基于无刷直流电机的PWM调速系统研究

网络教育学院本科生毕业论文（设计）原创优秀论文题目：基于无刷直流电机的PWM调速系统研究__学习中心：南通电大奥鹏学习中心层次：专科起点本科专业：年级：学号：学生：指导教师：王莹完成日期： 2010年 10月日内容摘要伴随着半导体工业的发展，使用电子换向的直流无刷电机应运而生。

随着微处理机速度亦越来越快，人们可以将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小。

直流无刷电机即是以电子方式控制交流电换相，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。

该文介绍直流无刷电机的结构及控制原理,并以C8051F020为例介绍了C8051F单片机在无刷直流电机转速控制中的应用、实现方法、硬件结构及软件结构等。

关键词：电机；单片机；双闭环；控制系统目录内容摘要 (I)1 引言 (1)1.1 无刷电机的发展现状 (1)1.2 无刷电机的应用领域 (1)2 无刷直流电机的结构 (2)2.1 无刷直流电动机的发展过程 (2)2.2无刷直流电动机结构 (3)3 无刷直流电机的运行原理和PWM调速系统控制特性 (5)3.1 无刷直流电动机的运行原理 (5)3.2 PWM调速系统控制原理及特性 (6)3.3 PWM调速系统的分类及优点 (9)3.4 电机转速的数字PID算法思想 (10)4 系统硬件设计 (12)4.1 80C51单片机硬件结构 (12)4.2 PWM 信号发生电路 (13)4.3 单片微机闭环速度控制电路 (14)4.4 直流电机驱动系统电路 (15)5 结论 (16)参考文献 (17)附录 (18)附录A C8051F020引脚功能图 (18)附录B C8051F020的内部结构 (18)1 引言1.1 无刷电机的发展现状直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。

为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。

20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。

1.2 无刷电机的应用领域无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。

其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。

2 无刷直流电机结构提到直流无刷电机，那么就不得不提直流有刷电机。

这里的“刷”实际上就是指“碳刷”，最早的直流电机都是带有“碳刷”的。

碳刷是直流有刷电机中的关键性部件，主要起到电流的换向作用。

然而其缺点也是较为突出：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。

而且碳刷存在磨耗问题，需要定期的更新碳刷，维护不方便。

2.1 无刷直流电动机的发展过程无刷直流电动是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体，位置检测器，逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机。

在国外，电机大致沿着 AC交流异步电机—→直流无刷电机—→步进电机—→伺服电机这样的演变流程在发展。

因此对于各种电机的特性，国外的工程师往往比较了解，电机的采用主要根据最适合现场的标准来选择。

我国的工业自动化，在改革开放后飞速发展起来。

在90年代，伺服电机就已经被引入国内，广大的工控人士得以直接接触到了电机的最高端类型伺服电机。

而在改革开发之前，我国工控业界马达使用类型较为单一，绝大部分的工程师都只知道和使用AC交流异步电机。

中间类型的步进电机和直流无刷电机还没有来得及接触就应用到了伺服电机，马达的中间类型存在着一定的真空段，我们称这种现象叫做跳级。

而实际应用中，很多场合使用直流无刷电机不仅成本下降较多，而且效果还不错，控制也相对伺服电机简单。

伴随着半导体工业的发展，使用电子换向的直流无刷电机应运而生。

随着微处理机速度亦越来越快，人们可以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。

从目前直流电机的发展趋势来看，直流有刷电机逐步被淘汰，直流无刷电机成为直流电机的主流。

无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。

其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。

在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。

按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波直流电动机（BLDCM）和正弦波直流电动机（PMSM），BLDCM用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷；而PMSM 则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。

在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因而BLDCM 的应用较PMSM要广泛的多。

直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。

工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。

2.2 无刷直流电动机结构无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可靠性得以提高。

无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。

钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。

第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。

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f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。

无刷直流电动机是一种无级变速电机，它由一台同步电机和一组逆变桥所组成。

它具有直流电机那样良好的调速特性，但是由于没有换向器，因而可做成无接触式，具有结构简单、制造方便、不需要经常性维护等优点，是一种理想的调速电机。

无刷直流电动机的构造一般是内藏检测转子位置用的磁气元件（霍尔IC）或光学编码器。

由此位置传感器向驱动电路发出信号。

电动机线圈是 3 相星形结线。

另外，转子使用永久磁钢。

检测用的磁性元件是一般使用霍尔 IC，个别高档的直流无刷电机使用编码器。

霍尔IC固定在定子的内侧，一般安装有 3个，转子转动时，即从霍尔 IC 输出数字信号。

图2.13直流无刷电机的运行原理和PWM调速系统控制特性3.1无刷直流电动机的运行原理直流无刷驱动器包括电源部及控制部如下图：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(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器转成直流。

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变频器转成3相电压来驱动电机。

变频器一般由6 个功率晶体管组成。

6 个功率晶体管连接着电机，作为控制流经电机线圈的开关。

要让电机转动起来，首先控制部就必须根据霍尔IC 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)换流器中功率晶体管的顺序，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。

当电机转子转动到霍尔IC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；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请见下图示：图3.1电动机线圈连接至有开关用的晶体管，晶体管有 6个，组成变频器。

上下的晶体管依一定顺序交互地重复 ON-OFF，转变线圈电流的方向。

接下来说明运转的结构。

以上图的晶体管的开关程序执行 STEP1 时，晶体管是 Tr1 与 Tr6 为 ON 的状态。

这时的线圈电流是从 U 相流到 W 相，U 相是被励磁成 N 极、而 W 相则被励磁成 S 极。

因此，转子运转 30°。

此动作重复 12 次，转子运转1圈。

3.2 PWM调速系统控制原理及特性3.2.1 PWM脉宽调制原理脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。

运算放大器工作在开换状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间变化，这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用。

加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。

一个输入信号是锯齿波调制信号，另一个是控制电压，其极性大小可随时改变，与锯齿波调制信号相减，从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉宽可变的调制输出电压。

只要改变控制电压的极性,也就改变了PWM变换器输出平均电压的极性,因而改变了电动机的转向.改变控制电压的大小,则调节了输出脉冲电压的宽度,从而调节电动机的转速.只要锯齿波的线性度足够好,输出脉冲的宽度是和控制电压的大小成正比的。

逻辑延时环节：在可逆PWM变换器中,跨接在电源两端的上下两个晶体管经常交替工作.由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间,总称关断时间,在这段时间内晶体管并未完全关断.如果在此期间另一个晶体管已经导通,则将造成上下两管之通,从而使电源正负极短路.为避免发生这种情况,设置了由RC电路构成的延时环节.图3.2 PWM变换器电路原理图3.2.2 PWM脉宽控制特性永磁无刷直流电动机具有有刷直流电动机那样良好的调速性能，却没有电刷和换向器，这主要是它用转子位置传感器替代了电刷．用电子换向电路(逆变器)替代了机械式换向器之故。

因此，电子控制系统是无刷直流电动机不可缺少的组成部分，否则这种电机不能运行。

图3.3所示是永磁无刷直流电动机的控制系统框图。