毕业设计（论文）-纫机中无刷直流电动机应用与调速统设计.doc

江南大学通信与控制工程 学院（系） 电气工程及其自动化专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、 题目及专题：1 题目 缝纫机中无刷直流电动机应用与调速系统设计2 专题 二、 课题来源及选题依据：直流电动机因其优良的调速、起动、制动性能在各种电力拖动系统中得到 广泛的应用，但因直流电机的机械换向出现的火花等问题在一些地方限制了直流电机的使用。自20世纪70年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并生产出多种既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如门极可关断晶闸管（gto）、电力晶体管（gtr）、电力场效应管（p-mosfet）、绝缘栅极双极型晶体管（igbt）等，这些全控型器件性能优良，由它们构成的电子开关在直流电机中取代了机械换向，构成直流无刷电机，解决了机械换向出现的火花等问题，同时由全控元件组成的脉宽调制直流调速系统（简称pwm调速系统）近年来在中小功率直流传动中得到了迅猛的发展,且由于专用集成电路的出现，使控制器性能更加优良，体积减小。本课题研究缝纫机中无刷直流电动机应用与调速系统的设计。三、本设计应达到的要求：了解缝纫机的工作情况，其负荷特点；了解pwm技术的现状发展以及其应用价值和可操作性。明确生产机械对zd调速系统的要求；拟定zd调速方案；熟悉无刷zd电动机的基本工作原理；熟悉位置检测传感器的原理；选用专用pwm集成电路在无刷直流电动机进行速度控制；应用集成驱动电路完成对电动机驱动和调速等性能的要求；完成毕业设计总体方案。本设计应做到以下几点:1. 拟定zd调速方案2.设计主电路3选用位置检测传感器4. 选用专用pwm集成电路5.完成总电路的设计同时本设计应具有以下功能:a.欠电压保护功能 当电源电压下降到设定值时，控制器停止工作，起保护作用。b.过电流保护功能 当电动机过载或发生其它意外情况，有大电流过时，控制器立即停止工作，保护电机。c.无级调速 可根据负载要求实现平稳调速。四、接受任务学生: 电气0201 班 姓名 五、开始及完成时间：自 2006 年 3月 6 日 至 2006年 6 月9 日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 院长(系主任) 签名 年 月 摘要传统的工业缝纫机大多使用离合器调速感应电机，系统调速范围窄，位置控制困难，自动化程度低。随着技术的进步，缝纫机的驱动方式从传统的机械类产品向机电一体化产品过度。永磁无刷电机是随着电力电子技术的发展而出现的一种新型电机，它具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便的特点，又具有直流电机的良好的调速特性，现今已广泛应用于各种调速场合。本文针对无刷电机在现在缝纫工业中的应用，介绍了一种无刷电机的控制方法。根据工业缝纫机要求启动快、制动快、工作过程要求转速稳定等特点，设计了带有转速、电流双闭环的调速系统，以pi调节器为转速调节器，电流调节器 也用pi调节器，以tl494为pwm脉冲产生芯片，经过综合逻辑电路加上位置反馈信号，由ir2130驱动电机的功率开关。主要内容包括pwm生成电路和功率开关器件、综合逻辑电路的选择，以及驱动电路保护电路的设计等，还有整个调速系统的matlab仿真，仿真波形的分析。通过对不同控制方式的仿真，波形的分析选择较好的控制方式，仿真结果表明系统有较好的可靠性、稳定性和动态性能。关键词：缝纫机 无刷直流电机 pwm调速 matlab仿真abstract the traditional industry sewing machine mostly uses the coupling to modulate velocity the asynchronous motor, the system velocity modulation scope is narrow, the position control difficulty, the automatization degree low. along with technical progress, sewing machine drive type from traditional machinery class product to integration of machinery product