毕业论文基于单片机的无刷直流电机的控制系统

1、绪 论 随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉冲调制（paulse width modulation,简称PWM）控制的无刷直流电机已成为主流。随着半导体工业，特别是大功率电子器件及微控制器的发展，变速驱动变的更加现实且成本更低。本文充分利用单片机的数字信号处理器运算快、外围电路少、系统组成简单、可靠的特点，将其应用于无刷电机的驱动设计。实验表明，该设计使得无刷直流电机的组成简化和性能的改进成为可能，有利于电机的小型化和智能化。(一)电机的分类电机按工作电源种类可分为： 1.直流电机 (1)有刷直流电机 永磁直流电机 稀土永磁直流电动机 铁氧体永磁直流电动机 铝镍钴永磁直流电动机 电磁直流电机 串励直流电动机 并励直流电动机 他励直流电动机 复励直流电动机 (2)无刷直流电机 稀土永磁无刷直流电机 2.交流电机 (1)单相电动机 (2)三相电动机 （二）无刷直流电机及其控制技术的发展1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。从19世纪40年代研制成功第一台直流电机，经过大约17年的时间，直流电机技术才趋于成

2、熟。随着应用领域的扩大，对直流电机的要求也就越来越高，有接触的机械换向装置限制了有刷直流电机在许多场合中的应用。为了取代有刷直流电机的电刷换向器结构的机械接触装置，人们曾对此作过长期的探索。1915年，美国人Langnall发明了带控制栅极的汞弧整流器，制成了由直流变交流的逆变装置。20世纪30年代，有人提出用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机，但此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重又复杂而无实用价值。科学技术的迅猛发展，带来了电力半导体技术的飞跃。开关型晶体管的研制成功，为创造新型直流电机 无刷直流电机带来了生机。1955年，美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。它由功率放大部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成，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信号电动势，此信号电动势分别使晶体管轮流导通实现换相。问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷直流电机没有起动转矩；其次，由于信号电动势的前沿陡度不大，晶体管

3、的功耗大。为了克服这些弊病，人们采用了离心装置的换向器，或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动。但前者结构复杂，而后者需要附加的起动脉冲。其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电机的发展开辟了新的途径。20世纪60年代初期，接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世，之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。半导体技术的飞速发展，使人们对1879年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年的努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件（霍尔效应转子位置传感器）来实现换相的无刷直流电机。在世纪70年代初期，又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的无刷直流电机。1968年，德国人WMieslinger提出采用电容移相实现换相的新方法。在此基础上，德国人RHanitsch试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机。

4、永磁无刷电机是永磁无刷直流电机、永磁无刷交流同步电机、永磁无刷直线电机和永磁无刷力矩电机的总称。永磁无刷电机具有不少优点，因此已是目前微特电机发展主流。(二）本文研究的意义及主要内容无刷直流电机集特种电机、变速结构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成新一代伺服系统，体现了当今应用科学的许多最新成果，是机电一体化的高新技术产品。无刷直流电机集交流电机和直流电机优点于一体，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗。无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上安装永久磁钢，电枢绕组一般采用多相形式，经逆变器接到直流电源，定子采用电子换向代替有刷电机的电刷和机械换向器，各相绕组逐次通电，在气隙中产生跳跃式的旋转磁场，与转子磁极主磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机连续运转无刷直流电机和其它电机相比具有高可靠性、高效率和优良的调速性能等诸多优越性，并且随着新型稀土永磁材料性能的提高与价格的下降，带来水磁无刷直流电机成本的降低，这种优越性将更加明显。目前在工业先进的国家里，工业自动化领

