无刷直流电动机的单片机控制与仿真毕业设计.doc

华北科技学院毕业设计 论文 I 无刷直流电动机的单片机控制与仿真毕业设计无刷直流电动机的单片机控制与仿真毕业设计 目 录 设计总说明 1 GENERAL DESCRIPTION OF THE DESIGN 3 1 绪 论 5 1 1 课题研究的背景和意义 5 1 2 本课题的研究现状 6 1 2 1 本课题研究的国外现状 6 1 2 2 本课题研究的国内现状 7 1 3 课题研究主要内容 7 2 永磁无刷直流电动机的工作原理 9 2 1 倒直流无刷电动机的结构 9 2 2 直流无刷电动机工作原理 10 2 3 直流无刷电动机的电动机特性 13 2 3 1 机械特性 13 2 3 2 调节特性 14 2 4 永磁无刷电动机的数学模型 14 2 5 本章小结 15 3 BLDC 控制系统的硬件设计 16 3 1 控制核心及按键电路 16 3 2 转速显示部分及档位显示部分 17 3 3 驱动电路 19 3 4 转速检测电路 20 3 5 直流无刷电动机的 Proteus 仿真模型 21 3 6 本章小结 22 4 BLDC 控制系统的软件设计 23 4 1 软件部分综述 23 4 2 主函数 25 倒立摆系统模糊神经网络控制实现 II 4 3 显示函数 26 4 4 按键检测函数 27 4 5 PWM 波发生函数 29 4 6 电动机控制逻辑 32 4 7 PID 控制与实现 33 4 7 1 PID 控制的基本概念 33 4 7 2 PID 的参数整定 34 4 7 3 PID 算法的程序编写 35 4 8 本章小结 37 5 BLDC 转速控制系统的仿真 38 5 1 仿真环境简介 38 5 2 仿真步骤 40 5 3 波形分析 44 5 4 本章小结 46 总结与展望 47 参考文献 49 附录 A 51 附录 B 61 附录 C 62 本科期间发表论文 63 致 谢 63 无刷直流电动机的控制与仿真 第 63 页 共 63 页 无刷直流电动机的单片机控制与仿真 设计总说明 无刷电动机是一种用电子换向取代机械换向的新一代电动机 与传统的直流电动 机相比 其具有过载能力强 低电压特性好 启动电流小等优点 同时由于采用了电 子换向取代了机械换向 使电动机的使用寿命得到很大的提高 所以近年来在工业运 用方面大有取代传统直流电动机的趋势 研究无刷直流电动机的驱动控制技术具有重 要的实际应用价值 无刷电动机是一个高阶次 多变量 不稳定 强耦合的非线性系统 对无刷电动 机的控制难度要大大高于传统的直流电动机 所以在完善无刷直流电动机硬件的基础 上 研究探索无刷电动机的控制算法 并把算法通过与嵌入式微处理器 MCU 结合 将算法应用到实际的控制系统中 这已成为当今电动机控制领域的一大热点 本设计硬件部分通过 Proteus 进行仿真 通过 Proteus 搭建无刷直流电动机转速控 制系统的仿真平台 软件部分则以 keil C51 为开发环境 基于 80C51 的控制核心 主 要用 C 语言进行编程 在实现了直流无刷电动机开环速度调节的基础上 引入闭环转 速调节和 PID 控制策略 同时加入了按键检测以及转速显示 最后实现了对电动机的 加速 减速 正反转等控制以及在消除速度误差及稳速方面做了积极地探索 最后为 实际系统的设计提供了有效的理论实践基础 在本次设计的核心是在以 80C51 芯片为控制单元的硬件基础同时采用位置式 PID 算法 每隔一定的周期对无刷电动机的转速进行检测 然后利用 AD 转换器将采集到 的转速信号经转换后变成实际的转速 利用静态 LED 显示单元将转速显示出来同时将 此转速信号与设定目标作差 将差值输入 PID 控制器 经过 PID 控制算法的运算得到 的结果作为控制信号 根据控制信号改变驱动无刷电机的逆变器的场效应管的导通时 间和换向方式 从而使转速逐渐接近目标转速 本次设计的硬件基础是基于 Proteus 仿真平台搭建的 Proteus 是著名的 EDA 工具 是目前唯一能将电路仿真软件 PCB 设计软件和虚拟模型仿真三合一的实验平台 其 不仅可以在虚拟环境中完成硬件电路的设计 还实现了从概念到产品的完整设计 其 处理器模型支持 51 系列 AVR 系列 ARM 系列等主流嵌入式处理器 在编译方面也 支持 keil C51 MATLAB 等众多编译器 在进行进行仿真时支持实时调试 实现各种 华北科技学院毕业设计 论文 第 1 页 共 63 页 控制算法并观测输出结果 有助于降低开发成本和开发周期 提高设计效率 本次设 计利用 Proteus 元件库所提供的硬件模型 主要有 80C51 IR2101 74ls373 AD1674 MOSFET 等 搭建了直流无刷电动机的驱动电路 转速检测电路 按键检测电路 以及转速显示电路 在结合 Keil 进行软件系统的开发 成功地实现了无刷直流电动机转速控制系统的仿真 同时利用 Proteus 提供的虚拟仪表 观测了单片机输出的控制脉冲的波形 电动机各项的实际电压 转速输出的波形等直 流无刷电机的控制参数 Keil 是 51 系列兼容单片机 C 语言的开发系统 C51 在功能上 结构性 可读性 可维护性都远超汇编语言 ASM 由于 ASM 的编程需要过多的考虑到芯片内部的结 构 所以缺乏可移植性 而且程序往往会变得很复杂 使用 C51 就能避免这些问题 借助丰富的库函数 C51 能利用较少的代码实现诸如求正切这样复杂的函数 甚至能 