（模式识别与智能系统专业论文）基于st7的直流无刷电机控制系统设计与实现.pdf

哈尔滨- 丁程大学硕士学位论文 摘要 永磁无刷直流电动机实际上是以电子换向代替机械换向的直流电动机， 因而保持了直流电动机的优良特性，具有较好的起动和调速性能，又因它无 需机械换向器使电机的结构简单，可以从根本上克服一般有刷直流电动机易 于产生换向火花的弊病，在航天、机器人、数控机床等许多工业领域己得到 广泛应用。近年来随着电力电子和控制技术的迅猛发展，永磁直流无刷电机 以其体积小、重量轻、高效低噪、单机容量大、可靠性高的特点，成为了新 一代电力推进电机。 数字信号处理技术及其硬件芯片的迅猛发展，为实现对永磁直流无刷电 机快速、可靠地控制提供了有利条件。s t m i c r o e l e c t r o n i c s 公司专门为电机的 控制设计了8 位控制器s t 7 f m c l k 2 。该芯片集成了许多直流无刷电动机控 制外围电路，特别适合于无刷直流电动机的控制，可以为高性能传动控制提 供可靠而高效的信号处理与控制硬件，具有很高的性价比。 本文以电动自行车用直流无刷电机控制系统的实际要求为背景，设计与 实现了基于s t 7 的转速和电流双闭环无刷直流电动机经典p i d 控制系统。其 中系统硬件部分完成了基于s t 7 的外围扩展电路、驱动电路、电流检测电路 等设计，然后完成系统软件设计以及p i d 控制算法，最后对整个控制系统进 行了实验验证，对实验中出现的问题进行了分析并提出了改进的方法。 对无刷直流电机模糊控制系统进行了计算机仿真，给出了模糊p i d 控制 器设计步骤并建立了模糊控制规则。相对于参数固定的经典p i d 控制器，模 糊p i d 控制器具有可根据被控制对象的当前状态在线调整控制器自身的能 力，满足了无刷直流电动机工况变化的要求。仿真结果表明，模糊p i d 控制 系统相对于经典p i d 控制系统具有响应速度更快、超调更小、稳定性更好的 特点，对实际系统具有一定的应用价值。 关键词：s t 7 f m c l k 2 ；直流无刷电动机；模糊p i d 控制；计算机仿真 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ep e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o ri sad cm o t o ru s i n ge l e c t r o n i c c o m m u n i c a t i o ni np l a c eo fm e c h a n i c a lc o m m u n i c a t i o ni nf a c t ，s oi th a se x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i co fd cm o t o r s ，f o re x a m p l eg o o ds t a r ta n dt i m i n gp e r f o r m a n c e 。i t s i m p l i f i e st h e m o t o r ss t r u c t u r ea n do v e r c o m e st h ef r i c t i o nd i s a d v a n t a g e so f o r d i n a r yd cm o t o r , b e c a u s ei t d o e s n tu s em e c h a n i c a lc o m m u n i c a t i o n 。i ti s e x t e n s i v e l yu s e di na v i a t i o n s ，r o b o t s ，d i g i t a lm a c h i n e t o o la n ds oo n t h e s ey e a r s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e r - e l e c t r o n i c st e c h n i q u ea n dm i c r o c o n t r o l t e c h n i q u e ，p e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s sd cm o t o ri s c h a r a c t e r i z e db ys m a l l v o l u m e ，l i g h tw e i g h t ，h i g he f f i c i e n c y , l o wn o i s e s ，b i gs t a n d a l o n ec a p a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t ya p p e a r e da n dm a t u r e d 。