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1、 目 录 摘要.Abstract.II 1 绪论.1 1.1 课题研究的背景和意义.1 1.2 直流无刷电机的研究现状.1 1.3 主要内容.2 2 无刷直流电动机结构和原理.4 2.1 无刷直流电动机基本结构.4 2.1.1 电动机本体4 2.1.2 位置传感器5 2.1.3 电子换向电路6 2.2 无刷直流电动机的原理与运行特性.6 2.2.1 无刷直流电动机的工作原理6 2.2.2 系统方程式9 2.2.3 运行特性分析.10 3 无刷直流电动机控制方法.14 3.1 直流无刷电机控制分类.14 3.1.1 三相半桥电路.14 3.1.2 三相 Y 连接全控电路.14 3.2 直流无刷电
2、机的正反转控制.15 3.3 直流无刷电机的双闭环控制.16 4 直流无刷电机控制系统硬件设计.17 4.1 系统硬件设计.17 4.2 逆变主电路设计.18 4.2.1 功率开关主电路.18 4.2.2 逆变开关元件选择和计算18 4.3 逆变开关管驱动电路设计.19 4.3.1 IR2110 功能介绍.19 4.3.2 驱动电路设计21 4.4 控制单元.22 4.4.1 飞思卡尔单片机的简介.22 4.4.2 位置信号检测.24 4.4.3 速度检测.25 4.5 电检测与保护电路.25 4.6 键盘与速度设定电路.26 5 系统软件设计27 5.1 直流无刷电机控制程序的设计概况27
3、5.2 主程序设计.27 5.3 子程序设计.28 5.3.1 脉冲捕捉中断子程序.28 5.3.2 AD 转换完成中断子程序.28 5.3.3 PI 调节子程序.29 6 结 论.30 总结与体会31 谢 辞.32【参考文献】33 附录 1.36 附录 2.37 I 基于飞思卡尔的无刷直流电动机驱动控制系统设计 摘 要 电动机作为机电能量转换的主要装置，其主要类型有直流电动机、异步电动机和同步电动机三种。由于传统的直流电动电动机使用电刷以机械方法换相，因而存在相对的机械摩擦，带来了一系列的问题，从而大大限制了它的应用。本文利用飞思卡尔但单片机对直流无刷电机的控制系统进行了研究，主要做了以下几
4、个方面的工作。设计直流无刷电机控制器的硬件电路，包括电源电路、电流检测电路、电压检测电路、位置检测电路、驱动电路、飞思卡尔外围电路。研究直流无刷电机的电动运行的控制方法，在此基础上完成了软件设计。软件设计主要包括：换相控制程序、电流和电压采集程序、PWM 占空比重载程序、转速计算程序、转速和电流双闭环调节程序和键盘程序等。通过实验，验证硬件电路的可行性，根据控制要求修改软件设计，提高控制 性能。关键词：直流无刷电动机；飞思卡尔单片机；软件 I Abstract As the main conversional device of mechanical energy to electrical
5、energy，the motor has mainly three types,such as,the DC motor,the asynchronous motor.Because of having lots of disadvantages,the application of the DC motor has been limited strongly.The thesis studied the control system of the BLDCM combined with freescale microcomputer.The work of this thesis inclu
6、des the following aspects：The hardware circuit including power supply circuit，power invertion circuit，current detection circuit，voltage detection circuit，position detection circuit，current chopper circuit，driving circuit，freescale peripheral circuit.The control strategy of BLDCM which provides a bas
