关于直流电机闭环调速系统的研究.docx
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关于直流电机闭环调速系统的研究
1绪论
随着社会生产力的发展，需要不断地开发各种新型电动机。
新技术新材料的不断涌现，促进了电动机产品的不断推陈出新。
早在本世纪30年代，就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的无刷直流机，并取得了一定的成果。
但由于当时的大功率电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向元器件。
1955年,美国的D.Harrison等人首次申请了应用晶体管换向代替电机机械换向的专利，这就是现代无刷直流机的雏形，但由于电动机尚无起动转矩而不能产品化。
而后又经过人们多年的努力，借助于霍尔元件来实现换向的无直流机终于在1962年问世，从而开创了无刷直流机产品化的新纪元。
70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如GTO,MOSFET,IGBT等相继出现，为无刷直流机的广泛应用奠定了坚实的基础[1]。
无刷直流机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁钢。
无刷直流机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子采用位置传感器实现电子换相来代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相逐次通电产生电流，定子磁场和转子磁极主磁场相互作用产生转矩。
和有刷直流电机相比，无刷直流机由于取消了电机的滑动接触机构，消除了故障的主要根源。
转子上没有绕组，也就没有了励磁损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的,因而进一步增加了工作的可靠性[2]。
随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉冲调制（paulswidthmodulation,简称PWM）控制的无刷直流电机已成为主流。
随着半导体工业，特别是大功率电子器件及微控制器的发展，变速驱动变的更加现实且成本更低。
本文充分利用单片机的数字信号处理器运算快、外围电路少、系统组成简单、可靠的特点，将其应用于无刷电机的驱动设计。
实验表明，该设计使得无刷直流电机的组成简化和性能的改进成为可能，有利于电机的小型化和智能化。
2无刷直流电动机
2.1电机的分类[30]
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无刷直流电机及其控制技术的发展
1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。
从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。
随着应用领域的扩大，对直流电机的要求也就越来越高，有接触的机械换向装置限制了有刷直流电机在许多场合中的应用。
为了取代有刷直流电机的电刷－换向器结构的机械接触装置，人们曾对此作过长期的探索。
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[6]。
20世纪30年代，有人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。
科学技术的迅猛发展，带来了电力半导体技术的飞跃。
开关型晶体管的研制成功，为创造新型直流电机——直流无刷电机带来了生机。
1955年，美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。
它由功率放大部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成，其工作原理是当转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的信号电动势，此信号电动势份别使晶体管轮流导通实现换相。
问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷直流电机没有起动转矩；其次，由于信号电动势的前沿陡度不大，晶体管的功耗大。
为了克服这些弊病，人们采用了离心装置的换向器，或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动。
但前者结构复杂，而后者需要附加的起动脉冲。
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。
20世纪60年代初期，接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世，之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。
半导体技术的飞速发展，使人们对1879年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年的努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件（霍尔效应转子位置传感器）来实现换相的无刷直流电机。
在⒛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。
1968年，德国人W·Mieslinger提出采用电容移相实现换相的新方法。
在此基础上，德国人R·Hanitsch试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机。
2.3无刷直流电动机的结构
无刷直流机的转子是由永磁材料制成的,具有一定磁极对数的永磁体。
为了能产生梯形波感应电动势，无刷直流机的转子磁钢的形状呈弧形（瓦片状），气隙磁场呈梯形分布。
定子上有电枢，这一点与永磁有刷直流电动机正好相反。
无刷直流机的定子电枢绕组采用整距集中式绕组，绕组的相数有二、三、四、五相，但应用最多的是三相和四相。
各项绕组分别与外部的电子开关电路相连，开关电路中的开关管受位置传感器的信号控制。
无刷直流机的工作离不开电子开关的电路，因此由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成了无刷直流机控制系统。
其原理框图如图2-1所示。
图中，直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止。
从而自动地控制了哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子换向[13]。
图2.1无刷直流电动机原理框图
2.4无刷直流电机系统结构及工作原理
普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。
为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断的改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。
无刷直流机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通电动机相反。
然而即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直流电以后，只能产生不变的磁场电动机依然转不起来。
