直流无刷电机控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)

直流无刷电机控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

4）电流检测电路：电流检测一般采用 霍尔元件实现，本系统采用的芯片为 ACS712，该霍尔完成对系统电流的检测并送入单片机处理器处理。 5）位置检测电路：一般情况下，电机会有自带的三相霍尔传感器，此系统选用的自带的三相霍尔传感器的电机，霍尔传感器检测电机转子信号并送入单片机处理器处理； 6）电源电路：输入市电电压，经变压器降压后整流经稳压管稳压产生四路独立的输出电压 +/12V、 5V 和 ，给整个系统供电。 微控制器 AT89C51 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器 （ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位 单片机 处理器。 AT89C51采用 ATMEL 高密度非易失 存储器 制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8位 CPU 和闪烁 存储器 组合在单个芯片中， 使它成为 一种高效微控制器。 AT89C51 单片机 为很多 嵌入式控制系统 提供了一种灵活性高且价廉的方案。 这种单片机 应用于各种控制领域 [1]。 ⑴ AT89C51 的 主要性能参数： 1） 与 MCS51 兼容 ； 2） 4K字节可编程 FLASH 存储器 ； 3） 寿命： 1000 写 /擦循环 ； 4） 数据保留时间： 10 年 ； 5） 全静态工作： 0Hz24MHz； 6） 三级 程序存储器 锁定 ； 7） 1288 位内部 RAM； 8） 32可编程 I/O 线 ； 9） 两个 16 位 定时器 /计数器 ； 10） 5个 中断源 ； 11） 可编程串行通道 ； 12） 低功耗的闲置和掉电模式 ； 13） 片内振荡器和时钟电路 ； ⑵ 特性概述： AT89C51 提供以下标准功能： 4K 字节 Flash闪速存储器， 128 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时 /计数器，一个 5 向量两级中断结 构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。 空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时 /计数器，串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM中的内同，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作指导下一个硬件复位。 AT89C51 引脚图如图 32 所示。 图 32 AT89C51 芯片引脚图 逆变电路 S1S3S2Vi nS4S6MS5 图 33 逆变器主电路 逆变器是将直流电转换成交流电然后再 向电机供电， 采用三相桥式全控逆变电路， 其主电路如图 33 所示， 功率开关器件采用功率 MOSFET。 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。 功率 MOSFET 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。 MOSFET 是英文（ MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor）的缩写，译成中文是 “金属氧化物半导体场效应管 ”。 MOSFET 是由金属、 二 氧化 硅或氮化硅与 半导体 制成 的 半导体 器件。 N沟道增强型 MOSFET的 结构 图 如 图 34所示， MOSFET底部为 一块 P型硅半导体材料 (图 34① a)， 第二层设置了 两个 N型区 (图 34① b)， 第三 层 扩散了 二氧化硅绝缘层 (图 34① c)， 由 N区上方 采 用 一定 的方法 引出 两个孔， 然后 用 一定 的方法分别在绝缘层上及两个孔内 引出了 三个电极： G(栅极 )、 S(源极 )和 D(漏极 )， 最后做成 如 (图 34① d)所示 的样子。 图 34 功率 MOSFET 的结构图 从图 34 中 可以看出 MOSFET 的 G 极 与 D 极 和 S 极是相互 绝缘的， D 极 与S 极 之间有两个 PN 结。 一般情况下， MOSFET 的衬底与源极在内部连接在一起。 为了改善某些参数的特性，比如提高 MOSFET 的工作电流、工作电压、降低导通 电阻、提高开关特性等，厂家制成不同的结构及工艺，比如现有的 VMOS、DMOS、 TMOS 等结构。 根据 MOSFET 结构及工作特性，本系统选择的开关器件为功率 MOSFET， 全桥逆变电路的设计 本系统采用 三相桥式全控逆变电路 ，拓扑结构如图 31 所示，在电路图设计中，六个功率开关器件选用国际整流公司的 IRF3205 型功率 MOSFET,如图 35a)所示。 这种器件为 N 沟道型 MOSFET。 其特点是导通内阻小，这样通态损耗低，耐压 55V，额定电流 110A，因此适用于低压大电流的功率变换场合。 