直流无刷电机论文

1、基于单片机的直流无刷电机控制系统设计摘 要本文从无刷直流电机的研究背景、研究意义、发展方向及分类，再到电机的系统结构、工作原理、控制方式都做了一系列的论述，尤其是在电机控制方式上。无刷直流电机通过霍尔传感器实现的电子换向优于传统直流电机的机械换向，现代电机有多种控制方式，电机专用控制集成芯片控制、单片机和DSP控制，本文将采用DSPIC30F2010的单片机的PWM控制模块实现对电机的转速控制。本文设计主电路采用MOSFET三相逆变桥，驱动电路采用驱动器IR2130使结构更加简洁。软件部分有主程序和中断程序组成，配合硬件电路，可以实现无刷直流电机的起动、制动和换向功能。 关键词 无刷直流电机

2、DSPIC30F2010 霍尔传感器Design of Brushless DC Motor Control System based on MicrocontrollerABSTRACTThis article from the brushless DC motor of the research background, research significance, the development direction and classification, and then to motor system structure, working principle, control mode

3、have made a series of system, this paper especially on motor control mode. Brushless DC motor with hall sensor to realize the electronic commutation is superior to the traditional dc motor mechanical commutator,there are a number of modern motor control mode, the special motor control chip control,

4、MCU and DSP control, this paper will use DSPIC30F2010 MCU PWM control module for motor speed control. In this paper, design of main circuit adopts MOSFET three-phase inverter bridge, drive circuit using driver IR2130 make the structure more compact. The software part consists of the main program and

5、 interrupt program with hardware circuit, can realize the brushless dc motor starting, braking and reversing function.KEY WORDS brushless DC motor DSPIC30F2010  Holzer sensor目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.2 直流无刷电机简介11.3 直流无刷电机的发展及应用场合11.4 直流无刷电机研究的意义32 直流无刷电机结构及工作原理52.1 直流无刷电机特点52.1.1 电机分类52.1.2

6、 直流无刷电机的主要特点52.2 直流无刷电机系统结构72.2.1 电机主体72.2.2 位置传感器82.2.3 电子换相 102.3 无刷直流电机工作原理112.4 脉宽调制（PWM）技术123 直流无刷电机控制系统硬件设计133.1 系统控制方案133.2 系统主电路133.2.1 三相桥式全控整流电路143.2.2 功率管的选用143.3.3 三相桥式逆变电路153.3 驱动电路163.4 转子位置信号检测电路183.4 微处制器控制电路193.5 PWM脉宽控制的实现213.6 保护电路223.6.1 过电压保护电路223.6.2 过电流保护电路234 软件部分244.1 微处理器DS

7、PIC30F2010开发环境244.2 软件总体构成245 结 论26致 谢27参考文献28附 录301 绪 论1.1 引言电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。众所周知，直流电动机具有运行效率高和调速性能好等优点，但传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，导致造价高，并产生了一些机械摩擦、使用寿命缩短、无线电干扰、可靠性差等一系列问题。 随着社会生产力与科技的迅速发展，促进了电动机产品的不断的更新，经过人们多年努力，在能够保持有刷直流电机的良好性能和启动性能的前提下，消除不足之处，人们借助霍尔元件来实现换向，用电子换向替代机械换向机械装

8、置，从而进入直流无刷电机产品化的新纪元。1.2 直流无刷电机简介直流无刷电机又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”。是将交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。直流无刷电动机（ Brushless Direct Current Motor ,BLDC ）,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。直流无刷电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷

9、冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳选择。1.3 直流无刷电机的发展及应用场合1831年法拉第发现电磁感应现象，为现代电机奠定理论基础，但受电力电子器件和永磁材料等发展的限制，当时人们使用机械换向的有刷直流电机。随着人们对物质生活的需求越来越高及科学技术上的突破，有刷直流电机已经不能满足现代人的需求。19175年，美国人Langmuir发明了控制栅极的水银整流器,并制成了直流变交流的逆变装置。针对

10、传统直流电机的弊病，20世纪30年代，一些学者开始研制采用电子换相的无刷直流电机，为无刷直流电机的诞生提供条件。但由于当时的大功率电子器件还处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换相器件，使得这种可靠性差、效率低的电机只能停留在实验室阶段，无法推广使用。1955 年, 美国D. Harrison和Pye首次申请成功用整流管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利, 这就是现代BLDCM的雏形。其工作原理是，当转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的感应电势，此电动势对应晶体管导通，这样就使相应功率绕组轮流馈电，实现了换流。但该电机的问题在于：首先，当转子静止时，信号绕组内不产生感应电动势，晶体管无偏

