无刷直流电动机毕业设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 题 目 单片机无刷直流电机控制系统设计 院 系 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 0104 班 学号 0101110212 学生姓名 刘 朋 来 导师姓名 李 晓 秀 完成日期 2005 年 6 月 16 日 湖南工程学院毕业设计论文 湖南工程学院 毕毕业业设设计计 论论文文 任任务务书书 设计 论文 题目 单片机无刷直流电机控制系统设计 姓名 刘朋来 系别 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 0104 学号 0212 指导老师 李晓秀 教研室主任 唐勇奇 一 一 基本任务及要求 基本任务及要求 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 的设计 设计内容主要为 永磁无刷直流电机工作原理分析及数学模型建立 系统的工作 原理分析 系统总体方案设计 系统硬件电路设计 系统软件程序框图设计 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 第 1 3 周 明确课题任务及要求 搜集课题所需资料 了解本课题研究现状 存 在问题及研究的实际意义 写好选题报告和文献综述 第 4 5 周 毕业实习 第 6 7 周 查阅相关资料 自学相关内容 确定课题方案 第 8 11 周 系统硬件 软件设计 第 12 14 周 整理资料 撰写毕业设计论文 第 15 周 毕业论文审定 打印 答辩准备 第 16 周 答辩 单片机无刷直流电机控制系统设计 目录 摘要 abstract 第 1 章 无刷直流电动机概述 1 1 1 无刷直流电动机的特点 1 1 2 无刷直流电动机的发展历史及研究应用现状 2 1 3 本论文的主要内容 4 第 2 章 无刷直流电动机的结构及工作原理 5 2 1 无刷直流电动机的其本组成 5 2 1 1 电动机本体 5 2 1 2 位置传感器 6 2 1 3 电子换相线路 7 2 2 无刷直流电动机的运行性 7 2 3 机械特性和调速特性 9 2 4 无刷直流电动机的脉宽调速 10 第 3 章 无刷直流电动机的硬件设计 11 3 1 系统组成 11 3 2 单片机设计及接口电路 12 3 3 功率变换器的设计 14 3 3 1 功率变换器的基本类型 14 3 3 2 功率变换器中开关元件的选择 16 3 3 3 智能功率模块 IPM 18 3 4 电动机换相 20 3 4 1 电动机的换相原理 20 3 4 2 电动机的可逆变换 21 3 5 电流环转速环电路的设计 21 3 5 1 位置传感器的设计 21 3 5 2 转速环的设计 24 3 5 3 电流传感器及电流环的设计 25 3 6 保护电路的设计 26 湖南工程学院毕业设计论文 3 6 1 过 欠压保护电路的设计 26 3 6 2 过流保护电路的设计 27 3 6 3 利用保护信号产生中断信号 27 第4章 软件框图 29 结束语 30 致谢 31 参考文献 32 湖南工程学院毕业设计论文 I 单片机无刷直流电机控制系统设计 摘要 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发展 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 在各个领域得到了广泛的应用 本文介绍了无刷直流电动机的发展及应用概况 全面分析无刷直流电动机的组成 和原理 着重点介绍无刷直流电动机调速系统硬件电路设计的同时详细介绍了 PWM 功率转换电路的设计 PWM 系统驱动电路的设计及其相关的保护电路 计算机控制已 成为社会发展的趋势 在此还介绍了单片机系统的设计及其在调速系统中的应用 关键词 关键词 无刷直流电动机 80C196MC 单片机 调速系统设计 单片机无刷直流电机控制系统设计 II design of brushless DC motor control system on single chip computer AbstractAbstract With the development of electronic technology power component technology and high performance magnetisable material manufacturing technology brushing the direct current motor utilizes the reversing device of electron to replace the mechanical electric brush and reversing device of machinery And it is widely used in each field The text introduces the development and use of the direct current motor and the overview analyse in an all round way that there are not composition and principle which