【正文】 在空間每轉(zhuǎn)過(guò) 60電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為 T T6— T T2— T T2— T T4— T T4— T T6— T T6。 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。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最常用的一種工作方式。其他時(shí)間段的開關(guān)管導(dǎo)通情況與此類似。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）上 .那么在 r0=00的控制條件下， A相繞組開始通電的時(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開關(guān)管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 5 圖 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)及開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào) 表 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)直流通電控制方式開關(guān)切換表 旋轉(zhuǎn)方向 位置傳感器 逆變橋開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào) A B C T1 T2 T3 T4 T5 T6 正轉(zhuǎn) 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 反轉(zhuǎn) 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 6 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 機(jī)械特性 無(wú)刷直流電動(dòng) 機(jī)的機(jī)械特性為： 22 2 2 2S T a s T ee e e tU U r I U U rnTC C C C? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? （ ） UT開關(guān)器件的管壓降 Ia電樞電流 Ce電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù) 每級(jí)磁通量 可見(jiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。 圖 機(jī)械特性曲線簇 當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流過(guò)開關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時(shí)，管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示 的機(jī)械特性曲線會(huì)偏離直線，向下彎曲。 圖 調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為： 0 2 2e TTrTUUC ???? （ ） 1eK C ??? （ ） 從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與 一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 8 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)向 現(xiàn)階段，雖然各種交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正受到普遍的關(guān)注。尤其在節(jié)能已成為時(shí)代主題的今天，無(wú)刷直流電機(jī)高效率的特點(diǎn)更顯示了其巨大的應(yīng)用價(jià)值。由于稀土永磁材料的矯頑力高、剩磁大，可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，這樣可以大大縮小轉(zhuǎn)子半徑，減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因而在要求有良好的靜態(tài)特性和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等應(yīng)用中，無(wú)刷直流電機(jī)比交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)顯示了更多的優(yōu)越性。 目前，無(wú)刷直流電機(jī)的研究主要集中在以下方面： （ 1）無(wú)機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，例如空調(diào)器和計(jì)算機(jī)外設(shè)都要求無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運(yùn)行。 2 定子三次諧波檢測(cè)法。 但現(xiàn)有方法都存在各自的局限性，仍在不斷完善之中。 存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的固有缺點(diǎn)，特別是隨著轉(zhuǎn)速升高，換相西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 9 導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加劇，并使平均轉(zhuǎn)矩顯著下降。 （ 2）智能控制。目前，專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是三個(gè)最主要的理論和方法。隨著無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，智能控制技術(shù)將受到更廣泛的重視。當(dāng)流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流大于某個(gè)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降為 0。 1．電機(jī)本體 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最初的設(shè)計(jì)思想來(lái)自普通的有刷直流電動(dòng)機(jī)，不同的是將直流電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對(duì)稱繞組。所以無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體實(shí)際 上是一種永磁同步電機(jī)。 定子的結(jié)構(gòu)與普通同步電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，鐵心中嵌有多相對(duì)稱繞組。 2．逆變器 目前，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的逆變器主開關(guān)一般采用 IGBT或功率 MOSFET等全控型器件，有些主電路已有集成的功率模塊（ PIC）和智能功率模塊（ IPM），選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。不同的組合使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不同的性能和成本。 與普通直流電動(dòng)機(jī)不同，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組是斷續(xù)通電的。從這個(gè)角度來(lái)看，三相繞組優(yōu)于四相和五相繞組。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比普通直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。 （ 3）電 路成本。橋式主電路所用的開關(guān)管比半橋式多一倍，成本要高；多相電動(dòng)機(jī)的逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。 3．位置檢測(cè)器 位置檢測(cè)器的作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)與定子繞組的位置信號(hào)，為逆變器提供正確的換相信息。 轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子磁極的位置；其定子固定在電機(jī)本體定子或端蓋上，以檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。 在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中安裝機(jī)械式位置傳感器解決了電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)問(wèn)題。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置運(yùn)行方式給予高度重視。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 4．控制器 控制器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能： （ 1）對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器輸出的信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān)管的斬波信號(hào)和選通信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。 （ 3）對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，要求調(diào)速采用 PID 控制器，因此需要設(shè) 計(jì)一個(gè)閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)功能分解，設(shè)計(jì)方案論證可以分為：速度測(cè)量方案論證，電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案論證，鍵盤顯示方案論證， PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方案論證等等。