直流无刷电机控制器的设计

VII页第1章绪论1.1研究意义与背景在生活中遇到电动机的时候很多比如说：摩托车电动车动车等，交通工具都要和电动机打交道。早期时间很多都是有刷电动机但是随着社会的发展科学的进步渐渐的发现无刷电机比有刷电机有太多的优点，比如电枢绕组位于定子上，电阻产生的热量会减少相对于有刷电机，没有电刷电机的散热会更加方便，在电机内安装芯片使电机的温升易于控制。在相同功率的情况下，无刷直流电机的体积更小，消耗的能量更少。无刷直流电动机转速控制起来更加方便。无刷电动机在很早以前是没有普片推广的当初发明有刷电机时由于当时的社会条件并没有发现有刷电机的诸多缺点。后来将电机做小做简便后就渐渐的明白有刷电机其实存在内阻大，发热大和不易做小和在控制电机方面根本做不到精准。比如将电机运用到多个领域是不仅仅是工业方面是缺点更加明显就有了后来对无刷电机的研究，但是当当是对无刷电机的研究对当时的社会需求来说并不是很明显只是在集成电路大发展是无刷直流电机才的到飞速的发展有了小的芯片有了可以在电机内安装的传感器就可以对电机的速度或者发热得到明确的检测有利于及时对电机进行调节和修改渐渐的就发展到现在的无刷直流电机随处可见的盛世。对于我们大学生来说设计一个无刷直流电机控制器的设计是实验其实也是对先前的科学家对无刷电机的贡献。无刷直流电动机的发展来源于有刷直流电动机的后期改良的结果可以说无刷直流电机是有刷直流电机的升级和换代，电动机从1831年10月28日由法拉第发明了圆盘发电机出来以后出现了更多以发动机为原理的电动机，电动机的转矩控制特性在电动机发展前期在电子运动范围内一直起到重要的领导地位。但是，在机械接触电刷到转向器一直是直流电动机机械损耗的弊端，为了提高系统的可靠性电机的使用寿命，所以就发明了后来的直流无刷电机，到现在基本上是无刷电动机取代了有刷直流电机。面对直流有刷电机的缺点，在很早以前便有人研究用电子换相来替换机械的有刷直流电机并且，也得到了一些显著的效果，当时社会经济并不是特别发达大功率的电子元器件当时并不发达处于发展的初步启动阶段，社会上没有研究出适合大功率的电子换相元器件导致这种电子换相电机只能出现在实验室中没有得到大量推广。后来实现了晶体管电子开关代替电刷的电机这种电机就是无刷电机的起步阶段。随着社会科技的发展渐渐的有了高强度稀土永久磁铁以及霍尔元件实现换相，以及后续发明的GTRMOSFEFIGBT等半导体功率元件使无刷电机得到飞速的发展。1.2无刷直流电机控制器的设计研究现状和未来发展近些年国际上对直流无刷电机的控制是非常熟练的其中日本和美国这两个国家在这方面的技术更加先进已经站在世界水平的巅峰所以现在很多国家都在向这两国家学习直流无刷电机的控制技术，直流无刷电机在控制上的核心是控制芯片的选取和芯片和电机的相互配合然后就是PWM的调速方式，传感器的精密和电路的选择。图1-1无刷电机1.3本文工作内容与结构直流无刷电机控制器的设计，控制器是以专用芯片MC33035来进行设计，位置反馈元件有霍尔传感器反馈接口和编码器接口，开关器件采用MOSFET管，设计有转速反馈闭环控制、正反转、过流保护等，控制器还采用单片机开发板实现数字转速给定和转速显示，采用PID控制，有转速、电流双反馈，位置反馈采用霍尔传感器反馈。设计要求利用专用芯片完成制作一种无刷直流电机控制器。要求采用C8051F001作为控制器的速度测量和速度设定（2）要求利用MC33035组成闭环控制器（3）要求速度可以通过数字按钮设定（4）要求设定速度的时候显示设定速度，运行时显示即时速度（5）要求控制功能包括PWM速度控制、使能控制、正反转控制能耗制动控制。第1章绪论，介绍了直流无刷电机的研究背景、发展方向及主要技术、国内外研究现状。第2章直理论分析。第3章MC33035工作原理。第4章无刷直流电动机的简单技计算。第5章工作总结第6章参考文献。

