学士学位论文直流无刷电机控制装置的设计.docx

1、学士学位论文直流无刷电机控制装置的设计 CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 毕业设计（论文）题目： 直流无刷电机控制装置设计 1 绪论1.1 直流无刷电机的研究现状有刷直流电机先于无刷直流电机出现，有刷直流电机拥有宽阔、平滑的调速性能，这个优点使其在需要调速的应用领域有着非常重要的地位，也使得其在工农业各个领域都有着广泛的应用；有刷直流电机机械换向器的存在极大的限制了它发展和应用范围。有刷直流电机的机械电刷和换向器之间存在的强迫性接触造成了其自身结构复杂、可靠性低等一系列问题，这种强迫性接触同时也大大影响了电机的调速精度和性能。根据这种现状，

2、当时的科学家不断尝试对有刷直流电机进行改进，最终无刷直流电机得以面世。开关型晶体管的发明为无刷直流电机的创造提供了可能；在1995年，美国科学家首次提出运用晶体管换相线路来替代机械换向装置，经过不断研究尝试，终于发明了一种消除有刷直流电机中的机械换向装置的方法，就是用位置传感器和电子换相线路来替代它，随后出现了用霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电机；80年代初期，无刷直流电机开始进入实用阶段，经过大量科学家的不懈努力，方波和正弦波的无刷直流电机先后被成功研发出来。人们将一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机称为直流无刷电机；如今，无刷直流电机集各种软硬件于一体，成为了新型电机电动调速系统。

3、无刷直流电机具有调速方便、调速范围宽、低速性能好、运行平稳、噪音低、效率高等优点，其应用场合变得越来越广泛。1 在恒转矩和恒功率运行状态下，相比于交流电机和有刷直流电机，无刷直流电机能够显示出更多的优越性，目前在国民经济的各个领域无刷直流电机有着广泛的应用范围，并且在不断延伸，无刷直流电机为人们的日常生活提供了极大的便利，同时也大大促进了社会的进步。2 无刷直流电机的调整和启动性能好，并且结构简单无需维护，所以在要求高可靠性电机调速系统中有着广泛的应用。对于电机转速的控制，原先的模拟调速系统已经逐渐被数字调速系统所取代，当前数字调速系统主要由两种方案：一种方案是采用专用集成电路，这种方案可以大

4、大降低设备支出、提高设备的可靠性，但其灵活性不佳，不易进行功能扩展；另一种方案是以微控制器作为控制核心构成一个硬件系统，这一种方案可以运用编程来进行控制，适用范围广，并且操作起来灵活方便，极易进行功能扩展。 无刷直流电机的控制装置主要是由微控制器、逆变电路、位置传感器、驱动电路、调速电路、电源电路等几部分组成。 微控制器在无刷直流电机控制系统中充当控制核心的作用，它主要需要完成的功能如下：对各种输入的信号（特别是位置传感器的信号）进行分析处理，并为驱动电路提供各种控制信号；产生PWM信号，控制直流无刷电机的转速；对欠压、过流、短路等可能出现的故障进行保护。3 无刷直流电机控制装置中的微控制器主

5、要有三种选择，分别是专用集成芯片、单片机以及DSP。 在市场上有许多针对无刷直流电机控制的专用集成芯片，比如像摩托罗拉公司生产的专用集成芯片MC33035，其根据无刷直流电机控制的要求，将各种控制逻辑集成在芯片的内部，一般把MC33035这种控制器称之为模拟控制器，其核心的工作原理就是用电子设备来控制电机内部线圈电流的换向，将电机内部位置传感器信息传送给微控制器，微控制器根据这个信息来决定换向的时间和顺序，从而对电机的转速和转向进行控制。这种控制系统的缺点是缺乏智能性、不易进行扩展、功能不完善。4 单片机作为微控制器，其主要功能如下：单片机自带的PWM口在无刷直流电机控制中有着广泛的应用，通过

