摘要
汽车真空助力刹车系统中的真空泵，采用电子控制完成其工作，既实现了智能化，又达到了节能环保的目的。电动真空泵系统可实现在真空度达到85kPa时，使真空泵的电机停止工作，在真空度低于60kPa时，使真空泵的电机开始工作，改善了传统的机械式真空助力刹车系统的能源浪费及环境污染问题。本论文完成电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器的设计，主要包括控制器的原理设计、主驱动电路设计、信号采集及处理电路以及各种保护电路的设计等，并完成控制软件的编写。根据相应的技术指标设计出一套完善的电动真空泵控制器，而且画出其原理图及PCB图，并进行PCB板的实物加工与制作。
关键词：电动真空泵；无刷直流电机；控制器
Abstract
Vacuum booster brake system of car vacuum pump and electronic control to finish its work, namely realized intelligent and reach the purpose of saving energy and environmental protection. Electric vacuum pump system can realize in the vacuum degree to 85 kPa, make the vacuum pump motor to stop working, and in the vacuum degree below 60 kPa, make the vacuum pump motor begins to work, improve the traditional mechanical vacuum power braking system energy waste and environmental pollution. This thesis finish electric vacuum pump drive with brushless dc motor controller design, including the controller design, the principle of the main driver circuit design, signal acquisition and processing circuit and other protection circuit design, and complete the writing of the control software. According to the corresponding technical indicators designed a set of perfect electric vacuum pump controllers, and draw the principle diagram and PCB figure, and PCB machining and make real.
Key words：electric vacuum pump；brushless DC motor；controller
目录
摘要 .............................................................................................................. I Abstract ....................................................................................................... II 第1章绪论. (1)
1.1 课题设计的背景及意义 (1)
1.2 课题的发展概况及国内外研究的现状 (2)
1.2.1 课题的发展概况 (2)
1.2.2 国内外电动真空泵控制器的研究现状 (2)
1.3 本文研究的主要内容 (4)
第2章电动真空泵控制器的系统设计 (5)
2.1 电动真空泵控制器的组成 (5)
2.2 电动真空泵控制器的设计方案 (6)
2.2.1 设计方案比较 (6)
2.2.2 电动真空泵控制器系统组成框图 (8)
第3章电动真空泵控制器的硬件及软件设计 (10)
3.1 微控制芯片的选取与设计 (10)
3.1.1 dsPIC30F4011单片机简介 (10)
3.1.2 dsPIC30F4011单片机时钟电路 (11)
3.1.3 dsPIC30F4011单片机复位电路 (12)
3.2 CAN总线通信设计 (13)
3.2.1 CAN总线通信硬件设计 (13)
3.2.2 CAN总线通信软件设计 (13)
3.3 电动真空泵控制器的电机驱动信号处理 (15)
3.3.1 无刷直流电机转角信号获取与处理 (15)
3.3.2 无刷直流电机转速信号获取与处理 (17)
3.4 电动真空泵控制器保护电路信号处理 (18)
3.4.1 无刷直流电机过、欠压保护 (18)
3.4.2 无刷直流电机母线过流保护 (19)
3.4.3 无刷直流电机过热保护 (20)
3.4.4 电动真空泵真空度的信号处理 (21)
3.5 无刷直流电机控制器驱动电路 (21)
第4章 PCB制板设计 (23)
4.1 电动真空泵控制器PCB设计分析 (23)
4.2 PCB板布线设计规则 (23)
第5章测试数据及总结 (27)
结论 (31)
致谢 (32)
参考文献 (33)
附录I (35)
附录II (36)
附录III (37)
附录IV (41)
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第1章绪论
1.1 课题设计的背景及意义
从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现得越来越明显。汽车制动系统种类很多，形式多样。传统的制动系统结构型式主要有机械式、气动式、液压式、气—液混合式。它们的工作原理基本都一样，都是利用制动装置，用工作时产生的摩擦热来逐渐消耗车辆所具有的动能，以达到车辆制动减速，或直至停车的目的。伴随着节能和清洁能源汽车的研究开发，汽车动力系统发生了很大的改变，出现了很多新的结构型式和功能形式。新型动力系统的出现也要求制动系统结构型式和功能形式发生相应的改变。例如电动汽车没有内燃机，无法为真空助力器提供真空源，一种解决方案是利用电动真空泵为真空助力器提供真空，不仅如此，电动真空泵使用在燃油汽车上，一方面解决了能源的浪费问题，另一方面解决了环境污染问题，而且还实现了智能化。因此汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。
