毕业设计（论文）-永磁无刷电动机的驱动控制.doc

毕业设计（论文）UNDERGRADUATE PROJECT (THESIS)题 目: 永磁无刷电动机的驱动控制学 院 机电工程与自动化学院 专 业 电气工程及其自动化 学 号 0312697 学生姓名 指导教师 起讫日期 73目 录摘要4ABSTRACT5第一章 绪论611 课题的来源及意义612 无刷直流电机控制技术的发展概况613 本课题的主要技术难点814 本论文主要研究的内容8第二章 永磁无刷直流电动机的结构和原理1021 无刷直流电动机的特点及分类1022 无刷直流电动机与永磁同步电动机的比较1123 无刷直流电动机的结构1324 无刷直流电动机的工作原理15第三章 无刷直流电动机的控制原理2131 无刷直流电动机的数学模型2132 无刷直流电动机的控制系统结构23321无刷直流电动机控制系统原理23322 PWM调制方式24323 正反转运行控制273231 顺时针旋转273232 逆时针旋转28324 控制状态的实现3033 无刷直流电机的控制方式32331 三相无刷直流电动机的主电路32332 无刷直流电动机转子位置信号的检测34第四章 无刷直流电机控制系统的硬件设计4141 XC866 英飞凌8位单片机功能了解功能介绍4142 IR2130 三相MOSFET驱动电路模块功能介绍4643 MAX232 串口通信芯片功能介绍5044 TLE4266 电源稳压芯片功能介绍5145 控制线路设计52451 电源电路的设计52452 MCU外围电路设计53453 逻辑保护电路设计55454 逆变器驱动电路设计56455 主电路设计56456 总体设计57457 总电路图58第五章 无刷直流电机控制系统的软件设计5851 控制程序设计5852 程序流程图66第六章 总结68致 谢69参考文献70附录71永磁无刷直流电动机的驱动控制摘要本文主要对无刷直流电动机的基本原理与驱动控制方式作了一些研究。对于无刷直流电机的基本原理，本文通过将永磁无刷直流电机与普通同步直流电机做比较，体现了永磁无刷直流电机在各个方面的优势以及相对普通同步直流电机所具有的技术创新；对于无刷直流电动机的驱动控制方式，本文首先介绍了无刷直流电动机的基本控制原理以及位置信号检测和一些常用的控制方式。对于本次设计，本文使用单片机控制有位置传感器的三相无刷直流电动机，采用了某些专用控制芯片如XC866,MAX232,IR2130等对无刷直流电机进行换相以及驱动控制。首先介绍了各种芯片的基本功能以及使用方式，然后给出了总体设计的电路图。最后本文给出了无刷直流电机的控制程序以及流程图。关键词：永磁无刷直流电动机 单片机 有位置 驱动控制ABSTRACTThis paper mainly to the brushless DC motor-driven basic tenets of control and made some research. Brushless DC motor for the basic principles This paper will be permanent magnet brushless DC motor with ordinary Synchronous Motor comparison, reflect the permanent magnet brushless DC motor in all aspects of the relative strengths and ordinary machine synchronous motor with technical innovation; For brushless DC motor drive control, This paper introduces the brushless DC motor control of the basic principle and position signal detection and control of some commonly used methods. For this design, use of SCM is a position sensor control of three-phase brushless DC motor, using some special control chip as XC866, MAX232, IR2130 and so on brushless DC motor commutation and driving control. First of all the basic functions of chip and use, and then presents the design of the circuit diagram. Finally, this paper introduces a brushless DC motor control procedures and flow charts.Keywords：BLDCM SCM A location Driving Control第一章 绪论11课题的来源及意义永磁无刷直流电机是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电动机。