無刷直流電動機(jī)畢業(yè)設(shè)計.doc

畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計計 論論 文文 題 目 單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 院 系 電氣與信息工程系 專業(yè) 自動化 班級 0104 班 學(xué)號 0101110212 學(xué)生姓名 劉 朋 來 導(dǎo)師姓名 李 曉 秀 完成日期 2005 年 6 月 16 日 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 湖南工程學(xué)院 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計計 論論文文 任任務(wù)務(wù)書書 設(shè)計 論文 題目 單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 姓名 劉朋來 系別 電氣與信息工程系 專業(yè) 自動化 班級 0104 學(xué)號 0212 指導(dǎo)老師 李曉秀 教研室主任 唐勇奇 一 一 基本任務(wù)及要求 基本任務(wù)及要求 完成以 80C196MC 單片機(jī)為控制核心以永磁無刷直流電機(jī)為控制對象的調(diào)速系統(tǒng) 的設(shè)計 設(shè)計內(nèi)容主要為 永磁無刷直流電機(jī)工作原理分析及數(shù)學(xué)模型建立 系統(tǒng)的工作 原理分析 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)軟件程序框圖設(shè)計 完成文獻(xiàn)綜述 開題報告及畢業(yè)設(shè)計說明書的撰寫工作 二 二 進(jìn)度安排及完成時間 進(jìn)度安排及完成時間 第 1 3 周 明確課題任務(wù)及要求 搜集課題所需資料 了解本課題研究現(xiàn)狀 存 在問題及研究的實際意義 寫好選題報告和文獻(xiàn)綜述 第 4 5 周 畢業(yè)實習(xí) 第 6 7 周 查閱相關(guān)資料 自學(xué)相關(guān)內(nèi)容 確定課題方案 第 8 11 周 系統(tǒng)硬件 軟件設(shè)計 第 12 14 周 整理資料 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文 第 15 周 畢業(yè)論文審定 打印 答辯準(zhǔn)備 第 16 周 答辯 單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 目錄 摘要 abstract 第 1 章 無刷直流電動機(jī)概述 1 1 1 無刷直流電動機(jī)的特點 1 1 2 無刷直流電動機(jī)的發(fā)展歷史及研究應(yīng)用現(xiàn)狀 2 1 3 本論文的主要內(nèi)容 4 第 2 章 無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 5 2 1 無刷直流電動機(jī)的其本組成 5 2 1 1 電動機(jī)本體 5 2 1 2 位置傳感器 6 2 1 3 電子換相線路 7 2 2 無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行性 7 2 3 機(jī)械特性和調(diào)速特性 9 2 4 無刷直流電動機(jī)的脈寬調(diào)速 10 第 3 章 無刷直流電動機(jī)的硬件設(shè)計 11 3 1 系統(tǒng)組成 11 3 2 單片機(jī)設(shè)計及接口電路 12 3 3 功率變換器的設(shè)計 14 3 3 1 功率變換器的基本類型 14 3 3 2 功率變換器中開關(guān)元件的選擇 16 3 3 3 智能功率模塊 IPM 18 3 4 電動機(jī)換相 20 3 4 1 電動機(jī)的換相原理 20 3 4 2 電動機(jī)的可逆變換 21 3 5 電流環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)電路的設(shè)計 21 3 5 1 位置傳感器的設(shè)計 21 3 5 2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計 24 3 5 3 電流傳感器及電流環(huán)的設(shè)計 25 3 6 保護(hù)電路的設(shè)計 26 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 3 6 1 過 欠壓保護(hù)電路的設(shè)計 26 3 6 2 過流保護(hù)電路的設(shè)計 27 3 6 3 利用保護(hù)信號產(chǎn)生中斷信號 27 第4章 軟件框圖 29 結(jié)束語 30 致謝 31 參考文獻(xiàn) 32 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 I 單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要 隨著電子技術(shù) 功率元件技術(shù)和高性能的磁性材料制造技術(shù)的發(fā)展 無刷直流 電動機(jī)利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器 在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 本文介紹了無刷直流電動機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用概況 全面分析無刷直流電動機(jī)的組成 和原理 著重點介紹無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的同時詳細(xì)介紹了 PWM 功率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 PWM 系統(tǒng)驅(qū)動電路的設(shè)計及其相關(guān)的保護(hù)電路 計算機(jī)控制已 成為社會發(fā)展的趨勢 在此還介紹了單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計及其在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 無刷直流電動機(jī) 80C196MC 單片機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 II design of brushless DC motor control system on single chip computer AbstractAbstract With the development of electronic technology power component technology and high performance magnetisable material manufacturing technology brushing the direct current motor utilizes the reversing device of electron to replace the mechanical electric brush and reversing device of machinery And it is widely used in each field The text introduces the development and use of the direct current motor and the overview analyse in an all round way that there are not composition and principle which brushes the direct current motor Emphasis point