基于單片機(jī)的無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)講解

1、隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率器件的不斷出現(xiàn)，采用 全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈沖調(diào)制(paulse width modulation,簡(jiǎn)稱pwm)控 制的無刷直流電機(jī)已成為主流。隨著半導(dǎo)體工業(yè)，特別是大功率電子器件及微控 制器的發(fā)展，變速驅(qū)動(dòng)變的更加現(xiàn)實(shí)且成本更低。本文充分利用單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算快、外圍電路少、系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、 可靠的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)使得無刷直流 電機(jī)的組成簡(jiǎn)化和性能的改進(jìn)成為可能，有利于電機(jī)的小型化和智能化。(一)電機(jī)的分類電機(jī)按工作電源種類可分為：1 .直流電機(jī)(1)有刷直流電機(jī)永磁直流電機(jī) 稀土永磁直流電動(dòng)機(jī) 鐵氧

2、體永磁直流電動(dòng)機(jī) 鋁銀鉆永磁直流電動(dòng)機(jī)電磁直流電機(jī) 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)(2)無刷直流電機(jī)稀土永磁無刷宜流電機(jī)2 .交流電機(jī)(1)單相電動(dòng)機(jī)（2）三相電動(dòng)機(jī)（二）無刷直流電機(jī)及其控制技術(shù)的發(fā)展1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，奠定了現(xiàn)代電機(jī)的基本理論基礎(chǔ)。 從19世紀(jì)40年代研制成功第一臺(tái)直流電機(jī)，經(jīng)過大約17年的時(shí)間，直流電機(jī) 技術(shù)才趨于成熟。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)宜流電機(jī)的要求也就越來越高，有接 觸的機(jī)械換向裝置限制了有刷直流電機(jī)在許多場(chǎng)合中的應(yīng)用。為了取代有刷直流 電機(jī)的電刷一換向器結(jié)構(gòu)的機(jī)械接觸裝置，人們?cè)鴮?duì)此作過長(zhǎng)期的探索。1915 年，

3、美國(guó)人langnall發(fā)明了帶控制柵極的汞弧整流器，制成了由直流變交流的 逆變裝置。20世紀(jì)30年代，有人提出用離子裝置實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定子繞組按轉(zhuǎn)子位 置換接的所謂換向器電機(jī)，但此種電機(jī)由于可靠性差、效率低、整個(gè)裝置笨重乂 復(fù)雜而無實(shí)用價(jià)值。科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶來了電力半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍。開關(guān)型晶體管的研 制成功，為創(chuàng)造新型直流電機(jī)一一無刷直流電機(jī)帶來了生機(jī)。1955年，美國(guó)人 harrison首次提出了用晶體管換相線路代替電機(jī)電刷接觸的思想，這就是無刷 直流電機(jī)的雛形。它由功率放大部分、信號(hào)檢測(cè)部分、磁極體和晶體管開關(guān)電路 等組成，其工作原理是當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在信號(hào)繞組中感應(yīng)出周期性的信號(hào)電動(dòng)勢(shì),

4、 此信號(hào)電動(dòng)勢(shì)份別使晶體管輪流導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)換相。問題在于，首先，當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí), 信號(hào)繞組內(nèi)不能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，晶體管無偏置，功率繞組也就無法饋電，所以 這種無刷直流電機(jī)沒有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；其次，由于信號(hào)電動(dòng)勢(shì)的前沿陡度不大，晶體 管的功耗大。為了克服這些弊病，人們采用了離心裝置的換向器，或采用在定子 上放置輔助磁鋼的方法來保證電機(jī)可靠地起動(dòng)。但前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而后者需要附 加的起動(dòng)脈沖。其后，經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)和不斷的實(shí)踐，人們終于找到了用位置傳 感器和電子換相線路來代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向裝置，從而為直流電機(jī)的發(fā) 展開辟了新的途徑。20世紀(jì)60年代初期，接近開關(guān)式位置傳感器、電磁諧振式 位置傳感器和高頻耦

5、合式位置傳感器相繼問世，之后乂出現(xiàn)了磁電耦合式和光電 式位置傳感器。半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，使人們對(duì)1879年美國(guó)人霍爾發(fā)現(xiàn)的霍 爾效應(yīng)再次發(fā)生興趣，經(jīng)過多年的努力，終于在1962年試制成功了借助霍爾元 件（霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器）來實(shí)現(xiàn)換相的無刷直流電機(jī)。在20.世紀(jì)70年代 初期，乂試制成功了借助比霍爾元件的靈敏度高千倍左右的磁敏二極管實(shí)現(xiàn)換相 的無刷直流電機(jī)。在試制各種類型的位置傳感器的同時(shí)，人們?cè)噲D尋求一種沒有 附加位置傳感器結(jié)構(gòu)的無刷直流電機(jī)。1968年，德國(guó)人w- mieslinger提出采 用電容移相實(shí)現(xiàn)換相的新方法。在此基礎(chǔ)上，德國(guó)人r-hanitsch試制成功借助 數(shù)字式環(huán)形分