brushes the direct current motor Emphasis point introduction is it brush direct current motor transfer speed systematic hardware circuit recommend PWM power change the design of the circuit in detail while the design to have PWM system drives the design of the circuit and relevant protection circuit Computer is it become social development trend already to control recommend design one chip computer of system and in application in being systematic to transfer speed also here KeywordsKeywords Have not brushed the direct current motor 80C196MC single chip computer Adjust the speed to design systematically 湖南工程学院毕业设计论文 III 湖南工程学院毕业设计论文 1 第 1 章 无刷直流电动机机概述 1 1 无刷直流电动机的特点 传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动领域中有着广泛的应用 但机械电刷却是它的致命弱点 无刷直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的 特性 又要革除电刷和换向器的目的研究开发的 控制系统中的执行电动机应该具有 下列优点 快速性 可控性 可靠性 体积小 重量轻 节能 效率高 适应环境和经 济性 下面将就这些方面具体分析无刷直流电动机的优点所在 为了实现快速的起 停 加速 减速 要求电动机具有小的转动惯量和大的起动 转矩和最大转矩 无刷直流电动机的转子主要是由永磁材料构成的磁极体组成 电枢 绕组在定子上 因而转子外径可以相对较小 转子惯量也就较小 转矩方面 只有直流 电动机才能达到大的起动转矩和大的最大转矩 而无刷直流电动机具有直流电动机的 特性 起动转矩和最大转矩都较大 这使得它具有快速性的特点 在可控性方面 直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关系 直流电动 机的起动转矩又大 因此可控性最好 最方便 无刷直流电动机具有一般有刷直流电 动机的调速特性 只要简单地改变电动机的输入电压的大小就可以在广阔的范围内进 行无级调速 在可靠性方面 消除了电刷 也就消除故障的主要根源 无刷直流电动机的转子 上没有绕组 因而在转子上没有电的损耗 又由于主磁场使恒定的 因此铁损也是极 小的 总的来说 除了轴承旋转产生摩擦损耗外 转子方的损耗很小 进一步增加了 无刷直流电动机工作的可靠性 由此可知 和其它类型的电动机相比 无刷直流电动机不仅较为可靠而且损耗较 小 它的电枢在定子上 直接和机壳相连 散热条件好 热传导系数大 由于这样的 关系 在相同的条件下 在相同的出力要求下 无刷直流电动机可以设计得体积更小 重量更轻 不论是电机设计还是系统设计 提高效率 节约能量都具有重要意义 有 着长远的社会 经济效益 据报道 美国55 以上的电力是消耗在电动机的运行上 美 国GE公司曾预测 仅在制冷器具的应用中 若用无刷电机取代传统的异步电动机 其 效率可提高20 全美国一年可节约用电2 2MkWh 而异步电动机运行在轻载时功率因 素低 增加线路和电网的损耗 根据有关报导 我国消耗在电动机上的电力占整个电力的65 以上 因此 提高电动机的效率 选择损耗最小 效率最高的电机是很重要的 从以上的分析可以看出 相对于其他类 单片机无刷直流电机控制系统设计 2 型的电机 无刷直流电动机的损耗最小 节能效率最高 一份资料作过对比分析 对 于7 5kW的异步电动机系统效率可达86 4 但是同样容量的无刷直流电动机效率可达 92 4 在环境适应性方面 对于高性能系统 只能采用直流电动机 但在同时要求长寿 命 免维修以及防爆 防燃的环境条件下 有刷直流电动机就无法适应 无刷直流电 动机才是最好的选择 在经济性方面 随着电子技术的发展 电子元器件的价格不断的下降 无刷直流 电动机驱动 控制器的价格己经和异步机的变频器相差不多了 只是由于稀土永磁材 料的价格较贵 无刷直流电动机的成本也较高 但是在考虑综合指标 系统性能 重量 能量消耗 之后 无刷直流电动机的应用仍呈上升趋势 表1 1是对目前应用较广的几种类型电动机基本性能所做的比较 表1 1 基本性能比较表 基本 性能 电机 类型 效率体积控制特性 技术性能 结 构 寿 命 成本 电机本体 直流电动机较高小好短高 无刷直流电动机高小较好长高 交流电动机 低大一般长低 开关磁阻电动机较低较小较好长低 1 2 无刷直流电动机的发展历史及研究应用现状 为了解决传统的直流电动机采用机械电刷进行换向带来的种种问题 在1917年 博利根 Boligen 提出用整流管代替传统的机械电刷以实现换流的思想 1955年美国 D