無刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)—(論文)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，對(duì)電 機(jī)的制造工藝也帶來了不利的影響。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的無位置運(yùn)行方式給予高度重視。 無機(jī)械式位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是通過檢測(cè)和計(jì)算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量間接地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，主要有反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)法、定子三次諧波檢測(cè)法和瞬時(shí)電壓方程法等。 4．控制器 控制器是無刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能： （ 1）對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器輸出的信號(hào)、 PWM調(diào)制信號(hào)、正反轉(zhuǎn)和停車信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān)管的斬波信號(hào)和選通信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn) 及停車控制。 （ 2） 產(chǎn)生 PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。 （ 3）對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。 （ 4）實(shí)現(xiàn)短路、過流、過電壓和欠電壓等故障保護(hù)電路。 12 無刷直流電動(dòng)機(jī) 控制 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 方案 設(shè)計(jì)方案比較 無刷直流電動(dòng)機(jī)兼有直流電動(dòng)機(jī)調(diào)整和起動(dòng)性能好以及異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無需維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因而在高可靠性的電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場(chǎng)合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。目前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng) 主要采用兩種控制方案 :一種采用專用集成電路。這種方案可以降低設(shè)備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便。 電機(jī)控制器是無刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能 :對(duì)各種輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各種控制信號(hào) 。產(chǎn)生 PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速 。實(shí)現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護(hù)功能。 控制器是電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是電動(dòng)自行車的大腦。其主要作用是在保證電動(dòng)自行車正常工作的前提下，提 高電機(jī)和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護(hù)電機(jī)及蓄電池，以及降低電動(dòng)自行車在受到破壞時(shí)的損傷程度。 目前，市場(chǎng)上常用的電動(dòng)自行車無刷直流電機(jī)控制器主要采用專用集成電路為主控芯片，像 MOTOLORA公司研制的專用集成電路 MC33035，其針對(duì)無刷電機(jī)的控制要求， 將控制邏輯集成在芯片內(nèi)，一般該類控制器稱為模擬式控制器，其工作原理是用電子裝置代替電刷控制電機(jī)線圈電流換向，根據(jù)電機(jī)內(nèi)的位置傳感器 (霍爾傳感器 )信號(hào)，決定換相的順序和時(shí)間，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是智能性差，保護(hù)措施有限，系統(tǒng)升級(jí)空間小。 本 設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作 為主控芯片，用編程的方法來模擬無刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)是使用靈活，通過修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無刷電機(jī)，增加系統(tǒng)功能方便，通常將此類控制器稱為數(shù)字式控制器。 近幾年，國(guó)外一些大公司紛紛推出較 MCU性能更加優(yōu)越的 DSP(數(shù)字信號(hào)處理器 )芯片電機(jī)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，都是由一個(gè)以 DSP為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠 性提高。但是這些專用芯片價(jià)格昂貴，外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，在廣大的民用市場(chǎng)無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。 無刷電機(jī)控制方法主要分為有位置傳感器控制和無位置傳感器控制兩種。在有位置傳感器的控制方法中，現(xiàn)今，由于霍爾傳感器性價(jià)比高，安裝 13 方便，被廣泛應(yīng)用作為無刷直流電機(jī)的位置傳感器。