【正文】 兩個(gè)二極管一個(gè)代表正轉(zhuǎn)一個(gè)代表反轉(zhuǎn) 無刷直流電機(jī)的 驅(qū)動(dòng)電路 圖 45 驅(qū)動(dòng)電路 的組成 基于單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 IR2110 芯片是由 IR公司生產(chǎn)，用于 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路 。 S2 和 S5：通過按 S4 或 S6，當(dāng)前位閃爍，此時(shí)通過 S2 和 S5 可對(duì)當(dāng)前位進(jìn)行 +1/1，若 5S 內(nèi)沒有操作，系統(tǒng)自動(dòng)確認(rèn)當(dāng)前輸入值。單片機(jī)上電初始化后，首先掃描鍵盤，若 S1 被按下，則啟動(dòng)系統(tǒng)，否則將一直掃描鍵盤，此時(shí)其他鍵沒有任何功能。但是它有專門的第二功能 ： (RXD)還可以做串行口的輸入端， (TXD)串行口的輸出端， ， T0 與 T1 是兩個(gè)計(jì)時(shí)器，而 。 ? P2（ P2..0~）口是一個(gè) 帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端，訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，由它輸出高 8位地址，可以驅(qū)動(dòng) 4個(gè) LSTTL負(fù)載。 圖 41 AT89C51引腳圖 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 17 頁 共 47 頁 引腳功能概述： ? P0（ ~） 口 是 8 位漏極開路型雙向 I/O 端口，訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，分時(shí)作為低 8 位的地址線和 8 位雙向數(shù)據(jù)總線 ，可以以灌電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載，要求外接上拉電阻。 功能概述： AT89C51 片內(nèi)含有 4KB 的 Flash 存儲(chǔ)器，片內(nèi) RAM容量為 128B，片外的 ROM、RAM可以尋址 32KB 的容量，有 4*8 個(gè)并行的 I/O 端口，兩個(gè)定時(shí)器和 6個(gè)中斷源，引腳封裝形式有 DIP PLCC 4 PQFP 44 三種形式。 基于單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16 第 4 章 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 各接口電路與所用芯片詳 細(xì)功能及使用 介紹 AT89C51 芯片的介紹 AT89C51 是由美國(guó) Atmel 公司生產(chǎn)的一種 8 位單片機(jī)， 其片內(nèi) Flash 是一種高速電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 (EEPROM)， 可在內(nèi)部存放程序。由于負(fù)載突增的時(shí)候，轉(zhuǎn)速已經(jīng)很高，反電勢(shì)也會(huì)很大，在母線電壓恒定的情況下電流不會(huì)很快響應(yīng)，所以轉(zhuǎn)速的變化過程會(huì)較慢，從圖 34 中就可以看出。由圖中波形可知轉(zhuǎn)矩波形幅值和相電流幅值波形都在增大。 系統(tǒng) 總體框圖 系統(tǒng)總體框圖 如圖 31： 圖 31 整體框圖 微 處 理 器 電 機(jī) 驅(qū)動(dòng) 電 路 逆 變 橋 整 流 橋 三 相 交流 電 源 轉(zhuǎn) 子 位 置 信號(hào) 無刷電 機(jī) 電平轉(zhuǎn)換 基于單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 基于 Matlab 的控制系統(tǒng) 圖 32 基于無刷直流電機(jī) Matlab 的仿真圖 圖 33 線電壓 Uab 圖 34 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 15 頁 共 47 頁 圖 35 相電流 ia 和相反電勢(shì) ea 圖 36 電磁轉(zhuǎn)矩 Te 基于仿真波形的論述 由圖 36可知，電機(jī)空載啟動(dòng)，自由加速至穩(wěn)態(tài)后，在 時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩跳變。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 13 頁 共 47 頁 第 3 章 無刷直流電 機(jī)控制系統(tǒng) 總體 設(shè)計(jì) 整體運(yùn)行思路 本系統(tǒng)采用 AT89C51 為核心控制芯片， 三相交流電源經(jīng)過晶閘管全橋整流電路為逆變橋提供穩(wěn)定的整流直流電，加載到逆變橋兩端。