7、is for the software design including commutation program，current and voltage sampling program，PWM duty ratio reload prograrn，speed calculation prograrn，speed and current doubleloop regulation prograrn and keyboard prograrn etc were studied Through by experiments，the hardware feasibility were tested，
8、the software design was modified according to control requirement and the control performance was improved Key words:the brushless DC motor；freescale microcomputer；Software I 1 绪论 1.1 课题研究的背景和意义 直流无刷电机是一种高性能电机，它具有效率高、可靠性好、结构简单、便于维护和体积小等优点。与直流电机相比，无刷电机没有电刷和换相器，而采用电子电路进行换相，换相时不会产生电火花，不存在机械换向损耗。与异步电机相比
9、，无刷电机的转子与定子磁场同步旋转，因此不存在转子损耗。与同步电机相比，无刷电机控制方法简单，便于工程应用的特性，使其被广泛应用于众多领域。直流无刷电机的控制方案有多种，如文献采用 DSP 作为主控制器的控制系统，文献采用 FPAG 控制无刷电机，文献选用 MEGA8 单片机控制方案。这些控制方法都能够实现电机的正反转、启停等控制，但在系统实现成本、控制精度、运行稳定性和外围电路的能源消耗等方面上却有较大的差别。使用 DSP 和 FPAG的控制方案，系统的控制精度高、稳定性好，可以应用于工业生产中，不足之处在于成本过高，无法大量用于日常生活中。而采用 MEAG8 控制方案虽然成本低，与 DSP
10、、FPAG 相比，系统的性能相差很大，无法满足工业生产的要求。针对上述问题，提出设计以 MC9S12DG128 单片机为核心的直流无刷电机控制系统。该控制系统实现成本低，而电机的控制性能上与 DSP 和 FPGA 等高端控制方案上相差不大，可以在工业生产中广泛应用。文中所选择的主控芯片有丰富 AD 转换和 PWM 通道，适合电机的控制。为减少能源消耗和降低电路的复杂性、电路成本，提高控制系统的可靠性，同时也为了便于系统维护和功能扩展，系统硬件电路采用模块化设计的原则，每个模块电路尽可能使用集成芯片。1.2 直流无刷电机的研究现状 八十年代以后，随着磁性材料(尤其是高性能的稀土永磁材料)、电力电
11、子器件和专用控制器的迅速发展，明显改善了直流无刷电动机特性的同时，目前人们又把对直流无刷电动机研究的目光转移到电子换相、稀土永磁材料以及智能控制三个方面，试图来抑制直流无刷电动机的转矩波动。在电子换相方面，主要分为对电流的控制和对转子位置的检测两个方面，对电流的控制一般采用稳频两态和电流分时反馈等技术，而对转子位置的检测，传 I 统的方法是采用位置传感器，为了减轻系统的负担，国外的一些学者提出无位置传感器法。在永磁材料方面，人们采用了杉钻、钕铁硼等新型永磁材料。在智能控制方面，1984年，美国的通用电气公司推出了一种所谓的智能电动机，其实这种电动机是一种以微处理器作为控制芯片的直流无刷电动机。
12、除直流无刷电机的发展外，随着专用集成电路、微处理器、晶体管、传感器等电路原器件的发展电子换相电路、驱动电路和转子位置检测电路也迅速发展。目前，应用到直流无刷电机控制系统的控制技术主要有：1PID控制技术 PID控制是一种技术最为成熟、应用最为广泛的控制算法。传统的直流无刷电机调速通常采用PI控制，它算法简单，PID控制参数相互独立，使用时根据对象特性和负载情况可以合理选择，参数调整方便，具有较好的控制精度。2模糊控制技术 模糊控制技术是在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理来模拟人的模糊思维方法，用计算机实现与操作者相同的控制。模糊控制技术不依赖于精确的数学模型，对参数变换不敏
13、感，适用性强，具有很好的鲁棒性，它通过把专家的经验或手动操作人员长期积累的经验总结成若干条规则以完成的自动化和智能化的目标。3神经网络控制技术 神经网络是模拟人脑神经细胞的神经元广泛互连而成的网络。由于神经网络辨识电机参数不依赖于精确的数学模型，具有很高的控制精度，因而在模式识别、参数辨识领域中得到了广泛的应用。1.3 主要内容 本课题是自选研究课题，旨在研制一套基于飞思卡尔的直流无刷电机驱动系统，主要工作如下：(1)研究直流无刷电动机的运行原理和控制方式。(2)设计直流无刷电机控制器的硬件电路，包括电源电路、功率电路、电流检测电路、位置检测电路、电流斩波电路、驱动电路、飞思卡尔单片机外围电路