excessively. permanent magnetism brushless dc motor is one kind of new electrical machinery , which appears along with the electric power electronic technology development, it has the ac motors structure simply, the movement reliable, the maintenance convenient characteristic, also has the direct current machine good velocity modulation characteristic, nowadays widely has applied in each kind of velocity modulation situation. this paper aim at the brushless dc motor be applied in the sewing industry, introduce a new control method of bldc. based on industry sartorius characteristic, such as start-up rapidness, brake rapidness, work process rotate speed level off and so on, design one system with speed and current adjuster, the speed adjuster is pid and the current adjuster is pi , use the tl494 chip generate pwm pulse , pass the synthesis logic circuit and the feedback of rotors location through ir2130 drive the power switch . mostly content consist of pwm generate circuit , synthesis logic circuit, power switch and drive circuit and so on , also entire systems matlab emulate and the undee analysis . via imitate of different control manner, the undee analysis, and then choose the best control manner. by the emulation indicate the entire system have preferable reliability, stability and dynamic capability. key words: sewing machine brushless dc motor modulate velocity by pwm matlab simulation目录第一章 绪论1第二章 缝纫机及电机的工作特点和调节器的选择22.1缝纫机的工作特点分析及电机选择22.2无刷直流电机的结构及工作原理22.3控制方案32.4调节器选择及动态参数设计42.4.1电流调节器的设计52.4.2转速调节器的设计7第三章 控制系统设计103.1位置检测电路103.2转速检测电路113.3转速调节器133.4 pwm生成电路及电流调节器133.5综合逻辑电路153.6驱动电路163.7各相导通信号产生电路183.8系统整体电路图193.9系统的工作原理19第四章 系统仿真及分析224.1采用两相导通方式234.2三相导通方式25第五章 结论和展望29致谢30参考文献31缝纫机中无刷直流电动机应用与调速系统设计第一章 绪论中国目前是全世界最大的服装加工基地，也是全世界缝纫机保有量最多的国家，因而也是全世界工业缝纫机最大的市场。传统工业缝纫机由于采用一般异步电机作为驱动电机，采用异步电机的工业缝纫机体积大、噪声大、可控性差，不具备精细加工的能力，而且能耗非常大，属于逐步被淘汰的产品。欧洲、美国和日本在工业缝纫机的智能化伺服系统的研究起步较早，在上世纪90年代末，智能化可控工业缝纫机已经在上述地区得到普遍推广和使用。缝纫机工业是各国经济发展的一个必不可少的行业，缝纫机的发展将随着各国经济的发展而发展，随着现代科学技术的发展，缝纫机工业也必定得到很大的发展。