直流无刷电动机毕业设计讲解.docx

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直流无刷电动机毕业设计讲解

毕业论文（设计）

题目名称：

直流无刷电动机控制电路设计

题目类型：

辅导教师：

余仕求

时间：

2014年3月至2014年5月

长江大学毕业设计（论文）任务书．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅰ

教授

1毕业设计（论文）题目：

直流无刷电动机控制电路设计

2毕业设计（论文）起止时间：

2014年2月21日～6月10日

3毕业设计（论文）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）

（1）设计直流无刷电动机调速控制系统主电路、控制电路及调速控制方案。

设计软件控制流程。

（2）电机功率约80瓦，带位置传感器，转速范围在600-3000转/分，连续可调，误差不大于5%。

（3）电机运行的要求是：

运行平稳，不允许有抖动；起动有力，快捷。

通过电位器或按键控制加、减速。

4毕业设计（论文）应完成的主要内容

（1）硬件电路设计

（2）理论设计与分析，理论计算

（3）软件设计调试

5毕业设计（论文）的目标及具体要求

学生通过本次毕业设计，掌握直流无刷电动机的调速方法，学会功率器件的使用及电子线路的设计；能够运用单片机控制电动机调速；运用已学的基本知识和专业技术解决实际问题，掌握软件设计流程，提出可行的方案，锻炼自学和动手能力；培养钻研、求实的科学作风；提高论文写作水平和英语阅读理解能力。

6完成毕业设计（论文）所需的条件及上机时数要求

（1）微机、单片机仿真器

（2）直流无刷电动机；电子器件

（3）上机机时：

150

任务书批准日期2014年3月13日教研室（系）主任（签字）

任务书下达日期2014年3月13日指导教师（签字）

完成任务日期2014年6月10日学生（签名）

开题报告日期2014年3月15日

毕业设计开题报告撰写内容及要求

一、题目来源

二、研究目的和意义

三、阅读的主要参考文献及资料名称

四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向

五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路

六、完成毕业设计所必须具备的工作条件（如工具书、计算机辅助设计、某类市场调研、实验设备和实验环境条件等）及解决的办法

七、工作的主要阶段、进度与时间安排

八、指导教师审查意见

注1：

格式要求：

（1）题目名称：

要求与毕业设计题目名称一致，小二号，黑体加粗，居中，段前后各空一行。

（2）学生、指导教师和教学单位署名：

学生、指导教师及所在单位（院系或工作单位）在题目下隔一行，居中，格式：

学生：

×××，×××学院（系），另起一行居中，格式：

指导教师：

×××，工作单位，署名采用小四号仿宋体。

（3）开题报告正文，撰写格式按毕业论文（设计）的排版格式规范要求。

注2：

题目类型是指“研究论文”、“毕业设计”或“毕业创作（设计）”；

题目来源是指题目来源于教师的科研项目、生产/社会实际或实验室建设、其它等。

直流无刷电动机控制电路设计

一、题目来源

结合生产，社会实际。

2、研究目的及意义

当前，随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨，无污染、能源可多样化配置的新型交通工具引起了人们的普遍关注，同时也得到了极大的发展，电动自行车便是其中之一。

由于电子控制技术的不断发展，使得对大量应用的电动机性能、质量的要求越来越高，如：

低噪声、高性能、长寿命、小型化、高效节能的要求。

而无刷直流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、调速性能好等诸多特点，同时克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊病，所以以无刷直流电机作为电动马达的电动自行车产品逐渐受到消费者的青睐。

鉴于无刷直流电机的上述优点以及无刷直流电机作为控制对象的电动自行车在消费市场的巨大潜力，本设计试以C51单片机为主控制芯片，设计一款无刷直流电机控制器。

3、阅读的主要参考文献及资料名称

（1）设计直流无刷电动机调速控制系统主电路、控制电路及调速控制方案。

设计软件控制流程。

（2）电机功率约80瓦，带位置传感器，转速范围在600-3000转/分，连续可调，误差不大于5%。

（3）电机运行的要求是：

运行平稳，不允许有抖动；起动有力，快捷。

通过电位器或按键控制加、减速。

[1] 刘刚，王志强，房建成.  永磁无刷直流电机控制技术与应用[M]. 北京，机械工业出版社，2008. 

