【正文】 U性能更加優(yōu)越的 DSP(數(shù)字信號處理器 )芯片電機(jī)控制 器，如 ADI公司的 ADMC3xx系列， TI公司的 TMS320C24系列及 Motorola公司的 DSP56F8xx系列，都是由一個以 DSP為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。 無刷電機(jī)控制方法主要分為有位置傳感器控制和無位置傳感器控制兩種。當(dāng)前，國內(nèi)外對 無刷直流電機(jī)無位置傳感器的控制方法主要有反電勢法、定子三次諧波法、續(xù)流二極管檢測法、脈沖檢測法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。 二、 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 基于一部分的考慮 ,可繪出無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖 ,如圖 21所示 : 圖 21 電動機(jī)驅(qū)動控制框圖 13 1. 微控制器 主要功能是根據(jù)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的要求和來自霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個輸出信號，將它們處理成功率驅(qū)動單元的六個功率開關(guān) 器件所要求的驅(qū)動順序。 2. 功率驅(qū)動單元 主要包括功率開關(guān)器件組成的三相全橋逆變電路和自舉電路。 3. 位置傳感器 位置傳感器在無刷直流電動機(jī)中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息。 14 第三章 無刷直流電動機(jī)硬件設(shè)計(jì) 第一節(jié) 逆變主電路設(shè)計(jì) 一、 功率開關(guān)主電路 圖 31 功率開關(guān)主電路原理圖 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機(jī)供電。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無刷直流電動機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一。 近年來由于 MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位訊號處理的場合上，也有越來越多類比訊號處理的積體電路可以用 MOSFET來實(shí)現(xiàn) 。 電樞額定電流 IaH=，因?yàn)槊總€控制元件導(dǎo)通 120o,所以控制元件的峰值電流可以由以下方程算出。 16 第二節(jié) 逆變開關(guān)管驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 一、 IR2110 功能介紹 1. IR2110 的特點(diǎn)有：輸出驅(qū)動隔離電壓可達(dá) 500V；芯 片自身的門輸入驅(qū)動范圍為 10~20V；輸入端帶施密特觸發(fā)電器；可實(shí)現(xiàn)兩路分立的驅(qū)動輸出，可驅(qū)動高壓高頻器件，如 IGBT、功率 MOSFET 等，且 工作頻率高可達(dá) 500KHz ， 開通 、 關(guān)斷延遲小，分別為 120ns 和 94ns； 邏輯電源的輸入范圍（腳 9） 5~15V，可方便的與 TTL， CMOS電平相匹配 。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上 ,容許邏輯電路參考地 (USS) 與功率電路參考地 (COM) 之間有 5 V和 + 5 V 的偏移量 ,并且能屏蔽小于 50 ns 的脈沖 ,這樣有較理想的抗噪聲效果。 IR2110 浮置電源采用自舉電路 ,其高端工作電壓可達(dá) 500 V ,工作頻率可達(dá)到 500 kHz。其推薦典型工作參數(shù)如表 32所示。高端輸出 HO和低端基準(zhǔn)輸出 LO分別以浮置電位 VBS和固定電位 Vcc為基準(zhǔn)。 HO和 LO輸出分別與 HIN和 LIN輸 入同相位。 當(dāng) VDD低于欠電壓閥值時，欠電壓 UV檢測電路關(guān)閉兩路輸出。邏輯輸入采用帶有 的施密特觸發(fā)電路，以提高抗擾能力。 低端延時電路可簡化控制脈沖定時要求，兩路輸出的傳播延時匹配的。輸出驅(qū)動 MOSFET接成源極跟隨器，另一只 18 輸出驅(qū)動 MOSFET接成共源極電路，高端的脈沖發(fā)生器驅(qū)動 HV電平轉(zhuǎn) 化器并觸發(fā) RS閂鎖置位或復(fù)位。 第三節(jié) 單片機(jī)的選擇 目前，市場上有很多無刷電機(jī)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(jī)專用控制芯片，它具有無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)所需要的基本功能。 單片機(jī)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(jī)應(yīng)該有多通道 A/D轉(zhuǎn)換模塊。 2. 安全因素。 3. 價格因素。 一、 PIC 單片機(jī)特點(diǎn) ： PIC (Periphery Interface Chip)系列單片機(jī)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(jié)構(gòu)，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(jī)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(lǐng)域中的應(yīng)用。就實(shí)際而言，不同的應(yīng)用對單片機(jī)功能和資源的需求也是不同的。 圖 33 PIC系列單片機(jī)哈佛 總線結(jié)構(gòu) 3. RISC技術(shù) RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精簡指令集計(jì)算機(jī)。 PICF877單片機(jī)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(jī)采用 CMOS結(jié)構(gòu)，使其功率消耗極低。 7. 同步串行數(shù)據(jù)傳送方式 20 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(jī)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(yàn)階段和不同應(yīng)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(fù)位；該管腳的電壓不能超過 VDD，否則會進(jìn)入測試方式。 電池欠壓信 號：電池電壓經(jīng)分壓后接單片機(jī)管腳 3。 3. OSC OSC2：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(jì)數(shù)器 TMRO，帶 8位預(yù)分頻 16位定時器 /計(jì)數(shù)器 TMR 1，睡眠中仍可計(jì)數(shù) 內(nèi)置上電復(fù)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(hù)電路 在眾多的電樞電壓控制方法中，脈寬調(diào)制 PWM( Pulse Width Modulation)技術(shù)因?yàn)樾栌玫拇蠊β士煽仄骷佟⒕€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(diǎn)，從而得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)處于脈寬調(diào)制工作方式時， 22 可以在引腳輸出分辨率高達(dá) 10位的 PWM信號。 