无刷直流电动机控制系统设计毕业论文.doc

摘要 学校代码 10857 学 号201021121171分类号 1密 级 公 开 毕业设计(论文)无刷直流电动机控制系统设计学历层次大 专教学系名称电子工程系专业名称电子信息工程技术学生姓名指导教师 2013 年 3 月 20 日I摘要无刷直流电动机(brushless direct current motor BLDCM)是新型机电一体化电机,其鲜明的特征和使用技术越来越受到关注,已成为微特电机明显的发展趋势无刷直流电动机具有调速性能好、控制方法灵活多变、效率高、启动转矩大、过载能力强、无换向火花、无无线电干扰、无励磁损耗及运行寿命长等诸多优点近年来,由于永磁材料性能提高、制造成本价格下降、电力电子技术发展及对电机性能要求等因素的影响,无刷直流电动机的应用领域迅速扩展随着大规模集成电路的普及,各具特色的无刷直流电动机专用集成电路控制芯片纷纷涌现,将各种功能的电子控制电路集成在一片控制芯片中,既使控制电路体积大大减小,又减少了整个装置的调试工作量。

随着电力电子工业的发展,无刷直流电动机的应用将更加普及本设计使用PIC16F726单片机来驱动无刷直流电动机，单片机采集电路使用霍尔传感器，经软件编程后，实现无刷直流电动机的控制关键词：无刷直流电机；PIC单片机；电动自行车；控制系统目录无刷直流电动机控制系统设计 1摘要 I目录 II第一章 概述 11.1无刷直流电机发展历程 11.2无刷直流电机的优缺点 21.3无刷直流电机控制器研究 4第二章 无刷直流电机控制系统设计方案 62.1 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理 62.2 直流电动机的PWM调速原理 8第三章 无刷直流电机硬件设计 103.1 硬件组成 103.2 三相全桥逆变电路和驱动电路 113.3 速度控制电路 153.4 其他 15第四章 系统软件设计 174.1 概述 174.2 主程序 184.3 中断 214.4 AD转换 224.5 PWM(脉冲宽度调制) 244.6 位置信号和驱动信号的对应关系 254.7 数字PI速度调节 25结论 29致谢 30参考文献 31第一章 概述1.1无刷直流电机发展历程现代社会中，电能是最常用且最为普遍的二次能源而电机作为机电能量转换装置，经过一个多世纪的发展，其应用范围已遍及现代社会和国民经济的各个领域及环节。

为了适应不同的实际应用，各种类型的电机应运而生，其中包括同步电机、异步电机、直流电机、开关磁阻电机的各种类型的电机，其容量小到几毫瓦，大到百万千瓦相比之下，同步电机具有转矩大、效率和精度高、机械特性硬等优点，但调速困难，容易“失步”等弱点大大限制了它的应用范围；异步电机结构简单、制造方便、运行可靠、价格便宜，但其机械特性软、启动困难、功率因数低、不能经济地实现范围较广的平滑调速，且必须从电网吸取滞后的励磁电流，从而降低电网功率因数；开关磁阻电机转子既无绕组也无永磁体，其结构简单、成本低廉，但低速时具有较大的转矩，控制换向时无上下桥直通等问题，但其噪声和转矩波动相对较大，这在某种程度上限制了该类型电机的推广应用；直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，被广泛地应用于对启动和调速有较高要求的拖动系统，如电力牵引、轧钢机、起重设备等目前，小容量的直流电机在自动控制系统中仍然得到广泛应用但是，传统直流电机均采用电刷以机械方式换向，因而存在机械摩擦，使得电机寿命缩短、并带来了噪声、火花以及无线电干扰等问题，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而限制了其在某些特殊场合的应用因此，在一些对电机性能要求较高的中小型应用场合，亟需新型高性能电机的出现。

无刷直流电机是在有刷直流电机基础上发展起来的1831年法拉第发现电磁感应现象，从而奠定了现代电机的理论基础19世纪40年代，第1台直流电机研制成功受电力电子器件和永磁体材料等发展的限制，无刷直流电机在一个多世纪后才面世1915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向的无刷直流电机,为无刷直流电机的诞生提供了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、效率低下的电机只能停留在实验室阶段，无法推广使用1955年，美国的Harrison和Rye首次申请成功用晶体管换相线路代替电机机械电刷换向装置的专利，这就是现代无刷直流电机的雏形，但是该装置还是存在了一些问题其后，经过反复实验和不断实践，借助霍尔元件实现电子换相的无刷直流电机终于在1962年问世，从而开创了无刷直流电机产品化的新纪元20世纪70年代初期，出现了比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管，借助磁敏二极管实现换相的无刷直流电机也试制了成功此后，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相继出现，再加上钴、铁、硼等高性能永磁材料的问世，均为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础。