为了使电动机的转子转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90o左右的空间角，产生转矩推动转子旋转[5]。
在换相的过程中，定子各项绕组在工作气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式运动。
这种旋转磁场在一周有三种状态，每种状态持续120o。
它们跟踪转子，与转子的磁场相互作用，能够产生推动转子继续转动的转矩[19]。
2.4.1直流无刷电机组成
直流无刷电机与有刷直流电机相似，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。
在电机内，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，直流无刷电机由电机本体，转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成，如图2.2所示[22]。
图2.2无刷直流电机原理图
（1）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启动装置。
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。
（2）位置传感器
位置传感器在直流无刷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。
在直流无刷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、磁敏式位置接近传感器。
（3）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。
2.4.2基本工作原理
众所周知，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。
直流无刷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，这与传统直流用词电动机的结构刚好相反[3]。
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，它不能与运动只能够转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子做功。
所以直流无刷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、控制电路以及工具逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和装洞中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[17]。
2.4.3直流无刷电机参数
本系统采用的无刷电机参数：
·额定功率：
100W
·额定电压：
24V（DC）
·额定转速：
3000r/min
·额定转矩：
0.23N•m
·最大转矩：
0.46N•m
·定位转矩：
0.01N·m
·额定电流：
4.0A
·最大电流：
8.0A
·极对数：
4
·霍尔传感器位置呈60°放置
2.4.4三相无刷电动机主电路及工作方式
由以上基本原理可知，无刷电机的连续运行，定子绕组所产生的的磁场和装洞中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，因此定子绕组需要加三相电源，此电源可通过图2的逆变电路产生。
图2.3电机主电路图
在三相逆变电路中，应用最多的是如图二所示的三相桥式全控逆变电路。
在该电路中，电动机的三相绕组为Y联结。
Q1、Q2、……Q6为六只MOSFET功率管，起绕组的开关作用,高电平是导通，他们的通电方式又可分为两两导通和三三道通两种方式。
1.二二通电方式
所谓二二通电方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（60°电角度）换相一次，每次换相一个功率管导通120°电角度。
各功率管的导通顺序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1…。
当功率管VF1和VF2导通时，电流从VF1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VF2回到电源。
如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩则为负，它们合成的转矩如图3a所示，其大小为
Ta，方向在Ta和－Tc的角平分线上。
当电机转过60°后，由VF1VF2通电换成VF2VF3通电，这时，电流从VF3流入B相绕组再从C相绕组流出，经VF2回到电源，此时合成的转矩如图3b所示，其大小同样为
Ta。
但合成转矩Tbc的方向转过了60°电角度。
而后每换一次导通状态，合成转矩矢量方向就随着转过60°电角度，但大小始终保持
Ta不变。
图4c示出了全部合成转矩的方向[16]。
a）VF1、VF2导通时合成转矩b）VF2、VF3导通时合成转矩c）二二导通时合成转矩矢量图
图2.4联结绕组二二通电时的合成转矩矢量图
所以，同样一台无刷直流电机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相星形联结全控电路，在二二换相的情况下，其合成转矩增加了
倍。
每隔60°电角度换相一次，每个功率管通电120°，每个绕组通电240°，其中正相通电和反相通电各120°，其输出转矩波形如图2-5所示。
由图5可以看出，三相全控时的转矩波动比三相半控时小得多。
图2.5全控桥输出波形图
如将三只霍尔传感器按相位差120°安装，则它们所产生的波形如图2-5所示。
其换相的控制电路可由一片74LS138型3－8译码器和74LS09、74LS38两片门电路构成，本系统采用无刷直流电动机专用集成电路LM621控制[12]。
图2.6传感器输出波形
2.三三通电方式[14]
所谓三三通电方式，是指每一瞬间均有三只功率管同时通电，每隔60°换相一
次，每个功率管通电180°。
它们的导通次序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3…当VF6VF1VF2导通时，电流从VF1流入A相绕组，经B相和C相绕组（这时B、C两相绕组为并联）分别从VF6和VF2流出。
这时流过B相和C相绕组的电流分别为流过A相绕组的一半，其合成转矩如图7a所示，其方向与A相相同，大小为1.5Ta。
经过60°电角度后，换相到VF1VF2VF3通电，即先关断VF6而后导通VF3（注意，一定要先关VF6而后通VF3，否则就会出现VF6和VF3同时通电，则电源被VF3VF6短路，这是绝对不允许的）。
这时电流分别从VF1和VF3流入，经A相和B相绕组（相当于A相和B相并联）再流入C相绕组，经VF2流出，合成转矩如图6b所示，其方向与C相相同，转子再转过60°电角度后大小仍为1.5Ta。
再经过60°电角度后，换相到VF1VF2VF3通电，而后依次类推，循环往复。
它们的合成转矩矢量图如图2.7c所示。
a）VF6VF1VF2导通时的合成转矩b）VF1VF2VF3导通时的合成转矩c）三三通电时的合成转矩
图2.7三三通电时的合成转矩矢量图
在这种通电方式里，每瞬间均有三个功率管通电。
每隔60°换相一次，每次有一个功率管换相，每个功率管导通180°。
从某一相上看，它们的电压波形如图2.8所示。
图2.8星形联结三三通电方式其中一相电压波形
此外，根据直流侧电源性质的不同可分为两种：
直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。
