【正文】 第一章 緒論1. 1直流無刷電動機(jī)的發(fā)展歷史及特點(diǎn)一個多世紀(jì)以來，電動機(jī)作為電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活之中。其主要類型有同步電動機(jī)、異步電動機(jī)與直流電動機(jī)三種，其容量小到幾瓦，大至上萬千瓦。眾所周知，直流電動機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的直流電動機(jī)均采用電刷以機(jī)械方式進(jìn)行換向，因而存在相對的機(jī)械摩擦，由此帶來了噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等弱點(diǎn)，再加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍，致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大多數(shù)均采用三相異步電動機(jī)。隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，人們生活水平的提高，需要不斷地開發(fā)各種新型電動機(jī)?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新技術(shù)新材料的不斷涌現(xiàn)，更促進(jìn)了電動機(jī)產(chǎn)品的不斷推陳出新。針對上述傳統(tǒng)直流電動機(jī)的弊病，早在20世紀(jì)30年代就有人開始研制以電子換代替電刷機(jī)械換向的直流無刷電動機(jī)。并取得了一定成果。但由于當(dāng)時大功率電力電子器件僅處于初級發(fā)展階段，沒能找到理想的電子換向的元器件。使得這種電動機(jī)只能停留在實(shí)驗(yàn)研究階段，而無法推廣使用。1955年，美國D﹒哈利森等人首次申請了應(yīng)用晶體管換向代替電動機(jī)機(jī)械換向器換向?qū)＠@就是現(xiàn)代直流電動機(jī)的雛形。但由于該電動機(jī)尚無起動轉(zhuǎn)矩而不能產(chǎn)品化。爾后又經(jīng)過人們多年努力，借助于霍爾元件來實(shí)現(xiàn)換向的直流電動機(jī)終于在1962年問世，從而開創(chuàng)了直流無刷電動機(jī)產(chǎn)品化的新紀(jì)元。20世紀(jì)70年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料，如釤鈷、釹硼等的問世，均為直流無刷電動機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。特別是我國稀土材料的儲量為世界第一，為高性能直流無刷電動機(jī)的發(fā)展創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的條件。由于直流無刷電動機(jī)既具備交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)，故在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域，如醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、輕紡以及家用電器等方面的應(yīng)用日益普及。如計算機(jī)硬盤驅(qū)動器和軟盤驅(qū)動器里的主軸電動機(jī)、錄像機(jī)中的伺服電動機(jī)，均數(shù)以萬計地運(yùn)用直流電動機(jī)?？偟膩碚f，直流無刷電動機(jī)具有如下特點(diǎn)：　 （1）高可靠性，長壽命，工作期限主要取決于軸承及潤滑。（2）不必經(jīng)常維護(hù)。（3）無電器接觸火花，安全，防爆性好，無線干擾低。（4）機(jī)械噪音低。（5）可工作于高速或超高速。（6）轉(zhuǎn)子采用先進(jìn)的釹鐵硼高能材料，無通電繞組，幾乎沒有損耗和發(fā)熱，而定子繞組固定在機(jī)殼上，其損耗熱量易經(jīng)機(jī)殼向外散發(fā)。（7）與電子電路相結(jié)合，利用小功率邏輯控制信號可方便的控制電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)及速度調(diào)節(jié)，適用于數(shù)字控制，易與微處理器，微型計算機(jī)接口。1. 2直流無刷電動機(jī)的控制對電動機(jī)的控制可分為簡單控制和復(fù)雜控制兩種。簡單控制是指電動機(jī)進(jìn)行啟動、制動、正反轉(zhuǎn)控制。這類控制可通過繼電器、可編程控制器和開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜控制是指對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流等物理量進(jìn)行控制，而且有時往往需要非常精確的控制。以前，對電動機(jī)的簡單控制的應(yīng)用較多，但是，隨著現(xiàn)代化步伐的邁進(jìn)人們對自動化的需求越來越高，使電動機(jī)的復(fù)雜控制逐漸成為主流，其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛。例如：軍事和宇航方面的雷達(dá)天線、火炮瞄準(zhǔn)、慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星姿態(tài)、飛船光電池對太陽跟蹤的控制等；工業(yè)方面的各種加工中心、專用加工設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、塑料機(jī)械、印刷機(jī)械、繞線機(jī)、紡織機(jī)械、新型工業(yè)縫紉機(jī)、繡花機(jī)、泵和壓縮機(jī)、軋機(jī)主傳動、軋輥等設(shè)備的控制；計算機(jī)外圍設(shè)備和辦公室設(shè)備中的各種磁盤驅(qū)動器、各種光盤驅(qū)動器、繪圖儀、掃描儀、打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄像機(jī)、錄音機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、VCD和DVD機(jī)、洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)、電扇、電動自行車等的控制。們在此設(shè)計中，主要圍繞對直流無刷電動機(jī)復(fù)雜控制的原理和方法進(jìn)行介紹。電動機(jī)的控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動化技術(shù)、微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動機(jī)控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了天翻地覆的變化。其中電動機(jī)的控制部分已由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制，形成數(shù)字與模擬的混合控制系統(tǒng)和純數(shù)字控制系統(tǒng)的應(yīng)用，并正向全數(shù)字控制方向快速發(fā)展。電動機(jī)的驅(qū)動部分所用的功率器件經(jīng)歷了幾次更新?lián)Q代，目前開關(guān)速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使用也使新型的電動機(jī)控制方法能夠得到實(shí)現(xiàn)。脈寬調(diào)制控制方法（PWM和SPWM）、變頻技術(shù)在直流調(diào)速和交流調(diào)速中獲得廣泛的應(yīng)用。永磁材料技術(shù)的突破與微電子技術(shù)的結(jié)合又產(chǎn)生了一批新型的電動機(jī)，如永磁鐵直流電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、超聲波電動機(jī)、專為變頻調(diào)速設(shè)計的交流電動機(jī)等。這一切變化似乎都在瞬間完成的，讓人感覺到了技術(shù)進(jìn)步的魅力。1. 3單片機(jī)對直流無刷電動機(jī)控制所起的作用微處理器取代模擬電路作為電動機(jī)的控制器有如下特點(diǎn)。（1）使電路更簡單 模擬電路為了實(shí)現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件，使電路復(fù)雜。采用微處理器后，絕大多數(shù)控制邏輯可通過軟件實(shí)現(xiàn)。（2）可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制 微處理器的有更強(qiáng)邏輯功能，運(yùn)算速度快、精度高、有大容量的存儲單元，因此有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，如優(yōu)化控制等。（3）靈活性和適應(yīng)性 微處理器的控制方式是由軟件完成的。如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只須修改程序即可。在系統(tǒng)調(diào)試和升級時可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。（4）無零點(diǎn)漂移，控制精度高數(shù)字控制不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點(diǎn)漂移問題。無論被控量的大或小，都可以保證足夠的控制精度。（5）可提供人機(jī)界面，多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作 現(xiàn)在普遍采用單片機(jī)作為電動機(jī)的控制器。實(shí)際上可作為電動機(jī)控制器的元件還有很多種，例如工作控制計算機(jī)、可編程控制器、數(shù)字信號處理器（DSP）。工業(yè)控制計算機(jī)可謂功能強(qiáng)大，它有極高的速度、強(qiáng)大的運(yùn)算能力和接口功能、方便的軟件環(huán)境；但由于成本高、體積大，所以只用于大型控制系統(tǒng)?？删幊炭刂破鲃t正好相反，它只能完成邏輯判斷、定時、記數(shù)和簡單的運(yùn)算。由于功能太弱，所以它只用于簡單的電動機(jī)控制。單片機(jī)介于工業(yè)控制計算機(jī)和可編程控制器之間，它有較強(qiáng)的控制功能、低廉的成本。