（电机与电器专业论文）医疗电动床用无刷直流电机控制系统.pdf

西北工业大学硕士 学位论文 abs tract t h i s p a p e r i s b a s e d o n a p r o d u c t io n d e v e l o p i n g p ro j e c t t a k e n b y th e i n s t i t u t e . t h e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e o f t h e s y s t e m i s d e s i g n e d a n d b l d c m c o n t r o l s y s t e m is s i m u l a t e d w i t h f u z z y c o n t r o l m e t h o d . a s t h e r e s e a r c h p 呵e c t t h e b r u s h l e s s d c m o t o r ( b l d c m ) f o r d r i v i n g t h e m e d i c a l e l e c t r i c b e d i s u s e d t o c o n t r o l t w o m o t o r s . a s t h e m a i n c o n t r o l l e r，s p e c i a l i n t e g r a t e d c i r c u i t s mc 3 3 0 3 5 p r o d u c e d b y m o t o r a l a i s u s e d i n t h i s d e s i g n e d s y s t e m . t h e c i r c u i t s c o n s t r u c t i o n is s i m p f i e d g r e a t l y , a n d t h e c o s t o f t h e s y s t e m i s r e d u c e d . o n t h e b a s i s o f a n a l y z i n g i n t e rn a l s t r u c t u r e a n d i t s f u n c t i o n o f mc 3 3 0 3 5 ,t h e h a r d w a r e o f t h e s y s t e m i s d e s i g n e d . t h e c o n t r o l c i r c u i t , t h e d e t e c t io n c i r c u i t o f h a l l p o s i t i o n s e n s o r s s i g n a l d e s i g n , mc 3 3 0 3 9 s p e e d f e e d b a c k c ir c u i t a n d t h e o v e r c u r r e n t d e t e c t i o n a n d p r o t e c t i o n c i r c u i t a r e a l s o g i v e n . t h e u n i t 8 0 c 5 1 mc i s a l s o u s e d t o r e a l i z e a f u n c t i o n o f p o s i t i o n m e m o ry o f t h e e l e c t r i c b e d . t h e a n t i - d i s t u r b a n c e s t e p s a r e u s e d i n t h e d e s i g n o f h a r d w a r e c i r c u i t , w h i c h m a k e s t h e s y s t e m w o r k s a f e l y a n d r e l ia b l y . i n t h i s d i s s e r t a t i o n , s o f t w a r e d e s i g n i s f i n i s h e d t o r e a l i z e t h e p o s i t i o n m e m o r y f u n c t i o n . t h e c o n t r o l l e r d r i v e s t h e e l e c t r i c b e d t o s t a r t a n d s t o p , u p a n d d o w n . i t a l s o m a k e s t h e e l e c t r i c b e d h a v e 4 m e m o r y p o t i o n s a n d f u n c t i o n s o f l o c k i n g p o i s o n a n d r e p o s i t i o n . o n e i n t e r f a c e o f m a n - m a c h