introduction is it brush direct current motor transfer speed systematic hardware circuit recommend PWM power change the design of the circuit in detail while the design to have PWM system drives the design of the circuit and relevant protection circuit Computer is it become social development trend already to control recommend design one chip computer of system and in application in being systematic to transfer speed also here KeywordsKeywords Have not brushed the direct current motor 80C196MC single chip computer Adjust the speed to design systematically 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 III 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 1 第 1 章 無刷直流電動機(jī)機(jī)概述 1 1 無刷直流電動機(jī)的特點 傳統(tǒng)的直流電機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)速性能在運(yùn)動領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用 但機(jī)械電刷卻是它的致命弱點 無刷直流電動機(jī)就是為了既要保持有刷直流電動機(jī)的 特性 又要革除電刷和換向器的目的研究開發(fā)的 控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電動機(jī)應(yīng)該具有 下列優(yōu)點 快速性 可控性 可靠性 體積小 重量輕 節(jié)能 效率高 適應(yīng)環(huán)境和經(jīng) 濟(jì)性 下面將就這些方面具體分析無刷直流電動機(jī)的優(yōu)點所在 為了實現(xiàn)快速的起 停 加速 減速 要求電動機(jī)具有小的轉(zhuǎn)動慣量和大的起動 轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩 無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子主要是由永磁材料構(gòu)成的磁極體組成 電樞 繞組在定子上 因而轉(zhuǎn)子外徑可以相對較小 轉(zhuǎn)子慣量也就較小 轉(zhuǎn)矩方面 只有直流 電動機(jī)才能達(dá)到大的起動轉(zhuǎn)矩和大的最大轉(zhuǎn)矩 而無刷直流電動機(jī)具有直流電動機(jī)的 特性 起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩都較大 這使得它具有快速性的特點 在可控性方面 直流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和繞組流過的電流成線性關(guān)系 直流電動 機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩又大 因此可控性最好 最方便 無刷直流電動機(jī)具有一般有刷直流電 動機(jī)的調(diào)速特性 只要簡單地改變電動機(jī)的輸入電壓的大小就可以在廣闊的范圍內(nèi)進(jìn) 行無級調(diào)速 在可靠性方面 消除了電刷 也就消除故障的主要根源 無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子 上沒有繞組 因而在轉(zhuǎn)子上沒有電的損耗 又由于主磁場使恒定的 因此鐵損也是極 小的 總的來說 除了軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦損耗外 轉(zhuǎn)子方的損耗很小 進(jìn)一步增加了 無刷直流電動機(jī)工作的可靠性 由此可知 和其它類型的電動機(jī)相比 無刷直流電動機(jī)不僅較為可靠而且損耗較 小 它的電樞在定子上 直接和機(jī)殼相連 散熱條件好 熱傳導(dǎo)系數(shù)大 由于這樣的 關(guān)系 在相同的條件下 在相同的出力要求下 無刷直流電動機(jī)可以設(shè)計得體積更小 重量更輕 不論是電機(jī)設(shè)計還是系統(tǒng)設(shè)計 提高效率 節(jié)約能量都具有重要意義 有 著長遠(yuǎn)的社會 經(jīng)濟(jì)效益 據(jù)報道 美國55 以上的電力是消耗在電動機(jī)的運(yùn)行上 美 國GE公司曾預(yù)測 僅在制冷器具的應(yīng)用中 若用無刷電機(jī)取代傳統(tǒng)的異步電動機(jī) 其 效率可提高20 全美國一年可節(jié)約用電2 2MkWh 而異步電動機(jī)運(yùn)行在輕載時功率因 素低 增加線路和電網(wǎng)的損耗 根據(jù)有關(guān)報導(dǎo) 我國消耗在電動機(jī)上的電力占整個電力的65 以上 因此 提高電動機(jī)的效率 選擇損耗最小 效率最高的電機(jī)是很重要的 從以上的分析可以看出 相對于其他類 單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 2 型的電機(jī) 無刷直流電動機(jī)的損耗最小 節(jié)能效率最高 一份資料作過對比分析 對 于7 5kW的異步電動機(jī)系統(tǒng)效率可達(dá)86 4 但是同樣容量的無刷直流電動機(jī)效率可達(dá) 92 4 在環(huán)境適應(yīng)性方面 對于高性能系統(tǒng) 只能采用直流電動機(jī) 但在同時要求長壽 命 免維修以及防爆 防燃的環(huán)境條件下 有刷直流電動機(jī)就無法適應(yīng) 無刷直流電 動機(jī)才是最好的選擇 在經(jīng)濟(jì)性方面 隨著電子技術(shù)的發(fā)展 電子元器件的價格不斷的下降 無刷直流 電動機(jī)驅(qū)動 控制器的價格己經(jīng)和異步機(jī)的變頻器相差不多了 只是由于稀土永磁材 料的價格較貴 無刷直流電動機(jī)的成本也較高 但是在考慮綜合指標(biāo) 系統(tǒng)性能 重量 能量消耗 之后 無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用仍呈上升趨勢 表1 1是對目前應(yīng)用較廣的幾種類型電動機(jī)基本性能所做的比較 表1 1 基本性能比較表 基本 性能 電機(jī) 類型 效率體積控制特性 技術(shù)性能 結(jié) 構(gòu) 壽 命 成本 電機(jī)本體 直流電動機(jī)較高小好短高 無刷直流電動機(jī)高小較好長高 交流電動機(jī) 低大一般長低 開關(guān)磁阻電動機(jī)較低較小較好長低 1 2 無刷直流電動機(jī)的發(fā)展歷史及研究應(yīng)用現(xiàn)狀 為了解決傳統(tǒng)的直流電動機(jī)采用機(jī)械電刷進(jìn)行換向帶來的種種問題 在1917年 博利根 Boligen 提出用整流管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械電刷以實現(xiàn)換流的思想 1955年美國 D Harison等人申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專利 標(biāo)志著現(xiàn) 代無刷直流電機(jī)的誕生 70年代末 80年代初 隨著電機(jī)技術(shù)及其相關(guān)學(xué)科的迅猛發(fā)展 無刷直流電機(jī)進(jìn) 入了實用階段 