6、初始化设定后自动输出PWM控制信号，PWM信号的各种参数也可以通过软件对其进行设定；在该系统中看门狗的功能显得格外重要，看门狗处于工作状态时，会对运行中的程序进行无时无刻监视，一但程序运行出现错误，就会立即让单片机复位；在一块芯片上集成半导体功率器件、逻辑控制电路、驱动电路、保护电路、检测电路等电路，构成一个功率集成电路，让功率器件能变得智能化，方便了单片机对其进行控制。5 近几年来，国外一些比较大型的公司相继推出性能比较优越的DSP芯片作为电机控制器，例如T1公司生产的TMS320C24系列，Motoro1a公司生产的DSP56F8xx系列以及ADI公司生产的ADMC3xx系列，这些芯片都是

7、以一个DSP作为核心芯片，再和一些电机控制所需要外围电机一起集成在一块单一的芯片上，使得整个控制系统体积缩减、结构紧密、使用便捷、可靠性高。但是这些芯片的价格都普遍很高，并且外围电路设计起来比较复杂，这些因素严重限制了其推广应用。61.2 直流无刷电机的发展前景 （1）转矩脉动当前，直流无刷电机最本质最大的问题就是存在转矩脉动，直流无刷电机自身存在的转矩脉动使得它在交流伺服系统中的不能起到很好的控制作用，特别是在一些需要直接驱动的场合，转矩脉动使得电机的调速特性变得恶化，往往无法的到很好的控制效果，尤其是在一些对电机要求比较特殊的场合，这些场合要求直流无刷电机运行非常平稳、没有噪音，因此是否能

8、够彻底抑制或消除这种转矩脉动决定着是否能有效提高直流无刷电机伺服系统性能。 产生转矩脉动的原因主要有磁通的畸变和齿槽效应、谐波以及换向电流。现今，国内外许多的大学和科研所对转矩脉动问题都进行了比较深入的研究，根据产生原因的不同，提出了与之对应的抑制方法，在一定程度上的确是提高了无刷直流电机的性能，但是这些研究和方法均是在原有结构和方案上提出来的一些削弱或者补偿的方法，并没有真正从原理或根本上消除转矩脉动，所以对于直流无刷电机转矩脉动问题还需进行进一步的研究，探索如何成功消除转矩脉动成为无刷直流电机一个新发展方向。 （2）直流无刷电机的发展方向随着当今控制技术和电子技术的迅速发展，可以通过芯片配

9、合相应的算法来实现转子位置检测，科技的发展使得单片机、DSP以及专用集成芯片的运算速度和处理能力不断提高。DSP芯片自身固有的运算处理能力可以用来在直流无刷电机上实现无传感器控制，基于DSP的直流无刷电机无位置传感器控制成为一大研究热点，降低设备成本，研发较低成本的DSP无位置传感器直流无刷电机，也是无刷直流电机的一个发展方向。 随着控制理论的不断发展，先进的控制理论也为运动控制的发展指示着新的方向，特别是先进智能控制理论的广泛应用；目前智能控制在向着三个主要方向发展，它们分别是专家系统、模糊逻辑控制和神经网络控制。其中，专家系统和神经网络控制的应用还不是很成熟，但是在模糊逻辑控制方面已经小有

10、成就，基于模糊控制已经有了很多成功应用实例，模糊逻辑控制原理就是传动控制策略当中有机融入一些具有模糊性的成熟经验和规则，这一控制方法在无刷直流电机控制系统中也有着不错的应用前景，利用模糊逻辑控制的方法来控制无刷电机也是直流无刷电机一个发展方向。1.3 本设计的目的和意义 无刷直流电机相对于有刷直流电机的交流电机而言，有着非常明显的优势，它集这两种电机的优点于一身，综合了交流电机结构简单、维护方便、运行可靠和有刷直流电机调速性能好、运行效率高的特点，同时直流无刷电机不存在励磁的损耗。在一些工业比较先进的国家，无刷直流电机正在逐渐取代有刷直流电机成为工业自动化领域的主角，在一些国家，伺服驱动用的有

