無刷直流電動構(gòu)造原理與應用

1、1 緒論1.1 直流無刷電動機發(fā)展狀況電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應用范圍已經(jīng)遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，電動機主要類型有同步電動機、異步電動機與直流電動機三種。直流電動機具有運行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，因此被廣泛應用于各種調(diào)速系統(tǒng)中。但傳統(tǒng)的直流電動機均采用機械電刷的方式進行換向， 存在相對的機械摩擦， 和由此帶來的噪聲、 火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點。因此，早在1917年，bulgier就提出了用整流管代替有刷直流電機的機械電刷，從而誕生了無刷直流電機( bldcm: brushless directcurrent motor) 的基本思想。1955年，美國d harrison

2、等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電機機械電刷的專利，標志著無刷直流電機的誕生。1978年，原聯(lián)邦德國mannesmann 公司的indramat分部在漢諾威貿(mào)易展覽會上正式推出其mac永磁無刷直流電機及其驅(qū)動系統(tǒng)，標志著永磁無刷直流電機真正進入了實用階段。二十世紀 80年代國際上對無刷電機開展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波無刷直流電機，在10多年的時間里，無刷直流電機在國際上己得到較為充分的發(fā)展。現(xiàn)代電力電子器件工藝日臻成熟，出現(xiàn)了功率晶體管( gtr) 、可關(guān)斷晶閘管( gto) 、功率場效應晶體管( mosfet) ，特別是絕緣柵雙極晶體管(igbt ) , mos可控晶閘

3、管(igct)的開發(fā)成功，使無刷直流電機功率驅(qū)動電路的可靠性和穩(wěn)定性得到保障。直流無刷電動機的發(fā)展也使得傳統(tǒng)的電機學科同當代許多新技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。隨著大功率半導體器件、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、 數(shù)字信號處理技術(shù)、 現(xiàn)代控制理論的發(fā)展以及高性能永磁材料的不斷出現(xiàn)，如今的無刷直流電機系統(tǒng)己經(jīng)成為集特種電動機、功率驅(qū)動器、檢測元件、控制軟件與硬件于一體的典型的機電一體化產(chǎn)品，體現(xiàn)了當今工程科學領(lǐng)域的許多最新成果。1.2 直流無刷電機控制技術(shù)的發(fā)展常規(guī)控制器(pid控制)盡管控制精度較高，但它需要建立描述動態(tài)系統(tǒng)的精確的數(shù)學模型， 對于未知動態(tài)變化的系統(tǒng)要建立精確的數(shù)學模型是比較困難的。 比如干

4、擾、 參數(shù)漂移和噪聲等不可能在很高的精度下進行模型化。直流無刷電機是一個多變量、非線性、強耦合的對象，因此利用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、自適應控制、專家系統(tǒng)等具有自學習、自適應、自組織功能的智能控制來進行無刷直流電機的控制是一種有效的手段，控制器的計算和存儲能力的不斷增強也 為這些先進控制算法的實現(xiàn)提供了有利的條件。直流無刷電動機控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了如下的發(fā)展過程：(1) 無位置傳感器控制對于無刷電動機，由于它具有體積、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、運行可靠的優(yōu)點所以備受歡迎。但是無刷電動機要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，就要實時的檢測出轉(zhuǎn)子的位置實現(xiàn)正確換相。 所以位置的檢測和換相技術(shù)的研究是直流無刷電動機控制目前的

5、一個方面。最常用的方式是采用傳感器的方式。這種方式可以正確的檢測轉(zhuǎn)子位置信號，但是由于傳感器的安裝不僅會使電機的體積增大，而且傳感器也難于安裝和維修。因此無傳感器的傳動控制引起國內(nèi)外學術(shù)界很大的重視，成為近年的研究熱點。(2) 變結(jié)構(gòu)控制由無刷電機組成的控制系統(tǒng)，為了提高它的控制性能，人們也在使用一些新型的控制策略。 變結(jié)構(gòu)控制由于具有響應速度快、 對控制對象參數(shù)變化及外部擾動不靈敏、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，人們開始將直流無刷電機采用變結(jié)構(gòu)控。(3)模糊控制和pid相結(jié)合的fuzzy-pid控制在控制系統(tǒng)中，如何在較寬調(diào)速范圍內(nèi)提高電流調(diào)節(jié)特性以及減小力矩波動一直是系統(tǒng)研究的焦點。模糊控制是近年來