先后研究成功方波和正弦波無刷直流電機(jī) 并且在計算機(jī)外設(shè)等領(lǐng)域 開始應(yīng)用 無刷直流電機(jī) 的概念已由最初的具有電子換向的直流電機(jī)發(fā)展到泛 指一切具有傳統(tǒng)直流電機(jī)外部特性的電子換向電機(jī) 80年代以來 無刷直流電機(jī)得到了迅猛的發(fā)展和推廣應(yīng)用 主要是由于大功率開 關(guān)器件和大規(guī)模專用集成電路技術(shù)的高速發(fā)展 性能優(yōu)良的 價格低廉的電子元器件 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 3 加快了無刷直流電機(jī)的更新?lián)Q代步伐 80年代與70年代同類型無刷直流電機(jī)相比較 體 積縮小到只有原來的1 10 價格只有原來的1 10 從而提高了無刷直流電機(jī)的性能價 格比 為其大量應(yīng)用創(chuàng)造了先決條件 高性能永磁材料 如影鉆 欽鐵翻的應(yīng)用 也 使無刷直流電機(jī)的性能提高和成本降低 為其得到廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ) 它作 為機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)物 在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 如計算機(jī)中的磁盤 光 盤驅(qū)動器 CD唱機(jī)的光盤主軸驅(qū)動 隨身聽的磁帶主動輪驅(qū)動 數(shù)控加工設(shè)備 宇航 自動機(jī)器 各種記錄儀和繪圖儀筆的驅(qū)動等等 進(jìn)入90年代以來 無刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的逆變裝置中的開關(guān)元件不僅成本降低 而且向高頻化 大容量 小型化 智能化發(fā)展 同時 永磁材料的性能不斷提高和完 善 加上永磁電機(jī)研究和和開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟 稀土永磁無刷直流電機(jī)的應(yīng)用和開 發(fā)進(jìn)入一個新的階段 目前正向大功率化 高轉(zhuǎn)速 高轉(zhuǎn)矩 高功能化和微型化方向 發(fā)展 如今無刷直流電機(jī)集特種電機(jī) 變速機(jī)構(gòu) 檢測元件 控制軟件與硬件于一體 己形成為新一代電動伺服系統(tǒng) 體現(xiàn)著當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多最新成果 在國外 無刷直流電機(jī)己得到了較為充分的發(fā)展 目前 在工業(yè)先進(jìn)的國家 如美 國 英國 日本 德國等 里 在工業(yè)自動化領(lǐng)域中已經(jīng)實現(xiàn)了以無刷直流電動機(jī)代替 有刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)換 無刷直流電機(jī)還在其它領(lǐng)域得到了應(yīng)用 如辦公自動化領(lǐng)域 視 聽領(lǐng)域 汽車和電動車輛中的應(yīng)用 現(xiàn)代家用電器中的應(yīng)用 而隨著人們對環(huán)境問題 和能源問題的日益關(guān)注 無刷直流電機(jī)在電動汽車中的應(yīng)用更是成為近年來研究的熱 點 如美國福特汽車公司率先把無刷直流電機(jī)應(yīng)用于電動汽車 并于90年代初推出了 第三代電動轎車 日本四國電力株式會社設(shè)計的電動小客車PIVOT由四個單機(jī)為6 8kW 的無刷直流電動機(jī)驅(qū)動 針對家電 空調(diào) 洗衣機(jī) 電動車的使用 需要較高轉(zhuǎn)速和 高轉(zhuǎn)矩的要求 日本HONDA公司開發(fā)了一種車用的無刷直流電動機(jī) 其轉(zhuǎn)子是用非導(dǎo)磁 的不銹鋼將稀土磁體包卷嵌入轉(zhuǎn)子迭片中 具有堅固可靠 輸出力矩大和效率高 超過 85 的特點 在我國 無刷直流電機(jī)的研制始于70年代初期 作為高科技產(chǎn)品受到了我國基礎(chǔ) 工業(yè)落后的制約 其綜合水平低于國際水平 目前 國內(nèi)高校 研究單位開展無刷直 流電機(jī)的研究己有時日 積累了豐富的設(shè)計理論和設(shè)計經(jīng)驗 只是由于自身條件而沒 有達(dá)到規(guī)?；a(chǎn) 大部分仍處于仿真或?qū)嶒炿A段因此 應(yīng)加強(qiáng)與生產(chǎn)廠家的合作 開發(fā)此類高科技產(chǎn)品并使之產(chǎn)業(yè)化 如今 隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和微處理器技術(shù)的日益更新 高速微處理器和 DSP的出現(xiàn) 還有專用的控制芯片的出現(xiàn) 使得無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度 處理能力提高很大 將來 隨著這些器件的普及和應(yīng)用的擴(kuò)大 器件成本將大幅度地 單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 4 降價 因此性能明顯更優(yōu)秀的正弦波電流驅(qū)動的電動機(jī)會比方波驅(qū)動的電動機(jī)更受歡 迎 但是 正弦波電流驅(qū)動的電動機(jī)需要帶更高精度的位置傳感器 成本會更高一些 所以這些替代不是在任何場合下都適用 而是在要求高的情況下 另外 在某些要求 不高的場合 無傳感器的無刷直流電動機(jī)也得到了廣泛地應(yīng)用 在無刷直流電動機(jī)的 控制技術(shù)方面 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)正由傳統(tǒng)的模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向徽處理器控制的數(shù) 字技術(shù) 數(shù)字控制技術(shù)使得許多硬件工作都由軟件來完成 這樣 減少了硬件電路 提高了可靠性和性能 減小了尺寸 提高了效率 數(shù)字控制技術(shù)不僅使系統(tǒng)獲得高精 度 高可靠性 還為新型控制理論 如矢量控制 直接轉(zhuǎn)矩控制 參數(shù)自適應(yīng)控制 模 糊控制 滑模變結(jié)構(gòu)控制等 的應(yīng)用提供了物質(zhì)基礎(chǔ) 特別是適用于實時控制的工業(yè)單 片機(jī)和高速數(shù)字信號處理器 DSP 在伺服系統(tǒng)的應(yīng)用 這大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 提高了 系統(tǒng)性能 發(fā)展全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)將是以后的研究重點 1 3 本論文的主要內(nèi)容 系統(tǒng)的總結(jié)了無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理并分析了其運(yùn)行特性 針對本系統(tǒng)繞組三相的特點 選擇了主電路方案及功率開關(guān)元件 并選擇了相應(yīng) 的主開關(guān)元件驅(qū)動電路及緩沖電路 確定了系統(tǒng)的控制方案 設(shè)計了系統(tǒng)的控制器 電流與位置傳感器 位置與速度信號處理電路 故障自診斷與保護(hù)電路等 使系統(tǒng)既 能良好運(yùn)行 又可以保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時保護(hù)功率開關(guān)元件 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 5 第2章 無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 