畢業(yè)設(shè)計-無刷直流電動機(jī)的單片機(jī)設(shè)計

1、 摘要：無刷直流電動機(jī)是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型電機(jī)，它利用電子換相代替機(jī)械挾相，既具有直流電動機(jī)的調(diào)速性能，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。如今，利用單片機(jī)為核心設(shè)計的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)，由于其固有的結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速范圍寬、低噪聲、高功率密度、啟動扭矩大、壽命長等特點(diǎn)，在日常生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。論文以永磁無刷直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型為理論基礎(chǔ)，研究了無刷直流電動機(jī)的基本組成、基本工作原理、運(yùn)行特性，傳遞函數(shù)；結(jié)合AT89C52單片機(jī)，提出了以電流環(huán)和速度環(huán)組成的雙閉環(huán)全數(shù)字無刷直流電動機(jī)控制方案，并根據(jù)方案進(jìn)行了硬件電路和系統(tǒng)軟件的設(shè)計。 在硬件電路設(shè)計中，提出了

2、檢測方案和調(diào)節(jié)方案。重點(diǎn)討論了在調(diào)節(jié)方案，為了克服經(jīng)典PID算法中參數(shù)不易確定的問題。通過Matlab建立的電機(jī)轉(zhuǎn)速。仿真結(jié)果表明該模型的輸出波形與理論分析完全吻合。采用該仿真模型可以靈活地實現(xiàn)各種控制算法，能有效地節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計周期，加快實際系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試的進(jìn)程，因此為分析和設(shè)計直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)提供了一個理想試驗平臺。設(shè)計結(jié)果表明，采用AT89C52單片機(jī)和集成驅(qū)動器IR2130的無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路簡單，實用，經(jīng)濟(jì)性好。實驗結(jié)果證明，該設(shè)計方案合理，工作穩(wěn)定，具有較高的性能指標(biāo)。關(guān)鍵詞：無刷直流電動機(jī)，單片機(jī)，AT89C52 Single-chip microcomputer

3、control of brushless DC motor Abstract: A Brushless DC motor(BLDCM)is a new type of motor in which a electrical Commutator replaces a mechanical commutatorIt has advantages of variable speed as DC motor and simply structure，reliable operation,easy maintenance as AC MotorBLDCM Control system based on

4、 a MCU is widely used because of perfect characteristics such as simple circuit ,high efficiency,wide speed range,low noise,high power density,large start torque,long life period and so on At the beginning,on the theory fundamental of mathematical model about BLDCM，the basic structure，the operation

5、principle,running performance and transfer function were Analyzed and AT89C52s main characteristics produced in the paperThen,a solution of control system of BLDCM using AT89C52 is presentedFor a better effect,the control system includes three closed loops，which are current loop and speed loopThe ha

6、rdware circuits are designed and the software is completed Secondly,on the process design about hardware circuit,detected circuit and adjust Strategy were proposed,specially discussed adjust strategyTo overcome the problems that Parameters in the classical PID algorithm are not selected easily,the f

7、uzzy control is applied t0 the design systemThe models of speed loop and current loop were established by using Matlab The simulation results indicate that the output waves are the same as the Ones analyed in theory The simulation model can product varieties of control algorithm, Shorten system desi

8、gn time and accelerate the process of system design and debuggingAs a result,a ideal testing plate was proposed for the BLDCM control system Finally,The design result shows that the hardware circuit of control system based C805 AT89C52 and IR2130 driver designed simply，practical and economicallyThe

9、experiment result proves that this schematic is reasonable，stable operation and better performance. Keywords: Brushless DC Motor AT89C52 fuzzy control 1 緒論1.1 研究背景及意義在電氣時代的今天，電動機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備中，還是在日常生活中的家用電器中，都大量地使用著各種各樣的電動機(jī)。據(jù)資料統(tǒng)計，現(xiàn)在有90以上的動力源來自于電動機(jī)我國生產(chǎn)的電能大

10、約有60用于電動機(jī)?？梢?，電動機(jī)與人們的生活息息相關(guān)、密不可分。 由于直流電動機(jī)具有非常優(yōu)秀的線性機(jī)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(diǎn)，長期以來一直廣泛地應(yīng)用在各種驅(qū)動裝置和伺服系統(tǒng)中。但是，直流電動機(jī)的電刷和換向器卻成為阻礙它發(fā)展的障礙，機(jī)械電刷和換向器因強(qiáng)迫性接觸，造成它結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差，并且機(jī)械換相裝置易產(chǎn)生火化、電磁干擾、不適用惡劣環(huán)境以及需要定期維護(hù)等不足，嚴(yán)重影響了直流電動機(jī)的調(diào)速精度和性能。因此，長期以來人們一直在尋找一種不用電刷和換向器的直流電動機(jī)。 隨著電子技術(shù)、功率元件技術(shù)和高性能的磁性材料制造技術(shù)的飛速發(fā)展，這種想法已成為現(xiàn)實。無刷直流電動機(jī)利用電

