三個(gè)橋臂都是完全相同的結(jié)構(gòu)，通過門極輸入的 PWM 控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)每相的 PWM 電壓輸出，實(shí)現(xiàn) 對電機(jī)的 調(diào)壓 驅(qū)動(dòng) 。 人機(jī)接口：通過 LED 指示燈，顯示系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)；接收用戶的控制指令，生成相應(yīng)的信號(hào)傳遞給主控芯片。 逆變電路的 保護(hù)電路：采樣檢測流過 MOS 功率管的電流，防止由于某種原因而使功率管過流燒毀。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 2 章 控制器硬件電路設(shè)計(jì) 電路的總體結(jié)構(gòu) 控制器硬件電路的模塊劃分如下圖 21： 三相橋逆變電路：采用 MOS 三相全橋驅(qū)動(dòng)，采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)驅(qū)動(dòng)方式。 3）控制算法設(shè)計(jì) : 根據(jù)已有的成熟算法，結(jié)合自身的應(yīng)用場合和功能要求，選擇一種合適的控制算法。 人機(jī)接口：顯示系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，接收用戶的控制指令，生成相應(yīng)的信號(hào)傳遞給主控芯片。 CPLD：系統(tǒng)的主控芯片及其基本外設(shè) 。 逆變電路的驅(qū)動(dòng)電路：弱電控制強(qiáng)電，接收 CPLD 主控芯片對于各功率管的控制信號(hào)，生成相應(yīng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)對應(yīng)的三相橋的功率管。 2）控制器硬件電路設(shè)計(jì)： 設(shè)計(jì)分析一種以 CPLD 為控制核心的有位置傳感器無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案。 本文的研究內(nèi)容 本論文針對現(xiàn)已廣泛應(yīng)用的有位置傳感器的無刷直流電機(jī)，提出了一種采用CPLD 為控制核心的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。這樣 ， 不論是電磁噪聲還是電流波形都能得到改善。 3） 綠色 PWM 控制及其高效化 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用功率晶體管驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)頻率一般在2~5kHz， 該頻率范圍內(nèi)引起的噪聲在人耳聲頻范圍之內(nèi)，不利于人的身體 健康 。控制器的全數(shù)字化將使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更加簡化。例如，在一些對控制成本和空間要求嚴(yán)格的應(yīng)用中，增加位置傳感器不太實(shí)用或無法接受，而 DSP 等芯片固有的高速計(jì)算能力正可被用來實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制。 而 對于一般的工業(yè)用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，是否 將 控制器裝 入 電機(jī)內(nèi)部，還需要綜合考慮系統(tǒng)成 本 、電路工作可靠性及維修方便性 等因素 [3]15。 1) 小型化與集成化 微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)的發(fā)展將使電機(jī) 朝著 控制電路和傳感器高度集成化的方向發(fā)展 。 無刷直流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢 無刷直流電機(jī)主要由電機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)電路和位置傳感器三部分組成，其控制涉及電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、檢測與傳感器技術(shù)和控制理論技術(shù)。 微 處 理 器（ 單 片 機(jī) 、D S P 等 ）驅(qū) 動(dòng) 保 護(hù)電 路驅(qū) 動(dòng) 電 路（ 逆 變 器 ）無 刷 直流 電 機(jī)位 置 檢 測 電 路外 圍設(shè) 備 圖 13 典型的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng) DSP 等微處理器強(qiáng)大的計(jì)算能力使許多智能控制算法在無刷直流電機(jī)控制中得以實(shí) 現(xiàn)，近年來無刷直流電機(jī)的全 數(shù) 字化智能控制成為業(yè)界相關(guān)人員的研究熱點(diǎn) [8]。 CPLD 可以用 VHDL或 Verilog語言來編程，具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在線系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣 可 通過編程來修改。專用集成電路控浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 制器 具有， 結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高、外圍器件比分立式控制器少 的優(yōu)點(diǎn) ，但在使用時(shí)也會(huì)受到一定的限制，功能擴(kuò)展性不好， 很難 進(jìn)行產(chǎn)品升級等操作。因此，當(dāng)前主要采用專用集成電路 (ASIC)控制器、 FPGA、 CPLD、單片機(jī) 和 DSP 控制器等方式。 3)無刷直流電機(jī)控制器研究 無刷直流電機(jī)控制器經(jīng)歷了從分立元件到數(shù)字可編程集成電路控制方式的發(fā)展歷程。文獻(xiàn) [7]對電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行了分析，并從換相 控制和 磁路設(shè)計(jì)兩個(gè)方面提出抑制 脈動(dòng) 的方法。 文獻(xiàn) [6]詳細(xì)分析了無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)存在的必然性。 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)直接降低電力傳動(dòng)系統(tǒng)控制特性和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，并帶來振動(dòng)、諧振、噪聲等問題。 2) 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制研究 相對于正弦 波型 永磁同步電機(jī)， 梯形波 型無刷直流電機(jī)最 大 的問題 是存在 電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 采用無 位置傳感器控制的無刷直流電機(jī) ， 較難直接啟動(dòng) 。 （ 8）智能估計(jì)法：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 和 模糊控制等智能算法 ， 建立電機(jī)的電壓、電流和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)之間的關(guān)系 式， 其控制精度較高。 （ 7）變電機(jī)結(jié)構(gòu)法： 是一種對 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或定子結(jié)構(gòu)作改 善，而 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無位置傳感器控制。再根據(jù) 轉(zhuǎn)子初始位置，電機(jī)參數(shù)，磁通之間的關(guān)系 方程出發(fā) ，計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置 信息 。 尤其 近十年來，隨著微處理器性能的提高，這種方法已獲得 進(jìn)一步 發(fā)展，被用到 了 實(shí)際的無刷電機(jī)控制系統(tǒng)中。該方法能夠彌補(bǔ)反電動(dòng)勢檢測法在低速下的不足，能夠檢測更低的速度范圍。 （ 3）續(xù)流二極管法：通過檢測反向并聯(lián)在驅(qū)動(dòng)管上二極管的導(dǎo)通 狀態(tài)來得出轉(zhuǎn)子的位置。 （ 2）電感法：利用凸極永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子電感是轉(zhuǎn)子位置和相電流的函數(shù)，定子繞組電感會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子位置變化而變化的原理，提出了用繞組電感來檢測轉(zhuǎn)子位置的方法。電角度即為換相時(shí)刻。 轉(zhuǎn) 子 位 置 間 接 檢 測 法反電勢法電感法續(xù)流二極管法磁鏈法觀測器估計(jì)法變電機(jī)結(jié)構(gòu)法智能估計(jì)法 圖 12 轉(zhuǎn)子位置間接檢測法 （ 1）反電勢法：其原理是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)在定子繞組上感應(yīng)出反電動(dòng)勢，該反電動(dòng)勢的相位反映轉(zhuǎn)子位置 信息， 進(jìn)而 通過檢測反電動(dòng)勢信號(hào) 即可 間接得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。 1）無位置傳感器檢測技術(shù) 無位置傳感器控制技術(shù)，顧名思義即是不用位置傳感器，而主要通過電機(jī)內(nèi)容易獲取的電壓或電流等信號(hào)，經(jīng)過一定的算法處理，間接得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。② 從電機(jī)設(shè)計(jì)和控制方法等方面出發(fā)，研究無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng) 抑制方法，從而提高其伺服精度，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。 無刷直流電機(jī)的控制技術(shù) 目前，國內(nèi)外無刷直流電機(jī)的一般控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，我國已經(jīng)制定了GJBI863 無刷直流電機(jī)通用規(guī)范。進(jìn)而如果用電子換向器直接代換機(jī)械換向器的工作，將包含大量的功率晶體管開關(guān)元件和與之相適應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，就目前的科技水平而言，這種方法沒有實(shí)用價(jià)值也很難實(shí)施。 永 磁 無 刷 直 流 電 機(jī)電 機(jī) 本 體轉(zhuǎn) 子 位 置 傳 感 器電 子 換 向 電 路定 子 線 圈 繞 組轉(zhuǎn) 子 永 磁 體 圖 11 永磁無刷直流電機(jī)組成框圖 從上面的簡單介紹不難發(fā)現(xiàn)，無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)，工作原理基本完全一致，只是用電子換向器取代機(jī)械換向器而已。電子換向電路獲得這一位置信號(hào)后，按照設(shè)定的一定邏輯去驅(qū)動(dòng)與電樞繞組相 連接的相應(yīng)的功率晶體管，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繞組。 在無刷直流永磁電機(jī)中，電樞繞組被設(shè)置在定子上，永磁體磁極被設(shè)置在轉(zhuǎn)子上。 無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)： 在有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，定子主要由永磁體磁極、導(dǎo)磁軛和電刷構(gòu)件組成，轉(zhuǎn)子主要由電樞繞組和換 向器所組成。所以在對 電機(jī) 定位精度要求不特別高的傳動(dòng) 場合 ，永磁無刷直流電機(jī)因其控制簡單，效率高，體積小而具有明顯的優(yōu)勢 [1]3。 電機(jī) 繞組 一般工作于 120176。 所以 多應(yīng)用在需要 高精度位置控制 的 場合， 當(dāng)然 其控制 方式相比于 無刷直流電機(jī) 也要 復(fù)雜的多。 一般 需要 價(jià)格昂貴的光電編碼盤 來 檢測轉(zhuǎn)子位置， 以 提供連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信息 給控制器。 兩種電機(jī)定子繞組都是相同的，不同的是轉(zhuǎn)子磁鋼的制造不同，由此帶來了兩種電機(jī)在控制方法和性能方面的差異。 （ 2）具有交流電機(jī)特性的無刷直流電機(jī)（ PMSM） 反電動(dòng)勢波形和供電電流波形都是正弦波的電機(jī)，稱為正弦波同步電機(jī)，又稱永磁同步電機(jī)。這類電機(jī)由直流電源供電，借助位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 置，由所檢測出的信號(hào)去觸發(fā)相應(yīng)的電子換相線路，以實(shí)現(xiàn)無接觸換相。 但隨著無刷直流電機(jī)的各種控制方法正日趨成熟，特別是大規(guī)?，F(xiàn)場可編程門陣列 FPGA、 CPLD 的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)這些要求提供了可能，本課題便是基于這一背景而提出的。因此在國 民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如醫(yī)療機(jī)械、儀器儀表、化工、紡織以及家用電器和辦公自動(dòng)化等方面都有廣泛的應(yīng)用。 無刷直流電機(jī)（ BLDC）作為近年來迅速發(fā)展起來的一種新型電機(jī)，正是為解決有刷直流電機(jī)的種種缺點(diǎn)而出現(xiàn)的。直流電機(jī)因其良好的轉(zhuǎn)矩特性和快速響應(yīng)能力而在工業(yè)界有廣泛的應(yīng)用，其具有調(diào)速性能好、運(yùn)行效率高等諸多 優(yōu)點(diǎn)。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 摘 要 Abstract 第 1 章 緒論 .............................................................................................................. 1 課題 的背景和意義 ............................................................................................... 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 ............................................