曲和釗畢業(yè)論文完整版.doc

目錄目錄I摘 要1ABSTRACT2前言3第一章 緒論41.1課題研究背景和意義41.1.1 永磁無刷直流電動機的發(fā)展41.1.2永磁無刷直流電動機的優(yōu)點及用途51.2直流無刷電動機發(fā)展現(xiàn)狀61.2.1 國外直流無刷電動機發(fā)展現(xiàn)狀61.2.2 無刷直流電動機技術(shù)的發(fā)展71.3論文主要內(nèi)容82.2永磁無刷直流電動機的工作原理11第三章 控制系統(tǒng)設(shè)計213.1 整流電路223.2 觸發(fā)控制電路223.3逆變電路253.3.1 MOSFET器件原理及選擇263.4 驅(qū)動電路283.4.1 IR2130283.4.3 TLP250283.4.4 MOSFET的保護30第三章 保護和自動控制系統(tǒng)324.1 C8051F350單片機介紹324.2 單片機控制電路334.2.1 轉(zhuǎn)速測量電路334.2.2 啟?？刂坪凸收贤C344.2.3 調(diào)速控制345.1示波器波形分析365.1.1 霍爾信號輸出365.1.2 MC33035輸出375.1.3 光耦隔離驅(qū)動電路輸出395.1.4永磁無刷直流電動機電壓輸出405.2 電路抗干擾措施415.3 系統(tǒng)調(diào)試415.3.1 逆變電路的調(diào)試415.3.2 驅(qū)動電路的調(diào)試42第六章 總結(jié)和展望45參考文獻：46致謝47附錄1： MC33035控制系統(tǒng)48附錄2： 光耦驅(qū)動電路49附錄3: C8051F350最小系統(tǒng)50附錄4：實物圖51II摘 要無刷直流電機既具有直流電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維護方便等一系列優(yōu)點。還具備交流電機運行效率高，無勵磁損耗，調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點。近年來，直流無刷電動機的發(fā)展很快，現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，是新一代電氣傳動的發(fā)展方向。本文介紹了永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)的組成和研究方向，介紹了新華龍C8051F350高性能16位單片機。分析了永磁無刷直流電動機的工作原理，建立了比較完善的數(shù)學模型。設(shè)計并實現(xiàn)了基于MC33035和C8051F350的永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)，采用TLP250光耦設(shè)計了驅(qū)動模塊，以及利用六個N溝道的STP60NF06 MOSFET管構(gòu)成了逆變橋電路，最后設(shè)置了液晶顯示和面板控制，為系統(tǒng)的調(diào)試帶來了靈活性。實驗表明，本文所采用的MC33035驅(qū)動芯片和C8051F350單片機具有極高的性能，以其為核心的控制系統(tǒng)具有運行性能良好、調(diào)試方便、升級換代容易等特點，為后續(xù)的研究工作提供了實驗基礎(chǔ)和借鑒。關(guān) 鍵 詞:無刷直流電動機，霍爾位置傳感器，MC33035,C8051F350研究類型：應(yīng)用研究 ABSTRACTBrushless DC motor possesses the properties of alternate motor,such as simple structure,reliably course,convenient maintain,and so on.Brushless direct current motor also has the characteristics of direct current motor,such as no-excitation-wastage,andhigh efficiency.In recent years，the appliance of brushless DC motor is on behalf of the development direction of new-style electrically transmission. This paper introduces the components of a whole BLDCM control system and its research direction, XINHUALONG C8051F350 16-bit high performance MCU, and types of BLDCM. Then, analyses the running principle of BLDCM, builds mathematical model.BLDCM control system based on MC33035 and C8051F350 is designed and designed by TLP250 optical coupler driver module, and the use of six N-channel of STP60NF06 MOSFET inverters circuit control form and implemented. At end addition LCD display and control panel ,which gives convenience for the debugging of the control system. This paper indicates that the MC33035 and Xin Hua Long C8051F350 MCU has very high performance, and the control system based on it also works reliably The result of the experiments shows the proposed control solution is feasible, which provides the basis and useful reference for later research.KEYWORDS: Brushless DC motor ,Hall position transducer,MC33035,C8051F350THESIS: Application Research前言永磁無刷直流電動機是一種機械、電氣、電子一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、使用壽命長等優(yōu)點，在現(xiàn)代輕重工業(yè)中應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和生產(chǎn)需求的快速發(fā)展對永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)的性能要求不斷提高，因此研究具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)能力強、控制精度高的無刷直流電動機控制統(tǒng)具有十分重要的意義。本文主要研究低壓無刷直流控制器，包括控制模塊，驅(qū)動模塊和功率模塊。并為后續(xù)的高壓無刷直流控制器做準備。全文共分四章。第一章介紹了課題研究的背景，以及無刷直流電動機的發(fā)展狀況，最后介紹了無刷直流電機控制器所要求實現(xiàn)的功能。第二章介紹了無刷電機的相關(guān)理論，首先是介紹了各種無刷電機，然后重點介紹了直流電動機的工作原理和調(diào)速原理，最后介紹了無刷電機的數(shù)學模型，為這次的設(shè)計準備了理論基礎(chǔ)。第三章是整個論文的核心，硬件系統(tǒng)的設(shè)計。先是分別介紹了控制模塊，驅(qū)動模塊和功率模塊的實現(xiàn)，最后對整個電路設(shè)計做了一下描述。在本章的最后對實驗過程中采集到的波形進行分析，并作出解釋。低壓無刷直流控制器和高壓無刷直流控制器不同的是對保護的要求不一樣。高壓的設(shè)備價格昂貴，所以要求保護的可靠性、速動性、靈敏性更高。 由于水平有限，論文中如有不當和錯誤之處，懇請讀者批評指正。 曲和釗 2010年6月 第一章 緒論1.1課題研究背景和意義1.1.1 永磁無刷直流電動機的發(fā)展 永磁無刷直流電動機(PM-BLDCM： Permanent Magnet Brushless Direct Current Motor)是指無機械電刷和換向器(或集電環(huán))的永磁直流電機，又稱無換向器永磁直流電機，它是近年隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型電機，它用一套電子換向裝置代替了有刷直流電動機的機械換向裝置，保留了有刷直流電動機寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，同時又克服了有刷直流電動機機械換向帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等一系列的缺點，且降低了制造成本，簡化了電機維修，因此在各個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，如:計算機的軟盤驅(qū)動裝置，人工智能機器人，CD機、空調(diào)器、電動交通工具乃至航空、航天航海業(yè)等。除具有有刷直流機的優(yōu)點外，還具有高能量密度，高轉(zhuǎn)矩慣性化高效率等特點，同時，現(xiàn)代電力電子技術(shù)和永磁材料的發(fā)展又為其發(fā)展提供了便利條件，因此PM-BLDCM具有很強的生命力和發(fā)展前途。 早在1917年，Boliger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的基本思想。在上世紀30年代，就有人開始研制以電子換向來代替電刷機械換向的無刷直流電動機，并且取得了一定的成果。但是由于當時大功率電子器件僅處于初級發(fā)展階段，沒能找到理想的電子換相元器件，使得這種電機只能停留在實驗室研究階段，而無法推廣使用。1955年，美國D.Harrison等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電動機機械電刷的專利，誕生了現(xiàn)代無刷電機的雛形。無刷直流電機真正進入實用階段應(yīng)從1978年開始，當時原西德MANNESMANN公司的Indramat分部在漢諾威貿(mào)易博覽會上，正式推出MAC經(jīng)典無刷直流電機及其驅(qū)動器。 70年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件，如GTR,MOSFET. IGBT等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料，如杉鉆、錢鐵硼等的問世，為無刷直流電動機的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。二十世紀80年代在國際上對永磁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。目前，無刷直流電機在國際上已得到較為充分的發(fā)展。我國無刷直流電機的研制工作始于二十世紀70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我國元器件水平及相關(guān)理論與實踐相結(jié)合的程度還比較低，尤其是制造工藝和加工設(shè)備距離國際水準差距較大，所以目前我國無刷電機綜合水平仍低于國際水平，有待進一步的研究和開發(fā)。121.1.2永磁無刷直流電動機的優(yōu)點及用途無刷直流電動機在快速性、可控性、可靠性、體積小、重量輕、節(jié)能、效率高、耐受環(huán)境和經(jīng)濟性等方面具有明顯的優(yōu)勢，故在當今國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域，如醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、輕紡以及家用電器等方面的應(yīng)用日益普及。無刷直流電動機和其它電機的比較見表1.1。 表1.1 無刷直流電動和其他電機比較表性能 電機無刷直流電動機有刷直流電動機異步交流電動機機械特性硬硬軟過載能力大大小可控性易易難平穩(wěn)性好較好較差噪聲小大較大維修性易難易壽命長短長體積小較小大效率高高低成本較高較高低無刷直流電動機與有刷直流電動機相比，前者去掉了電刷和換向器，克服了換向電磁干擾、可靠性差、壽命短、維修困難、噪聲大等各種缺陷。