14、。(3)根据直流无刷电机的控制策略，完成控制系统的软件设计。实现数据采集；I 跟踪转子位置，输出相通断信号至功率变换器决定对应的开关器件的开断；根据转子位置信号计算速度值；进行转速环和电流环PI调节；实现电机正反转运行等。(4)通过实验，验证硬件电路的可行性，根据控制要求修改软件设计，提高控制性能。I 2 无刷直流电动机结构和原理 本章将讨论无刷直流电动机及驱动系统的结构和工作原理，着重介绍位置传感器以及电子换向电路的组合方式和换流方式的无刷直流电动机。2.1 无刷直流电动机基本结构 众所周知，有刷直流电动机具有旋转的电枢和固定的磁场。因此，有刷直流电动机必须有电刷和换向器，通过它们把电流给旋
15、转着的电枢。无刷直流电动机却与前者刚好相反，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样，电子换向线路中的功率开关元件，如晶体管或可控硅等直接与电枢绕组连接。电动机内还装有一个位置传感器，它与电子换向线路一起代替了有刷直流电动机的机械换向装置。综上所诉，无刷直流电动机及驱动系统是由电动机本体和驱动器构成，是一种典型的机电一体化产品。图 2-1 无刷直流电动机的结构简图 驱动器组成：a.作为控制中枢的单片机；b 作为电子换向的由 IGBT 或MOSFET 构成的逆变桥；c.作为电压型交直交主电路的整流、滤波单元；d.作为人机接口的键盘和数字显示单元;e.作为控制、驱动电源的开关电源。2.1.1 电动机本体
16、 电动机的本体主要是有主定子和主转子构成.主定子是电动机本体的静止部分。它是由导磁的定子铁芯、导电的电枢组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成。主转子是电动机的本体转动部分，产生激磁磁场的部件。它是由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是产生磁场的核心，由永磁材料和导磁材料组成。机械支撑零部件主要是指转轴、轴套和压圈等，它们起固定永磁体和导磁作用。I 2.1.2 位置传感器 位置传感器可分为接触式和无接触式两种。接触式传感器出现的较早，它的结构简单，紧凑，用于比较简单的场合。当强烈震动，高真空及腐蚀性介质中工作时，运行不可靠，甚至有危险，不能维修，不宜采用
17、。无接触式位置传感器则能弥补上述不足。因此本次毕业设计则采用霍尔位置传感器来检测主转子的位置。（1）位置传感器的结构 位置传感器核电动机的本体一样，也是静止部分和运动部分组成，即位置传感器的定子和位置传感器的转子。转动部分和电动机本体中转子同轴连接(转动部分通常由电机转子代替),固定部分与定子相连。(2)霍尔元件位置传感器工作原理 霍尔元件是一种半导体器件，利用霍尔效应制成，属于磁敏感元件。霍尔元件有半导体材料做成的霍尔片(如锗霍尔片、硅霍尔片等)和化合物半导体材料做成的霍尔片(如锑化铟、砷化铟霍尔片等)两种。其基本原理叙述如下。将矩形半导体薄片置于磁场中，在薄片两侧通以电流(控制电流)，则在
18、薄片的另外两侧会产生一个电势(霍尔电势)，这一效应就是霍尔效应。其原理图示于图 2-2。利用霍尔效应产生电压输出的元件称为霍尔元件。图 2-2 图 2-3 霍尔集成电路特性曲线 2.1.3 电子换向电路 电子换向电路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调，预放大，功率放大，然后去触发末级功率晶体管，使电枢绕组按一定的逻辑程序馈电，保证电动机的可靠运行。I 2.2 无刷直流电动机的原理与运行特性 设计无刷直流电动机驱动控制系统时了解其工作原理，了解其换向，换流过程，这对设计有着极为重要的意义，下面将对以上内容做具体的分析。2.2.1 无刷直流电动机的工作原理 由于无刷直流电动机没有电刷和换向器,
19、它的绕组里电流的通、断是通过电子换向电路及功率放大器实现的。要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩,就应使电枢电流随磁场位置的变化图随无刷直线电动机原理示意图而变化。为实现这一点,就需要确认磁极与绕组之间的相对位置信息。一般采用位置传感器来完成,由位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号,然后去驱动功率器件,控制相应绕组电流的通、断。图2-4 无刷直流电动机工作原理示意图 如图2-4所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6 导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6 I