它是现代工业设备、现代科学技术和军事装备中重要的机电元件之一，无刷直流电动机是以法拉第的电磁感应定律为基础，而又以新兴的电子技术、数字技术和各种物理原理为后盾，因此它具有很强的生命力。无刷直流电动机的最大特点，就是没有换向器（整流子）和电刷组成的机械接触机构。加之，它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗；发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，这样热阻较少，散热容易。因此无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维护方便，此外，它的转速不受机械换向的限制；如采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转的速度中运行。本课题来源为自拟，本课题主要目标为设计单片机驱动电路控制永磁无刷直流电动机运行，本课题要求绘制出控制电路图以及编制相应的控制程序。 通过本次课题的研究可以加深对永磁无刷直流电机以及单片机以及部分专用芯片的理解和应用能力，并能学习到一定的单片机C语言编程技术。12无刷直流电机控制技术的发展概况有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域,由于其宽阔而平滑的优良调速性能,在需要调速的应用领域占有重要地位,但机械换向装置的存在,限制了其发展和应用范围。机械换向不良的后果是电刷下面产生危害性火花,严重时可能产生环火,使其在煤矿、油田等具有可燃性气体的场合受到限制,同时,换向火花能引起对无线电通讯及控制设备的电磁干扰,转速也受到机械换向干扰限制而不能很高。这些缺点在很长时间内没有得到根本改善。科学技术的飞速发展,带来了半导体技术的飞跃,开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机,1955年,美国人首次提出用晶体管换向线路代替机械换向装置,经过反复实验,人们终于找到了用位置传感器和电子换向线路来代替有刷直流电动机的机械换向装置,出现了磁电耦合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机,以后人们发现电量波形和转子磁场的位置存在着一定的对应关系,因此又出现了观测电枢绕组中不同电量波形监测转子位置的无位置传感器的电动机。近几十年,稀土永磁材料迅速发展为永磁无刷直流电动机的设计开辟了广阔的前景。同时现代电力电子器件工艺日臻成熟,出现了电力晶体管，门极可关断晶闸管,功率场效应晶体管,特别是绝缘门极晶体管的开发成功,使无刷直流电机的功率驱动电路的可靠性和稳定性得到保障,因此无刷直流电机成为国际国内研究的热门课题,数10年经久不衰。由于永磁材料和功率半导体器件性能的提高受到许多客观因素的制约和影响，在一定条件下具有一定的局限性。因此，自20世纪80年代以来随着微型计算机技术、控制理论和控制技术的飞速发展，人们更多地从提高控制器性能这条途径着手来提高永磁无刷电动机地性能，并取得了一些可喜的成绩。高速微处理器DSP器件的出现，保证了无刷直流电动机的性能，也使性能更优秀的正弦波电流驱动的永磁无刷电动机进入应用领域。此外，先进的控制方法例如滑摸控制、变结构控制、模糊控制和专家控制等被相继引入无刷电动机控制器，从而推动着无刷电动机朝着高智能化、柔性化和全数字化方向发展，为其进入新世纪数字化时代开辟了新纪元。13本课题的主要技术难点本课题的主要关键点在于：1. 无刷直流电机换向功能的实现方法；2. 各种专用芯片的使用方法以及外围电路设计；3. 总体电路的设计方法；4. 单片机的C语言控制程序编制。课题中的主要技术难点：1. 本课题要求掌握无刷直流电机的基本原理以及位置信号检测和换向控制方法；2. 本课题要求设计无刷直流电机的驱动电路，因此对专用芯片基本功能和使用方法必须有一定的了解，而且必须有一定的模拟电子和数字电子电路基础和电路设计经验；3.由于本课题最后要编制控制程序，因此必须对单片机的C语言编程有一定的了解。1.4本论文主要研究的内容 本论文在理解无刷直流电动机基本原理和控制方法的基础上对对永磁无刷直流电动机的驱动控制方法作了一些研究，然后使用单片机和部分专用芯片设计其驱动控制电路，绘制其电路原理图，并编制其相应的控制程序。第二章 永磁无刷直流电动机的结构和原理21无刷直流电动机的特点及分类无刷直流电动机的最大特点，就是没有换向器（整流子）和电刷组成的机械接触机构。