無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、學(xué)號(hào)：1008421057 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）(2014屆)直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 院 系 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 姓 名 胡杰 指導(dǎo)教師 陸俊峰 陳兵兵 高 工 助 教 2014年4月合肥師范學(xué)院2014屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）摘 要無刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)是有刷直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的?，F(xiàn)在無刷直流電機(jī)在各種傳動(dòng)應(yīng)用中雖然還不是主導(dǎo)地位，但是無刷直流電機(jī)已經(jīng)受到了很大的關(guān)注。自上世紀(jì)以來，人們的生活水平在不斷地提高，人們?cè)谵k公、工業(yè)、生產(chǎn)、電器等領(lǐng)域設(shè)備中越來越趨于小型化、智能化、高效率化，而作為所有領(lǐng)域的執(zhí)行設(shè)備電機(jī)也在不斷地發(fā)展，人們對(duì)電機(jī)的要求也在不

2、斷地改變?，F(xiàn)階段的電機(jī)的要求是高效率、高速度、高精度等，由此無刷直流電機(jī)的應(yīng)用也在隨著人們的要求的轉(zhuǎn)變而不斷地迅速的增長。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是通過一個(gè)控制系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)，主要以DSPIC30F2010芯片作為主控芯片，通過控制電路采集電機(jī)反饋的霍爾信號(hào)和比較電平然后通過編程的方式來控制直流無刷電機(jī)的速度和啟動(dòng)停止。關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；DSPIC30F2010芯片；無刷直流電機(jī)IAbstractBrushless dc motor is the basis of brushless dc motor, brushless dc motor is developed on the basis

3、of its. Now in all kinds of brushless dc motor drive applications while it is not the dominant position, but the brushless dc motor has been a great deal of attention.Since the last century, constantly improve the people's standard of living, people in the office, industrial, manufacturing, elec

4、trical appliances and other fields increasingly tend to be miniaturization, intelligence, high efficiency, and as all equipment in the field of motor is in constant development, people on the requirements of the motor is in constant change. At this stage of the requirements of the motor is high effi

5、ciency, high speed, high precision and so on, so is the application of brushless dc motor as the change of people's requirements and continuously rapid growth.The design of this system mainly through a control system to drive the brushless dc motor, mainly dspic30f2010 chips as the main control

6、chip, through collecting motor feedback control circuit of hall signal and compare and then programmatically to control the speed of brushless motor and started to stop.Keywords: Control system; dspic30f2010 chip; brushless DC motor 目 錄摘 要IAbstractII目 錄III1 引言11.1 研究背景及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 設(shè)計(jì)任務(wù)與要

7、求22 基本理論22.1 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及基本原理22.2 無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性52.3 無刷直流電機(jī)的應(yīng)用63 直流無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)73.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成部分73.2 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)84 直流無刷電機(jī)的電路設(shè)計(jì)94.1 開關(guān)電路的設(shè)計(jì)94.2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)94.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)104.4 反饋電路的設(shè)計(jì)104.5 電源電路的設(shè)計(jì)115 直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)115.1 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)115.2 軟件流程圖126 實(shí)物成果及展望13致謝15參考文獻(xiàn)15附錄18III 1 引言近年來隨著微電子技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)和新型永磁材料的發(fā)展，無刷直流電機(jī)

8、的應(yīng)用越來越廣泛。他已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域中被應(yīng)用，如軍事領(lǐng)域、家用電器領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域等等。1.1 研究背景及意義有刷電機(jī)出現(xiàn)的比較早，大約在上世紀(jì)40年代以來就已經(jīng)占據(jù)了整個(gè)領(lǐng)域市場的主要地位因?yàn)樗囊幌盗袃?yōu)點(diǎn)，如價(jià)格低、可靠性好、變速平穩(wěn)等等優(yōu)點(diǎn)，但是它有一個(gè)致命的弱點(diǎn)就是它的碳刷容易磨損而且非常不容易更換，而且他的運(yùn)行電流比較大這樣就比較容易降低電機(jī)的壽命1。為了有效的克服其弱點(diǎn)科學(xué)家進(jìn)行了大量研究，終于在1955年美國科學(xué)家D.Harrison發(fā)現(xiàn)了用晶體管換相線路用來代替直流有刷電機(jī)的碳刷的方法并申請(qǐng)的專利，這標(biāo)致了無刷直流電機(jī)的出現(xiàn)。但這只是無刷電機(jī)的雛形，1962年，T.G.Wilson

