【正文】 號 5 月 20 號 撰寫畢業(yè)論文 5 月 21 號 6 月 1 號 完善論文內(nèi)容。學生的學習態(tài)度和組織紀律，學生掌握基礎和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力， 畢業(yè)論文 (設計 )是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯 。學生掌握基礎和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力， 畢業(yè)論文 (設計 )是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水 平，是否同意參加答辯 。該系統(tǒng)基于 單片機對其外圍器件的控制來 實現(xiàn)對無刷直流電機的 相關控制。 本文首先介紹了無刷直流電機的工作 原理及其控制技術的發(fā)展與現(xiàn)狀、無刷直流電機的結(jié)構(gòu)及運行特性。 對 單片機做一個簡單的介紹。 本文所完成的主要工作如下 :(1) 無刷直流電機 工作原理 論述 。 (3)硬件系統(tǒng)設計，功率變換電路 的選擇， 相關外圍 電路的設計。 (5)理論設計與分析，理論計算。 The Control of the Brushless DC Motor(BLDC) XIII 【 Abstract】 This thesis designs a speedvariable system for Permanent Mag BLDCM. Based on Sunplus high performance 16bit MCU AT89C51 to implement the contro1 for BLDCM. The subject research is an academic task. It poses for discussing the method of the control of BLDCM. The subject research first expounds the basic ponent parts, the basic running principle, the running characteristic and transfer function of the Brushless DC Motor (BLDCM). Then this subject research discusses the control of BLDCM and decides to the use of SPMC75 to detect the rotor position based on analyzing the advantages and disadvantages of various control methods. Afterwards, the method of backEMF zero crossing point and the confirming of mutation point is explained in details. Also have a brief introduction to a singlechip. In the following chapter, the hardware design of the digital control system is dissertated in details． Then discussing the brushless DC motor rotor position detection method． And then introducing the backEMF zerocrossing detection algorithm as well as the principles and software implementation of the algorithm． Software filtering and phaseshifting amendment． Points for the software implementation． Also discussed in detail a number of software methods． Is raised by the article Software in place of hardware. An important expression of the design concepts and applications. This article pletes the prime task is as follows:(1) The research of the BLDCM working principle.(2) the design of the digital control systems． (3) hardware system design, the power transfer work choice, the inter phase current and the position detection of the electric circuit ． (4) software module design research. 【 Key words】 Brushless DC motor。 mutation detection。 SCM。其主要類型有同步電動機、異步電動機和直流電動直流無刷電動機控制電路設計 第 2 頁（共 37 頁） 機三種。 針對上述傳統(tǒng)直流電動機的弊病，早在上世紀 30 年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機械換向的直流無刷電動機。上世紀 70 年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導體功率器件，如 GTR、 MOSFET、 IGBT、 IPM 等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料的問世，均為直流無刷電動機的廣泛應用奠定了堅實的基礎。 無刷直流電機的應用十分廣泛，如汽車、工具、工業(yè)工控、自動化以及航空航天等等。 可變負載應用：主要是轉(zhuǎn)速需要在某個范圍內(nèi)變化的應用，對電機轉(zhuǎn)速特性和動態(tài)響應時間特性有更高的需求。 定位應用：大多數(shù)工業(yè)控制和自動控制方面的應用屬于這個類別，這類應用中往往會完成能量的輸送，所以對轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應和轉(zhuǎn)矩有特別的要求，對控制器的要求也較高。過程控制、機械控制和運輸控制等很多都屬于這類應用。因而 無刷直流電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器、霍爾傳感器（速度控制）、電子開 關線路組成。 1 前言 第 3 頁（共 37 頁） 圖 11 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)原理 圖 1— 1中的 位置傳 感器主要用來檢測轉(zhuǎn)子的位置，并且反饋給控制電路，控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來控制電樞電流，確保定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場始終垂直 。 定子三相繞組有星形聯(lián)結(jié)方式和三角聯(lián)結(jié)方式，而“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導 通方式”最常用。 轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù) (2p=2, 4,?) 組成。 如上圖所示，位置傳感器由三只光電式位置傳感元件組成，空間互成 120176。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到其他位置時，位置傳感器依次控制 V2,V3功率開關的導通，從而讓定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，持續(xù)產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 ，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來 。直流無刷電動機基本機構(gòu)及其之間的相互作用的原理圖如下： 直流無刷電動機控制電路設計 第 4 頁（共 37 頁） 圖 12 無刷直流電動機的原理框圖 直流無刷電動機的電子開關線路用來控制電動機定子上各相繞組通電的時間和順序，主要由功率邏輯開關單元和位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。