i n e c o n v e r s a t i o n i s o ff e r e d b y r e m o t e c o n t r o l . t h i s i n t e r f a c e i s d e s i g n e d t o b e s i m p l e a n d c o n v e n i e n t f o r u s e r s . t h e e ff e c t i v e m e a n s t o d e s i g n f u z z y l o g i c c o n t r o l l e r a r e i n t r o d u c e d w h e n c o n t r o l ru l e s a r e c e rt a i n o r u n c e rt a i n w i t h f u z z y l o g i c t o o l b o x a n d s - f u n c t i o n o f m a t l a b . t h e c o r r e s p o n d in g f u z z y l o g i c c o n t r o l s y s t e m i s d e s ig n e d a n d s i m u l a t e d w i t h s i mul i nk. i n t h e e n d o f th i s d i s s e rt a t i o n , t h e c o n t r o l s y s t e m o f b l d c m i s t e s t e d . t h e e x p e r i m e n t s s h o w t h a t t h e s v s t e m o f b l d c m h a s g o o d p e r f o r m a n c e a n d s t a b i l i t y . k e y w o r d s b l d c m e l e c t r i c b e d f u z z y c o n t r o l mc 3 3 0 3 5 8 0 5 1 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 研究背景 本课题来源于本研究所承担的横向 研究课题，研究开发驱动用的高性能无 刷直流电动机控制系统。 随着社会的发展， 人们对自 动化水平的要求越来越高， 电 动床作为现代化产物之一，己 经广泛应用于家庭、医院、 汽车、办公设备等 领域。 在电 动床中， 驱动机构是电动床的核心部件，目 前一般主要有两种类型， 为旋转式和直线式，旋转式采用单相异步电 动机，这种电机采用单相交流电供 电，可靠性、安全性都差，而且有体积大、重量沉的缺点。当前生产电动床的 国内外厂家主要采用直线式驱动机构， 使用低压直流电， 安全性好、 可靠性高、 体积小、重量轻、结构紧凑。 直线式驱动机构一般采用稀土永磁无刷或有刷直 流电机，稀土永磁无刷与有刷直流电动机相比，由于其用电子换向部分取代了 有刷直流电动机的换向部分，电 机可靠性、可维护性都大为提高，而且也有噪 声低、无换向火花、寿命长等优点，特别适合于电动床用驱动电机。 近年来，由 于永磁材料、电 力电 子器件和控制技术等的发展，使得稀土永 磁电动机的成本进一步下降，而性能不断提高，其应用逐渐由军用领域向民用 领域渗透。纵观国内外，电动床用驱动机构正由直线式取代旋转式机构，而稀 土永磁无刷直流电动机由于其自 身的各种优点，随着其成本价格的不断降低， 取代有刷直流电动机也将是今后的发展趋势。当前国外已 有不少厂家生产有刷 直线式驱动机构，如丹麦的 l i n a k公司，国内部分电动床生产厂家也有采用 直线式驱动机构，根据调研，国内厂家所用电机大多为国外进口的有刷电机， 国内自 主研发生产电机的较少，所以 研究开发电动床用高性能稀土永磁无刷直 流电 动机有利于促进我国电动床的发展。 1 . 2 稀土永磁无刷直流电动机及控制器发展概括 稀上永磁无刷直流电动机由三部分组成:电机本体、控制器、位置传感器 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 研究背景 本课题来源于本研究所承担的横向 研究课题，研究开发驱动用的高性能无 刷直流电动机控制系统。 随着社会的发展， 人们对自 动化水平的要求越来越高， 电 动床作为现代化产物之一，己 经广泛应用于家庭、医院、 汽车、办公设备等 领域。 在电 动床中， 驱动机构是电动床的核心部件，目 前一般主要有两种类型， 为旋转式和直线式，旋转式采用单相异步电 动机，这种电机采用单相交流电供 电，可靠性、安全性都差，而且有体积大、重量沉的缺点。当前生产电动床的 国内外厂家主要采用直线式驱动机构， 使用低压直流电， 安全性好、 可靠性高、 体积小、重量轻、结构紧凑。 直线式驱动机构一般采用稀土永磁无刷或有刷直 流电机，稀土永磁无刷与有刷直流电动机相比，由于其用电子换向部分取代了 有刷直流电动机的换向部分，电 机可靠性、可维护性都大为提高，而且也有噪 声低、无换向火花、寿命长等优点，特别适合于电动床用驱动电机。 