4118无刷直流电机控制系统设计一.docx
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4118无刷直流电机控制系统设计一
1引言
无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。
现在，无刷直流电机定义有俩种：
一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。
另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。
国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。
本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。
从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。
1.1无刷直流电机的发展概况
无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。
19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。
1955年，美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。
在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。
20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。
1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。
目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。
无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内，都停留在实验阶段，无法推广到实际中使用，1970年以后，半导体的快速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如MOSFET、IGBT等）不断出现，而且高性能的永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现[2]，这些都为无刷直流电机广泛应用提供了有利的条件。
由于无刷直流电机的广泛使用，无刷直流电机的理论也不断得到修改完善。
1986年，H.R.Bolton对无刷直流电机作了系统的总结，这样标志着无刷直流电机在理论上走向成熟。
1.2无刷直流电机
1.2.1无刷直流电机的结构
无刷直流电机主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器组成。
它和有刷直流电机有着很多共同点，定子和转子的结构相似（原来的定子变为转子，转子变为定子），绕组的接线一样[3]。
然而，结构上有明显的区别：
无刷直流电机没有有刷直流电机中的换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。
这样，电机结构简单，减少了电机的制造和维护成本，但无刷直流电机不会自动换相，这使的电机控制器成本的提高。
图1.1无刷直流电机模型
图1.1所示为小功率的三相、星形连接无刷直流电机，定子在内，转子在外，结构与直流电机很相似。
另一种无刷直流电机的结构刚好相反，转子在内，定子在外。
1.2.2无刷直流电机的工作原理
无刷直流电机的定子是线圈绕组，转子是永磁体。
检测电机转子的位置，根据转子的位置给电机的相应线圈通电，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，转子才可以跟着磁场转动起来。
如图1.2无刷直流电机转动原理
如图1.2所示为无刷直流电机的转动原理示意图，定子的线圈一端接电源，其余三相接功率管，位置传感器导通时功率管的G极接+12V，功率管导通，对应的相线圈通电。
三个位置传感器随转子转动，依次导通，对应线圈也依次通电，从而定子产生的磁场不断地变化，电机转子也转动起来，这就是无刷直流电机的转动原理。
1.2.3无刷直流电机的磁路结构和定子绕组
磁路是指磁通能通过的路径，无刷直流电机中，转子上安装永磁体，作为磁极，电机转子磁极多是4个或6个永磁体。
转子数目增加，相应的定子绕组也增加，但不需要增加驱动电路数目。
主磁场一般由转子永磁体产生，从S极回到N极而闭合。
绕组是指按照一定规律连接起来的一组线圈总体。
绕组导电以后，和转子产生的磁场相互作用，产生力或力矩，将电能转换成机械能，故又将定子绕组称为电枢绕组。
1.3无刷直流电机的应用
