基于单片机的无刷直流电机控制系统的研究与设计.docx

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基于单片机的无刷直流电机控制系统的研究与设计

毕业设计（论文）

题目基于LS单片机的无刷直流电

机系统的研究与设计

专业电气工程及其自动化

班级

学生

指导教师

2013年

基于LS单片机无刷直流电机控制系统的研究与设计

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气095

作者：

指导教师：

职称：

讲师高工

答辩日期：

2013-6-21

摘要

为了解决客车、城市公交车在实际使用中发动机不同温度状况下的散热问题，有效地保证发动机的正常使用温度，车载电子风扇是最佳选择。

本文旨在研究一种低成本的无刷直流电机控制器。

为了研发一款低成本的控制器，较好地控制无刷直流电机，本文着重研究了无刷直流电机（永磁同步电机）的控制策略及其实现方法。

本文最终确定了无刷直流电机的变压变频开环控制方式，其能够实现在基频以下进行恒压频比控制，在基频以上进行恒功率控制。

本次设计利用LS052Ax单片机作为控制核心，主要用来发出SPWM脉宽调制波，主电路采用常用的三相电压源型逆变电路。

频率增长采用给定积分法。

实验结果证明，这种控制方法控制可靠，成本低廉，能够获得良好的动静态性能。

经过最终测试，本次设计系统可达到如下指标，电机能够在6s之内转速迅速升高至3000RPM，且起动成功率为100%，输出电流最大2A，输出最高频率200HZ，直流母线侧电压12V，最大功率24W。

关键词：

无刷直流电机，LS052Ax单片机，SPWM脉宽调制，低成本

Abstract

Inordertosolvetheproblemofheatdissipationofthevehicleengineunderdifferenttemperatureconditions,ensuringthenormaluseofthevehicleengine,electricfanisthebestchoice.Thispaperaimstostudyakindoflow-costbrushlessDCmotorcontroller.

ThispapermainlystudiesthebrushlessDCmotor（PMSM）controlstrategyanditsrealizationmethodaimingalow-costcontroller.ThispaperdeterminestheVVVFopen-loopcontrolmode,whichcanachieveConstantcontrolinthefollowingbaseband,constantpowercontrolintheabovebaseband.ThisdesignusesLS052Axmicrocontrollerascontrolcore,whichismainlyusedtosendtheSPWMwave;themaincircuitisathree-phasevoltagesourceinverter.Frequencyincreasesbythegivenintegralmethod.

Experimentalresultsshowthatthiscontrolmethodisreliable,low-cost,andcanobtaingooddynamicandstaticperformance.Inthefinaltest,thedesignofthesystemcanachievethefollowingindicators:

themotorcanaccelerateto3000RPMwithin6seconds,andthemotorcanfinishsetupeachtime;themaximumoutputcurrentis2A;themaximumoutputfrequencyis200HZ;theDCbusvoltageis12V;themaximumpoweris24W.

keywords:

brushlessDCmotor,LS052AxMCU,SPWM,VVVF,lowcost

第1章绪论

1.1毕业设计（论文）课题来源、类型

本课题来源于生产生活实际中需要解决的问题，为工科课题。

为了解决客车、城市公交车在实际使用中发动机不同温度状况下的散热问题，有效地保证发动机的正常使用温度，车载电子风扇是最佳选择，本设计旨在研究设计一款低成本的无刷直流电机控制器。

1.2选题的目的及意义

无刷直流电机控制系统是集电机技术、电力电子技术、控制理论和计算机技术等科学技术于一身的机电一体化系统，体现了当今应用科学的许多最新成果，是机电一体化的高新技术产品[1]。

选择该课题进行研究的目的和意义在于：

在解决生产生活实际中问题的同时，培养自己独立从事技术开发和科学研究的能力。

1.3本课题在国内外的研究状况及发展趋势

目前在工业先进的国家里，工业自动化领域中的有刷直流电动机已经逐步被无刷直流电机取代。

现在从国外进口的设备中，已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动机的系统，一些国家如美国、英国、日本、德国的相关公司经不再大量生产伺服驱动用的有刷直流电动机[2]。