第2章理论课题2.1直流无刷电机基本原理电机的组成由定子和转子两部分组成，定子是线圈绕组电枢转子是永久强力磁铁，当给线圈通入稳点的电流时电动机就能产生一个不变的磁场众所周知稳定的磁场不能产生电场力所以电机并不能转动起来，由高中知识可已明白电动机的转子实时的转动位置和对应的的电机线圈里通着实时电流有密不可分的关系，使定子产生方向均匀的旋转磁场电动机才能正常的运转起来。图2-1转子图2-2定子绕组2.2理论分析无刷直流电机的机械特性： 公式（2.1） n表示转速。U表示电源电压。U表示功率管管电压降。r表示转矩。T表示周期。始动电压： 公式（2.2） U表示功率管管电压降。表示输入电压。2.2.1直流电机控制系统由外加电源通过通电转换进过变频，整流，把交流电转为直流电经过电桥通到直流电机，因此设计如下电路图：图2-4直流电机原理图2.3无刷直流电动机基本工作过程无刷直流电动机由名字上都可以看出和有刷直流电机有着密不可分的关系。然而，直流有刷电机由项圈绕组为定子、永久磁铁为转子、石墨电刷以及电子换向器构成。电机电刷和换向器的作用就是换相因为永久磁铁在不断旋转所以需要一个换向器来转换电流的方向。众所周知不管是无刷电机还是有刷电机都是由定子和转子构成的，无刷直流电机与有刷电机相比无刷电机里少了电机电刷和换向器。电机的转子是一块永磁体材料，定子是芯上绕有线圈，当给线圈通可以变化的电流后，会产生可变的磁场，这个感应磁场和转子磁体相互作用，由此转子转动起来。为了让电机平滑持续的转动。直流电源输出的电流经过导向到达逆变器把直流转变为交流电然后将输出简单点就是逆变器起到的是开关电源的作用。直流电流经过逆变器后的电流波形为锯齿波调节锯齿波的宽度就可以间接调节无刷电机的速度。如果要让电机的速度不停的改变就要将逆变器和电动机和控制芯片设计成一个闭环系统。如果是只需要电动机只保持一个速度旋转而且不反向就只需要把系统做成开环系统就好，相对来说闭环系统对于开环系统来说要更加复杂。图2-5相位转换图图2-6电机内部图2.4主电路方案设计主电路的设计简单地说就是一个直流电源供电给逆变电路，逆变电路把直流的输入电源处理后输送到电机，进过电动机内部的传感器把采集到的一系列数据输送到单片机进行速度大小和转动方向进行比较然后把比较的结果输送到集成电路进行处理处理的结果再一次输送到逆变部分对直流电源的电压和电流进行改变从而再次改变电机的运行状态就这样循环往复达到调节电机和控制电机的效果。电机逆变直流电源电机逆变直流电源集成电路集成电路速度检测速度检测图2-7集成电路控制2.4.1直流电源直流电源是持续给电路提供稳定电压和电流的元件装置，直流电源的基本原理是比如一个装满水坝把水流放到下面的农田一个类型电动势由高指向低。