【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）Study on Brushless DC Motor Control System Software Design Abstract Brushless DC motor is developed in recent years a new type of motor it is replaced by the use of electronic exchange of machineforto we have a brush DC motor small size light weightsmall moment of inertia there is no loss of excitation speed control performance superior characteristics but also to overe as a result of brush DC motor brush wear and tear caused by circulation producing sparks and noise and its impact on the adverse effects brought about by the surrounding circuit At the same time brushless DC motor with AC motor is simple in structure reliable operation and easy maintenance of a series of advantages so in many areas has been widely used such as medical equipment Instrumentation chemical engineering and puter drives as well as household appliances etc receive a wide range of applications BLDCM study include the design of the electrical body reversing the logic of research methods of position detection and control system for phase control positive control brake control speed and current regulation Keywords brushless DC motor control system speed 目 錄 1 緒論 1 11 課題背景 1 12 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1 121 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀 1 122 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 2 2 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理 3 21 無(wú)刷直流電機(jī)的基本組成及工作原理 3 211 基本組成 3 212 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理 4 22 位置傳感器 5 3 無(wú)刷直流電機(jī)的控制策略 6 31 無(wú)刷直流電機(jī)的主電路基本類型及通電方式 6 311 三相半控電路 6 312 三相連接全控電路 7 32 無(wú)刷直流電機(jī)的控制策略 10 321 無(wú)刷直流電機(jī)的 DSP 控制系統(tǒng) 10 322 轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié) 10 323 PWM 波控制策略 11 324 無(wú)刷直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制 11 4 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分 12 41 開關(guān)電源 12 42 控制電路部分 13 431 基于 DSP56F803 的控制電路 13 432 霍爾傳感器 13 5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 15 51 DSP 簡(jiǎn)介 15 53 主程序設(shè)計(jì) 16 54 子程序設(shè)計(jì) 17 6 結(jié)束語(yǔ) 22 致 謝 22 參考文獻(xiàn) 23 附錄程序清單 24 11 課題背景 DSP Digital Signal Processor 器件適時(shí)而動(dòng)取得了飛速的發(fā)展 今天 DSP 己經(jīng)成為通信計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制以及家用電器等電子產(chǎn)品中不可或缺的基礎(chǔ)器件由于 DSP 具有較強(qiáng)的計(jì)算能力和較好的實(shí)時(shí)性使得算法復(fù)雜的現(xiàn)代控制理論能夠在實(shí)際中得到很好的應(yīng)用特別是實(shí)時(shí)性要求很高的系統(tǒng)也可以通過(guò) DSP 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的智能控制算法在電力傳動(dòng)這個(gè)實(shí)時(shí)性要求很高的領(lǐng)域DSP 的應(yīng)用越來(lái)越多例如機(jī)器人機(jī)械手等工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)火炮位置伺服等 軍用設(shè)備洗衣機(jī)空調(diào)等家用電器設(shè)備電動(dòng)自行車等交通工具都用到了 DSP 控制器電力傳動(dòng)方案 DSP技術(shù)的提高和 CPU相似已經(jīng)成為決定電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素之一用 DSP 進(jìn)行電力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是未來(lái)電力傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能化的發(fā)展方向 12 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 121 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀 國(guó)外在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展的早期主要致力于將更加先進(jìn)的電力電子器件和材料應(yīng)用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以提高它的性能但無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)過(guò)大這是采用優(yōu)良的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和先進(jìn)的器件所無(wú)法從根本上取得突破的瓶頸在 