目錄

• 概述
• BLDC發(fā)展
• • 歷史
  • 現(xiàn)狀
  • 未來前景
• 工作原理
• • BLDC結(jié)構(gòu)
  • 六步法
• 啟動(dòng)方式
• • 轉(zhuǎn)子預(yù)定位
  • 轉(zhuǎn)子的同步加速
  • 切入轉(zhuǎn)子正常旋轉(zhuǎn)程序
• 反電動(dòng)勢檢測法
• 硬件設(shè)計(jì)
• • 控制模塊最小系統(tǒng)
  • 三相逆變器電路及其驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
  • 端電壓檢測電路設(shè)計(jì)
  • 電流采樣電路設(shè)計(jì)
• 回顧

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概述

無位置傳感器的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)是我的本科畢業(yè)論文課題，主要還是去查閱資料，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，然后自己設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)，努力復(fù)現(xiàn)一下。

BLDC發(fā)展

歷史

無刷直流電機(jī)是從有刷直流電機(jī)的應(yīng)用基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它的英文是Brushless DC Motor。一般的，有刷直流電機(jī)的定子上裝有固定的磁極來產(chǎn)生固定磁場，還裝有電刷，用來與轉(zhuǎn)子的換向器接觸，其轉(zhuǎn)子上裝有電樞繞組和換向器。

在1917年，Boliger就提出過一種新的電機(jī)換向方法，就是改用整流管實(shí)現(xiàn)換相，這種方式去掉了電刷，提出了無刷直流電機(jī)的概念。但在當(dāng)時(shí)，沒有理想的電子元器件實(shí)現(xiàn)換相，因此無刷直流電機(jī)的發(fā)展僅僅停留在概念階段。1955年，美國的D. Harrison等人第一次申請了使用晶體管換向電路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專利，從此標(biāo)志著現(xiàn)代無刷電機(jī)的誕生。在1978年，德國的 的 公司正式推出了MAC無刷直流電機(jī)，這標(biāo)志著無刷直流電機(jī)進(jìn)入大規(guī)模商用階段。

無刷直流電機(jī)在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的缺點(diǎn)，最顯著的一點(diǎn)就是無刷直流電機(jī)用傳感器與電子換向電路取代了有刷直流電機(jī)上的電刷和換相器。因此無刷直流電機(jī)不僅擁有傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在電機(jī)結(jié)構(gòu)、調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)差性能、壽命與維護(hù)等方面也要優(yōu)于傳統(tǒng)直流電機(jī)。無刷直流電機(jī)的誕生與商用掀起了一場設(shè)備更新潮，它的各種優(yōu)點(diǎn)使其在目前工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)成為重要的運(yùn)動(dòng)部件，小到四旋翼無人機(jī)的電機(jī)、電動(dòng)自行車的動(dòng)力輪，大到醫(yī)療設(shè)備、航空航天設(shè)備等。當(dāng)然關(guān)于它的各種研究和改進(jìn)也在不斷進(jìn)行。

現(xiàn)狀

無刷直流電機(jī)取消了電刷和換向器，從而失去了機(jī)械的磁場換向機(jī)構(gòu)，磁場換向通過傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，利用轉(zhuǎn)子的位置信息來控制由開關(guān)電子器件構(gòu)成的換向電路來達(dá)到磁場換向的目的。在無刷直流電機(jī)發(fā)展伊始，工程師們使用模擬電路來檢測轉(zhuǎn)子位置和控制開關(guān)器件。隨著數(shù)字信號處理器、永磁材料和電力電子器件技術(shù)的飛速發(fā)展，無刷直流電機(jī)技術(shù)向數(shù)字化，智能化邁進(jìn)。

在現(xiàn)階段的無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)中，一款優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)是十分重要的。驅(qū)動(dòng)器需要正確檢測到轉(zhuǎn)子位置信息，而且需要可靠的控制算法來控制功率器件的開通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的控制效果。