直流电源内部的非静电力是由负极指向正极，外部所表现出来的则是正极指向负极。直流电源与外部电路连接后我们称除电源部分为外电路，电源内部我们称为内电路。非静电力的作用是使电流从负极流向正极使电荷的流动成为闭合的循环周而复始，达到持续提供能量的效果。图2-8直流电源2.4.2逆变器逆变器的功能是将直流电能转变为交流电一般是分为三个部件逆变电桥，控制逻辑和滤波电路这里我们不介绍控制逻辑和滤波电路只了解逆变电桥。逆变器是采用通用逆变桥，这种逆变桥是适用整改模块也可用于变频器，特别是与电流改变方向有关。显然下图的这个设计为逆变器，具体的设置为电路桥臂，采用功率管MOSFET电子设备。图2-9逆变电桥器件开关on/of步骤180°连接方式（各器件连续三步）120°连接方式（个器件连续两步）Tr123456Tr123456101011001001020100100110003011001001001410100110000151001011001006100110000110表2-1逆变器输入电流表2.4.3MC33035无刷直流电动机控制芯片早期无刷直流电机是因为技术不够不能再电动机内部安装霍尔元件传感器，强行安装会产生诸多问题具有电流过大，发热过多，电压不稳定的辅助功能的芯片，所以芯片的选择和电动机之间是双向选择的，并且占用了芯片大面积的电路板所以把控制器嵌入电动机中是不可能的。最近几年，随着半导体技术的精进和开发出了各种无刷直流电动机控制器芯片，如MC33035，TB6537P等等。现在介绍芯片MC33035的基本工作原理和应用：芯片MC33035的功能包括开环时电动机的速度控制，转子前进或后退，允许正常运行和阻尼刹车。芯片MC33035的设计与操作有60度/300度和120度/240度，传感器的三相无刷电动机，并能有效地控制无刷直流电动机。芯片MC33035管脚定义如下图所示：图2-103MC33035管脚定义图芯片MC33035是在无刷直流电机控制时调节电压正反来改变电动机的正反转改变电压输出，改变传感器的高低输出最后改变整流的正反电流。电动机的开与关的控制是通过输出来实现该，顶部引脚是开通时连接到正电源的内置上拉电阻会在开始开在该驱动器的输出时序顶部和底部。表2-2芯片功能介绍表功能可控制电机正反转实现电机刹车制动启停功能可选择三相无刷直流电机传感器相位差60°或120°欠压封锁保护，IC过热保护和故障输出可以组合的对象转子位置传感器译码电路，脉宽调制比较器欠压、过热保护以及故障电平输出误差放大器，输出驱动电路具有温度补偿的6.24V内部基准电源RT、CT可变锯齿波振荡电路限流电路表2-3芯片引脚功能介绍表引脚号功能备注1，2，24BT,