五、 時鐘電路 如圖 35所示，單片機(jī)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)要求電動車在剎車制動時，控制器應(yīng)能自動切斷對電動機(jī)的供電。因而，既保護(hù)了功率管本身，又保護(hù)了電動機(jī)，也防止了電源的浪費(fèi)。同時也有少數(shù)高檔車采用霍爾元件做開關(guān)，剎車時輸出高電平給控制器，實(shí)現(xiàn)剎車斷電功能，即高電位剎車，也稱之為電子剎把。 二、 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： 24 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(dāng)清除端（ CLEAR）為 低 電平時，輸出端（ QA－ QH）均為低電平。當(dāng) 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(yīng)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(guān)器件?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高 (可達(dá) 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(dá) 55 0C~150oC。它對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測，其輸出信號經(jīng)過邏輯變換后去控制開關(guān)管的通斷，使電機(jī)定子各相繞組按順序?qū)?，保證電機(jī)連續(xù)工作。轉(zhuǎn)子位置傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)為：輸出信號的幅值、精度，響應(yīng) 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(dāng)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(dāng)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(jī)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(jī)軸同軸的永磁體，如圖 。電角度，永磁體的極弧寬度為 180176。這樣，當(dāng)電機(jī)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu) 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(jī)運(yùn)行時，輸入繞組中通以高頻激磁電流，當(dāng)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(yīng)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(guān)管，但此輸出電壓是交流，必須先整流。 3. 光電式位置傳感器 28 光電式位置傳感器由固定在定子上的幾個光電耦合開關(guān)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(qiáng)，調(diào)整方便，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。它省去了轉(zhuǎn)子位置傳感器，因而電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高。無位置傳感器的無刷直流電機(jī)的主要弱點(diǎn)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。 二、 霍爾器件在無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用 當(dāng)霍爾傳感器用作無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息檢測裝置時，將其安放在電機(jī)定子的適當(dāng)位置，霍爾器件的輸出與控制部分相連。當(dāng)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(yīng)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電流信號經(jīng)過 LM358放大，由單片機(jī)PIC16F72A/D通道 RA1（管腳 2）輸入，并進(jìn)行控制處理。電流采樣信號通過 LM358與一固定電壓值比較，當(dāng)電壓的電流過大時， LM358輸出高電平，送入 GAL16V8直接關(guān)斷輸出，進(jìn)行邏輯保護(hù)。 電流采樣方式可采取直接采樣兩相電流的方法或采樣直流母線電流的方法。采樣直流母線電流有兩種方法，一種是在待測電路上串入一個小電阻，用小電阻上的壓降反映電流的大?。涣硪环N是采用電流傳感器?？紤]到本控制系統(tǒng)的成本問題，本系統(tǒng)采用第一種電流采樣方式。過流保護(hù)是控制器的最后防 30 線，過流保護(hù)電阻用的是康銅絲，當(dāng)系統(tǒng)電流超過最大保護(hù)電流值時，康銅絲會燒斷，從而起到 保護(hù)作用。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。當(dāng)電池電壓過低時給出欠壓信號，輸出截止，防止電池由于過放而損壞。 第八節(jié) 電源電路 圖 317 電源電路圖 如圖 317所示， 36V電池送入 U1 U1 U15穩(wěn)壓器輸出 +15V和 +5V給 PIC單片機(jī)和IR2110供電。隨后采樣位置傳感器產(chǎn)生霍爾信號 , 將該信號的狀態(tài)與電機(jī)固定的相位序列進(jìn)行比較 , 判斷電機(jī)的相位是否正確。欠壓檢測是根據(jù)需要設(shè)定欠壓值 , 然后采樣當(dāng)前電源電壓 , 若電壓低于設(shè)定值 ,則關(guān)閉輸出 , 相反 , 則進(jìn)行限流保護(hù)檢測。在運(yùn)行的過程中應(yīng)時刻檢測是否有剎車信號輸人 , 若有剎車信號輸人 , 則關(guān)閉輸出。直流無刷電機(jī)的 3個霍爾元件組合起來有 8種狀態(tài) , 其中 6種是有效的 , 對應(yīng) 1個輸出的狀態(tài)。若電機(jī)需要反轉(zhuǎn) , 只需增加一個反轉(zhuǎn)狀態(tài)表即可。 二、 啟動 理論上講 , 轉(zhuǎn)子位置過磁場換相臨界點(diǎn)時 , 電流換相的速度越快越好。但是在電動自行車控制場合 ,這樣的想法是沒有必要的。設(shè)電動自行車運(yùn)行在最高速 20km/s(這是國家法律規(guī)定的速度限制 ), 而其使用的小徑輪胎 , 則霍爾信號改變的時間為 。這樣做的好處是可以減小中斷程序的執(zhí)行時間 , 程序運(yùn)行更加流暢。定時器在每個時間周期增加 1。若想控制定時器定時時間 , 以在其中斷程序里面將定時器置數(shù) , 定時器便從這個數(shù)開始計(jì)數(shù)直到溢出。須注意對有的定時器計(jì)數(shù)值寄器的時候 , 會把預(yù)分頻值清除 , 因此必須在寫計(jì)數(shù)值的同時重新寫預(yù)分頻值控制字。因此 , 要在中斷程序中控制下次 PWM中斷的時間有兩個方法 :一是改變 PR2值 , 一是對 TIMER2置數(shù) , 改變其初始值。 四、 剎車控制 剎車控制在主程序里面 , 主程序時刻檢測剎車信號 , 當(dāng)有剎車信號 , 關(guān)斷波的輸出若沒有剎車信號 , 根據(jù)轉(zhuǎn)把輸入的電壓 , 控制波的輸