由上面的分析可以看出，无刷直流电动机相对于其它类型电动机来说还是一种新型电动机，它的驱动、控制更是和电子技术息息相关，因此，对无刷直流电机本体及其控制方法进行系统、深入的研究有着十分重要的现实意义。

1.4本毕业设计（论文）的主要内容

本次毕业设计在首先认真分析了无刷直流电机的结构，了解了它的控制方法，并对不同的控制方法做了对比，结合LS单片机的性能，并充分考虑控制器低成本的要求，最终重点研究了基于LS单片机的SPWM变压变频起动的原理和实现方法。

本次设计主要包括两个方面：

硬件和软件。

硬件方面包括控制芯片的选择，主电路的设计，驱动电路的设计，及PCB板的制作；软件方面包括SPWM波形的生成，单片机多通道的设置，VVVF控制方法的实现算法等。

系统软件采用c语言编写，开发环境为KEIL。

第2章系统总体方案论证

2.1控制对象分析

2.1.1无刷直流电机结构

无刷直流电机是一种自控变频的永磁同步电机，就其组成结构而言，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。

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2-1所示[3]。

图2-1无刷直流电机结构原理图

a.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起动装置。

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。

本次设计采用的电机定子为三相，转子为8极。

b.位置传感器

位置传感器在无刷直流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。

在无刷直流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、磁敏式位置传感器。

c.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，从而使定子各相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。

2.1.2无刷直流电机工作原理

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运转。

无刷直流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，这与传统直流永磁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。

所以无刷直流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、控制电路以及逻辑开关共同构成的换相装置，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和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[4]。

2.1.3无刷直流电机参数

本次设计所采用的无刷直流电机为三相八极电机。

电机主要参数如表2-1所示：

表2-1电机主要参数

类别

最大电压

额定转速

额定电流

额定功率

参数

36V

13753RPM

0.77A

18.3W

类别

绕组电阻

绕组电感

机械时间常数

电磁时间常数

参数

7.85Ω

2.21mH

5.1ms

0.14ms

2.2控制系统主电路分析论证

2.2.1三相逆变电路分类

a.电压源型逆变电路

如图2-2所示，为电压源型逆变电路拓扑图。

其基本工作方式是180o导电方式，即每个桥臂导通电角度180o，同一相（即同一半桥）上下两个桥臂交替导通，各相开始导电的电角度依次相差120o。

这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。

可能是上面一个桥臂，下面两个桥臂，也可能是上面两个桥臂，下面一个桥臂。

因为每次换流都是在同一相上下两桥臂进行，因此也被称作纵向换流。

图2-2电压源型逆变电路拓扑图

电压源型逆变电路的特点[7]

（1）直流侧为电压源，或并联由大电容，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，交流侧输出电压波形为矩形波，并且去负载阻抗角无关。

而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

（3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。

为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。

b.电流型逆变电路

如图2-3所示为三相电流型逆变电路拓扑图，这种电路的基本工作方式是120o导电方式。

即每个桥臂一周期内导电120o，按VT1到VT6的顺序每个60o依次导通，这样，每个时刻上桥臂组的三个臂和下桥臂的三个臂都各有一个导通。

换流时，是在上桥臂组或下桥臂组的组内依次换流，为横向换流。

图2-3电流源型逆变电路拓扑图

电流型逆变电路的特点

（1）直流侧串联大电感，相当于电流源。

直流侧基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。

（2）电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。

而交流侧输出电压波形和相位则因为负载阻抗情况不同而不同。

（3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。

因为反馈无功能量时电流并不反向，因此不必想电压型逆变电路那样给开关器件反并联二极管。

2.2.2本系统采用电压型逆变电路

电压型逆变电路的逆变器输出电压波形为矩形波，输出电流波形近似正弦波。

电压型逆变电路对功率开关管的耐压要求比电流型逆变电路的要低，更容易实现。

对于电机类感性负载，我们期望电流波形接近正弦波，所以这次设计采用电压型逆变电路。

2.3控制系统的控制芯片选型

2.3.1LS芯片简介

本次设计采用长沙柯珞微电子科技有限公司生产的LS052Ax系列MCU（单片机），该单片机是该公司设计、生产的高性能8位系列MCU，其指令系统与MCS-51兼容，内部功能、引脚功能、引脚排列以及引脚的电气特性与AT89S52基本兼容。

