直流无刷电机控制系统设计
摘要
继有刷直流电动机发展后，无刷直流电机也相继有了发展。目前，尽管各种各样的直流电动机和交流电动机在工业传动应用中发挥了主导作用，但无刷直流电动机也正备受关注。
随着这社会的不断发展、人们的生活水平不断提高，同时办公自动化、现代化生产、发展等关键设备也都慢慢走向高智能化、小型化和高效率化，电机作为执行元件的重要部分，需要具有效率高、速度快和精度高等等特点，因此直流无刷电机的应用得到了逐步的推广。
本设计首先介绍了直流无刷电机国内外发展现状，然后研究了直流无刷电机的基本运行原理，再次建立了以AT89C51单片机为核心的硬件电路和软件流程图，最后在MATLAB中搭建仿真模型，仿真结果验证了直流无刷电机控制系统的正确性。
关键词：直流无刷电机；单片机；MATLAB
第一章绪论
1.1 研究意义
直流无刷电机是一种新型电机，由于它结合机电一体化，因此有高动态响应、高热容量、高效率和高可靠性等等诸多优势，而且长寿命、低噪声和低成本等方面也是其它的优势。从现阶段来看，随着不断地有新材料技术的出现，直流无刷电机的发展也因此获得了良好的契机。目前无刷电机的各方面的应用已经遍布各种各样的领域，办公自动化和工厂自动化等方面就比较的需要小功率直流无刷电机，例如家用电器或者是外设复印机等等。所以说，无刷电机目前正在快速地取代传统电机的地位。
直流无刷电机集特种电机、变速结构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成新一代伺服系统，体现了当今应用科学的许多最新成果，是机电一体化的高新技术产品。直流无刷电机集交流电机和直流电机优点于一体，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗。在电磁结构上和有刷直流电动机一样，不过无刷直流电动机的电枢绕组是处在定子上的，永久磁钢安装在转子上，采用多相形式的电枢绕组，在通过逆变器之后，然后连接到直流电源上面，定子方面利用了电子换向来替换传统电机的电刷和换向器，在各绕组依次通电后，跳跃式的旋转磁场会气隙中生成，同时与转子的主磁场相互作用，因此产生电磁转矩，和其它电机相比，直流无刷电机具有高可靠性和高效率等优势，由于现阶段，随着具体性能的提高与价格的下降等优势的新型稀土永磁材料不断出现，这给永磁直流无刷电机在成本方面带来了下降，因此其优势将会越发的凸显出来。在一些发达的国家里，无刷直流电机逐步替代了有刷直流电机的地位而应用于工业自动化领域。现阶段，很少见到一些国外买进来的设备中会有以有刷直流电机作为执行系统的情况了，比如说美国、日本等的相关公司已经不再会去大幅度地生产有刷直流电动机。
由上可知，相对于其它类型电动机来说，无刷直流电机还是一种新型电机，它的驱动、控制更是和电子技术息息相关，因此，对直流无刷电机本体及其控制
方法进行系统、深入的研究有着十分重要的现实意义。
1.2国内外发展水平和研究情况
1.2.1国内外发展水平
在工农业生产的各个领域中，作为最早的电动机-有刷直流电动机得到了广泛的应用，它凭借着优良的调速性能，在应用调速理念的领域发挥了重要作用，可是有一个原因限制了它进一步的发展，那就是机械换相装置的存在。它的机械电刷和换向器由于始终不断地要进行强迫性接触，这将会带来可靠性差、火花、噪声等各种各样的棘手问题，会直接影响他的性能和调速的精度。随着科学技术的不断发展与创新，半导体技术、开关型晶体管的研发成功这些都给新型的无刷直流电动机的创造带来机遇。“直流无刷电机”的概念已有最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。现今，直流无刷电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。直流无刷电机具有最优越的调速性能，主要表现在：调速方便(可无级调速)，调速范围宽，低速性能好(起动转矩大，起动电流小)，运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等。
电力电子技术的进步对无刷直流电动机的发展来说具有一个很大的推动作用，在其发展的早期，当时处于初级发展阶段的大功率开关器件，不仅可靠性差，而且其价格昂贵，同时又受到驱动控制技术水平、永磁材料两方面的制约，这导致自发明以后的无刷直流电机在一段很长的时间内，只能处于实验室研究阶段，没有办法得到应有的推广与发展，20世纪七十年代，伴随着电力电子工业的高速发展，各种新型的全控型半导体功率器件如春雨般出现在世人眼前，这为它后来广泛应用与发展奠定了基础。
1978年，在当时的汉诺威贸易博览会上，MANNESMANN公司正式推出了一种MAC无刷直流电动机及其驱动器，它的出现，在当时引起了世界各国的极大关注，随后，研发和生产无刷直流系统的热潮也在国际上喷涌而出，这也就标志着无刷直流电机正在逐步地走向实用阶段。
在人们对无刷直流电机不断的了解基础上，无刷直流电机的理论也逐步进行
了完善与改进。在1986年，当时H.R.Bolton对其作了全面而又系统的总结，在总结中，他指出了无刷直流电动机的众多研究领域，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。
无刷直流电机对与我国来说，对其研究的还是比较晚。1987年，联邦德国金属加工设备展览会在北京举办，当时BOSCH和SIEMENS两家公司相继展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，这在我们当时国内，引起了众多相关研究学者的关注，自此以后，国内也相继掀起了研发和技术引进的热潮。经过多年的不懈努力，目前，我们国内已研制出无刷直流电动机的一系列的产品。
1.2.2 直流无刷电机的主要研究方向
采用永久磁铁的直流无刷电机转子，气隙磁通保持在常值，因此它非常适用于恒转矩运行状态，但是对于恒功率运行状态，虽然直流无刷电机难以直接改变磁通以此来进行弱磁控制，但是进行控制改进的改进也还是可以得到弱磁控制的效果。稀土永磁材料具有可产生很大的气隙磁通的优点，由于此，可以大大缩小转子的半径，同时也可以减小转子的转动惯量，因而，当伺服驱动系统要求具有非常良好的静态特性或者高动态响应的时候，直流无刷电机相比较于交流伺服电机和直流伺服电机就凸显出了它更多的优势。现阶段，直流无刷电机的发展已遍布全国的各个领域并且不断的加深，尤其是在家用电器、航空航天等重要领域已得到大量应用与发展。
现阶段，直流无刷电机的研究主要在以下方面进行介绍：
(1) 无机械式转子位置传感器控制
作为整个驱动系统中最为脆弱的部件-转子位置传感器，不仅在成本和复杂性为系统增加的负担，而且系统的抗干扰能力和可靠性也受到了下降，与此同时还要占据一定的空间位置等等。在很多的场合，比如说空调器或者是计算机外设等都要求以无转子位置传感器方式运行。
无转子位置传感器运行本质上就是需要在不使用机械传感器的前提下，以电机的电流和电压信息来获取转子磁极的准确位置。
目前来看，相对成熟的无转子位置传感器运行方式主要有：
1 续流二极管电流通路检测法。目前的这些方法里面都或多或少的存在这各
自的缺陷，不过依然在完整中；2 反电动势法——具体包括了直接反电动势法、间接反电动势法和派生反电动势积分法等等；3 定子三次谐波检测法；
(2) 转矩脉动控制
由于无刷直流电机具有转矩脉动等固有缺陷，尤其是在伴随着转速的升高，或者换向的时候，转动脉动会产生加剧的现象，以至于导师平均转矩明显下降。因此，对于提高无刷直流电动机的性能方面来说，减小转矩脉动是一个重要方面。
(3) 智能控制
在运动控制研究领域当中，伴随着信息技术和控制理论的不断发展，先进的控制理论就是其中一个新的发展方向，特别是智能控制方面的应用。现阶段，模糊逻辑控制、专家系统和神经网络是其中三个最为重要的控制理论和方法。所谓的模糊控制，就是将一些成熟经验和规则有机地融入到所研究的传动控制策略当中去，目前，已经有很多方面得到了非常成功的应用。伴随着无刷直流电动机在各方面不断扩大的应用情形，可以预测智能控制技术将会受到众多学者更广泛的关注。
2.3 直流无刷电机的特点及应用