传统内燃机轿车的制动系统真空助力装置的真空源来自于发动机进气歧管，真空度负压一般可达到0.05～0.07 Mpa，但是这种机械式的制动系统真空助力装置，只要发动机运转就带动真空泵工作，这就带来了不必要的能源浪费及环境污染问题，为了解决这一问题，我们采用电子控制真空泵的驱动，为保证汽车的易操纵性和安全性，应采用合适的真空泵控制单元以及相应的驱动电机，根据对该真空泵试验分析和实际的汽车操纵需要，完成一套完善的控制系统。
结合国内外有关汽车真空助力刹车系统的资料，我们的汽车电动真空泵驱动用无刷直流电机作为动力的来源，采用该电机的专用芯片进行控制，整套控制器系统在降低系统自重、减少生产成本、控制系统发热、电流消耗、与整车进行匹配获得合理的制动特性，以及保证良好的制动效能等方面取得了重大的进步，电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器系统在操纵舒适性、安全性和节能等方面也充分显示了其优越性，其性能也得到用户的普遍认同。研究与开发电动真空泵驱动控制器系统，是与汽车发展中的安全、环保、节能三大主题相吻合的，对提高我国汽车工业水平及缩小与汽车强国的差距，
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具有一定的现实和长远意义。
1.2 课题的发展概况及国内外研究的现状
1.2.1 课题的发展概况
随着真空助力制动系统的控制装置的发展，由最早的人力制动，通过机械的连接产生制动动作，发展到人力控制制动，通过踩制动踏板启动制动，再由传力装置把制动踏板力传到真空助力器，经过真空助力器的助力扩大后，传递到制动主缸产生液压力，然后通过油路把液压力传递到每个轮缸，开始制动。随着清洁能源汽车和电动汽车的研究应用，以及电子技术在汽车上面的广泛应用，制动系统的控制装置也出现了电子化的趋势，其中电制动完全改变了制动系统的控制和管理，会使汽车制动系统发生革命性的变化，它采用电子控制，可以更准确、更高效率地实现制动。
电动真空泵的动力驱动来源于无刷直流电机。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，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。
电动真空泵采用电控无刷直流电机驱动，从控制到驱动彻底实现电子化，以电子集成系统完全控制气体的交换与传输，从而实现气体传输的可调性、精准性。由于系统集成化，又不在使用发动机驱动加之主件，气泵采用微型真空泵，使整个体系真正意义上实现了微型化。
1.2.2 国内外电动真空泵控制器的研究现状
随着当今车辆动力系统的多样化，直喷式、柴油机、混合动力或者全电动系统日益增加，因而，车辆所产生的真空大量降低。这就要求制动系统能给电动真空泵发送“开/关”指令信号，以扩大真空或在真空耗尽时，提供额外功率的电平供车辆制动之用。所以，及时了解已有的引擎真空量、并将该
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数据依次传送给制动控制器以产生足够的制动助力是至关重要的。因此电动真空泵的控制器的优良至关重要。
CC在国产B级车中率先装备了智能驾驶辅助系统等智能配置，在驾驶中最大程度提高了舒适性和安全性，安心随意，轻松自如。全系标配的双放大系数电动真空刹车助力器，让行车操控更加便捷高效。可以说，它既是高档的舒适性装备，降低驾驶操作的复杂程度，大幅减轻驾驶疲劳；又是先进的主动安全系统，提醒和帮助驾驶员避免不必要的麻烦，融舒适与安全为一体。
美国密歇根州利沃尼亚市2011年4月14日电/美通社亚洲/--全球汽车安全系统的领先者美国TRW汽车集团（纽约证交所代码TRW）今天宣布，将推出新型真空传感器用于监测与报告制动助力器中的真空可用量。这对电动真空泵精度的控制起到关键性的作用。
法国的野外电动真空泵给野外土壤取样带来很多方便，它非常轻，且储电量大，在15秒内即可获得真空。可以大大提高工作效率，降低费用。可与SPS200连用进行土壤溶液取样。
博世专为新能源汽车开发再生制动系统，以真空为基础的制动助力器，汽车的制动助力器利用真空增强驾驶员施加的制动力。真空通常由内燃机或者真空泵来制造。但是混合动力车会经常关掉内燃机，而电动车根本就没有内燃机。因此，这些汽车只能使用真空泵或者独立真空制动系统。
据介绍，该再生制动系统以第九代ESP为基础，是一种非常高效的制动方案。在以采用电动真空为基础的制动助力器的混合动力和电动车上，ESPhev 协调内燃机和液压制动力矩，同时控制真空泵。这款产品已经在一款后轮驱动及前/后轴制动管路分布的混合动力车型上实现了量产。
业内专家一致认为，电动真空泵是真空获得设备发展的方向，也是真空获得手段的“尖端”技术，我国的真空泵产业必须在此领域有所作为，首先进入食品、化工、医药等行业。经过这些市场的培育和锻炼，进而打入半导体行业，才能使整个行业与时俱进的发展。
引进国外先进技术，提升我国产品的科技含量在其他行业有成功的经验。在发展真空获得设备的高端产品中引进国外技术，并很好的消化吸收，将快速改变我国产品技术含量低、质量和技术水平不能满足市场需求的现状。但在引进国外技术，应特别注意两点：一是重在消化吸收，在此基础上培育企业的自主知识产权和创新能力。二是不要重复盲目引进，要瞄准国际上当代最新技术，避免引进一代，落后一代。引进国外技术不是目的，而是手段，通过引进技术最终打造国产自主品牌！
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1.3 本文研究的主要内容
结合电动真空泵的特点:
1、驱动模式采用电控无刷直流电机驱动，改善了传统意义上的机械驱动；
2、可以精确的控制真空罐内的压力保持在一定范围内；
3、泵体自带控制板，所有操作通过电子控制完成，同时可配备数码显示，直观精准。
4、体积小、重量轻、节能环保。
完成以下基本内容：
1、分析电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器系统的方案设计；
2、电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器系统的原理设计、主驱动电路设计、信号采集及处理电路以及各种保护电路的设计；
3、完成电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器系统的原理图，并绘制PCB 图及其源程序的编写。
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第2章电动真空泵控制器的系统设计
2.1 电动真空泵控制器的组成
该电动真空泵控制器系统是由电动机本体、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系统。位置检测器检测转子磁极的位置信号,控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号,开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件,将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组,使电动机产生持续不断的转矩。
