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

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

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。

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]。

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

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。

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

本次设计采用长沙柯珞微电子科技生产的LS052Ax系列MCU（单片机），该单片机是该公司设计、生产的高性