隨著無刷直流電動機的性能的不斷提高，成本的不斷降低，會逐漸替代有刷直流電動機。同樣，與步進電機相比，在高速度、高精度、高分辨率、高可靠性的伺服系統(tǒng)應(yīng)用中，閉環(huán)控制的永磁無刷直流電動機可以滿足步進電機所滿足不了的各種要求。這是步進電機固有特點所決定的，即使采用閉環(huán)控制的步進電動機控制以及細分技術(shù)，步進電機也無法適用于速度更快、定位更精確、分辨率更高的情況。小功率感應(yīng)電機的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在家用電器，而隨著家用電器對性能和質(zhì)量的要求不斷提高，對配套應(yīng)用的電動機也提出諸如低噪聲、高性能、長壽命、小型化、高效率等許多更高的要求。這樣以高性能無刷直流電動機來代替性能差、效率低的小功率感應(yīng)電動機也就成了必然趨勢。 現(xiàn)在電動車輛在污染、能源等關(guān)系國計民生重大問題上已經(jīng)越來越表現(xiàn)出深遠的革命性的意義。在電動車輛上曾經(jīng)采用的有刷直流電動機、交流感應(yīng)電動機作為驅(qū)動電機。但是現(xiàn)在由于永磁無刷直流電動機的起動力矩大、過載能力強、體積小、效率高、壽命長、控制簡單等特點，更多的電動車驅(qū)動方案己經(jīng)開始采用其作為驅(qū)動設(shè)備。341.2直流無刷電動機發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國外直流無刷電動機發(fā)展現(xiàn)狀在國外，無刷直流電動機的生產(chǎn)和應(yīng)用取得很大進展，如日本倉毛電器公司研究出的KRK系列產(chǎn)品，德國西門子公司推出的AD系列產(chǎn)品。在大功率無刷直流電機方面，工業(yè)級的無刷直流電動機及驅(qū)動系統(tǒng)己達到735-9875w的功率范圍，特別是在美國，一些公司的直流無刷電機產(chǎn)品己占據(jù)了不同的應(yīng)用領(lǐng)域，例如FUNK，USA的產(chǎn)品主要用于工廠自動化領(lǐng)域，PAPST的產(chǎn)品主要應(yīng)用于儀器設(shè)備領(lǐng)域，KOLLNNORG的產(chǎn)品主要應(yīng)用于國防和航天領(lǐng)域。自上世紀末起，逐漸形成直流無刷電機的研究熱潮，針對其存在的問題，各國研究人員紛紛推出自己最新科研成果，其中美國的 AhmRubaaj博士及其同事共同研制出一種新型的永磁直流無刷電機，其轉(zhuǎn)子跟普通的電機一樣，而其定子卻和普通的有刷直流機的轉(zhuǎn)子極為相似，并能以轉(zhuǎn)子位置傳感器及邏輯開關(guān)電路，使定子繞組依次換向。其優(yōu)點為:大大減少了轉(zhuǎn)矩波動，可在較大范圍內(nèi)自然換向，充分提高了電機體積的利用率。針對位置傳感器的改善，美國的Ke1thAC0rzine博士等人最近研制出一種混合觀測裝置，通過固定于定子上的霍爾元件獲得信號監(jiān)測轉(zhuǎn)子位置，以此代替價格不菲的光學編碼器，大大降低了電機成本，且提高了監(jiān)測精度，可謂物美價廉。相信隨著國際、國內(nèi)對直流無刷電機的研制和開發(fā)工作的日臻成熟和完善，直流無刷電機會愈發(fā)顯示出其獨特的經(jīng)濟價值和實用價值。1.2.2 無刷直流電動機技術(shù)的發(fā)展(1)電動機本體無刷電動機磁性材料的發(fā)展過程基本上經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段:鋁鎳鈷，鐵氧體磁性材料，釹鐵硼。釹鐵硼的出現(xiàn)引起了磁性材料的一場革命。第三代釹鐵硼永磁材料的應(yīng)用，進一步減少了電機的用銅量，促使無刷電機向高效率、小型化、節(jié)能的方向發(fā)展。目前，為提高電動機的功率密度，電機中的主磁通沿電機軸向流通，這種結(jié)構(gòu)提高了氣隙磁密，能夠提供比傳統(tǒng)電機大得多的輸出轉(zhuǎn)矩。該類型電機正處于研究開發(fā)階段。(2)控制電路無刷直流電動機控制電路最初采用模擬電路，控制比較簡單。如果將電路數(shù)字化，許多硬件工作可以直接由軟件完成，可以減少硬件電路，提高其可靠性，同時可以提高控制電路抗干擾的能力，因而控制電路由模擬電路發(fā)展到數(shù)字電路。目前，控制電路一般有專用集成電路、微處理器和數(shù)字信號處理器等三種組成形式。80年代出現(xiàn)了高性能處理器，如通用高速單片機，其處理速度彌補了傳統(tǒng)微處理器的不足，使無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速控制能夠達到很高的精度，大大提高了無刷直流電動機控制系統(tǒng)的性能。(3) 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路的作用是輸出電功率，驅(qū)動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路。驅(qū)動電路由大功率開關(guān)器件組成。正是由于晶閘管的出現(xiàn)，直流電動機才從有刷實現(xiàn)到無刷的飛躍。但由于晶閘管是只具備控制接通，而無自關(guān)斷能力的半控性開關(guān)器件，其開關(guān)頻率較低，不能滿足無刷直流電動機性能的進一步提高。從20世紀70年代開始先后出現(xiàn)了幾種有自關(guān)斷能力的全控型功率器件，如可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率晶體管(GTR)。這些全控功率器件取代了普通晶閘管系統(tǒng)，提高了工作頻率，簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。其后又出現(xiàn)了功率場效應(yīng)管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，形成第三代功率器件。這些新型功率器件采用場控，工作頻率可以更高，驅(qū)動電路更簡單。目前，號稱第四代的功率集成電路己嶄露頭角。 (4)轉(zhuǎn)子位置檢測電路永磁無刷電動機是通過轉(zhuǎn)子磁極位置信號作為電子開關(guān)線路的換相信號，因此，準確檢測轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置及時對功率器件進行切換，是無刷直流電動機正常運行的關(guān)鍵。本課題采用霍爾位置傳感器:?；魻柦M件與其它磁敏組件相比，具有體積小、靈敏度高、輸出功率大、工作可靠、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，并己做成集成芯片式。有位置傳感器的永磁無刷直流電機均需一個附加的位置傳感器，用以向逆變橋提供必要的換向信號。1.3論文主要內(nèi)容 本文主要針對具有霍爾位置傳感器的三相永磁無刷直流電動機的驅(qū)動控制器，主要包括以下幾個方面的工作： 1）簡要回顧了永磁無刷電動機的發(fā)展、優(yōu)點和用途、以及組成無刷直流電動機各模塊的技術(shù)。列出表格說明永磁無刷電動機的優(yōu)越性。 2）介紹了永磁無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了數(shù)學模型，為無刷直流電動機的設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。 3）以MC33035芯片為核心進行無刷直流電動機控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計。 4）進行無刷直流電動機轉(zhuǎn)子位置檢測電路設(shè)計和無刷直流電動機驅(qū)動電路設(shè)計。 5）記錄了整個設(shè)計過程中的實驗結(jié)果，并對實驗結(jié)果進行了分析。 6）對全文工作做了總結(jié)，并對下一步工作做了一定的展望。 第二章 永磁無刷直流電動機的工作原理和數(shù)學模型 2.1永磁無刷直流電動機基本組成環(huán)節(jié) 無刷電機是指無電刷和換向器(或集電環(huán))的電機，有稱無換向器電機。它的結(jié)構(gòu)原理如圖2.1所示。它主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關(guān)電路三部分組成。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他啟動裝置。其定子繞組一般成多相(三相、四相、五相不等)，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù)（2,4,.）組成。圖2.1中的電動機本體為三相兩極。三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件聯(lián)接，在圖2.1中A相、B相、C相繞組分別與功率開關(guān)管V1, V2, V3相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。 圖2.1 永磁無刷直流電動機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖 當定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以一定次序?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器的換向作用。 因此，所謂無刷直流電動機，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認為是一臺由電子開關(guān)線路、永磁式同步電動機以及位置傳感器三者組成的“電動機系統(tǒng)”。其原理框圖如圖2.2所示。圖2.2 永磁無刷直流電動機的原理框圖電動機轉(zhuǎn)子的永久磁鋼與永磁有刷電動機中所使用的永久磁鋼的作用相似，均是在電動機的氣隙中建立足夠的磁場，其不同之處在于無刷直流電動機中永久磁鋼裝在轉(zhuǎn)子上，而直流有刷電動機的磁鋼裝在定子上，圖2.3示出了典型無刷直流電動機本體的基本結(jié)構(gòu)圖。圖2.3 永磁無刷直流電動機本體的基本結(jié)構(gòu)圖無刷直流電動機電子開關(guān)線路是用來控制電動機定子上各相繞組通電的順序和時間，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個部分組成。功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動機定子上各相繞組，以便使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。但位置傳感器所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來控制功率邏輯開關(guān)單元，往往需要經(jīng)過一定邏輯處理后才能去控制邏輯開關(guān)單元。綜上所述，組成無刷直流電動機主要部件的框圖如圖2.4所示。5 圖2.4 無刷直流電動機的組成框圖2.2永磁無刷直流電動機的工作原理 眾所周知，一般的永磁式直流電動機的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機氣隙中產(chǎn)生磁場。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場。由于電刷的換向作用，使得這兩個磁場的方向在直流電動機運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)動電動機不停地運轉(zhuǎn)。無刷直流電動機為了實現(xiàn)無電刷換相，首先要求把一般直流電動機的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與有刷直流永磁電動機的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅這樣還不行，因為用一般直流電源給定子上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場，它不能與運動中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場相互作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。