s oi t i sh o p e f u lt ob e c o m en e wg e n e r a t i o n e l e c t r i cp r o p u l s i o nm o t o r t h eg r e a td e v e l o p m e n to fd i g i t a ls i g n a l sp r o c e s s o r sa n dh a r d w a r ec h i p sh e l p t or e a l i z ep e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s sd cm o t o r sf a s ta n dr e l i a b l ec o n t r 0 1 s t m i c r o e l e c t r o n i c so f f e r san e w8 - b i tc o n t r o l l e rs t 7 f m c 1k 2 ，s p e c i f i c a l l y d e s i g n e df o rt h en e e d so fd i g i t a lm o t o rc o n t r 0 1 t h i sc h i pi n t e g r a t e dm a n y b l d c m o t o rc o n t r o lp e r i p h e r yc i r c u i t , s u i t e ds p e c i a l l yi nb l d cm o t o rc o n t r o l ，w h i c h p r o v i d er e l i a b l e a n dt h e h i g h l ye f f e c t i v es i g n a lp r o c e s s i n g a n dt h ec o n t r o l h a r d w a r ef o rt h eh i g hp e r f o r m a n c e ，i th a dt h ev e r yh i g hp e r f o r m a n c et op r i c e r a t i o t a k i n gt h ea c t u a lr e q u e s to fb l d c m o t o rc o n t r o l l e ro fe l e c t r i c a l l yo p e r a t e d b i c y c l ea sab a c k g r o u n d ，b l d cm o t o rc l a s s i cp i dc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d a n di m p l e m e n t e di nt h i sa r t i c l e h a r d w a r ed e s i g no fb l d cm o t o rc o n t r o ls y s t e m i n c l u d i n gt h eb a s i ce x p a n do fs t 7 f m c 1k 2 ，酗v ec i r c u i ta n dc u r r e n t - d e t e c t i n g c i r c u i ta n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ed i g i t a lp i da l g o r i t h ma r eu s e di nt h es y s t e m f i n a l l yt h ee x p e r i m e n t a lc o n f i r m a t i o nh a sb e e nc a r r i e do nt o t h ee n t i r ec o n t r o l s y s t e m ，t h eq u e s t i o nw a sa n a l y z e di nt h ee x p e r i m e n ta n d t h ei m p r o v e m e n tm e t h o d w a s p r o p o s e d 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 f u z z ya p p r o a c hc o n t r o ls y s t e mo fb l d c mi ss i m u l a t e d a b o v ea l l ，t h e a p p r o a c ho ff u z z yp i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d ，e s p e c i a l l yt h ec o n f i r m i n go ft h e f u z z yc o n t r o lr u l e s r e l a t i v et oc l a s s i c a lp i dc o n t r o l l e ro fw h i c ht h r e ep a r a m e t e r s a r ef i x e d f u z z yp i dc o n t r o l l e rc a nr e g u l a t et h et h r e ep a r a m e t e r si nt h ed y n a m i c c o n t r o la c c o r d i n gt oc o n t r o l l e do b j e c t t h er e s u l to fs i m u l m i o ns h o w s ，t h e a d