【正文】 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。，通過(guò)計(jì)算可得I=，額定電壓UH=36V，峰值電壓應(yīng)有一個(gè)百分之40的余量所以 UM=UH*=36*=通過(guò)以上計(jì)算，可得出選擇的MOSFET峰值電流為25A,峰值電壓為50V。電 力 MOSFET開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿問(wèn)題電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置通過(guò)上述的比較，我選擇MOSFET。GTR耐壓高，電流大，開(kāi)關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低開(kāi)關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問(wèn)題表31對(duì)IGBT、GTR、GTO 和電力MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)的比較器 件優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn) 逆變開(kāi)關(guān)元件選擇和計(jì)算MOSFET在1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla首次實(shí)驗(yàn)成功，這種元件的操作原理和1947年蕭克萊（William Shockley）等人發(fā)明的雙載子晶體管（Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因?yàn)橹圃斐杀镜土c使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢(shì)，在大型積體電路（LargeScale Integrated Circuits, LSI）或是超大型積體電路（Very LargeScale Integrated Circuits, VLSI）的領(lǐng)域里，重要性遠(yuǎn)超過(guò)BJT。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。（4）周邊輔助、保護(hù)電路主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過(guò)電流保護(hù)電路、調(diào)速信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)等輸入電路。自舉電路由分立器件構(gòu)成的，也可以采用專門的集成模塊等高性能驅(qū)動(dòng)集成電路。微控制器的另一個(gè)重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號(hào)，以及隨機(jī)發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號(hào)。但是由于無(wú)位置傳感器控制方法在低速時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的速度調(diào)制，所以現(xiàn)階段在電動(dòng)車領(lǐng)域只是處于研究階段，無(wú)法推廣到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。在有位置傳感器的控制方法中，現(xiàn)今，由于霍爾傳感器性價(jià)比高，安裝方便，被廣泛應(yīng)用作為交流電機(jī)的位置傳感器。但是這些專用芯片價(jià)格昂貴，外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，在廣大的民用市場(chǎng)無(wú)法大規(guī)模推廣應(yīng)用。 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為主控芯片，用編程的方法來(lái)模擬無(wú)刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)是使用靈活，通過(guò)修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無(wú)刷電機(jī)，增加系統(tǒng)功能方便，通常將此類控制器稱為數(shù)字式控制器。目前，市場(chǎng)上常用的電動(dòng)自行車交流電機(jī)控制器主要采用專用集成電路為主控芯片，像MOTOLORA公司研制的專用集成電路MC33035，其針對(duì)無(wú)刷電機(jī)的控制要求，將控制邏輯集成在芯片內(nèi)，一般該類控制器稱為模擬式控制器，其工作原理是用電子裝置代替電刷控制電機(jī)線圈電流換向，根據(jù)電機(jī)內(nèi)的位置傳感器(霍爾傳感器)信號(hào)，決定換相的順序和時(shí)間，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速?？刂破魇请妱?dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是電動(dòng)自行車的大腦。產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。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。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)。（4）實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)電壓和欠電壓等故障保護(hù)電路。（2）產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速。無(wú)機(jī)械式位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)和計(jì)算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量間接地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，主要有反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)法、定子三次諧波檢測(cè)法和瞬時(shí)電壓方程法等。但是位置傳感器的存在增加了系統(tǒng)的成本和體積，降低了系統(tǒng)可靠性，限制了交流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍，對(duì)電機(jī)的制造工藝也帶來(lái)了不利的影響。轉(zhuǎn)子位置傳感器的種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開(kāi)關(guān)式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。位置檢測(cè)包括有位置傳感器和無(wú)位置傳感器檢測(cè)兩種方式。因此，目前以星形連接三相橋式主電路應(yīng)用最多。相數(shù)越多，逆變器電路使用的開(kāi)關(guān)管越多，成本越高。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)越??；采用橋式主電路比采用非橋式主電路的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。（2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。適當(dāng)?shù)靥岣呃@組利用率將可以使同時(shí)通電的導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，效率提高。綜合以下三個(gè)指標(biāo)有助于我們做出正確的選擇：（1）繞組利用率。交流電動(dòng)機(jī)定子繞組的相數(shù)可以有不同的選擇，繞組的連接方式也有星形和角型之分，而逆變器又有半橋型和全橋型兩種。繞組可以接成星形或三角形，并分別與逆變器中的各開(kāi)關(guān)管相連，三相交流電動(dòng)機(jī)最為常見(jiàn)。由于交流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體為永磁電機(jī)，所以交流電動(dòng)機(jī)也稱為永磁交流電動(dòng)機(jī)。原直流電動(dòng)機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器所代替。