Harison等人申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利 标志着现 代无刷直流电机的诞生 70年代末 80年代初 随着电机技术及其相关学科的迅猛发展 无刷直流电机进 入了实用阶段 先后研究成功方波和正弦波无刷直流电机 并且在计算机外设等领域 开始应用 无刷直流电机 的概念已由最初的具有电子换向的直流电机发展到泛 指一切具有传统直流电机外部特性的电子换向电机 80年代以来 无刷直流电机得到了迅猛的发展和推广应用 主要是由于大功率开 关器件和大规模专用集成电路技术的高速发展 性能优良的 价格低廉的电子元器件 湖南工程学院毕业设计论文 3 加快了无刷直流电机的更新换代步伐 80年代与70年代同类型无刷直流电机相比较 体 积缩小到只有原来的1 10 价格只有原来的1 10 从而提高了无刷直流电机的性能价 格比 为其大量应用创造了先决条件 高性能永磁材料 如影钻 钦铁翻的应用 也 使无刷直流电机的性能提高和成本降低 为其得到广泛应用奠定了坚实的基础 它作 为机电一体化的高科技产物 在各个领域得到了广泛的应用 如计算机中的磁盘 光 盘驱动器 CD唱机的光盘主轴驱动 随身听的磁带主动轮驱动 数控加工设备 宇航 自动机器 各种记录仪和绘图仪笔的驱动等等 进入90年代以来 无刷直流电机伺服系统的逆变装置中的开关元件不仅成本降低 而且向高频化 大容量 小型化 智能化发展 同时 永磁材料的性能不断提高和完 善 加上永磁电机研究和和开发经验的逐步成熟 稀土永磁无刷直流电机的应用和开 发进入一个新的阶段 目前正向大功率化 高转速 高转矩 高功能化和微型化方向 发展 如今无刷直流电机集特种电机 变速机构 检测元件 控制软件与硬件于一体 己形成为新一代电动伺服系统 体现着当今应用科学的许多最新成果 在国外 无刷直流电机己得到了较为充分的发展 目前 在工业先进的国家 如美 国 英国 日本 德国等 里 在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电动机代替 有刷电动机的转换 无刷直流电机还在其它领域得到了应用 如办公自动化领域 视 听领域 汽车和电动车辆中的应用 现代家用电器中的应用 而随着人们对环境问题 和能源问题的日益关注 无刷直流电机在电动汽车中的应用更是成为近年来研究的热 点 如美国福特汽车公司率先把无刷直流电机应用于电动汽车 并于90年代初推出了 第三代电动轿车 日本四国电力株式会社设计的电动小客车PIVOT由四个单机为6 8kW 的无刷直流电动机驱动 针对家电 空调 洗衣机 电动车的使用 需要较高转速和 高转矩的要求 日本HONDA公司开发了一种车用的无刷直流电动机 其转子是用非导磁 的不锈钢将稀土磁体包卷嵌入转子迭片中 具有坚固可靠 输出力矩大和效率高 超过 85 的特点 在我国 无刷直流电机的研制始于70年代初期 作为高科技产品受到了我国基础 工业落后的制约 其综合水平低于国际水平 目前 国内高校 研究单位开展无刷直 流电机的研究己有时日 积累了丰富的设计理论和设计经验 只是由于自身条件而没 有达到规模化生产 大部分仍处于仿真或实验阶段因此 应加强与生产厂家的合作 开发此类高科技产品并使之产业化 如今 随着微电子技术的迅速发展和微处理器技术的日益更新 高速微处理器和 DSP的出现 还有专用的控制芯片的出现 使得无刷直流电动机控制系统的运行速度 处理能力提高很大 将来 随着这些器件的普及和应用的扩大 器件成本将大幅度地 单片机无刷直流电机控制系统设计 4 降价 因此性能明显更优秀的正弦波电流驱动的电动机会比方波驱动的电动机更受欢 迎 但是 正弦波电流驱动的电动机需要带更高精度的位置传感器 成本会更高一些 所以这些替代不是在任何场合下都适用 而是在要求高的情况下 另外 在某些要求 不高的场合 无传感器的无刷直流电动机也得到了广泛地应用 在无刷直流电动机的 控制技术方面 无刷直流电动机控制系统正由传统的模拟技术转向徽处理器控制的数 字技术 数字控制技术使得许多硬件工作都由软件来完成 这样 减少了硬件电路 提高了可靠性和性能 减小了尺寸 提高了效率 数字控制技术不仅使系统获得高精 度 高可靠性 还为新型控制理论 如矢量控制 直接转矩控制 参数自适应控制 模 糊控制 滑模变结构控制等 的应用提供了物质基础 特别是适用于实时控制的工业单 片机和高速数字信号处理器 DSP 在伺服系统的应用 这大大简化了系统结构 提高了 系统性能 发展全数字化的伺服系统将是以后的研究重点 1 3 本论文的主要内容 系统的总结了无刷直流电动机调速系统的基本结构和工作原理并分析了其运行特性 针对本系统绕组三相的特点 选择了主电路方案及功率开关元件 并选择了相应 的主开关元件驱动电路及缓冲电路 确定了系统的控制方案 设计了系统的控制器 电流与位置传感器 位置与速度信号处理电路 故障自诊断与保护电路等 使系统既 能良好运行 又可以保证系统出现故障时及时保护功率开关元件 湖南工程学院毕业设计论文 5 第2章 无刷直流电动机结构及工作原理 直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触 造成其结构复杂 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速精度和性能 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发展 