基于无刷电动机集成控制器毕业论文

.1 引言直流无刷电机控制器是直流无刷电机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号；产生PWM脉宽调制信号，实现电机的调速；对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有较好的动态和静态性能；并实现短路、过流、欠压等故障保护功能。目前以数字信号处理器（以下简称DSP）为核心的直流无刷电机控制系统发展很快。DSP比较适合实现高级复杂的电机控制，如电动机的矢量控制、电动机及系统的非线性控制、系统的最优控制适应性控制等，用它来实现不太复杂的控制就显得有点大材小用了。而专用直流无刷电机控制芯片只是将其控制逻辑集成在芯片内，不具有灵活的编程功能，不能实现稍微复杂的控制。若用单片机编程实现专用控制芯片的功能，基于单片机本身硬件的局限，编程复杂且可靠性不高。本文设计的直流无刷电机控制系统采用单片机与直流无刷电机专用集成芯片相结合的方法，既具有单片机编程灵活的特点，又有专用芯片抗干扰能力强，性能可靠的优点，同时易于产品的升级。因而，本文所设计的直流无刷电机控制系统具有一定的实际意义。1.1本文的主要内容本课题是自选研究课题，旨在研制一套基于无刷电动机集成控制器的直流无刷电机调速系统，主要内容如下：（1）研究直流无刷电动机的组成结构和运行原理，针对控制对象选择合适的控制方案。（2）设计直流无刷电机控制器的硬件电路，包括电源电路、功率电路、电流检测电路、电压检测电路、位置检测电路、电流斩波电路、驱动电路、控制器电路等。（3）根据直流无刷电动机的控制策略，完成控制系统的整体设计。（4）通过实验，验证硬件电路的可行性，根据控制要求修改电路设计，提高控制性能。2 直流无刷电动机结构分析及基本工作原理直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成，直流无刷电机组成结构如图2.1所示。图 2. 1 直流无刷电机的原理框图2.1直流无刷电动机本体电动机本体在结构上和永磁同步机相似，但是没有鼠笼型绕组和其它的起动装置。其定子是直流无刷电机的静止部分，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、槽锲、引出线及环氧树脂等，一般制成多相（如三相、四相、五相不等）。转子是电机本体的旋转部分，是产生激磁磁场的部件。转子由永久磁钢按照一定的极对数（2p=2，4，.）组成。直流无刷电机转子的永久磁钢与有刷直流电机的永久磁钢作用相似，都是在电动机的气隙中建立足够的磁场，不同之处在于它们的安装位置不一样，直流无刷电机的永久磁钢装在转子上，而直流有刷电机的永久磁钢装在定子上。2.2 位置传感器1、位置传感器的结构位置传感器也由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。不同类型的位置传感器，它的定子部分和转子部分的构成是不同的。例如，电磁式位置传感器的转子部分由圆柱体状的非导磁材料构成，表面镶有 120扇形的导磁材料；定子部分由硅钢片冲叠而成或是由高频铁氧体材料压铸而成，一般有六个极，极间间隔角度为 60，选其中间隔 120的三个极绕组作为一次绕组，相互串联后通高频电流，另外的三个极则作为二次绕组。光电式的转子部分是由一块遮光板构成，遮光板上开有约 120电角度的缝隙，并且缝隙的数目等于直流无刷电机转子磁极的极对数。定子部分是由三个发光二极管和光敏晶体管组成。2、位置传感器的分类按位置传感器按动作原理，可分为敏感式、耦合式、谐振式和接近式等。敏感式位置传感器是利用敏感元件来感应转子的位置，并输出控制信号控制各相绕组的导通顺序。常用光敏元件作为敏感元件如光电二极管、光电三极管和磁敏三极管等。耦合式位置传感器是指变压器耦合（即磁电式）和高频空芯线圈耦合等。谐振式位置传感器是指当达到谐振条件时，输出最大控制信号控制电枢绕组的导通。接近式位置传感器是利用接近某物而动作的原理制成的一种位置传感器。2.3电子换相开关直流无刷电动机的电子换相开关用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率逻辑开关是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的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。而各相绕组通电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控制逻辑开关单元，需要进行逻辑处理（译码器）。处理好的控制信号通过驱动电路来驱动电子换相开关工作，一般而言，电子换相开关是由IPM模块或者IGBT、MOSFET等构成的。