三相无刷直流电机控制系统设计

广东工业大学
硕士学位论文
三相无刷直流电机控制系统设计姓名:孙心华
申请学位级别:硕士专业:电力电子与电力传动指导教师:童怀
20080501
摘要
摘要
三楣无刷直流电机是近年来迅速发展起来的一种新型电机,它剃用电子挨耀代替机械换相,既具有直流电机的调速性能,又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点,并且体积小、效率高,在许多领域已得到了广泛的运用。

本文首先介绍了三相无捌直流电机在国内外的发展及其控制系统的研究现状,详细论述了三相永磁无刷直流电机的构成、运行原理、特性分析和其转子位置信号的检测方法;然后设计了控制系统的硬件电路及相应软件,最后对设计的控制系统进行调试并分析了影响系统可靠性的睽素及给毒了相应解决的方案。

根据控制系统的设计参数、成本及灵活性等各方面的要求,本控制系统设计了以A tmega8L单片机及ECN30206集成驱动器为核心的硬件平台。

Atmega8L 单片枫对蠢ECN30206构成豹功率驱动电路进行转速PID闭环控制、并定时采集电流信号对电流进行过流保护及采用
Max7219串行显示转速、电流、相关故障信息, 通过光电隔离对永磁无刷直流电机诸如转向等控制及接收外部信息,通过RS- 485总线接蹬与外部其它系统交换信怠、对各种信息进行分析处理、协调各部分的工作。

在软件方面编制了基于硬件平台的程序,协调硬件工作。

本控制系统软件由
一个前意念系统努加两个中断服务子程序,前看台主程序豳对系统初始化模块、
转子转速计算及转速PID闭环控制组成,初始化模块主要对A tmega8L单片机三个
定时器T0、T1、T2,ADC转换器,通用串行口U ART,输入输出I/O口的初始化, 系统初始化之后再对无刷直流电机转子转速进行计算,计算结果再与设定值进行比较,将比较差值送PID控制器控制PWM的占空比来控制专用驱动控制器ECN30206
的VSP引脚电压输入,从而控制转速,达到闭环控制的目的,中断程序主要惩来睾
行中断接收上位枫发来的无刷直流电机转向及转速设定僮、定时中断检测电流
及显示转速值及相关故障。

本文所设计的无刷直流控制系统实现了电机的转向、转速闭环PID控制、各
种参数及故障的显示。

本控制系统保护功能较完善,硬件结构简单,成本较低, 主
控制部分、驱动部分及显示部分用户可以任意选择使用。

广东工业人学工学硕上学位论文
关键词:三相无刷直流电机;Atmega8L单片机;
ECN30206集成驱动器;PID闭环控制
Abstract
Ab stract
Three phase brushless DC motor(BLDCMwith permanent excitation,whose electrical commutator iS used to instead of mechanical,has not only the same good characteristics of speed control as traditional DC motor,but also the good characteristics of AC Motor such as structure simple,operation reliable,maintenance friendly.Brushless DC motor has set wide application due to its high power density,ease to control,high efficiency over wide speed range.
The paper firstly introduced the study status of permanent magnet brushless DC motor in home and abroad,and then discussed its structure,operation principles, characteristics as well as its rotor position signal detection methods in detail;secondly, designed
the control system’S hardware and software accordingly;越l ast debugged the control system,analyzed the factors affecting the reliability of the system and gave the corresponding solutions.
According to the requirements of control system such as design parameters,cost and flexibility,this paper designed Atmega8L SCM and ECN30206integrated driver as the core hardware
platform.Atmega8L SCM posed rotation speed PID closed—loop control on the system and regularly collecting current signal for the current over—current protection;used the Max7219serial display the current,related to fault
information;controlled Permanent magnet brushless DC motor’S rotate direction and received external information,through the isolation of the photoelectric;exchanged information,analyzed and processed the various information,coordinated various parts working through the RS一485bus interface with other outside systems.
This paper compiled a program based on the hardware platform to coordination with the hardware.The software of the control system is comprised by one fore.and—aft platform main program and two interrupt service subprogram.The fore.and-a爨platform main program is made up by the system initialization module,the rotor speed computing and PID speed closed—loop control component.The system
广东工业人学工学硕士学位论文
initialization module mainly initializes the three timers,A/D converter,serial UART, I/O pins.After system initialization,the main program computes the BLDC’S rotor speed and compared to the set speed value and then it send the error to the PID contr01.The PID controller will change the voltage of the ECN30206integrated driver’S VSP pins according to the duty cycle of
PWM.In this way the rotor speed was controlled accord with the user’s setting value.One of the interrupt subprogram mainly used to receive the control order from the external system,which composed of rotor direction,rotor speed value.The other is mainly used to detect the current and display the speed and related failures regularly.
In this paper,the brushless DC motor control system achieved the rotor direction, speed closed—loop PID control,and various parameters defect display.The control system has a perfect protection,simple hardware structure,lower cost.The main control section,driver section and display section can choose arbitrary by the user. Keywords:Three phase BLDC motor;Atmega8L micro-C; ECN30206integrated driver;PID closed-loop control
广东工业人学工学硕L学位论文
独创性声明
秉承学校严谨的学风与优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在
导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知,除了文中特别加以
标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,不包含本人或其他用途使用过的成果。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献
均已在论文中作了明确的说明,并表示了谢意。

