【正文】 C8051F330為核心，構(gòu)成功能齊全的電流、速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。很多國內(nèi)外學(xué)者對于無位置傳感器的無刷直流電機(jī) (雙無電機(jī) )進(jìn)行了許多研究，針對雙無電機(jī)位置檢測和起動問題提出了不少方案，但 這些方案盡管省去了位置傳感器，卻由于轉(zhuǎn)子位置檢測電路、起動控制電路等的加入使得整個控制系統(tǒng)的硬件電路趨于復(fù)雜化，不可避免地帶來系統(tǒng)工作可靠性和穩(wěn)定性的問題。 P0~P3 為可編程通用 I/O 腳，其功能用途由 軟件 定義，在本設(shè)計(jì)中， P0 端口（ 32~39 腳）被定義為 N1 功能 控制端口 ，分別與 N1的相應(yīng)功能管腳相連接， 13 腳定義為 IR 輸入端， 10 腳和 11腳定義為 I2C 總線控制端口，分別連接 N1的 SDAS（ 18腳）和 SCLS（ 19腳）端口， 12 腳、 27 腳及 28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板 CPU 的 相應(yīng)功能端， 用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。 RST/VPD（ 9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。功能包括對會聚主 IC 內(nèi)部 寄存器 、數(shù)據(jù) RAM 及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號 IR 的接收解碼及與主板CPU通信等。 功能特性 兼容 MCS51指令系統(tǒng) 8kB 可反復(fù)擦寫 (大于 1000次） Flash ROM； 32個雙向 I/O 口； 256x8bit 內(nèi)部 RAM； 3個 16位可編程定時 /計(jì)數(shù)器中斷； 時鐘頻率 024MHz； 2個串行中斷，可編程 UART 串行通道； 2個外部中斷源，共 8個中斷源； 2個讀寫中斷口線， 3級加密位； 低功耗空閑和掉電模式， 軟件 設(shè)置睡眠和喚醒功能； 1有 PDIP、 PQFP、 TQFP 及 PLCC 等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 3 單片機(jī) 本課題的控制對象時無刷直流電動機(jī)，其控制中心是單片機(jī)。 又因?yàn)? dmeICT ? ，dtdnGDTT Le ??? 3752， nCe 式中， l為電動機(jī)負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩 2GD電動機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩，gJGD 42 ?(J 為轉(zhuǎn)動慣量 )。 同理，在上述假設(shè)條件不變的情況下，無刷直流電動機(jī)的動態(tài)特性可由下列方程組 來描寫 目前已指出，為簡便計(jì)算，假定各相繞組對稱、相應(yīng)的時間常數(shù)忽略不計(jì)。只不過其中的轉(zhuǎn)矩和反電勢運(yùn)用平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動勢的概念。 目前己指出，為簡便計(jì)算，假定各相繞組對稱、相應(yīng)的時間常數(shù)忽略不計(jì)。由 平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動勢便可求得無刷直流電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn) 行時的電壓平衡方程式，為此，首先定義反電動勢系數(shù) ec和轉(zhuǎn)矩系數(shù) mc： nEce? （ ） it 對于某個具體的電動機(jī)，它們?yōu)槌?shù)。感生電動勢波形如圖 所示。 顯然在繞組通電的時間里，如果載流導(dǎo)體正好處在比較強(qiáng)的氣隙磁場中，它所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動小，轉(zhuǎn)矩平均值較大。 圖 在恒定電流下的單相轉(zhuǎn)矩 它對外負(fù)載講，所得的電動機(jī)平均轉(zhuǎn)矩為零。其電路圖如圖 所示。 （ 5） 位置傳感器等控制電路的功率損耗忽略不計(jì)。 （ 3） 控制電路在開關(guān)狀態(tài)下工作，功率晶體管壓降為恒值。 （ 1） 電動機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度沿氣隙按正弦分布。它涉及非線性理路和數(shù)值解法等諸多問題，在一般工程應(yīng)用上尚無此必要。兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)工作方式控制簡單、性能最好，所以這種工作方式最為常用，這是無刷直流電動機(jī)最常用的一種工作方式。 電動機(jī)本體的電樞繞組為三相星形連接、位置傳感器與電動機(jī)本體同軸，控制電路對 位置信號進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電動機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。所以，無刷直流電動機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動機(jī)的本體以外， 還要有由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置，使得無刷直流電動機(jī)在運(yùn)行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場，在空間始終保持在rad2?左右的電角度，從而使電機(jī)能不停的運(yùn)轉(zhuǎn)。這與傳統(tǒng)直流永磁電動機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。由于電刷的換向作用，使得這兩個磁場的方向在直流電動機(jī)運(yùn)行的過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電動機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。 