o p t i o no ff u z z yp i dc o n t r o l l e rc a nm a k et h es y s t e mh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c e s s u c ha sq u i c k e rr e s p o n s e s m a l l e ro v e rs h o o ta n dt h es t e a d y - s t a t ee r r o r t h e s i m u l m i o nh a ss o m ev a l u et ot h er e a ls y s t e m k e yw o rds ：s t 7 f m c1k 2 ；b l d c m ；f u z z y p i dc o n t r o l ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：猫煎 日期：渺g 年弓月多e l 哈尔滨下程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 永磁直流无刷电机的发展 永磁直流无刷电动机衅m b l d c m ：p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd i r e c t c u r r e n tm o t o r ) 是指无机械电蓐| l 和换向器( 或集电环) 的永磁直流电机，又称无 换向器永磁直流电机，它是近年随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种 新型电机，它魇一套电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置， 保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能，同时又克服了有刷直流 电动机机械换向带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等一系列的缺点， 而且降低了制造成本，简化了电机维修，因此在各个领域中得到广泛应用。 例如：计算机的软盘驱动装置、人工智能机器人、c d 机、空调器、电动交 通工具乃至航空、航天、航海进等。除具有有劂直流电机的优点终，还具有 高能量密度、高转矩惯性、高效率等特点，同时，现代电力电子技术和永磁 材料的发展又为其发展提供了便利条件，因此p m b l d c m 具有很强的生命 力和发展前途。 早在1 9 1 7 年，b o l i g e r 就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷， 从而诞生了无届l 直流电机的基本思想。在上世纪3 0 年代，就有入开始研制以 电子换向来代替电刷机械换向的无刷直流电动机，并且取得了一定的成果。 但是壶于当时大功率电子器件仅处予初级发展阶段，没能找到理想的电子换 相元器件，使得这种电机只能停留在实验室研究阶段，而无法推广使用。1 9 5 5 年，美国d 。h a r r i s o n 等人善次申请了臀晶体管换向线路代替有刷巍流电动机 机械电刷的专利，诞生了现代无刷电机的雏形。无刷直流电机真正进入实用 阶段应从1 9 7 8 年开始，当时原薅德m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在 汉诺威贸易博览会上，正式推出m a c 经典无届8 直流电机及其驱动器。7 0 年 代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件， 如g t r 、m o s f e t 、i g b t 等相继出现，以及高性能永磁材料，如杉钴、钕 铁硼等的问世，明显的减轻了电机的重量，减小了电机的外型尺寸。采用稀 土嵩性麓永磁材料徽转子的稀土永磁无刷直流电视，具骞体积小、重量轻、 哈尔滨工程大学硕十学位论文 电磁转矩脉动小、出力大、结构简单、工作可靠、调速性能好、免维护等优 点，非常适用于数控设备中的伺服驱动。我国是稀土的高出产国家，研究稀 土永磁无刷电机更具有现实意义。二十世纪8 0 年代在国际上对永磁无刷电机 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。目前，无刷直 流电机在国际上已得到较为充分的发展n 3 。 1 2 永磁直流无刷电机的现状 从上个世纪8 0 年代至今，国外的研发及生产始终领先于国内。国外在无 刷直流电动机发展的早期，主要致力于将更加先进的电力电子器件和材料应 用于直流无刷电动机以提高它的性能。但直流无刷电动机在低速运行时的转 矩脉动过大，这是采用优良的电机设计和先进的器件所无法从根本上取得突 破的瓶颈。在8 0 年代以后，随着磁性材料( 尤其是高性能的稀土永磁材料) 、 电力电子器件和专用控制器的迅速发展，明显改善了直流无刷电动机特性的 同时，人们又把对直流无刷电动机研究的目光转移到电子换向、稀土永磁材 料以及智能控制三个方面，试图以此来抑制直流无刷电动机的转矩波动。 在电子换向方面，主要分为对电流的控制和对转子位置的检测两个方面。 对电流的控制一般采用稳频两态和电流分时反馈等技术，而对转子位置的检 测，传统的方法是采用位置传感器。为了减轻系统的负担，国外的一些学者 提出无位置传感器法。