加之，它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗；发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，这样热阻较少，散热容易。因此无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维护方便，此外，它的转速不受机械换向的限制；如采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转的速度中运行。无刷直流电动机，按照它们的工作特性，基本上可以分为两大类：（1） 具有直流电动机特性的无刷直流电动机。这类电动机由直流电源供电，借助位置传感器来检测主转子的位置，所检测出的信号去触发相应的电子换向电路以实现无接触式换流。很显然，这种无刷直流电动机具有有刷直流电动机的各种运行特性。23无刷直流电动机的结构有刷电动机具有旋转的电枢和固定的磁场。因此，有刷直流电动机必须有一个滑动的接触机构电刷和换向器，通过它们把电流馈给旋转着的电枢，无刷直流电动机却与前者相反，它有旋转的磁场和固定的电枢。这样，电子换向线路中的功率开关元件，如晶体管或可控硅等可直接与电枢绕组连接。另外，在电动机内，装有一个位置传感器，用来检测主转子在运行过程中的位置，它与电子换向线路一起，代替了有刷直流电动机的机械换向装置。综上所述，无刷直流电动机由下列三大部分组成：（1） 电动机本体带有电枢绕组的定子和永磁转子；（2） 位置传感器；（3） 电子换向线路。（4） 其组成亦可以用下图2-2来表示： 无刷直流电动机电动机本体位置传感器电子换向线路主定子主转子传感器定子传感器转子图2-2 无刷直流电动机的组成24无刷直流电动机的工作原理无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，就它们内部发生的电磁过程来说，本质上无多大区别，因此，不妨先了解以下有刷直流电动机的工作原理。 有刷直流电动机主要由静止部分磁极体、转动部分电枢以及电刷和换向器等组成，如图2-3所示 12NSIabdcnAB图2-3 有刷直流电动机原理图图中，N、S为磁极，线圈abcd组成电枢，电刷A,B和换向片1,2组成机械换向机构。 当接上电源后，电流I从电刷A流进去，经过换向片1，线圈abcd至换向片2，然后由电刷B流出，根据比奥萨乏定律；如果磁场中有一段载流导体，且导体与磁场方向互相垂直，则作用在载流导体上的电磁力应为fIBla式中：I流过导体的电流； B磁通密度； la-载流导体的有效长度。 这个力形成了作用在线圈上的电磁转矩，根据左手定律线圈在这个电磁转矩的作用下，将按逆时针方向转动。当载流导体转过180度电角度后，电流I还是从电刷A进去，经由换向片2、线圈dcba，至换向片1，最后仍从电刷B流出。可见，在有刷直流电机中，就是借助电刷换向片，使得在某一磁极下，虽然导体在不断更替，但只要外加电压的极性不变，则导体中流过的电流方向始终不变，作用在电枢上的电磁转矩方向始终不变，电动机的旋转方向也始终不变，这就是有刷直流电动机机械换向过程的本质。在无刷直流电动机中，借助反映主转子位置的位置传感器的输出信号，通过电子换向电路去驱动与电枢绕组联结的相应功率开关元件，使电枢绕组依次馈电，从而在主定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地传送信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电动机的无接触换流过程的实质。图2-4为无刷直流电动机工作原理的方框图。直流电源电子换向电路电动机本体位置传感器输出图2-4 无刷直流电动机工作原理方框图应该指出，在无刷直流电动机中，电枢绕组和相应的功率开关元器件的数目不可能很多，所以，与有刷直流电动机相比，它产生的电磁转矩波动比较大。换向是借助晶体管开关来实现的。把所有被联结在机械换器上面的引线头抽出来,并给每一个引线头提供开关,就可以把一台有刷型电动机变换成一台无刷型电动机;但是,这种方法必须包含大量的开关。取而代之,采用类似于交流电动机中的多相绕组。在此设计中,相作为轴的位置的函数而被换向。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。