基于无刷直流电机的PWM调速系统研究.docx
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基于无刷直流电机的PWM调速系统研究
网络教育学院
本科生毕业论文（设计）
原创优秀论文
题目：
基于无刷直流电机的PWM调速系统研究__
学习中心：
南通电大奥鹏学习中心
层次：
专科起点本科
专业：
年级：
学号：
学生：
指导教师：
王莹
完成日期：
2010年10月日
内容摘要
伴随着半导体工业的发展，使用电子换向的直流无刷电机应运而生。
随着微处理机速度亦越来越快，人们可以将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小。
直流无刷电机即是以电子方式控制交流电换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。
该文介绍直流无刷电机的结构及控制原理,并以C8051F020为例介绍了C8051F单片机在无刷直流电机转速控制中的应用、实现方法、硬件结构及软件结构等。
关键词：
电机；单片机；双闭环；控制系统
目录
内容摘要……………………………………………………………………………I
1引言………………………………………………………………………………1
1.1无刷电机的发展现状………………………………………………………1
1.2无刷电机的应用领域………………………………………………………1
2无刷直流电机的结构………………………………………………………2
2.1无刷直流电动机的发展过程………………………………………………2
2.2无刷直流电动机结构………………………………………………………3
3无刷直流电机的运行原理和PWM调速系统控制特性…………………5
3.1无刷直流电动机的运行原理………………………………………………5
3.2PWM调速系统控制原理及特性……………………………………………6
3.3PWM调速系统的分类及优点………………………………………………9
3.4电机转速的数字PID算法思想……………………………………………10
4系统硬件设计…………………………………………………………………12
4.180C51单片机硬件结构……………………………………………………12
4.2PWM信号发生电路………………………………………………………13
4.3单片微机闭环速度控制电路……………………………………………14
4.4直流电机驱动系统电路…………………………………………………15
5结论……………………………………………………………………………16
参考文献……………………………………………………………………………17
附录………………………………………………………………………………18
附录AC8051F020引脚功能图……………………………………………………18
附录BC8051F020的内部结构………………………………………………………18
1引言
1.1无刷电机的发展现状
直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。
为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。
20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。
1.2无刷电机的应用领域
无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。
其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。
2无刷直流电机结构
提到直流无刷电机，那么就不得不提直流有刷电机。
这里的“刷”实际上就是指“碳刷”，最早的直流电机都是带有“碳刷”的。
碳刷是直流有刷电机中的关键性部件，主要起到电流的换向作用。
然而其缺点也是较为突出：
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。
而且碳刷存在磨耗问题，需要定期的更新碳刷，维护不方便。
2.1无刷直流电动机的发展过程
无刷直流电动是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体，位置检测器，逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机。
在国外，电机大致沿着AC交流异步电机—→直流无刷电机—→步进电机—→伺服电机这样的演变流程在发展。
因此对于各种电机的特性，国外的工程师往往比较了解，电机的采用主要根据最适合现场的标准来选择。
我国的工业自动化，在改革开放后飞速发展起来。
在90年代，伺服电机就已经被引入国内，广大的工控人士得以直接接触到了电机的最高端类型伺服电机。
而在改革开发之前，我国工控业界马达使用类型较为单一，绝大部分的工程师都只知道和使用AC交流异步电机。
中间类型的步进电机和直流无刷电机还没有来得及接触就应用到了伺服电机，马达的中间类型存在着一定的真空段，我们称这种现象叫做跳级。
而实际应用中，很多场合使用直流无刷电机不仅成本下降较多，而且效果还不错，控制也相对伺服电机简单。
伴随着半导体工业的发展，使用电子换向的直流无刷电机应运而生。
随着微处理机速度亦越来越快，人们可以将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小。
像模拟/数字转换器（Analog-to-digitalconverter，ADC）、脉冲宽度调制（pulsewidemodulator，PWM）…等。
直流无刷电机即是以电子方式控制交流电换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。
从目前直流电机的发展趋势来看，直流有刷电机逐步被淘汰，直流无刷电机成为直流电机的主流。
无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。
其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。
在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。
