【正文】 第2章 無刷直流電動機控制系統(tǒng)設計方案 無刷直流電動機系統(tǒng)的組成 無刷直流電動機(Brushless DC Motor,簡稱BLDCM)是一種典型的機電一體化產(chǎn)品,它是由電動機本體、位置檢測器、,控制器對轉(zhuǎn)子位置信號進行邏輯處理并產(chǎn)生相應的開關信號,開關信號以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開關器件,將電源功率以一定的邏輯關系分配給電動機定子各相繞組,使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩.現(xiàn)對無刷直流電動機各部分的基本結構說明如下。原直流電動機的電刷和機械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器所代替。由于無刷直流電動機的電機本體為永磁電機，所以無刷直流電動機也稱為永磁無刷直流電動機。繞組可以接成星形或三角形，并分別與逆變器中的各開關管相連，三相無刷直流電動機最為常見。無刷直流電動機定子繞組的相數(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。綜合以下三個指標有助于我們做出正確的選擇：（1）繞組利用率。適當?shù)靥岣呃@組利用率將可以使同時通電的導體數(shù)增加，使電阻下降，效率提高。（2）轉(zhuǎn)矩脈動。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的脈動越??；采用橋式主電路比采用非橋式主電路的轉(zhuǎn)矩脈動小。相數(shù)越多，逆變器電路使用的開關管越多，成本越高。因此，目前以星形連接三相橋式主電路應用最多。位置檢測包括有位置傳感器和無位置傳感器檢測兩種方式。轉(zhuǎn)子位置傳感器的種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開關式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。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，限制了無刷直流電動機的應用范圍，對電機的制造工藝也帶來了不利的影響。無機械式位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測是通過檢測和計算與轉(zhuǎn)子位置有關的物理量間接地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，主要有反電動勢檢測法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法、定子三次諧波檢測法和瞬時電壓方程法等。（2）產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，使電機的電壓隨給定速度信號而自動變化，實現(xiàn)電機開環(huán)調(diào)速。（4）實現(xiàn)短路、過流、過電壓和欠電壓等故障保護電路。在電機轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。這種方案可以降低設備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。這種方案可以編程控制，應用范圍廣，且靈活方便。產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，實現(xiàn)電機的調(diào)速。控制器是電動自行車的驅(qū)動系統(tǒng)，它是電動自行車的大腦。目前，市場上常用的電動自行車無刷直流電機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，其針對無刷電機的控制要求，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線圈電流換向，根據(jù)電機內(nèi)的位置傳感器(霍爾傳感器)信號，決定換相的順序和時間，從而決定電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 本設計采用單片機作為主控芯片，用編程的方法來模擬無刷電機的控制邏輯，其特點是使用靈活，通過修改程序可適應不同規(guī)格的無刷電機，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。但是這些專用芯片價格昂貴，外圍電路設計復雜，在廣大的民用市場無法大規(guī)模推廣應用。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比高，安裝方便，被廣泛應用作為無刷直流電機的位置傳感器。但是由于無位置傳感器控制方法在低速時無法實現(xiàn)精確的速度調(diào)制，所以現(xiàn)階段在電動車領域只是處于研究階段，無法推廣到工業(yè)生產(chǎn)當中。微控制器的另一個重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號，以及隨機發(fā)出的制動信號，經(jīng)過AD變換和必要的運算后，借助內(nèi)置的時鐘信號產(chǎn)生一個帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號。自舉電路由分立器件構成的，也可以采用專門的集成模塊等高性能驅(qū)動集成電路。（4）周邊輔助、保護電路主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過電流保護電路、調(diào)速信號和制動信號等輸入電路。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號，是一個“自控式逆變器”。 