三相无刷直流电机控制系统设计图文精Word文件下载.docx
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在软件方面编制了基于硬件平台的程序,协调硬件工作。
本控制系统软件由一个前意念系统努加两个中断服务子程序,前看台主程序豳对系统初始化模块、转子转速计算及转速PID闭环控制组成,初始化模块主要对Atmega8L单片机三个定时器T0、T1、T2,ADC转换器,通用串行口UART,输入输出I/O口的初始化,系统初始化之后再对无刷直流电机转子转速进行计算,计算结果再与设定值进行比较,将比较差值送PID控制器控制PWM的占空比来控制专用驱动控制器ECN30206的VSP引脚电压输入,从而控制转速,达到闭环控制的目的,中断程序主要惩来睾行中断接收上位枫发来的无刷直流电机转向及转速设定僮、定时中断检测电流及显示转速值及相关故障。
本文所设计的无刷直流控制系统实现了电机的转向、转速闭环PID控制、各种参数及故障的显示。
本控制系统保护功能较完善,硬件结构简单,成本较低,主控制部分、驱动部分及显示部分用户可以任意选择使用。
广东工业人学工学硕上学位论文
关键词:
三相无刷直流电机;
Atmega8L单片机;
ECN30206集成驱动器;
PID闭环控制
Abstract
Abstract
ThreephasebrushlessDCmotor（BLDCMwithpermanentexcitation,whoseelectricalcommutatoriSusedtoinsteadofmechanical,hasnotonlythesamegoodcharacteristicsofspeedcontrolastraditionalDCmotor,butalsothegoodcharacteristicsofACMotorsuchasstructuresimple,operationreliable,maintenancefriendly.BrushlessDCmotorhassetwideapplicationduetoitshighpowerdensity,easetocontrol,highefficiencyoverwidespeedrange.
ThepaperfirstlyintroducedthestudystatusofpermanentmagnetbrushlessDCmotorinhomeandabroad,andthendiscusseditsstructure,operationprinciples,characteristicsaswellasitsrotorpositionsignaldetectionmethodsindetail;
secondly,designed
thecontrolsystem’Shardwareandsoftwareaccordingly;
越lastdebuggedthecontrolsystem,analyzedthefactorsaffectingthereliabilityofthesystemandgavethecorrespondingsolutions.
Accordingtotherequirementsofcontrolsystemsuchasdesignparameters,costandflexibility,thispaperdesignedAtmega8LSCMandECN30206integrateddriverasthecorehardware
platform.Atmega8LSCMposedrotationspeedPIDclosed—loopcontrolonthesystemandregularlycollectingcurrentsignalforthecurrentover—currentprotection;
usedtheMax7219serialdisplaythecurrent,relatedtofaultinformation;
controlledPermanentmagnetbrushlessDCmotor’Srotatedirectionandreceivedexternalinformation,throughtheisolationofthephotoelectric;
exchangedinformation,analyzedandprocessedthevariousinformation,coordinatedvariouspartsworkingthroughtheRS一485businterfacewithotheroutsidesystems.
Thispapercompiledaprogrambasedonthehardwareplatformtocoordinationwiththehardware.Thesoftwareofthecontrolsystemiscomprisedbyonefore.and—aftplatformmainprogramandtwointerruptservicesubprogram.Thefore.and-a爨platformmainprogramismadeupbythesysteminitializationmodule,therotorspeedcomputingandPIDspeedclosed—loopcontrolcomponent.Thesystem
广东工业人学工学硕士学位论文
initializationmodulemainlyinitializesthethreetimers,A/Dconverter,serialUART,I/Opins.Aftersysteminitialization,themainprogramcomputestheBLDC’SrotorspeedandcomparedtothesetspeedvalueandthenitsendtheerrortothePIDcontr01.ThePIDcontrollerwillchangethevoltageoftheECN30206integrateddriver’SVSPpinsaccordingtothedutycycleof
PWM.Inthiswaytherotorspeedwascontrolledaccordwiththeuser’ssettingvalue.Oneoftheinterruptsubprogrammainlyusedtoreceivethecontrolorderfromtheexternalsystem,whichcomposedofrotordirection,rotorspeedvalue.Theotherismainlyusedtodetectthecurrentanddisplaythespeedandrelatedfailuresregularly.
