【正文】 六狀態(tài)無刷直流電動機(jī) ,三個霍爾集成電路在空間彼此相隔 120 度電角度 ,傳感器永磁體的極弧寬度為 180 度電角度 ,這樣 ,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時 ,三個霍爾集成電路便交替輸出三個寬為 180 度電角度 ,相位互差 120 度電角度的矩形波信號 。 兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機(jī)的霍爾位置傳感器HA,HB,HC 分別位于三相繞組各自的中心線上 ,傳感器磁體可以是主磁極磁體數(shù)的一半 ,其極性均為 S 極或 N極 ,并與同極性的主磁極在空間處于對等位置 。 圖 313 給出了三個位置傳感器的輸出信號與三相電樞繞組反電 33 動勢之 間的相位關(guān)系 。 可見 ,在一個電周期內(nèi) ,三路位置信號共有六種不同組合 ,分別對應(yīng)電機(jī)的六種工作狀態(tài) 。 圖 313 位置信號和反電動勢相位的關(guān)系 3,光電式位置傳感器 它是由裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的遮光盤和固定不動的光電開關(guān)組成的 ,其原理如圖 314(a)所示 。 遮光盤上開有 180 度電角度的扇形開口 ,扇型開 34 口的數(shù)目等于無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù) ,4 極電機(jī)所用遮光盤如圖 314(b)所示 。光點開關(guān)通常采用發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一起的光斷續(xù)器 。 （ a）光電傳感器電路原理圖 （ b） 4 極電機(jī) 所用的遮光板 圖 314 光電傳感器 對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機(jī) ,三個光點開關(guān)在空間依次相差 120 度電角度 ,光電開關(guān)與電樞繞組的相對位置以及遮光盤與轉(zhuǎn)子磁極的相對位置類似于霍爾位置傳感器 。 當(dāng)遮光盤上的扇形開口對著某個光敏接受元件時 ,該光敏元件因接受到對面的發(fā)光二極管發(fā)出的光而產(chǎn)生電流輸出 。而其他光敏接受元件由于被遮住光而接受不到光信號 ,所以沒有輸出 。 這樣 ,隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動 ,遮光板使光敏元件輪流輸出“亮電流”和“暗電流”信號 ,以此來判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置 。 常用的無位置傳感器位置檢測方法 1,反電動 勢檢測法 對于最常見的兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)工作方式 ,除了換相的瞬 35 間之外 ,在任意時刻 ,電機(jī)總有一相繞組處于斷電狀態(tài) 。 當(dāng)斷電相繞組的反電動勢過零點之后 ,再經(jīng)過 30度電角度 ,就是該相的換相點 。 因此 ,只要檢測到各相繞組反電動勢的過零點 ,就可確定電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和下次換流的時間 。 由于反電動勢很難直接測取 ,通常通過檢測斷電壓間接獲得反電動勢過零點 。 故這種方法又稱為端電壓檢測法 。 反電動勢法的缺陷是當(dāng)電機(jī)在靜止或低速運行時 ,反電動勢為 0或太小 ,因而無法利用 。 一般采用專門的起動電路 ,使電機(jī)以他控變頻方式起動 ,當(dāng)電機(jī)具有一 定的初速度和電動勢后 ,再切換到自控變頻狀態(tài) 。 這個過程稱為三段式起動 ,包括轉(zhuǎn)子定位 ,加速和運行狀態(tài)切換三個狀態(tài) 。 2,續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法 通過對逆變器開關(guān)管加以特殊時序的斬波控制信號 ,使電機(jī)繞組的續(xù)流電流沿著特定的回路流通 。 當(dāng)斷開相繞組的反電動勢過零時 ,與斷開相開關(guān)管并聯(lián)的續(xù)流二極管中將流過續(xù)流電流 ,通過對該續(xù)流二極管導(dǎo)通與否的檢測就可以確定出繞組反電動勢的過零點 ,從而得到電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號 。 3,三次諧波檢測法 對于無刷直流電動機(jī) ,繞組反電動勢為梯形波 。 經(jīng)過 Fourier 級數(shù)分解 ,可以發(fā)現(xiàn)除了基波分量 以外 ,還含有較大的三次諧波分量 。 三次諧波分量的一個周期對應(yīng)基波分量的 120 度電角度 ,其相鄰兩次過零點間隔 60 度電角度 ,正好與電機(jī)相鄰兩次換相的時間間隔相同 ,只是相位相差 90 度電角度 ,因此 ,將反電動勢的三次諧波分量移相 90 度電角度 36 以后 ,得到的信號就可以作為轉(zhuǎn)子位置信號 ,其每一個過零點均對應(yīng)著一個電流的換相點 。 反電動勢三次諧波的檢測有兩種方法 :一是星形連接的繞組三端并聯(lián)一組星形連接的電阻 ,兩個中性點之間的電壓即為三次諧波 。 