9、和P.H.Trickey提出“固態(tài)換相直流電機(jī)”專利，這才標(biāo)志著無刷直流電動(dòng)機(jī)的真正誕生。其實(shí)無刷直流電機(jī)的思想早在1917年就已經(jīng)出現(xiàn)了，當(dāng)時(shí)主要是由Bolgior提出的，他當(dāng)時(shí)提出用整流管代替提直流有刷電機(jī)的機(jī)械刷，這就是無刷直流電機(jī)的基本思想。無刷直流電機(jī)的真正應(yīng)用主要是在上世紀(jì)60年代，因?yàn)闊o刷直流電機(jī)主要是取決于電子技術(shù)的發(fā)展，在上個(gè)世紀(jì)六十年代以后電子技術(shù)飛速的發(fā)展直接決定了無刷直流電機(jī)的廣泛應(yīng)用。無刷直流電機(jī)最先的應(yīng)用是在航空技術(shù)中，這主要得益于無刷直流電機(jī)的高可靠性。相比較其他電機(jī)無刷直流電機(jī)的主要特點(diǎn)有：1、重量輕、體積小、出力大；2、具有直流無刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又取消了機(jī)械

10、刷和滑環(huán)等結(jié)構(gòu)； 3、調(diào)速比較簡單； 4、可以低速大功率運(yùn)行，這樣就省去了減速機(jī)直接要驅(qū)動(dòng)大功率的負(fù)載； 5、啟動(dòng)電流小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大； 6、調(diào)速的范圍廣，無級(jí)調(diào)速，過載能力比較強(qiáng)； 7、可以用軟件啟動(dòng)和軟件停止，制動(dòng)性能比較好，省去了機(jī)械制動(dòng)或者電磁制動(dòng)的裝置； 8、效率高，由于無刷直流電機(jī)沒有來了機(jī)械刷和勵(lì)磁損耗，所以節(jié)電效率比較高；9、可靠性高，穩(wěn)定性好，維修保養(yǎng)比較簡單，適應(yīng)能力比較強(qiáng)；10、噪音小，震動(dòng)小，壽命長； 11、不會(huì)產(chǎn)生火花適合一些特殊場所；從上面的分析我們可以看出來無刷直流電機(jī)相對(duì)于其他電機(jī)還是一種新型的電機(jī)，無刷直流電機(jī)的發(fā)展與電子技術(shù)的發(fā)展密不可分，所以我們深入研究無刷

11、電機(jī)的控制方法有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義2。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國對(duì)無刷直流電機(jī)的研究比較早而我們國內(nèi)的研究則起步比較晚，近三十年來針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法，稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。 無刷直流電機(jī)因?yàn)榫哂兄绷饔兴㈦姍C(jī)的特性，同時(shí)也是頻率變化的裝置,所以又名直流變頻,國際通用名詞為BLDC.無刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，低速轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好，所以值得業(yè)界關(guān)注.本產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)超過55kW，可設(shè)計(jì)到400kW,可以解決產(chǎn)業(yè)界節(jié)電與高性能驅(qū)動(dòng)的需求。 無刷直流電機(jī)

12、在我國的發(fā)展時(shí)間較短，我國的無刷直流電機(jī)主要起步于上世紀(jì)七十年代初，當(dāng)時(shí)研制主要是為了我國的某些科研單位的需求，但是經(jīng)過了四十年的發(fā)展隨著技術(shù)的日益成熟與完善無刷直流電機(jī)得到了迅猛發(fā)展。已在高級(jí)電子設(shè)備、機(jī)器人、航空航天技術(shù)、數(shù)控裝置、醫(yī)療器械、家用電器、電動(dòng)車等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并在深圳、長沙、上海等地形成初具規(guī)模產(chǎn)業(yè)鏈，在技術(shù)上不斷推進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1、設(shè)計(jì)任務(wù)利用DSPIC芯片制作一個(gè)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的主要功能是控制無刷直流電機(jī)的有效運(yùn)作，包括調(diào)速等；用專業(yè)軟件繪制控制系統(tǒng)的PCB，以及熟練掌握相關(guān)專業(yè)軟件；焊接PCB以及寫入程序。2、設(shè)計(jì)要求要能夠完整的實(shí)現(xiàn)

13、其功能調(diào)速、復(fù)位、停止；盡可能的降低成本；電路要具有過流保護(hù)作用；直流無刷電機(jī)的功率為60w，要使電路能夠有效負(fù)載。2 基本理論 無刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 無刷電機(jī)是指無電刷和換向器（或集電環(huán)）的電機(jī)，又稱無換向器電機(jī)，它相比較于傳統(tǒng)的有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜3。2.1 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及基本原理BLDC 屬于同步電機(jī)的一種，這就意味著它的定子產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場是同頻率的，所以BLDC 并不會(huì)產(chǎn)生普通感應(yīng)電機(jī)的頻差現(xiàn)象。BLDC中又有單相、2相和3相電機(jī)的區(qū)別，相類型的不同決定其定子線圈繞組的多少。在這里我們將集中討論的是應(yīng)用最為廣泛的3相 B

