毕业论文(设计)无刷直流电动机控制系统设...

精品文档 I欢迎下载I欢迎下载 无刷直流电动机控制系统设计方案无刷直流电动机控制系统设计方案 摘摘 要要 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 现阶段 虽 然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位 但无刷直流电动机 正受到普遍的关注 自20世纪90年代以来 随着人们生活水平的提高和现代化生产 办公自 动化的发展 家用电器 工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化 小型化 及高智能化 作为执行元件的重要组成部分 电机必须具有精度高 速度快 效率高等特点 无刷直流电机的应用也因此而迅速增长 本设计是把无刷直流电动机作为电动自行车控制系统的驱动电机 以 PIC16F72单片机为控制电路 单片机采集比较电平及电机霍尔反馈信号 通过 软件编程控制无刷直流电动机 关键词 无刷直流电动机 单片机 霍尔位置传感器 精品文档 II欢迎下载II欢迎下载 AbstractAbstract Brushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of At this stage although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant but brushless DC motor is under common concern Since the 1990s as people s living standards improve and modernize production the development of office automation household appliances industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency small size and high intelligence as the implementation of components An important component of the motor must have a high accuracy speed high efficiency brushless DC motor and therefore the application is also growing rapidly This design is the brushless DC motor as the electric bicycle motor driven control system PIC16F72 microcontroller for control circuit SCM collection and comparison level electrical signal Hall feedback software programming through brushless DC motor control Key words bldcm the single chip processor hall position sensor 精品文档 III欢迎下载III欢迎下载 摘 要 I Abstract II 第 1 章 概 述 1 1 1 无刷直流电动机的发展概况 1 1 2 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 2 1 3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理 3 1 4 无刷直流电动机的运行特性 6 1 4 1 机械特性 6 1 4 2 调节特性 6 1 4 3 工作特性 7 1 5 无刷直流电动机的应用与研究动向 8 第 2 章 无刷直流电动机控制系统设计方案 10 2 1 无刷直流电动机系统的组成 10 2 2 无刷直流电动机控制系统设计方案 12 2 2 1 设计方案比较 12 2 2 2 无刷直流电动机控制系统组成框图 13 第 3 章 无刷直流电动机硬件设计 15 3 1 逆变主电路设计 15 3 1 1 功率开关主电路图 15 3 1 2 逆变开关元件选择和计算 15 3 2 逆变开关管驱动电路设计 17 3 2 1 IR2110 功能介绍 17 3 2 2 自举电路原理 19 3 3 单片机的选择 20 3 3 1 PIC 单片机特点 20 3 3 2 PIC16F72 单片机管脚排列及功能定义 22 3 3 3 PIC16F72 单片机的功能特性 22 3 3 4 PWM 信号在 PIC 单片机中的处理 23 3 3 5 时钟电路 23 3 3 6 复位电路 24 3 4 人机接口电路 24 3 4 1 转把和刹车 24 3 4 2 显示电路 25 3 5 门阵列可编程器件 GAL16V8 27 3 5 1 GAL16V8 图及引脚功能 27 精品文档 IV欢迎下载IV欢迎下载 3 6 传感器选择 28 3 7 周边保护电路 30 3 7 1 电流采样及过电流保护 30 3 7 2 LM358 双运放大电路 31 3 7 3 欠电压保护 32 3 8 电源电路 32 第 4 章 无刷直流电动机软件设计 33 4 1 直流无刷电机控制器程序的设计概况 33 4 2 系统各部分功能在软件中的实现 33 4 3 软件流程图 34 结束语 36 致谢 37 参考文献 38 附录 1 39 附录 2 51 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载 第第 1 1 章章 概概 述述 1 1 无刷直流电动机的发展概况 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 这一渊源关系 从其名称中就可以看出来 