传统的工业缝纫机大多使用离合器调速感应电机，系统调速范围窄，位置控制困难，自动化程度低。随着技术的进步，缝纫机的驱动方式从传统的机械类产品向机电一体化产品过度1。我国缝纫机工业经过几十年的发展，已经形成了具有相当规模和一定水平，既能基本满足国内需求又有一定国际竞争能力，生产量居世界首位，但产品档次与国际先进水平还存在一定差距。 近年来，我国缝纫机工业在特种机及其机电一体化方面有一定的突破，但产品档次与国际先进水平还存在一定差距。 无刷电机是一种新型的高性能的电机，电力电子技术日新月异的高速发展，有力地促进了无刷电动机的发展。集成电路是电子技术发展的代表，它不仅是高新电子信息产业的核心，又是不少传统产业改造的基础。电子技术的发展为古老的电机传统产业注入了新的活力，电子制造商看准了这一专用市场，为无刷电机研制和生产了集成化、专用化、智能化的控制驱动线路和专用块但是，我国的无刷电机技术还比较落后，生产规模比较小，一些先进的技术主要集中在国外。所以，我国政府要提供一些优惠政策，吸引外商来我国进行投资，引进国外先进技术。国外一些著名的公司已经对无刷电机的控制系统做成了成品，生产出了各种各样的芯片，极大的促进了无刷直流电机的应用和发展。总之，由于无刷电动机的优点，永磁材料的性能不断提高和价格不断降低，电力电子技术日新月异的高速发展，各使用领域对电机的要求越来越高，无刷电动机使用领域将不断扩展，这是必然的结果。永磁无刷电机是随着电力电子技术的发展而出现的一种新型电机，它具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便的特点，又具有直流电机的良好的调速特性，直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，现今已广泛应用于各种调速场合。由于无刷电机有以上许多优良的性能，故今后在工业中将得到广泛的应用。工业缝纫机是一种调速性能要求比较高的场合，使用无刷电机将使工业缝纫机技术有更进一步的提高，使缝纫机产业有更好的发展。本文是根据工业缝纫机的特点和无刷电机的特性设计的一种性能比较好的调速系统。第二章 缝纫机及电机的工作特点和调节器的选择2.1、缝纫机的工作特点分析及电机选择 缝纫机的工作状态要求电机工作在频繁的启动、制动过程，而且要求电机的启动和制动过程速度快。这样电机启、制动过程中会使电机电流过大，故在设计控制系统时要设计电机的过电流保护，以免使电机由于电流过大无法正常工作。缝纫机除了上述要求外，由于缝纫机在缝纫过程中要求精度比较高，还要求在工作过程中电机的速度和转矩要稳定，所以在设计整个系统时，转速调节器一定要符合缝纫机的要求。 由于缝纫机的频繁的启动、制动，这样一定会产生过大的启动、制动电流，这样大的电流，对永磁体产生的去磁影响必须引起注意。特别在电机运行在负载温升时，随着工作温度的升高，这种去磁作用就越太。若对永磁体的厚度选取不当，这种去磁反应还将影响到永磁体的圆复线。在选择工业缝纫机用永磁 电机时，必须考虑二点 ：第一是电机最高工作温度。第二是起、制动时的电枢反应去磁作用2。根据不同的布料，布料的厚度不同，缝纫机的负载的大小随之不同，再加上缝纫机的特点，设计的整个系统要求启动快、制动快，在不同的情况下，分别运行在恒功率和恒转矩两种不同的运行方式下。本系统选用小型的缝纫机，无刷电机选用sy-94zwx02型号。电机的额定值为 ：2.2 无刷直流电机的结构及工作原理3无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为bldc.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好。无刷直流电动机 brushlessdirectcurrentmotor,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。本产品具有高效率,高转矩,高精度的三高特点;同时具有体积小,重量轻,可做成各种体积形状,是当今最高效率的调速电机,与传统直流有刷电机比较,或与交流变频调速比较均有更好的性能。无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。同步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。而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。直流无刷电机的原理框图2-1如下。