2． 2 無刷直流電動機(jī)的基本工作原理 眾所周知，一般的永磁式直流電 動機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場。 在長方形半導(dǎo)體薄片上通以電流 hI， 當(dāng)將半導(dǎo)體薄片置于外磁場中，并使其與外磁場垂直時，則在與電流 HI和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 會構(gòu)成的平面相垂直的方向上會產(chǎn)生一個電動勢 HE，稱其為霍爾電動勢，其大小為： BIKE HHH ? （ ） 式中 HK是霍二式原件的靈敏度。利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，同時也是霍爾式傳感器的轉(zhuǎn)子?；魻柺轿恢脗鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，成本低、是目前在無刷直流電機(jī)上使用最多的一種位置式傳感器。 由于永磁無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁，因此常用磁敏式霍爾位 置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置。 諧振式是利用電感和電容等元件組成的諧振電路，當(dāng)滿足諧振條件時，輸出信號最強(qiáng)，以此控制電樞繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷。常用的敏感元件有光敏元件 (如光電二極管和光電三極管等 )和磁敏元件 (如霍爾元件、磁敏二極管和磁敏三極管 )。轉(zhuǎn)子位置傳感器目前主要有敏感式、耦合式、諧振式和接近式。 轉(zhuǎn)子位置傳感器 無刷直流電動機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動機(jī)的本體以外，還要有由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置，使得無刷直流電動機(jī)在運(yùn)行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的永磁磁場，在空間始終保持在rad2?左右的電角度。 在功率半導(dǎo)體器件與微電子技術(shù)結(jié)合的基礎(chǔ)上，還出現(xiàn)了智能功率模塊 (mM)．它是將功率半導(dǎo)體器件與具有信號處理功能、自我保護(hù)功能、各種診斷功能等的電路集成或組裝在一起，可以實(shí)現(xiàn)無刷直流電動機(jī)的逆變電路、驅(qū)動電路和許多控制電路的功能，使得電機(jī)控制器具有體積小、重量輕、設(shè)計(jì)簡單和可靠性高等顯著特點(diǎn)，是高性能無刷直流電動機(jī)的理想器件。這樣，無刷直流電動機(jī)開關(guān)主電路的逆變電路就可以由一個功率開關(guān)管集成塊來實(shí)現(xiàn)。 為了提高逆變器的可靠性、縮小體積，還可以選擇近年來迅速發(fā)展的功率集成電路(PIC)。目前，無刷直流電動機(jī)中功率開關(guān)管主要為功率 MOSFET 和 IGBT。目前以星形三相三狀態(tài)和兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)兩種方式最為常用。而且，兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式很好地利用了方波氣隙磁場地平頂部分，使電機(jī)出力很大，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好． 控制電路 無刷直流電動機(jī)需要用功率電子開關(guān)器件組成的功率控制器才能工作。 比較兩種通電方式可見：在二二通電方式下，每個管子均有 600 電角度的不導(dǎo)通時間，不可能發(fā)生直通短路故障。由此可見，三三導(dǎo)通方式也有六種導(dǎo)通狀態(tài)，同樣也是每隔 600 改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改變一次工作狀態(tài)換相一次，但是每個開關(guān)管導(dǎo)通 180。 (2) 三三導(dǎo)通方式 三三導(dǎo)通方式是任一瞬間使三個開關(guān)管同時導(dǎo)通。因此，無刷直流電動機(jī)在設(shè)計(jì)時，應(yīng)盡量增大磁極的極弧系數(shù)，以獲得足夠?qū)挼拇琶芏确植疾ㄐ?，從而得到平頂部分較寬的反電動勢波形。在這種工作方式下，每個電周期共有六種導(dǎo)通狀態(tài)，每隔 600 電角度工作狀態(tài)改變一次，每個開關(guān)管導(dǎo)通 120電角度。 圖 給出了無刷直流電動機(jī)三相繞組的反電動勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的開關(guān)導(dǎo)通規(guī)律。 可見，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動勢的大小。 ai、 b、 ci為 A、 B、 C 三相繞組的電流。下面根據(jù)反電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的概念來分析其導(dǎo)通規(guī)律及特點(diǎn)。 （ 1）二二導(dǎo)通方式 二二導(dǎo)通方式是指在任意瞬間使兩個開關(guān)同時導(dǎo)通。在此，主要看一下星形連接三相橋式主電路。 目前，無刷直流電動機(jī)的電機(jī)本體大多采用三相對稱繞組，由于三相繞組既可以是星形連接又可以是三角形連接，同時功率逆變器又有橋式和非橋式兩種。 圖 無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 無刷直流電動機(jī)的定子為電樞，由多相對稱的繞組，繞組的相數(shù)有二、三、四、五相，但應(yīng)用最多的是三相和四相。 無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的，具有一定的磁極對數(shù)的永磁體，產(chǎn)生隙磁通。 電機(jī)本體 無刷直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖 2． 2 所示。