11、子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，因此，使這種電動機(jī)不僅保留了直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且又具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，使它一經(jīng)出現(xiàn)就以極快的速度發(fā)展和普及。 近年來，電動機(jī)的控制部分已由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制。在選擇單片機(jī)的過程中，過去很多學(xué)者認(rèn)為8位單片機(jī)不適合作為電機(jī)控制器，而轉(zhuǎn)向使用16位單片機(jī)。但是由于現(xiàn)代8位單片機(jī)的功能和速度都與16位單片機(jī)不相上下，而且價格便宜，易于與占多數(shù)的8位芯片接口，同時越來越多的電動機(jī)專用集成電路的使用也使單片機(jī)減輕了許多沉重的負(fù)擔(dān)。因此，8位單片機(jī)將會成為普通電動機(jī)控制的主流處理器。 本文采用的是at89c51

12、單片機(jī)，進(jìn)行了基于8位單片機(jī)的無刷直流電動機(jī)的控制。12無刷直流電動機(jī)的特點(diǎn)及發(fā)展歷程121無刷直流電動機(jī)的特點(diǎn) 同其他電動機(jī)，如感應(yīng)電動機(jī)、永磁同步電動機(jī)、有刷直流電動機(jī)相比，無刷直流電機(jī)具有非常優(yōu)異的性能，具體如下： (1) 與感應(yīng)電動機(jī)相比，無刷直流電動機(jī)具有更大的功率密度，更高的效率和更好的性能，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：由于采用高性能永磁材料，無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子體積得以減小，可以具有較低的慣性、更快的響應(yīng)速度、更高的轉(zhuǎn)矩慣量比。由于沒有轉(zhuǎn)子損耗，也無需定子勵磁電流分量，所以無刷直流電動機(jī)具有較高的效和功率密度。對于同等容量輸出，感應(yīng)電動機(jī)需要更大功率的整流器和逆變器。由于沒有轉(zhuǎn)子發(fā)熱，

13、無刷直流電動機(jī)也無需要考慮轉(zhuǎn)子冷卻問題。盡管感應(yīng)電動機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用較為普通和成熟，但由于其非線性本質(zhì)，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。永磁同步電動機(jī)把交流電動機(jī)復(fù)雜的磁場定向控制轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子位置定向控制，而無刷直流動機(jī)則進(jìn)一步將其簡化為離散六狀態(tài)的轉(zhuǎn)子位置控制，也無需坐標(biāo)變換。 (3) 由于采用電力電子器件代替機(jī)械換向器，無刷直流電動機(jī)克服了有刷直流電動機(jī)的致命缺點(diǎn)。與有俐直流電動機(jī)相比，無刷直流電動機(jī)有以下特點(diǎn)：可靠性高，壽命長。它的工作期限主要取決于軸承及其潤滑系統(tǒng)。高性能的無刷直流電動機(jī)工作壽命可達(dá)數(shù)十萬小時。而有刷直流電動機(jī)壽命一般較短，在高溫環(huán)境下甚至只有幾分鐘。無電氣接觸火花、無線電干擾少，不必經(jīng)常進(jìn)

14、行維護(hù)和修理，可工作于高真空、不良介質(zhì)環(huán)境?？稍诟咿D(zhuǎn)速下工作，專門設(shè)計的高速無刷直流電動機(jī)的工作轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘10萬轉(zhuǎn)以上 ，并且機(jī)械噪聲很低。必須與一定的電子換向線路配套使用，從而使總體成本增加，但從控制的角度看，有更大的使用靈活性。122無刷直流電動機(jī)發(fā)展歷程 一百多年來，電動機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活之中，電動機(jī)主要類型有同步電動機(jī)、異步電動機(jī)與直流電動機(jī)三種，其容量小到幾瓦，大至上萬千瓦。眾所周知，直流電動機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的直流電動機(jī)均采用電刷，以及機(jī)械方法進(jìn)行換向，因而存在相對的機(jī)械摩擦，由此帶來的噪聲、

15、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn)，再加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，從而無刷直流電動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生了。1917年，提出了用整流管代替有刷直流電動機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無刷直流電動機(jī)的基本思想。20世紀(jì)30年代，就有人開始研制以電子換向來代替電刷機(jī)械換向的無刷直流電動機(jī)，并取得了一定成果。但由于當(dāng)時大功率電力電子器件僅處于初級發(fā)展階段，而無法推廣使用。1955年，美國D哈利森等人首次申請了應(yīng)用晶體管換向代替電動機(jī)機(jī)械換向器換向的專利，這就是現(xiàn)代無刷直流電動機(jī)的雛形。但由于該電動機(jī)尚無起動轉(zhuǎn)矩而不能產(chǎn)品化。 而后又經(jīng)過人們的多年努力，借助于霍爾元件來實現(xiàn)換向的無刷直流電動機(jī)終于在1962年問世，

16、從而開創(chuàng)了無刷直流電動機(jī)的新紀(jì)元。 20世紀(jì)70年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的高性能大功率電力電子器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料，如釤鈷、銣鐵硼等的問世，均為無刷直流電動機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。 無刷直流電動機(jī)發(fā)展至今已有40余年歷史。國外發(fā)達(dá)國家在民用領(lǐng)域推廣，并形成無刷直流電動機(jī)及驅(qū)動器件的規(guī)模化產(chǎn)業(yè)；國內(nèi)研發(fā)和生產(chǎn)的無刷直流電動機(jī)品種和數(shù)量不多主要用于軍工國防設(shè)備。由于它具有的一系列優(yōu)點(diǎn)，近年來在空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、電動自行車及微型風(fēng)機(jī)等應(yīng)用，一般是輸出功率不大的微型與特種無刷直流電動機(jī)。機(jī)械、紡織、印染、冶金、輕工等行業(yè)

