无刷直流电动机控制系统设计

(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)无刷直流电动机控制系统设计方案第1章概述 (1)1.1 无刷直流电动机的发展概况 (1)1.2 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 (2)1.3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理 (3)1.4 无刷直流电动机的运行特性 (6)1.4.1 机械特性 (6)1.4.2 调节特性 (6)1.4.3 工作特性 (7)1.5 无刷直流电动机的应用与研究动向 (8)第2章无刷直流电动机控制系统设计方案 (10)2.1 无刷直流电动机系统的组成 (10)2.2 无刷直流电动机控制系统设计方案 (12)2.2.1 设计方案比较 (12)2.2.2 无刷直流电动机控制系统组成框图 (13)第3章无刷直流电动机硬件设计 (15)3.1 逆变主电路设计 (15)3.1.1 功率开关主电路图 (15)3.1.2 逆变开关元件选择和计算 (15)3.2 逆变开关管驱动电路设计 (17)3.2.1 IR2110功能介绍 (17)3.2.2 自举电路原理 (19)3.3 单片机的选择 (20)3.3.1 PIC单片机特点 (20)3.3.2 PIC16F72单片机管脚排列及功能定义 (22)3.3.3 PIC16F72单片机的功能特性 (22)3.3.4 PWM信号在PIC单片机中的处理 (23)3.3.5 时钟电路 (23)3.3.6 复位电路 (24)3.4 人机接口电路 (24)3.4.1 转把和刹车 (24)3.4.2 显示电路 (25)3.5 门阵列可编程器件GAL16V8 (27)3.5.1 GAL16V8图及引脚功能 (27)3.6 传感器选择 (28)3.7 周边保护电路 (30)3.7.1 电流采样及过电流保护 (30)3.7.2 LM358双运放大电路 (31)3.7.3 欠电压保护 (32)3.8 电源电路 (32)第4章无刷直流电动机软件设计 (33)4.1 直流无刷电机控制器程序的设计概况 (33)4.2 系统各部分功能在软件中的实现 (33)4.3 软件流程图 (34)结束语 (36)致谢 (37)参考文献 (38)附录1 (39)附录2 (51)第1章概述1.1 无刷直流电动机的发展概况无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。

有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。

但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。

为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。

早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。

1955年美国的D.Harrison等首次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，标志着现代无刷直流电动机的诞生。

无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用，1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础，无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。

在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了 MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。

随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入，无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。

1986年，H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域，成为无刷直流电动机的经典文献，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。

我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。

1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。

经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。

1.2无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较表1-1无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较1.3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理1．无刷直流电动机转矩分析电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。

图1-1 无刷直流电动机工作原理示意图如图1-1所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6 导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。

当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。

此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。

转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。

在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。

转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。

可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。

无刷直流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。

2．无刷直流电动机与输出开关管换流信号无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图1-2所示，以信号A为例，A相位置宽度为180电导角：在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，（此时下部可供导通的管子为T4、 T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度—120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度—180度时，由于每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断（T1=0），T2仍然导通（B相开始进入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通（防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。

其他时间段的开关管导通情况与此类似。

理论上，只要保证三个位置传感器在空间上互差120度，开关管的换流时刻总是可以推算出来的。

然而，为了简化控制电路，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点（r0=00）上.那么在r0=00的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻（即该相反电势相位30度位置）恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。

同理，其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定。

本设计选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压UH=36V,电枢额定电流IaH =8.5A,电枢峰值电流IaP15A,额定转速nH=350r/min,额定功率PH=250W。

图1-2 无刷电动机位置检测及开关管驱动信号表1-2 无刷电动机直流通电控制方式开关切换表1.4 无刷直流电动机的运行特性1.4.1 机械特性无刷直流电动机的机械特性为：22222S T a s Te e e e t U U rI U U r n T C C C C δδδφφφ---==- （1-1） U T -开关器件的管压降I a -电枢电流Ce-电机的电动势常数-每级磁通量可见无刷直流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。

在不同的供电电压驱动下，可以得到如1-3图所示机械特性曲线簇。

图1-3 机械特性曲线簇当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时，管压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。

1.4.2 调节特性无刷直流电动机的调节特性如图1-4所示。

图1-4 调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为：（1-2）（1-3）从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。

但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。

1.4.3 工作特性电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图1-5所示。

图1-5 工作特性在输出额定转矩时,电机效率高、损耗低是无刷直流电动机的重要特点之一。

1.5 无刷直流电动机的应用与研究动向现阶段，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。

无刷直流电机转子采用永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，无刷直流电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。

由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如数控机床、机器人等应用中，无刷直流电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。