直流無刷電動機控制電路設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)論文(設(shè)計)</b></p><p>　　題目名稱： 直流無刷電動機控制電路設(shè)計 </p><p>　　題目類型： </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　

2、畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅰ</p><p>　　畢業(yè)論文(設(shè)計)開題報告錯誤!未定義書簽。</p><p>　　畢業(yè)論文(設(shè)計)指導教師評審意見X</p><p>　　畢業(yè)論文(設(shè)計)評閱教師評語XI</p><p>　　畢業(yè)論文(設(shè)計)答辯記錄及成績評定XII&l

3、t;/p><p><b>　　摘要VI</b></p><p>　　AbstractVII</p><p><b>　　1前言 3</b></p><p>　　1．1 無刷直流電動機的基本組成2</p><p>　　1．2 無刷直流電動機的工作原理3</p>

4、<p>　　1．3 電機的運行特性和傳遞函數(shù)7</p><p><b>　　2 選題背景11</b></p><p>　　3 方案論證 13</p><p>　　3.1 系統(tǒng)概述13</p><p>　　3.2 直流無刷電動機的主回路設(shè)計15</p><p>　　3.3 單

5、片機控制方案18</p><p>　　3.3.1DSP芯片簡介18</p><p>　　3.4帶位置傳感器無刷直流電機21</p><p>　　3.5方案選定22</p><p>　　4.1 DSP控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計22</p><p>　　4.2 系統(tǒng)功率變換器的設(shè)計23</p><p

6、>　　4.2.1功率驅(qū)動電路23</p><p>　　4.2.2開關(guān)元件選擇25</p><p>　　4.3 相電流檢測電路25</p><p>　　4.4 位置檢測電路27</p><p>　　4.5 系統(tǒng)保護環(huán)節(jié)的設(shè)計28</p><p>　　4.5.1 過、欠壓保護電路的設(shè)計28</p&g

7、t;<p>　　4.5.2 過熱保護電路的設(shè)計29</p><p>　　4.5.3 過流保護電路的設(shè)計錯誤!未定義書簽。</p><p>　　5 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計30</p><p>　　5.1 無刷直流電機的位置檢測30</p><p>　　5.2 電機正、反轉(zhuǎn)控制30</p><p>　　5

8、.3. 速度反饋計算31</p><p>　　5.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計32</p><p>　　5.4.1整體方案概述32</p><p>　　5.4.2中斷服務(wù)子程序概述錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　6 結(jié)論35</b></p><p><b>　　參考文獻

9、36</b></p><p><b>　　致 謝37</b></p><p>　　1 畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：</p><p>　　直流無刷電動機控制電路設(shè)計</p><p>　　2 畢業(yè)設(shè)計（論文）起止時間：2014年2月21日～ 6月10日</p><p>　　3 畢業(yè)設(shè)計(論文

10、)所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導教師選定部分）</p><p>　?。?）設(shè)計直流無刷電動機調(diào)速控制系統(tǒng)主電路、控制電路及調(diào)速控制方案。設(shè)計軟件控制流程。</p><p>　　（2）電機功率約80瓦，帶位置傳感器，轉(zhuǎn)速范圍在600-3000轉(zhuǎn)/分，連續(xù)可調(diào)，誤差不大于5%。</p><p>　?。?）電機運行的要求是：運行平穩(wěn)，不允許有抖動；起動有力，快捷。通過電位器或按

11、鍵控制加、減速。</p><p>　　4 畢業(yè)設(shè)計(論文)應完成的主要內(nèi)容</p><p><b>　?。?）硬件電路設(shè)計</b></p><p>　?。?）理論設(shè)計與分析，理論計算</p><p><b>　　（3）軟件設(shè)計調(diào)試</b></p><p>　　5 畢業(yè)設(shè)計(論

12、文)的目標及具體要求</p><p>　　學生通過本次畢業(yè)設(shè)計，掌握直流無刷電動機的調(diào)速方法，學會功率器件的使用及電子線路的設(shè)計；能夠運用單片機控制電動機調(diào)速；運用已學的基本知識和專業(yè)技術(shù)解決實際問題，掌握軟件設(shè)計流程，提出可行的方案，鍛煉自學和動手能力；培養(yǎng)鉆研、求實的科學作風；提高論文寫作水平和英語閱讀理解能力。</p><p>　　6 完成畢業(yè)設(shè)計(論文)所需的條件及上機時數(shù)要求&l

13、t;/p><p>　　(1) 微機、單片機仿真器</p><p>　　(2) 直流無刷電動機；電子器件</p><p>　　(3) 上機機時：150</p><p>　　任務(wù)書批準日期 2014 年 3 月 13 日 教研室(系)主任(簽字) </p><p>　　任務(wù)書下達日期 2014 年

14、 3 月 13 日 指導教師(簽字) </p><p>　　完成任務(wù)日期 2014 年 6 月 10 日 學生（簽名） </p><p>　　開題報告日期 2014年3月15日 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計開題報告撰寫內(nèi)容及要求</p><p><b>　　題目來源

15、</b></p><p><b>　　研究目的和意義</b></p><p>　　閱讀的主要參考文獻及資料名稱</p><p>　　國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向</p><p>　　主要研究內(nèi)容、需重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路</p><p>　　完成畢業(yè)設(shè)計所必須具備的工作條

16、件（如工具書、計算機輔助設(shè)計、某類市場調(diào)研、實驗設(shè)備和實驗環(huán)境條件等）及解決的辦法</p><p>　　工作的主要階段、進度與時間安排</p><p><b>　　指導教師審查意見</b></p><p><b>　　注1：格式要求： </b></p><p>　?。?）題目名稱：要求與畢業(yè)設(shè)計題目

17、名稱一致，小二號，黑體加粗，居中，段前后各空一行。</p><p>　?。?）學生、指導教師和教學單位署名：學生、指導教師及所在單位（院系或工作單位）在題目下隔一行，居中，格式：學生：× × ×，× × ×學院（系），另起一行居中，格式：指導教師：× × ×，工作單位，署名采用小四號仿宋體。</p><p