电动机的转矩正比于绕组平均电流： Tm=KtIav （Nm）电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度： ELL=Ke （V）所以电动机绕组中的平均电流为： Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A）其中，Vm=VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩： Tm=（VDCKt/2Ra）-Kt（Ke/2Ra）其中，Kt、Ke是电动机的结构常数，为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的时，改变占空比，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控 制相同的控制特性和机械特性。 无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值为+5V对应的最高转速：Vc（max）n max，那么，+5V以下任何电平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。 当Vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压Vfb变小，调制波的占空比就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，减小，Tm减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电网波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。 由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不像异步机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高10%左右，一般来说，无刷直流电动机的力能指针（cos）比同容量三相异步电动机高12%-20%。 由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电动机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。 中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。 近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，而无刷直流电动机的电流或电枢的端电压，就是直接控制电动机转矩的物理量。过去，由于稀土永磁体价格比较高等因素，限制了稀土永磁无刷直流电动机的应用领域，但是随着技术的不断创新，其价格已迅速下降，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。第三章 无刷直流电动机的控制原理31 无刷直流电动机的数学模型由于无刷直流电动机的气隙磁场、反电动势以及电流是非正弦的，采用直、交坐标变换已不是有效的分析方法。因此我们直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型。 为了简明起见，现做如下假设：（1） 电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形（近似为方波）分布。（2） 定子齿槽的影响不计。（3） 电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计。（4） 忽略电机中的磁滞和涡流损耗。（5） 三相绕组完全对称。 由于转子的磁阻不随转子位置的变化而改变，因此定子绕组的自感和互感为常数，则相绕组的电压平衡方程可表示为： （11）式中 ua、ua、ua定子相绕组电压（V）。 ia、ia、ia定子相绕组电流（A）。 ea、ea、ea 定子向绕组电动势（V）。 r 每相绕组的电阻（）。 L 每相绕组的自感（H）。 M 每两相绕组间的互感（H）。 由于三相绕组为星形连接，ia + ib + ic = 0 ,因此 Mia + Mib + Mic = 0 ,所以有下式成立： （31）由此可得无刷直流电动机的等效电路如图3-1所示。图中，Us为直流侧电压，VT1VT6为功率开关器件，VD1VD6为续流二极管，LM = LM ，图中标出的相电流和相反电动势的方向为其正方向。图3-1 无刷直流电动机的等效电路 式（3-1）所代表的是一个等价的实现相间磁路关系解耦的相电压模型。但由于电机的中性点是悬空的，各相之间仍不可避免的存在电路上的耦合关系。由于中性点电位不可直接测取，因而相电压实际上是个未知量，已知量为直流侧电压（线电压），所以该模型还不能直接求解相电流的变化规律。32 无刷直流电动机的控制系统结构321无刷直流电动机控制系统原理无刷直流电动机工作在由位置检测器控制逆变器开关通断的”自控式”变频方式下,逆变器的变频是自动完成的,并不需要控制系统加以干预及控制.要控制电机的转速就应控制电机的转矩,只要调节直流侧电压即可调节转速.