特别是在1 9 8 0 年，h l e h u y 等人提出了利用转子旋转 时定子绕组中的感应电动势进行位置检测，这就是所谓的“反电动势法”。1 9 9 0 年s o g a s a w a r 提出了续流二极管法，它通过检测反向并装在驱动三极槽上的 二极管的导通状态来得出转子的位置。以后一些学者于1 9 9 4 年提出了基于定 子磁链估计的检测方法，通过相电压、线电流信号计算出定子绕组各相的磁 链，再根据磁链得到转子位置信号，此方法虽然计算稍复杂，但是误差小、 调速范围广，适用于正弦方波无刷直流电动机，是一种较理想的检测方法， 在国外己经开始应用于实践。这些方法的提出，使人们更加清楚了解转子的 位置变化。在永磁材料方面，人们采用了杉钻、钕铁硼等新型永磁材料。在 智能控制方面，1 9 8 4 年，美国通用电气公n ( g e ) 推出了一种所谓的智能电机， 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 引起了国际的注目。其实这种电机是一种以微处理器作为控制芯片的无刷直 流电动机，这种电机具有较宽的调速范围，且低噪声、高效率可实现一定程 度的“智能操作。它一问世就受到了家用电器设计者的青睐，初期应用予 吊扇，可实现无级调速，后来逐步应用于洗衣机、空调器和冰箱等家用电器 产燕，使这些家电实现了省电、多功能、宣动控制，按软件程序工作。后来， 人们把直流无刷电动机应用于精密电子设备、工业自动化设备以及汽车工业 均取得的亘大的成功。进入9 0 年代以后，伴随着微处理器芯片性能的提高和 智能控制理论的迅速发展，国外开始采用d s p 等微处理器作为控制核心，采 用先进的智能算法开发产品，结果表明开发出来的产品有效地抑制了转矩脉 动潮。 我国直流无刷电动机的研制工作开始于7 0 年代初期，主要是为我国自行 。研制的军事装置和宇航技术发展而配套。由于数量少，由某些科研单位试制 制作就能满足耍求。经过2 0 多年的发展，虽然在新产品开发方面缩短了与国 际先进水平的差距，但由于直流无刷电动机是集电机、微电子、电力电子、 控制、计算机等技术予一身的高科技产晶，受到我国基础工业落后的制约， 因此无论产量、质量、品种及应用与国际先进水平都有着较大的差距。目前 国内的研制单位虽不少，但形成一定批量的单位却屈指可数，而且其中绝大 部分属于低档的无刷风机，且产品毫无市场竞争能力。直流无刷电机的应用 ，前景十分广阔，我国的科研单位正致力予吸收匡外先进的技术，开发出具有 市场竞争能力的产品。 1 3 直流无刷电动机有待研究的问题 1 ) 转矩脉动懵1 隧前，直流无刷毫动视存在的最主要的闽题就是存在转矩脉动。由于转 矩存在脉动，使得直流无刷电动机在交流伺服系统中的应用受到了限制，尤 其是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。尤其是 用于视听设备、电影机械、计算机中的直流无刷电动机，篼要求运行平稳、 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。 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 转矩脉动产生的原因主要有：齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动；谐 波引起的转矩脉动；由于电枢等效电感的影响，由换相电流引起的转矩脉动。 目前，针对不同的产生原因，人们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消除转矩的脉 动，因而转矩的脉动还有待于进一步的研究。 2 ) 无位置传感器的转子位置检测 无位置传感器转子位置检测的方法主要有：反电动势法、续流二极管法、 电感法和状态观测法。其中反电动势法是最常见和应用最广泛的方法。但该 方法是在忽略电枢反应的基础上的，在原理上就存在误差，对于大功率无刷 电动机，电枢反应对气隙磁密的影响更明显，误差也就更大。另一方面，电 机在启动和低速时，反电动势为零或很小，很难通过反电动势来检测转子位 置，无位置传感器的无刷电动机存在启动问题。因此，如何在大功率无刷电 动机中补偿反电动势法造成的转子位置信号的误差，以及如何克服反电动势 法中电动机的启动问题，是急需解决的。对于启动问题，一般采用先用其他 方法启动之后再切换到无位置传感器的运行方法。 3 ) 智能控制 随着信息技术和控制理论的发展，在运动控制领域中，一个新的发展方 向就是先进控制理论，尤其是智能控制理论的应用。目前，专家系统、模糊 逻辑控制和神经网络控制是三个最主要的理论和方法。其中，模糊控制是把 一些具有模糊性的成熟经验和规则有机地融人到传统控制策略当中，现已成 功地应用到许多方面。随着直流无刷电动机应用范围的扩大，智能控制技术 将受到更广泛的重视。 4 ) 抗干扰 电磁兼容在应用电子线路中已经日益受到人们的重视。直流无刷电动机 是一种电子电机，同样有抗干扰和防止对外界干扰的要求。直流无刷电动机 控制器是强、弱电共存的电路，对于采用p w m 高频调制脉冲的控制器，高 的调制频率很容易对控制器其他线路产生干扰，必须认真处理其间的电磁干 扰和电磁兼容问题，另外还存在地线的干扰。尽管抗干扰对于直流无刷电动 机的设计是相当重要的，但却容易被研究和设计人员所忽视，所以对直流无 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 刷电动机的抗干扰进行研究很有必要。 