無刷直流電動機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是由電動機(jī)本體、控制電路和轉(zhuǎn)子位置傳感器 3 部分組成，其原理圖如圖 2． 1 所示。但傳統(tǒng)的直流電動機(jī)采用電刷一換向器結(jié)構(gòu)，以機(jī)械方式進(jìn)行換向，不可避免地存在噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn)，再加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，大大限制了它的應(yīng)用范圍，致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大多采用三相感應(yīng)電動機(jī)。 5．采用軟件模塊化實(shí)現(xiàn)了無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)速度、電流的雙閉環(huán)軟件設(shè)計(jì)，其中包括轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)和其他環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)，結(jié)合軟硬件調(diào)試整個電路。 3．概括介紹了本系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制總體設(shè)計(jì)方案，其中包括相應(yīng)的檢測方案和采用模糊策略對 PID 控制器的調(diào)節(jié)方案，并對其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了相關(guān)介紹。 本文的主要內(nèi)容如下： 1．通過對無刷直流電動機(jī)的組成和基本工作原理的簡要介紹，分析推導(dǎo)了無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行特性及其傳遞函數(shù)，為之后進(jìn)行的的仿真研究、實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了有效依據(jù)。89 系列的存儲器在物理結(jié)構(gòu)上分為程序 存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間，共 4 個存儲空間。例如，數(shù)碼攝像機(jī)、便攜式儀器、便攜式視聽設(shè)備、筆記本電腦中的光盤驅(qū)動器和磁盤驅(qū)動器等。大多數(shù)單片機(jī)都有休眠省電工作方式，一些單片機(jī)還采用 3V 電壓供電，這些措施都可以減少單片機(jī)耗電。小型化的單片機(jī)給用戶提供了低成本、電路尺寸小的選擇。 (3) 小型化和低功耗 采用同步串行總線可以減少無用的引腳，另外，由于采用了內(nèi)部 FLASH 存儲器，沒有必要保留外接并行存儲器的引腳，這些都使單片機(jī)引腳的數(shù)目可以大大減少。對于實(shí)時性很強(qiáng)的控制，速度低的單片機(jī)往往不能勝任。 (2) 速度更快 速度更快了是新一代單片機(jī)的又一個最大特點(diǎn)。這就是同步串行總線風(fēng)靡起來的原因，它大有取代并行總線之勢。與并行總線相比，其信號受干擾的可能性也小。 近年來，單片機(jī)的一個重大變化是出現(xiàn)了各種同步串行總線，如 sⅣ總線、 2c 總線。它相當(dāng)于在老式單片機(jī)中用計(jì)數(shù)器與外中斷聯(lián)合測頻功能。它一經(jīng)初始化設(shè)定后會自動地發(fā)出 PWM 控制信號， CPU 只在需要調(diào)整參數(shù)時才介入。 (1) 功能大大增 強(qiáng) 許多單片機(jī)公司將 16 位單片機(jī)的性能下移到 8 位單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部增加了PWM 口、比較和捕捉功能、 A/D 轉(zhuǎn)換器等，并增加了看門狗、各種串行總線接口等功能，使新一代的單片機(jī)功能更強(qiáng)大。在我國經(jīng)歷了 Z80 單板機(jī)時代和 MCS． 51 單片機(jī)時代?，F(xiàn)在普遍采用單片機(jī)作為電動機(jī)的控制器，單片機(jī)是世間上使用量最大的微處理器。無論被控量的大或小，都 可以保證足夠的控制精度。在系統(tǒng)調(diào)試和升級時，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。 (3) 靈活性和適應(yīng)性 微處理器的控制方式是由軟件完成的。采用微處理器后，絕大多數(shù)控制邏輯可通過軟件實(shí)現(xiàn)。 1． 3 單片機(jī)對電動機(jī)控制所起的作用及新型單片機(jī)的特點(diǎn) 單片機(jī)對電動機(jī)控制所起的作用 電動機(jī)的控制部分已由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制。使用電動機(jī)控制集成化的一個重要因素是使應(yīng)用者容易獲得最佳的硬件軟件解決方案，人們可用最少的開發(fā)時間，就能迅速將其最終產(chǎn)品推向市場銷售。特別是隨著專用控制集成電路的批量生產(chǎn)，價(jià)格大幅度下降，解決了妨礙無刷直流電動機(jī)向民用領(lǐng)域發(fā)展的高價(jià)格問題，使無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用更方便、更容易推廣普及。隨著國際經(jīng)濟(jì)一體化趨勢的到來，我國的無刷直流電動機(jī)產(chǎn)業(yè)充滿發(fā)展機(jī)會。由于它具有的一系列優(yōu)點(diǎn)，近年來在空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、電動自行車及微型風(fēng)機(jī)等應(yīng)用，一般是輸出功率不大的微型與特種無刷直流電動機(jī)。 無刷直流電動機(jī)發(fā)展至今已有 40 余年歷史。 而后又經(jīng)過人們的多年努力，借助于霍爾元件來實(shí)現(xiàn)換向的無刷直流電動機(jī)終于在1962 年問世，從而開創(chuàng)了無刷直流電動機(jī)的新紀(jì)元。哈利森等人首次申請了應(yīng)用晶體管換向代替電動機(jī)機(jī)械換向器換向的專利，這就是現(xiàn)代無刷直流電