6、配器和過零鑒別器的組合來實(shí)現(xiàn)換相的無位置傳感器無刷直流電 機(jī)。永磁無刷電機(jī)是永磁無刷直流電機(jī)、永磁無刷交流同步電機(jī)、永磁無刷直 線電機(jī)和永磁無刷力矩電機(jī)的總稱。永磁無刷電機(jī)具有不少優(yōu)點(diǎn)，因此已是目前 微特電機(jī)發(fā)展主流。（三）本文研究的意義及主要內(nèi)容無刷直流電機(jī)集特種電機(jī)、變速結(jié)構(gòu)、檢測(cè)元件、控制軟件與硬件于一體， 形成新一代伺服系統(tǒng)，體現(xiàn)了當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多最新成果，是機(jī)電一體化的高 新技術(shù)產(chǎn)品。無刷直流電機(jī)集交流電機(jī)和直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一體，它既具有交流電 機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，乂具備直流電機(jī)運(yùn)行效率高、 調(diào)速性能好的特點(diǎn)，同時(shí)無勵(lì)磁損耗。無刷直流電動(dòng)機(jī)在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直

7、流 電動(dòng)機(jī)一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子上安裝永久磁鋼，電樞繞組一般 采用多相形式，經(jīng)逆變器接到直流電源，定子采用電子換向代替有刷電機(jī)的電刷 和機(jī)械換向器，各相繞組逐次通電，在氣隙中產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子磁 極主磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)無刷直流電機(jī)和其它電機(jī) 相比具有高可靠性、高效率和優(yōu)良的調(diào)速性能等諸多優(yōu)越性，并且隨著新型稀土 永磁材料性能的提高與價(jià)格的下降，帶來水磁無刷直流電機(jī)成本的降低，這種優(yōu) 越性將更加明顯。目前在工業(yè)先進(jìn)的國(guó)家里，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的有刷直流電動(dòng) 機(jī)已經(jīng)逐步被無刷直流?，F(xiàn)在從國(guó)外進(jìn)口的設(shè)各中，已經(jīng)很少看到以有刷直流電 動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的

8、系統(tǒng)，一些國(guó)家如美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)的相關(guān)公司經(jīng) 不再大量生產(chǎn)伺服驅(qū)動(dòng)用的有刷直流電動(dòng)機(jī)。由上面的分析可以看出，無刷直流電動(dòng)機(jī)相對(duì)于其它類型電動(dòng)機(jī)來說還是一 種新型電動(dòng)機(jī)，它的驅(qū)動(dòng)、控制更是和電子技術(shù)息息相關(guān)，因此，對(duì)無刷直流電 機(jī)本體及其控制方法進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。二、無刷直流電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理（一）無刷直流電機(jī)特點(diǎn)容量范圍大:標(biāo)準(zhǔn)品可達(dá)400kw更大容量可以訂制.電壓種類多:直流供電交流高低電壓均不受限制.低頻轉(zhuǎn)矩大:低速可以達(dá)到理論轉(zhuǎn)矩輸出啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到兩倍或更高. 高精度運(yùn)轉(zhuǎn):不超過1 rpn （不受電壓變動(dòng)或負(fù)載變動(dòng)影響）. 高效率:所有調(diào)速裝置中效率

9、最高比傳統(tǒng)直流電機(jī)高出530%. 調(diào)速范圍:簡(jiǎn)易型/通用型（1:10）高精度型（1 ： 100）伺服型. 過載容量高：負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動(dòng)在200%以內(nèi)輸出轉(zhuǎn)速不變. 體積彈性大:實(shí)際比異步電機(jī)尺寸小可以做成各種形狀. 可設(shè)計(jì)成外轉(zhuǎn)子電機(jī)（定子旋轉(zhuǎn)）. 轉(zhuǎn)速?gòu)椥源?可以幾十轉(zhuǎn)到十萬轉(zhuǎn). 制動(dòng)特性良好可以選用四象限運(yùn)轉(zhuǎn). 可設(shè)計(jì)成全密閉型ip-54ip-65防爆型等均可. 允許高頻度快速啟動(dòng)電機(jī)不發(fā)燙. 通用型產(chǎn)品安裝尺寸與一般異步電機(jī)相同易于技術(shù)改造.（二）無刷電機(jī)組成無刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)相似，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)和固定的電樞。這 樣電子換相線路中的功率開關(guān)器件，如晶閘管，晶體管等可直接與電樞繞組連

