無刷直流電動機控制系統(tǒng)設計

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無刷直流電動機控制系統(tǒng)設計方案摘 要無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展起來的?，F(xiàn)階段，雖然各種交流電動機和直流電動機在傳動應用中占主導地位，但無刷直流電動機正受到普遍的關注。自20世紀90年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產、辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機器人等設備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機必須具有精度高、速度快、效率高等特點，無刷直流電機的應用也因此而迅速增長。本設計是把無刷直流電動機作為電動自行車控制系統(tǒng)的驅動電機，以PIC16F72單片機為控制電路，單片機采集比較電平及電機霍爾反饋信號，通過軟件編程控制無刷直流電動機。關鍵詞 無刷直流電動機 單片機 霍爾位置傳感器IAbstractBrushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of. At this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under common concern.Since the 1990s, as people's living standards improve and modernize production, the development of office automation, household appliances, industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency, small size and high intelligence, as the implementation of components An important component of the motor must have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application is also growing rapidly.This design is the brushless DC motor as the electric bicycle motor-driven control system, PIC16F72 microcontroller for control circuit, SCM collection and comparison-level electrical signal Hall feedback, software programming through brushless DC motor control .Key words bldcm the single chip processor hall position sensorII摘 要 IAbstract .II第 1 章 概 述 .11.1 無刷直流電動機的發(fā)展概況 .11.2 無刷直流永磁電動機與有刷直流永磁電動機的比較 .21.3 無刷直流電動機的結構及基本工作原理 .31.4 無刷直流電動機的運行特性 .61.4.1 機械特性 .61.4.2 調節(jié)特性 .61.4.3 工作特性 .71.5 無刷直流電動機的應用與研究動向 .8第 2 章 無刷直流電動機控制系統(tǒng)設計方案 102.1 無刷直流電動機系統(tǒng)的組成 102.2 無刷直流電動機控制系統(tǒng)設計方案 122.2.1 設計方案比較 122.2.2 無刷直流電動機控制系統(tǒng)組成框圖 13第 3 章 無刷直流電動機硬件設計 153.1 逆變主電路設計 153.1.1 功率開關主電路圖 .153.1.2 逆變開關元件選擇和計算 .153.2 逆變開關管驅動電路設計 173.2.1 IR2110 功能介紹 .173.2.2 自舉電路原理 .193.3 單片機的選擇 203.3.1 PIC 單片機特點 203.3.2 PIC16F72 單片機管腳排列及功能定義 .223.3.3 PIC16F72 單片機的功能特性 .223.3.4 PWM 信號在 PIC 單片機中的處理 233.3.5 時鐘電路 .233.3.6 復位電路 .243.4 人機接口電路 243.4.1 轉把和剎車 .243.4.2 顯示電路 .253.5 門陣列可編程器件 GAL16V8 273.5.1 GAL16V8 圖及引腳功能 27III3.6 傳感器選擇 283.7 周邊保護電路 303.7.1 電流采樣及過電流保護 .303.7.2 LM358 雙運放大電路 313.7.3 欠電壓保護 .323.8 電源電路 32第 4 章 無刷直流電動機軟件設計 .334.1 直流無刷電機控制器程序的設計概況 334.2 系統(tǒng)各部分功能在軟件中的實現(xiàn) 334.3 軟件流程圖 34結束語 .36致謝 .37參考文獻 .38附錄 139附錄 2510第 1 章 概 述1.1 無刷直流電動機的發(fā)展概況無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展起來的，這一淵源關系從其名稱中就可以看出來。