变频技术在电脑散热风扇中的应用

变频技术在电脑散热风扇中的应用 发表于 2006-10-27 8:31:24 作者:安徽财经大学 陈忠民 原载:《电子世界》2004年第9期 风扇是目前电脑中最常用的一种强制冷却设备。风扇由电机、轴承、叶片和壳体几个部分构成。电机是风扇的动力来源，风扇的转速高低、劲头大小都取决于电机的性能。普通风扇一般只几元钱一只，而一些高档风扇却卖几百元一只。价格上的巨大差异，并不因为轴承类型和扇叶形状、气流方向等方面，而主要因为风扇电机性能上的差异，一台好的风扇关键是有一台好的电机。例如，Tt出品的金星12型风扇转速可在2000,5500rpm之间进行无级变速。序列号为A1745的散热风扇，连同散热片及调速器一起售价高达480元人民币(如图1)。 图1 金星12型风扇套件 高档风扇的控制功能很强(如图2)，电机的结构也较为复杂。由于风扇电机的技术含量越来越高，如果对其细节不甚了解，就难以正确地安装和使用。因此，本文重点对风扇中所使用的电机进行剖析。 图2 金星12型风扇的外观 一、直流电机的基本工作原理 根据供电方式的不同，电机有直流电机和交流电机两种类型。电脑中使用的风扇电机为直流电机，供电电压为，12V，转速在1000,10000转,分之间。 直流电机是将直流电能转换为机械能的旋转机械。它由定子、转子和换向器三个部分组成，如图3。 图3 有刷直流电机的构造 定子(即主磁极)被固定在风扇支架上，是电机的非旋转部分。 转子中有两组以上的线圈，由漆包线绕制而成，称之为绕组。当绕组中有电流通过时产生磁场，该磁场与定子的磁场产生力的作用。由于定子是固定不动的，因此转子在力的作用下转动。 换向器是直流电动机的一种特殊装置，由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外联接。当转子转过一定角度后，换向器将供电电压接入另一对绕组，并在该绕组中继续产生磁场。可见，由于换向器的存在，使电枢线圈中受到的电磁转矩保持不变，在这个电磁转矩作用下使电枢得以旋转，如图4。 图7 无刷直流电机原理图 转子利用轴承与外壳之间实现动配合。风扇的扇叶固定在转子上，因此，当转子旋转时，扇叶将与转子一起转动起来。普通风扇一般采用滚珠轴承(如图5)，而高档风扇为了提高运转的稳定性和增加使用寿命，通常采用更为先进的液态轴承(如图6)。 图5 滚珠轴承 图6 液态轴承的结构 二、有刷电机与无刷电机 如前所述，直流电机是利用碳刷实现换向的。由于碳刷存在摩擦，使得电刷乃至电机的寿命减短。同时，电刷在高速运转过程中会产生火花，还会对周围的电子线路形成干扰。为此，人们发明了一种无需碳刷的直流电机，通常也称作无刷电机(brushless motor)。 无刷电机将绕组作为定子，而永久磁铁作为转子(如图7)，结构上与有刷电机正好相反。无刷电机采用电子线路切换绕组的通电顺序，产生旋转磁场，推动转子做旋转运动。 图7 无刷直流电机原理图 无刷电机由于没有碳刷，无需维护寿命长，速度调节精度高。因此，无刷电机正在迅速取代传统的有刷电机，带变频技术的家用电器(如变频空调、变频电冰箱等)就是使用了无刷电机，目前散热风扇中几乎全部使用无刷电机。 三、变频电机工作原理 图8(a)是拆开的风扇电机的照片，风扇采用的是变频电机，这从线圈所在的位置就可以辨认出来。图8(b)是变频电机控制电路板，控制芯片将集DSP功能与驱动器于一体，简化了电路结构。通过对控制芯片编程，可改变电机转速。 图8 直流电机的构造 变频电机具有直流电机特性、却采用交流电机的结构。也就是说，虽然外部接入的是直流电，却采用直流-交流变压变频器控制技术，电机本体完全按照交流电机的原理去工作的。因此，变频电机也叫“自控变频同步电机”，电动机的转速n取决于控制器的所设定的频率f。 图9是三相星形接法的变频电机控制电路，直流供电经MOS管组成的三相变流电路向电机的三个绕组分时供电。每一时刻，三对绕组中仅有一对绕组中有电流通过，产生一个磁场，接着停止向这对绕组供电，而给相邻的另一对绕组供电，这样定子中的磁场轴线在空间转动了120?，转子受到磁力的作用跟随定子磁场作120?旋转。将电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，定子中便形成旋转磁场，于是电机连续转动。 图9 无刷直流电机工作原理 变频电机的驱动电路由主回路和控制回路两部分组成，现在已经将这两部分集成到同一个芯片中，这样只要使用一个器件便可实现变频电机的全部控制功能，简化了电路结构，常用的控制芯片有日本三洋公司的LB1964、美国MAXIM公司的MAX6625、和意法半导体公司的 ST72141等。