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無刷直流電機(jī)無位置傳感器的控制方法主要有反電勢(shì)法、定子三次諧波法、續(xù)流二極管檢測(cè)法、脈沖檢測(cè)法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。但是由于無位置傳感器控制方法在低速時(shí)無法實(shí)現(xiàn)精確的速度調(diào)制，所以現(xiàn)階段在電動(dòng)車領(lǐng)域只是處于研究階段，無法推廣到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng) 中 。 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 基于 的考慮 ,可繪出無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖 ,如圖 21所示 : 圖 21 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制框圖 （ 1）微控制器 主要功能是根據(jù)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的要求和來自霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個(gè)輸出信號(hào)，將它們處理成功率 驅(qū)動(dòng)單元 的 六個(gè)功率開關(guān)器件所要求的驅(qū)動(dòng)順序。微控制器的另一個(gè)重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號(hào)，以及隨機(jī)發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過 AD變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號(hào)。 14 （ 2） 功率驅(qū)動(dòng)單元 主要包括功率開關(guān)器件組成的三相 全 橋逆變電路和自舉電路。 自舉電路由分立器件構(gòu)成的，也可以采用專門的集成模塊 等高性能驅(qū)動(dòng)集成電路。 （ 3）位置傳感器 位置傳感器在無刷直流電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息 。 （ 4）周邊輔助 、 保護(hù)電路 主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過電流保護(hù)電路、調(diào)速信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)等輸入電路。 15 第 3章 無刷直流電動(dòng)機(jī)硬件設(shè)計(jì) 逆變主電路設(shè)計(jì) 功率開關(guān)主電路 圖 31 功率開關(guān)主電路 原理 圖 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換 成交流電向電機(jī)供電。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器， 無刷直流電動(dòng)機(jī) 輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是 無刷直流電動(dòng)機(jī) 的重要優(yōu)點(diǎn)之一。 逆變開關(guān)元件選擇和計(jì)算 MOSFET在 1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室（ Bell Lab.）的 D. Kahng和 Martin Atalla首次實(shí) 驗(yàn) 成功，這種元件的操作原理和 1947年蕭克萊（ William Shockley）等人發(fā)明的雙載子晶體管（ Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因?yàn)橹圃斐杀镜土c使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢(shì)，在大型積體電路（ LargeScale Integrated Circuits, LSI）或是超大型積體電路（ Very LargeScale Integrated Circuits, VLSI）的領(lǐng)域里，重要性遠(yuǎn)超過 BJT。 近年來由于 MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位訊號(hào)處理的場(chǎng)合上，也有越來越多類比訊號(hào)處理的積體電路可以用 MOSFET來實(shí)現(xiàn) 。 16 表 31 對(duì) IGBT、 GTR、 GTO 和電力 MOSFET 的優(yōu)缺點(diǎn)的比較 器 件 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) IGBT 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小 開關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及 GTO GTR 耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低 開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問題 GTO 電壓、電流容量大，適用于大功率場(chǎng)合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng) 電 流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低 電 力 MOSFET 開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過 10kW 的電力電子裝置 通過上述的比較，我選擇 MOSFET。 電樞額定電流 IaH=， 因?yàn)槊總€(gè)控制元件導(dǎo)通 120o,所以控制元件的峰值電流可以由 以 下方程算出。 2 / 301 Idt?? ?? ，通過計(jì)算可得 I=， 額定電壓 UH=36V，峰值電壓 應(yīng)有一個(gè)百分之 40的余量 所以 UM=UH*=36*= 通過以上計(jì)算，可得出選擇的 MOSFET峰值 電流為 25A,峰值 電壓為 50V。 