图2-1 无刷电机原理框图 无刷直流电机无换向器的直流电机，无刷电机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统的直流永磁电动机的结构刚好相反，直流无刷电机除了由定子和转子组成的电动机本体外，还要有位置传感器、控制电路以及功率开关器件共同构成换向装置，使得直流无刷电机在运动过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在90度左右的电角度。直流无刷电机的控制原理如下图2-2所示。 图2-2 无刷直流电机控制原理图由上图可以看出，电机绕组是通过逆变器供电的，只要能够很好的控制逆变器的开关器件的导通与关断，就能控制绕组上的电压，同时控制绕组相电流，从而达到控制电机转矩和转速的目的。2.3、控制方案电机采用有传感器的无刷电机。根据给定转速和实际转速，产生一系列的pwm脉冲信号，同位置传感器产生的相导通信号一起控制功率开关器件的导通和关断，实现对系统的速度调节4。运动控制系统包含单闭环和双闭环调速系统。单闭环调速系统中只含有转速调节器，对转速具有调节作用，转速调节器使转速跟随给定电压变化，对负载有抗扰作用。但是，系统对电源的变化没有抗扰作用，而且系统启动过程慢。双闭环调速系统含有转速、电流两个调节器，不仅能够对负载扰动有抗扰作用，在转速调节过程中使电流跟随电流调节器给定电压变化，而且对电源也有抗扰作用，启动时保证获得恒定的最大允许电流，减少了了电机的启动时间。根据缝纫机的工作特点，要求启动时间短，工作过程转速稳定，本系统采用转速、电流双闭环调节，双闭环系统可以对电流、转速同时进行调节，调节器选择能够使系统的动态、静态性能都比较好的调节器。系统的控制框图如图2-3所示。 图2-3 无刷电机的控制框图2.4 调节器选择及动态参数设计5根据上述的控制方案，双闭环系统的结构图如2-4下图所示。 图2-4 系统结构图 由图中可知忽略了反电势作用的影响。根据选择的电机为sy-94zwx02型号，电机的参数选择为。选择逆变电路的时间常数放大倍数，电阻。电流反馈滤波时间常数，转速反馈时间常数。2.4.1 电流调节器的设计 为了选择电流调节器，首先面临的问题是，应该决定把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流环做到无静差；从动态要求看，电流环的一项重要作用就是 保持电机电流在动态过程中不超过允许值，即在突加控制作用时不希望有超调，或者超调越小越好。从这一考虑出发，应该把电流环校正成典i系统。（1） 电流环控制对象参数如下 电枢回路总电阻：； 电磁时间常数：； 电流环小时间常数：； 电流反馈系数：=0.25v/a。（2）由控制对象的传递函数可知，为把电流环校正成典i系统，电流调节器应该选择pi调节器。pi调节器的结构如下图2-5所示。 图2-5 pi调节器结构电流调节器的传递函数为： （2-1）式中-电流调节器的比例放大倍数； -电流调节器的领先时间常数。选择pi参数，使 以让调节器的零点对消控制对象的大惯性环节的极点，则电流环的动态结构图便成为典型系统的形式。pi调节器的比例放大倍数的选择取决于系统的动态性能指标和所需的截止频率，在缝纫机系统中希望超调量小，为了使电流环的超调较小，取电流环开环放大倍数为 则acr的比例放大倍数为 由 ，按经验取，所以 又由，故在根据滤波时间常数， 所以 （3） 校验近似条件： 逆变器传递函数近似条件 （2-2）现在 ，而显然满足近似条件。 电流环小时间常数近似处理条件 （2-3）而 显然也满足近似条件。、 忽略反电势影响的条件忽略反电动势影响的近似条件为，现 而电流环截止频率 ，显然满足近似条件。设计后电流环可达到的动态指标为 可以满足缝纫机的要求。2.4.2 转速调节器的设计在设计转速调节器时，把电流环当作转速内环的一个环节，和其他环节一起构成转速环的控制对象。为此，求出电流环的等效闭环传递函数。求得电流环的闭环传递函数经过近似处理后，得到，整个电流环等效成只有小时间常数的一阶惯性环节。由控制对象和电流环的传递函数知，转速环的控制对象的传递函数包含了一个积分环节和一个惯性环节，而积分环节在负载扰动作用之后。转速环的主要扰动为负载扰动，为了实现转速无静差，则必须在扰动之前设置一个积分环节，于是应该按典型ii系统设计转速调节器了。 （1） 转速环控制对象参数如下转速环小时间常数：；转速反馈系数：（2） 由结构图和传递函数可以看出，为了把转速环校正成典型ii系统，转速调节器应该采用pi调节器， 其传递函数如下： （2-4）式中， 为比例放大倍数 为积分时间常数转速环按典型ii系统设计。