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 在宇 航 军事设施领域及工业和民用领域都得到了广泛的应用 无刷直流电动机是伴随着数字控制技术而产生和发展起来的 因此 采用单片机 为主的数字控制是无刷直流电动机的主要控制手段之一 2 1 无刷直流电动机的基本组成 无刷直流电动机主要由电动机本体 电子换向线路 位置传感器组成 如图2 1 所示 无 刷 直 流 电 动 机 电动机本体 位置传感器 电子换向线 路 主转子 控制器 传感器定子 功率变换器 传感器转子 主定子 图2 1 无刷直流电动机组成方框图 2 1 1 电动机本体 电动机本体在结构上与永磁式同步电动机相似 但没有笼型绕组和其他起动装置 电动机本体的主要部件有主定子和主转子 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数 2P 2 4 组成 它们首先必须满足电磁 方面的要求 保证在工作气隙中产生足够的磁通 电枢绕组允许通过一定的电流 以 便产一定的电磁转矩 其次 要满足机械方面的要求 保证机械结构牢固和稳定 能 单片机无刷直流电机控制系统设计 6 传送一定的转矩 并能经受住一定环境条件的考验 此外 还要考虑节约材料 结构 简单 紧凑 运行可靠和温升不超过规定的限度 主定子是电动机本体的静止部分 它由导磁的定子铁芯 导电的电枢绕组及固定 铁芯和绕组用的一些零部件 绝缘材料 引出部分等组成 如机壳 绝缘片 槽楔 引出线及环氧树脂等 主定子铁芯由硅钢片迭成 采用硅钢片的目的是为了减少主定子的铁损耗 为了 减少噪音和寄生转矩 定子铁芯采用斜槽 一般斜一个槽距 主定 子 绕 组是电动机 本体中的一个最重要部件 当电动机接上电源后 电流流入绕组 产生磁动势 后者 与转子产生的激磁磁场相互作用而产生电磁转矩 当电动机旋转起来后 便在定子绕 组中产生反电动势 吸收了一定电功率并通过转子输出一定的机械功率 从而实现了 将电能转换成机械能的过程 显然 绕组在实现能量的转换过程中起着极为重要的作 用 因此 对绕组的要求为 一方面它能通过一定的电流 产生足够的磁动势以得到 足够的转矩 另一方面 要求结构简单 运行可靠 并应尽可能节省有色金属和绝缘 材料 绕组一般分为集中绕组和分布绕组两种 前者工艺简单 制造方便 但因绕组 集中在一起 空间利用率差 发热集中 对散热不利 此外抑制谐波能力差 后者工 艺较复杂 但能克服前者的一些不足 为了更好地改善电动机的性能 一般无刷直流 电动机多采用双层绕组 无刷直流电动机的主定子绕组可以是两相 三相以及多相等 其连接形式主要有星形连接和封闭形连接两种 但也有特殊连接形式的 不同的电枢 绕组结构决定了不同的电子换向线路 主转子是电动机本体的转动部分 是产生激磁磁场的部件 它由三部分组成 永磁 体 导磁体和支撑零部件 永磁体和导磁体是产生磁场的核心 由永磁材料和导磁材 料组成 无刷直流电动机常采用的永磁材料有以下几种 铝镍钻合金 铁氧体永磁材料 以及高磁能积的稀土钻永磁材料 钦铁硼永磁材料等 导磁材料一般用10号钢或工业用 电工纯铁等 机械支撑零部件主要是指转轴 轴套和压圈等 它们起固定永磁体和导 磁体的作用 转轴由不导磁材料车磨而成 要求它具有一定的机械强度和钢度 轴套 和压圈通常山黄铜或铝等不导磁材料做成 2 1 2 位置传感器 位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用 为电子换向线路 提供正确的换向信息 即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号 然后去控制定子 绕组换相 可见位置传感器是实现无接触换向的一个极其重要部件 因此 它是无刷 直流电动机的一个关键部分 位置传感器和电动机本体一样 也由静止部分和运动部分组成 即位置传感器定 湖南工程学院毕业设计论文 7 子和位置传感器转子 位置传感器的种类很多 且各具特点 按动作原理可分为敏感 式 藕合式 谐振式和接近式 敏感式位置传感器是利用敏感元件来感受出转子的位置 并输出一信号经逻辑处 理后去控制各相绕组的导通顺序 常用的敏感元件有光敏元件 如光电二极管 光电三 极管和光电池等 和磁敏元件 如霍尔元件 磁敏电阻 磁敏二极管和磁敏三极管等 藕合式是指变压器祸合 即磁电式 和高频空芯线圈藕合等 谐振式是由电感 电容等元件组成 当达到谐振条件时 输出信号为最大 借此 去控制电枢绕组的导通 接近式是利用接近某物而动作的原理所组成的一种位置传感器 此外 近期还出现了利用电动机定子绕组的反电动势作为转子磁钢的位置信号 该信号经检出 并经数字电路逻辑处理隔离放大后 并送给功率变换器去控制无刷直 流电动机电枢绕组的换相 由于它省去了位置传感器 使得无刷直流电动机的结构更 加紧凑 因而近年来的应用日趋广泛 本系统采用的无刷直流电动机采用了霍尔传感器 2 1 3 电子换向线路 电子换向线路由控制电路和功率变换器两大部分组成 它与位置传感器相配合 去控制电动机定子各相绕组通电的顺序和时间 起到了与机械换向相类似的作用 当 系统运行时 功率变换器接受控制电路的控制信息 将系统工作电源的功率以一定的 逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组 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 但位置传感器所产 