直流無刷電機控制系統(tǒng)設計畢業(yè)設計.doc

直流無刷電機控制系統(tǒng)設計摘 要繼有刷直流電動機發(fā)展后，無刷直流電機也相繼有了發(fā)展。目前，盡管各種各樣的直流電動機和交流電動機在工業(yè)傳動應用中發(fā)揮了主導作用，但無刷直流電動機也正備受關(guān)注。隨著這社會的不斷發(fā)展、人們的生活水平不斷提高，同時辦公自動化、現(xiàn)代化生產(chǎn)、發(fā)展等關(guān)鍵設備也都慢慢走向高智能化、小型化和高效率化，電機作為執(zhí)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點，因此直流無刷電機的應用得到了逐步的推廣。本設計首先介紹了直流無刷電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，然后研究了直流無刷電機的基本運行原理，再次建立了以AT89C51單片機為核心的硬件電路和軟件流程圖，最后在MATLAB中搭建仿真模型，仿真結(jié)果驗證了直流無刷電機控制系統(tǒng)的正確性。關(guān)鍵詞：直流無刷電機；單片機；MATLAB第一章 緒論1.1 研究意義直流無刷電機是一種新型電機，由于它結(jié)合機電一體化，因此有高動態(tài)響應、高熱容量、高效率和高可靠性等等諸多優(yōu)勢，而且長壽命、低噪聲和低成本等方面也是其它的優(yōu)勢。從現(xiàn)階段來看，隨著不斷地有新材料技術(shù)的出現(xiàn)，直流無刷電機的發(fā)展也因此獲得了良好的契機。目前無刷電機的各方面的應用已經(jīng)遍布各種各樣的領(lǐng)域，辦公自動化和工廠自動化等方面就比較的需要小功率直流無刷電機，例如家用電器或者是外設復印機等等。所以說，無刷電機目前正在快速地取代傳統(tǒng)電機的地位。直流無刷電機集特種電機、變速結(jié)構(gòu)、檢測元件、控制軟件與硬件于一體，形成新一代伺服系統(tǒng)，體現(xiàn)了當今應用科學的許多最新成果，是機電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品。直流無刷電機集交流電機和直流電機優(yōu)點于一體，它既具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電機運行效率高、調(diào)速性能好的特點，同時無勵磁損耗。在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電動機一樣，不過無刷直流電動機的電樞繞組是處在定子上的，永久磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子上，采用多相形式的電樞繞組，在通過逆變器之后，然后連接到直流電源上面，定子方面利用了電子換向來替換傳統(tǒng)電機的電刷和換向器，在各繞組依次通電后，跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場會氣隙中生成，同時與轉(zhuǎn)子的主磁場相互作用，因此產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，和其它電機相比，直流無刷電機具有高可靠性和高效率等優(yōu)勢，由于現(xiàn)階段，隨著具體性能的提高與價格的下降等優(yōu)勢的新型稀土永磁材料不斷出現(xiàn)，這給永磁直流無刷電機在成本方面帶來了下降，因此其優(yōu)勢將會越發(fā)的凸顯出來。在一些發(fā)達的國家里，無刷直流電機逐步替代了有刷直流電機的地位而應用于工業(yè)自動化領(lǐng)域?，F(xiàn)階段，很少見到一些國外買進來的設備中會有以有刷直流電機作為執(zhí)行系統(tǒng)的情況了，比如說美國、日本等的相關(guān)公司已經(jīng)不再會去大幅度地生產(chǎn)有刷直流電動機。由上可知，相對于其它類型電動機來說，無刷直流電機還是一種新型電機，它的驅(qū)動、控制更是和電子技術(shù)息息相關(guān)，因此，對直流無刷電機本體及其控制方法進行系統(tǒng)、深入的研究有著十分重要的現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外發(fā)展水平和研究情況1.2.1國內(nèi)外發(fā)展水平在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中，作為最早的電動機-有刷直流電動機得到了廣泛的應用，它憑借著優(yōu)良的調(diào)速性能，在應用調(diào)速理念的領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，可是有一個原因限制了它進一步的發(fā)展，那就是機械換相裝置的存在。它的機械電刷和換向器由于始終不斷地要進行強迫性接觸，這將會帶來可靠性差、火花、噪聲等各種各樣的棘手問題，會直接影響他的性能和調(diào)速的精度。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，半導體技術(shù)、開關(guān)型晶體管的研發(fā)成功這些都給新型的無刷直流電動機的創(chuàng)造帶來機遇?！爸绷鳠o刷電機”的概念已有最初的具有電子換相器的直流電機發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機外部特性的電子換相電機。現(xiàn)今，直流無刷電機集電機、變速機構(gòu)、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動調(diào)速系統(tǒng)。直流無刷電機具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在：調(diào)速方便(可無級調(diào)速)，調(diào)速范圍寬，低速性能好(起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小)，運行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應用場合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動自行車、電動汽車、電梯、抽油煙機、豆?jié){機、小型清污機、數(shù)控機床、機器人等。