11、置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷电机无启动转矩其次，信号电势的前沿陡度不大，使得晶体管的功耗较大。上世纪60年代末至70 年代初方波直流无刷电动机一般采用光敏元件和遮光板位置传感器, 采用三相半控120°相带导通驱动方式。由于受到功率开关器件、永磁材料和驱动控制技术发展水平的制约,且此电动机尚无驱动转矩，所以这一时期的无刷直流电动机为直流无刷电机的广泛应用奠定了坚实的基础。1978年，联邦德国Mannesmann公司这是推出MAC直流无刷电机及其驱动系统，这标志着直流无刷电机真正进入实用阶段。之后，国际上对直无刷电机开展深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电机。直流无刷电

12、机的拓扑结构图如图1-1所示。可看做是采用转子位置反馈来进行换相控制，从而保证自同步运行且不需要启动绕组的电机。20世纪90年代以后，计算机技术与控制理论发展迅速，单片机、数字信号处理器、现场可编程们阵列等微处理器得到了空前的发展，指令速度和存储空间都有了质的飞越，进一步推动了无刷直流电机的发展。 由于电机本体及其相关学科的迅猛发展,“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有刷直流电机外部特性的电子换向电机。直流无刷电机的发展亦使得电机理论与大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论以及高性能材料的结合更加紧密。无刷电动机技术随着永磁材料的

13、不断提高和完善，以及电力电子技术的进一步发展，直流无刷电动机研究和开发经验的积累逐步走向成熟，使直流无刷电动机的应用、开发进入一个新的阶段。直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点, 又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点, 已经广泛的应用到我们的日常生活和国民经济各个领域之中。目前我国已有很多单位正在积极开发, 引进国外先进技术, 进一步提高无刷电动机的性能,未来市场对无刷电机的需求量还将急剧增加。近年来，我国中小型电机和微特电机行业发展迅速，在汽车、航空航天、家用电器、办公室自动化领域等行业内得到了较好的发展，随着各种先进控制策略被

14、用于直流无刷电机控制系统中，使控制系统的性能大幅度提高，从而全面推进直流无刷电机硬件系统朝小型化、轻量化、智能化和高效节能的方向发展。图1-1 结构拓扑图1.4 直流无刷电机研究的意义直流无刷电机是将控制芯片、检测元件、换向机构、软硬件相结合的一种新型机电产品，综合了许多现代科技的最新成果，是现代机电一体化的最新最好的诠释。它不仅仅继承了现有交流电机和直流电机的优点，而且自身还有独特的特点。沿袭了直流电机调速性能好、机械特性呈线性、运行效率高等一系列优点，并且突出的有点就是没有励磁损耗。用置传感器代替机械换向装置的好处很突出，没有了机械换向装置产生的机械摩擦以及摩擦产生的火花，就大大减少了投入

15、维护运行用的费用，而且从可靠安全的角度上考虑直流无刷电机可以用在高温高压等环境比较恶劣或者是要求比较严格的场合，这些都是以往应用的电机所不具备的。另一方面，从减少机械振动和减少噪音方面无刷直流电机做的也是非常成功的。这就为人类的工作提供了更加良好的工作环境，从环保的角度上考虑也是很好的。虽然由于驱动电路与换向电路在成本上有一定的增加，但是相信这些随着科学技术的进步与发展都会得到客服，随着永磁材料的更新进步，制作转子永磁体变得也越来越容易成本也在下降，这就又为直流无刷电机的推广应用增加了一定的筹码，因此在来，相信很长一段时间里，直流无刷电机会越来越多的应用在民用领域中，渐渐的将会取代现有的直流电

16、机。早在1964年，直流无刷电机就被美国国家航空航天局（NASA）使用，用于卫星姿态控制、太 阳电池板的跟踪控制、卫星上泵的驱动等。现代直流无刷电机都是以永磁励磁的。所以永磁材料的研究与发展从某种程度上来说对直流无刷电机的发展起着至关重要的作用。过去的铝镍钴永磁材料已逐渐被铁氧体、稀土永磁材料所代替，20世纪80年代高慈能积的铷铁硼永磁材料的出现与发展更是极大程度的推动了永磁电机的发展。随着电力半导体器件的更新与换代，从小功率晶体管，到大功率晶体管（GTR）、金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极性晶体管（IGBT）等新型开关器件的发展使得直流无刷电机的驱动电路更加简单，微电子技