人們在選擇電動機(jī)的控制器時，常常是在先滿足功能的需要的同時，優(yōu)先選擇成本低的控制器。因此，單片機(jī)往往成為優(yōu)先選擇的目標(biāo)。從最近的統(tǒng)計數(shù)字也可以看出，世界上每年要有25億片各種單片機(jī)投入使用。單片機(jī)是目前世界上使用量最大的微處理器。單片機(jī)產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代。在我國經(jīng)歷了Z80單板機(jī)時代和MCS51單片機(jī)不斷出現(xiàn)，以至于無法給出哪一種單片機(jī)最好。新型單片機(jī)都具有如下特點(diǎn)。（1） 功能大大增強(qiáng)了 （2）速度更快了 （3）小型化和低功率 1. 4電力電子功率器件對直流無刷電動機(jī)控制所起的作用電力電子技術(shù)和功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展對電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展影響極大，它關(guān)系到電動機(jī)的功率驅(qū)動。電力電子功率器件經(jīng)歷了從半控到全控階段，從電流控制到電壓控制，從幾kHz到500kHz以上的開關(guān)頻率的變化；而電動機(jī)的控制也相應(yīng)地從相控變流轉(zhuǎn)變到脈寬調(diào)制和變頻技術(shù)。從20世紀(jì)70年代開始，先后出現(xiàn)了幾種有自關(guān)斷能力的全控型功率器件，如可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率晶閘管（GTR）。這些全控功率器件取代了普通的晶閘管系統(tǒng)，提高了工作頻率，簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了效率和可靠性。原來諧波成分大、功率因數(shù)差的相控變流器已逐步由斬波器或PWM變流器所取代，使電動機(jī)的調(diào)速范圍明顯增加。其后又出現(xiàn)了功率場效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣珊雙極晶體管（IGBT）、MOS控制晶閘管（IGCT）等，形成第三代功率管器件。這些新型功率器件采用場控，工作頻率可以高，驅(qū)動電路更簡單。它們正逐步取代GTO和GTR。然而發(fā)展并沒有就此停止，號稱第四代的功率集成電路已嶄露頭角。功率集成電路是電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它將半導(dǎo)體功率變換器件與驅(qū)動電路、檢測和診斷電路、保護(hù)電路集成在一塊芯片上，使功率器件含有某種智能功能，因此又稱智能功率集成電路。與分立功率器件組成的電動機(jī)驅(qū)動電路相比，智能功率集成電路有如下優(yōu)點(diǎn)。① 體積小重量輕，但功能強(qiáng)大，很有可能將驅(qū)動器安裝在電動機(jī)內(nèi)部，形成一種“電子電動機(jī)”。② 減少了電器元件數(shù)量，可提高系統(tǒng)的可靠性，內(nèi)部集成的檢測電路、診斷電路和保護(hù)電路增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。③ 控制電路與功率電路集成在一起，使監(jiān)控更易實(shí)現(xiàn)。④ 集成化使電路的連線減少。減少了分布電容和分布電感及信號傳輸?shù)难訒r，從而增加了系統(tǒng)抗干擾的能力。⑤ 集成化可以使電路參數(shù)優(yōu)化，避免在使用分立元件時，因不同廠商的產(chǎn)品所帶來的兼容性問題。⑥ 使用集成化取代分立元件來實(shí)現(xiàn)這些功能，將大大降低系統(tǒng)成本。第二章 直流無刷電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計本調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可以簡單描述為：硬件是由直流無刷電動機(jī)、單片機(jī)、驅(qū)動電路以及傳感器等構(gòu)成。軟件是由主控制程序、信號輸入掃描子程序以及公共狀態(tài)變量等構(gòu)成。其中控制系統(tǒng)的硬件核心是單片機(jī)；控制所需的檢測信號由無刷直流電動機(jī)內(nèi)部的傳感器提供；驅(qū)動電路由專用功率器件驅(qū)動芯片功率器件構(gòu)成。軟件的核心是主程序，公共變量將各個子程序與主程序的鏈接起來。 直流無刷電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 The configuration of BLDC 速度給定量通過單片機(jī)內(nèi)部集成的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路完成將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并送入單片機(jī)通過軟件中的主程序控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，單片機(jī)通過無刷直流電動機(jī)內(nèi)部的霍爾傳感器獲得控制所需的檢測信號；單片機(jī)處理后的控制信號是不能直接用于驅(qū)動功率器件，功率器件需要專用的驅(qū)動電路才能工作，其中專用功率器件驅(qū)動芯片將單片機(jī)和功率器件聯(lián)系起來在二者之間起到橋梁的作用，最后由功率器件直接驅(qū)動電動機(jī)。