逆變開關元件選擇和計算MOSFET在1960年由貝爾實驗室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla首次實驗成功，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，且因為制造成本低廉與使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢，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）的領域里，重要性遠超過BJT。表31對IGBT、GTR、GTO 和電力MOSFET的優(yōu)缺點的比較器 件優(yōu) 點缺 點GTR耐壓高，電流大，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低開關速度低，為電流驅(qū)動，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜，存在二次擊穿問題電 力 MOSFET開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小且驅(qū)動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置通過上述的比較，我選擇MOSFET。，通過計算可得I=，額定電壓UH=36V，峰值電壓應有一個百分之40的余量所以 UM=UH*=36*=通過以上計算，可得出選擇的MOSFET峰值電流為25A,峰值電壓為50V。 (2) IR2110 主要功能及技術參數(shù)IR2110 采用CMOS 工藝制作,邏輯電源電壓范圍為5 V～20 V ,適應TTL 或CMOS 邏輯信號輸入,具有獨立的高端和低端2 個輸出通道。采用CMOS 施密特觸發(fā)輸入,以提高電路抗干擾能力。兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。 表32 　IR2110 工作參數(shù)參數(shù)最小值/ V最大值/ VVBVS + 10VS + 20VS 4500HOVSVBVCC1020LO0VCCVDDVCC + 4. 5VCC + 20VSS 5+ 5HIN ,SD ,LINVSSVDD(3)IR2110內(nèi)部功能如圖32所示：圖32 IR2110內(nèi)部框圖LO （引腳1） :低端輸出COM（引腳2） :公共端Vcc（引腳3） :低端固定電源電壓Nc （引腳4） :空端Vs （引腳5） :高端浮置電源偏移電壓VB (引腳6) :高端浮置電源電壓HO （引腳7） :高端輸出Nc （引腳8） :空端VDD（引腳9） :邏輯電源電壓HIN（引腳10）:邏輯高端輸入SD （引腳11）:關斷LIN（引腳12）:邏輯低端輸入Vss（引腳13）:邏輯電路地電位端，其值可以為0VNc （引腳14）:空端功能概述IR2110驅(qū)動器將邏輯輸入信號送到相應的低阻抗輸出。邏輯電路為兩路輸出提供相應的控制脈沖。當SD輸入高電平時兩路均關閉。同樣，當VBS低于規(guī)定的欠電壓點時，欠電壓檢測電路也會使高端輸出中斷。高抗噪聲平移位電路將邏輯信號送到輸出驅(qū)動級。當Vs為500V或接近500V時，高端功率MOSFET關斷。由于每個高電壓DMOS電平轉(zhuǎn)換器僅在 很狹窄的脈沖持續(xù)期內(nèi)才導通，所以功率很低。 單片機的選擇目前，市場上有很多無刷電機專用控制芯片，大部分電動車生產(chǎn)廠商采用Motorola公司的MC3303無刷電機專用控制芯片，它具有無刷直流電機控制系統(tǒng)所需要的基本功能。單片機選擇依據(jù)：(1)性能因素。由于整個系統(tǒng)有多種模擬參數(shù)需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，因此選用的單片機應該有多通道A/D轉(zhuǎn)換模塊。(2)安全因素。(3)價格因素。 PIC單片機特點：PIC (Periphery Interface Chip)系列單片機是美國Microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。產(chǎn)品采用全新的流水線結構，單字節(jié)指令體系，嵌入Flash以及10位A/D轉(zhuǎn)換器。PIC系列單片機具有高，中，低3個檔次，可以滿足不同用戶開發(fā)的需求，適合在各個領域中的應用。就實際而言，不同的應用對單片機功能和資源的需求也是不同的。圖34 PIC系列單片機哈佛總線結構(3) RISC技術 RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精簡指令集計算機。PICF877單片機指令集系統(tǒng)只有35條指令，全部采用單字節(jié)指令，而且除4條判斷轉(zhuǎn)移指令發(fā)生間跳外，均為單周期指令，執(zhí)行速度較高。(5)功耗低 由于PIC系列單片機采用CMOS結構，使其功率消耗極低。(7)同步串行數(shù)據(jù)傳送方式可以滿足主控/從動和主控總線要求。(9)程序存儲器版本齊全Microchip公司提供的產(chǎn)品是一個單片機系列，可供選擇的存儲器類別和產(chǎn)品封裝工藝的形式較多，為產(chǎn)品的不同試驗階段和不同應用場合可提供一個全方位的選擇內(nèi)容和不同的性能檔次。其中MCLR為低電平時，對芯片復位；該管腳的電壓不能超過VDD，否則會進入測試方式。電池欠壓信號：電池電壓經(jīng)分壓后接單片機管腳3。（3）OSCOSC2：為振蕩器晶振。