17、术更是将直流无刷电机的专用控制集成电路与电子电路更好的结合起来。由上面的分析可以看出，随着时代的进步与科学的发展直流无刷电机在今后的社会发展中必定会逐渐成为主流，纵使它的出场成本依然昂贵，但是随着永磁材料与电力电子微电子技术的稳定发展，相信成本问题终将不会限制它的成长。因此，对它的研究在现如今以致在今后未来的很长一段时间里都会具有很深远的意义。2 直流无刷电机结构及工作原理2.1 直流无刷电机特点2.1.1 电机分类电机分为直流电机和交流电机，直流电机分有刷和无刷两种，直流无刷电机是在有刷电机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流；一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般

18、是“方波”），另一种是正弦波。电机分类框图2-1所示。按所需电源种类有刷直流电机直 流 电 机交 流 电 机无刷直流电机单相电机三相电机永磁直流电机电磁直流电机方波驱动正弦波驱动图2-1 电机分类结构图2.1.2 直流无刷电机的主要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

19、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

20、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

21、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

22、、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，直流无刷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。因此无刷直流电机铁芯利用率更高，具有更大的功率密度、更高的效率和更好的控制性能，如将节能因素、省却变频器以及产能提高因素考虑在内，综合使用陈本下降很多。综上所述，直流无刷电机，不仅具有体积小、节能、控制性能好、又轻易实现减速直接驱动消除齿轮减速装置，

23、低噪音、平层精度和舒服性都优于以前的有刷直流电机调速和异步电机变频调速。2.2 直流无刷电机系统结构直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(p)影响。它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样电子换相线路中的功率开关器件，如晶闸管，晶体管等可直接与电枢绕组连接。在电机内，装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置。它与电子换相线路一起，替代了有刷直流电机的机械换相装置。综上所述，无刷直流电机由电机本体，转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成，定子绕组分别于电子开关线路中相应的功率开关器件连接，位置传感器的跟踪转子与电动机转轴连接。其内部基本

24、结构原理框图如图2-2所示。无 刷 直 流 电 机电 机 主 体位 置 传 感 器电 子 换 向 线 路图2-2 直流无刷电机的结构框图2.2.1 电机主体直流无刷电机在电磁结构上和有刷电机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、结构化了结构、提高了性能，使其可靠性得以提高。电机主体包括定子和转子，直流无刷电机的定子由铸钢叠片组成，转子是由永磁体镶嵌在铁芯表面或者嵌入铁芯内部构成。定子绕组置于内部圆周轴向开凿的槽中如图所示，在槽中放置一个或多个线圈，并使它们相互连接组成绕组，电枢绕组可以星形连接或三角形连接，但考虑到系统的性能和成本，目前大多使用星形连接的电枢绕组。沿定子圆周分布这

25、些绕组，以构成均匀分布的磁极，且有利于常用的内转子无数直流电机散热，电机主体图如2-3所示。图2-3电机主体图2.2.2 位置传感器位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置、为逻辑开关电路提供正确换向信息的作用，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相，使电机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按一定次序换相，通过气隙形成步进式旋转磁场，驱动永磁转子连续不断的旋转。位置传感器的种类很多，有电磁式、光电式、磁敏式等。霍尔位置传感器为磁敏式位置传感器的一种，其结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化的优点，因此，在无刷直流电机控制系统中一般采用霍尔位置传感器作为转子位置

26、检测装置。霍尔式位置检测器是利用“霍尔效应”进行工作的。利用霍尔式位置传感器工作的无刷直流电动机的永磁转子，同时也是霍尔式位置传感器的转子。通过感知转子上的磁场强弱变化来辨别转子所处的位置。霍尔传感器按功能和应用可分为线性型和开关型两种： (1)线性型：线性型传感器是由电压调整器、霍耳元件、差分放大器、输出级等部分组成，输入为变化的磁感应强度得到与磁场强度成线性关系的输出电压，可用于磁场测量、电流测量、电压测量等。 (2)开关型：开关型传感器是由电压调整器、霍耳元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成。输入为磁感应强度，输出为开关信号。直流无刷电机的霍耳位置传感器和电机的本体一样，也是

