单片机无刷直流电机控制方案设计论文 外文翻译Word文档格式.docx
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现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。
无刷直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在:
调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛。
如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等等。
由于无刷直流电机具有这些优点，因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。
美、日、英、德在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电机代替有刷电动机的转换。
美国福特公司率先把无刷直流电机应用于汽车20世纪80年代以来，随着微机控制技术的快速发展，出现了各种称为无位置传感器控制技术的方法，是当代无刷直流电机控制研究的热点之一。
各国知名半导体公司如Allegro,Philips,MicroLinear,Toshiba等，先后推出了许多无刷直流电机无传感器控制集成电路。
2004年12月我国电机制造业共1167家生产企业，全部从业人员388282人，资产972亿。
我国生产的微特电机已经占世界60%以上，目前是全球最大的永磁体（生产无无刷直流电机控制系统设计刷电机的主要原材料）生产供应基地，中国还将会成为全球最大的无刷电机生产国。
随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应商。
1.2无刷直流电机控制器概述
无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简单无需维护的优点，因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。
在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。
目前，数字调速系统主要采用两种控制方案:
一种采用专用集成电路。
这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。
另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。
这种方案可以编程控制，应用范围广，且灵活方便。
电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能:
对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号;
产生PWM脉宽调制信号，实现电机的调速;
对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有较好的动态和静态性能;
实现短路、过流、欠压等故障保护功能。
像MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，其针对无刷电机的控制要求，无刷直流电机控制系统设计将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟式控制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向，根据电机内的位置传感器（霍尔传感器）信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。
该控制系统的缺点是智能性差，保护措施有限，系统升级空间小。
本文采用单片机做为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便，如电机缺相保护、堵转保护、添加力矩传感器等等，可根据不同结构的电机进行控制的优化以达到良好的匹配，通常将此类控制器称为数字式控制器。
近几年，国外一些大公司纷纷推出较MCU性能更加优越的DSP（数字信号处理器）芯片电机控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一个以DSP为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。
但是这些专用芯片价格昂贵，外围电路设计复杂，在广大的民用市场无法大规模推广应用。
无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。
在有位置传感器的控制方法中，现今，由于霍尔传感器性价比高，安装方便，被广泛应用作为无刷直流电机的位置传感器。
当前，国内外对无刷直流电机无位置传感器的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法、续流二极管检测法、脉冲检测法神经网络控制法等。
1.3论文研究内容
本课题主要基于TMS320LF2407DSP芯片对无刷直流电机控制系统进行设计。
本文详细分析了直流无刷电机的工作原理和数学模型，控制过程和实现方法，进行了系统硬件的研究和设计，实现了机遇TI公司的TMS320LF2047无刷直流电动机芯片的软件控制，主要工作包括：
⒈熟悉直流刷电机的工作原理和运行特性
⒉熟悉TMS320LF2407的结构原理
⒊设计系统控制方案，有位置传感器
⒋设计制作和调试控制系统硬件电路
⒌设计控制系统软件流程图
第二章无刷电机控制系统分析
直流电机具有响应快速、起动转矩较大，以及从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°
，这就需要碳刷及整流子。
碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。
交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能实现。
现今半导体发展迅速，功率组件切换频率加快许多，提升了驱动电机的性能。
微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，可达到类似交流电机的控制并有与直流电机相当的性能。
无刷直流电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性且结构上优于直流电机的一种电机。
2.1电机的基本原理
2.1.1稀土永磁无刷直流电机的基本结构
稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机基体、开关电路、位置传感器三部分，如图2.1所示。
图2.1无刷直流电动机的组成
（1）电机基体
稀土永磁电动机基体是由带有电枢绕组的定子和永磁转子组成。
常用的有三种结构形式:
转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体;