電力電子技術(shù)的進步對無刷直流電動機的發(fā)展來說具有一個很大的推動作用，在其發(fā)展的早期，當時處于初級發(fā)展階段的大功率開關(guān)器件，不僅可靠性差，而且其價格昂貴，同時又受到驅(qū)動控制技術(shù)水平、永磁材料兩方面的制約，這導致自發(fā)明以后的無刷直流電機在一段很長的時間內(nèi)，只能處于實驗室研究階段，沒有辦法得到應有的推廣與發(fā)展，20世紀七十年代，伴隨著電力電子工業(yè)的高速發(fā)展，各種新型的全控型半導體功率器件如春雨般出現(xiàn)在世人眼前，這為它后來廣泛應用與發(fā)展奠定了基礎。1978年，在當時的漢諾威貿(mào)易博覽會上， MANNESMANN公司正式推出了 一種MAC無刷直流電動機及其驅(qū)動器，它的出現(xiàn)，在當時引起了世界各國的極大關(guān)注，隨后，研發(fā)和生產(chǎn)無刷直流系統(tǒng)的熱潮也在國際上噴涌而出，這也就標志著無刷直流電機正在逐步地走向?qū)嵱秒A段。在人們對無刷直流電機不斷的了解基礎上，無刷直流電機的理論也逐步進行了完善與改進。在1986年，當時H.R.Bolton對其作了全面而又系統(tǒng)的總結(jié)，在總結(jié)中，他指出了無刷直流電動機的眾多研究領(lǐng)域，標志著無刷直流電動機在理論上走向成熟。無刷直流電機對與我國來說，對其研究的還是比較晚。1987年，聯(lián)邦德國金屬加工設備展覽會在北京舉辦，當時BOSCH和SIEMENS兩家公司相繼展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動器，這在我們當時國內(nèi)，引起了眾多相關(guān)研究學者的關(guān)注，自此以后，國內(nèi)也相繼掀起了研發(fā)和技術(shù)引進的熱潮。經(jīng)過多年的不懈努力，目前，我們國內(nèi)已研制出無刷直流電動機的一系列的產(chǎn)品。1.2.2 直流無刷電機的主要研究方向采用永久磁鐵的直流無刷電機轉(zhuǎn)子，氣隙磁通保持在常值，因此它非常適用于恒轉(zhuǎn)矩運行狀態(tài)，但是對于恒功率運行狀態(tài)，雖然直流無刷電機難以直接改變磁通以此來進行弱磁控制，但是進行控制改進的改進也還是可以得到弱磁控制的效果。稀土永磁材料具有可產(chǎn)生很大的氣隙磁通的優(yōu)點，由于此，可以大大縮小轉(zhuǎn)子的半徑，同時也可以減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，因而，當伺服驅(qū)動系統(tǒng)要求具有非常良好的靜態(tài)特性或者高動態(tài)響應的時候，直流無刷電機相比較于交流伺服電機和直流伺服電機就凸顯出了它更多的優(yōu)勢。現(xiàn)階段，直流無刷電機的發(fā)展已遍布全國的各個領(lǐng)域并且不斷的加深，尤其是在家用電器、航空航天等重要領(lǐng)域已得到大量應用與發(fā)展?，F(xiàn)階段，直流無刷電機的研究主要在以下方面進行介紹：(1) 無機械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制作為整個驅(qū)動系統(tǒng)中最為脆弱的部件-轉(zhuǎn)子位置傳感器，不僅在成本和復雜性為系統(tǒng)增加的負擔，而且系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性也受到了下降，與此同時還要占據(jù)一定的空間位置等等。在很多的場合，比如說空調(diào)器或者是計算機外設等都要求以無轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運行。無轉(zhuǎn)子位置傳感器運行本質(zhì)上就是需要在不使用機械傳感器的前提下，以電機的電流和電壓信息來獲取轉(zhuǎn)子磁極的準確位置。目前來看，相對成熟的無轉(zhuǎn)子位置傳感器運行方式主要有：1 續(xù)流二極管電流通路檢測法。目前的這些方法里面都或多或少的存在這各自的缺陷，不過依然在完整中； 2 反電動勢法具體包括了直接反電動勢法、間接反電動勢法和派生反電動勢積分法等等；3 定子三次諧波檢測法；(2) 轉(zhuǎn)矩脈動控制由于無刷直流電機具有轉(zhuǎn)矩脈動等固有缺陷，尤其是在伴隨著轉(zhuǎn)速的升高，或者換向的時候，轉(zhuǎn)動脈動會產(chǎn)生加劇的現(xiàn)象，以至于導師平均轉(zhuǎn)矩明顯下降。因此，對于提高無刷直流電動機的性能方面來說，減小轉(zhuǎn)矩脈動是一個重要方面。(3) 智能控制在運動控制研究領(lǐng)域當中，伴隨著信息技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，先進的控制理論就是其中一個新的發(fā)展方向，特別是智能控制方面的應用。現(xiàn)階段，模糊邏輯控制、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡是其中三個最為重要的控制理論和方法。所謂的模糊控制，就是將一些成熟經(jīng)驗和規(guī)則有機地融入到所研究的傳動控制策略當中去，目前，已經(jīng)有很多方面得到了非常成功的應用。伴隨著無刷直流電動機在各方面不斷擴大的應用情形，可以預測智能控制技術(shù)將會受到眾多學者更廣泛的關(guān)注。