【正文】 必不可少的，將 A/D 轉(zhuǎn)換器集成在單片機(jī)內(nèi)，將帶來極大的方便。同步串行總線由于使用的信號(hào)線少 (如 SP1 使用 3 條信號(hào)線， 2C 總線只使用 2 條信號(hào)線 )，所以電路占用電路板的面積大大減小。還有一個(gè)最突出的優(yōu)點(diǎn)是單片機(jī)可利用的引腳相對(duì)增多。在電動(dòng)機(jī)的控制中，要用到鍵盤和顯示器作為人機(jī)界面，有時(shí)還要用到外接存儲(chǔ)器，這時(shí)使用有 同步串行總線接口的芯片將會(huì)大大減小電路的尺寸，降低成本。用單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制， 經(jīng)常采用一些優(yōu)化算法，如數(shù)字 PID 控制、數(shù)字濾波等。新一代單片機(jī)的速度比老式單片機(jī)的速度提高了 1 倍多。這樣一來，一方面提供了更多的 引腳作為 FO 口使用，另一方面也可以去掉眾多引腳而使芯片小型化。 單片機(jī)的低電壓和低功耗也是新一代單片機(jī)的特色。這對(duì)于移動(dòng)設(shè)備的電動(dòng)機(jī)控制提供了幫助。 89 系列單片機(jī)和 MCS51 系列單片機(jī)一樣，與一般的微機(jī)的存儲(chǔ)器配置方式不同。 本論文主要研究?jī)?nèi)容 國(guó)內(nèi)在無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)領(lǐng)域理論研究多，而基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)少，本論文針對(duì)這種發(fā)展現(xiàn)狀，將側(cè)重點(diǎn)放在系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)上，開發(fā)設(shè)計(jì)出一套能夠?qū)崿F(xiàn)無刷直流電機(jī)控制的完整軟硬件系統(tǒng)。 2．對(duì) 89 系列的微控制器內(nèi)核和片內(nèi)存儲(chǔ)器、端 口輸入／輸出、片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列以及片內(nèi)調(diào)試電路等特性進(jìn)行系統(tǒng)介紹。 4．在硬件設(shè)計(jì)過程中，介紹了驅(qū)動(dòng) MOSFET 的集成芯片取 IR2130 和電源設(shè)計(jì)。 2 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制原理 2． 1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成 與交流電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)。那么，能不能既保持直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良特性，又去掉機(jī)械換向裝置呢 ?無局 4 直流電動(dòng)機(jī)正是在直流電動(dòng) 機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型電機(jī)。 圖 2． 1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成 圖 2． 1 中，直流電源通過控制電路控制電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)來控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而自動(dòng)地控制了哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實(shí)現(xiàn)電子換向。無刷直流電動(dòng)機(jī)最初的設(shè)計(jì)思想來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、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分為兩種：第一種是將瓦片狀的永磁體貼在轉(zhuǎn)子外表上，稱為凸極式；另一種是將永磁體內(nèi)嵌到轉(zhuǎn)子鐵芯中，稱為內(nèi)嵌式。 各相繞組分別與電子開關(guān)電路相連，開關(guān)電路中的開關(guān)受位置傳感器的信號(hào)控制。因此，無刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路有星形連接三相半橋式、星形連接三相橋式和三角形連接三相橋式。 圖 星形連接三相橋式主電路圖 位置檢測(cè)器的三個(gè)輸出信號(hào)通過邏輯電路控制開關(guān)的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通方式。這種方式就是兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式。 電機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩可由電樞繞組的電磁功率求得： ???? ccbbaae ieieieT （ ） 式中 ae、 b、 c為 A、 B、 C 三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)。 ? 為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。在一定的轉(zhuǎn)速下，如果電流一定，反電動(dòng)勢(shì)越大，轉(zhuǎn)矩越大。 圖 三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律 為了使電機(jī)獲得最大轉(zhuǎn)矩，在二二導(dǎo)通方式下，開關(guān)管的導(dǎo)通順序應(yīng)為 VTI、 VT2VT VT3VT VT4— VT VT5 一 vT VT6vTⅥ 1。由此可見，如果忽略換相過程的影響，當(dāng)梯形波反電動(dòng)勢(shì)的平頂寬大于等于 120電角度時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為 0。 