【正文】 ，直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)。第三章：研究了直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)，介紹了開環(huán)和閉環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了數(shù)字控制芯片AT89C51的基本性能。第五章：對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)以及未來發(fā)展展望。第二章 直流無刷電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理 直流無刷電機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)直流無刷電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。在定子形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。圖21為直流無刷電機(jī)工作原理框圖。在滿足足夠磁通要求下，電樞繞組通過某一恒定電流產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。（1）繞組：直流無刷電機(jī)常見的繞組形式包括整矩集中、整矩和短矩分布式三種。整矩集中繞組在同一個(gè)槽內(nèi)分布每相繞組，其反電動(dòng)勢(shì)波形為各個(gè)導(dǎo)體的反電動(dòng)勢(shì)的疊加，具有為較好的梯形反電動(dòng)勢(shì)波形；短矩繞組優(yōu)點(diǎn)是可以縮短繞組端接線，節(jié)約材料成本。（2）定子：電樞繞組可以Y型連接也可以三角形連接，鐵芯內(nèi)部繞組要求對(duì)稱，且沒有中性點(diǎn)引出。另外，與傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的差別是無刷直流電機(jī)的電樞繞組處于定子側(cè)，這將改善無刷直流電機(jī)的散熱性能。與有刷直流電機(jī)中的永磁體在電機(jī)氣隙中作用一樣，都是要求形成足夠大的磁場(chǎng)，差別僅在于位置布局上的不同，無刷電機(jī)的永磁體設(shè)于轉(zhuǎn)子側(cè)。目前直流無刷電機(jī)的位置傳感器主要包括電磁式、光電式、磁敏式等幾個(gè)種類。本文采用反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)的方法，改善了系統(tǒng)穩(wěn)定性。在永磁直流無刷電機(jī)中，電樞繞組安放于定子鐵心中，是電磁感應(yīng)的關(guān)鍵部件之一。其定子繞組采用三相星形對(duì)稱接法。位置傳感器裝設(shè)在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，通過檢測(cè)磁極位置來確定定子繞組是否導(dǎo)通，產(chǎn)生不斷續(xù)且穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。下面以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)為例說明其工作原理，圖22為其工作原理圖 。電樞電流流通方向?yàn)槔@組A流入→繞組B→繞組X流出。同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制電路通過轉(zhuǎn)子的位置傳感器對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行翻譯，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此時(shí)VT1和VT6處于導(dǎo)通狀態(tài)，使繞組A正向?qū)?，繞組B反向?qū)ā? 當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過600電角度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)后，定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)空間位置如圖23(b)所示，此時(shí)A、C兩相導(dǎo)通。磁動(dòng)勢(shì)Fm和Fa空間位置如圖23(b)所示，電機(jī)產(chǎn)生順時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子仍然沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞電流路徑為：電源正極→ VT1管→ A相繞組→ C相繞組→ VT2管→負(fù)極。 綜上所述得知，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置每發(fā)生變化，都伴隨驅(qū)動(dòng)控制電路檢測(cè)和輸出位置信號(hào)，再經(jīng)過譯碼電路翻譯后產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以改變定子繞組的導(dǎo)通狀態(tài)，讓轉(zhuǎn)子按原來方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。傳統(tǒng)有刷直流電動(dòng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，只需改變勵(lì)磁磁場(chǎng)的極性或電樞電流就可以完成。如圖22所示的三相六狀態(tài)無刷直流電動(dòng)機(jī)，假設(shè)要使電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可通過轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)和接受轉(zhuǎn)子位置，然后根據(jù)表21所示的各開關(guān)管導(dǎo)通順序，進(jìn)行相應(yīng)導(dǎo)通和關(guān)斷操作。表21： 轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)開關(guān)導(dǎo)通順序及相電流狀態(tài)順序霍爾傳感器導(dǎo)通開關(guān)相電流ABCABC1110VT1VT6正極負(fù)極斷開2100VTIVT2正極斷開負(fù)極3101VT3VT2斷開正極負(fù)極4001VT3VT4負(fù)極正極斷開5011VT5VT4負(fù)極斷開正極6010VT5VT6斷開負(fù)極正極表22： 轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)開關(guān)導(dǎo)通順序及相電流狀態(tài)順序霍爾傳感器導(dǎo)通開關(guān)相電流ABCABC1011VT3VT4負(fù)極斷開正極2001VT5VT4斷開負(fù)極正極3101VT5VT6正極負(fù)極斷開4100VT1VT6正極斷開負(fù)極5110VT1VT2斷開正極負(fù)極6010VT3VT2負(fù)極正極斷開從運(yùn)行過程看，定子繞組每隔600電角度換向一次，定子合成磁動(dòng)勢(shì)位置就改變一次，每相繞組何次導(dǎo)通1200電角度，且始終保持兩相繞組導(dǎo)通，此工作方式稱為兩相導(dǎo)通的六狀態(tài)運(yùn)行方式。