6、研究的熱點，它不依賴于被控對象的精確的數(shù)學模型，對系統(tǒng)的動態(tài)響應有較好的魯棒性；pid控制方法可以很好的消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，所以人們將兩者結(jié)合也用于直流無刷電機的控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)同時兼有兩種方法的優(yōu)點。采用fuzzy-pid復合控制，系統(tǒng)具有fuzzy和pid控制的雙重優(yōu)點，響應快, 速度無超調(diào)，調(diào)速范圍寬，可達1:10000 ，定位精度高，在不同的負載下具有較強的魯棒性。2 直流無刷電動機的工作原理2.1 直流無刷電動機的結(jié)構(gòu)與原理直流無刷電動機的結(jié)構(gòu)原理如圖 2-1 所示 。圖2-1直流無刷電動機的結(jié)構(gòu)原理圖從圖2-1可見直流無刷電動機組件主要由電動機本體、 位置傳感器和電子開關(guān)線路 三部

7、分構(gòu)成。其定子繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成。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它起動裝置。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對數(shù)（zp=2, 4）組成。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)接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn) 軸相聯(lián)接。當電子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子磁極所產(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)子磁鋼位置信號變換成電信號，去控制電子 開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按 一定的次序換相。因此平常所說的直流無刷電動機，就其基本結(jié)構(gòu)

8、而言，可以認為是一臺由電子開 關(guān)線路、電動機本體及位置傳感器三部分組成的電動機系統(tǒng)。直流無刷電動機的組成 原理框圖如圖2-2所示直流無刷電動機電子開關(guān)線路用來控制電動機定子上各相繞組通電的順序和時 問，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部分組成。功率邏輯開關(guān) 單元是控制電路的核心，它的功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給直流無刷電動機定子上各相繞組，以便使直流無刷電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩，而各相繞組導通 順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號，但位置傳感器產(chǎn)生的信號一般不能直 接用來控制功率單元，常需要經(jīng)過一定的邏輯處理后才能去控制功率單元。與有刷直 流電動機區(qū)別的是：有刷直

9、流電動機必須有一個滑動的接觸機構(gòu)一電刷和換向器，通 過它們把電流反饋給旋轉(zhuǎn)著的電樞。綜上所述，構(gòu)成直流無刷電動機的主要部件框圖如圖2-3所示。直流無刷電動機圖2-3直流無刷電動機的組成框圖傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器2.2 三相繞組直流無刷電動機控制主回路的基本類型直流無刷電動機的應用，己遍及各個技術(shù)領(lǐng)域其控制方法和運行方式也層出不窮， 其他一切直流電動機的轉(zhuǎn)速控制方法均可以用來控制直流無刷電動機。前己指出，直 流無刷電動機實際上是一個由電動機本體，功率管、主回路及轉(zhuǎn)子磁鋼位置傳感器等 部分組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了討論方便起見把功率管主回路和轉(zhuǎn)子磁鋼位置傳感器 合并在一起稱之為電子換相器，其主要功能是

10、保證電動機定子繞組準確換相，確保直 流無刷電動機在運行過程中定轉(zhuǎn)子兩磁場始終保持基本垂直，以提高運行效率。因此 根據(jù)功率管主回路的不同和換相控制器件的不同也就派生出了諸多典型控制電路。主 要有以下幾種：分立元件全模擬電路；專用集成控制電路；數(shù)模混合控制電路; 全數(shù)字控制電路。其中全模擬電路在無刷直流電動機中曾被廣泛應用，目前在許多 經(jīng)濟實用型的無刷直流電動機中仍占著主導的地位。但是，由于模擬電路不可避免的 存在參數(shù)的漂移和不一致問題，以及線路復雜，調(diào)試不方便等因素，因而使電動機的 可靠性和其它性能受到影響。至于什么情況下選用什么樣的控制電路則應根據(jù)對電路 的精度要求與實際條件確定。2.3 直流