所以，無刷直流電動機除了由定、轉(zhuǎn)子組成電動機本體外，還需要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置，使得無刷直流電動機在運行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永久磁場，在空間始終保持在90左右的電角度。6、7 有刷直流電機電樞繞組中感應(yīng)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，換向器和電刷起著逆變器的作用，它把電源的直流電逆變成交流電送入電樞繞組。相反地，在直流發(fā)電機的情況下，換向器和電刷起著整流器的作用，它把電樞中產(chǎn)生的交流電整流為直流電輸送到外面的負載上。有刷直流電機中的電刷不僅起著引導(dǎo)電流的作用，而且由于電樞導(dǎo)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地點。這就是說，有刷直流電機的電刷起著電樞電流換向位置的檢測作用。和無刷直流電動機相比，就不難看到，其實無刷直流電動機和有刷直流電動機一樣，本身都是一臺同步電動機，只是有刷直流電動機中加的是一個機械的逆變器換向器和電刷，而無刷直流電動機中則采用電子換向裝置電子逆變器代替機械換向器和電刷的作用。盡管二者構(gòu)造不同，但它們所起的作用卻是完全相同的，都是為了實現(xiàn)直流電動機的正確換相。13為了更加清楚地闡述無刷直流電動機的工作原理和特點，下面以三相星形繞組半控橋電路為例來加以簡要說明。圖2.5為三相無刷直流電動機半控橋電路原理圖。此處采用光電器件VP1,VP2, VP3作為位置傳感器，以三只功率晶體管V1, V2, V3構(gòu)成功率邏輯單元。在圖2.5中，三只光電器件VP1 , VP2,VP3的安裝位置各相差120，均勻分布在電動機一端。由于安裝在電動機軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板(亦稱截光器)的作用，使得從光源射來的光線依次照射在各個光電器件上，并依照某一光電器件是否被照射到光線來判斷轉(zhuǎn)子磁極位置。圖2.5所示的轉(zhuǎn)子位置和圖2.6 a )所示的位置相對應(yīng)。圖2.5 三相無刷直流電動機半控橋電路原理圖 a) b) c) d) 圖2.6 開關(guān)順序及定子磁場旋轉(zhuǎn)示意圖 由于此時光電器件VP1，被光照射，從而使功率晶體管V1呈導(dǎo)通狀態(tài)，電流流入繞組A-A，該繞組電流同轉(zhuǎn)子磁極作用后所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子的磁極按圖2.6中的箭頭方向(順時針方向)轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖2.6 b)所示的位置時，直接裝在轉(zhuǎn)子軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板也跟著同步轉(zhuǎn)動，并遮住VP1而使VP2受光照射，從而使晶體管V1截止、晶體管V2導(dǎo)通，電流從繞組A-A斷開而流入繞組B-B，使得轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝箭頭方向轉(zhuǎn)動，并帶動遮光板同時朝順時針方向旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖2.6 c)所示位置時，此時旋轉(zhuǎn)遮光板己經(jīng)遮住VP2，使VP3被光照射，導(dǎo)致晶體管V2截止、晶體管V3導(dǎo)通，因而電流流入繞組C-C，于是驅(qū)動轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝順時針方向旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖2.6 d )所示位置，即重新回到了圖2.6 a)所示位置。這樣，隨著位置傳感器轉(zhuǎn)子扇形片的轉(zhuǎn)動，定子繞組在位置傳感器VP1, VP2, VP3的控制下，便一相一相地依次饋電，實現(xiàn)了各相繞組電流的換相。不難看出，在換相過程中，定子各相繞組在工作氣隙內(nèi)所形成的旋轉(zhuǎn)磁場是跳躍式的。這種旋轉(zhuǎn)磁場在360電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)120電角度。各相繞組電流與電動機轉(zhuǎn)子磁場的相互關(guān)系如圖2.6所示。圖2.6 a )為第一狀態(tài)，F(xiàn)a為繞組A-A通電后所產(chǎn)生的磁動勢。顯然，繞組電流與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)過120電角度后，便進入第二狀態(tài)，這時繞組A-A斷電，而繞組B-B隨之通電，即定子繞組所產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)過了120，如圖2.6 b)所示，電動機轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過120電角度后，便進入第三狀態(tài)，這時繞組B-B斷電，C-C通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場也同時轉(zhuǎn)過了120電角度，如圖2.6）所示：它繼續(xù)驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)過 120電角度后就恢復(fù)到初始狀態(tài)了。這樣周而復(fù)始，電動機轉(zhuǎn)子便連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。圖2.7示出了各相繞組導(dǎo)通順序的示意圖。 圖2.7 各相繞組的導(dǎo)通示意圖三相半控電路的特點是簡單。但電動機本體的利用率很低，每個繞組只通電1/3時間，另外2/3時間處于斷開狀態(tài)，沒有得到充分的利用。