毕业设计（论文）-基于80C196MC无刷直流调速系统硬件设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 题 目： 基于80c196mc 无刷直流调速系统 硬件设计 系： 电气与信息工程系 专业： 自动化 班级： 0201 学号： 0201110107 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 2006 年 6 月 诚 信 声 明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计 （论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得 其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可 信。 作者签名： 日期： 年 月 日 毕毕业业设设计计（论论文文）任任务务书书 设计（论文）题目： 基于 80196mc 单片单片 机无刷直流调速系统硬件设计机无刷直流调速系统硬件设计 姓名 余育全 系别 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 0201 学号 0201000107 指导老师 李晓秀 教研室主任 赵葵银 李晓秀 一、一、基本任务及要求：基本任务及要求： 本课题要求完成以 80c196mc 单片机为控制核心以永磁无刷直流电机为控制对象的 调速系统的硬件设计。 设计的主要任务为： 1. 查阅资料了解永磁无刷直流电机工作原理和控制方法； 2. 自学 80c196mc 单片机的相关知识； 3.系统总体方案设计； 4.系统硬件电路设计及部分电路调试； 5.完成文献综述、开题报告及毕业设计说明书的撰写工作。 二、二、进度安排及完成时间：进度安排及完成时间： 2 月 20 日3 月 10 日：查阅相关资料，搜集课题所需资料，了解课题现状、课题 研究的目的和意义，做好选题报告和文献综述。 3 月 13 日3 月 24 日：毕业实习、撰写实习报告。 3 月 25 日4 月 15 日：自学相关知识，了解永磁无刷直流电机工作原理和控制方 法。 4 月 16 日5 月 30 日：硬件电路设计及调试。 6 月 1 日6 月 12 日：整理资料，撰写毕业设计论文。 6 月 13 日6 月 15 日：毕业论文审定、打印，答辩准备。 6 月 15 日6 月 18 日：答辩。了解永磁无刷直流电机工作原理和控制方法； 目录 摘要.i abstract ii 第 1 章 绪论.1 1.1 课题背景及意义1 1.1.1 课题背景1 1.1.2 课题意义2 1.2 无刷电机功率驱动发展3 1.3 课题主要研究内容4 第 2 章 无刷直流电动机的工作过程.5 2.1 无刷直流电动机基本组成5 2.1.1 电动机本体5 2.1.2 转子位置传感器.6 2.1.3 电子换向电路7 2.2 无刷直流电动机的工作原理8 2.3 无刷直流电动机的数学模型9 2.3.1 电压平衡方程9 2.3.2 转矩方程10 2.3.3 传递函数10 2.4 无刷直流电机的调速方法和机械特性11 2.4.1 电势和调速方法11 2.4.2 电磁转矩12 2.4.3 机械特性13 2.4 无刷直流电机双闭环系统.13 2.4.1 双闭环控制系统组成13 2.4.2 双闭环控制系统动态数学模型14 第 3 章 调速系统方案确定.16 3.1 无刷电机样机参数.16 3.2 主控单元.16 3.2.1 80c196mc 单片机简介16 3.2.2 80c196mc 单片机的结构16 3.2.2 80c196mc 单片机的特点18 3.3 系统的组成19 第 4 章 基于单片机的调速系统硬件设计.20 4.1 供电电源设计20 4.2 检测电路设计21 4.2.1 位置检测21 4.2.2 整形电路22 4.2.3 正反转控制.23 4.2.4 电流检测电路24 4.3 主功率和驱动电路25 4.3.1 主功率电路25 4.3.2 功率驱动电路27 4.4 过流过压保护电路30 4.4.1 过流保护电路30 4.4.2 过压、欠压保护电路30 4.5 键盘与显示电路31 4.5.1 键盘电路31 4.5.2 显示电路32 第 5 章 基于单片机的调速系统软件设计.34 结论.36 参考文献.37 致谢.39 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 i 基于 80c196mc 单片机无刷直流调速系统硬件设计 摘要：本文主要论述三相直流无刷电机调速系统的硬件设计方法。主控单元为无 刷电机专用控制芯片 80c196mc，辅以键盘、显示器、检测电路、功率电路、驱动电 路、保护电路等。无刷直流电机内置 3 个霍尔传感器，用于检测转子的位置，决定电 机的换相，系统根据该信号计算电机的转速，用于实现速度反馈控制。 系统给定转速由键盘输入，并能实时显示转速；功率芯片选用性能价格比较高的 快速 mosfet；功率驱动选用带保护电路和过流输出的集成芯片 ir2130，可实现电机 的高频快速起动；系统还设置了电流采样电路，与速度反馈电路组成双闭环系统，可 以实现电机的快速起动并获得良好的带负载性能，达到了设计任务书的要求。 