保持着有刷直流电机的良好机械及控制特性的直流无刷电机，在电磁结构上和有刷直流电动机一样，不过无刷直流电动机的电枢绕组是处在定子上的，永久磁钢安装在转子上，采用多相形式的电枢绕组，在通过逆变器之后，然后连接到直流电源上面，定子方面利用了电子换向来替换传统电机的电刷和换向器，然后各相依次通电产生电流，定子磁场和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩。和有刷直流电机相比，直流无刷电机由于取消了电机的滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了励磁损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的(在方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁心内产生一定的铁损，和方波电流驱动相比，采用正弦波电流驱动铁损更小)。总而言之，排除轴承旋转产生磨损之外，其转子方面的损耗非常小，因而这将进一步增强了其可靠性。由于不但拥有交流电动机结构简单、运行稳定、维护方便等诸多优点的无刷直流电动机，它还又具有运行效率高、无励磁损耗同时调速性能又好等优势，因此，故在现阶段社会发展的各个领域，比如仪表仪器、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。
直流无刷电机的应用主要分为以下几类：
1.定速驱动机械一般工业场合不需要调速的领域以往大多是采用三相或单
相交流异步和同步电机。随着电力电子技术的进步，在功率不大于10KW且连续运行的情况下，为了减少体积，节省材料，提高效率和降低能耗，越来越多的电机正被直流无刷电机逐步取代，这类应用有：自动门、电梯、水泵、风机等。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁电机外还要增加驱动器，因此目前较少有应用。
2.调速驱动机械速度需要任意设定和调节，但控制精度要求不高的调速系统分为两种：一种是开环调速系统，另一种是闭环调速系统(此时的速度反馈器件多采用低分辨率的脉冲编码器或交、直流测速等)。通常采用的电机主要有三种：直流电机、交流异步电机和直流无刷电机。这在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。调速应用领域最初用得最多的是直流电机，随着交流调速技术特别是电力电子技术和控制技术的发展，交流变频技术获得了广泛应用，它们很快都渗透到原有的直流调速系统的绝大多数营养研究领域当中。这些年来，各式各样的中小功率型交流变频系统正逐渐被直流无刷电机系统所替换，这正是由于直流无刷电机重量小、体积小和高效节能等诸多优势，尤其是在印刷机械、纺织机械等原先主要应用的是变频系统的领域，而对于某些直流电机应用领域，它们一直直接由电池来供电的，则更多的被直流无刷电机所代替。
3.精密控制在工业自动化领域中，伺报电动机高精度控制扮演了十分重要的角色，由于其各自的应用场合不太一样，因此其控制性能的要求当然也不尽相同了。在实际情况下，伺服电动机拥有这各式各样的控制形式如：电流控制、转矩控制、位置控制和速度控制等等。具有良好的控制性能的无刷直流电机，它在高速、高精度定位系统中也慢慢的替换掉了直流电机与步进电机的地位，是首选的伺服电机之一。现阶段，对于扫描仪、医疗诊断CT、CD唱机驱动、数控车床驱动及计算机硬盘驱动等都大量应用直流无刷电机伺服系统用于精密控制。
4.其他应用家用电器、大型同步电机启动等。
1.3 文章结构
本文的大致结构如下：
第一章：主要介绍了直流无刷电机的发展现状，国内外发展水平和研究情况；直流无刷电机的主要研究方向，直流无刷电机的控制系统。
第二章：简单的介绍了直流无刷电机的基本原理，研究直流无刷电机的换向准则，用图示的方法简单清晰明了。
第三章：研究了直流无刷电机的控制系统，介绍了开环和闭环的优缺点，介绍了数字控制芯片AT89C51的基本性能。
第四章：对所研究的直流无刷电机建立了控制系统，建立速度外环电流内环的双闭环控制系统，仿真结果表明所搭建的控制系统可以快速稳定的跟踪速度参考给定值。
第五章：对全文进行了总结以及未来发展展望。最后对有关人士表达了深深的谢意。
第二章直流无刷电机基本结构及原理
2.1直流无刷电机系统基本结构
直流无刷电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。基于有刷直流电机改进的直流无刷电机，内部电枢绕组与功率开关器件相连，其驱动过程是通过内部主转子位置传感器的输出信号来完成的，使电枢绕组依次通电。在定子形成旋转磁场以驱动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地输出具体位置信号，位置信号转换为电信号后通过控制芯片来改变电枢绕组的通电状态，电枢电流方向始终保持恒定不变，因此，整个直流无刷电机的换向过程过程完全属于无接触式。图2-1为直流无刷电机工作原理框图。
图2-1 直流无刷电机工作原理框图
2.1.1 电机本体
电机本体的主要部件包括转子和定子。在满足足够磁通要求下，电枢绕组通过某一恒定电流产生一定的电磁转矩。其次在保证机械结构牢固和稳定情况下，传送该电磁转矩。
（1）绕组：直流无刷电机常见的绕组形式包括整矩集中、整矩和短矩分布式三种。不同的绕组形式对电机的反电动势波形产生不同影响，甚至间接影响到电机本身的性能[文献]。整矩集中绕组在同一个槽内分布每相绕组，其反电动势波形为各个导体的反电动势的叠加，具有为较好的梯形反电动势波形；短矩绕组优点是可以缩短绕组端接线，节约材料成本。主要用于消弱转矩谐波。
（2）定子：电枢绕组可以Y型连接也可以三角形连接，铁芯内部绕组要求对称，且没有中性点引出。其中电枢绕组Y型连接应用相对较多。另外，与传统有刷直流电机的差别是无刷直流电机的电枢绕组处于定子侧，这将改善无刷直流电机的散热性能。
（3）转子：由一定极对数的永磁体镶嵌在铁心表面或者内部构成。与有刷直流电机中的永磁体在电机气隙中作用一样，都是要求形成足够大的磁场，差别仅在于位置布局上的不同，无刷电机的永磁体设于转子侧。
2.1.2 位置传感器
位置传感器即检测直流无刷电机转子磁极的位置，将位置信号转换成电信号，经过运算处理控制定子绕组的换相，使电枢电流随着转子位置的不同进行同步换相，在一定气隙下产生旋转磁场，驱动转子不断续旋转。
目前直流无刷电机的位置传感器主要包括电磁式、光电式、磁敏式等几个种类。直流无刷电机的控制系统中常采用霍尔位置传感器来检测转子的位置，它本身属于属于磁敏式的一种，具有体积小、方便使用以及廉价特性。本文采用反电动势过零检测的方法，改善了系统稳定性。
2.2直流无刷电机工作原理
无刷六流电动机的电机本体和控制器紧密结合，是典型的机电一体化器件。在永磁直流无刷电机中，电枢绕组安放于定子铁心中，是电磁感应的关键部件之一。作为直流电机的能量转换通道的电枢绕组，其构成应满足电机要求产生足够大的感应电动势，并形成感应电流产生一定电磁转矩。其定子绕组采用三相星形对称接法。其转子附有永磁体用来检测转子的极性。位置传感器装设在电动机内部，通过检测磁极位置来确定定子绕组是否导通，产生不断续且稳定的电磁转矩以驱动电机转动。电机的驱动装置主要由功率电子器件和相关电路组成，控制电机启动、停止和制动的信息接受和动作过程；接受位置传感器用来控制和调整转速。下面以两相导通星形三相六状态永磁无刷直流电动机为例说明其工作原理，图2-2为其工作原理图。
图2-2直流无刷电机工作原理
图2-3所示为定转子磁场旋转状态示意图，其工作原理分析如下：
A
（a）A、B两相导通（b）A、C两相导通
图2-3 定转子磁场旋转状态示意图
首先，图2-3（a）所示转子位于A、B两相导通状态，此时定子的北极和转子磁动势同时指向绕组B，定子磁动势指向绕组C。电枢电流流通方向为绕组A流入→绕组B→绕组X流出。
根据磁场的基本理论，定子和转子在磁场力的相互作用下促使转子发生旋转。同时驱动控制电路通过转子的位置传感器对位置信号进行翻译，产生驱动信号，此时VT1和VT6处于导通状态，使绕组A正向导通，绕组B反向导通。图