27、由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和传感器转子。其转子与电机主转子一同旋转，以指示电动机主转子的位置，即可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其它位置上另外安装永磁转子。定子由若干个霍耳元件，按一定的间隔，等距离的安装在传感器定子上，以检测电动机转子的位置。 位置传感器的基本功能是在电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关状态数。位置传感器的永磁转子每转过一对磁极（N、S几极）的转角，也就是说每转过360 电角度，就要产生出与电动机绕组逻辑分配状态相对应的开关状态数。以完成电动的一个换流全过程，如果转子的极对数越多，则在360 机械角内完成该换流全过程的次数也就越多。霍耳位置传感

28、器必须满足以下两个条件：(1）位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度相等。 (2）位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。图2-4霍尔集成电路及开关型输出特性位置传感器输出的开关状态能满足以上条件，那么总可以通过一定的逻辑变换将位置传感器的开关状态与电动机的换相状态对应起来，进而完成换相。对于三相无刷直流电动机，其位置传感器的霍耳元件的数量是3，安装位置应当间隔120 电角度，其输出信号是Ha、Hb、Hc。霍尔集成电路及开关型输出特性如图2-4所示，霍尔式位置传感器由于结构简单，性能可靠，成本低，因此是目前在无刷直流电动机

29、上应用最多的一种位置传感器。2.2.3 电子换相换向又可以称为“换流”,在无刷直流电机中，来自转子位置传感器的信号，经处理后按照一定的逻辑程序，驱使某些与电枢绕组相连接的功率开关晶体管在某一瞬间导通或截止，迫使某些原来没有电流的电枢绕组内开始流通电流，某些原来有电流的电枢绕组内开始关断电流或改变电流的流通方向，从而迫使定子磁状态产生变化。我们把这种利用电子电路来实现电枢绕组内电流变化的物理过程称为电子换向或“换流”。没“换流”一次，定子磁状态就改变一次，连续不断地“换流”，就会在工作气隙内产生一个跳跃的旋转磁场。当电子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁极相互作用而产生转矩

30、，驱动转子旋转，再有位置传感器将转子磁钢位置信号变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向的作用。图2-5 “三相星形桥式连接”的电子换向电路图2-5是“三相星形桥是连接”的电子换向电路的原理图。“三相星形桥是连接”的电子换向过程如下：第一步：当时，图2-5中的MOSFET管、导通，即有电源正端UV电源负端；第二步：当时，MOSFET管、导通，即有电源正端UW电源负端；第三步：当时，MOSFET管、导通，即有电源正端VW电源负端；第四步：当时，MOSFET管、

31、导通，即有电源正端VU电源负端；第五步：当时，MOSFET管、导通，即有电源正端WU电源负端；第六步：当时，MOSFET管、导通，即有电源正端WV电源负端；第七步：当时，又重复时的状态。2.3 无刷直流电机工作原理直流电源逻辑变换开关线路电动机转子位置传感器图2-6直流无刷电机原理框图直流无刷电机没有换向器，并且绕组是在定子上，转子上镶有永磁刚。当定子上的线圈通有直流电后会产生不变的磁场，这个磁场不能与转子产生的磁场始终形成一个电角度来产生力矩推动转子运动，这就要求定子上通电后要产生变化的磁场，可以和转子永磁体产生的磁场在360°始终形成一个固定的电角度产生连续的转矩让转子转动。通过

32、位置传感器感受转子位置产生不同的逻辑信号，改变逻辑开关组成的电路中功率管的导通改变定子绕组通电相来实现磁场的变化，致使转子永磁体产生的磁场和绕组换相导通的磁场始终保持一个90°电角度，这样电机就连续不断的运转起来了。无刷直流电机中电枢绕组被设置在定子上，永磁体磁极被设置在转子上，定子各相电枢绕组相对转子永磁体磁场的位置，由转子位置传感器通过电子方式或电磁方式所感知；并利用其输出信号，通过电子换相线路，按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组相连接的相应的功率开关晶体管，把电流开关到相应的电枢绕组。随着转子的转动，转子位置传感器不断地发送出信号，致使电枢绕组不断地依次通电，不断地改变通电状态

33、，使得在某一磁极下的线圈导体中流过的电流方向始终不变，直流无刷电机原理框图如2-6所示。2.4 脉宽调制（PWM）技术PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。 PWM变频电路具有以下特点：  (1) 可

34、以得到相当接近正弦波的输出电压 (2) 整流电路采用二极管，可获得接近1的功率因数 (3) 电路结构简单 (4) 通过对输出脉冲宽度的控制可改变输出电压，加快了变频过程的动态响应 现在通用变频器基本都再用PWM控制方式，所以介绍一下PWM控制基本原理:控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲

35、量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量既指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同。是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。3 直流无刷电机控制系统硬件设计3.1 系统控制方案本系统采用DSPIC30F2010为核心控制芯片，单片机输出与输入的信号先经过光耦隔离（目的消除干扰），运行时，三相交流电源经过晶闸管全桥整流电路为逆变桥提供稳定的整流直流电，加载到逆变桥两端。由控制芯片提供六路PWM波，通过位置传感器感受转子的位置变化并将其转化后的电信号反馈到控制芯片中，控制芯片对此作出相应的判断，对转速

36、做到实时测量，通过电机驱动芯片IR2130以此控制相对应的功率管按照既定的方式导通，使得定子绕组产生变化的磁场，产生推动转子连续转动的转矩，驱使电机转动，带位置传感器直流无刷电机的系统框图如图3-1所示。微 处 理 器电 机 驱动 电 路逆 变 桥整 流 桥三 相 交流 电 源转 子 位 置 信号无刷电 机电平转换图3-1直流无刷电机系统框图3.2 系统主电路无刷直流电机硬件系统主电路主要由交流电源、整流桥和逆变桥组成。输入交流电先经过整流电路整流后变换为直流电，逆变桥将此直流电经过变换后输出，用来驱动无刷直流电机。无刷直流电机控制系统包括硬件和软件两部分。硬件部分由主电路、驱动电路、微处理器

37、控制电路与保护电路等组成。软件部分包括主程序和定时中断服务子程序等内容。3.2.1 三相桥式全控整流电路根据不同的系统要求和应用场合，交流电源可采用单相或三相交流电源对于单相交流电源，常采用整流电路有桥式全控整流电路、桥式半控整流电路和桥式倍压整流电路。三相交流电源多采用三相桥式整流模块实现整流，接线简单且效果好。桥式全控整流电路如图3-2所示，由图知桥式全控整流电路习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中

38、与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。图3-2三相桥式全控整流电路3.2.2 功率管的选用功率管（功率场效应控制器）是一种用电压信号控制工作电流的电力电子器件。特点是输入阻抗极高，所需驱动功率很小，在控制信号撤除后会自行关断，是一种高性能的自关断器件。目前广泛使用于电机驱动控制电路，特别是应用于无刷直流电机的驱动控制中。本设计选用的功率管如下：(1) N管选用STP60NF06，这种系列MOSFET功率管

39、是一种具有独特的STripFET过程微电子稳压管，特别是具有极小的输入电容和栅极电荷。因此，特别适合作为电信和计算机的先进高效的主要的开关隔离式DC - DC转换器。还可应用在要求低电荷驱动栅极的电路。 (2) P管选用STP80PF55，主要应用于电动机控制、DC-DC和DC-AC变换器中。MOSFET管工作在高频时，为了防止振荡，有两点必须注意：第一，尽可能减少各端点的连接线长度，特别是栅极引线，如果无法使引线缩短，可以在靠近栅极处串联一个小电阻以便控制寄生振荡；第二，由于MOSFET管的输入阻抗高，驱动电源的阻抗必须比较低，以避免正反馈所引起的振荡，特别是MOSFET管的直流输入阻抗非常

40、高，但它的交流输入阻抗是随频率而改变的，因此MOSFET管的驱动波形的上升和下降时间与驱动脉冲发生器阻抗有关。3.3.3 三相桥式逆变电路图3-3三相桥式逆变电路图三相桥式逆变电路如图3-3所示，由六个MOSFET或IGBT构成的三相桥式逆变器，图中二极管D1D6可作为电机向直流侧反馈能量的通道，故称为反馈二极管；他们同时起着使电机电流续流的作用，因此又称为续流二极管。续流二极管旁由阻容和另一个二级管组成吸收电路，其作用为抑制功率管两端的过冲电压，减小功率管的关断损耗。由三相桥式逆变电路图及原理，我们来讨论功率管的导通所带来的绕组换向问题及由功率管所构成的逆变电路。怎么样才能使转子永磁体产生的

41、磁场与绕组产生的磁场在360度电角度内始终形成固定的90度的电角度，通过电路的一系列工作方式来说明这些问题。现代无刷直流电机最常用的三相全桥逆变电路。采用6个MOSFET功率管和6个续流二极管组成。电机采用三相Y型连接方式。三相绕组导通方式通常有两两导通方式和三三导通方式。下面就两种主要导通方式进行论述和分析。 (1) 两两导通方式两两导通方式是指每一时刻电机都有两相导通，第三相悬空，各相的导通顺序与时间由位置传感器获得的转子位置信号决定。定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种步进式旋转磁场，每个步进角是60°电角度。转子没转过60°电角度时，逆变桥就进行一次换流，