较轻松地编出复杂的嵌入式系统 而且易学易用 但是 Keil 提供了包括 C 编译器 宏 汇编 连接器 库管理和功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案 通过集成开 发环境 将这些部分组合在了一起 本次设计是在搭建出基本的硬件电路后 针对 80C51 进行软件模块化设计 依次完成了按键检测模块 显示模块 电动机控制模块 等 为了获得准确的延时时间 本系统的延时模块采用汇编语言编写 通过汇编语言 与 C 语言的接口 API 实现对汇编语言函数的调用 关键词 无刷直流电动机 单片机 Proteus C51 PID 仿真 MCU control and simulation of brushless DC motor General description of the design 无刷直流电动机的控制与仿真 第 63 页 共 63 页 Brushless motor is a kind of electronic commutation instead of a new generation of mechanical commutation motor Compared with the traditional DC motor which has strong overload capacity low voltage characteristics starting current etc also the electronic commutation is used to replace the mechanical commutation the service life of the motor has been greatly improved so in recent years in industrial utilization is the trend to replace the traditional DC motor the no brush DC motor drive and control technology has important practical application value However brushless motor is a high order multivariable and unstable nonlinear system with strong coupling must not have the control difficulty of the brushless motor is much higher than that of the traditional DC motor so in the perfect hardware of Brushless DC motor based on study and explore the brushless electric machine control algorithm and the algorithm by bind to and embedded microcontroller unit MCU algorithm is applied to actual control system it has become a hot spot in the current motor control field The design of the hardware part of the Proteus simulation by Proteus build no brush DC motor speed control system simulation platform The software uses keil C51 as development environment control core based on 80C51 the main use of C language programming In the realization of the of DC brushless motor speed regulation based and joined the closed loop speed control position type PID control strategy is introduced also joined the key detection and speed display and finally to achieve the motor acceleration deceleration positive and negative rotation control and in the elimination of speed error and steady speed do active exploration Finally provides a theoretical and practical foundation for the design of the actual system effectively PID refers to the proportional integral differential control is a linear combination