目前，無刷直流電機(jī)的主要控制方法有：PID控制、模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制、基于鎖相環(huán)的控制等。PID控制中P是指比例，I是指積分，D是指微分。通過調(diào)整這三個(gè)參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下生成不同的控制量，來控制對象來達(dá)到理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但是由于只有三個(gè)可調(diào)參數(shù)使得控制精度不夠，所以導(dǎo)致其在一些需要精密控制的領(lǐng)域不能發(fā)揮作用。模糊控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制都是非線性的控制方式，模糊控制是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的理論來對一些變量比較多的復(fù)雜系統(tǒng)來進(jìn)行控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制是讓控制對象在不同的控制邏輯下來回切換，由于此時(shí)處于滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對未知干擾的敏感降低，使系統(tǒng)有比較好魯棒性。其余的控制方式各有特點(diǎn)，在特定領(lǐng)域能對無刷直流電機(jī)有良好的控制。

在位置檢測領(lǐng)域，一般就有位置傳感器檢測法和無位置傳感器檢測法。位置傳感器有電磁式的，可以安裝在定子組件上，來檢測轉(zhuǎn)子永磁體轉(zhuǎn)動(dòng)，通過磁場的變化記錄轉(zhuǎn)子位置信息，也有光電式的，將光源和接收器安裝在定子組件上，轉(zhuǎn)子上安裝遮光板，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，接收器產(chǎn)生的脈沖信號則是轉(zhuǎn)子位置信息。無位置傳感器檢測法有一種H. Lehuy等人提出的反電動(dòng)勢檢測法，這種方法不需要在電機(jī)內(nèi)安裝位置傳感器，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。還有一些學(xué)者提出過續(xù)流二極管法和基于定子磁鏈估計(jì)法等無位置傳感器檢測法。

未來前景

首先，無位置傳感器的無刷直流電機(jī)相比較于普通的有傳感器（光電式、電磁式、霍爾式）的無刷直流電機(jī)，有以下的優(yōu)勢：
① 沒有傳感器占用空間，可以把電機(jī)做得更小，也因?yàn)闆]有傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)；
② 位置傳感器增加了電機(jī)系統(tǒng)得慣量，進(jìn)而影響了整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)性能；
③ 位置傳感器中的信號傳輸一般來說頻率較高，容易受到外界干擾，不適宜在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下工作。
所以無位置傳感器的無刷直流電機(jī)更適合做成小型的，可以在強(qiáng)干擾環(huán)境下完成工作的特種電機(jī)。但是由于實(shí)現(xiàn)無位置傳感器需要使用到反電勢檢測法，但其在中、低速情況下性能不佳，所以這種電機(jī)最好制作成高速電機(jī)。
其次，無位置傳感器的無刷直流電機(jī)（BLDC）相比于無位置傳感器的永磁同步電機(jī)（PMSM）也有不少區(qū)別。

PMSM是使用正弦波調(diào)制，控制算法比較精細(xì)，適合中低速，大轉(zhuǎn)矩的精確控制，但由于高速之后的載波比降低會(huì)帶來的電流采樣以及離散化等等的一些問題，所以需要硬件成本較高。由于BLDC是方波調(diào)制，調(diào)制方式和之后的控制算法均比較簡單，雖然在中低速以及精確控制方面比不上PMSM，但比較適合高速旋轉(zhuǎn)、小功率小型化、低成本的電機(jī)需求情況。
綜上所述，無位置傳感器的無刷直流電機(jī)在未來會(huì)向高轉(zhuǎn)速、功率小的小型特種電機(jī)方向去發(fā)展。當(dāng)然，通過算法的不斷改進(jìn)和優(yōu)化，未來的BLDC也會(huì)有比較好的中低轉(zhuǎn)速性能和比較好的精確性。

工作原理

BLDC結(jié)構(gòu)

一般來說，有刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是電樞，磁極則貼在定子上，提供恒定的磁場。無刷直流電機(jī)則與其不同，即轉(zhuǎn)子上貼有磁極，定子上安放電樞。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，無刷直流電機(jī)一般分為內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)和外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)。本文使用的是一款外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)。

逆變器功率模塊可以采用全橋式也可以采用半橋式。雖然半橋式結(jié)構(gòu)比較簡單，但是會(huì)產(chǎn)生比較大的波動(dòng)，擾亂原本的控制邏輯，故本文采用全橋式逆變電路。對于三相全橋逆變電路來說，一般有二二導(dǎo)通的控制方式和三三導(dǎo)通的控制方式。在本文中采用的是二二導(dǎo)通的控制方式。

