直流无刷电机控制器的研制（硬件）

江苏技术师范学院毕业设计（论文）摘要直流无刷电机控制器的研制（硬件）汤宇 刘伟（电气信息工程学院、电气工程及其自动化、03电气（2）班）直流电动机具有非常好的线性机械特性、宽的调速范围、大的起动转距、简单的控制电路等优点，应用十分广泛。但是直流电动机的电刷和换向器之间的强迫性接触却是它的致命弱点。电刷的存在带来了一系列的问题，如：存在机械摩擦、噪声、可靠性差、接触电阻变化、电火花无线电干扰及寿命短，再加上它制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围。随着电子技术、功率元件技术和高性能的磁性材料制造技术的飞速发展，利用电子器件和传感装置代替直流电动机的换向器，从而革除了电刷和换向器之间的“顽疾”，就出现了无刷直流电动机，直流无刷电动机既保留了有刷直流电动机的优异特性，又具有：体积小、重量轻、节能、效率高、适应环境和经济性等优点。无刷电机的优点如此之多，而且它在我们实际生活中也得到了非常广泛应用，如生活中使用的电动自行车，本次毕业设计便是仿照电动自行车的无刷电机进行设计，主要是基于单片机的无刷电机的控制系统，详细设计了五大模块：电源模块、驱动模块、控制模块、过载保护模块和测速显示模块，整个系统是利用单片机完成无刷电机的启/停、正/反转、加/减速和测速显示功能，其中加/减速是利用PWM波来实现，具有控制简单，节约成本等优点。无刷直流电动机通常是由电动机本体、位置传感器和驱动电路三部分组成。电动机本体由一定磁极对数的永磁钢转子和一个多相的电枢绕组组成。位置传感器是一种无机械接触的检测转子位置装置,由传感器转子和传感器定子组成。前者与主转子同轴旋转，后者安装在定子机壳内,它能够提供信号,并按照一定的逻辑关系去触发电子换向开关电路。电子换向开关电路由三组功率开关管组成,与响应的电枢绕组连接,各功率元件的导通与截止,取决于位置传感器的信号。电动机本体的主要特点是，采用永磁转子，而定子结构类似与交流感应电动机，采用三相或两相绕组，几乎雷同于永磁同步电动机。工作原理如图1所示：图1 无刷电机工作原理图要让电机转动起来，首先电子换相电路必须根据霍尔位置传感器感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)功率开关管的顺序，如上图1中A、B、C(这些称为上臂功率MOSEFT)及X、Y、Z(这些称为下臂功率MOSEFT)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机正/反向转动。当电机转子转动到霍尔位置传感器感应出下一组信号的位置时，电子换相电路又再开启下一组功率MOSEFT，同时关闭上一组功率MOSEFT。每组功率MOSEFT在空间上导通600，每隔六分之一电周期，功率MOSEFT切换一次。每组功率MOSEFT的组合为：上臂功率MOSEFT和下臂功率MOSEFT各选通一只，但决不能AX、BY、CZ作为一组功率MOSEFT来使用。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率MOSEFT烧毁。因此在整个控制系统的设计过程中，首先要完成驱动模块的设计，只有先让电机转动起来，才能进一步对其进行控制和测速。因此成功设计出驱动电路便显的尤为重要。1.驱动模块的设计根据直流无刷电机工作原理，要让电机转起来，首先要设计出由三组功率开关管组成的驱动电路，即合理选用上、下桥臂的功率MOSEFT管。设计中，上桥臂选用的是IRF9630，为P沟道增强型功率MOSEFT，下桥臂选用的是IRF730，为N沟道增强型功率MOSEFT。通过74LS07控制上桥臂功率MOSEFT管IRF9630 (Q1、Q3、Q5)，通过74LS09控制下桥臂MOSEFT管IRF730 (Q4、Q6、Q2)。附1：驱动模块原理图2.控制模块的设计本次设计主要是利用AT89C51单片机实现对无刷直流电动机的控制。将其P2口作为输出，通过驱动器7407控制全桥驱动电路上桥臂的P沟道MOS场效应管(V1、V3、V5)，通过与门7409控制下桥臂的N沟道MOS场效应管(V4、V6、V2)。P0.0P0.5作为输出口，用作按钮指示灯；P1.0P1.2作为输入口，连接霍尔传感器的输出信号；P3口作为输入按钮，控制电机启动、正转、反转、停止、加速与减速。其中P3.7口作为PWM波输出来控制电动机的转速； 经检测，该电机的正、反转换相相序如表1、表2所示：表1 电机正转表相序蓝黄白导通的管子控制字001V5、V61AH010V1、V234H011V1、V234H100V3、V429H101V5、V61AH110V3、V429H表2 电机反转表相序蓝黄白导通的管子控制字110V1、V21AH101V5、V634H110V3、V434H010V1、V229H001V5、V61AH100V3、V429H其中蓝、黄、白分别为霍尔信号线。附2：控制模块原理图3.测速模块的设计测速原理：利用定时器T1实现1S的采样周期，将霍尔信号接入AT89C51的P3.3（INT1）口，利用外部中断口实现对霍尔脉冲的计数，再经过算术运算来计算出电机的转速并由四位数码管显示，如图2所示：图2 测速原理图本次设计中测速功能是由另一个AT89C51单独完成，将某一端霍尔信号接入P3.3（INT1）口，P0口接数码管的码段端，P2.0P2.3为数码管的位选端，数码管显示采用动态扫描方式。 附3：测速模块原理图 4.过载保护模块的设计 保护原理：通过采样电枢回路中接地电阻两端的电压，利用电压比较器LM324与基准电压进行比较，如果采样电压大于基准电压，则关闭下桥臂功率MOSEFT，达到停止电机运转的目的。过载保护电路主要是为了防止电机启动电流过大和电机负荷过大时而及时停止电机运行的保护电路。附4：过载保护模块原理图5.电源电路的设计电源电路主要是为无刷电机提供工作电源（DC48V），本次电源设计采用的是单相桥式整流电容滤波电路。输出端不接无刷电机时： VL=V2=X40=56.56V输出端接无刷电机时： VL=1.2V2=1.2X40=48V附5：电源电路原理图将硬件按上述各个模块的原理图焊接好，经过了软硬件联调和不断完善之后，最终成品完成