20、回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6T1、T2T3、T2T3、T4T5、T4T5、T6T1、T6。在此期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一
21、次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是最常用的一种工作方式。无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差 120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图2-5所示，以信号A为例，A相位置宽度为180电导角：在
22、0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，（此时下部可供导通的管子为T4、T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为 T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度180度时，由于 每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断（T1=0），T2仍然导通（B相开始进入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通（防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。其他时间段的开关管导通
23、情况与此类似。为了简化控制电路，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点（r0=00）上.那么在r0=00的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻（即该相反电势相位30度位置）恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。同理，其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定。本设计选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压 UH=24V,电枢额定电 I 流IaH=0.1A,电枢峰值电流IaP1.5A,转速nH=550-20000r/min,额定功率PH=5W。图2-5 无刷电动机位置检测及开关管驱动信号 2.2.2 系统方程式(1)电磁转矩公式 无刷直流电动机由直
24、流电源供电，三相无刷电动机的绕组按Y 接法，梯形控制电路供有直接输送到无刷直流电动机定子上的电流，为矩形电流，电机电磁结构将产生梯形波反电动势(但为梯形控制电路设计的大部分无刷直流电动机所产生的反电动势波形，更像正弦波而不是梯形曲线，因为磁铁磁通密度分布不可能完全是矩形，定子绕组的电感部位使其两角变得有些圆)，无刷直流电动机在具有梯形波反电动势和矩形波定子电流条件下，所产生的转矩从理论上说是恒定不变的，其公式由下式推出2：T=1/（e1i1+e2i2+e3i3）=3/iaE=KtIA 式中 Kt-转矩常数 故电磁转矩 T 按幅值进行控制，并与定子电流成正比。(2)电势平衡方程式 由于传统的直流
25、电机和无刷直流电动机采用了相同的基本原理，所以似乎相同：其电动平衡方程式是2：nKee dtdidtdidtdiMLMLMLeeeiiiRRRUUU322321321321000000000000 I L-线圈电感 M-互感 R绕组电阻 2.2.3运行特性分析 无刷直流电动机的运行特性是指电动机在起动、正常工作和调速等情况下，电动机外部分可测物理量之间的关系。因此我们最关心的是它的转距、转速，以及转距和转速随输入电压、电流、负载变化而变化的规律，据此，电动机的运行特性可分为：起动特性、工作特性、机械特性和调速特性。对于无刷直流电动机，其电势平衡方程式为 UrIEUacpacp （2-1）对于不