17、所需的與小型交流異步電動機(jī)功率等級對應(yīng)的永磁無刷直流電動機(jī)(功率在0.75-18.5kW范圍)應(yīng)用才慢慢展開。隨著國際經(jīng)濟(jì)一體化趨勢的到來，我國的無刷直流電動機(jī)產(chǎn)業(yè)充滿發(fā)展機(jī)會。1.2.3 無刷直流電動機(jī)控制專用集成電路 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，各國半導(dǎo)體廠商不斷地推出無刷直流電動機(jī)專用控制集成電路，解決了電機(jī)和電子電路結(jié)合問題，也有利于控制器的小型化和可靠性的提高。特別是隨著專用控制集成電路的批量生產(chǎn)，價格大幅度下降，解決了妨礙無刷直流電動機(jī)向民用領(lǐng)域發(fā)展的高價格問題，使無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用更方便、更容易推廣普及。隨著電動機(jī)應(yīng)用技術(shù)越來越復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計者正在通過利用電動機(jī)控制集成電路尋求開發(fā)工

18、作的簡化。使用電動機(jī)控制集成化的一個重要因素是使應(yīng)用者容易獲得最佳的硬件軟件解決方案，人們可用最少的開發(fā)時間，就能迅速將其最終產(chǎn)品推向市場銷售。各國電子元件制造商瞄準(zhǔn)無刷直流電動機(jī)這一巨大市場，十分重視無刷直流電動機(jī)專用控制集成電路芯片的開發(fā)和生產(chǎn)。13單片機(jī)對電動機(jī)控制所起的作用及新型單片機(jī)的特點(diǎn)1.3.1 單片機(jī)對電動機(jī)控制所起的作用 電動機(jī)的控制部分已由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制。微處理 器取代模擬電路作為電動機(jī)的控制器有如下特點(diǎn)網(wǎng)： (1) 使電路更簡單 模擬電路為了實現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件，使電路復(fù)雜。采用微處理器后，絕大多數(shù)控制邏輯可通過軟件實現(xiàn)。 (2) 可

19、以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制 微處理器有更強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快、精度高、有大容量的存儲單元，因此有能力實現(xiàn)復(fù)雜的控制，如優(yōu)化控制等。 (3) 靈活性和適應(yīng)性微處理器的控制方式是由軟件完成的。如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只需修改程序即可。在系統(tǒng)調(diào)試和升級時，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。 (4) 無零點(diǎn)漂移，控制精度高 數(shù)字控制不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點(diǎn)漂移問題。無論被控量的大或小，都可以保證足夠的控制精度。 (5) 可提供人機(jī)界面，多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作在電動機(jī)的控制中，要用到鍵盤和顯示器作為人機(jī)界面?，F(xiàn)在普遍采用單片機(jī)作為電動機(jī)的控制器，單片機(jī)是世間上使用量最大的微處理器。

20、1.3.2 新型單片機(jī)的特點(diǎn) 單片機(jī)產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代。在我國經(jīng)歷了Z80單板機(jī)時代和MCS51單片機(jī)時代。隨著各種各樣的單片機(jī)不斷出現(xiàn)，新一代的單片機(jī)除具有以往MCS-51單片機(jī)的特點(diǎn)外，并且還具有一些新的發(fā)展趨勢。 (1) 功能大大增強(qiáng) 許多單片機(jī)公司將16位單片機(jī)的性能下移到8位單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部增加了PWM口、比較和捕捉功能、A/D轉(zhuǎn)換器等，并增加了看門狗、各種串行總線接口等功能，使新一代的單片機(jī)功能更強(qiáng)大。PWM口廣泛地應(yīng)用在直流電動機(jī)控制中。它一經(jīng)初始化設(shè)定后會自動地發(fā)出PWM控制信號，CPU只在需要調(diào)整參數(shù)時才介入。捕捉功能在電動機(jī)控制中可用于測頻。它相當(dāng)于在老式單片機(jī)中用

21、計數(shù)器與外中斷聯(lián)合測頻功能。在有模擬信號存在的情況下(例如用直流測速發(fā)電機(jī)測速，或測量電動機(jī)繞組的輸出電壓或電流)，如果要將模擬信號輸入單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換器是必不可少的，將A/D轉(zhuǎn)換器集成在單片機(jī)內(nèi)，將帶來極大的方便。 近年來，單片機(jī)的一個重大變化是出現(xiàn)了各種同步串行總線，如s總線、，2c總線。同步串行總線由于使用的信號線少(如SP1使用3條信號線，2C總線只使用2條信號線)，所以電路占用電路板的面積大大減小。與并行總線相比，其信號受干擾的可能性也小。還有一個最突出的優(yōu)點(diǎn)是單片機(jī)可利用的引腳相對增多。這就是同步串行總線風(fēng)靡起來的原因，它大有取代并行總線之勢。在電動機(jī)的控制中，要用到鍵盤和顯示器

