基于PIC的无刷电机控制系统算法设计

1毕 业 设 计中文题目 基于 PIC的直流无刷电机控制系算法设计英文题目 Brushless Motor Control System Algprithm Design Based On PIC系 别： 电子与电气工程系专业年级： 06 级电气工程及其自动化姓 名： 黄小龙学 号： 20060621119指导教师： 张辑老师 职 称： 助教2010 年 5 月 20 日2毕业设计（论文）诚信声明书本人郑重声明：在毕业设计（论文）工作中严格遵守学校有关规定，恪守学术规范；我所提交的毕业设计（论文）是本人在张辑指导教师的指导下独立研究、撰写的成果，设计（论文）中所引用他人的文字、研究成果，均已在设计（论文）中加以说明；在本人的毕业设计（论文）中未剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，未篡改实验数据。本设计（论文）和资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。学生签名：年 月 日3基于 PIC 的无刷电机控制系统算法设计摘要：本文介绍了一种基于 PIC 单片机的带位置传感器的直流无刷电机控制系统的算法设计。控制系统以 PIC16F877A 单片机为核心，并外加输入和输出电路，主要用于电机转向和速度大小的设定和电机速度的显示；主回路功率开关器件采用 MOSFET，以 IR2132芯片作为驱动核心，实现了 PWM 全桥式调制方式的电机数字控制。系统采用速度闭环的控制策略，采用 PID 控制算法实现。本设计完成了控制系统的硬件、软件的设计和系统的调试。硬件控制系统的设计包括控制电路、转子位置检测电路、驱动电路和逆变电路等；对各功能模块（转子位置的识别、速度的计算、PWM 调速、速度闭环调节等）的软件实现、数字 PID 算法进行了详细的论述。经过实验论证，证明本文提出的控制策略正确可行。系统硬件简单、可靠性高、控制性能良好。关键字：PIC16F877A 霍尔位置传感器 直流无刷电机 PID PWM 调速4Brushless Motor PIC-Based Control System Algorithm DesignAbstract: This article introduces the algorithm design of brushless DC motor PIC-Based control system with position sensor. The core of control system is a PIC16F877 Microcontroller, and additional input and output circuits which mainly used to control the motor direction of rotation, set the speed of motor and display the speed of motor. Main circuit power switching devices using MOSFET, to IR2132 driver chip as the core, achieved full-bridge PWM motor digital control modulation. System uses speed closed-loop control strategy, using PID control .This article design the control system hardware, software and complete the system debug. Hardware control system including control circuit, the rotor position detection circuit, driver circuit and inverter circuit. Of each function module (rotor position identification, the speed of calculation, PWM speed control, speed adjustment, etc) software function, the digital PID algorithm in detail. Experimental results demonstrate, that the proposed control strategy is feasible. System hardware is simple, reliable, good control performance. Key word: PIC16F877A Hall Position Sensor Brushless DC Motor PID PWM Speed Control 5目录摘要： .3第一章 绪论 .71.1 课题背景 .71.2 直流无刷电机发展状况及特点 .71.3 直流无刷电机的发展前景及研究方向 .81.3.1 减小转矩脉动 .81.3.2 最佳换相的确定 .91.3.3 无位置传感器的转子位置检测 .91.3.4 控制算法 .101.4 研究意义和内容 .11第二章 永磁直流无刷电机及其驱动原理 .132.1 永磁无刷直流电动机的结构 .132.1.1 直流无刷电机本体 .132.1.2 电子换相电路 .142.1.3 转子位置传感器 .142.2 永磁无刷直流电动机的运行原理 .162.3 永磁无刷直流电动机的数学模型 .182.4 永磁无刷直流电动机的调速原理 .19第三章 控制系统的硬件设计 .213.1.PIC16F877A 概述 .213.1.1 PIC16F877A 的特点 .213.1.2 PIC16F877A 的硬件结构 .233.1.3 PWM 模块介绍及其使用 .243.2 人机界面电路 .253.3 基于 IR2132 的驱动电路 .263.4 全桥驱动电路 .2763.4.1 二二导通方式 .273.4.2 三三导通方式 .273.5 位置传感器电路 .273.6 PWM 调速电路 .28第四章 控制系统的软件设计 .304.1 编程与调试环境 MPLAB IDE 简介 .304.2 基于 PIC16F877A 直流无刷电机启动和转动的实现。 .304.3 直流无刷电机正反转的实现 .314.4 直流无刷电机测速的实现。 .344.5 直流无刷电机速度闭环的实现。 .354.5.1 直流无刷电机调速的实现 .354.5.2 直流无刷回馈制动的实现 .354.5.3 PID 控制原理 .364.5.4 数字 PID 控制算法 .37第五章 系统调试 .415.1 实验平台 .415.2 实验结果 .436.1 总结 .466.2 展望 .46致谢 .47参考文献 .48附录 .497第一章 绪论 1.1 课题背景在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中，还是在日常生活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。据资料统计，现在有90%以上的动力源来自于电动机。我国生产的电能大约有 60%用于电动机。可见，电动机与人们的生活息息相关、密不可分。由于直流电动机具有非常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，长期以来一直广泛地应用在各种驱动装置和伺服系统中。