现对电动真空泵控制器系统的各组成部分的说明如下：
1、电机本体
无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机，不同的是将直流电动机的定子、转子位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机。
定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同，铁心中嵌有多相对称绕组。绕组可以接成星形或三角形，并分别与逆变器中的各开关管相连，三相无刷直流电动机最为常见，本课题研究设计用到的部分为星形永磁无刷直流电机。
2、驱动电路
目前，无刷直流电动机的功率驱动主开关一般采用IGBT或功率MOSFET 等全控型器件，有些主电路已有集成的功率模块（PIC）和智能功率模块（IPM），选用这些模块可以提高系统的可靠性。
本处采用的是STP140NF75功率MOSFET管，独特“单一的功能Size?”带为基础的进程。由此产生的晶体管，显示了极高的密度和坚固耐用的特点，再加上100%的雪崩测试，因此，其有卓越制造的可重复性，方便设计与应用。
3、信号电路
对于本设计的研究内容，信号电路可分为电机转子转角信号、转速信号、母线电流信号、母线电压信号、电机温度信号、机油温度信号、CAN 总线、串口通信等信号处理，通过这些信号来更好的完成无刷直流电机的
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控制，实现其智能化。
4、保护电路
无刷直流电机控制器共有两种保护电路，一种是软件保护，单片机将各种信号采集过来以后对其进行处理并与预算值进行比较，如果信号值有危险趋向，单片机将发出暂时停止工作的命令，稍等片刻后继续工作，从而保护电机的安全。另一种是硬件保护电路，在各个信号送往单片机进行计算的同时，他们还送往运放比较器，通过与预算出的值比较送出信号给锁存器，如果信号值超过预算值，比较器将输出高电平给锁存器触发RS触发器，同时保持信号源并对单片机复位处理和切断PWM信号，再硬件保护后，只能通过一个按键来对RS触发器复位，从而重新启动控制器。本设计采用前者完成控制器的保护工作。
2.2 电动真空泵控制器的设计方案
2.2.1 设计方案比较
无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好，以及异步电动机结构简单无需维护的优点，因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。目前，数字调速系统主要采用两种控制方案:一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制，应用范围广，且灵活方便。
电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能:对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号；产生PWM脉宽调制信号，实现电机的调速；实现短路、过流、过/欠压等故障保护功能。
控制器是电动真空泵的驱动系统，它是电动真空泵的大脑。其主要作用是在保证电动真空泵正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池，以及降低电动真空泵在受到破坏时的损伤程度。
根据下表，可以看出，无刷直流电机更适于用作本控制器的驱动源。
目前，市场上常用的电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器，其主要采用专用集成电路为主控芯片，像MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，
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其针对无刷电机的控制要求，将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟式控制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向，
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根据电机内的位置传感器(霍尔传感器)信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。该控制系统的缺点是智能性差，保护措施有限，系统升级空间小。
本设计采用Microchip公司的dsPIC30F4011单片机作为主控芯片，可以方便地实现控制程序的在线修改与烧写，并带有写保护编程功能。用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能的灵活性，通常将此类控制器称为数字式控制器。
无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。在有位置传感器的控制方法中，现今，由于霍尔传感器性价比高，安装方便，被广泛应用作为无刷直流电机的位置传感器。当前，国内外对无刷直流电机无位置传感器的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法、续流二极管检测法、脉冲检测法、神经网络控制法等。但是由于无位置传感器控制方法在低速时无法实现精确的速度调制，所以现阶段在电动车领域只是处于研究阶段，无法推广到工业生产当中。故本设计中采用霍尔传感器作为无刷直流电机的位置传感器。
2.2.2 电动真空泵控制器系统组成框图
基于2.1节的考虑,可绘出电动真空泵控制器系统框图,如图2-2-1所示:
图2-2-1 电动真空泵控制器系统框图
（1）微控制器
主要功能是根据电动机旋转方向的要求和来自霍尔转子位置传感器的三
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个输出信号，将它们处理成功率驱动单元的六个功率开关器件所要求的驱动顺序。微控制器的另一个重要作用是根据电压、电流和转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过AD变换和必要的运算后，借助内置的时钟信号产生一个带有上述各种信息的脉宽调制信号。即PWM控制，再根据PID算法计算后得出驱动电流和驱动转速的值。
（2）门极驱动和功率驱动单元
门极驱动电路采用专门的集成模块（FAN7888）高性能驱动集成电路，比于分立式自举电路而言，采用集成模块最大的优点是使电路简单清晰明了；功率驱动单元由功率开关器件(STP140NF75)组成的三相全桥逆变电路构成。
（3）霍尔位置传感器