有刷直流電動機從19世紀40年代出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉矩控制特性，在相當長的一段時間內一直在運動控制領域占據(jù)主導地位。但是，有機械接觸電刷-換向器一直是電流電機的一個致命弱點，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場合中的使用。為了取代有刷直流電動機的機械換向裝置，人們進行了長期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流電動機的機械電刷，從而誕生了無刷直流電機的基本思想。1955年美國的D.Harrison等首次申請了用晶體管換相線路代替有刷直流電動機的機械電刷的專利，標志著現(xiàn)代無刷直流電動機的誕生。無刷直流電動機的發(fā)展在很大程度上取決于電力電子技術的進步，在無刷直流電動機發(fā)展的早期，由于當時大功率開關器件僅處于初級發(fā)展階段，可靠性差，價格昂貴，加上永磁材料和驅動控制技術水平的制約，使得無刷直流電動機自發(fā)明以后的一個相當長的時間內，性能都不理想，只能停留在實驗室階段，無法推廣使用，1970年以后，隨著電力半導體工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的全控型半導體功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相繼問世，加之高磁能積永磁材料（如SmCo、NsFeB）陸續(xù)出現(xiàn)，這些均為無刷直流電動機廣泛應用奠定了堅實的基礎，無刷直流電動機系統(tǒng)因而得到了迅速的發(fā)展。在1978年漢諾威貿易博覽會上，前聯(lián)邦德國的MANNESMANN公司正式推出了 MAC無刷直流電動機及其驅動器，引起了世界各國的關注，隨即在國際上掀起了研制和生產無刷直流系統(tǒng)的熱潮，這業(yè)標志著無刷直流電動機走向實用階段。隨著人們對無刷直流電動機特性了解的日益深入，無刷直流電動機的理論也逐漸得到了完善。1986年，H.R.Bolton對無刷直流電動機作了全面系統(tǒng)的總結，指出了無刷直流電動機的研究領域，成為無刷直流電動機的經(jīng)典文獻，標志著無刷直流電動機在理論上走向成熟。我國對無刷直流電動機的研究起步較晚。1987年，在北京舉辦的聯(lián)邦德國金屬加工設備展覽會上，SIEMENS和BOSCH兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅動器，引起了國內有關學者的廣泛注意，自此國內掀起了研制開發(fā)和技術引進的熱潮。經(jīng)過多年的努力，目前，國內已有無刷直流電動機的系列 產品，形成了一定的生產規(guī)模。11.2 無刷直流永磁電動機與有刷直流永磁電動機的比較表 1-1 無刷直流永磁電動機與有刷直流永磁電動機的比較項目 無刷直流電動機 有刷直流電動機換向 借助轉自子位置傳感器實現(xiàn)電子換向由電刷和換向器進行機械換向維護 由于沒有電刷和換向器，很少需要維護需要周期性維護壽命 比較長 比較短機械（速度/力矩）特性平（硬）在負載條件下能在所有速度上運行中等平（中等硬）。在較高速度上運行時，電刷摩擦增加，有用力矩減小效率 由于沒有電刷壓降，所以效率高中等輸出功率/外形尺寸之比高由于電樞繞組設置在與機殼相連的定子上，容易散熱。這種優(yōu)異的熱傳導特性允許減小電動機的尺寸，所以輸出功率/外形尺寸之比高中等/低。電樞產生的熱量消散在氣隙內，這樣增加了氣隙溫度，從而限制了輸出功率/外形尺寸之比轉自慣量 低。因為永磁體設置在轉子上，改善了動態(tài)響應轉自慣量高，限制了動態(tài)特性速度范圍 比較高。沒有電刷/換向器給予的機械限制比較低，存在電刷給予的機械限制電氣噪聲 低 電刷的電弧將對附近的設備產生電磁干擾制造價格 比較高 低控制 復雜和價格貴 簡單和價格不貴控制要求 為了使電動機運轉必須要有控制器，但同樣的控制器可用于變速控制對于一個固定的速度而言，不需要控制器；有變速要求的時候才需要控制器21.3 無刷直流電動機的結構及基本工作原理1．無刷直流電動機轉矩分析電機本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機轉子同軸，控制電路對位置信號進行邏輯變換后產生控制信號，控制動信號經(jīng)驅動電路隔 離放大后控制逆變器的功率開關管，使電機的各相繞組按一定的順序工作。圖1-1 無刷直流電動機工作原理示意圖如圖1-1所示，當轉子旋轉（順時針）到圖a所示的位置時，轉子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅動逆變器，使T1、T6 導通，即A、B兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再從B相繞組流出，經(jīng)T6回到電源的負極，此時定轉子磁場相互作用，使電機的轉子順時針轉動。當轉子在空間轉過60電角度，到達圖b所示位置時，轉子位置傳感器輸出3的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅動逆變器，使T1、T2導通，A、C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負極。此時定轉子磁場相互作用，使電機的轉子繼續(xù)順時針轉動。