三相無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計-圖文

廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文三相無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計姓名:孫心華申請學(xué)位級別：碩士專業(yè):電力電子與電力傳動指導(dǎo)教師:童懷20080501摘要摘要三楣無刷直流電機是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型電機 ，它剃用電子挨耀代替機械換相，既具有直流電機的調(diào)速性能，又具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，并且體積小、效率高，在許多領(lǐng)域已得到了廣泛的運用。 本文首先介紹了三相無捌直流電機在國內(nèi)外的發(fā)展及其控制系統(tǒng)的研究現(xiàn) 狀，詳細論述了三相永磁無刷直流電機的構(gòu)成、運行原理、特性分析和其轉(zhuǎn)子位 置信號的才測方法；然后設(shè)計了控制系統(tǒng)的硬件電路及相應(yīng)軟件，最后對設(shè)計的控制系統(tǒng)進行調(diào)試并分析了影響系統(tǒng)可靠性的睽素及給毒了相應(yīng)解決的方案。 根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)、成本及靈活性等各方面的要求，本控制系統(tǒng)設(shè)計了以Atmega8L單片機及ECN30206集成驅(qū)動器為核心的硬件平臺。Atmega8L單片楓對蠢ECN30206構(gòu)成豹功率驅(qū)動電路進行轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制、并定時采集電流信號對電流進行過流保護及采用Max7219串行顯示轉(zhuǎn)速、電流、相關(guān)故障信息，通過光電隔離對永磁無刷直流電機諸如轉(zhuǎn)向等控制及接收外部信息，通過RS-485總線接蹬與外部其它系統(tǒng)交換信怠、對各種信息進行分析處理、協(xié)調(diào)各部分的工作。在軟件方面編制了基于硬件平臺的程序，協(xié)調(diào)硬件工作。本控制系統(tǒng)軟件由 一個前意念系統(tǒng)努加兩個中斷服務(wù)子程序，前看臺主程序豳對系統(tǒng)初始化模塊、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計算及轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制組成，初始化模塊主要對Atmega8L單片機三個定時器T0、T1、T2,ADC轉(zhuǎn)換器，通用用行口UART,輸入輸出I/O口的初始化，系統(tǒng)初始化之后再對無刷直流電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進行計算，計算結(jié)果再與設(shè)定值進行比較,將比較差值送PID控制器控制PWM的占空比來控制專用驅(qū)動控制器ECN30206的VSP引腳電壓輸入，從而控制轉(zhuǎn)速，達到閉環(huán)控制的目的，中斷程序主要懲來睪行中斷接收上位楓發(fā)來的無刷直流電機轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速設(shè)定僮、定時中斷 檢測電流及顯示轉(zhuǎn)速值及相關(guān)故障。本文所設(shè)計的無刷直流控制系統(tǒng)實現(xiàn)了電機的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID控制、各種參數(shù)及故障的顯示。本控制系統(tǒng)保護功能較完善 ，硬件結(jié)不^簡單，成本較低，主控制部分、驅(qū)動部分及顯示部分用戶可以任意選擇使用。廣東工業(yè)人學(xué)工學(xué)碩上學(xué)位論文關(guān)鍵詞:三相無刷直流電機；Atmega8L單片機；ECN30206集成驅(qū)動器；PID閉環(huán)控制AbstractAbstractThreephasebrushlessDCmotor(BLDCMwithpermanentexcitation,whoseelectricalcommutatoriSusedtoinsteadofmechanical,hasnotonlythesamegoodcharacteristicsofspeedcontrolastraditionalDCmotor,butalsothegoodcharacteristicsofACMotorsuchasstructuresimple,operationreliable,maintenancefriendly.BrushlessDCmotorhassetwideapplicationduetoitshighpowerdensity,easetocontrol,highefficiencyoverwidespeedrange.ThepaperfirstlyintroducedthestudystatusofpermanentmagnetbrushlessDCmotorinhomeandabroad,andthendiscusseditsstructure,operationprinciples,characteristicsaswellasitsrotorpositionsignaldetectionmethodsindetail;secondly,designedthecontrolsystem'Shardwareandsoftwareaccordilastydebuggedthecontrolsystem,analyzedthefactorsaffectingthereliabilityofthesystemandgavethecorrespondingsolutions.Accordingtotherequirementsofcontrolsystemsuchasdesignparameters,costandflexibility,thispaperdesignedAtmega8LSCMandECN30206integrateddriverasthecorehardwareplatform