直流无刷电机调速系统设计.docx

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直流无刷电机调速系统设计

直流无刷电机调速系统设计

摘要

本文首先介绍了三相直流无刷电机在国内外的发展及其控制系统的研究现状，详细论述了三相永磁直流无刷电机的构成、运行原理、特性分析和其转子位置信号的检测方法;然后设计了控制系统的硬件电路及相应软件。

首先电机的选用问题。

本系统选用了应用比较广泛的三相电机，好处是容易买到还有就是控制比较准确。

三相直流无刷电机是近年来迅速发展起来的一种新型电机，它利用电子换相代替机械换相，既具有直流电机的调速性能，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，并且体积小、效率高，在许多领域已得到了广泛的运用。

本系统以单片机为核心，控制电路为转速闭环控制控制这样可以保证转速控制的准确性和快速性。

因为转速是本系统最重要的数据。

进行调速的方法有很多种本系统经过多方面的比较，最终确定利用PWM技术实现电机的调速。

这样可以保证最终的转速具有一定准确性。

由于考虑到显示效果的因素，本系统选用液晶显示转速。

关键词：

直流无刷电机,调速,PWM,PID闭环控制

DCBrushlessMotorSpeedControlSystem

ABSTRACT

Thispaperintroducesthethree-phaseDCbrushlessmotorinthedomesticandinternationaldevelopmentandcontrolsystemstatus,detailofthree-phasepermanentmagnetbrushlessDCmotorstructure,operatingprinciples,characterizationandtherotorpositionsignaldetectionmethod;andthendesignthecontrolsystemhardwareandcorrespondingsoftware.

First,theselectionofmotorproblems.Thissystemuseabroaderapplicationofthree-phasemotor,itiseasytogetthereistheadvantageofmoreaccuratecontrol.Three-phaseDCbrushlessmotorisdevelopedrapidlyinrecentyearsanewtypeofmotorthatuseselectroniccommutationtoreplacemechanicalcommutation,bothwithDCmotorspeedperformance,butalsohastheACmotorissimple,reliableoperation,easymaintenance,etc.advantages,andsmallsize,highefficiency,inmanyareashavebeenwidelyused.

Microcontrollerasthecoreofthissystem,closedloopcontrolcircuittocontrolspeedcontrolspeedcontrolthatcanensuretheaccuracyandrapidity.Becausethesystemspeedisthemostimportantdata.SpeedgovernorTherearemanywaysinmanyaspectsofthissystemiscomparedtofinalizethetechnologyusingPWMmotorspeedcontrol.Thisguaranteesacertainaccuracyofthefinalspeed.Inconsiderationoftheefect,speedofliquidcrystaldisplayusedinthissystem.

KEYWORDS:

DCbrushlessmotor，speedcontrol，PWM，PIDclosedloopcontrol

1绪论

1.1课题依据及意义

直流无刷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，直流无刷电动机需要量迅速增加。

直流无刷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。

国内近年来在直流无刷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，并且很多直流无刷电机生产商都没有给出具体的控制方案，因此在直流无刷电机控制方面的研究是非常有必要的。

由于直流无刷电机具有体积小、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，直流无刷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，因此直流无刷电机的应用和研究得到了前所未有的重视。

据资料统计表明直流无刷电机的使用每年以较高比例增长。

另一方面直流无刷电机与直流有刷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。

1.2直流无刷电机的发展

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年人们首次成功的实现了用晶体管换向线路代替直流有刷电机机械电刷，这标志着现代直流无刷电机的诞生。

直流无刷电动机是近年随着电力电子器件及新型永磁材料发展而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机，既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电机那样固有的优越的起动性能和调速特性，而无机械式换向机构，现以广泛应用于各种调速驱动场合，其应用前景看好，尤其从当今的环保、能源、效率等综合因素出发，永磁直流无刷电机可望在未来电动车及冰箱或空调类永磁压缩机领域占有主导地位。