11、無刷電動機控制系統(tǒng)中的 pwm 控制器晶閘管變流器構(gòu)成的直流調(diào)速由于其線路簡單控制靈活、體積小、效率高以及無旋轉(zhuǎn)噪聲和無磨損等優(yōu)點，在一般工業(yè)應用中，特別是大功率系統(tǒng)中一直占據(jù)著主要的地位。但是當系統(tǒng)運行在較低速時，晶閘管的導電角很小，系統(tǒng)的功率因數(shù)相應也很小，并產(chǎn)生較大的諧波電流，使轉(zhuǎn)矩脈動大，限制了調(diào)速范圍。要克服上述問題必須加大平波電抗器的電感量，但電感大又限制了系統(tǒng)的快速性，此外，功率因數(shù)低，諧波電流大，還將引起電網(wǎng)電壓波形畸變，變流器設(shè)備容量大，還將造成所謂的“電力公害”，在這種情況下必須增設(shè)無功補償和諧波濾波裝置。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可控關(guān)斷的即自關(guān)斷電力電子器件，即全控

12、式器件。如大功率晶體管( gtr) 、電力場效應晶體管(power mosfet) 、可關(guān)斷晶閘管(gto)、mos控制品閘管(mct)、絕緣柵門極控制晶體管(igbt)等自關(guān)斷器件，采用全控型開關(guān)器件很容易實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制，與半控型開關(guān)器件晶閘管變流器相比，體積可縮小百分之三十以上，裝置效率高，功率因數(shù)高。同時由于開關(guān)頻率的提高，直流脈沖寬度調(diào)制(pwm-em)調(diào)速控制系統(tǒng)與v m調(diào)速控制系統(tǒng)相比，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗和發(fā)熱都較小，低速性能好，穩(wěn)精度高，系統(tǒng)通頻帶寬，快速響應性能好，動態(tài)抗擾能力強。直流無刷電動機是以電子換向線路和轉(zhuǎn)子位置檢測器代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電動機的機械換向裝置而組成

13、的新型電機。下面結(jié)合直流無刷電動機和pwm控制技術(shù)的特點來分析 直流無刷電動機中的pwm控制系統(tǒng)。脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation)簡稱pwm,它是通過功率管開關(guān)作用將恒定直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率一定， 寬度可調(diào)的方波脈沖電壓， 通過調(diào)節(jié)脈沖電壓的寬度，改變輸出電壓的平均值的一種功率變換技術(shù)。由脈沖寬度調(diào)制變換器向電動機供電的系統(tǒng)稱為脈沖寬度調(diào)制調(diào)速控制系統(tǒng)，簡稱pwm 調(diào)速系統(tǒng)。由于pwm 控制器的主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，因此控制器的損耗小，效率高。直流無刷電動機pmw控制器可分成兩大部分：控制電路和逆變主電路。pwm控制系統(tǒng)的控制電路由脈寬調(diào)制器、邏輯延時環(huán)節(jié)、脈沖分

14、配和功率管驅(qū)動電路、保護電路等基本電路組成。pmw控制系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱 pmw變 換器。pmw變換器分為不可逆和可逆兩類。不可逆pwm變換器僅在一、二兩個象限中運行，可逆pmw變換器則可在四個象限中運行，工作于正轉(zhuǎn)電動、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)電動和反轉(zhuǎn)制動四種狀態(tài)，因而，伺服系統(tǒng)中多采用可逆pmw變換器?？赡鎝mw變換器常用h型橋式變換器結(jié)構(gòu)型式，它在控制上分為雙極式、單極式和受限單極式三 種。3 直流無刷電動機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型以三相 y 形聯(lián)結(jié)的直流無刷電動機為例，來分析直流無刷電動機的數(shù)學模型。首先來研究直流無刷電動機的等效直流電機模型。直流無刷電動機是由一組變流器，一臺同