14、LDC。 BLDC定子是由許多硅鋼片經(jīng)過疊壓和軸向沖壓而成，每個(gè)沖槽內(nèi)都有一定的線圈組成了繞組，可以參見圖 2-1。從傳統(tǒng)意義上講，BLDC的定子和感應(yīng)電機(jī)的定子有點(diǎn)類似，不過在定子繞組的分布上有一定的差別。大多數(shù)的BLDC定子有3個(gè)呈星行排列的繞組，每個(gè)繞組又由許多內(nèi)部結(jié)合的鋼片按照一定的方式組成，偶數(shù)個(gè)繞組分布在定子的周圍組成了偶數(shù)個(gè)磁極。BLDC的定子繞組可以分為梯形和正弦兩種繞組4，它們的根本區(qū)別在于由于繞組的不同連接方式使它們產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)不同，分別呈現(xiàn)梯形和正弦波形，故用此命名了。另外還需要對(duì)反電動(dòng)勢(shì)的一點(diǎn)說明就是繞組的不同其相電流也是呈現(xiàn)梯形和正弦波形，可想而知正弦繞組由于波形平

15、滑所以運(yùn)行起來相對(duì)梯形繞組來說就更平穩(wěn)一些5。但是，正弦型繞組由于有更多繞組使得其在銅線的使用上就相對(duì)梯形繞組要多。平時(shí)由于應(yīng)用電壓的不同，我們可以根據(jù)需要選擇不同電壓范圍的無刷電機(jī)。 48V 及其以下應(yīng)用電壓的電機(jī)可以用在汽車、機(jī)器人、小型機(jī)械臂等方面。100V 及其以上電壓范圍的電機(jī)可以用在專用器具、自動(dòng)控制以及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。 其原理圖見圖2-1。其中1為定子，2為轉(zhuǎn)子。 圖2-1 電磁式位置傳感器原理圖轉(zhuǎn)子是2至8對(duì)永磁體按照N極和S極交替排列在轉(zhuǎn)子周圍構(gòu)成的（內(nèi)轉(zhuǎn)子型），如果是外轉(zhuǎn)子型BLDC那么就是貼在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁，如圖2-2所示。 圖2-2 轉(zhuǎn)子類型與有刷直流電機(jī)不同，無刷直流電機(jī)使用

16、電子方式換向。要使 BLDC 轉(zhuǎn)起來，必須要按照一定的順序給定子通電， 那么我們就需要知道轉(zhuǎn)子的位置以便按照通電次序給相應(yīng)的定子線圈通電。 定子的位置是由嵌入到定子的霍爾傳感器感知的。 通常會(huì)安排3個(gè)霍爾傳感器在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)路徑周圍。無論何時(shí)，只要轉(zhuǎn)子的磁極掠過霍爾元件時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前磁極的極性霍爾元件會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的高或低電平，這樣只要根據(jù)3個(gè)霍爾元件產(chǎn)生的電平的時(shí)序就可以判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置，并相應(yīng)的對(duì)定子繞組進(jìn)行通電。 霍爾效應(yīng)：當(dāng)通電導(dǎo)體處于磁場中，由于磁場的作用力使得導(dǎo)體內(nèi)的電荷會(huì)向?qū)w的一側(cè)聚集，當(dāng)薄平板通電導(dǎo)體處于磁場中時(shí)這種效應(yīng)更為明顯，這樣一側(cè)聚集了電荷的導(dǎo)體會(huì)抵消磁場的這種影響，由

17、于電荷在導(dǎo)體一側(cè)的聚集，從而使得導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)，E.H 霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，故以此命名。 三相對(duì)稱星形接法是最常用的直流無刷電機(jī)的繞組方式，這種繞組方式中無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子上貼有永磁體體，而且在電機(jī)內(nèi)部有位置傳感器，這樣做主要是為了檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置2。無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理簡圖如圖2-3所示。 圖2-3 原理簡圖 電機(jī)本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對(duì)位信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)過放大后會(huì)控制里邊器的開關(guān)，使電機(jī)的各相繞組按照設(shè)定的順序去工作。如圖2-4所示。其中T1、T2、T3、T4、T5、T6為開關(guān)電路的

