直流無刷電機控制系統設計畢業論文設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 序霍爾傳感器導通開關相電流ABCABC1011VT3VT4負極斷開正極2001VT5VT4斷開負極正極3101VT5VT6正極負極斷開4100VT1VT6正極斷開負極5110VT1VT2斷開正極負極6010VT3VT2負極正極斷開從運行過程看，定子繞組每隔600電角度換向一次，定子合成磁動勢位置就改變一次，每相繞組何次導通1200電角度，且始終保持兩相繞組導通，此工作方式稱為兩相導通的六狀態運行方式。該方式中，每一狀態持續600度電角度，在此期間，定子繞組合成磁動勢空間位置固定不動，而永磁磁極連續旋轉600電角度。定子磁動勢為跳躍式旋轉磁動勢，使定轉子磁動勢之間的空間夾角周期性變化，導致電磁轉矩的波動。第3章 直流無刷電機硬件軟件設計任何一個復雜系統穩定而可靠的工作幾乎都離不開合理的硬件結構設計與良好的軟件代碼編寫，系統的性能是由軟硬件共同決定的。無刷電機調速系統的設計也同樣包含硬件設計部分與軟件編寫部分，本章將著重闡述控制的直流無刷電機硬件設計。 系統總體硬件結構本文所設計的直流無刷電機實時控制系統的硬件平臺包括微控制器部分、功率驅動及逆變電路部分、檢測電路部分、電源電路部分以及其他接口單元。為了增強系統的靈活性和對硬件資源的合理整合，實時控制系統硬件框圖如圖31所示。圖31 系統硬件框圖1）微控制器AT89C51：系統采用AT89C51單片機控對系統進行模擬采樣、運算與控制等；2）驅動電路IR2103：IR2103芯片國際整流器公司生產的控制芯片，這種芯片具有功率放大作用，可以將AT89C51單片機輸出的信號進行功率放大，放大后再驅動逆變電路中的功率開關管工作；3）逆變電路：逆變電路拓撲采用三相橋式逆變電路，開關器件采用MOSFET即可，根據MOSFET上的開關時序，將直流電逆變成交流電，再給電機供電，從而達到對電機的控制目的。4）電流檢測電路：電流檢測一般采用霍爾元件實現，本系統采用的芯片為ACS712，該霍爾完成對系統電流的檢測并送入單片機處理器處理。5）位置檢測電路：一般情況下，電機會有自帶的三相霍爾傳感器，此系統選用的自帶的三相霍爾傳感器的電機，霍爾傳感器檢測電機轉子信號并送入單片機處理器處理；6）電源電路：輸入市電電壓，經變壓器降壓后整流經穩壓管穩壓產生四路獨立的輸出電壓 +12V、5V 和 ，給整個系統供電。 微控制器AT89C51AT89C51是一種帶4K字節FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位單片機處理器。AT89C51采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，使它成為 一種高效微控制器。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。這種單片機應用于各種控制領域[1]。⑴ AT89C51的主要性能參數：1）與MCS51 兼容； 2）4K字節可編程FLASH存儲器；3）壽命：1000寫擦循環； 4）數據保留時間：10年； 5）全靜態工作：0Hz24MHz； 6）三級程序存儲器鎖定； 7）1288位內部RAM； 8）32可編程IO線； 9）兩個16位定時器計數器；10）5個中斷源；11）可編程串行通道；12）低功耗的閑置和掉電模式；13）片內振蕩器和時鐘電路；⑵特性概述：AT89C51提供以下標準功能：4K字節Flash閃速存儲器，128字節內部RAM，32個IO口線，兩個16位定時計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內同，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導下一個硬件復位。AT89C51引腳圖如圖32所示。圖32 AT89C51芯片引腳圖圖33逆變器主電路逆變器是將直流電轉換成交流電然后再向電機供電，采用三相橋式全控逆變電路，其主電路如圖33所示，功率開關器件采用功率MOSFET。