该位置传感器在无刷直流电动机中起到测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，保证无刷直流电机的正常运行。
（4）周边辅助控制、保护电路
主要有过流保护控制、过/欠压保护控制、母线电流采样电路、母线电压采样电路、转速信号、真空度采样和电机及机油温度等信号输入电路。
（5）系统电源
该系统的总电源是由24V可充电蓄电池提供，然后由LM7815三端1.5A 正电源稳压电路转换成15V，给门极驱动电路供电；与此同时，再由24V电源经过LM2596T-5.0 3A开关型降压稳压器转换成5V，给微控制器提供电源，而且还为门极驱动芯片提供开关电源。
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第3章电动真空泵控制器的硬件及软件设计3.1 微控制芯片的选取与设计
3.1.1 dsPIC30F4011单片机简介
dsPIC30F4011单片机是Microchip公司推出的，性价比介于16位单片机、32位单片机及DSP中低档机之间的一款高性能数字信号控制器。
dsPIC30F4011单片机采用16位（数据）改进型——非流水线的哈佛RISC 结构，芯片具体结构如图3-1-1所示。程序计数器（PC）为24位宽，可以寻址4M×24位的程序存储器空间。dsPIC30F4011单片机有16个16位的工作寄存器（W0～W15）。
图3-1-1 dsPIC30F4011内部框图
每个工作寄存器都可以作为数据、寻址或移位寄存器来操作。其中，第16个工作寄存器（即W15）作为中断和程序调用的堆栈指针。dsPIC30F4011单片机指令字是24位的，其指令系统有很大的增强，最大特点就是包含了对DSP的支持。因为这种DSP引擎具有1个高速的16位与16位相乘的乘法器、1个40位的ALU、2个40位的饱和累加器（saturating accumulator）以及1个40位的双向移位器，因而能够明显提高芯片算法能力和周期。因此，这种芯片的指令系统就分成两大类——单片机类和DSP类。这种指令系统基于高效的C编译器，支持固有寻址（无操作数）、相对寻址、立刻寻址、存储器寻址、寄存器直接寻址、间接寻址和移动寻址7种方式。每条指令都同预先定义的寻址方式有关，而这些预定义的寻址方式是由特定功能需求决定的，且每条指令都支持这7种寻址方式。对于大多数指令，dsPIC30F4011单片机在每个指令周期能够执行数据（或程序数据）存储器读操作、工作寄存器（数据）读操作、数据存储器写操作以及程序（指令）存储器读操作。因此，它可以支持3操作数的指令，比如，在一个周期内可以完成A+B=C的操作指令，dsPIC30F4011单片机的数据空间被一分为二，分别以X和Y数据存储器进行引用，可以作为32K字（word）或64KB（byte）进行寻址。每个存储器块都有自己独立的地址产生单元（AGU）。单片机类的指令仅单独通过X存储器的AGU单元进行操作，把整个存储器作为一个线性的数据空间进行寻址。而DSP 类指令的乘法累加器（MAC）是通过X和Y的AGU共同操作的，这样就将数据地址空间分成相对独立的两部分。不过，这样的X和Y的数据空间边界是任
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意的，且是由芯片自身特性决定的。数据空间存储器高位的32KB，通过定义8位程序空间可见页面寄存器PSVPAG（Program Space Visibility Page），任意的16位程序字边界中随意地被映射到的程序空间低位（用户空间），这样就使得任何指令能够像访问数据空间一样访问程序空间。不过，采用这种方式访问的执行时间比一般的访问方式要多一个周期。而且，只有每条指令字的低16位才可以使用这种方法访问。此外，dsPIC30F4011单片机还有一个特征，就是含有由61个区分优先级的向量组成的矢量异常处理结构，这些异常情况包括复位（RESET）、6个捕捉以及54个中断。
由此看来dsPIC30F4011单片机的开发有助于缓解16位单片机和低端数字信号处理器之间的性能差，是传统16位单片机应用的理想解决方案。与此同时，随着控制技术日趋复杂化，越来越多的工业系统要使用DSP精确控制实时响应，以及现有产品要求增加更多功能，以增强I/O易用性和安全接入，dsPIC必将在高性能数字信号控制器市场占据重要一席之地。同时，随着多种DsPIC产品系列的不断迅速开发，以及愈加完善的开发工具、应用系统库、现场应用工程技术和综合技术等的产品，DsPIC一定会得到广大用户的青睐。
3.1.2 dsPIC30F4011单片机时钟电路
时钟发生器为dsPIC30F4011芯片提供时钟，由一个内部振荡器和锁相环电路（PLL）组成.时钟发生器需要一个参考输入时钟，可以通过在dsPIC30F4011的引脚OSC1与OSC2之间连接一晶体,启动内部振荡器。当然,也可以不使用片内的振荡电路,完全由外部有源晶体振荡器产生时钟信号,直接接入OSC1/CLKI引脚,此时,OCS2脚悬空。但这一方式仍然使用片内的PLL倍频电路对这一来自片外的时钟进行倍频。
当使用外接晶体的方式启动单片机内部振荡电路时,由于时钟信号电平由dsPIC30F4011内部的振荡电路决定,因此不存在信号电平与dsPIC30F4011电平匹配的问题,且晶体价格较低。但是它的精度差, 而且需要配置好周边电路，当更换不同频率的晶体时周边配置电路亦需要做相应的调整。
当采用完全由外部有源晶体振荡器产生时钟信号这一方法时,不需要复杂的配置电路, 连接简单，容易起振，且稳定性好，但是需要选择好合适的输出电平，且价格较高。
dsPIC30F4011对时钟的要求，主要是能持续稳定地输出没有毛刺的时
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XX职业技术学院 毕业项目 2011 届 项目类别：毕业设计_________ _ _____ 项目名称：单片机直流电机调速系统的设计 专业名称：机电一体化 姓名：XXX 班级：08机电3班 指导教师：XX 2011年X月X日 目录 摘要 (3) Abstract (4) 一、总体设计概述 (5) (一)总体硬件电路设计 (5) (二)系统总体设计框图 (5) (三)8051单片机简介 (6) 二、PWM信号发生电路设计 (8) (一)PWM的基本原理 (8) (二)PWM信号发生电路设计 (8) (三)PWM发生电路主要芯片的工作原理 (10) 三、功率放大驱动电路设计..................................................................,11 (一)芯片IR2110性能及特点 (11) (二)IR2110的引脚图以及功能 (11)