無刷直流電機(jī)的工作原理從本質(zhì)來說還是依靠電樞磁場與永磁體產(chǎn)生的固定磁場之間互相作用產(chǎn)生的電磁力，來生成電磁轉(zhuǎn)矩，來驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，電機(jī)的定子繞組為三相星形，本文驅(qū)動(dòng)的是一款4對極的外轉(zhuǎn)子的無刷直流電機(jī)，外轉(zhuǎn)子上共有8塊永磁體貼片。

六步法

六步法中的三相電機(jī)每次只有兩組繞組有電流通過，產(chǎn)生磁場。為了讓電機(jī)旋轉(zhuǎn)，一般按照Q1Q2—Q2Q3—Q3Q4—Q4Q5—Q5Q6—Q6Q1的順序依次導(dǎo)通功率開關(guān)管。

如圖2-4，此為無刷直流電機(jī)在狀態(tài)①時(shí)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)始末位置的示意圖。當(dāng)Q1和Q2導(dǎo)通時(shí)，電流從Q1流入A相，又由于X、Y、Z為星型連接的中性點(diǎn)O，B相所屬的上下管Q3和Q6均為關(guān)閉狀態(tài)，所以電流只能由X流入Z進(jìn)入C相，再由C流出，經(jīng)Q2入地。此時(shí)由A相和C相合成的總磁場相當(dāng)于一塊N極在Y處，S極在B處的磁鐵，在圖中央的永磁轉(zhuǎn)子會(huì)受到其的斥力，從圖（a）處順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60度到達(dá)圖（b）所示的位置，在這時(shí)，開關(guān)管就需要進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)，Q2Q3導(dǎo)通。

由Q1Q2導(dǎo)通變到Q2Q3導(dǎo)通，其實(shí)就是讓電流從B處流入B相，再由Y處流入C相，而不再是讓A相通電。這時(shí)，相較于狀態(tài)①，在狀態(tài)②時(shí)線圈產(chǎn)生的磁場順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了60°，這樣就會(huì)產(chǎn)生如狀態(tài)①初始位置時(shí)一樣大的電磁轉(zhuǎn)矩，促使永磁轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。如圖2-5，轉(zhuǎn)子就會(huì)從圖（a）處順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°到圖（b）處，與狀態(tài)①的結(jié)束時(shí)刻一樣，這時(shí)需要改變開關(guān)管的通斷，由Q2Q3導(dǎo)通變?yōu)镼3Q4導(dǎo)通。

之后的轉(zhuǎn)子就按照這樣的邏輯一步一步地每次60°地旋轉(zhuǎn)，直到回到狀態(tài)①，就繼續(xù)循環(huán)，這樣電機(jī)就會(huì)一直旋轉(zhuǎn)下去。如圖2-6，其所示的是每個(gè)狀態(tài)結(jié)束時(shí)的轉(zhuǎn)子位置，其中圖（d）是狀態(tài)⑥的結(jié)束位置，它與圖2-4（a）所示位置相同，即開關(guān)管狀態(tài)可進(jìn)入下一輪循環(huán)。如果想讓永磁轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，則只需要把狀態(tài)反序，即將開關(guān)管按狀態(tài)①_⑥⑤……②~①的順序通斷。

啟動(dòng)方式

因?yàn)殡S著電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，其反電動(dòng)勢的幅值則會(huì)越高。但是當(dāng)電機(jī)在啟動(dòng)和低速狀態(tài)時(shí)，其反電動(dòng)勢比較小，導(dǎo)致檢測裝置檢測不到信號，或者是準(zhǔn)確度差、不穩(wěn)定。所以在電機(jī)的啟動(dòng)和低速階段，一般不使用反電動(dòng)勢法來檢測轉(zhuǎn)子位置。可以使用以下的三步啟動(dòng)法，來使無刷直流電機(jī)啟動(dòng)。

