无刷直流电动机工作原理

毕业设计（论文）

论文题目：基于PLC 无刷直流电动机控制器设计

教学点：重庆科创职业学院

指导老师：熊建国职称：讲师学生姓名：刘德福学号: 1212441126 专业：机电一体化技术

成都工业学院成教院制

二〇一四年三月二十日

毕业设计（论文）任务书

题目：基于PLC无刷直流电机控制器设计

任务与要求：

通过对PLC无刷直流电动机控制系统的设计，运用所学的专业知识，在指导老师的指导下，设计出自己的控制系统。

时间： 2013 年 11 月 28 日至 2014 年 4 月 17 日共 20 周教学点：重庆科创职业学院

学生姓名：刘德福学号：1212441126

专业：机电一体化技术

指导单位或教研室：重庆科创职业学院

指导教师：熊建国职称：讲师

成都工业学院成教院制

毕业设计(论文)进度计划表

本文根据无刷直流电动机的控制原理，采用PIC16F72单片机作为控制芯片，通过软硬件设计，实现了电动车电动、定速、助力、自检四种工作模式并且设计了一种电机模式自识别功能。在系统可靠性方面，设计了欠压、过流和堵转保护。该设计具有智能性高，硬件结构简单，具有升级空间等特点。

关键词：无刷直流电动机；单片机；控制器

Based on brushless DC motor control using PIC16F72 single chip microcomputer control chip, through hardware and software design, achieved the electric motor, speed, power, self test has four operating modes and design a motor pattern recognition. In terms of system reliability design under-voltage, over-current and locked rotor protection. The design with a high intelligence, hardware structure is simple, with features such as upgraded space. Keywords: brushless DC motors, and SCM; controllers

Key words：Brushless; SCM; controllers

目录

第一章绪言

车的发明和使用对解决燃油车造成的严重环境污染和缓解日益突出的能源危机问题，有重要的现实意义。1999年5月国家质量技术监督局发布了《电动自行车通用技术条件》国家标准，为电动车规模化生产化提供了条件。无刷电动机控制系统及电机、变速机构、检测元件、控制软件硬件于一体，具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便等优点，在电动调速领域有着广泛的应用。

本文采用Mcrochip公司的PIC16F72单片机为核心，惊醒了微控制单元电路、转子位置信号采集电路、逆变器驱动电路等设计。采用开关型霍尔传感器作为转子位置传感器，微控制单元根据转子位置信号向驱动电路传递PWM（脉宽调制）信号、逆变器上下臂驱动信号控制电机。软件设计采用模块化变成和结构化变成的思想。根据无刷直流电动机的控制原理，实现了电动、定速、助力和自检四种工作模式。利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制。设计了一种电机控制系统的模式自识别功能，可自动识别电机的输入及输出模式，降低了控制器的使用要求。在系统可靠性方面，设计了系统的欠压、过流和堵转保护。

第二章无刷直流电动机的工作原理

直流电机由于机械电刷的使用，存在机械摩擦、噪声、电火花、无线电干扰等一系列问题，再加上制造成本高及维修困难等特点，从而大大的限制了它的应用范围。

无刷直流电动机利用电子转向器取代了机械电刷和机械换向器，保持了有刷直流电动机的优异特性，又革除了电刷和换向器的“顽疾”。具有结构简单，性能可靠，效率高，维护简便等优点。

无刷直流电动机通常是由电动机本体、转子位置传感器和功率开关电路三部分组成。图1是无刷直流电动机的原理框图。图中位置传感器的作用是检测电机转子的的位置，为电子换向器提供转子的位置信息，实现无接触式的电子换向。

图2-1中开关电路中的逆变器采用三相六拍导通方式。每一瞬间有两相同时导通，另一相不导通，每相绕组连续导通120电角度，每隔60度电角度定子绕组电流换相一次。电机顺时针旋转360度电角度内，3路位置传感器信号的状态组成的状态字从101-100-110-010-011-001进行变化。状态字发生变化的时刻也是定子绕组电流将要发生换相的时刻。

图2-1 无刷直流电动机的组成

第三章电机的控制系统实现

第一节系统硬件设计

本系统的硬件结构原理图如图3-1-1所示。系统的控制核心是PIC16C72单片机。该单片机稳定性好，引脚具有的防瞬态能力给系统提供了稳定保障。其具有的PWM（脉宽调制）输出功能，节省了外围电路和单片机工作时间。内部集成的5个8位A/D口，满足了系统对转速信号、电流反馈信号、欠压信号等模拟信号的采集要求，丰富的中断资源可准确地采集电机的相位信息，实现工作模式的转换。独特的哈佛总线结构。极低的功耗、I/O引脚上拉电路和看门狗电路等使系统有了极高的性价比。

图3-1-1 系统硬件结构图

系统采用三个开关型霍尔传感器作为位置传感器，位置传感器将电机转子位置信号H1、H2、H3送到单片机的三个I/O口。单片机的PA和PB口作为逆变器上下桥臂控制端，根据转子位置信号H1、H2、H3，单片机不断将控制字送到PA 和PB口，实现换相控制。逆变器采用三相星形结构，由六个N沟道的MOSFET 管组成，见图3-1-2.转子位置信号与MOSFET管导通的对应关系见表1。