當(dāng)電機(jī)的中性點沒有引出線或不便引出時 ,可采用另一種方法 通過星形連接電阻的 中性點與直流側(cè)中點之間電壓來獲取三次諧波分量 ,不過它需要濾波器來消除高頻分量 。 由于采用了濾波器 ,會產(chǎn)生一定的移相 。 4,瞬時電壓方程法 利用電機(jī)各相瞬時電壓和電流方程 ,實時計算電機(jī)由靜止到正常運轉(zhuǎn)任一時刻轉(zhuǎn)子的位置 ,控制電機(jī)的運行 。 該方法不需專門的起動線路 ,電路簡單 ,起動轉(zhuǎn)矩大 。 但對電機(jī)本體的數(shù)學(xué)模型依賴性大 ,當(dāng)電機(jī)參數(shù)因溫度變化發(fā)生漂移時 ,容易造成建模誤差 ,使控制精確性受到影響 。另外 ,由于在線計算復(fù)雜 ,計算量很大 。 在考慮到轉(zhuǎn)子位置檢測的實時性 ,必須采用具有快速運算能力的 DSP 和高速 A/D 轉(zhuǎn)換器 。 這種方法還 適用于正旋波無刷直流電動機(jī) 。 37 第四章 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 XC866 英飛凌 8 位單片機(jī)功能了解功能介紹 XC866 是高性能 8 位微控制器 XC800 的系列產(chǎn)品，基于和標(biāo)準(zhǔn)8051 處理器兼容的 XC800 核。 XC866 高度集成片內(nèi)器件，例如片內(nèi)振蕩器或嵌入式電壓調(diào)節(jié)器（從而可由 或 的單電源供電） ，因此具備了許多增強(qiáng)功能以滿足新型應(yīng)用。此外，嵌入式閃存（ Flash）器件為系統(tǒng)開發(fā)和批量生產(chǎn)提供了很大的靈活性；兼容ROM器件為大批量生產(chǎn)提供了節(jié)省成本的空 間。 (一 )特性總結(jié) XC866 的主要特性歸納如下： ? 高性能 XC800 內(nèi)核 – 和標(biāo)準(zhǔn) 8051 處理器兼容 – 2 個時鐘的機(jī)器周期結(jié)構(gòu)（快速無等待內(nèi)存訪問） – 雙數(shù)據(jù)指針 ? 片內(nèi)存儲器 – 8 K 字節(jié) Boot ROM – 256 字節(jié) RAM – 512 字節(jié) XRAM – 8/16K 字節(jié) Flash；或 8/16K 字節(jié) ROM，外加 4K 字節(jié) Flash ? 輸入 /輸出口（ I/O 口）需 或 供電；內(nèi)核需 供電（由嵌入式電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生） 38 ? 上電復(fù)位 ? 內(nèi)核壓降檢測 ? 片內(nèi)振蕩器（ OSC）和鎖相環(huán)（ PLL）產(chǎn)生時鐘 – PLL 失鎖檢測 ? 省電模式 – 減速模式 – 空閑模式 – 通過 RXD 或 EXINT0 將系統(tǒng)從掉電模式中喚醒 – 每種外設(shè)均由時鐘門控制 ? 可編程 16 位看門狗定時器（ WDT） ? 四個端口 – 19 個數(shù)字 I/O 引腳 – 8 個數(shù)字 /模擬輸入引腳 ? 8 通道， 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換單元（ ADC） ? 三個 16 位定時器 – 定時器 0 和定時器 1（ T0 和 T1） – 定時器 2 ? 產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號（ PWM）的捕獲 /比較單元（ CCU6） ? 全雙工串 行接口（ UART） ? 同步串行接口（ SSC） ? 片上調(diào)試支持 – 1K 字節(jié)監(jiān)控器 ROM（ 8K 字 節(jié) Boot ROM的一部分） – 64 字節(jié)監(jiān)控器 RAM 39 ? PGTSSOP38 引腳封裝 ? 溫度范圍 TA： – SAF （ 40 至 85_ C） – SAK （ 40 至 125_ C） XC866 的方框圖如圖 12 所示。 基于 PGTSSOP38 封裝的 XC866 引腳配置如所圖 13 示 。 40 （二）引腳定義及功能 復(fù)位后所有引腳被配置為具有下列特性之一的輸入引腳： ? 上拉器件使能（ PU） ? 下拉器件使能（ PD） ? 上拉 /下拉器件均被禁止的高阻態(tài)（ HiZ） 表 12 給出 XC866 的引腳功能及缺省狀態(tài)。 符號 引腳編號 類型 復(fù)位狀態(tài) 功能 P0 I/O P0 口是 6 位通用 I/O 雙向口。還可用作 JTAG， CCU6， 12 I/O 高阻 41 14 I/O 高阻 UART 和 SSC 片內(nèi)外設(shè)的I/O 口。 13 I/O 上拉 2 I/O 高阻 3 I/O 高阻 4 I/O 高阻 P1 I/O P1 口是 5 位通用 I/O 雙向口。還可用作 JTAG， CCU6，UART 和 SSC 片內(nèi)外設(shè)的I/O 口。 27 I/O 上拉 28 I/O 上拉 29 I/O 上拉 9 I/O 上拉 10 I/O 上拉 P2 輸入 P2 口是 8 位通用單向輸入口。還可用作 JTAG 和 CCU6 的數(shù)字輸入；也可用作 ADC 的模擬輸入。 15 輸入 高阻 16 輸入 高阻 17 輸入 高阻 20 輸入 高阻 21 輸入 高阻 22 輸入 高阻 23 輸入 高阻 26 輸入 高阻 P3 I/O P3 口是 8 位通用 I/O 雙向口。