通常采用PWM调节方式,通过改变PWM控制脉冲的占空比开调节输入无刷直流电动机的平均直流电压,以达到调速的目的.+无刷直流电动机系统通常采用转速,电流双闭环控制,系统原理图如图3-2所示.其中,ASR和ACR分别为转速和电流调节器,通常采用PID算法实现.速度为外环,电流为内环,由于Te=KtIa,电流环调节的实际上是电磁转矩.速度给定信号n*与速度发馈信号n送给速度调节器(ASR),速度调节器的输出作为电流信号的参考值i*,与电流信号的反馈值一起送至电流调节器(ACR),电流调节器的输出作为电压参考值,与给定载波比较后,形成PWM调制波,控制逆变器的实际输出电压.逻辑控制单元的任务是根据位置检测器的输出信号及正反转指令决定导通相.被确定要导通的相不总是在导通,它还要受PWM输出信号的控制,逻辑”与”单元的任务就是把换相信号和PWM信号结合起来,再送到逆变器的驱动电路. 的任务就是把换相信号和PWM信号结合起来,再送到逆变器的驱动电路。 . 图3-2 无刷直流电动机系统原理图322 PWM调制方式对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机,在一个周期内,每个功率开关器件导通120度电角度,每隔60度有两个开关器件切换.因此,PWM调制方式可以有以下五种:(1) on_pwm型:在120度导通区间内,各开关管前60度恒通,后60度采用PWM调制,如图3-3所示 . 图3-3 半桥PWM调制（on_pwm型）(2) Pwm_on型:在在120度导通区间内,各开关管前60度采用PWM调制,后60度恒通, 如图3-4所示。图3-4 半桥PWM调制（pwm_on型）(3) H_pwm-L_on型:在各自的120 度导通区间内,上桥臂功率开关通过PWM调制,下桥臂开关管恒通.(4) H_on-L_pwm型: 在各自的120 度导通区间内,上桥臂功率开关恒通,下桥臂功率开关管通过PWM调制, 如图3-5所示 . 图3-5 半桥PWM调制（H_on L_pwm型）(5) H_pwm-L_pwm型：上下臂各管皆为PWM调制方式，如图3-6所示。图 3-6 全桥PWM调制（H_pwm L_pwm）方式(1),(2),(3),(4)又称为半桥臂调制方式,即在任意一个60度区间,只有上桥臂或桥臂开关进行斩波调制.其中,方式(1)和(2)为双管调制方式,即在调制过程中上桥臂或下桥臂的功率开关都参与斩波调制.方式(3)和(4)又称为单管调制方式,即在调制过程中只有上桥臂或下桥臂的功率开关参与斩波调制.方式(5)又称为全桥调制方式,即在任意一个60度区间内,上下桥臂的功率开关同时进行斩波调制.在全桥调制方式中,功率开关的动态功耗是半桥调制方式中的两倍.与半桥调制方式相比,全桥调制方式降低了系统效率,给散热带来困难.因此,考虑到功率开关的动态功耗,在PWM调制方式上应选折半桥调制方式.同时,在半桥调制方式中,双管调式方式不增加功率开关的动态损耗,并解决了由单管调制所造成的功率开关散热不均,提高了系统的可靠性.因此,在PWM调制方式中应采用半桥调制中的双管调制方式.323 正反转运行控制对于普通的有刷直流电动机,只要改变励磁磁场的极性或电枢电流的方向,就可以改变转向.而对于无刷直流电动机,由于永磁历次磁场很难改变极性,且功率开关管的导电是单方向的,不能简单地改变磁场极性或电枢电流方向,一般通过改变逆变器功率开关的逻辑关系使电枢各相绕组导通发生变化来实现正反转. 下面我们以图3-7的霍尔开关式位置传感器为例分析两相导通星形三相六状态无刷直流电动机的正反转控制。3231 顺时针旋转设电机处于3-8（a）所示的A、B两相导通的初始位置，定转子磁场相互作用使电机顺时针旋转。此时霍尔开关Ha、Hb在传感器磁场的作用下输出高电平，而Hc不受磁场作用，输出低电平。故A、B两相导通状态对应的位置信号的逻辑为：Ha=Hb=1,Hc=0。当电机转过60度电角度，到达图3-8(b)所示的A、C两相导通状态的位置，定转子磁场相互作用仍使电机顺时针旋转，而位置信号的逻辑为：Ha=0,Hb=1,Hc=0.依次类推，可以得到一个通电周期内其他通电状态下位置信号的逻辑，如图3-8（c）（f）所示。表1-3列出了电机顺时针旋转时，各相绕组通电顺序和位置信号控制逻辑。表1-3 顺时针旋转时绕组通电顺序和位置信号控制逻辑工作状态123456Ha110001Hb000111Hc011100导通相ABACBCBACACB导通管子VT1、VT6VT1、VT2VT3、VT2VT3、VT4VT5、VT4VT5、VT63232 逆时针旋转当电机逆时针旋转时，各相绕组的通电顺序与位置信号的逻辑如表1-4所示。表1-4逆时针旋转时绕组的通电顺序和位置控制逻辑工作状态123456Ha110001Hb000111Hc011100导通相BCACABCBCABA导通管子VT3、VT2VT1、VT2VT1、VT6VT5、VT6VT5、VT4VT3、VT4综合表1-3和表1-4，可以得到六个功率开关管在顺时针和逆时针旋转时的控制逻辑。