微机测控技术

1、无刷直流电机工作原理稀土永磁无刷直流电机的基本结构稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机基体、开关电路、位置传感器三部分，如图为直流电动机原理图：图5-1直流电动机原理图电机基体  稀土永磁电动机基体是由带有电枢绕组的定子和永磁转子组成。常用的有三种结构形式:转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体;转子铁心中嵌入矩形板状稀土永磁体:转子外套上一个整体粘结稀土磁环的环形永磁体。还有一种外转子式结构，即带有稀土永磁极的转子在外，嵌有绕组的定子在里。开关电路  开关电路由逆变器和驱动电路组成。逆变器主电路有桥式和非桥式两种。电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形

2、六状态。驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通与关断的驱动信号。转子位置传感器  转子位置传感器是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置，向控制器提供位置信号的一种装置。它由定、转子组成，其转子与电动机同轴，以跟踪电机本体转子位置；其定子固定于电机本体定子或端盖，以感应和输出转子位置信号。电机的基本工作原理 一般永磁直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙中产生磁场，其转子一电枢绕组通电后产生反应磁场，由于电刷的换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机的运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为

3、了实现无刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构正好相反，而且还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同组成换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中由定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场，在空间中始终保持在90。左右的电角度，从而产生转矩推动转子旋转.无刷 直 流 电动机按驱动方式可以分为半桥驱动和全桥驱动，按绕组接法又可分为星形连接和角形连接。不同的绕组接法和驱动方式的选择将会使电动机产生不同的性能并且成本也不同，主要从以下三个方面来进行分析:绕组利用率 开关电路由逆变器和驱动电路组成.逆变器主电路

4、有桥式和非桥式两种。电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通与关断的驱动信号. 转矩的波动 无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机大，因此希望尽量减小转矩波动。一般相数越多，转矩的波动越小，全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小。电路成本 相数越多 ，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高，全桥驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高。综合上述分析，三相电机星形连接全桥驱动方式综合性能最好，应用最多，本系统即是选择的这种控制方式，下面介绍三相无

5、刷直流电动机星形连接全桥驱动的基本原理。三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理  无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响，在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机控制器包括电源部分和控制部分，如图所示。电源部分提供三相电源给电机，控制部分则按照需求转换电源频率。电源部分可以直接以直流电输入或者以交流电输入，如果是以交流电输入就需先经转换器(converter)转成直流电。不论是直流电输入或是交流电输入，送入电机线圈前须先将直流电压由逆变器(inverter)转成三相电压来驱动电机。逆变器一般由六个功率晶体管，分为上桥臂和下桥

6、臂，连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部分则提供PWM脉冲宽度调制信号决定功率晶体管开关频率及逆变器换相的时机。对于无刷直流电机，当负载变动时，一般希望速度可以稳定于设定值而不会有太大的变动，所以电机内部装有霍尔传感器(hall-sensor)，作为速度的闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。电机转动由霍尔传感器感应到的电机转子所在位置，决定开启或关闭逆变器中功率晶体管的顺序来控制，若系统要求加速，则增长功率管导通的时间，若要求减速，则缩短功率管导通的时间，此部分工作由PWM脉宽调制信号控制。下图是三相无刷直流电机工作原理图和逆变器原理图：图5-3-1三相无刷直流电机工作原理图图5-3-

7、2逆变器原理图电动车的控制部分设计本设计的主要工作 本论文对无刷直流电机的控制原理进行了详细分析，依据无刷直流电机特性，针对电动自行车的控制需求，进行了无刷直流电机控制系统的设计。  (1) 硬件部分 硬件部分以PIC16F72单片机作为控制芯片，逆变器由6个MOSFET管组成。通过微控制单元电路、逆变器驱动电路等电路模块的设计，实现了电机的智能控制以及欠压保护、过流保护、堵转保护等保护功能，可靠的对电动车电机和电池进行保护，确保电动车使用及安全。 (2) 软件部分 在软件方面利用汇编语言，采用模块化编程和结构化编程.实现了信号的采集及处理，实

8、现了电动自行车的电动、定速和助力三种工作模式并且在系统出错情况下具有自检功能。利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制。具体设计 如下:  选用PICI6P72单片机作为主控芯片;   采用开关型霍尔传感器作为电机转子位置传感器;  通过对PIC单片机编程，实现电动车电动、定速和助力三种工作模式;  通过硬件电路和软件编程，实现系统自检、欠压、过流、堵转保护功能;  通过软硬件设计，实现电动自行车仪表盘显示控制;  利用PI控制理论实现电机速度的闭环调制;  提出一 种软件电机接线模式自识别设计方案. 本设计实现

9、了无刷直流电机的自动控制，硬件结构简单、成本较低，具有升级空间，便于用户二次开发.设计中，利用PIC开发环境完成软件编写和调试;利用逻辑分析仪和示波器等完成硬件调试;借助于电动自行车实体，对软硬件参数进行测试，实现结构优化.电机驱动部分设计 无刷直流电机用永磁体制成转子，用定子绕组换相来代替电刷换相，用霍尔元件传感转子位置信息。内置电机的3个霍尔元件会实时的输出确定的3个电压信号来表征转子位置信息，数字控制电路根据不同的电压信号，实现对驱动电路进行选择性导通，使线圈产生激励转子转动的磁力矩，在一个周期内，每个MOS管导通120°。 换流器中功率MOS管在此设计中用到其开关态工作原理，

10、MOS管有三个极G(栅极)、S(源极)、D(漏极)，MOS管的一个重要参数是VT，称开启电压，当栅源电压VGS 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据霍尔传感器感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序.图6-2驱动部分电路使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以按同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管);要电机转子反向则

11、功率晶体管开启顺序相反。控制部分设计 电路分为译码电路部分、过流保护和调速电路部分，译码电路部分保障电机连续运行，控制电路部分主要用来进行电机的调速和过流保护以及电池相关状态的显示。 图6-3-1电机译码部分设计原理图考虑到电机连续安全的运行，防止在换相时交叉导通，若出现这样的情况，两管同时导通时，在两管上的电压降非常小，如同直接将电源加在导线上一样，瞬间产生45A以上的电流，MOS管必然会被烧毁，因此同一驱动桥的两MOS管不能同时导通，只能导通其中一只，在设计时，采用“互锁”方案，可以防止此种情况的发生。“互锁”的原理是当同一对驱动管中有一只导通时，另外一只“G”(栅极)电压一定是“0”(低

12、电平)，在出现非正常情况而“G”电压应该为低，但实际是高电平时，可强制性的将其拉到低，实际应用中可以用一片74LS38来实现(74LS38四2输入与非缓冲器(OC)。 另一种方式来实现，如图所示的第一个MOS管为P型IGBT，第二个为N型IGBT。图6-3-2防管子直通电路采用此种设计的原因是保证此对MOS管不在同一时间导通而烧毁，在数字控制部分输出为低电平时，第一个MOS管导通,并且在遇到没有驱动信号，而TLP521输入为高电平时，不会出现意外导通的情况。电机调速过流保护等功能部分电路设计 电机控制部分主要实现电机的调速和过流保护以及刹车的功能。调速是通过对霍尔信号进行采样，根据霍尔信号的频率变化得到表示电机速度的电压值，将这个电压输入到比较器，与调速电阻上的电压进行比较，来决定输出为高或者低电平，实现电机的加速和减速.图6-4-1电机调速原理图为保证电机的安全运转，使其通过的电流不超过其最大承受值，所以在