18、的六個(gè)三極管。當(dāng)在轉(zhuǎn)子到轉(zhuǎn)（順時(shí)針）到圖a所示的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置會(huì)被位置傳感器傳輸出去，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過控制電路的輸出后經(jīng)過相應(yīng)的變化后驅(qū)動(dòng)逆變器，使T1、T6 導(dǎo)通，這樣電源正極所流出的電流就會(huì)由T1然后流入到A相繞組，然后再由B相繞組流出，經(jīng)過T6后回到電源的負(fù)極，在這個(gè)時(shí)候轉(zhuǎn)子會(huì)在的磁場相互作用下使電機(jī)順時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60度的時(shí)候，到達(dá)圖b的位置時(shí)，位置傳感器會(huì)檢測到轉(zhuǎn)子的位置，其將會(huì)輸出信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過控制電路輸出后經(jīng)過相應(yīng)的變化后驅(qū)動(dòng)逆變器，使T1、T2導(dǎo)通，這樣電源正極所流出的電流就會(huì)由T1然后流入到A相繞組，然后再由C相繞組流出，經(jīng)過T2后回到電源的負(fù)極，在這個(gè)時(shí)候轉(zhuǎn)子

19、就會(huì)在磁場相互作用下使電機(jī)繼續(xù)順時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2-4所示。圖2-4 轉(zhuǎn)子運(yùn)行位置圖轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為T1、T6T1、T2T3、T2T3、T4T5、T4T5、T6T1、T6。在次期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。2.2 無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性是指電機(jī)在起動(dòng)、正常工作和調(diào)速等情況下，電機(jī)外部各可測物理量之間的關(guān)系。直流無刷電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性： （2-1） 由2-4式可以看出有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)二者機(jī)械特性表達(dá)式一樣，機(jī)械特性曲線產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，是由于當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大，開關(guān)管管壓降Ut隨著電流增

20、大而增加較快，加在繞組上的電壓有所減小，使特性曲線偏離直線而向下彎曲。圖2-5 機(jī)械特性曲線其運(yùn)行特性主調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓U0和斜率K。 （2-2） （2-3）圖2-6 調(diào)節(jié)特性曲線從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可見，直流無刷電動(dòng)機(jī)具有與有刷直流電動(dòng)機(jī)一樣良好的控制性能，可以通過改變電壓實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速6。2.3 無刷直流電機(jī)的應(yīng)用無刷直流電機(jī)被廣泛應(yīng)用在精密電子設(shè)備以及器械等方面中，如醫(yī)療器械、復(fù)印機(jī)、激光打印機(jī)、衛(wèi)星無刷直流電機(jī)、自動(dòng)化以及航空航天等等；主要用來存放計(jì)算機(jī)外存設(shè)備中的各種信息數(shù)據(jù)。特別是用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的主軸電機(jī)，能懸浮于盤片上下兩側(cè)以高速驅(qū)動(dòng)磁盤穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，這對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)零部件和裝配精

21、度提出了很高要求?？偟膩碚f，無刷直流電機(jī)具有以下三種用途：1、持續(xù)負(fù)載的應(yīng)用：主要是需要一定轉(zhuǎn)速但是對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求不高的領(lǐng)域，這類應(yīng)用性價(jià)比較高且多為開環(huán)控制，如抽水機(jī)、空調(diào)、吹風(fēng)機(jī)等。2、可變負(fù)載的應(yīng)用：主要是轉(zhuǎn)速需要在某個(gè)范圍內(nèi)變化的應(yīng)用，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間特性有更高的需求。如甩干機(jī)、壓縮機(jī)以及汽車工業(yè)領(lǐng)域中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制等，這類應(yīng)用的系統(tǒng)成本相對(duì)更高些。3、定位的應(yīng)用：大多數(shù)工業(yè)控制和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用屬于這個(gè)類別，這類應(yīng)用中往往會(huì)完成能量的輸送，所以對(duì)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩有特別的要求，對(duì)控制器的要求也較高。測速時(shí)可能會(huì)用上光電和一些同步設(shè)備。過程控制、機(jī)械控制和運(yùn)輸控制等很多都

22、屬于這類應(yīng)用。實(shí)用性新型無刷電機(jī)是與數(shù)字技術(shù)、電子技術(shù)、自控技術(shù)、微電子技術(shù)、以及材料科學(xué)等發(fā)展緊密聯(lián)系的。它不僅應(yīng)用于交直流領(lǐng)域，還涉及發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)傳感等領(lǐng)域。新型無刷電機(jī)的品種在電機(jī)領(lǐng)域中較多，但由于其價(jià)格的限制，還不能被廣泛的應(yīng)用。3 直流無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，有所區(qū)別的是將直流電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行了相應(yīng)的互換，其中的轉(zhuǎn)子是永磁結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生氣隙磁通；定子是電樞，有多相對(duì)稱繞組。原來的有刷直流電動(dòng)機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被無刷直流電動(dòng)機(jī)中的逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器所代替。由此可以看出無刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體本質(zhì)上是一種永磁