近年来，我国中小型电机和微特电机行业发展迅速，是由于其本身具有高效率、寿命长、低噪音和较好的转矩-转速特性的优点。
特别在汽车、航空、家用电器等行业中发展较好[15]。
车用无刷直流电机：
电机可以作为驱动的核心部件，而且还可以用在汽车空调、雨刮器、电动车门、安全气囊、电动座椅等驱动上。
航空航天用无刷直流电机：
利用电机驱动设备代替气动和液压传动装置已成为航空航天发展中的一种趋势。
航空航天电机由于其应用场合的特殊性，一般要求所用电机体积小，结构简单。
无刷直流电机在家用电机中的应用：
家用电气电子驱动电机每年约30%的增幅发展，现代电器朝着节能、低噪音、智能化和高可靠性方向发展。
空调和冰箱中都有压缩机电机，传统的压缩机一般是异步电机，其效率和功率因数较低，采用变频技术以后，情况有所改善。
VCD、DVD、CD机等家用电器的主轴驱动电机也使用无刷直流电机，这类电机一般采用盘式无铁心电机结构，现已经大规模生产，价格便宜。
无刷直流电机不仅能克服传统家用电机的部分缺点，给人们的居家生活带来更高的舒适性，还能降低能源耗损，更好的实现能源的可持续利用。
无刷直流电机在办公自动化中的应用：
计算机外设和办公自动化设备用电机，绝大部分为先进制造技术和新兴微电子技术相结合的高档精密无刷直流电机，是技术密集化产品。
这种高性能无刷直流电机伺服控制系统的采用能大大改善产品的质量，提高产品的价值。
无刷直流电机在数码相机上也得到广泛的应用，如日本TOSHIBA和SANYO公司已生产出无刷直流电机驱动的相机。
无刷直流电机驱动的激光打印机产品也已经有了较长的历史，它的转速可以在每分钟几千到几万转的范围内精确控制，具有很好的技术和市场竞争力。
另外，无刷直流电机在计算机、录音机和CD影碟机等设备产品中也有很好的应用[7~10]。
1.4无刷直流电机的发展趋势
新电子技术、新器件、新材料及新的控制方法的出现将进一步推动无刷直流电机的发展和应用[11~14]。
（1）电子电力及微处理器技术对无刷直流电机发展的影响
这使电机向小型化与集成化、控制器全数字化、绿色PWM控制及其高效化发展。
（2）永磁材料对无刷直流电机发展的影响
电机的小型化、轻量化及高效化与磁性材料的发展息息相关。
每当出现新的永磁材料，就会使电机的结构和功能出现新的变革，促进电机的设计理论、计算方法和结构工艺研制水平的提高到一个新的台阶。
（3）新型无刷直流电机的开发
在无刷直流电机控制系统中，速度和转矩波动一直是需要进一步解决的问题，尤其是用于视听设备、航空电气、计算机中的无刷直流电机，更要求其具有运行平稳、精度高、噪声小等特点。
总之从结构上研究和开发新型电机必然是今后无刷直流电机发展的方向之一。
（4）先进控制策略的应用
现代工业中对电机性能的要求越来越高，无刷直流电机性能的改善可以通过电机本体优化设计及电力电子装置的控制来实现，也可以利用各种先进的控制策略来实现。
全面实现无刷直流电机控制系统朝微型化、轻量化、高智能化和节能化的方向发展。
1.5本设计课题的任务和内容
（1）学习无刷直流电机的基本原理、磁路结构、定子绕组特点和设计计算方法。
（2）研究和讨论典型三相无刷直流电机的运行控制方式和检测方法及仿真。
（3）设计输出功率小于100W三相无刷直流电机的控制和检测系统。
（a）无刷直流电机三相半控电路。
（b）无刷直流电机三相Y型连接全控电路。
（c）无刷直流电机三相△型连接全控电路。
（4）采用专用集成电路实现三相无刷直流电机的换相、正反转和PWM转速控制。
（5）采用Protel99SE绘出几种运行控制方式和检测方法的电气原理图。
（6）绘出专用集成电路控制方式的PCB图和三维仿真图。
（7）三相无刷直流电机几种运行控制方式和检测方法的讨论。
1.6本章总结
本章介绍了无刷直流电机的发展、结构、工作原理、应用及发展趋势，最后明确了本课题的设计任务和内容。
2无刷直流电机控制系统的设计方案
2.1无刷直流电机控制系统的设计
专用芯片控制的无刷直流电机控制系统主要由硬件部分组成。
硬件部分由电源路、驱动电路、微处理器控制电路与保护电路等组成。
如图2.1有位置传感器的无刷直流电机硬件系统框图，现对无刷直流电动机各部分的基本结构说明如下。
图2.1有位置传感器的无刷直流电机硬件系统框图
（1）电源路
电源路主要由直流电源组成。
（2）驱动电路
当前，无刷直流电动机的驱动桥一般运用6个IGBT或MOSFET等器件构成全控桥，或者用3个IGBT或MOSFET等器件构成半控桥，为了提高驱动桥的可靠性可以使用集成的功率模块和智能功率模块。
IR2110芯片主要有三个功能：
逻辑输入;电平平移及输出保护。
IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。
尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。
为了避免隔上臂短路，在电路中加入离二极管和自举电容。
