直流無刷電機論文

1、基于單片機的直流無刷電機控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要本文從無刷直流電機的研究背景、研究意義、發(fā)展方向及分類，再到電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方式都做了一系列的論述，尤其是在電機控制方式上。無刷直流電機通過霍爾傳感器實現(xiàn)的電子換向優(yōu)于傳統(tǒng)直流電機的機械換向，現(xiàn)代電機有多種控制方式，電機專用控制集成芯片控制、單片機和DSP控制，本文將采用DSPIC30F2010的單片機的PWM控制模塊實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速控制。本文設(shè)計主電路采用MOSFET三相逆變橋，驅(qū)動電路采用驅(qū)動器IR2130使結(jié)構(gòu)更加簡潔。軟件部分有主程序和中斷程序組成，配合硬件電路，可以實現(xiàn)無刷直流電機的起動、制動和換向功能。 關(guān)鍵詞 無刷直流電機

2、DSPIC30F2010 霍爾傳感器Design of Brushless DC Motor Control System based on MicrocontrollerABSTRACTThis article from the brushless DC motor of the research background, research significance, the development direction and classification, and then to motor system structure, working principle, control mode

3、have made a series of system, this paper especially on motor control mode. Brushless DC motor with hall sensor to realize the electronic commutation is superior to the traditional dc motor mechanical commutator,there are a number of modern motor control mode, the special motor control chip control,

4、MCU and DSP control, this paper will use DSPIC30F2010 MCU PWM control module for motor speed control. In this paper, design of main circuit adopts MOSFET three-phase inverter bridge, drive circuit using driver IR2130 make the structure more compact. The software part consists of the main program and

5、 interrupt program with hardware circuit, can realize the brushless dc motor starting, braking and reversing function.KEY WORDS brushless DC motor DSPIC30F2010  Holzer sensor目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒 論11.2 直流無刷電機簡介11.3 直流無刷電機的發(fā)展及應(yīng)用場合11.4 直流無刷電機研究的意義32 直流無刷電機結(jié)構(gòu)及工作原理52.1 直流無刷電機特點52.1.1 電機分類52.1.2

6、 直流無刷電機的主要特點52.2 直流無刷電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)72.2.1 電機主體72.2.2 位置傳感器82.2.3 電子換相 102.3 無刷直流電機工作原理112.4 脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)123 直流無刷電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計133.1 系統(tǒng)控制方案133.2 系統(tǒng)主電路133.2.1 三相橋式全控整流電路143.2.2 功率管的選用143.3.3 三相橋式逆變電路153.3 驅(qū)動電路163.4 轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路183.4 微處制器控制電路193.5 PWM脈寬控制的實現(xiàn)213.6 保護電路223.6.1 過電壓保護電路223.6.2 過電流保護電路234 軟件部分244.1 微處理器DS

7、PIC30F2010開發(fā)環(huán)境244.2 軟件總體構(gòu)成245 結(jié) 論26致 謝27參考文獻28附 錄301 緒 論1.1 引言電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)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之中。眾所周知，直流電動機具有運行效率高和調(diào)速性能好等優(yōu)點，但傳統(tǒng)的直流電動機均采用電刷，以機械方法進行換向，導(dǎo)致造價高，并產(chǎn)生了一些機械摩擦、使用壽命縮短、無線電干擾、可靠性差等一系列問題。 隨著社會生產(chǎn)力與科技的迅速發(fā)展，促進了電動機產(chǎn)品的不斷的更新，經(jīng)過人們多年努力，在能夠保持有刷直流電機的良好性能和啟動性能的前提下，消除不足之處，人們借助霍爾元件來實現(xiàn)換向，用電子換向替代機械換向機械裝

8、置，從而進入直流無刷電機產(chǎn)品化的新紀元。1.2 直流無刷電機簡介直流無刷電機又稱“無換向器電機交一直一交系統(tǒng)”或“直交系統(tǒng)”。是將交流電源整流后變成直流，再由逆變器轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的交流電,但是,注意此處逆變器是工作在直流斬波方式。直流無刷電動機（ Brushless Direct Current Motor ,BLDC ）,采用方波自控式永磁同步電機,以霍爾傳感器取代碳刷換向器,以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料;產(chǎn)品性能超越傳統(tǒng)直流電機的所有優(yōu)點,同時又解決了直流電機碳刷滑環(huán)的缺點,數(shù)字式控制,是當今最理想的調(diào)速電機。直流無刷電動機具有上述的三高特性,非常適合使用在24小時連續(xù)運轉(zhuǎn)的產(chǎn)業(yè)機械及空調(diào)冷

9、凍主機、風機水泵、空氣壓縮機負載;低速高轉(zhuǎn)矩及高頻繁正反轉(zhuǎn)不發(fā)熱的特性，更適合應(yīng)用于機床工作母機及牽引電機的驅(qū)動;其穩(wěn)速運轉(zhuǎn)精度比直流有刷電機更高,比矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制速度閉環(huán)的變頻驅(qū)動還要高,性能價格比更好,是現(xiàn)代化調(diào)速驅(qū)動的最佳選擇。1.3 直流無刷電機的發(fā)展及應(yīng)用場合1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，為現(xiàn)代電機奠定理論基礎(chǔ)，但受電力電子器件和永磁材料等發(fā)展的限制，當時人們使用機械換向的有刷直流電機。隨著人們對物質(zhì)生活的需求越來越高及科學(xué)技術(shù)上的突破，有刷直流電機已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人的需求。19175年，美國人Langmuir發(fā)明了控制柵極的水銀整流器,并制成了直流變交流的逆變裝置。針對

