直流无刷电机的控制系统设计方案

直流无刷电机的控制系统设计方案1 引言

1.1 题目综述

直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，它不仅保留了有刷直流电机良好的调试性能，而且还克服了有刷直流电机机械换相带来的火花、噪声、无线电干扰、寿命短及制造成本高和维修困难等等的缺点。与其它种类的电机相比它具有鲜明的特征：低噪声、体积小、散热性能好、调试性能好、控制灵活、高效率、长寿命等一系列优点。基于这么多的优点无刷直流电机有了广泛的应用。比如电动汽车的核心驱动部件、电动车门、汽车空调、雨刮刷、安全气囊；家用电器中的DVD、VCD、空调和冰箱的压缩机、洗衣机；办公领域的传真机、复印机、碎纸机等；工业领域的纺织机械、医疗、印刷机和数控机床等行业；水下机器人等等诸多应用[1]。

1.2 国内外研究状况

目前，国内无刷直流电机的控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。外国的一些技术和中国的一些技术大体相当，美国和日本的相对比较先进。当新型功率半导体器件：GTR、MOSFET、IGBT等的出现，以及钕铁硼、钐鈷等高性能永磁材料的出现，都为直流电机的应用奠定了坚实的基础。近些年来，计算机和控制技术快速发展。单片机、DSP、FPGA、CPLD等控制器被应用到了直流电机控制系统中，一些先进控制技术也同时被应用了到无刷直流电机控制系统中，这些发展都为直流电机的发展奠定了坚实的基础。

经过这么多年的发展，我国对无刷电机的控制已经有了很大的提高，但是与国外的技术相比还是相差很远，需要继续努力。所以对无刷直流电机控制系统的研究学习仍是国内的重要研究内容[2]。

1.3 课题设计的主要内容

本文以永磁方波无刷直流电机为控制对象，主要学习了电机的位置检测技术、电机的启动方法、调速控制策略等。选定合适的方案，设计硬件电路并编写程序调试，最终设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。本课题涉及的技术概括如下：

（1）学习直流无刷电机的基本结构、工作原理、数学模型等是学习电机的前提和首要内容。

（2）直流无刷电机的转子位置检测技术，我选用最常用的反电势检测技术，本文分析了反电势法的原理，并设计了反电势的硬件实电路，进行了焊接与调试。

（3）由于无刷直流电机在静止或者转速很低的时候，其产生的反电势为零或者很小很不容易检测到，因此直流无刷电机的启动是一个难点。

（4）分析了速度换的单闭环控制策略，并用matlab guide设计了上位机界面来实现PID参数的实时整定。

（5）在确定无刷直流电机控制系统的硬件总体方案时，经过对比选择STM32芯片，选智能功率模块FSBB30CH60C为驱动芯片，并设计了无刷直流电机控制驱动电路、反电势转子位置检测电路及电流电压采样电路等。

（6）最后对整套控制系统进行了实验调试，包括软、硬件的调试，并对调试结果进行了分析。

2 系统设计目标和设计方案

2.1系统设计目标

直流无刷电机因为调试性能好、低噪声、体积小、控制灵活、高效率、散热性能好、寿命长等一系列的优点，本课题设计目标如下：

（1）能够驱动直流无刷电机的运转并有电路保护以免器件烧坏。

（2）能够实时准确的检测到直流无刷电机转子的位置。

（3）能够实现对电机启动和停止的控制。

（4）能够通过滑动变阻器来实现直流无刷电机的无极调速。

（5）电路具有电流、电压保护，以免对电路产生不良影响。

2.2控制系统结构总体框图的设计

直流无刷无感电机的控制系统能够实现的主要功能：能够准确实时的检测到无刷直流电机转子的位置、能够用三段式技术使电机能够很好的启动、PID调节技术、速度环的控制、电压保护、电流保护等主要关键的控制技术。电机调速原理框图如下图1所示。

图1 电机调速原理框图

2.3硬件系统方案论证

为了能够实现无刷直流电机的可靠运转、无极调速等一系列的优点，需要选择合适的元器件来满足本课题设计的需求。

2.3.1 控制器芯片选型

对直流无刷电机控制所用微处理器的选型要重点考虑以下几个方面：

（1）微处理器的运行频率和运算速度得满足控制系统要求

（2）微处理器片内资源是否足够，主要是I/O口的数量和电平兼容性、A/D路数及位数。

（3）微处理器的体积、工作温度等是否满足系统要求。

（4）微处理器的可靠性、生产厂商、数量和价格、上市时间等因素也需要考虑，这关系到产品的后续更新换代，以及采用该处理器开发的难易程度。

基于ARM Corte-M3内核32位单片机STM32，时钟频率最大可达72MHZ，在数字处理上经过了优化，所以本设计选用STM32F103ZET6单片机。

2.3.2 无刷直流电机的选型

在选用直流无刷电机的时候，必须根据它的参数来判断其驱动电路，无刷电机的参数如表1所示：

表1 无刷直流电机的参数

外转无刷电机KV 最大效

率电流

无负载

流/10v

最大电

流

最大

效率y

轴径

（mm）

重

量

电阻尺寸（mm）

A2212/13 KV1000 4~10A 0.5A 12A/60s 80% 3.17 47g 90mΩ27.5*30 新西达无刷电机/2212KV1000 如图2。

图2 直流无刷电机

2.3.3驱动电路的选型

智能功率模块选择的是FSBB30CH60C，它把驱动电路和开关电路集成在了一起，内部有欠压、过压、过流故障检测电路，CPU可以进行实时的检测。还包括三个HVIC、一个LVIC(门极驱动低压集成电路)、六个先进技术的IGBT、六个FRD。智能功率模块的元器件图如图3所示。

图3 智能功率模块

2.3.4位置检测器件选型

反电势过零点检测原理是模拟中性点和端电压的值相等得到，由STM32端口和连接霍尔传感器接口的关系，需用三路比较电路，LM339N由四路比较电路组成，可选用LM339N 比较电路实现。LM339N内部框图如图4所示：