（3）位置检测器
位置检测器是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，为驱动桥提供换相信号。
位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。
转子位置传感器由定子和转子两部分组成，转子与电机本体同轴，跟踪电机本体转子磁极的位置；定子固定在电机本体定子或端盖上，检测和输出转子位置信号。
霍尔元件按功能分可分来线性霍尔元件和开关霍尔元件。
前者输出模拟量，后来输出数字量。
线性霍尔元件的精度高、线性度好，温度范围宽；开关霍尔元件无触点、无磨损、输出小形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高、温度范围宽。
（4）MC33035专用芯片
MC33035专用芯片是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：
（a）可控制电机正反转；
（b）实现电机刹车制动；
（c）启停功能；
（d）可选择三相无刷直流电机传感器相位差60°或120°；
（e）欠压封锁保护，IC过热保护和故障输出。
（5）保护电路
由于在电机启动时，转速比较低，反电动势很小，启动电流大，对电机损害较大，必须要设计保护电路，避免设备短路、过载与防治电缆线路短路。
2.2无刷直流电动机控制系统设计方案比较
无刷直流电动机调整和起动性能好以及结构简单无需定期修护的特点，因此在可靠性高的电机调速中得到了广泛认可。
在电机转速控制方面，数字调速系统已取代模拟调速系统。
当前，数字调速系统主要运用两种控制方案:
一种是以单片机为控制核心构成的硬件系统。
这种方案可以编程控制，应用广范，且方便灵活。
另一种采用专用集成电路。
这种方案可以降低成本，提高可靠性，但在灵活方面不是很理想。
电机控制器是无刷直流电机实现各种伺服功能的指挥核心，它主要功能有以下几种:
对输入信号进行处理，给驱动电路提供相应的控制信号，实现电机的正反转、PWM调速、欠压保护和过载保护等。
控制器专用芯片是电动车的驱动系统，它是电动车的核心。
其主要的作用是保证电动车正常工作，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池和减少电动车在受到的损伤。
目前，市场上常用的电动车无刷直流电机控制系统主要采用专用集成电路为主控系统，如MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，该类控制器称为模拟式控制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换相，根据电机内的位置传感器信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。
该控制系统的缺点是智能性不高，保护措施一般，系统升级空间不大。
本设计将采用MC33035作为主控芯片。
MC33035为直流无刷电机驱动专用芯片，具有使用方便、价格便宜、抗干扰性强等特点，同时也具有不够灵活、功能实现困难等问题，在应用上有一定的限制性．需要通过增加附加电路，可改善控制功能和扩展应用。
无刷直流电机控制方法主要是有位置和无位置控制两种控制方式。
有位置的控制方式中，由于霍尔传感器价格便宜，安装方便，作为主要的无刷直流电机的位置传感器。
目前，国内外对无刷直流电机无位置的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法等。
但是由于无位置控制方法在低速转动时不可以实现精确的速度调控，所以现阶段在电动车领域只是处于实验阶段，不能推广到实用中。
绕组不同的组合会产生不同的性能和成本。
以下三个指标有利于我们做出选择：
（1）绕组利用率。
不同于普通直流电动机，无刷直流电动机的各相绕组是间断通电的。
增加通电的导体数，电阻下降，效率提高可以提高绕组利用率。
三相绕组优于四相和五相绕组。
（2）转矩脉动。
无刷直流电动机的输出转矩脉动大于普通直流电动机。
相数越多，转矩的脉动越小。
桥式主电路比非桥式主电路的转矩脉动小。
（3）电路成本。
相数越多，驱动桥使用的开关管越多，成本就高。
桥式全控主电路所用的开关管比桥式半控多一倍，成本高；多相电动机的驱动桥复杂，成本高。
所以，三角形，星形连接三相桥式主电路。
2.3本章总结
本章介绍了本方案主要采用MC33035专用芯片，霍尔元件，IR2110驱动芯片，场效应管（MOSFET），三相绕组的△型和Y型接法，相应的保护电路等来实现本设计的任务要求。
硬件设计系统方案框图如图2.1。
3无刷直流电动机控制系统的硬件设计
3.1专用芯片的介绍
MC33035是MOTOROLA公司的第2代无刷直流电机控制专用芯片，内含转子位置传感器译码电路，温度补偿的内部电压基准源，误差放大器，频率可调的锯齿波振荡器，PWM比较器，芯片欠压，输出驱动电路，过热保护电路及限流电路。