生的信号一般不能直接用来驱动功率变换器的功率开关元件 往往需要经过控制电路 一定逻辑处理 隔离放大后才能去驱动功率变换器的开关元件 由此可见 电子换向 线路也是无刷直流电动机实现无接触换向的一个重要组成部分 一般来说 对电子换向线路的基本要求是 1 线路简单 体积小 重量轻 功耗小 2 运行稳定可靠 故障保护功能强 3 能按照位置传感器的信号进行正确换向 并能控制电动机的正反转 4 应能满足不同环境条件的要求 长期运行 本系统采用智能功率模块 IPM 它使用表面贴装技术将三相桥臂的六个 IGBT 及 其驱动电路 保护电路集成在一个模块内 2 2 无刷直流电动机的运行特性 单片机无刷直流电机控制系统设计 8 电动机是一种输入电功率 输出机械功率的原动机械 因此 我们最关心的是它 的转矩 转速 以及转矩和转速随输入电压 电流 负载变化而变化的规律 据此 电动机的运行特性可分为 起动特性 工作特性 机械特性和调速特性 讨论各种电动 机的运行特性时 一般都从电势公式 即转速公式 电势平衡方程式 转矩公式和转 矩平衡方程式出发 对于无刷直流电动机 其电势平衡方程式为 2 1 acp acp UEIrU 式中 电源电压 V U 电 枢绕组反电势 V E 平均电枢电流 A acp I 电枢绕组的平均电阻 acp r 功率晶体管饱和管压降 V U 对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式 电枢反电势均可表示为 2 2 e EK n 式中 电动机转速 n minr 反电势系数 e K minV r 由方程式 2 1 2 2 可知 2 3 eacp acpe nE KUUIrK 在转速不变时 转矩平衡方程式为 2 4 to TTT 式中 电磁转矩 TN mA 输出转矩 t TN mA 摩擦转矩 0 TN mA 这里 2 5 Tacp TK I 转矩系数 T K N m AA 在转速变动情况下 则有 2 6 0 L TTTJddt 式中系数 转动部分 包括电动机本体转子 传感器转子及负载 的转动惯量J 2 N n s 转子的机械角加速度 ddt 2 rad s 下面从这些基本公式出发 来讨论无刷直流电动机的各种运行特性 湖南工程学院毕业设计论文 9 1 U 4 U 2 U 3 U 1234 U U U U 1 起动特性 由方程 2 1 2 5 2 6 可知 电动机在起动时 由于反电势为零 因此电枢 电流 即起动电流 为 2 nacp IUUr 7 其值可为正常工作电枢电流的几倍到十几倍 所以起动电磁转矩很大 电动机可以很 快起动 并能带负载直接起动 随着转子的加速 反电势E增加 电磁转矩降低 加速 力矩也减小 最后进入正常工作状态 图 2 2 机械特性曲线 2 3 机械特性和调速特性 机械特性是指外加电源电压恒定时 电动机转速和电磁转矩之间的关系 由方程 式 2 1 2 2 和 2 3 可知 acpacpeacp IUUrnKr 2 8 TacpTacpeTacp TK IKUUrnK Kr 我们知道 式 2 8 等号右边的第一项是常数 当不计 U的变化和电枢反应的影响 时 所以 电磁转矩随着转速的减小而线性增加 如图2 2所示 当转速为零时 即 为起动电磁转矩 当方程式 2 8 右边二项相等时 电磁转矩为零 此时的转速即为理 想空载转速 实际上 由于电动机损耗中可变部分及电枢反应的影响 输出转矩稍稍 偏离直线变化 又因为功率晶体管的饱和管压降随着集电极电流的变化而变化 在基 极电流不变时 功率晶体管的饱和压降和集电极电流之间成正比的关系 所以 随着 单片机无刷直流电机控制系统设计 10 转速的减小 电动机的反电势也减小 电枢电流增加 增大 到一定值以后 增加U 较快 所以机械特性曲线在接近堵转 即转速很低 时 加快下跌 如图2 2所示 如假定外加直流电压一定 减小电机负载 转速升高 逆变器的触发频率也会提 高 同时反电势增加 电流减小 电磁转矩也减小 当电磁转矩和负载转矩平衡时 电机就维持在一个较高的转速下运行 如果负载不变 提高外加直流电压 则转速升 高 逆变器的频率提高 反电势增大 使电流减小 电磁转矩又呈减小趋势 这样就 使电机维持在一个较高的转速下运行 由此可见 由于无刷直流电动机的自同步性 其调速方法与有刷直流电动机非常相似 可通过调节直流电压来实现 又从方程式 2 8 可见 改变电源电压 可以很容易地改变输出转矩 在同一转速下 或 在同一负载下 如图2 2所示 所以 在电子换向线路及其他控制线路保持不变的情况下 无刷直流电 动机调速性能很好 可以利用改变电源电压来实现平滑的调速 这说明无刷直流电动 机的运行特性与普通直流电动机极为相似 有着良好的控制性能 2 4 无刷直流电动机的脉宽调速 本系统采用1200导通电压型三相逆变器 任一时刻只有两相通电 因此 无刷直 流方波电动机的输出相电压平均值为对于每相绕组有如下电压平衡方程式 2 9 11 22 dd UUEI R 其中 2 10 e EC n 式中 为电机两端的平均电压与电流 为回路的等效总电阻 d U d I d U 它包括电机两相绕组和桥路开关管管压降等的等效电阻 电势常数 e C 由此得出 2 11 1 2 dde nUI RC 2 12 0 1 21 21 2 d ddav eeem URR nInT CCC C 式 2 12 即为电动机的机械特性方程 其中 空载转速 2 13 0 1 2 d e U n C 平均电磁转矩 2 14 davmd