【最新版】基于AVR单片机的无刷直流电机控制器毕业设计论文 下载本文

SPWM波仅仅是近似正弦波,仍然含有高次谐波的成分。一般说来,载波频率应大于调制波频率10~20倍,载波频率越高,谐波波幅越小,电流波形越平滑。高的载波频率还可以使变频器和电机的噪声进入超声范围,达到静音效果。

载波频率的提高,受逆变开关管的最高开关频率限制。采用IGBT(工作频率可达几十kHz以上)为逆变开关管,可以得到较平滑的电流波形。

载波与调制波的频率调整有以下三种形式。

(1)同步控制方式。使调制波频率与载波频率的比值等于常数,即在逆变器输出电压的每个周期内,所使用的三角波数目不变,因此产生的SPWM波的脉冲数是一定的。

这种控制方式的优点是,在调制波频率变化的范围内,逆变器输出波形的正负半波完全对称,使输出三相波形之间具有120°相差的对称关系。但在低频时有严重的不足:每个周期SPWM脉冲个数过少,使谐波分量增大。

(2)异步控制方式。使载波频率固定不变,只调整调制波频率进行调速。虽然不存在同步控制方式所产生的低频谐波分量大的缺点,但是可能会造成逆变器输出的正半波与负半波、三相波之间不严格对称的现象,引起电动机运行不平稳。

图2.6 三相逆变器输出双极性SPWM波形图

(a) 三相调制波与三角载波;(b) R相相电压波形;(c) Y相相电压波形;

(d) B相相电压波形;(e) 线电压波形

(3)分段同步控制方式。实际应用较多的分段同步控制方式综合了同步控制和异步控制的优点:在低频段使用异步控制方式,而在其它频率段使用同步控制方式。

2.2.2无刷直流电机在两两导通方式下的工作

无刷直流电机采用三相六拍工作方式,其工作原理与步进电机的工作方式是

相同的。电机在旋转之前首先完成转子定位工作,然后再根据霍尔传感器反馈回的转子位置信息给出下一步的控制信息。 a.控制过程

转子处于正转状态时霍尔传感器H1、H2、H3感应出来的信号分别为101(AB)、100(AC)、110(BC)、010(BA)、011(CA)、001(CB)然后进行下一轮循环。当转子处于反转的状态,三个霍尔传感器感应出来的值正好次序相反。

图2.7无刷直流电机工作原理图

要实现对电机的反转控制,只需要按照以上感应出的霍尔信号反向给出控制信号即可。

b.速度控制

控制脉冲的频率决定步进电动机的转速。脉冲的时间间隔越短,步进电动机就转得越快。

软件脉冲分配方式的调速,可以通过采用延时或定时程序调整两个控制字之间的时间间隔来实现;硬件脉冲分配方式的调速,可以通过控制步进脉冲的频率来实现。

假设让电机以恒定的加速度加速到指定的转速,之后匀速运行。当快要到达指定的停止位置时,再以恒定的加速度减速,在停止位置处停住,如图2.8所示。其中加速度要根据不同的电机,设定不同的加速度值。如果它的值太大,则可以较快地到达目的位置,但有可能产生振荡。如果它的值太小,由于转矩与加减速度成正比,转矩可能过小,产生失步。因此,在设计时需要因电机而异。

图2.8 加减速示意图

步进电动机驱动执行机构从A点到B点移动时,要经历升速、恒速和减速过程。如果启动频率超过极限启动频率,步进电动机会产生失步,不能正常启动;如果突然停止,会由于惯性发生过冲,造成位置精度降低;升降速过于缓慢,则会影响执行机构的工作效率。对步进电动机的加减速应在保证不失步和不过冲的前提下,尽快移动到指定位置。

为了满足加减速要求,步进电动机的运行通常按照根据经验和试验得到的加减速曲线进行。如图2.9(a)所示的匀加减速曲线和图2.9(b)所示的S形(分段

指数曲线)加减速曲线。

图2.9 加减速运行曲线

(a)匀加减速曲线;(b)S形加减速曲线

加减速实时算法的核心是使用定时中断,当定时器发生超时中断时,中断服务程序推动电机走下一步,然后计算出下一步将要维持的时间,并以之设置定时器下一次的中断时间。当下一次中断来临时,再推动一步,并设置再下一步的时间,如此循环往复。如图2.10所示,步进电机先以加速度加速,然后以加速度减速到停止,之间没有匀速过程。从到是第一步持续的时间,从到是第二步持续的时间,从到是最后一步持续的时间;每一步的时间间隔越短,平均加减速度越接近和。

图2.10 用定时器控制时间

如图2.10所示,电机某一步的持续时间(即定时器的延时时间)为

(2.4)

式中:为第n步时定时器的计数值;f为给定时器提供的时钟源频率。

转速(单位:)为

(2.5)

加速度(单位:)为

(2.6)

式(2.6)假设了每步的平均速度等于中心时间的速度。如果为加速状态,则,;如果为减速状态,则,。

电机转过的步数n为

(2.7) 转过n步所花的时间为

由图2.10可知,第n步的定时器计数值为

(2.9) 由式(2.8)和式(2.9)可得第0步的计数值为

(2.10)

再由式(2.8)、式(2.9)和式(2.10),可得第n步的定时器计数值也可表示为

(2.11)

(2.8)