無刷直流電動機設計—(論文)-資料下載頁

【導讀】無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎上發展起來的。機正受到普遍的關注。快、效率高等特點，無刷直流電機的應用也因此而迅速增長。過軟件編程控制無刷直流電動機。

　　

【正文】 器輸出信號較大，一般不需要經過放大便可直接驅動開關管，但此輸出電壓是交流，必須先整流。由于這種傳感器過于笨重復雜，因而大大限制了其在普通條件下的應用。 （ 3） 光電式位置傳感器 光電式位置傳感器由固定在定子上的幾個光電耦合開關和固定在轉子軸上的遮光板所組成。幾個光電耦合開關沿圓周均布，每只光 電耦合開關由相互對著的紅外發光二極管和光敏三極管組成。遮光盤處于發光二極管和光 敏三極管中間，盤上開有一定角度的窗口。紅外發光二極管通電后發出紅外光，當遮光盤隨電機轉子一同旋轉時，紅外光間斷的照在光敏三極管上，使 其不斷導通和截至，其輸出信號反應了轉子的位置，經過放大后去驅動逆變器開關管。光電式位置傳感器輕便可靠，安裝精度高，抗干擾能力強，調整方便，因此獲得了廣泛的應用。 30 近年來，無位置傳感器的永磁無刷直流電機發展比較快。它省去了轉子位置傳感器，因而電機結構簡單、體積小、可靠性高。當電機體積較小、位置傳感 器 難以安裝時或電機工作在惡劣環境中以致于位置傳感器工作的可靠性難以保證時，這種無位置傳感器的永磁無刷直流電機更顯示出其獨特的優越性。無位置傳感器的無刷直流電機的主要弱點是起動轉矩比較低，一般只適用于空載或輕載條件下起動。當電機轉子采用永磁體勵磁時，永磁體 的強磁場使得電機在較低速度時就可以檢測到電樞繞組反電動勢，在較低轉 速下實現電機的自同步運行狀態切換，從而加快電機的起動過程，實現寬的調速范圍。 2 霍爾器件在無刷直流電機中的應用 當霍爾傳感器用作無刷直流電機轉子位置信息檢測裝置時，將其安放在電機定子的適 當位置，霍爾器件的輸出與控制部分相連。當無刷直流電機的永磁轉子經過霍爾器件附近時，永磁轉子的磁場令霍爾器件輸出一個電壓信號，該信號被送到控制部分，由控制部分發出信號使得定子繞組供電電路導通，給相應的定子繞組供電，從而產生和轉子磁場極性相同的磁場，推斥轉子繼續轉動。當轉子到下一位置時，前一位置的霍爾器件停止工作，下一位置的霍爾器件輸出電壓信號，控制部分使得對應定子繞組通電，產生推斥場使轉子繼續轉動，如此循環，維持電機運轉。 周邊保護電路 電流采樣及過電流保護 圖 313 電流 采樣及過流保護 圖 31 1 電流信號 電機主回路電流信號經采樣電阻獲得。電流信號經過 LM358放大，由單片機 PIC16F72A/D通道 RA1（管腳 2）輸入，并進行控制處理。同時。電流采樣信號通過 LM358與一固定電壓值比較，當電壓的電流過大時， LM358輸出高 電平，送入 GAL16V8直接關斷輸出，進行邏輯保護。 2 電流采樣 通常對電機三相電流進行控制需要三個獨立的電流閉環，而永磁無刷直流電機采用兩相導通方式，即電機三相定子繞組在某一時刻只有兩相通電，導通的兩相繞組的電流大小相等，方向相反，因此任意時刻只需 控制一個電流量。 電流采樣方式可采取直接采樣兩相電流的方法或采樣直流母線電流的方法。對于永磁無刷直流電機多采用后一種方法。采樣直流母線電流有兩種方法，一種是在待測電路上串入一個小電阻，用小電阻上的壓降反映電流的大小；另一種是采用電流傳感器。在電流較大，或要求電隔離的情況下，可以采用磁場平衡式霍爾電流傳感器。考慮到本控制系統的成本問題，本系統采用第一種電流采樣方式。 3 過流保護 過流保護電路可以對 MOSFET進行保護，將最大電流控制在設定范圍內，當達到 閥值 時關閉電機，避免了 MOSFET上通過大電流燒毀的危險 。過流保護是控制器的最后防線，過流保護電阻用的是康銅絲，當系統電流超過最大保護電流值時，康銅絲會燒斷，從而起到保護作用。 