直流无刷电动机研发设计毕业论文

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)
第一章绪论
1.1 课题的背景及研究意义
直流无刷电动机是在直流有刷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。

直流有刷电动机从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一直在运动控制领域占据主导地位。

但是，有机械接触一直是电流电机的一个致命弱点。

电刷-换向器存在相对的机械摩擦带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，降低了系统的可靠性，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用围。

为了取代直流有刷电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。

在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替直流有刷电机的机械电刷，从而诞生了直流无刷电机的基本思想。

随后经过了几十年的努力，美国的D.Harrison等于1955年首次申请了用晶体管换相线路代替直流有刷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，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，这也标志着无刷直流电动机走向实用阶段。

随着人们对直流无刷电机特性了解的日益深入，直流无刷电机的理论也逐渐得到了完善。

1986年，H.R.Bolton对直流无刷电机作了全面系统的总结，指出了直流无刷电机的研究领域，成为直流无刷电机的经典文献，标志着直流无刷电机在理论上走向成熟。

我国对直流无刷电机的研究起步较晚。

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，引起了国有关学者的广泛注意，自此国掀起了研制开发和技术引进的热潮。

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

区别于有刷直流电机，无刷直流电机不使用机械的电刷装置，采用方波自控式永磁同步电机，以霍尔传感器取代碳刷换向器，以钕铁硼作为转子的永磁材料，性能上相较一般的传统直流电机有很大优势，是当今最理想的调速电机。

在现今的工业领域中，无刷直流电机应用相当广泛，如航空航天和军事领域的炮兵雷达，自动定位，船舶舵，飞机自动驾驶仪，全自动控制应用等围；在信息处理设备领域，包括信息输入，存储，加工，输出，传输和其他单元；电子设备中，如微型计算机软盘驱动器，硬盘驱动器，光盘驱动器，复印机，打印机，传真机等；视听设备包括录像机，录音机，摄像机使用，照相机，光碟，DVD等。

今天，在各个领域，如医疗器械，纺织，化工，仪器仪表，电脑驱动器及家电的日益广泛应用等诸多方面，促进着国民经济的发展。

就像在电脑的硬盘驱动器和软盘驱动器中的主轴电机，录音机中的伺服电机，都使用了大量的直流无刷电机。

目前，在英美日德中等几个主要的电机生产国，直流无刷电机年平均增长率保持在102%，全球年总产量约为30亿台左右。

随着应用的日益广泛，它的控制性能要求也不断提高，因此直流无刷电机控制系统的研究受到了越来越多研究者的关注。

本文也是根据这一现状，着力于直流无刷电机控制系统的开发，展开了研究工作。

1.2 直流无刷电机控制系统的研究
随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机数字控制系统的研究也在不断的发展和完善，尤其在80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。

首先实现了整流器件的更新换代，以晶闸管整流装置取代了使用己久的直流发电机一电动机机组及水银整流装置，使直流电机拖动完成了一次大的飞跃。

同时，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。

以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅度提高，应用围不断扩大。

我国在电机调速系统的水平还远落后于于发达国家，在电机调速的很多装备方面都还不够成熟。

全数字化调速系统在国并没有得到广泛的应用。

目前，国各大专院校、科研单位和厂家也都在开发数字直流调速装置。

因此国调速系统的研究也非常活跃，但很多电机调速的市场还是被国外公司所占据。

在国家十五计划中，对电机调速系统方面的研究投入将高达500亿元，所以电机调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。

早期，直流电机的控制系统采用模拟分立器件构成，由于模拟器件构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较
低。

随着电机运动控制器技术的发展，直流电机控制系统己经广泛使用电机运动控制器，实现了数字化控制，尤其是在无刷直流电机的控制系统当中。

数字化调速系统与模拟系统相比具有以下优点。

1. 提高了调速性能
由于测速采用数字化，能够在很宽的围高精度测速，所以扩大了调速围，提高了速度控制的精度。

另一方面，一些模拟电路难以实现的控制规律和控制方法，例如各种最优控制、自适应控制、复合控制等都变得十分容易了，从而使系统的控制性能得到提高。

2. 提高了运行的可靠性
由于硬件高度集成化，所以零部件数量和触点大大减少；很多功能都是由软件(即程序)来完成的，使硬件得以简化，所以采用运动控制卡控制的电力拖动系统的故障率比模拟系统小。

另外，数字电路的抗干扰性能强，不易受温度等外界条件变化的影响，没有工作点的温漂等问题，所以运行的可靠性高。

3. 易于维修
由于部分电机运动控制器可以与计算机相连，而计算机具有存储、显示、记录等功能，可以对系统的运行状态进行检测、诊断、显示和记录，并对发生故障的时间、性质和原因进行分析和记录，所以维修很方便，维修周期变短。

