【正文】 無刷直流電機控制系統(tǒng)總體設(shè)計 13 整體運行思路 13 系統(tǒng)總體框圖 13 14圖34 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 14圖36 電磁轉(zhuǎn)矩Te 15 15第4章 無刷直流電機控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 16 各接口電路與所用芯片詳細功能及使用介紹 16 AT89C51芯片的介紹 16 17 19 19 軟件部分 20 主程序流程圖如下： 21 鍵盤、顯示流程圖： 23第5章 結(jié) 論 25致 謝 26參考文獻 27附錄A： 28附錄B: 37附錄C 中文譯文 44III北方民族大學學士學位論文第1章 緒 論 引言隨著時代的變遷與科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，電機作為一種機電能量轉(zhuǎn)換及成為各種機械原動力的一種不可或缺的裝置，已被應用到各個領(lǐng)域。能源、冶金、采礦、機械加工、航空航天可以說沒有電機就沒有今天繁榮的一切。隨著計算機進入控制領(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，控制電機的方式也越來越多。 無刷直流電機分類 隨著科技日新月異的發(fā)展，電機除了扮演著工業(yè)發(fā)展與人們生活水平逐漸提高的不可或缺的角色。按所需電源種類有刷直流電機直 流 電 機交 流 電 機無刷直流電機單相電機三相電機永磁直流電機電磁直流電機方波驅(qū)動正弦波驅(qū)動 圖11 電機分類結(jié)構(gòu)圖 無刷直流電機的研究背景從1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象到第一臺直流電機被成功研制，這以后電機就開始逐漸被應用于各個領(lǐng)域，但隨著人們對物質(zhì)生活的需求越來越高及科學技術(shù)上的突破，直流電機雖然具有調(diào)速范圍廣、啟動轉(zhuǎn)矩大、運行平穩(wěn)效率高等諸多優(yōu)點，但是由于傳統(tǒng)的直流電機都采用的是電刷機械換向裝置，就產(chǎn)生了不可避免的機械摩擦、使用壽命縮短等一系列問題。因此科學家們就開始尋找一些以替換電刷機械換向的裝置，這樣就避免了上述問題。1955年，美國人Harrison首次提出了用晶體管換相線路代替電機電刷機械結(jié)構(gòu)接觸的構(gòu)想，這就是無刷直流電機的雛形[2]。它的運行原理是，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，信號繞組內(nèi)就會感應出周期性的信號電動勢，信號電動勢就會使相應的晶體管依次導通來完成換向。由于這種電機存在著沒有啟動轉(zhuǎn)矩并且由于感應電動勢信號前沿抖動較大致使晶體管工作在高功耗下等一系列的缺點，因此后續(xù)做了諸多改進。而定子輔助磁鋼的運用需要附加脈沖，這就在電機啟動時增加了負擔。鑒于此，其后人們又做了無數(shù)次的實驗驗證，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械結(jié)構(gòu)電刷的電子換向線路。傳感器的出現(xiàn)為無刷直流電機快速研制成功與投入應用更是起到了關(guān)鍵性的作用，接近開關(guān)式位置傳感器、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。在⒛世紀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現(xiàn)換相的無刷直流電機[2]。永磁無刷電機是永磁無刷直流電機、永磁無刷交流同步電機、永磁無刷直線電機和永磁無刷力矩電機的總稱。 無刷直流電機研究的意義無刷直流電機是將控制芯片、檢測元件、換向機構(gòu)、軟硬件相結(jié)合的一種新型機電產(chǎn)品，綜合了許多現(xiàn)代科技的最新成果，是現(xiàn)代機電一體化的最新最好的詮釋。沿襲了直流電機調(diào)速性能好、機械特性呈線性、運行效率高等一系列優(yōu)點，并且突出的有點就是沒有勵磁損耗。另一方面，從減少機械振動和減少噪音方面無刷直流電機做的也是非常成功的。雖然由于驅(qū)動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技術(shù)的進步與發(fā)展都會得到客服，隨著永磁材料的更新進步，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的推廣應用增加了一定的籌碼，因此在來，相信很長一段時間里，無刷直流電機會越來越多的應用在民用領(lǐng)域中，漸漸的將會取代現(xiàn)有的直流電機?，F(xiàn)代無刷直流電機都是以永磁勵磁的。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了永磁電機的發(fā)展。微電子技術(shù)更是將無刷直流電機的專用控制集成電路與電子電路更好的結(jié)合起來。因此，對它的研究在現(xiàn)如今以致在今后未來的很長一段時間里都會具有很深遠的意義。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，無刷直流電機也得到了空前的發(fā)展。216。216。