由圖2.8可知，在運行過程中其轉(zhuǎn)矩的波動較大，從Tm/2到Tm。所以在要求比較高的場合，一般均采用三相全控電路。眾所周知，三相繞組的聯(lián)結(jié)方式有和Y之分。下面我們分析一下，如圖2.9 ,Y型聯(lián)結(jié)兩兩導(dǎo)通方式的工作情況。 圖2.8 三相半控電路恒電流下的轉(zhuǎn)矩波形所謂兩兩導(dǎo)通方式是指每一個瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期(60電角度)換相一次，每次換相一個功率管，每一個功率管導(dǎo)通120電角度。各功率管的導(dǎo)通順序是VF1VF2, VF2VF3, VF3VF4,VF4VF5, VFSVF6.。當功率管VF1和VF2導(dǎo)通時，電流從VF1管流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)VF2 圖2.9 Y聯(lián)結(jié)三相全控橋式電路管回到電源。其轉(zhuǎn)子位置如圖2.10所示。如果認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，它們合成的轉(zhuǎn)矩如圖2.11 a)所示，其大小為Ta，方向在Ta和-Tc的角平分線上。當電機轉(zhuǎn)過60后，由VF1VF2通電換成VF2VF3通電。這時，電流從VF3流入B相繞組再從C相繞組流出，經(jīng)VF2回到電源，此時合成的轉(zhuǎn)矩如圖2.11 b)所示，其大小同樣為Ta。但合成轉(zhuǎn)矩適量方向就隨著轉(zhuǎn)過60電角度，但大小適中保持Ta不變。圖2.11 c)示出了全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。8、9圖2.10 Y聯(lián)結(jié)兩兩通電模式轉(zhuǎn)子位置示意圖所以，同樣一臺無刷直流電動機，每相繞組通過與三相半控電路同樣的電流時，采用三相Y聯(lián)結(jié)全控電路，在兩兩換相的情況下，其合成轉(zhuǎn)矩增加了倍。每隔60電角度換向一次，每個功率管通電120，每個繞組通電240，其中正向通電和反向通電各120，其輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖2.12所示。由圖2.12可以看出，三相全控時的轉(zhuǎn)矩波動比三相半控時小得多，僅從0.87Tm到Tm。 a) b) c) 圖2.11 Y聯(lián)結(jié)繞組兩兩導(dǎo)通時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖 a) VF1和VF2導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩 b) VF1和VF2導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩 c) 兩兩導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩矢量圖 圖2.12 全控橋時輸出轉(zhuǎn)矩波形 2.3永磁無刷直流電動機的數(shù)學模型無刷直流電動機的定子繞組一般分為三相或多相，轉(zhuǎn)子由永磁體按照一定的極對數(shù)組成。三相無刷直流電動機的定子繞組接法有丫型和型兩種。對于丫型接法的無刷直流電動機，有二二通電和三三通電等方式。本系統(tǒng)所采用的無刷直流電動機為定子三相丫型(星型)接法、轉(zhuǎn)子五對極的電動機，采用二二通電三相六狀態(tài)(六拍)的通電方式，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2.13所示。 由于無刷直流電動機反電動勢波形為梯形波，包含有大量的高次諧波，且無刷直流電動機的電感非線性，因而，進行無刷直流電動機的分析和數(shù)值計算時采用dq變換會比較困難。在分析和數(shù)值計算中，直接采用相變量法，以相電壓、相電流為狀態(tài)變量，就可以方便地建立可以得到比較準確結(jié)果的模型。稀土永磁 圖2.13無刷直流電動機系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)材料的磁導(dǎo)率很低，即轉(zhuǎn)子的磁阻很高，其影響可忽略不計。作如下假設(shè): 1)忽略齒槽效應(yīng); 2)忽略磁路飽和、不計渦流損耗和磁滯損耗； 3)不考慮電樞反應(yīng)，氣隙磁密分布近似為120度平頂矩形波。 于是，可列出如下狀態(tài)方程來表達無刷直流電動機的三相定子電壓的平衡方程式： （2-1）式中:三相定子繞組相電壓，單位V； 三相定子繞組相電流，單位A； 三相定子繞組相電組，單位； 三相定子繞組相反電動勢，單位V； 三相繞組自感，單位H； 三相定子繞組之間的互感，單位H。 有電動機的結(jié)構(gòu)可知，三相定子繞組為對稱分配，因此有以下式子成立: 式中，因而，式（2-1）可改為： （2-2）又因為在三相對稱的星型繞組電動機中故式（2-2）可變形為： (2-3) 無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為： (2-4)式中 為電動機工作時轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度，單位rad/s在通電期間，無刷直流電動機的帶電導(dǎo)體處于相同的磁場下，各繞組間的感應(yīng)電動勢為： （2-5）式中: p:電機轉(zhuǎn)子極對數(shù) ：每極氣隙磁通，單位Wb N:每相總導(dǎo)體數(shù) n:電動機轉(zhuǎn)速，單位rpm從逆變器的直流端來看，星型連接的無刷直流電動機感應(yīng)電動勢由兩相繞組經(jīng)逆變器串聯(lián)而成，故有: （2-6） 因此，電磁轉(zhuǎn)矩表達式可化為： （2-7） 式中 電機繞組電流幅值，單位A ，轉(zhuǎn)子角速度，單位rad/s由式(2-7)可以看出，無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式和普通直流電動機相同，其電磁轉(zhuǎn)矩的大小與磁通以及電流幅值成正比。