近年来，由 于永磁材料、电 力电 子器件和控制技术等的发展，使得稀土永 磁电动机的成本进一步下降，而性能不断提高，其应用逐渐由军用领域向民用 领域渗透。纵观国内外，电动床用驱动机构正由直线式取代旋转式机构，而稀 土永磁无刷直流电动机由于其自 身的各种优点，随着其成本价格的不断降低， 取代有刷直流电动机也将是今后的发展趋势。当前国外已 有不少厂家生产有刷 直线式驱动机构，如丹麦的 l i n a k公司，国内部分电动床生产厂家也有采用 直线式驱动机构，根据调研，国内厂家所用电机大多为国外进口的有刷电机， 国内自 主研发生产电机的较少，所以 研究开发电动床用高性能稀土永磁无刷直 流电 动机有利于促进我国电动床的发展。 1 . 2 稀土永磁无刷直流电动机及控制器发展概括 稀上永磁无刷直流电动机由三部分组成:电机本体、控制器、位置传感器 西北工业人学硕士学位论文 里口 .口 色旦 级口旦 曰曰 口目 口目 目 是当代典型的 机电一体化产品，与其它学科的发展息息相关。随着永磁材料、 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， 稀土永磁无刷直流电动机得到了长足的发展。 1 . 2 . 1 永磁材料 永磁材料为无刷电 机建立励磁磁场，相当于普通电 励磁电机的励磁绕组的 作用。由 永磁材料代替励磁绕组， 不仅可以省去励磁装置，没有了励磁损耗， 而且由于永磁材料密度小、磁能积高，有效的提高电 机的功率密度。铝镍钻永 磁材料于上个世纪3 0 年代研制成功， 是第一代永磁材料， 其剩余磁感应强度较 高， 最高可达到l 3 5 t ， 其温度系数较小， 仅为一 0 .0 2 % k - ， 左右， 这些优良的性 能使得这种永磁材料现在仍然被广泛应用于仪器仪表类温度稳定度要求高的场 合。但这种永磁体有矫顽力小、 磁路设计困难等缺点;第二代铁氧体永磁材料 不 含稀土元素、钻、 镍等贵金属，因 此价格低廉，而且有矫顽力大、密度小等 优点，是当 前电 机中 几种永磁材料应用最广的一种。 这种永磁材料的缺点是剩 余磁感应强度低，在电机设计时需要增大永磁体截面积，从而相应的会增大电 机体积;第三代永磁材料是以钱铁硼为代表的高性能稀土永磁材料，其剩余磁 感 应强 度 可 高 达1 .4 7 t , 矫 顽力 可 达 到9 9 2 k a / m ， 最 大 磁能 积高 达3 9 7 .9 k j / m 3 ， 是当前磁能积最高的永磁材料。 其不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生 锈而需涂层处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已 经克服，现钱 铁硼永磁材料最高的工作温度已 可达1 8 0 0 c ， 一般也可达1 5 0 0c ， 已 足以 满足绝 大多数电 机的使用要求。 随着材料科学的发展， 永磁材料的性价比将不断提高， 这就会更加促进永磁电机的发展。 1 . 2 . 2 电力电子器件 无刷直流电动机的最主要的优点就是其换向由电力电子器件来实现，从而 取代了传统的有刷直流电动机中的换向器，因此电力电子器件是无刷直流电动 西北工业人学硕士学位论文 里口 .口 色旦 级口旦 曰曰 口目 口目 目 是当代典型的 机电一体化产品，与其它学科的发展息息相关。随着永磁材料、 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， 稀土永磁无刷直流电动机得到了长足的发展。 1 . 2 . 1 永磁材料 永磁材料为无刷电 机建立励磁磁场，相当于普通电 励磁电机的励磁绕组的 作用。由 永磁材料代替励磁绕组， 不仅可以省去励磁装置，没有了励磁损耗， 而且由于永磁材料密度小、磁能积高，有效的提高电 机的功率密度。铝镍钻永 磁材料于上个世纪3 0 年代研制成功， 是第一代永磁材料， 其剩余磁感应强度较 高， 最高可达到l 3 5 t ， 其温度系数较小， 仅为一 0 .0 2 % k - ， 左右， 这些优良的性 能使得这种永磁材料现在仍然被广泛应用于仪器仪表类温度稳定度要求高的场 合。但这种永磁体有矫顽力小、 磁路设计困难等缺点;第二代铁氧体永磁材料 不 含稀土元素、钻、 镍等贵金属，因 此价格低廉，而且有矫顽力大、密度小等 优点，是当 前电 机中 几种永磁材料应用最广的一种。 这种永磁材料的缺点是剩 余磁感应强度低，在电机设计时需要增大永磁体截面积，从而相应的会增大电 机体积;第三代永磁材料是以钱铁硼为代表的高性能稀土永磁材料，其剩余磁 感 应强 度 可 高 达1 .4 7 t , 矫 顽力 可 达 到9 9 2 k a / m ， 最 大 磁能 积高 达3 9 7 .9 k j / m 3 ， 是当前磁能积最高的永磁材料。 其不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生 锈而需涂层处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已 经克服，现钱 铁硼永磁材料最高的工作温度已 可达1 8 0 0 c ， 一般也可达1 5 0 0c ， 已 足以 满足绝 大多数电 机的使用要求。 随着材料科学的发展， 永磁材料的性价比将不断提高， 这就会更加促进永磁电机的发展。 