而且電機日常工作性能更加穩(wěn)定，可靠性也隨之提高。 隨著電子產(chǎn)品日漸趨向高度集成化微型化，對于控制器的要求也就越來越嚴格，即單片機與DSP相繼問世以來電機的控制也就更多樣化。216。由于引入的位置傳感器內(nèi)嵌在機體內(nèi)部，而且傳感器的組成也是頗為復雜，無位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置信號的技術(shù)就被人們引入到無刷直流電機的領(lǐng)域中，而且現(xiàn)在有了相對成熟的反電動勢法。通過上述敘述我們可以確定，想要使無刷直流電機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，找出一個最佳方案，甚至有可能的話設(shè)計一款通用型。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。4. 功率密度較高，定子繞組容易散熱。而無刷直流電機卻恰好性反，它是將繞組裝在了定子上，轉(zhuǎn)子上裝有永久磁鋼。綜上所述，無刷直流電機由三部分組成分別是電機本體，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 無刷直流電機內(nèi)部原理圖圖23 無刷直流電機結(jié)構(gòu)圖眾所周知，電機由定子和轉(zhuǎn)子組成。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動部分和靜止部分組成，位置傳感器定子和轉(zhuǎn)子。傳感器轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極（N S）轉(zhuǎn)角，就相應的產(chǎn)生出與電機邏輯分配狀態(tài)相對應的開關(guān)狀態(tài)數(shù)，以此完成電機的一次換流全過程。這個磁場會和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場形成一定的角度，就會產(chǎn)生相應的力矩。這樣就和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場始終形成一定的角度，產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩，這樣就是實現(xiàn)了定子電流隨轉(zhuǎn)子位置變化而做相應的變化。 工作原理圖25 無刷直流電機運行原理圖直流電機由定子產(chǎn)生固定的磁場，當轉(zhuǎn)子線圈上通有電流后通電導體會因為磁場的原因產(chǎn)生力矩，此力矩就會使線圈轉(zhuǎn)動，當線圈轉(zhuǎn)過180176。而無刷直流電機沒有換向器，并且繞組是在定子上，轉(zhuǎn)子上鑲有永磁剛。始終形成一個固定的電角度產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。電角度，這樣電機就連續(xù)不斷的運轉(zhuǎn)起來了。怎么樣才能使轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場與繞組產(chǎn)生的磁場在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。采用6個MOSFET功率管和6個續(xù)流二極管組成。三相繞組導通方式通常有120176。導通方式。1. 120176。導通方式就是說電機內(nèi)部繞組為A、B、C三相，兩相繞組導通時其中每一項導通電角度是120176。按圖3所示逆變電路為例，當在其兩端加一直流電源時，功率管按順序?qū)?。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。最后以C相位基準，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。繞組電流換向依次流過，就會在定子繞組中產(chǎn)生變化的磁場。MOSFET管的標號可以改變，按照上圖的標示功率管的導通順序應該依次是T1T6T1T2T3T4T3T2T5T4T5T6。2. 180176。導通方式就是ABC三相全部處于導通狀態(tài)。接下來電流先從A相正向流過再從BC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。電流從C相正向流過，從AB兩相反向流過。根據(jù)狀態(tài)表示依次使相對應的功率管導通。它們各有特點，本系統(tǒng)使用電壓型逆變電路，它有以下特點： (1)直流側(cè)為電壓源，或接有大電容，相當于電壓源，直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。(3)當交流側(cè)為阻感性負載時需提供無功功率，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。成本較低，對于模擬電路產(chǎn)生的熱損耗以及對降低其產(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的典型例子。PWM可以應用在許多方面，比如：電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉(zhuǎn)速。如圖27所示。