课程设计无刷电机控制器.docx
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课程设计无刷电机控制器
萍乡高等专科学校
课程设计报告
题目：
无刷电机控制器
学校：
萍乡高专机电系
专业：
应用电子技术
班级：
姓名：
学号：
指导教师：
设计时间：
2012年6月18日
1引言
随着人们生活水平的提高，产品质量、精度、性能、自动化程度、功能以及功耗、价格问题已经是选择家用电器的主要因素。
就电动机而言，传统的直流电动机均采用电刷,以机械方法进行换向,存在着相对的机械摩擦,由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点,制造成本高及维修困难等缺点,因而大大地限制了它的应用范围。
永磁无刷直流电动机是近年随着电力电子器件及新型永磁材料发展而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机，既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电机那样固有的优越的起动性能和调速特性，而无机械式换向机构，现以广泛应用于各种调速驱动场合，其应用前景看好，尤其从当今的环保、能源、效率等综合因素出发，水磁无刷直流电机可望在未来的电动车及冰箱或空调类永磁压缩机领域占有主导地位。
就目前而言，永磁无刷直流电动机控制器结构已有多种形式，由最初复杂的模拟式到近来以单片机为核心的数字式，但新型电机控制专用芯片的出现，给无刷直流电机调速装置设计带来了极大的便利，这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强、特别适用于对控制器体积、价格性能比要求较高的场合。
专用控制芯片优点固然多，但往往价格比较昂贵。
在一些控制要求精度不是很高的场合，就需要能有一种工作稳定、价格又比较低廉的控制器。
本设计就是基于此市场需求，详细介绍了一种利用普通的STC89C5X单片机作为主控芯片的无刷直流电动机控制器的设计。
2无刷电机概述
2.1电机分类：
电机按工作电源种类可分为：
1.直流电机
（1）有刷直流电机
①永磁直流电机
·稀土永磁直流电动机
·铁氧体永磁直流电动机
·铝镍钴永磁直流电动机
②电磁直流电机
·串励直流电动机
·并励直流电动机
·他励直流电动机
·复励直流电动机
（2）无刷直流电机
稀土永磁无刷直流电机
2.交流电机
（1）单相电动机
（2）三相电动机
2.2无刷直流电动机的特点
传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动领域中有着广泛的应用，但机械电刷却是它的致命弱点。
电刷的存在带来了一系列的问题，如：
存在机械摩擦、噪声、电火花无线电干扰及寿命短，再加上它制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围。
无刷直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的优异特性，又要革除电刷和换向器的“顽疾”为目的而研制的。
控制系统中的执行电动机应该具有下列优点：
快速性、可靠性高、体积小、重量轻、节能、效率高、适应环境和经济性。
基本性能
电机类型
效率
体积
控制特性
技术性能
结构
寿命
电机本体成本
直流电动机
较高
小
好
短
高
无刷直流电动机机
高
小
较好
长
高
交流电动机
低
大
一般
长
低
开关磁阻电动机
较低
较小
较好
长
低
表2-1目前应用较为广泛的几种电动机的基本性能的比较
在快速性方面，无刷直流电动机的转子是由永磁材料构成的磁极体，电枢绕组在定子上，因而转子外径相对较小，转子转动惯量因而也较小；在转矩方面，只有直流电动机才能达到大的起动转矩和最大转矩，而无刷直流电动机具有直流电机的特性，从而起动转矩和最大转矩都较大。
因此无刷直流电动机可以实现快速的起、停、加速和减速。
在可控性方面，直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关系，直流电动机的起动转矩又大，因此可控性很好、很方便。
无刷直流电动机的输出特性和一般有刷的直流电动机很相似，只要简单的改变电动机的输入电压的大小就可以实现在很大的范围内进行无极调速。
在可靠性方面，因为其消除了电刷和换向器，所以也就消除了故障的主要根源，由于无刷直流电机的转子上没有绕组，因此转子上没有电的损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的（在方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁心内产生一定的铁损）。
总的来说除了轴承旋转产生的摩擦损耗外，转子方面的损耗很小，因而进一步增加了可靠性。