22、作為人機(jī)界面，有時還要用到外接存儲器，這時使用有同步串行總線接口的芯片將會大大減小電路的尺寸，降低成本。 (2) 速度更快速度更快了是新一代單片機(jī)的又一個最大特點(diǎn)。用單片機(jī)對電動機(jī)進(jìn)行實時控制，經(jīng)常采用一些優(yōu)化算法，如數(shù)字PID控制、數(shù)字濾波等。對于實時性很強(qiáng)的控制，速度低的單片機(jī)往往不能勝任。新一代單片機(jī)的速度比老式單片機(jī)的速度提高了1倍多。 (3) 小型化和低功耗 采用同步串行總線可以減少無用的引腳，另外，由于采用了內(nèi)部FLASH存儲器，沒有必要保留外接并行存儲器的引腳，這些都使單片機(jī)引腳的數(shù)目可以大大減少。這樣一來，一方面提供了更多的引腳作為FO口使用，另一方面也可以去掉眾多引腳而使芯片

23、小型化。小型化的單片機(jī)給用戶提供了低成本、電路尺寸小的選擇。 單片機(jī)的低電壓和低功耗也是新一代單片機(jī)的特色。大多數(shù)單片機(jī)都有休眠省電工作方式，一些單片機(jī)還采用3V電壓供電，這些措施都可以減少單片機(jī)耗電。這對于移動設(shè)備的電動機(jī)控制提供了幫助。例如，數(shù)碼攝像機(jī)、便攜式儀器、便攜式視聽設(shè)備、筆記本電腦中的光盤驅(qū)動器和磁盤驅(qū)動器等。 89系列單片機(jī)和MCS-51系列單片機(jī)一樣，與一般的微機(jī)的存儲器配置方式不同。89系列的存儲器在物理結(jié)構(gòu)上分為程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間，共4個存儲空間。1.4 本論文主要研究內(nèi)容 國內(nèi)在無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)領(lǐng)域理論研究多，而基于單片機(jī)實現(xiàn)的系統(tǒng)少，本論文針對這種發(fā)

24、展現(xiàn)狀，將側(cè)重點(diǎn)放在系統(tǒng)的基本實現(xiàn)上，開發(fā)設(shè)計出一套能夠?qū)崿F(xiàn)無刷直流電機(jī)控制的完整軟硬件系統(tǒng)。 本文的主要內(nèi)容如下： 1通過對無刷直流電動機(jī)的組成和基本工作原理的簡要介紹，分析推導(dǎo)了無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行特性及其傳遞函數(shù)，為之后進(jìn)行的的仿真研究、實際系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了有效依據(jù)。 2對89系列的微控制器內(nèi)核和片內(nèi)存儲器、端口輸入輸出、片內(nèi)可編程計數(shù)器定時器陣列以及片內(nèi)調(diào)試電路等特性進(jìn)行系統(tǒng)介紹。 3概括介紹了本系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制總體設(shè)計方案，其中包括相應(yīng)的檢測方案和采用模糊策略對PID控制器的調(diào)節(jié)方案，并對其設(shè)計方法進(jìn)行了相關(guān)介紹。 4在硬件設(shè)計過程中，介紹了驅(qū)動MOSFET的集成芯

25、片取IR2130和電源設(shè)計。 5采用軟件模塊化實現(xiàn)了無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)速度、電流的雙閉環(huán)軟件設(shè)計，其中包括轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)和其他環(huán)節(jié)的實現(xiàn)，結(jié)合軟硬件調(diào)試整個電路。 2無刷直流電動機(jī)控制原理21 無刷直流電動機(jī)的組成與交流電動機(jī)相比，直流電動機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的直流電動機(jī)采用電刷一換向器結(jié)構(gòu)，以機(jī)械方式進(jìn)行換向，不可避免地存在噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn)，再加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，大大限制了它的應(yīng)用范圍，致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大多采用三相感應(yīng)電動機(jī)。那么，能不能既保持直流電動機(jī)的優(yōu)良特性，又去掉機(jī)械換向裝置呢?無局4直流電動機(jī)正是在直流電動機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)

26、展起來的一種新型電機(jī)。無刷直流電動機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是由電動機(jī)本體、控制電路和轉(zhuǎn)子位置傳感器3部分組成，其原理圖如圖21所示。 圖21無刷直流電動機(jī)的組成 圖21中，直流電源通過控制電路控制電路向電動機(jī)定子繞組供電，位置傳感器隨時檢測轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號來控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而自動地控制了哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實現(xiàn)電子換向。2.1.1 電機(jī)本體無刷直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖22所示。無刷直流電動機(jī)最初的設(shè)計思想來自普通的有刷直流電動機(jī)，不同的是將直流電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換。 無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的，具有一定的磁極對數(shù)的永磁體，

27、產(chǎn)生隙磁通。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分為兩種：第一種是將瓦片狀的永磁體貼在轉(zhuǎn)子外表上，稱為凸極式；另一種是將永磁體內(nèi)嵌到轉(zhuǎn)子鐵芯中，稱為內(nèi)嵌式。 圖2.2 無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 無刷直流電動機(jī)的定子為電樞，由多相對稱的繞組，繞組的相數(shù)有二、三、四、五相，但應(yīng)用最多的是三相和四相。各相繞組分別與電子開關(guān)電路相連，開關(guān)電路中的開關(guān)受位置傳感器的信號控制。 目前，無刷直流電動機(jī)的電機(jī)本體大多采用三相對稱繞組，由于三相繞組既可以是星形連接又可以是三角形連接，同時功率逆變器又有橋式和非橋式兩種。因此，無刷直流電動機(jī)的主電路有星形連接三相半橋式、星形連接三相橋式和三角形連接三相橋式。在此，主要看一下星形連接三相橋

