【正文】 IP 封裝的 AT89C52引腳圖 準(zhǔn)的 C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的 8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。主要管腳有： XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 VCC（ 40 腳）和 VSS（ 20 腳）為供電端口，分別接 +5V 電源的正負(fù)端。 4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案與控制策略研究 4． 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)有無位置傳感器，可分為有位置傳感器控制系統(tǒng)和無位置傳感器控制系統(tǒng)。綜合上述因素，本系統(tǒng)采用了有位置傳感器控制方法對無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。電流的反饋是通過檢測電阻 R 上的壓降來實(shí)現(xiàn)。位置傳感器輸出的位置量還用于控制換相。 4． 2 檢測方案 電機(jī)控制系統(tǒng)中信號檢測是必不可少的，不僅開環(huán)控制狀態(tài)的極限控制需要，如過電流、過電壓、過熱和欠電壓等嚴(yán)重影響系統(tǒng)正常工作的信號，而且對于絕大多數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)，狀態(tài)信息的檢測更是不可缺少，即進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并利用檢測信號控制電機(jī)的正常運(yùn)行。電量有電流、電壓、電荷量和電功率等。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，常用的檢測信號主要有電流、電壓、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速等物理量。 轉(zhuǎn)子位置檢測方案 位置傳感器主要用于轉(zhuǎn)子位置檢測和速度計(jì)算，為了正確的獲得轉(zhuǎn)子位置信息，不僅要合理地設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子位置傳感器與單片機(jī)的接口，還要考慮位置信號處理的方法。檢測轉(zhuǎn)子位置傳感器信號采用的方法有正交編碼接口，數(shù)字 FO 口中斷和數(shù)字 I/O 口輸入，本文采 用數(shù)字 I/O 口輸入。數(shù)字 I/O 口讀取數(shù)據(jù)與霍爾信號變化之間存在時(shí)間差別，但是只要 PWM 開關(guān)頻率達(dá)到一定數(shù)值，轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性的轉(zhuǎn)速平滑作用使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估計(jì)的精度還是能滿足調(diào)速精度要求的。在電機(jī)的起動(dòng)過程中，使電機(jī)在所能允許的最大電流下“恒流”起動(dòng)，保證起動(dòng)的快速性；在轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨電流給定變化。為實(shí)現(xiàn)電流環(huán)控制，必須有一個(gè)能夠檢測電流的檢測電路。電流的檢測主要有電阻法、電流互感器法和霍爾效應(yīng)電流傳感器法 3種。 圖 電流互感器 （ 2）霍爾效應(yīng)電流傳感器 它是利用霍爾效應(yīng)和磁場平衡原理設(shè)計(jì)的精密型電流檢測元件，如圖 4． 2所示。當(dāng)被檢測導(dǎo)體流過電流時(shí)，導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場集中在聚磁環(huán)的氣隙中，氣隙磁場使安放在氣隙中的 霍爾元件產(chǎn)生霍爾電勢，這是因?yàn)榛魻栐狭鬟^恒定電流所致。由于放大器的放大倍數(shù)很高，這兩種磁場的相互影響最終使得氣隙磁場趨近于零，即達(dá)到磁場平衡。因此，測量線圈上流過的電流就可以測量導(dǎo)體電流，由于線圈的匝數(shù)很多，電流很小，它必須通過 測量電阻R?；魻栃?yīng)電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，而且交流與直流均可測量，精度高，當(dāng)價(jià)格昂貴，而且需要額外的恒壓直流電源。這種方法是最基本的。缺點(diǎn)是電阻上消耗能量，且電阻精度受溫度影響。這樣，只需要在直流側(cè)接入一個(gè)采樣電阻就可以檢測導(dǎo)通相的相電流。對于采集到的電流信號，由于信號較弱，所以經(jīng)過電阻將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柡?，必須?jīng)過功率放大器放大處理后在送入單片機(jī)的 ADC 模塊，進(jìn)行 A／ D 轉(zhuǎn)換。電流檢測信號一方面作為 1112130的過流保護(hù)信號，接至刀 R2130的 ITRIP 腳；另一方面作為電流環(huán)的反饋信號輸入到單片機(jī)中。由于IR2130的 ITRIP 端的輸入閥值電壓為 0． 5V，當(dāng)采樣電阻上的壓降大于 0． 5V時(shí)，Ⅱ匕130內(nèi)部的故障處理單元?jiǎng)幼?，?IR2130的輸出全為低電平，保證六個(gè)功率器件的柵源極迅速反偏而全部截至，從而有效地保護(hù)功率管。由于多數(shù)無刷直流電機(jī)的容量都很 小，一般不宜在其軸上安裝如測速發(fā)電機(jī)等測量裝置。也就是說，霍爾狀態(tài)每變化 1次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 60。利用定時(shí)器確定相鄰 2次霍爾狀態(tài)變化所需要的時(shí)間，就可以計(jì)算轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速。將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，將它與所測的實(shí)際電流進(jìn)行比較，通過數(shù)字 PID 算法進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，用電流調(diào)節(jié)器的輸出控制 PWM 波的占空比，從而控制功率開關(guān)的通斷。自適應(yīng)控制運(yùn)用現(xiàn)代控制理論在線辨識對象特性參數(shù)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，使控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)保持在最 佳范圍內(nèi)，但其控制效果的好壞取決于辨識模型的精確度，這對于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的。 