作为数字化电机控制系统的代表，运动控制器是控制技术和运动系统相结合的产物。

在现代电子技术的支持下，它通常以微处理器为核心，综合软件编程、运动轨迹设计、控制算法分析、各运动部件的实时驱动等功能，达到总体运动控制效果。

在运动控制中，运动控制器还需对具体的运动速度、加速度、位置误差等进行实时监控，并对相关情况等作出反应。

专用控制器的使用可把主机的轨迹插补与伺服闭环控制分离开来，减少了主机计算负担，且所有控制参数都可以由程序设定，系统硬件设计简单，位置环容易调整，有利于提高系统可靠性。

随着自动化技术的进一步发展，运动控制器（步进、交流、直流）的应用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制。

常见的运动控制器控制方案有以下几种：
1.单片机系统
采用单片机系统来实现运动控制，成本较低，但开发难度较大，周期长。

这种方案适应于产品批量较大、控制系统功能简单、有单片机开发经验的用户。

2.专业运动控制PLC
许多品牌的PLC都可选配定位控制模块，有些PLC的CPU单元本身就具有运动控制功能（如松下FP0）。

这种方案一般适用于运动过程较
简单、运动轨迹固定的设备，如送料系统、自动焊机等。

如果需要简单修改少量运动参数，如速度、位移等，可与工业人机界面配合使用。

3.PC机和I/O卡
用I/O卡通过PC机也可以输出脉冲和方向信号来控制步进或数字式伺服电机，但所发的脉冲只能由软件编程来实现，所以在运动时发脉冲将占用PC机CPU大量的时间；另外，软件发脉冲受到微机定时器的限制，最大脉冲频率一般在100KHz左右，在控制伺服电机时会有速度和精度的矛盾问题；再者，在Windows环境下由于其多任务的机制，若没有深入Windows核进行底层编程来发脉冲，几乎不可能保证脉冲的均匀性。

4.PC机和PCI运动控制卡
目前，由于以专用运动控制芯片为代表的高速、高性能专用微处理器的出现和PC机的广泛普及，开放式运动控制器的发展趋势是以专用运动控制芯片作运动控制处理器，以PC机作为信息处理平台，PCI运动控制卡通过PCI插槽嵌入PC机，即“PC机+运动控制卡”的模式。

在这种方案中，PCI运动控制卡只需要从微机接收控制命令，然后自己完成与运动有关的控制：发脉冲/方向信号、检测限位/原点等信号，几乎不占用微机CPU时间。

这样微机可处理其它控制和检测任务：检测其它状态、处理键盘和显示消息、数据分析和计算等。

大多数PCI运动控制卡
都提供了Windows环境下的动态库DLL，使用非常方便，不仅大大缩短产品研制和开发周期，而且能够实现更完善的运动控制系统。

国外广大的科技人员对基于专用运动控制卡的运动控制器进行了深入研究，并取得了较好的成绩，主要研究成果有美国Delta Tau公司、NI（美国国家仪器）和德国MOVTEC公司的各种运动控制卡等。

国针对运动控制卡的研究从近几年开始开展的比较多，但目前没有专门用于开放式体系结构的运动控制器，从现有的文献来看主要是各个高校或科研院所为自己设计的基于PC的数控系统的运动控制卡，并没有形成一种通用的、系列化供应于市场的产品。

顺应国这一研究现状，的研华公司（advantech）一直致力于电机运动控制卡的研究开发，它的PCI总线系列电机控制采集卡是国研究者使用的最为广泛的一类电机控制卡。

本文设计的直流无刷电机控制系统正是基于研华公司生产的PCI-1710运动采集卡，并加入数字PID算法，构成闭环调速系统。

就国的直流电机调速现状而言，本设计研究容还是具有一定的实用价值的。

1.3 PCI总线的应用
PC机加运动控制卡的直流无刷电机控制方案离不开PCI总线的使用，PCI运动控制卡需要插入到PC机的PCI插槽才能在PC机上进行相关的编程使用工作。

PCI（Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准）是由Intel公司于1991年推出的一种局部总线。

它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。

PCI插槽也是主板带有最多数量的插槽类型，在目前流行的台式机主板上，ATX 结构的主板一般带有5～6个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有2～3个PCI插槽，可见其应用的广泛性。

从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。

管理器提供了信号缓冲，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡、声卡、网卡、MODEM等设备提供了连接接口，它的数据宽度为32bit/64bit，工作频率为33MHz/66MHz，目前常用的是32bit&33MHz。