AT,

CT集电极开路输出，驱动上桥三个功率管3正、反转选择高电平正传，低电平反转，内部上拉4,5，6SA,SB,SC位置传感器信号输入7使能控制引脚高电平使电机运行，低电平使电机停止8基准电压输出6.24，为MC33039芯片提供电源9,15电流检测输入同相端/反相输入端10振荡器振荡器频率由外接Rt和Ct决定，为PWM提供斩波11误差放大器输入同相输入端，

为微小信号提供放大电路12误差放大器反相输入端，为微小信号提供放大电路16接地14故障信号输出出现传感器非法输入、电流检测输入端电压大于100mv、三种之一、芯片内部过热或7脚为低电平13误差放大器输出在闭环控制时连接

校正阻容元件，此引脚同时连到PWM比较器的反相输入端17，18VCC,

VC芯片供电电源(10V-

-30V)

/下桥驱动输出提供电源19，20，21CB,

BB,

AB下桥三端驱动输出2260°

/120°

切换高电平选择相位差

60°，低电平选择相位差120°23制动输入端高电平使电机正常运行，低电平使电机制动减速

第3章MC33035工作原理3.1MC33035芯片工作原理一般情况下，连接在引脚10号连接的电阻R2一条线路上连接的电容C控制芯片内部振荡器的振荡频率，从而在引脚10输出的波形为锯齿波，这种锯齿波和引脚11输入的转速设定信号三极管放大器（误差放大器）放大调节控制后由PWM设定的信号进行比较器比较，从而在PWM比较器输出端输出PWM波。电机内的转子磁场上的速度传感器输出的信号输出到引脚4、5、6、输入的信号进行译码器译码，通过引脚4，5，6，输入的译码器信号和PWM比较强输出的信号进行对比，比较的数据结果进行控制去控制驱动器的六个晶体管的传感器。这六个信号进过芯片内部的三极管晶体管放大器放大后的型号输入引脚19、20、21后输出三路低等的驱动器信号，与此同时从引脚1，2，24输出会输出相当于19，20，21三个引脚的高等驱动器信号。引脚11输出的电压会根据用户的变化的改变而改变来该六路的频率和脉冲宽度的改变，这样就改变了电压的频率从而调节了被控电路的电机的转速。六路驱动器的相序有芯片的引脚来决定，芯片发热过度、没有位置传感器输入的位置信号或位置传感信号相位不正确、线圈绕组过流等非正常状态都会引起芯片内部反应来调节脉冲的频率和宽度。3.1.1震荡电路MC33035芯片内部的震荡频率的大小由外部的电阻和电容决定同时也取决于对温度的感应对芯片震荡频率影响。图3-1MC33035震荡电路外部连接MC33035芯片内部的震荡频率由外部的电阻C2,R2决定震荡周期长短取决于引脚8输入电压由上图经过电阻R2在经过电容C2进行充电后经过内部的晶体管放电就会形成一个周期。最终输出的波形会是锯齿波的震荡信号。3.1.2误差放大器误差放大器是是一个集成度非常高的高效率芯片整个过程中会补偿误差的放大器在闭环线路时放大器电压增益，开关闭合时为开环控制，开关打开时为闭环控制。图3-2误差放大器3.1.3芯片的检测与保护采样电阻连接在功率驱动器的下端在功率板的地线之间，因为芯片MC33035的引脚9的内部连接到频率比较器的正相输入端，这样产生的电流作为基准值通过引脚15接地在芯片内部各个周期进行比较如果输入值高于比较值就能起到对电路的保护效果如果输出电流值小于比较值就起到对电流的检测与保护。图3-3芯片的检测与保护电路图3.2由芯片MC33035的无刷直流电动机调速器的设计由芯片MC33035构成的无刷直流电动机开环控制系统。根据MC33035芯片的功能介绍和电桥线路的知识设计如下电路图来控制直流无刷电机控制器的设计大致原理电路图包括开环电路他和闭环电路图在电机速度的控制上来说是不可缺的两个部分经过6个二极管搭建起的电桥和芯片MC33035来彻底控制电机在转动是的速度控制和转向的功能。图3-4设计图3.2.1逆变电路的设计PWM控制系统在速度调节方面主要是采取不同宽度的电磁脉冲对电路系统进行调节为PWM转换器。PWM转换器在进行脉冲宽度调解时和直流斩波器的作用一致。这种PWM调节可以分为两种，一种电压电流逆变器有双极，单极型和有限单极式等多种逆变电路。这次的实验采用单级式，这种方式的优点为可以减少开关损耗时，电动机电流较小，不会有不连续电流的现象。图3-5逆变电路图3.2.2C8051F00X速度测试芯片1C8051F00X速度控制是通过单片机产生PWM信号脉冲宽度从而调节控制直流电源输出大小来改变磁场的变化大小导致电动机的转速发生改变。在电动机里面安装速度传感器可以给发电机测试速度，然后把用传感器的到的速度信号传递到单片机，通过单片机将测速信号和给定的PWM信号进行比较。从而形成对电动机的转速来实现闭环控制系统。图3-6速度检测装置图