Inthispaper,thebrushlessDCmotorcontrolsystemachievedtherotordirection,speedclosed—loopPIDcontrol,andvariousparametersdefectdisplay.Thecontrolsystemhasaperfectprotection,simplehardwarestructure,lowercost.Themaincontrolsection,driversectionanddisplaysectioncanchoosearbitrarybytheuser.Keywords:
ThreephaseBLDCmotor;
Atmega8Lmicro-C;
ECN30206integrateddriver;
PIDclosed-loopcontrol
广东工业人学工学硕L学位论文
独创性声明
秉承学校严谨的学风与优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,不包含本人或其他用途使用过的成果。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明,并表示了谢意。
本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的,论文成果归广东工业大学所有。
申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任,特此声明。
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指导教师签字:
翟.牝
论文作者签字铜、∥青
纱砖年歹月矽日
第一章绪论
1.1课题依据及意义
第1章绪论
无刷直流电机是近几年来小电机行业发展最快的品种之一,随着视听产品小、轻、薄化和家电产品的静音节能化以及豪华型轿车需求量增多,无刷直流电动机需要量迅速增加;
无刷直流电机用电子换向替代了电刷和换向器,具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便、低噪音等优点。
国内近年来在无刷直流电机的设计及控制方面有很多的研究,但与国外成熟的产品相比还有很多地方值得提高,并且很多无刷直流电机生产商都没有给出具体的控制方案,因此在无刷直流电机控制方面的研究是非常有必要的。
由于无刷直流电机具有体积小、重量轻、效率高、调速性能好、转动惯量小、没有励磁损耗等问题,因此在各个领域具有广泛的应用前景。
一方面,无刷直流电机与其他异步电机相比具有明显的优势如反馈装置更简单、功率密度更高、输出转矩更大、并且电机和逆变器各自的潜力得到充分的发挥,因此无刷直流电机的应用和研究得到了前所未有的重视。
据资料统计统计表明无刷直流电机的使用每年以较高比例增长。
另一方面无刷直流电机与有刷直流电机相比有更多的优点如电机本体结构简单、运行时无火花、电磁干扰小,无噪声等,因此具备广泛应用前景。
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目前在家用电器方面,大多使用异步电机,但是随着人们生活水平的提高对各种家电的质量、性能提出了更高的要求;
随着能源的日益匮乏特别是燃油方面,对高效节能也有更高的要求,国家十一五计划也明确提出过限制耗能产业发展,因此采用无刷直流电机来代替性能差、效率低的异步电动机成为大势所趋。
现在在高档电扇中已经采用了无刷直流电机,在新一代的空调、洗衣机、电冰箱、吸尘器等家电中已逐渐用无刷直流电机取代了异步电动机,因此研究无刷直流电机及其控制意义重大。
1.2无刷直流电机的发展
电机作为主要的能量转换装置,已被广泛应用于家用电器、信息处理设备、汽车工业、机器人等各个领域。
直流电机具有优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路等优点被广泛应用于于各种驱动装置和伺服系统中,但是直流电机是依靠换向器和机械电刷进行换向,由于换向器和电刷的接触,使直流电机结构复杂、可靠性差、变化的接触电、产生电火花、电磁干扰,噪声等一系列问题、影响了直流电机的性能。
因此从上个世纪以来人们就开始研究一种不用机械电刷和换向器的直流电机。
1955年,美国D.Harrison等人首次成功的实现了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷,这标志着现代无刷直流电机的诞生。
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二十世纪六十看年代以来,由于高性能新型永磁材料、大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论的发展,“无刷直流电机’’的概念已由最初的具有电子换向的直流电动机发展到泛指一切具有“有刷直流电机”外部特性的电子换向电机。
无刷直流电动机真正进入实用阶段是从1978年开始,当时前德国某公司在汉诺威贸易博览会上,正式推出一款经典无刷直流电动机及其驱动器。