TC I 式中 转矩常数 m C 式 2 11 表明无刷直流方波电动机的速度公式与普通直流电动机的相同 因此 无 刷直流方波电动机的转速可以通过改变平均电压来调节 本系统中的平均电压 d U 是通过调节PWM脉冲的占空比来实现的 此即为无刷直流方波电动机的脉宽调速原 d U 1 2 d UU 湖南工程学院毕业设计论文 11 理 单片机无刷直流电机控制系统设计 12 第 3 章 无刷直流电动机的硬件设计 永磁无刷直流电机调速系统由80C196MC单片机控制器 功率变换电路 无刷直流 电动机 位置及电流传感器四大部分组成 图3 1为无刷直流调速系统的原理结构框图 其中带有箭头的线条为信号线及其信号流向 设计系统时 以电机本体为一方 控制 装置为另一方 两者是密切相关 不可分割的 本章将讨论功率变换器 位置及电流 传感器 控制器的工作原理和设计方法 给出上述各个部分的设计方案 3 1系统组成 无刷直流电动机调速系统的总体结构框图如图3 1所示 基本可以分为四大部分 即电机本体 位置传感器 主回路和控制回路 3 1 无刷直流调速系统框图 1 机组部分 电机定子绕组三相四极星形连接 电机转子磁场为梯形波 在转轴 上安装有霍尔转子位置传感器 在机座上安装有三个互差120电角度的霍尔定子位置传 感器 输出三个互差1200电角度 脉宽为1800电角度的位置信号 用作系统的位置及速 度检测 2 主回路部分 主回路主要包括工作电源 整流器 充电限流电阻R 储能滤波 电容C 和智能功率模块 IPM 构成 单相交流电压经整流二极管模块整流 大电容 湖南工程学院毕业设计论文 13 滤波之后 送到IPM逆变 为典型的交 直 交电压型变频器结构 其中的整流器和 IGBT逆变桥都是模块形式 目都固定在同一片散热器上 简化了电路结构 主电路通 过直流斩波器以PWM方式向无刷直流电动机提供频率可变的矩形波形驱动电流 主回路 如图3 2 图3 2 无刷直流电动机主回路 3 控制回路部分 主要80C196MC单片机 检测电路 保护电路和驱动电路组成 80C196MC是控制部分的核心 它参与整个系统的控制与管理 并用来完成速度 电流 的双闭环控制 三路位置信号的逻辑处理以及输出三相六路的PWM波 检测电路完成系 统的位置 速度和电流的检测处理 使系统有机地运行 保护电路完成系统的过压 欠压 过流等各种故障信号自诊断与保护功能 确保系统能安全可靠地工作 驱动电路 采用IGBT专用驱动模智能功率模块 IPM 整个控制系统我们是采用以80C196MC单片机为核心的数字控制系统 80C196MC单 片机负责电流及转速的采样 并完成控制策略的运算 然后输出控制量 以控制电机 的转速 80C196MC的控制接线图见附录图1 3 2 单片机及接口电路设计 无刷直流电动机常见的控制器有 C51单片机 DSP 80C196MC单片机等 我们在这 里选用电机专用单片机80C196MC作为调速系统的控制器 下面是其简介 8XC196MC单片机是美国著名的Intel公司推出的最新一代单片机 它在MCS 96基础 上结构和功能又有了重大突破 是196系列中功能最为卓著 最具典型意义的一种 Inte18XC196MC特别适合于电动机等高速控制领域 在美国工业界受到了普遍的欢迎和 重视 由于它具有性能高 功能全 用户使用方便等特点 尤其是高速的处理能力和 对交流电的特殊应用 因此它必将在我国的数字控制领域广泛采用 也将带来可观的 经济效益和社会效益 同时 它是由CHMOS电路构成 功耗低 并具有省电的工作方式 所以也适于集成于各种电路中长期使用 可靠性极高 8XC196MC单片机是属于INTEL 16位系列的高档单片机 它是专为电机控制而设计 单片机无刷直流电机控制系统设计 14 的芯片 特别适用于电机的控制 下面简单介绍8XCI96MC单片机的特色功能 8XC196系列有一个共同的内核 即CPU是通用寄存器 寄存器结构 CPU操作直 接面向内存所有数据寄存器 消除了某些单片机只用累加器作运算的瓶颈效应 因而 运算速度和数据吞吐能力大大提高 8XC196总线控制器可以用程序控制等待时间 这 样CPU可和其他外设方便联接 总线宽度也可以控制为8位或16位 单片机的 HOLD HOLDA协议可以用于多微控制器系统 8XC196MC具有64K字节的地址空间 它的主要部分包括CPU 几种类型的存储器 中断 7个UO和一些片内外设 其中的片内外设为一个A D转换器 一个事件处理器阵 列 EPA 两个定时器 TIMERI和TIMER2 一个三相波形发生器 WFG 和一个脉宽调制 单元 PWM o 8XC196MC单片机的最为显著的特点就是具有一个波形发生器 WFG 它能产生三对 完美的脉宽调制信号 因此特别适合于对交流电动机的控制 也能控制无刷直流电动 机以及完成直流到交流的转换 这一功能在工业控制领域具有广泛的应用前景 波形 发生器 WFG 的每个信号都可独立编程 具有很大的应用灵活性 另外 它还提供了两 个脉宽调制单元 PWM 这两个脉宽调制器是独立于波形发生器之外的 输出周期和脉 冲宽度可调的脉冲 每个通道的占空比是通过各自的8位周期寄存器编程的 在脉宽调 制器内还有一个8位计数器 两个8位PWM比较寄存器 PWM的输出由波形发生器的输出 控制寄存器控制 PWM信号经平滑滤波后 可变为模拟信号 实现高精度的8位D A转换 SXC196MC单片机具有很强的AM转换功能 它具有13个通道AM转换器 能够完成10位或8 位的高速的A D转换 