具體是通過(guò)單片機(jī)單位時(shí)間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù)N，每分鐘的轉(zhuǎn)速： M=N/S 60。是通過(guò)定時(shí)器記錄脈沖的周期 T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=60/T。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案論證 方案一：采用專用小型直 流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開關(guān)的切換對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。所以繼電器不適合應(yīng)用在要求快速動(dòng)作的場(chǎng)合。用單片機(jī)控制晶體管或達(dá)林 頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，因此本設(shè)計(jì)采用方案三。當(dāng)某一按鍵被按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)線就變成了低電平，而與他按鍵相連的檢測(cè)線仍然為高電平，從而很容 易識(shí)別出哪個(gè)按鍵被按下。缺點(diǎn)是：如果鍵盤數(shù)量較多，將占用較多的檢測(cè)線，所以不適用于組成大型鍵盤。每個(gè)按鍵都通過(guò)不同的行線和列線與單片機(jī)相連。不難看出， m n矩陣鍵盤與單片機(jī)之間的測(cè)試線共需要 m+n 條，顯然，鍵盤的規(guī)模越大，矩陣式鍵盤的優(yōu)點(diǎn)越顯著。 由于本系統(tǒng)所需的按鍵數(shù)目較多，因此，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用方案二。 方案一： LCD 顯示， LCD 是一種被動(dòng)式顯示器，由于他的功耗低，抗干擾能力強(qiáng)因而在低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)中大量使用。液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)方式由電極引線的選擇方式確定。 方案二： 數(shù)碼管是一類顯示屏通過(guò)對(duì)其不同的管腳輸入相對(duì)的電流會(huì)使其發(fā)亮從而顯示出數(shù)字 ，它 可以顯示時(shí)間 、 日期 、 溫度等 所有 可以用數(shù)字代替的參數(shù) 。 在本設(shè)計(jì)中，屏幕需要顯示的信息較少，采用 LED 數(shù)碼管完全可以滿足要求。雙極性工作制是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，單片機(jī)兩個(gè)控制口各輸出一個(gè)控制信號(hào)，兩信號(hào)高低電平相反，兩信號(hào)的高電平時(shí)差決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。單極性工作制是單片機(jī)控制口一端口置低電平，另一端輸出 PWM 信號(hào)，兩口的輸出切換和對(duì) PWM的占空比調(diào)節(jié)決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方案論證 脈寬調(diào)制的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。對(duì)于實(shí)現(xiàn)方式則有兩種方案。常用的有兩種：一種是定時(shí) /計(jì)數(shù)器的定時(shí)時(shí)間固定，這種方法類似于利用軟件延時(shí)做基準(zhǔn)時(shí)間：另一種方法是定時(shí) /計(jì)數(shù)器的定時(shí)時(shí)間按照高低電平的要求變化。以 輸出 PWM 信號(hào)為例，在軟件中設(shè)計(jì)一個(gè)基準(zhǔn)的軟件延時(shí)程序，通過(guò)反復(fù)調(diào)用這個(gè)延時(shí)程序，從而獲得不同的時(shí)間長(zhǎng)度。 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)方案論證 在應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行部件時(shí)，如果要很好的控制直流電動(dòng)機(jī)，首先要知道直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 方案一：采用霍爾傳感器。 方案二：采用光電傳感器。 方案三：采用光電編碼器。 由于光電編碼器的檢測(cè)精度最高，本設(shè)計(jì)選擇方案 一 。其電機(jī)速度的調(diào)節(jié)依靠改變單片機(jī)輸出的 PWM脈沖信號(hào)的占空 比來(lái)調(diào)節(jié) ,如圖 所示 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計(jì) 16 第 3 章 系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計(jì) 單片機(jī)的介紹 如圖 是本設(shè)計(jì)選用的主控芯片 AT89S52單片機(jī)的外部引腳結(jié)構(gòu)圖。 主要性能： ?? 與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容 ?? 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash存儲(chǔ)器 ?? 1000次擦寫周期 ?? 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz ?? 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 ?? 32個(gè)可編程 I/O口線 ?? 三個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 ?? 八個(gè)中斷 ?? 全雙工 UART串行通 ?? 低功耗空閑和掉電模式 ?? 掉電后中斷可喚醒 ?? 看門狗定時(shí)器 ?? 雙數(shù)據(jù)指針 ?? 掉電標(biāo)識(shí)符 下面對(duì)其功能進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。使用 Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。另外， AT89S52可降至 0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到 下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL邏輯電平。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0口也被作為低 8位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。 在 flash編程時(shí)， P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。 P1口： P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， p1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè) TTL 邏輯電平。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 出電流（ IIL）。 在 flash編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口接收低 8位地址字節(jié)。對(duì) P2 端口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用 16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時(shí)， P2 口送 出高八位地址。在使用 8位地址（如 MOVX RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出 P2鎖存器的內(nèi)容。 P3口： P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P3輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè) TTL 邏輯電平。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P3 口也接收一些控制信號(hào)。晶振工作時(shí)， RST腳持續(xù) 2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。特殊寄存器 AUXR（ 地址 8EH） 上的 DISRTO位可以使此功能無(wú)效。本系統(tǒng)主控芯片 AT89S52的復(fù)位電路如圖 。在 flash編程時(shí)，此引腳（ PROG）也用作編程輸入脈沖。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE脈沖將會(huì)跳過(guò)。這一位置 “ 1” ， ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOVC指令時(shí)有效。這個(gè) ALE 使能標(biāo)志位（地址為 8EH的 SFR的第 0位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無(wú)效。 PSEN: PSEN是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。 EA/VPP: 訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA應(yīng)該接 VCC。 XTAL1: 振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的晶振電路如圖 所示。這些段分別由字母 a， b,c,d,e,f,g,dp 來(lái)表示。根據(jù) LED 顯示的硬件設(shè)計(jì)方法的不同， LED 顯示驅(qū)動(dòng)分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示倆種方法。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用 I/O 端口多，如驅(qū)動(dòng) 5 個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58＝ 40 根