10、傳統(tǒng)直流電機的弊病，20世紀30年代，一些學(xué)者開始研制采用電子換相的無刷直流電機，為無刷直流電機的誕生提供條件。但由于當時的大功率電子器件還處于初級發(fā)展階段，沒能找到理想的電子換相器件，使得這種可靠性差、效率低的電機只能停留在實驗室階段，無法推廣使用。1955 年, 美國D. Harrison和Pye首次申請成功用整流管換向線路代替有刷直流電機機械電刷的專利, 這就是現(xiàn)代BLDCM的雛形。其工作原理是，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在信號繞組中感應(yīng)出周期性的感應(yīng)電勢，此電動勢對應(yīng)晶體管導(dǎo)通，這樣就使相應(yīng)功率繞組輪流饋電，實現(xiàn)了換流。但該電機的問題在于：首先，當轉(zhuǎn)子靜止時，信號繞組內(nèi)不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，晶體管無偏

11、置，功率繞組也就無法饋電，所以這種無刷電機無啟動轉(zhuǎn)矩其次，信號電勢的前沿陡度不大，使得晶體管的功耗較大。上世紀60年代末至70 年代初方波直流無刷電動機一般采用光敏元件和遮光板位置傳感器, 采用三相半控120°相帶導(dǎo)通驅(qū)動方式。由于受到功率開關(guān)器件、永磁材料和驅(qū)動控制技術(shù)發(fā)展水平的制約,且此電動機尚無驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，所以這一時期的無刷直流電動機為直流無刷電機的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。1978年，聯(lián)邦德國Mannesmann公司這是推出MAC直流無刷電機及其驅(qū)動系統(tǒng)，這標志著直流無刷電機真正進入實用階段。之后，國際上對直無刷電機開展深入的研究，先后研制成方波和正弦波無刷直流電機。直流無刷電

12、機的拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示?？煽醋鍪遣捎棉D(zhuǎn)子位置反饋來進行換相控制，從而保證自同步運行且不需要啟動繞組的電機。20世紀90年代以后，計算機技術(shù)與控制理論發(fā)展迅速，單片機、數(shù)字信號處理器、現(xiàn)場可編程們陣列等微處理器得到了空前的發(fā)展，指令速度和存儲空間都有了質(zhì)的飛越，進一步推動了無刷直流電機的發(fā)展。 由于電機本體及其相關(guān)學(xué)科的迅猛發(fā)展,“無刷直流電機”的概念已由最初的具有電子換向的直流電機發(fā)展到泛指一切具有有刷直流電機外部特性的電子換向電機。直流無刷電機的發(fā)展亦使得電機理論與大功率開關(guān)器件、模擬和數(shù)字專用集成電路、微處理技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及高性能材料的結(jié)合更加緊密。無刷電動機技術(shù)隨著永磁材料的

13、不斷提高和完善，以及電力電子技術(shù)的進一步發(fā)展，直流無刷電動機研究和開發(fā)經(jīng)驗的積累逐步走向成熟，使直流無刷電動機的應(yīng)用、開發(fā)進入一個新的階段。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, 又具有直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點, 已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到我們的日常生活和國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域之中。目前我國已有很多單位正在積極開發(fā), 引進國外先進技術(shù), 進一步提高無刷電動機的性能,未來市場對無刷電機的需求量還將急劇增加。近年來，我國中小型電機和微特電機行業(yè)發(fā)展迅速，在汽車、航空航天、家用電器、辦公室自動化領(lǐng)域等行業(yè)內(nèi)得到了較好的發(fā)展，隨著各種先進控制策略被

14、用于直流無刷電機控制系統(tǒng)中，使控制系統(tǒng)的性能大幅度提高，從而全面推進直流無刷電機硬件系統(tǒng)朝小型化、輕量化、智能化和高效節(jié)能的方向發(fā)展。圖1-1 結(jié)構(gòu)拓撲圖1.4 直流無刷電機研究的意義直流無刷電機是將控制芯片、檢測元件、換向機構(gòu)、軟硬件相結(jié)合的一種新型機電產(chǎn)品，綜合了許多現(xiàn)代科技的最新成果，是現(xiàn)代機電一體化的最新最好的詮釋。它不僅僅繼承了現(xiàn)有交流電機和直流電機的優(yōu)點，而且自身還有獨特的特點。沿襲了直流電機調(diào)速性能好、機械特性呈線性、運行效率高等一系列優(yōu)點，并且突出的有點就是沒有勵磁損耗。用置傳感器代替機械換向裝置的好處很突出，沒有了機械換向裝置產(chǎn)生的機械摩擦以及摩擦產(chǎn)生的火花，就大大減少了投入

15、維護運行用的費用，而且從可靠安全的角度上考慮直流無刷電機可以用在高溫高壓等環(huán)境比較惡劣或者是要求比較嚴格的場合，這些都是以往應(yīng)用的電機所不具備的。另一方面，從減少機械振動和減少噪音方面無刷直流電機做的也是非常成功的。這就為人類的工作提供了更加良好的工作環(huán)境，從環(huán)保的角度上考慮也是很好的。雖然由于驅(qū)動電路與換向電路在成本上有一定的增加，但是相信這些隨著科學(xué)技術(shù)的進步與發(fā)展都會得到客服，隨著永磁材料的更新進步，制作轉(zhuǎn)子永磁體變得也越來越容易成本也在下降，這就又為直流無刷電機的推廣應(yīng)用增加了一定的籌碼，因此在來，相信很長一段時間里，直流無刷電機會越來越多的應(yīng)用在民用領(lǐng)域中，漸漸的將會取代現(xiàn)有的直流電

16、機。早在1964年，直流無刷電機就被美國國家航空航天局（NASA）使用，用于衛(wèi)星姿態(tài)控制、太 陽電池板的跟蹤控制、衛(wèi)星上泵的驅(qū)動等?，F(xiàn)代直流無刷電機都是以永磁勵磁的。所以永磁材料的研究與發(fā)展從某種程度上來說對直流無刷電機的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。過去的鋁鎳鈷永磁材料已逐漸被鐵氧體、稀土永磁材料所代替，20世紀80年代高慈能積的銣鐵硼永磁材料的出現(xiàn)與發(fā)展更是極大程度的推動了永磁電機的發(fā)展。隨著電力半導(dǎo)體器件的更新與換代，從小功率晶體管，到大功率晶體管（GTR）、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）等新型開關(guān)器件的發(fā)展使得直流無刷電機的驅(qū)動電路更加簡單，微電子技