PCI总线能从1991年沿用到现在，说明它有许多优点，比如即插即用(Plug and Play）、中断共享等。

所谓即插即用，是指当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。

而不像旧的ISA（Industry Standard Architecture，工业标准体系结构）板卡，需要进行复杂的手动配置。

同时，PCI板卡的硬件资源则是由微机根据其各自的要求统一分配，决不会有任何的冲突问题，它解决了在同一台微机上使用多个不同厂家、不同型号的板卡时，板卡之间可能会有硬件资源上的冲突，以及板卡所占用的硬件资源可能会与系统硬件资源（如声卡、网卡等）相冲突的问题
PCI总线系统体系结构如下图1.1，PCI运动控制卡插入PCI总线即可使用。

图1.1 PCI总线系统体系机构
1.4 课题研究的主要容
本次课题设计过程中，主要进行了硬件连线测试和软件编程开发，主要涉及到了如下的容：
1. 研究直流无刷电机的调速原理。

本次设计是针对直流无刷电机的转速控制，因此了解直流电机调速的原理是设计的基础环节。

2. 研究硬件设备的相关参数和特性。

在开发电机调速程序之前，需要对硬件设备的相关参数和特性进行深入的了解。

对于本课题，需要对PCI接口芯片PCI-1710的相关特性进行深入的了解，如配置空间、数据空间、传输方式、中断方式等等。

3. 掌握在LabVIEW调用硬件配套DLL动态库的方法以及后续的软件开发流程，学会编程调用DLL能够使程序实现模块化，使得程序简化，编程变得更加容易。

1.5 论文的组织结构
本文围绕作者的研究开发工作，按照系统预期的设计目标和关键技术难点进行了如下章节安排：
第一章绪论，介绍了该课题的研究背景与现状，阐明了直流电机控制系统的研究意义，对直流电机控制方案进行了概述，最后对本课题的容进行了概括。

第二章主要介绍了直流无刷电机的调速原理，PID控制原理。

第三章介绍了，PCI运动控制卡编程方法直流无刷电机控制系统的硬件平台，该系统的硬件由计算机，数字采集卡，电机驱动器及无刷直流电机组成，分别介绍了各组成部分的功能和实现过程。

第四章直流无刷电机控制系统的软件编程设计，介绍了电机调速系统的软件平台，该软件平台使用LabVIEW进行编程，调用PCI-1710的32-bit动态库DLL，本章详细介绍了速度控制、检测以及PID算法三个子VI的功能，整体框图结构以及模拟过程。

第五章直流无刷电机控制系统的实验和调试，给出了简单的调试过程和测试过程，并根据实验结果总结了PCI-1710板卡控制电机的总体性能和应用围。

第六章论文的总结与展望，叙述了本次课题中收获与不足，并结合当前的研究成果提出了下一步意见。

第二章直流无刷电机控制原理
2.1 无刷直流电机的结构
永磁直流无刷电动机按控制电路分有桥式和非桥式两种，按电机绕组结构来分有星形和三角型两种方式。

桥式星形接法的电机有转矩脉动小，输出转矩大等特点。

本论文的样机即采用三相桥式星形结构的电机，下面就以此类电机为例来说明永磁无刷直流电机的工作原理。

与有刷直流电机具备的旋转的电枢和固定的磁场相反，无刷直流电机具有旋转的磁场和固定的电枢，所以无刷直流电动机不需要像有刷直流电机一样必须使用电刷与换向器来使电机旋转。

图 2.1是无刷直流电机的组成框图。

图2.1 无刷直流电机的组成框图
电机本体的主要部件有定子（A、B、C三相或者U、V、W三相）和转子。

定子部分最重要的部件是电子的绕组，当电机接上电源后，电流流入绕组，产生磁动势，后者与转子产生的励磁磁场相互作用而产生电功率，并通过转子输出一定的机械功率从而实现了将电能转换为机械能这个过程。

电机的转子是产生励磁磁场的部件，由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。

永磁体和导磁体是产生磁场的核心，由永磁材料和导磁材料组成。

无刷直流电机要旋转，除了电机本体外，还需要转子位置传感器和电子换相电路的共同配合。

转子位置传感器的作用是检测转子磁极的位置，并将位置信号提供给电子换相电路，为其正确驱动电子换相电路提供依据。

电子换相电路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调、预放大、功率放大，然后去触发末级功率晶体管，使电枢绕组按一定的逻辑程序通电，保证电机的可靠运行。

在实际控制中，电子换相电路的功能是由直流无刷驱动器来完成的。

2.2 无刷直流电机工作原理
由于无刷直流电机机械特性方程同一般有刷直流电机机械特性方程在形式上完全一致。

所以无刷直流电机的调速方式也和有刷直流电机的调速方法相似。

有刷直流电机调速方法包括：改变电机主磁通调速；改变电枢回路电阻调速；调节电枢端电压调速。

由于无刷直流电机通过永久磁铁励磁，所以只能通过改变电枢回路电阻或调节电枢端电压的方法来进行调速。

最常用的是调节电枢端电压调速，从额定电压往下降低电枢电压，从电机额定转速向下变速，属于恒转矩调速方法。

这种可以获得与电动机的固有机械特性相平行的人为机械特性，调速方向是基速以下只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级平滑调速，而且低速运行时的机械特性基本上保持不变，所以得到的调速围可以达到很宽，而且可以实现电动机的正反转。