第2章 交流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成 交流電動(dòng)機(jī)(Brushless DC Motor,簡(jiǎn)稱BLDCM)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,它是由電動(dòng)機(jī)本體、位置檢測(cè)器、,控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào),開(kāi)關(guān)信號(hào)以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開(kāi)關(guān)器件,將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子各相繞組,使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩.現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)各部分的基本結(jié)構(gòu)說(shuō)明如下。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則有機(jī)地融入到傳動(dòng)控制策略當(dāng)中，現(xiàn)已成功地應(yīng)用到許多方面。隨著信息技術(shù)和控制理論的發(fā)展，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中，一個(gè)新的發(fā)展方向就是先進(jìn)控制理論，尤其是智能控制理論的應(yīng)用。減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是提高交流電動(dòng)機(jī)性能的重要方面。（1）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制。3 續(xù)流二極管電流通路檢測(cè)法。無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行實(shí)際上就是要求在不采用機(jī)械傳感器的條件下，利用電機(jī)的電壓和電流信息獲得轉(zhuǎn)子磁極的位置.目前比較成熟的無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行方式有：1 反電動(dòng)勢(shì)法——包括直接反電動(dòng)勢(shì)法、間接反電動(dòng)勢(shì)法以及派生出來(lái)的反電動(dòng)勢(shì)積分法等。轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為脆弱的部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)還需要占據(jù)一定的空間位置。目前交流電機(jī)的應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，并日趨廣泛，特別是在家用電器、電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用。交流電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；對(duì)于恒功率運(yùn)行，交流電機(jī)雖然不能直接改變磁通實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但通過(guò)控制方法的改進(jìn)也可以獲得弱磁控制的效果。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動(dòng)化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來(lái)越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，交流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長(zhǎng)。圖15 工作特性在輸出額定轉(zhuǎn)矩時(shí),電機(jī)效率高、損耗低是交流電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)之一。但不能通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速，因?yàn)橛来朋w的勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)。 調(diào)節(jié)特性交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖14所示。在不同的供電電壓驅(qū)動(dòng)下，可以得到如13圖所示機(jī)械特性曲線簇。本設(shè)計(jì)選用的是三相無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)，其額定電壓UH=36V,電樞額定電流IaH=,電樞峰值電流IaP15A,額定轉(zhuǎn)速nH=350r/min,額定功率PH=250W。然而，為了簡(jiǎn)化控制電路，每個(gè)霍爾傳感器的起始安裝位置在各自相繞組的基準(zhǔn)點(diǎn)（r0=00）=00的控制條件下，A相繞組開(kāi)始通電的時(shí)刻（即該相反電勢(shì)相位30度位置）恰好與A相位置傳感器輸出信號(hào)A的電平跳變時(shí)刻重合，此時(shí)應(yīng)將T1開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。其他時(shí)間段的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通情況與此類似。交流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是交流電動(dòng)機(jī)最常用的一種工作方式。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，逆變器開(kāi)關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為TT6—TT2—TT2—TT4—TT4—TT6—TT6。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，到達(dá)圖b所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使TT2導(dǎo)通，A、C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再?gòu)腃相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負(fù)極。沒(méi)有電刷/換向器給予的機(jī)械限制比較低，存在電刷給予的機(jī)械限制電氣噪聲低電刷的電弧將對(duì)附近的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾制造價(jià)格比較高低控制復(fù)雜和價(jià)格貴簡(jiǎn)單和價(jià)格不貴控制要求為了使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須要有控制器，但同樣的控制器可用于變速控制對(duì)于一個(gè)固定的速度而言，不需要控制器；有變速要求的時(shí)候才需要控制器 交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理1．交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分析電機(jī)本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生控制信號(hào)，控制動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔 離放大后控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。電樞產(chǎn)生的熱量消散在氣隙內(nèi)，這樣增加了氣隙溫度，從而限制了輸出功率/外形尺寸之比轉(zhuǎn)自慣量低。在較高速度上運(yùn)行時(shí)，電刷摩擦增加，有用力矩減小效率由于沒(méi)有電刷壓降，所以效率高中等輸出功率/外形尺寸之比高由于電樞繞組設(shè)置在與機(jī)殼相連的定子上，容易散熱。經(jīng)過(guò)多年的努力，目前，國(guó)內(nèi)已有交流電動(dòng)機(jī)的系列 產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。