本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的,论
文成果归广东工业大学所有。

申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任,特此声明。

l l
指导教师签字:翟.牝
论文作者签字铜、∥青
纱砖年歹月矽日
第一章绪论
1.1课题依据及意义
第1章绪论
无刷直流电机是近几年来小电机行业发展最快的品种之一,随着视听产品小、轻、薄化和家电产品的静音节能化以及豪华型轿车需求量增多,无刷直流电
动机需要量迅速增加;无刷直流电机用电子换向替代了电刷和换向器,具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便、低噪音等优点。

国内近年来在无刷直流电机的设计及控制方面有很多的研究,但与国外成熟的产品相比还有很多地方值得提高, 并且很多无刷直流电机生产商都没有给出具体的控制方案,因此在无刷直流电机控制方面的研究是非常有必要的。

由于无刷直流电机具有体积小、重量轻、效率高、调速性能好、转动惯量小、没有励磁损耗等问题,因此在各个领域具有广泛的应用前景。

一方面,无刷直流电机与其他异步电机相比具有明显的优势如反馈装置更简单、功率密度更高、输出转矩更大、并且电机和逆变器各自的潜力得到充分的发挥,因此无刷直流电机的应用和研究得到了前所未有的重视。

据资料统计统计表明无刷直流电机的使用
每年以较高比例增长。

另一方面无刷直流电机与有刷直流电机相比有更多的优点如电机本体结构简单、运行时无火花、电磁干扰小,无噪声等,因此具备广泛应用前景。

n 3
目前在家用电器方面,大多使用异步电机,但是随着人们生活水平的提高对各种家电的质量、性能提出了更高的要求;随着能源的日益匮乏特别是燃油方面, 对高效节能也有更高的要求,国家十一五计划也明确提出过限制耗能产业发展, 因此采用无刷直流电机来代替性能差、效率低的异步电动机成为大势所趋。

现在在高档电扇中已经采用了无刷直流电机,在新一代的空调、洗衣机、电冰箱、吸
尘器等家电中已逐渐用无刷直流电机取代了异步电动机,因此研究无刷直流电机及其控制意义重大。

广东工业人学工学硕上学位论文
1.2无刷直流电机的发展
电机作为主要的能量转换装置,已被广泛应用于家用电器、信息处理设备、
汽车工业、机器人等各个领域。

直流电机具有优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路等优点被广泛应用于于各种驱动装置和伺服系统中,但是直流电机是依靠换向器和机械电刷进行换向,由于换向器和电刷的
接触,使直流电机结构复杂、可靠性差、变化的接触电、产生电火花、电磁干扰,
噪声等一系列问题、影响了直流电机的性能。