LS052A系列MCU采用新型的发明专利技术L体系结构技术实现了多核并发处理引擎，支持同时并发地执行三道程序。

2.3.2LS主要功能特性

LS052Ax片内包含2K～64K字节程序存储器（Flash），1K～16K字节数据存储器（SRAM），4个16位定时/计数器，16个中断源/两级中断机制，并发三道处理引擎，36个I/O端口驱动器，2个全双工串行通信端口，1个SPI主从模式通信端口，2个I2C主从模式通信端口，1个一线通信主模式通信端口，7通道空间矢量SVPWM，4/8路10位精度ADC，1个可编程看门狗，振荡器及时钟电路。

LS052Ax的工作频率为0Hz～40MHz，并支持空闲1，空闲2和掉电三种软件可设置的节电工作方式。

空闲方式1仅停止CPU的工作，但维持SRAM、定时器/计数器、串行通信口等外设机制继续工作；空闲方式2停止振荡器工作，切断片内所有时钟，SRAM中的内容维持不变。

掉电模式切断片内所有供电线路，仅维持唤醒值班模块工作，SRAM中的内容维持不变，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

LS052Ax采用新型的发明专利技术-L体系结构技术，实现了多核多任务并行处理，可以只运行单道程序，也可同时执行关联或非关联的三道程序。

执行1道程序的性能是兼容芯片的1.97倍，同时执行三道程序的处理能力最高可达到兼容芯片的5.85倍。

●新型体系结构－L结构

●3核并发处理引擎，可并发执行3道程序

●指令兼容MCS-51

●每个指令周期为6个时钟周期

●2～64KB内部Flash程序存储器，20000次擦写周期

●2～16KB内部SRAM

●宽电压：

1.8～5.5V工作电压

●0Hz～40MHz工作频率

●两级程序存储器加密机制

●36个可编程I/O端口，20mA吸入电流，可直接驱动LED

●2级中断机制

●16个中断源，2～4个外部中断

●4个16位定时器/计数器

●2个全双工UART通信端口

●空间矢量PWM（SVPWM）,3相双向6路，1路启停控制

●4/8路10位精度ADC，转换速率200KBPS

●1个可编程看门狗

●支持自编程功能

●SPI编程接口

●温度范围：

－45℃～＋85℃

2.3.3本次设计选用该芯片的缘由

本次设计的控制芯片是由xxx有限公司提供的，该公司是LS系列芯片的西北代理，该公司经理介绍，这款芯片是一款51内核的8位单片机，但其性能远远超越51单片机，在某种程度上可以和DSP等控制芯片媲美，可以满足本次设计的要求，更重要的是它的价格很低，具有很大的发展潜力。

2.4系统控制策略分析论证

2.4.1无刷直流电机的控制方法

a.有位置传感器控制方式

有位置传感器控制方式，指在无刷直流电机定子上安装位置传感器来检测转子在运转过程中的位置，将转子磁极的位置信号转换成电信号，为电子换相电路提供正确的换相信息，来控制电子换相电路中的功率器件的开关状态，保证电机各相绕组按顺序导通，在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。

霍尔位置传感器是目前比较成熟的IC器件，具有体积小、简单可靠、安装灵活方便、易于实现机电一体化等优点，是目前应用最为广泛的位置传感器。

b.无位置传感器控制方式

无位置传感器控制方式是指无刷直流电机不直接安装转子位置传感器，但在电机运转过程中，控制电机换相的转子位置信号还是需要检测的，因此，无刷直流电机无位置传感器控制研究的关键是架构转子位置信号检测电路，通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号。

为此，国内外的研究人员进行了大量的研究工作，提出了很多种位置信号检测方法，大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量进行转子位置的估算，其中较为成熟的有:

反电势过零点检测法,反电势3次谐波积分法,续流二极管法等[2]。

2.4.2两种控制方式的比较

a.有位置传感器

优点：

（1）因为有霍尔位置传感器，所以电机换相准确，转子位置检测的准确度不受电机转速的影响；

（2）不需要外加的转子位置检测电路，硬件电路简单；

（3）电机换相控制编程简单，不需要处理滤波延迟等问题。

缺点：

（1）增大了电机的体积。

安装了位置传感器后，一方面电机结构变复杂了，另一方面电机的体积相对来说变大了，妨碍了电机的小型化；

（2）增加了电机成本。

容量在数百瓦以下的小容量方波型无刷直流电机常用的霍尔位置传感器的成本相对于电机本体来说所占比例比较大；

（3）传感器的输出信号易受到干扰。

传感器的输出信号都是弱电信号，在高温、冷冻、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊等工作环境及振动、高速运行等工作条件下，都会降低传感器的可靠性。

若传感器损坏，还可能连锁反应引起逆变器等器件的损坏；

（4）传感器的安装精度对电机的运行性能影响很大，相对增加了生产工艺的难度。

b.无位置传感器

优点：

（1）降低成本，减小电机的体积；

（2）抗干扰能力强，能在高温、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊的环境中工作；

（3）无传感器安装的问题，减小电机的生产难度。

缺点：

（1）如反电势法等转子位置检测方法在低速时检测准确度都不高，需要其他方法辅助电机起动；

（2）由于各种滤波、比较电路引起的相位延迟必须在算法中加以补偿，所以算法编程难度较大；

（3）由于架构了转子位置检测电路，所以增加了硬件的复杂性。

2.4.3本次设计所采用的方法

本次设计本着设计一款低成本的控制器的宗旨，在认真分析各种控制方式的优缺点之后，选择了无传感器方式下的基于SPWM的变压变频开环控制方法，SPWM生成的方式采用规则采样法，并且为了克服一些其他方面的不足，采用较为复杂的分段同步调制。

这种方法与传统的无刷直流电机控制方法有所不同，它一般用来控制异步电机和同步电机的[5]，但由于小功率无刷直流电机的空间磁场接近正弦波[6]，可以当作永磁同步电机来控制，故本次设计采用变压变频控制方法。

这种控制方法被广泛应用于调速性能要求不高的场合[8]。

这种方法是利用逆变器产生频率逐渐增加的三相互差120度的交流电压，三相交流电加在电机定子绕组上产生三相正弦电流进而在电机部产生内圆形旋转磁场，此圆形旋转磁场与电机转子永磁体所产生的磁场互相作用带动转子旋转，最终达到电机的同步运行。

第3章PSIM仿真

3.1PSIM仿真框图

如图3-1所示为SPWM调制波的PSIM仿真框图，其中比较器模块的输出模拟单片机发出波形，主电路同实际电路相同，三相对称阻感负载模拟电机，其参数和实际电机参数相同。