.Atmega8LSCMposedrotationspeedPIDclosed-loopcontrolonthesystemandregularlycollectingcurrentsignalforthecurrentove^currentprotection;usedtheMax7219serialdisplaythecurrent,relatedtofaultinformation;controlledPermanentmagnetbruhlessDCmotor'Srotatedirectionandreceivedexternalinformation,throughtheisolationofthephotoelectric;exchangedinformation,analyzedandprocessedthevariousinformation,coordinatedvariouspartsworkingthroughtheRS——485businterfacewithotheroutsidesystems.Thispapercompiledaprogrambasedonthehardwareplatformtocoordinationwiththehardware.Thesoftwareofthecontrolsystemiscomprisedbyonefore.andaftplatformmainprogramandtwointerruptservicesubprogram.Thefore.and-爨platformmainprogramismadeupbythesysteminitializationmodule,therotorspeedcomputingandPIDspeedclosed-loopcontrolcomponent.Thesystem廣東工業(yè)人學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文initializationmodulemainlyinitializesthethreetimers,A/Dconverter,serialUART,I/Opins.Aftersysteminitialization,themainprogramcomputestheBLDC 'SrotorspeedandcomparedtothesetspeedvalueandthenitsendtheerrortothePIDcontr01.TheSVSPpinsssettingPIDcontrollerwillchangethevoltageoftheECN30206integrateddriveraccordingtothedutycycleofSVSPpinsssettingPWM.Inthiswaytherotorspeedwascontrolledaccordwiththeuservalue.Oneoftheinterruptsubprogrammainlyusedtoreceivethecontrolorderfromtheexternalsystem,whichcomposedofrotordirection,rotorspeedvalue.Theotherismainlyusedtodetectthecurrentanddisplaythespeedandrelatedfailuresregularly.Inthispaper,thebrushlessDCmotorcontrolsystemachievedtherotordirection,speedclosed-loopPIDcontrol,andvariousparametersdefectdisplay.Thecontrolsystemhasaperfectprotection,simplehardwarestructure,lowercost.Themaincontrolsection,driversectionanddisplaysectioncanchoosearbitrarybytheuser.Keywords:ThreephaseBLDCmotor;Atmega8Lmicro-C;ECN30206integrateddriver;PIDclosed-loopcontrol廣東工業(yè)人學(xué)工學(xué)碩L學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明秉承學(xué)校嚴謹?shù)膶W(xué)風與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知 ，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，不包含本人或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻 均已在論文中作了明確的說明，并表示了謝意。本學(xué)位論文成果是本人在廣東工業(yè)大學(xué)讀書期間在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的 ，論文成果歸廣東工業(yè)大學(xué)所有。申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關(guān)責任，特此聲明。ll指導(dǎo)教師簽字：翟.牝論文作者簽字銅、//青紗磚年歹月矽日第一章緒論課題依據(jù)及意義第1章緒論無刷直流電機是近幾年來小電機行業(yè)發(fā)展最快的品種之一，隨著視聽產(chǎn)品小、輕、薄化和家電產(chǎn)品的靜音節(jié)能化以及豪華型轎車需求量增多 ，無刷直流電動機需要量迅速增加；無刷直流電機用電子換向替代了電刷和換向器，具有高可靠、高效率、壽命長、調(diào)速方便、低噪音等優(yōu)點。國內(nèi)近年來在無刷直流電機的 設(shè)計及控制方面有很多的研究，但與國外成熟的產(chǎn)品相比還有很多地方值得提高，并且很多無刷直流電機生產(chǎn)商都沒有給出具體的控制方案，因此在無刷直流電機控制方面的研究是非常有必要的。由于無刷直流電機具有體積小、重量輕、效率高、調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)動慣量小、沒有勵磁損耗等問題，因此在各個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。