有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来 以其优 良的转矩控制特性 在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位 但是 有机械接触电刷 换向器一直是电流电机的一个致命弱点 它降低了系 统的可靠性 限制了其在很多场合中的使用 为了取代有刷直流电动机的机械 换向装置 人们进行了长期的探索 早在1917年 Bolgior就提出了用整流管 代替有刷直流电动机的机械电刷 从而诞生了无刷直流电机的基本思想 1955年美国的D Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电 动机的机械电刷的专利 标志着现代无刷直流电动机的诞生 无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步 在无刷 直流电动机发展的早期 由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段 可靠 性差 价格昂贵 加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约 使得无刷直流电 动机自发明以后的一个相当长的时间内 性能都不理想 只能停留在实验室阶 段 无法推广使用 1970年以后 随着电力半导体工业的飞速发展 许多新型 的全控型半导体功率器件 如GTR MOSFET IGBT等 相继问世 加之高磁能 积永磁材料 如SmCo NsFeB 陆续出现 这些均为无刷直流电动机广泛应用 奠定了坚实的基础 无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展 在1978年汉诺威贸易博览会 上 前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了 MAC无刷直流电动机及其驱动器 引起了世界各国的关注 随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮 这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段 随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入 无刷直流电动机的理论 也逐渐得到了完善 1986年 H R Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总 结 指出了无刷直流电动机的研究领域 成为无刷直流电动机的经典文献 标 志着无刷直流电动机在理论上走向成熟 我国对无刷直流电动机的研究起步较晚 1987年 在北京举办的联邦德 国金属加工设备展览会上 SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统 和驱动器 引起了国内有关学者的广泛注意 自此国内掀起了研制开发和技术 引进的热潮 经过多年的努力 目前 国内已有无刷直流电动机的系列 产品 形成了一定的生产规模 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载 1 2无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 表 1 1 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 项目无刷直流电动机有刷直流电动机 换向借助转自子位置传感器 实现电子换向 由电刷和换向器进行机 械换向 维护由于没有电刷和换向器 很少需要维护 需要周期性维护 寿命比较长比较短 机械 速度 力矩 特性 平 硬 在负载条件下 能在所有速度上运行 中等平 中等硬 在 较高速度上运行时 电 刷摩擦增加 有用力矩 减小 效率由于没有电刷压降 所 以效率高 中等 输出功率 外形尺寸之比 高 由于电枢绕组设置在与 机壳相连的定子上 容 易散热 这种优异的热 传导特性允许减小电动 机的尺寸 所以输出功 率 外形尺寸之比高 中等 低 电枢产生的热 量消散在气隙内 这样 增加了气隙温度 从而 限制了输出功率 外形尺 寸之比 转自惯量低 因为永磁体设置在 转子上 改善了动态响 应 转自惯量高 限制了动 态特性 速度范围比较高 没有电刷 换向 器给予的机械限制 比较低 存在电刷给予 的机械限制 电气噪声低电刷的电弧将对附近的 设备产生电磁干扰 制造价格比较高低 控制复杂和价格贵简单和价格不贵 控制要求为了使电动机运转必须 要有控制器 但同样的 控制器可用于变速控制 对于一个固定的速度而 言 不需要控制器 有 变速要求的时候才需要 控制器 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载 1 3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理 1 无刷直流电动机转矩分析 电机本体的电枢绕组为三相星型连接 位置传感器与电机转子同轴 控制 电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号 控制动信号经驱动电路隔 离放大后控制逆变器的功率开关管 使电机的各相绕组按一定的顺序工作 图1 1 无刷直流电动机工作原理示意图 如图1 1所示 当转子旋转 顺时针 到图a所示的位置时 转子位置传感 器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器 使T1 T6 导通 即A B两 相绕组通电 电流从电源的正极流出 经T1流入A相绕组 再从B相绕组流出 经T6回到电源的负极 此时定转子磁场相互作用 使电机的转子顺时针转动 当转子在空间转过60电角度 到达图b所示位置时 转子位置传感器输出 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载 