如表1-5所示。可见，在电机正转时各开关的控制逻辑与反转时的控制逻辑正好相反。表1-5开关管的控制逻辑管子VT1VT2VT3VT4VT5VT6顺时针HbHcHaHbHaHcHbHcHaHbHaHc逆时针HbHcHaHbHaHcHbHcHaHbHaHc图3-8中给出的位置是每个状态的开始位置。在3-8（a）中，A相刚刚导通；经过60度电角度，到达图3-8（b）位置，A相相轴与主磁场轴线垂直，A相电动势最大；再经过60度电角度，到达图3-8（c）位置，A相关断。可见，A相绕组在其反电动势达到最大之前60度电角度时导通，在其反电动势达到最大之后60度电角度时关断。分析其他状态可以发现，各相绕组的导通区间总是在其反电动势最大之前60度电角度至之后60度电角度范围内。因此，图3-7所示的位置传感器决定的换相点满足两相导通星形三相六状态方式的要求。图3-7 霍尔传感器与电枢绕组、磁极的相对位置图3-8 顺时针旋转时通电状态与位置信号的关系324 控制状态的实现无刷直流电动机控制系统设计的一般步聚如下：（1） 了解电机的特性，明确设计指标和设计任务。（2） 采用逐步细化的方法，设计逆变器、位置检测器和控制器的硬件电路及其各部分电路之间的接口。（3） 色痕迹控制软件。（4） 综合调试。在调试过程中，逐步排除设计中的软硬件错误，完善设计方案，直至达到设计指标的要求。下面我们简要说明无刷直流电动机各组成部分的设计方法。1， 逆变器（1） 主电路形式与功率开关管的选择。功率逆变器主电路与绕组的联接方式、电机的功率等有关。逆变器功率开关管是主电路的核心部分。目前，无刷直流电动机中功率开关管主要为功率MOSFET和IGBT。为了提高逆变器的可靠性、缩小体积，还可以选择近年来迅速发展的功率集成电路（PIC）。（2） 驱动电路驱动电路将控制器的输出信号进行功率放大后，向各功率开关管送去使其能饱和导通和可靠关断的驱动信号。驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些参数和特性，从而影响着整个电机控制系统的正常工作。传统的驱动电路大部分是采用分立元件搭建而成，电路复杂、调试困难、可靠性差。现在已经把驱动电路制成一定输出功率的专用集成电路，并已逐步在无刷直流电动机中得到推广应用。2位置检测器位置检测器分有位置传感器和无位置传感器两种。在有位置传感器的位置检测中，位置检测器电路不仅要保证检测元件输出正确的脉冲信号，而且要保证脉冲信号的质量。一般霍尔集成电路是集电极开路输出，需要在检测环节加上拉电阻；同时还需要根据检测波采取一定的硬件滤波和软件防抖动措施。3，控制器无刷直流电动机的控制器有以下几种形式：（1） 分立元件加少量集成电路构成模拟控制系统。模拟控制器在以往的无刷直流电动机中大量应用，但由于模拟电路中不可避免的存在参数漂移和参数不一致等问题，加上线路复杂 、调试不便等因素，因此只用于一些经济实用型无刷直流电动机中。（2） 基于专用集成电路的控制系统。虽克服了分立元件带来的弊端，但其应用范围局限性大，功能难以扩展。（3） 以微型计算机技术为核心的数模混合控制系统和全数字化控制系统。33 无刷直流电机的控制方式331 三相无刷直流电动机的主电路无刷直流电动机的主电路主要有星形连接的三相半桥式、星形连接的三相桥式和角形连接的三相桥式三种形式。（1）星形连接的三相半桥主电路常见的三相半桥主电路如图3-9所示： 图 3-9 三相半桥主电路图中，A、B、C三相绕组分别与三只功率开关管VT1、VT2、VT3串联，来自位置检测器的信号H1、H2、H3控制三只开关管的通断。（2）星形连接的三相桥式主电路图3-10所示是一种星形连接三相桥式主电路。图3-10 星形连接三相桥式主电路图中，上桥臂三个开关管VT1、VT3、VT5是P沟道功率MOSFET，栅极电位低电平时导通；下桥臂三个开关管VT2、VT4、VT6是N沟道功率MOSFET，栅极电位高电平时导通。这种逆变器电路利用P沟道MOSFET和N沟道MOSFET导通规律的互补性，简化了功率开关管的驱动电路。位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。（3）角形连接三相桥式主电路图3-11所示的角形连接三相桥式主电路的开关管也采用MOSFET。与星形连接一样，角形连接的控制方式也有二二导通和三三导通两种。图3-11 三角形连接的三相桥式主电路332 无刷直流电动机转子位置信号的检测在无刷直流电动机中,常用的位置传感器主要有以下几种类型:1,电磁式位置传感器：它是利用电磁效应来测量转子位置的.有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关电路等多种类型.在无刷直流电动机中,使用较多的是开口变压器.下面介绍开口变压器类型.