【正文】 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案摘 要無刷直流電動機(jī)是在有刷直流電動機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。現(xiàn)階段，雖然各種交流電動機(jī)和直流電動機(jī)在傳動應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動機(jī)正受到普遍的關(guān)注。自20世紀(jì)90年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來越趨向于高效率化、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)，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長。本設(shè)計(jì)是把無刷直流電動機(jī)作為電動自行車控制系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)，以PIC16F72單片機(jī)為控制電路，單片機(jī)采集比較電平及電機(jī)霍爾反饋信號，通過軟件編程控制無刷直流電動機(jī)。關(guān)鍵詞 無刷直流電動機(jī) 單片機(jī) 霍爾位置傳感器AbstractBrushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of. At this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under mon concern.Since the 1990s, as people39。s living standards improve and modernize production, the development of office automation, household appliances, industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency, small size and high intelligence, as the implementation of ponents An important ponent of the motor must have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application is also growing rapidly.This design is the brushless DC motor as the electric bicycle motordriven control system, PIC16F72 microcontroller for control circuit, SCM collection and parisonlevel electrical signal Hall feedback, software programming through brushless DC motor control .Key words bldcm the single chip processor hall position sensor摘 要 IAbstract II第1章 概 述 1 無刷直流電動機(jī)的發(fā)展概況 1 無刷直流永磁電動機(jī)與有刷直流永磁電動機(jī)的比較 2 無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理 3 無刷直流電動機(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 無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用與研究動向 8第2章 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 10 無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)的組成 10 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 12 設(shè)計(jì)方案比較 12 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 13第3章 無刷直流電動機(jī)硬件設(shè)計(jì) 15 逆變主電路設(shè)計(jì) 15 功率開關(guān)主電路圖 15 逆變開關(guān)元件選擇和計(jì)算 15 逆變開關(guān)管驅(qū)動電路設(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信號在PIC單片機(jī)中的處理 23 時鐘電路 23 復(fù)位電路 24 人機(jī)接口電路 24 轉(zhuǎn)把和剎車 24 顯示電路 25 門陣列可編程器件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 無刷直流電動機(jī)軟件設(shè)計(jì) 33 直流無刷電機(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 36致謝 37參考文獻(xiàn) 38附錄1 39附錄2 51第1章 概 述 無刷直流電動機(jī)的發(fā)展概況無刷直流電動機(jī)是在有刷直流電動機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，這一淵源關(guān)系從其名稱中就可以看出來。有刷直流電動機(jī)從19世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)一直在運(yùn)動控制領(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)的一個致命弱點(diǎn)，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場合中的使用。為了取代有刷直流電動機(jī)的機(jī)械換向裝置，人們進(jìn)行了長期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流電動機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無刷直流電機(jī)的基本思想。，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷直流電動機(jī)的誕生。無刷直流電動機(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，在無刷直流電動機(jī)發(fā)展的早期，由于當(dāng)時大功率開關(guān)器件僅處于初級發(fā)展階段，可靠性差，價格昂貴，加上永磁材料和驅(qū)動控制技術(shù)水平的制約，使得無刷直流電動機(jī)自發(fā)明以后的一個相當(dāng)長的時間內(nèi)，性能都不理想，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無法推廣使用，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)，這些均為無刷直流電動機(jī)廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)因而得到了迅速的發(fā)展。在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上，前聯(lián)邦德國的MANNESMANN公司正式推出了 MAC無刷直流電動機(jī)及其驅(qū)動器，引起了世界各國的關(guān)注，隨即在國際上掀起了研制和生產(chǎn)無刷直流系統(tǒng)的熱潮，這業(yè)標(biāo)志著無刷直流電動機(jī)走向?qū)嵱秒A段。隨著人們對無刷直流電動機(jī)特性了解的日益深入，無刷直流電動機(jī)的理論也逐漸得到了完善。