四、主电路设计 (12) (一)延时保护电路 (12) (二)主电路 (12) (三)输出电压波形 (13) (四)系统总体电路图 (14) 五、测速发电机 (16) 六、滤波电路 (17) 七、A/D转换 (18) (一)芯片选型 (18) (二)ADC0809的引脚及其功能 (18) 八、系统软件部分的设计 (19) (一)PI 转速调节器原理图及参数计算...............................................................,. (19) (二)系统中的部分程序设计 (19) (三)主程序设计 (19) (四)PI控制算法子程序设计 (20) 九、系统调试 (22) (一)软件调试 (22) (二)系统仿真 (22) 十、论 (23) 致谢 (24) 参考文献 (25) 摘要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯片IR2110作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。 关键词：PWM信号;测速发电机;PI运算 Abstract
无刷直流电机驱动器说 明书 -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1
无刷驱动器DBLS-02 一概述： 本控制驱动器为闭环速度型控制器，采用最近型IGBT和MOS功率器，利用直流无刷电机的霍尔信号进行倍频后进行闭环速度控制，控制环节设有PID速度调节器，系统控制稳定可靠，尤其是在低速下总能达到最大转矩，速度控制范围150~10000rpm。 二产品特征: 1、 PID速度、电流双环调节器 2、高性能低价格 3、 20KHZ斩波频率 4、电气刹车功能，使电机反应迅速 5、过载倍数大于2，在低速下转矩总能达到最大 6、具有过压、欠压、过流、过温、霍尔信号非法等故障报警功能 三电气指标 标准输入电压：24VDC~48VDC，最大电压不超过60VDC。 最大输入过载保护电流：15A、30A两款 连续输出电流：15A加速时间常数出厂值：秒其他可定制 四端子接口说明 : 1、电源输入端: 引角序号引角名中文定义 1V+直流+24~48VDC输入 2GND GND输入 引角序号引角名中文定义 1MA电机A相
2MB电机B相 3MC电机C相 4GND地线 5HA霍尔信号A相输入端 6HB霍尔信号B相输入端 7HC霍尔信号C相输入端 8+5V霍尔信号的电源线 GND：信号地F/R：正、反转控制，接GND反转，不接正转，正反转切换时，应先关断ENEN：使能控制：EN接地，电机转（联机状态），EN不接，电机不转（脱机状态）BK：刹车控制：当不接地正常工作，当接地时，电机电气刹车，当负载惯量较大时，应采用脉宽信号方式，通过调整脉宽幅值来控制刹车效果。SV ADJ：外部速度衰减：可以衰减从0~100%，当外部速度指令接时，通过该电位器可以调速试机PG：电机速度脉冲输出：当极对数为P时，每转输出6P个脉冲（OC门输入）ALM：报警输出：当电路处于报警状态时，输出低电平（OC门输出）+5V：调速电压输出，可用电位器在SV和GND形成连续可调内置电位器：调节电机速度增益,可以从0~100%范围内调速。 五驱动器与无刷电机接线图
PES331 3-Phase Brushless DC Motor Controller 10F-2, No. 1, Sec. 2, Dong-Da Road, Hsin-Chu 300, Taiwan, R.O.C. TEL: 886-3-532-7598 + https://www.doczj.com/doc/cb1204063.html, Key Features: Support 3-Phase Brushless DC motor with hall IC interface Applications for electric screwdriver, electric drill and electric tooling Programmable motor phase sequence Automatically stop after lockup Re-lockup protection Over current protection 5V operating voltage Pin Diagram and Pin Description PWM_BH DIR_IN PWM_AL PWM_CL AVDD VDD HALL_A HALL_C NC2 PWM_CH PWM_BL PWM_AL START_IN GND VBus AGND CUR_SEN T_CMD NC1 HALL_B PES331(SSOP20-150mil) Pin No. Pin Name I/O Description 1 PWM_CH Output C output signal to control the high side of motor driver 2 PWM_AL Output A output signal to control the low side of motor driver 3 PWM_BL Output B output signal to control the low side of motor driver 4 START_IN Input Start to operate 5 GND - Ground 6 AGND - Analog Ground 7 T_CMD Input Clutch signal Input to set the required torque 8 CUR_SEN Input Analog input to sense motor current
无刷直流电动机 一、简介： 一种用电子换向的小功率直流电动机。又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。它是用半导体逆变器取代一般直流电动机中的机械换向器，构成没有换向器的直流电动机。这种电机结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。 同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。无刷电动 机结构如图1。 图1无刷直流电动机结构图 二、特点（优点及意义）： 1、全面替代直流电机调速、全面替代变频器+变频电机调速、全面替代异步电机+减速机调速； 2、可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；3 3、具有传统直流电机的所有优点，同时又取消了碳刷、滑环结构； 4、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小； 5、无级调速，调速范围广，过载能力强； 6、体积小、重量轻、出力大； 7、软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置； 8、效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60%，仅节电一项一年可收回购置成本；