但是，直流电动机的电刷和换向器却成为阻碍它发展的障碍，机械电刷和换向器因强迫性接触，造成它结构复杂、可靠性差，并且机械换相装置易产生火化、电磁干扰、不适用恶劣环境以及需要定期维护等不足，严重影响了直流电动机的调速精度和性能。因此，长期以来人们一直在寻找一种不用电刷和换向器的直流电动机。 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，这种想法已成为现实。无刷直流电动机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器，因此，使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，使它一经出现就以极快的速度发展和普及 1。近年来电机的控制逐渐以单片机为主的微处理器控制，模拟控制已经慢慢退出历史的舞台。PIC 单片机是由微芯 (Microchip)公司生产的一种单片机，它以其精简的指令集、哈佛总线结构、流水线取指方式、抗干扰能力强、性价比高等特点获得了广泛的应用。1.2 直流无刷电机发展状况及特点一百多年来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中，电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大至上万千瓦。众所周知，直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传动的直流电动机均采用电刷，以及机方法进行换向，因为而在相8对的机械摩擦，由此带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而无刷直流电动机应运而生了。1917 年，Boiliger 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动机的基本思想。1955 年，美国的 D.Harrison 等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷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。直流无刷电机保持着有刷直流电机的优良机械特性，在电磁结构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁铁。直流无刷电机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经过逆变器接到直流电源上，定子采用位置传感器实现电子换相代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相逐次通电产生电流，和转子磁极主磁场相互作角，产生转矩。和有刷直流电机相比，直流无刷电机由于革除了电的滑动接触机构，消除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了电的损耗。又由于主磁场是恒定的，铁损也是极小的 ( 在方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁心内产生一定的铁损) 。总的说来，除了轴承旋转产生磨损外，转子的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性 2。1.3 直流无刷电机的发展前景及研究方向1.3.1 减小转矩脉动转矩脉动是 BLDCM 存在的突出问题，特别是在低转速、高精度、调速范围广的情况下，更要求尽量减少转矩脉动。在直接驱动应用的场合，转矩脉动使得电机速度控制特性恶化。尤其用于视听设备、电影机械、计算机中的无刷直流电动机，更加要求能运行平稳、没有噪声。因而抑制或消除转矩脉动成为提高伺服系统性能的关键所在。引起转矩脉动的主要因素有：齿槽效应引起气隙合成磁场发生畸变，影响电磁转矩；绕组电感的影响使得输入定子绕组的相电流不可能是理想的矩形波，使反电动势与理想波形的偏差加大；相电流在换相时的电枢磁场呈现步进性，导致气隙合成磁场波动，对于功率较大的无刷直流电动机，电枢反应的影响更加明显。 目前，国际国内的研究人员正通过各种途径来解决这个问题，提出了各种抑制或削弱转矩脉动的方法，从不同程度上提高了无刷直流电动机的性能。但是这些研究均是在原有结构、方案上提出了一些削弱或补偿的方法，没有从原理上或者根本上削除转矩的9脉动，因而转矩的脉动还有待于进一步的研究。 1.3.2 最佳换相的确定最佳换相是指为了使无刷直流电动机的输出转矩最大、脉动最小，实现效率最高的机电能力转换。最佳换相包括最佳逻辑换相和最佳位置换相。最佳逻辑换相是解决如何换相；最佳位置换相是解决什么时候换相。在最佳逻辑换相的研究中，大都采用一条固定的有关转子位置信号和功率开关管导通状况的真值表，而没有概括性更强的理论研究。有参考文献介绍关于永磁方波无刷直流电动机最佳逻辑解析结构的研究，在这方面迈出了重要的一步。尽管在理想状况下的最佳换相位置己经研究得比较透彻，但是在电机实际工作过程中最佳位置换相的研究还有待深入。实际运行的电机不同于理想电机，在理想电机中所忽略的次要素在实际中都会不同程度上的影响到最佳位置换相。 1.3.3 无位置传感器的转子位置检测 无刷直流电动机以电子换相器取代了常规的机械换相器，依靠位置信号来控制电子换相器。在永磁无刷直流电动机系统中，位置信号对整个系统的正常工作起着非常重要的作用，直接影响系统能否正常换相，电机出力能否达到最大。获得位置信号的方法基本方法分为两类，一类是依赖位置检测元件检测转子位置角，另一是无位置传感器方式，依靠其他方法获得转子位置信号。采用位置传感器来检测转子的位置，由于受环境条件影响很大，如振动、潮湿和温度变化都会使位置传感器工作性能下降，使整个传动系统的可靠性难以得到保证。此外，传感器还大大增加了电气连接线数目，给抗干扰设计带来一定困难。在精确的位置伺服系统中，位置传感器也占了整个系统成本的一大部分：有些传动系统由于空间有限，没有安装传感器的余地。基于这些原因，研究无位置传感器检测转子位置控制无刷直流电动机成为了一个研究热点方向，并取得了一些成果。 近年来国内外文献介绍的无位置检测方法主要包括反电动势过零点检测方法、反电动势三次谐波积分检测法、续流二极管监测法、反电动势积分法、磁链估计法、扩展卡尔曼滤波法、电感测量法、电流法、涡流效应检测法等。这些方法中，端电压检测法技术成熟、工作可靠，是目前最常用也是最实用的无刷直流电动机无位置传感器转子位置检测方法。但这种方法的基本原理是建立在忽略电枢反应影响的前提下的，这本身在原理上就存在一定误差。近年来，随着实现手段(如单片机和 DSP)的功能不断强大，各种智能控制方法得以容易的实现。这种方法利用模糊控制或神经网络控制策略来建立相电压、10电流和转子位置之间的相互关系，基于检测到的电压和电流信号来估算出转子位置信息。如直接检测电机相电压和相电流，通过神经网络的训练后可以估计出磁链向量，从而获得转子磁极位置。随着控制理论的发展和控制芯片功能的强大，无位置传感器检测方式必将得到更为广泛的应用。 1.3.4 控制算法 采用单片机为数字控制电路将是无刷直流电动机中控制系统的设计与实现的发展方向。以单片机芯片为核心的控制系统配合软件系统实现对无刷直流电动机的控制，通过软件系统对 BLDCM 进行控制这使设计更加灵活、有效。软件的设计实际上就是对控制算法的实现。无刷直流电动机中电流、转