无刷直流电机单片机控制系统设计.docx

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无刷直流电机单片机控制系统设计

学号：

常州大学

毕业设计（论文）

（2012届）

题目无刷直流电机单片机控制系统设计

学生

学院专业班级

校内指导教师专业技术职务

二○一二年六月

无刷直流电机单片机控制系统设计

摘要：

无刷直流电动机采用半导体功率开关器件（晶体管、MOSFET、IGBT、IPM），用霍尔元件、光敏元件等作位置传感器代替有刷直流电机的换向器和电刷部分，以电子换相代替机械换相，从而提高了可靠性。

它的外特性和一台有刷直流电动机相似。

论文讲述了无刷直流电动机的工作原理以及电动机驱动电路的驱动原理。

本设计利用了单片机控制脉宽的改变来达到变速的目的，还通过控制接通电机三相的桥路的开通顺序和时间使得电机按我们预定的方向和速度运行。

本论文设计并展示了无刷直流电机驱动器的外围硬件电路，包括功率硬件电路、键盘驱动电路等，并完成了系统应用软件的设计。

经过实验验证，这种驱动方案能够长期稳定高效地驱动无刷直流电机运行。

关键词：

无刷直流电机、单片机、换相

ThedesignofthebrushlessDCmotorcontrolledbySingle-chip

Abstract：

Brushlessdcmotorusessemiconductorpowerswitchdevice（thetransistor,theMOSFET,IGBT,IPM）,thehallelement,photosensitivecomponentsectsforpositionsensorinsteadofabrushofdcmotorcommutatorandreplacesmechanicalcommutationwiththebrushpartoftheelectroniccommutation,soastoenhancethereliability.Itsoutsidecharacteristicsissimilartoadcmotorwihbrush.

Theworkingprincipleandmotordrivingcircuitprincipleofthedriverismainlydescribedinthepaper.Usingsinglechipmicrocomputertocontrolsthepulsewidthtoachievethepurposeofvariablespeed,themotorcanrunintherightdirectionandthespeedwhatwehavedeterminedthroughthecontrolonthebridgeofthethree-phasemotorroadopeningsequenceandtime.ThispaperistodesignanddemonstrateperipheralhardwarecircuitofthebrushlessDCmotordrives,includingpowerdrivecircuit,thekeyboarddrivercircuitandsoon,italsocompletedthedesignofthesystemapplicationsoftware.ExperimentalresultsshowthisdriveschemecandriveBLDClong-time,stableandeffectively.

Keywords:

BLDC,SCM,commutation

1绪论

1.1本文研究的意义及主要内容

无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上安装永久磁钢，电枢绕组一般采用多相形式，经逆变器接到直流电源，定子采用电子换向代替有刷电机的电刷和机械换向器，各相绕组逐次通电，在气隙中产生跳跃式的旋转磁场，与转子磁极主磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机连续运转无刷直流电机和其它电机相比具有高可靠性、高效率和优良的调速性能等诸多优越性，并且随着新型稀土永磁材料性能的提高与价格的下降，带来水磁无刷直流电机成本的降低，这种优越性将更加明显[2]。

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所取代。

现在从国外进口的设各中，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。

无刷直流电动机是伴随着数字控制技术而产生和发展起来的，因此，采用以单片机为主的数字控制是无刷直流电动机的主要控制手段。

无刷直流电动机主要完成以下几个方面的控制。

换相控制：

对于由位置传感器的系统，要根据位置传感器的信号进行有规律的换相，正确选择哪些相通电、哪些相断电；对于无位置传感器系统，要根据感应电动势信号计算换相点，判断哪些相应该通电、哪些相应该断电。