轉(zhuǎn)子預(yù)定位

由于慣性旋轉(zhuǎn)、人為干擾等原因，電機(jī)在上次停轉(zhuǎn)后所處的位置是未知的，盲目地將隨機(jī)位置地轉(zhuǎn)子從一個(gè)固定的狀態(tài)直接旋轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)異常。轉(zhuǎn)子預(yù)定位，就是將電機(jī)在旋轉(zhuǎn)前，將轉(zhuǎn)子預(yù)先固定在一個(gè)初始位置，以便于之后的加速。轉(zhuǎn)子預(yù)定位可以采用兩相長時(shí)間導(dǎo)通，旨在吸引轉(zhuǎn)子固定在一個(gè)確定位置，如圖3-1（a），黑色箭頭代表電磁轉(zhuǎn)矩。但是這種方法過于理想，會(huì)出現(xiàn)如圖3-1（b）中的情況，此時(shí)轉(zhuǎn)子的磁勢和繞組產(chǎn)生的磁勢是180°相反的關(guān)系，這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩極小甚至沒有。所以一般使用雙狀態(tài)預(yù)定位，就是首先讓電流流入A相，從C相流出，緊接著切換成一個(gè)臨近的狀態(tài)，比如讓電流流入B相，從C相流出，這時(shí)，不管在什么位置的轉(zhuǎn)子都會(huì)至少轉(zhuǎn)動(dòng)過一次。最后再讓電流從A相流入，C相流出。這樣就可以避免轉(zhuǎn)子磁勢與定子磁勢相反，電磁轉(zhuǎn)矩幾乎為0這種特殊情況，從而避免定位失誤。

在實(shí)際操作中，會(huì)出現(xiàn)電壓的PWM占空比過小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩過大，機(jī)械摩擦力過大導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不旋轉(zhuǎn)，從而定位失敗；或者，出現(xiàn)電壓的占空比過大，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱，或者轉(zhuǎn)子在指定位置后不停左右抖動(dòng)。所以，在實(shí)際操作中，要根據(jù)電機(jī)的特性，不斷實(shí)驗(yàn)，調(diào)整好最佳的轉(zhuǎn)子預(yù)定位電壓占空比，如果負(fù)載過重，需要按需調(diào)節(jié)占空比。如果導(dǎo)致定位失敗甚至堵轉(zhuǎn)，則需要關(guān)閉所有開關(guān)管，停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)并且發(fā)出聲、光報(bào)警信號。

轉(zhuǎn)子的同步加速

轉(zhuǎn)子定位后需要進(jìn)行無反饋的同步加速。加速的方法就是以一定的時(shí)間間隔按順序切換開關(guān)管的六步狀態(tài)，這種工作狀態(tài)類似于鼠籠異步電機(jī)，前者的頻率是程序設(shè)定，后者頻率是50Hz工頻，前者的電流是呈方波形狀，后者是正弦波形狀。區(qū)別在于前者必須做到無反饋地與設(shè)定頻率同步，后者則允許有轉(zhuǎn)差率。
為了做到同步加速，有恒頻率升壓的方式和升頻率升壓的方式。恒頻率升壓是指切換開關(guān)管狀態(tài)的頻率恒定不變，通過提高PWM占空比，來讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)至開關(guān)管的頻率，中間如果負(fù)載較大，則容易產(chǎn)生失步現(xiàn)象。升頻率升壓的方式是指開關(guān)管頻率和PWM占空比匹配提高，其對程序要求較高，但是效果好，可以避免失步情況。相比于恒頻率升壓的方式，升頻率升壓有更好的適應(yīng)負(fù)載的能力，啟動(dòng)更加平順。其實(shí)兩種方式都需要不停試驗(yàn)，調(diào)出各個(gè)特征參數(shù)，來滿足實(shí)際使用情況。

切入轉(zhuǎn)子正常旋轉(zhuǎn)程序

隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不斷提高，其反電動(dòng)勢的幅值也在不斷地增加。當(dāng)反電動(dòng)勢檢測程序可以正常且穩(wěn)定地讀出反電動(dòng)勢值，并成功判斷其過零點(diǎn)數(shù)次后，則可以使用反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測法對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測，隨后切入使用轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行開關(guān)管狀態(tài)切換的程序。在切換程序過程中，如果轉(zhuǎn)速不同，或者上一個(gè)環(huán)節(jié)的結(jié)束點(diǎn)和這個(gè)階段的啟動(dòng)點(diǎn)相差太大的話，都會(huì)導(dǎo)致抖動(dòng)。如果是對于特殊工作情況，可以通過設(shè)定一個(gè)切換轉(zhuǎn)速，來約定切換時(shí)機(jī)，并且調(diào)節(jié)參數(shù)和程序，使得切換時(shí)的啟動(dòng)點(diǎn)就是結(jié)束時(shí)的工作點(diǎn)。