26、同的电枢绕组形式和换向线路形式，电枢绕组反电动势有不同的等效表达式，但不论那一种绕组和线路结构，均可表示为12 nKEe （2-2）由式（2-1）、（2-2）可知 eacpacpeKrIUUKEn （2-3）在转矩不变时，转矩平衡方程式为12 02MMM （2-4）这里12 acpmIKM （2-5）在转速变动情况下，则12 dtdJMMM02 （2-6）下面从这些基本公式出发，来讨论无刷直流电动机的各种运行特性。(1)起动特性 由方程（2-1）、（2-5）和（2-6）可知，电动机只起动时，由于反电动势为 I 零。因此电枢电流（即起动电流）为 acprUUIn (2-7)其值可为正常工作电枢绕
27、组电流的几倍到十几倍。所以起动电磁转矩很大，电动机可以很快起动，并能带负载直接起动。随着转子的加速，反电势 E 增加，电势转矩降低，加速力矩也减小，最后进入正常工作状态。在空载起动时，电枢电流和转速的变化如下图所示。图 2-6 空载起动时电枢电流和转速曲线 需要说明，无刷直流电动机的起动转矩，除了如上所诉与起动电流有关外，尚与转子相对与电枢绕组的位置有关。转子位置不同时，起动转矩是不同的。这是因为上面所讨论的关系式都是平均值间的关系，而实际上，由于电枢绕组产生的磁场是跳跃的。当转子所处位置不同时，转子磁场与电枢磁场之间的夹角在变化。因此，所产生的电磁转矩也是变化的。(2)工作特性 在无刷直流电
28、动机中，工作特性主要包括如下几方面的关系：电枢电流和电机效率与输出转矩之间的关系。（1）电枢电流和输出转矩的关系 由式（2-5）可知，电枢电流随着负载转矩的增加而增加，如下图所示。（2）电机效率和输出转矩之间的关系 这里仅考察电动机部分的效率与输出转矩的关系，电动机效率 1121PPPP 没有输出转矩时，电动机的效率为零，随着输出转矩的增加，电动机的效率也增加。当电动机的可变损耗等于不变损耗时，电动机效率达到最大值，随后，效率又开始下降，如下图所示。I 图 2-7 工作特性图(3)机械特性和调速特性 机械特性是指外加电源电压恒定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系，由方程式（2-1）、（2-2）
29、和（2-3）可知 acpeacpACPrnKrUUI acpmeacpmacpmrKnKrUUKIKM (2-8)我们知道，式（2-8）等号右边的第一项是常数（当不计U 的变化和电枢反映的影响时）。所以，电磁转矩随转速的减小而线性增加，如下图所示 图 2-8 机械特性曲线 当转速为零时，即为起动电磁转矩。当式（2-8）右边二项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即为理想空载转速。实际上，由于电动机损耗中可变部分及电枢反应的影响，输出转矩稍稍偏离直线变化。又因为功率晶体管的饱和管压降随集电极电流的变化而变化，在基极电流不变时，功率晶体管的饱和压降和集电极电流之间的关系，如下图所示 I 图 2-9 U
30、 与集电极电流的关系示例 所以，随着转速的减小，电动机的反电势也减小电枢电流增加，U 增大，到一定值以后增加较快所以机械特性曲线在接近堵转（即转速很低）时，加快下跌，如机械特性曲线所示。又从式（2-8）可见，改变电源电压，可以容易地改变输出转矩（在同一转速下）或改变转速（在同一负载下）。所以无刷直流电动机调速性能很好，可以用改变电源电压实现平滑的调速。但此时电子换向线路及其他控制线路的电源电压仍应保持不变。综上，无刷直流电动机的运行与有刷直流电动机极为相似，有着良好的伺服控制性能。3 无刷直流电动机控制方法 3.1 直流无刷电机控制分类 据直流无刷电机定子绕组与换相开关之间联结方式的不同以及换
31、相开关结构 I 的不同，可以把对直流无刷电机的控制分为两类：一类是半桥型控制结构，另一类是全桥型控制结构。三相电机的半桥型控制结构如图 3-1 所示，电机的三相绕组直接与三只开关管相连，主电路结构简单，但是对电机绕组利用率低。而全桥型控制结构，电路相对复杂，但是对电机根据电机绕组利用率较高，提高了电机的效率 3.1.1 三相半桥电路 图 3-1 三相半桥主电路 图 3-2 三相半桥连接对应的转子位置信号 常见的三相半桥电路及对应的转子位置信号如图 3-1 和图 3-2 所示。图中 A、B、C 为电动机定子三相绕组，Tl、T2 和 T3 为三只 IGBT 功率管，主要起开关作用。H。、Hb 和
32、Hc 为来自转子位置传感器的信号。在三相半控电路中，要求位置传感器输出信号的 13 周期为高电平，23 周期为低电平，并要求各传感器信号之间的相位差也是 l3 周期。3.1.2 三相 Y 连接全控电路 三相半桥电路虽然简单，但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电 13 周期时间，另外 23 周期处于断开状态，没有得到充分利用。在运行过程中其转矩从 Tm2 变化到 Tm，波动较大。所以在对转矩要求比较高的场合，一般采用三相全控电路。如图 3-3 所示，在该电路中，电动机三相绕组为 Y 连接。T1、T2、T6 为六只功率管，起绕组的开关作用。它们的通电方式可分为两两通电方式和三三通电方式两种。本