直流電動機(jī)的機(jī)械電刷和換向器因強(qiáng)迫性接觸 造成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜 可靠性差 變 化的接觸電阻 火花 噪聲等一系列問題 影響了直流電動機(jī)的調(diào)速精度和性能 隨 著電子技術(shù) 功率元件技術(shù)和高性能的磁性材料制造技術(shù)的發(fā)展 無刷直流電動機(jī)利 用電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器 因此 使這種電動機(jī)不僅保留了直流電 動機(jī)的優(yōu)點 而且又具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單 運(yùn)行可靠 維護(hù)方便等優(yōu)點 在宇 航 軍事設(shè)施領(lǐng)域及工業(yè)和民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用 無刷直流電動機(jī)是伴隨著數(shù)字控制技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展起來的 因此 采用單片機(jī) 為主的數(shù)字控制是無刷直流電動機(jī)的主要控制手段之一 2 1 無刷直流電動機(jī)的基本組成 無刷直流電動機(jī)主要由電動機(jī)本體 電子換向線路 位置傳感器組成 如圖2 1 所示 無 刷 直 流 電 動 機(jī) 電動機(jī)本體 位置傳感器 電子換向線 路 主轉(zhuǎn)子 控制器 傳感器定子 功率變換器 傳感器轉(zhuǎn)子 主定子 圖2 1 無刷直流電動機(jī)組成方框圖 2 1 1 電動機(jī)本體 電動機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁式同步電動機(jī)相似 但沒有籠型繞組和其他起動裝置 電動機(jī)本體的主要部件有主定子和主轉(zhuǎn)子 其定子繞組一般制成多相 三相 四相 五 相不等 轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極數(shù) 2P 2 4 組成 它們首先必須滿足電磁 方面的要求 保證在工作氣隙中產(chǎn)生足夠的磁通 電樞繞組允許通過一定的電流 以 便產(chǎn)一定的電磁轉(zhuǎn)矩 其次 要滿足機(jī)械方面的要求 保證機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固和穩(wěn)定 能 單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 6 傳送一定的轉(zhuǎn)矩 并能經(jīng)受住一定環(huán)境條件的考驗 此外 還要考慮節(jié)約材料 結(jié)構(gòu) 簡單 緊湊 運(yùn)行可靠和溫升不超過規(guī)定的限度 主定子是電動機(jī)本體的靜止部分 它由導(dǎo)磁的定子鐵芯 導(dǎo)電的電樞繞組及固定 鐵芯和繞組用的一些零部件 絕緣材料 引出部分等組成 如機(jī)殼 絕緣片 槽楔 引出線及環(huán)氧樹脂等 主定子鐵芯由硅鋼片迭成 采用硅鋼片的目的是為了減少主定子的鐵損耗 為了 減少噪音和寄生轉(zhuǎn)矩 定子鐵芯采用斜槽 一般斜一個槽距 主定 子 繞 組是電動機(jī) 本體中的一個最重要部件 當(dāng)電動機(jī)接上電源后 電流流入繞組 產(chǎn)生磁動勢 后者 與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的激磁磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)起來后 便在定子繞 組中產(chǎn)生反電動勢 吸收了一定電功率并通過轉(zhuǎn)子輸出一定的機(jī)械功率 從而實現(xiàn)了 將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過程 顯然 繞組在實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換過程中起著極為重要的作 用 因此 對繞組的要求為 一方面它能通過一定的電流 產(chǎn)生足夠的磁動勢以得到 足夠的轉(zhuǎn)矩 另一方面 要求結(jié)構(gòu)簡單 運(yùn)行可靠 并應(yīng)盡可能節(jié)省有色金屬和絕緣 材料 繞組一般分為集中繞組和分布繞組兩種 前者工藝簡單 制造方便 但因繞組 集中在一起 空間利用率差 發(fā)熱集中 對散熱不利 此外抑制諧波能力差 后者工 藝較復(fù)雜 但能克服前者的一些不足 為了更好地改善電動機(jī)的性能 一般無刷直流 電動機(jī)多采用雙層繞組 無刷直流電動機(jī)的主定子繞組可以是兩相 三相以及多相等 其連接形式主要有星形連接和封閉形連接兩種 但也有特殊連接形式的 不同的電樞 繞組結(jié)構(gòu)決定了不同的電子換向線路 主轉(zhuǎn)子是電動機(jī)本體的轉(zhuǎn)動部分 是產(chǎn)生激磁磁場的部件 它由三部分組成 永磁 體 導(dǎo)磁體和支撐零部件 永磁體和導(dǎo)磁體是產(chǎn)生磁場的核心 由永磁材料和導(dǎo)磁材 料組成 無刷直流電動機(jī)常采用的永磁材料有以下幾種 鋁鎳鉆合金 鐵氧體永磁材料 以及高磁能積的稀土鉆永磁材料 欽鐵硼永磁材料等 導(dǎo)磁材料一般用10號鋼或工業(yè)用 電工純鐵等 機(jī)械支撐零部件主要是指轉(zhuǎn)軸 軸套和壓圈等 它們起固定永磁體和導(dǎo) 磁體的作用 轉(zhuǎn)軸由不導(dǎo)磁材料車磨而成 要求它具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和鋼度 軸套 和壓圈通常山黃銅或鋁等不導(dǎo)磁材料做成 2 1 2 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 為電子換向線路 提供正確的換向信息 即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號 然后去控制定子 繞組換相 可見位置傳感器是實現(xiàn)無接觸換向的一個極其重要部件 因此 它是無刷 直流電動機(jī)的一個關(guān)鍵部分 位置傳感器和電動機(jī)本體一樣 也由靜止部分和運(yùn)動部分組成 即位置傳感器定 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 7 子和位置傳感器轉(zhuǎn)子 位置傳感器的種類很多 且各具特點 按動作原理可分為敏感 式 藕合式 諧振式和接近式 敏感式位置傳感器是利用敏感元件來感受出轉(zhuǎn)子的位置 并輸出一信號經(jīng)邏輯處 理后去控制各相繞組的導(dǎo)通順序 常用的敏感元件有光敏元件 如光電二極管 光電三 極管和光電池等 和磁敏元件 如霍爾元件 磁敏電阻 磁敏二極管和磁敏三極管等 藕合式是指變壓器禍合 即磁電式 和高頻空芯線圈藕合等 諧振式是由電感 電容等元件組成 當(dāng)達(dá)到諧振條件時 輸出信號為最大 借此 去控制電樞繞組的導(dǎo)通 接近式是利用接近某物而動作的原理所組成的一種位置傳感器 此外 近期還出現(xiàn)了利用電動機(jī)定子繞組的反電動勢作為轉(zhuǎn)子磁鋼的位置信號 該信號經(jīng)檢出 并經(jīng)數(shù)字電路邏輯處理隔離放大后 并送給功率變換器去控制無刷直 流電動機(jī)電樞繞組的換相 由于它省去了位置傳感器 使得無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)更 加緊湊 因而近年來的應(yīng)用日趨廣泛 本系統(tǒng)采用的無刷直流電動機(jī)采用了霍爾傳感器 2 1 3 電子換向線路 電子換向線路由控制電路和功率變換器兩大部分組成 它與位置傳感器相配合 去控制電動機(jī)定子各相繞組通電的順序和時間 起到了與機(jī)械換向相類似的作用 當(dāng) 系統(tǒng)運(yùn)行時 