圖 314 過流保護原理圖 LM358 雙運放大電路 如圖 315所示 ， LM358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 32 圖 315 LM358引腳功能圖 欠 電 壓保護 圖 316 欠電壓保護電路圖 如 圖 317所示 ，電池電壓經分壓后接單片機 RA1（管腳 3），由單片機采入進行監控。當電池電壓過低時給出欠壓信號，輸出截止，防止電池由于過放而損壞。 對于無刷直流電機控制器，由于輸入控制變量比較多，控制器可以利用各種輸入信號對控制系統完成相當完善與靈活的保護，這些保護功能可以大大提高無刷直流電機控制器的可靠性。 電源電路 圖 317 電源電路圖 如圖 317所示， 36V電池送入 U1 U1 U15穩壓器 輸出 +15V和 +5V給 PIC單片機和 IR2110供電。 33 第 4 章 無刷直流電動機軟件設計 直流無刷電機控制器程序的設計概況 該程序在設計的過程中 , 首先要上電復位 , 然后初始化時鐘和中斷源 , 再打開中斷 , 當檢測到轉把的輸人電壓時 , 將該電壓經 A/D轉換后按算法計算出 PWM的占空比輸出 PWM波。隨后采樣位置傳感器產生霍爾信號 , 將該信號的狀態與電機固定的相位序列進行比較 , 判斷電機的相位是否正確。若正確 , 輸出波 PWM, 否則 , 重新復位。欠壓檢測是根據需要設定欠壓值 , 然后采樣當前電源電壓 , 若電壓低于設定值 ,則關 閉輸出 , 相反 , 則進行限流保護檢測。限流保護檢測是把電壓傳感器康銅絲上的電壓經放大、 A/D轉換后與設定的電流限定值進行比較 , 若高于最高限定值 , 則關閉輸出 , 反之 , 則正常運行。在運行的過程中應時刻檢測是否有剎車信號輸人 , 若有剎車信號輸人 , 則關閉輸出。 系統各部分功能在軟件中的實現 1 驅動控制 驅動控制通過查表實現霍爾元件狀態到輸出狀態的轉換。直流無刷電機的 3個霍爾元件組合起來有 8種狀態 , 其中 6種是有效的 , 對應 1個輸出的狀態。這 6個狀態對應沒有明顯的簡單數量關系 , 所以要實現映射 , 查表是最快捷的方式。若電機需要反轉 , 只需增加一個反轉狀態表即可。正反轉驅動只在于電流換相順序的不同 , 反映到程序中僅在查表處有區別 , 所以正反轉可共用一個驅動程序。 2 啟動 理論上講 , 轉子位置過磁場換相臨界點時 , 電流換相的速度越快越好。根據這一想法 , 可以將霍爾信號的改變設置為中斷 , 從而轉子的換相可以得到立即響應。但是在電動自行車控制場合 ,這樣的想法是沒有必要的。電動自行車直流無 刷 電機的轉速相對來說很低。設電動自行車運行在最高速20km/s(這是國家法律規定的速度限制 ), 而其使用的小徑輪胎 , 則霍爾信號改變的時間為 。這個時間遠遠大于單片機主程序循環一周需要的時間 (約 ), 所以將霍爾元件信號狀態的檢測工作放在主程序中即可。這樣做的好處是可以減小中斷程序的執行時間 , 程序運行更加流暢。 34 3 PWM中斷時間控制 中斷時間的控制與定時器時間控制相似。定時器在每個時間周期增加 1。它在計數滿后復位到 00h重新開始 , 同時產生一個中斷信號。若想控制定時器定時時間 , 可以在其中斷程序里面將定時器置數 , 定時器便從這個數開始計數直到溢出。這樣定時時間可以由這個寫入定時器寄存器的 數值控制。須注意對有的定時器計數值寄存器寫的時候 , 會把預分頻值清除 , 因此必須在寫計數值的同時重新寫預分頻值 控制字。 PWM中斷的發生與定時器不同的是 :它的發生不是由于定時器溢出 , 而是由于定時器 TIMER2與 PWM周期寄存器 PR2值相等。因此 , 要在中斷程序中控制下次 PWM中斷的時間有兩個方法 :一是改變 PR2值 , 一是對 TIMER2置數 , 改變其初始值。