軟件中主程序包括了狀態(tài)判斷功能、功率加載功能、速度計算功能、PWM功能、過流控制功能；子程序用來完成輸入量處理；其中主程序和子程序是通過公共狀態(tài)變量來溝通的。系統(tǒng)采用PWM調(diào)速方式，主功率電路是三相全橋式星型電路。電機(jī)運(yùn)行以“兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)”方式運(yùn)行。控制方式以單片機(jī)為核心處理器系統(tǒng)的數(shù)字閉環(huán)控制、相位判斷和補(bǔ)償?shù)裙δ堋? 主功率電路 Main power electric circuit為了保護(hù)功率MOSFET在PWM橋電路中增加了過流保護(hù)電路，它把電流信號轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號送人30倍放大作用的高共模抑制比的差動放大器。然后，再送入主CPU的AD電路以監(jiān)視電流變化。 過流保護(hù)電路 The electric circuit to protect when the current is over功率驅(qū)動電路的主芯片采用IR2103，： 功率驅(qū)動電路 Power drivers circuit從IR2103的HIN端或LIN輸入信號以驅(qū)動功率管MOSFET，這兩個信號在內(nèi)部由專用的電路實(shí)現(xiàn)互鎖以不至于在MOSFET端出現(xiàn)短路。IR2103采用單電源12V供電，其內(nèi)部有欠壓保護(hù)電路，所有的輸出信號關(guān)閉。IR2103的自舉電路由二極管和電容實(shí)現(xiàn)，它們的大小取決于MOSFET的開關(guān)頻率和最大導(dǎo)通時間。我們知道單片機(jī)是無法直接驅(qū)動功率半導(dǎo)體器件的。該功率驅(qū)動電路的主芯片起到了溝通單片機(jī)和功率半導(dǎo)體器件的橋梁作用。以通過單片機(jī)發(fā)出控制信號控制功率半導(dǎo)體器件。 本設(shè)計的主要內(nèi)容完成無刷直流電動機(jī)控制器硬件電路的設(shè)計制作，并且根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)編寫相應(yīng)的軟件。該系統(tǒng)控制部分的軟件設(shè)計解決的主要要求有以下幾個：1. 熟悉主控制器單片機(jī)P89LPC935的功能與指令系統(tǒng)。2. 掌握單片機(jī)C語言編程技巧。3. 熟悉無刷直流電動機(jī)的具體控制要求。4. 進(jìn)行主程序以及子程序的編寫。第三章 直流無刷電動機(jī)的基本原理無刷直流電機(jī)主要由三部分組成：轉(zhuǎn)子部分、定子部分、傳感器。：轉(zhuǎn)子部分一般使用永磁材料制成，它可以被設(shè)計成2至8個N極和S交替的磁極對，根據(jù)轉(zhuǎn)子所需的磁通密度來選擇適當(dāng)?shù)拇判圆牧?，多選擇永久磁鐵。目前流行的高端技術(shù)多是用稀土材料來制造轉(zhuǎn)子部分，這是因?yàn)槠胀ǖ蔫F氧體磁性材料很難達(dá)到較高的磁通密度。相比之下稀土合金材料則大大優(yōu)于鐵氧體，它的磁通密度遠(yuǎn)高于鐵氧體，這樣使得相同轉(zhuǎn)矩下的電機(jī)使用稀土合金材料的體積更小，也就是提高了電機(jī)體積重量比。 轉(zhuǎn)子磁極 magnetic pole of rotor：定子部分和普通電機(jī)類似也是由硅鋼片疊層鐵心制成，并將線圈放置在沿軸向切割的線槽內(nèi)。： 8/6極定、轉(zhuǎn)子截面圖 The profile chart of stator and rotor with 8/6 magnetic pole同樣這兩種類型的電動機(jī)其相電流也各也與各自的反電動式相同，分別為梯形和正弦型。這個特點(diǎn)使得正弦型電機(jī)比梯形電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩更為平滑穩(wěn)定。然而，這樣一來使得正弦型電機(jī)增加了額外的成本，因?yàn)檎倚碗姍C(jī)需要在定子的外圍增加額外的繞組，使得銅的使用量大大增加。定子一般是按照輸出功率和在使用中的電壓等級來設(shè)計的，例如在汽車系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)以及小型機(jī)械手臂應(yīng)用中一般選擇48V或者更低的電壓，而在工業(yè)控制和自動化技術(shù)應(yīng)用時則通常選擇100V或更高電壓等級的電動機(jī)。： 梯形反電勢 Trapezoidal counter electromotive force 正弦型反電勢 Sine counter electromotive force：不同于普通的有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向器，直流無刷電動機(jī)的換向裝置是電子控制的。為了