42、定子磁状态就相应改变一次，由此可见，电机有六个磁状态，每一状态都是两两导通，每相绕组中连续流过电流的时间对应于转子旋转120°电角度所需要的时间。 每一时刻都有一个上桥臂功率器件导通，使相应的绕组获得正向电流产生转矩；同时又有一个下桥臂功率器件导通，使另一相绕组获得反相电流产生转矩，因此相应时刻的合成转矩是两相绕组通电产生的转矩之和。每经过一次换相，合成转矩的方向就转过60°电角度，一个周期内转矩要经历六次方向变换，使得转矩波动比三相半控式驱动电路要平缓很多。(2) 三三导通方式三三导通方式是指每一瞬间逆变桥均有三只功率器件同时通电。同两两导通方式相比，也是，每隔1/6周期

43、（60°电角度）换相一次，其硬件原理完全相同。只是功率器件的导通次序不同，每一功率器件导通180°电角度。三三导通方式可以更进一步提高绕组的利用率，减少转矩波动。值得注意的是三三导通方式在换相时刻容易导致同一桥的上、下桥臂同时导通。3.3 驱动电路MOSFET驱动电路既可以由分立器件构成，也可以由专用的驱动器构成。由专用驱动器构成的电路简单，可靠性高，应用较为广泛。驱动器种类很多，其中IR2110和IR2130较为常用。IR2130是IR公司生产的高性能三相桥式驱动器，它是高压集成驱动器，可作为交直流调速、UPS电源、电子镇流器以及永磁无刷电机调速电路中主功率元件的驱动电路

44、。IR2130具有六路输入信号和输出信号，其中六路输出信号中的三路具有电平转换功能，因而他既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件，又能驱动高压侧的功率元件。也就是说IR2130只使用一路驱动电源，但可以输出6路驱动信号，使系统简化，而且IR2130保护功能设计的更加完美，使电路更加可靠。IR2130可在不高于600V的电路中工作，输出的上桥臂驱动电流峰值为250mA，下桥臂驱动电流峰值为500mA。其内部集成有1个电流比较器、1个电流放大器、1个自身工作电源欠压检测器、1个故障处理单元、1个清除封锁逻辑单元、3个输入信号处理器、3个脉冲处理和电平移位器、3个上桥臂驱动信号锁存器、3个上桥臂驱动信号

45、欠压检测器、6个低压输出阻抗功率驱动器和1个或门电路。图3-4直流无刷电机驱动电路图在无刷直流电机驱动系统中，微处理器产生6路PWM脉冲信号作为IR2130的6路输入，其中3路驱动上桥臂，3路驱动下桥臂。驱动下桥臂功率管的3路信号经过功率放大后，直接被送往功率器件的控制极；而驱动上桥臂功率管的3路信号先经过脉冲处理器和电平移位器中的自举电路进行电位变换。变为3路电位悬浮的驱动脉冲信号，再经对应的3路输出锁存器锁存，通过严格的驱动脉冲检验之后，被送到输出驱动器进行功率放大，到最后到被驱动的上桥臂功率管控制极。直流无刷电机的驱动电路如图3-4所示。图3-4中，IR2130的HIN1HIN3、LIN

46、1LIN3作为功率管的输入驱动信号与主控芯片连接。FAULT与DSPIC30F2010外部中断引脚连接，由控制器中断程序处理故障。考虑到电枢线圈由于自身电感的作用会产生极高的瞬时反电动势，会击穿元件，在功率管上加入D5D8这六个二极管，起作用时通过续流而防止出现过高的反电动势造成MOSFET管损坏。C3C5是自举电容，为上桥臂功率驱动的悬浮电源存储能量，D1D3的作用防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏，因此D1D3应有足够的反向耐压，由于二极管与电容串联，为了满足主电路功率管开关频率的要求，D1D3选着了快速恢复二极管。3.4 转子位置信号检测电路在带位置传感