[2] 李海涛，仪维，吴筱坚等.  PIC单片机应用开发典型模块[M]. 北京，人民邮电出版社，2007. 

[3] 三恒星科技.  PIC单片机易学通[M]. 北京，人民邮电出版社，2006. 

[4] 杨耕，罗应立.  电机与运行控制系统[M]. 北京，清华大学出版社，2006. 

[5] 张俊.  匠人手记——一个单片机工作者的实践与思考[M]. 北京，北京航空航天大学出版社，2008. 

[6] 肖玲妮，袁增贵.  Protel 99 SE印刷电路板设计教程[M]. 北京，清华大学出版社，2006. 

[7] 谢渊斌.  电动车无刷电机控制器软件设计要点[N]. 《电子报2007年合订本》下册. 

[8] 牛海清，谢运祥.  无刷直流电动机及其控制技术的发展[D]. 微电机-2002年5期. 

[9] 刘佳峰，谢杨华.  直流无刷电机换相时机的调整[EB/OL]. 电机技术-2006年3期. 

[10] 孙欢庆，李桥梁.  MC33035在直流无刷电机控制中的应用[EB/OL]. 电机技术-2007年3期. 

[11] 葛小荣 王庆.  电动自行车控制器MOSFET驱动电路设计[EB/OL]. 电动车情商网.2008. 

4、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向

电机分为直流电机、同步电机和异步电机，在我国三种电机的生产分工较为明确，无刷直流电机是三种电机的集合，是电机发展的高层次产品，代表电机的发展方向。

目前无刷直流电机研究刚刚起步，主要集中在高等学校，如浙江大学、北京航空航天大学、上海交通大学等，均在进行1.5kw以下样机的研究试验，清华大学正在做15KW电机的样机实验，中科院正在做28 KW电机的样机实验。

在企业中生产高性能、大容量这种电机的厂家还没有，只有生产结构简单、性能较低、容量在0.2KW以下、用于电动自行车电机的厂家。

国际发达国家对无刷直流电机的研制与中国大体相当，但像美国、日本在无刷直流电机控制方面比中国先进。

针对传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。

由于直流无刷电动机既具有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优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。

5、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路

本课题的主要内容是设计一个实用可靠的方案，实现对电动自行车用无刷直流电机的控制。

基本要求如下：

1、了解无刷直流电机的工作原理、控制方式以及无刷直流电机控制器的软硬件设计方案； 

2、硬件设计的组成部分有电压检测电路、电流检测电路、霍尔位置检测电路、驱动信号预处理电路、功率驱动电路、过流保护电路等模块电路组成； 

3、软件设计则通过由硬件采集到得位置信号、电流信号、刹车信号、过流信号、欠压信号等，通过单片机的处理，分别作出换相、同步整流、PWM调制、刹车、过流保护、欠压保护等一些相应的输出动作，以实现对无刷直流电机的控制的目的。

课题研究的方法：

计划采用理论分析研究与实验分析相结合的研究方法。

首先通过查找资料熟悉并掌握单片机的基本原理，然后进行方案设计，在生产厂家进行了解。

通过实践到厂里进行观察、调查、自己动手等方法来完成无刷电机驱动电路的设计。

课题研究的措施：

查找相关资料了解课题相关内容；设计出多个电路设计方案，并对方案进行对比分析，最终确定最终方案，画出电路原理图；最后分析存在的问题然后进行改进，直到达到设计要求。

直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。

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。

三相两极直流无刷电机组成

三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结，A、B、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。

位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联结。

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，从而使定子各项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。