9、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；10、耐颠簸震 动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长；11、没有无线电干扰，不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型；12、根据需要可选梯形波磁场电机和正旋波磁场电机。i 三、发展历程： 无刷电动机的诞生标志是1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。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。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。 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。1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。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。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。ii 四、国内外无刷电机的发展现状： 1、市场：我国无刷直流电机的研制开发起于70年代初期，主要是为我国自行研制的军事装备和宇航技术发展而配套。由于需要量少，只需由某些科研单位试制提供就能满足要求。经过20多年的发展，虽然在新产品开发方面缩短了与国际先进水平的差距，但由于无刷电机产品是总和了电机、微电子、控制、计算机等技术于一身的高技术产品，受到了我国基础工业落后的制约，因此无论在产量、品种、质量及应用上与国际先进水平差距甚大。目前，国内研制的单位虽然不少，但能有一定批量的单位却屈指可数。当今日本、德国、台湾是无刷电机主要生产国和地区，日本的年产量超过8000万台，其中约50%出口海外，德国年产量约3000万台，台湾主要生产较低档次无刷电机，年产量超过1000万台。iii 2、技术：几乎所有的无刷电动机产品都是为特定用途设计制造的。试图生产一种通用系列无刷电动机来适应千变万化的市场需求，是不可能的。各公司设计制造各种特殊结构、特定用途的无刷直流电动机，在设计、结构和工艺新技术方面不断的革新，以适应不同整机市场的需求。例如： ①永磁材料技术：适应不同性能参数永磁材料，瓦型、环型表面粘接结构和
直流无刷电机驱动技术的研究 摘要 随着现代电力电子技术的发展和永磁材料性能的不断提高，无刷直流电动机的系统在高性能运动控制领域越来越受到重视。无刷直流电动机既具有直流电动机运行效率高、调速性能好、无励磁损耗等诸多特点，又具备交流电动机的运行可靠、结构简单、维护方便等一系列优点，在国民经济各个领域的应用日益普及。 本文在对无刷直流电动机控制系统的发展及应用综述的基础上，详细的介绍了无刷直流电动机的基本结构、工作原理和运行特性，并给出了其数学模型。简述了无刷直流电动机的控制策略，并分析了无位置传感器控制技术的原理和方法。然后对无刷直流电动机双闭环控制系统的硬、软件设计作了详细论述。系统以 TI 公司的 TMS320LF2407 芯片为控制核心，分析了 PWM 信号的产生分配情况，给出反电动势过零点、速度及电流等检测电路设计，并以 IR2130 作为驱动芯片设计了无刷直流电动机的驱动电路，采用三段式起动方式来起动电动机。系统的软件采用模块化设计方法，主要包括初始化程序、起动子程序、换相子程序、ADC 中断服务程序等。最后运用 SIMULINK 建立了无刷直流电动机控制系统的仿真模型，并对给定实例进行仿真。 本论文所述无刷直流电动机控制系统的设计方案，可以获得良好的速度控制性能，而且 DSP 技术不仅使系统获得了高精度，高可靠性，还简化了系统结构。： 关键词：无刷直流电动机 PWM 控制无位置传感器仿真
Abstract With the development of power electronics technology and ceaseless advance of permanent magnet material, Brushless DC motor (BLDCM) is more and more attention in the field of control. BLDCM widely used in the various fields of the national economy because this motor not only loss etc. but also motor for reliable operation, simple structure and easy maintenance etc. On the basis of the summary for developments and applications of BLDCM control system,the thesis introduces the structure, running principle, operational characteristics and mathematical model of BLDCM. It outlines BLDCM control strategy, and discusses the principles and methods of the control technology with no position sensor detection. Then the of the double closed loop control system is dissertated in detail.The controller of the of PWM signals and designs the circuit of BEMF-zero-crossing, velocity and current detection. This system chooses syllogism jump-start motor. Besides, the drive circuit of the BLDCM is designed with IR2130. System software is modular in design methods, Including initialization, starting, commutation subroutine, ADC interrupt service procedures. Finally, it established a BLDCM control system simulation model by SIMULINK, and simulate to the case model.