2.3 直流無刷電機的特點及應用保持著有刷直流電機的良好機械及控制特性的直流無刷電機，在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電動機一樣，不過無刷直流電動機的電樞繞組是處在定子上的，永久磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子上，采用多相形式的電樞繞組，在通過逆變器之后，然后連接到直流電源上面，定子方面利用了電子換向來替換傳統(tǒng)電機的電刷和換向器，然后各相依次通電產(chǎn)生電流，定子磁場和轉(zhuǎn)子磁極主磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 和有刷直流電機相比，直流無刷電機由于取消了電機的滑動接觸機構(gòu)，因而消除了故障的主要根源。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，也就沒有了勵磁損耗，又由于主磁場是恒定的，因此鐵損也是極小的(在方波電流驅(qū)動時，電樞磁勢的軸線是脈動的，會在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)產(chǎn)生一定的鐵損，和方波電流驅(qū)動相比，采用正弦波電流驅(qū)動鐵損更小)?？偠灾?，排除軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磨損之外，其轉(zhuǎn)子方面的損耗非常小，因而這將進一步增強了其可靠性。 由于不但擁有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、維護方便等諸多優(yōu)點的無刷直流電動機，它還又具有運行效率高、無勵磁損耗同時調(diào)速性能又好等優(yōu)勢，因此，故在現(xiàn)階段社會發(fā)展的各個領(lǐng)域，比如儀表儀器、化工、輕紡以及家用電器等方面的應用日益普及。直流無刷電機的應用主要分為以下幾類：1.定速驅(qū)動機械一般工業(yè)場合不需要調(diào)速的領(lǐng)域以往大多是采用三相或單相交流異步和同步電機。隨著電力電子技術(shù)的進步，在功率不大于10KW且連續(xù)運行的情況下，為了減少體積，節(jié)省材料，提高效率和降低能耗，越來越多的電機正被直流無刷電機逐步取代，這類應用有：自動門、電梯、水泵、風機等。而在功率較大的場合，由于一次成本和投資較大，除了永磁電機外還要增加驅(qū)動器，因此目前較少有應用。2.調(diào)速驅(qū)動機械 速度需要任意設定和調(diào)節(jié)，但控制精度要求不高的調(diào)速系統(tǒng)分為兩種：一種是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，另一種是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(此時的速度反饋器件多采用低分辨率的脈沖編碼器或交、直流測速等)。通常采用的電機主要有三種：直流電機、交流異步電機和直流無刷電機。這在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛中有大量應用。 調(diào)速應用領(lǐng)域最初用得最多的是直流電機，隨著交流調(diào)速技術(shù)特別是電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)獲得了廣泛應用，它們很快都滲透到原有的直流調(diào)速系統(tǒng)的絕大多數(shù)營養(yǎng)研究領(lǐng)域當中。這些年來，各式各樣的中小功率型交流變頻系統(tǒng)正逐漸被直流無刷電機系統(tǒng)所替換，這正是由于直流無刷電機重量小、體積小和高效節(jié)能等諸多優(yōu)勢，尤其是在印刷機械、紡織機械等原先主要應用的是變頻系統(tǒng)的領(lǐng)域，而對于某些直流電機應用領(lǐng)域，它們一直直接由電池來供電的，則更多的被直流無刷電機所代替。3.精密控制 在工業(yè)自動化領(lǐng)域中，伺報電動機高精度控制扮演了十分重要的角色，由于其各自的應用場合不太一樣，因此其控制性能的要求當然也不盡相同了。在實際情況下，伺服電動機擁有這各式各樣的控制形式如：電流控制、轉(zhuǎn)矩控制、位置控制和速度控制等等。具有良好的控制性能的無刷直流電機，它在高速、高精度定位系統(tǒng)中也慢慢的替換掉了直流電機與步進電機的地位，是首選的伺服電機之一。現(xiàn)階段，對于掃描儀、醫(yī)療診斷CT、CD唱機驅(qū)動、數(shù)控車床驅(qū)動及計算機硬盤驅(qū)動等都大量應用直流無刷電機伺服系統(tǒng)用于精密控制。 4.其他應用 家用電器、大型同步電機啟動等。1.3 文章結(jié)構(gòu)本文的大致結(jié)構(gòu)如下：第一章：主要介紹了直流無刷電機的發(fā)展現(xiàn)狀，國內(nèi)外發(fā)展水平和研究情況；直流無刷電機的主要研究方向，直流無刷電機的控制系統(tǒng)。第二章：簡單的介紹了直流無刷電機的基本原理，研究直流無刷電機的換向準則，用圖示的方法簡單清晰明了。第三章：研究了直流無刷電機的控制系統(tǒng)，介紹了開環(huán)和閉環(huán)的優(yōu)缺點，介紹了數(shù)字控制芯片AT89C51的基本性能。第四章：對所研究的直流無刷電機建立了控制系統(tǒng)，建立速度外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明所搭建的控制系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定的跟蹤速度參考給定值。第五章：對全文進行了總結(jié)以及未來發(fā)展展望。最后對有關(guān)人士表達了深深的謝意。第二章 直流無刷電機基本結(jié)構(gòu)及原理2.1 直流無刷電機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)直流無刷電動機主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成?；谟兴⒅绷麟姍C改進的直流無刷電機，內(nèi)部電樞繞組與功率開關(guān)器件相連，其驅(qū)動過程是通過內(nèi)部主轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出信號來完成的，使電樞繞組依次通電。