ofproportional integral and differential control In the single loop control system the disturbance makes the controlled parameters deviate from the given value resulting indeviation Automatic control system of regulating unit will come from value measurement of the transducer and the given value comparison of deviation ratio integral and derivative PID algorithm and output standard signal to control the action of the implementing agencies in order to realize the automatic control of temperature pressure flow and other process parameters The PID controller is simple and easy to understand without the use of accurate grasp system model and other prerequisites thus it has become the most widely used controller In this design the position type PID algorithm based on 80C51 Using AD converter will be collected the speed signal after conversion into actual speed signal and 华北科技学院毕业设计 论文 第 3 页 共 63 页 speed signal and set a goal for the poor the differential input PID controller through the PID control algorithm to obtain the control signal Proteus is famous EDA tools is the only way to circuit simulation software PCB design software and virtual model to simulate the experimental platform It can not only complete the hardware circuit design in virtual environment but also to achieve a complete design from concept to product The processor model support series of 51 AVR arm series mainstream embedded processor in the compilation also supports many compiler Keil C51 MATLAB etc In the simulation support real time debugging and achieve a variety of control algorithm and observe the output results to reduce the development cost and cycle improve the design efficiency A DC brushless motor control parameters studied the design using Proteus component library provided by the hardware model mainly 80C51 ir2101 74ls373 AD1674 MOSFET steps to build a DC brushless motor drive circuit speed detection circuit a key detection circuit and the speed display circuit and successfully realized the simulation of the brushless DC motor speed control system and provided by Proteus virtual instrument Keil is 51 series compatible microcontroller C language development system C51 in function structure readability maintenance of far exceeds that of assembly language ASM due to the ASM programming need