轉子在空間每轉過60電角度，逆變器開關就發(fā)生一次切換，功率開關管的導通邏輯為T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。在次期間，轉子始終受到順時針方向的電磁轉矩作用，沿順時針方向連續(xù)旋轉。轉子在空間每轉過60電角度，定子繞組就進行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。可見，電機有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導通，每相繞組的導通時間對應于轉子旋轉120電角度。無刷直流電動機的這種工作方式叫兩相導通星型三相六狀態(tài)，這是無刷直流電動機最常用的一種工作方式。2．無刷直流電動機與輸出開關管換流信號無刷直流電動機的位置一般采用三個在空間上相隔120電角度的霍爾位置傳感器進行檢測，當位于霍爾傳感器位置處的磁場極性發(fā)生變化時，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個霍爾傳感器位檢測元件的位置在空間上各差120電角度，因此從這三個檢測元件輸出端可以獲得三個在時間上互差120度、寬度為180度的電平信號，分別用A、B、C來表示，如圖1-2所示，以信號A為例，A相位置寬度為180電導角：在0-60度，T1必須導通，故T1狀態(tài)為1，而C相還剩下60度通電寬度，所以此段時間為T1和T6等于1，（此時下部可供導通的管子為T4、 T6和T2，而為避免橋臂直通，T4不能導通；T2的導通時間未到，故只能是T6導通）；而在60度—120度，此時只有A相通電，B和C相處于非導電期，故導通的開關管為T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是為B相導電作準備；而在120度—180度時，由于 每一相只有120電導角導電時間，故此時T1關斷（T1=0），T2仍然導通（B相開始進入導電期），此時可知，T1關斷，T5不能開通（防止橋臂直通），則此時只能開通T3，所以T3信號此時間段為1。其他時間段的開關管導通情況與此類似。理論上，只要保證三個位置傳感器在空間上互差120度，開關管的換流時刻總是可以推算出來的。然而，為了簡化控制電路，每個霍爾傳感器的起始安裝位置在各自相繞組的基準點（r 0=00）上.那么在r 0=00的控制條件下，A相繞組開始通電的時刻（即該相反電勢相位30度位置）恰好與A相位置傳感器輸出信號A的電平跳變時刻重合，此時應將T1開關管驅動導通。同理，其他開關管的導通時刻也可以按同樣方法確定。本設計選用的是三相無刷永磁直流電動機，其額定電壓U H=36V,電樞額定電流I aH=8.5A,電樞峰值電流I aP 15A,額定轉速n H=350r/min,額定功率?PH=250W。4圖1-2 無刷電動機位置檢測及開關管驅動信號表 1-2 無刷電動機直流通電控制方式開關切換表位置傳感器 逆變橋開關管驅動信號旋轉方向 A B C T1 T2 T3 T4 T5 T60 0 1 0 0 0 0 1 10 1 0 0 0 1 1 0 00 1 1 0 0 0 1 1 01 0 0 1 1 0 0 0 01 0 1 1 0 0 0 0 1正轉1 1 0 0 1 1 0 0 00 0 1 0 1 1 0 0 00 1 0 1 0 0 0 0 10 1 1 1 1 0 0 0 01 0 0 0 0 0 1 1 01 0 1 0 0 1 1 0 0反轉1 1 0 0 0 0 0 1 151.4 無刷直流電動機的運行特性1.4.1 機械特性無刷直流電動機的機械特性為：（1-1）222STasTeeeetUrIUrnCC?????????UT-開關器件的管壓降Ia-電樞電流Ce-電機的電動勢常數(shù)-每級磁通量可見無刷直流電動機的機械特性與一般直流電動機的機械特性表達式相同，機械特性較硬。在不同的供電電壓驅動下，可以得到如1-3圖所示機械特性曲線簇。圖1-3 機械特性曲線簇當轉矩較大、轉速較低時，流過開關管和電樞繞組的電流很大，這時，管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示的機械特性曲線會偏離直線，向下彎曲。1.4.2 調節(jié)特性無刷直流電動機的調節(jié)特性如圖1-4所示。6圖1-4 調節(jié)特性調節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為：（1-2）02eTTrUC????（1-3）1eK從機械特性和調節(jié)特性可以看出，無刷直流電動機與一般直流電動機一樣，具有良好的調速控制性能，可以通過調節(jié)電源電壓實現(xiàn)無級調速。但不能通過調節(jié)勵磁調速，因為永磁體的勵磁磁場不可調。1.4.3 工作特性電樞電流與輸出轉矩的關系、效率輸出轉矩的關系如圖1-5所示。圖1-5 工作特性在輸出額定轉矩時,電機效率高、損耗低是無刷直流電動機的重要特點之一。71.5 無刷直流電動機的應用與研究動向現(xiàn)階段，雖然各種交流電動機和直流電動機在傳動應用中占主導地位，但無刷直流電動機正受到普遍的關注。自20世紀90年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產、辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機器人等設備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機必須具有精度高、速度快、效率高等特點，無刷直流電機的應用也因此而迅速增長。