10、接。 在電機(jī)內(nèi)，裝有一個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器，用來檢測(cè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中的位置。它與 電子換相線路一起，替代了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相裝置。綜上所述，無刷直流 電機(jī)由電機(jī)本體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相線路三大部分組成，如圖1所示。圖1無刷直流電機(jī)原理圖1 .電機(jī)本體電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒有籠型繞組和其他啟動(dòng)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(duì)數(shù)(2p=2, 4, )組成。2 .位置傳感器位置傳感器在直流無刷電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)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，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后去 控制定子繞組

11、換相。位置傳感器種類較多，且各具特點(diǎn)。在直流無刷電動(dòng)機(jī)中常 見的位置傳感器有以下幾種：電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位 置接近傳感器。3 .電子換相當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相 互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)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(hào)，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各項(xiàng)繞組按一定次序?qū)ǎㄗ酉嚯娏麟S 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(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。（三）基本工作原理眾所周知，一般的永磁式電動(dòng)機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在 電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)。其電樞

12、繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場(chǎng)。由于電樞的換相作用， 使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生 最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停的云轉(zhuǎn)。直流無刷電動(dòng)機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無電刷換相，首先 要求把一般直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳 統(tǒng)直流用詞電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅這樣做還是不行的，因?yàn)橛靡话阒绷麟?源給定子上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，它不能與運(yùn)動(dòng)只能夠轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn) 生的永磁磁場(chǎng)相互作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子做功。所以直流無刷 電動(dòng)機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動(dòng)機(jī)本體以外，還要由位置傳感器、控制電路以 及工具邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換相裝置，使得直流無刷電動(dòng)

13、機(jī)在運(yùn)行過程中定子繞 組所產(chǎn)生的的磁場(chǎng)和裝洞中轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁場(chǎng)，在空間始終保持在（兀/2） rad左右的電角度。（四）無刷直流電機(jī)參數(shù)本系統(tǒng)采用的無刷電機(jī)參數(shù)： 額定功率：100w 額定電壓：24v （dc） 額定轉(zhuǎn)速：3000r/min 額定轉(zhuǎn)矩：0. 23nm 最大轉(zhuǎn)矩：0. 46n*m 定位轉(zhuǎn)矩：0. 01n - m 額定電流：4. 0a 最大電流：8. 0a 極對(duì)數(shù)：4 霍爾傳感器位置呈60放置（五）三相無刷電動(dòng)機(jī)主電路及工作方式由以上基本原理可知，無刷電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，定子繞組所產(chǎn)生的的磁場(chǎng)和裝 洞中轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁場(chǎng)，在空間始終保持在（冗/2） rad左右的電角度，因 此定子繞

14、組需要加三相電源，此電源可通過圖2的逆變電路產(chǎn)生。圖2電機(jī)主電路圖在三相逆變電路中，應(yīng)用最多的是如圖二所示的三相橋式全控逆變電路。在 該電路中，電動(dòng)機(jī)的三相繞組為y聯(lián)結(jié)。qi、q2、q6為六只mosfet功率 管，起繞組的開關(guān)作用，高電平是導(dǎo)通，他們的通電方式乂可分為兩兩導(dǎo)通和三 三道通兩種方式。1.二二通電方式所謂二二通電方式是指每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期（60電角 度）換相一次，每次換相一個(gè)功率管導(dǎo)通120。電角度。各功率管的導(dǎo)通順序是 vf1vf2. vf2vf3、vf3vf4、vf4vf5、vf5vf6、vf6vf1 。當(dāng)功率管 vf1 和 vf2 導(dǎo)通時(shí)，電流從vf1管

15、流入a相繞組，再?gòu)腸相繞組流出，經(jīng)vf2回到電源。如 果認(rèn)定流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，那么從繞組流出所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩則為 負(fù)，它們合成的轉(zhuǎn)矩如圖3a所示，其大小為有ta,方向在ta和一tc的角平分 線上。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過60后，由vf1vf2通電換成vf2vf3通電，這時(shí)，電流從vf3 流入b相繞組再?gòu)腸相繞組流出，經(jīng)vf2回到電源，此時(shí)合成的轉(zhuǎn)矩如圖3b所 示，其大小同樣為返ta。但合成轉(zhuǎn)矩tbc的方向轉(zhuǎn)過了 60電角度。而后每換 一次導(dǎo)通狀態(tài)，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過60電角度，但大小始終保持 6ta不變。圖3c示出了全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。taetaetaba) vfk vf2導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩b