关键字：无刷直流电机；16 位单片机；位置传感器；闭环系统；mosfet；功率 驱动 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 ii the hardware designations of the bldcm velocity modulation system based on the 80c196mc single chip microcomputer abstract：this article mainly discusses the designations of three-phase bldcm velocity modulation systems hardware. the master controlled unit is bldcm special- purpose control chip 80c196mc, assistances with the keyboard, the monitor, examines the electric circuit, the power electric circuit, actuates the electric circuit, the protection circuit and so on. the bldcm with 3 hall sensors establishing inside, to exam the position of the rotor and decide the phase change of electrical machinery, the system calculates the rotational speed of the electrical machinery to realize the velocity-feedback control according to the hall signal. the rotational speed of the system is offered by the keyboard entry, and the real-time rotational speed can be display; the power chip selects higher performance-to-price ratio and faster mosfet; the power actuation selects the integrated chip ir2130 with protection circuit and over-electric current output , which can realize the electrical machinerys high- frequency and quick-starting; the system also has established the electric current sampling electric circuit, with the velocity feedback electric circuit constituting the doubling closed- loop system, which can realize the electrical machinery quick- starting and obtain the good load performance, has met the requirements of the design project. keywords: brushless dc motor; 6bit single-chip microcomputer; position sensors; closed-loop system; mosfet; power actuation. 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 课题背景及意义 1.1.1 课题背景 19 世纪以来，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。其主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机 三种。众所周知，由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在 相对的机械摩擦，由此带来了噪声、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等缺点，从而大大地限制了它的应用范围，致使目前工农业生产 上大多数均采用三相异步电动机2。 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、变化的接触电阻、火花、噪声等一系列问题，影响了直流 电动机的调整精度和性能5。 无刷直流电动机彻底取消了机械换向器和电刷，而又具备传统直流电动机相同的 线性机械特性，调速范围宽，起动力矩大，效率高等优点。在上世纪 30 年代，就有人 开始研制以电子管换相来代替电刷机械换相的无刷直流电机。至 1955 年，美国人哈利 森等人首次申请用晶闸管换向线路代替机械换相器的专利，标志着现在无刷直流电机 的诞生。1978 年原联邦德国 mannesmann 公司的 indramat 分部在汉诺威贸易展览 会上正式推出其 mac 永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正 进入了实用阶段1。随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特 别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展23。 