1 . 2 . 2 电力电子器件 无刷直流电动机的最主要的优点就是其换向由电力电子器件来实现，从而 取代了传统的有刷直流电动机中的换向器，因此电力电子器件是无刷直流电动 西北工业人学硕士学位论文 里口 .口 色旦 级口旦 曰曰 口目 口目 目 是当代典型的 机电一体化产品，与其它学科的发展息息相关。随着永磁材料、 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， 稀土永磁无刷直流电动机得到了长足的发展。 1 . 2 . 1 永磁材料 永磁材料为无刷电 机建立励磁磁场，相当于普通电 励磁电机的励磁绕组的 作用。由 永磁材料代替励磁绕组， 不仅可以省去励磁装置，没有了励磁损耗， 而且由于永磁材料密度小、磁能积高，有效的提高电 机的功率密度。铝镍钻永 磁材料于上个世纪3 0 年代研制成功， 是第一代永磁材料， 其剩余磁感应强度较 高， 最高可达到l 3 5 t ， 其温度系数较小， 仅为一 0 .0 2 % k - ， 左右， 这些优良的性 能使得这种永磁材料现在仍然被广泛应用于仪器仪表类温度稳定度要求高的场 合。但这种永磁体有矫顽力小、 磁路设计困难等缺点;第二代铁氧体永磁材料 不 含稀土元素、钻、 镍等贵金属，因 此价格低廉，而且有矫顽力大、密度小等 优点，是当 前电 机中 几种永磁材料应用最广的一种。 这种永磁材料的缺点是剩 余磁感应强度低，在电机设计时需要增大永磁体截面积，从而相应的会增大电 机体积;第三代永磁材料是以钱铁硼为代表的高性能稀土永磁材料，其剩余磁 感 应强 度 可 高 达1 .4 7 t , 矫 顽力 可 达 到9 9 2 k a / m ， 最 大 磁能 积高 达3 9 7 .9 k j / m 3 ， 是当前磁能积最高的永磁材料。 其不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生 锈而需涂层处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已 经克服，现钱 铁硼永磁材料最高的工作温度已 可达1 8 0 0 c ， 一般也可达1 5 0 0c ， 已 足以 满足绝 大多数电 机的使用要求。 随着材料科学的发展， 永磁材料的性价比将不断提高， 这就会更加促进永磁电机的发展。 1 . 2 . 2 电力电子器件 无刷直流电动机的最主要的优点就是其换向由电力电子器件来实现，从而 取代了传统的有刷直流电动机中的换向器，因此电力电子器件是无刷直流电动 西北工业大学硕士学位论文 机的关键部件，电力电子器件是否工作可靠、是否易于控制直接关系到无刷直 流电动机的性能和成本。 近年来，电力电子器件飞速发展，已从最初的可控硅、功率晶体管发展到 m o s f e t和i g b t以及m c ， 等，不断向着高频化、易于控制的方向发展，如 可控硅和晶体管属于电流控制型器件， 门极控制电路复杂， 而m o s f e t . i g b t 和 mc ， 属于电压控制型器件，大大简化了控制电路。另外，功率管前级控制 和驱动电路也从原来的分立器件向集成芯片方向发展，简化了功率电路的设计 和调试工作， 如 i r ( 国 际整流 器) 公司生 产的i r 2 1 1 0 . i r 2 1 3 0 . i r 2 1 3 6等一系 列控制芯片， 集成了前级驱动、 过流保护等电路， 使得控制电路更为简洁可靠。 近 年 来， i p m ( 智能 功率 模 块 ) 是当 前的 功 率 器件 领 域 研究的 热点 之一， 它 集功 率 器件、前级驱动、保护电路和控制电路于一身，是高度集成化产品，这些器件 的发展必将会使无刷直流电动机的整体性能进一步提升。 1 . 2 . 3 电机转子位置检测 在无刷电机中由 于去掉了换向器，因而位置信号的检测就显得至关重要。 当前检测方式主要是有位置传感器和无位置传感器两种。有位置传感器控制方 式是指在电机本体加入一定的检测装置来获取电机转子位置信号， 如霍尔器件、 光电传感器以及电磁式传感器，是当前应用最为广泛的位置信号检测方式，与 无位置传感器方式相比，由于需要额外的传感器，使电机本体的机构复杂度增 加，而且电机引出线较多，相比而言就降低了系统的可靠性。无位置传感器的 控制方式是当前无刷电机研究的热点问 题之一，一般有反电势法、续流二极管 法、电感法、状态观测器法等。其中以反电势法最为成熟应用也最为广泛，反 电势法就是通过检测电机不导通相绕组的端电压或相电压得到电机换向点，这 种方法所需硬件电路少，实现简单，但低速性能不好，而且对于大电机，需要 补偿由于电枢反应引起的相移，算法复杂;续流二极管法是通过检测反并联于 开关管两端的续流二极管中的电流来换向，可以得到理想的低速性能，缺点是 这种方法需要六套检测装置，而且也需要特殊的控制方式，实现困难，应用比 西北工业大学硕士学位论文 机的关键部件，电力电子器件是否工作可靠、是否易于控制直接关系到无刷直 流电动机的性能和成本。 近年来，电力电子器件飞速发展，已从最初的可控硅、功率晶体管发展到 m o s f e t和i g b t以及m c ， 等，不断向着高频化、易于控制的方向发展，如 可控硅和晶体管属于电流控制型器件， 门极控制电路复杂， 而m o s f e t . i g b t 和 mc ， 属于电压控制型器件，大大简化了控制电路。