16、) vf2、v f3導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩c)二二導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩矢量圖圖3聯(lián)結(jié)繞組二二通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖所以，同樣一臺(tái)無刷直流電機(jī)，每相繞組通過與三相半控電路同樣的電流時(shí)，采 用三相星形聯(lián)結(jié)全控電路，在二二換相的情況下，其合成轉(zhuǎn)矩增加了 6倍。每 隔60電角度換相一次，每個(gè)功率管通電120 ,每個(gè)繞組通電240 ,其中正 相通電和反相通電各120 ,其輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示。由圖4可以看出，三 相全控時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比三相半控時(shí)小得多。圖4全控橋輸出波形圖如將三只霍爾傳感器按相位差120安裝,則它們所產(chǎn)生的波形如圖5所示。 其換相的控制電路可由一片74ls138型3-8譯碼器和74ls09、74ls3

17、8兩片門電 路構(gòu)成，本系統(tǒng)采用無刷直流電動(dòng)機(jī)專用集成電路lm621控制。hl圖5傳感器輸出波形2.三三通電方式所謂三三通電方式，是指每一瞬間均有三只功率管同時(shí)通電，每隔60換相一 次，每個(gè)功率管通電180 o它們的導(dǎo)通次序是vf1vf2vf3 vf2vf3vf4 vf3vf4vf5 vf4vf5vf6 vf5vf6vf1 vf6vf1vf2、vf1vf2vf3- 當(dāng) vf6vf1vf2 導(dǎo)通時(shí)，電流從vf1流入a相繞組，經(jīng)b相和c相繞組（這時(shí)b、c兩相繞組為 并聯(lián)）分別從vf6和vf2流出。這時(shí)流過b相和c相繞組的電流分別為流過a 相繞組的一半，其合成轉(zhuǎn)矩如圖6a所示，其方向與a相相同，大小為

18、1.5ta 經(jīng)過60電角度后，換相到vf1vf2vf3通電，即先關(guān)斷vf6而后導(dǎo)通vf3 （注 意，一定要先關(guān)vf6而后通vf3,否則就會(huì)出現(xiàn)vf6和vf3同時(shí)通電，則電源被 vf3 vf6短路，這是絕對(duì)不允許的）。這時(shí)電流分別從vf1和vf3流入，經(jīng)a相 和b相繞組（相當(dāng)于a相和b相并聯(lián)）再流入c相繞組，經(jīng)vf2流出，合成轉(zhuǎn)矩 如圖6b所示，其方向與c相相同，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過60電角度后大小仍為1.5ta。 再經(jīng)過60電角度后，換相到vf1vf2vf3通電，而后依次類推，循環(huán)往復(fù)。它 們的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖如圖6c所示。a) vf6vf1vf2導(dǎo)通時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩b) vf1vf2vf3導(dǎo)通時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩三

19、三通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩圖6三三通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖在這種通電方式里，每瞬間均有三個(gè)功率管通電。每隔60換相一次，每次有 一個(gè)功率管換相，每個(gè)功率管導(dǎo)通180。從某一相上看，它們的電壓波形如圖 7所示。此外，根據(jù)宜流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓 型逆變電路，直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。它們各有特點(diǎn)，本系統(tǒng)使用電壓型逆變電路，它有以下特點(diǎn)：(1)直流側(cè)為電壓源，或接有大電容，相當(dāng)于電壓源，直流側(cè)電壓基本無脈 動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。(2)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波，并且與阻抗角 無關(guān)，而交流側(cè)電流波形和相位因負(fù)載阻抗角而異。(3)當(dāng)交流側(cè)為阻感性

20、負(fù)載時(shí)需提供無功功率，宜流側(cè)電容起緩沖無功能量 的作用，為了給交流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋給臂都并聯(lián)反饋二極管。三、脈寬調(diào)制（pwm）技術(shù)（一）脈寬調(diào)制的原理脈寬調(diào)制（pwm）是利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤 其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。pwm具有很強(qiáng)的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。模擬電路控制有 以下缺陷：模擬電路容易隨時(shí)間漂移，會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對(duì)噪聲 敏感等。而在用了 pwm技術(shù)后，避免了以上缺陷，實(shí)現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬 信號(hào)，可以大幅度降低成本和功耗。pw （脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負(fù)載