二十世纪 80 年代国际上对无刷电机开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波 无刷直流电机，在 10 多年的时间里，无刷直流电机在国际上已得到较为充分的发展。 近年来，稀土永磁材料迅速发展，其矫顽力高、抗去磁能力强，且常规去磁曲线在大 范围线性可逆等特点为永磁无刷直流电动机的设计开辟了广阔的前景。同时现代电力 电子器件工艺日臻成熟，出现了功率晶体管(gtr)、可关断晶闸管(gto)、功率场效应 晶体管(mosfet)，特别是绝缘栅双极晶体管(mosfet)，mos 可控晶闸管(igct)的开 发成功，使无刷直流电机功率驱动电路的可靠性和稳定性得到保障7。现在，永磁无刷 直流电动机的概念己经由最初特指的具有电子换向的永磁直流电动机延拓至所有具备 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 2 - 有刷直流电动机外部特性的电子换向式永磁电动机。永磁无刷直流电动机的发展也使 得传统的电机学科同当代许多新技术的发展密切相关。随着大功率半导体器件、电力 电子技术、微电子技术、数字信号处理技术、现代控制理论的发展以及高性能永磁材 料的不断出现，如今的永磁无刷直流电机系统己经成为集特种电动机、功率驱动器、 检测元件、控制软件与硬件于一体的典型的机电一体化产品，体现了当今工程科学领 域的许多最新成果。 我国无刷直流电机的研制工作始于二十世纪 70 年代初期，主要集中在一些科研院 所和高等院校。限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其 是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低 于国际水平，有待进一步的研究和开发。 无刷直流电机己经广泛应用于工厂自动化、办公自动化、机器人、电动汽车、航 空航天、家用电器、军工等领域。因此对无刷直流电动机系统的深入研究是极其必要 的，具有重大的应用价值1。 1.1.2 课题意义 无刷直流电机既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点， 又具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等特点，故在当今国防和 国民经济的各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺、家电和航空航天等方面 的应用日益普及6。 由于无刷直流电机不存在机械电刷，会带来电机的电子换向问题，在无刷电机控 制中的一个关键问题是要解决电子换向控制器的设计和实现。随着科技的发展，电子 换向控制器经历了模拟控制电路、模拟数字混合控制电路、专用集成控制电路、微处 理器控制电路、数字信号处理器控制电路等阶段。传统的无刷直流电机控制器一般由 模拟器件以硬接线的方式构成。模拟控制系统价格便宜，使用方便，在很长的一段时 间里，它们是构成各类电机控制系统的主要手段。然而模拟元件的物理特性决定了它 们具有一些本质上的缺陷，例如元器件的老化和温漂问题等，由于采用了硬接线，系 统升级困难。 由于模拟控制系统的本质缺陷，使它很难满足现代电子系统的设计要求，因此， 数字控制系统应运而生。直流无刷电机运行过程要进行两种控制，一种是转速控制， 也即控制提供给定子线圈的电流；另一种是换相控制，在转子到达指定位置改变定子 导通相，实现定子磁场改变，这种控制实际上实现了物理电刷的机制。因此这种电机 需要有位置反馈机制，比如霍尔元件、光电码盘，或者利用梯形反电动势特点进行反 电动势过零检测等。利用光电编码器的系统在软件实现上更方便。电机速度控制也是 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 3 - 根据位置反馈信号，计算出转子速度，再利用 pi 或 pid 等控制方法，实时调整 pwm 占空比等来实现定子电流调节。因此，控制芯片要进行较多的计算过程。当然也有专 门的直流无刷电机控制芯片，但一般来说，在大多数应用中，除了电机控制，总还需 要做一些其他的控制和通信等事情，所以，最好选用带 pwm，同时又有较强数学运算 功能的芯片4。 对于无刷直流电动机的控制器，当前主要有专用集成电路（asic）控制器、微处 理器（mcu）和数字信号处理器（dsp）等三种方式。对于专用集成电路（asic application specific integrated circuit)，现在几乎所有先进工业国家的半导体厂商，都能 提供自己开发的电机控制专用集成电路。但使用时灵活性较差，受到的限制过多。现 在市面上的无刷直流电动机控制器大多采用单片机来实现。应用较多的是 8096 系列产 品，80c196mc 单片机是属于 intel16 位系列的高档单片机，具有较强的数学运算功 能。它是专为电机控制而设计的芯片，特别适用于电机的控制。 1.2 无刷电机功率驱动发展 对于电机控制系统，功率驱动技术至关重要。电力电子技术和功率半导体器件的 发展对无刷直流电机控制技术的发展影响极大，它关系到电机的功率驱动。电力电子 功率器件经历了从半控（只能控制开不能控制关）到全控阶段，从电流控制到电压控 制(场控)，从几到以上的开关频率的变化，而电机的控制也相应从相控电khzkhz500 流转变到脉宽调制技术。 从 20 世纪 70 年代开始先后出现了几种有自关断能力的全控型功率器件，如可关 断晶体管(gto)、功率晶体管(gtr)。