1 4 本文的研究内容和意义 我国稀土资源丰富，稀土矿的储藏量为世界其它各国总和的4 倍左右， 号称“稀土之国”。而且我国是一个能源很缺乏的国家，因此，充分发挥我国 的稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种 永磁电机，对我国的建设、发展具有重大意义。现在，世界各国对永磁无刷 直流电动机的研究与开发都在不断的进行，其应用领域也是越来越广。 我国许多院校和研究部门也在着力于这种电动机的研发工作，使其在性 能上有进一步的提高，迎合越来越高的要求和需要。正是在这种情况下，本 论文选择了永磁无刷直流电动机作为课题的研究对象。 本论文的主要目的是通过分析永磁直流无刷电动机的结构特点、数学模 型以及控制规律，来设计、研究永磁直流无刷电动机的控制器。控制器是永 磁无刷直流电动机工作的重要组成环节，在电动机本体确定的前提下，其工 作性能的好坏完全取决于控制器性能的好坏。我们就是要通过开发试制控制 器来实际分析电动机的工作性能，并且提出改善和提高性能的方法和方案。 国内在无刷直流电机控制系统领域理论研究多，而实现的系统少，本论 文针对这种发展现状，将侧重点放在系统的基本实现上，开发设计出一套能 够实现无刷直流电机控制的完整软硬件系统，初步实现无刷直流电机的闭环 控制。对高性能无刷直流电机控制系统在我国的开发应用进行了一些微薄的 探索。最后在根据实验中出现了一些问题，提出一些解决的办法。研究内容 主要有以下几大块：无刷直流电机的特点和发展现状；无刷直流电机的结构 和原理及调速理论；无刷直流电机控制系统的硬件设计；无刷直流电机控制 系统的软件设计；实验调试与分析；无刷直流电机模糊控制系统的建模与仿 真分析。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章直流无刷电机系统的组成及工作原理 2 。1 直流无刷电动机的组成 图2 1 直流无捌电动机的结构框图 直流无刷电动机的结构框图如图2 1 所示。它主要由无刷电动机( 定子和 转子) 、位置传感器和电子换向电路三大部分组成。 2 。 。 无j l l l 电动机 无刷电动机在结构上与永磁同步电动机相似，但是没有笼型绕组和其它 的起动装置。其定子绕组一般为多相( 三相、四相、五相不等) ，转予由永久 磁钢按一定的极对数组成。 构成直流无刷电动机转子的永久磁钢与有刷电机中所使用的永久磁钢的 作用相似，都是在电机的气隙中建立足够的磁场。其不同之处在于，直流无 刷电动机中永久磁钢装在转子上，面有捌直流电机的磁钢装在定子上。永久 磁钢目前多使用稀土永磁材料，如钕铁硼和杉钻等。由于转子磁钢的几何形 状不阕，使雩譬转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。缓此，当 转子旋转时，在定子上产生的反电动势也有两种形式，一种为正弦波形，另 一种为梯形波。习惯上将正弦波永磁同步电动机称为正弦型永磁同步电动枫 ( p m s m ) ，而梯形波永磁同步电动机，在原理和控制方式上基本与直流电动机 类似，故称为直流无刷电动机( b l d c m ) 或方波电动机。本文的控制对象就是 直流无刷电动机。 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 1 2 位置传感器 位置传感器在直流无刷电动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。位置传感器的种类很多，且各 具特点。目前在直流无刷电动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 电磁式位置传感器利用电磁效应来测量转子位置。传感器由定子和转子 两部分组成。定子由磁芯、高频励磁绕组和输出绕组组成。定、转子磁芯均 由高频导磁材料( 如软铁氧体) 制成。电机运行时，输入和输出绕组通过定、 转子磁芯藕合，输出绕组中感应出高频信号，经滤波整形处理后，用于控制 逆变器开关管。这种传感器机械强度高，可经受较大的震动冲击，它的输出 信号较大，一般不需要放大便可驱动开关管，但输出电压是交流，需先整流。 缺点是过于笨重复杂。 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。若干个光电藕合开关沿圆周分布， 每个光电藕合开关由相互对着的红外发光二极管和光敏三极管组成。遮光板 处于发光二极管和光敏三极管中间，盘上开有一定角度的窗口。红外发光二 极管通电后发出红外光，遮光板随着电机转子一起旋转，红外光间断地照在 光敏三极管上，使其不断地导通和截止，它输出的信号反应了电机转子的位 置，经放大电路后输出位置信号。 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。磁敏式位置传感器利用 电流的磁效应进行工作，所组成的位置检测器由与转子同极数的永磁检测转 子和多支空间均布的磁敏元件构成。目前，常用的磁敏元件为霍尔元件或霍 尔集成电路，它们在磁场作用下产生霍尔电动势，经整形、放大后得到所需 7 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 的电压信号，即位置信号。 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，从而起到了机械电刷和换向器的换向作用。