免费毕业论文--电动车无刷直流电动机控制设计(六)

 对AH管和CL管进行脉宽调制，改变占空比，就可控制电流i的平均值，从而控制平均转矩。
2.2.2机械特性和调速特性分析
 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。由式2．1、2．2、2．3可知，式2．12等号右边的第一项是常数(当不计AU的变化和电枢反应的影响时)。

 所以电磁转矩随着转速的减小而线性增加。当速度为零时，即为起动电磁转矩。当式2.11右边两项相等时，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着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成正比的关系。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。所以其机械特性是在接近堵转(即转速很低)时，加快下跌。

 若假定外加直流电压一定，减小电机负载，转速升高，逆变器的触发频率也会提高，同时反电势增加，电流减小，电磁转矩也减小。当电磁转矩和负载转矩平衡时，电机就维持在一个较高的转速下运行。如果负载不变，提高外加直流电压，则转速升高，逆变器的频率提高，反电势增大，使电流减小，电磁转矩又呈现减小趋势，这样就使电机维持在一个较高的转速下运行。由此可见，由于无刷直流电动机的自同步性，其调速方法与有刷直流电动机非常相似，可通过调节直流电压来实现。又从式2.12可见，改变电源电压，可以很容易地改变输出转矩(在同一转速下)或(在同一负载下)。所以在电子换相线路及其它控制线路保持不变的情况下，无刷直流电动机调速性能很好，可以利用改变电压来实现平滑的调速。
2.2.3其他特性分析
 无刷直流电机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电动势和转速等。这些物理量的表达式与电机气隙磁场分布、绕组形式有十分密切的关系.对于稀土永磁无刷直流电机，其气隙磁场波形可以为方波，也可以是正弦波或者梯形波，本文主要研究方波无刷直流电机的特性及其控制策略，其气隙磁场的理想波形如图2.6所示。为气隙磁感应强度.
 对于二相导通星形三相六状态无刷直流电机，方波气隙磁感应强度在空间的宽度应大于120°电角度，在定子电枢绕组中感应的梯形波反电势的平顶波宽度应大于120°电角度。这种具有方波气隙磁感应强度分布、梯形波反电势的无刷直流电机称为方波电机。方波电机通常采用方波电流驱动，即与120°导通型三相逆变器相匹配，由逆变器
 
 图2．6方波气隙磁场分布
 
 向方波电机提供三相对称的、宽度为120°电角度的方波电流。方波电流应与电势同相位或位于梯形波反电势的平顶波宽度范围内，如图2.7所示.其中B为磁通密度，ea和ia分别为一相的反电势和相电流。
2.3直流电动机的PWM调速原理
 直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法就是调节电枢电压。改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制（PWM）技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。它被越来越广泛的应用在各种功率的调速系统中。
 本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。图2.8是对电机进行PWM调速控制时的电枢绕组两端的电压波形。当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us, t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0, tz秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。

式中占空比a表示在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值，a变化范围为0-1之间。所以当电源电压Us不变时，电枢的端电压的平均值U。取决于占空比的大小，改变a值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的.理想空载转速与占空比a成正比。
2.4霍尔传感器
 霍尔器件是一种磁传感器。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量，可用于磁场的测量和控制。霍尔器件具有许多优点，它们的体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHz),耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动，无回跳、位置重复精度高。此外，其工作温度范围宽，可达一55°C-150°C。
 由无刷直流电机控制系统工作原理可知，电机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。由于电动自行车的电机安装在轮毅内，对电机的尺寸和位置传感器体积的要求都比较高，考虑传感器的体积和性能通常采用的传感器是磁敏式开关式传感器，目前使用最广泛的是开关型霍尔集成传感器。
2.4.1开关型霍尔集成传感器
 开关型集成霍尔元件，简称霍尔开关，是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级组成的集成电路。输入是磁感应强度，输出是数字信号。其内部结构与引脚以及输出特性如图2.9所示。
 
 由此可见开关集成霍尔传感器可与数字电路直接配合使用，直接满足控制系统的需要。
2.4.2霍尔器件在无刷直流电机中的应用
 当霍尔传感器用作无刷直流电机转子位置信息检测装置时，将其安放在电机定子的适当位置，霍尔器件的输出与控制部分相连。当无刷直流电机的永磁转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令霍尔器件输出一个电压信号，该信号被送到控制部分，由控制部分发出信号使得定子绕组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，从而产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动.当转子到下一位置时，前一位置的霍尔器件停止工作，下一位置的霍尔器件输出电压信号，控制部分使得对应定子绕组通电，产生推斥场使转子继续转动，如此循环，维持电机运转。

第三章 无刷直流电机控制器硬件设计
 无刷直流电机控制器在控制方式上主要有以专用集成芯片、单片机和DSP芯片控制三种方式。以专用集成芯片为核心的控制器，系统结构简单，价格较便宜，但是系统灵活性不足，保护功能有限:以DSP芯片为核心的控制器，控制精度较高，但是算法较复杂，开发周期长，成本较高，不易在市场上推广。本设计使用单片机作为主控芯片可以弥补上述两方案的不足。
3.1单片机选择
 目前，市场上有很多无刷电机专用控制芯片，大部分电动车生产厂商采用Motorola公司的MC3303无刷电机专用控制芯片，它具有无刷直流电机控制系统所需要的基本功能。本设计采用PIC16F72单片机作为主控芯片，不仅可以实现专用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易实现系统扩展，通过软硬件设计，实现多功能的电机控制

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