15、步電機和一個轉(zhuǎn)子位置檢測器所組成，而這個變流器和一般變流器不同，它受控于轉(zhuǎn)子位置檢測器，是一個所謂自控式逆變器。它有三個固定的轉(zhuǎn)子位置檢測元件a、b、c。這些位置檢測元件受裝在轉(zhuǎn)子軸上的一個位置檢測裝置控制，當某一檢測元件被激勵時，該元件就會產(chǎn)生信號去觸發(fā)相應的開關(guān)管：使電流在相應的時刻輸入到對應的電機電樞繞組中去。由于位置檢測裝置是和磁極一起旋轉(zhuǎn)的，它們之間的相對位置是固定的。所以當開始激勵某一位置檢測元件（例如元件a） 時，磁極的軸線和相對應的繞組 （a 相繞組）的軸線之間必然相差一個特定的角度。這時由位置檢測元件 a 所產(chǎn)生的信號觸發(fā)相應的開關(guān)管，使電流輸入到 a 相繞組，這個電流相對于

16、電機空載內(nèi)電勢的相位也是固定的。同樣當開始激勵檢測元件 b、 c 時，磁極的軸線與b、 c 相繞組的軸線也相差同樣的一個特定的角度，輸入到 b 相繞組的電流與內(nèi)電勢之間也保持著同樣的相位差。這樣，轉(zhuǎn)子位置檢測器決定著電樞電流的相位，以及電樞磁勢在空間的分布。改變位置檢測元件的相對位置，可以改變位置檢測元件產(chǎn)生信號的先后，也就是改變開關(guān)管觸發(fā)的相位，從而改變電樞繞組中電流對電勢的相位差和電樞反應磁勢對磁極的相對位置。直流無刷電動機的電樞電流是受轉(zhuǎn)子位置檢測器控制的。 每當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一對磁極，電機中的電流，也就是逆變器的輸出將相應的變化一個周期。這種輸出頻率受電機本身轉(zhuǎn)速控制的逆變器就叫做自控式逆變

17、器，所以直流無刷電動機又被稱為自控式同步電機。直流電機電樞繞組中感應的電勢和實際通過的電流其實是交變的。從電樞繞組和定子磁場之間的相互作用來看，它實際上就是一臺同步電機，這個同步電機和直流電源之間是通過換向器和電刷把它們聯(lián)系起來的。在電動機的情況下，換向器就起著逆變器的作用，它把電源的直流電逆變成交流電送入電樞繞組。直流電機中的電刷不僅起著引導電流的作用，而且由于電樞導體在經(jīng)過電刷所在位置時，其中的電流要改變方向，所以電刷的位置決定著電機中電流換向的位置。這就是說，直流電機的電刷 起著電樞電流換向位置的檢測作用，它和位置檢測器一樣，決定著電樞磁勢的分布， 見圖3-1。圖3-1電刷的位置檢測作用

18、在分析了直流電機中電樞、換向器和電刷的作用以后，把它和直流無刷電動機相 比，其實直流無刷電動機和直流電機一樣。只是普通直流電機中加的是一個機械的逆 變器一換向器，而直流無刷電動機是用開關(guān)管組成的半導體逆變器。直流電機中用以 控制換向發(fā)生地點的電刷，在直流無刷電動機中是用位置檢測器來代替的，盡管二者 構(gòu)造不同，但它們所起的作用卻是完全相同的。目前常用的直流無刷電動機一般由三相永磁同步電機加一套逆變器組成。這相當 于一臺有三個線圈，三個換向片的直流電機，所以直流無刷電動機的等效直流電機模 型可如圖32所示。圖3-2直流無刷電動機的直流電機模型3. 1直流無刷電動機的基本方程假設(shè)磁路不飽和，不計渦流

