【文章內(nèi)容簡介】 ly 80C51, ir2101, 74ls373, AD1674, MOSFET) steps to build a DC brushless motor drive circuit, speed detection circuit, a key detection circuit, and the speed display circuit and successfully realized the simulation of the brushless DC motor speed control system, and provided by Proteus virtual instrument.Keil is 51 series patible microcontroller C language development system, C51 in function, structure, readability, maintenance of far exceeds that of assembly language (ASM), due to the ASM programming need too much considering the chip internal structure, so the lack of portability and programs tend to bee very plex. Using C51 can avoid these problems, with rich library function, C51 can use less code to achieve functions such as calculating tangent of such a plex and even easier to pile a plex embedded systems, and is easy to learn and use. Keil offers, including the C piler, macro assembler, linker, library management and powerful simulation debugger, plete development plan, through the integrated development environment, the bination of these sections together. This design is after build the basic hardware circuit and is designed for the 80C51 of modular software design. In order to plete the key detection module, display module, motor control module, in order to obtain the exact delay time and the system time delay module using assembly language to write, through the assembly language and C language interface (API) implementation calls the function of assembly language.Keywords: brushless DC motor。 control。 simulation。 C51。 proteus無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁1 緒論 課題研究的背景和意義無刷直流電動(dòng)機(jī)是上世紀(jì)六七十年代發(fā)展起來的結(jié)合了多學(xué)科技術(shù)的一種新型電動(dòng)機(jī)，其最大特點(diǎn)就是沒有換向器（整流子）和電刷組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)。它通常采用永磁體為轉(zhuǎn)子，沒有激磁損耗；發(fā)熱的電樞繞組又通常裝在外面的定子上，這樣，熱阻較小，散熱容易。結(jié)合機(jī)電一體化，具有高速度、高效率、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高熱容量和高可靠性、無換向火花等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有低噪聲和長壽命等特點(diǎn)無刷直流電動(dòng)機(jī)是近年來隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型直流電動(dòng)機(jī)，它是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和軍事裝備中重要的機(jī)電元件之一。與普通直流電動(dòng)機(jī)相比，無刷直流電動(dòng)機(jī)既有相似點(diǎn)，也有其獨(dú)有的特點(diǎn)。所謂相似點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上無刷電動(dòng)機(jī)和有刷電動(dòng)機(jī)有相似之處，也有轉(zhuǎn)子和定子，只不過和有刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相反；有刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是線圈繞組，和動(dòng)力輸出軸相連，定子是永磁磁鋼；無刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁磁鋼，連同外殼一起和輸出軸相連，定子是繞組線圈。去掉了有刷電動(dòng)機(jī)用來交替變換電磁場的換向電刷，故稱之為無刷電動(dòng)機(jī)（Brushless motor） 。所謂不同點(diǎn)，在工作原理上無刷直流電動(dòng)機(jī)是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。需要三相橋式逆變電路將直流電變成三相電，同時(shí)無刷直流電動(dòng)機(jī)一般帶有位置傳感器位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流（即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換） 。而且無刷電動(dòng)機(jī)去除了電刷，沒有了有刷電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電火花，極大減少了電火花對(duì)遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。同時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力大大減小，運(yùn)行順暢，噪音會(huì)低許多，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因?yàn)樯倭穗娝?，無刷電動(dòng)機(jī)的磨損主要是在軸承上，從機(jī)械角度看，無刷電動(dòng)機(jī)幾乎是一種免維護(hù)的電動(dòng)機(jī)了，只需做一些除塵維護(hù)即可。正是由于無刷電動(dòng)機(jī)有如此多的優(yōu)勢，二十一世紀(jì)伊始至今掀起了無刷電機(jī)替代傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)熱潮，許多學(xué)校和科研機(jī)構(gòu)都投入到無刷電動(dòng)機(jī)的研究當(dāng)中。