47、器无刷直流电机控制系统中，为了得到最大转矩，微处理器需要根据位置传感器的信号对无刷直流电机进行换相操作。掌握好恰当的换相时刻，可以减少电机转矩波动，因此位置检测非常重要。在大多数无数直流电机中，霍尔位置传感器由安装在定子上的霍尔集成电路和安装在主转子上的位置传感器转子构成。传感器转子与电机主转子一同旋转，以指示电机主转子的位置，若干个霍尔集成电路按等距的间隔，安装在电机定子上，主转子每转过一对磁极，传感器就要产生出一组跳变信号。主转子的极对数越多，则在360°机械角度内传感器产生的跳变信号也越多。在一个电周期内，霍尔位置传感器所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度相等

48、。以3个空间位置相差120°电角度的霍尔位置传感器为例，每个电周期内每一个霍尔位置传感器都会产生180°脉宽的输出信号，3个霍尔位置传感器的输出信号相位差120°.这样它们在每个转子电周期中共有3个上升沿和3个下降沿，正好对应6个换相时刻。位置检测不但用于换相控制，而且还可以用于产生速度反馈控制量。转子位置反馈信号被送入微处理器的输入接口，这一组信号的电平状态和跳变时刻决定了电机的换相状态和时刻。如图3-5所示，霍尔位置传感器输出信号HA、HB和HC经过高速光电隔离后输出，再经过整形和电容滤波滤去高频干扰信号后得到HA、HB和HC，最后送入微控制器。图3-5转子位

49、置信号检测电路图3.4 微处制器控制电路微处理器控制电路主要包括微处理器、接口电路和外围设备。其中，未处理器是整个电路的核心部件，它主要负责对输入数据进行处理。实现各种复杂算法、通过输出接口向驱动电路发送控制信号、将运算结果输出给外围设备、从外围设备接收指令并做出相应的动作。由此可见。选着一个合适的微处理器，就成为整个控制系统能否良好运行并达到预期控制效果的关键。随着大规模和超大规模集成电路技术的发展，微处理器芯片也朝着高速化、通用化、专用化、高性价比以及模拟数字混合集成等方向发展。美国 MICROCHIP公司推出了性价比介于高档 16位单片机和中档 DSP 之间的 dsPIC30F系列28位

50、引脚16位MCU，它主要为交流感应电机、无刷直流电机和普通直流无刷电机这些典型的电机类型而专门设计的。论文中采用该系列中的dsPIC30F2010 微处理器作为直流无刷电机无位置传感器控制系统的主控芯片，它内部有专为电机控制应用而设计的MCPWM模块，使系统更加简化，其外围电路主要包括系统时钟电路、复位电路、程序在线调试和下载电路。以下是DSPIC30F2010电机控制PWM模块的一些主要特性：l 6个PWM输出通道，互补或独立的输出模式，边沿和中心对齐模式l 4个占空比发生器。l 具备4中工作模式的专用时基l 输出极性可由编程设定l 用于互补模式的死区时间控制l 手动输出控制l 用于同步A/

51、D转换的触发器图3-6微处制器控制电路dsPIC30F2010 微处理器同时具有高性能 16 位单片机的控制特点和 DSP 高速的数字信号处理能力，并且采用了改进的哈佛 RISC 架构，其拥有丰富的外围模块、完整的 DSP 引擎、改进的中断处理能力以及大容量的FLASH 存储器.dsPIC30F2010微处理器内核集成了完整的DSP引擎，这极大的提高了微处理器的运算能力和数据吞吐能力。它具有一个高速17位×17位乘法器、一个40位算数逻辑单元（ALU）、两个40位饱和累加器、一个40位双向桶形移位寄存器和16个16位工作寄存器（ W 0 W15），并且每个工作寄存器都可以作为数据、寻

52、址或者移位寄存器进行操作，在这16个工作寄存器中 W 15作为中断和程序调用时的堆栈指针。 dspIC30F2010微处理器的指令系统支持单片机和DSP两大类指令，并且DSP指令可以与普通的单片机指令同时进行操作，此外，该指令系统基于高效的C语言编译器，内核支持固有寻址（无操作数寻址）、相对寻址、立即数寻址、存储器直接寻址、寄存器直接寻址、寄存器间接寻址、寄存器偏移量寻址以及立即数偏移量寻址。对于大多数的指令，内核能够在每个指令周期内完成数据（或程序数据）存储器读取、工作寄存器（数据）读取、数据存储器写入以及程序（指令）存储器读取的工作。dsPIC30F2010微处理器的内核中还加强了陷阱异常