17、術(shù)更是將直流無刷電機的專用控制集成電路與電子電路更好的結(jié)合起來。由上面的分析可以看出，隨著時代的進步與科學(xué)的發(fā)展直流無刷電機在今后的社會發(fā)展中必定會逐漸成為主流，縱使它的出場成本依然昂貴，但是隨著永磁材料與電力電子微電子技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展，相信成本問題終將不會限制它的成長。因此，對它的研究在現(xiàn)如今以致在今后未來的很長一段時間里都會具有很深遠的意義。2 直流無刷電機結(jié)構(gòu)及工作原理2.1 直流無刷電機特點2.1.1 電機分類電機分為直流電機和交流電機，直流電機分有刷和無刷兩種，直流無刷電機是在有刷電機的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，但它的驅(qū)動電流是不折不扣的交流；一般地，無刷電機的驅(qū)動電流有兩種，一種是梯形波（一般

18、是“方波”），另一種是正弦波。電機分類框圖2-1所示。按所需電源種類有刷直流電機直 流 電 機交 流 電 機無刷直流電機單相電機三相電機永磁直流電機電磁直流電機方波驅(qū)動正弦波驅(qū)動圖2-1 電機分類結(jié)構(gòu)圖2.1.2 直流無刷電機的主要特點傳統(tǒng)的直流電機以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)速性能在運動領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，但機械電刷卻是它的致命弱點。無刷直流電動機就是為了既要保持有刷直流電動機的特性、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)濟性。下面將就這些方面具體分析無刷直流電動機的優(yōu)點所在。為了實現(xiàn)快速的

19、起、停、加速、減速，要求電動機具有小的轉(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，只有直流電動機才能達到大的起動轉(zhuǎn)矩和大的最大轉(zhuǎn)矩，而無刷直流電動機具有直流電動機的特性，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。無刷直流電動機具有一般有刷直流電動機的調(diào)速特性，只要簡單地改變電動機的輸入電壓的大小就可以在廣闊的范圍內(nèi)進行無級調(diào)速。在可靠性方面，消除了電刷，也就

20、消除故障的主要根源，無刷直流電動機的轉(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，進一步增加了無刷直流電動機工作的可靠性。 由此可知 ，和其它類型的電動機相比，無刷直流電動機不僅較為可靠而且損耗較小，它的電樞在定子上，直接和機殼相連，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，無刷直流電動機可以設(shè)計得體積更小，重量更輕。不論是電機設(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，有著長遠的社會、經(jīng)濟效益。據(jù)報道，美國55%以上的電力是消耗在電動機的運行上，美國GE公

21、司曾預(yù)測，僅在制冷器具的應(yīng)用中，若用無刷電機取代傳統(tǒng)的異步電動機，其效率可提高20%，全美國一年可節(jié)約用電2.2MkWh。而異步電動機運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)，我國消耗在電動機上的電力占整個電力的65%以上。因此，提高電動機的效率，選擇損耗最小、效率最高的電機是很重要的。從以上的分析可以看出，相對于其他類型的電機，無刷直流電動機的損耗最小、節(jié)能效率最高。一份資料作過對比分析，對于7.5kW的異步電動機系統(tǒng)效率可達86.4%，但是同樣容量的無刷直流電動機效率可達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，但在同時要求長壽命，免維修以及防爆

22、、防燃的環(huán)境條件下，有刷直流電動機就無法適應(yīng)，無刷直流電動機才是最好的選擇。 在經(jīng)濟性方面，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的價格不斷的下降，無刷直流電動機驅(qū)動、控制器的價格己經(jīng)和異步機的變頻器相差不多了，只是由于稀土永磁材料的價格較貴，直流無刷電動機的成本也較高.但是在考慮綜合指標(系統(tǒng)性能、重量、能量消耗)之后，無刷直流電動機的應(yīng)用仍呈上升趨勢。因此無刷直流電機鐵芯利用率更高，具有更大的功率密度、更高的效率和更好的控制性能，如將節(jié)能因素、省卻變頻器以及產(chǎn)能提高因素考慮在內(nèi)，綜合使用陳本下降很多。綜上所述，直流無刷電機，不僅具有體積小、節(jié)能、控制性能好、又輕易實現(xiàn)減速直接驅(qū)動消除齒輪減速裝置，

23、低噪音、平層精度和舒服性都優(yōu)于以前的有刷直流電機調(diào)速和異步電機變頻調(diào)速。2.2 直流無刷電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直流無刷電機是同步電機的一種，也就是說電機轉(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。它具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞。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。在電機內(nèi)，裝有一個轉(zhuǎn)子位置傳感器，用來檢測轉(zhuǎn)子在運行過程中的位置。它與電子換相線路一起，替代了有刷直流電機的機械換相裝置。綜上所述，無刷直流電機由電機本體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相線路三大部分組成，定子繞組分別于電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件連接，位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸連接。其內(nèi)部基本

24、結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2-2所示。無 刷 直 流 電 機電 機 主 體位 置 傳 感 器電 子 換 向 線 路圖2-2 直流無刷電機的結(jié)構(gòu)框圖2.2.1 電機主體直流無刷電機在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷電機基本一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子采用的重量、結(jié)構(gòu)化了結(jié)構(gòu)、提高了性能，使其可靠性得以提高。電機主體包括定子和轉(zhuǎn)子，直流無刷電機的定子由鑄鋼疊片組成，轉(zhuǎn)子是由永磁體鑲嵌在鐵芯表面或者嵌入鐵芯內(nèi)部構(gòu)成。定子繞組置于內(nèi)部圓周軸向開鑿的槽中如圖所示，在槽中放置一個或多個線圈，并使它們相互連接組成繞組，電樞繞組可以星形連接或三角形連接，但考慮到系統(tǒng)的性能和成本，目前大多使用星形連接的電樞繞組。沿定子圓周分布這