随着工业界对节能和噪声抑制的日益重视，许多工业产品都趋向采用无刷电机，对电机微控制器提出了更高要求。作为新一代电机控制DSP芯片，TI公司高性价比的TMS320C240 非常适合于完成这一任务。 四、变频电机的电路组成 为了对风扇电机的运行状况进行监控，需要从风扇电机向主板输出速度信号，实现风扇运行情况的监控。监控电路用来显示风扇转速，并可实现报警和电脑的自动停机，以防止因风扇停转而烧毁CPU或其它器件的情况出现。现在变频电机普遍采用集成功率器件来实现这一功能，使控制线路大为简化。 为了实现精确控制效果，必须向集成功率器件输入反映转子位置的信号，因此变频电机必须具有电机位置反馈机制。目前通常使用霍尔元件或和光电传感器两种手段进行位置和转速检测。 霍尔器件是一种基于霍尔效应的磁传感器，霍尔效应是美国科学家爱德文?霍尔于1879年发现的。目前，使用霍尔效应的磁传感器产品已得到广泛的应用。 图10为霍尔效应原理图。在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压(图中的Vh称为霍尔电压)。 图10 霍尔效应 变频电机利用霍尔器件测量转子的相对位置，所获得的信号输入到控制芯片中，驱动电机旋转。同时，还可将该信号通过主板输出，作为测速信号使用，可谓一箭双雕。由于换向脉冲为方波信号，在主板上经过简单处理便可输送给主板进行显示和控制。由于电机的相数一般在2个以上，换向信号的频率为电机的转速的若干倍，因此，如果利用换向脉冲作为测速信号，必须经过除法运算才能得到真实的电机转速。 图11为霍尔锁定型开关电路CS2018构成的无刷电机控制电路，CS2018内部集成了霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器和集电极开路的输出级等，它可直接驱动小功率的电机绕组。 图11 用CS2018霍尔开关锁定电路直接驱动电机 有些风扇采用光电传感器来检测风扇的速度，具体做法是:在电动机转子上设置一个遮光板，这样电机每转过一圈，遮光板就会将发光二极管照射到光敏管上的光线阻断一次，光敏管的集电极上电压改变一次，这样便可得到反映电机转速的脉冲信号，如图12所示。 图12 光电传感器原理 从上面的介绍可以看出，利用霍尔传感器和光电传感器所得到的测速信号是有区别的。利用光电传感器测速，速度信号的频率与电机转速相同，而利用霍尔器件输出的换向信号作为测速信号时，两者相差若干倍:如果是两相电机，换向信号的频率为转速的2倍，三相电机中换向信号的频率则是转速的3倍。在这里，BIOS中显示的速度是不是真实的风扇转速，在使用中务必请大家注意～ 五、转速调节方法 直流电机调速方式有两种:调压调速和调频调速。采用有刷电机的普通风扇可以通过调压方式改变转速，而采用变频电机的风扇，只能通过调频方式进行调速。 对于有刷电机来说，改变供电电压，则是改变转子绕组中电流从而改变磁场强度和转矩，电机的转速随着转矩的增加而升高，随着转矩的减小而降低。这种电机在负载阻力增大时，电机的转速会随之下降。要想在荷载变化时维持转速不变，必须采用闭环控制，通过速度负反馈来实现，因此控制电路比较复杂。 图13是一个实用的有刷电机控制，它是利用MIC501专用芯片为核心结合一些外围元件实现的。和图10所示的无刷电机控制电路进行一个简单的比较，便可发现两者电路结构的明显区别。 图13 调压调速电路 在有刷电机电路中，电机主回路中与功率晶体管VT串联，VT的作用相当于一个可变电阻，芯片7脚输出的信号通过基极电阻Rb与其基极相连，对VT的导通程度进行控制，电机转速随VT的导通程度的变化而变化。VT截止时，电机停转;VT饱和导通时，电机全速(Full Speed)旋转。图中T1为热敏电阻，接入控制芯片的第一个控制端VT1，实现转速-温度自动控制;从第二个控制输入端接入一个由可变电阻组成的偏置电路，可实现转速的手动控制。 由于有刷电机的转速受到荷载大小的影响，采用这种电机的风扇在使用过程中容易因为灰尘和润滑不良等因素造成转速下降甚至停转，对CPU等昂贵部件的安全构成威胁。在电脑故障中，因为风扇转速下降导致的电脑死机、蓝屏和重启动等故障经常发生，其中也有因风扇停转而导致芯片烧毁的。 变频电机则很少出现这些问题，因为其转速只与所设定的频率有关，而与载荷和供电电压无关，无需转速反馈控制，即可实现恒定转速，因此风扇运转的稳定性和可靠性大大增强。 