6、工作条件

计算机一台

相关器件

图书馆及网络

参考资料

七、进度安排

3月15号-3月20号撰写开题报告

3月21号-4月7号完成外文翻译任务并购买相关器件

4月8号-4月20号对课题进行初步设计，以求达到预期目的。

4月21号-5月1号对设计内容进行测试，修改，达到老师要求水平。

5月2号-5月20号撰写毕业论文

5月21号-6月1号完善论文内容。

6月2号进行毕业答辩

八、指导教师审查意见

长江大学毕业论文（设计）指导教师评审意见

学生姓名

专业班级

毕业论文

（设计）题目

指导教师

职称

评审日期

评审参考内容：

毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。

学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。

评审意见：

指导教师签名：

评定成绩（百分制）：

_______分

（注：

此页不够，请转反面）

直流无刷长江大学毕业论文（设计）评阅教师评语

学生姓名

专业班级

毕业论文

（设计）题目

评阅教师

职称

评阅日期

评阅参考内容：

毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。

学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。

评语：

评阅教师签名：

评定成绩（百分制）：

_______分

（注：

此页不够，请转反面）

长江大学毕业论文（设计）答辩记录及成绩评定

学生姓名

专业班级

毕业论文

（设计）题目

答辩时间

年月日～时

答辩地点

一、答辩小组组成

答辩小组组长：

成员：

二、答辩记录摘要

答辩小组提问（分条摘要列举）

学生回答情况评判

三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：

_______分

毕业论文（设计）最终成绩评定（依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文（设计）评分的相关规定）

等级（五级制）：

_______

答辩小组组长（签名）：

秘书（签名）：

年月日

院（系）答辩委员会主任（签名）：

院（系）（盖章）

电动机控制电路设计

【摘要】本文以永磁方波无刷直流电动机为控制对象，设计了一套无刷直流电机调速控制系统。

该系统基于单片机对其外围器件的控制来实现对无刷直流电机的相关控制。

本课题是一个理论性课题，本文的撰写目的是讨论无刷直流电机的控制方法。

本文首先介绍了无刷直流电机的工作原理及其控制技术的发展与现状、无刷直流电机的结构及运行特性。

然后就论述了无刷直流电机的控制技术，在分析比较各种控制方法的优缺点的基础上根据实际采用单片机控制方案。

对单片机做一个简单的介绍。

在接下来的内容中,对系统的硬件设计做了详细论述；接着阐述了无刷直流电机的转子位置检测方法；接着介绍了算法的软件实现、软件滤波和相移校正、换相点的软件实现；最后详细论述了系统软件的实现方法。

本文所完成的主要工作如下:

（1）无刷直流电机工作原理论述。

（2）系统控制方案设计。

（3）硬件系统设计，功率变换电路的选择，相关外围电路的设计。

（4）软件模块的设计及论述。

（5）理论设计与分析，理论计算。

【关键词】:

无刷直流电机，反电动势，换相检测，位置传感器，单片机。

TheControloftheBrushlessDCMotor（BLDC）

【Abstract】Thisthesisdesignsaspeed-variablesystemforPermanentMagnetBLDCM.BasedonSunplushighperformance16-bitMCUAT89C51toimplementthecontro1forBLDCM.

Thesubjectresearchisanacademictask.ItcomposesfordiscussingthemethodofthecontrolofBLDCM.Thesubjectresearchfirstexpoundsthebasiccomponentparts,thebasicrunningprinciple,therunningcharacteristicandtransferfunctionoftheBrushlessDCMotor（BLDCM）.ThenthissubjectresearchdiscussesthecontrolofBLDCManddecidestotheuseofSPMC75todetecttherotorpositionbasedonanalyzingtheadvantagesanddisadvantagesofvariouscontrolmethods.Afterwards,themethodofback-EMFzerocrossingpointandtheconfirmingofcommutationpointisexplainedindetails.Alsohaveabriefintroductiontoasingle-chip.Inthefollowingchapter,thehardwaredesignofthedigitalcontrolsystemisdissertatedindetails．ThendiscussingthebrushlessDCmotorrotorpositiondetectionmethod．Andthenintroducingtheback-EMFzero-crossingdetectionalgorithmaswellastheprinciplesandsoftwareimplementationofthealgorithm．Softwarefilteringandphase-shiftingamendment．Pointsforthesoftwareimplementation．Alsodiscussedindetailanumberofsoftwaremethods．Israisedbythearticle"Softwareinplaceofhardware."Animportantexpressionofthedesignconceptsandapplications.

　　Thisarticlecompletestheprimetaskisasfollows:

（1）TheresearchoftheBLDCMworkingprinciple.