1986年，指出了無刷直流電動機(jī)的研究領(lǐng)域，成為無刷直流電動機(jī)的經(jīng)典文獻(xiàn)，標(biāo)志著無刷直流電動機(jī)在理論上走向成熟。我國對無刷直流電動機(jī)的研究起步較晚。1987年，在北京舉辦的聯(lián)邦德國金屬加工設(shè)備展覽會上，SIEMENS和BOSCH兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動器，引起了國內(nèi)有關(guān)學(xué)者的廣泛注意，自此國內(nèi)掀起了研制開發(fā)和技術(shù)引進(jìn)的熱潮。經(jīng)過多年的努力，目前，國內(nèi)已有無刷直流電動機(jī)的系列 產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。 無刷直流永磁電動機(jī)與有刷直流永磁電動機(jī)的比較表11 無刷直流永磁電動機(jī)與有刷直流永磁電動機(jī)的比較項(xiàng)目無刷直流電動機(jī)有刷直流電動機(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，電刷摩擦增加，有用力矩減小效率由于沒有電刷壓降，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，改善了動態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)自慣量高，限制了動態(tài)特性速度范圍比較高。沒有電刷/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附近的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾制造價格比較高低控制復(fù)雜和價格貴簡單和價格不貴控制要求為了使電動機(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于一個固定的速度而言，不需要控制器；有變速要求的時候才需要控制器 無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理1．無刷直流電動機(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，控制電路對位置信號進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生控制信號，控制動信號經(jīng)驅(qū)動電路隔 離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。 圖11 無刷直流電動機(jī)工作原理示意圖如圖11所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（順時針）到圖a所示的位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，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，再從B相繞組流出，經(jīng)T6回到電源的負(fù)極，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過60電角度，到達(dá)圖b所示位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，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，再從C相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負(fù)極。此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為TT6—TT2—TT2—TT4—TT4—TT6—TT6。在次期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變?？梢?，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)通時間對應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度。無刷直流電動機(jī)的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是無刷直流電動機(jī)最常用的一種工作方式。2．無刷直流電動機(jī)與輸出開關(guān)管換流信號 無刷直流電動機(jī)的位置一般采用三個在空間上相隔120電角度的霍爾位置傳感器進(jìn)行檢測，當(dāng)位于霍爾傳感器位置處的磁場極性發(fā)生變化時，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個霍爾傳感器位檢測元件的位置在空間上各差120電角度，因此從這三個檢測元件輸出端可以獲得三個在時間上互差120度、寬度為180度的電平信號，分別用A、B、C來表示，如圖12所示，以信號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，所以此段時間為T1和T6等于1，（此時下部可供導(dǎo)通的管子為T T6和T2，而為避免橋臂直通，T4不能導(dǎo)通；T2的導(dǎo)通時間未到，故只能是T6導(dǎo)通）；而在60度—120度，此時只有A相通電，B和C相處于非導(dǎo)電期，故導(dǎo)通的開關(guān)管為T1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，由于 每一相只有120電導(dǎo)角導(dǎo)電時間，故此時T1關(guān)斷（T1=0），T2仍然導(dǎo)通（B相開始進(jìn)入導(dǎo)電期），此時可知，T1關(guān)斷，T5不能開通（防止橋臂直通），則此時只能開通T3，所以T3信號此時間段為1。其他時間段的開關(guān)管導(dǎo)通情況與此類似。理論上，只要保證三個位置傳感器在空間上互差120度，開關(guān)管的換流時刻總是可以推算出來的。然而，為了簡化控制電路，每個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相繞組開始通電的時刻（即該相反電勢相位30度位置）恰好與A相位置傳感器輸出信號A的電平跳變時刻重合，此時應(yīng)將T1開關(guān)管驅(qū)動導(dǎo)通。同理，其他開關(guān)管的導(dǎo)通時刻也可以按同樣方法確定。本設(shè)計(jì)選用的是三相無刷永磁直流電動機(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 無刷電動機(jī)位置檢測及開關(guān)管驅(qū)動信號表12 無刷電動機(jī)直流通電控制方式開關(guān)切換表旋轉(zhuǎn)方向位置傳感器逆變橋開關(guān)管驅(qū)動信號ABCT1T2T3T4T5T6正轉(zhuǎn)001000011010001100011000110100110000101100001110011000反轉(zhuǎn)001011000010100001011110000100000110101001100110000011 無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行特性 機(jī)械特性無刷直流電動機(jī)的機(jī)械特性為： （11）UT開關(guān)器件的管壓降Ia電樞電流Ce電機(jī)的電動勢常數(shù)每級磁通量可見無刷直流電動機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動機(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，流過開關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時，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