33、次设计选择两两通电方式，主要是比较简单，容易控制。(1)两两通电方式：所谓两两通电方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔 16 周期(60。电角度)换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120。电角度。各功率管的导通顺序是 TlT2、T2T3、T3T4、T4T5、T5T6、T6Tl。当功率管 Tl 和 T2 导通时，电流从 T1 管流入 A 相绕组，再从 C 相绕组流出，经 T 回 I 到电源。图 3-3 Y 连接绕组三相桥式主电路 3.2 直流无刷电机的正反转控制 在直流无刷电机电动运行的过程中，它的通电始终与电机的转子位置信号是分不开的，因此不能简单地通过改变定子绕组导通顺序来改变电
34、机转向。具体的电机转向与转子位置信号以及定子绕组之间的换相关系如表 3-1 所示。当位置信号的上升沿产生中断时，进入中断服务子程序。通过将脉冲捕捉单元的脉冲捕 捉口设置成普通的 IO 口，并且检测这三个口的电平状态，就可以确定是电机的哪个位置传感器的电平发生变化，从而确定出电机转子磁极现在所处的位置，然后按照电机正转的相序查找数据表来确定电机换相的顺序以及比较单元的控制字，从而实现电机正转时的正确换相。表 3-1 无刷电动机直流通电控制方式开关切换表 旋转方向 位置传感器 逆变桥开关管驱动信号 A B C T1 T2 T3 T4 T5 T6 正转 0 0 1 1 PWM 0 0 0 0 0 1
35、 0 0 PWM 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 PWM 0 0 1 0 0 0 0 0 PWM 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 PWM 1 1 0 1 0 0 0 0 PWM 反转 0 0 1 1 0 0 0 0 PWM 0 1 0 0 0 0 0 1 PWM 0 1 1 0 0 0 PWM 1 0 1 0 0 0 0 1 PWM 0 0 1 0 1 0 PWM 1 0 0 0 1 1 0 1 PWM 0 0 0 0 I 3.3 直流无刷电机的双闭环控制 图 3-4 双闭环控制系统的动态结构框图 双闭环控制系统的动态结构如图 3-4，在两两导通的控制方式下，根据直流无刷电机数
36、学模型的分析可知，直流无刷电动机的电磁转矩基本上和相电流成正比。所以在本课题中采用电流内环和转速外环的双闭环调速系统，为了获的较好的静、动态性能，双闭环的两个调节器都采用 PI 调节器，并且两个调节器的输出都带有限幅。4 直流无刷电机控制系统硬件设计 4.1 系统硬件设计 图4-1 电动机驱动控制框图 I（1）微控制器 主要功能是根据电动机旋转方向和来自霍尔转子位置传感器的三个输出信号，将它们处理成功率驱动单元的六个功率开关器件所要求的驱动顺序。微控制器的另一个重要作用是根据电流和转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过 AD 变换和必要的运算后，借助内置的时钟信号产生一个带有上述各种
37、信息的脉宽调制信号。（2）功率驱动单元 主要包括功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和自举电路。自举电路由分立器件构成的，也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路。（3）位置传感器 位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。（4）周边辅助、保护电路 4.2 逆变主电路设计 4.2.1 功率开关主电路 图4-2功率开关主电路原理图 逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器