2-3(a)所示磁动势Fm和定子合成磁动势Fa的空间位置，转子受永磁顺时针方向的电磁转矩的驱动进行顺时针旋转，电流路径为：电源正极→VT1管→A相绕组→B相绕组→VT6管→负极。
当转子经过600电角度顺时针旋转后，定转子旋转空间位置如图2-3(b)所示，此时A、C两相导通。转子经过转动后，位置传感器检测到其位置信号发生变化，经过译码电路完成翻译，产生新的驱动信号，此时VT1、VT2处于导通状态，绕组A正向导通，而绕组C反向导通。磁动势Fm和Fa空间位置如图2-3(b)所示，电机产生顺时针方向的电磁转矩，转子仍然沿顺时针方向转动，电枢电流路径为：电源正极→VT1管→A相绕组→C相绕组→VT2管→负极。按照这个规律，可以知道转子每转过600电角度，其绕组导通状态都会变化一次，其导通顺序为：AB→AC→BC→BA→CA→CB→AB…。
综上所述得知，电机转子位置每发生变化，都伴随驱动控制电路检测和输出位置信号，再经过译码电路翻译后产生相应的驱动信号，以改变定子绕组的导通状态，让转子按原来方向继续转动。在两相导通星形三相六状态导通工作方式下，转子顺时针旋转的绕组导通顺序如表2-1所示，转子逆时针旋转的绕组导通顺序如表2-2所示。
传统有刷直流电动机要实现反转，只需改变励磁磁场的极性或电枢电流就可以完成。虽然无刷直流电动机实现电机反转的原理与有刷直流电动机类似，但由于它不能通过简单的功率开关管的单向导电性，达到改变电源极性来实现反转的局限，无刷直流电机通常采用改变绕组的通电顺序方式来实现电机反转。如图2-2所示的三相六状态无刷直流电动机，假设要使电机顺时针旋转，可通过转子位置传感器检测和接受转子位置，然后根据表2-1所示的各开关管导通顺序，进行相应导通和关断操作。反之，若要电机逆时针旋转，通过旋转变压器采样和收集转子位置信号，在根据表2-2所示的相应开关管导通顺序，对开关管进行导通和关断操作。
表2-1：转子顺时针旋转开关导通顺序及相电流状态
表2-2：转子逆时针旋转开关导通顺序及相电流状态
从运行过程看，定子绕组每隔600电角度换向一次，定子合成磁动势位置就改变一次，每相绕组何次导通1200电角度，且始终保持两相绕组导通，此工作方式称为两相导通的六状态运行方式。该方式中，每一状态持续600度电角度，在此期间，定子绕组合成磁动势空间位置固定不动，而永磁磁极连续旋转600电角度。定子磁动势为跳跃式旋转磁动势，使定转子磁动势之间的空间夹角周期性变化，导致电磁转矩的波动。
第3章直流无刷电机硬件软件设计任何一个复杂系统稳定而可靠的工作几乎都离不开合理的硬件结构设计与良好的软件代码编写，系统的性能是由软硬件共同决定的。无刷电机调速系统的设计也同样包含硬件设计部分与软件编写部分，本章将着重阐述控制的直流无刷电机硬件设计。
3.1 系统总体硬件结构
本文所设计的直流无刷电机实时控制系统的硬件平台包括微控制器部分、功率驱动及逆变电路部分、检测电路部分、电源电路部分以及其他接口单元。为了增强系统的灵活性和对硬件资源的合理整合，实时控制系统硬件框图如图3-1所示。
图3-1 系统硬件框图
1）微控制器AT89C51：系统采用AT89C51单片机控对系统进行模拟采样、运算与控制等；
2）驱动电路IR2103：IR2103芯片国际整流器公司生产的控制芯片，这种芯片具有功率放大作用，可以将AT89C51单片机输出的信号进行功率放大，放
大后再驱动逆变电路中的功率开关管工作；
3）逆变电路：逆变电路拓扑采用三相桥式逆变电路，开关器件采用MOSFET即可，根据MOSFET上的开关时序，将直流电逆变成交流电，再给电机供电，从而达到对电机的控制目的。
4）电流检测电路：电流检测一般采用霍尔元件实现，本系统采用的芯片为ACS712，该霍尔完成对系统电流的检测并送入单片机处理器处理。
5）位置检测电路：一般情况下，电机会有自带的三相霍尔传感器，此系统选用的自带的三相霍尔传感器的电机，霍尔传感器检测电机转子信号并送入单片机处理器处理；
6）电源电路：输入市电电压，经变压器降压后整流经稳压管稳压产生四路独立的输出电压+/-12V、5V 和 3.3V，给整个系统供电。
3.2 微控制器AT89C51
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位单片机处理器。AT89C51采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，使它成为一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。这种单片机应用于各种控制领域[1]。
⑴AT89C51的主要性能参数：
1）与MCS-51 兼容；
2）4K字节可编程FLASH存储器；
3）寿命：1000写/擦循环；
4）数据保留时间：10年；
5）全静态工作：0Hz-24MHz；
6）三级程序存储器锁定；
7）128×8位内部RAM；
8）32可编程I/O线；
9）两个16位定时器/计数器；
10）5个中断源；
11）可编程串行通道；
12）低功耗的闲置和掉电模式；
13）片内振荡器和时钟电路；
⑵特性概述：
AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内同，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作指导下一个硬件复位。AT89C51引脚图如图3-2所示。
图3-2 AT89C51芯片引脚图
3.3逆变电路
图3-3逆变器主电路
逆变器是将直流电转换成交流电然后再向电机供电，采用三相桥式全控逆变电路，其主电路如图3-3所示，功率开关器件采用功率MOSFET。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。
3.2.1 功率MOSFET
近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升，除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上，也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用MOSFET来实现。
MOSFET是英文（MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor）的缩写，译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。MOSFET是由金属、二氧化硅或氮化硅与半导体制成的半导体器件。
N沟道增强型MOSFET的结构图如图3-4所示，MOSFET底部为一块P型硅半导体材料(图3-4①a)，第二层设置了两个N型区(图3-4①b)，第三层扩散了二氧化硅绝缘层(图3-4①c)，由N区上方采用一定的方法引出两个孔，然后用一定的方法分别在绝缘层上及两个孔内引出了三个电极：G(栅极)、S(源极)和D(漏极)，最后做成如(图3-4①d)所示的样子。
图3-4功率MOSFET的结构图
从图3-4中可以看出MOSFET的G极与D极和S极是相互绝缘的，D极与S极之间有两个PN结。一般情况下，MOSFET的衬底与源极在内部连接在一起。为了改善某些参数的特性，比如提高MOSFET的工作电流、工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等，厂家制成不同的结构及工艺，比如现有的VMOS、DMOS、TMOS等结构。
根据MOSFET结构及工作特性，本系统选择的开关器件为功率MOSFET，3.2.2 全桥逆变电路的设计
本系统采用三相桥式全控逆变电路，拓扑结构如图3-1所示，在电路图设计中，六个功率开关器件选用国际整流公司的IRF3205型功率MOSFET,如图3-5a)所示。这种器件为N沟道型MOSFET。其特点是导通内阻小，这样通态损耗低，耐压55V，额定电流110A，因此适用于低压大电流的功率变换场合。