19、和磁滯損耗，三相繞組完全對稱，則三相繞組的電壓平衡方程式可表示為:uar0 0ub0r 0uc00rclmmiaeamlm p ibebmmliceccc(31)式中:ua ub uc 定子繞組相電壓（v）iaibic定子繞組相電流（a）ea eb ec 定子繞組相電動勢（v）p微分算子p dtl 每相繞組的自感（h）m 每兩相繞組間的互感（h）由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子的位置變化而變化，因此，定子繞組的自感和互感為常數(shù)當三相繞組為y連接，并且沒有中線時，則有：ia + ib + ic =0(33)(32)m ib+m ic = m ia將式（3 2）和式（33）代入式（3 1）,得到電壓方程式為:

20、uaub ucra00rb0000rc(34)td電磁轉(zhuǎn)矩為:-（eaia ebibecic )35)式中:電動機的角速度（rad/917在通電期間，直流無刷電動機的帶電導體處于相同的磁場下，各相繞組的感應電 動勢為：mn(36)e pmnemcc30式中:pm-一極對數(shù)總導體數(shù)主磁通n電動機轉(zhuǎn)速從變頻器的直流端看，y型聯(lián)結(jié)的直流無刷電動機感應電動勢 e。由兩相繞組經(jīng)逆變器串聯(lián)組成，所以有ed =2 em pmn- mn15因此，電磁轉(zhuǎn)矩表達式可化為:t 2emid 4pmnitdmi dn(37)(38)式中：id 方波電流的幅值電機的角速度2由式(3-8)可以看出，直流無刷方波電機的電磁轉(zhuǎn)

21、矩表達式與普通直流電機相同, 其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流的幅值成正比，所以控制逆變器輸出方波電流的幅值即可控制直流無刷方波電機的轉(zhuǎn)矩。另外電動機轉(zhuǎn)子的運動方程為:td* bti(39)進一步化簡可得:ddt(310)式中：tl 負載轉(zhuǎn)矩j 轉(zhuǎn)子與負載的轉(zhuǎn)動慣量b粘滯阻尼系數(shù)由于本系統(tǒng)采用120。導通電壓型三相逆變器，任一時刻只有兩相通電，直流無 刷方波電機的輸出相電壓幅值為下動態(tài)電壓平衡方程式：1 di“u -us id ra ladd e(3-11)2 dt式中：us電源電壓忽略粘性摩擦，電動機的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：md ml2gd * dn * _375 dt(312)定義下列時間常數(shù)：tl

22、亙電磁時間常數(shù)2t gd2 ram375 cg由式（3-12）可得:.tm deid ilm-ra dt(313)對式（3-11）和式（3-13）兩邊分別進行拉式變換后得:1id(s)ra1us(s) e(s)tls 12eg)roid(s) il(s)紊(314)(3-15)聯(lián)合式（314）和式（315）,并考慮到e cen,得到直流無刷方波電機的動態(tài)結(jié) 構(gòu)圖，如圖3-3所示。3. 2直流無刷電動機控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型本文所用的電動機為直流無刷電動機，其主要技術(shù)參數(shù)為：磁極數(shù)：12工作電壓（v）: 46相數(shù)：3連堵力矩（n m） : 2.40電機兩端電阻（）：1.81電機兩端電感（mh）

23、: 5.1連堵力矩時的電流（a）: 5.42峰值力矩時的電流（a）: 25.3電勢常數(shù)（v/rpm） : 0.0484轉(zhuǎn)矩常數(shù)（n m/a） : 0.462空載轉(zhuǎn)速（rpm） ： 900機電時間常數(shù)（s） : 0.13將代入q, tl, tm, ce直流無刷電動機的動態(tài)數(shù)學模型，則直流無刷電動機的動 態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示。圖3-4直流無刷電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖pwm6制器的傳遞函數(shù)為:(316)g (c)kpwmgpwm (s)一 )tss 1其中:k u uskpwmuc ucc46 4.610(317)由于pwm的開關(guān)頻率為f=20khz,因此(318)153 5 10 5(s)20 103所