18、>　?。?）開題報告正文，撰寫格式按畢業(yè)論文(設(shè)計)的排版格式規(guī)范要求。 </p><p>　　注2：題目類型是指“研究論文”、“畢業(yè)設(shè)計”或“畢業(yè)創(chuàng)作（設(shè)計）”；</p><p>　　題目來源是指題目來源于教師的科研項目、生產(chǎn)/社會實際或?qū)嶒炇医ㄔO(shè)、其它等。</p><p>　　直流無刷電動機控制電路設(shè)計</p><p><b&

19、gt;　　一、題目來源</b></p><p>　　結(jié)合生產(chǎn)，社會實際。</p><p><b>　　研究目的及意義</b></p><p>　　當前，隨著保護環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲日益高漲，無污染、能源可多樣化配置的新型交通工具引起了人們的普遍關(guān)注，同時也得到了極大的發(fā)展，電動自行車便是其中之一。由于電子控制技術(shù)的不斷發(fā)展，使得對大

20、量應用的電動機性能、質(zhì)量的要求越來越高，如：低噪聲、高性能、長壽命、小型化、高效節(jié)能的要求。</p><p>　　而無刷直流電動機既具備交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電動機的運行效率高、調(diào)速性能好等諸多特點，同時克服了有刷直流電機由于機械電刷和換向器的存在所帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等弊病，所以以無刷直流電機作為電動馬達的電動自行車產(chǎn)品逐漸受到消費者的青睞。鑒于無刷直

21、流電機的上述優(yōu)點以及無刷直流電機作為控制對象的電動自行車在消費市場的巨大潛力，本設(shè)計試以C51單片機為主控制芯片，設(shè)計一款無刷直流電機控制器。</p><p>　　閱讀的主要參考文獻及資料名稱</p><p>　?。?）設(shè)計直流無刷電動機調(diào)速控制系統(tǒng)主電路、控制電路及調(diào)速控制方案。設(shè)計軟件控制流程。</p><p>　?。?）電機功率約80瓦，帶位置傳感器，轉(zhuǎn)速范圍

22、在600-3000轉(zhuǎn)/分，連續(xù)可調(diào)，誤差不大于5%。</p><p>　　（3）電機運行的要求是：運行平穩(wěn)，不允許有抖動；起動有力，快捷。通過電位器或按鍵控制加、減速。</p><p>　　[1] 劉剛，王志強，房建成.  永磁無刷直流電機控制技術(shù)與應用[M]. 北京，機械工業(yè)出版社，2008. </p><p>　

23、　[2] 李海濤，儀維，吳筱堅等.  PIC單片機應用開發(fā)典型模塊[M]. 北京，人民郵電出版社，2007. </p><p>　　[3] 三恒星科技.  PIC單片機易學通[M]. 北京，人民郵電出版社，2006. </p><p>　　[4] 楊耕，羅應立. 

24、0;電機與運行控制系統(tǒng)[M]. 北京，清華大學出版社，2006. </p><p>　　[5] 張俊.  匠人手記——一個單片機工作者的實踐與思考[M]. 北京，北京航空航天大學出版社，2008. </p><p>　　[6] 肖玲妮，袁增貴.  Protel 99 SE

25、印刷電路板設(shè)計教程[M]. 北京，清華大學出版社，2006. </p><p>　　[7] 謝淵斌.  電動車無刷電機控制器軟件設(shè)計要點[N]. 《電子報2007年合訂本》下冊. </p><p>　　[8] 牛海清，謝運祥.  無刷直流電動機及其控制技術(shù)的發(fā)展[D]. 微電機-2

26、002年5期. </p><p>　　[9] 劉佳峰，謝楊華.  直流無刷電機換相時機的調(diào)整[EB/OL]. 電機技術(shù)-2006年3期. </p><p>　　[10] 孫歡慶，李橋梁.  MC33035在直流無刷電機控制中的應用[EB/OL]. 電機技術(shù)-2007年3期. <

27、;/p><p>　　[11] 葛小榮 王慶.  電動自行車控制器MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計[EB/OL]. 電動車情商網(wǎng).2008. </p><p>　　國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向</p><p>　　電機分為直流電機、同步電機和異步電機，在我國三種電機的生產(chǎn)分工較為明確，無刷直流電機是三種電機的集合

28、，是電機發(fā)展的高層次產(chǎn)品，代表電機的發(fā)展方向。目前無刷直流電機研究剛剛起步，主要集中在高等學校，如浙江大學、北京航空航天大學、上海交通大學等，均在進行1.5kw以下樣機的研究試驗，清華大學正在做15KW電機的樣機實驗，中科院正在做28 KW電機的樣機實驗。在企業(yè)中生產(chǎn)高性能、大容量這種電機的廠家還沒有，只有生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、性能較低、容量在0.2KW以下、用于電動自行車電機的廠家。國際發(fā)達國家對無刷直流電機的研制與中國大體相當，但

29、像美國、日本在無刷直流電機控制方面比中國先進。</p><p>　　針對傳統(tǒng)直流電動機的弊病，早在上世紀30年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機械換向的直流無刷電動機。由于直流無刷電動機既具有交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，故在當今國民經(jīng)濟各領(lǐng)域應用日益普及。</p><p>　　主要研究內(nèi)容、需重點

30、研究的關(guān)鍵問題及解決思路</p><p>　　本課題的主要內(nèi)容是設(shè)計一個實用可靠的方案，實現(xiàn)對電動自行車用無刷直流電機的控制。 </p><p><b>　　基本要求如下： </b></p><p>　　1、了解無刷直流電機的工作原理、控制方式以及無刷直流電機控制器的軟硬件設(shè)計方案； </p><

31、;p>　　2、硬件設(shè)計的組成部分有電壓檢測電路、電流檢測電路、霍爾位置檢測電路、驅(qū)動信號預處理電路、功率驅(qū)動電路、過流保護電路等模塊電路組成； </p><p>　　3、軟件設(shè)計則通過由硬件采集到得位置信號、電流信號、剎車信號、過流信號、欠壓信號等，通過單片機的處理，分別作出換相、同步整流、PWM調(diào)制、剎車、過流保護、欠壓保護等一些相應的輸出動作，以實現(xiàn)對無刷直流電機的控制的目的。</p&g