2.4直流无刷电动机的运行原理众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反映磁场。由于电刷的幻想作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现电刷换向，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源能给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成换向装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在左右的电角度。为了更清晰地阐述这种直流无刷电动机的工作原理和特点，下面就以三相星形绕组半控桥电路为例，来加以简要说明。图2.4为三相直流无刷电动机半控桥电路原理图。此处采用光电器件作为位置传感器，以三只功率晶体管V1、V2和V3构成功率逻辑单元。 在图2.4中，三只光电器件VP1、VP2和VP3的安装位置各相差120度，均匀分布在电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转遮光板的作用，使从光源射来的光线一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。 a b c d图 2. 4 三相直流无刷电动机图 2. 5 开关顺序及定子磁场旋转示意图图2.4所示的转子位置和图2.5a）所示的位置相对应。由于此时光电器件VP1被光照射，从而使功率晶体V1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图2-5中箭头方向转动。当转子磁极转到图2.5 b）所示的位置时，直接装在转子轴上的旋转遮光板亦跟着同步转动，并遮住VP1而使VP2受光照射，从而使晶体管V1截至，晶体管V2导通，电流从绕组A-A断开而流入绕组B-B，使得转子磁极继续朝箭头方向转动。当转子磁极转到图2.5 c）所示的位置时，此时旋转遮光板已经遮住VP2，使VP3被光照射，导致晶体管V2截至、晶体管V3导通，因而电流流入绕组C-C，于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转并回到图2.5的 a）的位置。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VP1、VP2、VP3的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种旋转磁场在360度电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120度电角度。各相绕组电流与电动机转子磁场的相互关系如图2.5所示。图2.5 a）为第一种状态，F0为绕组A-A通电后所产生的磁动势。显然，绕组电流与转子磁场的相互作用，使转子沿顺时针方向旋转；转过120度电角度后，便进入第二状态，这时绕组A-A断电，而B-B随之通电，即定子绕组所产生的磁场转过了120度，如图2.5 b）所示，电动机定子继续沿顺时针方向旋转；再转120度电角度，便进入第三状态，这时绕组B-B断电，C-C通电，定子绕组所产生的磁场又转过了120度电角度，如图2.5 c）所示；它继续驱动转子沿顺时针方向转过120度电角度后就恢复到初始状态。图2.6示出了各相绕组的导通顺序的示意图。图 2. 6 各相绕组的导通示意图2.5直流无刷电动机的运行特性要十分精确地分析直流无刷电动机的运行特性，是很困难的。一般工程应用中均作如下假定：（1）电动机的气隙磁感应强度沿气隙按正弦分布。（2）绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙所产生的影响忽略不计。（3）控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降 为恒值。（4）各绕组对称，其对应的电路完全一致，相应的电气时间常数忽略不计。（5）位置传感器等控制电路的功耗忽略不计。由于假设转子磁钢所产生的磁感应强度在电动机气隙中是按正弦规律分布的，即B=BMsin 。这样，如果定子某一相绕组中通一持续的直流电流，所产生的转矩为TM=ZDLBMrIsin式中， ZD每相绕组的有效导体数；L绕组中导线的有效长度，即磁钢长度；r电动机中气隙半径；I绕组相电流。就是说某一相通以不变的直流后，它和转子磁场作用所产生的转矩也将随转子位置的不同而按正弦规律变化，如图2.7所示。图 2. 7 在恒定电流下的单相转矩它对外负载讲，所得的电动机的平均转矩为零。但在直流无刷电动机三相半控电路的工作情况下，每相绕组中通过1/3周期的矩形波电流。