功率變換器接受控制電路的控制信息 將系統(tǒng)工作電源的功率以一定的 邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動機(jī)定子上各相繞組 以便使電動機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩 而各相繞組導(dǎo)通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號 但位置傳感器所產(chǎn) 生的信號一般不能直接用來驅(qū)動功率變換器的功率開關(guān)元件 往往需要經(jīng)過控制電路 一定邏輯處理 隔離放大后才能去驅(qū)動功率變換器的開關(guān)元件 由此可見 電子換向 線路也是無刷直流電動機(jī)實現(xiàn)無接觸換向的一個重要組成部分 一般來說 對電子換向線路的基本要求是 1 線路簡單 體積小 重量輕 功耗小 2 運(yùn)行穩(wěn)定可靠 故障保護(hù)功能強(qiáng) 3 能按照位置傳感器的信號進(jìn)行正確換向 并能控制電動機(jī)的正反轉(zhuǎn) 4 應(yīng)能滿足不同環(huán)境條件的要求 長期運(yùn)行 本系統(tǒng)采用智能功率模塊 IPM 它使用表面貼裝技術(shù)將三相橋臂的六個 IGBT 及 其驅(qū)動電路 保護(hù)電路集成在一個模塊內(nèi) 2 2 無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行特性 單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 8 電動機(jī)是一種輸入電功率 輸出機(jī)械功率的原動機(jī)械 因此 我們最關(guān)心的是它 的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速 以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨輸入電壓 電流 負(fù)載變化而變化的規(guī)律 據(jù)此 電動機(jī)的運(yùn)行特性可分為 起動特性 工作特性 機(jī)械特性和調(diào)速特性 討論各種電動 機(jī)的運(yùn)行特性時 一般都從電勢公式 即轉(zhuǎn)速公式 電勢平衡方程式 轉(zhuǎn)矩公式和轉(zhuǎn) 矩平衡方程式出發(fā) 對于無刷直流電動機(jī) 其電勢平衡方程式為 2 1 acp acp UEIrU 式中 電源電壓 V U 電 樞繞組反電勢 V E 平均電樞電流 A acp I 電樞繞組的平均電阻 acp r 功率晶體管飽和管壓降 V U 對于不同的電樞繞組形式和換向線路形式 電樞反電勢均可表示為 2 2 e EK n 式中 電動機(jī)轉(zhuǎn)速 n minr 反電勢系數(shù) e K minV r 由方程式 2 1 2 2 可知 2 3 eacp acpe nE KUUIrK 在轉(zhuǎn)速不變時 轉(zhuǎn)矩平衡方程式為 2 4 to TTT 式中 電磁轉(zhuǎn)矩 TN mA 輸出轉(zhuǎn)矩 t TN mA 摩擦轉(zhuǎn)矩 0 TN mA 這里 2 5 Tacp TK I 轉(zhuǎn)矩系數(shù) T K N m AA 在轉(zhuǎn)速變動情況下 則有 2 6 0 L TTTJddt 式中系數(shù) 轉(zhuǎn)動部分 包括電動機(jī)本體轉(zhuǎn)子 傳感器轉(zhuǎn)子及負(fù)載 的轉(zhuǎn)動慣量J 2 N n s 轉(zhuǎn)子的機(jī)械角加速度 ddt 2 rad s 下面從這些基本公式出發(fā) 來討論無刷直流電動機(jī)的各種運(yùn)行特性 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 9 1 U 4 U 2 U 3 U 1234 U U U U 1 起動特性 由方程 2 1 2 5 2 6 可知 電動機(jī)在起動時 由于反電勢為零 因此電樞 電流 即起動電流 為 2 nacp IUUr 7 其值可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍 所以起動電磁轉(zhuǎn)矩很大 電動機(jī)可以很 快起動 并能帶負(fù)載直接起動 隨著轉(zhuǎn)子的加速 反電勢E增加 電磁轉(zhuǎn)矩降低 加速 力矩也減小 最后進(jìn)入正常工作狀態(tài) 圖 2 2 機(jī)械特性曲線 2 3 機(jī)械特性和調(diào)速特性 機(jī)械特性是指外加電源電壓恒定時 電動機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系 由方程 式 2 1 2 2 和 2 3 可知 acpacpeacp IUUrnKr 2 8 TacpTacpeTacp TK IKUUrnK Kr 我們知道 式 2 8 等號右邊的第一項是常數(shù) 當(dāng)不計 U的變化和電樞反應(yīng)的影響 時 所以 電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而線性增加 如圖2 2所示 當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時 即 為起動電磁轉(zhuǎn)矩 當(dāng)方程式 2 8 右邊二項相等時 電磁轉(zhuǎn)矩為零 此時的轉(zhuǎn)速即為理 想空載轉(zhuǎn)速 實際上 由于電動機(jī)損耗中可變部分及電樞反應(yīng)的影響 輸出轉(zhuǎn)矩稍稍 偏離直線變化 又因為功率晶體管的飽和管壓降隨著集電極電流的變化而變化 在基 極電流不變時 功率晶體管的飽和壓降和集電極電流之間成正比的關(guān)系 所以 隨著 單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 10 轉(zhuǎn)速的減小 電動機(jī)的反電勢也減小 電樞電流增加 增大 到一定值以后 增加U 較快 所以機(jī)械特性曲線在接近堵轉(zhuǎn) 即轉(zhuǎn)速很低 時 加快下跌 如圖2 2所示 如假定外加直流電壓一定 減小電機(jī)負(fù)載 轉(zhuǎn)速升高 逆變器的觸發(fā)頻率也會提 高 同時反電勢增加 電流減小 電磁轉(zhuǎn)矩也減小 當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時 電機(jī)就維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行 如果負(fù)載不變 提高外加直流電壓 則轉(zhuǎn)速升 高 逆變器的頻率提高 反電勢增大 使電流減小 電磁轉(zhuǎn)矩又呈減小趨勢 這樣就 使電機(jī)維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行 由此可見 由于無刷直流電動機(jī)的自同步性 其調(diào)速方法與有刷直流電動機(jī)非常相似 可通過調(diào)節(jié)直流電壓來實現(xiàn) 又從方程式 2 8 可見 改變電源電壓 可以很容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩 在同一轉(zhuǎn)速下 或 在同一負(fù)載下 如圖2 2所示 所以 在電子換向線路及其他控制線路保持不變的情況下 無刷直流電 動機(jī)調(diào)速性能很好 可以利用改變電源電壓來實現(xiàn)平滑的調(diào)速 這說明無刷直流電動 機(jī)的運(yùn)行特性與普通直流電動機(jī)極為相似 有著良好的控制性能 2 4 無刷直流電動機(jī)的脈寬調(diào)速 本系統(tǒng)采用1200導(dǎo)通電壓型三相逆變器 任一時刻只有兩相通電 因此 無刷直 流方波電動機(jī)的輸出相電壓平均值為對于每相繞組有如下電壓平衡方程式 2 9 11 22 dd UUEI R 其中 2 10 e EC n 式中 為電機(jī)兩端的平均電壓與電流 為回路的等效總電阻 d U d I d U 