32、t;<p><b>　　課題研究的方法：</b></p><p>　　計劃采用理論分析研究與實驗分析相結(jié)合的研究方法。 </p><p>　　首先通過查找資料熟悉并掌握單片機的基本原理，然后進行方案設(shè)計，在生產(chǎn)廠家進行了解。通過實踐到廠里進行觀察、調(diào)查、自己動手等方法來完成無刷電機驅(qū)動電路的設(shè)計。</p><p><

33、;b>　　課題研究的措施：</b></p><p>　　查找相關(guān)資料了解課題相關(guān)內(nèi)容；設(shè)計出多個電路設(shè)計方案，并對方案進行對比分析， 最終確定最終方案，畫出電路原理圖；最后分析存在的問題然后進行改進，直到達到設(shè)計要求。</p><p>　　直流無刷永磁電動機主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。其定子繞組一般制成多相(三相、四相、五相不等)，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼

34、按一定極對</p><p>　　數(shù)(2p=2,4,…)組成。</p><p>　　三相兩極直流無刷電機組成</p><p>　　三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應的功率開關(guān)器件聯(lián)結(jié)，A、B、C相繞組分別與功率開關(guān)管V1、V2、V3相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)結(jié)。 </p><p>　　當定子繞組的某一相通電時，該電流

35、與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各項繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機械換向器的換向作用。</p><p><b>　　工作條件</b></p><p><b>　

36、　計算機一臺</b></p><p><b>　　相關(guān)器件</b></p><p><b>　　圖書館及網(wǎng)絡(luò) </b></p><p><b>　　參考資料</b></p><p><b>　　七、進度安排</b></p><

37、;p>　　3月15號-3月20號 撰寫開題報告</p><p>　　3月21號-4月7號 完成外文翻譯任務(wù)并購買相關(guān)器件</p><p>　　4月8號-4月20號 對課題進行初步設(shè)計，以求達到預期目的。</p><p>　　4月21號-5月1號 對設(shè)計內(nèi)容進行測試，修改，達到老師要求水平。</p><p>　　5月2號-5

38、月20號 撰寫畢業(yè)論文</p><p>　　5月21號-6月1號 完善論文內(nèi)容。</p><p>　　6月2號 進行畢業(yè)答辯</p><p>　　八、指導教師審查意見</p><p>　　畢業(yè)論文(設(shè)計)指導教師評審意見</p><p>　　（注：此頁不夠，請轉(zhuǎn)反面） </p>

39、<p>　　直流無刷畢業(yè)論文(設(shè)計)評閱教師評語</p><p>　?。ㄗⅲ捍隧摬粔?，請轉(zhuǎn)反面）</p><p>　　畢業(yè)論文(設(shè)計)答辯記錄及成績評定</p><p><b>　　電動機控制電路設(shè)計</b></p><p>　　【摘要】本文以永磁方波無刷直流電動機為控制對象，設(shè)計了一套無刷直流電機調(diào)速控制

40、系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于單片機對其外圍器件的控制來實現(xiàn)對無刷直流電機的相關(guān)控制。</p><p>　　本課題是一個理論性課題，本文的撰寫目的是討論無刷直流電機的控制方法。本文首先介紹了無刷直流電機的工作原理及其控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀、無刷直流電機的結(jié)構(gòu)及運行特性。然后就論述了無刷直流電機的控制技術(shù)，在分析比較各種控制方法的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上根據(jù)實際采用單片機控制方案。對單片機做一個簡單的介紹。在接下來的內(nèi)容中,對系統(tǒng)的硬件設(shè)計

41、做了詳細論述；接著闡述了無刷直流電機的轉(zhuǎn)子位置檢測方法；接著介紹了算法的軟件實現(xiàn)、軟件濾波和相移校正、換相點的軟件實現(xiàn)；最后詳細論述了系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)方法。</p><p>　　本文所完成的主要工作如下:(1) 無刷直流電機工作原理論述。(2)系統(tǒng)控制方案設(shè)計。(3)硬件系統(tǒng)設(shè)計，功率變換電路的選擇，相關(guān)外圍電路的設(shè)計。(4)軟件模塊的設(shè)計及論述。(5)理論設(shè)計與分析，理論計算。</p><p&

42、gt;　　【關(guān)鍵詞】:無刷直流電機 ，反電動勢，換相檢測，位置傳感器，單片機。</p><p>　　The Control of the Brushless DC Motor(BLDC)</p><p>　　【Abstract】This thesis designs a speed-variable system for Permanent Magnet BLDCM. Based on S

43、unplus high performance 16-bit MCU AT89C51 to implement the contro1 for BLDCM.</p><p>　　The subject research is an academic task. It composes for discussing the method of the control of BLDCM. The subject re

44、search first expounds the basic component parts, the basic running principle, the running characteristic and transfer function of the Brushless DC Motor (BLDCM). Then this subject research discusses the control of BLDCM

45、and decides to the use of SPMC75 to detect the rotor position based on analyzing the advantages and disadvantages of various control methods. Afterwards, the met</p><p>　　This article completes the prime tas

46、k is as follows:(1) The research of the BLDCM working principle.(2) the design of the digital control systems．(3) hardware system design, the power transfer network choice, the inter phase current and the position detect

47、ion of the electric circuit ．(4) software module design research.</p><p>　　【Key words】 Brushless DC motor; counter electromotive force; commutation detection; sensor; SCM;</p><p><b>　　1前言&

48、lt;/b></p><p>　　一個多世紀以來，電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活中。其主要類型有同步電動機、異步電動機和直流電動機三種。由于傳統(tǒng)的直流電動機均采用電刷以機械方法進行換向，因而存在相對的機械摩擦，由此帶來了噪聲、火化、無線電干擾以及壽命短等弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，從而大大限制了它的應用范圍，致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大多數(shù)均采用三相異

49、步電動機。</p><p>　　針對上述傳統(tǒng)直流電動機的弊病，早在上世紀30年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機械換向的直流無刷電動機。經(jīng)過了幾十年的努力，直至上世紀60年代初終于實現(xiàn)了這一愿望。上世紀70年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導體功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料的問世，均為直流無刷電動機的廣泛應用奠定了堅實的基礎(chǔ)。</p>

50、<p>　　由于直流無刷電動機既具有交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，故在當今國民經(jīng)濟各領(lǐng)域應用日益普及。</p><p>　　無刷直流電機的應用十分廣泛，如汽車、工具、工業(yè)工控、自動化以及航空航天等等?？偟膩碚f，無刷直流電機可以分為以下三種主要用途：</p><p>　　持續(xù)負載應用：主要