設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)， 設(shè)方波一個(gè)周期的時(shí)間為 T，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為 Vmax，圖 24 中占空比為 t1/T,那么電機(jī)平均速度 Va=Vmax? (t1/D),為了得到不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速，我們可以改變占空比，也就是所謂的高電平持續(xù)的時(shí)間。如圖 27所示。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速。 PWM 可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。 成本較低，對(duì)于模擬電路產(chǎn)生的熱損耗以及對(duì)降低其產(chǎn)生的噪音都有良好的抑制作用，是用數(shù)字方式來控制模擬信號(hào)的典型例子。 (3)當(dāng)交流側(cè)為阻感性負(fù)載時(shí)需提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用，為了給交流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋給臂都并聯(lián)反饋二極管。它們各有特點(diǎn)，本系統(tǒng)使用電壓型逆變電路，它有以下特點(diǎn) ： (1)直流側(cè)為電壓源，或接有大電容，相當(dāng)于電壓源，直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。根據(jù)狀態(tài)表示依次使相對(duì)應(yīng)的功率管導(dǎo)通。電流從 C相正向流過，從 AB 兩相反向流過。 電流反向流過 A相， 電流從 B 相正向流過，從 AC兩相反向流過。 接下來 電流先從 A相正向流過 再從 BC 兩相 反向流過。導(dǎo)通方式就是 ABC 三相全部處于導(dǎo)通狀態(tài)。 2. 180176。 MOSFET 管的標(biāo)號(hào)可以改變，按照上圖的標(biāo)示功率管的導(dǎo)通順序應(yīng)該依次是 T1T6T1T2T3T4T3T2T5T4T5T6。繞組電流換向依次流過，就會(huì)在定子繞組中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。最后以 C相位基準(zhǔn)，電流從 T5 管流過經(jīng) C 相 A相再從 T4管流回，電流從 C相正向流過從 A相反向向流回。從AB 相換到 AC 相，電流從 T1 管流經(jīng) A 相 C 相再從 T2 管流回，電流還是從 A 相正向流過從 C相反向流過。按圖 3 所示逆變電路為例，當(dāng)在其兩端加一直流電源時(shí)，功率管按順序?qū)?。?dǎo)通方式就是說電機(jī)內(nèi)部繞組為 A、 B、 C 三相，兩相繞組導(dǎo)通時(shí)其中每一項(xiàng)導(dǎo)通電角度是 120176。 1. 120176。 導(dǎo)通方式。 三相繞組導(dǎo)通方式通常有 120176。采用6個(gè) MOSFET 功率管和 6個(gè)續(xù)流二極管組成。 怎么樣才能使轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)在 360 度電角度內(nèi)始終形成固定的 90度的電角度，通過電路的一系列工作方式來說明這些問題。 電角度，這樣電機(jī)就連續(xù)不斷的運(yùn)轉(zhuǎn)起來了。 始終形成一個(gè)固定的電角度產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。而無刷直流電機(jī)沒有換向器，并且繞組是在定子上，轉(zhuǎn)子上鑲有永磁剛。 工作原理 圖 25 無刷直流電機(jī)運(yùn)行原理圖 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 9 頁 共 47 頁 直流電機(jī) 由定子產(chǎn)生固定的磁場(chǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子線圈上通有電流后 通電導(dǎo)體會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)的原因產(chǎn)生力矩，此力矩就會(huì)使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)， 當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過 180176。這樣就和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)始終形成一定的角度，產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩，這樣就是實(shí)現(xiàn)了定子電流隨轉(zhuǎn)子位置變化而做相應(yīng)的變化。