八十年代以后隨著磁性材料 尤其是高性能的稀土永磁材料 電力電子器件和專用控制器的迅速發(fā)展明顯改善了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)特性的同時(shí)人們又把對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)研究的目光轉(zhuǎn)移到電子換向稀土永磁材料以及智能控制三個(gè)方面試圖來(lái)抑制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng) 我國(guó)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研制工作開始于 70 年代初期主要是為我國(guó)自行研制的軍事裝置和宇航技術(shù)發(fā)展而配套由于數(shù)量少由某些科研單位試制就能滿足要求經(jīng)過(guò) 20 多年的發(fā)展雖然在新產(chǎn)品開發(fā)方面縮短了與國(guó)際先進(jìn)水平的差距但由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是集電動(dòng)機(jī)微電子電力電子控制計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一身的高科技 產(chǎn)品受到我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)落后的制約因此無(wú)論產(chǎn)量質(zhì)量品種及應(yīng)用與國(guó)際先進(jìn)水平有著較大的差距目前國(guó)內(nèi)的研制單位雖不少但形成一定批量的單位卻屈指可數(shù)而且其中絕大部分屬于低檔的無(wú)刷風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力不強(qiáng)但無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景十分廣闊我國(guó)的科研單位正致力于吸收國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)開發(fā)出具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的產(chǎn)品 122 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 由于電子元器件已能做到高電壓大電流所以目前電機(jī)正向高電壓大電流發(fā)展正弦波 PWM2 無(wú)刷直流電機(jī)的工作 原理 211 基本組成 圖 1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖 1 所示它主要由電動(dòng)機(jī)本體 位置傳感器和電子開關(guān)電路控制器三部分組成電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似但沒有籠型繞組和其他起 動(dòng)裝置其定子繞組一般制成多相三相四相五相不等轉(zhuǎn)子由永磁鋼按一定極對(duì)數(shù) 2p 24 組成三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件連接在圖 21 中 A 相 B 相 C 相繞組分別與功率開關(guān)管 VT1VT4 VT3VT6 VT5VT2 相接磁極位置傳感器跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接當(dāng)定子繞組的某 一相通電時(shí)該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(hào)去控制電子開關(guān)電路從而使定子各相繞組按一定次序?qū)ǘㄗ酉嚯娏麟S轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)位置傳感器不斷的送出信號(hào)以改變電樞繞組的通電狀態(tài)使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變這就是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換流原理由于電子開關(guān)電路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的因而起到了機(jī)械換相器的換相作用 因此所謂無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)就其基本結(jié)構(gòu)而言可以認(rèn)為是一臺(tái)由電子開關(guān)電路永磁同步電動(dòng)機(jī)以及位置 傳感器三者組成的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)其原理框圖如圖 2 所示 212 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理 眾所周知一般的永磁式直流電動(dòng)機(jī)的定子由永磁磁鋼組成其主要作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)其電樞繞組通電后產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)由于電樞的換向作用使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中始終保持相互垂直從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無(wú)電刷換向首先把電樞繞組放在定子上永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上這與傳統(tǒng)直流永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反但僅這樣做還是不行的因?yàn)橛靡话阒绷麟娫唇o定子上各繞組供電只能產(chǎn)生固定磁場(chǎng)它不能與運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn) 生的永磁磁場(chǎng)相互作用以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所以無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動(dòng)機(jī)的本體以外還要有位置傳感器控制電路以及功率開關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置使得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)在空間始終保持在左右的電角度下面以圖 21 和圖 23 為例 兩兩導(dǎo)通 Y 連接三相六狀態(tài) 加以簡(jiǎn)要說(shuō)明 圖 3 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖 當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體位于圖 3a 所示位置時(shí)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出磁極位置信號(hào)經(jīng)過(guò)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器使功率開關(guān)管 