无刷直流电动机调速系统设计说明

目录

1绪论 (1)

1.1 直流无刷电动机发展状况 (1)

1.2直流无刷电机控制技术的发展 (1)

2 直流无刷电动机的工作原理 (2)

2.1 直流无刷电动机的结构与原理 (2)

2.2三相绕组直流无刷电动机控制主回路的基本类型 (4)

2.3直流无刷电动机控制系统中的PWM控制器 (5)

3 直流无刷电动机控制系统的数学模型 (6)

3. 1直流无刷电动机的基本方程 (7)

3. 2直流无刷电动机控制系统的动态数学模型 (10)

4 硬件电路 (12)

4.1 主电路 (12)

4.2换相电路 (14)

5 软件部分设计 (17)

5. 1软件总体构成 (17)

5. 2主程序的设计 (17)

5. 3中断子程序的设计 (19)

结论 (21)

参考文献 (22)

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1绪论

1.1 直流无刷电动机发展状况

电动机作为机电能量转换装置，其应用围已经遍及国民经济的各个领域，电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中。但传统的直流电动机均采用机械电刷的方式进行换向，存在相对的机械摩擦，和由此带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点。因此，早在1917年，Bulgier就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机(BLDCM: Brushless Direct Current Motor)的基本思想。

1955年，美国D·Harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着无刷直流电机的诞生。1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正进入了实用阶段。二十世纪80年代国际上对无刷电机开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电机，在10多年的时间里，无刷直流电机在国际上己得到较为充分的发展。现代电力电子器件工艺日臻成熟，出现了功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(MOSFET)，特别是绝缘栅双极晶体管(IGBT ), MOS可控晶闸管(IGCT)的开发成功，使无刷直流电机功率驱动电路的可靠性和稳定性得到保障。直流无刷电动机的发展也使得传统的电机学科同当代许多新技术的发展密切相关。随着大功率半导体器件、电力电子技术、微电子技术、数字信号处理技术、现代控制理论的发展以及高性能永磁材料的不断出现，如今的无刷直流电机系统己经成为集特种电动机、功率驱动器、检测元件、控制软件与硬件于一体的典型的机电一体化产品，体现了当今工程科学领域的许多最新成果。

1.2直流无刷电机控制技术的发展

常规控制器(PID控制)尽管控制精度较高，但它需要建立描述动态系统的精确的数学模型，对于未知动态变化的系统要建立精确的数学模型是比较困难的。比如干扰、参数漂移和噪声等不可能在很高的精度下进行模型化。

直流无刷电机是一个多变量、非线性、强耦合的对象，因此利用模糊控制、神经网络控制、自适应控制、专家系统等具有自学习、自适应、自组织功能的智能控制来进行无刷直流电机的控制是一种有效的手段，控制器的计算和存储能力的不断增强也为这些先进控制算法的实现提供了有利的条件。

直流无刷电动机控制技术发展经历了如下的发展过程：

(1)无位置传感器控制

对于无刷电动机，由于它具有体积、重量轻、结构简单、维护方便、运行可靠的优点所以备受欢迎。但是无刷电动机要实现旋转，就要实时的检测出转子的位置实现正确换相。所以位置的检测和换相技术的研究是直流无刷电动机控制目前的一个方面。最常用的方式是采用传感器的方式。这种方式可以正确的检测转子位置信号，但是由于传感器的安装不仅会使电机的体积增大，而且传感器也难于安装和维修。因此无传感器的传动控制引起国外学术界很大的重视，成为近年的研究热点。

(2)变结构控制

由无刷电机组成的控制系统，为了提高它的控制性能，人们也在使用一些新型的控制策略。变结构控制由于具有响应速度快、对控制对象参数变化及外部扰动不灵敏、物理实现简单等优点，人们开始将直流无刷电机采用变结构控。

(3)模糊控制和PID相结合的Fuzzy-PID控制

在控制系统中，如何在较宽调速围提高电流调节特性以及减小力矩波动一直是系统研究的焦点。模糊控制是近年来研究的热点，它不依赖于被控对象的精确的数学模型，对系统的动态响应有较好的鲁棒性；PID控制方法可以很好的消除系统的稳态误差，所以人们将两者结合也用于直流无刷电机的控制系统，使系统同时兼有两种方法的优点。采用Fuzzy-PID复合控制，系统具有Fuzzy和PID控制的双重优点，响应快，速度无超调，调速围宽，可达1:10000，定位精度高，在不同的负载下具有较强的鲁棒性。

2 直流无刷电动机的工作原理

2.1 直流无刷电动机的结构与原理

直流无刷电动机的结构原理如图2-1所示。

图 2-1直流无刷电动机的结构原理图

从图2-1可见直流无刷电动机组件主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分构成。其定子绕组一般制成多相，转子由永磁材料制成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其它起动装置。其定子绕组一般制成多相

Z=2，4)组成。定子绕组(三相、四相、五相不等)，转子由永久磁钢按一定极对数(

p

分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接。

当电子绕组的某一相通电时，该电流与转子磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置信号变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。

因此平常所说的直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、电动机本体及位置传感器三部分组成的电动机系统。直流无刷电动机的组成原理框图如图2-2所示。

直流无刷电动机电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，它的功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给直流无刷电