【正文】 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案畢業(yè)論文目錄摘 要 IAbstract II第1章 概 述 1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況 1 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較 2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理 3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 6 機(jī)械特性 6 調(diào)節(jié)特性 6 工作特性 7 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)向 8第2章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 10 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成 10 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 12 設(shè)計(jì)方案比較 12 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 13第3章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)硬件設(shè)計(jì) 15 逆變主電路設(shè)計(jì) 15 功率開(kāi)關(guān)主電路圖 15 逆變開(kāi)關(guān)元件選擇和計(jì)算 15 逆變開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 17 IR2110功能介紹 17 自舉電路原理 19 單片機(jī)的選擇 20 PIC單片機(jī)特點(diǎn) 20 PIC16F72單片機(jī)管腳排列及功能定義 22 PIC16F72單片機(jī)的功能特性 22 PWM信號(hào)在PIC單片機(jī)中的處理 23 時(shí)鐘電路 23 復(fù)位電路 24 人機(jī)接口電路 24 轉(zhuǎn)把和剎車(chē) 24 顯示電路 25 門(mén)陣列可編程器件GAL16V8 27 GAL16V8圖及引腳功能 27 傳感器選擇 28 周邊保護(hù)電路 30 電流采樣及過(guò)電流保護(hù) 30 LM358雙運(yùn)放大電路 31 欠電壓保護(hù) 32 電源電路 32第4章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)軟件設(shè)計(jì) 33 直流無(wú)刷電機(jī)控制器程序的設(shè)計(jì)概況 33 系統(tǒng)各部分功能在軟件中的實(shí)現(xiàn) 33 軟件流程圖 34結(jié)束語(yǔ) 36致謝 37參考文獻(xiàn) 38附錄1 39附錄2 5155第1章 概 述 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，這一淵源關(guān)系從其名稱中就可以看出來(lái)。有刷直流電動(dòng)機(jī)從19世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來(lái)，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)一直在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，有機(jī)械接觸電刷換向器一直是電流電機(jī)的一個(gè)致命弱點(diǎn)，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場(chǎng)合中的使用。為了取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置，人們進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無(wú)刷直流電機(jī)的基本思想。，標(biāo)志著現(xiàn)代無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的誕生。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展在很大程度上取決于電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展的早期，由于當(dāng)時(shí)大功率開(kāi)關(guān)器件僅處于初級(jí)發(fā)展階段，可靠性差，價(jià)格昂貴，加上永磁材料和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)水平的制約，使得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)自發(fā)明以后的一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，性能都不理想，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無(wú)法推廣使用，1970年以后，隨著電力半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的全控型半導(dǎo)體功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相繼問(wèn)世，加之高磁能積永磁材料（如SmCo、NsFeB）陸續(xù)出現(xiàn)，這些均為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因而得到了迅速的發(fā)展。在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會(huì)上，前聯(lián)邦德國(guó)的MANNESMANN公司正式推出了 MAC無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，引起了世界各國(guó)的關(guān)注，隨即在國(guó)際上掀起了研制和生產(chǎn)無(wú)刷直流系統(tǒng)的熱潮，這業(yè)標(biāo)志著無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)走向?qū)嵱秒A段。隨著人們對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)特性了解的日益深入，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的理論也逐漸得到了完善。1986年，指出了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究領(lǐng)域，成為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)典文獻(xiàn)，標(biāo)志著無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在理論上走向成熟。我國(guó)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究起步較晚。1987年，在北京舉辦的聯(lián)邦德國(guó)金屬加工設(shè)備展覽會(huì)上，SIEMENS和BOSCH兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器，引起了國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者的廣泛注意，自此國(guó)內(nèi)掀起了研制開(kāi)發(fā)和技術(shù)引進(jìn)的熱潮。