21、兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。pwm可以應(yīng)用在許多方面, 比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。在pwm驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并且 根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過改變直流電機(jī)電 樞上電壓的“占空比”來達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 速。也正因?yàn)槿绱?，pwm 乂被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。如圖8所示。圖8 pwm占空比原理設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為vmax,設(shè)占空比為d=tl/t,則 電機(jī)的平均速度為va = vmax * d,其中va指的是電機(jī)的平均速度；vmax是指 電機(jī)在全通電時(shí)的最大速

22、度；d = tl / t是指占空比。由上面的公式可見，當(dāng) 我們改變占空比d = tl /t時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度vd,從而達(dá)到 調(diào)速的目的。嚴(yán)格來說，平均速度vd與占空比d并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是 在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。（二）脈寬調(diào)制方式pw控制的基本原理很早就已經(jīng)提此但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約, 在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn).直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電 子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展,pwm控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用.隨著電力電子技術(shù),微 電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論，非線 性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用,pwm控制

23、技術(shù)獲得了空前的發(fā)展.到目前為止，已出現(xiàn)了 多種pwm控制技術(shù),根據(jù)p榭控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有以下8類方法：1.相電壓控制pwm（1）等脈寬pwm法（2）隨機(jī)pwm（3） spwm 法等面積法硬件調(diào)制法軟件生成法自然采樣法規(guī)則采樣法低次諧波消去法（4）梯形波與三角波比較法2 .線電壓控制pwm（1）馬鞍形波與三角波比較法（2）單元脈寬調(diào)制法3 .電流控制pwm（1）滯環(huán)比較法（2）三角波比較法（3）預(yù)測(cè)電流控制法4 .空間電壓矢量控制pwm5,矢量控制pwm6 .直接轉(zhuǎn)矩控制pwm7 .非線性控制pwm8 .諧振軟開關(guān)pwm四、無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）基本原理本系統(tǒng)以at89

24、c51單片機(jī)為核心，通過lm621,以2*3矩陣鍵盤做為輸入， 4位數(shù)碼管顯示，達(dá)到控制無刷直流電機(jī)的啟停、速度和方向，完成了基本要求 和發(fā)揮部分的要求。在系統(tǒng)中，采用了 pwm技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，通過對(duì)占空比 的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。如果采用軟件換相，單片機(jī)要不斷地執(zhí)行換相操作，才能使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)下去，同 時(shí)還要監(jiān)控用戶界面，控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向操作，因此負(fù)擔(dān)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。（二）總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖9所示。圖9系統(tǒng)整體框圖五.無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)（一）無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件圖詳見附錄b（二）at89c51 簡(jiǎn)介at89c51是

25、美國(guó)atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi) 含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（perom）和128 bytes的隨機(jī)存取 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram）,期間采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼 容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器9 （cpu）和flash存儲(chǔ)單元, 功能強(qiáng)大at89c51單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 主要性能參數(shù)： 與mcs-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k字節(jié)可重復(fù)擦寫flash閃存存儲(chǔ)器 1000次擦寫周期 全靜態(tài)操作：0hz24mhz 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 128*8字節(jié)內(nèi)部ram 32個(gè)可編程呢個(gè)i/o 口線

26、 2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器 5個(gè)中斷源 可編程串行uart通道 低功耗空閑和掉電模式 功能概述：at89c51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部ram, 32個(gè)i/o 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙 工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，at89c51可降至0hz的靜態(tài)邏輯 操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止cpu的工作，但允許 ram,定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram中的內(nèi) 同，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導(dǎo)下一個(gè)硬件復(fù)位。at89c51 引腳圖如圖10所示。第41頁(yè)共

27、37頁(yè)p1.0vccpl.l(.w0)?0,0pl.2(adl)po. 1p13(ad2)?0.2p14(ad3)pc.3pl.5(ad4)?0.4pl.6(ad5)?0.5?1.7(ad)?c.6rst(ad7)p0.7gid*3.0(txd1p3.1京vp?p3.2(imt0)alepxog?3.3(intdp3.4(t0)p3.6(ivr)(ju5浮2?3.7 他(a14)?2.6(ab)p2.5(a12)?2xtal2, xtal：(a11jp23 (a10)?2.2(a9)?2.l(a8)p2.05210 at89c51引腳圖（三）單片機(jī)與鍵盤接口j 4i 2 11 o. qw ow