尤其在節(jié)能已成為時代主題的今天，無刷直流電機高效率的特點更顯示了其巨大的應用價值。無刷直流電機轉子采用永久磁鐵，其產生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用于恒轉矩運行；對于恒功率運行，無刷直流電機雖然不能直接改變磁通實現(xiàn)弱磁控制，但通過控制方法的改進也可以獲得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矯頑力高、剩磁大，可產生很大的氣隙磁通，這樣可以大大縮小轉子半徑，減小轉子的轉動慣量，因而在要求有良好的靜態(tài)特性和高動態(tài)響應的伺服驅動系統(tǒng)中，如數(shù)控機床、機器人等應用中，無刷直流電機比交流伺服電機和直流伺服電機顯示了更多的優(yōu)越性。目前無刷直流電機的應用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領域，并日趨廣泛，特別是在家用電器、電動汽車、航空航天等領域已得到大量應用。目前，無刷直流電機的研究主要集中在以下方面：（1）無機械式轉子位置傳感器控制。轉子位置傳感器是整個驅動系統(tǒng)中最為脆弱的部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時還需要占據(jù)一定的空間位置。在很多應用場合，例如空調器和計算機外設都要求無刷直流電動機以無轉子位置傳感器方式運行。無轉子位置傳感器運行實際上就是要求在不采用機械傳感器的條件下，利用電機的電壓和電流信息獲得轉子磁極的位置.目前比較成熟的無轉子位置傳感器運行方式有：1 反電動勢法——包括直接反電動勢法、間接反電動勢法以及派生出來的反電動勢積分法等。2 定子三次諧波檢測法。3 續(xù)流二極管電流通路檢測法。但現(xiàn)有方法都存在各自的局限性，仍在不斷完善之中。（1）轉矩脈動控制。存在轉矩脈動是無刷直流電動機的固有缺點，特別是隨著轉速升高，換相導致轉矩脈動加劇，并使平均轉矩顯著下降。減小轉矩脈動是提高無刷直流電動機性能的重要方面。8（2）智能控制。隨著信息技術和控制理論的發(fā)展，在運動控制領域中，一個新的發(fā)展方向就是先進控制理論，尤其是智能控制理論的應用。目前，專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制是三個最主要的理論和方法。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟經(jīng)驗和規(guī)則有機地融入到傳動控制策略當中，現(xiàn)已成功地應用到許多方面。隨著無刷直流電動機應用范圍的擴大，智能控制技術將受到更廣泛的重視。9第 2 章 無刷直流電動機控制系統(tǒng)設計方案2.1 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品,它是由電動機本體、位置檢測器、逆變器和控制器組成的自同步電動機系統(tǒng)或自控式變頻同步電動機.位置檢測器檢測轉子磁極的位置信號,控制器對轉子位置信號進行邏輯處理并產生相應的開關信號,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,使電動機產生持續(xù)不斷的轉矩.現(xiàn)對無刷直流電動機各部分的基本結構說明如下。1．電機本體無刷直流電動機最初的設計思想來自普通的有刷直流電動機，不同的是將直流電動機的定子、轉子位置進行了互換，其轉子為永磁結構，產生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對稱繞組。原直流電動機的電刷和機械換向器被逆變器和轉子位置檢測器所代替。所以無刷直流電動機的電機本體實際上是一種永磁同步電機。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。定子的結構與普通同步電動機或感應電動機相同，鐵心中嵌有多相對稱繞組。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。2．逆變器目前，無刷直流電動機的逆變器主開關一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主電路已有集成的功率模塊（PIC）和智能功率模塊（IPM），選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。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。不同的組合使電動機產生不同的性能和成本。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。與普通直流電動機不同，無刷直流電動機的繞組是斷續(xù)通電的。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。從這個角度來看，三相繞組優(yōu)于四相和五相繞組。（2）轉矩脈動。無刷直流電動機的輸出轉矩脈動比普通直流電動機的轉矩脈動大。一般相數(shù)越多，轉矩的脈動越?。徊捎脴蚴街麟娐繁炔捎梅菢蚴街麟娐返霓D矩脈動小。10（3）電路成本。相數(shù)越多，逆變器電路使用的開關管越多，成本越高。橋式主電路所用的開關管比半橋式多一倍，成本要高；多相電動機的逆變器結構復雜，成本也高。因此，目前以星形連接三相橋式主電路應用最多。3．