23、同步電機(jī)。因?yàn)闊o刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體是永磁電機(jī)，所以無刷直流電動(dòng)機(jī)又被稱為永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。3.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成部分定子的結(jié)構(gòu)與普通同步電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣，鐵芯中都嵌有多相對(duì)稱繞組。繞組可以接成星形的或者三角形的，并將其分別與逆變器中的各開關(guān)管相連，三相無刷直流電動(dòng)機(jī)是最為常見的7。逆變器的主電路分為橋式和非橋式兩種，如下圖3-1所示。其中圖(a)、(b)是非橋式開關(guān)電路，其他的則是橋式開關(guān)電路。電樞繞組與逆變器有多種連接方式，其中以三相星形六狀態(tài)(圖(c)和三相星形三狀態(tài)(圖(a)的使用最為廣泛，但后者的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相對(duì)大。圖3-1 逆變器的主電路 無刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組是斷續(xù)

24、通電的，這與普通直流電動(dòng)機(jī)有所不同。如果能夠做到適當(dāng)?shù)靥岣呃@組利用率，這將可以使同時(shí)通電的導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，從而使效率提高。 位置檢測器在電機(jī)中的主要作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于定子繞組的位置信號(hào)，并為逆變器提供精確的換相信息。有位置傳感器和無位置傳感器檢測是位置檢測的兩種形式。位置傳感器分為三種，分別是光電式位置傳感器、電磁式位置傳感器、磁敏式位置傳感器。光電式位置傳感器的結(jié)構(gòu)組成是固定在定子上的幾個(gè)光電偶合開關(guān)和固定在轉(zhuǎn)子軸上的遮光盤。電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來測量轉(zhuǎn)子位置的8。傳感器是由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成的。定子的組成結(jié)構(gòu)包括磁芯、高頻勵(lì)磁繞組和輸出繞組。定、轉(zhuǎn)子磁芯都是由高頻

25、導(dǎo)磁材料（如軟鐵氧體）制成的9。電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，輸入繞組中將會(huì)通入高頻激磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子扇形磁芯位于輸出繞組下面時(shí)，輸入和輸出繞組通過定、轉(zhuǎn)子磁芯的偶合，輸出繞組中將感應(yīng)出高頻信號(hào)，經(jīng)過濾波的整形處理后，用于控制逆變器開關(guān)管。這種傳感器的機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較高，且可經(jīng)受較大的震動(dòng)沖擊，由于它的輸出信號(hào)較大，一般不需要進(jìn)行放大就可以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，因?yàn)檩敵龅碾妷菏墙涣?，所以先要?duì)其進(jìn)行整流。它的缺點(diǎn)則是相對(duì)來說過于笨重和復(fù)雜。磁敏式位置傳感器的主要原理是電流的磁效應(yīng)，它的位置檢測器是均勻分布的磁敏元件和永磁檢測轉(zhuǎn)子所構(gòu)成。無位置傳感器的控制方式一般指的是電機(jī)無機(jī)械式位置傳感器，也就是在無刷直流電動(dòng)機(jī)的定子上不

26、直接安裝位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位置10。但是由于在電機(jī)的控制運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子位置換相信號(hào)是必需的。所以，永磁無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制的關(guān)鍵是其設(shè)計(jì)了一轉(zhuǎn)子位置信號(hào)來檢測電路，分別從硬件和軟件兩個(gè)方面來間接獲取可靠的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。檢測得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)后，電機(jī)的控制方法，與有位置傳感器控制法一樣。目前，大多是通過利用檢測定子電壓、電流等容易得到的物理量進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的估算從而獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，其中反電勢(shì)過零檢測法、鎖相環(huán)技術(shù)法、定子三次諧波法和電感法等方法較為成熟。 控制器是直流無刷電機(jī)有效工作并實(shí)現(xiàn)其他功能的中心，它有以下主要功能如下：（1）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的各種功能如對(duì)位置傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的

27、綜合等；（2）產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)的開環(huán)調(diào)速；（3）調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)速度閉環(huán)，從而使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能；（4）對(duì)電路中的一些故障，比如：短路、過流、過電壓和欠電壓等進(jìn)行保護(hù)。3.2 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)針對(duì)電機(jī)節(jié)約成本、體積縮小和應(yīng)用場合等諸多問題，采用的檢測方法是反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于DSPIC30F2010芯片的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，分析了DSPIC30F2010外圍電路，逆變及其驅(qū)動(dòng)電路11。反電動(dòng)勢(shì)檢測電路，電流采樣與過流保護(hù)電路，開發(fā)了主程序和中途事件處理程序，并給出了電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)端電壓的波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)能夠控制電機(jī)順利啟動(dòng)，而且

