【正文】 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）Z S T UZhejiang SciTech University本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)Bachelor’S THESIS論文題目： 基于CPLD的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì) 浙 江 理 工 大 學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院畢業(yè)論文誠(chéng)信聲明我謹(jǐn)在此保證：本人所寫的畢業(yè)論文，凡引用他人的研究成果均已在參考文獻(xiàn)或注釋中列出。論文主體均由本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲、剽竊他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出現(xiàn)以上違反知識(shí)產(chǎn)權(quán)的情況，本人愿意承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。 聲明人（簽名）： 年 月 日摘　要無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）利用電子換相裝置代替了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相裝置，使其既具有直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能，且體積小、重量輕、效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗等特點(diǎn)，同時(shí)又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。因此在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如醫(yī)療機(jī)械、儀器儀表、化工、紡織以及家用電器和辦公自動(dòng)化等方面都有廣泛的應(yīng)用。而在對(duì)系統(tǒng)提出響應(yīng)速度快、精度高、控制板體積小、可靠性高等要求下，采用基于單片機(jī)等芯片的控制系統(tǒng)一般難以實(shí)現(xiàn)這一要求，而基于DSP等芯片的控制系統(tǒng)一般成本又太高。但隨著無(wú)刷直流電機(jī)的各種控制方法正日趨成熟，特別是大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA、CPLD的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)這些要求提供了可能，本課題便是基于這一背景而提出的。 本文提出了一種基于CPLD的無(wú)刷直流電機(jī)控制器。重點(diǎn)分析了控制器的硬件電路組成及其工作原理。并進(jìn)一步繪制了控制器的PCB板。接著針對(duì)控制器所肩負(fù)的控制任務(wù)，提出了完整的控制器算法，并最后用Simulink仿真驗(yàn)證了所提出的控制算法。關(guān)鍵詞：BLDC；CPLD；BLDC控制器；BLDC Simulink 仿真； AbstractBrushless DC motor (BLDC) is using electronic mutation device instead of mechanical mutation device of brush DC motor. BLDC’s speed performance has the characteristics of DC motors, and it is also has small volume, light weight, high efficiency and no excitation loss advantages. BLDC also has the advantages of AC motor, such as simple structure, reliable operation, convenient maintenance, etc…Therefore, BLDC had been using in the wide range fields of national economy, such as medical equipment, instrumentation, chemical, textile, household appliances and office automation.The control requirements of high reliability, such as fast response speed, high precision, small size. Based on MCU chip control system is generally difficult to realize this requirement. And, the cost of control system based on DSP chip is generally too high. However with all kinds of Brushless DC motor control method is being more and more mature, especially the largescale field programmable gate array FPGA, CPLD appeared, provides the possibility to realize these requirements. This topic is proposed on the basis of this background.This paper presents a brushless DC motor controller based on CPLD . Focus on the analysis of the hardware controller and its working principle. And I have pleted the design of PCB controller. According to the control task the controller had, a controller algorithm was proposed. And finally, using Simulink simulation verified that the proposed control algorithm.Key words: BLDC。 BLDC controller。 BLDC Simulink simulation。