38、不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。I 4.2.2 逆变开关元件选择和计算 近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升，除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上，也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用 MOSFET 来实现。表 4-1 对 IGBT、GTR、GTO 和电力 MOSFET 的优缺点的比较 器 件 优 点 缺 点 IGBT 开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小 开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及 GTO GTR 耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低 开关
39、速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题 GTO 电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强 电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低 电 力 MOSFET 开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW 的电力电子装置 通过上述的比较，我选择MOSFET。电枢额定电流IaH=8.5A，因为每个控制元件导通120o,所以控制元件的峰值电流可以由以下方程算出。2/3018.52Idt，通过计算可
40、得I=25.5A 额定电压UH=36V，峰值电压应有一个百分之40的余量UM=UH*1.4=36*1.4=50.4V 通过以上计算，可得出选择的MOSFET峰值电流为25A,峰值电压为50V。4.3 逆变开关管驱动电路设计 4.3.1 IR2110 功能介绍(1)IR2110 的特点有：输出驱动隔离电压可达 500V；芯片自身的门输入驱动范围为 1020V；输入端带施密特触发电器；可实现两路分立的驱动输出，可驱动高压高频器件，如 IGBT、功率 MOSFET 等，且工作频率高可达 500KHz，开通、I 关断延迟小，分别为 120ns 和 94ns；逻辑电源的输入范围（脚 9）515V，可方便
41、的与 TTL，CMOS 电平相匹配。(2)IR2110 主要功能及技术参数 IR2110 采用CMOS 工艺制作,逻辑电源电压范围为5 V20 V,适应TTL 或CMOS 逻辑信号输入,具有独立的高端和低端2 个输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上,容许逻辑电路参考地(USS)与功率电路参考地(COM)之间有-5 V和+5 V 的偏移量,并且能屏蔽小于50 ns 的脉冲,这样有较理想的抗噪声效果。采用CMOS 施密特触发输入,以提高电路抗干扰能力。IR2110 浮置电源采用自举电路,其高端工作电压可达500 V,工作频率可达到500 kHz。两路通道均带有滞后欠压锁定功能
42、。其推荐典型工作参数如表3-2所示。表4-2 IR2110 工作参数 参数 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 (3)IR2110内部功能如图4-3所示：图4-3 IR2110内部框图 I LO（引脚1）:低端输出 COM（引脚2）:公共端 Vcc（引脚3）:低端固定电源电压 Nc（引脚4）:空端 Vs（引脚5）:高端浮置电源偏移电压 VB (引脚6):高端浮置电源电压 HO（引脚7）:高端输出 VDD（引脚9）
43、:逻辑电源电压 HIN（引脚10）:逻辑高端输入 SD（引脚11）:关断 LIN（引脚12）:逻辑低端输入 Vss（引脚13）:逻辑电路地电位端，其值可以为0V 功能概述 IR2110驱动器将逻辑输入信号送到相应的低阻抗输出。高端输出HO和低端基准输出LO分别以浮置电位VBS和固定电位Vcc为基准。逻辑电路为两路输出提供相应的控制脉冲。HO和LO输出分别与HIN和LIN输入同相位。当SD输入高电平时两路均关闭。当VDD低于欠电压阀值时，欠电压UV检测电路关闭两路输出。同样，当VBS低于规定的欠电压点时，欠电压检测电路也会使高端输出中断。低端延时电路可简化控制脉冲定时要求，两路输出的传播延时匹配