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
文献综述 电气工程及自动化 无刷直流电机控制器的综述 摘要：实现由专用集成芯片及外围电路构成的一种体积小、结构紧凑、调试方便的无刷 直流电机控制器，实现电机的正反转，并分析了各部分的电路结构。 关键词: MC33035; MC33039;无刷直流电机;控制器; 1引言 无刷直流电机是随着大功率开关器件、专用集成电路、稀有永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的发展而迅速发展起来的一种新型电动机，它比交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗、调速性能好等特点，因此在当今国民经济的各个领域(如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面) 的应用日益普及。 2无刷电机的控制结构及原理 所谓无刷直流电动机是利用半导体开关电路和位置传感器代替电刷和换向器的直流电动机，也就是，它是把电刷与换向器的机械整流变换为霍尔元件与半导体功率开关元件的电子整流。无刷直流电机由转子和定子两部分组成，转子用永磁材料制成，构成永磁磁极，定子由绕组和铁芯组成，定子铁芯由导磁硅铁片迭压而成，其周上均匀分布的槽中嵌放有很多相电枢绕组。直流无刷驱动器包括电源部及控制部：电源部提供三相电源给电机，控制部分需要转换输入电源频率。 图一 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(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用换流器将直流
电压转换成3 相电压来驱动电机，换流器一般由6个功率晶体管分为上臂(A+、B+、C+)臂(A-、B-、C-）连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器作为之闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor 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(inverter)中功率晶体管的顺序，如下（图二）inverter 中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，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hall-sensor 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依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(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 图二 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL 一组→AH、CL 一组→BH、CL 一组→BH、AL 一组→CH、AL 一组→CH、BL 一组，但绝不能开成AH、AL 或BH、BL 或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(Command)与hall-sensor 信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL 或AH、CL 或BH、CL 或……)开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM 来完成。PWM 是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM 才是要达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的
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
毕业论文 课题名称无刷直流电机双闭环PI控制系统仿真 系部 专业 班级 学号 姓名 指导教师
摘要 本设计基于MATLAB/SIMULINK环境，利用其自带模块，编写S-函数程序，建立无刷直流电机的闭环控制系统模型。此系统采用转速-电流PI双闭环控制策略。其中，转速环为控制外环，使用PI控制算法；电流环为控制内环，采用滞环比较PWM控制方式，使得实际电流能跟踪参考电流。在分析了无刷直流电机的物理特性之后，可以建立其数学模型，将它与控制系统数学模型结合，就可以实现电机控制。将仿真结果与理论分析对比之后，可以看到本控制系统具有良好的控制效果。 关键词：无刷直流电机；双闭环控制系统；MATLAB/Simulink；PI控制 Abstract
based on MATLAB/SIMULINK environment, using the automatic module and writing S - function program establish a model of the closed loop control system of brushless dc motor. This system USES PI speed - current double closed-loop control strategy. Among them, the speed loop as the outer ring to use PI control algorithm; Current loop to control the inner ring, using the hysteresis PWM control mode, makes the actual current can track reference current. Physical properties after the analysis of the brushless dc motor, can establish its mathematical model, combined with control system mathematical model, it can achieve motor control. After compare the simulation results and theoretical analysis, you can see this control system has good control effect. Keywords: Brushless DC Motor; double-loop control system; MATLAB/Simulink; PI control
直流无刷电动机研发设计毕业论文 目录 中文摘要 (Ⅰ) Abstract (Ⅱ) 第一章绪论 (1) 1.1 课题的背景及研究意义 (1) 1.2 直流无刷电机控制系统的研究 (3) 1.3 PCI总线的应用 (7) 1.4 课题研究的主要容 (9) 1.5 论文的组织结构 (10) 第二章直流无刷电机控制原理 (11) 2.1 无刷直流电机的结构 (11) 2.2 无刷直流电机工作原理 (13) 2.3 无刷直流电机PID调速原理 (17) 第三章系统硬件设计 (21) 3.1 PCI运动卡控制电机的实现方法 (21) 3.2 硬件总体设计思想 (22) 3.3 数据采集卡及接线端子板 (23) 3.4 直流电机及其驱动器 (25)
3.4硬件连线示意图 (27) 第四章系统软件设计 (28) 4.1 软件总体设计思想 (28) 4.2 图形化编程软件LabVIEW简介 (29) 4.3 PCI控制卡的各子程序设计 (30) 4.3.1 转速控制程序 (30) 4.3.2 转速检测程序 (36) 4.3.3 PID控制程序 (40) 4.4 总程序框图 (41) 第五章实验与结论 (43) 5.1 硬件的安装与测试 (43) 5.2 软件测试 (45) 5.2.1 转速控制程序测试 (45) 5.2.2 转速检测程序测试 (46) 5.2.3 PID程序测试 (48) 5.3 结果分析 (50) 第六章总结与展望 (52) 6.1本文工作总结 (52) 6.2 研究展望 (52) 致谢 (54) 参考文献 (55)
附录一中文翻译 (57) 附录二外文原文 (67)
图1 第2章 无刷直流电机的驱动原理 2.1 驱动方式的理论分析 一、主要器件MOSFET MOSFET 又称金属-氧化物半导体场效应晶体管，可分为N 型和P 型两种，又被称为 NMOSFET 与PMOSFET 。 如图1所示，一块P 型硅 半导体材料作衬底， 在其面上扩散了两个N 型区，再在上面覆盖一层二氧 化硅(SiO2）绝缘层，最后在N 区上方用腐蚀的方法 做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个 孔内做成三个电极：G(栅极）、S （源极）及D （漏极）， 如图所示。在驱动器上用到的MOSFET 是在其上反并 联一个二极管，该二极管通常被称为寄生二极管。由 于添加了二极管的缘故，从而使其没有了反向电压阻 断的能力。一般使用时在栅源极间施加一个-5V 的反向偏执电压，目的是为了保证是器件导通，噪声电压必须阈值门控（栅 极）电压和负偏置电压之和。 MOSFET 的使用方法和三极管的使用方法几乎类似，都是采用小电 流的方式来控制大电流，这在模拟电路中经常用到。如图2所示，在 无刷电机驱动器中使用MOSFET 主要是在MOSFET 的栅源极施加一个寄 生二极管。 二、单相半波逆变器原理 如图3所示是单相半波逆变器的原理图。对其工 作状态分析如下： 第一个工作状态，v1导通，负载电压等于Ud/2,从而 使负载电流与电压同向。 第二个工作状态，v2关短后，负载电流流向vd2，使 得负载上的电压变为-Ud/2。但随着时间的推移会使 负载的电流最终变为0。 第三个工作状态，v2导通，使得负载中出现了负电 压和负电流。 第四个工作状态，v2关断造成vd2正向偏置，得负 载电压变为Ud/2。 如果电压为横坐标u ，电流为竖坐标i 的话，那 么通过上面四个状态就可以是电流和电压在四个象限内轮流工作。因此，采用一定的方法通过控制v1 和v2的导通时间就可以达到控制负载上电流和电压按照一定的频率来轮换着工作。 但是上面的变换有一些缺点。例如，在任何时刻加载在负载上的电压都是全部电压的一半。假如咋某个时刻对于功率额定的器件，电压减半后会使电流变为原来的两倍，同时又欧姆定律可知这时的发热会变为原来的次方倍。这对于器件来说会造成更大的风险。另外电压只能在最大电压的一半，没办法为0V ，那就会是器件造成更大的波纹度。 图2 图3 图2