一方面，無刷直流電機與其他異步電機相比具有明顯的優(yōu)勢如反饋裝置更簡單、功率密度更高、輸出轉(zhuǎn)矩更大、并且電機和逆變器各自的潛力得到充分的發(fā)揮，因此無刷直流電機的應(yīng)用和研究得到了前所未有的重視。據(jù)資料統(tǒng)計統(tǒng)計表明無刷直流電機的使用 每年以較高比例增長。另一方面無刷直流電機與有刷直流電機相比有更多的優(yōu)點 如電機本體結(jié)構(gòu)簡單、運行時無火花、電磁干擾小，無噪聲等，因此具備廣泛應(yīng)用前景。n3目前在家用電器方面，大多使用異步電機，但是隨著人們生活水平的提高對各種家電的質(zhì)量、性能提出了更高的要求；隨著能源的日益匱乏特別是燃油方面，對高效節(jié)能也有更高的要求，國家十一五計劃也明確提出過限制耗能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，因此采用無刷直流電機來代替性能差、效率低的異步電動機成為大勢所趨。現(xiàn)在在高檔電扇中已經(jīng)采用了無刷直流電機，在新一代的空調(diào)、洗衣機、電冰箱、吸塵器等家電中

已逐漸用無刷直流電機取代了異步電動機，因此研究無刷直流電機及其控制意義重大。廣東工業(yè)人學(xué)工學(xué)碩上學(xué)位論文無刷直流電機的發(fā)展電機作為主要的能量轉(zhuǎn)換裝置，已被廣泛應(yīng)用于家用電器、信息處理設(shè)備、 汽車工業(yè)、機器人等各個領(lǐng)域。直流電機具有優(yōu)秀的線性機械特性、寬的調(diào)速范圍、大的啟動轉(zhuǎn)矩、簡單的控制電路等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于于各種驅(qū)動裝置和伺服系統(tǒng)中，但是直流電機是依靠換向器和機械電刷進行換向，由于換向器和電刷的接觸,使直流電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、變化的接觸電、產(chǎn)生電火花、電磁干擾 ，噪聲等一系列問題、影響了直流電機的性能。因此從上個世紀以來人們就開始研 究一種不用機械電刷和換向器的直流電機。1955年，美國D.Harrison等人首次成功的實現(xiàn)了用晶體管換向線路代替有刷直流電機機械電刷，這標志著現(xiàn)代無刷直流電機的誕生?！?二十世紀六十看年代以來，由于高性能新型永磁材料、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)代控制理論的發(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動機發(fā)展到泛指一切具有宥刷直流電機”外部特性的電子換向電機。無刷直流電動機真正進入實用階段是從 1978年開始，當時前德國某公司在漢諾威貿(mào)易博覽會上，正式推出一款經(jīng)典無刷直流電動機及其驅(qū)動器。80年代，國際上開展了深入的研究，先后研制成方波無刷直流電機和正弦波無刷直流電動機，在10多年的時間里，無刷直流電動機在國際上已得到較為充分的發(fā)展，刷直流電機，日本的不少攝影機、打印機、存儲心臟泵等領(lǐng)域?！?】在一些較為發(fā)達的國家里，無刷直流電動機將在未來幾年內(nèi)成 為主導(dǎo)電動機，并逐步取代其他類型的電動機。現(xiàn)在許多高檔精密型產(chǎn)品都用無刷直流電機，日本的不少攝影機、打印機、存儲心臟泵等領(lǐng)域?！?】無刷直流電機控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀現(xiàn)階段國內(nèi)外無刷直流電機控制的研究主要包括轉(zhuǎn)子位置檢測及功率開關(guān)的狀態(tài)切換、速度調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩脈動的抑制、無刷直流電機的起動。 兒釘一"m力一、轉(zhuǎn)子位置檢測及開關(guān)狀態(tài)切換2第一章緒論無刷直流電機的運行是通過逆變器功率器件隨轉(zhuǎn)子的不同位置相應(yīng)地改變其不同的開關(guān)管組合狀態(tài)來實現(xiàn)的，因此準確檢測轉(zhuǎn)子的位置并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置準時切換功率器件的開關(guān)組合狀態(tài)是控制無刷直流電機正常運行的關(guān)鍵。1、用位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置及開關(guān)狀態(tài)切換利用傳感器得到的不同位置信號經(jīng)過門電路、模擬開關(guān)或?qū)Ｓ眯酒涂梢缘玫讲煌拈_關(guān)邏輯信號，實現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的自動切換，隨著微處理器的應(yīng)用，也可以通過軟件來進行切換，無刷電機常用的位置傳感器有磁電感應(yīng)式、磁敏式和光電式。磁電式位置傳感器既笨重又復(fù)雜，在方波電機中早已被淘汰。磁敏式霍爾位置傳感器由于體積小，簡單可靠的特點而被廣泛應(yīng)用。光電式如光電碼盤因高 精度的特點而廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)中。但位置傳感器的使用增加了電機的體積 ，且需要多根信號線，這給無刷直流電機的彳型化帶來了困難，也增加了電機制造的工藝要求和成本。2、無位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置及開關(guān)狀態(tài)切換為了省去位置傳感器，根據(jù)各相反電勢隨轉(zhuǎn)子位置改變的原理有些專家提出 了端電壓檢測法，把三相端電壓經(jīng)低通濾波器延時90度電角度，再經(jīng)比較電路得到開關(guān)邏輯信號。但該方法存在著低通濾波器在電機低速時延對不足 90度電角度的情況導(dǎo)致觸發(fā)信號提前切換，對電機電流、轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的影響，嚴重時甚至會引起電機失步。因此，又有人在此基礎(chǔ)上進行補充，低速時,采取三相端電壓兩兩比較直接得出觸發(fā)邏輯信號的方法，在整個運行段，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速，在兩個位置檢測電路之間進行切換。