取，则 （2-5）系统按准则选择asr参数： 则 取 ，则 再根据 ，得 （3） 校验近似条件： 电流环传递函数等效条件 （2-6）按准则设计时而 转速环小时间常数近似处理条件 （2-7）现在 满足近似处理条件。（4） 动态性能指标转速超调量 （2-8）现在 取中频带宽为，按准则确定参数， 因此 由此可以看出，转速超调量非常小，上升时间非常短，可以满足缝纫机的要求。这样，整个系统的开环传递函数就为典型ii系统，系统的参数也就基本上确定下来。按照所求得的参数，设计控制系统画出电路图。 根据设计好的系统参数，通过对整个系统进行仿真，进一步验证系统是否符合工业缝纫机的要求，详细介绍见第4章。第三章 控制系统设计根据上一章选择的控制方案，系统采用电流、转速双闭环调节系统，本章主要介绍的控制系统的各个部分，主要有位置传感器、电流传感器、调节器、pwm产生电路、综合逻辑电路、驱动电路、各相导通信号产生电路等几部分组成。系统的各个部分分别有模拟电路和数字电路实现。3.1 位置检测电路本系统采用霍尔传感器检测位置，霍尔集成电路内部原理图如下图3-1所示。 图3-1 霍尔集成电路原理图3 霍尔元件的作用是利用霍尔效应来产生输出电压，由于霍尔元件产生的电动势很低，应用时需要外接放大器，很不方便。随着半导体集成技术的发展，将霍尔元件与半导体集成电路一起制作在同一块n型硅外延片上，这就构成了霍尔集成电路。霍尔集成电路通过霍尔元件产生的霍尔电动势来驱动开关器件。本系统的位置检测电路如下图3-2所示。图3-2 位置检测电路 由上图可知位置检测有霍尔传感器实现，通过三个霍尔元件产生的霍尔电动势来判断转子位置，并控制功率开关器件的开通与关断。霍尔传感器产生的信号与pwm信号共同控制逆变器器件的开关来实现转速调节。随着半导体集成技术的发展，一般的霍尔传感器是霍尔集成电路，霍尔集成电路有线性型和开关型两种，这里采用开关型集成电路。将三只霍尔集成电路按相位差120安装，则它们所产生的位置信号波形图如下图3-3所示。图3-3 转子位置波形3.2 转速检测电路 转速检测电路是通过lm2907频压转换器实现的，lm2907为集成式频率/电压转换器，是一种将频率转换成电压的器件。芯片中包含了比较器、充电泵、高增益运算放大器，能将频率信号转换成直流电压信号。只要通过检测传感器的频率就可检测出电机的转速。lm2907的内部原理图如下图3-4所示： 图3-4 lm2907的原理框图各引脚功能如下：脚（f）和11脚（in-）为运算放大器比较器的输入端；脚接充电泵的定时电容（c1）；脚接充电泵的输出电阻和积分电容（r1/c2）；脚（in+）和10脚（uf1）为运算放大器的输入端；脚为输出晶体管的发射极（u0）；脚为输出晶体管的集电极，一般接电源（uc）；脚为正电源端（vcc）；12脚为接地端（gnd）；，13，14脚未用。lm2907的工作原理为：当充电泵把从输入级输入来的频率转换成为直流电压时，需外接定时电容c1、输出电阻r1以及积分电容或滤波电容c2，当第一级输出的状态发生改变时（这种情况可能发生在输入端上有合适的过零电压或差分输入电压时），定时电容在电压差vcc/2的两电压值之间被线性地充电或放电，在输入频率信号的半周期中，定时电容上的电荷变化量为c1vcc/2，泵入电容中的平均电流或流出电容中的平均电流为：输出电路把这一电流准确地送到负载电阻（输出电阻）r1中，r1电阻的另一端接地，这样滤波后的电流被滤波电容积分后得到输出电压：其中为增益常数，典型值为。电容2的值取决于纹波电压的大小和实际应用中所需要的响应时间。本系统采用lm2907集成式频率/电压转换器，将频率信号转化成电压信号，电路图如下图3-5所示。 图3-5 转速检测电路 本系统采用lm2907频率/电压转换器，将霍尔传感器脉冲频率转换成电压反馈到转速环，实现转速反馈。这样可以省去测速发电机，减轻设备重量及体积。其中，。参考电压可以很好的调节输出的最小电压和带负载能力。3.3 转速调节器根据第二章的调节器的选择和计算，本系统转速调节环节采用pi调节器，调节器电路图如下图3-6所示。 图3-6 转速调节器由上图可知转速调节器由模拟电路组成，p 主要是使系统的响应速度快，增加系统的快速性，i是积分环节，主要是提高系统的稳态性能。pi调节器有较好的调节性能，使系统具有响应快速、稳态、动态性能较好等性能。通过pi转速调节器，系统可以实现转速无静差。3.4 pwm生成电路及电流调节器6 pwm生成及电流调节器由tl494实现。tl494是美国德州仪器（texas instrument）公司产品，原是为开关电源设计的脉冲宽度调节器。其内部结构框图如下图3-7所示。 