有人說二十一世紀(jì)是“無刷電機(jī)廣泛運(yùn)用的時(shí)代”目前無刷電動(dòng)機(jī)已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如宇宙航行、航海、醫(yī)療儀器、分析儀器、材料處理、過程控制、機(jī)床工業(yè)、紡織工業(yè)和輕工機(jī)械等。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 共 63 頁 本課題的研究現(xiàn)狀目前永磁無刷電動(dòng)機(jī)的研究熱點(diǎn)分為兩個(gè)方向，一是對(duì)無位置傳感器的無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測及轉(zhuǎn)速估算，二是如何改進(jìn)永磁無刷電動(dòng)機(jī)的控制算法。發(fā)展較為完善的無位置傳感器位置信號(hào)檢測方法主要有四種：續(xù)流二極管法、反電動(dòng)勢法、電感法以及狀態(tài)觀測法。其中“反電動(dòng)勢法”是目前最常見和應(yīng)用最廣泛的一種。但這種方法是以忽略電樞反應(yīng)影響為前提的，所以存在一定的固有誤差。大功率型永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)對(duì)氣隙合成磁場的影響十分明顯，所以大功率永磁無刷電機(jī)的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)與總的感生電動(dòng)勢過零點(diǎn)電動(dòng)勢不重合，這就使電樞反應(yīng)的影響擴(kuò)大，導(dǎo)致檢出的轉(zhuǎn)子位置誤差增大。由于電動(dòng)機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速較低時(shí)的反電動(dòng)勢很小幾乎為零，所以幾乎無法通過反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測來得到正確的位置信號(hào)。這就導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難，且使得嚴(yán)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍變窄。所以，研究如何在無位置傳感器永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)中采用何種控制算法使得能更精確的檢測轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)就成為當(dāng)前一個(gè)十分重要的課題。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用和推廣，使得位置檢測可以通過 IC 芯片配合一定算法實(shí)現(xiàn)。采用 MCU 以實(shí)現(xiàn)無位置傳感器的位置檢測和估算已成為研究的熱點(diǎn)和趨勢。 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要發(fā)展方向就是采用數(shù)字信號(hào)處理器的數(shù)字控制電路。以 MCU 芯片為核心的控制系統(tǒng)并不是一個(gè)單純依靠硬件控制電路，它還必須與合理的軟件控制策略相配合。這也為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來更大的靈活性。軟件設(shè)計(jì)必然涉及控制算法的研究和應(yīng)用。永磁無刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流控制必須由硬件系統(tǒng)的配合具有正確的控制算法的軟件系統(tǒng)才能有良好的閉環(huán)控制效果。而不同的的控制算法能直接影響控制效果的好壞。 國外研究現(xiàn)狀美國的科學(xué)家早在二十世紀(jì)三十年代就開始研制以電子換向來代替電刷機(jī)械換向的無刷直流電動(dòng)機(jī)，并取得了一定的科研成果。但是當(dāng)時(shí)大功率電力電子器件剛剛得到發(fā)展，沒有理想的電子換向代替機(jī)械向的器件，使得無刷電動(dòng)機(jī)只能停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。美國 1955 年首次成功實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用晶體管換向代替電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向，這是現(xiàn)代無刷直流電動(dòng)機(jī)的原型，但由于該電動(dòng)機(jī)尚無啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩故依然只能停留在研究階段。后來又經(jīng)過人們多年的努力，通過霍爾元件進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測來實(shí)現(xiàn)換向的無刷電動(dòng)機(jī)終于在 1962 年問世，從而開創(chuàng)了無刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品化的新紀(jì)元。七十年代以來，隨著電力電子工業(yè)飛速發(fā)展，許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件相繼無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁出現(xiàn)，以及高性能永磁材料的問世，均為無刷電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。又經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，目前無刷直流電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，在大量應(yīng)用中已顯示出優(yōu)良的特性，應(yīng)用范圍幾乎覆蓋所有電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，并可以起到其他類電動(dòng)機(jī)所不能達(dá)到的功能。國際上一些專家指出，21 世紀(jì)是無刷電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用大發(fā)展的時(shí)期，將為所有新一代的機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)師所采用?，F(xiàn)代的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)在硬件上有著朝總線化發(fā)展的趨勢，而在軟件上則朝著嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)發(fā)展的趨勢，從而可以使得控制系統(tǒng)自身就具有局域網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)上網(wǎng)的功能，這樣就為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了方便。