3.5 门阵列可编程器件GAL16V8
3.5.1 GAL16V8图及引脚功能
图3-11 GAL16V8引脚功能图
表3-4 GAL16V8（门阵列可编程器件）引脚名称及功能
名 称 I0-I9 F0-F7 I0/CK UDD GND GAL器件是从PAL发展过来的，PAL器件的出现为数字电路的研制工作和小批量产品的生产提供了很大的方便。但是，由于它采用的是双极型熔丝工艺，一旦编程以后不能修改，因而不适应研制工作中经常修改电路的需要。
GAL有如下优点：
1.具有电可擦除的功能，克服了采用熔断丝技术只能一次编程的缺点，其可改写的次数超过100次；
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功 能 输 入 输入/输出 时钟输入 电 源 地 2.由于采用了输出宏单元结构，用户可根据需要进行组态，一片GAL器件可以实现各种组态的PAL器件输出结构的逻辑功能，给电路设计带来极大的方便；
3.具有加密的功能，保护了知识产权；
4.在器件中开设了一个存储区域用来存放识别标志——即电子标签的功能。
GAL16V8主要是把驱动顺序信号和带有各种控制信息的脉宽调制PWM信号综合成六个输出驱动信号。
3.6 传感器选择
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1 MHz) ,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
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动、无回跳、位置重复精度高。此外，其工作温度范围宽，可达-55 C~150oC。
1 在无刷直流动机中常用的转子位置传感器
转子位置传感器是永磁无刷直流电机的关键部件。它对电机转子位置进行检测，其输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各相绕组按顺序导通，保证电机连续工作。转子位置传感器也由定、转子组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机转子的位置；其定子固定于电机本体定子或端盖上，以感应和输出转子位置信号。转子位置传感器的主要技术指标为：输出信号的幅值、精度，响应速度，工作温度，抗干扰能力，损耗，体积重量，安装方便性以及可靠性等。其种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。
其中最常用的有以下几种： （1）霍尔元件式位置传感器
霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。它是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。用霍尔元件作转子位置传感器通常有两种方式。第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机 端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装在与电机轴同轴的永磁体，如图2.3所示。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍 尔元件在空间彼此相隔120°电角度，永磁体的极弧宽度为180°电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交替输出三个宽度为180°电角、相位互差120°电角的矩形波信号。
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第二种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的永磁体主极作为传感器的永磁体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。
如图3-12所示，霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、可靠，但对工作温度有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。因此，在对性能和环境要求不是很高的永磁无刷直流电机应用场合大量使用霍尔元件式位置传感器。
图3-12 霍尔元件式位置传感器结构
（2）电磁式位置传感器
电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成。转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦合，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器工作。这种传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但此输出电压是交流，必须先整流。由于这种传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。
（3）光电式位置传感器
光电式位置传感器由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光板所组成。几个光电耦合开关沿圆周均布，每只光电耦合开关由相互对着的红外发光二极管和光敏三极管组成。遮光盘处于发光二极管和光 敏三极管中间，盘上开有一定角度的窗口。红外发光二极管通电后发出红外光，当遮光盘随电机转子一同旋转时，红外光间断的照在光敏三极管上，使 其不断导通和截至，其输出信号反应了转子的位置，经过放大后去驱动逆变器开关管。光电式位置传感器轻便可靠，安装精度高，抗干扰能力强，调整方便，因此获得了广泛的应用。
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近年来，无位置传感器的永磁无刷直流电机发展比较快。它省去了转子位置传感器，因而电机结构简单、体积小、可靠性高。当电机体积较小、位置传感器难以安装时或电机工作在恶劣环境中以致于位置传感器工作的可靠性难以保证时，这种无位置传感器的永磁无刷直流电机更显示出其独特的优越性。无位置传感器的无刷直流电机的主要弱点是起动转矩比较低，一般只适用于空载或轻载条件下起动。当电机转子采用永磁体励磁时，永磁体 的强磁场使得电机在较低速度时就可以检测到电枢绕组反电动势，在较低转 速下实现电机的自同步运行状态切换，从而加快电机的起动过程，实现宽的调速范围。
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。
3.7 周边保护电路
3.7.1 电流采样及过电流保护
图3-13 电流采样及过流保护图
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1 电流信号
电机主回路电流信号经采样电阻获得。电流信号经过LM358放大，由单片机PIC16F72A/D通道RA1（管脚2）输入，并进行控制处理。同时。电流采样信号通过LM358与一固定电压值比较，当电压的电流过大时，LM358输出高 电平，送入GAL16V8直接关断输出，进行逻辑保护。
2 电流采样
通常对电机三相电流进行控制需要三个独立的电流闭环，而永磁无刷直流电机采用两相导通方式，即电机三相定子绕组在某一时刻只有两相通电，导通的两相绕组的电流大小相等，方向相反，因此任意时刻只需控制一个电流量。
电流采样方式可采取直接采样两相电流的方法或采样直流母线电流的方法。对于永磁无刷直流电机多采用后一种方法。采样直流母线电流有两种方法，一种是在待测电路上串入一个小电阻，用小电阻上的压降反映电流的大小；另一种是采用电流传感器。在电流较大，或要求电隔离的情况下，可以采用磁场平衡式霍尔电流传感器。考虑到本控制系统的成本问题，本系统采用第一种电流采样方式。
3 过流保护
过流保护电路可以对MOSFET进行保护，将最大电流控制在设定范围内，当达到阀值时关闭电机，避免了MOSFET上通过大电流烧毁的危险。过流保护是控制器的最后防线，过流保护电阻用的是康铜丝，当系统电流超过最大保护电流值时，康铜丝会烧断，从而起到保护作用。
图3-14 过流保护原理图
3.7.2 LM358双运放大电路
如图3-15所示，LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
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毕业论文(设计)无刷直流电动机控制系统设...