采样保持时间和转换时间是可编程的 输入的模拟电压和模拟地 参考电压共同完成转化 结果还用于计算增益和零偏差 零偏差补偿电路也是可编程 的 它能够实现偏移的自动调整 8XCI96MC单片机的事件处理器阵列EPA具有4种捕捉 比较方式和4种只比较方式 它和TIMERI TIMER2定时器共同完成对高速的输入输出事 件的自动管理 两个定时器能通过内部时钟发生器定时 定时器1还能用于外部信号源 定时 在单片机应用系统中 为了了解控制系统的工作状态以及向系统输入数据和控制 命令 一般都需要设置人机交互界面 即键盘 显示器电路 单片机应用系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种 编码键盘除了按键外 还包括产生键码的硬件电路 去抖动电路和多键串键保护电路 每按下一个键 能自 动产生这个键的键码 与此同时 产生一个脉冲信号 通知 CPU 接收 这种键盘使用 方便 接口程序简单 但需要较多的硬件 非编码键盘仅由排成行列矩阵形式的按键 组成 其大小可在单片机内存范围内进行任意设定 按键的作用只是简单的实现接点 的接通和断开 键的去抖动 键的编码的形成和键的识别等均由软件实现 非编码键 湖南工程学院毕业设计论文 15 盘的硬件电路简单 构成所需要组成元件经济 但程序较复杂 单片机应用系统显示电路一般都采用点阵式或是数码管 LED 显示方法 因为数 码管具有既省电 成本低 而且配置灵活 接口方便等优点 本系统选用了数码管显 示方法 为了减小 CPU 资源占用率 减少软件的设计量 键盘和显示控制模块选用了 Intel 公司开发的专用接口芯片 8279 该芯片内部有 16 个单元的显示缓冲区 能对 显示器实现 8 个数字或 16 个数字的自动扫描显示 能自动识别键盘的键号 大大的减 轻了 CPU 的负担 若实现中断控制则几乎不占用 CPU 资源 且对 8279 工作方式的修改 只需改变命令字即可实现 8279 的内部结构主要是由数据缓冲器 I O 控制逻辑 控制和定时寄存器 定时 控制电路 扫描计数器 回复缓冲器 键盘去抖动及控制电路 FIFO 传感器 RAM 及其 状态寄存器 显示 RAM 及显示地址寄存器等部分组成 具体各个部分功能可查阅有关 资料 8279 采用 40 引脚封装的双列直插式器件 除了和一般的可编程芯片一样有数据 线 D0 D7 双向 三态总线 数据选择线 A0 0 时 CPU 写入数据为命令字 读出 为状态字 A0 1 时 CPU 读写均为数据 读写控制等信号线外 还有用于扫描键盘和 显示器的扫描线 SL0 SL3 用于对键盘矩阵或传感器矩阵的行 或列 读入的回复线 RL0 RL7 以及控制显示的 2 组显示信号 OUTA0 OUTA3 和 OUTB0 OUTB3 8279 在 键盘工作方式时 当 FIFO 传感器 RAM 中有数据时 有健按下 可由 TRQ 中断请求 向 CPU 发出中断请求 在接口方面 8279 是通过片选端 数据选择 A0 读写控制信号 来CSRDWR 实现 CPU 与芯片间命令字或数据传送 单片机的接口电路如图3 3所示 3 3 功率变换器的设计 无刷直流电动机调速系统的功率变换器 即主回路 由开关电路组成 系统运行时 功率变换器接受控制电路的指令 将系统的工作电源 直流电源或交流整流电源 转换 为无刷直流电动机的驱动电源 功率变换器的设计包括结构选择和元件定额估算两方 面的内容 成功设计的功率变换器应能与电机绕组结构相匹配 并且有结构简单 成 本低 运行可靠 损耗小 效率高和寿命长等优点 3 3 1 系统功率变换器的基本类型 无刷直流电动机调速系统的功率变换器一般可以分为桥式和非桥式两大类 它与 电机不同的电枢绕组结构可组成不同的类型 归纳起来可分为以下几种 1 多相 三相 及三相以上 星形桥式功率变换器 2 多相封闭形桥式功率变换器 3 多相星形非桥 单片机无刷直流电机控制系统设计 16 式功率变换器 4 特殊形式功率变换器 湖南工程学院毕业设计论文 17 图 3 3 单片机接口电路 由于非桥式功率变换器较桥式功率变换器结构简单 成木低可靠性高 但从无刷 直流电动机的运行性能和电动机的电枢绕组利用率着眼 则桥式功率变换器均优于非 桥式功率变换器 基于此 目前无刷直流电动机调速系统大多都采用桥式逆变结构的 功率变换器 鉴于三相星形桥式功率变换器在方波无刷直流电动机中的理论研究及应用均较为 成熟 故本系统采用三相星形桥式功率变换器电路结构 3 3 2 功率变换器中开关元件的选择 从无刷直流电动机的工作原理分析中 可以得出其对开关元件的性 能要求有 1 满足系统电压 电流值的要求 并有一定裕量 2 尽可能低的导通压降和关断以后的漏电流 降低系统损耗 3 足够的安全工作区 4 尽可能高的开关速度和尽可能低的开关损耗 5 尽可能小的驱动功率 6 尽可能简单的驱动电路 使开关元件及驱动电路的成本尽可能低 无刷直流电动机调速系统的总体成本和运行可靠性在很大程度上依赖于功率开关 元件的价格和工作性能 下面将比较几种常用开关元件的工作性能 并选择既适合于 本系统又能实现上述性能要求的开关元件 无刷直流电动机可采用的功率半导体开关元件有以下几种 GTO 可关断晶闸管 GTR 大功率晶体管 MOSFET 功率场效应管 IGBT 绝缘栅双极性晶体管 MCT 场控 晶闸管 以及PIC 功率集成电路 GTO是一种门极关断的电流控制型的高压元件 它的许多性能和普通晶闸管SCR相 似 但它具有自关断能力 