25、些繞組，以構(gòu)成均勻分布的磁極，且有利于常用的內(nèi)轉(zhuǎn)子無數(shù)直流電機散熱，電機主體圖如2-3所示。圖2-3電機主體圖2.2.2 位置傳感器位置傳感器在無刷直流電機中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置、為邏輯開關(guān)電路提供正確換向信息的作用，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后去控制定子繞組換相，使電機電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按一定次序換相，通過氣隙形成步進式旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)。位置傳感器的種類很多，有電磁式、光電式、磁敏式等。霍爾位置傳感器為磁敏式位置傳感器的一種，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、安裝靈活方便、易于機電一體化的優(yōu)點，因此，在無刷直流電機控制系統(tǒng)中一般采用霍爾位置傳感器作為轉(zhuǎn)子位置

26、檢測裝置?；魻柺轿恢脵z測器是利用“霍爾效應(yīng)”進行工作的。利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動機的永磁轉(zhuǎn)子，同時也是霍爾式位置傳感器的轉(zhuǎn)子。通過感知轉(zhuǎn)子上的磁場強弱變化來辨別轉(zhuǎn)子所處的位置?；魻杺鞲衅靼垂δ芎蛻?yīng)用可分為線性型和開關(guān)型兩種： (1)線性型：線性型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍耳元件、差分放大器、輸出級等部分組成，輸入為變化的磁感應(yīng)強度得到與磁場強度成線性關(guān)系的輸出電壓，可用于磁場測量、電流測量、電壓測量等。 (2)開關(guān)型：開關(guān)型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍耳元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出級等部分組成。輸入為磁感應(yīng)強度，輸出為開關(guān)信號。直流無刷電機的霍耳位置傳感器和電機的本體一樣，也是

27、由靜止部分和運動部分組成，即位置傳感器定子和傳感器轉(zhuǎn)子。其轉(zhuǎn)子與電機主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電動機主轉(zhuǎn)子的位置，即可以直接利用電動機的永磁轉(zhuǎn)子，也可以在轉(zhuǎn)軸其它位置上另外安裝永磁轉(zhuǎn)子。定子由若干個霍耳元件，按一定的間隔，等距離的安裝在傳感器定子上，以檢測電動機轉(zhuǎn)子的位置。 位置傳感器的基本功能是在電動機的每一個電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。位置傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極（N、S幾極）的轉(zhuǎn)角，也就是說每轉(zhuǎn)過360 電角度，就要產(chǎn)生出與電動機繞組邏輯分配狀態(tài)相對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。以完成電動的一個換流全過程，如果轉(zhuǎn)子的極對數(shù)越多，則在360 機械角內(nèi)完成該換流全過程的次數(shù)也就越多?；舳恢脗鞲?/p>

28、器必須滿足以下兩個條件：(1）位置傳感器在一個電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)是不重復(fù)的，每一個開關(guān)狀態(tài)所占的電角度相等。 (2）位置傳感器在一個電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)數(shù)應(yīng)和電動機的工作狀態(tài)數(shù)相對應(yīng)。圖2-4霍爾集成電路及開關(guān)型輸出特性位置傳感器輸出的開關(guān)狀態(tài)能滿足以上條件，那么總可以通過一定的邏輯變換將位置傳感器的開關(guān)狀態(tài)與電動機的換相狀態(tài)對應(yīng)起來，進而完成換相。對于三相無刷直流電動機，其位置傳感器的霍耳元件的數(shù)量是3，安裝位置應(yīng)當間隔120 電角度，其輸出信號是Ha、Hb、Hc。霍爾集成電路及開關(guān)型輸出特性如圖2-4所示，霍爾式位置傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，成本低，因此是目前在無刷直流電動機

29、上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。2.2.3 電子換相換向又可以稱為“換流”,在無刷直流電機中，來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號，經(jīng)處理后按照一定的邏輯程序，驅(qū)使某些與電樞繞組相連接的功率開關(guān)晶體管在某一瞬間導(dǎo)通或截止，迫使某些原來沒有電流的電樞繞組內(nèi)開始流通電流，某些原來有電流的電樞繞組內(nèi)開始關(guān)斷電流或改變電流的流通方向，從而迫使定子磁狀態(tài)產(chǎn)生變化。我們把這種利用電子電路來實現(xiàn)電樞繞組內(nèi)電流變化的物理過程稱為電子換向或“換流”。沒“換流”一次，定子磁狀態(tài)就改變一次，連續(xù)不斷地“換流”，就會在工作氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個跳躍的旋轉(zhuǎn)磁場。當電子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁極相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩

30、，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再有位置傳感器將轉(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。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，因而起到了機械換向的作用。圖2-5 “三相星形橋式連接”的電子換向電路圖2-5是“三相星形橋是連接”的電子換向電路的原理圖?！叭嘈切螛蚴沁B接”的電子換向過程如下：第一步：當時，圖2-5中的MOSFET管、導(dǎo)通，即有電源正端UV電源負端；第二步：當時，MOSFET管、導(dǎo)通，即有電源正端UW電源負端；第三步：當時，MOSFET管、導(dǎo)通，即有電源正端VW電源負端；第四步：當時，MOSFET管、

31、導(dǎo)通，即有電源正端VU電源負端；第五步：當時，MOSFET管、導(dǎo)通，即有電源正端WU電源負端；第六步：當時，MOSFET管、導(dǎo)通，即有電源正端WV電源負端；第七步：當時，又重復(fù)時的狀態(tài)。2.3 無刷直流電機工作原理直流電源邏輯變換開關(guān)線路電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器圖2-6直流無刷電機原理框圖直流無刷電機沒有換向器，并且繞組是在定子上，轉(zhuǎn)子上鑲有永磁剛。當定子上的線圈通有直流電后會產(chǎn)生不變的磁場，這個磁場不能與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場始終形成一個電角度來產(chǎn)生力矩推動轉(zhuǎn)子運動，這就要求定子上通電后要產(chǎn)生變化的磁場，可以和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場在360°始終形成一個固定的電角度產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。通過