的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器 使T1 T2导通 A C两相绕组通电 电流从电源的正极流出 经T1流入A相绕组 再从C相绕组流出 经T2回到电源 负极 此时定转子磁场相互作用 使电机的转子继续顺时针转动 转子在空间每转过60电角度 逆变器开关就发生一次切换 功率开关管的 导通逻辑为T1 T6 T1 T2 T3 T2 T3 T4 T5 T4 T5 T6 T1 T6 在次期间 转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用 沿顺时针方向连续旋转 转子在空间每转过60电角度 定子绕组就进行一次换流 定子合成磁场的 磁状态就发生一次跃变 可见 电机有6种磁状态 每一状态有两相导通 每 相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度 无刷直流电动机的这种工作方 式叫两相导通星型三相六状态 这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式 2 无刷直流电动机与输出开关管换流信号 无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置 传感器进行检测 当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时 传感器的 输出电平将发生改变 由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差 120电角度 因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度 宽度为180度的电平信号 分别用A B C来表示 如图1 2所示 以信号A为例 A相位置宽度为180电导角 在0 60度 T1必须导通 故T1状态为1 而C相还剩 下60度通电宽度 所以此段时间为T1和T6等于1 此时下部可供导通的管子 为T4 T6和T2 而为避免桥臂直通 T4不能导通 T2的导通时间未到 故只 能是T6导通 而在60度 120度 此时只有A相通电 B和C相处于非导电期 故导通的开关管为T1和T2 T1和T2等于1 其中T2是为B相导电作准备 而在 120度 180度时 由于 每一相只有120电导角导电时间 故此时T1关断 T1 0 T2仍然导通 B相开始进入导电期 此时可知 T1关断 T5不能 开通 防止桥臂直通 则此时只能开通T3 所以T3信号此时间段为1 其他 时间段的开关管导通情况与此类似 理论上 只要保证三个位置传感器在空间上互差120度 开关管的换流时 刻总是可以推算出来的 然而 为了简化控制电路 每个霍尔传感器的起始安 装位置在各自相绕组的基准点 r0 00 上 那么在r0 00的控制条件下 A相绕组 开始通电的时刻 即该相反电势相位30度位置 恰好与A相位置传感器输出信 号A的电平跳变时刻重合 此时应将T1开关管驱动导通 同理 其他开关管的 导通时刻也可以按同样方法确定 本设计选用的是三相无刷永磁直流电动机 其额定电压UH 36V 电枢额定 电流IaH 8 5A 电枢峰值电流IaP15A 额定转速nH 350r min 额定功率 PH 250W 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载 图1 2 无刷电动机位置检测及开关管驱动信号 表 1 2 无刷电动机直流通电控制方式开关切换表 位置传感器逆变桥开关管驱动信号旋转 方向 ABCT1T2T3T4T5T6 001000011 010001100 011000110 100110000 101100001 正转 110011000 001011000 010100001 011110000 100000110 101001100 反转 110000011 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载 1 4 无刷直流电动机的运行特性 1 4 1 机械特性 无刷直流电动机的机械特性为 1 1 2 2222 STasT e eeet UUrIUUr nT CCC C UT 开关器件的管压降 Ia 电枢电流 Ce 电机的电动势常数 每级磁通量 可见无刷直流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同 机械特性较硬 在不同的供电电压驱动下 可以得到如1 3图所示机械特性曲 线簇 图1 3 机械特性曲线簇 当转矩较大 转速较低时 流过开关管和电枢绕组的电流很大 这时 管 压降随着电流增大而增加较快 使在电枢绕组上的电压有所减小 因而图所示 的机械特性曲线会偏离直线 向下弯曲 1 4 2 调节特性 无刷直流电动机的调节特性如图1 4所示 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载 图1 4 调节特性 调节特性的始动电压和斜率分别为 1 2 0 2 2 e T T rT UU C 1 3 1 e K C 从机械特性和调节特性可以看出 无刷直流电动机与一般直流电动机一样 具有良好的调速控制性能 可以通过调节电源电压实现无级调速 但不能通过 调节励磁调速 因为永磁体的励磁磁场不可调 1 4 3 工作特性 电枢电流与输出转矩的关系 效率输出转矩的关系如图1 5所示 图1 5 工作特性 在输出额定转矩时 电机效率高 损耗低是无刷直流电动机的重要特点之一 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载 1 5 无刷直流电动机的应用与研究动向 现阶段 虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位 但无刷直流电动机正受到普遍的关注 自20世纪90年代以来 随着人们生活水 平的提高和现代化生产 办公自动化的发展 家用电器 工业机器人等设备都 