反電動(dòng)勢檢測法

當(dāng)轉(zhuǎn)子上的永磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)切割繞組產(chǎn)生反電動(dòng)勢，而且轉(zhuǎn)速越大，其產(chǎn)生的反電動(dòng)勢也越大，這個(gè)反電動(dòng)勢是可以使用檢測電路檢測的。檢測三相繞組中反電動(dòng)勢，根據(jù)其變化，就可以得知轉(zhuǎn)子是否到達(dá)六個(gè)關(guān)鍵換向節(jié)點(diǎn)，并決定是否進(jìn)行換相操作。

總結(jié)無刷直流電機(jī)運(yùn)行原理的規(guī)律，不難發(fā)現(xiàn)每個(gè)開關(guān)會(huì)連續(xù)開兩個(gè)狀態(tài)的時(shí)間后關(guān)閉，比如在狀態(tài)①切換到狀態(tài)②時(shí)，Q2是一直開通的狀態(tài)，只有Q1被關(guān)閉，Q3被打開。由于開關(guān)管控制每一相中電流的流向，所以可以知道，每一相都在連續(xù)兩個(gè)狀態(tài)時(shí)間中的電流流向不發(fā)生變化，而在那兩個(gè)狀態(tài)時(shí)間過后的一個(gè)狀態(tài)時(shí)間，是用于電流變向。之后的三個(gè)狀態(tài)時(shí)間內(nèi)再完成一次電流變向，以六個(gè)狀態(tài)時(shí)間為周期，周而復(fù)始地進(jìn)行下去。其實(shí)，反電動(dòng)勢也是按照這個(gè)規(guī)律進(jìn)行變化的。每一相的反電動(dòng)勢在定子電流持續(xù)流過的兩個(gè)狀態(tài)時(shí)間內(nèi)，是恒定不變的非零值，當(dāng)定子電流需要進(jìn)行換向的那個(gè)狀態(tài)中，由于該相的浮地段是不導(dǎo)通的，其端電壓或相電壓就會(huì)發(fā)生變化，這也反映出該相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢，如圖3-2，它的大小會(huì)由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值或者由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎怠＿@時(shí)就需要檢測其過零點(diǎn)的時(shí)刻，，但過零點(diǎn)的時(shí)刻并不是換相的時(shí)間點(diǎn)，因?yàn)檫@是轉(zhuǎn)子的磁勢是出于不導(dǎo)通的那一組繞組的軸線上。在應(yīng)用中，需要按照實(shí)際情況延遲30°+60°k（k=0，1，2…）才能到達(dá)應(yīng)該換相的位置，這時(shí)通過控制器發(fā)出控制信號，這樣就可以使功率開關(guān)管導(dǎo)通或者關(guān)斷，使無刷直流電機(jī)不停地旋轉(zhuǎn)下去。

從圖3-2中可以看出，無刷直流電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢是呈梯形波形狀的，而其定子電流是斷續(xù)的方波形狀。因?yàn)樵陔姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，定子中總有兩相繞組會(huì)通過電流，使那兩相繞組中也會(huì)生成大小相等、方向相反的反電動(dòng)勢。等其中一相繞組斷開時(shí)，其電流立即降為零，但是反電動(dòng)勢會(huì)通過開關(guān)管和二極管進(jìn)行續(xù)流，會(huì)由正變負(fù)或者由負(fù)變正，與下一段電流反向時(shí)的反電動(dòng)勢接續(xù)。在一個(gè)周期中，每相的反電動(dòng)勢有兩次過零點(diǎn)，三相則可以接收到6次過零點(diǎn)信號，滯后30°+60°k（k=0，1，2…）后即為開關(guān)管換相的信號。

硬件設(shè)計(jì)

在之前，本文已經(jīng)對無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理、數(shù)學(xué)模型以及轉(zhuǎn)子位置檢測方法進(jìn)行了分析。這一章將會(huì)在之前的理論基礎(chǔ)上來設(shè)計(jì)一款無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖4-1，其主要包括了控制處理模塊、三相逆變器模塊和轉(zhuǎn)子位置檢測模塊，當(dāng)然還有電源以及電機(jī)本體。

此設(shè)計(jì)為一體化設(shè)計(jì)，圖中虛線框中的部分是被安排在一塊電路板上的，即驅(qū)動(dòng)器一體化。這樣做符合BLDC設(shè)計(jì)小型化、緊湊化的初衷，整個(gè)驅(qū)動(dòng)器只有長和寬10cm和高8cm的大小，而且還有設(shè)計(jì)得更小的潛能，如圖4-2，此為PCB的3D預(yù)覽圖。