读到此处，细心的读者也许要问，金星12型风扇配件中用来调速的旋钮是一个电位器(如图14)，难道这款风扇采用了技术落后的有刷电机而不是变频电机吗,因为有刷电机通常 通过调节串联电阻来调节供电电压，以实现转速调整，调节电阻阻值实际上就是调节供电电压。 图14 venus12型风扇调速器 其实不然，与有刷电机控制电路输出模拟信号不同，变频电机的转速控制完全基于DSP(数字信号处理)控制过程。电位器本身实现的直流电压调节，它从DSP芯片的模拟信号输入端接入，其参数经过A,D转换后，控制芯片的输出仍为数字信号。简言之，有刷电机的控制过程，从输入到输出是完全模拟的，而变频电机的控制电路输入模拟信号(如温度、电压或PWM信号)，而输出数字信号。 一些高档风扇可根据被散热设备的温度变化自动调节转速，其过程是:利用温度传感器(热敏电阻等)测量被散热设备的温度，并将其数值反馈给风扇控制电路，控制电路根据所设定的温度-转速特性曲线(如图15)调节风扇转速。风扇的这种自适应功能既能有效地保护被散热设备，又能在温度较低时减少耗电和噪音。一些厂商之所以给他们的产品冠以“智能风扇”的美名(如曜越科技的SMART CASE FAN II风扇)，正是因为具有这种功能。 图15 温度,转速曲线 六、风扇的监控与保护 尽管变频电机有很高的可靠性，但它仍然是机械器件，在长时间使用时，其速度可能会下降甚至停转，所以最好对风扇的运行状态进行实时监测，便于及时发现问题。 目前，对风扇自身的监控方式有报警传感器和速度传感器两种类型，利用报警传感器可在风扇速度低于某个门限值时给出报警信号，而速度信号输出则可实现风扇速度的实时监控。 从风扇电路输出的报警信号有“高电平”和“低电平”两种状态，两种电平所代表的意义一般按照正逻辑体制，高电平表示“故障”，“低电平”表示“正常”。 从风扇电路输出的转速信号通常为脉冲形式，每个波头表示风扇转过一圈，这样的信号可直接通过数据总线提供给主机进行显示。某些风扇输出的转速信号并不是风扇的真实转速，而是转速的倍数，譬如每转一圈产生2个、4个或6个脉冲，必须经过处理才能形成反映风扇的真实转速信号。如欲辨别风扇转速是真实转速还是某个倍数，可使用转速表测量实际转速，然后与显示的数据进行比较。 风扇的测速信号一般从三引线插头输出，三根引线中黄色和黑色分别为，12V电源和接地，另外一种颜色的线则是转速信号输出线。应该注意的是，某些三引线风扇的第三根引线并不是测速信号输出线，而是转速控制信号线，通过它向风扇电机输入调速控制信号。 七、高档风扇的接线 普通风扇只有一个电源插头，使用起来很简单。高档风扇有很多插头，必须弄清楚它们的功能并进行正确的设置和连接后，那些高级功能才能得以利用。 1、测温信号线的连接。温度信号一般采用热敏电阻作为温度传感器进行温度采样。以Tt金星12型风扇为例，其温度变化导致热敏电阻的阻值变化，因此输入信号是没有极性的。 只要将热敏电阻置于CPU和散热片之间，然后拔去风扇上的黄色信号线的跳线，将风扇的黄色信号线插头，测温信号线的连接就完成了，如图16。 图16 传感器的连接方法 2、调速器信号线的连接。手动调速器实际上是一个可变电阻，阻值调至最小(或用跳线短接)时风扇的转速最低，阻值最大时(或拔去跳线)风扇全速运转。Tt金星12型风扇随机附件中有两个调速器，可根据情况选用其中之一。既可安装在主机箱前面板的3.5"软驱的位置，也可安装在主机箱背后的插槽位置。最后将插头连接到风扇的红线插座上即可。 直流无刷电机的优越性 直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定 负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90?，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏 之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导 体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流 电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。 此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小;像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，PWM)…等。