32、位置傳感器感受轉(zhuǎn)子位置產(chǎn)生不同的邏輯信號，改變邏輯開關(guān)組成的電路中功率管的導(dǎo)通改變定子繞組通電相來實現(xiàn)磁場的變化，致使轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場和繞組換相導(dǎo)通的磁場始終保持一個90°電角度，這樣電機就連續(xù)不斷的運轉(zhuǎn)起來了。無刷直流電機中電樞繞組被設(shè)置在定子上，永磁體磁極被設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，定子各相電樞繞組相對轉(zhuǎn)子永磁體磁場的位置，由轉(zhuǎn)子位置傳感器通過電子方式或電磁方式所感知；并利用其輸出信號，通過電子換相線路，按照一定的邏輯程序去驅(qū)動與電樞繞組相連接的相應(yīng)的功率開關(guān)晶體管，把電流開關(guān)到相應(yīng)的電樞繞組。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子位置傳感器不斷地發(fā)送出信號，致使電樞繞組不斷地依次通電，不斷地改變通電狀態(tài)

33、，使得在某一磁極下的線圈導(dǎo)體中流過的電流方向始終不變，直流無刷電機原理框圖如2-6所示。2.4 脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)PWM脈寬調(diào)制，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實現(xiàn)。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個作用配合一致，且于中間直流環(huán)節(jié)無關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動態(tài)性能。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大大改善。利用PWM逆變器能夠抑制或消除低次諧波。加上使用自關(guān)斷器件，開關(guān)頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。 PWM變頻電路具有以下特點：  (1) 可

34、以得到相當接近正弦波的輸出電壓 (2) 整流電路采用二極管，可獲得接近1的功率因數(shù) (3) 電路結(jié)構(gòu)簡單 (4) 通過對輸出脈沖寬度的控制可改變輸出電壓，加快了變頻過程的動態(tài)響應(yīng) 現(xiàn)在通用變頻器基本都再用PWM控制方式，所以介紹一下PWM控制基本原理:控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次斜波諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論，即沖

35、量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。沖量既指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同。是指該環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，則它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。3 直流無刷電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)控制方案本系統(tǒng)采用DSPIC30F2010為核心控制芯片，單片機輸出與輸入的信號先經(jīng)過光耦隔離（目的消除干擾），運行時，三相交流電源經(jīng)過晶閘管全橋整流電路為逆變橋提供穩(wěn)定的整流直流電，加載到逆變橋兩端。由控制芯片提供六路PWM波，通過位置傳感器感受轉(zhuǎn)子的位置變化并將其轉(zhuǎn)化后的電信號反饋到控制芯片中，控制芯片對此作出相應(yīng)的判斷，對轉(zhuǎn)速

36、做到實時測量，通過電機驅(qū)動芯片IR2130以此控制相對應(yīng)的功率管按照既定的方式導(dǎo)通，使得定子繞組產(chǎn)生變化的磁場，產(chǎn)生推動轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使電機轉(zhuǎn)動，帶位置傳感器直流無刷電機的系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。微 處 理 器電 機 驅(qū)動 電 路逆 變 橋整 流 橋三 相 交流 電 源轉(zhuǎn) 子 位 置 信號無刷電 機電平轉(zhuǎn)換圖3-1直流無刷電機系統(tǒng)框圖3.2 系統(tǒng)主電路無刷直流電機硬件系統(tǒng)主電路主要由交流電源、整流橋和逆變橋組成。輸入交流電先經(jīng)過整流電路整流后變換為直流電，逆變橋?qū)⒋酥绷麟娊?jīng)過變換后輸出，用來驅(qū)動無刷直流電機。無刷直流電機控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件部分由主電路、驅(qū)動電路、微處理器

37、控制電路與保護電路等組成。軟件部分包括主程序和定時中斷服務(wù)子程序等內(nèi)容。3.2.1 三相橋式全控整流電路根據(jù)不同的系統(tǒng)要求和應(yīng)用場合，交流電源可采用單相或三相交流電源對于單相交流電源，常采用整流電路有橋式全控整流電路、橋式半控整流電路和橋式倍壓整流電路。三相交流電源多采用三相橋式整流模塊實現(xiàn)整流，接線簡單且效果好。橋式全控整流電路如圖3-2所示，由圖知橋式全控整流電路習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1、VT3、 VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中

38、與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。從后面的分析可知，按此編號，晶閘管的導(dǎo)通順序為 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。圖3-2三相橋式全控整流電路3.2.2 功率管的選用功率管（功率場效應(yīng)控制器）是一種用電壓信號控制工作電流的電力電子器件。特點是輸入阻抗極高，所需驅(qū)動功率很小，在控制信號撤除后會自行關(guān)斷，是一種高性能的自關(guān)斷器件。目前廣泛使用于電機驅(qū)動控制電路，特別是應(yīng)用于無刷直流電機的驅(qū)動控制中。本設(shè)計選用的功率管如下：(1) N管選用STP60NF06，這種系列MOSFET功率管

39、是一種具有獨特的STripFET過程微電子穩(wěn)壓管，特別是具有極小的輸入電容和柵極電荷。因此，特別適合作為電信和計算機的先進高效的主要的開關(guān)隔離式DC - DC轉(zhuǎn)換器。還可應(yīng)用在要求低電荷驅(qū)動?xùn)艠O的電路。 (2) P管選用STP80PF55，主要應(yīng)用于電動機控制、DC-DC和DC-AC變換器中。MOSFET管工作在高頻時，為了防止振蕩，有兩點必須注意：第一，盡可能減少各端點的連接線長度，特別是柵極引線，如果無法使引線縮短，可以在靠近柵極處串聯(lián)一個小電阻以便控制寄生振蕩；第二，由于MOSFET管的輸入阻抗高，驅(qū)動電源的阻抗必須比較低，以避免正反饋所引起的振蕩，特別是MOSFET管的直流輸入阻抗非常