硬件电路设计图如图3-5所示。QB1、QB3、QB5三个IRF3205作为上桥臂，另外QB2、QB4、QB6为下臂。六个IRF3205通过驱动电路给予的驱动信号控制其导通与关断，在驱动过程为了避免上下管直通导致短路，驱动信号间设置有一定的死区时间，另外，为了减小IRF3205管发热，提高整体效率，必须为IRF3205管提供足够的驱动能力，另外，每个IRF3205上接有两个电阻，比如QB1上，RB1是驱动电阻，RB2为给功率开关管IRF3205结电容提供放电回路的放电电阻。
a) IRF3205
图3-5b)三相全桥硬件电路图
另外，在图3-5b)下桥臂三个IRF3205功率放开关管QI的源极下面反接了一个IRF3205功率开关管，这样做目的是为了防止电源正负极反接对电机造成损坏。如果输入电源反接，QI管则关断，系统没有回路，电流无法流通，这样就能够起到电源反接保护的作用。
3.3驱动电路
前面提到六个IRF3205管都需要一定的驱动信号还能工作，而单片机的信号功率微弱，中间必须加功率放大环节，在本系统中，采用专门的全桥电路驱动芯片IR2103来驱动三相桥式变换器，IR2103的输出电压10-20V, 这款芯片自带自
举电路驱动功能，专门为全桥电路上下功率管提供驱动，外围电路相对简单，不用为全桥中的上管提供专门的隔离驱动电源。采用自举驱动方法可降低生产成本，提高电路可靠性。图3-6为IR2103驱动芯片引脚图及其输入/输出状态。
图3-6 IR2103引脚及其输入/输出状态图
图3-7 IR2103原理图
IR2103采用自带的自举电路，其工作原理图如图3-7所示。图3-7中电容C、二极管VD分别为自举电容和自举二极管。自举电路的工作过程[2]为：与桥臂上功率开关管Q1的源极和下功率开关管Q2的漏极与自举电容C的负极连接，当桥臂下功率开关管Q2驱驱动导通时，由于IR2103管的内阻很小，其压降小，可忽略不计，此时VS点电压可近视为零；这个时间段，供电电源VCC可通过自举二极管VD向自举电容C充电。当桥臂下功率开关管Q2截止后，自举电容C两端屯压保持不变，接下来在桥臂上管驱动导通的时候，C通过驱动芯片内
MOSFET管QV1向外总功率开关管栅极放电，桥臂上管驱动信号导通后，由于IR2103管的内阻很小，压降小，电源母线电压与VS点相连，自举电容C的正极电压为母线电压与电源电压VCC两者之和,二极管VD的反向作用截止，电容C无法放电，因此上桥臂管驱动信号保持不变。当上桥臂管驱动截止时，电容C 通过驱动芯片内MOSFET管QV2放电，Q1截止。在两路互补的PWM信号驱动下，驱动信号按上述方式完成了对桥臂中的上下功率MOSFET管的驱动。功率MOSFET管驱动电路图如图3-8所示。
图3-8功率MOSFET管驱动电路图
3.4电流检测电路
为了对变换器进行时实控制，就必须把变换器的时时工作状态反映到控制电路中，以供控制电路处理并调整，这就必须引入对主电路的信号采样。电流采样的方法有电流互感器、霍尔元件和直接电阻采样。采用霍尔元件取样,控制和主功率电路有隔离,可以检出直流信号,信号还原性好, 但有μs级的延迟,并且价格比较贵;采用电阻取样价格非常便宜,信号还原性好,但是控制电路和主功率电路不隔离,功耗比较大。而电流互感器采样具有能耗小、频带宽、信号还原性好价格便宜、控制和主功率电路隔离等诸多优点
本次设计中，主要采用电流互感器对系统电流信号采样，电流互感器选用LEM公司生产的ACS712型号的高速电流互感器，ACS712 可为工业、商业和通信系统中的交流或直流电流感测提供经济实惠且精确的解决方案。该器件封装便于客户轻松实施。典型应用包括电动机控制、载荷检测和管理、开关式电源和过电流故障保护[3]。ACS712型号工作电压为12，输出电流为-5A~+5A，最大误差±1.5%检测频率可以到200KHz。因此完全符合我们的设计要求。采用三个
一种无刷直流电动机控制系统设计
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一种无刷直流电动机控制系统设计 摘要：介绍了MOTORALA公司专门用于无刷直流电机控制的芯片MC33035和 MC33039的特点及其工作原理，系统设计分为控制电路与功率驱动电路两大部分，控制电路以MC33035/33039为核心，接收反馈的位置信号，与速度给定量合成，判断通电绕组并给出开关信号。在驱动电路设计中，采用三相Y联结全控电路，使用六支高速MOSFET 开关管组成。通过实验，电机运行稳定。 关键词：无刷直流电机;MC33035/33039;控制电路;驱动电路 Design of control system for Brushless DC Motors SUN GuanQun;SHI Ming;TONG LinYi;XU YiPing Abstract:It introduces the MOTORALA company used for the characteristics o f the chip MC33035 and MC33039 which control the brushless direct curren t motor exclusively and its work principle. The system design divides into tw o major parts: the control circuit and the power driver circuit, the control circ uit take MC33035/33039 as the core, receive feedback position signal, with th e speed to the quota synthesis, the judgment circular telegram winding and p roduces the switching signal. In the actuation circuit design, uses the three-p hase Y joint all to control the electric circuit, uses six high speed MOSFET swit ching valve to compose. Through the experiment, the electric motor moveme nt stable is reliable. Keywords:Brushless DC motor;MC33035/33039;control circuit;drive circuit 1.引言 永磁直流无刷电机是近年来迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机。该电机由定子、 转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成,由于没有励磁装置,效率高、结构简单、工作特 性优良,而且具有体积更小、可靠性更高、控制更容易、应用范围更广泛、制造维护更方便 等优点,使无刷电机的研究具有重大意义。 本系统设计是利用调压调速，根据调整供电PWM电源的占空比进而调整电压的方式实 现。本设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33035，它能够对霍尔传感器检测出的位置 信号进行译码,它本身更具备过流、过热、欠压、正反转选择等辅助功能, 组成的系统所需 外围电路简单，设计者不必因为采用分立元件组成庞大的模拟电路,使得系统的设计、调试 相当复杂,而且要占用很大面积的电路板。 MC33035和MC33039这两种集成芯片也可以方便地完成无刷直流电动机的正反转、 运转起动以及动态制动、过流保护、三相驱动信号的产生、电动机转速的简易闭环控制等。