它包括電機(jī)兩相繞組和橋路開關(guān)管管壓降等的等效電阻 電勢常數(shù) e C 由此得出 2 11 1 2 dde nUI RC 2 12 0 1 21 21 2 d ddav eeem URR nInT CCC C 式 2 12 即為電動機(jī)的機(jī)械特性方程 其中 空載轉(zhuǎn)速 2 13 0 1 2 d e U n C 平均電磁轉(zhuǎn)矩 2 14 davmd TC I 式中 轉(zhuǎn)矩常數(shù) m C 式 2 11 表明無刷直流方波電動機(jī)的速度公式與普通直流電動機(jī)的相同 因此 無 刷直流方波電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過改變平均電壓來調(diào)節(jié) 本系統(tǒng)中的平均電壓 d U 是通過調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比來實現(xiàn)的 此即為無刷直流方波電動機(jī)的脈寬調(diào)速原 d U 1 2 d UU 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 11 理 單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 12 第 3 章 無刷直流電動機(jī)的硬件設(shè)計 永磁無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由80C196MC單片機(jī)控制器 功率變換電路 無刷直流 電動機(jī) 位置及電流傳感器四大部分組成 圖3 1為無刷直流調(diào)速系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖 其中帶有箭頭的線條為信號線及其信號流向 設(shè)計系統(tǒng)時 以電機(jī)本體為一方 控制 裝置為另一方 兩者是密切相關(guān) 不可分割的 本章將討論功率變換器 位置及電流 傳感器 控制器的工作原理和設(shè)計方法 給出上述各個部分的設(shè)計方案 3 1系統(tǒng)組成 無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3 1所示 基本可以分為四大部分 即電機(jī)本體 位置傳感器 主回路和控制回路 3 1 無刷直流調(diào)速系統(tǒng)框圖 1 機(jī)組部分 電機(jī)定子繞組三相四極星形連接 電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場為梯形波 在轉(zhuǎn)軸 上安裝有霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器 在機(jī)座上安裝有三個互差120電角度的霍爾定子位置傳 感器 輸出三個互差1200電角度 脈寬為1800電角度的位置信號 用作系統(tǒng)的位置及速 度檢測 2 主回路部分 主回路主要包括工作電源 整流器 充電限流電阻R 儲能濾波 電容C 和智能功率模塊 IPM 構(gòu)成 單相交流電壓經(jīng)整流二極管模塊整流 大電容 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 13 濾波之后 送到IPM逆變 為典型的交 直 交電壓型變頻器結(jié)構(gòu) 其中的整流器和 IGBT逆變橋都是模塊形式 目都固定在同一片散熱器上 簡化了電路結(jié)構(gòu) 主電路通 過直流斬波器以PWM方式向無刷直流電動機(jī)提供頻率可變的矩形波形驅(qū)動電流 主回路 如圖3 2 圖3 2 無刷直流電動機(jī)主回路 3 控制回路部分 主要80C196MC單片機(jī) 檢測電路 保護(hù)電路和驅(qū)動電路組成 80C196MC是控制部分的核心 它參與整個系統(tǒng)的控制與管理 并用來完成速度 電流 的雙閉環(huán)控制 三路位置信號的邏輯處理以及輸出三相六路的PWM波 檢測電路完成系 統(tǒng)的位置 速度和電流的檢測處理 使系統(tǒng)有機(jī)地運(yùn)行 保護(hù)電路完成系統(tǒng)的過壓 欠壓 過流等各種故障信號自診斷與保護(hù)功能 確保系統(tǒng)能安全可靠地工作 驅(qū)動電路 采用IGBT專用驅(qū)動模智能功率模塊 IPM 整個控制系統(tǒng)我們是采用以80C196MC單片機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng) 80C196MC單 片機(jī)負(fù)責(zé)電流及轉(zhuǎn)速的采樣 并完成控制策略的運(yùn)算 然后輸出控制量 以控制電機(jī) 的轉(zhuǎn)速 80C196MC的控制接線圖見附錄圖1 3 2 單片機(jī)及接口電路設(shè)計 無刷直流電動機(jī)常見的控制器有 C51單片機(jī) DSP 80C196MC單片機(jī)等 我們在這 里選用電機(jī)專用單片機(jī)80C196MC作為調(diào)速系統(tǒng)的控制器 下面是其簡介 8XC196MC單片機(jī)是美國著名的Intel公司推出的最新一代單片機(jī) 它在MCS 96基礎(chǔ) 上結(jié)構(gòu)和功能又有了重大突破 是196系列中功能最為卓著 最具典型意義的一種 Inte18XC196MC特別適合于電動機(jī)等高速控制領(lǐng)域 在美國工業(yè)界受到了普遍的歡迎和 重視 由于它具有性能高 功能全 用戶使用方便等特點 尤其是高速的處理能力和 對交流電的特殊應(yīng)用 因此它必將在我國的數(shù)字控制領(lǐng)域廣泛采用 也將帶來可觀的 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 同時 它是由CHMOS電路構(gòu)成 功耗低 并具有省電的工作方式 所以也適于集成于各種電路中長期使用 可靠性極高 8XC196MC單片機(jī)是屬于INTEL 16位系列的高檔單片機(jī) 它是專為電機(jī)控制而設(shè)計 單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 14 的芯片 特別適用于電機(jī)的控制 下面簡單介紹8XCI96MC單片機(jī)的特色功能 8XC196系列有一個共同的內(nèi)核 即CPU是通用寄存器 寄存器結(jié)構(gòu) CPU操作直 接面向內(nèi)存所有數(shù)據(jù)寄存器 消除了某些單片機(jī)只用累加器作運(yùn)算的瓶頸效應(yīng) 因而 運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)吞吐能力大大提高 8XC196總線控制器可以用程序控制等待時間 這 樣CPU可和其他外設(shè)方便聯(lián)接 總線寬度也可以控制為8位或16位 單片機(jī)的 HOLD HOLDA協(xié)議可以用于多微控制器系統(tǒng) 8XC196MC具有64K字節(jié)的地址空間 它的主要部分包括CPU 幾種類型的存儲器 中斷 7個UO和一些片內(nèi)外設(shè) 其中的片內(nèi)外設(shè)為一個A D轉(zhuǎn)換器 一個事件處理器陣 列 EPA 兩個定時器 TIMERI和TIMER2 一個三相波形發(fā)生器 WFG 和一個脈寬調(diào)制 單元 PWM o 8XC196MC單片機(jī)的最為顯著的特點就是具有一個波形發(fā)生器 WFG 它能產(chǎn)生三對 完美的脈寬調(diào)制信號 因此特別適合于對交流電動機(jī)的控制 也能控制無刷直流電動 機(jī)以及完成直流到交流的轉(zhuǎn)換 這一功能在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景 波形 發(fā)生器 WFG 的每個信號都可獨立編程 具有很大的應(yīng)用靈活性 另外 它還提供了兩 個脈寬調(diào)制單元 PWM 這兩個脈寬調(diào)制器是獨立于波形發(fā)生器之外的 輸出周期和脈 沖寬度可調(diào)的脈沖 