直流无刷电机的工作过程是电机本体、转子位置传感器和电子换向电路三者协同工作的过程。

直流无刷电机的工作原理图如图2.2所示：
图2.2 无刷直流电机工作原理框图
在直流无刷电机中，借助反映主转子位置的位置传感器器的输出信号，通过电子换相电路去驱动与电枢绕组连接的相应的功率开关器件，使电枢绕组依次通电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。

随着转子的转动，位置传感器不断送出信号，然后通过控制器对这些信号的判断，不断送出驱动信号控制相应的功率器件开关，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电机的无接触式换相过程。

无刷直流电机的电枢绕组的联结方式基本上有星形绕组和角形绕组两类，直流无刷电机中一般采用星形绕组。

星形联结方式是把所有绕组的首端或尾端接在一起，与它们相配合的电子换相电路为桥式联结，也可以为非桥式联结，图2.3中A、B、C相绕组即为三相桥式星形联结。

图2.3 三相桥式星形联结示意图
现以三相桥式星形联结方式来介绍一下无刷直流电机的工作过程。

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。

无刷直流电机的转动离不开电子换相电路的支持。

当电机部的霍尔传感器感知出一个信号后，电子换相电路及时获取这个信号，并且很快地根据这个信号来正确判断输出与其相应的驱动信号。

每一瞬间只有两个功率管导通，每隔60°换相一次，每次换相一个功率管，桥臂之间左右换相，每个功率管导通120°。

各功率管的导通顺序是T1T2→T2T3→T3T4→T4T5→T5T6→T6T1→T1T2→…。

只有电子换相电路实时跟进电机部霍尔传感器捕获的信号并输出换流信号，电
机才能正常运转。

表2-1是无刷电动机正转直流通电控制方式开关切换表。

表2-1 无刷电动机正转直流通电控制方式开关切换表
位置传感器 逆变桥开关管驱动信号 H1 H2 H3 T1 T2 T3 T4 T5 T6 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0
1
1
1
直流无刷电动机的机械特性为： 2
2222S T a s T e e e e t U U rI U U r
n T C C C C δδδφφφ---=
=- （2-1）
式中：T U 为开关器件的管压降；Ia 为电枢电流；Ce 为电机的电动势常数；为每级磁通量；S U 为电源电压；R 为电枢回路总电阻；e T 为电磁转矩；t C 为转矩常数。

无刷直流电机的调节特性如图2.4所示。

图2.4 无刷直流电机调节特性
由于采用调节电枢端电压调速，属于恒定转矩调速，当转矩T e 恒定时，式中只有S U 一个变量，也就是通过改变输入电压来改变电枢绕组上的电压来控制转速。

因此通过运动控制卡输入设定电压S U 来调节电枢绕组电压，由直流无刷驱动器输出功率管开关信号和检测霍尔信号，能够达到控制转速的目的。

同时直流无刷驱动器中的处理器也能将霍尔传感器的信号处理，并输出脉冲信号，脉冲信号的频率即对应一定的转速，计算公式如式2-2。

/60n （f p ）=⨯ （2-2）
式中：f 为检测脉冲信号频率（Hz ）；P 为极对数；n 为电机转速（r/min ）。

2.3直流无刷电机PID 调速原理
对直流电动机转速的控制即可采用开环控制，也可采用闭环控制。

与开环控制相比，速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比，其性能大大提高；理想空载转速相同时，闭环系统的静差率(额定负载时电动机转速降落与理想空载转速之比)要小得多；当要求的静差率相同时，闭环调速系统的调速围可以大大提高。

因此使用闭环PID 调节直流无刷电机的转速能使得电机控制系统更加精确。

电机的PID 控制分为位置式PID 控制和增量式PID 控制。

由于位置式PID 采用全量输出，输出的是执行机构的实际位置，每次输出均与过去状态有关，计算时要对偏差进行累加，工作计算量大，并且一旦数据处理计算芯片出现问题，将会使输出大幅波动，从而造成执行机构大幅波动。

而增量式PID 每次只输出控制量的增量，所以本文采用增量式PID 控制。

增量式PID 算法公示如下所示：
22()D k P k k k P k I k D k I T T
U K e e e K e K e K e T T
∆=∆+
+∆=∆++∆ （2-3） 式中： P K 为比例系数；积分系数I P
I T
K K T =；积分系数D D P T K K T
=。