這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)形成一定的角度，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的力矩。傳感器轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對(duì)磁極（ N S）轉(zhuǎn)角，就相應(yīng)的產(chǎn)生出與電機(jī)邏輯分配狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù) ，以此完成電機(jī)的一次換流全過程。 基于單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 圖 24 位置傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 霍爾位置傳感器也是由運(yùn)動(dòng)部分和靜止部分組成，位置傳感器定子和轉(zhuǎn)子。 綜上所述，無刷直流電機(jī)由 三部分組成分別是 電機(jī)本體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相線路，如圖 21，圖 22，圖 23 所示 圖 22 無刷直流電機(jī)內(nèi)部原理圖 圖 23 無刷直流電機(jī) 結(jié)構(gòu)圖 主 體 眾所周知，電機(jī)由 定子和轉(zhuǎn)子組成。而 無刷直流電機(jī)卻恰好性反，它是將繞組裝在了定子上，轉(zhuǎn)子上裝有永久磁鋼。 4. 功率密度較高，定子繞組容易散熱。 2. 由于是電子換向線路，所以在一定的高溫高壓及環(huán)境比較惡劣的情況下， 可以從一定程度上減少來自 外界 的 干擾 ，從而使得它具有較高的可靠性能，不用經(jīng)常維護(hù)。 通過上述敘述我們可以確定，想要使無刷直流電機(jī)在未來越來越的在民用領(lǐng)域中使用的話，那么就要從其結(jié)構(gòu)、成本、體積等各發(fā)面研究，找出一個(gè)最佳方案，甚至有可能的話設(shè)計(jì)一款通用型。由于引入的位置傳感器內(nèi)嵌在機(jī)體內(nèi)部，而且傳感器的組成也 是頗為復(fù)雜，無位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的技術(shù)就被人們引入到無刷直流電機(jī)的領(lǐng)域中，而且現(xiàn)在有了相對(duì)成熟的反電動(dòng)勢(shì)法。各公司也相繼開發(fā)出了控制電機(jī)的專用集成芯片，所以在未來一定還會(huì)有多種多樣的芯片問世，他們將會(huì)更加高度集成化，使用起來將會(huì)更加便捷。而且電機(jī)日常工作性能更加穩(wěn)定，可靠性也隨之提高。 ? 鑒于流水線生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用與工廠自動(dòng)化程度的提高，可以大規(guī)模的成批量的生產(chǎn)電機(jī)的零件，即高效又省時(shí)從而一定程度上節(jié)約了制作成本。材料、電力電子與微電子技術(shù)、 數(shù)字電路等行業(yè)更是日新月異，無刷直流電機(jī)也得到了空前的發(fā)展。因此，對(duì)它的研究在現(xiàn)如今以致在今后未來的很長(zhǎng)一段時(shí)間里都會(huì)具有很深遠(yuǎn)的意義。微電子技術(shù)更是將無刷直流電機(jī)的專用控制集成電路與電子電路更好的結(jié)合起來。過去的鋁鎳鈷永磁材料已逐漸被鐵氧體、稀土永磁材料所代替， 20 世紀(jì) 80 年代高慈能積的銣鐵硼永磁材料的出現(xiàn)與發(fā)展更是極大程度的推動(dòng)了永磁電機(jī)的發(fā)展。 現(xiàn)代無刷直流電機(jī)都是以永磁勵(lì)磁的。雖然 由于驅(qū)動(dòng)電路與換向電路在成本上有一定的增加，但是相信這些隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展都會(huì)得到客服，隨著永磁材料的更新進(jìn)步，制作轉(zhuǎn)子永磁體變得也越來越容易成本也在下降，這就又為無刷直流電機(jī)的推廣應(yīng)用增加了一定的籌碼，因此在來，相信很長(zhǎng)一段時(shí)間里，無刷直流電機(jī)會(huì)越來越多的應(yīng)用在民用領(lǐng)域中，漸漸的將會(huì)取代現(xiàn)有的直流電基于單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 機(jī)。另一方面，從減少機(jī)械振動(dòng)和減少噪音方面無刷直流電機(jī)做的也是非常成功的。沿襲了直流電機(jī)調(diào)速性能好、機(jī)械特性呈線性、運(yùn)行效率高等一系列 優(yōu)點(diǎn)，并且突出的有點(diǎn)就是沒有勵(lì)磁損耗。 無刷直流電機(jī) 研究的意義 無刷直流電機(jī)是將控制芯片、檢 測(cè)元件、換向機(jī)構(gòu)、軟硬件相結(jié)合的一種新型機(jī)電產(chǎn)品，綜合了許多現(xiàn)代科技的最新成果，是現(xiàn)代機(jī)電一體化的最新最好的詮釋。 