因此从上个世纪以来人们就开始研究一种不用机械电刷和换向器的直流电机。

1955年,美国D.Harrison等人首次成
功的实现了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷,这标志着现代无刷直流电机的诞生。

…心1
二十世纪六十看年代以来,由于高性能新型永磁材料、大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论的发展,“无刷直流电机’’的概念已由最初的具有电子换向的直流电动机发展到泛指一切具有“有刷直流电机”外部特性的电子换向电机。

无刷直流电动机真正进入实用阶段是从1978年开始, 当时前德国某公司在汉诺威贸易博览会上,正式推出一款经典无刷直流电动机及其驱动器。

80年代,国际上开展了深入的研究,先后研制成方波无刷直流电机和正弦波无刷直流电动机,在10多年的时间里,无刷直流电动机在国际上已得到较为充分的发展,在一些较为发达的国家里,无刷直流电动机将在未来几年内成为主导电动机,并逐步取代其他类型的电动机。

现在许多高档精密型产品都用无刷直流电机,日本的不少公司已将无刷直流电机应用到数码照相机、微型收录机、摄影机、打印机、存储驱动器、手机以及汽车空调、洗衣机、吸尘器、电动车、心脏泵等领域。

【2】
1.3无刷直流电机控制系统研究现状
现阶段国内外无刷直流电机控制的研究主要包括转子位置检测及功率开关管的状态切换、速度调节、转矩脉动的抑制、无刷直流电机的起动。

“儿钉¨¨"m力一、转子位置检测及开关状态切换
2
第一章绪论
无刷直流电机的运行是通过逆变器功率器件随转子的不同位置相应地改变其不同的开关管组合状态来实现的,因此准确检测转子的位置并根据转子位置准时切换功率器件的开关组合状态是控制无刷直流电机正常运行的关键。

1、用位置传感器检测转子位置及开关状态切换
利用传感器得到的不同位置信号经过门电路、模拟开关或专用芯片就可以得到不同的开关逻辑信号,实现开关状态的自动切换,随着微处理器的应用,也可以通过软件来进行切换,无刷电机常用的位置传感器有磁电感应式、磁敏式和光电式。

磁电式位置传感器既笨重又复杂,在方波电机中早已被淘汰。

磁敏式霍尔位置传感器由于体积小,简单可靠的特点而被广泛应用。

光电式如光电码盘因高精度的特点而广泛应用于伺服系统中。

但位置传感器的使用增加了电机的体积, 且需要多根信号线,这给无刷直流电机的微型化带来了困难,也增加了电机制造的工艺要求和成本。

2、无位置传感器检测转子位置及开关状态切换
为了省去位置传感器,根据各相反电势随转子位置改变的原理有些专家提出了端电压检测法,把三相端电压经低通滤波器延时90度电角度,再经比较电路得到开关逻辑信号。

但该方法存在着低通滤波器在电机低速时延对不足90度电角度
的情况,导致触发信号提前切换,对电机电流、转矩产生较大的影响,严重时甚至会引起电机失步。

因此,又有人在此基础上进行补充,低速时,采取三相端电压两两比较直接得出触发逻辑信号的方法,在整个运行段,根据不同的转速,在两个位置检测电路之间进行切换。

随着微处理器的应用,利用软件的延时对方法
可以完全简化端电压检测法的位置检测电路。

沈建新在电工报发表文章提出用三
相端电压和比较电压间接得到绕组反电势的过零点,然后用软件延迟l/12周期的
时间再切换触发信号。

但由于凸极电机中电枢反应和检测电路滤波器的影响会导
致电机超前或滞后换流,因此他又发表了一文章对此进行了修正,并取得了良好的
效果。

“端电压检测法”虽能完成转子位置的检测,但由于绕组的反电势正比于转
子的转速,因此,在低速时就很难检测到反电势而会导致电机失步。

二、速度调节
根据无刷直流电机的机械特性转速为:
n=(u-AU-IaV・ray/Ke(1—1
广东工业大学T学硕卜学位论文
因此可以通过调节端电压U或定子电流Iav来实现调速。