28、實(shí)現(xiàn)了電機(jī)正確的換相和正常運(yùn)行，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測是無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制的難點(diǎn)。國內(nèi)外研究人員對(duì)此提出了很多方法，一些典型的方法有：擴(kuò)展卡爾曼濾波法、三次諧波檢測法、反電動(dòng)勢(shì)法和電感檢測法等。擴(kuò)展卡爾曼濾波器法的計(jì)算比較繁瑣，對(duì)微機(jī)性能要求相對(duì)較高，實(shí)現(xiàn)起來較麻煩。三次諧波檢測法在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠準(zhǔn)確并且快速地估計(jì)轉(zhuǎn)子所處的位置，但是存在低速時(shí)難以得到有效的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，雖然RC濾波電路有過零點(diǎn)相移等一些缺點(diǎn)，但是在目前的技術(shù)下這個(gè)該方法是最成熟的，實(shí)現(xiàn)起來最簡單，在應(yīng)用中最廣泛的轉(zhuǎn)子位置檢測方法。電感檢測法需要對(duì)繞組電感進(jìn)行不斷的實(shí)時(shí)檢測，實(shí)現(xiàn)難度較大。 圖3

29、-2 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測普遍采用的控制方案為基于DSP的控制和基于專用集成電路的控制等，受芯片功能、速度和結(jié)構(gòu)的限制，硬件設(shè)計(jì)中往往需要較多的外圍電路，導(dǎo)致裝置的整體集成度不高，硬件開發(fā)相對(duì)復(fù)雜。本文采用反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測方法，設(shè)計(jì)了基于dsPIC30F2010芯片的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，將高性能16位單片機(jī)的控制特點(diǎn)和DSP高速運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合12，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了合適的單芯片、單指令流的解決方案，其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行性能良好。4 直流無刷電機(jī)的電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要采用DSPIC30F2010芯片為核心芯片，通過其周邊的各種電路來達(dá)到控制直流無刷電機(jī)的目的。4.1 開關(guān)電路的設(shè)計(jì)

30、 開關(guān)電路是采用六個(gè)IRF540N晶體管來控制M1、M2、M3信號(hào)的輸出，其主要是通過QW信號(hào)來控制IRF540N的通斷達(dá)到輸出的目的13。圖4-1 開關(guān)電路4.2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)這個(gè)保護(hù)電路主要采用MCP6544和MCP6002二個(gè)芯片為主要芯片，這個(gè)電路的主要目的是為了保護(hù)INF540N不會(huì)因?yàn)殡娏鬟^大導(dǎo)致其燒毀。其主要原理是通過比較參考電壓和電流采樣的對(duì)比結(jié)果。將最大的電流設(shè)定在可控的范圍內(nèi)，最大限度的保護(hù)了電流。 圖4-2 MCP6544示意圖 圖4-3 保護(hù)電路圖4.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路主要由三個(gè)IR2130s芯片構(gòu)成。其周邊電路如下圖所示，其主要工作原理是PWM1H輸

31、入高電平那么QW1就會(huì)輸出高電平，PWM1L輸入低電平那么QW2就會(huì)輸出低電平14，通過由此來控制開關(guān)電路不同組合的開啟來達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的效果。 圖4-4 驅(qū)動(dòng)電路圖4.4 反饋電路的設(shè)計(jì)本反饋電路主要是采集直流無刷電機(jī)的霍爾傳感器的信號(hào)，其主要目的是將采集來的霍爾傳感器的信號(hào)反饋到DSPIC30F2010芯片里面15。 圖4-5 反饋電路4.5 電源電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的電源電路主要是采用MC7815和MC7805二個(gè)芯片，將24v的電壓降到15v和5v。其中MC7815的輸入電壓是24v輸出電壓是15v，而MC7805的輸入電壓是15v輸出電壓電壓是5v，這樣就會(huì)得到本系統(tǒng)所需的三種電壓16

32、。 圖4-6 5V電源模塊 本系統(tǒng)的電源電路上的電容的主要作用是濾波。5 直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在為直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序的時(shí)候，要先開啟復(fù)位電壓，然后初始化時(shí)鐘和中斷源，再打開中斷，當(dāng)檢測到轉(zhuǎn)把的輸人電壓時(shí)，將該電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后按算法計(jì)算出PWM的占空比輸出PWM波。隨后采樣位置傳感器產(chǎn)生霍爾信號(hào)，將該信號(hào)的狀態(tài)與電機(jī)固定的相位序列對(duì)比17，判斷電機(jī)的相位是否正確。若正確，輸出波PWM，否則，重新復(fù)位。5.1 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn) 這部分主要有四個(gè)部分驅(qū)動(dòng)控制、啟動(dòng)、中斷時(shí)間控制和電源電壓檢測18。 霍爾元件狀態(tài)到輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是通過查表的方式來實(shí)現(xiàn)的。直流無刷電機(jī)中的3個(gè)霍爾元件