在定子形成旋轉(zhuǎn)磁場以驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置傳感器不斷地輸出具體位置信號，位置信號轉(zhuǎn)換為電信號后通過控制芯片來改變電樞繞組的通電狀態(tài)，電樞電流方向始終保持恒定不變，因此，整個直流無刷電機的換向過程過程完全屬于無接觸式。圖2-1為直流無刷電機工作原理框圖。圖2-1 直流無刷電機工作原理框圖2.1.1 電機本體電機本體的主要部件包括轉(zhuǎn)子和定子。在滿足足夠磁通要求下，電樞繞組通過某一恒定電流產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。其次在保證機械結(jié)構(gòu)牢固和穩(wěn)定情況下，傳送該電磁轉(zhuǎn)矩。（1）繞組：直流無刷電機常見的繞組形式包括整矩集中、整矩和短矩分布式三種。不同的繞組形式對電機的反電動勢波形產(chǎn)生不同影響，甚至間接影響到電機本身的性能文獻。整矩集中繞組在同一個槽內(nèi)分布每相繞組，其反電動勢波形為各個導體的反電動勢的疊加，具有為較好的梯形反電動勢波形；短矩繞組優(yōu)點是可以縮短繞組端接線，節(jié)約材料成本。主要用于消弱轉(zhuǎn)矩諧波。（2）定子：電樞繞組可以Y型連接也可以三角形連接，鐵芯內(nèi)部繞組要求對稱，且沒有中性點引出。其中電樞繞組Y型連接應用相對較多。另外，與傳統(tǒng)有刷直流電機的差別是無刷直流電機的電樞繞組處于定子側(cè)，這將改善無刷直流電機的散熱性能。（3） 轉(zhuǎn)子：由一定極對數(shù)的永磁體鑲嵌在鐵心表面或者內(nèi)部構(gòu)成。與有刷直流電機中的永磁體在電機氣隙中作用一樣，都是要求形成足夠大的磁場，差別僅在于位置布局上的不同，無刷電機的永磁體設于轉(zhuǎn)子側(cè)。2.1.2 位置傳感器位置傳感器即檢測直流無刷電機轉(zhuǎn)子磁極的位置，將位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過運算處理控制定子繞組的換相，使電樞電流隨著轉(zhuǎn)子位置的不同進行同步換相，在一定氣隙下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子不斷續(xù)旋轉(zhuǎn)。目前直流無刷電機的位置傳感器主要包括電磁式、光電式、磁敏式等幾個種類。直流無刷電機的控制系統(tǒng)中常采用霍爾位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位置，它本身屬于屬于磁敏式的一種，具有體積小、方便使用以及廉價特性。本文采用反電動勢過零檢測的方法，改善了系統(tǒng)穩(wěn)定性。2.2直流無刷電機工作原理無刷六流電動機的電機本體和控制器緊密結(jié)合，是典型的機電一體化器件。在永磁直流無刷電機中，電樞繞組安放于定子鐵心中，是電磁感應的關(guān)鍵部件之一。作為直流電機的能量轉(zhuǎn)換通道的電樞繞組，其構(gòu)成應滿足電機要求產(chǎn)生足夠大的感應電動勢，并形成感應電流產(chǎn)生一定電磁轉(zhuǎn)矩。其定子繞組采用三相星形對稱接法。其轉(zhuǎn)子附有永磁體用來檢測轉(zhuǎn)子的極性。位置傳感器裝設在電動機內(nèi)部，通過檢測磁極位置來確定定子繞組是否導通，產(chǎn)生不斷續(xù)且穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。電機的驅(qū)動裝置主要由功率電子器件和相關(guān)電路組成，控制電機啟動、停止和制動的信息接受和動作過程；接受位置傳感器用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速。下面以兩相導通星形三相六狀態(tài)永磁無刷直流電動機為例說明其工作原理，圖2-2為其工作原理圖 。圖2-2直流無刷電機工作原理圖2-3所示為定轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)狀態(tài)示意圖，其工作原理分析如下：（a）A、B兩相導通 （b）A、C兩相導通圖2-3 定轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)狀態(tài)示意圖首先，圖2-3（a）所示轉(zhuǎn)子位于A、B兩相導通狀態(tài) ，此時定子的北極和轉(zhuǎn)子磁動勢同時指向繞組B，定子磁動勢指向繞組C。電樞電流流通方向為繞組A流入繞組B繞組X流出。根據(jù)磁場的基本理論，定子和轉(zhuǎn)子在磁場力的相互作用下促使轉(zhuǎn)子發(fā)生旋轉(zhuǎn)。同時驅(qū)動控制電路通過轉(zhuǎn)子的位置傳感器對位置信號進行翻譯，產(chǎn)生驅(qū)動信號，此時VT1和VT6處于導通狀態(tài)，使繞組A正向?qū)?，繞組B反向?qū)?。圖2-3(a)所示磁動勢Fm和定子合成磁動勢Fa的空間位置，轉(zhuǎn)子受永磁順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動進行順時針旋轉(zhuǎn)，電流路徑為：電源正極 VT1管 A相繞組 B相繞組 VT6管負極。 當轉(zhuǎn)子經(jīng)過600電角度順時針旋轉(zhuǎn)后，定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)空間位置如圖2-3(b)所示，此時A、C兩相導通。轉(zhuǎn)子經(jīng)過轉(zhuǎn)動后，位置傳感器檢測到其位置信號發(fā)生變化，經(jīng)過譯碼電路完成翻譯，產(chǎn)生新的驅(qū)動信號，此時VT1、VT2處于導通狀態(tài)，繞組A正向?qū)ǎ@組C反向?qū)?。磁動勢Fm和Fa空間位置如圖2-3(b)所示，電機產(chǎn)生順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子仍然沿順時針方向轉(zhuǎn)動，電樞電流路徑為：電源正極 VT1管 A相繞組 C相繞組 VT2管負極。