第4章无刷直流电动机的简单技计算4.1公式计算在三相无刷直流电机所建立数学模型中转子在旋转过程中有安装霍尔元件几个霍尔元件之间会间隔120度的角度和Y型连接的电路对应起来就会列出下面三个矩阵方程，三相平衡电压方程： 公式（4.1）上面的三相平衡电压方程中的Ua,Ub,Uc,分别为项圈绕组相电压V。ia，ib,ic分别表示项圈绕组相电流A。Ea,Eb,Ec为定子绕组之间的相电动势V。P为微分算子P=L表示相绕组的自感H。定子绕组的自感和互感之和为常数当三相绕组为Y连接时就有下面的两个方程：将ia+ib+ic=0Mib+Mic=-Mia带入三相平衡电压方程中可得如下方程： 公式（4.2） 公式（4.3） 公式（4.4）由上面几个式子可以的出磁场的转矩方程为：公式（4.5）直流无刷电动机在通电的情况下，直流无刷电动机自带电导体一直处于磁场不改变情况下，所以经过分析的如下关于感应电动势方程： 公式（4.6）以上式中：Ω代表电动机的角速度。Ua,Ub,Uc,为定子项圈绕组相电压(V)。Y型连接的无刷直流电动机感应电动势E。ia，ib,ic为定子绕组相电流(A)。N表示总导体个数。Ea,Eb,Ec为定子绕组相电压电动势(V)。为每相绕组的自感(H)M为每两相绕组的互感(H)。Pm为极的对数，n表示电动机转动速度，Φm表示主磁通量。从变压器的直流端是两相项圈绕组经逆变器串联完成，因此： 公式(4.7)因此，电磁转矩表达式可化为： 公式(4.8) 公式(4.9)直流无刷电机通入方形波得电流时的电磁方面的方程和普通的直流无刷电机通入正常电流时的方程一样。电动机转子的运动方程为： 公式(4.10)化简可得： 公式（4.11）因为这个系统采用120°型三相逆变器，在工作期间任一时刻只有两相通电，直流无刷电机方波的输出相电压幅值为。对于每相项圈绕组的动态方程式： 公式(4.12)上式为电源电压。式中：Id为方波电流的幅值为电机的角速度。为负载转矩为转子与负载的转动惯量为粘滞阻尼系数。忽略摩擦，电动机的转矩平衡方程式为： 公式(4.13)可得： 公式(4.14)两边分别进行拉式变换后得： 公式(4.15) 公式(4.16)考虑到，得到直流无刷方波电机的动态结构图。U图4-1动态结构图4.2MATLAB仿真MATLAB软件是作为一种提供矩阵运算和操作的编程软件和各种功能强大的图形的基本单位矩阵，是目前最流行的电脑辅助设计软件。SIMULINK模块中的电子电力系统可以给同学们带来非常大的方便我们可以通过这个实验模块来模拟各种电力系统的数学方面的模型，只要可以搭建相应的模型就可以得到相应的实验数据。Matlab仿真在读大一就一直在使用的软件SIMULINK电子电力系统模块中安装一个个的模拟板块都可以在软件中找到。一般matlab用来工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。表4-1matlab功能表数值分析数值和符号计算工程与科学绘图控制系统的设计与仿真数字图像处理数字信号处理通讯系统设计与仿真财务与金融工程图4-2速度控制仿真图用matlab软件来模拟直流电源发出直流信号出来经过逆变器到达电动机出来后进入数据采集这里是速度检测传感器发出信号后输入比较器对比实际速度与设定速度的大小如何再把进过比较过后的信息输入控制器在控制器进行运算比较厚输出到PID控制芯片输出的信号再次输入回逆变器中再次对输入电流进行频率和大小上的调节从而达到控制电动机的转停和速度的加减。图4-3开关管模块直流无刷电动机之所以可以摆脱电刷和换向器就是因为开关管把直流转换为了可以使电机一直稳定旋转的锯齿波。电流有刷电机在通入直流电的情况下当转子线圈旋转时定子磁场不变线圈产生的磁场在旋转就会产生一种情况是旋转一圈只有一半周期是在做有用功还有一半时间在做无用功。于是就有了电刷和换向器当线圈旋转到一半时换向器就换将正负电极换一个方向通到线圈内就会继续做有用功但是这样的电机消耗比较大，发热也高机械部件容易损坏所以后来就发明了开关管来代替电刷和换向器。