这些全控功率器件取代了普通晶闸管系统，提高 了工作频率，简化了电路结构，提高了系统的效率和可靠性。原来谐波成分大、功率 因数差的相控变流器已逐步由斩波器或 pwm 变流器所取代，使电机的调速范围明显 增加。其后又出现了功率场效应管(mosfet)、绝缘栅双极晶体管(mosfet)，mos 控 制晶闸管(igct)等，形成第三代功率器件。这些新型功率器件采用场控，工作频率可 以更高，驱动电路更简单。目前，号称第四代的功率集成电路己崭露头角。功率集成 电路是电力电子技术与微电子技术相结合的产物，它将半导体功率器件与驱动电路、 逻辑控制电路、检测和诊断电路、保护电路集成在一块芯片上，使功率器件含有某种 智能功能，因此又称为智能功率集成电路。半导体功率器件发展的另一个方向是智能 功率模块(ipm)。它是将多个(或单个)功率器件组成半桥或全桥，并集成了快速恢复二 极管、栅极(或基极)驱动电路、保护电路，而形成的一个混合模块8。所有这些功率器 件的发展都促进了无刷直流电机控制技术的进步。 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 4 - 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 5 - 1.3 课题主要研究内容 本文以高性能的电机专用控制芯片 80c196mc 为控制核心，辅以键盘、显示、检 测反馈电路，研制三相大功率永磁无刷直流电动机数字化控制系统。系统控制目标为： 1实现电机的转速输入与转速显示，实现电机转速的控制； 2实现电流、转速双闭环控制，尽量减小超调量和转差率； 3控制起动电流的大小，防止起动过程中过流； 4实现电机的正反转控制， 5设置合理的电路保护 根据系统要求，本人主要从以下几个方面进行了研究： 1首先探讨了无刷直流电机的发展进程。从无刷直流电机的基本原理出发，导出 了其等效电路图和数学模型。研究了无刷直流电机的工作原理、驱动方法、运行特性 及控制规律。 2对单片机的发展现状和特点进行探讨，对本文中将使用到的 80c196mc 做了重 点论述，并设计基于单片机控制的有位置传感器控制方案。 3设计了调速系统硬件总体结构，对系统各主要部分的硬件设计进行了详细的分 析和阐述。根据系统的硬件设计和所采用的控制策略，略述了调速系统各个环节的软 件构成。 4对控制系统整体性能进行了分析，并提出了需要进一步研究的若干问题。 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 6 - 第 2 章 无刷直流电动机的工作过程 无刷直流电动机是近几十年来随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新 型电动机，其基本工作原理是借助反映转子位置的位置信号，通过驱动电路驱动逆变 电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定顺序导通，从而在电机气隙中产生旋转磁场， 拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，转子位置信号依一定规律变化，从而改变电枢 绕组的通电状态，实现无刷直流电动机的机电能量转换。 2.1 无刷直流电动机基本组成 无刷直流电动机的结构原理图如图 2.1 所示。它主要由电动机本体、位置传感器和 电子开关线路三部分组成。 图 2.1 无刷直流电动机结构原理图 2.1.1 电动机本体 无刷直流电动机本体在结构上与永磁同步电机相似，但没有笼形绕组和其它气动 装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等） ，转子由永久磁钢按一定极 对数（=2，4，）组成。p2 图 2.1 中的电动机为三相两极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开 关器件相联接，在图 2.1 中的相、相、相绕组分别与功率开关管、abc41qq 、相接。位置传感器负责跟踪转子并电动机的转轴相联接。当定子绕组的63qq25qq d1 q1 npn d4 q4 npn d2 q2 npn d5 q5 npn d3 q3 npn d6 q6 npn m1 m4 m2 m5 m3 m6 u 31 30 29 r1 bl dcm 上上上 上上上上 上上上上 上上上上 上上上上上 a b c 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 7 - + i u b h i 某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱 动转子旋转，再由位置传感器将转子位置信号变换成电信号，控制电子开关线路，从 而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化按一定的次序换相。 由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的作用。 2.1.2 转子位置传感器 位置传感器在直流无刷电机中起着检测转子磁极位置的作用，安装在定子线圈的 相应位置上。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子磁极所产生的磁场互相作用 而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁极位置变换成电信号，去控制 电子换向线路，从而使定子各相绕组按一定次序通电，使定子相电流随转子位置的变 化按一定的次序换向，从而使电机能够连续工作。