无刷直流电机控制系统的设计与优化

直流无刷电机转速控制软件设计

摘要：直流无刷电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但直流无刷电动机正受到普遍的关注。

在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。据资料统计，现在有的90%以上的动力源来自于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分。随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。

本文选用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。本文设计了一个89C51单片机控制系统，包括键盘、LED显示器和A/D转换器，采用直流脉宽调制PWM对电动机进行转速控制。键盘用于转速数值输入，显示器用于显示速度给定值。系统分为自动模式和手动模式，其中自动模式采用一个转速给定电路，手动模式采用功能键加减来改变电动机转速。本文给出了转速控制系统的电器原理图和两种模式的软件流程图。

关键词: 直流无刷电机；单片机；键盘；显示器；PWM

Brushless DC motor speed control software design

Abstract：The brushless DC motor is developed on the basis of a brush DC motor. At present,

although all sorts of ac motor and dc transmission application in motivation dominant, but

brushless dc motor are suffer the widespread concern.

Today in the age of electricity, the motor has been living in the modern production and

1 无刷直流电动机概述 ....................................................................................................... 1

2 无刷直流电动机的控制原理 ............................................................................................ 2

2.1 无刷直流电动机的工作原理 ................................................................................... 2

2.2 无刷直流电机的基本结构 ....................................................................................... 6

3 以无刷直流电机为执行元件的进给伺服系统的控制 ....................................................... 8

3.1 控制系统的整体方案 ............................................................................................ 8

3.2 PWM直流伺服控制技术 ...................................................................................... 9

3.3 DSP核心控制芯片 ............................................................................................. 12

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，都停留在实验阶段，无法推广到实际中使用，1970年以后，半导体的快速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如MOSFET、IGBT等）不断出现，而且高性能的永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现[2]，这些都为无刷直流电机广泛应用提供了有利的条件。

无刷直流电机控制系统设计开题报告

中国矿业大学信息与电气工程学院

毕业设计 (论文)开题报告

设计（论文）名称： 无刷直流电机控制系统设计

毕业设计起止时间： 2013年2月25日～6月21日(共17周)

学生姓名： 赵正雄 学 号：04091908

专 业： 电气工程与自动化 教学班级： 电气09-7

指导教师： 胡泳军

报告日期： 2013年3月26日

填 写 要 求

1、 开题报告作为毕业设计（论文）工作领导小组审查学生能否承担该毕业设计（论文）课题、是否按时完成工作进度和能否具有答辩资格的依据材料之一，并接受学校检查。

2、 本报告应在毕业设计（论文）指导教师指导下，由学生本人独立撰写，并于第九学期前三周内完成。

3、 学生须在小组内进行报告，并进行讨论。

4、 本报告内容必须按统一设计的电子文档标准格式打印，经指导教师签署意见及系部审查后生效。

5、 学生查阅资料的参考文献应不少于8篇（不包括词典、手册）。

6、 有关年月日等日期的填写，应按照国标GB/T7408-94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定，一律用阿拉伯数字书写（如“2012年3月26日”或“2012-3-26”）。

1、本课题的研究意义，国内外研究现状、水平和发展趋势：

研究意义：

直流有刷电动机采用电刷以机械方法进行换向，因此带来了噪声、火花、无线电干扰、寿命短等弱点，限制了此类电机的应用范围。直流无刷电动机具有交流电动机

结构简单、运行可靠、维护方便等一系列特点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点。无刷电机的这些特点使其在计算机外围设备、办公自动化设备、家电、汽车、医疗设备等领域有广阔的应用前景和研究价值。新型功率器件如MOSFET、IGBT、IPM等的迅速发展，更为直流无刷电动机的控制奠定了坚实基础。[1]