28、 m m m m m m幌仍 il j1 hi ji il il圖11系統(tǒng)鍵盤接口本系統(tǒng)使用最簡(jiǎn)單的2*3矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操作，鍵盤結(jié)構(gòu)如圖12 所示：?jiǎn)?dòng)/制動(dòng)正反轉(zhuǎn)圖12鍵盤結(jié)構(gòu)各鍵對(duì)應(yīng)的功能和鍵值如表lo表1各鍵對(duì)應(yīng)功能和鍵值:鍵位功能鍵值s1啟動(dòng)/制動(dòng)oxaos20x90s3正反轉(zhuǎn)0x88s40x48各鍵詳細(xì)功能如下：s1：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)。單片機(jī)上電初始化后，首先掃描鍵盤，若s1被按下，則啟動(dòng)系統(tǒng)，否則將一直掃描鍵盤，此時(shí)其他鍵沒有任何功能。s4和s6：系統(tǒng)運(yùn)行期間，若按下s4或s6,系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)速狀態(tài)，此時(shí)4位 數(shù)碼管從左邊第一位開始閃爍，代表當(dāng)前位，若5s內(nèi)鍵盤沒輸入，則自動(dòng)確認(rèn)

29、當(dāng)前輸入值，通過調(diào)速達(dá)到設(shè)定值。s2和s5：通過按s4或s6,當(dāng)前位閃爍，此時(shí)通過s2和s5可對(duì)當(dāng)前位進(jìn)行 +1/t,若5s內(nèi)沒有操作，系統(tǒng)自動(dòng)確認(rèn)當(dāng)前輸入值。s3：正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)機(jī)的反轉(zhuǎn)。（四）單片機(jī)與顯示數(shù)碼管接口圖13單片機(jī)與數(shù)碼管顯示電路接口整個(gè)顯示電路包括兩部分:1 .數(shù)碼管本系統(tǒng)采用4位8段共陰極數(shù)碼管顯示p0 口接上拉電阻數(shù)碼管段選通過限流電阻接p0 口位選接pl0p1.3 口2 . led發(fā)光二極管兩個(gè)二極管一個(gè)代表正轉(zhuǎn)一個(gè)代表反轉(zhuǎn)（五）逆變器與驅(qū)動(dòng)電路接口圖14逆變器與驅(qū)動(dòng)電路接口1 .逆變器本系統(tǒng)逆變部分采用三相橋式全控逆變電路，功率開關(guān)器件采用igbt。2 .驅(qū)動(dòng)電路（1

30、）通過無刷直流電機(jī)換相專用芯片lm621控制功率管的導(dǎo)通，從而驅(qū)動(dòng)電 動(dòng)機(jī)，lm621的特點(diǎn):三相和思想無刷直流電動(dòng)機(jī)兼容雙極性驅(qū)動(dòng)三相三角形聯(lián)結(jié)或星形聯(lián)結(jié)繞組單極性驅(qū)動(dòng)三相有中心抽頭的星形聯(lián)結(jié)繞組三相電動(dòng)機(jī)位置傳感器空間間距30或60四相電動(dòng)機(jī)位置傳感器空間間距90 輸出端直接驅(qū)動(dòng)雙極型功率管（可提供35ma基極電流）或mosfet功率 器件 有可調(diào)死區(qū)時(shí)間及其時(shí)鐘振蕩器 直接與pwm信號(hào)接口和霍爾位置傳感器接口 欠電壓封鎖(2)其原理如圖15所示。connection diagram5-40 motor supplyvoltageoutputinhibitcurro4tsink out ”

31、1currentsink out 32current sink out 23currentsource outcurrentsource out #2currentsource out #3power groundorder number lm621nsee ns package number n18a圖15 lm621原理圖換相波形波形如圖16所示。lm621換相譯碼真值表如表2。管腳功能定義： 引腳1 (vccl)：第一電源，邏輯部分和時(shí)鐘用電源，+5v 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(jī)轉(zhuǎn)向 引腳3 (dead-time enable):死區(qū)時(shí)間使能

32、端?？刂扑绤^(qū)功能，高電平有 效。 引腳4 (clock timing):時(shí)鐘定時(shí)端。該端外接定時(shí)電容和電阻至地，設(shè) 定時(shí)鐘振蕩周期，決定死區(qū)時(shí)間。 引腳5、6、7 (hs1、hs2、hs3)：霍爾位置傳感器輸入端。 引腳8 (30/60select) :30/60選擇端。三相電動(dòng)機(jī)傳感器空間間距30時(shí), 該端施加高電平；60時(shí)，施加零電平。 引腳 9 (logic ground):邏輯地。 引腳 10 (power ground):功率地。 引腳 11、12、13 (current source out)：灌電流輸出端八 引腳 14、15、16 (current sink out):抽電流輸出

33、端。 引腳17 (output inhibit)：輸出禁止端。對(duì)該引腳施加高電平時(shí)，輸出 被關(guān)閉。 引腳 18 (motor supply voltage) : vcc2 (+540v)端，第二電源，它 提供11一一13腳灌電流輸出的電流。rotor position: (elec. degrees)direction input:, hs1:hall-sensorinputs.hs3:motordrive currentssink 1:sink 2:sink 3:outputssource 1:source 2;source 3:figure 1. commutation waveforms