按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波直流电动机（BLDCM）和正弦波直流电动机（PMSM），BLDCM用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷；而PMSM则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。
在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因而BLDCM的应用较PMSM要广泛的多。
直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。
工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。
2.2无刷直流电动机结构
无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可靠性得以提高。
无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：
铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。
钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。
第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。
直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数（P）影响：
N=120*f/P。
在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率f就可以改变转子的转速。
直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制（驱动器），控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。
也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。
无刷直流电动机是一种无级变速电机，它由一台同步电机和一组逆变桥所组成。
它具有直流电机那样良好的调速特性，但是由于没有换向器，因而可做成无接触式，具有结构简单、制造方便、不需要经常性维护等优点，是一种理想的调速电机。
无刷直流电动机的构造一般是内藏检测转子位置用的磁气元件（霍尔IC）或光学编码器。
由此位置传感器向驱动电路发出信号。
电动机线圈是3相星形结线。
另外，转子使用永久磁钢。
检测用的磁性元件是一般使用霍尔IC，个别高档的直流无刷电机使用编码器。
霍尔IC固定在定子的内侧，一般安装有3个，转子转动时，即从霍尔IC输出数字信号。
图2.1
3直流无刷电机的运行原理和PWM调速系统控制特性
3.1无刷直流电动机的运行原理
直流无刷驱动器包括电源部及控制部如下图：
电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。
电源部可以直接以直流电输入（一般为24V）或以交流电（110V/220V），如果输入是交流电就得先经转换器转成直流。
不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由变频器转成3相电压来驱动电机。
变频器一般由6个功率晶体管组成。
6个功率晶体管连接着电机，作为控制流经电机线圈的开关。
要让电机转动起来，首先控制部就必须根据霍尔IC感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启（或关闭）换流器中功率晶体管的顺序，使电流依序流经电机线圈产生顺向（或逆向）旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。
当电机转子转动到霍尔IC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同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。
基本上功率晶体管的开法请见下图示：
图3.1
电动机线圈连接至有开关用的晶体管，晶体管有6个，组成变频器。
上下的晶体管依一定顺序交互地重复ON-OFF，转变线圈电流的方向。
接下来说明运转的结构。
以上图的晶体管的开关程序执行STEP1时，晶体管是Tr1与Tr6为ON的状态。
这时的线圈电流是从U相流到W相，U相是被励磁成N极、而W相则被励磁成S极。
因此，转子运转30°。
此动作重复12次，转子运转1圈。
3.2PWM调速系统控制原理及特性
3.2.1PWM脉宽调制原理
脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。
运算放大器工作在开换状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间变化，这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用。
加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。
一个输入信号是锯齿波调制信号，另一个是控制电压，其极性大小可随时改变，与锯齿波调制信号相减，从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉宽可变的调制输出电压。
只要改变控制电压的极性,也就改变了PWM变换器输出平均电压的极性,因而改变了电动机的转向.改变控制电压的大小,则调节了输出脉冲电压的宽度,从而调节电动机的转速.只要锯齿波的线性度足够好,输出脉冲的宽度是和控制电压的大小成正比的。
逻辑延时环节：
在可逆PWM变换器中,跨接在电源两端的上下两个晶体管经常交替工作.由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间,总称关断时间,在这段时间内晶体管并未完全关断.如果在此期间另一个晶体管已经导通,则将造成上下两管之通,从而使电源正负极短路.为避免发生这种情况,设置了由RC电路构成的延时环节.