另外，功率管前级控制 和驱动电路也从原来的分立器件向集成芯片方向发展，简化了功率电路的设计 和调试工作， 如 i r ( 国 际整流 器) 公司生 产的i r 2 1 1 0 . i r 2 1 3 0 . i r 2 1 3 6等一系 列控制芯片， 集成了前级驱动、 过流保护等电路， 使得控制电路更为简洁可靠。 近 年 来， i p m ( 智能 功率 模 块 ) 是当 前的 功 率 器件 领 域 研究的 热点 之一， 它 集功 率 器件、前级驱动、保护电路和控制电路于一身，是高度集成化产品，这些器件 的发展必将会使无刷直流电动机的整体性能进一步提升。 1 . 2 . 3 电机转子位置检测 在无刷电机中由 于去掉了换向器，因而位置信号的检测就显得至关重要。 当前检测方式主要是有位置传感器和无位置传感器两种。有位置传感器控制方 式是指在电机本体加入一定的检测装置来获取电机转子位置信号， 如霍尔器件、 光电传感器以及电磁式传感器，是当前应用最为广泛的位置信号检测方式，与 无位置传感器方式相比，由于需要额外的传感器，使电机本体的机构复杂度增 加，而且电机引出线较多，相比而言就降低了系统的可靠性。无位置传感器的 控制方式是当前无刷电机研究的热点问 题之一，一般有反电势法、续流二极管 法、电感法、状态观测器法等。其中以反电势法最为成熟应用也最为广泛，反 电势法就是通过检测电机不导通相绕组的端电压或相电压得到电机换向点，这 种方法所需硬件电路少，实现简单，但低速性能不好，而且对于大电机，需要 补偿由于电枢反应引起的相移，算法复杂;续流二极管法是通过检测反并联于 开关管两端的续流二极管中的电流来换向，可以得到理想的低速性能，缺点是 这种方法需要六套检测装置，而且也需要特殊的控制方式，实现困难，应用比 西北工业大学硕士学位论文 里 巴里 . .口 . 口里旦组组里巴巨巴 较少; 电感法是通过探测绕组电感的变化来确定电机转子的位置，这种方法只 适应于某些特种电机，应用难度比较大，实现困难;状态观测器法是通过电机 电压和电流计算得到电机转子位置，只适用于正弦波驱动的无刷直流电动机， 需要建立直流无刷电机的数学模型和进行复杂的代数变化，在线计算量大，需 要高性能的微处理器和高速a / d , d s p 的出现和价格的不断下降，使这种控制 方式的实现己成为可能。 1 . 3 本文研究的主要内容和各章节安排 本课题主要研究和开发电动床用稀土永磁无刷直流电动机及其控制器。要 求设计电机在满足力能指标的条件下，尽量提高电 机的功率密度比;控制器采 用高性能专用控制驱动芯片和单片机微处理器，实现模拟数字混合控制，使系 统具有控制、 操作指令输入等功能. 根据电 动床的 使用要求， 其中一般都有两 台或更多的电机同时工作，所以本控制器硬件设计实现了 单控制器对两台电机 控制功能。 1 ) 系统综述 阐述了电动床驱动系统的特殊要求，简要介绍了无刷直流电动机的优点 对比分析了几种目 前常用的电动床电驱动系统的性能及特点，比 较其利弊， 得 出了采用稀土永磁无刷直流电动机驱动可以满足驱动要求的结论。 2 ) 无刷直流电 动机 详细地阐述了无刷主流电动机的工作原理，分析了 无刷直流电动机的内部 结构，推导了无刷直流电动机的数学模型。 电机指标如下: p = 5 5 w u二 2 4 v n , , = 1 6 2 2 r / m i n t n 二 3 3 0 0 g - c m 考虑到实际应用场合要求电机要具有大的起动力矩，故采用有位置传感器 的检测方式，传感器采用霍尔片。 3 ) 控制器的研制 控制器的核心芯片采用电机专用控制驱动芯片mc 3 3 0 3 5和微处理器8 0 5 1 西北工业大学硕士学位论文 里 巴里 . .口 . 口里旦组组里巴巨巴 较少; 电感法是通过探测绕组电感的变化来确定电机转子的位置，这种方法只 适应于某些特种电机，应用难度比较大，实现困难;状态观测器法是通过电机 电压和电流计算得到电机转子位置，只适用于正弦波驱动的无刷直流电动机， 需要建立直流无刷电机的数学模型和进行复杂的代数变化，在线计算量大，需 要高性能的微处理器和高速a / d , d s p 的出现和价格的不断下降，使这种控制 方式的实现己成为可能。 1 . 3 本文研究的主要内容和各章节安排 本课题主要研究和开发电动床用稀土永磁无刷直流电动机及其控制器。要 求设计电机在满足力能指标的条件下，尽量提高电 机的功率密度比;控制器采 用高性能专用控制驱动芯片和单片机微处理器，实现模拟数字混合控制，使系 统具有控制、 操作指令输入等功能. 根据电 动床的 使用要求， 其中一般都有两 台或更多的电机同时工作，所以本控制器硬件设计实现了 单控制器对两台电机 控制功能。 1 ) 系统综述 阐述了电动床驱动系统的特殊要求，简要介绍了无刷直流电动机的优点 对比分析了几种目 前常用的电动床电驱动系统的性能及特点，比 较其利弊， 得 出了采用稀土永磁无刷直流电动机驱动可以满足驱动要求的结论。 2 ) 无刷直流电 动机 详细地阐述了无刷主流电动机的工作原理，分析了 无刷直流电动机的内部 结构，推导了无刷直流电动机的数学模型。 电机指标如下: p = 5 5 w u二 2 4 v n , , = 1 6 2 2 r / m i n t n 二 3 3 0 0 g - c m 考虑到实际应用场合要求电机要具有大的起动力矩，故采用有位置传感器 的检测方式，传感器采用霍尔片。 