图3-7 tl494的内部结构图tl494是16脚集成电路，内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。下图3-8是它的管脚图图3-8 tl494的管脚图其中1、2脚是误差放大器i的同相和反相输入端；3脚是相位校正和增益控制；4脚为间歇期调理，其上加03.3v电压时可使截止时间从2%线性变化到100%；5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容，所接的振荡电阻和电容决定了震荡器产生锯齿波的频率；7脚为接地端；8、9脚和11、10脚分别为tl494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；12脚为电源供电端；13脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时，两路输出分别由触发器q和端控制，形成双输出方式，即为推挽输出方式；14脚为5v基准电压输出端，最大输出电流10ma；15、16脚是误差放大器ii的反相和同相输入端。pwm生成及电流调节器电路图如下图3-9（见下一页）所示。 tl494内部有两个误差放大器，利用误差放大器1作为电流调节器，由2脚输入电流给定信号，电流反馈信号由1脚输入，在2脚和3脚之间接入阻容环节以构成pi调节器，从而实现电流调节。而误差放大器2可作为限流保护，由15脚输入限流给定值，由16脚输入电流采样反馈值。 作为电流调节器时，tl494的死区时间是不希望有的。如果4脚接地，pwm信号的最大占空比为96%，即功率开关器件不可能完全导通，这对电流跟踪控制应用是不利的。因为当系统突加给定时，若受控电流在一个脉冲周期内不能跟踪给定值，在电流上升过程中每个周期都有4%时间要强迫关断。如果调制频率较高，则此关断时间极短，虽然对电流响应速度影响不大，但却造成不必要的开关损耗。而当开关器件在4%t的时间内还没有完全关断又强迫开通时，其损耗更为严重，甚至影响逆变器的安全。因此，要采取措施消除此死区。实验表明，在4脚加-0.3电平时，即可将pwm信号最大占空比扩展到100%。图3-9 pwm生成电路及电流调节器3.5 综合逻辑电路7 综合逻辑电路主要有与门电路组成，pwm和各相导通信号通过与门电路，产生所需要的功率器件开关信号。只有当两路信号全部为高电平时，与门的输出才为高电平，即产生的信号是开关器件导通的信号。综合逻辑电路主要是用来分配开关器件的触发脉冲，是驱动电路按一定的顺序产生驱动信号。综合逻辑电路图如下图3-10所示：图3-10综合逻辑电路 位置传感器输出和pwm信号经与门叠加后，产生开关器件的导通信号，经过驱动电路ir2130来驱动功率开关器件。3.6 驱动电路本系统驱动电路由ir2130实现，ir2130可用来驱动工作在母电压不高于600v的电路中的功率mos门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250ma，而反向峰值驱动电流为500ma。ir2130是美国国际整流器公司生产的专用驱动芯片，只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，可以使整个驱动电路简单可靠。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的mos门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信导产生2s互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽(320v)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与ttl及coms电平兼容。 ir2130管脚如下图3-11所示。 图3-11 ir2130的管脚图vb1vb3：是悬浮电源连接端，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，vs1vc3是其对应的悬浮电源地端。 hin1hin3、lin1lin3：逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端，低电平有效。itrip：过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通保护ca-、cao、：内部放大器的反相端、输出端和同相端，可用来完成电流信号检测。