定子磁動(dòng)勢(shì)為跳躍式旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，使定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)之間的空間夾角周期性變化，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也同樣包含硬件設(shè)計(jì)部分與軟件編寫部分，本章將著重闡述控制的直流無刷電機(jī)硬件設(shè)計(jì)。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和對(duì)硬件資源的合理整合，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)硬件框圖如圖31所示。4）電流檢測(cè)電路：電流檢測(cè)一般采用霍爾元件實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)采用的芯片為ACS712，該霍爾完成對(duì)系統(tǒng)電流的檢測(cè)并送入單片機(jī)處理器處理。 微控制器AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)處理器。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，使它成為 一種高效微控制器。這種單片機(jī)應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域[1]。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。掉電方式保存RAM中的內(nèi)同，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導(dǎo)下一個(gè)硬件復(fù)位。圖32 AT89C51芯片引腳圖圖33逆變器主電路逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電然后再向電機(jī)供電，采用三相橋式全控逆變電路，其主電路如圖33所示，功率開關(guān)器件采用功率MOSFET。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動(dòng)機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無刷直流電動(dòng)機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一。MOSFET是英文（MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor）的縮寫，譯成中文是“金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管”。 N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)圖如圖34所示，MOSFET底部為一塊P型硅半導(dǎo)體材料(圖34①a)，第二層設(shè)置了兩個(gè)N型區(qū)(圖34①b)，第三層擴(kuò)散了二氧化硅絕緣層(圖34①c)，由N區(qū)上方采用一定的方法引出兩個(gè)孔，然后用一定的方法分別在絕緣層上及兩個(gè)孔內(nèi)引出了三個(gè)電極：G(柵極)、S(源極)和D(漏極)，最后做成如(圖34①d)所示的樣子。一般情況下，MOSFET的襯底與源極在內(nèi)部連接在一起。根據(jù)MOSFET結(jié)構(gòu)及工作特性，本系統(tǒng)選擇的開關(guān)器件為功率MOSFET， 全橋逆變電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用三相橋式全控逆變電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖31所示，在電路圖設(shè)計(jì)中，六個(gè)功率開關(guān)器件選用國際整流公司的IRF3205型功率MOSFET,如圖35a)所示。其特點(diǎn)是導(dǎo)通內(nèi)阻小，這樣通態(tài)損耗低，耐壓55V，額定電流110A，因此適用于低壓大電流的功率變換場(chǎng)合。QBQBQB5三個(gè)IRF3205作為上橋臂，另外QBQBQB6為下臂。a) IRF3205圖35b)三相全橋硬件電路圖另外，在圖35b)下橋臂三個(gè)IRF3205功率放開關(guān)管QI的源極下面反接了一個(gè)IRF3205功率開關(guān)管，這樣做目的是為了防止電源正負(fù)極反接對(duì)電機(jī)造成損壞。前面提到六個(gè)IRF3205管都需要一定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)還能工作，而單片機(jī)的信號(hào)功率微弱，中間必須加功率放大環(huán)節(jié)，在本系統(tǒng)中，采用專門的全橋電路驅(qū)動(dòng)芯片IR2103來驅(qū)動(dòng)三相橋式變換器，IR2103的輸出電壓1020V, 這款芯片自帶自舉電路驅(qū)動(dòng)功能，專門為全橋電路上下功率管提供驅(qū)動(dòng)，外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單，不用為全橋中的上管提供專門的隔離驅(qū)動(dòng)電源。圖36為IR2103驅(qū)動(dòng)芯片引腳圖及其輸入輸出狀態(tài)。圖37中電容C、二極管VD分別為自舉電容和自舉二極管。當(dāng)橋臂下功率開關(guān)管Q2截止后，自舉電容C兩端屯壓保持不變，接下來在橋臂上管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通的時(shí)候，C通過驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)MOSFET管QV1向外總功率開關(guān)管柵極放電，橋臂上管驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通后，由于IR2103管的內(nèi)阻很小，壓降小，電源母線電壓與VS點(diǎn)相連，自舉電容C的正極電壓為母線電壓與電源電壓VCC兩者之和,二極管VD的反向作用截止，電容C無法放電，因此上橋臂管驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持不變。在兩路互補(bǔ)的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)信號(hào)按上述方式完成了對(duì)橋臂中的上下功率MOSFET管的驅(qū)動(dòng)。圖38功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路圖為了對(duì)變換器進(jìn)行時(shí)實(shí)控制，就必須把變換器的時(shí)時(shí)工作狀態(tài)反映到控制電路中，以供控制電路處理并調(diào)整，這就必須引入對(duì)主電路的信號(hào)采樣。采用霍爾元件取樣,控制和主功率電路有隔離,可以檢出直流信號(hào),信號(hào)還原性好, 但有μs級(jí)的延遲,并且價(jià)格比較貴。而電流互感器采樣具有能耗小、頻帶寬、信號(hào)還原性好價(jià)格便宜、控制和主功率電路隔離等諸多優(yōu)點(diǎn)本次設(shè)計(jì)中，主要采用電流互感器對(duì)系統(tǒng)電流信號(hào)采樣，電流互感器選用LEM公司生產(chǎn)的ACS712型號(hào)的高速電流互感器，ACS712 可為工業(yè)、商業(yè)和通信系統(tǒng)中的交流或直流電流感測(cè)提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且精確的解決方案。典型應(yīng)用包括電動(dòng)機(jī)控制、載荷檢測(cè)和管