40、高，但它的交流輸入阻抗是隨頻率而改變的，因此MOSFET管的驅(qū)動波形的上升和下降時間與驅(qū)動脈沖發(fā)生器阻抗有關(guān)。3.3.3 三相橋式逆變電路圖3-3三相橋式逆變電路圖三相橋式逆變電路如圖3-3所示，由六個MOSFET或IGBT構(gòu)成的三相橋式逆變器，圖中二極管D1D6可作為電機向直流側(cè)反饋能量的通道，故稱為反饋二極管；他們同時起著使電機電流續(xù)流的作用，因此又稱為續(xù)流二極管。續(xù)流二極管旁由阻容和另一個二級管組成吸收電路，其作用為抑制功率管兩端的過沖電壓，減小功率管的關(guān)斷損耗。由三相橋式逆變電路圖及原理，我們來討論功率管的導(dǎo)通所帶來的繞組換向問題及由功率管所構(gòu)成的逆變電路。怎么樣才能使轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的

41、磁場與繞組產(chǎn)生的磁場在360度電角度內(nèi)始終形成固定的90度的電角度，通過電路的一系列工作方式來說明這些問題?，F(xiàn)代無刷直流電機最常用的三相全橋逆變電路。采用6個MOSFET功率管和6個續(xù)流二極管組成。電機采用三相Y型連接方式。三相繞組導(dǎo)通方式通常有兩兩導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式。下面就兩種主要導(dǎo)通方式進行論述和分析。 (1) 兩兩導(dǎo)通方式兩兩導(dǎo)通方式是指每一時刻電機都有兩相導(dǎo)通，第三相懸空，各相的導(dǎo)通順序與時間由位置傳感器獲得的轉(zhuǎn)子位置信號決定。定子合成磁場在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場，而是一種步進式旋轉(zhuǎn)磁場，每個步進角是60°電角度。轉(zhuǎn)子沒轉(zhuǎn)過60°電角度時，逆變橋就進行一次換流，

42、定子磁狀態(tài)就相應(yīng)改變一次，由此可見，電機有六個磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩兩導(dǎo)通，每相繞組中連續(xù)流過電流的時間對應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120°電角度所需要的時間。 每一時刻都有一個上橋臂功率器件導(dǎo)通，使相應(yīng)的繞組獲得正向電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；同時又有一個下橋臂功率器件導(dǎo)通，使另一相繞組獲得反相電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此相應(yīng)時刻的合成轉(zhuǎn)矩是兩相繞組通電產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和。每經(jīng)過一次換相，合成轉(zhuǎn)矩的方向就轉(zhuǎn)過60°電角度，一個周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩要經(jīng)歷六次方向變換，使得轉(zhuǎn)矩波動比三相半控式驅(qū)動電路要平緩很多。(2) 三三導(dǎo)通方式三三導(dǎo)通方式是指每一瞬間逆變橋均有三只功率器件同時通電。同兩兩導(dǎo)通方式相比，也是，每隔1/6周期

43、（60°電角度）換相一次，其硬件原理完全相同。只是功率器件的導(dǎo)通次序不同，每一功率器件導(dǎo)通180°電角度。三三導(dǎo)通方式可以更進一步提高繞組的利用率，減少轉(zhuǎn)矩波動。值得注意的是三三導(dǎo)通方式在換相時刻容易導(dǎo)致同一橋的上、下橋臂同時導(dǎo)通。3.3 驅(qū)動電路MOSFET驅(qū)動電路既可以由分立器件構(gòu)成，也可以由專用的驅(qū)動器構(gòu)成。由專用驅(qū)動器構(gòu)成的電路簡單，可靠性高，應(yīng)用較為廣泛。驅(qū)動器種類很多，其中IR2110和IR2130較為常用。IR2130是IR公司生產(chǎn)的高性能三相橋式驅(qū)動器，它是高壓集成驅(qū)動器，可作為交直流調(diào)速、UPS電源、電子鎮(zhèn)流器以及永磁無刷電機調(diào)速電路中主功率元件的驅(qū)動電路

44、。IR2130具有六路輸入信號和輸出信號，其中六路輸出信號中的三路具有電平轉(zhuǎn)換功能，因而他既能驅(qū)動橋式電路中低壓側(cè)的功率器件，又能驅(qū)動高壓側(cè)的功率元件。也就是說IR2130只使用一路驅(qū)動電源，但可以輸出6路驅(qū)動信號，使系統(tǒng)簡化，而且IR2130保護功能設(shè)計的更加完美，使電路更加可靠。IR2130可在不高于600V的電路中工作，輸出的上橋臂驅(qū)動電流峰值為250mA，下橋臂驅(qū)動電流峰值為500mA。其內(nèi)部集成有1個電流比較器、1個電流放大器、1個自身工作電源欠壓檢測器、1個故障處理單元、1個清除封鎖邏輯單元、3個輸入信號處理器、3個脈沖處理和電平移位器、3個上橋臂驅(qū)動信號鎖存器、3個上橋臂驅(qū)動信號

45、欠壓檢測器、6個低壓輸出阻抗功率驅(qū)動器和1個或門電路。圖3-4直流無刷電機驅(qū)動電路圖在無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)中，微處理器產(chǎn)生6路PWM脈沖信號作為IR2130的6路輸入，其中3路驅(qū)動上橋臂，3路驅(qū)動下橋臂。驅(qū)動下橋臂功率管的3路信號經(jīng)過功率放大后，直接被送往功率器件的控制極；而驅(qū)動上橋臂功率管的3路信號先經(jīng)過脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進行電位變換。變?yōu)?路電位懸浮的驅(qū)動脈沖信號，再經(jīng)對應(yīng)的3路輸出鎖存器鎖存，通過嚴格的驅(qū)動脈沖檢驗之后，被送到輸出驅(qū)動器進行功率放大，到最后到被驅(qū)動的上橋臂功率管控制極。直流無刷電機的驅(qū)動電路如圖3-4所示。圖3-4中，IR2130的HIN1HIN3、LIN