按照這個規(guī)律，可以知道轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過600電角度，其繞組導通狀態(tài)都會變化一次，其導通順序為：ABAC BCBACACBAB。 綜上所述得知，電機轉(zhuǎn)子位置每發(fā)生變化，都伴隨驅(qū)動控制電路檢測和輸出位置信號，再經(jīng)過譯碼電路翻譯后產(chǎn)生相應的驅(qū)動信號，以改變定子繞組的導通狀態(tài)，讓轉(zhuǎn)子按原來方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動。在兩相導通星形三相六狀態(tài)導通工作方式下，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)的繞組導通順序如表2-1所示，轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)的繞組導通順序如表2-2所示。傳統(tǒng)有刷直流電動機要實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，只需改變勵磁磁場的極性或電樞電流就可以完成。雖然無刷直流電動機實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)的原理與有刷直流電動機類似，但由于它不能通過簡單的功率開關(guān)管的單向?qū)щ娦裕_到改變電源極性來實現(xiàn)反轉(zhuǎn)的局限，無刷直流電機通常采用改變繞組的通電順序方式來實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)。如圖2-2所示的三相六狀態(tài)無刷直流電動機，假設要使電機順時針旋轉(zhuǎn)，可通過轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測和接受轉(zhuǎn)子位置，然后根據(jù)表2-1所示的各開關(guān)管導通順序，進行相應導通和關(guān)斷操作。反之，若要電機逆時針旋轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)變壓器采樣和收集轉(zhuǎn)子位置信號，在根據(jù)表2-2所示的相應開關(guān)管導通順序，對開關(guān)管進行導通和關(guān)斷操作。表2-1： 轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)開關(guān)導通順序及相電流狀態(tài)順序霍爾傳感器導通開關(guān)相電流ABCABC1110VT1VT6正極負極斷開2100VTIVT2正極斷開負極3101VT3VT2斷開正極負極4001VT3VT4負極正極斷開5011VT5VT4負極斷開正極6010VT5VT6斷開負極正極表2-2： 轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)開關(guān)導通順序及相電流狀態(tài)順序霍爾傳感器導通開關(guān)相電流ABCABC1011VT3VT4負極斷開正極2001VT5VT4斷開負極正極3101VT5VT6正極負極斷開4100VT1VT6正極斷開負極5110VT1VT2斷開正極負極6010VT3VT2負極正極斷開從運行過程看，定子繞組每隔600電角度換向一次，定子合成磁動勢位置就改變一次，每相繞組何次導通1200電角度，且始終保持兩相繞組導通，此工作方式稱為兩相導通的六狀態(tài)運行方式。該方式中，每一狀態(tài)持續(xù)600度電角度，在此期間，定子繞組合成磁動勢空間位置固定不動，而永磁磁極連續(xù)旋轉(zhuǎn)600電角度。定子磁動勢為跳躍式旋轉(zhuǎn)磁動勢，使定轉(zhuǎn)子磁動勢之間的空間夾角周期性變化，導致電磁轉(zhuǎn)矩的波動。第3章 直流無刷電機硬件軟件設計任何一個復雜系統(tǒng)穩(wěn)定而可靠的工作幾乎都離不開合理的硬件結(jié)構(gòu)設計與良好的軟件代碼編寫，系統(tǒng)的性能是由軟硬件共同決定的。無刷電機調(diào)速系統(tǒng)的設計也同樣包含硬件設計部分與軟件編寫部分，本章將著重闡述控制的直流無刷電機硬件設計。3.1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)本文所設計的直流無刷電機實時控制系統(tǒng)的硬件平臺包括微控制器部分、功率驅(qū)動及逆變電路部分、檢測電路部分、電源電路部分以及其他接口單元。為了增強系統(tǒng)的靈活性和對硬件資源的合理整合，實時控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)硬件框圖1）微控制器AT89C51：系統(tǒng)采用AT89C51單片機控對系統(tǒng)進行模擬采樣、運算與控制等；2）驅(qū)動電路IR2103：IR2103芯片國際整流器公司生產(chǎn)的控制芯片，這種芯片具有功率放大作用，可以將AT89C51單片機輸出的信號進行功率放大，放大后再驅(qū)動逆變電路中的功率開關(guān)管工作；3）逆變電路：逆變電路拓撲采用三相橋式逆變電路，開關(guān)器件采用MOSFET即可，根據(jù)MOSFET上的開關(guān)時序，將直流電逆變成交流電，再給電機供電，從而達到對電機的控制目的。4）電流檢測電路：電流檢測一般采用霍爾元件實現(xiàn)，本系統(tǒng)采用的芯片為ACS712，該霍爾完成對系統(tǒng)電流的檢測并送入單片機處理器處理。5）位置檢測電路：一般情況下，電機會有自帶的三相霍爾傳感器，此系統(tǒng)選用的自帶的三相霍爾傳感器的電機，霍爾傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子信號并送入單片機處理器處理；6）電源電路：輸入市電電壓，經(jīng)變壓器降壓后整流經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓產(chǎn)生四路獨立的輸出電壓 +/-12V、5V 和 3.3V，給整個系統(tǒng)供電。