每個通道的占空比是通過各自的8位周期寄存器編程的 在脈寬調(diào) 制器內(nèi)還有一個8位計數(shù)器 兩個8位PWM比較寄存器 PWM的輸出由波形發(fā)生器的輸出 控制寄存器控制 PWM信號經(jīng)平滑濾波后 可變?yōu)槟M信號 實現(xiàn)高精度的8位D A轉(zhuǎn)換 SXC196MC單片機(jī)具有很強(qiáng)的AM轉(zhuǎn)換功能 它具有13個通道AM轉(zhuǎn)換器 能夠完成10位或8 位的高速的A D轉(zhuǎn)換 采樣保持時間和轉(zhuǎn)換時間是可編程的 輸入的模擬電壓和模擬地 參考電壓共同完成轉(zhuǎn)化 結(jié)果還用于計算增益和零偏差 零偏差補(bǔ)償電路也是可編程 的 它能夠?qū)崿F(xiàn)偏移的自動調(diào)整 8XCI96MC單片機(jī)的事件處理器陣列EPA具有4種捕捉 比較方式和4種只比較方式 它和TIMERI TIMER2定時器共同完成對高速的輸入輸出事 件的自動管理 兩個定時器能通過內(nèi)部時鐘發(fā)生器定時 定時器1還能用于外部信號源 定時 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中 為了了解控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)和控制 命令 一般都需要設(shè)置人機(jī)交互界面 即鍵盤 顯示器電路 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)所用的鍵盤有編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種 編碼鍵盤除了按鍵外 還包括產(chǎn)生鍵碼的硬件電路 去抖動電路和多鍵串鍵保護(hù)電路 每按下一個鍵 能自 動產(chǎn)生這個鍵的鍵碼 與此同時 產(chǎn)生一個脈沖信號 通知 CPU 接收 這種鍵盤使用 方便 接口程序簡單 但需要較多的硬件 非編碼鍵盤僅由排成行列矩陣形式的按鍵 組成 其大小可在單片機(jī)內(nèi)存范圍內(nèi)進(jìn)行任意設(shè)定 按鍵的作用只是簡單的實現(xiàn)接點 的接通和斷開 鍵的去抖動 鍵的編碼的形成和鍵的識別等均由軟件實現(xiàn) 非編碼鍵 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 15 盤的硬件電路簡單 構(gòu)成所需要組成元件經(jīng)濟(jì) 但程序較復(fù)雜 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)顯示電路一般都采用點陣式或是數(shù)碼管 LED 顯示方法 因為數(shù) 碼管具有既省電 成本低 而且配置靈活 接口方便等優(yōu)點 本系統(tǒng)選用了數(shù)碼管顯 示方法 為了減小 CPU 資源占用率 減少軟件的設(shè)計量 鍵盤和顯示控制模塊選用了 Intel 公司開發(fā)的專用接口芯片 8279 該芯片內(nèi)部有 16 個單元的顯示緩沖區(qū) 能對 顯示器實現(xiàn) 8 個數(shù)字或 16 個數(shù)字的自動掃描顯示 能自動識別鍵盤的鍵號 大大的減 輕了 CPU 的負(fù)擔(dān) 若實現(xiàn)中斷控制則幾乎不占用 CPU 資源 且對 8279 工作方式的修改 只需改變命令字即可實現(xiàn) 8279 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由數(shù)據(jù)緩沖器 I O 控制邏輯 控制和定時寄存器 定時 控制電路 掃描計數(shù)器 回復(fù)緩沖器 鍵盤去抖動及控制電路 FIFO 傳感器 RAM 及其 狀態(tài)寄存器 顯示 RAM 及顯示地址寄存器等部分組成 具體各個部分功能可查閱有關(guān) 資料 8279 采用 40 引腳封裝的雙列直插式器件 除了和一般的可編程芯片一樣有數(shù)據(jù) 線 D0 D7 雙向 三態(tài)總線 數(shù)據(jù)選擇線 A0 0 時 CPU 寫入數(shù)據(jù)為命令字 讀出 為狀態(tài)字 A0 1 時 CPU 讀寫均為數(shù)據(jù) 讀寫控制等信號線外 還有用于掃描鍵盤和 顯示器的掃描線 SL0 SL3 用于對鍵盤矩陣或傳感器矩陣的行 或列 讀入的回復(fù)線 RL0 RL7 以及控制顯示的 2 組顯示信號 OUTA0 OUTA3 和 OUTB0 OUTB3 8279 在 鍵盤工作方式時 當(dāng) FIFO 傳感器 RAM 中有數(shù)據(jù)時 有健按下 可由 TRQ 中斷請求 向 CPU 發(fā)出中斷請求 在接口方面 8279 是通過片選端 數(shù)據(jù)選擇 A0 讀寫控制信號 來CSRDWR 實現(xiàn) CPU 與芯片間命令字或數(shù)據(jù)傳送 單片機(jī)的接口電路如圖3 3所示 3 3 功率變換器的設(shè)計 無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功率變換器 即主回路 由開關(guān)電路組成 系統(tǒng)運(yùn)行時 功率變換器接受控制電路的指令 將系統(tǒng)的工作電源 直流電源或交流整流電源 轉(zhuǎn)換 為無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動電源 功率變換器的設(shè)計包括結(jié)構(gòu)選擇和元件定額估算兩方 面的內(nèi)容 成功設(shè)計的功率變換器應(yīng)能與電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)相匹配 并且有結(jié)構(gòu)簡單 成 本低 運(yùn)行可靠 損耗小 效率高和壽命長等優(yōu)點 3 3 1 系統(tǒng)功率變換器的基本類型 無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功率變換器一般可以分為橋式和非橋式兩大類 它與 電機(jī)不同的電樞繞組結(jié)構(gòu)可組成不同的類型 歸納起來可分為以下幾種 1 多相 三相 及三相以上 星形橋式功率變換器 2 多相封閉形橋式功率變換器 3 多相星形非橋 單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 16 式功率變換器 4 特殊形式功率變換器 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 17 圖 3 3 單片機(jī)接口電路 由于非橋式功率變換器較橋式功率變換器結(jié)構(gòu)簡單 成木低可靠性高 但從無刷 直流電動機(jī)的運(yùn)行性能和電動機(jī)的電樞繞組利用率著眼 則橋式功率變換器均優(yōu)于非 橋式功率變換器 基于此 目前無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)大多都采用橋式逆變結(jié)構(gòu)的 功率變換器 鑒于三相星形橋式功率變換器在方波無刷直流電動機(jī)中的理論研究及應(yīng)用均較為 成熟 故本系統(tǒng)采用三相星形橋式功率變換器電路結(jié)構(gòu) 3 3 2 功率變換器中開關(guān)元件的選擇 從無刷直流電動機(jī)的工作原理分析中 可以得出其對開關(guān)元件的性 能要求有 1 滿足系統(tǒng)電壓 電流值的要求 并有一定裕量 2 盡可能低的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷以后的漏電流 降低系統(tǒng)損耗 3 足夠的安全工作區(qū) 4 盡可能高的開關(guān)速度和盡可能低的開關(guān)損耗 5 盡可能小的驅(qū)動功率 6 盡可能簡單的驅(qū)動電路 使開關(guān)元件及驅(qū)動電路的成本盡可能低 無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的總體成本和運(yùn)行可靠性在很大程度上依賴于功率開關(guān) 元件的價格和工作性能 