设计无刷直流电动机控制系统设毕业论文

I无刷直流电动机控制系统设计方案摘 要无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。本设计是把无刷直流电动机作为电动自行车控制系统的驱动电机，以PIC16F72单片机为控制电路，单片机采集比较电平及电机霍尔反馈信号，通过软件编程控制无刷直流电动机。关键词 无刷直流电动机 单片机 霍尔位置传感器IIAbstractBrushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of. At this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under common concern.Since the 1990s, as peoples living standards improve and modernize production, the development of office automation, household appliances, industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency, small size and high intelligence, as the implementation of components An important component of the motor must have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application is also growing rapidly.This design is the brushless DC motor as the electric bicycle motor-driven control system, PIC16F72 microcontroller for control circuit, SCM collection and comparison-level electrical signal Hall feedback, software programming through brushless DC motor control .Key words bldcm the single chip processor hall position sensorIII摘 要 .IAbstract .II第 1 章 概 述 .11.1 无刷直流电动机的发展概况 .11.2 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 .21.3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理 .31.4 无刷直流电动机的运行特性 .61.4.1 机械特性 .61.4.2 调节特性 .61.4.3 工作特性 .71.5 无刷直流电动机的应用与研究动向 .8第 2 章 无刷直流电动机控制系统设计方案 .102.1 无刷直流电动机系统的组成 .102.2 无刷直流电动机控制系统设计方案 .122.2.1 设计方案比较 .122.2.2 无刷直流电动机控制系统组成框图 .13第 3 章 无刷直流电动机硬件设计 .153.1 逆变主电路设计 .153.1.1 功率开关主电路图 .153.1.2 逆变开关元件选择和计算 .153.2 逆变开关管驱动电路设计 .173.2.1 IR2110 功能介绍 .173.2.2 自举电路原理 .193.3 单片机的选择 .203.3.1 PIC 单片机特点 .203.3.2 PIC16F72 单片机管脚排列及功能定义 .223.3.3 PIC16F72 单片机的功能特性 .223.3.4 PWM 信号在 PIC 单片机中的处理 .233.3.5 时钟电路 .233.3.6 复位电路 .243.4 人机接口电路 .243.4.1 转把和刹车 .243.4.2 显示电路 .253.5 门阵列可编程器件 GAL16V8 .273.5.1 GAL16V8 图及引脚功能 .27IV3.6 传感器选择 .283.7 周边保护电路 .303.7.1 电流采样及过电流保护 .303.7.2 LM358 双运放大电路 .313.7.3 欠电压保护 .323.8 电源电路 .32第 4 章 无刷直流电动机软件设计 .334.1 直流无刷电机控制器程序的设计概况 .334.2 系统各部分功能在软件中的实现 .334.3 软件流程图 .34结束语 .36致谢 .37参考文献 .38附录 1.39附录 2.511第 1 章 概 述1.1 无刷直流电动机的发展概况无刷直流电动机是在有刷直流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。有刷直流电动机从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内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流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内，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，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入，无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。1986年，H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域，成为无刷直流电动机的经典文献，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。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，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列 产品，形成了一定的生产规模。21.2 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较表 1-1 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较项目 无刷直流电动机 有刷直流电动机换向 借助转子位置传感器实现电子换向由电刷和换向器进行机械换向维护 由于没有电刷和换向器，很少需要维护需要周期性维护寿命 比较长 比较短机械（速度/力矩）特性平（硬）在负载条件下能在所有速度上运行中等平（中等硬）。在较高速度上运行时，电刷摩擦增加，有用力矩减小效率 由于没有电刷压降，所以效率高中等输出功率/外形尺寸之比高由于电枢绕组设置在与机壳相连的定子上，容易散热。这种优异的热传导特性允许减小电动机的尺寸，所以输出功率/外形尺寸之比高中等/低。电枢产生的热量消散在气隙内，这样增加了气隙温度，从而限制了输出功率/外形尺寸之比转自惯量 低。因为永磁体设置在转子上，改善了动态响应转自惯量高，限制了动态特性速度范围 比较高。没有电刷/换向器给予的机械限制比较低，存在电刷给予的机械限制电气噪声 低 电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干扰制造价格 比较高 低控制 复杂和价格贵 简单和价格不贵控制要求 为了使电动机运转必须要有控制器，但同样的控制器可用于变速控制对于一个固定的速度而言，不需要控制器；有变速要求的时候才需要控制器31.3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理1无刷直流电动机转矩分析电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制动信号经驱动电路隔 离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。图1-1 无刷直流电动机工作原理示意图如图1-1所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6 导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出4的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6T1、T2T3、T2T3、T4T5、T4T5、T6T1、T6。在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。2无刷直流电动机与输出开关管换流信号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，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图1-2所示，以信号A为例，A相位置宽度为180电导角：在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，（此时下部可供导通的管子为T4、 T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度180度时，由于 每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断（T1=0），T2仍然导通（B相开始进入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通（防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。其他时间段的开关管导通情况与此类似。理论上，只要保证三个位置传感器在空间上互差120度，开关管的换流时刻总是可以推算出来的。然而，为了简化控制电路，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点（r 0=00）上.那么在r 0=00的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻（即该相反电势相位30度位置）恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。同理，其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定。本设计选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压U H=36V,电枢额定电流I aH=8.5A,电枢峰值电流I aP 15A,额定转速n H=350r/min,额定功率PH=250W。5图1-2 无刷电动机位置检测及开关管驱动信号表 1-2 无刷电动机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旋转方向 A B C T1 T2 T3 T4 T5 T60 0 1 0 0 0 0 1 10 1 0 0 0 1 1 0 00 1 1 0 0 0 1 1 01 0 0 1 1 0 0 0 01 0 1 1 0 0 0 0 1正转1 1 0 0 1 1 0 0 00 0 1 0 1 1 0 0 00 1 0 1 0 0 0 0 10 1 1 1 1 0 0 0 01 0 0 0 0 0 1 1 01 0 1 0 0 1 1 0 0反转1 1 0 0 0 0 0 1 161.4 无刷直