51、是需要一定轉(zhuǎn)速但是對轉(zhuǎn)速精度要求不高的領(lǐng)域，比如風扇、抽水機、吹風機等一類的應用，這類應用成本較低且多為開環(huán)控制。</p><p>　　可變負載應用：主要是轉(zhuǎn)速需要在某個范圍內(nèi)變化的應用，對電機轉(zhuǎn)速特性和動態(tài)響應時間特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干機和壓縮機就是很好的例子，汽車工業(yè)領(lǐng)域中的油泵控制、電控制器、發(fā)動機控制等，這類應用的系統(tǒng)成本相對更高些。</p><p>　　定位應用：

52、大多數(shù)工業(yè)控制和自動控制方面的應用屬于這個類別，這類應用中往往會完成能量的輸送，所以對轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應和轉(zhuǎn)矩有特別的要求，對控制器的要求也較高。測速時可能會用上光電和一些同步設(shè)備。過程控制、機械控制和運輸控制等很多都屬于這類應用。</p><p>　　1．1 無刷直流電動機的基本組成</p><p>　　無刷直流電動機的電樞在定子上，是靜止的，主要是通過控制電樞電流來控制磁場的變化，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)

53、子磁場始終垂直的磁場。因而無刷直流電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器、霍爾傳感器（速度控制）、電子開關(guān)線路組成。</p><p>　　其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1—1所示。</p><p>　　圖1-1 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)原理</p><p>　　圖1—1中的位置傳感器主要用來檢測轉(zhuǎn)子的位置，并且反饋給控制電路，控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來控制電樞電流，確保定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場始

54、終垂直。電動機本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動機相似，但沒有籠型繞組和其他起動裝置。定子三相繞組有星形聯(lián)結(jié)方式和三角聯(lián)結(jié)方式，而“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導通方式”最常用。一般而言，電機的繞組數(shù)量都和永磁極的數(shù)量是不一致的（比如用9繞組6極，而不是6繞組6極），這樣是為了防止定子的齒與轉(zhuǎn)子的磁鋼相吸而對齊，產(chǎn)生類似步進電機的效果，此種情況下轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生很大波動。轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù)(2p=2, 4,…)組成。圖1-1中的電動機本體為三相兩極。如

55、上圖所示，位置傳感器由三只光電式位置傳感元件組成，空間互成120°均勻分布；位置傳感器可以控制功率開關(guān)的導通情況，當控制V1導通時，直流電流流入A項繞組，形成位于A項繞組軸線上的電樞磁勢，與轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到其他位置時，位置傳感器依次控制V2,V3功率開關(guān)的導通，從而讓定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，持續(xù)產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。</p><p>　　直流無刷電動機通過直流電源

56、（交流電整流后）供電，然后通過換向電路的逆變作用，給定子中的線圈供電，產(chǎn)生磁場與轉(zhuǎn)子上的永磁體作用，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，位置傳感器通過感應轉(zhuǎn)子的位置來反饋給換向電路，控制功率開關(guān)的閉合，調(diào)節(jié)定子磁場，保證轉(zhuǎn)子持續(xù)的旋轉(zhuǎn)。直流無刷電動機基本機構(gòu)及其之間的相互作用的原理圖如下：</p><p>　　圖1-2 無刷直流電動機的原理框圖</p><p>　　直流無刷電動機的電子開關(guān)線路用來控制電動機定子

57、上各相繞組通電的時間和順序，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定的邏輯分配關(guān)系分配給直流無刷電動機定子上的各相繞組，以便使電動機定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的電磁場。各相繞組導通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。但是位置傳感器所產(chǎn)生的信號不能直接用來控制功率邏輯開關(guān)單元，往往需要經(jīng)過一定邏輯處理后才能去控制邏輯開關(guān)單元。</p><p>

58、;　　1．2 無刷直流電動機的工作原理</p><p>　　直流無刷電動機的原理圖如下所示：</p><p><b>　　圖1-3電機原理圖</b></p><p>　　主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路。逆變器提供等幅等頻調(diào)制波的對稱交變矩形波，。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的U、V、W方波，各個功率開關(guān)

59、的導通順序為V1-V4導通、V1-V6導通、V3-V6導通、V3-V2導通、V5-V2導通、V5-V4導通，也就是說將直流母線電壓依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對N-S極，V1-V6功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動60°電度角，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當于60°電度角空間位置，

60、轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W產(chǎn)生新的信號，新的信號又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進60°電度角，如此循環(huán)，無刷直流電動機將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖1-4 三相全控橋的六種通電情況示意圖</p><p>　　無刷直流電動機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在

61、何處，電動機在啟動瞬間就會產(chǎn)生足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動繞組。由于定子磁場軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，這正是他勵直流電動機的電流-轉(zhuǎn)矩特性。</p><p>　　為了實現(xiàn)電子換向，必須有位置信號來控制電路。主要通過位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子的位置并反饋給控制電路。 要實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制必須有速度信號。用獲得位置信號相近方法取得速度信號，最簡單

62、的速度傳感器是測頻式測速發(fā)電機與電子線路相結(jié)合。 </p><p>　　直流無刷電機的換向電路由驅(qū)動及控制兩部分組成，驅(qū)動電路輸出電功率，驅(qū)動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路。目前，驅(qū)動電路已從線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)成脈寬調(diào)制的開關(guān)狀態(tài)，相應電路組成也從晶體管分立電路轉(zhuǎn)成模塊化集成電路。控制電路用作控制電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、電流(或轉(zhuǎn)矩)以及保護電機的過流、過壓、過熱等。直流無刷電機是同步電機的一種，也就是說電機

63、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(P)影響：       </p><p>　　N=120．f / P在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制(驅(qū)動器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復校正，以期達到接近直流電機特性的方式

64、。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　根據(jù)它勵直流電機的特性，可知直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞平均電流成正比，電樞的反電動勢Ea與電動機的角速度成反比，電動機的平均電流Ia=（Vm-Ea）/2Ra ,Vm為電動機的線間電壓，Vm=V·&，其中&為調(diào)制波的占空比，Ra為每項繞組電壓；從而可以得到直流無刷電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為