直流无刷电动机的 电子换向电路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。但是，由位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率 逻辑开关单元，需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。 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。早期的直流无刷电动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m o s f e t 或i g b t 构成，具有控制容易、开关频率 高、可靠性高等诸多优点。 2 2 直流无刷电动机的工作原理 在直流无刷电动机中，借助反映转子位置的传感器的输出信号，通过电 子换相线路去驱动与电枢绕组联接的相应的功率开关元件，使电枢绕组依次 馈电，从而在主定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转 子的转动，位置传感器不断的送出信号，改变电枢绕组的通电状态，使得在 某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是直流无刷电动机的无接 触式换流过程的实质。和直流有刷电动机相比，就不难看出，其实直流无刷 哈尔滨下程大学硕十学位论文 电动机和有刷直流电机一样，本身都是一台同步电机，只是有刷直流电机中 加的是一个机械的换向器和电刷，而直流无刷电动机中采用电子换向装置， 电子逆变器代替机械换向器和电刷的作用。尽管二者构造不同，但它们所起 的作用却是完全相同的，都是为了实现直流电机的换相。 为了更加详细地阐述直流无刷电动机的工作原理和特点，下面以实例来 加以简要说明。图2 2 是绕组为星形接法的三相直流无刷电动机半桥驱动电 路原理图。此处采用光电器件作为位置传感器，以三个功率场效应晶体管 m 1 、m 2 、m 3 构成功率逻辑单元。三个光电器件v p l 、v p 2 、v p 3 的安装位 置各相差1 2 0 度，均匀的分布在电动机一端，借助于安装在电动机轴上的旋 转遮光板的作用，使得从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并依 照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。图2 2 所示的转 子位置和图2 3 ( a ) 所示的位置相对应。 尊圣三黟oa 二( ：印f , o a 奠警o a 耋 图2 3 开关次序与定子磁场旋转示意图 9 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 假定此时光电器件v p l 被照射，从而使功率场效应晶体管m 1 呈导通状 态，电流流入绕组a a ，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子 的磁极按照图2 3 中箭头方向( 顺时针方向) 转动。当转子转过1 2 0 度后( 图 2 3 ( b ) ) ，直接装在转子轴上的旋转遮光板也跟着同时转动，并遮住v p l 而使 v p 2 受光照射，从而使功率场效应晶体管m 1 截止，功率场效应晶体管m 2 导通，电流从绕组a a 断开而流入绕组b b ，使得转子磁极继续顺时针转动， 同时带动遮光板顺时针旋转。当转子磁极再次转过1 2 0 度后( 图2 3 ( c ) ) ，此 时旋转遮光板己经遮住v p 2 而使v p 3 受光照射，从而使功率场效应晶体管 m 2 截止，功率场效应晶体管m 3 导通，电流流入绕组c c ，于是驱动转子磁 极继续顺时针旋转，转过1 2 0 度后，( 图2 3 ( d ) ) 重新回到图2 3 ( a ) 的位置， 开始下一次的旋转。这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在 位置传感器v p l 、v p 2 、v p 3 的控制下，一相一相地依次通电，实现了各相 绕组电流的换向h 1 。 上述过程可以看成是按一定顺序换相通电的过程，或者说是磁场旋转的 过程。在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙中所形成的旋转磁场是跳跃 式运动的。这种旋转磁场在一周内有三种状态，每种磁场状态持续1 2 0 度。 它们跟踪转子并与转子的磁场相互作用，能够产生推动转子持续转动的转矩。 不同的绕组接法和驱动方式的选择将会使电动机产生不同的性能并且成 本也不同，主要从以下三个方面来进行分析： 1 ) 绕组利用率 无刷直流电动机的绕组是断续通电的，适当的提高绕组通电利用率将可 以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度来看，三相 比四相好，四相比五相好，全桥比半桥好。 2 ) 转矩的波动 无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机大，因此希望尽量减 小转矩波动。一般相数越多，转矩的波动越小，全桥驱动比半桥驱动转矩的 波动小。 