直流无刷电机即是以 电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。 直流无刷电机的控制结构 直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响: N=120(f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率 并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子 维持一定的转速。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) :电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器 (inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1,Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂 (Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相 的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall- sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。 图一 直流无刷电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器 (inverter)中功率晶体管的顺序，如 下(图二) inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆 向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开 启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管);要电机转子反向则功 率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下: AH、BL一组?AH、CL一组?BH、CL一组?BH、AL一组?CH、AL一组?CH、BL一组 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。 图二 当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令 (Command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)开关 导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要 达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速 度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重 要。或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无 法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差(Error)。知道了误差自 然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能 完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型P.I.D.控制的重要理论。 P.I.D控制简介 一般P.I.D控制如下 (dutycycle)=(dutycycle)p + (dutycycle)i + (dutycycle)d P.控制(比例控制) :输出与输入误差讯号成正比关系，即将误差固定比例修正，但系统会有稳态误差。 I .控制(积分控制) :当系统进入稳态有稳态误差时，将误差取时间的积分，即便误差很小也能随时间增加而加大，使稳态误差减小直到为零。 D.控制(微分控制):当系统在克服误差时，其变化总是落后于误差变化，表示系统存在较大惯性组件或(且)有滞后组件。微分即是预测误差变化的趋势以便提前作用避免被控量严重冲过头。 