（2）thedesignofthedigitalcontrolsystems．（3）hardwaresystemdesign,thepowertransfernetworkchoice,theinterphasecurrentandthepositiondetectionoftheelectriccircuit．（4）softwaremoduledesignresearch.

【Keywords】BrushlessDCmotor;counterelectromotiveforce;commutationdetection;sensor;SCM;

1前言

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中。

其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。

由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。

针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。

经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。

上世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。

由于直流无刷电动机既具有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优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。

　无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。

总的来说，无刷直流电机可以分为以下三种主要用途：

　　持续负载应用：

主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用，这类应用成本较低且多为开环控制。

　　可变负载应用：

主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。

如家用器具中的、甩干机和压缩机就是很好的例子，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类应用的系统成本相对更高些。

　　定位应用：

大多数工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别，这类应用中往往会完成能量的输送，所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。

测速时可能会用上光电和一些同步设备。

过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用。

1．1无刷直流电动机的基本组成

无刷直流电动机的电枢在定子上，是静止的，主要是通过控制电枢电流来控制磁场的变化，产生与转子磁场始终垂直的磁场。

因而无刷直流电动机主要由定子、转子、位置传感器、霍尔传感器（速度控制）、电子开关线路组成。

其结构原理图如图1—1所示。

图1-1无刷直流电动机的结构原理

图1—1中的位置传感器主要用来检测转子的位置，并且反馈给控制电路，控制电路根据转子的位置来控制电枢电流，确保定子磁场与转子磁场始终垂直。

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。

定子三相绕组有星形联结方式和三角联结方式，而“三相星形联结的二二导通方式”最常用。

一般而言，电机的绕组数量都和永磁极的数量是不一致的（比如用9绕组6极，而不是6绕组6极），这样是为了防止定子的齿与转子的磁钢相吸而对齐，产生类似步进电机的效果，此种情况下转矩会产生很大波动。

转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,…）组成。

图1-1中的电动机本体为三相两极。

如上图所示，位置传感器由三只光电式位置传感元件组成，空间互成120°均匀分布；位置传感器可以控制功率开关的导通情况，当控制V1导通时，直流电流流入A项绕组，形成位于A项绕组轴线上的电枢磁势，与转子作用产生驱动转矩，使转子顺时针旋转。

当转子旋转到其他位置时，位置传感器依次控制V2,V3功率开关的导通，从而让定子产生旋转的磁场，持续产生驱动转矩，使转子旋转起来。

直流无刷电动机通过直流电源（交流电整流后）供电，然后通过换向电路的逆变作用，给定子中的线圈供电，产生磁场与转子上的永磁体作用，推动转子旋转，位置传感器通过感应转子的位置来反馈给换向电路，控制功率开关的闭合，调节定子磁场，保证转子持续的旋转。

直流无刷电动机基本机构及其之间的相互作用的原理图如下：

图1-2无刷直流电动机的原理框图

直流无刷电动机的电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的时间和顺序，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。

功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑分配关系分配给直流无刷电动机定子上的各相绕组，以便使电动机定子产生旋转的电磁场。

各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。

但是位置传感器所产生的信号不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。

1．2无刷直流电动机的工作原理

直流无刷电动机的原理图如下所示：

图1-3电机原理图

主电路是一个典型的电压型交-直-交电路。

逆变器提供等幅等频调制波的对称交变矩形波，。

永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，各个功率开关的导通顺序为V1-V4导通、V1-V6导通、V3-V6导通、V3-V2导通、V5-V2导通、V5-V4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，V1-V6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。

每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电度角，转子跟随定子磁场转动相当于60°电度角空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W产生新的信号，新的信号又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电度角，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。

图1-4三相全控桥的六种通电情况示意图

无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。

由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。

为了实现电子换向，必须有位置信号来控制电路。

主要通过位置传感器检测转子的位置并反馈给控制电路。

 要实现电机转速的控制必须有速度信号。

用获得位置信号相近方法取得速度信号，最简单的速度传感器是测频式测速发电机与电子线路相结合。

      直流无刷电机的换向电路由驱动及控制两部分组成，驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组