它由定子和转子组成,定子由磁心、激磁绕组和输出绕组组成,转子由非磁性圆盘和扇形导磁片组成,转子与电机本体同轴连接.定子磁心和转子导磁片由高频磁材料制成.扇型导磁片的个数与电机转子磁极的极对数相等.定子磁心共有6个极,在空间均匀分布.其中三个极上的绕组串联以来.通以高频激磁磁电流;另外三个极上的绕组相互独立,在空间彼此相差120度,作为传感器的输出.当转子处于图3-12所示的位置时,高频磁通通过转子上的导磁材料耦合到绕组WA上,在绕组上产生感应电压UA.而其他两个绕组WB,WC因为不能形成磁耦合回路,感应电压基本为0.随着电机旋转,位置传感器上分别依次感应出UA,UB,UC三个电压信号。输出信号经整流,滤波后,即可用于控制逆变器开关管。电磁式位置传感器具有输出信号大,工作可靠,寿命长,适应性强,对环境要求不高等优点。图3-12 电磁式位置传感器 2，磁敏式位置传感器：常见的磁敏式位置传感器是由霍尔传感器或霍尔集成电路构成的。霍尔元件式位置传感器由于结构简单,性能可靠,成本低,是目前在无刷直流电动机上应用最多的一种位置传感器。霍尔元件产生的电动势很低,在应用时往往需要外接放大器,很不方便。随着半导体技术的发展 ,将霍尔元件与附加电路封装为三端模块,构成霍尔集成电路。霍尔集成电路有开关型和线形型两种类型。通常采用前者作为位置传感元件。其外形是一只普通晶体管。使用霍尔集成电路构成位置传感器有两种方式。第一种是将霍尔集成电路粘贴于电机端盖内表面,在靠近霍尔集成电路并与之一定间隙处,安装着与电机轴同轴的永磁体。第二种是直接将霍尔集成电路敷贴在定子电枢铁心表面或绕组端部紧靠铁心处,利用电机转子上的永磁体住磁极作为传感器的永磁体,根据霍尔集成电路的输出信号即可判定转子位置。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机,三个霍尔集成电路在空间彼此相隔120度电角度,传感器永磁体的极弧宽度为180度电角度,这样,当电机转子旋转时,三个霍尔集成电路便交替输出三个宽为180度电角度,相位互差120度电角度的矩形波信号。两相导通星形三相六状态无刷直流电动机的霍尔位置传感器HA,HB,HC分别位于三相绕组各自的中心线上,传感器磁体可以是主磁极磁体数的一半,其极性均为S极或N极,并与同极性的主磁极在空间处于对等位置。图3-13给出了三个位置传感器的输出信号与三相电枢绕组反电动势之间的相位关系。可见,在一个电周期内,三路位置信号共有六种不同组合,分别对应电机的六种工作状态。 图3-13 位置信号和反电动势相位的关系3,光电式位置传感器它是由装在电机转子上的遮光盘和固定不动的光电开关组成的,其原理如图3-14(a)所示。遮光盘上开有180度电角度的扇形开口,扇型开口的数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对数,4极电机所用遮光盘如图3-14(b)所示;光点开关通常采用发光二极管和光敏三极管封装在一起的光断续器。 （a）光电传感器电路原理图 （b）4极电机所用的遮光板图3-14 光电传感器对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机,三个光点开关在空间依次相差120度电角度,光电开关与电枢绕组的相对位置以及遮光盘与转子磁极的相对位置类似于霍尔位置传感器。当遮光盘上的扇形开口对着某个光敏接受元件时,该光敏元件因接受到对面的发光二极管发出的光而产生电流输出;而其他光敏接受元件由于被遮住光而接受不到光信号,所以没有输出。这样,随着转子的转动,遮光板使光敏元件轮流输出“亮电流”和“暗电流”信号,以此来判断转子磁极的位置。常用的无位置传感器位置检测方法1,反电动势检测法对于最常见的两相导通星形三相六状态工作方式,除了换相的瞬间之外,在任意时刻,电机总有一相绕组处于断电状态。当断电相绕组的反电动势过零点之后,再经过30度电角度,就是该相的换相点。因此,只要检测到各相绕组反电动势的过零点,就可确定电机的转子位置和下次换流的时间。由于反电动势很难直接测取,通常通过检测断电压间接获得反电动势过零点。故这种方法又称为端电压检测法。反电动势法的缺陷是当电机在静止或低速运行时,反电动势为0或太小,因而无法利用。一般采用专门的起动电路,使电机以他控变频方式起动,当电机具有一定的初速度和电动势后,再切换到自控变频状态。这个过程称为三段式起动,包括转子定位,加速和运行状态切换三个状态。2,续流二极管工作状态检测法通过对逆变器开关管加以特殊时序的斩波控制信号,使电机绕组的续流电流沿着特定的回路流通。当断开相绕组的反电动势过零时,与断开相开关管并联的续流二极管中将流过续流电流,通过对该续流二极管导通与否的检测就可以确定出绕组反电动势的过零点,从而得到电机的转子位置信号。3,三次谐波检测法对于无刷直流电动机,绕组反电动势为梯形波。经过Fourier级数分解,可以发现除了基波分量以外,还含有较大的三次谐波分量。