28、式主電路。 圖2.3 星形連接三相橋式主電路圖 位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制開關(guān)的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通方式。 （1）二二導(dǎo)通方式二二導(dǎo)通方式是指在任意瞬間使兩個開關(guān)同時導(dǎo)通。這種方式就是兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式。下面根據(jù)反電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的概念來分析其導(dǎo)通規(guī)律及特點(diǎn)。 電機(jī)的瞬時電磁轉(zhuǎn)矩可由電樞繞組的電磁功率求得： （2.1）式中、為A、B、C三相繞組的反電動勢。 、為A、B、C三相繞組的電流。 為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。 可見，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動勢的大小。在一定的轉(zhuǎn)速下，如果電流一定，反電動勢越大，轉(zhuǎn)矩越大。 圖2.4給出了無刷直流電動機(jī)三相繞組的反電動

29、勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的開關(guān)導(dǎo)通規(guī)律。 圖2.4 三相繞組的反電動勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律 為了使電機(jī)獲得最大轉(zhuǎn)矩，在二二導(dǎo)通方式下，開關(guān)管的導(dǎo)通順序應(yīng)為VTI、VT2-VT2、VT3-VT3、VT4VT4、VT5一vT5、VT6-vT6、1。在這種工作方式下，每個電周期共有六種導(dǎo)通狀態(tài)，每隔600電角度工作狀態(tài)改變一次，每個開關(guān)管導(dǎo)通120電角度。由此可見，如果忽略換相過程的影響，當(dāng)梯形波反電動勢的平頂寬大于等于120電角度時，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動為0。因此，無刷直流電動機(jī)在設(shè)計時，應(yīng)盡量增大磁極的極弧系數(shù)，以獲得足夠?qū)挼拇琶芏确植疾ㄐ?，從而得到平頂部分較寬的反電動勢波形。 同時，如果

30、假定電流為平頂波，電機(jī)工作在兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式時，總的電磁轉(zhuǎn)矩是每相電磁轉(zhuǎn)矩的兩倍。 (2) 三三導(dǎo)通方式三三導(dǎo)通方式是任一瞬間使三個開關(guān)管同時導(dǎo)通。各開關(guān)管導(dǎo)通的順序為：VTI、VT2、VT3-VT2、VT3、VT4VT3、VT4、VT5-VT4、VT5、VT6-VT5、VT6、VT1-VT6、VT1、vT2。由此可見，三三導(dǎo)通方式也有六種導(dǎo)通狀態(tài)，同樣也是每隔600改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改變一次工作狀態(tài)換相一次，但是每個開關(guān)管導(dǎo)通180。，導(dǎo)通的時間增加了。比較兩種通電方式可見：在二二通電方式下，每個管子均有600電角度的不導(dǎo)通時間，不可能發(fā)生直通短路故障。而在三三通電方式下，因每個

31、管子導(dǎo)通時間為1800電角度，一個管子的導(dǎo)通和關(guān)斷稍有延遲，就會發(fā)生直通短路，導(dǎo)致開關(guān)器件損壞。而且，兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式很好地利用了方波氣隙磁場地平頂部分，使電機(jī)出力很大，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好 2.1.2 控制電路無刷直流電動機(jī)需要用功率電子開關(guān)器件組成的功率控制器才能工作。功率逆變器主電路與繞組的聯(lián)接形式、電機(jī)的功率等有關(guān)。目前以星形三相三狀態(tài)和兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)兩種方式最為常用。逆變器功率開關(guān)管是主電路的核心部分。目前，無刷直流電動機(jī)中功率開關(guān)管主要為功率MOSFET和IGBT。在大功率電機(jī)的控制中，也可選擇MCT，它是MOSFET與晶閘管的復(fù)合器件，具有高電壓、大電流(2000V、3

32、00A：1000V、1000 A)、電流密度大(6000Acm2)工作頻率高(20kHz)、控制功率小、易驅(qū)動、可以采用低成本集成驅(qū)動電路控制等優(yōu)點(diǎn)。為了提高逆變器的可靠性、縮小體積，還可以選擇近年來迅速發(fā)展的功率集成電路(PIC)。PIC將多個(如2個或6個)功率開關(guān)管及其快恢復(fù)二極管集成為一體。這樣，無刷直流電動機(jī)開關(guān)主電路的逆變電路就可以由一個功率開關(guān)管集成塊來實現(xiàn)。目前，三相半橋和三相橋式逆變器主電路均有商品化功率集成電路出售，在設(shè)計時可以選用。 在功率半導(dǎo)體器件與微電子技術(shù)結(jié)合的基礎(chǔ)上，還出現(xiàn)了智能功率模塊(mM)它是將功率半導(dǎo)體器件與具有信號處理功能、自我保護(hù)功能、各種診斷功能等的

33、電路集成或組裝在一起，可以實現(xiàn)無刷直流電動機(jī)的逆變電路、驅(qū)動電路和許多控制電路的功能，使得電機(jī)控制器具有體積小、重量輕、設(shè)計簡單和可靠性高等顯著特點(diǎn)，是高性能無刷直流電動機(jī)的理想器件。如三菱公司生產(chǎn)的智能功率模塊已有完整系列，電壓有600V和1200V兩個等級，電流包括10600 A多種規(guī)格。 2.1.3 轉(zhuǎn)子位置傳感器 無刷直流電動機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動機(jī)的本體以外，還要有由位置傳感器、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(jī)在運(yùn)行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的永磁磁場，在空間始終保持在左右的電角度。 位置傳感器與電機(jī)本體一樣也是由靜止部分和運(yùn)動