65、：Tm=&·(V·Kt/2Ra)-Kt(KeW/2Ra)，其中Ke、Kt為電動機的結(jié)構(gòu)常數(shù)，當角速度W一定時，改變占空比可以線性的改變電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，而調(diào)制波的占空比可以通過一定的控制電路來控制位置傳感器，從而可以控制相應定子線圈通電時間的長短，導致轉(zhuǎn)矩受到的電磁轉(zhuǎn)矩作用的時間發(fā)生變化，最終得以控制電機的加速和制動過程；角速度W取決于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值為+5V，則對應的最高轉(zhuǎn)速，+5V以

66、下任何電平即對應相當?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實現(xiàn)了變速設(shè)定。當Vc設(shè)定以后，無論是負載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時，反饋電壓Vfb變小，調(diào)制波的占空比&就會變大，電樞電流變大，使電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動機的實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動機實際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)</p><p>　　由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電動機那

67、樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。旋轉(zhuǎn)磁場在電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)電角度，繞組電流與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)過電角度后，便進入第二狀態(tài)，這時繞組A+B-斷電，而繞組A+C-隨之通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)過了，電動機轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過電角度后，便進入第三狀態(tài)，這時繞組A+C-斷電，B+C-通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場也同時轉(zhuǎn)過了電角度，；它繼續(xù)驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿順時針

68、方向轉(zhuǎn)過電角度后就恢復到初始狀態(tài)了。這樣周而復始，電動機轉(zhuǎn)子便連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。下圖示出了各相繞組導通順序的示意圖：</p><p>　　圖1-5 各相繞組的導通示意圖</p><p>　　1．3 電機的運行特性和傳遞函數(shù)</p><p>　　由于直流無刷電動機的精確計算設(shè)計到非線性理論和數(shù)值解法等諸多復雜的問題，處理起來相當困難，目前的知識水平難以解決，因而才用一些

69、方法進行簡化，現(xiàn)做如下假設(shè)：</p><p>　　1）直流無刷電動機的氣隙磁感應強度沿氣隙按正弦分布；</p><p>　　2）繞組通電時，該電流所產(chǎn)生的磁通對氣隙磁通的影響忽略不計；</p><p>　　3）控制電路在開關(guān)狀態(tài)下工作，功率晶體管壓降△UT為恒值；</p><p>　　4）各相繞組對稱，其對應的電路單元完全一致，相應的電氣時間

70、常數(shù)忽略不計；</p><p>　　5）位置傳感器等控制電路的功耗忽略不計。</p><p>　　根據(jù)上述假設(shè)，化簡之后可以得到其電子開關(guān)電路如下：</p><p><b>　　圖1-6半控電路</b></p><p>　　由于轉(zhuǎn)子磁場在氣隙中，是按照正弦規(guī)律分部的，B=BMsinθ這樣一來，如果在定子某一相（例如B相）

71、繞組中通一持續(xù)的直流量，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為</p><p>　　TM=ZLBMrIsinθ  </p><p>　　其中，Z是每相繞組的有效導體數(shù)；L是繞組中導線的有效長度，即磁鐵長度(m)；r是電動機中氣隙的半徑(m)；I是繞組相電流(A)</p><p><b>　　。</b></p><p>　　從上述電

72、磁轉(zhuǎn)矩的公式中可以看出，如果某一項線圈持續(xù)通入直流電的話，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩按照正弦規(guī)律變化，并且其平均值為零；但是定子電樞是三相對稱分布的，并且由位置傳感器控制定子各相電樞線圈依次通電，每相只是通過1/3周期的矩形波電流，電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線上相當于1/3周期的一段，且這一段曲線與定子繞組開始通電時的轉(zhuǎn)子相對位置有關(guān)，下圖所示的電路中列舉了獲取最大平均轉(zhuǎn)矩的情況：</p><p>　　圖1-7

73、三相電機的轉(zhuǎn)矩波形</p><p>　　如上圖所示，γ=0°瞬間選作晶體管開始導通的基準點，電動機三相繞組輪流通電時，所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩如圖所示。若晶體管導通時間提前或滯后，均將導致轉(zhuǎn)矩的脈動值增加，平均值減小。在三相半控電路情況下，當γo=30°時，電動機的瞬時轉(zhuǎn)矩過零點如圖所示。這就是說，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到幾個位置時，電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為零，這會在電動機起動時出現(xiàn)死區(qū)（即轉(zhuǎn)子在這些位置時，電動機無起動力

74、矩）。顯然，當γo≥30°后，電動機轉(zhuǎn)矩的瞬時將出現(xiàn)負值，其總輸出轉(zhuǎn)矩的平均值更小。因此在三相半控電路情況下，特別是在起動時，γo不宜大于30；一般情況下，考慮到傳感器延時、處理器執(zhí)行時間、放大器移相等諸多環(huán)節(jié)造成的延時，選擇適當?shù)奶崆敖牵偸潜M力為把γo角調(diào)整到稍大于0°, 選擇適當?shù)奶崆敖?，使得在上述諸因素的影響下，真正能在γo=0°處實際換相。這樣，電動機所產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩Ta最大，可改善電動機的動態(tài)特

75、性和效率。輸出轉(zhuǎn)矩的最大平均值Ta</p><p>　　電動機在電動轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)子磁場切割定子繞組，在各相繞組上c產(chǎn)生出感應電動勢。當其轉(zhuǎn)速n不變時，該電動勢波形也是正弦波，相位同轉(zhuǎn)矩相位一致。由于在本電路中，每相繞組在一個周期中，只通電2π/3，因此，僅在這2π/3期間所感生出的反電動勢才對外加電壓起平衡作用，而在另外4π/3期間由于晶體管開關(guān)不導通，故其感應電動勢對外加電壓不起作用。對外加電壓而言，三

76、相直流無刷電動機半控電路的反電動勢波形如圖所示：</p><p>　　圖1-8反電動勢波形</p><p>　　通過計算可以得到電樞繞組的感應電動勢的平均值為：</p><p>　　為了便于求出平均反電動勢，定義反電動系數(shù)和轉(zhuǎn)矩細數(shù)如下：</p><p>　　反電動勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)為常數(shù)，其大小同主電路的接法（三相半控或全控電路）以及功率晶體