该电流和转子磁场作用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相当于1/3周期的一段，且这一段曲线与绕组开始通电时的转子相对位置有关。显然在图2.8所示的瞬间导通晶体管，则可产生最大的平均转矩。因为在这种情况下，绕组通电120度的时间里，载流导体正好处在比较强的气隙磁场中。所以它所产生的转动脉动最小，平均值较大。习惯上把这一点选作晶体管开始导通的基准点，定为。在=0度的情况下，电动机三相绕组轮流通电时所产生的总转矩如图2.8所示。图 2. 8 三相直流无刷电动机半控桥转矩如若晶体管的导通时间提前或滞后，则均将导致转矩的脉动值增加，平均值减小。当=30度时，电动机的瞬时转矩过零点，这就是说，当转子转到某几个位置时，电动机产生的转矩为零，电动机起动时会产生死点。当大于等于30度后，电动机转矩的瞬时值将出现负值，则总输出转矩的平均值更小。因此，在三相半控的情况下，特别是在起动时， 不宜大于30度，而在直流无刷电动机正常运行时，总是尽力把角调整到0度，使电动机产生的平均转矩最大。当=0度时，可以求得输出转矩的平均值 ： 电动机在电动转矩的作用下转动后，旋转的转子磁场就要切割定子绕组，在各相绕组上感生出电动势，当其转速n不变时，该电动势波形也是正弦波，相位同转矩相位一致。在本电路中，每相绕组在一个周期中只通电 ，因此仅在这 期间对外加电压起作用。所以对外加电压而言，感生电动势波形如图2.9所示。图 2. 9 三相直流无刷电动机半控电路的反电动势同理可按下式求得感生电动势的平均值 ： (2.3) (2.4) 从上面的平均转矩和平均反电动势，便可求得直流无刷电动机稳定运行时的电压平衡方程式，为此首先定义反电动势系数和转矩系数：对于某个具体的电动机，它们为常数。当然，其大小同主回路的接法以及功率晶体管的换相方式有关。直流无刷电动机三相半控桥的电压平衡方程组为：其中 ，将其代入上式整理后，可得其机械特性方程为：式中 电动机转速（r/min ）；电源电压（V）； 功率管管压降（V）；电动势系数；电动机产生的电动转矩平均值（N/m）；转矩系数；电动机的内阻（）。在三相半控电路中，其转矩的波动在TM 到TM/2 之间，这是直流无刷电动机不利的一面。2.6小结本章主要介绍了直流无刷电动机的基本结构和有位置传感器的直流无刷电动机控制系统的工作原理，阐述了直流无刷电动机的运行特性。3 直流无刷电动机控制系统的整体方案设计直流无刷电机控制系统主要由电源电路、给定电路、电压和电流检测电路、功率管驱动及保护电路、直流无刷电机位置信号检测环节以及控制电路和其外围电路组成。各个电路之间的连接关系以及能量和信号的传输方向如图3.1 所示。图 3. 1 系统框图图3.1 描述了硬件系统各部分之间的关联，图中箭头表示能量、控制或检测信号的传送方向。当系统处在运行状态时，通过外部输入设备（如开关、滑动变阻器等）向控制器发送运行指令（如正转、反转、加速等），并且载入运行参数。根据外部检测到的电机的位置信号以及电机所处的运行状态来改变控制器输出的控制信号从而调整电机的运行状态。电压检测环节主要是实现电机运行时的保护（如过压、欠压、以及能量回馈制动方式运行等）。电流检测环节主要是实现转速、电流双闭环控制和过流保护，从外部检测到的电流信号经过采样后，送到控制单元，控制单元根据检测电流的大小来决定时序信号的输出与否，当出现过流故障时，时序电路会停止输出控制信号，电机停转。当堵转时，电流检测电路会给检测电容充电，当堵转的时间够长时，封锁电机转动开关信号，起到堵转保护的作用。位置信号的检测在本系统中主要实现两个功能，一是检测转子位置，为控制单元提供准确的位置信号，实现开关管的正确换相；此外它还起到转速测量的作用，根据转子每换相一次转过固定的电角度，和电机转子磁极对数，系统利用F/V变换器，把转子的位置信号转换成电压信号，转速越快，电压越大。模拟量信号被加入到控制器内部的比较器输入端，当电压大时，控制器会减小输出脉宽，通过减小输出电流的方式来降低电动机的转速，从而达到速度闭环的目的。下面将具体介绍系统硬件的各个模块的设计方案以及所实现的主要功能。3.1主电路的设计主电路主要由逆变电路构成，与电动机的联结关系如图3.2 所示，图中直流无刷电机额定功率为 50W，电枢绕组 Y 连接。功率逆变电路采用三相全桥逆变电路 在直流无刷电动机的控制系统里，开关器件一般都选用全控型器件如 GTR、GTO、功率 MOSFET、IGBT 等。它们在耐压、容量、开关速度等方面的差异很大，需要根据实际情况进行选取。首先逆变器的开关频率很高，功率开关元件不宜采用晶闸管，而双极型大功率晶体管虽然在大电流导通时其导通电阻很小，但却要求较大的驱动功率，其开关速度也要比 MOSFET、IGBT 低。MOSFET 是一种多数载流子器件，无少数载流子的存储效应，因此开关速度快，而且 MOSFET 是一种理想的电压控制器件，驱动电路较为简单，MOSFET 没有二次击穿现象，工作安全区大，因此 MOSFET 特别适于高频变流装置，只是在高压大电流的情况下导通电阻较大，器件发热稍大。