11、刷直流电机已经不再被大量生产。 在我国，无刷直流电机的应用技术与国际先进水平还是有很大差距的，大多数场合应用的还是有刷直流电机，这不仅不利用我国经济的发展，而且为国民的生活和工农业生产带来了很多不便；现有对于无刷直流电机的认识还不太成熟，无刷直流电机的应用还存在着许多的问题；因此深入对直流无刷电机和其控制系统的研究有着重要的意义。2 方案论证2.1 系统控制方案 方案一： 图2.1电动机驱动控制框图 如图2.1所示为方案一电机控制系统的框图，该控制电路的控制核心采用专用集成芯片，专用集成芯片选用MC3303系列的控制器，该控制器可以用来直接控制直流无刷电机的转速、转向、制动，该系列控制器内部含

12、有一个可以产生正确整流时序的转子位置译码器，内置的转子位置译码器监控三个位置传感器的输入，对三个位置传感器的信息经过处理后，再为顶端、底部驱动输出的提供正确时序。该系统可以很好的实现电机控制的一些功能，方便简单而且有效，但是该电路在速度调节上面不是很精确，而且无法显示当前电机的转速，只能进行单机控制，缺乏智能性，且不易进行扩展。 方案二： 图2.2所示为方案二电机控制的框图。利用单片机作为该控制电路的微控制器，单片机作为控制核心，控制电机的启动和制动、转动的速度和方向，三个位置传感器将转子位置信息传送给单片机，单片机根据这个信息加上电机旋转方向的要求，对PWM输出信号进行设定。功率驱动模块由功

13、率开关器件组成的逆变电路以及放大电路组成。位置传感器位于无刷直流电动机的内部，它用来对转子位置的进行测定，单片机检测到该信息，经过运算处理设定PWM波形，从而正确控制逻辑开关电路进行换相。该控制系统还包括一些其他的外围电路，主要起到辅助和保护的作用。图2.2电动机驱动控制框图 方案三： 方案三的电动机驱动控制框图如图2.3所示，其中微控制器仍然选用单片机，选用三相全桥逆变电路作为本系统的逆变电路，专用集成芯片选用MC3303系列的控制器，利用单片机控制专用集成芯片来控制电机的启动和停止、正反转、制动、加速和减速，与方案二不同的是位置传感器的输出信号不再送给单片机，而是直接传送给专用集成芯片处理

14、，专用集成芯片从单片机接收各种控制信号，通过转速传感器单片机可以得到电动机转速信息并将其转速实时显示出来。 图2.3电动机驱动控制框图 方案一单独采用专用集成芯片来进行控制，控制起来方便简单而且有效，但是调速不是很精确，无法当前电机的转速进行实时的显示，只能进行单机控制，缺乏智能性，并且不易进行扩展；方案二单独采用单片机来进行控制，很容易扩展，但外围电路比较复杂，软件调试也比较困难；方案三同时利用单片机和专用集成芯片来控制，不仅容易扩展，外围电路也很简单，也相对比较稳定；通对对比选择采用方案三。2.2 无刷电机的工作原理与型号选择 2.2.1 无刷电机工作原理1转矩分析电机的电枢绕组有三相采用

15、星型连接方式，电机的转子和位置传感器在同一根轴上，将位置传感器检测到的位置信号传送给控制电路，控制电路对其进行处理后产生控制信号，控制信号不能直接送给逆变器的功率开关管，因为控制信号非常弱，无法直接驱动功率开关管，必须经驱动电路隔离放大后才能够控制功率开关管导通的顺序，从而使得电机的各相绕组按照一定的顺序工作。以电机顺时针转动来分析其工作原理： 图2.4 无刷直流电动机工作原理示意图如图2.4中图（a）所示，转子旋转到达该位置时，转子位置传感器检测得到的位置信息经控制电路处理后成为一组控制信号，经过隔离放大驱动逆变器，使逆变电路中功率开关管T1、T6 导通，使得三相绕组中A、B两相通电，电流从

16、直流电源正极的出来，流经开关管T1进入A相绕组，再从B相绕组出来，经开关管T6回到直流电源的负极，受到定子产生的磁场与转子产生磁场相互作用力的影响，电机的转子会沿顺时针方向转动。当转子到达图2.4中图（b）、（c）、（d）所示位置时，处理的过程同上述过程是相似的，只不过由于转子所在位置不同，位置传感器检测到的位置信息不一样，经过控制电路处理得到的控制信号也不一样，被导通的功率开关管与上述不同，被上电的绕组也不一样。转子每转过60，位置传感器检测到的位置信息就会发生变化，经控制电路逻辑变换得到的控制信息也会发生变化，这样逆变器开关导通情况也会发生变化。在顺时针转动的前提下，功率开关管的导通顺序为