无刷直流电机驱动 James P. Johnson, Caterpiller公司 本章的题目是无刷直流电动机及其驱动。无刷直流电动机（BLDC）的运行仿效了有刷并励直流电动机或是永磁直流电动机的运行。通过将原直流电动机的定子、转子内外对调—变成采用包含电枢绕组的交流定子和产生磁场的转子使得该仿效得以可能。正如本章中要进一步讨论的，输入到BLDC定子绕组中的交流电流必须与转子位置同步更变，以便保持磁场定向，或优化定子电流与转子磁通的相互作用，类似于有刷直流电动机中换向器、电刷对绕组的作用。该原理的实际运用只能在开关电子学新发展的今天方可出现。BLDC电机控制是今天世界上发展最快的运动控制技术。可以预见，随着BLDC的优点愈益被大家所熟知且燃油成本持续增加，BLDC必然会进一步广泛运用。 2011-01-30 23.1 BLDC基本原理 在众文献中无刷直流电动机有许多定义。NEMA标准《运动/定位控制电动机和控制》中对“无刷直流电动机”的定义是：“无刷直流电动机是具有永久磁铁转子并具有转轴位置监测来实施电子换向的旋转自同步电机。不论其驱动电子装置是否与电动机集成在一起还是彼此分离，只要满足这一定义均为所指。”
图23.1 无刷直流电机构形 2011-01-31 若干类型的电机和驱动被归类于无刷直流电机，它们包括： 1 永磁同步电机（PMSMs）； 2 梯形反电势(back - EMF)表面安装磁铁无刷直流电机； 3 正弦形表面安装磁铁无刷直流电机； 4 内嵌式磁铁无刷直流电机； 5 电机与驱动装置组合式无刷直流电机； 6 轴向磁通无刷直流电机。 图23.1给出了几种较常见的无刷直流电机的构形图。永磁同步电机反电势是正弦形的，其绕组如同其他交流电机一样通常不是满距，或是接近满距的集中式绕组。许多无刷直流电
基于无刷直流电机控制系统设计与实现 发表时间：2017-10-20T11:19:09.350Z 来源：《防护工程》2017年第15期作者：樊圣至[导读] 为了摆脱此系统对进口技术的依赖性，应深入研究其控制系统，提升设计水平，从而实现煤矿开采的自动化。交通运输部东海第一救助飞行队摘要：无刷直流电机具备体积小、效率高以及控制精度高等优势，且在多个领域得到了广泛使用。但在部分控制系统中，外加干扰以及参数摄动等因素干扰了系统的动静态性，基于此，本文在分析无刷直流电机结构与运行原理的基础上，指出了其软硬件方面的优化控制措施，以期为此后无刷直流电机控制系统的设计工作提供更多的参考依据。 关键词：无刷直流电机；控制系统；设计与实现 1 无刷直流电机结构 电机本体、位置测算结构、电子换相逻辑等均属于无刷直流电机的组成结构，且其与永磁同步电机较为相似。相较直流电机，无刷直流电机旋转的转子为磁极，而直流电机为绕组。且定子主要由电枢绕组、定子铁芯以及其他固定部件组成，电枢绕组一般采用三相Y型绕法，而转子磁极则采用稀土永磁钢片组成，安装在转子表面。 2 无刷直流电机软硬件设计2.1系统硬件部分 2.1.1系统硬件结构 系统硬件主要包括整流电路、开关电源电路、控制芯片、信号隔离电路、调试电路、逆变功率电路以及电流电压检测与保护电路等，其具体结构如下图1所示。 图1 无刷直流电机控制系统硬件结构组成图其中键盘控制系统信息，比如完成启动、停机、速度给定以及系统参数的在线修改等工作。系统交流电源通过整流桥获得直流电源，并供给全桥逆变以及开关电源电路。而开关电源电路则为系统提供24V以及5V的直流电源，电压检测电路通过模数转换获得电压时值，通过母线电压的监控实行过压保护动作，而主控芯片则通过判断输入信息进行控制命令。 2.1.2电源部分分路 整个系统能量的主要来源便是电源，且其呈现出交流、直流以及交流的变化过程，整个电路被分为强电与弱电两个组成部分，且单相220伏的交流电在整合后会形成310伏的直流电，为逆变电路以及开关电路提供能量。首先是整流电路，包括单相全桥不可控整流电路以及电容充电电流限制电路两个组成部分，当电机功率为1.5kW时，控制器的输出能力设定为2.2kW，且上电瞬间直流电源对电容充电，断开继电器，且电流在经过电阻的过程中得到缓冲。其次是电源电路，主要由变压器、IC1以及MC7085等部分组成，其中IC1为电源的专门控制面板。且开关电源处于电压工作模式，IC1通过电压反馈调整PWM的输出功率，从而维持电源电压的稳定运行。最后是芯片电源电路，主要采用主控芯片为3.3伏的工作电平。 2.1.3主控芯片以及周边电路研究中采用适合电机控制领域的32位Cortex -M3核的单片机，可以达到较高的运算效率，且其时钟频率为72赫兹，具备丰富的外设资源。在设计管脚分配以及附属电路时应在参考专业手册的基础上进行，第一，对于引脚60的外接电路，芯片应处于下载设置状态，且系统完成后还应焊接0欧姆的电阻，以保持引脚的低电平状态。第二，对于晶振电路应采用8M外部晶体的振荡器，且电源与大地之间连接电容，以排除电源的耦合干扰。第三，PWM信号输出控制电路，应采用安全性较强的芯片，且在芯片输出后以及光电隔离之前设置74ACT244以有效控制信号的总输出。第四，键盘系统属于独立通信模块，设计时应按照协议要求编写通讯软件即可使用。 2.1.4功率器元件以及驱动电路GTO、MOSFET、GTR、IGBT以及IPM等均属于常用的功率开关元件，且设计期间，应根据元件管件的耐压程度、最大开关频率等因素进行选择。本次研究中，电机控制要求较高的开关频率；较小的导通阻抗以及较小的驱动功率，因此可以选择MOSFET、IPM以及IGBT。比较发现，IGBT具备大电流以及低导通阻抗的特点，可以保持开关频率；而IPM则在内部集成了过高电压、过大电流以及高温的检测系统，且可以在引脚处输出故障信号，降低了系统的损害率。但考虑到此次研究的试验性质，因此应选择IGBT的分立元件组建全桥逆变电路，并确定1200伏的耐压与25安的额定电流，上升时间为50毫秒。 2.1.5模拟量采集与故障电路
直流无刷电机的控制技术 摘要围绕直流无刷电机控制运用广泛技术——基于DSP的控制系统进行了系统研究，采取模糊控制策略，设计出上位监控系统，数字化、智能化的控制系统提出方案，实践证明了系统的平稳性和快速性满足要求。 关键词直流无刷电机；DSP控制；模糊控制 0引言 数字信号（Digital Signal Processing ，DSP）是涉及很多学科，它广泛被用于很多学科与技术领域。数字信号处理器称为DSP芯片，适用在数字信号处理运算的微处理器，能够快速的在数字信号处理算法上实现。现今，DSP芯片用于运动上的控制、数控机床的控制、航天航空的控制、电力系统上的操作、自动化仪器的控制等各个领域[1]，该文主要介绍这种基于DSP芯片控制直流无刷电机智能化控制系统的设计。 1 系统结构设计 系统组成由“PC 上位机、电源单元、TMS320LF2407 DSP芯片、无刷直流电机、检测单元、功率驱动模块、通讯接口”等。（见图1） 1.1 DSP芯片的选择 DSP芯片的选择是很重要的，选对了DSP芯片才能设计出其外围电路和其他电路。DSP芯片的选择要根据实际的应用系统进行确定。DSP芯片由于场合不同选择的也就不同，我们要考虑DSP芯片的运算速度、价格、运算精度、功耗、硬件的资源等。我们根据系统要求，选择TI公司TMS320LF2407芯片。 1.2无刷直流电机 该电机采取1500转/分, 无刷直流电机采用1.78A、27V电压进行供电，电机换向电路主要是由控制和驱动组成，直流无刷电机自身属于机电能量转换部分，该部分由电机电枢、永磁、传感器组成。我们把电机的电轴绕组在定子上、把永磁放在转子上，其目的是为了实现换向。无刷直流电机的工作方式是两相导通的星型3相6状态，这样操作方式是因为转子在旋转定子电流中进行不断换相来保证两个磁场电流方向不发生改变，控制3相定子电流通电顺序与大小控制电机旋转的速度。 1.3功率的驱动模块 TOSHIBA公司采用IPM系列智能型模块，IPM主要集成了检测、控制、逻辑、保护电路这样有效提高了稳定性与可靠性。东芝的高速光耦TLP550（F）是
1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。 1955年，美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内，都停