34、部分組成，即由位置傳感器定子和位置傳感器轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子位置傳感器目前主要有敏感式、耦合式、諧振式和接近式。 敏感式位置傳感器是利用敏感元件來感受轉(zhuǎn)子位置信息，并輸出電信號去控制各相繞組的導(dǎo)通順序。常用的敏感元件有光敏元件(如光電二極管和光電三極管等)和磁敏元件(如霍爾元件、磁敏二極管和磁敏三極管)。 耦合式是指變壓器耦合(即磁電式)和高頻空心線圈耦合等。 諧振式是利用電感和電容等元件組成的諧振電路，當(dāng)滿足諧振條件時，輸出信號最強(qiáng)，以此控制電樞繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷。 接近式是利用某物而動作的原理所組成的一種位置傳感器，如接近開關(guān)。 由于永磁無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁，因此常用磁敏式霍爾位置傳感器檢測

35、轉(zhuǎn)子位置。世界上第一臺無刷直流電機(jī)就使用了霍爾元件式位置傳感器，故在本文中采用霍爾元件式位置傳感器?；魻柺轿恢脗鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，成本低、是目前在無刷直流電機(jī)上使用最多的一種位置式傳感器。 霍爾式位置傳感器是利用“霍爾效應(yīng)”來進(jìn)行工作的。利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，同時也是霍爾式傳感器的轉(zhuǎn)子。通過感知轉(zhuǎn)子上的磁場強(qiáng)弱變化來辨別轉(zhuǎn)子所處的位置。 在長方形半導(dǎo)體薄片上通以電流，當(dāng)將半導(dǎo)體薄片置于外磁場中，并使其與外磁場垂直時，則在與電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度B會構(gòu)成的平面相垂直的方向上會產(chǎn)生一個電動勢，稱其為霍爾電動勢，其大小為： （2.2） 式中是霍二式原件的靈敏度。當(dāng)磁

36、場強(qiáng)度方向與半導(dǎo)體薄片不垂直，而是成角時，霍爾電動勢的大小改為 （2.3） 利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場，對霍爾元件通入直流電，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁場強(qiáng)度大小和方向隨著它的位置不同而發(fā)生變化時，霍爾半導(dǎo)體就會輸出霍爾電動勢，霍爾電動勢的大小和相位隨著轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測轉(zhuǎn)子位置的作用。 22無刷直流電動機(jī)的基本工作原理眾所周知，一般的永磁式直流電動機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機(jī)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(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)動電動機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。無刷直流電動機(jī)為了實現(xiàn)無電刷換向，首先要求

37、把一般直流電動機(jī)的電樞繞組放在定予上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上。這與傳統(tǒng)直流永磁電動機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅這樣做還是不行的，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(yùn)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(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動機(jī)的本體以外，還要有由位置傳感器、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(jī)在運(yùn)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)生的永磁磁場，在空間始終保持在左右的電角度，從而使電機(jī)能不停的運(yùn)轉(zhuǎn)。 為了更加清晰地闡述這種無刷直流電動機(jī)的工作原理，下面以三相星形連接繞組為例來加

38、以說明。電動機(jī)本體的電樞繞組為三相星形連接、位置傳感器與電動機(jī)本體同軸，控制電路對位置信號進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電動機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。 圖2.5 無刷直流電動機(jī)的工作原理示意圖 電機(jī)有六種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時間對應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120度電角度，我們把無刷直流電動機(jī)的這種工作方式稱為兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)。兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)工作方式控制簡單、性能最好，所以這種工作方式最為常用，這是無刷直流電動機(jī)最常用的一種工作方式。2.4無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性和傳遞函數(shù) 要十分精確的分析無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行特性是十分

39、困難的。它涉及非線性理路和數(shù)值解法等諸多問題，在一般工程應(yīng)用上尚無此必要。古通常均做如下假設(shè)。（1） 電動機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度沿氣隙按正弦分布。（2） 繞組通電時，該電流產(chǎn)生的磁通對氣隙磁通的影響忽略不計。（3） 控制電路在開關(guān)狀態(tài)下工作，功率晶體管壓降為恒值。（4） 各相繞組對稱，其對應(yīng)的電路單元完全一致的，相應(yīng)的電氣時間常數(shù)忽略不計。（5） 位置傳感器等控制電路的功率損耗忽略不計。 下面以三相全控電路，兩兩通電模式為例分析無刷直流電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的特性。其電路圖如圖2.3所示。 由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度在電動機(jī)氣隙中是按正弦規(guī)律分布的，即，這樣一來，如果在定子中某一相(例如B相)繞