直流无刷电动机控制器结构已有多种形式，有最初复杂的模拟式到近来以单片机为核心的数字式，但新型电机控制专用芯片的出现，给直流无刷电机调速装置设计带来了极大的便利，这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强、特别适用于对控制器体积、价格性能比要求较高的场合。

二十世纪六十年代以来，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，“直流无刷电机”的概念己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。

在一些较为发达的国家里，直流无刷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直流无刷电机，日本的不少公司已将直流无刷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。

1.3直流无刷电机控制系统的发展现状

现阶段国内外直流无刷电机控制的研究主要包括转子位置检测及功率管的状态切换、速度调节、转矩脉动的抑制、直流无刷电机的起动。

1.3.1转子位置检测及开关状态切换

直流无刷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直流无刷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。

（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，但是此方法在电机低速启动时很不准确严重时可能引起电机的失步。

根据目前的学习情况，本系统选择了前一种转子位置检测的方法[1]。

1.3.2速度调节

根据直流无刷电机的机械特性转速为:

n=（U一△U一Iav.Rav）/Ke

（1-1）

因此调节电动机转速可以有三种方法：

（1）调节电枢供电电压U。

（2）减弱励磁磁通

。

（3）改变电枢回路电阻Rav。

对于要求在一定范围内无极平滑调速系统来说，以调节供电电压的方式最好。

改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但是调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。

但是要提高调速系统的性能，必须对电机的转矩进行控制。

这样可以相对减少外界对系统速度的影响。

而对电机转矩影响最大的因素就是电流。

所以本系统选用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。

是速度的调节变得平滑未定。

1.4本课题研究的主要内容

本课题以直流无刷电机为研究对象，研究其调速方式，并以MCS-51系列单片机为核心进行调速系统的软硬件设计，对于解决直流电机的调速问题给出了有效的方法，具有一定的实际意义。

通过本研究工作，最后掌握文献资料检索、软硬件功能分析、方案制定及论文写作方法，并养成科学、严谨、诚实、一丝不苟的工作作风；同时也使动手能力和实践能力得到锻炼和提高，主要是了解了直流电机调速系统的软硬件，而且初步掌握直流电机调速系统硬件及程序开发调试的方法和主要手段。

其中主要内容如下：

（1）通过对MCS-51单片机、直流无刷电机调速方法的特点及其设计方法的了解、对本课题有一个全面的掌握。

（2）以MCS-51系列单片机为核心，设计直流无刷电机调速系统的硬件及软件程序。

（3）掌握Protel软件及汇编语言仿真调试环境的使用。

（4）初步掌握硬件设计及汇编语言程序开发调试的方法和主要手段[2]。

1.5本章小结

总的来说本章属于做毕业设计前的准备工作。

主要所得工作就是，搜集一些资料，这样可以更多的了解直流无刷电机的工作原理。

为以后的设计工作带来更大的好处。

其实在这方面的技术已经比较成熟。

有很多的集成芯片可以直接拿来用。

这样对于设计任务来说有很大的方便。

但是现在是学习阶段，所以对于这方面的知识比较欠缺，所以，做这个课题可以给一个思路（如何去开展一个课题），这样在以后的学习或者工作中，当遇到同样的问题时，就可以直接用这个方法去解决问题。

针对这个课题，我们可以更深入的了解直流电机的控制原理，这样我们就会从原理上明白它的工作过程，为本次毕业设计会有一个概念性的认识。

2直流无刷电机的运行原理

2.1简介

直流电机借助电刷和换向器使电枢磁场与定子磁场须始终相互垂直，但是电刷和换向器在电机转动时会产生火花，电刷和换向器易坏，使用场合也受到限制;交流电机没有电刷和换向器，免维护，坚固，应用广，但不像直流电机那样响应快、起动转矩大、调速范围广等优点，要实现也必须借助复杂的控制系统，因此人们就研究一种既具有直流电机的优点又有交流电机的优点的电机,这就是我们要研究的直流无刷电机。