隨著微處理器的應(yīng)用，利用軟件的延時對方法可以完全簡化端電壓檢測法的位置檢測電路。沈建新在電工報發(fā)表文章提出用三 相端電壓和比較電壓間接得到繞組反電勢的過零點，然后用軟件延遲1/12周期的時間再切換觸發(fā)信號。但由于凸極電機中電樞反應(yīng)和檢測電路濾波器的影響會導(dǎo) 致電機超前或滯后換流，因此他又發(fā)表了一文章對此進行了修正，并取得了良好的效果。端電壓檢測法”雖能完成轉(zhuǎn)子位置的檢測，但由于繞組的反電勢正比于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，因此,在低速時就很難檢測到反電勢而會導(dǎo)致電機失步。二、速度調(diào)節(jié)根據(jù)無刷直流電機白^機械特性轉(zhuǎn)速為：n=(u-AU-IaV?ray/Ke(1—1廣東工業(yè)大學(xué)T學(xué)碩卜學(xué)位論文因此可以通過調(diào)節(jié)端電壓U或定子電流Iav來實現(xiàn)調(diào)速。有學(xué)者介紹了利用降壓型載波電路和兩象限載波電路來進行調(diào)速的兩種方法 ，兩象限電路由于可以很快地控制電流，因此其動態(tài)性能遠遠高于只是靠通過調(diào)節(jié)端電壓來調(diào)速的降壓型 電路,且前者還有回饋制動的功能，電流脈動也比后者小得多。也有人提出了用 PWM信號作為功率器件的觸發(fā)信號，用調(diào)節(jié)PwM信號的占空比的方法來調(diào)速，該方法可以直接控制電機的相電流，因而調(diào)速性能更佳，也可以很好地抑制電流的脈動。高性能的調(diào)速系統(tǒng)，尤其是速度伺服系統(tǒng)，需要有一適合于系統(tǒng)的控制策略，即速度調(diào)節(jié)器。大部分系統(tǒng)采用了數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，但這對交流伺服系統(tǒng)有一定的局限性用些就有專家采用PID控制與模糊控制相結(jié)合的Fuzzy-PID控制對速度環(huán)進行控制，取得了良女？的效果，使系統(tǒng)具有Fuzzy和PID控制的雙重優(yōu)點，且在不同的負載下具有較強的魯棒性。無刷直流電機是一個多變量、非線性、強耦合的對象，因此利用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)等具有自學(xué)習、自適應(yīng)、自組織功能的智能控制來進行對無刷直流電機的控制是一種有效的手段，這也是高性能伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。但僅僅對速度的控制是遠遠滿足不了伺服系統(tǒng)的要 求的，要提高系統(tǒng)的性能，必須對電機的轉(zhuǎn)矩進行控制。、轉(zhuǎn)矩脈動的抑制伺服系統(tǒng)的控制關(guān)鍵是對轉(zhuǎn)矩的控制，但由于各種原因引起的轉(zhuǎn)矩脈動問題嚴重影響了無刷直流電機在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，尤其在直接驅(qū)動應(yīng)用的場合，轉(zhuǎn)矩脈動使電機速度控制特性極度惡化。因而，抑制轉(zhuǎn)矩脈動成為提高伺服系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。對于齒槽效應(yīng)和磁通畸變引起的轉(zhuǎn)矩脈動的抑制有關(guān)專家提出了除 從電機設(shè)計的角度進行改善外還要采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制；對于相電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動的抑制有關(guān)專家提出了用滯環(huán)控制和PWM控制來抑制電機低速段的轉(zhuǎn)矩脈動的方法，實驗中也取得效果，但沒有對電機高速段的轉(zhuǎn)矩脈動提出相應(yīng)的辦法。四、無刷直流電機的起動對于有位置傳感器的無刷直流電機來說，順利起動是不存在什么問題了。但對于靠反電勢進行位置檢測的無位置傳感器的無刷直流電機來說，由于靜止時不產(chǎn)生反電勢，從而使得怎樣順利起動成了控制無位置傳感器的無刷直流電機的重4VHI.□?一七IBlief"”?，*4??，/窗3個機?曾?廣，?及力利，?￡?色?，，110，?91.?。陽穴仲中■*■*#?r????三???€??*中九?“偉.今■■,?it了?三??金?￡?宣KMQR&?方K?廠??1???11拿“￥?￡??*R??魅為■■not.Axxe<AJiu.ji?exvb,at?內(nèi)??》?u4a■8■?循「*■￡?■U?■段第??M9”工????<?,xeMan^itanjiKnflK.itxMaaeaanpwiiaRivffMAea■ ■亍工/*???-0一->?,WMUit4X<?lFtmttC?■■“??一????C?**e-??*，■*■?■?中■??-?*，???It?&方■?方5?*d??仃??????%????■■一???電?『帆?1111??，力a.第2童三相無刷直流電機運行2.1幻?筌?????????■■.??r.eH.finir.?FWBa??9V4iQii.cdh^x.waamr-wt.e.■$—??■?“立甘?，―?maaciKii?-?ftAffAa>tfinftAx?￡A<LiiMitaneK-x??a?in.，0xu二泉■國電機，?叁?4戶。空9_?4?配電〉，，破?