3 ) 电路成本 相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高，全桥驱动比半桥 驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本 1 0 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 也高。 综合上述分析，三相电机星形连接全桥驱动方式综合性能最好，应用最 多，本系统即是选择的这种控制方式，下面一节介绍三相直流无刷电动机星 形连接全桥驱动的基本原理。 2 3 三相星形全桥驱动基本原理 目前采用三相星形全桥驱动方式的直流无刷电动机以绕组利用率高、转 矩的波动较小和电路成本较低的优势，使用得最广泛。在本设计中使用的就 是该种驱动方式的电路。下面主要针对该种电路加以介绍。图2 4 是三相直 流无刷电机星形全桥驱动方式的电路原理图曲1 。 卫二占j 巨 、a 、p ，、箩一 i c t 6 j 兰一j 兰一 一童 图2 4 三相星形全桥驱动电路原理图 三相星形连结全桥驱动两两导通方式时，当电机正转时开关管的导通顺 序如表2 1 所示。 哈尔滨下程大学硕士学位论文 表2 1 三相星形连接全桥驱动的通电规律 转子位墅开关管状念定子各相电流 ( 电角度)t lt 2t 3t 4t 5t 6i ai bi c 0 缶0p w m0 f fo f fp w a 莲o f fo f f+ i e1 eo 6 0 1 2 0p w mo f fo f f o f f o f fp w m+ i e 0i e 1 2 0 1 8 0o f fo f fp w mo f fo f fp w mo+ i ei e 1 8 0 2 4 0o f fp w mp w mo f f o f fo f f 1 e + i eo 2 4 0 3 0 0o f fp w mo f fo f fp w mo f f i eo + i e 3 0 0 6 0o f o f fo f fp 醐p w mo f f01 e+ i e 2 4 直流无剥电动机的调速 直流无刷电机控制系统采照电子换向器( 逆变器) 替代直流电动枫的机械 换向器，实现直流到交流的逆变，对于星形连接的三相直流无刷电动机，在 理想条件下，任何时刻只有两相定子绕组逶电。令加在两相通电绕组上的平 均电压为u ，则电压平衡方程式为： u 。= 2 乓+ 厶r = 2 憋屯鼹+ 厶r ( 2 一1 ) 可以得到转速为： u 。一im r 嚣= l 0 l 一 2 k 。， ( 2 - 2 ) 式中：e 为电机各相反电动势，伏； t 为各相相电流，安培； 行为无刷直流电动机转速，转分； 灭为回路等效电阻，包括电机诱相电阻和管压降的等效电阻，欧姆。 由式( 2 - 2 ) 可知，无刷直流电动机的转速调节方法有： 1 ) 电枢回路串电隰。此调速方法的设备简单，操作方便，但是它在调速 1 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 过程中转速波动大，只能进行有级调速，速度调节不平滑，而且损耗 大，所以这种调速方法只能用在性能要求不高的设备上。 2 ) 改变端电压。此方法能平滑调节转速，调节范围大，实现无级调速， 调节过程中能耗小，所以被广泛应用。对电压进行p w m 斩波，调节 占空比，酃可实现对毫机的速度控制雏懿。本文调速正是采取龅方法。 2 。5 本章小结 本章详细介绍了直流无刷电机的基本结构及工作原理，通过对一个半桥 驱动的三相直流无刷电机的分析，阐述了该种电机的运行原理；介绍了适用 于本设计的三相星形全挢驱动的电机驱动方法及p w m 轿波调速方法。 哈尔滨1 ：稗大学硕十学位论文 第3 章直流无刷电机控制系统的硬件电路设计 3 1 系统硬件总体方案设计 在上一章介绍的直流无刷电机组成和工作原理的基础上，本章将详细介 绍电动自行车用直流无刷电机控制系统的硬件电路设计。系统控制器选用s t 公司的s t 7 f m c l k 2 电机专用控制芯片作为主控芯片，该芯片集成了许多直 流无刷电动机控制外围电路，特别适合于无刷直流电动机的控制，具有很高 的性价比。 根据电动自行车用直流无刷电机控制系统的实际要求，整个硬件系统可 分为三个部分：s t 7 f m c l k 2 单片机系统及外围控制电路、i r 2 1 3 6 2 功率晶体 管前级驱动电路以及m o s f e t 开关矩阵。控制系统总体硬件结构框图如图 3 1 所示： 参 图3 1 系统总体结构图 s t 7 f m c l k 2 的六路p w m 经驱动芯片i r 2 1 3 6 2 输出，驱动六个功率场 效应管组成的三相全控桥电路，实现对电机的控制。位置参数( 霍尔信号) 由无刷直流电动机自带的霍尔元件输出，并由s t 7 f m c l k 2 的电机控制宏单 元( m t c ) 端口进行捕捉定位，控制功率管的导通关断，实现换相。位置检 测的同时可以计算出电机转速，与参考速度做差，即速度误差。对速度误差 进行p i d 调解，输出参考电流，实现速度反馈。实际电流量是通过检测旁路 电阻上的压降来实现的，由s t 7 f m c l k 2 自带的a d 进行采样。参考电流与 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电流反馈量进行比较，其偏差经电流环调节后调节p w m 占空比，实现电动 机的速度与电流控制。另外，控制板还设计了专门的i c c 接口，可以通过它 与上位机相连，以方便上位机程序的下载，为了保证系统正常运行还设计了 保护及抗干扰电路。 