同時(shí)，如果假定電流為平頂波，電機(jī)工作在兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式時(shí)，總的電磁轉(zhuǎn)矩是每相電磁轉(zhuǎn)矩的兩倍。各開關(guān)管導(dǎo)通的順序?yàn)椋?VTI、VT VT3VT VT VT4— VT VT VT5VT VT VT6VT VT VT1VTVT vT2。導(dǎo)通的時(shí)間增加了。而在三三通電方式下，因每個(gè)管子導(dǎo)通時(shí)間為 1800 電角度，一個(gè)管子的導(dǎo)通和關(guān)斷稍有延遲，就會(huì)發(fā)生直通短路，導(dǎo)致開關(guān)器件損壞。功率逆變器主電路與繞組的聯(lián)接形式、電機(jī)的功率等有關(guān)。 逆變器功率開關(guān)管是主電路的核心部分。在大功率電機(jī)的控制中，也可選擇 MCT，它是 MOSFET 與晶閘管的復(fù)合器件，具有高電壓、大電流 (2021V、 300A： 1000V、 1000 A)、電流密度大(6000A／ cm2)工作頻率高 (20kHz)、控制功率小、易驅(qū)動(dòng)、可以采用低成本集成驅(qū)動(dòng)電路控制等優(yōu)點(diǎn)。 PIC 將多個(gè) (如 2 個(gè)或 6 個(gè) )功率開關(guān)管及其快恢復(fù)二極管集成為一體。目前，三相半橋和三相橋式逆變器主電路均有商品化功率集成 電路出售，在設(shè)計(jì)時(shí)可以選用。如三菱公司生產(chǎn)的智能功率模塊已有完整系列，電壓有 600V和 1200V兩個(gè)等級(jí)，電流包括 10～ 600 A 多種規(guī)格。 位置傳感器與電機(jī)本體一樣也是由靜止部分和運(yùn)動(dòng)部分組成，即由位置傳感器定子和位置傳感器轉(zhuǎn)子組成。 敏感式位置傳感器是利用敏感元件來感受轉(zhuǎn)子位置信息，并輸出電信號(hào)去控制各相繞組的導(dǎo)通順序。 耦合式是指變壓器耦合 (即磁電式 )和高頻空心線圈耦合等。 接近式是利用某物而動(dòng)作的原理所組成的一種位置傳感器，如接近開關(guān)。世界上第一臺(tái)無刷直流電機(jī)就使用了霍爾元件式位置傳感器，故在本文中采用霍 爾元件式位置傳感器。 霍爾式位置傳感器是利用“霍爾效應(yīng)”來進(jìn)行工作的。通過感知轉(zhuǎn)子上的磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化來辨別轉(zhuǎn)子所處的位置。 當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度方向與半導(dǎo)體薄片不垂直，而是成 θ 角時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小改為 ?cosBIKE HHH ? （ ） 利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)，對(duì)霍爾元件通入直流電，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小和方向隨 著它的位置不同而發(fā)生變化時(shí)，霍爾半導(dǎo)體就會(huì)輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小和相位隨著轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的作用。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場(chǎng)。無刷直流電動(dòng)機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無電刷換向，首先要求把一般直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組放在定予上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上。但僅這樣做還是不行的，因?yàn)橛靡话阒绷麟娫唇o定子上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，它不能與運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)相互作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)動(dòng)。 為了更加清晰地闡述這種無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理，下面以三相星形連接繞組為例來加以說明。 圖 無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖 電機(jī)有六種磁狀態(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度電角度，我們把無刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式稱為兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)。 無刷直流電機(jī)的運(yùn)行 特性和傳遞函數(shù) 要十分精確的分析無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性是十分困難的。古通常均做如下假設(shè)。 （ 2） 繞組通電時(shí)，該電流產(chǎn)生的磁通對(duì)氣隙磁通的影響忽略不計(jì)。 （ 4） 各相繞組對(duì)稱，其對(duì)應(yīng)的電路單元完全一致的，相應(yīng)的電氣時(shí)間常數(shù)忽略不計(jì)。 下面以三相全控電路，兩兩通電模式為例分析無刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的特性。 由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度在電動(dòng)機(jī)氣隙中是按正弦規(guī)律分布的，即 ?sinMBB?