目 錄摘 要Abstract第1章 緒論 1 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1 1 3 6 7第2章 控制器硬件電路設(shè)計(jì) 9 9 10 10 14 16 20 CPLD主控 24 24 PCB設(shè)計(jì) 29第3章 控制算法設(shè)計(jì) 31 控制算法 31 控制器所要完成的任務(wù) 31 控制器任務(wù)的實(shí)現(xiàn) 32 Simulink介紹 34 Simulink建模 35 BLDC模型 35 控制器逆變電路模型 39 控制器控制算法建模 41 任務(wù)1：電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 41 任務(wù)2：電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制 42 任務(wù)3：電機(jī)制動(dòng)控制 44 任務(wù)4：逆變橋MOS管過(guò)流保護(hù)控制 45 Simulink仿真設(shè)置 46 Simulink仿真分析 47 Simulink模型驗(yàn)證 48 Simulink模型測(cè)試 52第4章 總結(jié) 54 總結(jié) 54 展望 54參考文獻(xiàn) 55致 謝 57第1章 緒論無(wú)刷直流電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生發(fā)展而來(lái)的。直流電機(jī)因其良好的轉(zhuǎn)矩特性和快速響應(yīng)能力而在工業(yè)界有廣泛的應(yīng)用，其具有調(diào)速性能好、運(yùn)行效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)由于直流電機(jī)存在電刷、換向器等機(jī)械接觸部件，使得存在機(jī)械磨損，而需經(jīng)常維護(hù)和保養(yǎng)；且會(huì)產(chǎn)生噪聲、火花和無(wú)線電干擾，且不能在有粉塵、易燃易爆物質(zhì)的環(huán)境中工作；再加上直流電機(jī)有制造成本較高及維修困難等問(wèn)題，都限制了它的應(yīng)用范圍。無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）作為近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型電機(jī)，正是為解決有刷直流電機(jī)的種種缺點(diǎn)而出現(xiàn)的。它利用電子換相裝置代替機(jī)械換相裝置，既具有直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能，且體積小、重量輕、效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗等特點(diǎn)，同時(shí)又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。因此在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如醫(yī)療機(jī)械、儀器儀表、化工、紡織以及家用電器和辦公自動(dòng)化等方面都有廣泛的應(yīng)用。而在對(duì)系統(tǒng)提出響應(yīng)速度快、精度高、控制板體積小、可靠性高等要求下，采用基于單片機(jī)等芯片的控制系統(tǒng)一般難以實(shí)現(xiàn)這一要求，而基于DSP等芯片的控制系統(tǒng)一般成本又太高。但隨著無(wú)刷直流電機(jī)的各種控制方法正日趨成熟，特別是大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA、CPLD的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)這些要求提供了可能，本課題便是基于這一背景而提出的。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)無(wú)刷直流電機(jī)按照工作特性，可以分為兩大類：（1）具有直流電機(jī)特性的無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）反電動(dòng)勢(shì)波形和供電電流波形都是矩形波的電機(jī)，稱為矩形波同步電機(jī)，又稱無(wú)刷直流電機(jī)。這類電機(jī)由直流電源供電，借助位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，由所檢測(cè)出的信號(hào)去觸發(fā)相應(yīng)的電子換相線路，以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸換相。所以這種無(wú)刷電機(jī)具有有刷直流電機(jī)的各種運(yùn)行特性。（2）具有交流電機(jī)特性的無(wú)刷直流電機(jī)（PMSM）反電動(dòng)勢(shì)波形和供電電流波形都是正弦波的電機(jī)，稱為正弦波同步電機(jī)，又稱永磁同步電機(jī)。這類電機(jī)也由直流電源供電，但通過(guò)逆變器將直流電變換成交流電，然后去驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)。兩種電機(jī)定子繞組都是相同的，不同的是轉(zhuǎn)子磁鋼的制造不同，由此帶來(lái)了兩種電機(jī)在控制方法和性能方面的差異。正弦波永磁同步電機(jī)相比于方波型無(wú)刷直流電機(jī)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使用成本較高。一般需要價(jià)格昂貴的光電編碼盤來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，以提供連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信息給控制器。其理論上無(wú)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，調(diào)速比、定位精度高。所以多應(yīng)用在需要高精度位置控制的場(chǎng)合，當(dāng)然其控制方式相比于無(wú)刷直流電機(jī)也要復(fù)雜的多。無(wú)刷直流電機(jī)電流波形為方波，通過(guò)控制逆變器的輸出電壓，使輸出電流和梯形波形反電動(dòng)勢(shì)的平頂部分相位一致。電機(jī)繞組一般工作于120176。導(dǎo)通狀態(tài)下，控制比較簡(jiǎn)單，對(duì)位置傳感器要求低，一個(gè)電周期內(nèi)只需要知道轉(zhuǎn)子的六個(gè)位置即可，因此成本也低。所以在對(duì)電機(jī)定位精度要求不特別高的傳動(dòng)場(chǎng)合，永磁無(wú)刷直流電機(jī)因其控制簡(jiǎn)單，效率高，體積小而具有明顯的優(yōu)勢(shì)[1]3。但迄今為止，還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的分類和定義，而一般人們所稱的無(wú)刷直流電機(jī)即指第一種，即具有直流電機(jī)特性的矩形波型永磁無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）。無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：在有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，定子主要由永磁體磁極、導(dǎo)磁軛和電刷構(gòu)件組成，轉(zhuǎn)子主要由電樞繞組和換向器所組成。