控制模塊最小系統(tǒng)

由于近年來，ST公司的芯片價(jià)格普遍較高，經(jīng)過在性能和價(jià)格方面的比較，最終選擇STM32F401RCT6作為主控微處理器。這是一款基于高性能ARM Cortex-M4的32位RISC（精簡指令集）內(nèi)核，其主頻為84MHz，擁有64kB的RAM和256kB的片載Flash，擁有50個(gè)可編程I/O口。在控制方面，有5個(gè)16位和2個(gè)32位的通用計(jì)時(shí)器，和1個(gè)自帶死區(qū)控制的電機(jī)控制16位計(jì)時(shí)器。其他方面，有1個(gè)16通道的12位ADC，以及若干I2C、USART、SPI通訊控制器。基于該款單片機(jī)設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)和輸入輸出設(shè)備的原理圖如圖4-4和圖4-5所示。

最小系統(tǒng)原理圖除了芯片各引腳連接去向，還包括以下幾個(gè)部分：晶振電路中選用8MHz的晶振和22pf的電容，給芯片提供穩(wěn)定的外部時(shí)鐘源；復(fù)位電路利用一顆按鍵接地來控制程序復(fù)位；ST-Link電路實(shí)現(xiàn)了程序的燒錄；BOOT電路是選擇芯片的啟動(dòng)路徑，在這里本文默認(rèn)接地為片內(nèi)Flash啟動(dòng)。

三相逆變器電路及其驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

三相全橋逆變器模塊主要有兩個(gè)部分組成，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路，一個(gè)是橋式電路。如圖4-6所示的是A相的驅(qū)動(dòng)器電路。

EG3112是一款高性價(jià)比的MOS、IGBT驅(qū)動(dòng)芯片。專用的MOS驅(qū)動(dòng)電路可以避免使用芯片的控制信號直接控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，增大控制信號的帶載能力，也起到隔離作用，防止反灌電流對主控芯片造成損害。其輸出的HO1和LO1信號最終輸入MOS管的G極，HO1控制上管，LO1控制下管。

如圖4-7所示的是一個(gè)三相全橋逆變電路。它由六個(gè)MOS管組成，其中兩兩一組組成三個(gè)橋臂，上下橋臂能單獨(dú)導(dǎo)通和關(guān)斷。MOS管采用的是IRLR8726，這是一款N溝道增強(qiáng)型MOS管，最高耐壓30V，在G極電壓為10V時(shí)，最大可通過電流為86A。該MOS管符合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，是一款非常適合用來驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的MOS管。橋臂下方與接地點(diǎn)之間串聯(lián)了一個(gè)電阻，其電阻不僅可以防止上下橋臂因失誤而同時(shí)打開時(shí)，電源正極與負(fù)極同時(shí)相連，也可以用來通過分壓測得反電動(dòng)勢。

端電壓檢測電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子位置檢測模塊使用的是端電壓法來檢測轉(zhuǎn)子位置。如圖4-8所示，U、V、W三相的最大的工作電壓大約為12V，所以需要用一個(gè)10k電阻和一個(gè)2k電阻進(jìn)行分壓，取工作電壓的六分之一，在經(jīng)過一個(gè)10uf的電容進(jìn)行濾波后，將信息傳輸給單片機(jī)。

電流采樣電路設(shè)計(jì)

為了防止電機(jī)電流長時(shí)間過大而導(dǎo)致?lián)p壞，并且配合位置檢測為主的轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)，做到轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，主板上設(shè)計(jì)了電流采樣電路，用于采樣每相的電流數(shù)據(jù)。

如圖4-9所示，以A相為例，電流信號 經(jīng)過R21和R22兩個(gè)10k電阻接入運(yùn)算放大器的同相輸入端，另有一路經(jīng)10k電阻接地。

回顧

現(xiàn)在整理時(shí)回想做畢設(shè)的時(shí)光仍在眼前，這也是呆在本科學(xué)校的最后一段時(shí)間。我們無比懷念過去，但又不得不向前看，前路坎坷許多，少年仍需披荊斬棘，與大家共勉。

總結(jié)

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