46、1LIN3作為功率管的輸入驅(qū)動信號與主控芯片連接。FAULT與DSPIC30F2010外部中斷引腳連接，由控制器中斷程序處理故障。考慮到電樞線圈由于自身電感的作用會產(chǎn)生極高的瞬時反電動勢，會擊穿元件，在功率管上加入D5D8這六個二極管，起作用時通過續(xù)流而防止出現(xiàn)過高的反電動勢造成MOSFET管損壞。C3C5是自舉電容，為上橋臂功率驅(qū)動的懸浮電源存儲能量，D1D3的作用防止上橋臂導(dǎo)通時的直流電壓母線電壓到IR2130的電源上而使器件損壞，因此D1D3應(yīng)有足夠的反向耐壓，由于二極管與電容串聯(lián)，為了滿足主電路功率管開關(guān)頻率的要求，D1D3選著了快速恢復(fù)二極管。3.4 轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路在帶位置傳感

47、器無刷直流電機控制系統(tǒng)中，為了得到最大轉(zhuǎn)矩，微處理器需要根據(jù)位置傳感器的信號對無刷直流電機進行換相操作。掌握好恰當?shù)膿Q相時刻，可以減少電機轉(zhuǎn)矩波動，因此位置檢測非常重要。在大多數(shù)無數(shù)直流電機中，霍爾位置傳感器由安裝在定子上的霍爾集成電路和安裝在主轉(zhuǎn)子上的位置傳感器轉(zhuǎn)子構(gòu)成。傳感器轉(zhuǎn)子與電機主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電機主轉(zhuǎn)子的位置，若干個霍爾集成電路按等距的間隔，安裝在電機定子上，主轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極，傳感器就要產(chǎn)生出一組跳變信號。主轉(zhuǎn)子的極對數(shù)越多，則在360°機械角度內(nèi)傳感器產(chǎn)生的跳變信號也越多。在一個電周期內(nèi)，霍爾位置傳感器所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)是不重復(fù)的，每一個開關(guān)狀態(tài)所占的電角度相等

48、。以3個空間位置相差120°電角度的霍爾位置傳感器為例，每個電周期內(nèi)每一個霍爾位置傳感器都會產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號，3個霍爾位置傳感器的輸出信號相位差120°.這樣它們在每個轉(zhuǎn)子電周期中共有3個上升沿和3個下降沿，正好對應(yīng)6個換相時刻。位置檢測不但用于換相控制，而且還可以用于產(chǎn)生速度反饋控制量。轉(zhuǎn)子位置反饋信號被送入微處理器的輸入接口，這一組信號的電平狀態(tài)和跳變時刻決定了電機的換相狀態(tài)和時刻。如圖3-5所示，霍爾位置傳感器輸出信號HA、HB和HC經(jīng)過高速光電隔離后輸出，再經(jīng)過整形和電容濾波濾去高頻干擾信號后得到HA、HB和HC，最后送入微控制器。圖3-5轉(zhuǎn)子位

49、置信號檢測電路圖3.4 微處制器控制電路微處理器控制電路主要包括微處理器、接口電路和外圍設(shè)備。其中，未處理器是整個電路的核心部件，它主要負責對輸入數(shù)據(jù)進行處理。實現(xiàn)各種復(fù)雜算法、通過輸出接口向驅(qū)動電路發(fā)送控制信號、將運算結(jié)果輸出給外圍設(shè)備、從外圍設(shè)備接收指令并做出相應(yīng)的動作。由此可見。選著一個合適的微處理器，就成為整個控制系統(tǒng)能否良好運行并達到預(yù)期控制效果的關(guān)鍵。隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，微處理器芯片也朝著高速化、通用化、專用化、高性價比以及模擬數(shù)字混合集成等方向發(fā)展。美國 MICROCHIP公司推出了性價比介于高檔 16位單片機和中檔 DSP 之間的 dsPIC30F系列28位

50、引腳16位MCU，它主要為交流感應(yīng)電機、無刷直流電機和普通直流無刷電機這些典型的電機類型而專門設(shè)計的。論文中采用該系列中的dsPIC30F2010 微處理器作為直流無刷電機無位置傳感器控制系統(tǒng)的主控芯片，它內(nèi)部有專為電機控制應(yīng)用而設(shè)計的MCPWM模塊，使系統(tǒng)更加簡化，其外圍電路主要包括系統(tǒng)時鐘電路、復(fù)位電路、程序在線調(diào)試和下載電路。以下是DSPIC30F2010電機控制PWM模塊的一些主要特性：l 6個PWM輸出通道，互補或獨立的輸出模式，邊沿和中心對齊模式l 4個占空比發(fā)生器。l 具備4中工作模式的專用時基l 輸出極性可由編程設(shè)定l 用于互補模式的死區(qū)時間控制l 手動輸出控制l 用于同步A/

51、D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)器圖3-6微處制器控制電路dsPIC30F2010 微處理器同時具有高性能 16 位單片機的控制特點和 DSP 高速的數(shù)字信號處理能力，并且采用了改進的哈佛 RISC 架構(gòu)，其擁有豐富的外圍模塊、完整的 DSP 引擎、改進的中斷處理能力以及大容量的FLASH 存儲器.dsPIC30F2010微處理器內(nèi)核集成了完整的DSP引擎，這極大的提高了微處理器的運算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力。它具有一個高速17位×17位乘法器、一個40位算數(shù)邏輯單元（ALU）、兩個40位飽和累加器、一個40位雙向桶形移位寄存器和16個16位工作寄存器（ W 0 W15），并且每個工作寄存器都可以作為數(shù)據(jù)、尋

52、址或者移位寄存器進行操作，在這16個工作寄存器中 W 15作為中斷和程序調(diào)用時的堆棧指針。 dspIC30F2010微處理器的指令系統(tǒng)支持單片機和DSP兩大類指令，并且DSP指令可以與普通的單片機指令同時進行操作，此外，該指令系統(tǒng)基于高效的C語言編譯器，內(nèi)核支持固有尋址（無操作數(shù)尋址）、相對尋址、立即數(shù)尋址、存儲器直接尋址、寄存器直接尋址、寄存器間接尋址、寄存器偏移量尋址以及立即數(shù)偏移量尋址。對于大多數(shù)的指令，內(nèi)核能夠在每個指令周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)（或程序數(shù)據(jù)）存儲器讀取、工作寄存器（數(shù)據(jù)）讀取、數(shù)據(jù)存儲器寫入以及程序（指令）存儲器讀取的工作。dsPIC30F2010微處理器的內(nèi)核中還加強了陷阱異常