越来越趋向于高效率化 小型化及高智能化 作为执行元件的重要组成部分 电机必须具有精度高 速度快 效率高等特点 无刷直流电机的应用也因此而 迅速增长 尤其在节能已成为时代主题的今天 无刷直流电机高效率的特点更 显示了其巨大的应用价值 无刷直流电机转子采用永久磁铁 其产生的气隙磁通保持为常值 因而 特别适用于恒转矩运行 对于恒功率运行 无刷直流电机虽然不能直接改变磁 通实现弱磁控制 但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果 由于稀 土永磁材料的矫顽力高 剩磁大 可产生很大的气隙磁通 这样可以大大缩小 转子半径 减小转子的转动惯量 因而在要求有良好的静态特性和高动态响应 的伺服驱动系统中 如数控机床 机器人等应用中 无刷直流电机比交流伺服 电机和直流伺服电机显示了更多的优越性 目前无刷直流电机的应用范围已遍 及国民经济的各个领域 并日趋广泛 特别是在家用电器 电动汽车 航空航 天等领域已得到大量应用 目前 无刷直流电机的研究主要集中在以下方面 1 无机械式转子位置传感器控制 转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部件 不仅增加了系统的成 本和复杂性 而且降低系统的可靠性和抗干扰能力 同时还需要占据一定的空 间位置 在很多应用场合 例如空调器和计算机外设都要求无刷直流电动机以 无转子位置传感器方式运行 无转子位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下 利用电机的电压和电流信息获得转子磁极的位置 目前比较成熟的无转子位置传感器运行方式有 1 反电动势法 包括直接反电动势法 间接反电动势法以及派生出来的反 电动势积分法等 2 定子三次谐波检测法 3 续流二极管电流通路检测法 但现有方法都存在各自的局限性 仍在不断完善之中 1 转矩脉动控制 存在转矩脉动是无刷直流电动机的固有缺点 特别是随着转速升高 换 相导致转矩脉动加剧 并使平均转矩显著下降 减小转矩脉动是提高无刷直 流电动机性能的重要方面 2 智能控制 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载 随着信息技术和控制理论的发展 在运动控制领域中 一个新的发展方向 就是先进控制理论 尤其是智能控制理论的应用 目前 专家系统 模糊逻辑 控制和神经网络控制是三个最主要的理论和方法 其中 模糊控制是把一些具 有模糊性的成熟经验和规则有机地融入到传动控制策略当中 现已成功地应用 到许多方面 随着无刷直流电动机应用范围的扩大 智能控制技术将受到更广 泛的重视 第第 2 2 章章 无刷直流电动机控制系统设计方案无刷直流电动机控制系统设计方案 2 1 无刷直流电动机系统的组成 无刷直流电动机 Brushless DC Motor 简称BLDCM 是一种典型的机电一体 化产品 它是由电动机本体 位置检测器 逆变器和控制器组成的自同步电动 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载 机系统或自控式变频同步电动机 位置检测器检测转子磁极的位置信号 控制器 对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号 开关信号以一定的顺序 触发逆变器中的功率开关器件 将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定 子各相绕组 使电动机产生持续不断的转矩 现对无刷直流电动机各部分的基本结构说明如下 1 电机本体 无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机 不同的是将 直流电动机的定子 转子位置进行了互换 其转子为永磁结构 产生气隙磁通 定子为电枢 有多相对称绕组 原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和 转子位置检测器所代替 所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同 步电机 由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电机 所以无刷直流电动机也 称为永磁无刷直流电动机 定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同 铁心中嵌有多相对称绕 组 绕组可以接成星形或三角形 并分别与逆变器中的各开关管相连 三相无 刷直流电动机最为常见 2 逆变器 目前 无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控 型器件 有些主电路已有集成的功率模块 PIC 和智能功率模块 IPM 选 用这些模块可以提高系统的可靠性 无刷直流电动机定子绕组的相数可以有不同的选择 绕组的连接方式也有 星形和角型之分 而逆变器又有半桥型和全桥型两种 不同的组合使电动机产 生不同的性能和成本 综合以下三个指标有助于我们做出正确的选择 1 绕组利用率 与普通直流电动机不同 无刷直流电动机的绕组是断续通电的 适当地 提高绕组利用率将可以使同时通电的导体数增加 使电阻下降 效率提高 从这个角度来看 三相绕组优于四相和五相绕组 2 转矩脉动 无刷直流电动机的输出转矩脉动比普通直流电动机的转矩脉动大 一般相 数越多 转矩的脉动越小 采用桥式主电路比采用非桥式主电路的转矩脉动小 3 电路成本 相数越多 逆变器电路使用的开关管越多 成本越高 桥式主电路所用的 开关管比半桥式多一倍 成本要高 多相电动机的逆变器结构复杂 成本也高 因此 目前以星形连接三相桥式主电路应用最多 3 位置检测器 位置检测器的作用是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号 为逆变器 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载 