直流无刷电机的控制系统设计方案1 引言 1.1 题目综述 直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，它不仅保留了有刷直流电机良好的调试性能，而且还克服了有刷直流电机机械换相带来的火花、噪声、无线电干扰、寿命短及制造成本高和维修困难等等的缺点。与其它种类的电机相比它具有鲜明的特征：低噪声、体积小、散热性能好、调试性能好、控制灵活、高效率、长寿命等一系列优点。基于这么多的优点无刷直流电机有了广泛的应用。比如电动汽车的核心驱动部件、电动车门、汽车空调、雨刮刷、安全气囊；家用电器中的DVD、VCD、空调和冰箱的压缩机、洗衣机；办公领域的传真机、复印机、碎纸机等；工业领域的纺织机械、医疗、印刷机和数控机床等行业；水下机器人等等诸多应用[1]。 1.2 国内外研究状况 目前，国内无刷直流电机的控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。外国的一些技术和中国的一些技术大体相当，美国和日本的相对比较先进。当新型功率半导体器件：GTR、MOSFET、IGBT等的出现，以及钕铁硼、钐鈷等高性能永磁材料的出现，都为直流电机的应用奠定了坚实的基础。近些年来，计算机和控制技术快速发展。单片机、DSP、FPGA、CPLD等控制器被应用到了直流电机控制系统中，一些先进控制技术也同时被应用了到无刷直流电机控制系统中，这些发展都为直流电机的发展奠定了坚实的基础。 经过这么多年的发展，我国对无刷电机的控制已经有了很大的提高，但是与国外的技术相比还是相差很远，需要继续努力。所以对无刷直流电机控制系统的研究学习仍是国内的重要研究内容[2]。 1.3 课题设计的主要内容 本文以永磁方波无刷直流电机为控制对象，主要学习了电机的位置检测技术、电机的启动方法、调速控制策略等。选定合适的方案，设计硬件电路并编写程序调试，最终设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。本课题涉及的技术概括如下：
基于MC33035的无刷直流电机驱动控制系统设计 摘要 随着社会的发展和人民的生活水平提高，人们对交通工具的需求也在不断发展和提高。电动自行车作为一种“绿色产品”已经在全国各省市悄然兴起，进入千家万户，成为人们，特别是中老年人和女士们理想的交通工具，受到广大使用者的喜爱。 MC33035的典型控制功能包括PWM开环速度控制、使能控制(起动或停止) 、正反转控制和能耗制动控制。此芯片具有过流保护、欠压保护、欠流保护、又因此芯片低成本、高智能化、从而简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。 设计的直流无刷电机控制器是采用 MC33035 芯片控制的，以本次设计结果表明，MC33035的典型控制功能带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。电动自行车作为一种新型交通工具已经在社会上引起很大的影响并受到广大使用者的喜爱。 关键词：电动自行车，无刷直流电机，MC33035，位置传感器
THE BRUSHLESS DC MOTOR DRIVE SYSTEM DESIGN BASED ON MC33035 CHIP ABSTRACT With the rapid development of technology, new energy technologies in recent years have been widely used. For example, the small size, light weight, high efficiency, low noise, large capacity and high reliability features such as permanent magnet brushless DC motor-driven bike. MC33035 Typical control functions include open loop PWM speed control so that it can control (start or stop), reversing control and braking control. This chip is overcurrent protection, undervoltage protection, under current protection, and therefore chip cost, high intelligence, which simplifies the system structure, lower system costs, increase system performance to meet the needs of more applications. The design of the brushless DC motor controller is controlled by MC33035 chip to this design results show that, MC33035 typical time delay control with an optional latch-by-week shutdown mode current limiting characteristics, and internal thermal shutdown characteristics. Electric bicycles as a mode of transportation has caused a great impact on society and loved by the majority of users. KEY WORDS: electric-bicycle, brushless DC motor, MC33035, position sensors
无刷直流电机控制系统的Proteus仿真-机械制造论文 无刷直流电机控制系统的Proteus仿真 王家豪潘玉民 （华北科技学院电子信息工程学院，河北三河101601） 【摘要】基于Proteus软件仿真平台，提出了一种对无刷直流电机(BLDCM)控制系统实现了转速闭环控制的方案。该系统以AT89S52单片机为核心，采用IR2101芯片驱动及AD1674实现速度，并利用数码动态显示转速，通过增量式PID调节对无刷直流电机实现转速闭环稳定控制。仿真结果表明该系统具有可控调速、显示直观等特点。 关键词无刷直流电机(BLDCM)；Proteus；增量式PID；闭环控制 ０引言 无刷直流电机（BLDCM）既有直流有刷电机的特性，又有交流电机无刷的优点，在快速性、可控性、可靠性、输出转矩、结构、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，近年来得到迅速推广[1]。BLDCM是一种用电子换向取代机械换向的新一代电动机，与传统的直流电动机相比，它具有过载能力强，低电压特性好，启动电流小等优点。近年来在工业运用方面大有取代传统直流电动机的趋势，所以研究无刷直流电机的驱动控制技术具有重要的实际应用价值。 本设计采用增量式PID控制策略控制无刷电动机，并在Proteus平台上进行转速闭环系统仿真。搭建了无刷直流电动机转速控制系统的仿真模型，基于80C51控制核心，采用keil C51软件编写C程序。 1系统硬件组成 控制系统的硬件组成如图1所示。采用Atmel公司的AT89S52单片机为系统
控制核心、IR2101驱动的MOSFET三相桥式逆变器、无刷直流电机、A/D转换转速检测、闭环PID控制、按键检测、档位和转速显示等部分组成。 2控制系统核心及外围电路 系统核心AT89S52单片机最小系统及按键电路如图2所示。 AT89S52芯片是8位单片机，具有廉价、实用及运算快等优点，它有两个定时器，两个外部中断接口，24个I/O口，一个串行口。 单片机首先进行初始化，将显示部分（转速显示、档位显示）送显“0”然后通过中断对按键进行检测当检测到启动键按下时，系统启动，控制核心输出初始控制码，与此同时通过AD转换器读取当前的实时转速，一方面用于显示，另一方面将当前转速与设定转速送入PID控制环节然后输出下一时刻的控制码。 在本次设计中使用80C51的外部中断接口0（INT0）作按键检测（见图3），通过四个与门，当有任何一个按键按下去时tap端都会出现低电平引发中断。