too much considering the chip internal structure so the lack of portability and programs tend to become very complex Using C51 can avoid these problems with rich library function C51 can use less code to achieve functions such as calculating tangent of such a complex and even easier to compile a complex embedded systems and is easy to learn and use Keil offers including the C compiler macro assembler linker library management and powerful simulation debugger complete development plan through the integrated development environment the combination of these sections together This design is after build the basic hardware circuit and is designed for the 80C51 of modular software design In order to complete the key detection module display module motor control module in order to obtain the exact delay time and the system time delay module using assembly language to write through the assembly language and C language interface API implementation calls the function of assembly language Keywords brushless DC motor control simulation C51 proteus 无刷直流电动机的控制与仿真 第 63 页 共 63 页 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 无刷直流电动机是上世纪六七十年代发展起来的结合了多学科技术的一种新型电动 机 其最大特点就是没有换向器 整流子 和电刷组成的机械接触机构 它通常采用 永磁体为转子 没有激磁损耗 发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上 这样 热 阻较小 散热容易 结合机电一体化 具有高速度 高效率 高动态响应 高热容量 和高可靠性 无换向火花等优点 同时还具有低噪声和长寿命等特点无刷直流电动机 是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电动机 它是现代工业 设备 现代科学技术和军事装备中重要的机电元件之一 与普通直流电动机相比 无刷直流电动机既有相似点 也有其独有的特点 所谓相 似点 在结构上无刷电动机和有刷电动机有相似之处 也有转子和定子 只不过和有 刷电动机的结构相反 有刷电动机的转子是线圈绕组 和动力输出轴相连 定子是永 磁磁钢 无刷电动机的转子是永磁磁钢 连同外壳一起和输出轴相连 定子是绕组线 圈 去掉了有刷电动机用来交替变换电磁场的换向电刷 故称之为无刷电动机 Brushless motor 所谓不同点 在工作原理上无刷直流电动机是采用半导体开关器 件来实现电子换向的 即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷 需要三相 桥式逆变电路将直流电变成三相电 同时无刷直流电动机一般带有位置传感器位置传 感按转子位置的变化 沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流 即检测转子磁极相 对定子绕组的位置 并在确定的位置处产生位置传感信号 经信号转换电路处理后去 控制功率开关电路 按一定的逻辑关系进行绕组电流切换 而且无刷电动机去除了电 刷 没有了有刷电动机运转时产生的电火花 极大减少了电火花对遥控无线电设备的 干扰 同时 运转时摩擦力大大减小 运行顺畅 噪音会低许多 增加了系统的稳定 性 因为少了电刷 无刷电动机的磨损主要是在轴承上 从机械角度看 无刷电动机 几乎是一种免维护的电动机了 只需做一些除尘维护即可 正是由于无刷电动机有如此多的优势 二十一世纪伊始至今掀起了无刷电机替代传 统的直流电动机热潮 许多学校和科研机构都投入到无刷电动机的研究当中 有人说 二十一世纪是 无刷电机广泛运用的时代 目前无刷电动机已广泛应用于各种领域 如宇宙航行 航海 医疗仪器 分析仪器 材料处理 过程控制 机床工业 纺织工业和轻工机械等 华北科技学院毕业设计 论文 第 5 页 共 63 页 1 2 本课题的研究现状 目前永磁无刷电动机的研究热点分为两个方向 一是对无位置传感器的无刷电机 