3 ) 控制器的研制 控制器的核心芯片采用电机专用控制驱动芯片mc 3 3 0 3 5和微处理器8 0 5 1 西北工业人学硕士学位论文 单片机共同组成。控制器同时驱动和控制两套驱动器和两个电机工作，并实现 电机开婷 机和正/ 反转。 m c 3 3 0 3 5 是由m o t o r o l a 生产的高性能单片无刷直流电机控制器系列产品之 一 它包括了实现一全特性、开环、 3 相或4 相电机控制系统全部功能。该器 件采用双极型模拟工艺，在任何恶劣的工业环境下都能保证高品质和稳定性。 m c 3 3 0 3 5 含一个应用于正确整流时序的转子位置译码器， 该芯片可通过其内部 的捕获单元即可方便地得到电机的霍尔信号， 进而为电 机提供正确的换向信号， 并可实现电机的正反转。该芯片具备频率可调的锯齿波振荡器，三个集电极开 路的顶部驱动器和三个非常适用于功率驱动 mo s f e t的大电流推挽式底部驱 动器。 系统采用了8 0 5 1 单片机来实现一个电动床位置记忆功能， 它同时控制两个 驱动器、两个电机工作，并同时控制电 机开/ 停机和正 / 反转。由于单片机位置 记忆辅助功能是通过遥控器控制实现的，当单片机接收遥控器指令后，会根据 所获得的霍尔位置信号判断电机当前的所在位置，然后接收正反转信号，根据 程序，驱动电机运转，带动电动床上下运动，进而可实现电动床位置存储。 4 ) 控制软件编写 论文中单片机软件设计工作，旨 在实现电动床位置记忆辅助功能。软件设 计实际上是通过遥控器要实现的功能来设计的。遥控器为人机交互提供了一个 界面，遥控器有起停键、床体上下升降和俯仰键、四个记忆位置键、位置锁定 键和复位键， 本界面设计简单直观， 用户操作起来方便快捷。 系统软件由以下四个部分组成:主程序、记忆子程序、外部中断程序、定 时器中断程序。单片机内存为4 k ， 具有4 个记忆位置，复位功能实现位置的存 和取，锁存功能实现位置锁定。 5 ) 控制算法的研究 模糊控制仿真 对无刷直流电机控制系统进行尝试性的模糊控制仿真，旨在提高系统的稳 定性。无刷直流电动机是典型的非线性元件，传统分析方法如时域解析法和频 域传递函数法来分析无刷直流电动机系统动态过程显得比较困难，借助 西北工业大学硕 : 学位论文 m a t i .a b 仿 真工 具 箱的f u z z y c o n t r o l 这 个 工 具可以 比 较方 便 地帮 助我 们实 现 系统仿真。 )样机联调，系统测试 最后一部分的样机联调和系统测试是最关键的部分，整个系统的质量就由 最后的系统测试效果决定。文章最后给出联调的实验数据可直接说明本医疗电 动床用无刷直流电 动机控制系统的性能的好坏。 最后还就在调试中出现的故障 问题进行分析讨论，并给出合理可靠的解决办法。 7 )结束语 结束语包括对全文的总结和对未来电 机及其控制系统发展的展望 西北工业大学硕上学位论文 第二章 系统综述 2 . 1 系统要求及组成 随着科学技术的日 益发展，医疗保健行业越来越多的使用自 动化设备。自 动化设备的使用，在提高医疗水平，增强治疗效果，提高病人舒适度方面具有 重要的作用。 电动床医疗设备就是其中重要的一种自 动化治疗设备。医疗电动床是这个 设备当中的关键组成部分之一。其机构示意图如下所示: 图 z -1电 动床运动机构示意图 医院病房的病床大多都是纯机械式的，在需要调节病人的舒适姿态时，医 生是通过摇动床的腰杆来调节床的位置实现的，这种机械式调节床的升降或者 俯仰来调整病人姿态，费时费力，而且由于机械的因素，床的起停升降都很不 柔和，出力不均匀，震动大，病人感觉不舒适。因此电动床必须从病人和医生 双方出发，同时满足病人的舒适性和医生工作的方便性;其次，由于使用电驱 动设备，还要考虑到整个系统的安全性;此外，对于不同体重的病人，例如很 重的病人， 床体能否实现升降 俯仰， 就要考虑到整个驱动系统的带载、 过载能 力，此外，当然还涉及整个系统的成本问题。 考虑到电动床后背的俯仰及整体的升降由两轴驱动即可满足整体要求。因 此，驱动系统采用双电机控制方式，一个电机支持后背的俯仰，另一个电机支 持床体的升降。可见，电机是其中最关键的部件，采用无刷直流电 机驱动，如 论文选题涉及项目 简介当中所述，其具有体积小、负荷能力大、平稳性好、噪 声低等突出优点，正好适合于电动床的要求。控制方案采用无刷直流电机专用 西北工业大学硕上学位论文 第二章 系统综述 2 . 1 系统要求及组成 随着科学技术的日 益发展，医疗保健行业越来越多的使用自 动化设备。自 动化设备的使用，在提高医疗水平，增强治疗效果，提高病人舒适度方面具有 重要的作用。 电动床医疗设备就是其中重要的一种自 动化治疗设备。医疗电动床是这个 设备当中的关键组成部分之一。其机构示意图如下所示: 图 z -1电 动床运动机构示意图 医院病房的病床大多都是纯机械式的，在需要调节病人的舒适姿态时，医 生是通过摇动床的腰杆来调节床的位置实现的，这种机械式调节床的升降或者 俯仰来调整病人姿态，费时费力，而且由于机械的因素，床的起停升降都很不 柔和，出力不均匀，震动大，病人感觉不舒适。