44、的。当Vs 为500V或接近500V时，高端功率MOSFET关断。4.3.2 驱动电路设计 图 4-4 驱动电路 系统采用三相六拍控制方式，驱动回路采用一种单极半调制的PWM 控制方 I 式，驱动器件采用 IR2110，只需一路电源即可同时驱动上、下桥臂 2 个开关器件，大大简化了驱动电源设计,功率器件采用 T1T6 的 6 路 MOSFET 实现电机的驱动。以一相为例，如图4-4所示。而无刷直流电动机的三相绕组的驱动控制共需3 组这样的驱动控制，每组控制2 个MOSFET，3 组共有6 种M0SFET 导通状态，转子每转过60就变换一种状态，控制信号从主控制器PB和PWM 口输出，输入到IR
45、2110 的上桥臂控制端10 引脚和下桥臂控制端12引脚，控制本路信号高端7 引脚和低端1 引脚的导通与截止,导通顺序依次为VT1、VT2 导通；VT2、VT3导通；VT3、VT4导通；VT4、VT5导通；VT5、VT6导通；VT6、VT1导通信号，每次只有一相绕组的上桥臂和另一相绕组的下桥臂进行导通，这样转子每转过一转，VT1VT6及按固定组合成的6 种状态依次导通，保证电机的正常运转。在此部分电路布线时一定要注意C1的位置是在紧靠VCC 电源的部分，确保滤去电源上的毛刺干扰，保证SD 端不受干扰。功率器件的栅源极的驱动电压一般为CMOS 电平(5 V 20 V),因此要在栅极增加保护电路,
46、电路中D7、D8 稳压二极管限制了所加栅极电压。为了更加安全,在电路中,功率管的栅极上分别串联电阻R1、R2 以及二极管D3、D4。4.4 控制单元 4.4.1 飞思卡尔单片机的简介 MC9S12DG128B 属于 Freescale MC9S12 系列微控制器19，是飞思卡尔半导体公司的汽车电子类产品。其内核为 CPU12 高速处理器。MC9S12DG128B 拥有丰富的片内资源，flash 达 128kb，加入裁减过的 C/OS 都没有问题，所以对于中等复杂程度的控制系统它不用扩充片外存储器。1、Freescale MC9S12 系列微控制器 Freescale MC9S12 系列 MCU
47、 是以高速 CPU12 内核为基础的微控列，简称 S12系列。典型的 HC12 总线频率为 8MHz，而典型的 S12 总线频率为 25MHz。HC12 与S12 指令完全兼容，故统称为 HCS12 系列微控制器。S12 系列微控制器主要有 A、B、C、D、E、F、G、H、L 等系列，分为以下几大类：（1）MC 9S12A 系列和 B 系列 16 位微控制器；（2）带 CAN 总线的 MC 9S12D 系列 16 位微控制器；I（3）带液晶驱动的 MC 9S12H 系列和 MC 9S12L 系列 16 位微控制器；（4）低供电电压的 MC 9S12E128 和 MC 9S12E64 系列 16
48、 位微控制器；（5）带 USB 接口的 MC 9S12UF32 系列 16 位微控制器；（6）带以太网接口的 MC 9S12NE 系列 16 位微控制器。S12 系列微控制器有以下优点：（1）S12 系列具有 FLASH 存储器；（2）S12 系列采用的 C 语言已进行了最优化设计，编码方式效率高；（3）S12 系列具有低成本调试功能。2、MC9S12DG128B 微控制器的组成 MC9S12DG128B 有 16 路 AD 转换，精度最高可设置为 10 位；有 8 路 8 位 PWM并可两两级联为 16 位精度 PWM，特别适合用于控制多电机系统。它的串行通信端口也非常丰富，有 2 路 SC
49、I，2 路 SPI 此外还有 IIC，CAN 总线，增强型捕捉定时器等端口，并且采用了引角复用功能，使得这些功能引角也可设置为普通的I/O端口使用。此外它内部还集成了完整的模糊逻辑指令，可大大简化程序设计。MC9S12DG128的封装有两种，一种为80 引角的 QFP-8 封装形式，它没有引出扩展总线，且 AD 转换只引出了 8 路；一种为 112 引角的 LQFP-112 封装形式，两种都采用了表面贴片式封装。从下面的引角图我们可以看到 MC9S12DG128 的引角复用情况，一个引角往往有双重或多重功能，而这些功能的设置大部分是通过编程来实现的，非常方便。在单片模式下，A 口、B 口和部分
50、 E 口都可以用作通用 I/O 接口，如果所有接口工作在通用 I/O 方式下，那么 I/O 口将达到 63 个。这些双重功能的 I/O 口本身及控制逻辑完全集成在 MCU 内部，其体积、功耗、可靠性、应用简单方便程度都与用户自行扩充的 I/O 口有着重要区别。LQFP-112 封装的 MC9S12DG128B 引脚图如图 4-5。I 图 4-5 MC9S12DG128B 引脚图 4.4.2 位置信号检测 位置传感器输出的信号经滤波后分别输入到单片机的脉冲捕捉单元三个引脚 PT0、PT1 和 PT2 上。当检测到三个霍尔传感器输出的信号发生上升沿与下降沿电平跳变时，便为直流无刷电机的换相时刻，此