转子铁心中嵌入矩形板状稀土永磁体:
转子外套上一个整体粘结稀土磁环的环形永磁体。
还有一种外转子式结构，即带有稀土永磁极的转子在外，嵌有绕组的定子在里。
电机运行时，外转子旋转。
（2）开关电路
开关电路由逆变器和驱动电路组成。
逆变器将直流电机换成交流电向电动机供电，其输出频率受制于转子位置信号，逆变器主要有桥式和非桥式两种。
电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态。
驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通与关断的驱动信号。
（3）转子位置传感器
转子位置传感器是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置，向控制器提供位置信号的一种装置。
它由定、转子组成，其转子与电动机同轴，以跟踪电机本体转子位置;
其定子固定于电机本体定子或端盖，以感应和输出转子位置信号。
2.1.2电机的基本工作原理
一般永磁直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙中产生磁场，其转子-电枢绕组通电后产生反应磁场，由于电刷的换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机的运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩驱动电动机不停地运转。
直流无刷电动机为了实现无刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构正好相反，而且还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同组成换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中由定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场，在空间中始终保持在90°
左右的电角度，从而产生转矩推动转子旋转。
无刷直流电动机按驱动方式可以分为半桥驱动和全桥驱动，按绕组接法又可分为星形连接和角形连接。
不同的绕组接法和驱动方式的选择将会使电动机产生不同的性能并且成本也不同，主要从以下三个方面来进行分析:
（1）绕组利用率
无刷直流电动机的绕组是断续通电的，适当的提高绕组通电利用率将可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。
从这个角度来看，三相比四相好，四相比五相好，全桥比半桥好。
（2）转矩的波动
无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机大，因此希望尽量减小转矩波动。
一般相数越多，转矩的波动越小，全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小。
（3）电路成本
相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高，全桥驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。
多相电动机的结构复杂，成本也高。
综合上述分析，三相电机星形连接全桥驱动方式综合性能最好，应用最多，本系统即是选择的这种控制方式，下面介绍三相无刷直流电动机星形连接全桥驱动的基本原理。
2.1.3三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理
无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响，在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。
无刷直流电机控制器包括电源部分和控制部分，如图2.2所示。
电源部分提供三相电源给电机，控制部分则按照需求转换电源频率。
电源部分可以直接以直流电输入，送入电机线圈前须先将直流电压由逆变器（inverter）转成三相电压来驱动电机。
逆变器一般由六个功率晶体管，分为上桥臂和下桥臂，连接电机作为控制流经电机线圈的开关。
控制部分则提供PWM脉冲宽度调制信号决定功率晶体管开关频率及逆变器换相的时机。
对于无刷直流电机，当负载变动时，一般希望速度可以稳定于设定值而不会有太大的变动，所以电机内部装有霍尔传感器（hall-sensor），作为速度的闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。
电机转动由霍尔传感器感应到的电机转子所在位置，决定开启或关闭逆变器中功率晶体管的顺序来控制，如图2.3所示，逆变器中的AH,BH,CH（上桥臂功率晶体管）及AL,BL,CL（下桥臂功率晶体管），使电流依序流经电机线圈，产生顺向或逆向旋转磁场，并与转子磁铁产生的磁场相互作用，使电机顺向或逆向转动。
当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环，电机就可以实现转动。
功率晶体管的开启方法举例如下:
AH,BL一组→AH,CL一组→BH,CL一组→BH,AL一组→CH,AL一组→CH,BL一组，但不能使AH,AL或BH,BL或CH,CL，即同相上下桥臂同时导通。
此外，因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂（或下臂）尚未完全关闭，下臂（或上臂）就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。
设电机转子位置传感器采集的位置信号为Ha,Hb,He，分别对应于逆变器的A相、B相、C相，则当前位置与下一位置电子开关导通相的对应关系如表2.1所示。
在电机转动时，控制部分会根据系统设定的速度决定功率管的导通时间。
若系统要求加速，则增长功率管导通的时间，若要求减速，则缩短功率管导通的时间，此部分工作由PWM脉宽调制信号控制。
图2.2三相无刷直流电机工作原理
图2.3逆变器原理图
表2.1霍尔位置信号与换相的关系
正向
当前位置（Ha,Hb,Hc）
下一位置导通相
100
AH,CL
110
BH,CL
010
BH,AL
011
CH,AL
001
CH,BL
101
AH,BL
反向
2.2电机的特性分析
2.2.1电机的运行特性分析
电动机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械，因此我们最关心的是它的转矩、转速，以及转矩和转速随电压、负载变化的规律。
据此，电动机的运行特性可分为:
起动特性、电动运行特性、机械特性及调速特性。
对于无刷直流电机，其电势平衡方程式为:
（2.1）
式中
——电源电压（V）;
——电枢绕组反电势（V）;
——平均电枢电流（A）;
——电枢绕组的平均电阻;
——功率器件的饱和管压降（V）。
对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式，电枢反电势均可表示为:
（2.2）
式中
——电动机转速（