永磁無刷電機(jī)是永磁無刷直流電機(jī)、永磁無刷交流同步電機(jī)、永磁無刷直線電機(jī)和永磁無刷力矩電機(jī)的總稱。在 ⒛ 世紀(jì) 70 年代初期，又 成功試制了 借助比霍爾元件的靈敏度高千倍左右的磁敏二極管實(shí)現(xiàn)換相的無刷直流電機(jī) [2]。 傳感器的出現(xiàn)為無刷直流電機(jī)快速研制成功與投入應(yīng)用更是起到了關(guān)鍵性的作用 ，接近開關(guān)式位置傳感器、北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 3 頁 共 47 頁 電磁諧振式位置傳感器和高頻耦合式位置傳感器相繼 出現(xiàn) ， 然后 又 相繼研制成功 了磁電耦合式和光電式位置傳感器。鑒于此，其后人們又做了無數(shù)次 的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終終于找到了利用位置傳感器和電子換向線路來代替機(jī)械結(jié)構(gòu)電刷的電子換向線路。而定子輔助磁鋼的運(yùn)用需要附加脈沖，這就在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)增加了負(fù)擔(dān)。由于這種電機(jī)存在著沒有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并且由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)前沿抖動(dòng)較大致使晶體管工作在高功耗下等一系列的缺點(diǎn)，因此后續(xù)做了諸多改進(jìn)。它的運(yùn)行原理是，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)繞組內(nèi)就會(huì)感應(yīng)出周期性的信號(hào)電動(dòng)勢(shì)，信號(hào)電動(dòng)勢(shì)就會(huì)使相應(yīng)的晶體管依次導(dǎo)通來完成換向。 1955 年，美國(guó)人 Harrison 首次提出了用晶體管換相線路代替電機(jī)電刷 機(jī)械結(jié)構(gòu) 接觸的 構(gòu) 想，這就是無刷直流電機(jī)的雛形 [2]。因此科學(xué)家們就開始尋找一些以替換電刷機(jī)械換向的裝置，這樣就避免了上述問題。 按所需電源種類 有刷直流電機(jī) 直 流 電 機(jī) 交 流 電 機(jī) 無刷直流電機(jī) 單相電機(jī) 三相 電機(jī) 永磁直流電機(jī) 電磁直流電機(jī) 方波驅(qū)動(dòng) 正 弦 波驅(qū)動(dòng) 基于單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 圖 11 電機(jī)分類結(jié)構(gòu)圖 無刷直流電機(jī) 的研究背景 從 1831 年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象到第一臺(tái)直流電機(jī)被成功研制，這以后電機(jī)就開始逐漸被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但隨著人們對(duì)物質(zhì)生活的需求越來越高及科學(xué)技術(shù)上的突破，直流電機(jī)雖然具有調(diào)速范圍廣、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行平穩(wěn)效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于傳統(tǒng)的直流電機(jī)都采用的是電刷機(jī)械換向裝置，就產(chǎn)生了不可避免的機(jī)械摩擦、使用壽命縮短等一系列問題。 無刷直流電機(jī)分類 隨著科技日新月異的發(fā)展，電機(jī)除了扮演著工業(yè)發(fā)展與人們生活水平逐漸提高的不可或缺的角色。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，新型電力電子功率器 件及微控制器的不斷更新與發(fā)展，控制電機(jī)的方式也越來越多。能源、冶金、采礦、機(jī)械加工、航空航天可以說沒有電機(jī)就沒有今天繁榮的一切。 通過用protues 軟件仿真及用 keil 軟件驗(yàn)證過的程序進(jìn)行測(cè)試， 實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī) 平滑的調(diào)速。尤其是在電機(jī)控制方式上。 1955 年，美國(guó)人 Harrison 首次提出了用晶體管換向線路代替代替電機(jī)電刷接觸的思想，直到 1962 年 試制成功了借助霍爾元件（霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器）來實(shí)現(xiàn)換向的無刷直流電機(jī)。 北方民族大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 論文題目 : 基于單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng) 統(tǒng)的設(shè)計(jì)