經(jīng)過(guò)多年的努力，目前，國(guó)內(nèi)已有無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的系列 產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較表11 無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較項(xiàng)目無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有刷直流電動(dòng)機(jī)換向借助轉(zhuǎn)自子位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換向由電刷和換向器進(jìn)行機(jī)械換向維護(hù)由于沒(méi)有電刷和換向器，很少需要維護(hù)需要周期性維護(hù)壽命比較長(zhǎng)比較短機(jī)械（速度/力矩）特性平（硬）在負(fù)載條件下能在所有速度上運(yùn)行中等平（中等硬）。在較高速度上運(yùn)行時(shí)，電刷摩擦增加，有用力矩減小效率由于沒(méi)有電刷壓降，所以效率高中等輸出功率/外形尺寸之比高由于電樞繞組設(shè)置在與機(jī)殼相連的定子上，容易散熱。這種優(yōu)異的熱傳導(dǎo)特性允許減小電動(dòng)機(jī)的尺寸，所以輸出功率/外形尺寸之比高中等/低。電樞產(chǎn)生的熱量消散在氣隙內(nèi)，這樣增加了氣隙溫度，從而限制了輸出功率/外形尺寸之比轉(zhuǎn)自慣量低。因?yàn)橛来朋w設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)自慣量高，限制了動(dòng)態(tài)特性速度范圍比較高。沒(méi)有電刷/換向器給予的機(jī)械限制比較低，存在電刷給予的機(jī)械限制電氣噪聲低電刷的電弧將對(duì)附近的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾制造價(jià)格比較高低控制復(fù)雜和價(jià)格貴簡(jiǎn)單和價(jià)格不貴控制要求為了使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須要有控制器，但同樣的控制器可用于變速控制對(duì)于一個(gè)固定的速度而言，不需要控制器；有變速要求的時(shí)候才需要控制器 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理1．無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分析電機(jī)本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生控制信號(hào)，控制動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔 離放大后控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。 圖11 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖如圖11所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針）到圖a所示的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使TT6 導(dǎo)通，即A、B兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再?gòu)腂相繞組流出，經(jīng)T6回到電源的負(fù)極，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，到達(dá)圖b所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使TT2導(dǎo)通，A、C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再?gòu)腃相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負(fù)極。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，逆變器開(kāi)關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為T(mén)T6—TT2—TT2—TT4—TT4—TT6—TT6。在次期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩作用，沿順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。可見(jiàn)，電機(jī)有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最常用的一種工作方式。2．無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與輸出開(kāi)關(guān)管換流信號(hào) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的位置一般采用三個(gè)在空間上相隔120電角度的霍爾位置傳感器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)位于霍爾傳感器位置處的磁場(chǎng)極性發(fā)生變化時(shí)，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個(gè)霍爾傳感器位檢測(cè)元件的位置在空間上各差120電角度，因此從這三個(gè)檢測(cè)元件輸出端可以獲得三個(gè)在時(shí)間上互差120度、寬度為180度的電平信號(hào)，分別用A、B、C來(lái)表示，如圖12所示，以信號(hào)A為例，A相位置寬度為180電導(dǎo)角：在060度，T1必須導(dǎo)通，故T1狀態(tài)為1，而C相還剩下60度通電寬度，所以此段時(shí)間為T(mén)1和T6等于1，（此時(shí)下部可供導(dǎo)通的管子為T(mén) T6和T2，而為避免橋臂直通，T4不能導(dǎo)通；T2的導(dǎo)通時(shí)間未到，故只能是T6導(dǎo)通）；而在60度—120度，此時(shí)只有A相通電，B和C相處于非導(dǎo)電期，故導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管為T(mén)1和T2（T1和T2等于1），其中T2是為B相導(dǎo)電作準(zhǔn)備；而在120度—180度時(shí)，由于 每一相只有120電導(dǎo)角導(dǎo)電時(shí)間，故此時(shí)T1關(guān)斷（T1=0），T2仍然導(dǎo)通（B相開(kāi)始進(jìn)入導(dǎo)電期），此時(shí)可知，T1關(guān)斷，T5不能開(kāi)通（防止橋臂直通），則此時(shí)只能開(kāi)通T3，所以T3信號(hào)此時(shí)間段為1。其他時(shí)間段的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通情況與此類(lèi)似。理論上，只要保證三個(gè)位置傳感器在空間上互差120度，開(kāi)關(guān)管的換流時(shí)刻總是可以推算出來(lái)的。然而，為了簡(jiǎn)化控制電路，每個(gè)霍爾傳感器的起始安裝位置在各自相繞組的基準(zhǔn)點(diǎn)（r0=00）=00的控制條件下，A相繞組開(kāi)始通電的時(shí)刻（即該相反電勢(shì)相位30度位置）恰好與A相位置傳感器輸出信號(hào)A的電平跳變時(shí)刻重合，此時(shí)應(yīng)將T1開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。同理，其他開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)刻也可以按同樣方法確定。本設(shè)計(jì)選用的是三相無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)，其額定電壓UH=36V,電樞額定電流IaH=,電樞峰值電流IaP15A,額定轉(zhuǎn)速nH=350r/min,額定功率PH=250W。 