位置檢測器位置檢測器的作用是檢測轉子磁極相對與定子繞組的位置信號，為逆變器提供正確的換相信息。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。轉子位置傳感器也由定子和轉子兩部分組成，其轉子與電機本體同軸，以跟蹤電機本體轉子磁極的位置；其定子固定在電機本體定子或端蓋上，以檢測和輸出轉子位置信號。轉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、正余弦旋轉變壓器式以及編碼器等。在無刷直流電動機系統(tǒng)中安裝機械式位置傳感器解決了電機轉子位置的檢測問題。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。因此，國內外對無刷直流電動機的無位置運行方式給予高度重視。無機械式位置傳感器轉子位置檢測是通過檢測和計算與轉子位置有關的物理量間接地獲得轉子位置信息，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。4．控制器控制器是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：（1）對轉子位置檢測器輸出的信號、PWM調制信號、正反轉和停車信號進行邏輯綜合，為驅動電路提供各開關管的斬波信號和選通信號，實現(xiàn)電機的正反轉及停車控制。（2）產生PWM調制信號，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)調速。（3）對電動機進行速度閉環(huán)調節(jié)和電流閉環(huán)調節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能。（4）實現(xiàn)短路、過流、過電壓和欠電壓等故障保護電路。112.2 無刷直流電動機控制系統(tǒng)設計方案2.2.1 設計方案比較無刷直流電動機兼有直流電動機調整和起動性能好以及異步電動機結構簡單無需維護的優(yōu)點，因而在高可靠性的電機調速領域中獲得了廣泛應用。在電機轉速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調速系統(tǒng)已取代模擬調速系統(tǒng)。目前，數(shù)字調速系統(tǒng)主要采用兩種控制方案:一種采用專用集成電路。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。另一種是以微處理器為控制核心構成硬件系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應用范圍廣，且靈活方便。電機控制器是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能:對各種輸入信號進行邏輯綜合，為驅動電路提供各種控制信號;產生PWM脈寬調制信號，實現(xiàn)電機的調速;實現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護功能?？刂破魇请妱幼孕熊嚨尿寗酉到y(tǒng)，它是電動自行車的大腦。其主要作用是在保證電動自行車正常工作的前提下，提高電機和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護電機及蓄電池，以及降低電動自行車在受到破壞時的損傷程度。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，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，從而決定電機的轉向和轉速。該控制系統(tǒng)的缺點是智能性差，保護措施有限，系統(tǒng)升級空間小。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。近幾年，國外一些大公司紛紛推出較MCU性能更加優(yōu)越的DSP(數(shù)字信號處理器)芯片電機控制器，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為基礎的內核，配以電機控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內，使體積縮小，結構緊湊，使用便捷，可靠性提高。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。無刷電機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。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。當前，國內外對無刷直流電機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12檢測法、脈沖檢測法神經(jīng)網(wǎng)絡控制法等。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)生產當中。2.2.2 無刷直流電動機控制系統(tǒng)組成框圖基于2.2.1節(jié)的考慮,可繪出無刷直流電動機控制系統(tǒng)框圖,如圖2-1所示:圖2-1 電動機驅動控制框圖（1）微控制器主要功能是根據(jù)電動機旋轉方向的要求和來自霍爾轉子位置傳感器的三個輸出信號，將它們處理成功率驅動單元的六個功率開關器件所要求的驅動順序。