53、和中斷處理結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計，支持最多8個陷阱異常和54個中斷源，編程人員可以指定1到7之間的優(yōu)先級（1為最低優(yōu)先級；7為最高優(yōu)先級）或者按照預(yù)定義的“自然順序”，決定每個中斷源的優(yōu)先級。dsPIC30F2010微處理器中，陷阱異常的優(yōu)先級是固定的，其優(yōu)先級范圍從8到15。dsPIC30F2010微處理器還集成了豐富的外圍功能模塊，其中包括：高灌電流、高輸出驅(qū)動電流的I/O引腳，最大輸出驅(qū)動電流可達 25 mA；三個16位定時器（計數(shù)器），在需要的時候可以將16位定時器配對組成32位定時器進行操作；四個16位輸入捕捉功能引腳；兩個16位比較或者PWM輸出功能引腳，可工作在雙比較模式下；多種外圍通訊

54、模塊，其中含有SPI、IIC和UART等通訊方式；多通道的A/D采樣模塊以及各種異常情況處理模塊和保護模塊。當dsPIC30F2010微處理器應(yīng)用在電機控制系統(tǒng)中，其電機專用控制模塊還提供了六個PWM輸出通道和四個占空比發(fā)生器用于三相橋式逆變器的控制，設(shè)計人員可以對相應(yīng)的控制寄存器進行編程，使微處理器輸出互補或者獨立的PWM波，同時也可以對驅(qū)動信號的死區(qū)時間進行控制。 綜上所述， dsPIC30F2010微處理器擁有強大的內(nèi)核處理能力，完善的指令系統(tǒng)，豐富的外圍功能模塊以及電機控制專用模塊，為電機控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了便利FF0C表現(xiàn)出了良好的控制性能。3.5 PWM脈寬控制的實現(xiàn)為了使直流無刷

55、電機速度可變，必須在兩相繞組的兩端加上可變電壓。從數(shù)字化的語言來講，從數(shù)字化的語言來講，就是加在直流無刷電機繞組上的PWM信號的不同占空比可以獲得可變電壓。dsPIC30F2010有六個由PWM信號驅(qū)動的PWM輸出，通過使用六個開關(guān)、IGBT 或 MOSFET，可以將三相繞組驅(qū)動為高電平、低電平或根本不通電。例如，當繞組的一端連接到高端驅(qū)動器時，就可在低端驅(qū)動器上施加占空比可變的 PWM 信號。這與將 PWM信號加在高端驅(qū)動器上， 而將低端驅(qū)動器連接到 V SS 或GND 的作用相同。一般更喜歡對低端驅(qū)動器施加PWM信號。PWM信號由dsPIC30F2010的電機控制（MotorControl

56、,MC）專用PWM模塊提供。MCPWM模塊是專為電機控制應(yīng)用而設(shè)計的。MCPWM有一個專用的16位PTMR 時基寄存器。此時定時器每隔一個由用戶定義的時間間隔進行一次遞增計數(shù)，該時間間隔最短可以為。通過選擇一個值并將它裝入PTPER寄存器，用戶可以決定所需的PWM周期。每個，PTMR與PTPER作一次比較。當兩者匹配時，開始一個新的周期?？刂普伎毡鹊姆椒ㄅc此類似，只需在三個占空比寄存器中裝入一個值即可。與周期比較不同，每隔 /2 就將占空比寄存器中的值與 PTMR 進行一次比較（即，比較的頻率是周期比較的兩倍） 。 如果PTMR的值與PDCX的值相匹配，那么對應(yīng)的占空比輸出引腳就會根據(jù)選定的P

57、WM模式驅(qū)動為低電平或高電平。通過占空比比較產(chǎn)生的三個輸出將被分別傳輸給一對互補的輸出引腳，其中一個引腳輸出為高電平，而另一個引腳輸出為低電平，反之亦然。這兩個輸出引腳也可以被配置為獨立輸出模式。當驅(qū)動為互補輸出時，可以在高電平變低與低電平變高之間插入一段死區(qū)。死區(qū)是由硬件配置的，最小值為 。插入死區(qū)可以防止輸出驅(qū)動器發(fā)生意外的直通現(xiàn)象。3.6 保護電路在控制系統(tǒng)工作中，經(jīng)常會發(fā)生很多異常的情況，為了防止這些異常情況對控制電路、驅(qū)動電路和電機的損害，電路設(shè)計中需要加入必要的保護電路。常用的保護電路有過電壓保護電路、過電流保護電路等，以下分別介紹。3.6.1 過壓保護電路圖3-8過壓保護電路過壓

58、保護電路的工作原理：直流側(cè)母線電壓經(jīng)過采樣后被送入電壓比較器，與事先設(shè)定好的好的參考電壓進行比較，如果超過參考值則證明出現(xiàn)過壓現(xiàn)象。比較器輸出過壓保護信號，觸發(fā)微處理器的中斷信號以實現(xiàn)過壓保護。采集母線電壓的方式，直接在直流側(cè)母線電壓上設(shè)置分壓電阻，采集到母線電壓經(jīng)比較器后輸出的信號送入光耦，光耦輸出的信號再送給微處理器，保證了系統(tǒng)控制電路和主電路的隔離，結(jié)構(gòu)簡單，其電路原理圖如3-8所示。3.6.2 過電流保護電路過電流保護原理同過電壓保護類似，在直流側(cè)母線中加入采樣電阻，將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺缓笤龠M行處理，其電路原理如圖所示。3-9過電流保護電路4 軟件部分4.1 微處理器DSPIC30