有学者介绍了利用降
压型载波电路和两象限载波电路来进行调速的两种方法,两象限电路由于可以很快地控制电流,因此其动态性能远远高于只是靠通过调节端电压来调速的降压型电路,且前者还有回馈制动的功能,电流脉动也比后者小得多。

也有人提出了用PWM信号作为功率器件的触发信号,用调节PwM信号的占空比的方法来调速,该方法可以直接控制电机的相电流,因而调速性能更佳,也可以很好地抑制电流的脉动。

高性能的调速系统,尤其是速度伺服系统,需要有一适合于系统的控制策略,
即速度调节器。

大部分系统采用了数字PID调节器,但这对交流伺服系统有一定的
局限性,因些就有专家采用PID控制与模糊控制相结合的Fuzzy—PID控制对速度
环进行控制,取得了良好的效果,使系统具有Fuzzy和PID控制的双重优点,且在不
同的负载下具有较强的鲁棒性。

无刷直流电机是一个多变量、非线性、强耦合的
对象,因此利用模糊控制、神经网络控制、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对无刷直流电机的控制是一种有效的手段,这也是高性能
伺服系统发展的趋势。

但仅仅对速度的控制是远远满足不了伺服系统的要求的,
要提高系统的性能,必须对电机的转矩进行控制。

三、转矩脉动的抑制
伺服系统的控制关键是对转矩的控制,但由于各种原因引起的转矩脉动问题
严重影响了无刷直流电机在交流伺服系统中的应用,尤其在直接驱动应用的场合, 转矩脉动使电机速度控制特性极度恶化。

因而,抑制转矩脉动成为提高伺服系统性能的关键。

对于齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动的抑制有关专家提出了除从电机设计的角度进行改善外还要采用转矩闭环控制;对于相电流换向引起的转矩脉动的抑制有关专家提出了用滞环控制和PWM控制来抑制电机低速段的转矩脉动的方法,实验中也取得效果,但没有对电机高速段的转矩脉动提出相应的办法。

四、无刷直流电机的起动
对于有位置传感器的无刷直流电机来说,顺利起动是不存在什么问题了。

但对于靠反电势进行位置检测的无位置传感器的无刷直流电机来说,由于静止时不产生反电势,从而使得怎样顺利起动成了控制无位置传感器的无刷直流电机的重
4
广东工业人学T学硕十学位论文
第3章空调三相无刷直流电机控制系统硬件设计3.1引言
无刷直流电机控制系统目前主要有三种控制方式:专用集成电路芯片控制; 单片机控制;高速DSP控制。

以专用集成电路芯片为核心的控制系统结构简单, 但不能灵活的控制各种参数;以高速DSP为核心的控制系统精度高、速度快,但开发周期长,成本高,但对于实时需推出新产品及成本控制严格的空调电机不宜采用;以单片机为核心的控制系统具有价格低,片内资源丰富,且可以灵活的编制程序控制,因此本空调用三相永磁无刷直流电机控制系统采用Atmel公司的AVR系列单片机作为主控制芯片,以日立公司专用集成芯片为驱动电路。

3.2单片机选择
3.2.1单片机的选择依据
1.抗干扰能力。

由于电机工作时会产生磁场,且比较恶烈,这就要求单片机
能抵制这方面的干扰,否则无法正常工作。

2.价格因素。

对于空调电机成本是关键,因此单片机价格极为重要,所以要
选一种性价比比较高的单片机及其开发平台。

3.保密因素。

电子产器保密因素是一个非常重要的问题,开发的产器被竞争
对手享用,使竞争处于不利位置,因此所选单片机要有良好的加密功能
4.片上资源。

要选择片上资源丰富的单片机,比如支持在线调试、下载功能,
有A/D转换模块等。

对于本系统最起码要有捕捉及PWM波功能。

3.2.2AVR单片机微处理器介绍
AVR单片机是1997由A tmel公司研发出的增强型内置Flash程序存储器的
第3章空调三相无刷直流电机控制系统硬件设计
精简指令集C PU(Reduced Instruction Set CPU的高速单片机。