三次谐波分量的一个周期对应基波分量的120度电角度,其相邻两次过零点间隔60度电角度,正好与电机相邻两次换相的时间间隔相同,只是相位相差90 度电角度,因此,将反电动势的三次谐波分量移相90度电角度以后,得到的信号就可以作为转子位置信号,其每一个过零点均对应着一个电流的换相点。反电动势三次谐波的检测有两种方法:一是星形连接的绕组三端并联一组星形连接的电阻,两个中性点之间的电压即为三次谐波。当电机的中性点没有引出线或不便引出时,可采用另一种方法-通过星形连接电阻的中性点与直流侧中点之间电压来获取三次谐波分量,不过它需要滤波器来消除高频分量。由于采用了滤波器,会产生一定的移相。4,瞬时电压方程法利用电机各相瞬时电压和电流方程,实时计算电机由静止到正常运转任一时刻转子的位置,控制电机的运行。该方法不需专门的起动线路,电路简单,起动转矩大。但对电机本体的数学模型依赖性大,当电机参数因温度变化发生漂移时,容易造成建模误差,使控制精确性受到影响;另外,由于在线计算复杂,计算量很大。在考虑到转子位置检测的实时性,必须采用具有快速运算能力的DSP和高速A/D转换器。这种方法还适用于正旋波无刷直流电动机。 第四章 无刷直流电机控制系统的硬件设计4.1 XC866 英飞凌8位单片机功能了解功能介绍XC866 是高性能 8 位微控制器XC800 的系列产品，基于和标准8051 处理器兼容的XC800 核。XC866 高度集成片内器件，例如片内振荡器或嵌入式电压调节器（从而可由3.3V 或5.0V 的单电源供电） ，因此具备了许多增强功能以满足新型应用。此外，嵌入式闪存（Flash）器件为系统开发和批量生产提供了很大的灵活性；兼容ROM器件为大批量生产提供了节省成本的空间。(一)特性总结XC866 的主要特性归纳如下： 高性能XC800 内核 和标准8051 处理器兼容 2 个时钟的机器周期结构（快速无等待内存访问） 双数据指针 片内存储器 8 K 字节Boot ROM 256 字节RAM 512 字节XRAM 8/16K 字节Flash；或8/16K 字节ROM，外加4K 字节Flash 输入/输出口（I/O 口）需3.3V 或5.0V 供电；内核需2.5V 供电（由嵌入式电压调节器产生） 上电复位 内核压降检测 片内振荡器（OSC）和锁相环（PLL）产生时钟 PLL 失锁检测 省电模式 减速模式 空闲模式 通过RXD 或EXINT0 将系统从掉电模式中唤醒 每种外设均由时钟门控制 可编程16 位看门狗定时器（WDT） 四个端口 19 个数字I/O 引脚 8 个数字/模拟输入引脚 8 通道，10 位模数转换单元（ADC） 三个16 位定时器 定时器0 和定时器1（T0 和T1） 定时器2 产生脉宽调制信号（PWM）的捕获/比较单元（CCU6） 全双工串行接口（UART） 同步串行接口（SSC） 片上调试支持 1K 字节监控器ROM（8K 字节Boot ROM的一部分） 64 字节监控器RAM PG-TSSOP-38 引脚封装 温度范围TA： SAF （-40 至85_ C） SAK （-40 至125_ C）XC866 的方框图如图1-2 所示。基于PG-TSSOP-38 封装的XC866 引脚配置如所图1-3 示。（二）引脚定义及功能复位后所有引脚被配置为具有下列特性之一的输入引脚： 上拉器件使能（PU） 下拉器件使能（PD） 上拉/下拉器件均被禁止的高阻态（Hi-Z）表 1-2 给出XC866 的引脚功能及缺省状态。符号引脚编号类型复位状态功能P0I/OP0 口是6 位通用I/O 双向口。还可用作JTAG，CCU6，UART 和SSC 片内外设的I/O 口。P0.012I/O高阻P0.114I/O高阻P0.213I/O上拉P0.32I/O高阻P0.43I/O高阻P0.54I/O高阻P1I/OP1 口是5 位通用I/O 双向口。还可用作JTAG，CCU6，UART 和SSC 片内外设的I/O 口。P1.027I/O上拉P1.128I/O上拉P1.529I/O上拉P1.69I/O上拉P1.710I/O上拉P2输入P2 口是8 位通用单向输入口。还可用作JTAG 和CCU6 的数字输入；也可用作ADC 的模拟输入。P2.015输入高阻P2.116输入高阻P2.217输入高阻P2.320输入高阻P2.421输入高阻P2.522输入高阻P2.623输入高阻P2.726输入高阻P3I/OP3 口是8 位通用I/O 双向口。还可用作CCU6 片内外设的I/O口。P3.032I/O高阻P3.133I/O高阻P3.234I/O高阻P3.335I/O高阻P3.436I/O高阻P3.537I/O高阻P3.630I/O下拉P3.731I/O高阻VDDP18I/O 口电源（3.3/5.0V）VSSP19I/O 口接地VDDC8I/O 口接地VSSC7内核电源输出（2.5V）VAREF25ADC 参考电压VAGND24ADC 参考接