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i?X<AI?air/iieh■《，eRak:“?★，?■,；t?(V-AV-U??rwr)?<?i>ntrwt-f-tMiiMF."?爺?*na?T-n?TT々WT*電?，，《、??二八方?山■?Tf*■■??<.???.X*GOT?lr?1?v(Mf??(、-■??■■■?，，?■??▼?力CfT*h?Tf?J?<■'*火?1為”??“〃&■■I*..amc，4wr觸■?，**/um-i11.<i>?<wnN?三糧電電林卡歸?IW號幡■秀承2JJ??怪■曷殖《:■?一方革用不立?事??同七單鼻A4"R.K/■置岫月?■-Hfc?KWlfefl號值就■■亶事房虹，?什■，曷，?外?事H?-lN??峨看.?**?扃瞥￡間兩/旭更?小■*?■嘰鼻《im白?呷■?.密:^啕利,?二?口?一餐胃—匕*胃寸也E十??.tmKBSthttf舛歸?它由?:手■■由■■■￥■■■I.■不也■將?什■，曷，?外?事H?-lN??峨看.?**?扃瞥￡間兩L韋?K量■■■■**?■44*1444m*E.H?nfnl-臂H>費*?.一???城?，■?井4如/$，?豪H,??*尬?再W*的史+曲?七」號■■■?"看，畫?曲修fetf ?,*廿■君華由青■?■!1野■lift■十■?含■■■修■ F9M.?人事?11?口■或忘.t--必■■平的?里恒??中號.?■■■中加?屹?一「■?才?■霍■肝*■“ *小■■■UtMEHL“芹■?'■.莊笆■，!）■“鼻??？钍?一■事“《?，/號彳-?■???■■雪■?4，*■■□事乃性鼻■港據(jù)*_喟?出■口鼻胃??/七，變印,■?.<￡!*■■1??通??朝?■B?/事?€*?,嘎??用廉?■■■■??曼?由91也招，R4的更號，■駕唁H!—?1K置**G?初帕??11??丁??.Efllirk?司的哨修11#?宜■!**”-一也???膽J1K置**G?初帕??11??丁??.Efllirk?司的哨修11#?宜■!**”?吊?育國?冷餐￡也，食力，??+.??整 ??！■.E1K<K■，*?“中3M>a■?■，T；小?與，強州???■的冏■■■修」■*■q■目W盤■柞丈■良.此■同.■⑷展**，f.Hril.^dM..MVd*4>?il.?聞『，邦，F(xiàn)Mnnci：B^nifrK?m8i?>?*-1*<?*]仲仁一?版，?修?里?U4dLM?f*■:?*.■■比■孽■■■號.且F夏，??3盾=/xim?t?9..11是，聿￡-，血*,-三事?11人?事中他?ANH3?ftftHlfe.*■糖樽*11+康%~*施，■■?*好，爭?機朝F■■畤,，十竄、幅席慢霍—?413+*0中|*，*:**、**I2U-V九￡4A?lfl?■由■■4f/ 管■電■密■■■牛聒其耳■?■?時曜|需?"工?隔?加，?武?修?上季，亡■彳拿■普胃甘■,HVO.HV事零得■安■■Ilf?本■”/?■?4片??，此十/E看國事?■■*：宣K寸上W八干/*■*"芮修■立有帕干?上■■電■:?―川*/電?■■訐文■■?，4*?.WRH4HAffftiMJNKH4flhH?l3tA.■■■W■一■■?*-■昆?^F一院一??班￡?i|.ttfl-ril-irft 也縣*AL一?*■?總*H比野星，芻?疊???MWr**戟彳?*-*???★?]?*￡?事?*????*：*?三■■i■■目1*看￡?丁?于皆?，??阡飛曾，2J.3更便?Z?*??位?方斌4Ttt*■???).4*1侵KF*lt曹?堂???￥也??9?軍?■吼單多?0!*「?* ????：.?他工心，注■?￥■”!1**『v"^v,& ST.QItItit杭里鼻曰?■彳?工的『玩■■?■驗?利■■立■■置*M手的也?.，*工門巾■<*■■?*■■?*■強題■■rfifitut- 帝外險■，始■■電。1cAi三△*?中*仔?時!!■?M?T?工帚?，??，瘠》|好|1—q1??IfQtAHU1fIT?用/???，青.鼻All?FI"tl*TN■rt■!r>ftPTRH,■比凡崎『,口?血I?雪m?*1r就?用小配■置flh44rLFt曹*/=1I/?-MMIIm4??厘*窿修?■l??7，霓他n\軻更■■■!*>■?章也良■■不也〃0??和1?1?1!小，?ottamfjt-法。? 匕，??-?里?，梢ft?.0，梢ft?.0星匕號,I■事：?0■/■■口員C■■幅■■小號■*H：■利善*rnta?w曲中星山立???曜41?.￥?*曲，，弧??一卡上|B甘家平?血***61悔事*帕??■財物■■■■??id中星山立???曜41?.￥?*曲，，弧??一卡上|B甘家平?血***61悔事*i|N-￥X.?tirrtn1<4<1l*ll-*r**量電怖博??**猛獸**,自?看?*????也?iiiziiRfi雷?丁X中?*號*,**■邪?■??閭?*西口?Dlhf根好.■胄哲卡??曲才京比攀■甲if，ISt*Kfl-1?iiK--vfNM4H4ft>■■**小■■■?!■■「W電HMHJ9r量/釁M*?*.ftffRifUftst?*￡■.***1!■??樸?■土??，?■(事?■如???■,!1?4.《「"工事四要■*MH.UA4?MVdR-H￥?4? 1<V11.善m/X手??■■,3.?■一?，11fli■?**??*1rfi■?If?<?irB?HH，■?兩度曜*磬*!***Ft中*電/鼻"/看?映一事■■,仄■■幼^^■■■■■■■上?ll^lL■■片*?鼻■nft.??Mj￡Vd-也配彳U+或■!!■??耐哲■?二■■電?■看款山刖，，柵耳?*?玨科?■力睥地周用餐?￡5?d等金???4HI卸H薨■**★種事?工魯小，餐?中第??陰■■?匍〉?為3,*■4口育**m餐卻看了列?■JtJfcA立?蟲/■—睢胃此K化方流■單.3J.1整才三**/1￡?■?電■的軌?施?齊暹，?竄*故*看去/?干。?/??.立???1?■:*?，事歸事.守■壯■.iB?.$<>■■■■聊立/可?11?/九蠡0iirmtit-*，即?拿比?■友***時?雨???|■戰(zhàn)及通?厘內(nèi).??聊?，?1??革利上?電ttt*il*lir：?*巾11?易于11，.cttt*il*lir廣東工業(yè)人學(xué)T學(xué)碩十學(xué)位論文第3章空調(diào)三相無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1引言無刷直流電機控制系統(tǒng)目前主要有三種控制方式：專用集成電路芯片控制；單片機控制；高速DSP控制。以專用集成電路芯片為核心的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 ，但不能靈活的控制各種參數(shù)；以高速DSP為核心的控制系統(tǒng)精度高、速度快，但開發(fā)周期長成本高，但對于實時需推出新產(chǎn)品及成本控制嚴格的空調(diào)電機不宜 采用；以單片機為核心的控制系統(tǒng)具有價格低，片內(nèi)資源豐富，且可以靈活的編制程序控制，因此本空調(diào)用三相永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)采用 Atmel公司的AVR系列單片機作為主控制芯片，以日立公司專用集成芯片為驅(qū)動電路。3.2單片機選擇單片機的選擇依據(jù).