40、組中通入持續(xù)的直流電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為： （2.4）式中：每相繞組的有效導(dǎo)體數(shù)； L繞組中導(dǎo)線的有效長度，即磁鋼長度，單位m； r電動機(jī)中氣隙的半徑，單位m； I繞組相電流，單位A 在三相全控電路兩兩通電時，共有六種通電方式，每種方式都由兩個繞組線圈串聯(lián)通電，這時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為兩個繞組的轉(zhuǎn)矩合成，其大小為： （2.5） 就是說某一相通以持續(xù)不變的直流后，它和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也將隨轉(zhuǎn)子位置的不同而按正弦規(guī)律變化，如圖2.6所示。 圖2.6 在恒定電流下的單相轉(zhuǎn)矩它對外負(fù)載講，所得的電動機(jī)平均轉(zhuǎn)矩為零。但在無刷直流電動機(jī)三相全控電路的工作情況下，實際上各相繞組中通過的不是持續(xù)不變的直流電流，只

41、是通過1/6周期的矩形波電流，那么該電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線中相當(dāng)于1/6周期的一段，且這一段曲線與繞組開始通電時的轉(zhuǎn)子相對位置有關(guān)。顯然在繞組通電的時間里，如果載流導(dǎo)體正好處在比較強(qiáng)的氣隙磁場中，它所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動小，轉(zhuǎn)矩平均值較大。電動機(jī)一旦在電動轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動后，旋轉(zhuǎn)了的轉(zhuǎn)子磁場就要切割定子繞組，在各相繞組上感生出電動勢，當(dāng)其轉(zhuǎn)速n不變時，該電動勢波形也是正弦波，相位同轉(zhuǎn)矩相位一致。感生電動勢波形如圖2.7所示。 圖2.7 三相無刷直流電動機(jī)全控電路的反電動勢 由上述分析，可以很方便的求出輸出轉(zhuǎn)矩的平均值疋和感生電動勢的平均值E。由平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動勢便可求得

42、無刷直流電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時的電壓平衡方程式，為此，首先定義反電動勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)： （2.6） 對于某個具體的電動機(jī)，它們?yōu)槌?shù)。當(dāng)然，其大小同主回路的接法(如三相半控或三相全控)以及開關(guān)管的換相方式(如兩兩換相或三三換相)有關(guān)。 目前己指出，為簡便計算，假定各相繞組對稱、相應(yīng)的時間常數(shù)忽略不計。由圖24可得電動機(jī)的電壓平衡方程為： (2.8) 式中， ，將上式整理后，可得機(jī)械特性方程： (2.9)式中： n電動機(jī)轉(zhuǎn)速，單位rmim； U電源電壓，單位V； 功率管管壓降，單位V； R電動機(jī)的內(nèi)阻，單位Q； 由式(2.7)可知，無刷直流電動機(jī)的機(jī)械特性方程同一般直流他勵電動機(jī)的機(jī)械特性方程在形式上

43、完全一致。只不過其中的轉(zhuǎn)矩和反電勢運(yùn)用平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動勢的概念。這是由于它的反電動勢和轉(zhuǎn)矩的波動比較大的緣故，式(211)表示電動機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時的機(jī)械方程，即一般所說的靜態(tài)方程。 同理，在上述假設(shè)條件不變的情況下，無刷直流電動機(jī)的動態(tài)特性可由下列方程組來描寫 目前已指出，為簡便計算，假定各相繞組對稱、相應(yīng)的時間常數(shù)忽略不計。在AB相導(dǎo)通時，由于繞組中性點(diǎn)電流為零，則可得到如下電壓平衡方程組為： (2.10) (2.11) 兩式相減得： (2.12) 這里為逆變器輸出電壓，為平均反電動勢。 又因為 ， 式中，為電動機(jī)負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩 電動機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩，(J為轉(zhuǎn)動慣量)。經(jīng)拉式變換后得 在零初始條

44、件下，對式取拉氏變換得電壓與電流和電流與電動勢之間得傳遞函數(shù)分別為： 2.5 本章小結(jié) 本章簡要介紹了無刷直流電動機(jī)的組成和基本工作原理，分析了無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行特性，并推出了其傳遞函數(shù)，為后面的仿真研究、實際系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了依據(jù)。 3 單片機(jī) 本課題的控制對象時無刷直流電動機(jī)，其控制中心是單片機(jī)。3.1 AT89系列單片機(jī)簡介 AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通

45、用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。 3.2 功能特性 1、兼容MCS51指令系統(tǒng) 2、8kB可反復(fù)擦寫(大于1000次）Flash ROM； 3、32個雙向I/O口； 4、256x8bit內(nèi)部RAM； 5、3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷； 6、時鐘頻率0-24MHz； 7、2個串行中斷，可編程UART串行通道； 8、2個外部中斷源，共8個中斷源； 9、2個讀寫中斷口線，3級加密位； 10、低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能； 11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 3.2 單片機(jī)引腳

46、AT89C52為8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo) PDIP封裝的AT89C52引腳圖準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/VPD（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0P3 為可編程通用I

47、/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。 4 系統(tǒng)總體設(shè)計方案與控制策略研究41 系統(tǒng)總體設(shè)計方案無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)有無位置傳感器，可分為有位置傳感器控制系統(tǒng)和無位置傳感器控制系統(tǒng)。很多國內(nèi)外學(xué)者對于無位置傳感器的無刷直流電機(jī)(雙無電機(jī))進(jìn)行了