77、管的換相方式（如兩兩換相或三三換相）有關(guān)。</p><p>　　由于假設(shè)各繞組相互對稱，并且相應的時間常數(shù)忽略不計，根據(jù)上述三相星型繞組簡化電路可以得到直流無刷電動機的電壓平衡方程式為：</p><p>　　其中，Ea=KEn，Ta =KTI代入電壓平衡方程式中，經(jīng)過整理可以得到直流無刷電動機的幾下特性如下：</p><p>　　式中，n是電動機轉(zhuǎn)速(r/min)；

78、U是電源電壓(V)；△U是功率管壓降(V)；Ta是電動機產(chǎn)生的電動轉(zhuǎn)矩平均值(N·m)；KT是轉(zhuǎn)矩系數(shù)；R是電動機的內(nèi)阻(Ω)。</p><p>　　綜上所述，得到直流無刷電動機的動態(tài)方程組為：</p><p>　　其中，TL是電動機的負載阻轉(zhuǎn)矩；GD2足電動機轉(zhuǎn)子飛輪力矩(N·m2)，GD2=4gJ（J是轉(zhuǎn)動慣量），其所在的方程式為電動機單軸系統(tǒng)的運動方程式；上述方程

79、組經(jīng)過拉普拉斯變換后可以得到：</p><p>　　從而可以得到直流無刷電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p><b>　　圖1-9動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　從而求出其傳遞函數(shù)為：</p><p>　　其中，KI是電動機的電動勢傳遞系數(shù)，KI=1/KE；Kτ是轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù)，Kτ=R／KEKT）；Te是電磁

80、時間常數(shù)，Te=RGD2（375KEKT）。</p><p><b>　　2 選題背景</b></p><p>　　電動機是一種將電能轉(zhuǎn)換為機械力的設(shè) 備，其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)軸提供的轉(zhuǎn)動力矩是滿足機械負載要求的兩個生重 要的工作指標。轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積即為電動機軸上輸出的機械功率值。各種類型 的電動機，主要有交流異步電動機、直流電動機、交直流

81、兩用電動機及微型、特種 用途電動機，廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國民經(jīng)濟其他部門的各種機械設(shè)備、日用電器 和自動控制系統(tǒng)的動力驅(qū)動。據(jù)有關(guān)報道，我國消耗在電動機的電力占整個電力的 65%以上。</p><p>　　直流電動機以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用，但普通的直流電動機由于需要機械換相和電刷，可靠性差，需要經(jīng)常維護；換相時產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，影響了直流電動機在控制系統(tǒng)

82、中的進一步應用。為了克服機械換相帶來的缺點，以電子換相取代機械換相的無刷電機應運而生。</p><p>　　直流無刷電動機一般由電子換相電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路和電動機本體三部分組成，電子換相電路一般由控制部分和驅(qū)動部分組成，而對轉(zhuǎn)子位置的檢測一般用位置傳感器來完成。工作時，控制器根據(jù)位置傳感器測得的電機轉(zhuǎn)子位置有序的觸發(fā)驅(qū)動電路中的各個功率管，進行有序換流，以驅(qū)動直流電動機</p><p>

83、;　　無刷直流電動機用一套電子換向裝置代替了有刷直流電動機的機械換向裝置,保留了有刷直流電動機寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能,同時又克服了有刷直流電動機機械換向帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等一系列缺點。無刷直流電動機還具有高能量密度,高轉(zhuǎn)矩慣性比、高效率等特點,在快速性、可控性、可靠性、經(jīng)濟性等方面具有明顯的優(yōu)勢,且制造和維修成本大大降低。</p><p>　　無刷直流電動機不僅保持了傳統(tǒng)直流電動機良好的動、

84、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、易于控制。其應用從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動化領(lǐng)域迅速發(fā)展。</p><p>　　無刷直流電動機與有刷直流電動機相比,具有以下特點:</p><p>　　(1)可靠性高、壽命長。無刷直流電動機的工作期限主要取決于軸承及其潤滑系統(tǒng)。高性能的無刷直流電動機工作壽命可達數(shù)十萬小時,而有刷直流電動機壽命一般較短,在高溫環(huán)境下甚至只有

85、幾分鐘。</p><p>　　(2)無電器接觸火花且無線電干擾少。</p><p>　　(3)發(fā)熱的繞組安放在定子上,有利于散熱,便于溫度監(jiān)控,易得到較高功率密度。</p><p>　　(4)必須與一定的電子換向線配套使用,從而使總體成本增加。</p><p>　　與異步電動機相比,無刷直流電動機具有更大的功率密度、更高的效率和更好的控制性能

86、。主要表現(xiàn)在以下幾個方面:</p><p>　　(1)由于采用高性能永磁材料,無刷直流電動機轉(zhuǎn)子體積得以減小,可以具有較低的慣性、更快的響應速度、更高的轉(zhuǎn)矩/慣量比。</p><p>　　(2)由于沒有轉(zhuǎn)子損耗,也無需定子勵磁電流分量,所以無刷直流電動機具有較高的效率和功率密度,對于同等容量的輸出,異步電機需要更大功率的整流器和逆變器。</p><p>　　(3)盡

87、管異步電機系統(tǒng)應用較為普遍和成熟,但由于其非線形本質(zhì),控制系統(tǒng)極為復雜。永磁同步電動機把交流電動機復雜的磁場定向控制轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子位置定向控制,而無刷直流電動機則進一步將其簡化為離散六狀態(tài)的轉(zhuǎn)子位置控制。</p><p>　　基于無刷直流電動機以上的優(yōu)點,故而無刷直流電動機在當今國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域應用廣泛。</p><p>　　(1)電驅(qū)動系統(tǒng)中的應用。電驅(qū)動系統(tǒng)是指以電能為電源,通過電動機本體

88、、驅(qū)動器及傳感器與控制器進行能量變換的動力系統(tǒng),是世界主要動力群。永磁無刷電動機、開關(guān)磁阻電動機、步進電機等微特電機綜合性能的提高,也使得微特電機大量進入電驅(qū)動系統(tǒng)作為執(zhí)行元件成為必然趨勢,而永磁無刷電動機作為微特電機中的“佼佼者”,必將在高性能工業(yè)驅(qū)動場合獲得廣泛的應用。</p><p>　　(2)在交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中的應用。一個多世紀以來,直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)一直占主導地位,但是由于傳統(tǒng)直流電動機均采用機械方法進