因此控制逆變器輸出的方波電流的幅值就可以控制無刷直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。6電動機的運動方程為: (2-8)式中 這樣，就構(gòu)成了完整的無刷直流電動機數(shù)學模型。第三章 控制系統(tǒng)設(shè)計 我們所要驅(qū)動的永磁無刷直流電動機是西安驪山電子業(yè)總廠生產(chǎn)的，型號為LS42BL3A45-B30的無刷電機。具體參數(shù)如下： 系統(tǒng)控制框圖如圖3.1，采用交直交電壓源型逆變電路為供電主回路。系統(tǒng)中包括整流（濾波）電路、控制系統(tǒng)供電電路、觸發(fā)電路、以及由六只MOSFET組成的三相逆變電路、控制電路、轉(zhuǎn)子位置傳感器信號處理電路和電流檢測電路?，F(xiàn)在分別介紹各個單元的電路設(shè)計。12 圖3.1 永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)框圖3.1 整流電路 系統(tǒng)采用的市電220V直接供電，整流電路和濾波電路采用的是我們從市面上買來的開關(guān)電源盒，包括兩個單路的24V供電電源，功率75W。 和一個多路的供電電源，共包括12V，5V和3.3V五路輸出。采用這種開關(guān)電源盒的好處是供電穩(wěn)定，可以在電壓的10%內(nèi)進行調(diào)節(jié)。開關(guān)電源盒內(nèi)部有LC共模抑制電感，濾除電源中的共模干擾。3.2 觸發(fā)控制電路 本系統(tǒng)中觸發(fā)電路采用由專用控制芯片MC33035提供驅(qū)動信號。 無刷電機控制系統(tǒng)組成框圖如圖3.2所示： 圖3.2無刷電機控制系統(tǒng)圖成框圖 圖中，控制電路的核心部件采用無刷電機專用控制芯片MC33035，轉(zhuǎn)速閉環(huán)電路要求電機在負載波動和電源電壓波動時保持恒定轉(zhuǎn)速運行，保護電路具有保護電機過載、堵轉(zhuǎn)等功能，起動電路是為高壓無刷電機控制器專門設(shè)計的，以確保電機平穩(wěn)起動以及控制器的安全。 MC33035是MOTOROLA公司開發(fā)的第二代無刷直流電動機專用集成控制芯片。MC33035可以用來控制三相(全波或者半波)、兩相和四相無刷電動機，另外配合MC33039電子測速器作F/V轉(zhuǎn)換，引入測速反饋后，可構(gòu)成閉環(huán)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。采用上述兩款芯片還使控制器具有轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制功能。 MC33035主要功能介紹如下: 1.轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路 根據(jù)無刷電機運行原理，定子繞組電流換相時刻由檢測轉(zhuǎn)子位置的三個霍爾位置傳感器來決定?；魻栁恢脗鞲衅髟谟来朋wN極下輸出高電平1，在S極下感應(yīng)輸出低電平。那么三個霍爾信號可以組合出8種狀態(tài):000, 001, 010, 011,100, 101, 110，111。三個霍爾信號在空間上相隔120電角度，而一個磁極寬度為 180，那么三個霍爾不可能同時在一個極下，即000和111兩個狀態(tài)是在檢測轉(zhuǎn)子位置時是不可能出現(xiàn)，上述8種狀態(tài)中的6個狀態(tài)有效。這6個狀態(tài)對應(yīng)定子繞組6種通電方式，這一系列過程都由譯碼電路來完成。當出現(xiàn)000和111這兩種正常情況下不可能出現(xiàn)的狀態(tài)時，MC33035會關(guān)斷6個驅(qū)動信號的輸出，并且輸出錯誤報警信號。 傳感器信號的輸入端被設(shè)計成為直接與集電極開路類型霍爾效應(yīng)開關(guān)或者光電藕合器連接，包含了內(nèi)置上拉電阻使所需外部器件最少，輸入與TTL電平兼容。 2.帶溫度補償?shù)膬?nèi)部基準電源 此電源的典型值為6.24V，可以為芯片內(nèi)部邏輯電路提供電源，也可以向外部電路提供電源，根據(jù)外接電路功率的情況，可以改變此電源提供的電流大小，而且只要芯片供電在1030V電壓范圍，都可以穩(wěn)定輸出6.24V。本方案中霍爾位置傳感器的電源就是由它提供。 3.頻率可設(shè)定的鋸齒波震蕩器 此頻率震蕩器的電源由基準電源提供，頻率由RC震蕩器產(chǎn)生，其頻率為: f 1/4RC。本方案內(nèi)置鋸齒波振蕩器的頻率可由定時元件RT和CT的參數(shù)值確定。電容CT由參考輸出(管腳8)通過電阻RT充電后經(jīng)一個內(nèi)部放電晶體管放電。鋸齒斜波峰值典型值為4.1 V，谷值為l .5V。在人類聽覺之外和輸出轉(zhuǎn)換頻率之間取得一個折中，振蕩器頻率為16kHZ。 4.脈寬調(diào)制 在正常工作情況下，誤差放大器輸出與振蕩器輸出鋸齒波比較后，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，控制三個下側(cè)驅(qū)動輸出。改變輸出脈沖寬度，相當于改變供給電動機繞組的平均電壓，從而控制其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。 5.電流限制 電機過載時持續(xù)使用將導(dǎo)致控制器和電機過熱甚至燒毀，這就需要電流監(jiān)控。監(jiān)控每次輸出開關(guān)導(dǎo)通定子電流，并且當檢測到一個過流條件時立刻關(guān)閉三相橋輸出。定子電流可以通過接入一個對地參考檢測電阻Rs轉(zhuǎn)換成電壓，如果電流超過了電流檢測門限，則終止輸出開關(guān)導(dǎo)通。 6.熱關(guān)斷 提供內(nèi)置熱關(guān)斷電路，芯片內(nèi)部集成熱敏電阻，當超過最大結(jié)溫時關(guān)閉所有輸出，保護IC不被損壞。保護電路工作在溫度典型值170時。 7.欠電壓保護 控制電路電源電壓不足時保護電路動作。在下列三種情況下，關(guān)閉驅(qū)動輸出，以保證芯片內(nèi)部工作正常:(1)芯片電源供電VCC低于9.1V;(2)基準電壓Vref(管腳8)低于4.5V; (3) VC低于9.1V。 欠壓保護電路是由三個電壓比較器來實現(xiàn)，沒有鎖存功能，當電壓恢復(fù)正常后，系統(tǒng)會自動恢復(fù)工作。 