图3.2PWM变换器电路原理图
3.2.2PWM脉宽控制特性
永磁无刷直流电动机具有有刷直流电动机那样良好的调速性能，却没有电刷和换向器，这主要是它用转子位置传感器替代了电刷．用电子换向电路（逆变器）替代了机械式换向器之故。
因此，电子控制系统是无刷直流电动机不可缺少的组成部分，否则这种电机不能运行。
图3.3所示是永磁无刷直流电动机的控制系统框图。
由图可见，永磁电机本体、转子位置传感器和功率电子开关电路是最基本的组成部分。
转子位置传感器产生的转子位置信号被检测出来后，送至转子位置译码电路，经放大和逻辑变换形成正确的换向顺序信号，去触发导通相应功率开关元件，使之按一定顺序接通或关断绕组，确保电枢产生的步进磁场和转子永磁磁场保持平均的垂直关系，以利于产生最大转矩。
换向信号逻辑变换电路则可在控制指令的干预下，根据现行运行状态和对正转、反转，电动、制动，高速、低速等要求实现换相（触发）信号分配，导通相应的功率电子开关器件，产生出相应大小和方向的转矩，实现电机的运行控制。
图3.3永磁无刷直流电动机控制系统框图
下面介绍采用C8051单片机控制的永磁无刷直流电动机控制系统，如图3.4所示。
该系统中，电机定子绕组三相Y联结，桥式主电路为两两通电方式：
C8051单片机P2口置成输人口，送人位置检测信号H1、H2、H3；P1口置成输出口，其P1．0、P1．1、P1．2口经反向驱动门74LS06控制P沟道MOSFETV1、V3、V5栅极；P1．3、P1．4、P1．5经或非门74LS33与P0．1相或后控制N沟道帅MOSFETv4、v6、v2。
此外，P0．0线输出发电制动高电平信号，导通V0后可使转子动能变换成的电能消耗在制动电阻RT上。
电流采样电阻Rf用于电流检测，其上电压信号Uf送电压比较器LM与设定值U0相比较，控制下桥臂元件的通、断，实现恒流控制或过流保护。
下面介绍这种单片机控制系统实现的功能。
无刷直流电动机的转速控制原理与普通直流电动机一样，通过脉宽调制（PWM）方法改变电压大小实现速度调节。
对于图1的无刷直流电机调速系统．各下桥臂元件除接受P1口的触发信号外，还通过74LS33或非门引入P0.1的PWM控制，当P0．1输出高电平时，主电路因v4、v6、v2被封死而断电；当P0.1输出低电平时，主电路六只开关管受P1口控制而正常通、断，只要对P0.1实行PWM控制就能调节供给电枢绕组电压的大小，调节电机的转速：
在某些控制电路中，PWM信号可出直流电平信号（调制波）与高频三角载波相交的模拟电路方法或直流PWM专用芯片获得，此时微机只需输出与速度相应的直流电平调制信号即可。
图3.48051控制永磁无刷直流电动机原理图
3.3PWM调速系统的分类及优点
3.3.1PWM调速系统的分类
（1）串电阻调速系统。
（2）静止可控整流器。
简称V-M系统。
（3）脉宽调速系统。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。
改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。
该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。
且技术落后，因此搁置不用。
V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。
它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。
V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。
最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。
当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。
脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。
脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
3.3.2PWM调速系统有下列优点：
（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：
10000左右。
由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。
（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。
（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。
根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。
脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。
为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。
可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。
我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4各续流二极管组成的桥式电路。
3.4精确控制电机转速的数字PID算法思想
分析各种经典和现代的控制算法，发现经典的单回路PID控制加上简易的智能“自学习”算法是本系统的最佳控制算法。
PID控制算法是一种在单片机控制中常用的算法，PID控制由于其控制方法简单、稳定性好、可靠性高和易于现场调试，被广泛用于工业过程控制。
其输入e（t）与输出u（t）的关系为
（3.1）
数字PID控制算法是以模拟ＰＩＤ调节器控制为基础，由于单片机是一种采样控制，它只能根据采样时的偏差计算控制量。
如果采样周期Ｔ取得足够小，采样数值计算的方法逼近可以相当准确，被控过程连续控制十分接近。
离散化后的PID算式为
（3.2）
式中，K——比例系数
——偏差为零时的控制作用
——积分系数
——微分系数
T——采样周期时间
以上公式称为位置式算法。
由它可推出增量式算法