80年代,国际上开展了深入的研究,先后研制成方波无刷直流电机和正弦波无刷直流电动机,在10多年的时间里,无刷直流电动机在国际上已得到较为充分的发展,在一些较为发达的国家里,无刷直流电动机将在未来几年内成为主导电动机,并逐步取代其他类型的电动机。
现在许多高档精密型产品都用无刷直流电机,日本的不少公司已将无刷直流电机应用到数码照相机、微型收录机、摄影机、打印机、存储驱动器、手机以及汽车空调、洗衣机、吸尘器、电动车、心脏泵等领域。
【2】
1.3无刷直流电机控制系统研究现状
现阶段国内外无刷直流电机控制的研究主要包括转子位置检测及功率开关管的状态切换、速度调节、转矩脉动的抑制、无刷直流电机的起动。
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m力一、转子位置检测及开关状态切换
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无刷直流电机的运行是通过逆变器功率器件随转子的不同位置相应地改变其不同的开关管组合状态来实现的,因此准确检测转子的位置并根据转子位置准时切换功率器件的开关组合状态是控制无刷直流电机正常运行的关键。
1、用位置传感器检测转子位置及开关状态切换
利用传感器得到的不同位置信号经过门电路、模拟开关或专用芯片就可以得到不同的开关逻辑信号,实现开关状态的自动切换,随着微处理器的应用,也可以通过软件来进行切换,无刷电机常用的位置传感器有磁电感应式、磁敏式和光电式。
磁电式位置传感器既笨重又复杂,在方波电机中早已被淘汰。
磁敏式霍尔位置传感器由于体积小,简单可靠的特点而被广泛应用。
光电式如光电码盘因高精度的特点而广泛应用于伺服系统中。
但位置传感器的使用增加了电机的体积,且需要多根信号线,这给无刷直流电机的微型化带来了困难,也增加了电机制造的工艺要求和成本。
2、无位置传感器检测转子位置及开关状态切换
为了省去位置传感器,根据各相反电势随转子位置改变的原理有些专家提出了端电压检测法,把三相端电压经低通滤波器延时90度电角度,再经比较电路得到开关逻辑信号。
但该方法存在着低通滤波器在电机低速时延对不足90度电角度的情况,导致触发信号提前切换,对电机电流、转矩产生较大的影响,严重时甚至会引起电机失步。
因此,又有人在此基础上进行补充,低速时,采取三相端电压两两比较直接得出触发逻辑信号的方法,在整个运行段,根据不同的转速,在两个位置检测电路之间进行切换。
随着微处理器的应用,利用软件的延时对方法可以完全简化端电压检测法的位置检测电路。
沈建新在电工报发表文章提出用三相端电压和比较电压间接得到绕组反电势的过零点,然后用软件延迟l/12周期的时间再切换触发信号。
但由于凸极电机中电枢反应和检测电路滤波器的影响会导致电机超前或滞后换流,因此他又发表了一文章对此进行了修正,并取得了良好的效果。
“端电压检测法”虽能完成转子位置的检测,但由于绕组的反电势正比于转子的转速,因此,在低速时就很难检测到反电势而会导致电机失步。
二、速度调节
根据无刷直流电机的机械特性转速为:
n=（u-AU-IaV・ray/Ke（1—1
广东工业大学T学硕卜学位论文
因此可以通过调节端电压U或定子电流Iav来实现调速。
有学者介绍了利用降压型载波电路和两象限载波电路来进行调速的两种方法,两象限电路由于可以很快地控制电流,因此其动态性能远远高于只是靠通过调节端电压来调速的降压型电路,且前者还有回馈制动的功能,电流脉动也比后者小得多。
也有人提出了用PWM信号作为功率器件的触发信号,用调节PwM信号的占空比的方法来调速,该方法可以直接控制电机的相电流,因而调速性能更佳,也可以很好地抑制电流的脉动。
高性能的调速系统,尤其是速度伺服系统,需要有一适合于系统的控制策略,即速度调节器。
大部分系统采用了数字PID调节器,但这对交流伺服系统有一定的局限性,因些就有专家采用PID控制与模糊控制相结合的Fuzzy—PID控制对速度环进行控制,取得了良好的效果,使系统具有Fuzzy和PID控制的双重优点,且在不同的负载下具有较强的鲁棒性。
无刷直流电机是一个多变量、非线性、强耦合的对象,因此利用模糊控制、神经网络控制、专家系统等具有自学习、自适应、自组织功能的智能控制来进行对无刷直流电机的控制是一种有效的手段,这也是高性能伺服系统发展的趋势。
但仅仅对速度的控制是远远满足不了伺服系统的要求的,要提高系统的性能,必须对电机的转矩进行控制。
三、转矩脉动的抑制
伺服系统的控制关键是对转矩的控制,但由于各种原因引起的转矩脉动问题严重影响了无刷直流电机在交流伺服系统中的应用,尤其在直接驱动应用的场合,转矩脉动使电机速度控制特性极度恶化。
因而,抑制转矩脉动成为提高伺服系统性能的关键。
对于齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动的抑制有关专家提出了除从电机设计的角度进行改善外还要采用转矩闭环控制;
对于相电流换向引起的转矩脉动的抑制有关专家提出了用滞环控制和PWM控制来抑制电机低速段的转矩脉动的方法,实验中也取得效果,但没有对电机高速段的转矩脉动提出相应的办法。