因此电动床必须从病人和医生 双方出发，同时满足病人的舒适性和医生工作的方便性;其次，由于使用电驱 动设备，还要考虑到整个系统的安全性;此外，对于不同体重的病人，例如很 重的病人， 床体能否实现升降 俯仰， 就要考虑到整个驱动系统的带载、 过载能 力，此外，当然还涉及整个系统的成本问题。 考虑到电动床后背的俯仰及整体的升降由两轴驱动即可满足整体要求。因 此，驱动系统采用双电机控制方式，一个电机支持后背的俯仰，另一个电机支 持床体的升降。可见，电机是其中最关键的部件，采用无刷直流电 机驱动，如 论文选题涉及项目 简介当中所述，其具有体积小、负荷能力大、平稳性好、噪 声低等突出优点，正好适合于电动床的要求。控制方案采用无刷直流电机专用 西北工业人学硕十学位论文 控制芯片和单片机相结合的复合控制器控制，简化了 控制系统的线路设计，提 高了综合性能， 降低了整体成本， 并且对于实现诸如位置记忆等智能化的控制， 都给出了可实现的硬件条件， 此外，此种驱动系统还可以扩展到诸如汽车、制 造业流水线机器人、 工业伺服、 航空航天等领域，不仅具有很强的研究价值， 还具有很强的市场前景。 系统结构如图2 - 2 所示。 其中， 2 2 0 v的交流电经变压器和整流桥变成直流 电，直流电源两路给两个功率驱动电路供电，两路给两个驱动器供电，还有一 路给单片机供电。 一个单片机控制两套驱动机构同时工作，电 机的霍尔位置信 号经转子位置传感器反馈给单片机和驱动电 路，构成p 调节的转速闭环控制。 当电动床上升和下降到达它的极限位置时，电动床的限位传感器可以给控制器 提供一个卡位信号。 图2 - 2系统结构简图 2 . 2 无刷直流电动机的优点 稀土永磁无刷直流电 动机效率高、性能好、结构简单、散热容易、转速不 受机械换向限制、噪声小、安全可靠、无须维修、寿命长，不仅如此，还有以 下优越性: 1 . 由于稀土永磁材料的高磁能积， 使得电 机可以明显降低重量， 减小体积， 提高效率。 相对于交流异步电 机， 体积可以减小2 0 %以上。其与其它类型的 电动机效率的比较如图2 一所示。 2 . 稀土永磁材料的矫顽力h e 高， 剩磁b ; 大， 因而可产生很大的气隙磁通， 西北工业人学硕十学位论文 控制芯片和单片机相结合的复合控制器控制，简化了 控制系统的线路设计，提 高了综合性能， 降低了整体成本， 并且对于实现诸如位置记忆等智能化的控制， 都给出了可实现的硬件条件， 此外，此种驱动系统还可以扩展到诸如汽车、制 造业流水线机器人、 工业伺服、 航空航天等领域，不仅具有很强的研究价值， 还具有很强的市场前景。 系统结构如图2 - 2 所示。 其中， 2 2 0 v的交流电经变压器和整流桥变成直流 电，直流电源两路给两个功率驱动电路供电，两路给两个驱动器供电，还有一 路给单片机供电。 一个单片机控制两套驱动机构同时工作，电 机的霍尔位置信 号经转子位置传感器反馈给单片机和驱动电 路，构成p 调节的转速闭环控制。 当电动床上升和下降到达它的极限位置时，电动床的限位传感器可以给控制器 提供一个卡位信号。 图2 - 2系统结构简图 2 . 2 无刷直流电动机的优点 稀土永磁无刷直流电 动机效率高、性能好、结构简单、散热容易、转速不 受机械换向限制、噪声小、安全可靠、无须维修、寿命长，不仅如此，还有以 下优越性: 1 . 由于稀土永磁材料的高磁能积， 使得电 机可以明显降低重量， 减小体积， 提高效率。 相对于交流异步电 机， 体积可以减小2 0 %以上。其与其它类型的 电动机效率的比较如图2 一所示。 2 . 稀土永磁材料的矫顽力h e 高， 剩磁b ; 大， 因而可产生很大的气隙磁通， 西北工业大学硕上学位论文 . . . . . . . . . . . . . . . . 大大缩小了永磁体转子的外径， 从而减小转子的转动惯量， 降低时间常数， 改 善电机的动态特性。同时，在保持一定气隙磁感应强度的条件下，气隙宽度可 以选取较大值，这样可以减小由于齿槽效应引起的力矩波动，也可抑制电枢反 应对力矩波动的影响。 100% 一口 9 m 口 f r w k “ - 日 0 飞 以明75x挑 j a w% 由 于采用永磁转子， 没有激磁损耗 的问 题， 综合效率高出1 0 2 0 % 左右 ( 依据功率大小而定 ) ， 低 速转矩更大， 启 动转矩可达额定三倍， 转速精度可达1 / 3 0 0 0 ， 不受电压与负载变动的影响。电 机 西北工业大学硕士 学位论文 里 里 口 巴 里 旦 口曰.里绝里里里里 可以 做成密闭型或防尘防爆型等结构。因此能够完全取代传统有刷直流电机， 而且运转费用更低， 没有保养维修的烦恼。 图2 - 4 为无刷直流电动机与有刷直流 及欧盟 c e me d效率标准。 无剧直流电机 - 夕 一， 一尸，. 一.护 ， 闷 “一 ， -一 一.， -一 浏黔眺哪哪 0 . 7 5 1 . 1 1 . 5 2 . 2 3 4 5 . 5 t . 5 1 1 1 5 1 8 . 5丝 加 3 i 石f .朽 助 图2 - 4无刷直流电机与有刷直流电机的比较 2 . 3 电动机的几种主流控制方法 电动机控制主要经历了几个阶段， 模拟电路及分离式元件组成的控制电路， 由于其控制电路复杂， 稳定性不强， 因此， 逐步被高级的数字控制方式所取代。 这些高级的数控方式主要采用单片机控制， 抑或是d s p控制。近来随着电 子 器件工艺水平的提高，用高集成度模拟芯片专门 控制电机又有枯木逢春之势。 