典型功能包括PWM调速，起动，停止控制，正反转控制和能耗制动控制，广泛应用于两相、三相及多相无刷直流电机驱动控制。
MC33035的工作电源电压范围很宽，在10V-30V之间，芯片内含有基准电压6.25V。
MC33035内部的转子位置译码器主要用于监控三个传感器输入,以便系统能够正确提供高端和低端驱动输入的正确时序。
传感器输入可直接与集电极开路型霍尔效应开关相连接。
用MC33035系列产品控制的三相电机可在最常见的四种传感器相位下工作。
MC33035提供的60°/120°选择可使MC33035很方便地控制拥有有60°、120°、240°或300°的传感器相位电机。
这三个传感器输入有八种编码组合,当中的六种是有效的编码组合,还有两种编码组合无效，通过有效输入编码可使译码器在使用60度电气相位的窗口中识别出电机转子的当前位置。
MC33035无刷直流电机控制器的正向/反向输出可通过改变定子绕组上的电流方向来改变电机转向。
当输入状态改变时,相应的传感器输入编码会由高电平转变为低电平,从而改变整流时序,来使电机旋转方向改变。
电机转动/停止可由输出使能来控制,当该管脚开路时,连接到正电源的内置上拉电阻将会启动顶部和底部驱动输出时序。
而当该脚接地时,顶端驱动输出将关闭,并将底部驱动强制为低,从而使电动机停止。
MC33035中的振荡器、脉冲宽度调制、误差放大器、电流限制电路、欠压锁定电路、片内电压参考、驱动输出电路和热关断电路的工作原理和操作方法与其它同类芯片基本相似。
3.1.1MC33035的组成，脚管及应用
1MC33035的组成
（1）转子位置译码器；
（2）限流保护电路；
（3）温度补偿的6.24V内部基准电源；
（4）电阻、电容锯齿波振荡电路；
（5）脉宽调制比较器；
（6）误差放大器；
（7）输出驱动电路；
（8）欠压、过载保护和故障电平输出。
2MC33035的脚管功能说明:
图3.1MC33035
如下表3.1是MC33035各引脚的说明:
表3.1MC33035各引脚的说明
引脚号
引脚名称
功能说明
1，2，24
BT，AT，CT
三个集电极开路顶端驱动输出，驱动外部上端功率开关晶体管正向/反向输入，改变电机转向。
4，5，6
SA,SB,SC
三个传感器输入，控制整流序列。
7
Ooutput
Enable
输出使能，高电平有效。
8
ReferenceOutput
此输出为振荡器定时电容提供充电电流，并为误差放大器提供参考电压，还向传感器提供电源。
9
CurrentSenseNoninvertingInput
电流检测同向输入。
10
Oscillator
振荡器引脚，振荡频率由定时元件R和C所选择的参数值决定。
11
ErrorAmpNoninvertingInput
误差信号放大器同向输入。
通常连接到速度设置电位器上
12
ErrorAmpNoninvertingInput
误差信号放大器反向输入。
13
ErrorAmpOut/PWMInput
误差放大器输出/PWM输入。
14
FaultOutput
故障输出端。
15
CurrentSenseInvertingInput
电流检测反向输入端。
16
Gnd
该管脚用于为控制电路提供一个分离的接地点，并可以作为参考返回到电源地。
17
Vcc
正电源。
Vcc在10V～30V的范围内，控制器均可正常工作。
18
Vc
底部驱动输出的高端电压是由该管脚提供的，它的工作范围从10V～30V。
19，20，21
CB,BB,AB
这三个图腾柱式底部驱动输出被设计用于直接驱动外部底部功率开关晶体管。
22
60°/120°Select
此管脚的电气状态可决定控制电路是工作在60°（高电平状态）还是120°（低电平状态）的传感器电气相位输入状态下。
23
Brake
输出使能。
该管脚为高时允许马达运行，为低时马达运行停止。
3.2驱动桥主电路设计
全桥是由6个MOSFET管组成，半桥只有3个MOSFET管组成。
俩者的优缺点：
全桥，控制简单，效率可以做的比较高。
半桥与全桥差不多，不过效率没全桥那么高，成本比全桥要便宜点。
3.2.1驱动开关元件选择
MOSFET是由贝尔实验室的D.Kahng和Martin在1960年首次实验成功，MOSFET的操作原理和1947年萧克莱等人发明的双载子晶体管不同，且制造成本低廉、使用面积较小和高整合度，在大型积体电路或是超大型积体电路的领域里运用广泛。
由于MOSFET的性能不断提升和改进，除了应用于微处理器、微控制器等讯号处理的场合上，还有越来越多类比讯号处理的模拟电路同样用MOSFET来实现。
表3.2是常见的驱动开关元件的对比。
表3.2对IGBT、GTR、GTO和MOSFET的优缺点的比较
器件
优点
缺点
IGBT
开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小