1978年，联邦德国Mannesmann公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正是推出MAC无刷直流电机及其驱动系统，这标志着无刷直流电机真正进入了实用阶段之后，国际上对无刷直流电机开展了深入的研究，先后研制成梯形波/方波和正弦波无刷直流电机随着永磁材料、微电子技术、电力电子技术、检测技术以及自动控制技术特别是绝缘栅双极晶体管（IGBT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）等大功率开关器件的发展，采用电子换相原理工作的无刷直流电机正朝着智能化、高频化和集成化方向迅速发展20世纪90年代以后，计算机技术与控制理论发展十分迅速，单片机、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）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跃，进一步推动了无刷直流电机的发展此外，一些先进的控制策略和方法，如滑模变结构控制、神经网络控制、模糊控制、自抗扰控制和自适应控制等，不断地被应用到无刷直流电机控制系统中这些方法在一定程度上提高了无刷直流电机控制系统在转矩波动抑制、转速动态和稳定响应以及系统抗干扰等方面的性能，扩大了无刷直流电机控制系统的应用范围，同时还丰富了相关控制理论的内涵。

1.2无刷直流电机的优缺点与有刷直流电动机相比，BLDC电机有许多有优点，也有一些缺点无刷电机需要的维护较少，因此和有刷直流电机相比寿命更长与同体积的有刷直流电机和感应电机相比，BLDC电机能产生更大的输出效率由于转子用永磁体制成，和其他类型的电机相比，转子惯性较小这就改进了加速和减速特性，缩短了工作周期其线性的转速/转矩特性有助于预测转速调节的结果使用无刷电机就无需检修电刷在维护困难的应用以及检修空间狭小的场合，无刷电机是理想的选择BLDC电机运行时比有刷直流电机安静得多，并且减少了电磁干扰（Electromagnetic Interference,EMI）低电压型号对使用电池供电的应用、便携式设备或医疗应用很理想表1-1对BLDC电机与有刷直流电机之间的比较进行了总结表1-2比较了BLDC电机与感应电机表1-1将BLDC电机与有刷直流电机比较特性BLDC电机有刷直流电机维护根据霍尔传感器进行电子换向采用电刷换向寿命较长较短转速/转矩特性平坦--在负载额定的条件下，可在所有转速下正常工作中等平坦--转速较高时，电刷摩擦增加，因此较少了用用转矩效率高--没有电刷两端的压降中等输出功率/体积高--由于出众的散热特性而缩小了体积。

由于BLDC电机将绕组放在了连接至电机外壳的定子上，因而散热更好中等/低--电枢产生的热容量散发到气隙中，这使气隙中的温度升高，限制了输出功率/体积规范转子惯性小，因为转子上有永磁体这改进了动态响应较大的转子惯性限制了动态特性转速范围较高--无电刷/换向器是施加的机械限制较低--有电刷的机械限制产生的电子干扰低电刷中的电弧会对附近设备产生电磁干扰制造成本较高--由于其中有永磁体，制造成本较高低控制复杂且昂贵简单且便宜控制要求要保持电机运转，始终需要控制器还可使用这一控制器控制转速固定转速不需要控制器；只有需要改变转速时才需要控制器表1-2将BLDC电机与感应电机比较特性BLDC电机交流感应电机电机转速/转矩特性平坦--在负载额定的条件下，可在所有转速下正常工作非线性--低转速下转矩也低输出功率/体积高--由于转子采用永磁体，对于给定的输出功率可以实现较小的体积中等--由于定子和转子都有绕组，输出功率与体积之比低于BLDC转子惯性小--动态特性较佳大--动态特性较差起动电流额定值--无需专门的启动电路大约是额定值的7倍--应谨慎选择合适的起动电路通常使用星型-三角形启动器控制要求要保持电机运转，始终需要控制器。

还可使用这一控制器控制转速固定转速不需要控制器；只有需要改变转速时才需要控制器差额定子和转子磁场的频率相等转子运行频率低于定子，差值即为差频，随着电机负载的增加该差频也增加1.3无刷直流电机控制器研究无刷直流电机控制器的发展通电器元件类似，经历了从分立元件控制方式到数字可编程集成电路控制方式的发展历程一般，采用分立电子元器件设计的无刷直流电机控制器结构复杂，体积较大，相应的可靠性和通用性也较差，不利于批量生产因此，对无刷直流电机的控制，当前主要采用专用集成电路（ASIC）控制器、FPGA、单片机和DSP控制器等方式目前，很多先进工业国家的半导体厂商，都能提供自己开发的电机控制专用集成电路，如美国ON Semiconductor和Motorola等公司开发的MC33035、MC33039无刷直流电机控制芯片和MicroLinear公司的ML4425/4428无位置传感器控制芯片专门集成电路控制其结构简单，性价比高、外围器件比分立式控制器少，但在使用时也会受到一定的限制，功能扩展性不好，不易进行产品的功能变化和升级等操作因此，如果考虑控制器今后的软硬件设计等功能，可使用FPGA、单片机或DSP等对无刷直流电机进行控制，该类控制器具有功能完善和控制灵活等特点，当然相应的成本可能会比专用集成电路控制器高。

FPGA可以用VHDL、Verilog或C语言来编程，灵活性强，具有静态可重复编程和动态系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，并能按照用户需求来定义接口功能单片机和DSP具有丰富的外围接口，单片机一般用于简单的电机控制系统，而DSP由于具有强大的计算和数据处理能力，通常应用于电机的智能控制系统中经济实用型的无刷直流电机控制器可采用多种单片机来实现，起初应用较多的是MCS-51/96系列产品，现在已经扩展达PIC16F877A、MSP430F149、MC68HC908MR16和 LPC2101等不同公司生产的多种单片机本文采用PIC16F726单片机来驱动无刷直流电动机系统设。