以下简要介绍这几种控制方式。 2 . 3 . 1 单片机控制 从 八十年 代开始， 微处理器 ( 单片 机) 逐 渐流行于电 机控制当中。 其具 有如下 特点: ( 1 )电 路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路复杂，采用微处理 西北工业大学硕士 学位论文 里 里 口 巴 里 旦 口曰.里绝里里里里 可以 做成密闭型或防尘防爆型等结构。因此能够完全取代传统有刷直流电机， 而且运转费用更低， 没有保养维修的烦恼。 图2 - 4 为无刷直流电动机与有刷直流 及欧盟 c e me d效率标准。 无剧直流电机 - 夕 一， 一尸，. 一.护 ， 闷 “一 ， -一 一.， -一 浏黔眺哪哪 0 . 7 5 1 . 1 1 . 5 2 . 2 3 4 5 . 5 t . 5 1 1 1 5 1 8 . 5丝 加 3 i 石f .朽 助 图2 - 4无刷直流电机与有刷直流电机的比较 2 . 3 电动机的几种主流控制方法 电动机控制主要经历了几个阶段， 模拟电路及分离式元件组成的控制电路， 由于其控制电路复杂， 稳定性不强， 因此， 逐步被高级的数字控制方式所取代。 这些高级的数控方式主要采用单片机控制， 抑或是d s p控制。近来随着电 子 器件工艺水平的提高，用高集成度模拟芯片专门 控制电机又有枯木逢春之势。 以下简要介绍这几种控制方式。 2 . 3 . 1 单片机控制 从 八十年 代开始， 微处理器 ( 单片 机) 逐 渐流行于电 机控制当中。 其具 有如下 特点: ( 1 )电 路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路复杂，采用微处理 西北工业大学硕士 学位论文 里 里 口 巴 里 旦 口曰.里绝里里里里 可以 做成密闭型或防尘防爆型等结构。因此能够完全取代传统有刷直流电机， 而且运转费用更低， 没有保养维修的烦恼。 图2 - 4 为无刷直流电动机与有刷直流 及欧盟 c e me d效率标准。 无剧直流电机 - 夕 一， 一尸，. 一.护 ， 闷 “一 ， -一 一.， -一 浏黔眺哪哪 0 . 7 5 1 . 1 1 . 5 2 . 2 3 4 5 . 5 t . 5 1 1 1 5 1 8 . 5丝 加 3 i 石f .朽 助 图2 - 4无刷直流电机与有刷直流电机的比较 2 . 3 电动机的几种主流控制方法 电动机控制主要经历了几个阶段， 模拟电路及分离式元件组成的控制电路， 由于其控制电路复杂， 稳定性不强， 因此， 逐步被高级的数字控制方式所取代。 这些高级的数控方式主要采用单片机控制， 抑或是d s p控制。近来随着电 子 器件工艺水平的提高，用高集成度模拟芯片专门 控制电机又有枯木逢春之势。 以下简要介绍这几种控制方式。 2 . 3 . 1 单片机控制 从 八十年 代开始， 微处理器 ( 单片 机) 逐 渐流行于电 机控制当中。 其具 有如下 特点: ( 1 )电 路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路复杂，采用微处理 西北工业大学硕士学位论文 器后，绝大多数控制逻辑可以通过软件实现。 ( 2 ) 可以 实 现较复杂的 控制 微处理器有更强的逻辑功能。 运算速度快、 精度高、 有大容量的存储单元， 因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等. ( 3 ) 灵活性和适应性强 微处理器的控制方式是由软件完成的。如果须要修改控制规律，一般不必 改变系统的硬件电路，只须修改程序即可。在系统调试和升级时。可以不 断尝试选择最优参数，非常方便。 () 无零点漂移， 控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论被控量的大 或小，都可以保证足够的控制精度。 ( 5 ) 可 提供 人机 界面， 多 机 联网 工 作 单片机有较强的控制功能、低廉的 成本。 人们在选择电 动机的控制器时， 常常是在满足功能的需要的同时， 优先选择成本低的控制器。因此，单片 机往往成为优先选择的目 标。从最近的统计数字也可以看出，世界上每年 要有2 5 亿片各种单片机投入使用。 单片机是目 前世界使用量最大的 微处理 器 10 近年来， 新一代的各种各样的单片机不断出 现。新型单片机都具有如下特点。 ( 1 )内 部增加了 很多模块，如p wm 发生模块、比 较和捕捉模块、 a / d转换模 块、看门狗、串行总线接口等，使新一代的单片机功能大为增强。 ( 2 )由 于采用了 流水线技术，执行指令和提取指令可同时完成，因此， 新一代 的单片机比老一代的单片机速度快了一倍以上。 (3 ) 由 于 采用了 同 步串 行总 线， 及内 部f l a s h存储 器， 大 大 减 少了 单片 机的 外部引脚，因此，单片机的个头也越来越小。此外，采用了 休眠省电工作 方式及3 . 3 v供电， 使得单片机功耗也得以降 低。 这对于移动设备中电 动机 控制是相当有意义的。例如可以有效提高诸如数码摄像机、笔记本电脑等 的不插电使用时间。 西北工业大学硕士学位论文 2 . 3 . 2 d s p控制 数字信号