24、以:gpwm 4.60.00005 s 1(319)本系統(tǒng)速度檢測可認為是比例環(huán)節(jié)，從負載軸檢測，其比例系數(shù)為:kfnufn8一一一0.516(320)本系統(tǒng)電流檢測也可認為是比例環(huán)節(jié)，具比例系數(shù)為:kftuft0.333330(321)usc(s)uftfs 1pi調(diào)節(jié)器的輸入電路為兩個t型濾波器，作為給定信號與反饋信號濾波(322) 一一 r _1-1 一 一 一其中：kp,rd rcg,tf rcf,可取 cgcf&g40g4g以上介紹了無刷直流電動機的基本方程，且建立了無刷直流電動機的數(shù)學模型，并分析了無刷直流電動機的運行特性，進而推出了無刷直流電動機傳遞函數(shù)，以及pwm 控制器和pi

25、調(diào)節(jié)器參數(shù)。4硬件電路第2章我們介紹了無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)與原理，根據(jù)無刷直流電動機的原理設(shè)計了直流無刷電動機控制系統(tǒng)，具原理框圖如圖 4-1所示。圖4-1系統(tǒng)控制框圖4.1主電路主電路開關(guān)器件的選擇，其主要依據(jù)是所要設(shè)計系統(tǒng)的功率等級，一般來說，開關(guān)期間的額定耐壓值應不小于2倍的直流側(cè)最大電壓，主開關(guān)器件的額定工作電流應不 小于23倍電路的額定工作電流。我們實驗中所設(shè)計的額定直流電壓為50v,其額定電流不超過15a,所以是小功率樣機，在實驗中我所選取的開關(guān)器件為igbt,其型號為bsm100gb120dnz,額定耐壓為1200v,其集電極最大電流為150a,足以滿足實驗 的要求。圖4-2電流

26、型逆變電路控制電用板exb841泰動信號過由旅保貨輸出圖4-3 exb系列驅(qū)動器的典型應用線路就耦合器首先，1415引腳為觸發(fā)脈沖輸入，由于內(nèi)部有光電隔離，所以，它具有很好的隔離功能。如果在14, 15腳之間輸入10ma的電流，則光耦打開，這樣就能夠產(chǎn)生觸發(fā)信號。除了隔離和觸發(fā)功能以外，exb841內(nèi)部集成了過電流保護功能，對應的引腳是4, 5, 6。6腳一般接于igbt的集電極，當發(fā)生過流時，集電極為高，則 5腳變成低，可以以此信號經(jīng)隔離，作為過電流信號。但是，對于過電流時間小于10 s的情況，exb841 采取了慢關(guān)斷，可以避免關(guān)斷時產(chǎn)生過電壓尖峰，使igbt 擊穿。 exb841 的輸出

27、是采用推挽輸出的形式，這樣可以增加驅(qū)動功率，使 igbt可靠導通，并且內(nèi)部電 路具有負電壓關(guān)斷的功能，使igbt 可靠關(guān)斷。本文所采用的驅(qū)動電路原理圖如圖4 3所示。在設(shè)計exb814電源的時候，最好是每個exb814對應一個電源，這樣，可以消除因電源之間的耦合對觸發(fā)可靠性的影響。 但在本設(shè)計中， 采用了4個電源，每個橋臂上面的開關(guān)管都有自己的電源，而每個橋臂下面的開關(guān)管共用一個電源，這樣做也是可行的，因為在實際的電路中，每個橋臂下面的開關(guān)管本來就是共地的。由于 exb841 的工作電源是20v ，所以，在設(shè)計電源的時候，我們首先利用變壓器將220v 交流電降壓，然后經(jīng)過二極管整流，最后用集成