帶8位AID轉(zhuǎn)換輸入 每個I/O引腳最大拉電流25mA 8位定時器/計數(shù)器TMRO，帶8位預分頻 16位定時器/計數(shù)器TMR 1，睡眠中仍可計數(shù) 內(nèi)置上電復位電路(POR) 振蕩定時器，保障振蕩的穩(wěn)定建立 內(nèi)置自振式(RC振蕩)看門狗 掉電保護電路 在眾多的電樞電壓控制方法中，脈寬調(diào)制 PWM( PulseWidth Modulation)技術因為需用的大功率可控器件少、線路簡單、調(diào)速范圍寬、電流波形系數(shù)好、附加損耗小、功率因數(shù)高的優(yōu)點，從而得到廣泛應用。當處于脈寬調(diào)制工作方式時，可以在引腳輸出分辨率高達10位的PWM信號。 時鐘電路 如圖35所示，單片機的10腳外接16Mhz晶體。如圖37所示，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)把，改變了霍耳元件周圍的磁場強度，也就改變了霍耳轉(zhuǎn)把的輸出電壓。2 剎車圖38 剎車圖電動自行車標準要求電動車在剎車制動時，控制器應能自動切斷對電動機的供電。因而，既保護了功率管本身，又保護了電動機，也防止了電源的浪費。同時也有少數(shù)高檔車采用霍爾元件做開關，剎車時輸出高電平給控制器，實現(xiàn)剎車斷電功能，即高電位剎車，也稱之為電子剎把。 顯示電路本系統(tǒng)采用3個發(fā)光二極管作為面板指示燈，如圖所示。面板顯示電路如圖39所示：圖39 面板顯示電路圖1 74LS164引腳圖74LS164為8位移位寄存器（串行輸入，并行輸出）圖310 74LS164引腳圖如圖310所示，當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QA－QH）均為低電平。當 A、B 任意一個為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下輸出為低電平。 引出端符號 CLOCK ：時鐘輸入端。 QA－QH :輸出端。但是，由于它采用的是雙極型熔絲工藝，一旦編程以后不能修改，因而不適應研制工作中經(jīng)常修改電路的需要。GAL16V8主要是把驅(qū)動順序信號和帶有各種控制信息的脈寬調(diào)制PWM信號綜合成六個輸出驅(qū)動信號。按照霍爾器件的功能可將它們分為:霍爾線性器件和霍爾開關器件?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點，它們的體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達1 MHz) ,耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。此外，其工作溫度范圍寬，可達55 0C~150oC。它對電機轉(zhuǎn)子位置進行檢測，其輸出信號經(jīng)過邏輯變換后去控制開關管的通斷，使電機定子各相繞組按順序?qū)?，保證電機連續(xù)工作。轉(zhuǎn)子位置傳感器的主要技術指標為：輸出信號的幅值、精度，響應速度，工作溫度，抗干擾能力，損耗，體積重量，安裝方便性以及可靠性等。其中最常用的有以下幾種：（1）霍爾元件式位置傳感器霍爾元件式位置傳感器是磁敏式位置傳感器的一種。當霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場中，即輸出霍爾電勢信號，當其不受外磁場作用時，其輸出端無信號。第一種方式是將霍爾元件粘貼于電機端蓋內(nèi)表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝在與電機軸同軸的永磁體。電角度，永磁體的極弧寬度為180176。這樣，當電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，三個霍爾元件便交替輸出三個寬度為180176。電角的矩形波信號。如圖312所示，霍爾元件式位置傳感器結構簡單、體積小、價格低、可靠，但對工作溫度有一定要求，同時霍爾元件應靠近傳感器的永磁體，否則輸出信號電平太低，不能正常工作。圖312 霍爾元件式位置傳感器結構（2）電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器的定子由磁芯、高頻激磁繞組和輸出繞組組成。電機運行時，輸入繞組中通以高頻激磁電流，當轉(zhuǎn)子扇形磁芯處在輸出繞組下面時，輸入和輸出繞組通過定、轉(zhuǎn)子磁芯耦合，輸出繞組中則感應出高頻信號，經(jīng)濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器工作。電磁式位置傳感器輸出信號較大，一般不需要經(jīng)過放大便可直接驅(qū)動開關管，但此輸出電壓是交流，必須先整流。（3）光電式位置傳感器光電式位置傳感器由固定在定子上的幾個光電耦合開關和固定在轉(zhuǎn)子軸上的遮光板所組成。遮光盤處于發(fā)光二極管和光敏三極管中間，盤上開有一定角度的窗口。光電式位置傳感器輕便可靠，安裝精度高，抗干擾能力強，調(diào)整方便，因此獲得了廣泛的應用。它省去了轉(zhuǎn)子位置傳感器，因而電機結構簡單、體積小、可靠性高。無位置傳感器的無刷直流電機的主要弱點是起動轉(zhuǎn)矩比較低，一般只適用于空載或輕載條件下起動。2 霍爾器件在無刷直流電機中的應用當霍爾傳感器用作無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置信息檢測裝置時，將其安放在電機定子的適當位置，霍爾器件的輸出與控制部分相連。當轉(zhuǎn)子到下一位置時，前一位置的霍爾器件停止工作，下一位置的霍爾器件輸出電壓信號，控制部分使得對應定子繞組通電，產(chǎn)生推斥場使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，如此循環(huán)，維持電機運轉(zhuǎn)。電流信號經(jīng)過LM358放大，由單片機PIC16F72A/D通道RA1（管腳2）輸入，并進行控制處理。電流采