17、（T1、T6），（T1、T2），（T3、T2），（T3、T4），（T5、T4），（T5、T6），循环进行。每当转子转过60度的角度，定子绕组之间就会进行一次进行换流，因定子绕组而产生磁场的磁场状态就发生一次跃变。由此可见，无刷直流电机一共拥有6种磁状态，每一状态对应着有两相绕组被导通，每相绕组的导通的时间，为转子旋转120所需时间。 2开关管换流控制信号的输出 无刷直流电机内部的三个霍尔传感器在空间上相隔120电角度，对转子的位置信息进行实时检测，当不同的位置信息决定着驱动信号的不同，根据霍尔位置传感器输出的信号可以得出开关管驱动信号的取值，图2.5所示为霍尔位置传感器输出信号与开关管驱动信号

18、的时序图，两者对应关系如表2.1。T取1表示对应的管子导通，为0则表示该管不被导通。 图2.5 无刷电动机位置检测及开关管驱动信号表2.1 无刷电动机直流通电控制方式开关切换表 2.2.2无刷电机的型号选择 型号1：SH42BLDC-002 技术规格如表2.2表2.2 SH42BLDC-002技术规格型号2：57BLDC-004技术规格如表2.3 表2.3 57BLDC-004技术规格 本设计采用输出功率在50W左右的直流无刷电机，上述是两种不同型号直流无刷电机的参数，其输出功率都在50W左右，经过比较决定采用型号为SH42BLDC-002的直流无刷电机做为本次设计的控制对象。2.3 单片机的

19、选择型号1:STC12C5A60AD STCI2C5A60AD系列单片机是宏晶科技公司生产的单时钟、新型一代8051单片机，拥有运行速度快、功耗比较低、抗干扰特别强等优点，指令代码与传统8051具有良好的兼容性，内部有存储器和A/D转换模块，不需要外部扩展。并且其片内有EEPROM功能，不用额外搭电路就能使用EEPROM功能，并且由于片内EEPROM可直接访问，因此速度比片外快。STC系列单片机内EEPROM是用FLASH通过IAP技术实现的EEPROM功能。 型号2：MCS-51 MCS是一种集成电路芯片，其采用超大规模技术把具有数据处理能力的微处理器、存储器（RAM和ROM）、I/O接口电

20、路、PWM电路、A/D转换器等一系列电路集成到一整块半导体硅片上，将需要完成的任务写成算法编辑成程序编译后存在单片机中，只要运行可执行程序，这些电路就能在软件的控制下非常准确、迅速、高效地完成先前规定的任务。该系列单片机是一种通用型的八位单片机，具有性价比较高、品种齐全、功能强大、软硬件数据库大等特点。 经过对上述两种单片机的比较最终选择STC12C5A60AD单片机做为本设计的核心控制芯片。该单片机自带A/D转换器、PWM电路、有很好的抗干扰能力、响应速度快，基于此单片机的直流无刷电机控制系统可以实时、准确的控制直流无刷电机。 2.4 逆变开关元件的选择 表2.4 对IGBT、GTR、GTO

21、 和电力MOSFET的优缺点的比较如表2.4所示，对IGBT、GTR、GTO、MOSFET进行比较，最终选择MOSFET做为逆变开关元件。2.5 专用集成芯片的选择 型号1：MC33035摩托罗拉公司生产的MC33035是一款高性能的直流无刷电机控制器，它能够对三相或四相直流无刷电机实现良好的开环控制，除此之外，还可以用来控制直流有刷电机。采用了双极型模拟工艺制造，即使在非常恶劣工业环境下都能保证有良好的控制性能。MC33035含有一个转子位置译码器用来产生正确整流时序，一个具有温度补偿的输出电平可用来为霍尔位置传感器提供电源，一个锯齿波振荡器（它的频率可以通过调节外围电路进行改变），一个放大