2.2直流无刷电机的工作原理

永磁直流无刷电机是在传统直流电机基础上发展起来的，其内部发生的电磁过程与普通直流电机类似。

下面以两相导通星形三相六状态永磁直流无刷电机为例说明。

三相永磁直流无刷电机的工作原理是通过逆变器功率开关管按一定的导通规律导通关断，使电机定子电枢绕组中产生按某一电角度不断变化的旋转磁场，从而推动转子旋转，如图2-2三相全波逆变电路及相电流波形所示，T1，T2，T3，T4，T5，T6六只功率开关管控制三相绕组两两通断，三相六状态方式，即每时刻只有上下桥桥臂一只开关管导通，每隔1/6周期（即60电角度）换相一次，每个开关管一次导通120电角度。

其中上桥臂的序号按顺序为T2.T4.T6下桥臂按顺序为T1.T3.T5。

各开关功率管的导通顺序为T1T4,T1T6,T3T6,T3T2,T5T2,T5T4,T1T4。

三相逆变器各开关导通规律如图2-1所示。

图2-1三相六状态开关管导通规律

假设某一时刻，功率开关管Tl和T4同时导通，则电机绕组A相和B相导通，此时定子电枢合成磁势如图2-2（左）所示的Fal，转子磁势为Ffl，定子磁场与转子磁场相互作用，拖动转子顺时针转动60度电角度转到2-6（右）所示;若开关功率管T4关断，开关功率管T6导通，则电机A相和C相通电，电枢合成磁势如图2-2（右）所示的FaZ，Fal比FaZ顺时针前进了60度电角度;接着开关功率管Tl关断，开关功率管T3导通，又顺时针前进了60度电角度。

随着开关功率管不断有规律的开通关断，定子电枢产生的磁势将按照60度电角度不断地顺时针跳跃，形成旋转磁势，从而形成旋转磁场。

由此可见，永磁直流无刷电机运行时转子的位置决定了逆变器开关功率管的导通与关断顺序。

图2-2三相永磁直流无刷电机工作原理示意图

2.3永磁直流无刷电机特性分析

2.3.1电机的基本公式介绍

电机是一种输入电功率、输出机械功率的转换工具，在应用中我们最关心的是它的转矩、转速、及转矩和转速随电压负载变化规律。

由电机学可知对于直流无刷电机，其电势方程为:

U=E+Iav·Rav+△U（2-1）

式中：

U为电源电压（V）；

E为电枢绕组反电动势（V）；

IaV为平均电枢电流（A）；

RaV为电枢绕组的平均电阻（

）；

△U为功率开关管的饱和压降（V）。

根据电机学可知电枢反电动势为:

E=Ke·n（2-2）

式中Ke为反电动势系数（V·min/r）；

n为电机转速（r/min）；

将式2-2代入式2-1可求得转速n:

n=（U-△U-Iav·Rav）/Ke

（2-3）

在转速不变的的情况下，转矩平衡方程为:

T=TL+Tf（2-4）

式中T为电磁转矩（N·m）；

TL为输出转矩（N·m）；

Tf为摩擦转矩（N·m）；

其中

T=KT·Iav（2-5）

式中KT为转矩系数（N·m/A）

在转速变动的情况下则有转矩平衡方程:

T=TL+Tf+J·dw/dt（2-6）

式中J为转动部分的转动惯量（N·m·

）；

dw/dt为转子的机械角加速度（rad·

）。

有了上面这些公式，现在就可以来讨论直流无刷电机的各种特性。

2.3.2起动特性

由式2-1可知，直流无刷电机起动时，由于反电动势E为零，则电枢电流（即起动电流）为:

=（U-△U）/Rav（2-7）

由于△U功率开关管的饱和压降很小，Rav电枢绕组的平均电阻也很小所以

值有可能为平稳工作后的电枢电流的几倍到几十倍，再由式2-5和式2-6可知起动时的电磁转矩也很大，电机可以很快起动，并能带负载直接起动。

随着转子的加速反电动势E增加，电磁转矩降低，加速力矩减小，最后达到平稳工作状态。

2.3.3机械特性

机械特性是指外加电源电压恒定时2-1、式2-2可得出:

Iav=（U-△U）/Rav-n·Ke/Rav（2-8）

代入式2-8得出:

T=

·Iav=

·（U-△U）/Rav-n·Ke·

/Rav（2-9）

式2-9中

·（U-△U）/Rav是常数，则电磁转矩随着转速的减小而线性增加；当转速为零时，即为起动电磁转矩;当式2-8右边两项相等时，Iav为零，则电磁转矩为零，此时的转速为理想空载转矩。

但在实际应用中，由于电机损耗中可变部分及电枢反应影响，输出转矩会偏移线性变化。

如果外加电压U为一定值时，减小电机负载，转速升高，电子开关管的开关频率也会升高，反电动势增大，电流减小，电磁转矩则减小，当电磁转矩与负载转矩平衡时，电机就会维持在一个比较高的转速下运行;如果负载不变，增加外加直流电压U，则转速升高，反电动势增大，电流减小，电磁转矩则又减小，这样电机将维持在一个比较高的转速下运行。

因此直流无刷电机可以通过调节直流供电电压来改变转速和输出转矩。

由此也可以得出在电子开关电路不变的情况下，直流无刷电机调速性能很好[3]。

2.4位置传感器及位置检测方法

转子位置传感器对直流无刷电机转子位置进行检测，然后用其输出信号经逻辑变换后控制电子开关管的通断，使电机各绕组按顺序导通，保证电机连作。

转子位置传感器也由转子和定子组成，它的转子与电机同轴，以跟踪电子的位置，它的定子固定在电机定子或端盖上。

转子位置传感器包括电磁式、敏式、光电式等。

由于能力所限，而且无位置传感器的计算方法比较复杂，应用难度大，成本高。

所以，本系统不采用，也不必介绍了。

2.5本系统选用的的位置检测方法

有位置传感器位置传感器检测转子位置的直流电机中，电磁式位置传感器由于输出电压信号是交流信号所以必须先整流，另外磁式位置传感器体积大、信噪比低不易于做在电机内部;光电式位置传感器输出的信号比较小，须经过放大处理，这样电路复杂，另外光电位置传感器价格比较高，对于一般应用电机来说也不合算;霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、可靠性强，对工作温度有一定要求，但一般都能满足，所以霍尔元件式位置传感器检转子位置不失为一种很好的选择。

2.6本章小结

本章详细的论述了永磁直流无刷电机的构成、运行原理及特性分析、直流无刷电机转子位置信号的检测方法。

通过对永磁直流无刷电机的构成、运行原理及特性分析可以知道供电源电压、相电流、转速、电磁转矩之间的相互关系，对后续的控制设计奠定了基础;永磁直流无刷电机的机械特性与传统直流电机机械特性相似的结论，并且具有和传统直流电机一样好的控制。

通过对国内外现有的各种位置检测技术的优缺点进行分析可以知道，采用霍尔磁电位置传感器是一种比较好的永磁直流无刷电机位置检测方案。

3直流无刷电机控制系统的硬件设计

3.1概述

直流无刷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，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。

考虑到实际情况本系统控制部分以单片机和控制芯片结合的方法来实现速度的控制。

3.2直流无刷电机调速电路的整体结构

硬件的设计总体思想如下：

以MCS-51单片机8051为核心，通过I/O接口芯片以及相应的电路来实现。

首先要实现调速得选用比较合适的电机，电机的一定要大众化要不然系统的实际电路很难做出来，或者需要定制电机，这样成本上比较大。

单片机不可能用来直接控制电机，所以得用驱动芯片，驱动芯片的输出电压一定要和电机的额定电压配套，这样做不至于浪费驱动芯片的驱动能力，或者不能达到电机要求的转速。

下面就应该考虑最重要的问题也就是PWM产生电路。

总体来说有两种方法来实现，一种是直接用单片机来产生PWM信号，可是这种方法对软件编程能力的要求比较高；另一种方法就是用专门的PWM产生芯片，这样做的优点是，技术比较成熟，抗干扰能力比较好，用法简单，产生的波形比较好。