下面將比較幾種常用開關(guān)元件的工作性能 并選擇既適合于 本系統(tǒng)又能實現(xiàn)上述性能要求的開關(guān)元件 無刷直流電動機(jī)可采用的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件有以下幾種 GTO 可關(guān)斷晶閘管 GTR 大功率晶體管 MOSFET 功率場效應(yīng)管 IGBT 絕緣柵雙極性晶體管 MCT 場控 晶閘管 以及PIC 功率集成電路 GTO是一種門極關(guān)斷的電流控制型的高壓元件 它的許多性能和普通晶閘管SCR相 似 但它具有自關(guān)斷能力 目前其最大伏安容量已達(dá)4500V 3000A或9000V 1000A 它可控制的電流峰值與有效值之比比較高 也提供了在故障條件下超過額定電流值的 可靠關(guān)斷能力 并有較大的安全系數(shù) 它的缺點是其關(guān)斷增益低 需要大功率關(guān)斷驅(qū) 動電路和吸收電路 通態(tài)壓降高和工作頻率低 一般認(rèn)為 GTO元件用于100KVA以上時 是最好的開關(guān)元件 在10 100KVA之間也是主要的競爭者 GTR又稱BJT 雙極晶休管 也是一種電流控制型的雙極雙結(jié)電力半導(dǎo)體元件 由 于它的電流增益差 70年代出現(xiàn)了絕緣型GTR達(dá)林頓模塊 其性能近年來得到了很大的 單片機(jī)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 18 提高 通斷控制方便 導(dǎo)通壓降小 因而允許容量較大 其伏安容量可達(dá)1200V 400A 或400V 1000A 它的缺點是開關(guān)速度低 開關(guān)損耗大 開關(guān)頻率低于5KHz 因而噪聲 較大 安全工作區(qū)小 在開關(guān)期間可能發(fā)生局部過熱的二次擊穿 使器件損壞 過載 能力差 屬于電流控制型器件 需要較大的控制電流 使驅(qū)動功率大且驅(qū)動電路復(fù)雜 增加系統(tǒng)成本 MOSFET是70年代中期才發(fā)展起來的電壓控制型的新型半異體電力電子器件 目前 仍處在加快提高半導(dǎo)體技術(shù)和降低成本的階段 其伏安容量達(dá)到1000V 25A或 500V 150A 這種開關(guān)元件的優(yōu)點是由于它是多數(shù)載流子導(dǎo)電 故不存在少數(shù)載流子的 存儲效應(yīng) 有較高的開關(guān)速度 可以高達(dá)25MHz 具有較寬的安全工作區(qū)而不會產(chǎn)生熱 點 而以它具有正的電阻溫度系數(shù) 易于并聯(lián)使用 具有高可靠性 過載能力強(qiáng) 短 時過載電流一般為額定值的四倍 有較高的開啟電壓 一般為2 6V 因而有較高的噪聲 容限和抗干擾能力 它是電壓控制型器件 具有高輸入阻抗 故驅(qū)動功率小 驅(qū)動電 路簡單而又低廉 可以不帶緩沖器工作 它的缺點是額定工作電壓低 內(nèi)阻大 導(dǎo)通 壓降隨漏極電流的增加線性增大 只適用于高頻小功率的應(yīng)用場合 目前 MOSFET己 廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速 不間斷電源 開關(guān)電源 電子開關(guān) 汽車電器等方面 在高頻 低壓和小功率領(lǐng)域內(nèi)尚無竟?fàn)帉κ?IGBT是在MOSFET和GTR之間取長補(bǔ)短的PNPN四層器件 它相當(dāng)于一個用MOSFET驅(qū)動 的雙極型晶體管 因而兼有MOSFET的高輸入阻抗 高速特性和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面 的優(yōu)點 是一種電壓驅(qū)動型元件 這種開關(guān)元件的優(yōu)點是驅(qū)動功率小 工作頻率高 開關(guān)時間短 與GTR相比 開關(guān)損耗小 寬而穩(wěn)定的開關(guān)安全工作區(qū)以及簡中的驅(qū)動電 路 由IGBT構(gòu)成的變頻器噪聲低 獲得了 靜音式 的美稱目前 IGBT己經(jīng)覆蓋了GTR 的功率范圍 加以驅(qū)動簡單 保護(hù)容易 而成本己逐漸降低到接近GTR的水平 因此在 中 小容量電力電子裝置中用IGBT取代GTR的趨勢已成定局 提高電壓和降低通態(tài)壓降 是發(fā)展IGBT的主要矛盾 1994年的第三代IGBT己達(dá)到 3500V 1 5 2 2 V的水 CE V TM V 平 目前 新一代IGBT的電壓已經(jīng)提高到3 3 4 5KV 而導(dǎo)通電阻仍然較低 根據(jù)它的 特點 開發(fā)者賦予了 注入型增強(qiáng)門極晶體管 這一名稱 MCT即MOS控制晶閘管 這是一種處于前期開發(fā)階段的新型電力半導(dǎo)體器件 它相 當(dāng)于用MOSFET控制的GTO 是一種電壓控制型的開關(guān)器件 這種開關(guān)元件驅(qū)動功率小 開關(guān)頻率與IGBT差不多 不存在二次擊穿的問題 MCT將GTO的高電壓 大電流 低導(dǎo) 通壓降的優(yōu)點和MOSFET的高輸入阻抗 小驅(qū)動功率 快速開關(guān)的特性結(jié)合在一起 構(gòu) 成大功率 耐高壓 快速的全控型電力器件 極有可能取代GTR GTO并逐漸取代SCR用 于高頻大功率領(lǐng)域 可以說 MCT的出現(xiàn)對功率電力電子器件來說是一次革命 將在電 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 19 力電子器件中成為強(qiáng)有力的競爭對手 PIC是 電力電子器件技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物 其根本特征是使動力與信息 結(jié)合 成為機(jī)和電的接口 是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)元器件 它是將電力電子器件和驅(qū)動 電路 保護(hù)電路 檢測電路 甚至與微機(jī)的接口電路等都集成在一個芯片內(nèi) 故稱作 功率集成電路 也稱作智能功率集成電路 由于PIC是將多種功能集成于一身 故可以 使整個裝置的可靠性大幅度地提高 而且具有設(shè)備體積小 材料省 功能多 成本低 等很多優(yōu)點 免去用戶設(shè)計或選用不同驅(qū)動電路與保護(hù)電路的麻煩 使用起來大為方 便 成為電力電子學(xué)領(lǐng)域最吸引人的發(fā)展分支 制造PIC的主要技術(shù)困難是高 低壓電 路之間的絕緣問題和溫升與散熱的有效處理問題 日前的產(chǎn)品只達(dá)到低壓小功率水平 采用表面貼裝技術(shù)制成的混合功率模塊 如智能功率模塊IPM Intelligent Power Module 等 作為PIC的過度產(chǎn)品 已在交流變流器中大量應(yīng)用 本系統(tǒng)的功率開關(guān)元件采用集MOSFET和GTR的優(yōu)點于一身的IGBT電機(jī)專用驅(qū)動芯片 智能功率模塊 IPM 下節(jié)介紹IPM 3 3 3智能功率模塊 IPM 根據(jù)我們使用的電動機(jī)的情況 控制技術(shù)采用脈寬調(diào)制技術(shù) PWM 技術(shù) 方 波電流驅(qū)動 主電路功率開關(guān)管器件采用以絕緣柵控雙極型晶閘管 IGBT 為核心的智 能功率模塊 簡稱 IPM 下面介紹和分析單電源 IPM 饃塊的結(jié)構(gòu)特點及其工作原理 隨著電力電子技術(shù) 計算機(jī)技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展 變頻調(diào)速 系統(tǒng)趨向數(shù)字化和高集成度方向發(fā)展 傳統(tǒng)的分立元器件逐漸被高可靠性的集成元器 件所代替 一方面可以減少設(shè)計電路的元器件的數(shù)量 提高設(shè)計效率和縮短開發(fā)周期 另一方面 可以大大提高系統(tǒng)的可靠性 因此 集成元器件的應(yīng)用越來越廣泛 由于 其體積小 集成功能多 成本低 可靠性