转子位置检测及转速估算 二是如何改进永磁无刷电动机的控制算法 发展较为完善 的无位置传感器位置信号检测方法主要有四种 续流二极管法 反电动势法 电感法 以及状态观测法 其中 反电动势法 是目前最常见和应用最广泛的一种 但这种方 法是以忽略电枢反应影响为前提的 所以存在一定的固有误差 大功率型永磁无刷直 流电动机的电枢反应对气隙合成磁场的影响十分明显 所以大功率永磁无刷电机的反 电动势过零点与总的感生电动势过零点电动势不重合 这就使电枢反应的影响扩大 导致检出的转子位置误差增大 由于电动机静止或转速较低时的反电动势很小几乎为 零 所以几乎无法通过反电动势过零点检测来得到正确的位置信号 这就导致电动机 启动困难 且使得严电动机的调速范围变窄 所以 研究如何在无位置传感器永磁无 刷直流电动机中采用何种控制算法使得能更精确的检测转子的位置信号就成为当前一 个十分重要的课题 随着单片机技术的发展以及数字信号处理器 DSP 的应用和推 广 使得位置检测可以通过 IC 芯片配合一定算法实现 采用 MCU 以实现无位置传感 器的位置检测和估算已成为研究的热点和趋势 永磁无刷直流电动机转速控制系统设计的一个重要发展方向就是采用数字信号处 理器的数字控制电路 以 MCU 芯片为核心的控制系统并不是一个单纯依靠硬件控制电 路 它还必须与合理的软件控制策略相配合 这也为控制系统的设计带来更大的灵活 性 软件设计必然涉及控制算法的研究和应用 永磁无刷电动机的转速 电流控制必 须由硬件系统的配合具有正确的控制算法的软件系统才能有良好的闭环控制效果 而 不同的的控制算法能直接影响控制效果的好坏 1 2 1 国外研究现状 美国的科学家早在二十世纪三十年代就开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的 无刷直流电动机 并取得了一定的科研成果 但是当时大功率电力电子器件刚刚得到 发展 没有理想的电子换向代替机械向的器件 使得无刷电动机只能停留在实验室研 究阶段 美国 D 哈里森等人在 1955 年首次成功实现了应用晶体管换向代替电动机机械 换向 这是现代无刷直流电动机的原型 但由于该电动机尚无启动转矩故依然只能停 留在研究阶段 后来又经过人们多年的努力 通过霍尔元件进行转子位置检测来实现 换向的无刷电动机终于在 1962 年问世 从而开创了无刷直流电动机产品化的新纪元 七十年代以来 随着电力电子工业飞速发展 许多新型的高性能半导体功率器件相继 无刷直流电动机的控制与仿真 第 63 页 共 63 页 出现 以及高性能永磁材料的问世 均为无刷电动机及其调速系统的广泛应用奠定了 坚实的基础 又经过 40 多年的发展 目前无刷直流电动机及其调速系统在技术上已经 比较成熟 在大量应用中已显示出优良的特性 应用范围几乎覆盖所有电动机的驱动 领域 并可以起到其他类电动机所不能达到的功能 国际上一些专家指出 21 世纪是 无刷电动机广泛应用大发展的时期 将为所有新一代的机电一体化产品设计师所采用 现代的永磁无刷直流电动机转速控制系统在硬件上有着朝总线化发展的趋势 而在软 件上则朝着嵌入式操作系统平台发展的趋势 从而可以使得控制系统自身就具有局域 网甚至互联网上网的功能 这样就为远程监控提供了方便 1 2 2 国内研究现状 我国直流永磁无刷电动机的研制工作开始于二十世纪七十年代 主要集中在一些 科研院校 经过三十多年的发展 目前我国已有几种系列产品生产 如 ST 系列 1FTS 系列 ASM 系列等 但到目前为止仍无国家标准 限于我国元器件水平及相关 理论没有得到充分的实践验证 尤其是制造工艺和加工设备较国际先进水准差别较大 所以目前我国的永磁无刷直流电动机的综合研制水平仍低于国际先进水平 有待于进 一步的研发 目前 国内研发的和生产的永磁无刷电动机主要用于军工设备 而在空 调器 电冰箱 洗衣机及微型风机等方面应用无刷电动机仍需大力推广 图 1 1 无刷电动机实物图 1 3 课题研究的主要内容 本课题首先研究了直流永磁无刷电动机的数学模型 理解其状态空间表达式的推 导过程 然后选择合适的控制方式 再利用 Proteus 仿真平台 搭建无刷电动机的驱动 电路 控制电路 转速显示电路完成硬件设计 利用 keil C51 编写程序从而实现永磁 无刷电动机的调速 正转 反转 转速显示 档位显示 最后 通过 AD 转换器对无 华北科技学院毕业设计 论文 第 7 页 共 63 页 刷电动机进行速度信号采集 引入 PID 控制策略 形成转速单闭环控制 在如何减小 误差及保持转速稳定方面做了积极的探索 本论文分为五章 各章内容如下 第 1 章对本课题的背景 意义以及无刷电动机的研究现状进行了综述 第 2 章阐述永磁无刷直流电动机的工作原理 推导其机械特性 并最终得到其数 学模型 第 3 章主要介绍永磁无刷直流电动机转速控制系统的硬件设计部分 各部分电路 的工作原理 元件选型等 第 4 章主要介绍永磁无刷直流电动机转速控制系统的程序部分 阐述各部分程序 所实现的功能 以及 PID 算法的程序化 第 5 章主要介绍了使用 Proteus 对软件部分硬件部分综合仿真以简单开环的转速控 制系统作为对比 分析仿真后的波形 最后对本文主要工作进行了总结 并对后续工作提出展望 无刷直流电动机的控制与仿真 第 63 页 共 63 页 2 永磁无刷直流电动机的工作原理 2 1 直流无刷电动机的结构 直流无刷电动机与一般直流电动机具有相同的工作原理和应用特性 