到此为止，转速控制部分已经基本实现了。

第二部分应该就是显示电路了，对于本次设计来说，显示部分占有举足轻重的作用。

因为我们的调速效果只能用液晶显示出来才能感觉到。

如果显示部分出了问题。

我们整个系统将无法验证。

一切其他东西都不起作用了。

第三部分是接口，在现在设计的系统统中，我们的要求越来越高，针对这次设计，我们要求其应用范围广，这样就必须添加一个接口。

这样就可以用电脑或者其它的上位机来控制系统，这样系统的实用性将有很大的提高。

而且利用上位机，可以实现精确控制。

对系统性能来说，是一次质的飞跃。

第四部分是键盘，如果我们现在需要简单的应用，在这种情况下，使用上位机有点大材小用，这时就需要自己用单片机来实现键盘的输入，进而实现转速的控制。

总体说来设计部分就分为这四个大的方面，其它要做的就是实现这四个部分的相互协调，最终实现系统的整体功能。

本系统的设计以单片机为控制芯片，加上其他辅助芯片为控制主体来控制。

其设计的主体结构图如图3-1所示。

其中控制芯片1为MC33033，控制芯片2为MC33039。

图3-1直流无刷电机控制整体结构图

3.3直流无刷电机的选择

本次设计为原理性说明PWM控制直流无刷电机，所以不求应用性。

只要说明原理即可。

根据经济性以及体积等方面的考虑。

本系统选用SCE公司生产的型号为23L97的直流无刷电机，其参数如下：

表3-1电机的参数

品牌

SCE

产品类型

直流无刷电动机

型号

23L97

额定功率

25（W）

额定电压

30（V）

额定转速

1000-30000（rpm）

额定转矩

0.04（NM）

外形尺寸

φ23×97（mm）

本系统选用的调速方式为调压调速，所以根据以下公式计算转速

n=（U-△U-Iav.Rav）/Ke

（3-1）

Iav为平均电枢电流（A）;

RaV为电枢绕组的平均电阻（

）;

△U为功率开关管的饱和压降（V）。

由于在电机的正常运转情况下Ke和

是不会改变的，△U为功率开关管的饱和压降，一般也不会改变，对于空载来说Iav也不会改变，所以改变U就会改变转速。

根据表3-1提供的数据当电压为30V是转速为30000rpm，这样只要减小电压相应的转速就会改变。

3.4驱动芯片的选择

驱动芯片考虑的问题就是一定要和电机搭配也要和控制芯片搭配，因为驱动是连接控制芯片和驱动芯片的桥梁。

所以一定要协调两种芯片，不一定有完全合适的，可是一定要兼顾两方面，这样可以做到系统的整体优化，不会影响到系统功能的实现。

本系统用的是三相全调，综合各个方面最终选择MPM3003。

首先这个芯片是Motorola公司的，这样采购比较容易，在一个就是这个芯片自带过电流保护，可以使系统安全稳定的工作。

如果出问题也不会影响到其它部分。

接下来对MOSFET和MPM3003作一个简单的介绍。

MOSFET是英文metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor的缩写，小信号MOSFET主要用于模拟电路的信号放大和阻抗变换，但也可应用于开关或斩波。

功率MOSFET除少数应用于音频功率放大器，工作于线性范围，大多数用作开关和驱动器，工作于开关状态，耐压从几十伏到上千伏，工作电流可达几安培到几十安培。

功率MOSFET都是增强型MOSFET，它具有优良的开关特性。

电机驱动采用Motorola公司的MPM3003，它内部由上桥臂的3个P-沟道功率型MOSFET和下桥臂的3个N-沟道功率型MOSFET组成三相桥式电