硬件电路设计图 如图 35 所示。 QB QB QB5 三个 IRF3205 作为上 桥 臂，另外 QB QB QB6 为下臂。 六个 IRF3205 通过驱动电路给予的 驱动信号控制 其 导通与 关断 ，在驱动过程 为了 避免上下 管 直通 导致短路，驱动信号间设置有一定的死区时间 ， 另外， 为了减小 IRF3205 管发热，提高 整体 效率，必须为 IRF3205管提供足够的驱动能力 ，另外，每个 IRF3205 上接有两个电阻，比如 QB1 上，RB1 是驱动电阻， RB2 为给功率开关管 IRF3205 结电容提供放电回路的放电电阻。 a) IRF3205 图 35b)三相全 桥硬件电路图 另外，在 图 35b)下 桥 臂三个 IRF3205 功率放开关管 QI 的 源极下面反接了一个 IRF3205 功率开关 管， 这样做目的 是为了防止电源正负极反接对电机造成损坏。 如果输入 电源反接， QI 管则关断 ， 系统没有回路，电流无法流通， 这样就能够起到电源反接保护 的 作用。 驱动电路 前面提到六个 IRF3205 管都需要一定的驱动信号还能工作，而单片机的信号功率微弱，中间必须加功率放大环节，在本系统中，采用专门的全桥电路驱动芯片 IR2103 来驱动三相桥式变换器， IR2103 的输出电压 1020V, 这款芯片自带自举电路驱动功能，专门为全桥电路上下功率管提供驱动，外围电路相对简单，不用为全桥中的上管提供专门的隔离驱动电源。 采用自举驱动方法可降低生产成本，提高电路可靠性。 图 36 为 IR2103 驱动芯片引脚图及其输入 /输出状态。 图 36 IR2103 引脚及其输入 /输出状态图 图 37 IR2103 原理图 IR2103 采用自带的自举电路，其工作原理图如图 37 所示。 图 37 中电容 C、二极管 VD 分别为自举电容和自举二极管。 自举电路的工作过程 [2]为： 与桥臂上功率开关管 Q1 的源极和下功率开关管 Q2 的漏极与自举电容 C 的负极连接，当桥臂下功率开关管 Q2 驱驱动导通时，由于 IR2103 管 的内阻很小，其压降小，可忽略不计，此时 VS 点电压可近视为零；这个时间段，供电电源 VCC 可通过自举二极管 VD 向自举电容 C 充电。 当桥臂下功率开关管 Q2 截止后，自举电容C 两端屯压保持不变，接下来在桥臂上管驱动导通的时候， C 通过驱动芯片内MOSFET 管 QV1 向外总功率开关管栅极放电，桥臂上管驱动信号导通后，由于IR2103 管 的内阻很小，压降小，电源母线电压与 VS 点相连，自举电容 C 的正极电压为母线电压与电源电压 VCC 两者之和 ,二极管 VD 的反向作用截止， 电容C 无法放电，因此上桥臂管驱动信号保持不变。 当上桥臂管驱动截止时，电容 C通过驱动芯片内 MOSFET 管 QV2 放电， Q1 截止。 在两路互补的 PWM 信号驱动下，驱动信号按上述方式完成了对桥臂中的上下功率 MOSFET 管的驱动。 功率 MOSFET 管驱动电路图如图 38 所示。 图 38 功率 MOSFET 管驱动电路图 电流检测电路 为了对变换器进行时实控制，就必须把变换器的时时工作状态反映到控制电路中，以供控制电路处理并调整，这就必须引入对主电路的信号采样。 电流采样的方法有电流互感器、霍尔元件和直接电阻采样。 采用霍 尔元件取样 ,控制和主功率电路有隔离 ,可以检出直流信号 ,信号还原性好 , 但有 μs 级的延迟 ,并且价格比较贵。 采用电阻取样价格非常便宜 ,信号还原性好 ,但是控制电路和主功率电路不隔离 ,功耗比较大。 而电流互感器采样具有能耗小、频带宽、信号 还原性好 价格便宜、控制和主功率电路隔离等诸多优点 本次设计中，主要采用电流互感器 对系统 电流信号采样，电流互感器选用LEM 公司生产的 ACS712 型号的高速电流互感器， ACS712 可为工业、商业和通信系统中的交流或直流电流感测提供经济实惠且精确的解决方案。 该器件封装便于客户轻松实施。 典 型应用包括电动机控制、载荷检测和管理、开关式电源和过电流故障保护 [3]。 ACS712 型号 工作电压 为 12， 输出电流为 5A~+5A，最大误差177。 %检测频率可以到 200KHz。 因此完全符合我们的设计要求。 采用三个 ACS712 分别测量三相的相电流，将其送入 AT89C51，经过 ADC 读入微控制器，完成对三相电流的检测和处理形成电流闭环。 其电路图如图 39 所示。 图 39 电流检测电路 位置检测电路 系统的位置检测电路 如图 310 所示，由于 AT89C51 芯片高电平对应的电压为 ，因此 本设计中采用分压电阻分压的方式使得输入 AT89C51 芯片的 I/O口为。 电机有三路霍尔信号，将其分别送到 AT89C51 的 3 个 I/O 口 PCO、PC PC2 中， AT89C51 芯片会根据输入 3 路的霍尔信号，进行软件编程设置对应的 PWM 波时序。 图 310 位置检测电路 电源电路 系统的供电电源部分结构框图如图 311 所示，将电网侧的 220V 交流电经过变压器降压，整流，滤波及稳压后给系统供电。 实际系统中，变压器采用副边12V 双端输出的变压器，整流电路采用 4 个 IN4001 整流二极管进行桥式不可控制整流后，进过 35V， 1000uF 大电容进行滤波，然后分别进过 LM781 LM791。