33、共有8種組合狀態(tài)，而在這8種狀態(tài)中只有6種狀態(tài)是有效的，且對(duì)應(yīng)1個(gè)輸出狀態(tài)。由于這6種狀態(tài)對(duì)應(yīng)沒有明顯的數(shù)量關(guān)系，查表就是實(shí)現(xiàn)映射最快捷的方法。要想實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，只需增加一個(gè)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)區(qū)別只是在電流換相的順序的上不同，這反映到程序中僅僅只是一點(diǎn)在查表處有區(qū)別，所以正反轉(zhuǎn)可以用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。 一般來說轉(zhuǎn)子位置在轉(zhuǎn)過磁場換相的臨界點(diǎn)時(shí)，這個(gè)時(shí)候我們認(rèn)為電流的換相速度越快越好17。因?yàn)檫@樣直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度就會(huì)越快。所以根據(jù)這個(gè)我們就可以將霍爾信號(hào)的改變?cè)O(shè)置為中斷，這樣的話轉(zhuǎn)子在換相的時(shí)候相應(yīng)速度就會(huì)比較快。 中斷的時(shí)間控制和定時(shí)器的時(shí)間控制差不多19。定時(shí)器會(huì)在每個(gè)時(shí)間周期增加1，

34、并在計(jì)數(shù)滿后復(fù)位到00h然后又重新開始計(jì)數(shù)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)。若想控制定時(shí)器定時(shí)，則將中斷程序里面的定時(shí)器重新置數(shù)，此時(shí)，定時(shí)器便會(huì)從這個(gè)數(shù)開始計(jì)數(shù)直到溢出。須注意對(duì)有的定時(shí)器計(jì)數(shù)值寄存器寫的時(shí)候，會(huì)把預(yù)分頻值清除，因此必須在寫計(jì)數(shù)值的同時(shí)重新寫預(yù)分頻值控制字。有關(guān)電壓檢測的相關(guān)程序也是在主程序的里面，檢測的電源電壓的值必須要根據(jù)其負(fù)載情況來判斷18，因?yàn)殡娫吹碾妷悍浅Ｈ菀资艿截?fù)載的影響。5.2 軟件流程圖本系統(tǒng)主要流程是先通過采集直流無刷電機(jī)里面的霍爾信號(hào)，然后根據(jù)霍爾傳感器的信號(hào)判斷電機(jī)里面轉(zhuǎn)子的位置，然后輸出特定的信號(hào)通過控制電路來控制開關(guān)電路的輸出信號(hào)，這樣就會(huì)使直流無刷電機(jī)工作

35、起來，其軟件編程過程如下圖所示。 圖5-1 軟件流程圖我們?cè)趩纹瑱C(jī)采集霍爾信號(hào)之前必須要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，所以我們?cè)诰幊痰倪^程中要注意這個(gè)初始化的過程。 6 實(shí)物成果及展望 (a ) (a)圖6-1 實(shí)物圖 圖6-2 系統(tǒng)PCB圖圖6-3 控制系統(tǒng)的原理圖（a）下邊橋PWM輸出信號(hào)圖 (b）上邊橋PWM輸出信號(hào) 圖6-4 上邊橋PWM輸出信號(hào)以及下邊橋PWM輸出信號(hào)圖致謝 時(shí)光匆匆，大學(xué)四年的學(xué)習(xí)和生活即將結(jié)束，這四年是我人生中最美好的時(shí)光。歷時(shí)兩個(gè)月終于將畢業(yè)論文和實(shí)物完成，在論文的撰寫和實(shí)物的制作及調(diào)試過程遇到了無數(shù)的困難和障礙，都在同學(xué)和老師的幫助下度過了。在這里，我要感謝我的論文指

36、導(dǎo)老師陳兵兵老師，在論文撰寫的時(shí)候，不僅對(duì)我的論文內(nèi)容進(jìn)行指導(dǎo)，還對(duì)論文格式進(jìn)行批注，您不厭其煩的幫助我們完成設(shè)計(jì)，您學(xué)識(shí)淵博，談吐風(fēng)趣，在這里獻(xiàn)上我崇高的敬意。此外，還要感謝我的同學(xué)和朋友，在實(shí)物制作過程中創(chuàng)造了良好的氛圍，并在論文的撰寫和排版等過程中提出中肯的意見。還針對(duì)論文的內(nèi)容進(jìn)行答辯演示，提出一些潛在的問題。在這里請(qǐng)接受我誠摯的謝意。同時(shí)也感謝學(xué)校為我們提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。最后感謝這篇論文中引用的各位學(xué)者的研究成果，如果沒有你們的文獻(xiàn)支持，我很難完成這篇論文的撰寫。 由于我的水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請(qǐng)各位老師和學(xué)友批評(píng)和指正。 參考文獻(xiàn) 1 王益全.電動(dòng)機(jī)原理與實(shí)用技術(shù)M