其组成是不一 样的 除了电动机本身外 前者还多一个换向电路 电动机本身和换向电路紧密结合 在一起 许多小功率电动机的电动机本身是与换向电路合成一体 从外观上看直流无 刷电动机与直流电动机完全一样 直流无刷电动机的电动机本身是机电能量转换部分 它除了电动机电枢 永磁励磁两部分外 还带有传感器 电动机本身是直流无刷电动 机的核心 它不仅关系到性能指标 噪声振动 可靠性和使用寿命等 还涉及制造费 用及产品成本 由于采用永磁磁场 使直流无刷电动机摆脱一般直流电动机的传统设 计和结构 满足各种应用市场的要求 并向着省铜节材 制造简便的方向发展 永磁 磁场的发展与永磁材料的应用密切相关 第三代永磁材料的应用 促使直流无刷电动 机向高效率 小型化 节能方向迈进 为了实现电子换向必须有位置信号来控制电路 早期用机电位置传感器获得位置信号 现已逐步用电子式位置传感器或其它方法得到 位置信号 最简便的方法是利用电枢绕组的电势信号作为位置信号 实现电动机转速 的控制必须有速度信号 用获得位置信号相近方法取得速度信号 最简单的速度传感 器是测频式测速发电动机与电子线路相结合 直流无刷电动机的换向电路由驱动及控 制两部分组成 这两部分是不容易分开的 尤其小功率用电路往往将两者集成化成为 单一专用集成电路 在功率较大的电动机中 驱动电路和控制电路可各自成为一体 驱动电路输出电功率 驱动电动机的电枢绕组 并受控于控制电路 目前 驱动电路 已从线性放大状态转成脉宽调制的开关状态 相应电路组成也从晶体管分立电路转成 模块化集成电路 模块化集成电路有功率双极晶体管 功率场效应管和隔离栅场效应 双极晶体管等组成形式 虽然 隔离栅场效应双极晶体管价格较贵 但从可靠安全和 性能角度看 选用它还是较合适的 控制电路用作控制电动机的转速 转向 电流 或 转矩 以及保护电动机的过流 过压 过热等 上述参数容易转成模拟信号 用此来控 制较简单 但从发展来看 电动机的参数应转换成数字量 通过数字式控制电路来控 制电动机 当前 控制电路有专用集成电路 微处理器和数字信号处理器等三种组成 方式 在对电动机控制要求不高的场合 专用集成电路组成控制电路是简单实用的方 式 与有刷直流电动机不同 BLDC 电动机具有固定的电枢与旋转的磁场 因此 华北科技学院毕业设计 论文 第 9 页 共 63 页 BLDC 电动机无需像有刷直流电动机那样使用换向器和电刷来使电动机转动 它的主 要组成 电动机本体 转子位置传感器以及电子换相电路 直流无刷电动机结构如图 2 1 图 2 1 直流无刷电动机结构 电动机本体的主要部件是定子和转子 定子部分与有刷电动机不同 直流无刷电 动机的定子最主要的部件就是线圈绕组了 电动机要把电能转化为机械能 就要把转 子动起来 转子转起来就可得到相互作用的磁场 当直流无刷电动机接上电源后 电 流就会接入线圈 就会得到磁动势 和转子的磁场相互作用 就会得到电功率 从而 实现电动机把电能转化为机械能的这一过程 直流无刷电动机的转子对电动机来讲有 比较重要的地位 它是产生励磁磁场的主要器件之一 图 2 2 直流无刷电动机逆变器结构图 直流无刷电动机要能够转动起来 除了电动机本体以外 还需要电子换相电路与转 子位置传感器的共同配合 这当中 使用转子位置传感器的目的是来检测转子磁极的 位置 并将这个位置信号及时传给电动机控制器 让它能够正确地驱动电子换相电路 电子换相电路 如图 2 2 所示 由六只晶体管组成 它在电动机运转当中有着至关重 要的作用 2 2 直流无刷电动机工作原理 无刷直流电动机的控制与仿真 第 63 页 共 63 页 直流无刷电动机是由电动机主体和驱动器两部分组成 由于没有电刷 所以要将转 子制作成永磁体 而将线圈绕组放在定子上去 这样修改后的结构正好与一般直流电动 机恰恰相反 然而 如果只给直流无刷电动机通入固定的直流电流 那么直流无刷电 动机只可以产生不变的磁场 直流无刷电动机不能转动起来 为了能够使电动机转动 起来 只有实时检测直流无刷电动机转子的位置 再根据转子的位置给直流无刷电动 机的不同相通以对应的电流 使定子能够产生方向均匀变化的旋转磁场 电动机 6 步 通电顺序如图所示 每步三个绕组中一个绕组流入电流 一个绕组流出电流 一个绕 组不导通 通电顺序如下 1 V1 V4 2 V5 V4 3 V5 V2 4 V3 V2 5 V3 V6 6 V1 V6 磁场开始旋转 由于磁力作用转子磁极被牵引旋转 磁场顺时针旋转的时候 电 动机顺时针旋转的顺序 1 2 3 4 5 6 磁场逆时针旋转的时候 电动机逆时针 旋转的顺序 6 5 4 3 2 1 图 2 3 电动机 6 步通电顺序 通过六只晶体管组成的换相电路 来给电动机供电 它的换相过程如图 2 4 所示 华北科技学院毕业设计 论文 第 11 页 共 63 页 图 2 4 换相过程示意图 霍尔传感器输出的二进制编码控制 6 个功率管的导通 它由逻辑电路或软件编程实 现 此外 可以通过改变定子绕组电压的大小来改变电动机速度 最终实现了 BLDC 电动机的调速控制 所谓霍尔传感器 是指利用霍尔效应制成的传感器 霍尔效应是一种电磁效应 是 指运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用引起的偏转 当带电粒子 电子或空穴 被约束在固体材料中 这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚 积 从而形成附加的横向电场 被称为霍尔电压 霍尔电压随磁场强度的变化而变化 磁场越强 电压越高 磁场越弱 电压越低 霍尔电压值一般只有几毫伏 但如果通过功率放大器放大 就能使该电压放大到足以 输出较强的信号 若使霍尔集成电路起传感作用 需要用机械的方法来改变磁场强度 下图所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关 当叶轮叶片处于磁铁和 无刷直流电动机的控制与仿真 第 63 页 共 63 页 霍尔集成电路之间的气隙中时 磁场偏离集成片 霍尔电压消失 这样 霍尔集成电 路的输出电压的变化 就能表示出叶轮驱动轴的某一位置 霍尔效应传感器属于被动 型传感器 它要有外加电源才能工作 这一特点使它能检测转速低的运转情况 图 2 5 霍尔传感器工作原理示意图 图 2 6 无刷电机中的霍尔传感器 2 3 直流无刷电动机特性 2 3 1 机械特性 在机械特性的表达式上 BLDC 电动机的机械特性和一般直流电动机相比都具有 比较好的机械特性 无刷电动机的机械特性曲线簇见图 2 7 华北科技学院毕业设计 论文 第 13 页 共 63 页 图 2 7 机械特性曲线簇 直流无刷电动机在转矩较低时机械特性最好 在转矩较大 转速较小的情况下机械 特性有所变化 曲线向下弯曲的原因是 在转矩很大 转速较小的情况下 电流会变得 很大 造成管压降变化加快 使电压减小 机械特性曲线就会偏离原来的直线 2 3 2 调节特性 BLDC 电动机的调节特性如图 2 8 所示 图 2 8 无刷电机的调节特性 从图 2 5 上能够看出 BLDC 电动机具有较好的调节特性 较好的机械特性和调节 特性为 BLDC 电动机良好的调速性能打下了基础 2 4 永磁无刷电动机的数学模型 无刷直流电动机 BLDCM 既有传统直流电动机的调节特性 又有交流电动机无刷 的优点 在快速性 可控性 可靠性 输出转矩 结构 耐受环境和经济性等方面具 有明显的优势 近年来得到迅速推广 以三相六状态 BLDCM 为对象 分析直流无刷电动机的数学模型及电磁转矩特性 当忽略齿槽效应和电枢反应 三相绕组电压方程可以表示为 2 1 c b a c b a c b a s s s 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 式中 表示电动机定子绕组相电压 表示电动机定子绕组 a u b u c u a e b e c e 电动势 表示电动机定子绕组相电流 分别表示电动机绕组自感和 a i b i c i LM 无刷直流电动机的控制与仿真 第 63 页 共 63 页 定子绕组之间的互感 表示电动机定子绕组电阻 p 为微分算子 s R 转矩方程 2 2 ea ab bc c Te ie ie i 运动方程为 2 3 eLmm TTBJ 式中 为阻尼系数 为负载转矩 为转动惯量 上述两式表明 电动机反电 B L T J 势 相电流 转速与负载转矩存在着相互关系 一些变量具有时变特性 系统存在干 扰等 传统的 PID 控制器难以适应 2 5 本章小结 本章主要分析直流无刷电动机的工作原理及控制过程同时介绍了无刷电动机的数 学模型 并在此基础上对直流无刷电动机的机械特性 调节特性简单分析 分别与传 统直流电动机和三相交流电机的机械特性作比较 突出无刷电机的优良性能 在最后 得出其转矩方程和运动方程以便之后对系统能更好的分析设计 华北科技学院毕业设计 论文 第 15 页 共 63 页 3 BLDC 控制系统的硬件设计 硬件部分的组成框图如图 3 1 所示 主要部分由控制核心 转速显示部分 档位 显示部分 按键检测部分 转速检测及反馈部分 电动机驱动电路 六部分构成 AT89 S52 单 片 机 PID 档位显示 按键检测 ID2101驱动电路 无 刷 直 流 电 动 机 AD1674转速反馈 转速显示 图 3 1 无刷直流电动机控制系统硬件组成 3 1 控制核心及按键电路 控制核心采用 Atmel 公司的 80C51 芯片 80C51 属于 MCS 51 系列单片机 80C51 有两个 16 位定时计数器 两个外中断 两个定时计数中断 及一个串行中断 并有 4 个 8 位并行输入口 80C51 内部有时钟电路 但需要石英晶体和微调电容外接 本系统中采用 12MHz 的晶振 由于 80C51 的系统性能满足系统数据采集及时间精度的 要求 而且产品产量丰富来源广 应用也很成熟 故采用来作为控制核心 图 3 2 为控制核心与按键检测部分的基本接线 图中 C1 C3 R1 R2 CY 构成 了单片机最小系统 CY 是 12MHZ 的石英晶振 复位电路采用按键复位 图中 B1 B5 是 5 个自复位按钮 由于所需按键比较少 采用独立按键 使用点动开关分别实现启动 OPEN 加 速 UP 减速 DOWN 反转 CPL 停止 CLOSE 无刷直流电动机的控制与仿真 第 63 页 共 63 页 图 3 2 主控芯片及按键部分 在本次设计中使用了 80C51 的外部中断接口 0 INT0 用作按键检测 见图 3 3 通过四个与门构成中断触发电路 当有任何一个按键按下去时 tap 端都会产生下 降沿从而引发中断 P0 口用作数据输出总线 P2 口用作地址输出总线 P2 0 P2 1 档 位显示 P2 2 pwm 输出地址 P2 3 转速检测地址 P2 4 P2 8 转速输出显示地址 图 3 3 按键检测部分 