抗干擾能力。由于電機工作時會產(chǎn)生磁場，且比較惡烈，這就要求單片機能抵制這方面的干擾，否則無法正常工作。.價格因素。對于空調(diào)電機成本是關(guān)鍵，因此單片機價格極為重要，所以要選一種性價比比較高的單片機及其開發(fā)平臺。.保密因素。電子產(chǎn)器保密因素是一個非常重要的問題 ，開發(fā)的產(chǎn)器被競爭對手享用，使競爭處于不利位置，因此所選單片機要有良好的加密功能.片上資源。要選擇片上資源豐富的單片機，比如支持在線調(diào)試、下載功能，有A/D轉(zhuǎn)換模塊等。對于本系統(tǒng)最起碼要有捕捉及 PWM波功能。AVR單片機微處理器介紹AVR單片機是1997由Atmel公司研發(fā)出的增強型內(nèi)置Flash程序存儲器的第3章空調(diào)三相無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計精簡指令集CPU(ReducedInstructionSetCPU的高速單片機。AVR單片機可以廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等各處領(lǐng)域。可靠性高、功能強、速度快、功耗低和價位低，一直是衡量單片機性能的重要指標，可是單片機占領(lǐng)市場、賴以生存的必要條件。早期的單片機由于工藝及 設(shè)計水平不高、功耗和抗干擾性能差等原因，故采取穩(wěn)妥方案：采用較高的分頻系數(shù)對時鐘分頻，從而使得指令周期長、執(zhí)行速度慢。以后的CMOS單片機雖然采用提高時鐘頻率和縮小分頻系數(shù)等措施，但是這種狀態(tài)并未徹底改觀(MCS51及基兼容產(chǎn)品。雖然此期間有某些精簡指令集單片機問世，但依然沿襲對時鐘分頻的做法。AVR單片機的推出，徹底打破了這種舊設(shè)計格局，廢除了機器周期，拋棄了復(fù)雜指令集CPU(ComplexInstructionSetCPU追求指令完備的做法，采用精簡指令集CPU(RISC,以字節(jié)做為指令長度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中(指令集占大多數(shù)的單指令周期指令都是如此，指令周期短，又可預(yù)指指令，實現(xiàn)流水線作業(yè)，故可提高速執(zhí)行指令。當然這種速度上的升躍，是以高可靠性為代價的。AVR單片機博采眾長，又具獨特技術(shù)，是8位機中的佼佼者。【1.】“61AVR單片機的特點(1高性能，采用精簡指令集CPU(RISC,32個通用工作寄存器，克服了MCS51等CICS結(jié)構(gòu)存在的指令系統(tǒng)不等長、指令數(shù)多、 CPU利用率低、執(zhí)行速度慢等缺點。采用哈佛結(jié)構(gòu)的流水線技術(shù)，在執(zhí)行一條指令時，下一條指令已經(jīng)被取出來，所以說其機器周期等于時期周期，絕大部分指令為單周期指令。指令的執(zhí)行速度可以達至U20MHZ。(2除了可以通過串行外設(shè)接口(SPI和一般的編程器對單片機的Flash程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器EEPROM編程外，絕大部分AVR單片機支持程序在線編程(ISP,Atmega系列單片機還支持應(yīng)用編程(IAP;同事AVR單片機采用了可擦寫1000次的Flash程序存儲器，并有大容量的可以擦寫100000次的EEPROM,給用戶開發(fā)、生產(chǎn)和維護帶來方便，可以低價實現(xiàn)商用化，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和競廣東工業(yè)人學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文爭力。(3AVR單片機有豐富的外設(shè)，如片內(nèi)程序Flash、Uart、模擬比較器、豐富的中斷資源、IIC、SIP、EEPROM、RTC、WatchDog定時器,A/D轉(zhuǎn)換器和PWM和片內(nèi)振蕩器等，可以真正的做到單片。(4AVR單片機的工作電壓范圍寬，工作電壓在1.8—6V之間，電源的抗干擾能力強。(5低功率,AVR單片機具有6種休眠功能，能夠從低功耗模式迅速喚醒,并采用可編程的頻率選擇和CMOS集成工藝。(6編譯好了的目標程序可以通過在系統(tǒng)編程(ISP直接寫入內(nèi)部的Flash存儲器,面不需要把芯片從系統(tǒng)上拆下來使用專用編程器來寫入程序。這極大的 方便了程序的修改和燒寫等操作，方便產(chǎn)品升級，尤其是貼片封裝，產(chǎn)品更利于微型化。(7AVR單片機的I/O口具有較強的負載能力，,可以直接驅(qū)動LED,內(nèi)置看門狗定時器，以防止程序跑飛。(8和PIC單片機一樣可以重新設(shè)置啟動復(fù)位。AVR單片機內(nèi)置電源上電復(fù)位POR和電源掉電檢測BOD,提高了單片機的可靠性，不用外加復(fù)位延時電路。(9有豐富的中斷向量，具有34個中斷源，不同的的中斷向量和入口地址不一樣，可以快速響應(yīng),而不像PIC單片機那樣，所有中斷源都占同一個中斷向量地址。(i0內(nèi)部UART不占用定時器，而采用定時器，而采用獨特的波特率發(fā)生器。有SPI傳輸功能。因為高速傳輸，所以晶振可以工作在一般標準整數(shù)頻率，且波特率可高達576Kbit/s.(11具有高的代碼效率，能在C語言、Basic語言環(huán)境下編譯，有32個通用工作寄存器，線性尋址,完全免費的開發(fā)環(huán)境，包拓匯編器、支持匯編和高級語言源代碼調(diào)試和模擬和仿真功能。(12保密性強。AVR單片機Flash程序存儲器具有保密死鎖功能，并且Flash深藏在芯片內(nèi)部，難以破解。n"三相無刷直流電機硬件總體構(gòu)架本控制系統(tǒng)硬件主要由控制電路、驅(qū)動電路、顯示電路、 RS485接口電路組成,第3章空調(diào)二三相無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖3-1硬件控制系統(tǒng)框圖所示：電源部分l顯示部分卜t,--嘉霆舄I+|電機本體t!；I轉(zhuǎn)速給定HMCU;l接口電路l?I5l?+?！畟鞲衅饕还怆姼綦x上I光電隔離II+t十l待罷月啻呈I速度反饋l?一號用驅(qū)動芯片一_.