3 2 电机专用控制芯片s t 7 f m c lk 2 简介 s t 7 f m c 是s t m i c r o e l e c t r o n i c s 公司开发的一个完整的无刷电机控制专 用8 位微控制器家族。该微控制器系列产品达到汽车行业标准，满足汽车使 用的苛刻要求。与传统微处理器和数字信息处理器相比，s t 7 f m c 微控制器 系列产品表现得更系统化，性能更出色。采用新型微控制指令最大化减少该 系列产品的外围部件数量，同时减少印制电路板所需空间，因此降低了整个 系统的生产成本。该系列产品除具有普通8 位单片机的基本功能外，还拥有 一个内置增强型电机控制宏单元( m t c ) ，其中包括六相脉冲宽度调制控制 器、电压和电流传感器以及一个用于探测转子位置的检测模块，同时还包含 异步紧急刹车、一次性写入寄存器、时钟安全系统( c s s ) 等安全功能。s t 7 f m c 全面保持了电机的控制性能和系统效率，适合于各种应用场合晒1 。 s t 7 f m c 主要资源及特点包括： 1 ) 8 位中央处理内核；c p u 频率可达8 m h z ； 2 ) 内置增强型低电压检测； 3 ) 8 k - - 6 0 kf l a s h 或r o m ，3 8 4 - 1 5 kb y t er a m ； 4 ) 中断嵌套控制，最多可达1 6 通道的外部中断； 5 ) 5 个定时器；s p i 同步串行接口；l i n s c i 异步串行接口；6 路p w m 输出；3 路转子位置检测输入； 6 ) 内部电流电压比较放大器；1 6 通道1 0 位a d c ； 7 ) 6 3 条基本指令；1 7 种寻址模式。特别是它还具有8 位微控制器少见 的8 8 无符号运算指令，芯片具有4 种不同的降功耗模式。 s t 7 单片机设计了六种节省功耗模式：慢速、等待、慢速等待、活跃暂 停、从暂停自动唤醒和暂停模式，这几种模式分别用不同的寄存器和指令设 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 置和启动。使用一个应用电路板上的低成本连接器进行编程，先把程序下载 到闪存，再通过软件控制程序的运行并进行调试。c p u 的7 0 资源能用作其 他的应用，从而使m t c 外设能实现详细的马达控制功能，和传统的三相无 刷解决方案相比，开辟了新的功能眩引。 其独有的电机控制宏单元( m t c ) 可以看作三相脉宽调制p w m 波在六路 上的有序的切换和过零检测的组合。m t c 电机控制宏单元在很大的程度上给 系统的硬件软件设计带来了便利，节省了空间与时间。它可以分为五个部分： 输入信号检测模块、延时管理、p w m 管理、通道管理、p w m 发生器。其结 构框图如图3 2 所示： d e l a yi m a n g e rb e m fz e r 0c r o s s 刖g o rs p e e dm e a s u r eu n i t ( n o tr e p r e e m t e m d e t 臼：t o r 口m c i a d i ：_ a y q c p t l r ez n l q m t l m 黔 o 喝 一口m c i b 一一口m c i c l w e i g h t1 1 m e 只 t c h 小 嗝孺复一 口m c v f e a f ： o d 日 y = w e i g t i tx z n o le n o 。d g ru n i ：e ， c o m 赫&p u td e t e c l 1 0 n ， 口m c o g 口m c 0 4 m e s u r e m e n tulu c 目n t v o ；a g e 口m c o 3 w l n d o w 一一 - g e n e r a t o r p - 7 期 口m c , 0 2 j _ i i a 。，j v ) f - 3 m c 0 1 、 口m ( j u c jh i ” r 、 m o d e t j v w 口n i v l c r = s 口o i p 许v 卧【卜 u o n p w 啊m 扭h a g e 巩 f 口o j , z t n c c f i l l 卜 口m c c r o c v m i戛毋 p | 恼u 弩曩 难 c h a n n e l m a n g e r 1 2 b i tt h r e e - p h a s e p w mg e n e r t o r ：眦仁 l 泸吊i i i i1 刚3 鸣 p h 自t s e u 。 i p h o s 。v i 。 图3 2 m t c 结构框图 芯片的m t c 提供两种工作模式：电压模式和电流模式。在电流模式下， 通过改变电机的参考电流而改变力矩的大小( 力矩和电流成正比) ，电流的控 1 6 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 制是通过p w m 来调整的。在电压模式下，通过改变电机的参考电压来改变 速度，同时可设置电流的最大值，即力矩可达到的最大值。电压的控制也是 通过改变p w m 的占空比来实现的。本设计采用电压有传感器模式，m t c 的 各部分功能如下： 1 ) 输入信号检测模块：它有三个输入引脚m c i a ，m c i b 和m c i c 。当用 作模拟输入时，敏感输入信号的边沿变化，从而触发z ( 过零) 事件进 入中断。该部分主要用于捕捉霍尔信号。 2 ) 延时管理：也叫速