5、域中的有刷直流电动机已经逐步被无刷直流。现在从国外进口的设各中，已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动机的系统，一些国家如美国、英国、日本、德国的相关公司经不再大量生产伺服驱动用的有刷直流电动机。由上面的分析可以看出，无刷直流电动机相对于其它类型电动机来说还是一种新型电动机，它的驱动、控制更是和电子技术息息相关，因此，对无刷直流电机本体及其控制方法进行系统、深入的研究有着十分重要的现实意义。二、无刷直流电机系统结构及工作原理(一)无刷直流电机特点 容量范围大:标准品可达400Kw更大容量可以订制. 电压种类多:直流供电交流高低电压均不受限制. 低频转矩大:低速可以达到理论转矩输出启动转矩可以达到两倍或更高. 高精度运转:不超过1 rpm.(不受电压变动或负载变动影响). 高效率:所有调速装置中效率最高比传统直流电机高出530%. 调速范围:简易型/通用型(1:10)高精度型(1:100)伺服型. 过载容量高:负载转矩变动在200%以内输出转速不变. 体积弹性大:实际比异步电机尺寸小可以做成各种形状. 可设计成外转子电机(定子旋转). 转速弹性大:可以几十转到十万转. 制动特性良好可以

6、选用四象限运转. 可设计成全密闭型IP-54IP-65防爆型等均可. 允许高频度快速启动电机不发烫. 通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同易于技术改造. （二）无刷电机组成 无刷直流电机与有刷直流电机相似，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，如图1所示。图1 无刷直流电机原理图1. 电机本体 电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他启动装置。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对数（2p=2，4，）组成。2. 位置传感器 位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，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。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电

7、式位置传感器、磁敏式位置接近传感器。3. 电子换相 当定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场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各项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器的换向作用。（三）基本工作原理众所周知，一般的永磁式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应磁场。由于电枢的换相作用，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的云转。直流无刷电动机为了实现无电刷换相，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，这与传统直流用词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给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动只能够转子磁钢所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做功。所以直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传

8、感器、控制电路以及工具逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和装洞中转子磁钢产生的永磁场，在空间始终保持在（/2）rad左右的电角度。（四）无刷直流电机参数 本系统采用的无刷电机参数： 额定功率：100W 额定电压：24V（DC） 额定转速：3000r/min 额定转矩：0.23Nm 最大转矩：0.46Nm 定位转矩：0.01Nm 额定电流：4.0A 最大电流：8.0A 极对数：4 霍尔传感器位置呈60放置（五）三相无刷电动机主电路及工作方式 由以上基本原理可知，无刷电机的连续运行，定子绕组所产生的的磁场和装洞中转子磁钢产生的永磁场，在空间始终保持在（/2）rad左右的电角度，因此定子绕组需要加三相电源，此电源可通过图2的逆变电路产生。图2 电机主电路图 在三相逆变电路中，应用最多的是如图二所示的三相桥式全控逆变电路。在该电路中，电动机的三相绕组为Y联结。Q1、Q2、Q6为六只MOSFET功率管，起绕组的开关作用,高电平是导通，他们的通电方式又可分为两两导通和三三道通两种方式。 1.二二通电方式所谓二二通电方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔

9、1/ 6周期（60电角度）换相一次，每次换相一个功率管导通120电角度。各功率管的导通顺序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1 。当功率管VF1和VF2导通时，电流从VF1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VF2回到电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩则为负，它们合成的转矩如图3a所示，其大小为Ta，方向在Ta和Tc的角平分线上。当电机转过60后，由VF1VF2通电换成VF2VF3通电，这时，电流从VF3流入B相绕组再从C相绕组流出，经VF2回到电源，此时合成的转矩如图3b所示，其大小同样为Ta。但合成转矩Tbc的方向转过了60电角度。而后每换一次导通状态，合成转矩矢量方向就随着转过60电角度，但大小始终保持Ta不变。图3c示出了全部合成转矩的方向。a）VF1、V F2导通时合成转矩 b）VF2、V F3导通时合成转矩 c）二二导通时合成转矩矢量图图3 联结绕组二二通电时的合成转矩矢量图所以，同样一台无刷直流电机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相星形联结全控电路，在二二换相的情况下，其合成转矩增加了倍。每隔60电角度换相一次，每个功率管通电120，每个绕组通电240，其中正相通电和反相通电各120，其输出转矩波形

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