設(shè)電機始終接通電源時，設(shè)方波一個周期的時間為T，電機最大轉(zhuǎn)速為Vmax，圖24中占空比為t1/T,那么電機平均速度Va=Vmax(t1/D),為了得到不同的電機轉(zhuǎn)速，我們可以改變占空比，也就是所謂的高電平持續(xù)的時間。第3章 無刷直流電機控制系統(tǒng)總體設(shè)計 整體運行思路本系統(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。 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)總體框圖如圖31： 微 處 理 器電 機 驅(qū)動 電 路逆 變 橋整 流 橋三 相 交流 電 源轉(zhuǎn) 子 位 置 信號無刷電 機電平轉(zhuǎn)換圖31 整體框圖圖32 基于無刷直流電機Matlab的仿真圖圖33 線電壓Uab 圖34 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速圖35 相電流ia和相反電勢ea圖36 電磁轉(zhuǎn)矩Te 由圖36可知，電機空載啟動，自由加速至穩(wěn)態(tài)后。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。由于負載突增的時候，轉(zhuǎn)速已經(jīng)很高，反電勢也會很大，在母線電壓恒定的情況下電流不會很快響應，所以轉(zhuǎn)速的變化過程會較慢，從圖34中就可以看出。第4章 無刷直流電機控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 各接口電路與所用芯片詳細功能及使用介紹 AT89C51芯片的介紹 AT89C51是由美國Atmel公司生產(chǎn)的一種8位單片機，其片內(nèi)Flash是一種高速電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)，可在內(nèi)部存放程序。功能概述： AT89C51片內(nèi)含有4KB的Flash存儲器，片內(nèi)RAM容量為128B，片外的ROM、RAM可以尋址32KB的容量，有4*8個并行的I/O端口，兩個定時器和6個中斷源，引腳封裝形式有DIP PLCC 4PQFP 44三種形式。 圖41 AT89C51引腳圖引腳功能概述：u P0（~）口是8位漏極開路型雙向I/O端口，訪問片外存儲器時，分時作為低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8個LSTTL負載，要求外接上拉電阻。u P2（P2..0~）口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端，訪問外部存儲器時，由它輸出高8位地址，可以驅(qū)動4個LSTTL負載。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， T1是兩個計時器。單片機上電初始化后，首先掃描鍵盤，若S1被按下，則啟動系統(tǒng)，否則將一直掃描鍵盤，此時其他鍵沒有任何功能。 S2和S5：通過按S4或S6，當前位閃爍，此時通過S2和S5可對當前位進行+1/1，若5S內(nèi)沒有操作，系統(tǒng)自動確認當前輸入值。圖44 單片機與數(shù)碼管顯示電路接口 整個顯示電路包括兩部分： 本系統(tǒng)采用4位8段共陰極數(shù)碼管顯示 P0口接上拉電阻 數(shù)碼管段選通過限流電阻接P0口 —— 兩個二極管一個代表正轉(zhuǎn)一個代表反轉(zhuǎn)圖 45 驅(qū)動電路的組成 IR2110芯片是由IR公司生產(chǎn)，用于MOSFET驅(qū)動電路。這里只列兩路輸出其它兩片的電路構(gòu)成是完全相同的，三片IR2110標有COM的第二引腳是連接在一起的。邏輯電源電壓可以加載從++15v之間變化區(qū)間的電壓，而柵極驅(qū)動電壓可以加載從+10v到+20v之間中的電壓。 本系統(tǒng)程序主要由 大本分組成： 中斷服務(wù)程序 顯示程序 停機程序 右移程序 測速程序 延時程序其中向上（下）、左（右）移、啟動、正反裝程序由鍵盤程序調(diào)用，鍵盤程序、顯示程序、測速程序、PWM輸出程序由主程序調(diào)用。對其控制系統(tǒng)的構(gòu)成做了一定的學習與理解。電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)由相嵌在定子上的電樞繞組、用永磁材料構(gòu)成的永磁體轉(zhuǎn)子和能感受轉(zhuǎn)子位置信號變化的位置傳感器構(gòu)成。兩兩導通是指在360176。轉(zhuǎn)子位置傳感器的個數(shù)取決于轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)，最后通過MATLAB的仿真對其相電壓，電流做了觀測和理論的對照。大學四年美好的生活轉(zhuǎn)眼就將結(jié)束，一路走來，有苦有樂，這里誠摯地感謝我的父母、老師和一直在幫助我支持我的親朋好友。在本次畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，誠摯地感謝我的畢業(yè)設(shè)計指導老師北方民族大學王君瑞老師。從論文的整體結(jié)構(gòu)，到論文的構(gòu)思、寫作、格式的修改、再到論文文獻的查找，最后到論文的查重以及更改，可以說在各個環(huán)節(jié)中都幫助了我。感謝你們，我的父親母親，因為你們的關(guān)懷備至、細心呵護，我才能接受良好的教