绝缘基极双极型大功率晶体管（IGBT）则是集 MOSFET 的电压控制与双极型大功率晶体管的大电流、低导通电阻的特点于一体的新型复合场控器件，它还保持了高速、低开关损耗、对温度不敏感等特点。相同面积芯片制作的 IGBT，其最大输出电流可比MOSFET 的输出电流增加两倍以上。根据电路要求，电机电源为24V,功率为50W,属于小功率电动机。本设计选用型号为RF540的MOSFET，耐压 200V，在保证参数余量的前提下降低了使用成本。图 3. 2 主功率电路3.2 小结 本章主要介绍了系统设计思路，从局部到整体介绍了设计过程，首先讲解了主功率电路的设计内容，针对以往电路设计中存在的问题，加入了诸多改正措施，提高了系统的稳定性和可靠性。4 系统调试和实验结果课题对直流无刷电机控制系统进行实验研究得到了一系列实验波形，本章将对这些波形进行分析。控制电路通过MC33035使用手册中的经典应用电路改装调试，通过理论计算和经验常识，搭建了控制电路。为了调试方便，主电路在直流母线侧采用直流可调电源输入。实验结果由示波器观察所得。根据前面章节所给出的系统构成和对硬件的要求，系统选择器件构成了一套直流无刷电机调速系统实验样机，主要的器件如下：1、实验用的直流无刷电动机：额定功率：50W；额定电压：24V；额定转速：500r/min；相数/极数：3 相 8 极。2、 整流模块：D3SBA60；3、 逆变模块:由6块IRF540构成的H桥；4、 驱动模块：IR2110；根据前几章设计的硬件电路搭建的直流无刷电动机控制器，获得了符合要求的控制效果，并采集到部分相关的波形和实验数据。论文所有实验波形均采用美国泰克公司生产的 TDS3014B 数字式示波器采集。 在实验过程中同步发电机为直流无刷电机的实验负载。图3-17为控制电路及其连接的主功率电路，图3-18为主电路中的逆变器和 MOSFET 的驱动电路。4.1 实验结果及波形分析图 4-1 是通过示波器得到的直流无刷电机的转子位置信号，从图中可以看出，三路信号之间相位相差 120，一个周期内高电平和低电平持续时间各为 180，这与预期分析的霍尔位置传感器的开关特性是一致的。霍尔位置传感器得到的波形稳定，没有脉冲尖峰干扰，而且位置信号与分析的结果一致，每隔 60电角度产生一个跳变。将其位置信号接到MC33035的传感器输入端就可以获得当前转子位置。图 4. 1 转子位置信号4.2 MOSFET驱动信号驱动电路的控制信号波形如下：在驱动电路中采用专用高端驱动器IR2110驱动H桥电路，电压为 15V，完全满足MOSFET驱动信号的要求。实验中控制信号与预期实验方案中信号相同。上桥臂信号与下桥臂信号如图4-2、4-3所示。图 4. 2 上桥臂三路驱动波形图 4. 3 下桥臂三路驱动波形4.3 小结本章首先对直流无刷电动机控制系统进行了分析和实验，证明系统设计的正确性。然后测量出霍尔信号的波形，针对传统的上桥臂MOSFET驱动波形不够陡的问题，测量了改进后的高端MOSFET驱动波形，经过分析表明，改进后的MOSFET驱动波形上升沿和下降沿明显变陡，消除了抖振现象，速度和跟踪效果较快。系统具有良好的稳态精度及动态响应性能。本章没有考虑电机参数和负载的变化，在以后的研究中，将弥补这一不足。结论基于直流电动机专用控制器MC33035的控制器已设计完毕。其主要工作有以下几个方面：1、研究安森美公司的直流电动机专用控制芯片MC33035。对它的内部结构和典型应用电路作了深入了解。并结合本课题重点熟悉了MC33035在无刷电动机控制领域的应用，制作和调试了MC33035直流无刷电动机控制器。本文对设计过程中出现的问题、注意事项也作了介绍。2、研究学习了直流无刷电机的结构和运行工作原理，建立了直流无刷电动机的数学模型，从数学建模的角度对三相直流无刷电动机的反电势、电流、转速、以及转矩的对应关系进行了讨论。并详细分析了直流无刷电动机的运行特性，推导出了其传递函数。3、设计了有位置传感器的直流无刷电动机的控制系统方案，方案中控制器的硬件电路模块包括：速度闭环模块、误差放大模块、震荡模块；外部信号检测模块，主要有：电流检测模块、电压检测模块、位置信号检测电路；系统的电源模块和MOSFET驱动电路。对这些外围电路和控制单元构成的整个系统进行了调试，并且取得了比较理想的实验结果。直流无刷电机控制系统是一个复杂的系统，设计中的许多工作还有待于进一步完善。随着相关控制方法的不断改进，直流无刷电机控制性能的提高有待于随着研究的深入逐步完善。对本系统而言，还有以下工作需进一步深入：（1）在本系统的设计过程中，为了节约时间，系统采用的是速度闭环结合电流截止负反馈。没有完全实现真正意义上的双闭环，所以控制器还需进一步的完善。（2）在实验中由于缺乏比较好的负载以及受实验条件限制，对直流无刷电机在这种