28、穩(wěn)壓電源mc7820,得到了 20v直流電。另外，在exb841電路中，我們需要注意的是igbt的觸發(fā)線一定要用雙絞線的形式，而且， 線不能太長。利用exb814作為驅(qū)動模塊時，應注意需另外設(shè)置過電流保護電路，exb841的保護功能只能作為輔助保護，主保護還需對其電流進行采樣，然后利用比較電路來產(chǎn)生 過電流信號，因為短路或者過電流時，一般都需要盡快的通知控制器，能夠使控制器盡可能快的采取相應的操作，雖然exb841 具有短路保護功能，但是動作時間不確定，其可靠性有待提高。4.2 換相電路換相電路主要由電動機換相專用芯片 lm612 來實現(xiàn)。 無刷電動機與一般直流電動機的區(qū)別是無換向電刷，所以需

29、要單片機控制電子開關(guān)線路的通斷去控制電動機的換相。 電動機的轉(zhuǎn)向由 lm621 的引腳 2來控制， 位置傳感器采樣回來的霍爾信號接在6，7 引腳上， 17 腳的 pwm_en 端接在電流測量電路的與門的輸入端。如果要用單片機控制換向操作使電機轉(zhuǎn)下去，這時，單片機大部分時間花在換相工作中，同時還要監(jiān)視用戶界面，控制調(diào)速和轉(zhuǎn)向操作，因此負擔較重。如果使用專用集成電路則可以大大減輕單片機工作，騰出時間進行通訊，檢測，故障診斷等其他工作。用于無刷直流電動機的專用芯片有很多種，它們大多是針對有霍爾式位置傳感器的三相無刷直流電動機而設(shè)計的。它們大多具有換向功能，pwm調(diào)速功能，轉(zhuǎn)向控制功能，制動控制功能，

30、電動機相數(shù)和工作方式選擇功能，保護功能（如限流保護，欠壓保護，過熱保護等） 。有些芯片還集成了驅(qū)動電路，可以方便地驅(qū)動小功率無刷直流電動機。本課題采用的是專用集成電路 lm621 ,下面介紹一下它的工作原理lm261專用集成電路芯片專用與三相或四相無刷直流電動機的控制。三相無刷直 流電動機可以選擇全橋或半橋驅(qū)動，角形或星形聯(lián)結(jié)方式；四相無刷直流電動機采用 半橋驅(qū)動。它的輸出端提供35ma基極電流，可以直接驅(qū)動雙極型功率晶體管； 要求電 動機使用霍爾式位置傳感器；可以直接與外部 pwm信號接口，實現(xiàn)調(diào)速功能；有轉(zhuǎn)向 控制功能：有死區(qū)調(diào)節(jié)功能，有過流保護功能和欠壓保護功能。lm261芯片采用雙列直

31、插式封裝，有18個引腳。欠壓封鎖電路用于對vcc1進行監(jiān)視，如果電壓過低則立即關(guān)閉輸出。典型動作電 壓為+3.6v。通過引腳17,外部也能控制輸出封鎖。死區(qū)的作用是避免上，下橋臂開關(guān)管出現(xiàn)直通現(xiàn)象。這種直通現(xiàn)象出現(xiàn)在開關(guān)管 開”與 關(guān)”的延時過程中，以及突然改變轉(zhuǎn)向的過程中。通過引腳4與外接rc振蕩電路，為死區(qū)時間發(fā)生器提供振蕩時鐘，因此，死區(qū)的 時間應該是振蕩周期的兩倍。振蕩周期 tclk( s)可由下式計算。tclk (r+1k )c 0.756 10-3(41)可根據(jù)實際需要確定死區(qū)時，從而計算所需要的 r值和c值。圖4-4 lm621接線圖由圖可看出死區(qū)時間發(fā)生器輸出一個死區(qū)信號 oe