微控制器的另一個重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉速等反饋模擬信號，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，借助內置的時鐘信號產生一個帶有上述各種信息的脈寬調制信號。（2）功率驅動單元主要包括功率開關器件組成的三相全橋逆變電路和自舉電路。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動集成電路。13（3）位置傳感器位置傳感器在無刷直流電動機中起著測定轉子磁極位置的作用，為邏輯開關電路提供正確的換相信息。（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、調速信號和制動信號等輸入電路。14第 3 章 無刷直流電動機硬件設計3.1 逆變主電路設計3.1.1 功率開關主電路圖3-1 功率開關主電路原理圖逆變器將直流電轉換成交流電向電機供電。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨立調節(jié)的，而是受控于轉子位置信號，是一個“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動機輸入電流的頻率和電機轉速始終保持同步，電機和逆變器不會產生振蕩和失步，這也是無刷直流電動機的重要優(yōu)點之一。3.1.2 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（Large-Scale Integrated Circuits, LSI）或是超大型積體電路（Very Large-Scale Integrated Circuits, VLSI）的領域里，重要性遠超過BJT。近年來由于MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應用于諸如微處理器、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來實現(xiàn)。15表 3-1 對 IGBT、GTR、GTO 和電力 MOSFET 的優(yōu)缺點的比較器 件 優(yōu) 點 缺 點IGBT開關速度高，開關損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅動，驅動功率小開關速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及 GTOGTR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，為電流驅動，所需驅動功率大，驅動電路復雜，存在二次擊穿問題GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導調制效應，其通流能力很強電流關斷增益很小，關斷時門極負脈沖電流大，開關速度低，驅動功率大，驅動電路復雜，開關頻率低電 力 MOSFET開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小且驅動電路簡單，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。電樞額定電流I aH=8.5A，因為每個控制元件導通120 o,所以控制元件的峰值電流可以由以下方程算出。，通過計算可得I=25.5A，2/3018.5dt???額定電壓U H=36V，峰值電壓應有一個百分之40的余量所以 UM=UH*1.4=36*1.4=50.4V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。163.2 逆變開關管驅動電路設計3.2.1 IR2110 功能介紹(1) IR2110 的特點有：輸出驅動隔離電壓可達 500V；芯片自身的門輸入驅動范圍為 10~20V；輸入端帶施密特觸發(fā)電器；可實現(xiàn)兩路分立的驅動輸出，可驅動高壓高頻器件，如 IGBT、功率 MOSFET 等，且工作頻率高可達 500KHz ，開通、關斷延遲小，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。 (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。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。采用CMOS 施密特觸發(fā)輸入,以提高電路抗干擾能力。IR2110 浮置電源采用自舉電路,其高端工作電壓可達500 V ,工作頻率可達到500 kHz。兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。其推薦典型工作參數(shù)如表3-2所示。 表3-2 IR2110 工作參數(shù)參數(shù) 最小值/ V 最大值/ VVB VS + 10 VS + 20VS - 4 500HO VS VBVCC 10 20LO 0 VCCVDD VCC + 4. 5 VCC + 20VSS - 5 + 5HIN ,SD ,LIN VSS VDD17(3)IR2110內部功能如圖3-2所示：圖3-2 IR2110內部框圖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驅動器將邏輯輸入信號送到相應的低阻抗輸出。