位置传感器的种类很多，且各具特 点。目前在直流无刷电机中常用的位置传感器有以下几种类型： 1电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现位置测量。电磁式位置传感器具有输出 信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单等优点。但这 种传感器的信噪比低，体积大，同时其输出波形为交流，一般需要经过整流、滤波后 才可使用。 2光电式位置传感器 光电式位置传感器利用光电效应制成，由跟随电机转子一起旋转的遮光板和固定 不动的光源及光电管等部件组成。这类传感器性能比较稳定，但存在输出信号信噪比 较大、光源灯泡寿命短、使用环境要求高等缺点。 3磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感 元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前常见的磁敏式传感器有霍尔元件、霍 尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等5。霍尔传感器由于结构简单、性能可靠、成 本低，是目前在无刷直流电动机上应用最多的一种位置传感器。霍尔效应原理图如 2.2.1a 所示： 图 2.2 a 霍尔效应原理示意图 图 2.2 b 霍尔开关应用电路 r vcc 上 上 上 上 上 上 1 2 3 上 上 上 上 v out 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 8 - 在长方形半导体薄片上通以电流，当将半导体薄片置于外磁场中，并将其与外 h i 磁场垂直时，则在与电流和磁感应强度 b 构成的平面相垂直的方向上会产生一个电 h i 动势，称其为霍尔电动势，其大小为： h ebike hhh 式中，为霍尔元件的灵敏度系数。 h k 霍尔元件所产生的电动势很低，在应用时往往需要外接放大器，很不方便。随着 半导体技术的发展，将霍尔元件与附加电路封闭为三端模块，构成霍尔集成电路。 霍尔集成电路有开关型和线性型两种类型。通常采用开关型霍尔集成电路作为位 置传感元件。我们通常把开关型霍尔集成电路叫做霍尔开关，其应用电路如图 2.2.1b 所示。 使用霍尔开关构成位置传感器通常有两种形式。第一种方式是将霍尔开关粘贴于 电机端盖内表面，在靠近霍尔开关并与之有一定间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁 体。第二种是直接将霍尔开关敷贴在定子电枢铁心表面或绕组端部紧靠铁心处，利用 电机转子上永磁体主磁极作为传感器的永磁体，根据霍尔开关的输出信号即可判定转 子位置。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，三个霍尔开关在空间彼此相 隔 120电角度，传感器永磁体的极弧宽度为 180电角度，这样，当电机转子旋转时， 三个霍尔开关便交替输出三个宽度为 180电角度、相位互差 120的矩形波信号9。 无刷直流电机转子位置传感器输出的脉冲信号通过单片机控制器的 cap 捕获电路 送入单片机控制器作为转子位置和速度的反馈信号，当任意一相转子位置信号发生变 化时，产生中断，在中断处理程序中实现电机换相。在电机转子每个旋转周期内霍尔 位置传感器会产生六个交变信号，因此只要算出两次信号交变的时间差，就可以由简 单除法得到电机实际速度值。 2.1.3 电子换向电路 电子换向电路的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定的 逻辑代码输出，触发功率开关。由于电子换向线路的导通次序与转子转角同步，因而 起到了机械电刷和换向器的换向作用。因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而 言，可以认为是一个由电子换向电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者共同所 组成的闭环系统。 直流无刷电动机的电子换向电路是用来控制电动机定子上各相绕组通电顺序和时 间，主要由功率逻辑控制开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻 辑控制开关单元是控制电路的核心，其作用是将电源的功率以一定逻辑关系分配给直 流无刷电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导 通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 9 - 电子换向电路分为桥式和非桥式两种，虽然电枢绕组与电子换向电路的连接形式 多种多样，但应用最广泛的是三相星形全控状态和三相星形半控状态连接。早期的无 刷直流电机的换向器大多由晶闸管组成，由于其关断要借助于反电动势或电流过零， 而且晶闸管的开关频率较低，使得逆变器只能工作在较低频率范围内。随着新型可关 断全控型器件的发展，在中小功率的电动机中换向器多由功率 mosfet 或 igbt 构成， 具有驱动容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点412。 