3 2 转速显示部分及档位显示部分 显示部分均采用 7 端共阴极二极管配合 74LS373 的 led 静态显示 这是因为对无 刷电动机控制需要严格的时间控制 虽然动态显示的硬件连接简单而且功耗低 但是 由于其需要一定的延时消除 残影 故不能采用 74ls373 为三态输出的八 D 锁存器 当三态允许控制端 OE 为低电平时 Q0 Q7 为正常逻辑状态 可用来驱动负载或总线 当 OE 为高电平时 Q0 Q7 呈高阻态 即不驱动总线 也不为总线的负载 但锁存器内部的逻辑操作不受影响 当锁存允许 端 LE 为高电平时 Q 随数据 D 而变 当 LE 为低电平时 D 被锁存在已建立的数 华北科技学院毕业设计 论文 第 17 页 共 63 页 据电平 当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用 使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV 图 3 4 74ls373 真值表 图 3 5 转速显示部分 图 3 6 档位显示部分 上图均为无刷直流电动机控制系统的转速显示部分 其中 图 3 5 为转速显示 图 3 6 为档位显示部分 图中每一个七段数码管均对应一个排阻 REP 和 RP 这是由 于 80C51 的带负载能力不强 排阻用于作上拉电阻以增大电流 易于驱动发光二极管 每一个数码管还对应接有一个 74ls373 用于锁存需要数码管显示的数字段码 从 无刷直流电动机的控制与仿真 第 63 页 共 63 页 而实现静态显示 其中 373 的 OE 端直接接地 而其片选端 CE 用于做地址线决定哪个 数码管选通 3 3 驱动电路 本文对无刷电动机的控制采用三相全桥电路 二二导通六状态导通方式 使用了 6 个 N 沟道功率 MOSFET 管 SMP60N06 构成三相桥式逆变器 见图 3 8 由于 80C51 带载能力弱 输出电流小 故用 IR2101 驱动控制功率管的通断 IR2101 是双通道 栅极驱动 高压高速功率驱动器 该器件采用了高度集成的电 平转换技术 大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求 同时提高了驱动电路的可 靠性 同时上管采用外部自举电容上电 使驱动电源数目较其他 IC 驱动大大减少 在 工程上减少了控制变压器体积和电源数目 降低了产品成本 提高了系统可靠性 IR2101 采用 HVIC 和闩锁抗干扰制造工艺 集成 DIP SOIC 封装 其主要特性 包括 悬浮通道电源采用自举电路 功率器件栅极驱动电压范围 10 20 V 逻辑电源 范围 5 20 V 而且逻辑电源地和功率地之间允许 5 V 的偏移量 带有下拉电阻的 CNOS 施密特输入端 方便与 LSTTL 和 CMOS 电平匹配 独立的低端和高端输入通道 IR2101 的内部结构框图如图 3 7 所示 图 3 7 IR2101 的内部结构框图 HIN 为逻辑输入高 LIN 为逻辑输入低 VB 为高端浮动供应 HO 为高边栅极驱 动器输出 Vs 为高端浮动供应返回 Voc 为电源 LO 为低边栅极驱动器输出 COM 为公共端 图 3 9 为一桥臂 IR2101 的接法 D2 是快恢复二极管 BYT30 C4 为自举电容 选取 C4 的电容值为 2 2uf 华北科技学院毕业设计 论文 第 19 页 共 63 页 图 3 8 三相全桥逆变器 图 3 9 IR2101 接法 3 4 转速检测电路 转速检测电路采用逐次比较型 12 位 A D 转换器 AD1674 采用双极性输入方式 由于输入电压范围为 10V 10V 所以在无刷电动机的 omega 输出端接滑动变阻器分压 AD1674 是美国 AD 公司生产的 12 位逐次比较型 A D 转换器 转换时间为 10 s 单通 道最大采集速率 100kHz 由于芯片内有三态输出缓冲电路 因而可直接与各种典型的 8 位或 16 位的单片机相连 AD1674 片内集成有高精度的基准电压源和时钟电路 从 而使该芯片在不需要任何外加电路和时钟信号的情况下完成 A D 转换且采用并行输出 使用非常方便 AD1674 的主要特点包括 具有可控三态输出缓冲器 12 位数据可以 在一个读周期中输出 也可分在两个周期中依次输出 内置 10V 的电压基准源 内置 时钟电路 无需外部时钟 可实现单极性模拟量输人 也可实现双极性模拟量输入 无刷直流电动机的控制与仿真 第 63 页 共 63 页 内置采样保持电路 支持转换器的整个耐奎斯特带宽 采样保持器对用户是透明的 无需查询其等待状态 AD1674 有两种工作模式 一是完全控制模式 一是独立工作模式 在完全控制模 式下 使用了所有的控制信号 该模式用于当系统中地址总线上挂接有多个设备的情 况 独立工作模式用于系统中有专门的输人端口 无需全部的总线接口功能 双极性 输入时 输出的转换结果 D 与模拟输入电压 VIN 之间的关系为 VFS VIN 1 2048 D 或 式中 VFS 为基准电压 2VFS1 2048 DVIN 图 3 10 转速检测部分 AD1674 的 STS 是 A D 转换器的工作状态指示信号 一旦启动 A D 转换 STS 变 为高电平 当转换结束 STS 变为低电平 单片机既可以用中断方式也可以用查询方 式判断 AD1674 的工作状态 3 5 直流无刷电动机的 Prote