高端輸出HO和低端基準輸出LO分別以浮置電位V BS和固定電位Vcc為基準。邏輯電路為兩路輸出提供相應的控制脈沖。HO和LO輸出分別與HIN和LIN輸入同相位。當SD輸入高電平時兩路均關閉。18當V DD低于欠電壓閥值時，欠電壓UV檢測電路關閉兩路輸出。同樣，當V BS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。邏輯輸入采用帶有0.1V DD滯后的施密特觸發(fā)電路，以提高抗擾能力。高抗噪聲平移位電路將邏輯信號送到輸出驅動級。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。當Vs為500V或接近500V時，高端功率MOSFET關斷。輸出驅動MOSFET接成源極跟隨器，另一只輸出驅動MOSFET接成共源極電路，高端的脈沖發(fā)生器驅動HV電平轉化器并觸發(fā)RS閂鎖置位或復位。由于每個高電壓DMOS電平轉換器僅在 很狹窄的脈沖持續(xù)期內才導通，所以功率很低。3.2.2 自舉電路原理圖 3-3 驅動電路以一相為例，如圖3-3所示，當下管導通上管截止時，IR2110LO輸出為高，HO為低，隔離二極管導通，自舉電容C8充電，三極管C極電壓近似等于電源正極電壓；當下管截止上管導通時，隔離二極管D2截止，自居電容C8儲存的電荷給三極管C極供電，IR211HO為高，三極管導通，驅動 MOSFET管柵極，使上管保持導通。193.3 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。本設計采用PIC16F72單片機作為主控芯片，不僅可以實現(xiàn)專用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易實現(xiàn)系統(tǒng)擴展，通過軟硬件設計，實現(xiàn)多功能的電機控制。單片機選擇依據(jù)：(1)性能因素。通過對該系統(tǒng)分析，8位單片機可以滿足系統(tǒng)控制精度的要求。由于整個系統(tǒng)有多種模擬參數(shù)需要轉換成數(shù)字量，因此選用的單片機應該有多通道A/D轉換模塊。在無刷電機控制中，脈寬調制PWM ( PulseWidth Modulation)技術廣泛應用，因此所選單片機應具有脈寬調制輸出端口。(2)安全因素。電子產品的安全性是一個非常重要的環(huán)節(jié)，作為控制系統(tǒng)的核心，單片機的安全性必須達到系統(tǒng)要求。(3)價格因素?？紤]到該設計要與市場接軌，因此價格問題尤為重要，要選擇一個性價比較高的單片機，包括單片機的單片價格和開發(fā)系統(tǒng)的造價。3.3.1 PIC 單片機特點：PIC (Periphery Interface Chip)系列單片機是美國Microchip公司生產的產品。PIC單片機以其獨特的硬件系統(tǒng)和指令系統(tǒng)的設計，逐漸被廣大工程設計人員接受Microchip公司是一家集開發(fā)、研制和生產為一體的專業(yè)單片機芯片制造商，其產品綜合應用系統(tǒng)設計的思路，具有很強的技術特色。產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轉換器。使之具有卓越的性能，代表著單片機發(fā)展新的潮流。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。PIC系列單片機具有如下特點:(1)單片機種類豐富PIC最大的特點是不搞單純的功能堆積，而是從實際出發(fā)，重視產品的性能與價格比，靠發(fā)展多種型號來滿足不同層次的應用要求。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。(2) 哈佛總線結構如圖3-4所示，PIC系列單片機在普林斯頓體系結構和哈佛體系結構的基礎上采用獨特的哈佛總線結構，徹底將芯片內部的數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，為采用不同的字節(jié)寬度，有效擴展指令的字長奠定了技術基礎。20圖3-4 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。RISC技術并非只是簡單地去減少指令，而是著眼于如何改善計算機的結構，更加簡單合理地提高計算機的運算速度。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條判斷轉移指令發(fā)生間跳外，均為單周期指令，執(zhí)行速度較高。(4)指令特色PIC系列單片機的指令系統(tǒng)具有尋址方式簡單和代碼壓縮率高等優(yōu)點。(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。(6)驅動能力強PIC系列單片機I/O端口驅動負載的能力較強，每個輸出引腳可以驅動多達20-25mA的負載，既能夠高電平直接驅動發(fā)光二極管LED、光電耦合器、小型繼電器等，也可以低電平直接驅動，這樣可以大大簡化控制電路。(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。(8)應用平臺界面友好，開發(fā)方便Microchip公司為用戶提供了周全的技術方案，不管是對初學者還是后續(xù)的應用開發(fā)，都提供了完善的硬件和軟件支持，包括各種檔次的硬件仿真器和編程器。