2.2 无刷直流电动机的工作原理 无刷直流电机的工作原理有刷直流电机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产主的 磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩， 使电机运转。无刷直流电机的运行原理和有刷直流电机基本相同，即在一个具有恒定 磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩， 且转矩只与电枢电流的大小有关。无刷直流电机的运行还需依靠转子位置传感器检测 出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与 关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子 的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态，使得在同一磁极下的 导体中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩使无刷直流电机运转起来。无刷 直流电机三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路的特点 是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通电 1/3 的时间，另外 2/3 时间处 于断开状态，没有得到充分的利用。所以我们采用三相全控式电路，如图 2.3 所示。 图 2.3 三相全控桥两两导通电路 在图 2.2 中，电动机的绕组为星形联结。、为六个功率器件，起绕1q2q6q 组的开关和驱动作用。同时我们采用两两导通方式，所谓两两导通方式是指每一个瞬 间有两个功率管导通，每隔 1/6 周期（60电角度）换相一次，每次换相一个功率管， d1d2d3 m1 m6 m2 m4 m3 m5 u q3 q2q1 d4d5d6 q6 q5q4 l1 l2l3 a bc 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 10 - 每一功率管导通 120电角度。各功率管的导通顺序51qq61qq62qq42qq 。当功率管导通时，电流从管流入 a 相绕组，再从 c43qq53qq51qq51qq1q 相绕组流出，经管回到电源。二相导通的星形三相六状态的导通顺序表如表 2.1 所5q 示。 表 2.1 两两导通的导通顺序表 时间（电 角度） （ ）c 0 60120180240300360 uvw导通顺序 vwuv bg1导通导通 bg2导通导通 bg3导通导通 bg4导通 bg5导通导通导通 bg6导通导通 2.3 无刷直流电动机的数学模型 方波无刷直流电机的主要特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，这 意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且无刷直流电机的电感为非线性。因此在这 里采用 dq 变换理论己经不是有效的分析方法，因为 dq 方程只适用于气隙磁场为正弦 分布的电动机。而直接利用电动机原有的相变量来建立数学模型既简单又能获得较准 确的结果。在此，直接采用相变量法，根据转子位置，采用分段线性表示感应电动势。 为简化数学模型的建立，在电机模型建立时，认为电机气隙是均匀的。并作以下假设： 1定子绕组为 60相带整距集中绕组，星形连接； 2忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子表面； 3转子上没有阻尼绕组，电机无阻尼作用； 4磁路不饱和，忽略高次磁势谐波的影响，忽略磁滞、涡流的影响。 2.3.1 电压平衡方程 由电机电压平衡方程 （2.1 ） 对于三相无刷直流电动机，方程可写成 e d d lru t i i 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 11 - c b a c b a c b a c b a e e e i i i p ml ml ml i i i r r r u u u 00 00 00 00 00 00 （2.2 ） 式中： 、为三相定子相电压； a u b u c u 、为三相定子反电动势； a e b e c e 、为三相定子相电流； a i b i c i 、为三相定子相电阻； a r b r c r 、为三相定子绕组自感； aa l bb l cc l 、为三相定子绕组间互感； ab l ac l ba l bc l ca l cb l 为微分算子。p 无刷电机的结构决定了在一个电角度内转子的磁阻不随转子位置的变化而变 360 化，并假定三相绕组对称。则有： aa l bb l cc ll （2.3） ab l ac l ba l bc l ca l cb lm （2.4） a r b r c rr （2.5） 又因为在三相对称的电机中存在因而，故方0 cba iii0 cba mimimi 程经整理可得： （2.6 ） 2.3.2 转矩方程 无刷直流电动机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通 和电流幅值成正比，即 （2.7 ） c b a c b a cccbca bcbbba acabaa c b a c b a e e e i i i p lll lll lll i i i rc rb ra u u u 00 00 00 )( ccbbaan e ieieiep t 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 12 - 其中：为电机的角速度；为电机的极对数。 