摘要 电动汽车具有清洁无污染，能源来源多样化，能量效率高等特点，可以解决能源危机和城市交通拥堵等问题。电动车作为国家“十二五规划”重点发展的节能环保项目，获得了广泛应用和发展。无刷直流电机用电子换向装置取代了普通直流电动机的机械换向装置，消除了普通直流电机在换向过程中存在的换向火花，电刷磨损，维护量大，电磁干扰等问题，成为了电动车驱动电机的主流选择。本文将采用基于空间电压矢量脉宽调制技术（SVPWM）的正弦波驱动无刷直流电机的方法来解决方波控制下的无刷直流电机启动抖动明显，动矩脉动大，噪声大等问题。控制系统实现了永磁无刷直流电机在不同负载下低转矩纹波，运动平滑，噪音小，启动迅速，效率高的运行效果。 本文主要研究内容如下： 1.对永磁无刷直流电机数学模型与矢量控制工作原理分析，首先对永磁无刷直流电机本体及数学模型分析，接着对矢量控制坐标变换和空间电压矢量脉宽调制技术的原理和实现进行分析。 2.电动汽车用永磁无刷直流电机矢量控制系统实现，首先分析电动汽车用永磁无刷直流电机矢量控制系统结构，最后将电动汽车用永磁无刷直流电机矢量控制系统用Matlab/Simulink仿真。 关键词：电动汽车，无刷直流电机，矢量控制，SVPWM，Simulink
ABSTRACT Electric Vehicle has no pollution and it can supply with diversify energy sources.Also it’s energy efficient is high.These advantages can solve the problems of global energy crisis increasing and city’s traffic jam. Electric Vehicle is widely developed and applied which is called as a national ‘five years plan’focused on development of energy conservation and environment protection projects.The brushless DC motor with electronic commutator which replaces the normal DC motor mechanical switchback unit emerged,and it eliminates a few problems such as commutation sparks,brush wear,a large amount of maintenance,electromagnetic interference and so on,becoming the mainstream selection of the Electric Vehicle drive motor selection. The paper adopted the sinusoidal current drive based on space vector pulse with modulation(SVPWM) method was proposed to solve the problems of start shaking ,large torque ripple and loud noise of brushless direct current motor under the control of square-wave.The control system enabled BLDCM with different load operating in the condition of the low torque ripple smooth rotation ,low noise and high efficiency . The main studies were as follows: (1)Analyzing the mathematical model of BLDCM and the principle of the vector control.firstly,to analyze the ontology of the BLDCM and mathematical model,then analyze the vector control coordinate transformation and theory of space vector pulse width modulation. (2)Electric vehicles with a permanent magnet brushless dc motor vector control system implementation. Firstly analyze the electric car with a permanent magnet brushless dc motor vector control system structure, finally to the electric car with permanent magnet brushless dc motor vector control system with Matlab/Simulink.
常州工学院 课程设计报告 课题：无刷电机驱动器 班级： 姓名： 学号： 指导老师：王雁平
目录 1 直流无刷无霍尔电机原理 (1) 2 总体设计方案 (3) 3 硬件设计 (4) 3.1 电源模块 (4) 3.2 驱动电路 (5) 4 心得体会 (6) 5 附录 (6) 5.1 元件清单 (6) 5.2 原理图 (7) 5.3 PCB图 (9)
1、直流无刷无霍尔电机原理 无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断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。无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样的结构正好和普通直流电动机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。
摘要 近年来，燃油交通工具因尾气排放问题已造成城市空气的严重污染。于是发展绿色交通工具已经成为一个重要的课题。考虑到我国的国情，发展电动自行车具有重要的环保意义。随着电机技术及功率器件性能的不断提高，电动自行车的控制器发展迅速。本文设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33033为控制芯片，以功率器件MOSFET为开关器件驱动电机，实现对无刷直流电机的控制。设计出了电路原理图、印制板电路图和电路板实物的3维效果图。 关键词：无刷直流电机MC33033 原理图印制板电路图
Abstract In recent years, transportation fuel emission problem has been caused by urban air pollution levels. So the development of green transport has become an important issue. Taking into account China's national conditions, development of electric bicycles has important environmental significance. With the motor technology and continuously improve the performance of power devices, the rapid development of electric bicycle controller. This design uses a brushless DC motor for the control of dedicated control chip MC33033 chip, in order to power MOSFET devices as the switching device drive motor, to achieve control of the electric bike. Design a circuit diagram, PCB circuit diagrams and circuit board real 3-D renderings. Keywords：brushless DC motor MC33033 Schematic PCB circuit
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。