转速控制：

无刷直流电动机的转速控制原理与普通直流电动机一样，可以通过PWM方法来控制电枢的平均电压，实现转速的控制。

利用有PWM口的单片机，可以自动地输出PWM波，是控制变得非常容易。

转向控制：

只要改变换相的通电顺序就可以实现电动机的正、反转控制。

纯粹利用单片机编程来控制无刷直流电动机是一个比较复杂的过程，相比之下，通过单片机控制芯片，不仅可以大大地简化编程、提高控制性能，还可以使单片机从繁重的电动机控制工作中解脱出来，转而完成其他工作[3]。

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。

1.2无刷直流电机及其控制技术的发展

一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中，电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大致上万千瓦。

众所周知，直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维护困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上，大多均采用三相异步电机。

因此，在一些对电机性能较高的中小型应用场合，亟需新型高性能电机的出现。

无刷直流电机是在有刷直流电机基础上发展起来的。

1831年法拉第发现了电磁感应现象，从此奠定了现代电机的理论基础。

19世纪40年代研制成功第一台直流电机，经过大约17年的时间，直流电机技术才趋于成熟。

1915年，美国人Langnall发明了带控制栅极的汞弧整流器，制成了由直流变交流的逆变装置。

针对传统直流电机的弊病，20世纪30年代，一些学者提出用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机，但此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重又复杂而无实用价值。

其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电机的发展开辟了新的途径。

在20世纪70年代初期，又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。

在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的无刷直流电机[4]。

近40年来，由于电机本体及其相关学科的迅猛发展，“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。

刷直流电机的发展亦使得电机理论与大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论以及高性能材料的结合更加紧密。

如今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，形成为新一代电动伺服系统，且体觋着当今应用科学的许多最新成果，因此是机电一体化的高技术产物。

目前，国内外无刷直流电机的一般控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。

国外发达国家对无刷直流电机的研究内容与中国大体相当，但美国和日本具有较先进的无刷直流电机制造与控制技术。

当前的研究热点主要集中在以下三个方面：

1、研究无位置传感器控制技术以提高系统可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量；2、从电机设计和控制方法等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制方法，从而提高其伺服精度，扩大其应用范围；3、设计可靠、小巧、通用性强的集成化无刷直流电机控制器，由于直流无刷电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，故在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及【2】。

1.3本文主要内容安排

第一章简述了本文研究的历史背景和现代背景以及研究本课题的重要意义。

第二章系统地阐述了电机的分类，无刷直流电机的组成和结构、基本工作原理，并给出了无刷直流电机工作主电路图。

第三章展示了无刷直流电机的微机控制技术和系统主要控制方案。

第四章是本论文的最主体部分，其中详细介绍了单片机和无刷直流电机驱动芯片的功能，并且涉及到了电机的正反转、调速等部分的设计，并给出了51系列单片机配合无刷直流电机专用芯片控制电机的完整电路图。

第五章是本系统软件部分的设计，给出了各个主要部分的软件流程图。

2三相无刷直流电机系统结构及工作原理

2.1电机的分类

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无刷直流电机特点

·电压种类多:

直流供电交流高低电压均不受限制。

·容量范围大:

标准品可达400Kw更大容量可以订制。

·低频转矩大:

低速可以达到理论转矩输出启动转矩可以达到两倍或更高。

·高精度运转:

不超过1rpm.（不受电压变动或负载变动影响）。

·高效率:

所有调速装置中效率最高比传统直流电机高出5～30%。

·调速范围:

简易型/通用型（1:

10）高精度型（1:

100）伺服型。

·过载容量高:

负载转矩变动在200%以内输出转速不变。

·体积弹性大:

实际比异步电机尺寸小可以做成各种形状。

·可设计成外转子电机（定子旋转）。

·转速弹性大:

可以几十转到十万转。

·制动特性良好可以选用四象限运转。

·可设计成全密闭型IP-54IP-65防爆型等均可。

·允许高频度快速启动电机不发烫。

·通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同易于技术改造。

2.3无刷直流电机的组成

直流无刷电动机的结构如图2.1所示。

它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。

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、无相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4，…）组成。

图2.1直流无刷电动机的结构原理图

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的转矩，驱