它们各有特点，本系统使用电压型逆变电路，它有以下特点
：
（1）直流侧为电压源，或接有大电容，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，交流侧电压波形为矩形波，并且与阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角而异。
（3）当交流侧为阻感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥给臂都并联反馈二极管[23]。
3本文研究的意义及主要内容
直流无刷电机集特种电机、变速结构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成新一代伺服系统，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。
直流无刷电机集交流电机和直流电机优点于一体，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗。
直流无刷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。
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[15]。
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。
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。
4脉宽调制（PWM）技术
4.1脉宽调制的原理[13]
脉宽调制（PWM）是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。
PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。
模拟电路控制有以下缺陷：
模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。
而在用了PWM技术后，避免了以上缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。
PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面，比如：
电机调速、温度控制、压力控制等等[21]。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。
也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
如图4.1所示。
图4.1PWM占空比原理图
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比。
由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。
严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系[18]。
4.2脉宽调制方式[11]
PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有以下8类方法[27]：
1.相电压控制PWM
（1）等脉宽PWM法
（2）随机PWM
（3）SPWM法
①等面积法
②硬件调制法
③软件生成法
·自然采样法
·规则采样法
④低次谐波消去法
（4）梯形波与三角波比较法
2.线电压控制PWM
（1）马鞍形波与三角波比较法
（2）单元脉宽调制法
3.电流控制PWM
（1）滞环比较法
（2）三角波比较法
（3）预测电流控制法
4.空间电压矢量控制PWM
5.矢量控制PWM
6.直接转矩控制PWM
7.非线性控制PWM
8.谐振软开关PWM
5直流无刷电动机控制系统设计
5.1基本原理
本系统以AT89C51单片机为核心，通过LM621，以2*3矩阵键盘做为输入，4位数码管显示，达到控制无刷直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。
在系统中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。
如果采用软件换相，单片机要不断地执行换相操作，才能使电动机转动下去，同时还要监控用户界面，控制转速和转向操作，因此负担很重，故本系统中采用专用集成电路芯片LM621来完成换相工作。
5.2总体框图
系统总体框图如图5.1所示。
图5.1系统整体框图
6直流无刷电动机控制硬件电路设计
6.1AT89C51简介
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），期间采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器9（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可灵活应用于各种控制领域[8]。
主要性能参数：
·与MCS-51产品指令系统完全兼容
·4K字节可重复擦写Flash闪存存储器
·1000次擦写周期
·全静态操作：
0Hz——24MHz
·三级加密程序存储器
·128*8字节内部RAM
·32个可编程呢个I/O口线
·2个16位定时器/计时器
·5个中断源
·可编程串行UART通道
·低功耗空闲和掉电模式
功能概述[29]：
AT89C51提供以下标准功能：
4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内同，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作指导下一个8硬件复位。
AT89C51引脚图如图6.1所示。
图6.1AT89C51引脚图
6.2单片机与键盘接口
图6.2系统键盘接口
本系统使用最简单的2*3矩阵键盘实现对整个系统的操作，键盘结构如图6.3所示:
启动/制动
▲
正反转
◁
▼
▷
图6.3键盘结构
各键对应的功能和键值如表6.1。
表6.1各键对应功能和键值：
键位
功能
键值
S1
启动/制动
0XA0
S2
▲
0X90
S3
正反转
0X88
S4
◁
0X60
S5
▼
0X50
S6
▷
0X48
各键详细功能如下：
S1：
启动系统。
单片机上电初始化后，首先扫描键盘，若S1被按下，则启动系统，否则将一直扫描键盘，此时其他键没有任何功能。
S4和S6：
系统运行期间，若按下S4或S6，系统进入调速状态，此时4位数码管从左边第一位开始闪烁，代表当前位，若5S内键盘没输入，则自动确认
当前输入值，通过调速达到设定值。
S2和S5：
通过按S4或S6，当前位闪烁，此时通过S2和S5可对当前位进行+1/-1，若5S内没有操作，系统自动确认当前输入值。
S3：
正反转，实现电机的反转[4]。
6.3显示电路[28]
整个显示电路包括两部分：
（1）.数码管
本系统采用4位8段共阴极数码管显示
P0口接上拉电阻
数码管段选通过限流电阻接P0口
位选接P1.0——P1.3口
（2）.LED发光二极管
两个二极管一个代表正转一个代表反转
6.4逆变器与驱动电路接口
1.逆变器
本系统逆变部分采用三相桥式全控逆变电路，功率开关器件采用IGBT。
2.驱动电路[7]
（1）通过直流无刷电机换相专用芯片LM621控制功率管的导通，从而驱动电动机，LM621的特点[20]：
·三相和思想无刷直流电动机兼容
双极性驱动
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