n p 在忽略转动时的粘滞系数的假设下，无刷电动机的运动方程可写为： （2.8 ） 其中：为电机的负载转矩；为电机的转动惯量。 l tj 2.3.3 传递函数 无刷直流电动机的运行我和传统直流电动机基本相同，其动态结构图可以采用直 流电动机通用的结构图，如图 2.4 所示： 图 2.4 无刷直流电动机动态结构图 由无刷直流电机动态结构图得其传递函数为： （2.9 ） 上式中：k1为电动势传递函数系数，为电动势系数； e ck/1 1 e c 为转矩传递系数，；为电动机内阻，为转矩系数； 2 k tec crk/ 2 r t c 为机电时间常数，为转子重量，为转子直径。 m t tem ccrgdt375/ 2 gd 2.4 无刷直流电机的调速方法和机械特性 2.4.1 电势和调速方法 由无刷直流电机数学模型知，无刷直流电机机械特性方程同一般有刷直流电动机 机械特性方程在形式上完全一致。所以无刷直流电动机的调速方法也和有刷直流电动 机的调速方法相似。有刷直流电动机调速方法包括：改变电机主磁通调速;改变电枢回 路电阻调速；调节电枢端电压调速15。无刷直流电机定子绕组，相电势幅值由下式确 dt d jtt le r 1 t c )(su)(ste )(stl )(sn sgd2 375)(si )(se e c l mm t st k su st k sn 1 )( 1 )( 21 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 13 - 定： （2.10 ） 式中 为电势系数；为相绕组等效匝数； 1 n 若考虑线路损耗及电机内部压降（已归入） ，而且，导通型逆变器的输出 r 120 电压幅值为 ，则电机电势与外加电压相平衡， ，即 d uu2/1e （2.11） （2.12 ） 式中为回路等效电阻，包括电机两相电阻和管压降等效电阻。式 2.12 表明，无 r 直流电机的转速公式与直流电动机的转速公式十分相似，可证明，当气隙分布为方波， 电机绕组为整距集中时，无刷直流电机的转速公式与直流电机完全一样。 由于无刷直流电动机通过永久磁铁励磁，所以只能通过改变电枢回路电阻或调节 电枢端电压的方法来进行调速。改变电枢回路电阻调速方法的优点是设备简单，操作 方便，但是它在调速过程中转速波动大，只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特 性较软，而且在调速电阻上消耗大量能量，所以这种调速方法只能用在调速性能要求 不是很高的设备上。 调节电枢端电压调速主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电机额定转速向下 变速，属于恒转矩调速方法。该方法的主要优点有：降压特性曲线是一族与固有特性 平行的直线，无论满载、轻载还是空载，都有明显得调速效果;降压特性曲线的硬度不 变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大，静态稳定性好，调速范围大；可以平 滑地改变施于电动机的端电压，从而使转速平滑地调节，实现无极调速；电枢端电压 调速方法调节过程中能量损耗小。因此这种调速方法被广泛应用在对起动、制动和调 速性能要求较高的场合。 调节电枢电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有三种：旋转变 流机组、静止可控整流器、直流斩波器或脉宽调制变换器。通过脉宽调制变换器进行 调制的方法又称为 pwm（pulse width modulation)调制方法。它是用恒定直流电源或不 可控整流电源供电，利用开关器件来实现通断控制，将直流电压断续加到负载上，通 nen n cn p fne1 60 2 1 1 60 2n p c n e d ueu 2 1 ricu dned 2 1 2 1 ne dd c riu n ) ( 2 1 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 14 - 过通、断电时间的变化来改变负载上直流电压的平均值，将固定直流电源变成平均值 可调的直流电源。 构成直流斩波器的开关器件过去用的较多的是普通晶闸管，它们本身没有自关断 能力，因而限制了斩波器的性能;目前斩波器大都采用既能控制其导通又能控制其关断 的全控型器件，如功率晶体管(gtr)，可关断晶闸管(gto)、电力场效应管(p-mosfet)、 绝缘栅双极晶体管(igbt)等。采用全控型器件的 pwm 调速系统，其脉宽调制电路的 开关频率很高(可达 20k 以上)，因此系统的频带宽、响应速度快、动态抗干扰能力强25 本系统是通过调节逆变器功率器件的 pwm 触发信号的占空比来改变输入电机的 平均电压而实现调速的。 2.4.2 电磁转矩 无刷直流电机的电磁转矩可由电机的电磁功率和角速度求得 e p （2.13 ） 将式 2.10、2.11 和式 2.12 代入上式得 dne int 1 2 （2.14） )( riup t dde e 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 15 - 2.4.3 机械特性 将式 2.14 代入式 2.12 可得 （2.15 ） 由此可知，无刷直流电机的转矩和机械特性公式与直流电动机十分相似。 