提供正确的换相信息 位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方 式 转子位置传感器也由定子和转子两部分组成 其转子与电机本体同轴 以 跟踪电机本体转子磁极的位置 其定子固定在电机本体定子或端盖上 以检测 和输出转子位置信号 转子位置传感器的种类包括磁敏式 电磁式 光电式 接近开关式 正余弦旋转变压器式以及编码器等 在无刷直流电动机系统中安装机械式位置传感器解决了电机转子位置的检 测问题 但是位置传感器的存在增加了系统的成本和体积 降低了系统可靠性 限制了无刷直流电动机的应用范围 对电机的制造工艺也带来了不利的影响 因此 国内外对无刷直流电动机的无位置运行方式给予高度重视 无机械式位置传感器转子位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的物 理量间接地获得转子位置信息 主要有反电动势检测法 续流二极管工作状态 检测法 定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等 4 控制器 控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心 它主要完成以下功能 1 对转子位置检测器输出的信号 PWM调制信号 正反转和停车信号进 行逻辑综合 为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号 实现电机的正 反转及停车控制 2 产生PWM调制信号 使电机的电压随给定速度信号而自动变化 实现 电机开环调速 3 对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节 使系统具有较好的动态 和静态性能 4 实现短路 过流 过电压和欠电压等故障保护电路 2 2 无刷直流电动机控制系统设计方案 2 2 1 设计方案比较 无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简 单无需维护的优点 因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用 在电 机转速控制方面 绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统 目前 数 字调速系统主要采用两种控制方案 一种采用专用集成电路 这种方案可以降 低设备投资 提高装置的可靠性 但不够灵活 另一种是以微处理器为控制核 心构成硬件系统 这种方案可以编程控制 应用范围广 且灵活方便 电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中 精品文档 12欢迎下载12欢迎下载 心 它主要完成以下功能 对各种输入信号进行逻辑综合 为驱动电路提供各 种控制信号 产生PWM脉宽调制信号 实现电机的调速 实现短路 过流 欠压 等故障保护功能 控制器是电动自行车的驱动系统 它是电动自行车的大脑 其主要作用是 在保证电动自行车正常工作的前提下 提高电机和蓄电池的效率 节省能源 保护电机及蓄电池 以及降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度 目前 市场上常用的电动自行车无刷直流电机控制器主要采用专用集成电 路为主控芯片 像MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035 其针对无刷电 机的控制要求 将控制逻辑集成在芯片内 一般该类控制器称为模拟式控制器 其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向 根据电机内的位置 传感器 霍尔传感器 信号 决定换相的顺序和时间 从而决定电机的转向和转 速 该控制系统的缺点是智能性差 保护措施有限 系统升级空间小 本设计采用单片机作为主控芯片 用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻 辑 其特点是使用灵活 通过修改程序可适应不同规格的无刷电机 增加系统 功能方便 通常将此类控制器称为数字式控制器 近几年 国外一些大公司纷纷推出较MCU性能更加优越的DSP 数字信号处 理器 芯片电机控制器 如ADI公司的ADMC3xx系列 TI公司的TMS320C24 系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列 都是由一个以DSP为基础的内核 配以 电机控制所需的外围功能电路 集成在单一芯片内 使体积缩小 结构紧凑 使用便捷 可靠性提高 但是这些专用芯片价格昂贵 外围电路设计复杂 在 广大的民用市场无法大规模推广应用 无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种 在有位置传感器的控制方法中 现今 由于霍尔传感器性价比高 安装 方便 被广泛应用作为无刷直流电机的位置传感器 当前 国内外对无刷直流 电机无位置传感器的控制方法主要有反电势法 定子三次谐波法 续流二极管 检测法 脉冲检测法神经网络控制法等 但是由于无位置传感器控制方法在低 速时无法实现精确的速度调制 所以现阶段在电动车领域只是处于研究阶段 无法推广到工业生产当中 2 2 2 无刷直流电动机控制系统组成框图 基于2 2 1节的考虑 可绘出无刷直流电动机控制系统框图 如图2 1所示 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载 图2 1 电动机驱动控制框图 1 微控制器 主要功能是根据电动机旋转方向的要求和来自霍尔转子位置传感器的三个 输出信号 将它们处理成功率驱动单元的六个功率开关器件所要求的驱动顺序 微控制器的另一个重要作用是根据电压 电流和转速等反馈模拟信号 以及随 机发出的制动信号 经过AD变换和必要的运算后 借助内置的时钟信号产生一 个带有上述各种信息的脉宽调制信号 