ho1ho3、lo1l03：逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。fault：过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。它在芯片内部是漏极开路输出端，低电平有效。、：芯片供电电源连接端，接电源，而接电源地。ir2130内部结构及其工作原理：ir2130的内部结构如下图3-12所示： 图3-12 ir2130的内部结构图 它的内部集成有1个电流比较器current comparator，1个电流放大器current amp，1个自身工作电源欠压检测器undervoltage detector，1个故障处理单元fault logic及1个清除封锁逻辑单元clear logic。除上述外，它内部还集成有3个输入信号处理器input signal gen-erator两个脉冲处理和电平移位器pulse generator level shifter，3个上桥臂侧功率管驱动信号锁存器latch，3个上桥臂侧功率管驱动信号与欠压检测器，u. v detector及6个低输出阻抗mos功率管驱动器driver和1个或门电路。正常工作时，输入的6路驱动信号经输入信号处理器处理后变为6路输出脉冲，驱动下桥臂功率管的信号l1l3经输出驱动器功放后，直接送往被驱动功率器件。而驱动上桥臂功率管的信号h1h3 先经集成于ir2130内部的3个脉冲处理器和电平移位器中的自举电路进行电位变换， 变为3路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的3路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲与否检验之后，送到输出驱动器进行功放后才加到被驱动的功率管。一旦外电流发生过流或直通，即电流检测单元送来的信号高于0.5v时，则ir2130内部的电流比较器迅速翻转，促使故障逻辑处理单元输出低电平，一则封锁3路输入脉冲信号处理器的输出，使ir2130的输出全为低电平，保护功率管；另一方面，同时ir2130的fault脚给出故障指示。同样若发生ir2130的工作电源欠压，则欠压检测器迅速翻转， 也会进行类似动作。发生故障后，ir2130内的故障逻辑处理单元的输出将保持故障闭锁状态。直到故障清除后，在信号输入端lin1lin3同时被输入高电平，才可以解除故障闭锁状态。 当ir2130驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足时，则该路的驱动信号检测器迅速动作，封锁该路的输出，避免功率器件因驱动信号不足而损坏。当逆变器同一桥臂上2个功率器件的输入信号同时为高电平，则ir2130输出的2路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象发生8本系统驱动电路图如下图3-13所示： 图3-13 驱动电路由于驱动集成芯片内部含有过流、欠压等保护，故可使设计整个电路时不需专门设计保护电路，使整个系统的设计简单可靠。3.7 各相导通信号产生电路 控制无刷电机，是通过控制无刷电机各相的导通来控制的。要控制各相的导通，就要通过转子的位置，来产生各相导通信号。其电路图如下图3-14（见下一页）所示。由图中可以看出，换相的控制电路是用数字电路实现的，转子位置信号通过74ls138型3-8译码器后，再经过74ls38和74ls09 两片门电路逻辑分配来产生各相导通信号，最后各相导通信号和pwm信号一起，经过综合逻辑电路，由驱动电路来驱动无刷电机的开关器件3。图3-14 各相导通信号产生电路 由上述逻辑电路产生的换相译码真值表如下表1所示。表3-1 换相译码真值表传感器输入功率器件导通信号h1h2h3vf1vf3vf5vf4vf6vf21011000101001000011100100010100101000110011000010010103.8 系统整体电路图 根据以上各个部分的介绍，把各个部分连接起来，在加上电流采样电路、电压采样电路等一些电路就可以组成整个系统如下图3-15（见下一页）所示。3.9 系统的工作原理无刷直流电机的供电系统是通过交流电整流成直流电，在经过逆变器变成交流电给电机的绕组供电，通过控制逆变器开关器件的开通与关断，从而控制加在绕组上的电压和电流，来控制电机的转速。图3-15 总电路图转速及电流调节器均有限幅值，转速调节器的输出作为电流调节器的给定值，启动时转速调节器很快达到限幅值，速度环相当于开环状态，asr只是对电流调节器发出最大电流指令。