我國(guó)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的研究起步較晚。隨著人們對(duì)交流電動(dòng)機(jī)特性了解的日益深入，交流電動(dòng)機(jī)的理論也逐漸得到了完善。交流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展在很大程度上取決于電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在交流電動(dòng)機(jī)發(fā)展的早期，由于當(dāng)時(shí)大功率開(kāi)關(guān)器件僅處于初級(jí)發(fā)展階段，可靠性差，價(jià)格昂貴，加上永磁材料和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)水平的制約，使得交流電動(dòng)機(jī)自發(fā)明以后的一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，性能都不理想，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無(wú)法推廣使用，1970年以后，隨著電力半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的全控型半導(dǎo)體功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相繼問(wèn)世，加之高磁能積永磁材料（如SmCo、NsFeB）陸續(xù)出現(xiàn)，這些均為交流電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因而得到了迅速的發(fā)展。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了交流電機(jī)的基本思想。但是，有機(jī)械接觸電刷換向器一直是電流電機(jī)的一個(gè)致命弱點(diǎn)，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場(chǎng)合中的使用。交流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案第1章 概 述 交流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況交流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，這一淵源關(guān)系從其名稱中就可以看出來(lái)。有刷直流電動(dòng)機(jī)從19世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來(lái)，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)一直在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。為了取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置，人們進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索。，標(biāo)志著現(xiàn)代交流電動(dòng)機(jī)的誕生。在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會(huì)上，前聯(lián)邦德國(guó)的MANNESMANN公司正式推出了 MAC交流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，引起了世界各國(guó)的關(guān)注，隨即在國(guó)際上掀起了研制和生產(chǎn)交流系統(tǒng)的熱潮，這業(yè)標(biāo)志著交流電動(dòng)機(jī)走向?qū)嵱秒A段。1986年，指出了交流電動(dòng)機(jī)的研究領(lǐng)域，成為交流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)典文獻(xiàn)，標(biāo)志著交流電動(dòng)機(jī)在理論上走向成熟。1987年，在北京舉辦的聯(lián)邦德國(guó)金屬加工設(shè)備展覽會(huì)上，SIEMENS和BOSCH兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器，引起了國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者的廣泛注意，自此國(guó)內(nèi)掀起了研制開(kāi)發(fā)和技術(shù)引進(jìn)的熱潮。 交流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較表11 交流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較項(xiàng)目交流電動(dòng)機(jī)有刷直流電動(dòng)機(jī)換向借助轉(zhuǎn)自子位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換向由電刷和換向器進(jìn)行機(jī)械換向維護(hù)由于沒(méi)有電刷和換向器，很少需要維護(hù)需要周期性維護(hù)壽命比較長(zhǎng)比較短機(jī)械（速度/力矩）特性平（硬）在負(fù)載條件下能在所有速度上運(yùn)行中等平（中等硬）。這種優(yōu)異的熱傳導(dǎo)特性允許減小電動(dòng)機(jī)的尺寸，所以輸出功率/外形尺寸之比高中等/低。因?yàn)橛来朋w設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)自慣量高，限制了動(dòng)態(tài)特性速度范圍比較高。 圖11 交流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖如圖11所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針）到圖a所示的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使TT6 導(dǎo)通，即A、B兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再?gòu)腂相繞組流出，經(jīng)T6回到電源的負(fù)極，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在次期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩作用，沿順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)?？梢?jiàn)，電機(jī)有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度。2．交流電動(dòng)機(jī)與輸出開(kāi)關(guān)管換流信號(hào) 交流電動(dòng)機(jī)的位置一般采用三個(gè)在空間上相隔120電角度的霍爾位置傳感器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)位于霍爾傳感器位置處的磁場(chǎng)極性發(fā)生變化時(shí)，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個(gè)霍爾傳感器位檢測(cè)元件的位置在空間上各差120電角度，因此從這三個(gè)檢測(cè)元件輸出端可以獲得三個(gè)在時(shí)間上互差120度、寬度為180度的電平信號(hào)，分別用A、B、C來(lái)表示，如圖12所示，以信號(hào)A為例，A相位置寬度為180電導(dǎo)角：在060度，T1必須導(dǎo)通，故T1狀態(tài)為1，而C相還剩下60度通電寬度，所以此段時(shí)間為T1和T6等于1，（此時(shí)下部可供導(dǎo)通的管子為T T6和T2，而為避免橋臂直通，T4不能導(dǎo)通；T2的導(dǎo)通時(shí)間未到，故只能是T6導(dǎo)通）；而在60度—120度，此時(shí)只有A相通電，B和C相處于非導(dǎo)電期，故導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管為T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是為B相導(dǎo)電作準(zhǔn)備；而在120度—180度時(shí)，由于 每一相只有120電導(dǎo)角導(dǎo)電時(shí)間，故此時(shí)T1