值得注意的是 :改變 TIMER2會連帶將其預分頻值改變為默認值 , 因此需要同時修改預分頻值才能達到預想的效果。 4 剎車控制 剎車控制在主程序里面 , 主程 序時刻檢測剎車信號 , 當有剎車信號 , 關斷波的輸出若沒有剎車信號 , 根據轉把輸入的電壓 , 控制波的輸出。 5 電源電壓檢測 電壓檢測也是在主程序里 ,電源電壓由于受到負載的影響 , 因此檢測值需要結合電源負載電流情況來綜合判斷。 6 PWM脈寬時間算法 PWM周期和占空比計算公式為 : PWM周期 =[(PR2)+l]*4*TOSC*(TMR2預分頻值 )， TOSC為晶振周期 : PWM占空比 =(CCPRIL:CCPICON5:4)*TOSC*(TMR2預分頻值 )。 軟件流程圖 系統軟件按順序掃描控制的 模式編制。軟件定時器根據調速要求產生直流斬 波 電壓，采用中斷方式運行，改變斬波電壓只需在對應單元寫入控制值。三相位置輸入信號經簡單查表運算產生對應的輸出邏輯。剎車信號、過流信號和欠壓信號順次讀入，并進行相應處理。 35 Y N Y N Y N 圖 41 軟件流程圖 開始 初始化 剎 車？ 工 作 模 式 設 置 欠 壓 ？ 過 流 ？ 讀 入 位 置 信 號 計 算 脈 沖 寬 度 輸 出 PWM 波 顯 示 輸 出 36 結束語 本文在廣泛查閱資料，了解無刷直流電機特性的基礎上，對無刷直流電機的控制原理進行了的研究，設計了一款 簡單 電動自行車用無刷直流電機控制器。 本文所設計的基于 PIC單片機的無刷直流電機控制器具有硬件結構簡單、保護功能完善、軟件采用模塊化設計易于用戶二次開發 等特點。主要實現了如下功能 : (1)采用 PIC16F72單片機作為主控芯片，加強了電動車的智能控制 ； (2)安全控制電機系統，實現了系統的欠壓保護、過流保護 ； (3)設計了逆變器驅動電路 、 硬件過流保護電路，提高系統的可靠性 。 由于時間與能力有限，本文所設計的控制系統還有待于進一步的改進，比 如可采用無位置傳感器的控制方法，利用軟件檢測電機的反電動勢，從而省去位置傳感器，降低硬件成本，提高可靠性 。還可采用專用控制芯片和單片機相結合的方式實現無刷直流電機的控制，使系統具有更好的靈 活性和穩定性。 37 致 謝 在做畢業設計這段時間里，胡老師給了我很多指導和 建議 ，讓我對無刷電機控制系統有了很多了解，并學到了很多對我有用的東西。盡管他帶工程實踐，工作很忙，但他也抽出自己空余的時間輔導我們，對我們所問的問題均一一細致的解答。 謝謝胡 家龍 老師！ 38 參考文獻 1 王益全 .電動機原理與實用技術 .北京 :科學出版社 ， 2021 2 李鐘明 ,劉衛國 .稀土永磁電機 .第一版 .北京 :國防工業出版社 ， 1999 3 唐蘇亞 .電動車輛及其電機的發展概況 .電機技術 ， 1996 4 陳清泉，詹宜巨 .21世紀的綠色交通工具一電動車 .北京 :清華大學出版社，廣州 :暨南大學出版社 ， 2021 5 唐蘇亞 .我國電動自行車產業的發展現狀 .電機技術 ， 2021 6 周志新 .電動自行車結構與維修 .江蘇 :江蘇科學技術出版社 ， 2021 7 張深 .直流無刷電動機原理與其應用 .機械工業出版社 ， 1996 8 韋敏，季小尹 .MC33035在直流無刷電機控制中的應用 .電工技術雜志 ， 2021 9 盧靜，陳非凡，張高飛等 .基于單片機的無刷直流電動機控制系統設計 .北京機械工業學院學報 ， 2021 10 梁正峰，王磊 .電 動自行車用無刷直流電動機控制系統研究 .電氣傳動自動化 ， 2021 11 陳鋼，劉剛 .電動自行車變頻調速的研究 .湖北工學院學報 12 曹建平 .電動自行車調速控制電路的研究 .電子工程師 ， 2021 13 謝運祥 ,歐陽森 .電力電子單片機控制技術 .