3.2 微控制器AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位單片機處理器。AT89C51采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，使它成為 一種高效微控制器。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。這種單片機應用于各種控制領(lǐng)域1。 AT89C51的主要性能參數(shù)：1）與MCS-51 兼容； 2）4K字節(jié)可編程FLASH存儲器；3）壽命：1000寫/擦循環(huán)； 4）數(shù)據(jù)保留時間：10年； 5）全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz； 6）三級程序存儲器鎖定； 7）1288位內(nèi)部RAM； 8）32可編程I/O線； 9）兩個16位定時器/計數(shù)器；10）5個中斷源；11）可編程串行通道；12）低功耗的閑置和掉電模式；13）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；特性概述：AT89C51提供以下標準功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)同，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導下一個硬件復位。AT89C51引腳圖如圖3-2所示。圖3-2 AT89C51芯片引腳圖3.3逆變電路圖3-3逆變器主電路逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電然后再向電機供電，采用三相橋式全控逆變電路，其主電路如圖3-3所示，功率開關(guān)器件采用功率MOSFET。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號，是一個“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動機輸入電流的頻率和電機轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機和逆變器不會產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無刷直流電動機的重要優(yōu)點之一。3.2.1 功率MOSFET近年來由于MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位訊號處理的場合上，也有越來越多類比訊號處理的積體電路可以用MOSFET來實現(xiàn)。MOSFET是英文（MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor）的縮寫，譯成中文是“金屬氧化物半導體場效應管”。 MOSFET是由金屬、二氧化硅或氮化硅與半導體制成的半導體器件。 N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示，MOSFET底部為一塊P型硅半導體材料(圖3-4a)，第二層設置了兩個N型區(qū)(圖3-4b)，第三層擴散了二氧化硅絕緣層(圖3-4c)，由N區(qū)上方采用一定的方法引出兩個孔，然后用一定的方法分別在絕緣層上及兩個孔內(nèi)引出了三個電極：G(柵極)、S(源極)和D(漏極)，最后做成如(圖3-4d)所示的樣子。 圖3-4功率MOSFET的結(jié)構(gòu)圖從圖3-4中可以看出MOSFET的G極與D極和S極是相互絕緣的，D極與S極之間有兩個PN結(jié)。一般情況下，MOSFET的襯底與源極在內(nèi)部連接在一起。為了改善某些參數(shù)的特性，比如提高MOSFET的工作電流、工作電壓、降低導通電阻、提高開關(guān)特性等，廠家制成不同的結(jié)構(gòu)及工藝，比如現(xiàn)有的VMOS、DMOS、TMOS等結(jié)構(gòu)。根據(jù)MOSFET結(jié)構(gòu)及工作特性，本系統(tǒng)選擇的開關(guān)器件為功率MOSFET，3.2.2 全橋逆變電路的設計本系統(tǒng)采用三相橋式全控逆變電路，拓撲結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，在電路圖設計中，六個功率開關(guān)器件選用國際整流公司的IRF3205型功率MOSFET,如圖3-5a)所示。這種器件為N溝道型MOSFET。其特點是導通內(nèi)阻小，這樣通態(tài)損耗低，耐壓55V，額定電流110A，因此適用于低壓大電流的功率變換場合。硬件電路設計圖如圖3-5所示。QB1、QB3、QB5三個IRF3205作為上橋臂，另外QB2、QB4、QB6為下臂。六個IRF3205通過驅(qū)動電路給予的驅(qū)動信號控制其導通與關(guān)斷，在驅(qū)動過程為了避免上下管直通導致短路，驅(qū)動信號間設置有一定的死區(qū)時間，另外，為了減小IRF3205管發(fā)熱，提高整體效率，必須為IRF3205管提供足夠的驅(qū)動能力，另外，每個IRF3205上接有兩個電阻，比如QB1上，RB1是驅(qū)動電阻，RB2為給功率開關(guān)管IRF3205結(jié)電容提供放電回路的放電電阻。a) IRF3205圖3-5b)三相全橋硬件電路圖另外，在圖3-5b)下橋臂三個IRF3205功率放開關(guān)管QI的源極下面反接了一個IRF3205功率開關(guān)管，這樣做目的是為了防止電源正負極反接對電機造成損壞。如果輸入電源反接，QI管則關(guān)斷，系統(tǒng)沒有回路，電流無法流通，這樣就能夠起到電源反接保護的作用。