2 功率驱动单元 主要包括功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和自举电路 自举电路由 分立器件构成的 也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路 3 位置传感器 位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用 为逻辑开 关电路提供正确的换相信息 4 周边辅助 保护电路 主要有电流采样电路 电压比较电路 过电流保护电路 调速信号和制动 信号等输入电路 精品文档 14欢迎下载14欢迎下载 第 3 章无刷直流电动机硬件设计 3 1 逆变主电路设计 3 1 1 功率开关主电路 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载 图3 1 功率开关主电路原理图 逆变器将直流电转换成交流电向电机供电 与一般逆变器不同 它的输出 频率不是独立调节的 而是受控于转子位置信号 是一个 自控式逆变器 由于采用自控式逆变器 无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持 同步 电机和逆变器不会产生振荡和失步 这也是无刷直流电动机的重要优点 之一 3 1 2 逆变开关元件选择和计算 MOSFET在1960年由贝尔实验室 Bell Lab 的D Kahng和 Martin Atalla首次实验成功 这种元件的操作原理和1947年萧克莱 William Shockley 等人发明的双载子晶体管 Bipolar Junction Transistor BJT 截然不同 且因为制造成本低廉与使用面积较小 高整合度的优势 在大型积 体电路 Large Scale Integrated Circuits LSI 或是超大型积体电路 Very Large Scale Integrated Circuits VLSI 的领域里 重要性远超过 BJT 近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升 除了传统上应用于诸如微处理器 微控制器等数位讯号处理的场合上 也有越来越多类比讯号处理的积体电路可 以用MOSFET来实现 表 3 1 对 IGBT GTR GTO 和电力 MOSFET 的优缺点的比较 器 件优 点缺 点 IGBT 开关速度高 开关损耗 小 具有耐脉冲电流冲 击的能力 通态压降较 低 输入阻抗高 为电 压驱动 驱动功率小 开关速度低于电力 MOSFET 电压 电流容量 不及 GTO GTR 耐压高 电流大 开关 特性好 通流能力强 饱和压降低 开关速度低 为电流驱 动 所需驱动功率大 驱动电路复杂 存在二 次击穿问题 精品文档 16欢迎下载16欢迎下载 GTO 电压 电流容量大 适 用于大功率场合 具有 电导调制效应 其通流 能力很强 电流关断增益很小 关 断时门极负脉冲电流大 开关速度低 驱动功率 大 驱动电路复杂 开 关频率低 电 力 MOSFET 开关速度快 输入阻抗 高 热稳定性好 所需 驱动功率小且驱动电路 简单 工作频率高 不 存在二次击穿问题 电流容量小 耐压低 一般只适用于功率不超 过 10kW 的电力电子装置 通过上述的比较 我选择MOSFET 电枢额定电流IaH 8 5A 因为每个控制元件导通120o 所以控制元件的峰值 电流可以由以下方程算出 通过计算可得I 25 5A 2 3 0 1 8 5 2 Idt 额定电压UH 36V 峰值电压应有一个百分之40的余量所以 UM UH 1 4 36 1 4 50 4V 通过以上计算 可得出选择的MOSFET峰值电流为25A 峰值电压为50V 3 2 逆变开关管驱动电路设计 3 2 1 IR2110 功能介绍 1 IR2110 的特点有 输出驱动隔离电压可达 500V 芯片自身的门输入 驱动范围为 10 20V 输入端带施密特触发电器 可实现两路分立的驱动输出 可驱动高压高频器件 如 IGBT 功率 MOSFET 等 且工作频率高可达 500KHz 开通 关断延迟小 分别为 120ns 和 94ns 逻辑电源的输入范围 脚 9 5 15V 可方便的与 TTL CMOS 电平相匹配 2 IR2110 主要功能及技术参数 IR2110 采用CMOS 工艺制作 逻辑电源电压范围为5 V 20 V 适应TTL 或 CMOS 逻辑信号输入 具有独立的高端和低端2 个输出通道 由于逻辑信号均通 过电平耦合电路连接到各自的通道上 容许逻辑电路参考地 USS 与功率电路 参考地 COM 之间有 5 V和 5 V 的偏移量 并且能屏蔽小于50 ns 的脉冲 这样有较理想的抗噪声效果 采用CMOS 施密特触发输入 以提高电路抗干扰能 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载 力 IR2110 浮置电源采用自举电路 其高端工作电压可达500 V 工作频率可 达到500 kHz 两路通道均带有滞后欠压锁定功能 其推荐典型工作参数如表 3 2所示 表3 2 IR2110 工作参数 参数最小值 V最大值 V VBVS 10VS 20 VS 4500 HOVSVB VCC1020 LO0VCC VDDVCC 4 5VCC 20 VSS 5 5 HIN SD LINVSSVDD 3 IR2110内部功能如图3 2所示 精品文档 18欢迎下载18欢迎下载 图3 2 IR2110内部框图 LO 引脚1 低端输出 COM 引脚2 公共端 Vcc 引脚3 低端固定电源电压 Nc 引脚4 空端 Vs 引脚5 高端浮置电源偏移电压 VB 引脚6 高端浮置电源电压 HO 引脚7 高端输出 Nc 引脚8 空端 VDD 引脚9 逻辑电源电压 HIN 引脚10 逻辑高端输入 SD 引脚11 关断 LIN 引脚12 逻辑低端输入 Vss 引脚13 逻辑电路地电位端 其值可以为0V Nc 引脚14 空端 功能概述 IR2110驱动器将逻辑输入信号送到相应的低阻抗输出 