(9)程序存儲器版本齊全Microchip公司提供的產品是一個單片機系列，可供選擇的存儲器類別和產品封裝工藝的形式較多，為產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容和不同的性能檔次。213.3.2 PIC16F72單片機管腳排列及功能定義圖3-5 PIC16F72單片機管腳圖（1）MCLR:清除（復位）輸入。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。（2）RA0-RA5：雙向可編程，亦可作為并行口。電池欠壓信號：電池電壓經(jīng)分壓后接單片機管腳3。轉把復位信號：由單片機的第4腳讀入剎車信號：剎車信號由單片機的第5腳讀入。（3）OSC1、OSC2：為振蕩器晶振。（4）RC0-RC7：數(shù)字I/O（5）RB0-RB7：數(shù)字I/O（6）VDD：+5V電壓輸入3.3.3 PIC16F72 單片機的功能特性(1)功能部件特性·帶8位AID轉換輸入·高驅動電流，I/O腳可直接驅動數(shù)碼管(LED)顯示每個I/O引腳最大灌電流25mA;每個I/O引腳最大拉電流25mA·雙向可獨立編程設置I/O引腳·8位定時器/計數(shù)器TMRO，帶8位預分頻·有1路捕捉輸入/比較輸出/PWM輸出(CCP)·16位定時器/計數(shù)器TMR 1，睡眠中仍可計數(shù)·8位定時器/計數(shù)器 TMR2,帶有8位的周期寄存器及預分頻器和后分頻器22(2)微控制器特性·內置上電復位電路(POR)·上電定時器，保障工作電壓的穩(wěn)定建立·振蕩定時器，保障振蕩的穩(wěn)定建立·斷電復位鎖定，即當芯片電源電壓下降到某一值以后時，使芯片保持復位，當電源電壓恢復正常后恢復運行·內置自振式(RC振蕩)看門狗·程序保密位，可防程序代碼的非法拷貝·掉電保護電路·在線串行編程3.3.4 PWM 信號在 PIC 單片機中的處理改變直流電動機轉速的方法分為勵磁控制法(控制磁通)與電樞電壓控制法(改變電樞端電壓)。在眾多的電樞電壓控制方法中，脈寬調制 PWM( PulseWidth Modulation)技術因為需用的大功率可控器件少、線路簡單、調速范圍寬、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。CCP(捕捉輸入/比較輸出//PWM輸出)模塊是PIC16F72芯片的重要組成部分，它有3種工作方式:捕捉方式、輸出比較方式和脈寬調制方式。當處于脈寬調制工作方式時，可以在引腳輸出分辨率高達10位的PWM信號。用程序語句控制PWM信號的周期和高電平持續(xù)時間，從而控制電機電樞電壓，即可達到調速目的。3.3.5 時鐘電路 如圖3-5所示，單片機的9、10腳外接16Mhz晶體。圖3-5 時鐘電路圖233.3.6 復位電路如圖3-6所示，與單片機1腳外接C 1 9R 2 3+ 5 V圖3-6 復位電路圖3.4 人機接口電路3.4.1 轉把和剎車1 轉把圖3-7 轉把圖調速轉把是利用線性霍爾元件實現(xiàn)的，其輸出電壓隨著磁場的線性變化而改變，將此電壓輸入給控制器，實現(xiàn)調速功能。如圖3-7所示，轉動轉把，改變了霍耳元件周圍的磁場強度，也就改變了霍耳轉把的輸出電壓。然后把這個電壓輸入控制器，控制器再根據(jù)這個信號的大小進行PWM脈寬調制，從而控制功率管的導通關閉的比例以控制電機轉速的大小。242 剎車圖3-8 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。因此電動自行車閘把上應該有閘把位置傳感元件，在捏制動把時，將制動信號傳給控制器，電路根據(jù)預設程序發(fā)出指令，立即切斷基極驅動電流，使功率截止，停止供電。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。在電動車實際使用當中，普遍采用機械觸點開關，平時常開，剎車時信號線對地短路作為剎車信號，即低電位剎車。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。它的特點是可靠性高，但價格昂貴。3.4.2 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。面板顯示電路主要由單片機的普通 1/O 口串行輸出，由串入并出芯片 74LS164 進行串并轉換，采用發(fā)光二極管進行顯示。面板顯示電路如圖 3-9 所示：圖 3-9 面板顯示電路圖251 74LS164 引腳圖74LS164 為 8 位移位寄存器（串行輸入，并行輸出）圖 3-10 74LS164 引腳圖如圖 3-10 所示，當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QA－QH）均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。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。當 A、B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在 CLOCK 上升沿作用下決定輸出的狀態(tài)。引出端符號CLOCK ：時鐘輸入端。CLEAR ：同步清除輸入端（高電平有效）A，B 串行數(shù)據(jù)輸入端。QA－QH :輸出端。2 面板指示燈狀態(tài)定義面板指示燈狀態(tài)定義如表 3-3表 3-3 序 號 功 能 指示燈狀態(tài)1 過 流 過流時亮，否則滅2 欠 壓 欠壓時亮，否則滅3 剎 車 剎車時亮，否則滅