89、行換向,帶來不可克服的“機械磨損、電火花、噪聲、無線電干擾、壽命短”等致命弱點,因此,使其應用范圍受到了一定限制,尤其是在高性能中、小功率伺服驅(qū)動場合。80年代以來,隨著矢量控制技術(shù)的不斷成熟,極大推動了交流伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展,使得交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能可以與直流伺服系統(tǒng)媲美,特別是自永磁無刷電動機技術(shù)發(fā)展的日趨成熟,在一些高性能伺服驅(qū)動場合更有取代直流伺服的趨勢。這樣便為永磁無刷電動機贏得了又一廣闊的應用領(lǐng)域。</p>

90、<p>　　(3)在光機電一體化中的應用。光機電一體化技術(shù)和信息技術(shù)作為20世紀末誕生的“高新技術(shù)”必將在到來的新世紀里獲得更加快速的發(fā)展和廣泛的應用。這樣對作為這兩大技術(shù)(含其產(chǎn)業(yè))的基礎(chǔ)元件之一的微特電機必將迎來又一個快速發(fā)展的春天,而作為微特電機中的永磁無刷電動機成為新世紀的一大朝陽產(chǎn)品也就理所當然。</p><p>　　直流無刷電動機力矩大,調(diào)速范圍寬,不產(chǎn)生電刷粉塵和電火花,摩擦力矩小故其性能

91、優(yōu)越,但阻礙其普及應用的主要因素是價格,它的電子控制和換相部分價格較高,所以研究一種實用且控制更加簡捷、靈活的直流無刷電動機調(diào)速系統(tǒng)是十分必要的。特別是隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,污染嚴重、能源緊張等矛盾日益尖銳,人們對電動汽車的呼聲也日益高漲。于是電動汽車專用電機及驅(qū)動系統(tǒng)成為了研究的焦點,國外電動汽車驅(qū)動裝置實際應用的交流電機主要有鼠籠異步電機和永磁同步機,但目前認為最適合用于電動汽車的電機是多相永磁無刷直流電機,所以對無刷直流電動機控制的

92、研究是十分有必要的。</p><p>　　自二十世紀九十年代以后，人類更加關(guān)注環(huán)境保護，節(jié)約能源及國民經(jīng) 濟的可持續(xù)發(fā)展。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、精密機械技 術(shù)、自動控制技術(shù)、微型計算機技術(shù)及人工智能技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，以機械為 主體的工業(yè)、民用產(chǎn)品不斷采用高新技術(shù)，并向自動化和智能化方向發(fā)展。相應對 電動機的要求從過去簡單的啟動控制、提供動力，發(fā)展

93、到要求對轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩 等精確控制，以使驅(qū)動機械運動達到預定的技術(shù)性能，從而促進了電動機與電子產(chǎn) 品結(jié)合成密不可分的機電一體化產(chǎn)品的發(fā)展。而永磁直流無刷電動機就是這種產(chǎn)品 的典型之一。</p><p>　　我國無刷直流電機的研制工作始于二十世紀70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我國元器件水平及相關(guān)理論與實踐相結(jié)合的程度還比較低，尤其是制造工藝和加工設(shè)備距離國際水準

94、差距較大，所以目前我國無刷電機綜合水平仍低于國際水平，有待進一步的研究和開發(fā)</p><p><b>　　3 方案論證</b></p><p><b>　　3.1 系統(tǒng)概述</b></p><p>　　在電機轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。目前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)主要采用兩種控制方案：一種采用專用集成電

95、路。這種方案可以降低設(shè)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(gòu)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。因而采用后一種控制方式，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?？衫L出無刷直流電動機控制系統(tǒng)框圖:</p><p>　　微控制器（單片機）

96、主要功能是根據(jù)電動機旋轉(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。微控制器的另一個重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)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(nèi)置的時鐘信號產(chǎn)生一個帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號。</p><p>　　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。自舉電路由分立器件構(gòu)成

97、的，也可以采用專門的集成模塊等高性能驅(qū)動集成電路。</p><p>　　位置傳感器在無刷直流電動機中起著測定轉(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。</p><p>　　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(diào)速信號和制動信號等輸入電路。</p><p>　　3.2 直流無刷電動機的主回路設(shè)計</p><

98、;p>　　了解直流無刷電動機的運行，首先必須了解其定子繞組與電子換向器之間的各種連接方法；由于定子繞組為三相繞組的直流無刷電動機在實際生活中最為常用，因此在此著重加以討論。</p><p><b>　　1.三相半控電路</b></p><p>　　常見的三相半控電路如圖3—2所示。</p><p>　　圖3—2 三相半控電路</p&

99、gt;<p>　　圖3—2中，L1、L2、L3為電動機A、B、C三相繞組；VF1、VF2、VF3為3個大功率MOSFET管，主要起開關(guān)作用；H1、H2、H3為來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號。在三相半控電路中，要求位置傳感器的輸出信號1/3周期為高電平，2/3周期為低電平，并要求各傳感器之間的相位差也是1/3周期，如圖3—3所示。</p><p>　　圖3—3 三相半控電路中的位置傳感器的信號波形</

100、p><p>　　和一般的直流電動機一樣，在電動機起動時，由于其轉(zhuǎn)速很低，故轉(zhuǎn)子磁通切割定子繞組所產(chǎn)生的反電動勢很小，因而可能產(chǎn)生較大的電流。另外，三相半控電路雖然結(jié)構(gòu)簡單，但電動機本體的利用率很低，每個繞組只通電1/3時間，2/3時間處于關(guān)斷狀態(tài)，沒有得到充分的利用；在運行過程中其轉(zhuǎn)矩的波動也較大。因此，在一些要求比較高的場合，一般不使用三相半控電路。</p><p>　　2．三相Y形連接全控

101、電路</p><p>　　圖3—4給出了一種三相Y形連接的全控電路。圖中，VF1—VF6為6個MOSFET功率管，起繞組的開關(guān)作用。VF1、VF3、VF5為P通道MOSFET，低電平時導通；VF2、VF4、VF6為N通道MOSFET，高電平時導通。他們的通電方式有三三通電方式和兩兩導通方式兩種,下面重點介紹兩兩導通方式。</p><p>　　圖3—4 Y形連接繞組三相全控橋式電路</