22、器用来对误差信号进行放大处理，一个用来产生PWM波形的脉冲调制比较器，三个可为顶部开关管提供驱动控制信号的集电极开路输出和三个大电流图腾柱式底部输出器用来为底部三个开关管提供驱动控制信号，可以用来直接驱动逆变电路中的功率开关管，不需要专门的驱动放大电路。它还有一些内部保护电路，它是一个可以用来控制电机的调速、正反转、制动的专用小型系统。 型号2：UCC3626 与MC33035类似，TI公司生产的UCC3626也是一种三相无刷直流电机控制器专用集成芯片，但它只能对三相无刷直流电机进行控制，不能应用于四相无刷直流电机和直流有刷电机的控制系统。从转子位置输入引脚输入位置信号解码，从而经过处理输出六

23、个控制信号，用来控制外部的功率开关器件导通。其内部的电流传感放大器和绝对值电路、以及三角波振荡器和比较器等硬件资源，可使得无刷直流电机控制平台变得更加宽广，从而使控制电路的硬件设计得到简化。 将MC33035和UCC3626进行，两者都有外围电路简单、容易调试的优点，但MC33035有更多的保护电路，使用起来更加安全、更加方便，并且MC33035的适用范围相对于UCC3626而言更加广，因此选用专用集成芯片选用MC33035。2.6 转速传感器的选择 光电式转速传感器：现在市面上被人们普遍使用的光电式转速传感器主要分为反射型和透射型两种，在透射型光电式转速传感器端部有发光管和光电管，在圆盘上开

24、孔，将圆盘与转子同轴安装并随转子同速转动，当发光管发出的光通过圆盘上的孔透射后，由光电管接收并转换成相应的电信号，这种电信号是一个个计数脉冲，根据圆盘上开孔的个数和一定时间内所计的脉冲数就可计算得出转速。 霍尔转速传感器：利用霍尔效应表达式，在转动的圆盘上安装N个磁性物体，它随着圆盘转动，霍尔元件应为磁场的变化产生脉冲。每转一周霍尔转速传感器就会输出带有N个脉冲的波形，经过放大隔离得到相应的计数脉冲，在一定时间内计的与转速相的关脉冲数，根据磁性体的个数，即可计算得出转速值。将上述两种转速传感器进行比较；和其余两种转速传感器相比，霍尔转速传感器具有结构牢固、体积小、质量轻、使用寿命长、安装方便、

25、频率高、耐震动、调试方便等特点，因此选用霍尔转速传感器。2.7 电源电路的选择本设计在多个地方需要用到直流电源，但统一的要求就是直流电源要有非常好的稳定性。利用蓄电池、干电池对其供电缺乏稳定性，因此需要专门的直流稳压电源，其流程图如图2.9所示。图2.9直流稳压电源的方框图2.8 显示电路的选择LCD显示器：一种运用液晶来控制透光度并实现色彩的显示器。具有体积小、直流轻、低电压、微功耗、抗干扰能力强等优点，因此被广泛应用于各种便携式电子信息产品。LED显示器：一种外加电压在发光二极管上产生可见光的器件。具有体积小、质量低、工作电压低、稳定、寿命长、响应时间短、发光均匀、清晰、亮度高等优点，与L

26、CD显示器相比，更适合在光线暗的环境中使用。它的主要缺点是工作电流较大。经过比较选用LCD显示器，型号为LCD1602。完成器件的选择后，系统控制框图如图2.10所示。图2.10 电动机驱动控制框图 3 硬件设计3.1 逆变主电路设计图3.1功率开关主电路原理图逆变电路是专用控制芯片MC33035和直流无刷电机之间联系的纽带，它性能的好坏直接影响着整个控制系统的工作性能。本设计中选用MOSFET作为开关器件构成逆变电路，全桥逆变器的控制难度相对于半桥逆变器更加简单，所需的控制信号的组数也较少，因此本设计采用MOSFET构成的全桥逆变电路来控制定子绕组的导通，电路图见图3.1。3.2 MC330