還可用作 CCU6 32 I/O 高阻 42 33 I/O 高阻 的 I/O 口。 34 I/O 高阻 35 I/O 高阻 36 I/O 高阻 37 I/O 高阻 30 I/O 下拉 31 I/O 高阻 VDDP 18 I/O 口電源（ ） VSSP 19 I/O 口接地 VDDC 8 I/O 口接地 VSSC 7 內(nèi)核電源輸出（ ） VAREF 25 ADC 參考電壓 VAGND 24 ADC 參考接地 XTAL1 6 輸入 高阻 片外 OSC 輸入（片內(nèi) OSC 的備份單元，通常不連接） XTAL2 5 輸出 高阻 片外 OSC 輸出（片內(nèi) OSC 的備份單元，通常不連接） TMS 11 輸入 下拉 測試模式選擇 RESET 38 輸入 上 拉 復(fù)位輸入 MBC 1 輸入 上拉 監(jiān)控器 amp。 引導(dǎo)程序加載器控制 43 IR2130 三相 MOSFET 驅(qū)動電路模塊功能介紹 1．主要功能介紹 1)IR2130可直接驅(qū)動 600V高壓系統(tǒng) 2)驅(qū)動信號 10V~20V 3)開通和關(guān)斷時間 T+on／ off 675ns／ 425ns 4) 自動產(chǎn)生驅(qū)動所需死能指示欠壓和過電區(qū)時間 2． 5us 5)具有電流放大和過流保護(hù)功能 6)具有欠壓鎖定功能并能指示欠壓和過流故障狀態(tài)，輸入端具有噪聲抑制功能。 IR2130 可用來驅(qū)動工作在母電壓不高于 600V 的電路中的功率MOS 門器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動電流為 250mA，而反向峰值驅(qū)動電流為 500mA。它內(nèi)部設(shè)計有過流、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)動的 MOS 門功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運用使其可用于高壓系統(tǒng)，它還可對同一橋臂上下 2 個功率器件的門極驅(qū)動信導(dǎo)產(chǎn)生 2gs 互鎖延時時間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬 (3～ 2OV)，在它的內(nèi)部還設(shè)計有與被驅(qū)動的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計還保證了內(nèi)部的 3 個通道的高壓側(cè)驅(qū)動器和低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨使用，亦可只用其內(nèi)部的 3 個低 壓側(cè)驅(qū)動器，并且輸入信號與 TTI 及 COMS電平兼容。 IR2130 管腳如圖 41 所示。 44 圖 41 IR2130 引腳分布 VB1～ VB3：是懸浮電源連接端，通過自舉電容為 3個上橋臂功率管的驅(qū)動器提供內(nèi)部懸浮電源， VSI～ VS3是其對應(yīng)的懸浮電源地端。 HIN1～ HIN LIN1～ I IN3：逆變器上橋臂和下橋臂功率營的驅(qū)動信號輸入端，低電平有效。 ITRIP：過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護(hù) CA一、 CA0、 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 HO1～ HO LO1～ L03：逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動器信號輸出端。 FAUI T：過流、直通短路、過壓、欠壓保護(hù)輸出端，該端提供一個故障保護(hù)的指示信號 它在芯片內(nèi)部是漏極開路輸出端，低電平有效。 VCC 、 VSS ：芯片供電電源連接端， VCC 接正電源，而 VSS 接地。 2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳功能 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 42所示 45 圖 42 IR2130 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 VCC為輸入電源 H1N1,H1N2,H1N3,L1N1,L1N2,L1N3為邏輯控制信號輸入端，其輸入輸出控制邏輯如下 H1N1,2,3 L1N1,2,3 H01,2,3 L01,2,3 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 輸入與 TTL CMOS電路相容 ViH ViL ． 500ns的輸入濾波延遲，防止噪聲 誤觸發(fā)．其內(nèi)部的輸入信號發(fā)生器，提供一個死區(qū)電壓以避免重疊 (即當(dāng) LINl,2,3 和 HINl1,2,3在相同的通道里幾乎同時發(fā)生 )FAULT為過 46 流或低端欠壓故障輸出．負(fù)邏輯 .ITRIP：為過流檢測輸入．它將過信號輸入到電流比較器與 0． 5V的參考電壓比較 然后將“ ORRED”信號和欠壓信號被送到信號發(fā)生器．關(guān)閉信號發(fā)生器