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨立調節的，而是受控于轉子位置信號，是一個“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動機輸入電流的頻率和電機轉速始終保持同步，電機和逆變器不會產生振蕩和失步，這也是無刷直流電動機的重要優點之一。 功率MOSFET近年來由于MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統上應用于諸如微處理器、微控制器等數位訊號處理的場合上，也有越來越多類比訊號處理的積體電路可以用MOSFET來實現。MOSFET是英文（MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor）的縮寫，譯成中文是“金屬氧化物半導體場效應管”。 MOSFET是由金屬、二氧化硅或氮化硅與半導體制成的半導體器件。 N溝道增強型MOSFET的結構圖如圖34所示，MOSFET底部為一塊P型硅半導體材料(圖34①a)，第二層設置了兩個N型區(圖34①b)，第三層擴散了二氧化硅絕緣層(圖34①c)，由N區上方采用一定的方法引出兩個孔，然后用一定的方法分別在絕緣層上及兩個孔內引出了三個電極：G(柵極)、S(源極)和D(漏極)，最后做成如(圖34①d)所示的樣子。 圖34功率MOSFET的結構圖從圖34中可以看出MOSFET的G極與D極和S極是相互絕緣的，D極與S極之間有兩個PN結。一般情況下，MOSFET的襯底與源極在內部連接在一起。為了改善某些參數的特性，比如提高MOSFET的工作電流、工作電壓、降低導通電阻、提高開關特性等，廠家制成不同的結構及工藝，比如現有的VMOS、DMOS、TMOS等結構。根據MOSFET結構及工作特性，本系統選擇的開關器件為功率MOSFET， 全橋逆變電路的設計本系統采用三相橋式全控逆變電路，拓撲結構如圖31所示，在電路圖設計中，六個功率開關器件選用國際整流公司的IRF3205型功率MOSFET,如圖35a)所示。這種器件為N溝道型MOSFET。其特點是導通內阻小，這樣通態損耗低，耐壓55V，額定電流110A，因此適用于低壓大電流的功率變換場合。硬件電路設計圖如圖35所示。QBQBQB5三個IRF3205作為上橋臂，另外QBQBQB6為下臂。六個IRF3205通過驅動電路給予的驅動信號控制其導通與關斷，在驅動過程為了避免上下管直通導致短路，驅動信號間設置有一定的死區時間，另外，為了減小IRF3205管發熱，提高整體效率，必須為IRF3205管提供足夠的驅動能力，另外，每個IRF3205上接有兩個電阻，比如QB1上，RB1是驅動電阻，RB2為給功率開關管IRF3205結電容提供放電回路的放電電阻。a) IRF3205圖35b)三相全橋硬件電路圖另外，在圖35b)下橋臂三個IRF3205功率放開關管QI的源極下面反接了一個IRF3205功率開關管，這樣做目的是為了防止電源正負極反接對電機造成損壞。如果輸入電源反接，QI管則關斷，系統沒有回路，電流無法流通，這樣就能夠起到電源反接保護的作用。前面提到六個IRF3205管都需要一定的驅動信號還能工作，而單片機的信號功率微弱，中間必須加功率放大環節，在本系統中，采用專門的全橋電路驅動芯片IR2103來驅動三相橋式變換器，IR2103的輸出電壓1020V, 這款芯片自帶自舉電路驅動功能，專門為全橋電路上下功率管提供驅動，外圍電路相對簡單，不用為全橋中的上管提供專門的隔離驅動電源。采用自舉驅動方法可降低生產成本，提高電路可靠性。圖36為IR2103驅動芯片引腳圖及其輸入輸出狀態。圖36 IR2103引腳及其輸入輸出狀態圖圖37 IR2103原理圖IR2103采用自帶的自舉電路，其工作原理圖如圖37所示。圖37中電容C、二極管VD分別為自舉電容和自舉二極管。自舉電路的工作過程[2]為：與橋臂上功率開關管Q1的源極和下功率開關管Q2的漏極與自舉電容C的負極連接，當橋臂下功率開關管Q2驅驅動導通時，由于IR2103管的內阻很小，其壓降小，可忽略不計，此時VS點電壓可近視為零；這個時間段，供電電源VCC可通過自舉二極管VD向自舉電容C充電。當橋臂下功率開關管Q2截止后，自舉電容C兩端屯壓保持不變，接下來在橋臂上管驅動導通的時候，C通過驅動芯片內MOSFET管QV1向外總功率開關管柵極放電，橋臂上管驅動信號導通后，由于IR21