34、 for 60-degree phasi ngtl/h/8s79-圖16 600換相波形表2 lm621換相真值表:three-phase motor commutation (continued)tablei. lm621 commutation decoder truth tablesensorphasingposition rangesensor inputssink outputssource outputshs1hs2hs31231230-60000onoffoffoffonoff60-120001onoffoffoffoffon30 deg120-180011offonoffoff

35、offon180-240111offonoffonoffoff240-300110offoffononoffoff300-36010joffoffonoffono;f0-60101onoffoffonoff60-120100onoffoffoffon60 deg120-180110offonoffoffon180-240010offonoffoffoff240-300011offoffononoffoff300-360001offoffonoff0-9001hs2offnaoffoffnaon90 deg90-18000hs2onnaoffoffnaoff180-27010hs2offnaon

36、offnaoff270-36011hs2offnaoffonna01-fpin numbers:67161514131211（六）限流電路圖17限流電路從圖17可知，主回路中通過電動(dòng)機(jī)的電流最終是經(jīng)過電阻r8接地。因此, ulrjm,其大小正比于電動(dòng)機(jī)的電流而u同數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓u。分別 送到lm324運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端，一旦反饋電壓u大于來自數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的 給定信號(hào)u。,則lm324運(yùn)算放大器輸出為低電平，通過非門變?yōu)楦唠娖捷斎氲?lm621的引腳17,使輸出關(guān)斷，從而階段了直流無刷電動(dòng)機(jī)釘子繞組的所有電流 通路，迫使電動(dòng)機(jī)電流下降，一旦電流下降到時(shí)u.小于u。,則lm324運(yùn)算放

37、大器 輸出回到高電平，通過非門變?yōu)榈碗娖剑觢m621的17腳，lm621正常工作。六、軟件部分本系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)標(biāo)志位tag （啟動(dòng)標(biāo)志位，0代表運(yùn)行，1代表停止）和tagl （閃爍標(biāo)志位，0代表有閃爍，0代表無閃爍），另外設(shè)置兩個(gè)數(shù)組:數(shù)碼管段選 數(shù)組d_p和位選數(shù)組pl。本系統(tǒng)程序主要由大本分組成： 主程序 中斷服務(wù)程序 鍵盤掃描程序,顯示程序 啟動(dòng)程序 停機(jī)程序 向上箭頭程序 向下箭頭程序 左移程序 右移程序 正反轉(zhuǎn)程序 測(cè)速程序 pwm輸出程序 延時(shí)程序其中向上（下）、左（右）移、啟動(dòng)、正反裝程序由鍵盤程序調(diào)用，鍵盤程序、 顯示程序、測(cè)速程序、pwm輸出程序由主程序調(diào)用。主要模塊程序流程

38、圖如下：圖19鍵盤程序流程圖p1.0置面公p0有表輸出名jp1.1置島p1.0支低/1p。查表輸出3一；當(dāng)前位亮-4 -4-i m乂延遲0.5s一卜號(hào)一義當(dāng)四位火名延遲0.5spl2 置高 p1.1 置低：po查表輸出m mljlj_ .：.：.p1.3置高pl2置低 次j_j_-.l-l-l-k-l-p0直去輸出名i ； f n m n n圖20顯小程序流程圖2s內(nèi)沒，漏二 xfqw結(jié)束語本設(shè)計(jì)所述的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是以低價(jià)位的at89c51單片機(jī)為核心 的，而通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)整乂有多種途徑，相對(duì)于其他用硬件或者硬件與 軟件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，采用pwm軟件方法來實(shí)現(xiàn)的

39、調(diào)速過程具 有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的效能，對(duì)于簡(jiǎn)易速度控 制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。曾經(jīng)也試過用單片機(jī)直接產(chǎn)生pwm波形控 制逆變電路開關(guān)器件的導(dǎo)通，但其最終效果并不理想，在使用了少量的硬件后， 單片機(jī)的壓力大大減小，程序中有充足的時(shí)間進(jìn)行閉環(huán)控制的測(cè)控和計(jì)算，使得 軟件的運(yùn)行更為合理可靠。由于能力有限，時(shí)間緊促，本系統(tǒng)只采用了轉(zhuǎn)速閉環(huán)。參考文獻(xiàn)1張文灼.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2008李先允.電力電子技術(shù).中國(guó)電力出版社.20063張琛.直流無刷電機(jī)原理及應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社.1996譚建成.電機(jī)控制專用集成電路.機(jī)械工業(yè)出版社.19975王曉明.電