48、許多研究，針對雙無電機(jī)位置檢測和起動問題提出了不少方案，但這些方案盡管省去了位置傳感器，卻由于轉(zhuǎn)子位置檢測電路、起動控制電路等的加入使得整個控制系統(tǒng)的硬件電路趨于復(fù)雜化，不可避免地帶來系統(tǒng)工作可靠性和穩(wěn)定性的問題。綜合上述因素，本系統(tǒng)采用了有位置傳感器控制方法對無刷直流電動機(jī)進(jìn)行控制。本系統(tǒng)主回路主要由單片機(jī)、IR2130、MOSFET組成，控制部分以C8051F330為核心，構(gòu)成功能齊全的電流、速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電流的反饋是通過檢測電阻R上的壓降來實現(xiàn)。速度反饋則是通過霍爾位置傳感器輸出的位置量，經(jīng)過計算得到的。位置傳感器輸出的位置量還用于控制換相。系統(tǒng)通過軟、硬件的協(xié)調(diào)配合采用全數(shù)字雙閉

49、環(huán)控制。42 檢測方案 電機(jī)控制系統(tǒng)中信號檢測是必不可少的，不僅開環(huán)控制狀態(tài)的極限控制需要，如過電流、過電壓、過熱和欠電壓等嚴(yán)重影響系統(tǒng)正常工作的信號，而且對于絕大多數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)，狀態(tài)信息的檢測更是不可缺少，即進(jìn)行實時檢測并利用檢測信號控制電機(jī)的正常運(yùn)行。檢測信號分為電量和非電量兩類。電量有電流、電壓、電荷量和電功率等。在檢測系統(tǒng)中占絕大多數(shù)檢測信號屬于非電量信號，如位置、速度等。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，常用的檢測信號主要有電流、電壓、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速等物理量。下面分別介紹這些物理量的檢測方法。4.2.1 轉(zhuǎn)子位置檢測方案 位置傳感器主要用于轉(zhuǎn)子位置檢測和速度計算，為了正確的獲得轉(zhuǎn)子位置信息，不僅要

50、合理地設(shè)計轉(zhuǎn)子位置傳感器與單片機(jī)的接口，還要考慮位置信號處理的方法?；魻栁恢脗鞲衅骼么琶艋魻栐z測轉(zhuǎn)子永磁磁極位置，假設(shè)當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁N極接近霍爾元件時，輸出信號為高電平，而當(dāng)轉(zhuǎn)子S極接近霍爾元件時，輸出信號為低電平，那么轉(zhuǎn)子永磁磁極間位置就是霍爾元件輸出電平位上升沿或下降沿的位置。檢測轉(zhuǎn)子位置傳感器信號采用的方法有正交編碼接口，數(shù)字FO口中斷和數(shù)字I/O口輸入，本文采用數(shù)字I/O口輸入。 數(shù)字I/O口輸入是將數(shù)字I/O口引腳設(shè)置成輸入功能，霍爾元件的輸出信號經(jīng)過單片機(jī)的數(shù)字I/O口輸入，定時讀取I/O口端口數(shù)據(jù)寄存器，并判斷霍爾位置信號的電平高低變化，從而確定轉(zhuǎn)子位置信息，并估計轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，達(dá)

51、到控制無刷直流電動機(jī)導(dǎo)通順序的目的。數(shù)字I/O口讀取數(shù)據(jù)與霍爾信號變化之間存在時間差別，但是只要PWM開關(guān)頻率達(dá)到一定數(shù)值，轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性的轉(zhuǎn)速平滑作用使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估計的精度還是能滿足調(diào)速精度要求的。 4.2.2 電流檢測方案電流環(huán)調(diào)節(jié)主要作用是限制電機(jī)的最大電流，調(diào)節(jié)對象的動態(tài)結(jié)構(gòu)，加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，減小因電網(wǎng)電壓等因素引起的動態(tài)速變。在電機(jī)的起動過程中，使電機(jī)在所能允許的最大電流下“恒流”起動，保證起動的快速性；在轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨電流給定變化。作為高性能的無刷直流電機(jī)均帶有電流環(huán)。為實現(xiàn)電流環(huán)控制，必須有一個能夠檢測電流的檢測電路。電流是電機(jī)內(nèi)部最基本的物理量。電流的檢測主要有

52、電阻法、電流互感器法和霍爾效應(yīng)電流傳感器法3種。 （1）電流互感器法 圖4.1是電流互感器，它類似于變壓器，是利用交流電的電磁感應(yīng)原理測量電流的，如工頻交流電流，適用于高壓大電流，但測量動態(tài)或低頻等信號時，精度不高。 圖4.1 電流互感器（2）霍爾效應(yīng)電流傳感器 它是利用霍爾效應(yīng)和磁場平衡原理設(shè)計的精密型電流檢測元件，如圖42所示。 圖4.2 霍爾效應(yīng)電流傳感器 測量系統(tǒng)主要由被測導(dǎo)體，聚磁環(huán)、線圈、霍爾元件、放大驅(qū)動電流和測量電阻組成。當(dāng)被檢測導(dǎo)體流過電流時，導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場集中在聚磁環(huán)的氣隙中，氣隙磁場使安放在氣隙中的霍爾元件產(chǎn)生霍爾電勢，這是因為霍爾元件上流過恒定電流所致。該電勢經(jīng)過放大器驅(qū)動電子器件導(dǎo)電，從而繞在聚磁環(huán)上的線圈就流過電流，線圈中流過的電流在聚磁環(huán)中也會產(chǎn)生方向正好與被測導(dǎo)體相反的磁場。由于放大器的放大倍數(shù)很高，這兩種磁場的相互影響最終使得氣隙磁場趨近于