（3.3）
在本设计中采用了增量式算法，这是由于增量式算法只需保持以前三个时刻的偏差即可，既节省了资源又不会产生较大的累积误差。
式中各系数由反复实践后确定。
经参数整定和实际观测证明，使用PI控制较为合理，微分控制由于易引起系统振荡而不被采用，实际采用近似纯比例控制，使用较小的积分项用以消除余差。
这种控制方式可以加快系统响应，并具有较高精度。
利用PID算法控制电机转速的具体实现方法为先测量电机转速，得到
，然后同设定值相减得到
，进而计算出输出值
，
对应实际物理量是控制电机转动的脉冲宽度。
控制电机精密调节。
4系统硬件设计
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：
一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定时/记数器﹑中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。
二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备。
4.1C8051单片机硬件结构
C8051单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。
如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。
它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。
但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。
1）微处理器
该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。
2）数据存储器
片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。
3）程序存储器
由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。
4）中断系统
具有5个中断源，2级中断优先权。
5）定时器/计数器
片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。
6）串行口
1个全双工的串行口，具有四种工作方式。
可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。
7）P1口、P2口、P3口、P4口
为4个并行8位I/O口。
8）特殊功能寄存器
共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。
实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。
由上可见，C8051单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。
4.2PWM信号发生电路
PWM波可由具有PWM输出的单片机（如C8051等）通过编程产生，也可采用PWM专用芯片来实现。
PWM波的频率太高时，对直流电机驱动的功率管要求太高，太低时产生电磁噪声较大。
实践应用中PWM波的频率在18kHz左右效果最好。
经综合分析，本系统采用两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。
两片比较器U3、U2的A组接4040计数输出Q2～Q9端，B组接单片微机的P1端口。
改变P1端口的输出值，可使PWM信号的占空比产生变化，进行调速控制。
计数器4040的计数输入端CLK接单片机2051晶振的振荡输出XTAL2。
晶振选用18MHz时，经QO～Q2的8分频，Q2～Q9的256分频，产生的PWM波形的频率为17．6kHz，适合光耦及功率开关管的合理工作范围。
计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2～Q9加1，当计数值小于或等于单片机P1端口输出值X时，U2的（A>B）输出端保持为低电平，当计数值大于X时U2的（A>B）输出端为高电平。
随着计数值的增加，Q2～Q9由全“1”变为全“O”时，（A>B）输出端又变为低电平，这样，在U2的（A>B）端得到PWM的信号，其占空比为（255-X/255）×100％，改变X值可改变PWM信号的占空比，进行直流电机的转速控制。
使用此方法单片机只需根据调整量输出X值，PWM信号由三片通用数字电路生成，使软件大大简化，有利于单片机系统正常工作。
由于单片机上电复位时P1端口输出全“1”，使用4585的B组与P1端口相连，升速时PO端输出X按一定规律减少，降速时按一定规律增大。
图4.1
4.3单片微机闭环速度控制电路
本系统的闭环控制选用低价位的单片机C8051，C8051单片机片内有2K的flash程序存储器，15个I/O口，两路16位的定时/计数器，指令及中断系统与8031兼容，给闭环速度控制带来很大的灵活性。
闭环速度控制中传感器选用霍尔传感器，小磁钢固定在被测转轴上，每转一周输出一个脉冲信号。
转速脉冲信号经施密特触发器U6-1，U6-2整形后，输入到C8051单片机的INTO中断口P3．2端口上。
软件设置INTO为下降沿中断，进入中断服务程序后开启定时/计数器O进行定时，测出每转的周期，再由软件计算出控制值X，由P1端口输出PWM波占空比的控制数。
C8051单片微机的上电复位使用了MAX812电压监控器，上电时约有200ms的延迟，以保证复位正常进行。
为了防止掉电后预置数丢失，使用了使用备用电池保护C8051单片机片内RAM数值。
电源经变压整流后，一路经DC-AC开关电源输出5V直流电压给单片机系统供电，一路经三端稳压元件7812稳压输出12V电压供驱动大功率开关管使用。
单片机系统电源与驱动电路部分电源隔离，以提高系统工作的可靠性和安全性。
4.4直流电机驱动系统电路
直流电机驱动系统原理如下图所示。
图4.2直流电机驱动系统原理图
U2生成的PWM信号经
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