因此可知：
和其它类型的电动机相比，无刷直流电动机不仅较为可靠而且损耗较小，它的电枢在定子上，直接与机壳相连，散热条件好，热传导系数大，由于这样的原因，在相同的条件下，在相同的出力要求下，无刷直流电动机可以设计的更小，重量更轻。
无论是电机设计还是系统设计，提高效率、节约能源都具有重要的意义，有着长远的社会和经济效益。
而异步电动机运行在轻载时功率因数低，增加了线路和网络的损耗，因此，提高电动机的效率，选择损耗最小、效率最高的电机是很重要的。
在环境适应性方面，对于高性能的系统，如果只能采用直流电动机，但同时又要求长寿命，免维护以及防爆，易燃的环境条件下，有刷直流电动机就无能为力了，无刷直流电动机是最好的选择。
在经济性方面，随着电子技术的进步，电子工业的发展，电子元器件的价格不断的下降。
在国外的市场上，无刷直流电动机驱动，控制器的价格已经和异步电动机的变频器相差不多了。
不过由于稀土永磁材料的价格较贵，电机的成本也相应较高。
但是考虑到综合指标（系统性能，重量，能量消耗等）之后，无刷直流电动机的应用仍处于上升的趋势。
2.3无刷直流电动机的发展历史及研究应用现状
无刷直流电动机自1962年问世以来，现已广泛应用于计算机外围设备、办公自动化设备、家电产品、音像设备、汽车、电动车、数控机床、机器人、医疗设备、宇宙飞船、人造卫星等方面和领域。
70年代初，随着电机技术及其相关学科的迅猛发展，无刷直流电机进入了实用阶段，在计算机外设等领域开始应用，还先后研究成功方波和正弦波无刷直流电机。
近40年来，“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换向电机。
如今的无刷直流电机集特种电机、变速机构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成为新一代电动调速系统，且体现着当今应用科学的许多最新成果，因此其是机电一体化的高科技产物，在各个领域得到了广泛的应用。
进入90年代以来，无刷直流电机调速系统的逆变装置中的开关元件不仅成本降低，而且向高频化、大容量化、小型化、智能化发展。
在我国，无刷直流电机的研制始于70年代初期，作为高科技产品受到了我国基础工业落后的制约，其综合水平低于国际水平，大约相当于国外70年代末80年代初的水准。
目前，国内研究单位开展无刷直流电机的研究已有时日，积累了丰富的设计理论和设计经验，只是由于自身条件而没有达到规模化生产，大部分仍处于仿真或实验阶段。
如今，随着微电子技术的迅速发展和微处理器技术的日益更新，高速微处理器和DSP（数字信号处理器）的出现，以及专用控制芯片的出现，使得无刷直流电动机控制系统的运行速度、处理能力和基本性能有了很大的改善。
3无刷直流电机系统结构及工作原理
3.1无刷电机组成
无刷直流电机与有刷直流电机相似，它具有旋转的磁场和固定的电枢。
这样电子换相线路中的功率开关器件，如晶闸管，晶体管等可直接与电枢绕组连接。
在电机内，装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置。
它与电子换相线路一起，替代了有刷直流电机的机械换相装置。
综上所述，无刷直流电机由电机本体，转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成，如图1所示。
图1无刷直流电机原理图
电机本体
电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他启动装置。
其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等）。
转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2，4，……）组成。
位置传感器
位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。
位置传感器种类较多，且各具特点。
在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：
电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器。
电子换相
当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各项绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。
由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。
3.2基本工作原理
众所周知，一般的永磁式电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。