導(dǎo)通即繞組 AB通電 A進(jìn) B出電樞繞組在空間的合成磁勢(shì)如圖 3a 所示此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)電流流通路徑為電源正極→管→ A 相繞組→ B 相繞組→管→電源負(fù)極當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 600 電角度到達(dá)圖中 3b 位置時(shí)位置傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯變換后使開關(guān)管截至導(dǎo)通此時(shí)仍導(dǎo)通則繞組 AC 通電 A 進(jìn) C 出電樞繞組在空間合成磁場(chǎng)如圖3b 中此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)電流流通路徑為電源正極→管→ A 相繞組→ C 相繞組→管→電源負(fù)極依次類推當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針每轉(zhuǎn)過(guò) 600 電角度時(shí)功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為→→→→則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終受到定子合成磁 場(chǎng)的作用并沿順時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng) 在圖 3a到 b的 600電角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順時(shí)針連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)而定子合成磁場(chǎng)在空間保持圖 3a的的位置不動(dòng)只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)夠 600電角度到達(dá)圖 3b中的位置時(shí)定子合成磁場(chǎng)才從圖 3a 中位置順時(shí)針躍變至的位置可見定子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每個(gè)步進(jìn)角為 600 電角度 當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò) 600 電角度時(shí)逆變器開關(guān)管之間進(jìn)行一次換流定子通電狀態(tài)就改變一次可見電機(jī)有 6 個(gè)狀態(tài)每一狀態(tài)都是兩兩導(dǎo)通每相繞組中流過(guò)電流的時(shí)間相當(dāng)于電角度 1200 兩兩導(dǎo)通 Y 連接三相六狀態(tài)無(wú)刷直 流電動(dòng)機(jī)的三相繞組與各開關(guān)管導(dǎo)通順序的關(guān)系如表 1 表 1 兩兩導(dǎo)通 Y 連接三相六狀態(tài)時(shí)繞組合開關(guān)管導(dǎo)通順序表 電角度 00 導(dǎo)通 順序 A B C B C A B VT2 VT3 VT4 VT5 22 位置傳感器 位置傳感器在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)然后去控制定子繞組換相位置傳感器種類較多且各具特點(diǎn)目前在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中常用的位置傳感器有以下幾種電磁式位置傳感器光電式位置傳感器和磁敏式位置 傳感器 3 無(wú)刷直流電機(jī)的控制策略 31 無(wú)刷直流電機(jī)的常見的三相半控電路如圖 4 所示圖中為電動(dòng)機(jī)定子 ABC三相繞組和為三只 MOSFET 功率管主要起開關(guān)作用和為來(lái)自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)在三相半控電路中要求位置傳感器的輸出信號(hào) 13周期為高電平 23周期為低電平并要求各傳感器信號(hào)之間的相位差也是 13 周期如圖 5 所示 當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鋼位置如圖 6a 所示時(shí)要求處于高電平和均處于低電平導(dǎo)通 A 相繞組通電由左手定則可知在電磁力作用下轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鋼轉(zhuǎn)到圖 6b 所示的位置時(shí)處于高電平和均處于低電平導(dǎo)通 B 相繞組通電 A 相繞組斷 電在轉(zhuǎn)子磁鋼同 B 相繞組產(chǎn)生的電磁力的作用下轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到圖6c的位置時(shí)位置傳感器處于高電平和均處于低電平 導(dǎo)通 C相繞組通電在 C相繞組所產(chǎn)生的電磁力作用下轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)而后回到圖 6a 的位置再繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程在電流恒定的情況下三相半控電路轉(zhuǎn)矩波形如圖 7 所示 312 三相連接全控電路 三相半控電路的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單但電動(dòng)機(jī)本體的利用率很低每個(gè)繞組只通電 13時(shí)間另外 23 時(shí)間處于斷開狀態(tài)沒有得到充分利用由圖 7 可知在運(yùn)行過(guò)程中其轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)較大從到所以在要求比較高的場(chǎng)合一般均采用三相全控電路下面著重討論下 三相繞組連接的情況 圖 8 示出了一種三相全控電路在該電路中電動(dòng)機(jī)三相繞組為連接為六只MOSFET功率管起繞組的開關(guān)作用和為 P溝道 MOSFET其柵極為低電平時(shí)導(dǎo)通和為N 溝道 MOSFET 其柵極為高電平時(shí)導(dǎo)通它們的通電方式又可分為兩兩導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式兩種 圖 8 Y 連接繞組三相全控橋式電路 1 兩兩導(dǎo)通方式 所謂兩兩導(dǎo)通方式是指每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通每隔16周期 600電角度換相一次每次換相一個(gè)功率管每一功率管導(dǎo)通 1200電角度各功率管的導(dǎo)通順序是當(dāng)功率管和導(dǎo)通時(shí)電流從管流入 A相繞組再?gòu)?C相繞組流出經(jīng)回到電源如 果認(rèn)定流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正那么從繞組流出的繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩則為負(fù)它們合成的轉(zhuǎn)矩如圖 9