目前其最大伏安容量已达4500V 3000A或9000V 1000A 它可控制的电流峰值与有效值之比比较高 也提供了在故障条件下超过额定电流值的 可靠关断能力 并有较大的安全系数 它的缺点是其关断增益低 需要大功率关断驱 动电路和吸收电路 通态压降高和工作频率低 一般认为 GTO元件用于100KVA以上时 是最好的开关元件 在10 100KVA之间也是主要的竞争者 GTR又称BJT 双极晶休管 也是一种电流控制型的双极双结电力半导体元件 由 于它的电流增益差 70年代出现了绝缘型GTR达林顿模块 其性能近年来得到了很大的 单片机无刷直流电机控制系统设计 18 提高 通断控制方便 导通压降小 因而允许容量较大 其伏安容量可达1200V 400A 或400V 1000A 它的缺点是开关速度低 开关损耗大 开关频率低于5KHz 因而噪声 较大 安全工作区小 在开关期间可能发生局部过热的二次击穿 使器件损坏 过载 能力差 属于电流控制型器件 需要较大的控制电流 使驱动功率大且驱动电路复杂 增加系统成本 MOSFET是70年代中期才发展起来的电压控制型的新型半异体电力电子器件 目前 仍处在加快提高半导体技术和降低成本的阶段 其伏安容量达到1000V 25A或 500V 150A 这种开关元件的优点是由于它是多数载流子导电 故不存在少数载流子的 存储效应 有较高的开关速度 可以高达25MHz 具有较宽的安全工作区而不会产生热 点 而以它具有正的电阻温度系数 易于并联使用 具有高可靠性 过载能力强 短 时过载电流一般为额定值的四倍 有较高的开启电压 一般为2 6V 因而有较高的噪声 容限和抗干扰能力 它是电压控制型器件 具有高输入阻抗 故驱动功率小 驱动电 路简单而又低廉 可以不带缓冲器工作 它的缺点是额定工作电压低 内阻大 导通 压降随漏极电流的增加线性增大 只适用于高频小功率的应用场合 目前 MOSFET己 广泛应用于电机调速 不间断电源 开关电源 电子开关 汽车电器等方面 在高频 低压和小功率领域内尚无竟争对手 IGBT是在MOSFET和GTR之间取长补短的PNPN四层器件 它相当于一个用MOSFET驱动 的双极型晶体管 因而兼有MOSFET的高输入阻抗 高速特性和GTR的低导通压降两方面 的优点 是一种电压驱动型元件 这种开关元件的优点是驱动功率小 工作频率高 开关时间短 与GTR相比 开关损耗小 宽而稳定的开关安全工作区以及简中的驱动电 路 由IGBT构成的变频器噪声低 获得了 静音式 的美称目前 IGBT己经覆盖了GTR 的功率范围 加以驱动简单 保护容易 而成本己逐渐降低到接近GTR的水平 因此在 中 小容量电力电子装置中用IGBT取代GTR的趋势已成定局 提高电压和降低通态压降 是发展IGBT的主要矛盾 1994年的第三代IGBT己达到 3500V 1 5 2 2 V的水 CE V TM V 平 目前 新一代IGBT的电压已经提高到3 3 4 5KV 而导通电阻仍然较低 根据它的 特点 开发者赋予了 注入型增强门极晶体管 这一名称 MCT即MOS控制晶闸管 这是一种处于前期开发阶段的新型电力半导体器件 它相 当于用MOSFET控制的GTO 是一种电压控制型的开关器件 这种开关元件驱动功率小 开关频率与IGBT差不多 不存在二次击穿的问题 MCT将GTO的高电压 大电流 低导 通压降的优点和MOSFET的高输入阻抗 小驱动功率 快速开关的特性结合在一起 构 成大功率 耐高压 快速的全控型电力器件 极有可能取代GTR GTO并逐渐取代SCR用 于高频大功率领域 可以说 MCT的出现对功率电力电子器件来说是一次革命 将在电 湖南工程学院毕业设计论文 19 力电子器件中成为强有力的竞争对手 PIC是 电力电子器件技术与微电子技术结合的产物 其根本特征是使动力与信息 结合 成为机和电的接口 是机电一体化的基础元器件 它是将电力电子器件和驱动 电路 保护电路 检测电路 甚至与微机的接口电路等都集成在一个芯片内 故称作 功率集成电路 也称作智能功率集成电路 由于PIC是将多种功能集成于一身 故可以 使整个装置的可靠性大幅度地提高 而且具有设备体积小 材料省 功能多 成本低 等很多优点 免去用户设计或选用不同驱动电路与保护电路的麻烦 使用起来大为方 便 成为电力电子学领域最吸引人的发展分支 制造PIC的主要技术困难是高 低压电 路之间的绝缘问题和温升与散热的有效处理问题 日前的产品只达到低压小功率水平 采用表面贴装技术制成的混合功率模块 如智能功率模块IPM Intelligent Power Module 等 作为PIC的过度产品 已在交流变流器中大量应用 本系统的功率开关元件采用集MOSFET和GTR的优点于一身的IGBT电机专用驱动芯片 智能功率模块 IPM 下节介绍IPM 3 3 3智能功率模块 IPM 根据我们使用的电动机的情况 控制技术采用脉宽调制技术 PWM 技术 方 波电流驱动 主电路功率开关管器件采用以绝缘栅控双极型晶闸管 IGBT 为核心的智 能功率模块 简称 IPM 下面介绍和分析单电源 IPM 馍块的结构特点及其工作原理 随着电力电子技术 计算机技术和超大规模集成电路技术的快速发展 变频调速 系统趋向数字化和高集成度方向发展 传统的分立元器件逐渐被高可靠性的集成元器 件所代替 一方面可以减少设计电路的元器件的数量 提高设计效率和缩短开发周期 另一方面 可以大大提高系统的可靠性 因此 集成元器件的应用越来越广泛 由于 其体积小 集成功能多 成本低 可靠性