32、,它通過換相譯碼電路實現(xiàn)死區(qū)功能。來自引腳2的正反轉(zhuǎn)控制信號也通過死區(qū)時間發(fā)生器，并產(chǎn)生一個延時后的轉(zhuǎn)向 信號dir輸出，來保證轉(zhuǎn)向的狀態(tài)變化是在死區(qū)時間內(nèi)進行的。換相譯碼電路將來自霍爾傳感器的信號和引腳 8 的信號轉(zhuǎn)化成控制開關(guān)管的換向信號。lm612通過外接igbt組成全橋驅(qū)動電路。引腳8接高電平，表示采用30間距角，二二導通方式的換向邏輯進行驅(qū)動。 引腳 3也接高電平，表示使用死區(qū)功能， 死區(qū)時間設(shè)計為4.8 so電路設(shè)有過流保護功能，當電流在電阻 r上的壓降等于給定電壓u0時，比較器輸出低電平，使與非門輸出高電平lm621 封鎖輸出，起到保護作用。單片機74hc273通過與非門和lm6

33、12對電動機進行調(diào)速控制。通過單片74hc273來控制電動機的轉(zhuǎn)向。 由于大部分控制工作交給了 lm621 完成， 單片機只在調(diào)速和改變轉(zhuǎn)向時才進行干預，所以單片機有充裕的時間做其他工作。5 軟件部分設(shè)計第 4 章我們己經(jīng)完成了對系統(tǒng)的硬件設(shè)計， 這些硬件電路要靠軟件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)才能正常的工作。 在一個控制系統(tǒng)中， 承擔執(zhí)行任務的都是硬件電路， 而給硬件電路發(fā)送執(zhí)行命令的應該是軟件系統(tǒng)， 軟件系統(tǒng)告訴了硬件電路該怎么樣執(zhí)行， 什么時候執(zhí)行， 執(zhí) 行到什么程度。這一章我們對軟件系統(tǒng)做總體的介紹。5. 1 軟件總體構(gòu)成本無刷直流電動機控制系統(tǒng)軟件主要完成以下功能：(1) 電機轉(zhuǎn)向的判斷。電機具有正轉(zhuǎn)

34、及反轉(zhuǎn)兩種旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)s1 的按鍵值不同決定電機的運行方向(2) 測量電機的實際轉(zhuǎn)速(3) 進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。使電機實際轉(zhuǎn)速能夠跟隨給定值變化，并且能夠穩(wěn)定行；(4) 檢測電機是否過流。 當系統(tǒng)出現(xiàn)過流時能夠及時進行處理， 關(guān)斷開關(guān)管， 停止電機運行，保護電機的安全；(5) 2 主程序的設(shè)計一般軟件系統(tǒng)中只有一個主程序，主程序貫穿整個系統(tǒng)執(zhí)行過程，它就象是一個平臺，起著組織和調(diào)度的作用，另外，它應該完成系統(tǒng)運行初期的初始化操作，而且在系統(tǒng)復位以后，應該從主程序開始執(zhí)行，我們所設(shè)計的主程序塊是以系統(tǒng)工作的路線為執(zhí)行路徑，它包括初始化，讀取給定，顯示給定，起動，運行幾個大的模塊，我們可以看出，主程序

35、只完成了系統(tǒng)的初始化操作，除此之外，它只是把我們程序的模塊組合在一起，使各個模塊成為一個有機的整體。主程序的流程圖如圖 5-1 所示。圖5-1主程序流程圖在主程序中主要完成的內(nèi)容有軟件參數(shù)初始化，電機起制動判斷，電機起制動控 制，電機正反轉(zhuǎn)判斷，速度顯示等。(1)系統(tǒng)參數(shù)初始化。主要是設(shè)定一些變量值，口位，和對定時器/計數(shù)器工作模式等進行設(shè)定。(2)電機起動制動控制。判斷s1鍵值，若為起動狀態(tài)，則系統(tǒng)進入工作狀態(tài)，電 機開始運行；當s1剛開始沒有變化時，則繼續(xù)等待，直到檢測到 s1的鍵值為起動狀 態(tài)；若電機正常轉(zhuǎn)動過程中檢測到 s1的鍵值為制動狀態(tài)，則lm621芯片發(fā)出控制信 號，使電動機停止轉(zhuǎn)動。(3)電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制，電機正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)選擇是由 s2鍵值的選