AVR单片机可
以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器
等各处领域。

可靠性高、功能强、速度快、功耗低和价位低,一直是衡量单片机性能的重要指标,可是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。

早期的单片机由于工艺及设
计水平不高、功耗和抗干扰性能差等原因,故采取稳妥方案:采用较高的分频系数对时钟分频,从而使得指令周期长、执行速度慢。

以后的CMOS单片机虽然采用
提高时钟频率和缩小分频系数等措施,但是这种状态并未彻底改观(MCS51及基
兼容产品。

虽然此期间有某些精简指令集单片机问世,但依然沿袭对时钟分频的做法。

AVR单片机的推出,彻底打破了这种旧设计格局,废除了机器周期,抛弃了
复杂指令集C PU(Complex Instruction Set CPU追求指令完备的做法,采用精简
指令集CPU(RISC,以字节做为指令长度单位,将内容丰富的操作数与操作码
安排在一字之中(指令集占大多数的单指令周期指令都是如此,指令周期短,又
可预指指令,实现流水线作业,故可提高速执行指令。

当然这种速度上的升跃,
是以高可靠性为代价的。

AVR单片机博采众长,又具独特技术,是8位机中的佼
佼者。

【1.】“61
3.2.3AVR单片机的特点
(1高性能,采用精简指令集CPU(RISC,32个通用工作寄存器,克服了
MCS51等CICS结构存在的指令系统不等长、指令数多、CPU利用率低、执行速度
慢等缺点。

采用哈佛结构的流水线技术,在执行一条指令时,下一条指令已经被取出来,所以说其机器周期等于时期周期,绝大部分指令为单周期指令。

指令的执行速度可以达到20MHZ。

(2除了可以通过串行外设接口(SPI和一般的编程器对单片机的Flash
程序存储器和数据存储器EEPROM编程外,绝大部分AVR单片机支持程序在线编程(ISP,Atmega系列单片机还支持应用编程(IAP;同事AVR单片机采用了可擦
写1000次的Flash程序存储器,并有大容量的可以擦写100000次的EEPROM,给
用户开发、生产和维护带来方便,可以低价实现商用化,提高了产品的质量和竞
广东工业人学工学硕士学位论文
争力。

(3AVR单片机有丰富的外设,如片内程序Flash、Uart、模拟比较器、
丰富的中断资源、IIC、SIP、EEPROM、RTC、WatchDog定时器,A/D转换器和PWM 和片内振荡器等,可以真正的做到单片。

(4AVR单片机的工作电压范围宽,工作电压在1.8—6V之间,电源的抗干
扰能力强。

(5低功率,AVR单片机具有6种休眠功能,能够从低功耗模式迅速唤醒,
并采用可编程的频率选择和CMOS集成工艺。

(6编译好了的目标程序可以通过在系统编程(ISP直接写入内部的Flash
存储器,面不需要把芯片从系统上拆下来使用专用编程器来写入程序。

这极大的
方便了程序的修改和烧写等操作,方便产品升级,尤其是贴片封装,产品更利于微型化。

(7AVR单片机的I/O口具有较强的负载能力,,可以直接驱动LED,内置看
门狗定时器,以防止程序跑飞。

(8和PIC单片机一样可以重新设置启动复位。

AVR单片机内置电源上电复
位POR和电源掉电检测BOD,提高了单片机的可靠性,不用外加复位延时电路。

(9有丰富的中断向量,具有34个中断源,不同的的中断向量和入口地址
不一样,可以快速响应,而不像PIC单片机那样,所有中断源都占同一个中断向
量地址。

(i0内部UART不占用定时器,而采用定时器,而采用独特的波特率发生
器。

有SPI传输功能。

因为高速传输,所以晶振可以工作在一般标准整数频率,
且波特率可高达576Kbit/s.
(11具有高的代码效率,能在C语言、Basic语言环境下编译,有32个通
用工作寄存器,线性寻址,完全免费的开发环境,包拓汇编器、支持汇编和高级
语言源代码调试和模拟和仿真功能。