8.故障信號輸出 故障信號輸出端是集電極開路NPN型BJT，吸收電流能力為1650mA，可以直接驅(qū)動LED燈，也可以與微處理器接口。這個功能可以很直接地指示IC是否工作正常，也可以找到故障點。下列情況之一都會有故障輸出： (1)不正常的HALL位置傳感器信號輸入狀態(tài)； (2)電流檢測過流； (3)欠壓保護中三種欠電壓之一；(4)芯片內(nèi)部過熱；(5)控制使能端(IC管腳7)為邏輯0狀態(tài)； (6) MC33035外部故障延時電路鎖存了故障狀態(tài)。9.誤差放大器MC33035提供高性能，全補償誤差信號放大器，具有可訪問輸入和輸出端(管腳11, 12, 13)，可用于電機速度閉環(huán)控制實現(xiàn)。放大器具有80dB典型直流電壓增益，0.6MHz增益帶寬，以及較寬的共模輸入電壓范圍，可以從地擴展至基準電壓Vref。在大多數(shù)開環(huán)速度控制應(yīng)用中，放大器被設(shè)置為單位增益電壓跟隨器，其同向輸入端連接到速度設(shè)置。上述MC33035芯片的全部功能，由圖2.2所示數(shù)?；旌霞呻娐穼崿F(xiàn)。研究每個功能模塊的實際物理電路，對正確、高效應(yīng)用此芯片有幫助，也能更好地體會無刷電機控制的思想。 8.故障信號輸出 故障信號輸出端是集電極開路NPN型BJT，吸收電流能力為1650mA，可以直接驅(qū)動LED燈，也可以與微處理器接口。這個功能可以很直接地指示IC是否工作正常，也可以找到故障點。下列情況之一都會有故障輸出： (1)不正常的HALL位置傳感器信號輸入狀態(tài)； (2)電流檢測過流； (3)欠壓保護中三種欠電壓之一；3.3逆變電路 無刷直流電動機三相全橋逆變器電路如下圖3.4所示，其中VT1VT6為功率開關(guān)器件910。 圖3. 4三相全橋逆變器電路原理圖 無刷直流電機的運行方式是兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)運行方式。在這種方式下，要求六只MOSFET管同一時刻只能兩個導(dǎo)通。又三相全橋逆變器電路是由三個橋組成的，每一個橋臂有兩個MOSFET管。同一時刻，兩只MOSFET不能同時導(dǎo)通，一旦兩只MOSFET管同時導(dǎo)通，從整流電路過來的直流電源就會發(fā)生短路。為了保證無刷電機的正常運轉(zhuǎn)，從三相繞組某一相進去之后能夠回到電源負極構(gòu)成回路，就要求上橋三個MOSFET管和下橋三個MOSFET管分別有一個導(dǎo)通。3.3.1 MOSFET器件原理及選擇 MOSFET功率開關(guān)管為全控器件，具有開關(guān)速度高，導(dǎo)通電阻低，驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點，還有輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿、噪聲低、制造工藝簡單、便于集成等特點，在中小功率逆變電路中被廣泛應(yīng)用。 應(yīng)用最為廣泛的為N溝道增強型MOSFET管，其結(jié)構(gòu)是在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個電極，分別為漏極d和源極s。在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅()絕緣層，在漏一源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極作為柵極g。在襯底上也引出一個電極B。源極S和襯底B通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前己連接好)。這就構(gòu)成了一個N溝道增強型MOSFET管。 MOSFET管的柵極與其它電極間是絕緣的，柵極無電荷泄放回路，所以在此類器件的保存和使用中要特別注意柵極的靜電擊穿，以免損壞器件。通常在保存時用錫箔紙把器件的g, d, s管腳短路，焊接時帶靜電環(huán)操作。10 圖3.5a、圖3.5b分別是N溝道增強型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)8。 圖a 圖b 圖3.5 N溝道增強型MOS管 選取MOSFET器件時，應(yīng)限定功率管在電路中的工作條件，如:電源電壓、工作電流、開關(guān)頻率、驅(qū)動電路、工作環(huán)境等。 器件使用手冊中給出的功率，MOSFET的漏源擊穿電壓VDSS是允許電壓范圍極限值。在PWM功率變換電路中，MOSFET的漏源擊穿電壓應(yīng)為2倍以上的工作電源電壓VDC，即 功率MOSFET電壓額定值選取的余量較大，可減輕吸收電路損耗，但是太高的VDSS會導(dǎo)致RDS變大，導(dǎo)致MOSFET發(fā)熱損耗加大。 工作電路的電流額定值必須小于MOSFET的，一般安全系數(shù)為310,即 具體選取多少倍的余量，視電機的過載倍數(shù)和工作環(huán)境而定。使用中要注意MOSFET的會隨環(huán)境溫度升高而減小這個特性。 導(dǎo)通電阻RDS是功率MOSFET的重要參數(shù)，因為RDS值的大小會直接影響PWM變換電路的輸出效率和發(fā)熱狀況。RDS越大，功率管的導(dǎo)通損耗越大，發(fā)熱量越大。故在MOSFET其他參數(shù)合適電路的要求下，應(yīng)首選RDS小的功率MOSFET。9無刷電機額定電流為2.5A，電源電壓為24V （DC）。考慮到電機最大2倍過載能力和工業(yè)場合的使用環(huán)境，選用ST公司制造的型號為STP60NF06的MOSFET器件。穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通電阻RDS為0.07，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通為2.5A時，穩(wěn)態(tài)功耗為0.4375W。3.4 驅(qū)動電路MOSFET管為電壓型全控器件，控制電路簡單。這里我們比較了三種驅(qū)動電路。3.4.1 IR2130IR2130是美國IR C International Rectifier)公司為高電壓、高速功率MOSFET和IGBT所