圖12 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)及開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)表12 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)直流通電控制方式開(kāi)關(guān)切換表旋轉(zhuǎn)方向位置傳感器逆變橋開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)ABCT1T2T3T4T5T6正轉(zhuǎn)001000011010001100011000110100110000101100001110011000反轉(zhuǎn)001011000010100001011110000100000110101001100110000011 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 機(jī)械特性無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為： （11）UT開(kāi)關(guān)器件的管壓降Ia電樞電流Ce電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)每級(jí)磁通量可見(jiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。在不同的供電電壓驅(qū)動(dòng)下，可以得到如13圖所示機(jī)械特性曲線簇。圖13 機(jī)械特性曲線簇當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時(shí)，管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示的機(jī)械特性曲線會(huì)偏離直線，向下彎曲。 調(diào)節(jié)特性無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖14所示。圖14 調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為： （12） （13）從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。但不能通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速，因?yàn)橛来朋w的勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)。 工作特性 電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖15所示。圖15 工作特性在輸出額定轉(zhuǎn)矩時(shí),電機(jī)效率高、損耗低是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)之一。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)向現(xiàn)階段，雖然各種交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正受到普遍的關(guān)注。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動(dòng)化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來(lái)越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長(zhǎng)。尤其在節(jié)能已成為時(shí)代主題的今天，無(wú)刷直流電機(jī)高效率的特點(diǎn)更顯示了其巨大的應(yīng)用價(jià)值。無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；對(duì)于恒功率運(yùn)行，無(wú)刷直流電機(jī)雖然不能直接改變磁通實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但通過(guò)控制方法的改進(jìn)也可以獲得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矯頑力高、剩磁大，可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，這樣可以大大縮小轉(zhuǎn)子半徑，減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因而在要求有良好的靜態(tài)特性和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等應(yīng)用中，無(wú)刷直流電機(jī)比交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)顯示了更多的優(yōu)越性。目前無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，并日趨廣泛，特別是在家用電器、電動(dòng)汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用。目前，無(wú)刷直流電機(jī)的研究主要集中在以下方面：（1）無(wú)機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為脆弱的部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)還需要占據(jù)一定的空間位置。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，例如空調(diào)器和計(jì)算機(jī)外設(shè)都要求無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運(yùn)行。無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行實(shí)際上就是要求在不采用機(jī)械傳感器的條件下，利用電機(jī)的電壓和電流信息獲得轉(zhuǎn)子磁極的位置.目前比較成熟的無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行方式有：1 反電動(dòng)勢(shì)法——包括直接反電動(dòng)勢(shì)法、間接反電動(dòng)勢(shì)法以及派生出來(lái)的反電動(dòng)勢(shì)積分法等。2 定子三次諧波檢測(cè)法。3 續(xù)流二極管電流通路檢測(cè)法。但現(xiàn)有方法都存在各自的局限性，仍在不斷完善之中。（1）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制。存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的固有缺點(diǎn)，特別是隨著轉(zhuǎn)速升高，換相導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加劇，并使平均轉(zhuǎn)矩顯著下降。減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是提高無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)性能的重要方面。（2）智能控制。隨著信息技術(shù)和控制理論的發(fā)展，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中，一個(gè)新的發(fā)展方向就是先進(jìn)控制理論，尤其是智能控制理論的應(yīng)用。目前，專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是三個(gè)最主要