3.3驅(qū)動電路前面提到六個IRF3205管都需要一定的驅(qū)動信號還能工作，而單片機的信號功率微弱，中間必須加功率放大環(huán)節(jié)，在本系統(tǒng)中，采用專門的全橋電路驅(qū)動芯片IR2103來驅(qū)動三相橋式變換器，IR2103的輸出電壓10-20V, 這款芯片自帶自舉電路驅(qū)動功能，專門為全橋電路上下功率管提供驅(qū)動，外圍電路相對簡單，不用為全橋中的上管提供專門的隔離驅(qū)動電源。采用自舉驅(qū)動方法可降低生產(chǎn)成本，提高電路可靠性。圖3-6為IR2103驅(qū)動芯片引腳圖及其輸入/輸出狀態(tài)。圖3-6 IR2103引腳及其輸入/輸出狀態(tài)圖圖3-7 IR2103原理圖IR2103采用自帶的自舉電路，其工作原理圖如圖3-7所示。圖3-7中電容C、二極管VD分別為自舉電容和自舉二極管。自舉電路的工作過程2為：與橋臂上功率開關(guān)管Q1的源極和下功率開關(guān)管Q2的漏極與自舉電容C的負極連接，當橋臂下功率開關(guān)管Q2驅(qū)驅(qū)動導通時，由于IR2103管的內(nèi)阻很小，其壓降小，可忽略不計，此時VS點電壓可近視為零；這個時間段，供電電源VCC可通過自舉二極管VD向自舉電容C充電。當橋臂下功率開關(guān)管Q2截止后，自舉電容C兩端屯壓保持不變，接下來在橋臂上管驅(qū)動導通的時候，C通過驅(qū)動芯片內(nèi)MOSFET管QV1向外總功率開關(guān)管柵極放電，橋臂上管驅(qū)動信號導通后，由于IR2103管的內(nèi)阻很小，壓降小，電源母線電壓與VS點相連，自舉電容C的正極電壓為母線電壓與電源電壓VCC兩者之和,二極管VD的反向作用截止，電容C無法放電，因此上橋臂管驅(qū)動信號保持不變。當上橋臂管驅(qū)動截止時，電容C通過驅(qū)動芯片內(nèi)MOSFET管QV2放電，Q1截止。在兩路互補的PWM信號驅(qū)動下，驅(qū)動信號按上述方式完成了對橋臂中的上下功率MOSFET管的驅(qū)動。功率MOSFET管驅(qū)動電路圖如圖3-8所示。圖3-8功率MOSFET管驅(qū)動電路圖3.4電流檢測電路為了對變換器進行時實控制，就必須把變換器的時時工作狀態(tài)反映到控制電路中，以供控制電路處理并調(diào)整，這就必須引入對主電路的信號采樣。電流采樣的方法有電流互感器、霍爾元件和直接電阻采樣。采用霍爾元件取樣,控制和主功率電路有隔離,可以檢出直流信號,信號還原性好, 但有s級的延遲,并且價格比較貴;采用電阻取樣價格非常便宜,信號還原性好,但是控制電路和主功率電路不隔離,功耗比較大。而電流互感器采樣具有能耗小、頻帶寬、信號還原性好價格便宜、控制和主功率電路隔離等諸多優(yōu)點本次設計中，主要采用電流互感器對系統(tǒng)電流信號采樣，電流互感器選用LEM公司生產(chǎn)的ACS712型號的高速電流互感器，ACS712 可為工業(yè)、商業(yè)和通信系統(tǒng)中的交流或直流電流感測提供經(jīng)濟實惠且精確的解決方案。該器件封裝便于客戶輕松實施。典型應用包括電動機控制、載荷檢測和管理、開關(guān)式電源和過電流故障保護3。ACS712型號工作電壓為12，輸出電流為-5A+5A，最大誤差1.5%檢測頻率可以到200KHz。因此完全符合我們的設計要求。采用三個 ACS712 分別測量三相的相電流，將其送入AT89C51，經(jīng)過 ADC 讀入微控制器，完成對三相電流的檢測和處理形成電流閉環(huán)。其電路圖如圖3-9所示。圖3-9電流檢測電路3.5位置檢測電路 系統(tǒng)的位置檢測電路如圖3-10所示，由于AT89C51芯片高電平對應的電壓為3.3V，因此本設計中采用分壓電阻分壓的方式使得輸入AT89C51芯片的I/O口為3.3V。電機有三路霍爾信號，將其分別送到AT89C51的3個I/O 口 PCO、PC1、PC2中，AT89C51芯片會根據(jù)輸入3路的霍爾信號，進行軟件編程設置對應的PWM波時序。圖3-10 位置檢測電路3.6電源電路系統(tǒng)的供電電源部分結(jié)構(gòu)框圖如圖3-11所示，將電網(wǎng)側(cè)的220V交流電經(jīng)過變壓器降壓，整流，濾波及穩(wěn)壓后給系統(tǒng)供電。實際系統(tǒng)中，變壓器采用副邊12V雙端輸出的變壓器，整流電路采用4個IN4001整流二極管進行橋式不可控制整流后，進過35V，1000uF大電容進行濾波，然后分別進過LM7812、LM7912和LM7805產(chǎn)生三種直流電給系統(tǒng)供電，詳細電路如圖3-12a)、3-12b)所示，其中圖3-12b)為單片機AT89C51的供電電源，采用LM1117MP-3.3電源芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成功經(jīng)驗3.3 V給AT89C51供電。圖中Lamp,LED為電源指示燈。 圖3-11 直流穩(wěn)壓框圖a) b) 圖3-12 電源電路圖3.7 系統(tǒng)軟件設計3.7.1 主程序流程圖設計主程序是一個循環(huán)程序，其主要思路是，先設定好速度初始值，這個初始值與測速電路送來的值相比較得到一個誤差值，經(jīng)過調(diào)節(jié)器之后產(chǎn)生PWM脈沖進而控制電機的轉(zhuǎn)速。其程序流程圖如圖3-13所示。圖3-13直流無刷電機主程序3.7.2 ADC中斷流程圖設計ADC中斷子程序的框圖和換相子程序流程圖，如圖3-14所示。在ADC中斷子程序中，主要進行讀ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果、電流調(diào)節(jié)、中性點電壓計算、延遲時間計算、感應電動勢符號判別和換向準備的操作，另外在磁定位過程中，根據(jù)電流調(diào)節(jié)的結(jié)果更新PWM占空比、磁定位結(jié)束后的判別操作。換相子程序則檢測直流無刷電機轉(zhuǎn)子的位置，當經(jīng)過扇區(qū)的分界線時，產(chǎn)生中斷，告知主程序即將換相，為產(chǎn)生正確的PWM做好準備。