2.4 无刷直流电机双闭环系统 2.4.1 双闭环控制系统组成 控制系统的仪器或设备，必然对其无刷直流电动机控制系统都有相应的静、动态 性能要求。在一些高、精、尖领域（如航空航天等） ，其对无刷直流电动机控制系统的 性能要求可以说是相当苛刻的。由于无刷直流电动机控制系统转速静差率的存在，采 用开环控制技术不能消除静差率，不能满足控制系统稳、准、快的三个基本要求，故 在实际工程应用中的无刷直流电动机控制系统都是采用闭环控制技术实现的10。 无刷直流电动机转速负反馈单闭环控制系统可以在保证系统稳定的条件下实现转 速无静差，但又不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，因而常在对动态性 能要求不高的场合采用。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突 加负载动态速降小等等，单闭环控制系统就难以满足需要。 为了改善无刷直流电动机控制系统的动态特性，就很有必要在速度负反馈单闭环 控制系统的基础上再引入电流负反馈环来控制系统动态过程的电流和转矩。为了实现 转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电 流，二者之间实行串级联接，无刷直流电动机双闭环控制系统如图 2.5 所示。 无刷 电机 转速调节器电电流流调调节节器器 + - + ta v - 内环 * n u n u * i u i u c u d u 外环 速度计算 转子位置 传感器 gt e nene d e nnene d t nc r c u t nc r c u n 2 11 42222 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 16 - 图 2.5 无刷直流电机双闭环控制系统 图 2.5 中 gt 为驱动控制装置，v 为功率开关管，、分别为转速给定电压和 n u * n u 转速反馈电压，、分别为电流给定电压和电流反馈电压。这就是说，把转速调节 i u * i u 器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制功率开关管的触发装 置，进而控制功率开关管的导通与关断，从而实现对无刷直流电动机转速、电流或转 矩的控制24。 2.4.2 双闭环控制系统动态数学模型 从图 2.5 无刷直流电动机动态数学模型中可以看出，无刷直流电动机有两个输入量， 一个是外加电压信号，另一个是负载转矩；前者是控制输入量，后者是扰动输入u l t 量。将扰动输入量的综合点移前，并进行等效变换，可得如下无刷直流电动机动态 l t 等效结构图，如图 2.6 所示。 图 2.6 无刷直流电机动态等效结构图 上图中，为电枢电感()，为电枢电阻()； a lh a r 为负载转矩，包括电动机轴上输出转矩和恒定阻力转矩()； c tmn 为转矩系数，为阻力系数； t k r 为转子机械角速度()，j为转子转动惯量()；srad /2mkg 要控制功率开关管整流装置总离不开控制触发电路，因此在分析系统时往往把它 们当作一个环节来看待。这一环节的输入量是触发电路的控制电压，输出量是无刷 ct u 直流电动机的外加电压。如果把它们之间的放大系数看成常数，又由于功率开关u s k 管装置存在滞后作用，故功率开关管的触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的 放大环节，其传递函数可近似成一阶惯性环节： （2.16 ） 其动态结构如图 2.7 所示： )(stl )(s taa krjsrsl ) )( 1 )( aat rslk )(s u 1st k s s )(suct)(su 1)( )( st k su su s s ct 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 17 - 图 2.7 功率开关管触发和整流装置动态结构图 速度、电流的计算和检测可以认为是瞬时的，因此它们的放大系数也就是它们的 传递函数，即 （2.17 ） （2.18 ） 知道了各环节的传递函数后，把它们按图 2.5 所示在系统中的相互关系组合起来， 就可以画出无刷直流电动机双闭环控制系统的动态结构框图，如图 2.8 所示。图中 和分别表示转速和电流调节器。由于无刷直流电机的机械特性与有刷)(swasr)(swacr 直流电机非常相似，所以其双闭环起动过程与有刷直流电机也应该类似。双闭环直流 调速系统起动过程的转速和电流的波形如图 2.9 所示。 图 2.8 无刷直流电机双闭环控制系统框图 )(swasr)(sw acr 1st k s s aa rsl 1 rjs 1 t k l t n u * n u * i u i u ct u u t k a i )( )( si su a i )( )( s sun n o o t t n t t idm idl id n* iii iii t4t3t2t1 idm idl id n* iii iii t4t3t2t1 idl id n* iii iii t4t3t2t1 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 18 - 图 2.9 双闭环调速系统起动过程的转速和电流波形图 基于 80c196mc 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 - 19 - 第 3 章 调速系统方案确定 3.1 无刷电机