四、无刷直流电机的起动
对于有位置传感器的无刷直流电机来说,顺利起动是不存在什么问题了。
但对于靠反电势进行位置检测的无位置传感器的无刷直流电机来说,由于静止时不产生反电势,从而使得怎样顺利起动成了控制无位置传感器的无刷直流电机的重
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广东工业人学T学硕十学位论文
第3章空调三相无刷直流电机控制系统硬件设计3.1引言
无刷直流电机控制系统目前主要有三种控制方式:
专用集成电路芯片控制;
单片机控制;
高速DSP控制。
以专用集成电路芯片为核心的控制系统结构简单,但不能灵活的控制各种参数;
以高速DSP为核心的控制系统精度高、速度快,但开发周期长,成本高,但对于实时需推出新产品及成本控制严格的空调电机不宜采用;
以单片机为核心的控制系统具有价格低,片内资源丰富,且可以灵活的编制程序控制,因此本空调用三相永磁无刷直流电机控制系统采用Atmel公司的AVR系列单片机作为主控制芯片,以日立公司专用集成芯片为驱动电路。
3.2单片机选择
3.2.1单片机的选择依据
1.抗干扰能力。
由于电机工作时会产生磁场,且比较恶烈,这就要求单片机能抵制这方面的干扰,否则无法正常工作。
2.价格因素。
对于空调电机成本是关键,因此单片机价格极为重要,所以要选一种性价比比较高的单片机及其开发平台。
3.保密因素。
电子产器保密因素是一个非常重要的问题,开发的产器被竞争对手享用,使竞争处于不利位置,因此所选单片机要有良好的加密功能
4.片上资源。
要选择片上资源丰富的单片机,比如支持在线调试、下载功能,有A/D转换模块等。
对于本系统最起码要有捕捉及PWM波功能。
3.2.2AVR单片机微处理器介绍
AVR单片机是1997由Atmel公司研发出的增强型内置Flash程序存储器的
第3章空调三相无刷直流电机控制系统硬件设计
精简指令集CPU（ReducedInstructionSetCPU的高速单片机。
AVR单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器等各处领域。
可靠性高、功能强、速度快、功耗低和价位低,一直是衡量单片机性能的重要指标,可是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。
早期的单片机由于工艺及设计水平不高、功耗和抗干扰性能差等原因,故采取稳妥方案:
采用较高的分频系数对时钟分频,从而使得指令周期长、执行速度慢。
以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施,但是这种状态并未彻底改观（MCS51及基兼容产品。
虽然此期间有某些精简指令集单片机问世,但依然沿袭对时钟分频的做法。
AVR单片机的推出,彻底打破了这种旧设计格局,废除了机器周期,抛弃了复杂指令集CPU（ComplexInstructionSetCPU追求指令完备的做法,采用精简指令集CPU（RISC,以字节做为指令长度单位,将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中（指令集占大多数的单指令周期指令都是如此,指令周期短,又可预指指令,实现流水线作业,故可提高速执行指令。
当然这种速度上的升跃,是以高可靠性为代价的。
AVR单片机博采众长,又具独特技术,是8位机中的佼佼者。
【1.】“61
3.2.3AVR单片机的特点
（1高性能,采用精简指令集CPU（RISC,32个通用工作寄存器,克服了MCS51等CICS结构存在的指令系统不等长、指令数多、CPU利用率低、执行速度慢等缺点。
采用哈佛结构的流水线技术,在执行一条指令时,下一条指令已经被取出来,所以说其机器周期等于时期周期,绝大部分指令为单周期指令。
指令的执行速度可以达到20MHZ。
（2除了可以通过串行外设接口（SPI和一般的编程器对单片机的Flash程序存储器和数据存储器EEPROM编程外,绝大部分AVR单片机支持程序在线编程（ISP,Atmega系列单片机还支持应用编程（IAP;
同事AVR单片机采用了可擦写1000次的Flash程序存储器,并有大容量的可以擦写100000次的EEPROM,给用户开发、生产和维护带来方便,可以低价实现商用化,提高了产品的质量和竞
争力。
（3AVR单片机有丰富的外设,如片内程序Flash、Uart、模拟比较器、丰富的中断资源、IIC、SIP、EEPROM、RTC、WatchDog定时器,A/D转换器和PWM和片内振荡器等,可以真正的做到单片。
（4AVR单片机的工作电压范围宽,工作电压在1.8—6V之间,电源的抗干扰能力强。
（5低功率,AVR单片机具有6种休眠功能,能够从低功耗模式迅速唤醒,并采用可编程的频率选择和CMOS集成工艺。
（6编译好了的目标程序可以通过在系统编程（ISP直接写入内部的Flash存储器,面不需要把芯片从系统上拆下来使用专用编程器来写入程序。
这极大的方便了程序
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