圖3-14 ADC中斷子程序流程圖圖3-15換相子程序框圖第四章 直流無刷電機MATLAB仿真4.1 MATLAB/Simulink的介紹4.1.1 MATLAB的簡介MATLAB是矩陣+實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，它是美國MathWorks公司于1984年開始出品的一種軟件，在各個行業(yè)算法的開發(fā)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)分析可視化、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)值科學計算等都有很高的計算能力與處理能力。MATLAB主要包括仿真和鏈接兩大部分；MATLAB最主要的特點可以概況如下：(1)具有優(yōu)秀的友好的工作運行平臺與程序編寫的環(huán)境；(2)具有簡單易懂且易用的，符合人們思維的程序語言；(3)具有強大的矩陣科學計算功能和強大的數(shù)據(jù)處理能力；(4)具有優(yōu)秀的圖形顯示和處理功能；(5)具有應用廣泛的，各個專業(yè)模塊集合的工具箱simulink；(6)具有與其它程序接口的能力和處理發(fā)布平臺的能力；(7)具有應用軟件的設計和開發(fā)能力，與C語言兼容的能力。4.1.2 Simulink的功能與特點Simulink是MATLAB中一個重要的工具箱，是MathWorks公司開發(fā)的具有連續(xù)和離散功能的，可以用于靜態(tài)計算和動態(tài)仿真的，同時也具有通信接口能力的仿真工具箱。同時，Simulink是MATLAB中的一種基于視覺化的仿真工具箱，里面包含了很多行業(yè)可以用到的模塊，同時也為用戶提供了相應的S函數(shù)模塊，給用戶自定義相應功能帶來了很大的好處，不僅可以實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學模塊的建立、仿真計算和分析處理等，也可以實現(xiàn)線性系統(tǒng)控制與分析、非線性系統(tǒng)控制與分析、數(shù)字系統(tǒng)控制與分析及數(shù)字信號處理與分析中，具有強大的功能。目前還沒有相關(guān)軟件在矩陣計算、數(shù)據(jù)處理等方面超過MATLAB，本文正是在MATLAB/Simulink中搭建了直流無刷電機的仿真模型。4.2 直流無刷電機仿真在MATLAB中搭建直流無刷電機的仿真模型，圖4-1為電子電壓和電流的波形。圖4-2為定子A相電流、電機轉(zhuǎn)速和電機轉(zhuǎn)矩的仿真波形，從圖中可以看出來，直流無刷電機能夠跟蹤參考給定轉(zhuǎn)速，當參考轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，實際電機的轉(zhuǎn)速也會發(fā)生變化，而且電機的轉(zhuǎn)矩同樣也會變化，這說明仿真是正確的。圖4-1 直流無刷電機定子電壓電流波形圖4-2 直流無刷電機仿真波形4.3 直流無刷電機仿真圖圖4-3、圖4-4和圖4-5給出了直流無刷電機在MATLAB中的仿真圖。圖4-3 速度控制框圖圖4-4 仿真封裝內(nèi)部圖圖4-5 仿真封裝外部圖第五章 總結(jié)與展望5.1 總結(jié)本文仿真結(jié)果表明：波形符合理論分析，系統(tǒng)能平穩(wěn)運行，具有較好的靜、動態(tài)特性。同時，該模型提供的各仿真模塊具有通用性。因此，它為分析和設計直流無刷電機控制系統(tǒng)提供了有效手段和工具，也為實際電機控制系統(tǒng)的設計和調(diào)試提供了新的思路。5.2 展望本文雖然完成了初步的工作，但是在很多方面尚未深入探索，很多問題尚未解決。由于系統(tǒng)設計內(nèi)容繁多、工作量大和時間限制，本文僅對直流無刷電機的控制系統(tǒng)進行了一些基本的研究。而且個人能力有限、實踐經(jīng)驗缺乏，在工作中也在所難免存在很多不足之處。針對直流無刷電機控制系統(tǒng)的特點以及發(fā)展趨勢，為進一步改進和完善工作，本人還將繼續(xù)研究。致 謝經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及一起工作的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。感謝我的導師*老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；老師循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。感謝大學四年來所有的老師，這些老師知識淵博，閱歷豐富，講課獨具風格，為我們打下專業(yè)知識的基礎。感謝我的室友們，是你們和我共同維系著彼此之間兄弟般的感情，維系著寢室那份家的融洽。感謝我的爸爸媽媽，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我最大的心愿。感謝理工學院四年來對我的大力培養(yǎng)參考文獻1 1王益全.電動機原理與實用技術(shù).北京:科學出版社，20052 李鐘明,劉衛(wèi)國.稀土永磁電機.第一版.北京:國防工業(yè)出版社，19993 唐蘇亞.電動車輛及其電機的發(fā)展概況.電機技術(shù)，19964 陳清泉，詹宜巨.21世紀的綠色交通工具一電動車.北京:清華大學出版社，廣州:暨南大學出版社，20005 唐蘇亞.我國電動自行車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀.電機技術(shù)，2004 6 周志新.電動自行車結(jié)構(gòu)與維修.江蘇:江蘇科學技術(shù)出版社，20017 張深.直流無刷電動機原理與其應用.機械工業(yè)出版社，19968 韋敏，季小尹.MC33035在直流無刷電機控制中的應用.電工技術(shù)雜志，20049 盧靜，陳非凡，張高飛等.基于單片機的無刷直流電動機控制系統(tǒng)設計.北京機械工業(yè)學院學報，200210 梁正峰，王磊.電動自行車用無刷直流電動機控制系統(tǒng)研究.電氣傳動自動化，200411 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