畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于單片機(jī)的無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)

1、緒 論 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

2、流電動(dòng)機(jī) ·鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī) ·鋁鎳鈷永磁直流電動(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) 稀土永磁無刷直流電機(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)直流電機(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

3、代有刷直流電機(jī)的電刷換向器結(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，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)裝置笨重又復(fù)雜而無實(shí)用價(jià)值?？茖W(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) 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

4、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)，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，

5、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合式位置傳感器相繼問世，之后又出現(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)。在世紀(jì)70年代初期，又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

6、83;hanitsch試制成功借助數(shù)字式環(huán)形分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)，又具備直流電機(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

7、刷直流電動(dòng)機(jī)在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電動(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。現(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

8、為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的系統(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

9、: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 rpm.(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.     ·

10、;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接。在電機(jī)內(nèi)，裝

11、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換相。位置傳感器種類較多，且

12、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)?，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(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)。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場(chǎng)。由于電樞的換相作

13、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)橛靡话阒绷麟娫唇o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)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

14、的永磁場(chǎng)，在空間始終保持在（/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：0.46nm ·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)

15、，在空間始終保持在（/2）rad左右的電角度，因此定子繞組需要加三相電源，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)。q1、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，他們的通電方式又可分為兩兩導(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、vf5v

16、f6、vf6vf1 。當(dāng)功率管vf1和vf2導(dǎo)通時(shí)，電流從vf1管流入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ta，方向在ta和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ta不變。圖3c示

17、出了全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。a）vf1、v f2導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩 b）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

18、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38譯碼器和74ls09、74ls38兩片門電路構(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。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°。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

19、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

20、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 c）三三通電時(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。圖7 星形聯(lián)結(jié)三三通電方式其中一相電壓波形 此外，根據(jù)直流側(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

21、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)為阻感性負(fù)載時(shí)需提供無功功率，直流側(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

22、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。 pwm（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又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。如圖8所示。圖8 pwm占空比

23、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= t1 / 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)的最大速度；d = t1 / t是指占空比。由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比 d = t1 / 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 pwm控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,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,

24、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)pwm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.

25、 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pwm 5. 矢量控制pwm 6. 直接轉(zhuǎn)矩控制pwm 7. 非線性控制pwm 8. 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at89c51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

26、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

27、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 ·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

28、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。圖10 at89c51引腳圖（三）單片機(jī)與鍵盤接口圖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:啟動(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1。表1 各鍵對(duì)應(yīng)功能和鍵值：鍵位功能鍵值

29、s1啟動(dòng)/制動(dòng)0xa0s20x90s3正反轉(zhuǎn)0x88s40x60s50x50s60x48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)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/-1，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

30、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p1.0p1.3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）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

31、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。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（vcc1）：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

32、·引腳3（dead-time enable):死區(qū)時(shí)間使能端?？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、1

33、2、13（current source out)：灌電流輸出端。、 ·引腳14、15、16（current sink out):抽電流輸出端。 ·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1113腳灌電流輸出的電流。圖16 60°換相波形表2 lm621換相真值表：（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，uf=r8im，其大小正比于電動(dòng)機(jī)的電流im。

34、而uf同數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓u0分別送到lm324運(yùn)算放大器的兩個(gè)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(hào)u0,則lm324運(yùn)算放大器輸出為低電平，通過非門變?yōu)楦唠娖捷斎氲絣m621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)uf小于u0,則lm324運(yùn)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，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tag1（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

35、p1。 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。主要模塊程序流程圖如下：圖 18 主程序流程圖圖 19 鍵盤程序流程圖圖 20 顯示程序流程圖結(jié)束語(yǔ)本設(shè)計(jì)所述的直流電

36、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)整又有多種途徑，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.