电机驱动器的保护措施 对于驱动器还要有保护措施，当负载过大或不当使用时会造成大电流而将功率晶体管烧毁。为了保护因电流超过规格而破坏驱动器，一般会以加大功率晶体 管耐电流或加电流sensor做为保护。其次当电机负载不小的时候，在停止转动时由电机端回送至驱动器的能量及过电压都将危及驱动器，这可配合过电压保护 电路加上回生能量消散电路来防治。其它尚有hall-sensor正常与否判定也会影响PWM控制的正确性，这可由控制部判断并适时警告即可。 无刷直流电动机原理电路示意图 提交时间:2006-2-27 9:10:41 访问量:1162 80C196MH在方波型三相直流无刷电机中的应用 [日期:2006-11-17] 来源:电源技术应用 作者:浙江大学 孟光毅 张仲超 [字体:大 中 小] 摘要:方波型直流无刷电机具有控制简单、效率高等优点，因此在很多领域得到了广泛的应用。实现对方波型直流无刷电机的控制方法有很多，主要介绍了一种H-PWMLON调制方式，该方式有利于电机的能量反馈和制动。并简单介绍了利用80C196MH编程实现H_PWM_L_ON调制。 关键字:直流无刷电机;PWM控制;调制 0 引言 近几年来，随着电力电子技术的飞速发展，永磁无刷直流电机的本体及其相关控制技术得到迅猛的发展。永磁无刷直流电机有着噪音低、效率高、控制简单、功率密度高等诸多优 点，因此在交通、航空、航天、军工、伺服控制以及家电领域得到广泛应用。 对方波型无刷直流电机的控制方式主要有H_PWM_L_0N调制方式、H_ON_L_PWM调制方式、H-PWMLPWM调制方式等。 本文介绍如何用80C196MH来实现H_WM_L_0N调制方式，并在上管进行PWM调制时，对应下管进行互补PWM调制，改进了电机减速停机性能，从而更好地对电机转速进行控制。Intel80C196MH是专门为电机高速控制所设计，它是由CHMOS电路构成，功耗低，并具有省电的工作方式，所以也适合集成于各种电路中长期使用，可靠性极高。 l 系统组成 典型的永磁无刷直流电机控制系统如图1所示。它由电机本体、逆变器、位置传感器、控制器组成。 在本文中，变频器采用了富十公司R系列IPM模块。IPM模块内含驱动电路和保护电路。控制芯片80C196MH发出的6路PWM控制信号经过光耦TIP52l与驱动电路隔离。lPM保护信号经光耦连至80C196MH的EXTINT功率驱动保护中断引脚，该引脚检测到低电平后，80C196MH控制器立刻将所有WG输出脚(PWM)设置为高电平，关断所有的IGBT。 对于方波型无刷直流电机，一般采用120?控制方式。脉宽120?的电机和传统正弦波电机相比，具有整流电压脉动小，转矩脉动小的优点。 2 调制方式 本文所采取的PWM调制方式基本属于H_PWM_L_ON调制方式，即上桥臂PWM调制，下桥臂恒通;为了适应电机制动过程的需要，在该PWM调制策略的基础之上，加了互补调 制策略，即当上桥臂开关管进行PWM凋制时，则对应同一桥臂的下桥臂开关管处于与七桥臂开关管互补调制的状态。这意味着，当上桥臂开关管开通时，下桥臂开关管处于关断状态，而当上桥臂开关管关断时，下桥臂开关管处于开通状态。触发脉冲分配的原理如图2所示(低电平有效，T表示节拍)。 采用这种调制方式，电机在减速和制动过程中有一定的优势，下面以减速过程为例来进行分析。在急剧减速阶段，因为随着触发脉冲宽度的减小，输出电压平均值立即下降，但是，由于系统的机械惯性大于电磁惯性，在电源输出电压下降瞬间，转速并未下降，因此，造成电机绕组反电动势电压高于电源电压，从而使电机处于再生发电状态，能量回馈到直流电源，所产生的电磁转矩作为制动转矩使转速下降。随着转速下降，电枢反电动势也下降，再生发电状态消失。 设以电流从A相流到C相为例分析。A相上桥臂调制(S1)，C相下桥臂恒通(S2)，同时，S4和S1处于互补调制状态，如图3(a)所示。因为电机处于急剧减速状态，所以电源输出到电机的平均电压UAC要低于电机绕组反电动势平均值eAC表示A、C两相绕组端子之间的反电动势，可以看作一个电压源)，如图3(b)所示。在一个开关周期内的DoT阶段(Do=1一D，D为占空比，T为开关周期)，开关管S1关断，S4开通，由于绕组呈现感性，相电流方向iA不变，此时电流通过S2、D4续流。到该电流衰减到零时，由于平均反电动势eAC高于平均直流电压UAC，对于直流电源来说，电机相当于一个直流电压源，则在反电动势作用下，相电流iA反向，因为此时S4处于开通状态，所以该再生电流通过S4和D2被引入电机绕组，而直流母线电流为零。该再生电流对此时处于正转的电机来说，为制动转矩。