其电枢绕组通电后产生反应磁场。
由于电枢的换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停的云转。
直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流用词电动机的结构刚好相反。
但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动只能够转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子做功。
所以直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及工具逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和装洞中转子磁钢产生的永磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度。
3.3三相无刷电动机主电路及工作方式
由以上基本原理可知，无刷电机的连续运行，定子绕组所产生的的磁场和装洞中转子磁钢产生的永磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度，因此定子绕组需要加三相电源，此电源可通过图2的逆变电路产生。
图2电机主电路图
在三相逆变电路中，应用最多的是如图二所示的三相桥式全控逆变电路。
在该电路中，电动机的三相绕组为Y联结。
Q1、Q2、……Q6为六只MOSFET功率管，起绕组的开关作用,高电平是导通，他们的通电方式又可分为两两导通和三三道通两种方式。
1.二二通电方式
所谓二二通电方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（60°电角度）换相一次，每次换相一个功率管导通120°电角度。
各功率管的导通顺序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1…。
当功率管VF1和VF2导通时，电流从VF1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VF2回到电源。
如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩则为负，它们合成的转矩如图3a所示，其大小为
Ta，方向在Ta和－Tc的角平分线上。
当电机转过60°后，由VF1VF2通电换成VF2VF3通电，这时，电流从VF3流入B相绕组再从C相绕组流出，经VF2回到电源，此时合成的转矩如图3b所示，其大小同样为
Ta。
但合成转矩Tbc的方向转过了60°电角度。
而后每换一次导通状态，合成转矩矢量方向就随着转过60°电角度，但大小始终保持
Ta不变。
图3c示出了全部合成转矩的方向。
a）VF1、VF2导通时合成转矩b）VF2、VF3导通时合成转矩c）二二导通时合成转矩矢量图
图3联结绕组二二通电时的合成转矩矢量图
所以，同样一台无刷直流电机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相星形联结全控电路，在二二换相的情况下，其合成转矩增加了
倍。
每隔60°电角度换相一次，每个功率管通电120°，每个绕组通电240°，其中正相通电和反相通电各120°，其输出转矩波形如图4所示。
由图4可以看出，三相全控时的转矩波动比三相半控时小得多。
图4全控桥输出波形图
如将三只霍尔传感器按相位差120°安装，则它们所产生的波形如图5所示。
图5传感器输出波形
三三通电方式
所谓三三通电方式，是指每一瞬间均有三只功率管同时通电，每隔60°换相一次，每个功率管通电180°。
它们的导通次序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3…当VF6VF1VF2导通时，电流从VF1流入A相绕组，经B相和C相绕组（这时B、C两相绕组为并联）分别从VF6和VF2流出。
这时流过B相和C相绕组的电流分别为流过A相绕组的一半，其合成转矩如图6a所示，其方向与A相相同，大小为1.5Ta。
经过60°电角度后，换相到VF1VF2VF3通电，即先关断VF6而后导通VF3（注意，一定要先关VF6而后通VF3，否则就会出现VF6和VF3同时通电，则电源被VF3VF6短路，这是绝对不允许的）。
这时电流分别从VF1和VF3流入，经A相和B相绕组（相当于A相和B相并联）再流入C相绕组，经VF2流出，合成转矩如图6b所示，其方向与C相相同，转子再转过60°电角度后大小仍为1.5Ta。
再经过60°电角度后，换相到VF1VF2VF3通电，而后依次类推，循环往复。
它们的合成转矩矢量图如图6c所示。