高端输出HO和低端 基准输出LO分别以浮置电位VBS和固定电位Vcc为基准 逻辑电路为两路输出提 供相应的控制脉冲 HO和LO输出分别与HIN和LIN输入同相位 当SD输入高电平 时两路均关闭 当VDD低于欠电压阀值时 欠电压UV检测电路关闭两路输出 同样 当VBS 低于规定的欠电压点时 欠电压检测电路也会使高端输出中断 逻辑输入采用 带有0 1VDD滞后的施密特触发电路 以提高抗扰能力 高抗噪声平移位电路将 逻辑信号送到输出驱动级 低端延时电路可简化控制脉冲定时要求 两路输出的传播延时匹配的 当 Vs为500V或接近500V时 高端功率MOSFET关断 输出驱动MOSFET接成源极跟随 器 另一只输出驱动MOSFET接成共源极电路 高端的脉冲发生器驱动HV电平转 化器并触发RS闩锁置位或复位 由于每个高电压DMOS电平转换器仅在 很狭窄的脉冲持续期内才导通 所以功率很低 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载 3 2 2 自举电路原理 图 3 3 驱动电路 以一相为例 如图3 3所示 当下管导通上管截止时 IR2110LO输出为高 HO为低 隔离二极管导通 自举电容C8充电 三极管C极电压近似等于电源正 极电压 当下管截止上管导通时 隔离二极管D2截止 自居电容C8储存的电荷 给三极管C极供电 IR211HO为高 三极管导通 驱动MOSFET管栅极 使上管保 持导通 3 3 单片机的选择 目前 市场上有很多无刷电机专用控制芯片 大部分电动车生产厂商采 用Motorola公司的MC3303无刷电机专用控制芯片 它具有无刷直流电机控制系 统所需要的基本功能 本设计采用PIC16F72单片机作为主控芯片 不仅可以实 现专用控制芯片MC33035的全部功能 而且容易实现系统扩展 通过软硬件设 计 实现多功能的电机控制 单片机选择依据 1 性能因素 通过对该系统分析 8位单片机可以满足系统控制精度的要 精品文档 20欢迎下载20欢迎下载 求 由于整个系统有多种模拟参数需要转换成数字量 因此选用的单片机应该 有多通道A D转换模块 在无刷电机控制中 脉宽调制PWM PulseWidth Modulation 技术广泛应用 因此所选单片机应具有脉宽调制输出端口 2 安全因素 电子产品的安全性是一个非常重要的环节 作为控制系统 的核心 单片机的安全性必须达到系统要求 3 价格因素 考虑到该设计要与市场接轨 因此价格问题尤为重要 要 选择一个性价比较高的单片机 包括单片机的单片价格和开发系统的造价 3 3 1 PIC 单片机特点 PIC Periphery Interface Chip 系列单片机是美国Microchip公司生产 的产品 PIC单片机以其独特的硬件系统和指令系统的设计 逐渐被广大工程 设计人员接受Microchip公司是一家集开发 研制和生产为一体的专业单片机 芯片制造商 其产品综合应用系统设计的思路 具有很强的技术特色 产品采 用全新的流水线结构 单字节指令体系 嵌入Flash以及10位A D转换器 使之 具有卓越的性能 代表着单片机发展新的潮流 PIC系列单片机具有高 中 低3个档次 可以满足不同用户开发的需求 适合在各个领域中的应用 PIC系 列单片机具有如下特点 1 单片机种类丰富 PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积 而是从实际出发 重视产品的性 能与价格比 靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求 就实际而言 不同 的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的 2 哈佛总线结构 如图3 4所示 PIC系列单片机在普林斯顿体系结构和哈佛体系结构的基础 上采用独特的哈佛总线结构 彻底将芯片内部的数据总线和指令总线分离 为 采用不同的字节宽度 有效扩展指令的字长奠定了技术基础 图3 4 PIC系列单片机哈佛总线结构 3 RISC技术 RISC Reduced Instruction Set Computer 是指精简指令集计算机 RISC技术并非只是简单地去减少指令 而是着眼于如何改善计算机的结构 更 精品文档 21欢迎下载21欢迎下载 加简单合理地提高计算机的运算速度 PICF877单片机指令集系统只有35条指 令 全部采用单字节指令 而且除4条判断转移指令发生间跳外 均为单周期 指令 执行速度较高 4 指令特色 PIC系列单片机的指令系统具有寻址方式简单和代码压缩率高等优点 5 功耗低 由于PIC系列单片机采用CMOS结构 使其功率消耗极低 6 驱动能力强 PIC系列单片机I O端口驱动负载的能力较强 每个输出引脚可以驱动多达 20 25mA的负载 既能够高电平直接驱动发光二极管LED 光电耦合器 小型继 电器等 也可以低电平直接驱动 这样可以大大简化控制电路 7 同步串行数据传送方式 可以满足主控 从动和主控总线要求 8 应用平台界面友好 开发方便 Microchip公司为用户提供了周全的技术方案 不管是对初学者还是后续 的应用开发 都提供了完善的硬件和软件支持 包括各种档次的硬件仿真器和 编程器 9 程序存储器版本齐全 Microchip公司提供的产品是一个单片机系列 可供选择的存储器类别和 产品封装工艺的形式较多 为产品的不同试验阶段和不同应用场合可提供一个 全方位的选择内容和不同的性能档次 3 3 2 PIC16F72单片机管脚排列及功能定义 精品文档 22欢迎下载22欢迎下载 图3 5 PIC16F72单片机管脚图 1 MCLR 清除 复位 输入 其中MCLR为低电平时 对芯片复位 该管脚的电压不能超过VDD 否则会 进入测试方式 2 RA0 RA5 双向可编程 亦可作为并行口 电池欠压信号 电池电压经分压后接单片机管脚3 转把复位信号 由单片机的第4脚读入 刹车信号 刹车信号由单片机的第5脚读入 3 OSC1 OSC2 为振荡器晶振 4 RC0 RC7 数字I O 5 RB0 RB7 数字I O 6 