合肥师范学院本科生毕业论文（设计）开题报告 （学生用表） 装 订 线
第l章主要叙述了无刷直流电机的发展趋势、无刷直流电机的控制技术、研究背景及意义。 第2章首先介绍了无刷直流电机的基本结构和工作原理，然后给出了常见的无刷直流电机的数学模型及其推导过程，在此基础上对无刷直流电机的稳态特性进行了详细分析。 第3章对本控制系统的总体结构和设计进行介绍。主要包括控制系统的整体方案，控制芯片，控制技术以及控制策略的选择。 第4章对控制系统的硬件电路进行设计，包括DSP最小系统、功率驱动电路、采样检测电路、保护电路等的设计，并对各个部分进行了详细的分析。 第5章以TI公司的CCS开发环境为开发工具，对整个控制系统的软件部分进行了设计。 第6章总结与展望，总结了本文的主要工作，展望了以后工作的研究方向。 五、可行性分析 此次研究是在指导老师的指导下搜集，查阅相关资料，确定能够通过应用DSP 芯片进行控制是最优方案，采用TI公司的TMS320F2812作为控制器。根据现在无刷直流电机的控制技术的发展水平和未来的发展趋势及可操作性进行分析，该课题能够顺利进行。 六、设计方案 6.1无刷直流电机的基本结构 无刷直流电机的设计思想来源于利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器。普通有刷直流电机由于电刷的换向作用，使得电枢磁场和主磁场的方向在电机运行的过程中始终保持相互垂直，这样能够产生最大的转矩，从而驱动电机不停地运转下去。无刷直流电机取消电刷实现了无机械接触换相，做成“倒装式直流电机"的结构，将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子侧。无刷直流电机必须具有由控制电路、功率逆变桥和转子位置传感器共同组成的换相装置以实现电机速度和方向的控制[5]。因此，可以认为无刷直流电机是典型的机电一体化器件，其基本结构由电动机本体、驱动控制电路及转子位置传感器三部分组成，如图所示。 无刷直流电机的构成 6.2无刷直流电机的工作原理 普通直流电机的电枢在转子上，而定子产生固定不变的磁场。为了使直流电机旋转，需要通过换相器和电刷不断地改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转[6]。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通直流电动机相反。然而即便是这样的改变仍然不够，因为直流电通入定子上的电枢以后，产生的不变磁场还是不能使电动机转动起来。为了达到使电动机
无刷直流电机控制系统的设计——毕业设计
学号：1008421057 本科毕业论文（设计） (2014届) 直流无刷电机控制系统的设计 院系电子信息工程学院 专业电子信息工程 姓名胡杰 指导教师陆俊峰陈兵兵 高工助教 2014年4月
摘要 无刷直流电机的基础是有刷直流电机，无刷直流电机是在其基础上发展起来的。现在无刷直流电机在各种传动应用中虽然还不是主导地位，但是无刷直流电机已经受到了很大的关注。 自上世纪以来，人们的生活水平在不断地提高，人们在办公、工业、生产、电器等领域设备中越来越趋于小型化、智能化、高效率化，而作为所有领域的执行设备电机也在不断地发展，人们对电机的要求也在不断地改变。现阶段的电机的要求是高效率、高速度、高精度等，由此无刷直流电机的应用也在随着人们的要求的转变而不断地迅速的增长。 本系统的设计主要是通过一个控制系统来驱动无刷直流电机，主要以DSPIC30F2010芯片作为主控芯片，通过控制电路采集电机反馈的霍尔信号和比较电平然后通过编程的方式来控制直流无刷电机的速度和启动停止。 关键词：控制系统；DSPIC30F2010芯片；无刷直流电机
Abstract Brushless dc motor is the basis of brushless dc motor, brushless dc motor is developed on the basis 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, electrical 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 efficiency, 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 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
直流无刷伺服电机运动控制系统设计 Motionchip是一种性能优异的专用运动控制芯片，扩展容易，使用方便。本文基于该芯片设计了一款可用于直流有刷/无刷伺服电机的智能伺服驱动器，并将该驱动器运用到加氢反应器超声检测成像系统中，上位机通过485总线分别控制直流有刷电机和无刷电机，取得了很好的控制效果，满足了该系统的高精度要求。 在传统的电机伺服控制装置中，一般采用一个或多个单片机作为伺服控制的核心处理器。由于这种伺服控制器外围电路复杂，计算速度慢，从而导致控制效果不理想。近年来，许多新的电机控制算法被研究并运用于电机控制系统中，如矢量控制、直接转矩控制等。随着这些控制算法的日益复杂，必须具备高速运算能力的处理器才能实现实时计算和控制。为了适应这种需要，国外许多公司开发了控制电机专用的高档单片机和数字信号处理器（DSP）。现在，通常使用的伺服控制器的控制核心部分大都由DSP和大规模可编程逻辑器件组成，这种方案可以根据不同需要，灵活的设计出性能很好的专用伺服控制器，但是一般研制周期都比较长。 MotionChip的特点 MotionChip是瑞士Technosoft公司开发的一种高性能且易于使用的电机运动控制芯片，它是基于TMS320C240的DSP，外围设置了许多电机伺服控制专用的可编程配置管脚。TMS320C240是美国TI公司推出的电机控制专用16位定点数字信号处理器，其具有高速的运算能力和专为电机控制设计的外围接口电路。MotionChip很好的利用了该DSP的优点，并集成多种电机控制算法于一身，以简化用户设计难度为目的，设计成为一种新颖的电机专用控制芯片。MotionChip有着集成全部必要的配置功能在一块芯片的优点，它是一种为各种电机类型进行快速和低投入设计全数字、智能驱动器的理想核心处理器。具有如下特点： ?可用于控制5种电机类型：直流有刷/无刷电机、交流永磁同步电机、交流感应电机和步进电机，且易于嵌入到用户的硬件结构中； ?可以选择独立或主从方式工作，并可根据需要，设置成通过网络接口进行多伺服控制器协同工作； ?全数字控制环的实现，包括电流/转矩控制环、速度控制环、位置控制环； ?可实现各种命令结构：开环、转矩、速度、位置或外环控制，步进电机的微步进控制，并可实现控制结构的配置，其中包括交流矢量控制； ?可以配置使用各种运动和保护传感器（位置、速度、电流、转矩、电压、温度等）； ?使用各种通讯接口，可以实现RS232/RS485通讯、CAN总线通讯； ?基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平台，强大功能的IPM Motion Studio 高级图形编程调试软件：可通过RS232快速设置，调整各参数与编程运动控制程序。其功能强大的运动语言包括：34种运动模式、判决、函数调用，事件驱动运动控制、中断。因此便于开发和使用。 ?可以通过动态链接库TMLlib,利用VC/VB实现PC机控制；也可以与Labview和PLC无缝连接，通过动态链接库，用户可以在上层开发电机的控制程序，研究控制策略。 运动控制系统设计
技术部 直流无刷电机及驱动器介绍 ---培训讲义 编制/整理：徐兴强 日期：2010-5-5