40、動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制.北京航空航天大學(xué)出版社.20026吳守箴，臧英杰.電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版.19957胡文靜.永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展及展望.微特電機(jī).2002. 35(4)： 34388張毅剛，等.新編mcs-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.20039趙亮侯國(guó)銳.單片機(jī)c語言編程與實(shí)例.人民郵電出版社.200310蔡耀成.無刷直流電機(jī)中的霍爾位置傳感器.微特電機(jī).1999. 27(5)： 2325致謝在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，要特別感謝我的導(dǎo)師河北科技大學(xué)李爭(zhēng)（博 土）給予的耐心細(xì)致的指導(dǎo)，對(duì)于在設(shè)計(jì)過程中所遇到的許多具體問 題，他均提出了相應(yīng)的解決方案。這對(duì)于畢業(yè)設(shè)計(jì)的

41、順利完成起到了 十分重要的作用。附錄a：程序：ftincludeftdefine uchar unsigned char ftdefine ulong unsigned long extern uchar zs;extern uchar tag=0x00, tagl=0x00;extern ulong zssd=3000;ulong count;ulong zkbg, zkbd;sbit p14=pr4;sbit p15=pr5;sbit p16=pr6;sbit p17=pr7;uchar code pl = 0x00, 0x90, 0x91, uchar *zy=pl;void d_ms(

42、uchar m)(uchar i, j;for (i=0;i m;m+) for(j=0;j100;j+)()void start ()(if(tag=0)/*定義轉(zhuǎn)速變量*/*啟動(dòng)標(biāo)志位和閃爍標(biāo)志位*/*轉(zhuǎn)速設(shè)定*/*脈沖計(jì)數(shù)*/*占空比高低*/,0x93, 0x00 ; /*數(shù)碼管位選*/*定義指針指向數(shù)組p1*/*延時(shí)程序*/*延時(shí)100*m微秒*/*開始程序*/ *系統(tǒng)未啟動(dòng)*/porxff;/*數(shù)碼管各段全亮，確認(rèn)完好無損*/pl=oxff;/*數(shù)碼管全部選通*/po=oxoo;pl=oxoo;/*啟動(dòng)標(biāo)志位置1系統(tǒng)啟動(dòng)*/tag=l;)elsetag=o;/*再次按下,標(biāo)志位置0*

43、/void up ()(if (tagl-0)/*向上箭頭函數(shù)*/*閃爍標(biāo)志位為0*1if (zssd=2000)(zssd-=100;)gpl 5 口取反，默認(rèn)高電平*/ /*pl4 口取反,默認(rèn)低電平*/ /*p1.7 口取反，默認(rèn)高電平*/*左移函數(shù)*/*閃爍標(biāo)志位為0,無閃爍*/*閃爍標(biāo)志位置1,開始閃爍*/ /*指針指向位選數(shù)組首地址*/*已經(jīng)開始閃爍*/*指針指向當(dāng)前位選數(shù)組下一位*/*當(dāng)指針指向第一位時(shí)*/*自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到第五位*/*2s內(nèi)沒動(dòng)作，停止閃爍*/ /*閃爍標(biāo)志位置0,停止閃爍*/*參考up()函數(shù)*/elseswitch(*zy) (case 0x90: zssd=zs

44、-1000;break;case 0x91: zssd=zs_100;break;case 0x92: zssd=zs_10;break;case 0x93: zssd=zs-l;break; )void right ()/*參考 left ()函數(shù)*/(if (tagl=0)(tagl=l;zy=pl+4;) elsezy;if(zy=pl5)(zy=pl+l;)d_ms(200000);tagl=0;)void keyget ()uchar x;/*鍵盤掃描函數(shù)*/*定義變量*/case 0x67： fanzhuano ;break;p2=0xc0;if(p2&0xc0)=0)(p2=0x

45、80;if(p2&0x80)=0)(d_ms(1500);x=p2;)p2=0x40;if(p2&0x40)=0)(d_ms(1500);x=p2;)switch(x-0x21)(case 0x7f: start ();break;case 0x6f: up() ;break;case 0x3f: left();break;case 0x2f: down();break;case 0x27: right ();break;)void display(uchar *z)/*鍵盤掃描，看是否有鍵按下*/*有鍵按下*/*p2.7置1,掃描第一行*/*第一行有鍵按下*/*延時(shí)去抖*/*讀 p2 口*/*p2.6 置l掃描第二行*/*第二行有鍵按下*/*延時(shí)去抖*/*讀 p2 口