37、20082 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.19964 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）：3438 8 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(yǔ)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).19

38、99.27（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)（博士）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)的順利完成起到了十分重要的作用。附錄a：程序：#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define ulong unsigned longextern uchar zs; /*定義轉(zhuǎn)速變量*/extern uchar tag=0x00,tag1=0x00; /*啟動(dòng)標(biāo)志位和閃爍標(biāo)志位*/extern ulong zssd=3000; /*轉(zhuǎn)速設(shè)

39、定*/ ulong count; /*脈沖計(jì)數(shù)*/ulong zkbg,zkbd; /*占空比高低*/ sbit p14=p14;sbit p15=p15;sbit p16=p16;sbit p17=p17;uchar code p1=0x00,0x90,0x91,0x92,0x93,0x00; /*數(shù)碼管位選*/uchar *zy=p1; /*定義指針指向數(shù)組p1*/void d_ms(uchar m) /*延時(shí)程序*/ uchar i,j; for(i=0;i<m;m+) for(j=0;j<100;j+) /*延時(shí)100*m微秒*/ ; void start() /*開始程序

40、*/ if(tag=0) /*系統(tǒng)未啟動(dòng)*/ p0=0xff; /*數(shù)碼管各段全亮，確認(rèn)完好無損*/ p1=0xff; /*數(shù)碼管全部選通*/ p0=0x00; p1=0x00; tag=1; /*啟動(dòng)標(biāo)志位置1系統(tǒng)啟動(dòng)*/ else tag=0; /*再次按下，標(biāo)志位置0*/ void up() /*向上箭頭函數(shù)*/if(tag1=0) /*閃爍標(biāo)志位為0*/ if(zssd<=4000) /*最大轉(zhuǎn)速為4000轉(zhuǎn)*/ zssd+=100; /*無閃爍，轉(zhuǎn)速設(shè)定+100轉(zhuǎn)*/ else /*有閃爍，位選與轉(zhuǎn)速*/ switch(*zy)case 0x90: zssd=zs+1000;b

41、reak;case 0x91: zssd=zs+100;break;case 0x92: zssd=zs+10;break;case 0x93: zssd=zs+1;break;void fanzhuan() /*反轉(zhuǎn)函數(shù)*/ p15=0; /*p1.5口取反，默認(rèn)高電平*/ p14=0; /*p1.4口取反，默認(rèn)低電平*/ p17=0; /*p1.7口取反，默認(rèn)高電平*/void left() /*左移函數(shù)*/if(tag1=0) /*閃爍標(biāo)志位為0，無閃爍*/tag1=1; /*閃爍標(biāo)志位置1，開始閃爍*/zy=p1+1; /*指針指向位選數(shù)組首地址*/ else /*已經(jīng)開始閃爍*/ +

42、zy; /*指針指向當(dāng)前位選數(shù)組下一位*/if(zy=p10) /*當(dāng)指針指向第一位時(shí)*/zy=p1+4; /*自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到第五位*/d_ms(200000); /*2s內(nèi)沒動(dòng)作，停止閃爍*/tag1=0; /*閃爍標(biāo)志位置0，停止閃爍*/void down() /*參考up()函數(shù)*/if(tag1=0) if(zssd>=2000) zssd-=100; elseswitch(*zy)case 0x90: zssd=zs-1000;break;case 0x91: zssd=zs-100;break;case 0x92: zssd=zs-10;break;case 0x93: zssd

43、=zs-1;break; void right()/*參考left()函數(shù)*/if(tag1=0)tag1=1;zy=p1+4;else-zy;if(zy=p15)zy=p1+1;d_ms(200000);tag1=0;void keyget() /*鍵盤掃描函數(shù)*/ uchar x; /*定義變量*/p2=0xc0; /*鍵盤掃描，看是否有鍵按下*/if(p2&0xc0)=0) /*有鍵按下*/ p2=0x80; /*p2.7置1，掃描第一行*/if(p2&0x80)=0) /*第一行有鍵按下*/d_ms(1500); /*延時(shí)去抖*/x=p2; /*讀p2口*/p2=0x4

44、0; /*p2.6置1，掃描第二行*/if(p2&0x40)=0) /*第二行有鍵按下*/d_ms(1500); /*延時(shí)去抖*/x=p2; /*讀p2口*/switch(x-0x21) case 0x7f: start();break; /*啟動(dòng)*/ case 0x6f: up();break; /*向上箭頭*/ case 0x67: fanzhuan();break; /*反轉(zhuǎn)*/ case 0x3f: left();break; /*左移*/ case 0x2f: down();break; /*向下箭頭*/ case 0x27: right();break; /*右移*/void display(uchar *z) /*顯示函數(shù)*/ uchat code d_p=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x