卜俘直1百虧處理電路圖3-1硬件控制系統(tǒng)框圖Fig.3一〔controlsystemhardwarestructureblock由上一章永磁無刷直流電機運行原理可以知道，永磁無刷直流電機的平均工作電流與轉(zhuǎn)速成反比例函數(shù)關(guān)系，且空調(diào)電機帶的風葉負載是恒定，也即轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，因此控制無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩也可以通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。 從圖3—1可以看出，本系統(tǒng)是速度閉環(huán)系統(tǒng)。霍爾位置傳感器的位置信號經(jīng)信號 處理后送專用驅(qū)動芯片后產(chǎn)生一個速度脈沖信號經(jīng)單片機處理轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速，再運用增量式PI算法，得到PWM控制信號經(jīng)過光耦隔離電路驅(qū)動專用集成驅(qū)動芯片閉 環(huán)控制轉(zhuǎn)速。同時,單片機還監(jiān)控控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、 過壓等故障時,單片機將封鎖PWM輸出彳S號，使電機停機，并通過LED電路顯示故障。由于客戶對控制系統(tǒng)的需求不同，本系統(tǒng)設(shè)計的各部分在保持相互獨立性 的同時，又留好相應(yīng)的接口以便構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。電路本系統(tǒng)主硬件控制電路由控制由Atmega8L單片機、PWM信號產(chǎn)生及處理電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、隔離電路及接口電路組成。如圖 3-2所示。下面主要介紹PWM波產(chǎn)生及處理電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路 ，隔離電路，接口電路這里就不作詳細論述。PWM信號產(chǎn)生及處理電路脈沖寬度調(diào)制（PWM是英文“PulseWidthModulation的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路信號進行控制的一種非常有 效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，通信，功率控制與變換等各個領(lǐng)域。了r自TMA0A8圖3-2Atmega8L主控電路Fig.3-2Atmega8L'SmaincontrolCircuit本控制系統(tǒng)利用ATmega8LP勺部定時器產(chǎn)生定頻調(diào)寬的PWM波信號來控制無刷直流電機的轉(zhuǎn)速。定頻調(diào)寬是一種常見的脈寬調(diào)制方式，它使脈沖的頻率（也即第3章宅調(diào)三相無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計周期保持不變，脈沖寬度可調(diào)。ATmega8L的Timer2ZE作在快速PWM模式時可產(chǎn)生高頻的PWM波形?？焖貾WM模式與其他PWM模式的不同之處是其單邊斜坡工作方式。計數(shù)器從BOTTOM計至UMAX,然后立即回至UBOTTOM重新開始。由于使用了單邊斜坡模式，快速PWM模式的工作頻率比使用雙斜坡的相位修正PWM模式高一倍。工作于快速PWM模式時，計數(shù)器的數(shù)值一直增加至UMAX,然后在后面的一個時鐘周期滿零。具體的時序圖為圖3—3。圖中柱狀的計數(shù)器寄存器TCNT2表示這是單邊斜坡操作。方框圖同時包含了普通的 PWM輸出以及方向PWM輸出。計數(shù)器寄存器TCNT2斜坡上的短水平線表示比較匹配寄存器OCR2與計數(shù)器寄存器TCNT2的比較匹配。具體的程序后章節(jié)會詳細論述。輸出的快速PWM頻率可以通過式3-1計算得到：fP刪斗i/。/(N.256(3—1式中fi/o表示系統(tǒng)頻率，N代表分頻因子(1、8、32、64、128、256或1024。256是計數(shù)值個數(shù)。TCNTnOCnOc蓍醐㈣麟F沏Setoe翱UpdateandTOI/ninterruptFlag8戡,1F_『?r11r11r././/.// '/./., '/./,『?CPerkad卜,+2—■3—十-4—卜5—十-e+-7■圖3-3快速PWM時序圖PWM產(chǎn)生了之后還要經(jīng)過處理才能得到想要輸出的輸出信號。如圖 3-4所示，廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文ATmega8L產(chǎn)生的PWM信號通過光電耦合在P521的3腳產(chǎn)生同周期的PWM信號經(jīng)分壓濾波之后輸出一個oN6v的用于驅(qū)動電路的調(diào)速電壓，圖中穩(wěn)壓二極管使P521的4腳穩(wěn)N9v,P521的3腳的PWM信號經(jīng)兩級RC濾波之后變得平滑，P52l起到了主控電路與驅(qū)動電路電氣隔離作用。n鯽電流檢測電路圖3—4PWM處理電路Fig.3-4PWMdisposecircuit市面上的電流傳感器品種繁多，大多數(shù)是測交流信號，測直流的比較少且大多數(shù)直流傳感器都是經(jīng)過二次變壓才得到直流信號，使得傳感器體積大，價格貴。經(jīng)過比較本控制系統(tǒng)測試系統(tǒng)采用大概1美元左右的A1legro公司的ACS712集成芯片擴展外圍電路進行測量。1.ACS712的特點氐噪音模擬信號路徑可通過新的濾波引腳設(shè)置器件帶寬5肛$輸出上升時間，對應(yīng)步進輸入電流8訐赫帶寬總輸出錯誤1.5%（當T.=25。C時、型低厚度SOIC8封裝1.2mCft部傳導(dǎo)電阻朝I腳卜4至5一8之間2.1V脅最小絕緣電壓5.GR特，單電源操作第3章空調(diào)三相無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計6除185mV/A輸出靈敏度輸出電壓與交流或直流電流成比例廠時精確度校準極穩(wěn)定的輸出偏置電壓近零的磁滯2.ACS712內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理ACS712內(nèi)部電路原理圖如圖3-5所示,由霍爾元件、霍爾電流驅(qū)動元件、偏差調(diào)整電路、信號恢復(fù)電路、信號放大等電路組成。 