开关速度低于电MOSFET,电压，电流容量不及GTO
GTR
耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低
开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题
GTO
电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强
电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低
MOSFET
开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题
电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置
通过上述的比较，我选择MOSFET。
按照任务要求设计全控△和Y，半控。
3.2.2三相半控，全控电路
图3.2三相半控电路
其工作原理：
在三相半控电路中，要求磁极位置传感器输出信号1/3为高电平，2/3周期为低电平，并且传感器信号之间的相位差是1/3周期。
当转子位置处于120°，A为高电平，B、C为低电平。
Q1导通，LA相绕组通电。
在电磁作用下，转子顺时针方向旋转。
当转子处于240°时，B为高电平，A、C为低电平，Q2导通，LB相绕组通电，LA相绕组断电。
转子磁铁同LB相绕组产生的电磁力作用下，继续顺时针旋转。
转子处于360°时，C为高电平，A、B为低电平，Q3导通，LC相绕组通电，转子继续顺时针旋转，转子回到原来位置，继续以上过程。
三相半控电路特点是简单，但电动机的利用率很低，每个绕组只导通1/3周期，没有得到充分利用。
图3.3三相全控Y电路
图3.3是一种三相全控电路，电动机绕组为Y连接。
Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6为6只P型功率MOSFET管，起到绕组开关作用。
Q1、Q2、Q3高电平有效，Q4、Q5、Q6为低电平有效。
它们的导通方式为三三导通。
三三导通方式是任意时刻3个开关管同时导通，每隔60度电角度换相一次，每个功率管通电180°，功率管的导通方式是：
Q1、Q6、Q2->Q6、Q2、Q4->Q2、Q4、Q3->Q4、Q3、Q5->Q3、Q5、Q1->Q5、Q1、Q6->Q1、Q6、Q2…。
当Q5、Q1、Q6导通时电流从Q1流入LA相绕组中，经过LB、LC绕组分流，合成转矩方向和LA一致，大小为1.5Ta。
经过60°电角度后，换相到Q1、Q6、Q2通电，先关断Q5再打开Q2这时电流从Q1、Q2流入，经过LA、LB绕组，再流入LC相绕组，最后经Q6流出，合成转矩于LC的反方向一致，经过60°电角度，大小还是1.5Ta。
再经过60°电角度，换相到Q6、Q2、Q4通电之后，以此类推，它们最终合成转矩如图3.2.3:
图3.4三三导通的合成转矩
其电压波形如图3.5
图3.5Y连接三三导通方式电压波形图
图3.6三相全空△电路
图3.6为三相全控电路，绕组为△。
三三导通时通电顺序为Q1、Q6、Q2->Q6、Q2、Q4->Q2、Q4、Q3->Q4、Q3、Q5->Q3、Q5、Q1->Q5、Q1、Q6->Q1、Q6、Q2…。
当Q5、Q1、Q6导通时，电流从Q1管流入，经过LA、LB绕组，在从Q5、Q6管流出，LC相绕组中无电流通过，这相当于LA、LB俩相绕组并联。
假设电流从LA到LB、LB到LC、LC到LA所产生的转矩为正，而从LC到LB、LB到LA、LA到LC产生的转矩为负。
流入LA相绕组产生的转矩为正，流入LB相的绕组所产生的的转矩为负，最终转矩合力与图3.2.3相似，其大小为LA相的1.732倍。
3.2.3功率模块IR2110介绍
（1）IR2110的特点有：
输出驱动隔离电压可达500V；芯片自身的门输入驱动范围为10~20V；输入端带施密特触发电器；可实现两路分立的驱动输出，可驱动高压高频器件，如IGBT、功率MOSFET等，且工作频率高可达500KHz，开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；逻辑电源的输入范围（脚9）5-15V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配。
（2）IR2110主要功能及技术参数
IR2110逻辑电源电压范围在5V-20V以内,适应TTL或CMOS逻辑信号输入,具有独立的高端和低端输出通道。
由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上,容许逻辑电路参考地（USS）与功率电路参考地（COM）之间有-5V和+5V的
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