VDD 5V电压输入 3 3 3 PIC16F72 单片机的功能特性 1 功能部件特性 带8位AID转换输入 高驱动电流 I O脚可直接驱动数码管 LED 显示每个I O引脚最大灌电流 25mA 每个I O引脚最大拉电流25mA 双向可独立编程设置I O引脚 8位定时器 计数器TMRO 带8位预分频 有1路捕捉输入 比较输出 PWM输出 CCP 16位定时器 计数器TMR 1 睡眠中仍可计数 8位定时器 计数器 TMR2 带有8位的周期寄存器及预分频器和后分频器 2 微控制器特性 精品文档 23欢迎下载23欢迎下载 内置上电复位电路 POR 上电定时器 保障工作电压的稳定建立 振荡定时器 保障振荡的稳定建立 断电复位锁定 即当芯片电源电压下降到某一值以后时 使芯片保持复位 当电源电压恢复正常后恢复运行 内置自振式 RC振荡 看门狗 程序保密位 可防程序代码的非法拷贝 掉电保护电路 在线串行编程 3 3 4 PWM 信号在 PIC 单片机中的处理 改变直流电动机转速的方法分为励磁控制法 控制磁通 与电枢电压控制 法 改变电枢端电压 在众多的电枢电压控制方法中 脉宽调制 PWM PulseWidth Modulation 技术因为需用的大功率可控器件少 线路简单 调速 范围宽 电流波形系数好 附加损耗小 功率因数高的优点 从而得到广泛应 用 CCP 捕捉输入 比较输出 PWM输出 模块是PIC16F72芯片的重要组成部分 它有3种工作方式 捕捉方式 输出比较方式和脉宽调制方式 当处于脉宽调制 工作方式时 可以在引脚输出分辨率高达10位的PWM信号 用程序语句控制PWM 信号的周期和高电平持续时间 从而控制电机电枢电压 即可达到调速目的 3 3 5 时钟电路 如图3 5所示 单片机的9 10脚外接16Mhz晶体 图3 5 时钟电路图 精品文档 24欢迎下载24欢迎下载 3 3 6 复位电路 如图3 6所示 与单片机1脚外接 C19 R23 5V 图3 6 复位电路图 3 4 人机接口电路 3 4 1 转把和刹车 1 转把 图3 7 转把图 调速转把是利用线性霍尔元件实现的 其输出电压随着磁场的线性变化而 改变 将此电压输入给控制器 实现调速功能 如图3 7所示 转动转把 改变了霍耳元件周围的磁场强度 也就改变了 霍耳转把的输出电压 然后把这个电压输入控制器 控制器再根据这个信号的 大小进行PWM脉宽调制 从而控制功率管的导通关闭的比例以控制电机转速的 大小 精品文档 25欢迎下载25欢迎下载 2 刹车 图3 8 刹车图 电动自行车标准要求电动车在刹车制动时 控制器应能自动切断对电动机 的供电 因此电动自行车闸把上应该有闸把位置传感元件 在捏制动把时 将 制动信号传给控制器 电路根据预设程序发出指令 立即切断基极驱动电流 使功率截止 停止供电 因而 既保护了功率管本身 又保护了电动机 也防 止了电源的浪费 在电动车实际使用当中 普遍采用机械触点开关 平时常开 刹车时信号 线对地短路作为刹车信号 即低电位刹车 同时也有少数高档车采用霍尔 元件做开关 刹车时输出高电平给控制器 实现刹车断电功能 即高电位刹车 也称之为电子刹把 它的特点是可靠性高 但价格昂贵 3 4 2 显示电路 本系统采用 3 个发光二极管作为面板指示灯 如图所示 面板显示电路主 要由单片机的普通 1 O 口串行输出 由串入并出芯片 74LS164 进行串并转换 采用发光二极管进行显示 面板显示电路如图 3 9 所示 图 3 9 面板显示电路图 精品文档 26欢迎下载26欢迎下载 1 74LS164 引脚图 74LS164 为 8 位移位寄存器 串行输入 并行输出 图 3 10 74LS164 引脚图 如图 3 10 所示 当清除端 CLEAR 为低电平时 输出端 QA QH 均为 低电平 串行数据输入端 A B 可控制数据 当 A B 任意一个为低电平 则禁止新数据输入 在时钟端 CLOCK 脉冲上升沿作用下输出为低电平 当 A B 有一个为高电平 则另一个就允许输入数据 并在 CLOCK 上升沿作用下 决定输出的状态 引出端符号 CLOCK 时钟输入端 CLEAR 同步清除输入端 高电平有效 A B 串行数据输入端 QA QH 输出端 2 面板指示灯状态定义 面板指示灯状态定义如表 3 3 表 3 3 序 号功 能指示灯状态 1 过 流过流时亮 否则灭 2 欠 压欠压时亮 否则灭 3 刹 车刹车时亮 否则灭 精品文档 27欢迎下载27欢迎下载 3 5 门阵列可编程器件 GAL16V8 3 5 1 GAL16V8 图及引脚功能 图3 11 GAL16V8引脚功能图 表3 4 GAL16V8 门阵列可编程器件 引脚名称及功能 名 称 功 能 I0 I9 输 入 F0 F7 输入 输出 I0 CK 时钟输入 UDD 电 源 GND 地 GAL 器件是从 PAL 发展过来的 PAL 器件的出现为数字电路的研制工作和 小批量产品的生产提供了很大的方便 但是 由于它采用的是双极型熔丝工艺 一旦编程以后不能修改 因而不适应研制工作中经常修改电路的需要 GAL 有如下优点 1 具有电可擦除的功能 克服了采用熔断丝技术只能一次编程的缺点 其 可改写的次数超过 100 次 2 由于采用了输出宏单元结构 用户可根据需要进行组态 一片 GAL 器件 精品文档 28欢迎下载28欢迎下载 可以实现各种组态的 PAL 器件输出结构的逻辑功能 给电路设计带来极大的方 便 3 具有加密的功能 保护了知识产权 4 在器件中开设了一个存储区域用来存放识别标志 即电子标签的功能 GAL16V8 主要是把驱动顺序信号和带有各种控制信息的脉宽调制 PWM 信号 综合成六个输出驱动信号 3 6 传感器选择 霍尔器件是一种磁传感器 按照霍尔器件的功能可将它们分为 霍尔线性 器件和霍尔开关器件 前者输出模拟量 后者输出数字量 可用于磁场的 测量和控制 霍尔器件具有许多优点 它们的体积小 重量轻 寿命长 安装 方便 功耗小 频率高 可达1 MHz 耐震动 不怕灰尘 油污 水汽及盐雾 等的污染或腐蚀 霍尔开关器件无触点 无磨损 输出波形清晰 无抖 动 无回跳 位置重复精度高 此外 其工作温度范围