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國直流永磁無刷電動(dòng)機(jī)的研制工作開始于二十世紀(jì)七十年代，主要集中在一些科研院校。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，目前我國已有幾種系列產(chǎn)品生產(chǎn)，如 ST 系列，1FTS 系列，ASM 系列等，但到目前為止仍無國家標(biāo)準(zhǔn)。限于我國元器件水平及相關(guān)理論沒有得到充分的實(shí)踐驗(yàn)證，尤其是制造工藝和加工設(shè)備較國際先進(jìn)水準(zhǔn)差別較大，所以目前我國的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的綜合研制水平仍低于國際先進(jìn)水平，有待于進(jìn)一步的研發(fā)。目前，國內(nèi)研發(fā)的和生產(chǎn)的永磁無刷電動(dòng)機(jī)主要用于軍工設(shè)備，而在空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)及微型風(fēng)機(jī)等方面應(yīng)用無刷電動(dòng)機(jī)仍需大力推廣。 圖 11 無刷電動(dòng)機(jī)實(shí)物圖 課題研究的主要內(nèi)容本課題首先研究了直流永磁無刷電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，理解其狀態(tài)空間表達(dá)式的推導(dǎo)過程，然后選擇合適的控制方式，再利用 Proteus 仿真平臺(tái)，搭建無刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、轉(zhuǎn)速顯示電路完成硬件設(shè)計(jì)，利用 keil C51 編寫程序從而實(shí)現(xiàn)永磁無刷電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速顯示、檔位顯示。最后，通過 AD 轉(zhuǎn)換器對(duì)無 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 共 63 頁刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度信號(hào)采集，引入 PID 控制策略，形成轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制，在如何減小誤差及保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定方面做了積極的探索。本論文分為五章。各章內(nèi)容如下：第 1 章對(duì)本課題的背景、意義以及無刷電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。第 2 章闡述永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理，推導(dǎo)其機(jī)械特性，并最終得到其數(shù)學(xué)模型。第 3 章主要介紹永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分，各部分電路的工作原理、元件選型等。第 4 章主要介紹永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的程序部分，闡述各部分程序所實(shí)現(xiàn)的功能，以及 PID 算法的程序化。第 5 章主要介紹了使用 Proteus 對(duì)軟件部分硬件部分綜合仿真以簡單開環(huán)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)作為對(duì)比，分析仿真后的波形。最后對(duì)本文主要工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)后續(xù)工作提出展望。 無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁2 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 直流無刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 直流無刷電動(dòng)機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)具有相同的工作原理和應(yīng)用特性，其組成是不一樣的。除了電動(dòng)機(jī)本身外，前者還多一個(gè)換向電路，電動(dòng)機(jī)本身和換向電路緊密結(jié)合在一起。許多小功率電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)本身是與換向電路合成一體，從外觀上看直流無刷電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)完全一樣。直流無刷電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)本身是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換部分，它除了電動(dòng)機(jī)電樞、永磁勵(lì)磁兩部分外，還帶有傳感器。電動(dòng)機(jī)本身是直流無刷電動(dòng)機(jī)的核心，它不僅關(guān)系到性能指標(biāo)、噪聲振動(dòng)、可靠性和使用壽命等，還涉及制造費(fèi)用及產(chǎn)品成本。由于采用永磁磁場，使直流無刷電動(dòng)機(jī)擺脫一般直流電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，滿足各種應(yīng)用市場的要求，并向著省銅節(jié)材、制造簡便的方向發(fā)展。永磁磁場的發(fā)展與永磁材料的應(yīng)用密切相關(guān)，第三代永磁材料的應(yīng)用，促使直流無刷電動(dòng)機(jī)向高效率、小型化、節(jié)能方向邁進(jìn)。為了實(shí)現(xiàn)電子換向必須有位置信號(hào)來控制電路。早期用機(jī)電位置傳感器獲得位置信號(hào)，現(xiàn)已逐步用電子式位置傳感器或其它方法得到位置信號(hào)，最簡便的方法是利用電樞繞組的電勢信號(hào)作為位置信號(hào)。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制必須有速度信號(hào)。用獲得位置信號(hào)相近方法取得速度信號(hào)，最簡單的速度傳感器是測頻式測速發(fā)電動(dòng)機(jī)與電子線路相結(jié)合。直流無刷電動(dòng)機(jī)的換向電路由驅(qū)動(dòng)及控制兩部分組成，這兩部分是不容易分開的，尤其小功率用電路往往將兩者集成化成為單一專用集成電路。在功率較大的電動(dòng)機(jī)中，驅(qū)動(dòng)電路和控制電路可各自成為一體。驅(qū)動(dòng)電路輸出電功率，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電樞繞組，并受控于控制電路。目前，驅(qū)動(dòng)電路已從線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)成脈寬調(diào)制的開關(guān)狀態(tài)，相