图4-4逆变器输出波形图逆变桥逆变桥gABCTmABCK转换系数speed转速数据采集NmS直流无刷电机 转速电磁转矩1000目标转速开关信号ABC延时时钟In1In2In3Out1In4占空比DOut1EF逻辑控制In1Out1In2PID控制器图4-5总设计图图4-6译码器H1H2H3PhaseAPhaseBPhaseC101+V-VNC100+VNC-V110NC+V-V010-V+VNC011-VNC+V001NC-V+V表4-1正转逻辑对照表表4-2反转逻辑对照表H1H2H3PhaseAPhaseBPhaseC101-V+VNC100-VNC+V110NC-V+V010+V-VNC011+VNC-V001NC+V-V图4-7正转译码逻辑图4-8反转译码逻辑表4-3传感器真值表HaHbHcEMFAEMFBEMFC0010-1+1010-1+10011-10+1100+10-1101+1-101100+1-1表4-4正转电路真值表EMFAEMFBEMFCQ1Q2Q3Q4Q5Q60-1+1000110-1+10011000-10+1010010+10-110001+1+101001000+1-1001001表4-5图4-8反转电路真值表EMFAEMFBEMFCQ1Q2Q3Q4Q5Q60-1+1001001-1+10100100-10+1100001+10-1010010+1+100110000+1-1000110解码后的数据通过上面的真值表来设计译码器相互对应MOSFET六个管的控制信号。4.2PWM调制技术PWM调整原理是通过调节脉冲宽度开控制输出电流的大小从而控制电动机的速度大小和旋转方向。下面介绍两种关于PWM调整速度方法。下图为PWM调整速度原理图。图4-9PWM调制原理图无刷直流电动机是以电机，转子，转子检测器和电子管组成。主电路上的逆变电路属于电子管部分，电子管通俗解释就是电流逆变器和电子处理器两部分组成。主电路是通过电子器件对电机进行电能的转换和控制的任务，直流无刷电机通过电子开关管替代转换器和电刷是有你减少耗能的作用减少开关的损耗就出现了PWM调节技术。近些年电子电力技术的飞速发展已经大量生产出来了多种电子开关管；高功率晶体管（GTR）的，功率场效应晶体管（功率MOSFET），关断晶闸管（GTO）的，控制晶闸管（MCT）的，绝缘栅电压控制晶体管（IGBT）等多种开关管经过调查发现用开关管控制的电路每年可以减少损耗百分之10，使用电子开关管可以使电机的体积减少百分之30以上。设备的效率高，功率因数自然就会高所以现在都在普片采用电子功率管。功率管的使用也渐渐表面了PWM技术的更熟练运用只要有电子开关管的电机设备要让电机受控制就必不可少的使用PWM技术。现如今普片的PWM调节技术通过调节开关管的开关频率就间接的控制输出电流锯齿波的宽度。调节电流的宽度我们可以明确的发现一个周期越短电机旋转的速度就越快反之周期越长电机旋转的就越慢。PWM很少会抑制谐波的行为，这样一来效率就会很高。

第5章总结工作本次设计在做的就会发现很多平时学习上很多的问题只有自己在亲历做事时才能明白自己的不足在完成设计是需要自己去克服很多的问题再改错的途中一直都要保持良好的心态俗话说失败是成功之母只有再一次一次的失败中过来的人才能理解这句话的宝贵再搭建模型时经常搭建不出来的窘境时自己在网上学习才是考验一个人的学习能力的时候经过了这次设计后让我明白了很多的做事方法。这次设计过程中让我们对matlab软件的应用更加得心应手，毕业设计和毕业实习过程中是我们调查研究，在这过程中也教会了我们如何独自面对困难，如何自主查询工具书，手册，图表等参考书。本次毕业设计是理论和实践知识的一次实地验证培养了我们的综合实践能力如何分析问题，解决问题。通过这次毕业设计我明白了知识在于积累，知识是学无止境的一切都要扎根于实践在实践中完善自己。最后由衷感谢这次的指导老师和大学四年的老师，感谢你们的耐心指导。

第6章参考文献[1]叶金虎,徐思海,张颉民,崔海大,施民生编著无刷直流电动机北京科学技术出版社1991.[2]张琛.无刷直流电动机原理及应用[M工机械工业出版1992.[3]晓弘.靳方义侯景阳