通過(guò)換向器與電刷連續(xù)依次的開關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定位置的線圈繞組的通電，而獲得恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)。在無(wú)刷直流永磁電機(jī)中，電樞繞組被設(shè)置在定子上，永磁體磁極被設(shè)置在轉(zhuǎn)子上。轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)相對(duì)于定子各項(xiàng)電樞繞組的位置，由轉(zhuǎn)子位置傳感器所感知。電子換向電路獲得這一位置信號(hào)后，按照設(shè)定的一定邏輯去驅(qū)動(dòng)與電樞繞組相連接的相應(yīng)的功率晶體管，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繞組。即是，通過(guò)電子換向器實(shí)現(xiàn)對(duì)特定繞組的驅(qū)動(dòng)，而使轉(zhuǎn)子獲得連續(xù)的電磁轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖11。圖11 永磁無(wú)刷直流電機(jī)組成框圖從上面的簡(jiǎn)單介紹不難發(fā)現(xiàn)，無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)，工作原理基本完全一致，只是用電子換向器取代機(jī)械換向器而已。而他們的具體區(qū)別在于，有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)有很多獨(dú)立的繞組，也即是很多的換向器，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)正交，而獲得較連續(xù)恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。進(jìn)而如果用電子換向器直接代換機(jī)械換向器的工作，將包含大量的功率晶體管開關(guān)元件和與之相適應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，就目前的科技水平而言，這種方法沒(méi)有實(shí)用價(jià)值也很難實(shí)施。因此，在當(dāng)前的無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，定子電樞采用類似于一般交流電動(dòng)機(jī)的三相繞組，借助轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)與定子電樞繞組三相軸線之間的相對(duì)空間位置信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)處理這些信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)定子電樞三相繞組的電子換向[2]。目前，國(guó)內(nèi)外無(wú)刷直流電機(jī)的一般控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，我國(guó)已經(jīng)制定了GJBI863無(wú)刷直流電機(jī)通用規(guī)范。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)主要集中在以下三個(gè)方面：①研究無(wú)位置傳感器控制技術(shù)以提高系統(tǒng)可靠性，并進(jìn)一步縮小電機(jī)尺寸與重量。②從電機(jī)設(shè)計(jì)和控制方法等方面出發(fā)，研究無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制方法，從而提高其伺服精度，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。③設(shè)計(jì)可靠、小巧、通用性強(qiáng)的集成化無(wú)刷直流電機(jī)控制器[3]8。1）無(wú)位置傳感器檢測(cè)技術(shù)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，顧名思義即是不用位置傳感器，而主要通過(guò)電機(jī)內(nèi)容易獲取的電壓或電流等信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的算法處理，間接得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。常用的轉(zhuǎn)子位置間接檢測(cè)法如圖 12 所示[3]9。圖 12 轉(zhuǎn)子位置間接檢測(cè)法（1）反電勢(shì)法：其原理是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)在定子繞組上感應(yīng)出反電動(dòng)勢(shì)，該反電動(dòng)勢(shì)的相位反映轉(zhuǎn)子位置信息，進(jìn)而通過(guò)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)即可間接得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。實(shí)際設(shè)計(jì)中，依靠檢測(cè)浮空相的端電壓得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，在過(guò)零點(diǎn)之后30176。電角度即為換相時(shí)刻。其原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便、應(yīng)用廣泛。（2）電感法：利用凸極永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子電感是轉(zhuǎn)子位置和相電流的函數(shù)，定子繞組電感會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子位置變化而變化的原理，提出了用繞組電感來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法。該方法可以達(dá)到較高的檢測(cè)精度，但是該方法實(shí)現(xiàn)難度較大，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)定子繞組電感不停的進(jìn)行檢測(cè)和計(jì)算。（3）續(xù)流二極管法：通過(guò)檢測(cè)反向并聯(lián)在驅(qū)動(dòng)管上二極管的導(dǎo)通狀態(tài)來(lái)得出轉(zhuǎn)子的位置。續(xù)流二極管法的基本原理還是基于反電勢(shì)法，但它是從電流角度來(lái)考慮反電勢(shì)的。該方法能夠彌補(bǔ)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法在低速下的不足，能夠檢測(cè)更低的