在DT阶段，S1开通，S4关断;因为S4关断导致再生电流立即改变流通途径，通过D1、D2 反向流过直流母线开始衰减，此时S1，开通但没有电流流过。当该电流衰减至零时，S1、S2中开始流过电流并逐渐上升，一直持续到S1关断为止。 从以上分析过程看出，这种互补调制方式将改变减速过程中绕组电流的流向，使电机绕组产生较大的制动力矩，有利于更快地减速，此时直流电流变为负值，对直流端电容充电。本系统采用不控整流所得到的直流电压为电机供电，因此无法将能量回馈到电网，需要一个途径将反馈到直流侧的能量释放。为此在电路中并联了一个由开关器件控制导通的功率电阻，当直流侧的电压达到一定的值时，部分能量就通过电阻以热能的形式消耗掉。电阻发热 释放能量的方式是一种迫不得已的手段。这种方法适用于不经常制动和减速的情况，如果电机需频繁制动和减速，可以考虑使用能量可回馈的变流电路。 3 调制方式的软件实现 80C196MH内部自带EPA和WC功能模块。WG波形发生器需要用到如下几个寄存器:WG_COUNT(加,减时基寄存器)、G_RELOAD(重装载寄存器，决定PWM的载波频率)、WG_COM_Px(相比较寄存器，决定PWM的占空比)、WG_CON(WG控制寄存器)和WG_OUT(输出控制缓冲寄存器)。其中WG_CON设置WC的方式(如占空比的装载方式)，WG_OUT用来选择6个输出引脚上的输出信号(高电平、低电平或PWM)。 当PWM的占空比最大(100,)时，其输出电压平均值最大，占空比最小(0,)时，其输出的电压为O。因此，AMP数据与占空比是成正比的。在程序中，占空比的值存储在寄存器AMPLUDE中。占空比(AMPLITUDE)_WG_OMP,WG_RELOAD，考虑到表格数据以及规格化(100,_0FFFFH)，故有: 式中:WG_COMP为装入相比较寄存器的值; AMP为由查表得到的电流幅值; WG_RELOAD为载波周期(本系统采用边缘对准PWM方式3)。 AMP×WG_RELOAD得到32位的乘积，只取其高位字，就实现了除以216的操作。 利用80C196MH的EPA和WG功能模块，根据换相顺序确定输出6路PWM信号和电平信号。增加了互补策略的H_PWM_L_ON调制方式的波形输出时序如表1所列。 表中:WG1和WG1(P6.0和P6.1)表示相1信号; WG2和WG2(P6.2和P6.3)表示相2信号; WG3和WG3(P6.4和P6.5)表示相3信号; WFG表示引脚上出现PWM波形。 PO 2、PO(1、PO(O用来表示位置信号在程序节拍号由电机传送给单片机的位置信号来表示。在本系统中，位置信号传给单片机的PO(2、PO.l、PO(O。根据位置信号的改变来改变WG_OUT寄存器的输出，从而进行换相。 根据前面给出的波形输出时序，图4给出了换相子程序的图。在本系统中，占空比的设置在波形发生器中断服务程序中完成的，因此，在这里只需要设置WG_OUT来改变波形发生器的输出值。 4 实验结论 根据以上的控制策略，制作了一台永磁直流无刷电机的样机，并将它应用于工业缝纫机。图5是实验过程中得到的母线电流波形。如图5中所示，在电机正常工作时，母线上会产生负电流，这是由下管的换向引起的。在实际应用中，可以采用换向延迟的方法来改善正常工作时母线电流的波形。 图6是停机过程母线电流波形，在电机停机过程中，由于电机处于再生制动状态，直流 母线的平均电流为负值，电机作发电机运行，获得了较大的制动力矩，从而使电机能够快速 地停机。 直流无刷电机结构和连接 三相直流无刷电机采用二二导通、三相六状态PWM调制方式。电机定子绕组轴向示意图如图1所示。 当电流从A到B时，定子绕组产生的磁场为图1中A,B方向，如果电机顺时针运行，此时，永磁转子磁场应位于III区，产生的扭矩最大。当转子转过III区和IV区的交界，到达IV区时，定子绕组电流应相应改变成为从A到C，即产生的磁场成为图1中A,C方向。 这样，定子磁场总超前转子磁场约90?，使转子不断的向前跟进。实现这个过程的关键是取得转子位置，积分编码器就起这个作用，如它的三路输出:PHASEA、PHASEB、PHASEC，在转子分别位于图1中的I到VI各区时，输出信号相应为:011、001、101、100、110、010。这样，通过捕捉积分编码器任一路输出上的跳变沿，读取跳变沿后的积分编码器 输出状态，就可以确定转子的新位置，实现定子绕组电流换向。同时，利用定时器检测两次换向之间的时间间隔，计算出电机运行的速度，再通过调整PWM信号的占空比，调整定子电流，实现调速。 驱动原理