一、产品技术特点 1）既具有AC电机的优点：结构简单，运行可靠，维护方便等； 2）又具有DC电机的优点：调速性能好，运行效率高，无励磁损耗等； 3）同时，与DC有刷电机比较：无接触磨损，无火花，低噪音，无辐射干扰等；4）再有，与伺服电机比较：控制/驱动原理较简单，可灵活多变，且成本较低；有较高的成套性价比，实用性很强。 主要缺陷：低速启动时，有轻微震动；但不会失步（比较于步进电机）。 二、主要应用方面 1）在精密电子设备和器械中的应用 如：电脑硬盘的主轴驱动，激光打印机，复印机，医疗器械，卫星太阳能帆板驱动，医疗监控设备等。 2）在家用电器中的应用 如：空调器、洗衣机、电热器、吸尘器、电风扇、搅拌机等。 3）在电瓶车/牵引机中的应用 4）在工业系统中的应用 如：工业缝纫机、纺织印花机、等等；
5）在军事工业和航空航天中的应用 三、特殊功能与性能分析 # 典型特性曲线，如下： ##由以上特性曲线可知： 1）电机的最大转矩为启动和堵转时的转矩； 2）在同一转速下，改变供电电压，可以改变电机的输出转矩； 3）在相同转矩时，改变供电电压，可以改变电机的转速。 即：在驱动电路中，通过PWM方式改变供电电压的平均值，在保证转矩不变的情况下，可以实现对电机的平稳调速。 ###BLDC与AC交流感应式电机相比，具有如下优点： 1）转子采用永磁体，无需激励电流。故，同样的电功率，可以获得更大的机械功率； 2）转子无铜损，无铁损，发热更小； 3）启动、堵转时力矩大，更适合于阀门打开、关闭瞬间需要力矩大的场合； 4）电机的输出力矩与工作电压、电流成正比，从而可以简化力矩的检测电路，并更加可靠； 5）利用PWM调制方式改变供电电压的平均值，可以实现平稳调速，使调速、驱动功率电路更加简单，综合成本降低；
1、引言 你希望在你的新产品中使用无刷伺服电机吗？平时，我们可能也常碰到一些关键词，例如“梯形波式”，“正弦波式”和“矢量控制”。只有当你了解了他们的真正含义，才能在你的新设计中选择正确的产品。 在过去的十年甚至二十年中，伺服电机市场已经从有刷伺服转变成无刷伺服的市场，这主要是由无刷伺服的低维修率和高稳定性所决定的。在这十几年中，驱动部分在电路和系统方面的技术已发展的非常完善。控制方式也已经完全可以实现那些关键词所描述的功能。 大部分的高性能的伺服系统都采用一个内部控制环来控制力矩。这个内部的力矩环通过和外部的速度环和位置环的配合以达到不同的控制效果。外部控制环的设计是与匹配的电机没有关系的，而内部的力矩环的设计则与所匹配的电机的性能息息相关。 有刷电机的力矩控制是非常简单的，因为有刷电机自身可完成换相工作。所输出的力矩是和有刷电机两极输入的直流电压成正比的。力矩也可通过P-I控制回路轻松地得到控制。P-I控制回路的主要功能就是通过检测电机实际电流和控制电流之间的偏差，实时地调整电机的输入电压。 图1 由于无刷电机自身没有换相功能，所以相对应的控制方式就比较复杂。无刷电机有三组线圈，有别于有刷电机的两组线圈。为了获得有效的力矩，无刷电机的三组线圈必须根据转子的实际位置进行相互独立的控制。这种驱动方式就充分地说明了对无刷电机控制的复杂性。 2、无刷电机基础 简单来说，无刷电机主要由旋转的永磁体（转子）和三组均匀分布的线圈（定子）组成，线圈包围着定子被固定在外部。电流流经线圈产生磁场，三组磁场相互叠加形成一个矢量磁场。通过分别控制三组线圈上的电流大小，我们可以使定子产生任意方向和大小的磁场。同时，通过定子和转子磁场之间的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到控制。
直流无刷电机的工作原理 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。
什么是矢量控制？它有什么优点？ 你希望在你的新产品中使用无刷伺服电机吗？平时，我们可能也常碰到一些关键词，例如“梯形波式”，“弦波式”和“矢量控制”。只有当你了解了他们的真正含义，才能在你的新设计中选择正确的产品。 在过去的十年甚至二十年中，伺服电机市场已经从有刷伺服转变成无刷伺服的市场，这主要是由无刷伺服的低维修率和高稳定性所决定的。在这十几年中，驱动部分在电路和系统方面的技术已发展的非常完善。控制方式也已经完全可以实现那些关键词所描述的功能。 大部分的高性能的伺服系统都采用一个内部控制环来控制力矩。这个内部的力矩环通过和外部的速度环和位置环的配合以达到不同的控制效果。外部控制环的设计是与匹配的电机没有关系的，而内部的力矩环的设计则与所匹配的电机的性能息息相关。 有刷电机的力矩控制是非常简单的，因为有刷电机自身可完成换相工作。所输出的力矩是和有刷电机两极输入的直流电压成正比的。力矩也可通过P-I控制回路轻松地得到控制。P-I 控制回路的主要功能就是通过检测电机实际电流和控制电流之间的偏差，实时地调整电机的输入电压。 图一 由于无刷电机自身没有换相功能，所以相对应的控制方式就比较复杂。无刷电机有三组线圈，有别于有刷电机的两组线圈。为了获得有效的力矩，无刷电机的三组线圈必须根据转子的实际位置进行相互独立的控制。这种驱动方式就充分地说明了对无刷电机控制的复杂性。 无刷电机基础 简单来说，无刷电机主要由旋转的永磁体（转子）和三组均匀分布的线圈（定子）组成，线圈包围着定子被固定在外部。电流流经线圈产生磁场，三组磁场相互叠加形成一个矢量磁场。通过分别控制三组线圈上的电流大小，我们可以使定子产生任意方向和大小的磁场。同时，通过定子和转子磁场之间的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到控制。
无刷直流电机控制系统 的设计 Pleasure Group Office【T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT18】
1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。 1955年，美国的申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/367123249.html, 无刷直流电机控制技术综述 作者：黄秀勇 来源：《山东工业技术》2017年第14期 摘要：在十九世纪电机诞生的时候，其中实用性的电机就是无刷的形式，其得到了广泛 的运用，随着时代的发展，在上世纪中叶的时候晶体管诞生，直流无刷电机也随之应运而生，无刷直流电机的应用十分广泛，在各个领域都有涉猎。 关键词：直流无刷电机；技术研究；控制技术 DOI：10.16640/https://www.doczj.com/doc/367123249.html,ki.37-1222/t.2017.14.201 0 引言 经过不断的演变与发展，无刷直流电机综合了交流电机和直流电机的全部优点出现在人们的视野当中，它的出现大大的提高了生产的效率，减少了能源的消耗，得到了广泛的应用和普及。在电机领域中，新型无刷电机的品种众多，其性能和价格都不尽相同，就其的控制来说具有多种方法。 1 无刷直流电机的特点 随着科技的发展，无刷直流电机的出现代替了许多传统的电机，在各个领域都得到了广泛的应用，它具有传统直流电机的全部优点，但同时又除去了碳刷、滑环结构，它在投入使用的过程中具有速度很低的优点，这就大大的减少了用电率，虽说其速度低但其产生的功率却十分巨大，其体积小、重量轻的优点省去了减速机的超大负载量，在使用的过程中效率十分高。由于其除去了碳刷，所以减少了很多消耗，这就使它的省电率相当高，再加上其在运作时不会产生火花，对于一些爆炸性的场所来说更具备安全性，对其的维修和保养方面来说也是十分容易的。综合其特点来看，和其他种类的电机相比其优异性非常显著，因此，无刷直流电机凭借着其充分的优势在很多场合都发挥着重要的作用。 2 转子位置检测技术 逆变器功率器在进行运转的时候，转子在进行运转的时候位置会发生改变，在其位置发生改变的同时会触发组合，使其组合的状态进行不同的改变，这就是无刷直流电机的运行原理，由此看来，想要准确的控制无刷直流电机的运行就必要确保转子的位置，与此同时还要对转子触发的功率器件组合进行相应准时的切换，想要做到这一点是相当困难的。 通过科技水平的不断提高，相关学者提出了检测转子位置的一种新的办法。首先准备一些非磁性导电质地的材料，把这些材料粘在永磁转子的外部；其次，相关设备在工作时会使非磁性材料上产生涡流效应，进而使转子的位置发生相应的改变，最后通过观察检测电压来确定转