各相繞組導通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。 1． 2 無刷直流電動機的工作原理 直流無刷電動機的原理圖如下所示： 1 前言 第 5 頁（共 37 頁） 圖 13電機原理圖 主電路是一個典型的電壓型交 直 交電路 。永磁體 NS 交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差 120176。 每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動 60176。電度角空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使 位置傳感器 U、 V、 W 產(chǎn)生新的信號，新的信號 又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進 60176。 直流無刷電動機控制電路設計 第 6 頁（共 37 頁） 圖 14 三相全控橋的六種通電情況示意圖 無刷直流電動機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動機在啟動瞬間就會產(chǎn)生足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設啟動繞組。 為了實現(xiàn)電子換向 ， 必須有位置信號來控制電路。 要實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制必須有速度信號。 直流無刷電機的換向電路由驅(qū)動及控制兩部分組成 ， 驅(qū)動電路輸出電功率，驅(qū)動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路?？刂齐娐酚?作控制電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、電流 (或轉(zhuǎn)矩 )以及保護電機的過流、過壓、過熱等。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制 (驅(qū)動器 )，控制定子旋轉(zhuǎn)磁1 前言 第 7 頁（共 37 頁） 場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復校正，以期達到接近直流電機特性的方式。 根據(jù)它勵直流電機的特性，可知直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞平均電流成正比，電樞的反電動勢 Ea 與電動機的角速度成反比，電動機的平均電流 Ia=（ VmEa）/2Ra ,Vm 為電動機的線間電壓， Vm=V178。其中 amp。178。 Kt/2Ra)Kt(KeW/2Ra)，其中 Ke、 Kt 為電動機的結(jié)構(gòu)常數(shù)，當角速度 W一定時，改變占空比可以線性的改變電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，而調(diào)制波的占空比可以通過一定的控制電路來控制位置傳感器，從而可以控制相應定子線圈 通電時間的長短，導致轉(zhuǎn)矩受到的電磁轉(zhuǎn)矩作用的時間發(fā)生變化，最終得以控制電機的加速和制動過程；角速度 W取決于速度指令 Vc 的高低 ，如果速度指令最大值為 +5V，則 對應的最高轉(zhuǎn)速 ，+5V 以下任何電平即對應相當?shù)霓D(zhuǎn)速 n，這就實現(xiàn)了變速設定。就會變大，電樞電流變大，使電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動機的實際轉(zhuǎn) 速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動機實際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時， amp。發(fā)生減速度，直至實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止。由于無刷直流電動機的勵磁來源于永磁體，所以不像 異步機那樣需要從電網(wǎng)吸取勵磁電流；由于轉(zhuǎn)子中無交變磁通，其轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動機高 10%左右。 旋轉(zhuǎn)磁場在 0360 電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù) 0120 電角度，繞組電流與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使轉(zhuǎn)子沿順時針 方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)過 0120 電角度后，便進入第二狀態(tài)，這時繞組 A+B斷電，而繞組 A+C隨之通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)過了 0120 ，電動機轉(zhuǎn)子繼續(xù) 沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 0120 電角度后，便進入第三狀態(tài)，這時繞組 A+C斷 電， B+C通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場 也同時轉(zhuǎn)過了 0120 電角度，；它繼續(xù)驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)過 0120 電角度后就恢復到初始狀態(tài)了。下圖示出了各相繞組導通順序的示意圖： 直流無刷電動機控制電路設計 第 8 頁（共 37 頁） 圖 15 各相繞組的導通示意圖 1． 3 電機的運行特性和傳遞函數(shù) 由于直流無刷電動機的精確計算設計到非線性理論和數(shù)值解法等諸多復雜的問題，處理起來相當困難，目前的知識水平難以解決，因而才用一些方法進行簡 化，現(xiàn)做如下假設： 1） 直流無刷電動機 的氣隙磁感應強度沿氣隙按正弦分布 ； 2）繞組通電時，該電流所產(chǎn)生的磁通對氣隙磁通的影響忽略不計 ； 3）控制電路在開關狀態(tài)下工作，功率晶體管壓降 △UT 為恒值 ； 4）各相繞組對稱，其對應的電路單元完全一致，相應的電氣時間常數(shù)忽略不計 ； 5）位置傳感器等控制電路的功耗忽略不計。 從上述電磁轉(zhuǎn)矩的公式中可以看出，如果某一項線圈持續(xù)通入直流電的話，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩按照正弦規(guī)律變化，并且其平均值為零；但是定子電樞是三相對稱分布的，并且由位置傳感器控制定子各相電樞線圈依次通電，每相 只是通過 1/3 周期的矩形波電流 ， 電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線上相當于 1/3 周期的一段 ， 且這一段曲線 與定子繞組開始通電時的轉(zhuǎn)子相對位置有關， 下圖所示的電路中列舉了獲取最大平均轉(zhuǎn)矩的情況： 圖 17三相電機的轉(zhuǎn)矩波形 如上圖所示， γ=0176。若晶體管導通時間提前或滯后，均將導致轉(zhuǎn)矩的脈動值增加，平均值減小。 時，電動機的瞬時轉(zhuǎn)矩過零點如圖所示。顯然，當γ o≥30176。因此在三相半控電路情況下，特別是在起動時， γ o不宜大于 30； 一般情況下， 考慮到傳感器延時、處理器執(zhí)行時間、放大器移相等諸多環(huán)節(jié)造成的延時，選擇適當?shù)奶崆敖?，總是盡力為把 γ o角調(diào)整到稍大于 0176。 處實際換相。輸出轉(zhuǎn)矩的 最大 平均值 Ta 直流無刷電動機控制電路設計 第 10 頁（共 37 頁） 電動機在電動轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)子磁場切割定子 繞組，在各相繞組上 c產(chǎn)生出感應 電動勢。由于在本電路中，每相繞組在一個周期中，只通電 2π/3 ，因此，僅在這 2π/3期間所感生出的反電動勢才對外加電壓起平衡作用，而在另外 4π/3 期間由于晶體管開關不導通，故其感應電動勢對外加電壓不起作用。 由于假設各繞組相互對稱，并且相應的時間常數(shù)忽略不計，根據(jù)上述三相星型繞組簡化電路可以得到直流無刷電動機的