102、p><p>　　兩兩導通方式，即每一瞬間有2個功率管導通，每隔1/6周期一次，每次換相一個功率管，每一功率管導通120度電角度。各功率管的導通順序依次為VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1。當功率管VF1和VF2導通時，電流從VF1管流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)VF2管回到電源。通過矢量合成，可以看到合成矢量增加了倍,如圖3--5(a),當電機轉(zhuǎn)動后合成轉(zhuǎn)矩如圖(b

103、),圖(c)表示全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。</p><p>　　圖3--5 Y形連接繞組兩兩通電時合成轉(zhuǎn)矩矢量圖</p><p>　　3．三相△形連接全控電路</p><p>　　直流無刷電動機的三相△形連接主回路如圖3—6所示。該連接電路的組成元件與三相Y形連接全控橋式電路類似。</p><p>　　圖3—6 △形連接繞組三相全控橋式電路<

104、;/p><p>　　當電路采用兩兩通電方式時，通電順序為VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1。當VF1VF2通電時，電流從VF1流入，分別通過A相繞組和B，C兩相繞組，再從VF2管流出。此時，繞組的連接是B與C兩相繞組串聯(lián)后再同A相繞組并聯(lián)，如果假定流過A相繞組的電流為I，則流過B和C兩相繞組的電流分別為1/2?？梢钥吹酱藭r的合成轉(zhuǎn)矩同樣增加了倍。</p>

105、<p>　　三相Y形連接全控電路雖然結(jié)構(gòu)稍復雜，但電動機利用率高，每個繞組都通電2/3時間；在運行過程中其轉(zhuǎn)矩的波動也較小。因此，在一些要求比較高的場合，一般使用Y形連接全控電路。本設(shè)計采用此方案,電機通電方式為兩兩通電方式。</p><p>　　3.3 單片機控制方案</p><p>　　本系統(tǒng)以AT89C52單片機為核心，通過LM621，以2*3矩陣鍵盤做為輸入，4位數(shù)碼管顯

106、示，達到控制無刷直流電機的啟停、速度和方向。在系統(tǒng)中，采用了PWM技術(shù)對電機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調(diào)速的目的。</p><p>　　如果采用軟件換相，單片機要不斷地執(zhí)行換相操作，才能使電動機轉(zhuǎn)動下去，同時還要監(jiān)控用戶界面，控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向操作，因此負擔很重，故本系統(tǒng)中采用專用集成電路芯片LM621來完成換相工作。單片機最小系統(tǒng)作為主控單元，轉(zhuǎn)子位置傳感器信號由單片機采樣輸入,來計算電機轉(zhuǎn)速以及加速度，

107、電樞電流信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器由單片機的輸入口輸入。為了降低成本,簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可采用三個霍爾元件作為轉(zhuǎn)子位置傳感器，電機轉(zhuǎn)速及加速度由軟件根據(jù)傳感器信號算出。</p><p>　　3.3.1換相芯片簡介</p><p>　　換相專用芯片LM621簡介：</p><p>　　·三相和思想無刷直流電動機兼容 </p><p>　

108、　雙極性驅(qū)動三相三角形聯(lián)結(jié)或星形聯(lián)結(jié)繞組           </p><p>　　單極性驅(qū)動三相有中心抽頭的星形聯(lián)結(jié)繞組          </p><p>　　三相電動機位置傳感

109、器空間間距30°或60°          </p><p>　　四相電動機位置傳感器空間間距90° </p><p>　　·輸出端直接驅(qū)動雙極型功率管（可提供35mA基極電流）或MOSFET功率器件 </p><

110、;p>　　·有可調(diào)死區(qū)時間及其時鐘振蕩器</p><p>　　·直接與PWM信號接口和霍爾位置傳感器接口 </p><p><b>　　·欠電壓封鎖</b></p><p>　　圖3-8LM164的引腳圖</p><p><b>　　管腳功能定義：</b>

111、;</p><p>　　·引腳1（Vcc1）：第一電源，邏輯部分和時鐘用電源，+5V </p><p>　　·引腳2（DIRECTION)：轉(zhuǎn)向控制端。由于所施加的邏輯電平?jīng)Q定電機轉(zhuǎn)向    </p><p>　　·引腳3（DEAD-TIME ENABLE):死區(qū)時間使能端。控

112、制死區(qū)功能，高電平有效。 </p><p>　　·引腳4（CLOCK TIMING):時鐘定時端。該端外接定時電容和電阻至地，設(shè)定時鐘振蕩周期，決定死區(qū)時間。 </p><p>　　·引腳5、6、7（HS1、HS2、HS3）：霍爾位置傳感器輸入端。 </p><p>　　·引腳8（30/60SEL

113、ECT):30/60選擇端。三相電動機傳感器空間間距30°時，該端施加高電平；60°時，施加零電平。    </p><p>　　·引腳9（LOGIC GROUND):邏輯地。</p><p>　　·引腳10（POWER GROUND):功率地。 </p><p

114、>　　·引腳11、12、13（CURRENT SOURCE OUT)：灌電流輸出端。    </p><p>　　·引腳14、15、16（CURRENT SINK OUT):抽電流輸出端。 </p><p>　　·引腳17（OUTPUT INHIBIT)：

115、輸出禁止端。對該引腳施加高電平時，輸出被關(guān)閉。 </p><p>　　·引腳18（MOTOR SUPPLY VOLTAGE): Vcc2（+5——40V）端，第二電源</p><p><b>　　限流電路：</b></p><p><b>　　圖3-9限流電路</b><

116、;/p><p>　　Uf同數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U0分別送到LM324運算放大器的兩個輸入端，一旦反饋電壓Uf大于來自數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的給定信號U0,則LM324運算放大器輸出為低電平，通過非門變?yōu)楦唠娖捷斎氲絃M621的引腳17，使輸出關(guān)斷，從而截斷了直流無刷電動機定子繞組的所有電流通路，迫使電動機電流下降，一旦電流下降到時Uf小于U0,則LM324運算放大器輸出回到高電平，通過非門變?yōu)榈碗娖?，接LM621的17腳，L