ACS712具有精確的低偏置線性霍爾傳感器電路，且其銅制的電流路徑靠近晶片的表面。通過該銅制電流路徑 施加的電流能夠生成可被集成霍爾集成芯片感應(yīng)并轉(zhuǎn)化為成比例電壓的磁場。通 過將磁性信號靠近霍爾傳感器，實現(xiàn)器件精確度優(yōu)化。精確的成比例電壓由穩(wěn)定 斬波型低偏置BiCMOS霍爾集成芯片提供，該集成芯片出廠時已進行精確度編程。I和峰IP+妒融2》I觸妒瓢3》掙.-爐瓢4》圖3—5ACS712內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.3-5ACS712innerstructureblock當通過銅制路徑（從引腳1和2,到腳3和4的電流不斷上升時，器件的7腳輸出正斜率（＞V。。。，c用J電壓信號比例系數(shù)為185mV/A。該傳導(dǎo)通路的內(nèi)電阻通常是1.2mQ,具有較低的功耗。銅線的粗細允許器件在可達 5A的過電流條件下運行。傳導(dǎo)通路的接線端與傳感器引腳（引腳5到8是電氣絕緣的。這讓廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文ACS712電流傳感器可用于那些要求電氣絕緣卻未使用光電絕緣器或其它昂貴絕緣技術(shù)的應(yīng)用。比叫心113.ACS712電流檢測電路本控制系統(tǒng)由ACS712組成的電流檢測電路如圖3-6所示。由于ACS712在電流為零時7腳Vo輸出2.5V,所以本電路也設(shè)計了一個用精密電阻RPl分壓產(chǎn)生2.5V的電壓，使放大電路輸出電壓Uo以O(shè)V開始線性變化。為了提高電阻分壓帶負載能力也即2.5V電壓不隨后級電路影響，這里設(shè)計了一級電壓跟隨器使輸出Ui2為2.5V。根據(jù)疊加原理可以算出圖3—9中Uo為：Uo=(Uil-Ui2?Rf/R(V(3-2將Ui2=2.5V,Uil=2.5+ui代入式3—2得:Uo=ui?Rf/R(V(3—3再將ui=O.185I代入3—3式得Uo=O.185I?Rf/R(V從式3-4可以看出輸出電壓與夾在1、(3-42和3、4腳之間的電流成正比。將此電壓送入ATmega8L的A/D轉(zhuǎn)換器處理就可得到電機的工作電流，應(yīng)用此電流可以對無刷直流電機進行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制及其過流保護。'==圖3-6ACS712電流檢測電路Fig.3-6ACS712currentdetectivecircuit第3章空調(diào)三相無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.4.3轉(zhuǎn)速檢測及其他接口隔離電路轉(zhuǎn)速對于本控制系統(tǒng)極其重要，因為本控制系統(tǒng)主要是由轉(zhuǎn)速構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以精確獲取電機轉(zhuǎn)速是本控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。由驅(qū)動電路通過霍爾IC輸出位置信號，無刷直流電機每轉(zhuǎn)一周輸出12個脈沖FG信號,但這些脈沖信號干擾比較大，不能直接被ATmega8L處理，所以必須對脈沖FG信號進行濾波、提取。如圖3-7(a所示，由于驅(qū)動電路的開路輸出，所以電路加了上拉電阻R11。由于FG信號諧波比較多，C7則起到了濾波的作用，這個電容的大小比較難確定，要通過實驗才能確定。FG信號通過光耦P521在3腳產(chǎn)生一個比較穩(wěn)定、無諧波的FG信號，其中C8不能選用過大，過大會使FG信號失真，以致ATmegaSL識別不了。(a(b圖3-7轉(zhuǎn)速檢測及其他接口隔離電路Fig.3—7rotationdetectiveandotherinterfaceisolatedCircuitATmega8L內(nèi)部Timerl具有16位的輸入捕捉單元，16位的輸入捕捉單元通過外部引腳ICPI來捕捉外部事件。當引腳ICPI上的邏輯電平(事件發(fā)生了變化，并且這個電平變化為邊沿檢測器所證實，輸入捕捉即被激活：16位的計數(shù)寄存器TCNTI數(shù)據(jù)被拷貝到輸入捕捉寄存器ICRI,同時輸入捕捉標志位ICFI置位。如果此時捕捉中斷使能IClEI=1,輸入捕捉標志將產(chǎn)生輸入捕捉中斷。中斷執(zhí)行時ICFI自動清零，或者也可通過軟件在其對應(yīng)的I/O位置寫入邏輯”畸零。讀取ICRI時捕捉寄存器先讀低字節(jié)ICRIL,然后再讀捕捉寄存器高字節(jié)ICRIHo再根據(jù)兩次捕捉寄存器的差值就可以算出電機轉(zhuǎn)速。為了避免驅(qū)動電路及其他接口電路的干"■A，"95?量電碼謖法■網(wǎng)*的■???MR/，*，。?*一W?.?Ft?8?，CQO3M.41UM,用?威王"??力?七萩?。如■mwms.uaaur.a??wMw—m?，?rr-r7t?i?it(HUl.fl￡00020??崖i.mnnHAW<????—■■電??￡?MMit*N4m衾gv)9WttA-trtHA(Ml司■■■?="■■，**?*-X<a42COa?ffXMW.8???，$?霰?■??"??令????"1：「■?士/*”■■，上下■■■ICVffftfXXflRMIi???nik?a★?*■&-?>.XM*W?U?ic、Na2，,■京■?s?》工?不.osi.slw.ifih孔i.vNRr?v】cma??，.“■個3■??)皿???a.a.,，■?”?■?v,?=?ttfittX?AanA^.<ISa.11?>.*.■4?za^f明■4.mac.Ml.■、l.1二?s*n?&?的■入mqccxmimrneflfW--?*?sv.的CUOMJUM1伸?■*??色?力?,?,o.<-.a.q??電mnHBII.)>.ni.m.內(nèi)川■11.”，?unexas.jq-a/*k+鮑々寵*.9IBm. 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