在asr输出限幅值的作用下，电流调节器的输出也有一跃变，但是电流调节器没有达到限幅值。电流调节器的输出增加使的逆变器的输出逐渐增加，电机的转速逐渐增加，最后达到给定的转速，系统稳定运行。只要调节器的参数选的合理就能是整个系统启动快，达到所需要求。制动时按下制动按扭，电机进入制动状态，直到电机转速为零，这样就可以使系统的制动过程快，达到工业缝纫机的要求。从整个系统的各个部分可以看出，系统的设计全部用模拟电路或者数字电路实现，这使的整个系统设计简单易于实现，在生产制造时可以节省许多成本。但是这样设计虽然简单易于实现，系统也有许多不足之处，如没有单片机控制的响应速度快、精确性高等。现在还有许多无刷电机控制系统是使用dsp实现的，这使的系统的响应速度和精确性更高，但成本也会增加。不管用什么元件控制无刷电机，其基本原理大体上都是相同的，都是采用电流、转速调节器，通过位置信号产生相导通信号，再加上pwm信号来控制逆变器的功率开关器件的开通与关断，从而实现电机的调速的。第四章 系统仿真及分析系统采用matlab仿真，系统中的各部分根据其功能采用模块搭建或者通过函数编写其功能，电机部分是根据其数学模型来搭建的。整个系统的仿真框图如下图4-1所示9。 图4-1 系统仿真图10电机及的参数为 。电流调节器的参数为，电压调节器的参数为，根据以上参数分别采用两种不同的控制方式，为了比较和观察两种不同控制方式下整个系统的动、静态特性，在空载启动进入稳态后，在时，突加负载，得到系统的电流、转速、转矩和反电势波形如以下图4-2所示。4.1、 采用两相导通方式 采用两相导通方式时，根据转子位置来控制逆变器器件的开关，再根据电机的反电势波形，通过上述仿真系统得到系统的转速、电流、转矩及反电势波形如下图4-2所示。 图4-2-a 转速波形 图4-2-b 电流波形 图4-2-c 转矩波形图4-2-d 反电势波形 以上波形是采用两相导通即120度导通方式的仿真波形，通过转速波形图(4-2-a)可以看出，在启动过程中只需要0.1秒电机就达到稳定转速，启动速度非常快，符合缝纫机的启动快的要求。而且转速基本上没有超调，能够达到工业缝纫机的要求。 理想的电流是方波，反电势波形是梯形波，而梯形的平顶是120度，电流的波形就是和反电势平顶对应的120度方波，从以上仿真的波形图（4-2-b、4-2-d）可以看出仿真的波形和理想的波形基本上是一致的。 在秒时突加5nm的负载，转矩的波形如上图(4-2-c)所示，由转矩波形可以看出，转矩有一定的波动，但影响不是太大，不会影响电机的稳定运行。 由以上的波形可以知道，120度导通方式下，电机运行稳定，转矩波动不大，电流及反电势接近理想情况，故两相导通方式是一种比较理想的电机运行方式。4.2、 三相导通方式 由于两相导通是总是有一相绕组没有通电，这样电机的绕组和功率开关器件就没有得到充分的利用。而如果采用180度即三相导通方式，每一时刻都有个绕组通电、三个功率开关器件开通，这样开关器件就得到了充分的利用，比起两相导通方式来说，开关器件的利用率得到了提高，电机的磁场情况和两相导通时也大不一样。但是，三相导通方式时的转速、电流、转矩和反电势波形是不是和两相导通时的一样基本上达到理想情况，我们就经过仿真来比较一下。下面图4-3的几个波图形是三相导通时的转速、电流、转矩和反电势的波形。 图4-3-a 转速波形 图4-3-b 电流波形图4-3-c 转矩波形 图4-3-d 反电势波形通过以上波形可以看出，转速波形(4-3-a)和电势波形(4-3-d)基本上和120度导通方式相同，变化不大，但是电流(4-3-b)和转矩波形(4-3-c)相差很大，由于是三相导通方式，所以电流波形变为近似于正弦波形的叠加波形，而转矩波形波动非常大，比起两相导通方式时，转矩非常不稳定，这样在实际工作过程中就会影响整个系统的稳定性。所以由以上两种导通方式的仿真波形比较，我们可以知道，虽然三相导通方式的器件利用率较高，但是比较起来两相导通方式的转矩更稳定，我们选择两相导通方式来控制无刷电机，这样整个系统会运行时更稳定，性能会更好。通过以上仿真波形可以看出来，不管是两相导通方式，还是三相导通方式，转速响应速度都非常快，转速超调量非常小，能够达到缝纫机的要求。而且，通过仿真可以验证，在第2章中设计的转速、电流调节器能够达到要求，仿真的结果基本上和设计时验证的动态性能指标一致。 三相导通方式虽然不稳定，但是随着科学技术的不断进步，研究人员一定会想方法，经过多方面的研究，来改变现有的状况，逐渐解决无刷电机的转矩脉动问题。第五章 结论和展望本文在了解无刷直流电机的基础上，通过对无刷直流电机性能、控制方式的分析，设计了一种简单的，用模拟电路和数字电