a）VF6VF1VF2导通时的合成转矩b）VF1VF2VF3导通时的合成转矩c）三三通电时的合成转矩
图6三三通电时的合成转矩矢量图
在这种通电方式里，每瞬间均有三个功率管通电。
每隔60°换相一次，每次有一个功率管换相，每个功率管导通180°。
从某一相上看，它们的电压波形如图7所示。
图7星形联结三三通电方式其中一相电压波形
此外，根据直流侧电源性质的不同可分为两种：
直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。
它们各有特点，本系统使用电压型逆变电路，它有以下特点
：
（1）直流侧为电压源，或接有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
（2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角而异。
（3）当交流侧为阻感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥给臂都并联反馈二极管。
4无刷直流电动机的硬件设计
4.1 系统组成及主要器件简介
系统原理框图如下图4-1所示：
图4-1总体设计原理框图
考虑成本问题，主控芯片选用市场上普通STC89C52单片机作为主控中心，单片机输出与输入的信号先经过光耦隔离（目的消除干扰），运行时，首先采集电机的霍尔信号送主机进行处理，同时输出相应的控制字，六个功率管分成上下臂两部分，通过控制字来控制上下臂有序的导通，从而达到电机三相有序通电，使电机有序运转。
电机运转的同时，单片机对采集到的霍尔信号做相应判断，对转速做到实时测量，并将测量结果送外围显示电路显示。
同时系统还设计有工作指示检测电路，能实时检测电机运转是否正常。
遇到异常情况，立即亮告警指示灯。
系统还设计有电平转换（MAX232）电路，用户可以很方便的下载程序，便于系统功能升级。
主要功能模块组成元件：
微机处理系统：
STC89C52单片机
STC89C52因为其高可靠性、超低价、低功耗、无法解密等优势，实为首选。
图4-2STC89C52单片机其实物图
STC89C52芯片共40引脚:
1~8脚:
通用I/O接口p1.0~p1.7；9脚:
rst复位键；10.11脚:
RXD串口输入TXD串口输出；12~19:
I/Op3接口（12,13脚INT0中断0 INT1中断1；14,15:
计数脉冲T0T116,17:
WR写控制RD读控制输出端）；18,19:
晶振谐振器20地线 ；21~28p2接口高8位地址总线；29:
psen片外rom选通端 单片机对片外rom操作时29脚（psen）输出低电平；30:
ALE/PROG地址锁存器；31:
EArom取指令控制器高电平片内取低电平片外取；32~39:
p0.7~p0.0（注意此接口的顺序与其他I/O接口不同与引脚号的排列顺序相反）；40:
电源+5V
2）光耦隔离电路：
TLP521-4
TLP521是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器，电机等
电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。
该TLP521－4提供了4个孤立的光耦中16引脚塑料DIP封装
集电极-发射极电压：
55Ｖ（最小值）
经常转移的比例：
50％（最小）
隔离电压：
2500Vrms（最小）
图4-3TLP521-4光藕内部结构图及引脚图
注：
使用连续负载很重的情况下（如高温/电流/温度/电压和重大变化等），可能会导致本产品的可靠性下降明显甚至损坏。
3）程序下载电路：
MAX232电平转换芯片
图4-4MAX232芯片引脚图
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。
内部结构基本可分三个部分：
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。
15脚GND、16脚VCC（+5v）。
4）速度显示电路：
四位一体共阴数码管，74LS138译码器，74LS48七段译码器
74LS138为3线－8线译码器，其74LS138的工作原理如下：
当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/（G2A）和/（G2B））为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。
74LS138功能:
利用G1、/（G2A）和/（G2B）可级联扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。
若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器.