(12保密性强。

AVR单片机Flash程序存储器具有保密死锁功能,并且Flash
深藏在芯片内部,难以破解。

n"
3.3空调三相无刷直流电机硬件总体构架
本控制系统硬件主要由控制电路、驱动电路、显示电路、RS485接口电路组成, 第3章空调二三相无刷直流电机控制系统硬件设计
如图3-1硬件控制系统框图所示:
电源部分
l显示部分卜t,
--
嘉霆舄I+|电机本体t!; I转速给定H
MCU ;
l接口电路l・I5l・+。

‘ 'L 传感器一
光电隔离
上I光电隔离
I I
+t十l待罢膪呈I速度反馈l ・一号用驱动芯片—_.卜俘直1百亏
处理电路图3-1硬件控制系统框图
Fig.3—1control system hardware structure block
由上一章永磁无刷直流电机运行原理可以知道,永磁无刷直流电机的平均工
作电流与转速成反比例函数关系,且空调电机带的风叶负载是恒定,也即转矩随转速成线性关系,因此控制无刷直流电机的电磁转矩也可以通过控制转速来实现。

从图3—1可以看出,本系统是速度闭环系统。

霍尔位置传感器的位置信号经信号
处理后送专用驱动芯片后产生一个速度脉冲信号经单片机处理转换成转速,再运
用增量式PI算法,得到PWM控制信号经过光耦隔离电路驱动专用集成驱动芯片闭
环控制转速。

同时,单片机还监控控制系统的运行状态,当系统出现短路、过流、过压等故障时,单片机将封锁PWM输出信号,使电机停机,并通过LED电路显示故障。

由于客户对控制系统的需求不同,本系统设计的各部分在保持相互独立性的同时,
又留好相应的接口以便构成一个完整的系统。

3.4控制电路
本系统主硬件控制电路由控制由Atmega8L单片机、PWM信号产生及处理电路、电流检测电路、转速检测电路、隔离电路及接口电路组成。

如图3-2所示。

下面主要介绍PWM波产生及处理电路、电流检测电路、转速检测电路,隔离电路,接口电路这里就不作详细论述。

3.4.1PWM信号产生及处理电路
脉冲宽度调制(PWM是英文“Pulse Wi dth Modulation”的缩写,简称脉
宽调制。

它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路信号进行控制的一种非常有
效的技术,广泛应用于测量,通信,功率控制与变换等各个领域。

了r 自TM^0A8
图3-2Atmega8L主控电路
Fig.3-2Atmega8L’S main control Circuit
本控制系统利用ATmega8LP勺部定时器产生定频调宽的P WM波信号来控制无刷直流电机的转速。

定频调宽是一种常见的脉宽调制方式,它使脉冲的频率(也即
第3章宅调三相无刷直流电机控制系统硬件设计
周期保持不变,脉冲宽度可调。

ATmega8L的T imer2ZE作在快速PWM模式时可产生高频的PWM波形。

快速PW M模式
与其他PWM模式的不同之处是其单边斜坡工作方式。

计数器从BOTTOM计至UMA X,然
后立即回至UBOTTOM重新开始。

由于使用了单边斜坡模式,快速PWM模式的工作频率
比使用双斜坡的相位修正PWM模式高一倍。

工作于快速PWM模式时,计数器的数值一直增加至UMAX,然后在后面的一个时钟周期清零。

具体的时序图为图3—3。

图中柱状的计数器寄存器TCNT2表示这是单边斜坡操作。

方框图同时包含了普通的PW M
输出以及方向PWM输出。

计数器寄存器TCNT2斜坡上的短水平线表示比较匹配寄存器OCR2与计数器寄存器TCNT2的比较匹配。

具体的程序后章节会详细论述。

输出的快速PWM频率可以通过式3-1计算得到:
fP删=fi/。

/(N.256 (3—1
式中fi/o表示系统频率,N代表分频因子(1、8、32、64、128、256或1024。

256是计数值个数。

TCNTn OCn。