，這樣一來，如果在定子中某一相 (例如 B 相 )繞組中通入持續(xù)的直流電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為：?sinrILBZT MDM ? （ ） 式中： DZ— 每相繞組的有效導(dǎo)體數(shù)； L— 繞組中導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度，即磁鋼長(zhǎng)度，單位 m； r— 電動(dòng)機(jī)中氣隙的半徑，單位 m； I— 繞組相電流，單位 A 在三相全控電路兩兩通電時(shí)，共有六種通電方式，每種方式都由兩個(gè)繞組線圈串聯(lián)通電，這時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為兩個(gè)繞組的轉(zhuǎn)矩合成，其大小為： MTT 3? （ ） 就是說某一相通以持續(xù)不變的直流后，它和 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也將隨轉(zhuǎn)子位置的不同而按正弦規(guī)律變化，如圖 所示。但在無刷直流電動(dòng)機(jī)三相全控電路的工作情況下，實(shí)際上各相繞組中通過的不是持續(xù)不變的直流電流，只是通過 1/6 周期的矩形波電流，那么該電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線中相當(dāng)于1/6 周期的一段，且這一段曲線與繞組開始通電時(shí)的轉(zhuǎn)子相對(duì)位置有關(guān)。電動(dòng)機(jī)一旦在電動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)后，旋轉(zhuǎn)了的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就要切割定子繞組，在各相繞組上感生出電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)其轉(zhuǎn)速 n 不變時(shí)，該電動(dòng)勢(shì)波形也是正弦波，相位同轉(zhuǎn)矩相位一致。 圖 三相無刷直流電動(dòng)機(jī)全控電路的反電動(dòng)勢(shì) 由上述分析，可以很方便的求出輸出轉(zhuǎn)矩的平均值疋和感生電動(dòng)勢(shì)的平均值 E。當(dāng)然，其大小同主回路的接法 (如三相半控或三相全控 )以及開關(guān)管的換相方式 (如兩兩換相或三三換相 )有關(guān)。由圖 2． 4可得電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程為： IREuu ???? () 式中， dmeICT ?，nE e，將上式整理后，可得機(jī)械特性方程： emee TCCRC uun ???? () 式中： n— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速， 單位 r／ mim； U— 電源電壓，單位 V； u?— 功率管管壓降，單位 V； R— 電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻，單位 Q； 由式 ()可知，無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程同一般直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程在形式上完全一致。這是由于它的反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)比較大的緣故，式 (2． 11)表示電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的機(jī)械方程，即一般所說的靜態(tài)方程。在 AB相導(dǎo)通時(shí)，0?ci，由于繞組中性點(diǎn)電流為零，則 dbaiii ???可得到如下電壓平衡方程組為： dtdiLRiEu daaa ??? () dtdiLRiEu bbab ??? () 兩式相減得： dtdiLRiEu ddd 22 ??? () 這里 baduuu ??為逆變器輸出電壓， baEEE ??為平均反電動(dòng)勢(shì)。經(jīng)拉式變換后得 )(2)(2)()( sLsIsRIsEsU ddd ??? )()( sICsT dme ? )(375)()( 2 ssnGDSTsT Le ?? )()( snCSE e? 在零初始條件下，對(duì)式取拉氏變換得電壓與電流和電流與電動(dòng)勢(shì)之間得傳遞函數(shù)分別為： sTRsRLREsusImdd????? 121121)()( sTRsIsI SE mld ?? )()( )( mem CCRGDT3752? 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)要介紹了無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成和基本工作原理，分析了無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，并推出了其傳遞函數(shù)，為后面的仿真研究、實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了依據(jù)。 AT89 系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89C52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位 單片機(jī) ，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀 程序存儲(chǔ)器 和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng) ， 片內(nèi)置通用 8 位 中央處理器 和 Flash 存儲(chǔ)單元 ， AT89C52 單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。 單片機(jī)引腳 AT89C52為 8 位 通用微處理器 ，采用工業(yè)標(biāo) PD