17 逆變開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) IR2110 功能介紹 (1) IR2110 的特點(diǎn)有：輸出驅(qū)動(dòng)隔離電壓可達(dá) 500V；芯片自身的門輸入驅(qū)動(dòng)范圍為 10~20V；輸入端帶施密特觸發(fā)電器；可實(shí)現(xiàn)兩路分立的驅(qū)動(dòng)輸出，可驅(qū)動(dòng)高壓高頻器件，如 IGBT、功率 MOSFET 等，且 工作頻率高可達(dá)500KHz ， 開通 、 關(guān)斷延遲小，分別為 120ns 和 94ns； 邏輯電源的輸入范圍（腳 9） 5~15V，可方便的與 TTL， CMOS 電平相匹配 。 (2) IR2110 主要功能及技術(shù)參數(shù) IR2110 采用 CMOS 工藝制作 ,邏輯電源電壓范圍為 5 V～ 20 V ,適應(yīng) TTL 或 CMOS 邏輯信號(hào)輸入 ,具有獨(dú)立的高端和低端 2 個(gè)輸出通道。由于邏輯信號(hào)均通過電平耦合電路連接到各自的通道上 ,容許邏輯電路參考地 (USS) 與功率電路參考地 (COM) 之間有 5 V和 + 5 V 的偏移量 ,并且能屏蔽小于 50 ns 的脈沖 ,這樣有較理想的抗噪聲效果。采用 CMOS 施密特觸發(fā)輸入 ,以提高電路抗干擾能力。 IR2110 浮置電源采用自舉電路 ,其高端工作電壓可達(dá) 500 V ,工作頻率可達(dá)到 500 kHz。兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。其推薦典型工作參數(shù)如表 32所示 。 表 32 IR2110 工作參數(shù) 參數(shù) 最小值 / V 最大值 / V VB VS + 10 VS + 20 VS 4 500 HO VS VB VCC 10 20 LO 0 VCC VDD VCC + 4. 5 VCC + 20 VSS 5 + 5 HIN ,SD ,LIN VSS VDD 18 (3)IR2110內(nèi) 部功能如 圖 32所示： 圖 32 IR2110內(nèi)部框圖 LO （引腳 1） :低端輸出 COM（引腳 2） :公共端 Vcc（引腳 3） :低端固定電源電壓 Nc （引腳 4） :空端 Vs （引腳 5） :高端浮置電源偏移電壓 VB (引腳 6) :高端浮置電源電壓 HO （引腳 7） :高端輸出 Nc （引腳 8） :空端 VDD（引腳 9） :邏輯電源電壓 HIN（引腳 10） :邏輯高端輸入 SD （引腳 11） :關(guān)斷 LIN（引腳 12） :邏輯低端輸入 Vss（引腳 13） :邏輯電路地電位端，其值可以為 0V Nc （引腳 14） :空端 功能概述 IR2110驅(qū)動(dòng)器將邏輯輸入信號(hào)送到相應(yīng)的低阻抗輸出。高端輸出 HO和低端基準(zhǔn)輸出 LO分別以浮置電位 VBS和固定電位 Vcc為基準(zhǔn)。邏輯電路為兩路輸出提供相應(yīng)的控制脈沖。 HO和 LO輸出分別與 HIN和 LIN輸入同相位。當(dāng) SD輸入高電平時(shí)兩路均關(guān)閉。 19 當(dāng) VDD低于欠電壓閥值時(shí)，欠電壓 UV檢測(cè)電路關(guān)閉兩路輸出。同樣，當(dāng) VBS低于規(guī)定的欠電壓點(diǎn)時(shí)，欠電壓檢測(cè)電路也會(huì)使高端輸出中斷。邏輯輸入采用帶有 施密特觸發(fā) 電路， 以提高抗擾能力。高抗噪聲平移位電路將邏輯信號(hào)送到輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)。 低端延時(shí)電路可簡(jiǎn)化控制脈沖定時(shí)要求，兩路輸出的傳播延時(shí)匹配的。當(dāng) Vs為 500V或接近 500V時(shí)，高端功率 MOSFET關(guān)斷。輸出驅(qū)動(dòng) MOSFET接成源極跟隨器，另一只輸出驅(qū)動(dòng) MOSFET接成共源極電路，高端的脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng) HV電平轉(zhuǎn)化器并觸發(fā) RS閂鎖置位或復(fù)位。由于每個(gè)高電壓 DMOS電平轉(zhuǎn)換器僅在 很狹窄的脈沖持續(xù)期內(nèi)才導(dǎo)通，所以功率很低。 自舉電路原理 圖 33 驅(qū)動(dòng)電路 以一 相為例， 如圖 33所示 ， 當(dāng)下管導(dǎo)通上管截止 時(shí)， IR2110LO輸出為高， HO為低，隔離二極管導(dǎo)通，自舉電容 C8充電，三極管 C極電壓近似等于電源正極電壓；當(dāng)下管截止上管導(dǎo)通時(shí)，隔離二極管 D2截止，自居電容 C8儲(chǔ)存的電荷給三極管 C極供電， IR211HO為高，三極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng) MOSFET管柵極 ，使上管保持導(dǎo)通。 20 單片機(jī)的選擇 目前，市場(chǎng)上有很多無刷電機(jī)專用控制芯片，大部分電動(dòng)車生產(chǎn)廠商采用 Motorola公司的 MC3303無刷電機(jī)專用控制芯片，它具有無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)所需要的基本功能。本設(shè)計(jì)采用 PIC16F72單片機(jī)作為主控芯片，不僅可以實(shí)現(xiàn) 專用控制芯片 MC33035的全部功能，而且容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，通過軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多功能的電機(jī)控制。 單片機(jī)選擇依據(jù) ： (1)性能因素。通過對(duì)該系統(tǒng)分析， 8位單片機(jī)可以滿足系統(tǒng)控制精度的要求。由于整個(gè)系統(tǒng)有多種模擬參數(shù)需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，因此選用的單片機(jī)應(yīng)該有多通道 A/D轉(zhuǎn)換模塊。在無刷電機(jī)控制中，脈寬調(diào)制 PWM ( PulseWidth Modulation)技術(shù)廣泛應(yīng)用，因此所選單片機(jī)應(yīng)具有脈寬調(diào)制輸出端口。 (2)安全因素。電子產(chǎn)品的安全性是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，作為控制系統(tǒng)的核心，單片機(jī)的安全性必須達(dá)到系 統(tǒng)要求。 (3)價(jià)格因素。考慮到該設(shè)計(jì)要與市場(chǎng)接軌，因此價(jià)格問題尤為重要，要選擇一個(gè)性價(jià)比較高的單片機(jī)，包括單片機(jī)的單片價(jià)格和開發(fā)系統(tǒng)