53、和中断处理结构单元的设计，支持最多8个陷阱异常和54个中断源，编程人员可以指定1到7之间的优先级（1为最低优先级；7为最高优先级）或者按照预定义的“自然顺序”，决定每个中断源的优先级。dsPIC30F2010微处理器中，陷阱异常的优先级是固定的，其优先级范围从8到15。dsPIC30F2010微处理器还集成了丰富的外围功能模块，其中包括：高灌电流、高输出驱动电流的I/O引脚，最大输出驱动电流可达 25 mA；三个16位定时器（计数器），在需要的时候可以将16位定时器配对组成32位定时器进行操作；四个16位输入捕捉功能引脚；两个16位比较或者PWM输出功能引脚，可工作在双比较模式下；多种外围通讯

54、模块，其中含有SPI、IIC和UART等通讯方式；多通道的A/D采样模块以及各种异常情况处理模块和保护模块。当dsPIC30F2010微处理器应用在电机控制系统中，其电机专用控制模块还提供了六个PWM输出通道和四个占空比发生器用于三相桥式逆变器的控制，设计人员可以对相应的控制寄存器进行编程，使微处理器输出互补或者独立的PWM波，同时也可以对驱动信号的死区时间进行控制。 综上所述， dsPIC30F2010微处理器拥有强大的内核处理能力，完善的指令系统，丰富的外围功能模块以及电机控制专用模块，为电机控制系统的设计提供了便利FF0C表现出了良好的控制性能。3.5 PWM脉宽控制的实现为了使直流无刷

55、电机速度可变，必须在两相绕组的两端加上可变电压。从数字化的语言来讲，从数字化的语言来讲，就是加在直流无刷电机绕组上的PWM信号的不同占空比可以获得可变电压。dsPIC30F2010有六个由PWM信号驱动的PWM输出，通过使用六个开关、IGBT 或 MOSFET，可以将三相绕组驱动为高电平、低电平或根本不通电。例如，当绕组的一端连接到高端驱动器时，就可在低端驱动器上施加占空比可变的 PWM 信号。这与将 PWM信号加在高端驱动器上， 而将低端驱动器连接到 V SS 或GND 的作用相同。一般更喜欢对低端驱动器施加PWM信号。PWM信号由dsPIC30F2010的电机控制（MotorControl

56、,MC）专用PWM模块提供。MCPWM模块是专为电机控制应用而设计的。MCPWM有一个专用的16位PTMR 时基寄存器。此时定时器每隔一个由用户定义的时间间隔进行一次递增计数，该时间间隔最短可以为。通过选择一个值并将它装入PTPER寄存器，用户可以决定所需的PWM周期。每个，PTMR与PTPER作一次比较。当两者匹配时，开始一个新的周期。控制占空比的方法与此类似，只需在三个占空比寄存器中装入一个值即可。与周期比较不同，每隔 /2 就将占空比寄存器中的值与 PTMR 进行一次比较（即，比较的频率是周期比较的两倍） 。 如果PTMR的值与PDCX的值相匹配，那么对应的占空比输出引脚就会根据选定的P

57、WM模式驱动为低电平或高电平。通过占空比比较产生的三个输出将被分别传输给一对互补的输出引脚，其中一个引脚输出为高电平，而另一个引脚输出为低电平，反之亦然。这两个输出引脚也可以被配置为独立输出模式。当驱动为互补输出时，可以在高电平变低与低电平变高之间插入一段死区。死区是由硬件配置的，最小值为 。插入死区可以防止输出驱动器发生意外的直通现象。3.6 保护电路在控制系统工作中，经常会发生很多异常的情况，为了防止这些异常情况对控制电路、驱动电路和电机的损害，电路设计中需要加入必要的保护电路。常用的保护电路有过电压保护电路、过电流保护电路等，以下分别介绍。3.6.1 过压保护电路图3-8过压保护电路过压

58、保护电路的工作原理：直流侧母线电压经过采样后被送入电压比较器，与事先设定好的好的参考电压进行比较，如果超过参考值则证明出现过压现象。比较器输出过压保护信号，触发微处理器的中断信号以实现过压保护。采集母线电压的方式，直接在直流侧母线电压上设置分压电阻，采集到母线电压经比较器后输出的信号送入光耦，光耦输出的信号再送给微处理器，保证了系统控制电路和主电路的隔离，结构简单，其电路原理图如3-8所示。3.6.2 过电流保护电路过电流保护原理同过电压保护类似，在直流侧母线中加入采样电阻，将电流信号转变为电压信号，然后再进行处理，其电路原理如图所示。3-9过电流保护电路4 软件部分4.1 微处理器DSPIC30