图4-574LS138芯片引脚图
表4-13线-8线译码器74LS138的功能表
7段显示译码器74LS48是输出高电平有效的译码器。
图4-674LS48引脚功能图
74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（Ya～Yg）端外，7448还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。
5）功率变换电路：
8050NPN、9014PNP三极管，STP60NF06、STP80PF55功率管
8050NPN三极管：
8050是常用的NPN小功率三级管。
8050三级管参数类型为开关型；极性：
NPN；材料：
硅；最大集存器电流（A）：
0.5A；直流电增益：
10to60；功耗：
625mW；最大集存器发射电（VCEO）：
25；频率：
150KHz
6）单片机I/O口输出驱动电路：
7407同相驱动芯片
图4-774ls07引脚图
7407同相驱动芯片A输入为高电平时，Y输出也为高电平，同理，A、Y也同时为低电平。
4.2单片机设计及接口电路
单片机设计系统原理电路图如下图4-8所示：
图4-8单片机设计及接口电路
单片机P0口接按键电路，接收用户指令。
P1口输出电机控制字（P1.0---P1.5），经驱动和光耦隔离电路后，控制功率管的导通。
高两位（P1.6—P1.7）控制工作指示灯。
P2口主要用于速度实时显示，低4位（P2.0—P2.3）输出BCD码，高三位（P2.5---P2.7）控制138译码器，控制数码管的选通位。
P3口用于接收经过光耦隔离后的霍尔相位信号。
同时，（P3.0---P3.1）用于串口通信。
4.2.1按键电路
图4-9按键电路
按键电路设计简单，操作方便，采用软件内部消抖。
当按键按下时，立即有指示灯提示，用户可以以此判断按键是否的确按下。
4.2.2速度显示电路
图4-10速度显示电路
考虑到单片机I/O口资源的富余，直接采用并口输出数据。
由图中可以看出，电路比较简单，只需一块74LS48译码器和一块138译码器（最多可以控制8个数码管，便于以后系统升级）。
4.2.3驱动和光耦隔离电路
图4-11I/O口驱动和光耦隔离电路
7407驱动芯片主要是为了增加单片机I/O口的驱动能力，光耦芯片是为了消除外界对单片机的干扰。
4.3功率变换电路的设计
4.3.1功率管的选用
功率管（功率场效应控制器）是一种用电压信号控制工作电流的电力电子器件。
特点是输入阻抗极高，所需驱动功率很小，在控制信号撤除后会自行关断，是一种高性能的自关断器件。
目前广泛使用于电机驱动控制电路，特别无刷直流电机的驱动控制。
※N管选用STP60NF06
这种系列MOSFET功率管是一种具有独特的STripFET过程微电子稳压管，特别是具有极小的输入电容和栅极电荷。
因此，特别适合作为电信和计算机的先进高效的主要的开关隔离式DC-DC转换器。
还可应用在要求低电荷驱动栅极的电路。
主要应用
·高效DC-DC变换器
·不间断电源和电机控制
·自动推进装置
※P管选用STP80PF55
主要应用
·电动机控制
·DC–DC和DC-AC变换器
4.3.2功率管驱动电路设计
MOSFET管工作在高频时，为了防止振荡，有两点必须注意：
第一，尽可能减少各端点的连接线长度，特别是栅极引线，如果无法使引线缩短，可以在靠近栅极处串联一个小电阻以便控制寄生振荡；第二，由于MOSFET管的输入阻抗高，驱动电源的阻抗必须比较低，以避免正反馈所引起的振荡，特别是MOSFET管的直流输入阻抗非常高，但它的交流输入阻抗是随频率而改变的，因此MOSFET管的驱动波形的上升和下降时间与驱动脉冲发生器阻抗有关。
考虑以上因素，决定采用下图所示的功率管驱动电路，这种方式可以产生足够高的栅压使器件充分导通，有较好的驱动性能，并能保证较高的关断速度。
开通时间与关断时间的差别也通过互补电路而消除。
同时，在这种驱动方式中的两个外接晶体管起着射极跟随器的作用，因而功率MOSFET管永远不会被驱动到饱和区。
STP80PF55、STP60NF06功率管驱动电路分别如下图4-12（a）、（b）所示：
图4-12功率管驱动电路
4.3.3功率变换电路
上臂采用STP80PF55功率管，低电平导通；下臂采用STP60NF06功率管，高电平导通。
图4-13功率变换电路
4.4电动机换相
4.4.1电动机的换相原理
由于使用的是带霍尔位置检测器的无刷直流电机，相位检测比较容易，所以换向相对也比较容易，只需要根据单片机接收到的霍尔信号，输出相对应的控制字，控制功率管，进行功率的变换，控制相应的某一相通电，以此循环下去，就会使电机的相位顺序通电。
下图是霍尔信号与相位控制字的真值表（表4-2），和电平对应图（图4-14）。
表4-2霍尔信号与相位控制字的真值表
注
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