在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是 PID 控制。 圖 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值)(tr與實(shí)際輸出值)(ty構(gòu)成控制偏差 )()()( tytrte ?? （ ） PID 的控制規(guī)律為])()(1)([)( 0 dt tdeTdtteTteKtu Dtlp??? ? （ ） 式中 PK是比例系數(shù)， lT為積分時(shí)間常數(shù)， dT是微分時(shí)間常數(shù)，將公式 )]([ 10 ?? ???? ? kkDkj jlkpkeeTTeTTeKu () 式中，k 為采樣序號， k=1,2... Tt?? 采樣周期，必須使 T 足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度。增量式 PID 算法與位置式算法相比，計(jì)算量小得多，因此在實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，比例、積分、微分的作用如下： 比例環(huán)節(jié)：作用快，無滯后．只要一有偏差，立即就能給出相應(yīng)的調(diào)節(jié)作用，它能及時(shí)克服擾動(dòng)，使被調(diào)參數(shù)穩(wěn)定在給定值附近。缺點(diǎn)是對具有自平衡性的控制對象有余差 (自平衡性是指系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值 )，擾動(dòng)出現(xiàn)后，比例調(diào)節(jié)的結(jié)果使被調(diào)量不能回到給定值，只能恢復(fù)到給定值附近。比例系 數(shù)過大會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；若取的過小，可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，穩(wěn)定裕度增大，但會(huì)降低系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，使過渡時(shí)間延長。適用于有自平衡性的系統(tǒng)。但它有滯后現(xiàn)象，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，超調(diào)量變大，并可能產(chǎn)生振蕩。 微分環(huán)節(jié)：改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。它能給出響應(yīng)過程提前制動(dòng)的減速信號。缺點(diǎn)是抗干擾能力差。 本章小結(jié) 本章對無刷直流電動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了全面的概述。 在位置檢測中，采用單片機(jī)的數(shù)字 I／ O 口連接無刷直流電動(dòng)機(jī)的霍爾位置傳感器；在電流檢測中，采用電阻法，電阻法是利用電流流過電阻會(huì)產(chǎn)生壓降，檢測電阻兩端電壓大小就可以知道流過電阻的電流大小；在速度檢測中，利用無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子霍爾位置傳感器可以檢測轉(zhuǎn)子磁極位置角，在通過利用定時(shí)器確定相鄰 2次霍爾狀態(tài)變化所需要的時(shí)間，就可以計(jì)算轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速。其中三相無刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組為星形接法，控制器單片機(jī)采用 C8051F330，驅(qū)動(dòng)電路采用取公司的專用集成芯片 IR2130，逆變器采用三相橋式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子位置采用霍爾元件檢測，并利用位置信號去計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)。以很少量的附加元件，瓜公司柵極驅(qū)動(dòng)集成電路以極其快速的通斷速度提供完整的驅(qū)動(dòng)能力，而且牢固可靠和低功耗。其典型輸入值是 3． 3 v 邏輯電平信號。對于 MOSFET 或 IGBT 半橋或三相逆變橋的高側(cè)驅(qū)動(dòng)，柵極驅(qū)動(dòng)集成電路提供附加的柵極電源，此電源是浮地的，在最大的總線電壓上浮動(dòng)。 IR2130是三相逆變橋 MOSFET 或 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)集成電路。它內(nèi)部設(shè)計(jì)有過流、過壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶可方便的用來保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的 MOS門功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運(yùn)用使其可用于高壓系統(tǒng)，它還可對同一橋臂上下2個(gè)功率器件的門極驅(qū)動(dòng)信導(dǎo)產(chǎn)生 29s 互鎖延時(shí)時(shí)間。 IR2130管腳如圖 圖 IR2130引腳分布 VBI～ VB3：是懸浮電源連接端，通過自舉電容為 3個(gè)上橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)器提供內(nèi)部懸浮電源。 HINI～ HIN LIN1～ LIN3：逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號輸入端，低電平有效。 CA、 CAO、 VSO：內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來完成電流信號檢測。 FAULT：過流、直通短路、過壓、欠匿保護(hù)輸出端，該端提供一個(gè)故障保護(hù)的指示信號。 VCC、 VSS：芯片供電電源連接端， VCC 接正電源，而 VSS 接電源地。除上述外，它內(nèi)部還集成有 3個(gè)輸入信號處理器 INPUT SIGNAL GENERATOR、 3個(gè)脈沖處理器和電平移位器 PULSE GENERATOR LEVEL SHIFTER， 3個(gè)上橋臂側(cè)功 率管驅(qū)動(dòng)信號鎖存器 LATCH， 3個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號與欠壓檢測器，UV DETECTOR 及 6個(gè)低輸出阻抗 MOS 功率管驅(qū)動(dòng)器 DRIVER 和 1個(gè)或門電路。而驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的信號 H1～ H3先經(jīng)集成于 IR2130內(nèi)部的 3個(gè)脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進(jìn)行電位變換， 變?yōu)?3路電位懸浮的驅(qū)動(dòng)脈沖，再經(jīng)對應(yīng)的 3路輸出鎖存器鎖存并經(jīng)嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)脈沖與否檢驗(yàn)之后，送到輸出驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功放后才加到被驅(qū)動(dòng)的功率管。同樣若發(fā)生 IR2130的工作電源欠壓，則欠壓檢測器迅速翻轉(zhuǎn)，也會(huì)進(jìn)行類似動(dòng)作。 當(dāng) IR2130驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的自舉電源工作電壓不足時(shí)，則該路的驅(qū)動(dòng)信號檢測器迅速動(dòng)作，封鎖該路的輸出，避免功率器件因驅(qū)動(dòng)信號不足而損壞。 (3)IR2130與 MOS 逆變器的連接 圖 IR2130與 MOS 逆變器的接線原理圖。 圖 IR2130和 COM 逆變器的接線原理圖 驅(qū)動(dòng)電路可分為下橋臂驅(qū)動(dòng)和上橋臂驅(qū)動(dòng)兩部分，兩部分驅(qū)動(dòng)電路都需要有充足的電源供應(yīng)才能完成驅(qū)動(dòng)工作。但是，上橋臂的三個(gè)管子源極分別與輸出及下橋臂管子的漏極相連，無法與下橋臂共用一個(gè)電源供電，需要單獨(dú)供電，為了盡量簡化系統(tǒng)內(nèi)部供電，因而采用自舉供電方式．如圖 5． 4中由二極管 DI、 D D3和電容 C C C3組成的電路。 圖 自舉電路工作原理 當(dāng)下橋臂開關(guān)管導(dǎo)通，電源通過二極管對電容器充電，在很短的時(shí)間內(nèi)，電容器兩端的電壓即可上升到與 VCC 相同的幅值 (忽略二極管的正向壓降 )，如圖 (a)所示。如此周而復(fù)始，只要電容器的容量滿足要求，則其上的電壓可看作是恒定的，可將其作為上橋臂驅(qū)動(dòng)電路的電源。鑒于所研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)容量較小，主 開關(guān)器件采用功率 MOS 場效應(yīng)管 MOSFET。本文采用的是 IR 公司的 IRF3710S。 電源電路的設(shè)計(jì) 由于本系統(tǒng)的電壓等級電機(jī)的供電電壓為 24v，所以整個(gè)系統(tǒng)的外加電源為 24v，故所需要的電壓等級有 3個(gè) (1)15V：驅(qū)動(dòng)功率管 MOSFET。 (3)：單片機(jī)所需要的供電電壓。 系統(tǒng)總體硬件示意圖 按照上面的步驟，設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體硬件圖，如圖 5． 6所示。 本系統(tǒng)控制框圖由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊、電流調(diào)節(jié)器模塊、逆變器端電壓模塊和電機(jī)本體模塊四部分組成，如圖 6． 1 所示。 圖 轉(zhuǎn)速模塊 仿真結(jié)果圖如圖 所示 圖 仿真圖 由圖可與看出，其控制使原控制系統(tǒng)更好，超調(diào)量更大，震動(dòng)次數(shù)也多。采用該仿真模型可以靈活地實(shí)現(xiàn)各種控制算法，能有效地節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，加快實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的進(jìn)程，因此它為分析和設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)提供了一個(gè)理想試驗(yàn)平臺。程序的調(diào)試是在 uV2 集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行的。三相無刷直流電動(dòng)機(jī)兩相導(dǎo)通模式的軟件設(shè)計(jì)思想是根據(jù)外部模擬量輸入轉(zhuǎn)速指令給定值以及轉(zhuǎn)向要求確定轉(zhuǎn)速指令0n，在利用轉(zhuǎn)予位置傳感器霍爾元件檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號變化計(jì)算轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速n，并得到轉(zhuǎn)速誤差信號nne ?? 0；然后利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器計(jì)算無刷直流電動(dòng)機(jī)母線電流參考指令*dcI；同時(shí)采樣直流母線電流值 dcI；接著計(jì)算電流誤差信號dcdc III ??? *，利用電流調(diào)節(jié)確定功率開關(guān)器件的占空比；最后根據(jù)霍爾元件信號以及直流母線指令電 流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的正負(fù)確 定無刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組控制邏輯，輸出相應(yīng)的 PWM 波形，使得轉(zhuǎn)予按照控制的要求進(jìn)行。 圖 無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制框圖 從系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)規(guī)劃考慮，無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分為以下兩步： 第一步，完成開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)，讓電機(jī)在霍爾位置傳感器信號反饋下實(shí)現(xiàn)簡單的控制，可以正反轉(zhuǎn)，可以通過 PC 機(jī)觀測到實(shí)時(shí)的速度變化，可以通過示波器觀測電流、電壓波形。 第二步，完成速度、電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。 系統(tǒng)程序主要由主程序模塊和中斷程序模塊構(gòu)成：主