）;
——反电势系数（
）。
由式2.1,2.2可知
（2.3）
在转速不变时，转矩平衡方程式为:
——电磁转矩（N·
m）;
——输出转矩（N·
——摩擦转矩（N·
m）。
这里
（2.4）
——转矩系数（
）。
在转速变动情况下，则有
（2.5）
式中系数:
——转动部分的转动惯量（
——转子的机械角加速度（
下面从这些基本公式出发，来讨论无刷直流电动机的各种运行特性。
（1）起动特性
由式2.1,2.4,2.5可知，电动机在起动时，由于反电势为零，因此电枢电流（即起动电流）为
（2.6）
其值可为正常工作电枢电流的几倍到十几倍。
所以起动电磁转矩很大，电动机可以很快起动，并能带负载直接起动。
随着转子的加速，反电势E增加，电磁转矩降低，加速力矩也减小，最后进入正常工作状态。
（2）电动机运行特性
在电动运行状态下，6只开关管任意时刻只有2只开关管导通，分别属于上桥臂和下桥臂。
图2.4电动运行等效电路图
由图2.4的运行等效电路图可得，在电动运行时AH管和CL管导通时通电回路的回路电压方程如下:
（2.7）
——相电势，电动运行最大幅
——相电阻，
;
——相电感，
;
——两相互感，
——蓄电池电压;
——相电流;
设
，上式可改写为:
（2.8）
在电动运行时，换相前电路电流为零，换相后于
。
由于R很小，可以忽略，故在电路接通后过渡过程结束前，
正向增加，电路工作在吸收电功率状态，吸收的电功率为:
（2.9）
对AH管和CL管进行脉宽调制，改变占空比，就可控制电流
的平均值，从而控制平均转矩。
2.2.2机械特性和调速特性分析
机械特性是指外加电源电压恒定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系。
由式2.1,2.2,2.3可知，式2.11等号右边的第一项是常数（当不计△U的变化和电枢反应的影响时）。
所以电磁转矩随着转速的减小而线性增加。
当速度为零时，即为起动电磁转矩。
当式2.10右边两项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即为理想空载转速。
实际上，由于电动机损耗中可变部分及电枢反应的影响，输出转矩稍稍偏离直线变化。
又因为功率晶体管的饱和管压降随着集电极电流的变化而变化，在基极电流不变时，功率晶体管的饱和压降和集电极电流之间成正比的关系。
所以，随着转速的减小，电动机的反电势也减小，电枢电流增加，AU增大，到一定值以后，增加较快。
所以其机械特性是在接近堵转（即转速很低）时，加快下跌。
（2.10）
（2.11）
若假定外加直流电压一定，减小电机负载，转速升高，逆变器的触发频率也会提高，同时反电势增加，电流减小，电磁转矩也减小。
当电磁转矩和负载转矩平衡时，电机就维持在一个较高的转速下运行。
如果负载不变，提高外加直流电压，则转速升高，逆变器的频率提高，反电势增大，使电流减小，电磁转矩又呈现减小趋势，这样就使电机维持在一个较高的转速下运行。
由此可见，由于无刷直流电动机的自同步性，其调速方法与有刷直流电动机非常相似，可通过调节直流电压来实现。
又从式2.11可见，改变电源电压，可以很容易地改变输出转矩（在同一转速下）或（在同一负载下）。
所以在电子换相线路及其它控制线路保持不变的情况下，无刷直流电动机调速性能很好，可以利用改变电压来实现平滑的调速。
2.2.3其他特性分析
无刷直流电机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电动势和转速等。
这些物理量的表达式与电机气隙磁场分布、绕组形式有十分密切的关系。
对于稀土永磁无刷直流电机，其气隙磁场波形可以为方波，也可以是正弦波或者梯形波，本文主要研究方波无刷直流电机的特性及其控制策略，其气隙磁场的理想波形如图2.5所示。
为气隙磁感应强度。
对于二相导通星形三相六状态无刷直流电机，方波气隙磁感应强度在空间的宽度应大于120°
电角度，在定子电枢绕组中感应的梯形波反电势的平顶波宽度应大于120°
电角度。
这种具有方波气隙磁感应强度分布、梯形波反电势的无刷直流电机称为方波电机。
方波电机通常采用方波电流驱动，即与120°
导通型三相逆变器相匹配，由逆变器向方波电机提供三相对称的、宽度为120°
电角度的
图2.5方波气隙磁场分布
图2.6梯形波反电势与方波电流
方波电流。
方波电流应与电势同相位或位于梯形波反电势的平顶波宽度范围内，如图2.6所示。
其中B为磁通密度，ea和ia分别为一相的反电势和相电流。
2.3直流电动机的PWM调速原理
直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法就是调节电枢电压。
改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。
为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制（PWM）技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。
它被越来越广泛的应用在各种功率的调速系统中。
本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制（PWM）来控制电动机电枢电压，实现调速。
图2.7是对电机进行PWM调速控制时的电枢绕组两端的电压波形。
当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us,t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0,t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。
图2.7输入输出电压波形
电动机电枢绕组两端的电压平均值U0为:
（2.13）
式中占空比
表示在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值，
变化范围为0-1之间。
所以当电源电压
不变时，电枢的端电压的平均值U0取决于占空比的大小，改变
值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。
理想空载转速与占空比
成正比。
2.4霍尔传感器
霍尔器件是一种磁传感器。
按照霍尔器件的功能可将它们分为:
霍尔线性器件和霍尔开关器件。
前者输出模拟量，后者输出数字量，可用于磁场的测量和控制。
霍尔器件具有许多优点，它们的体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHz）,耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。
此外，其工作温度范围宽，可达一55oC~150oC。
由无刷直流电机控制系统工作原理可知，电机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。
考虑传感器的体积和性能通常采用的传感器是磁敏式开关式传感器，目前使用最广泛的是开关型霍
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