图3-1PSIM仿真图

3.2仿真波形及分析

3.2.1载波比N=63

如图3-2（a）所示为载波比N=63时电机的三相电流波形，可以看出电流波形比较光滑接近正弦波。

如图3-2（b）为三相电流波形的FFT分析，可以看出，电流波形仅含载波频率整数倍次附近频率的谐波，谐波次数高且幅值低，对电机影响较小。

图3-2（a）电机三相电流波形

图3-2（b）电机三相电流波形FFT分析

如图3-3所示为电机三相电压仿真波形，可以看到，输出波形和理论分析一致为“品”字波形且三相电压互差120度。

图3-3电机三相电压仿真波形

如图3-4所示为单片机发出SPWM波形仿真，可以看出，波形比较密集，开关频率高。

图3-4单片机发出波形仿真

3.2.2载波比N=33

如图3-5（a）所示为载波比N=33时电机的三相电流波形，可以看出电流波形接近正弦波，相比N=63该波形没有那么平滑。

如图3-5（b）为三相电流波形的FFT分析，可以看出，电流波形仅含载波频率整数倍次附近频率谐波，谐波次数较高，幅值较低，对电机影响较小。

图3-5（a）N=33时电机三相电流波形

图3-5（b）N=33时电机三相电流波形FFT分析

如图3-6所示为电机三相电压仿真波形，可以看出，输出波形相比变得稀疏，波形仍为“品”字波形，相位保持不变。

图3-6电机三相电压仿真波形

如图3-7所示为单片机发出SPWM波形仿真，可以看到波形相对稀疏，开关频率降低，这有效中和了调制波频率增加带来的开关频率加大。

图3-7单片机发出波形仿真

3.2.3载波比N=21

如图3-8（a）所示为载波比N=21时电机的三相电流波形，电流波形接近正弦波但相比来说波形变得更为粗糙，这是因为载波比减小的缘故。

如图3-8（b）为三相电流波形的FFT分析，可以看出，电流波形含载波频率整数倍次附近频率谐波，谐波幅值相比有所增加但仍然可以接受。

3-8（a）N=21时三相电流波形

3-8（b）N=21时三相电流波形FFT分析

如图3-9（a）所示为电机三相电压仿真波形，可以看出，输出波形形状良好，相比变得更为稀疏。

图3-9三相电压仿真波形

如图3-10所示为单片机发出SPWM波形仿真，可以看到波形相对稀疏，开关频率更低，可以看到减小载波比减小了开关频率，降低了单片机的压力，但同时是以牺牲精度为代价的。

图3-10单片机管脚发出波形仿真

3.3仿真总结

此次仿真采用PSIM软件，该软件绘制原理图方便，容易上手，仿真主要对控制系统的原理进行了仿真。

此次设计采用的基本原理是SPWM调制波形，在仿真中，采用比较器来生成SPWM波形，其正向输入为调制波即正弦波，反向输入为载波即三角波，当调制波大于载波时输出为高，当调制波小于载波时输出为低。

实际上仿真中采用的方法是严格的自然采样法，这种方法生成SPWM是最接近理想值得，然而在实际中用单片机发出SPWM波形是采用规则采样法。

两种方法都能很好生成SPWM波形，只是规则采样法精度比自然采样法稍逊，但是对于单片机来说，规则采样法的计算速度远远高于自然采样法的计算速度，这是因为自然采样法在求解的过程中需要解出超越方程的根。

另外，本次设计采用分段同步调制，仿真中对不同的载波比都进行了仿真，从结果可以看出，仿真结果和理论分析几乎相差无几，这对后面的硬件调试起到了很好的指导作用。

第4章系统的硬件设计

4.1硬件系统总体设计

硬件系统包括单片机控制模块，PCB电源模块，驱动电路模块以及三相逆变电路模块。

总体框图如图4-1所示：

图4-1系统总体框图

4.2电源模块设计

直流电源采用常用的12v电源模块，经过两个降压芯片7815和7805降压分别得到5v直流给单片机供电，和10v直流给驱动电路供电，同时12v直流电作为逆变电路的直流侧电压源。

电源模块部分电路图如4-2所示：

图4-2电源模块电路图

4.3单片机控制模块

单片机控制模块主要应用了LS0T52AX的全比较单元模块，生成6路PWM波形（P20-P25）作为驱动电路的输入。

单片机控制模块部分电路图如4-3所示：

图4-3单片机控制模块

4.4驱动电路设计

IR2101是双通道、栅极驱动、高压高速功率驱动器，该器件采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。

同时上管采用外部自举电容上电，使驱动电源数目较其他IC驱动大大减少，在工程上减少了控制变压器体积和电源数目，降低了产品成本提高了系统可靠性。

IR2101主要特性包括：

悬浮通道电源采用自举电路；功率器件栅极驱动电压范围10～20 V；逻辑电源范围5～20V，且逻辑电源地和功率地之间允许+5V的偏移量；独立的低端和高端输入通道。

美国IR公司生产的IR2101驱动器，是中小功率变换装置中驱动器件