37、.北京:科學(xué)出版社,2005. 2 李鐘明,劉衛(wèi)國.稀土永磁電機(jī)第一版M.北京:國防工業(yè)出版社,1999. 3 張深.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理與其應(yīng)用M.機(jī)械工業(yè)出版社,1996.4 盧靜,陳非凡,張高飛等.基于單片機(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)M. 北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2002.5 梁正峰,王磊.電動(dòng)自行車用無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研究M.電氣傳動(dòng)自 動(dòng)化,2004. 6 曹建平.電動(dòng)自行車調(diào)速控制電路的研究M.電子工程師,2000.7 謝運(yùn)祥.歐陽森.電力電子單片機(jī)控制技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版社,2007. 8 葉金虎.現(xiàn)代無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的原理和設(shè)計(jì)M.辭學(xué)出版社,2007. 9 王成元,夏加寬

38、,楊俊友,孫益標(biāo).電機(jī)現(xiàn)代技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版,2006.10 姚國強(qiáng),錢銳,陸成鷹.機(jī)電設(shè)備的單片機(jī)控制技術(shù)M.辭學(xué)出版社,2006.11 許大中,賀益康.電機(jī)控制M.浙江大學(xué)出版社,2002.12 顧繩古.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)M.機(jī)械工業(yè)出版社,2004. 13 黃俊,王兆安.電力電子變流技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版社,2004. 14 余永權(quán),汪明慧,黃英.單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用M.電子工業(yè)出版社,2003. 15 張琛.直流無刷電機(jī)原理及應(yīng)用M.北京機(jī)械工業(yè)出版社,1996. 16 譚建成.電機(jī)專用控制燕成電路M.北京機(jī)械工業(yè)出版社,1997. 17 張立,黃兩一.電力電子場控器件及其應(yīng)用M.北京

39、機(jī)械工業(yè)出版社,1995. 18 李志民,張遇杰.同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)M.北京機(jī)械工業(yè)出版社,1995.19 張琛.直流無刷電動(dòng)機(jī)的原理及應(yīng)用M.北京機(jī)械工業(yè)出版社,2004.附錄附錄1 程序 #include "p30F2010.h"#define FCY 5000000/ xtal = 5.0Mhz; PLLx8#define MILLISEC FCY/10000/ 1 mSec delay constant#define FPWM 16000#define POLEPAIRS5/ number of pole pairs#define INDEX1/ Hall sens

40、or position index#define S2!PORTCbits.RC14#define S3!PORTCbits.RC13void InitADC10(void);void AverageADC(void);void DelayNmSec(unsigned int N);void InitMCPWM(void);void InitUART(void);void SendCRLF(void);void SendSpeed(void);void InitTMR3(void);void SendMsg(void);struct unsigned RunMotor : 1;unsigned

41、 SndSpeed :1;unsigned CheckRX :1;unsigned SendTX :1;unsigned unused :14;Flags;unsigned int HallValue;unsigned int timer3value;unsigned int timer3avg;unsigned char polecount;/*Low side driver table is as below. In the StateLoTableClkand the StateLoTableAntiClk tables, the Low side driver isPWM while

42、the high side driver is either on or off. */unsigned int StateLoTableClk = 0x0000, 0x0210, 0x2004, 0x0204,0x0801, 0x0810, 0x2001, 0x0000;unsigned int StateLoTableAntiClk = 0x0000, 0x2001, 0x0810, 0x0801,0x0204, 0x2004, 0x0210, 0x0000;void _attribute_(interrupt, no_auto_psv) _CNInterrupt (void)IFS0bi

43、ts.CNIF = 0;/ clear flagHallValue = PORTB & 0x0038;/ mask RB3,4 & 5HallValue = HallValue >> 3;/ shift right 3 timesOVDCON = StateLoTableAntiClkHallValue; /*The ADC interrupt loads the PDCx registers with the demand potvalue. This is only done when the motor is running.*/void _attribute

44、_(interrupt, no_auto_psv) _ADCInterrupt (void)IFS0bits.ADIF = 0;if (Flags.RunMotor)PDC1 = ADCBUF0 >> 1;/ get value .PDC2 = PDC1;/ and load all three PWMs .PDC3 = PDC1;/ duty cyclesint main(void)LATE = 0x0000;TRISE = 0xFFC0;/ PWMs are outputsCNEN1 = 0x00E0;/ CN5,6 and 7 enabledCNPU1 = 0x00E0;/ enable internal pullupsIFS0bits.CNIF = 0;/ clear CNIFIEC0bits.CNIE = 1;/ enable CN interruptInitMCPWM();InitADC10();while(1)/while (!S2)/ wait for start key hit/while (S2);/ wait ti