27、35 3.2.1 简介MC33035是一款由MOTOROLA公司生产用于控制无刷直流电机的专用集成电路，它在开环三相或四相直流无刷电机的控制系统中得到了广泛的使用，除此以外，它还能对有刷直流电机的运行进行控制。MC33035可以控制直流无刷电机的启动、制动、转向和转速，同时带有欠压封锁保护和IC过热保护的功能，与单片机一同使用时，一旦运行出现了错误可以给单片机传送一个故障信号。3.2.2 引脚功能MC33035引脚图如图3.2所示。图3.2 MC33035引脚图3.2.3 引脚连接MC33035需要与单片机、逆变电路、外围电路进行连接。其具体连接图见附录B。 （1）与单片机的连接：控制正反转的

28、引脚3与单片机P1.2口连接，P1.2为高电平时选择正转，为低电平时选择反转；输出使能引脚7与P1.1口连接，P1.1为高电平时电机运转，为低电平时电机停转；错误指示输出引脚与单片机P3.3口连接，当运行出现故障，及时将故障信息送给单片机，单片机就会给出相应的操作；制动输入引脚23与单片机P1.3口连接，P1.3为低电平时允许电机运转，为高电平是不允许电机运行，当P1.3由低电平变为高电平时，电机制动；管脚11通过一个放大倍数为1.25倍的运算放大器和一个二阶低通滤波电路与单片机的P3.7口连接，单片机输出的PWM波形通过二阶低通滤波电路，滤波电路将其中的基波分量分离出来，近似为一个直流电压，

29、由于PWM占空比的不同，该电压在0到5V范围内变化，经过运放电压范围在0到6.25V直接，再送给管脚11对电机的转速进行控制。 （2）与逆变电路的连接：管脚1、2、24与逆变电路中顶部的三个功率开关管连接；管脚19、20、21与底部的三个功率开关管连接。 （3）与外围电路的连接：无刷电机内部三个霍尔位置传感器的电源端与管脚8连接，管脚8是一个电压值为6.25V的参考输出，其可作为位置传感器的电源，三个霍尔位置传感器的输出与管脚4、5、6连接，对这三个传感器的输入进行处理用来确定控制整流序列；管脚10外接电阻和电容；管脚22外接一按键，根据电机内部霍尔位置传感器安装的方式来选择按键是否按下；管脚

30、17、18接24V电源；管脚16接地。3.2.4 PWM波形的产生单片机并没有给专用集成芯片提供PWM波形，只为其提供了各种控制信号和一个可变的电压。下面让我们分析一下在没有单片机、MC33035单独控制电机时，PWM波形是如何产生的：通过利用MC33035来产生PWM信号时很容易的，并且还可以很容易地改变其频率，只需要在它的外围连接一些相应的元件（电阻、电容、电位器各一个）就可产生我们所需频率的脉宽调制信号，其原理图如图3.3所示。PWM信号的频率由公式决定，PWM信号的频率随着R1*C1的值的改变而改变，也就是说PWM波形的频率受R1、C1的值影响。在本设计中取R1为5.1M，C1为0.0

31、1F，计算得出PWM信号的频率约为24kHz。图3.3 脉宽调制电路 管脚8是一个值为正6.25V标准电压的输出端子，如图3.3所示，R1、C1构成了一个RC振荡器，在管脚10得到一个近似为三角波的信号波，其频率由公式决定。R2是一个电位器，通过调节该电位器改变11引脚对地的电压，使其在0到6.25V之间变化，从而可以起到改变电机的转速作用。运算1实际就是上一个电压跟随器，将其输出接到运放2的反相输入端，通过调节R2的值改变管脚11的对地电压值可以来改变比较器2的输出方波的占空比。 当MC33035与单片机连用时，就不需要电位器R2了，通过对单片机输出的PWM波形进行处理，单片机就可以为其提供

32、一个在0到6.25V范围内变化的电压，将这个电压直接送到管脚11，就可以在比较器2的输出端得到一个PWM波形。单片机输出的PWM波形参数是受单片机控制的，所以送到管脚11的电压也受到单片机的控制，所以在这种情况下电机的转速是受单片机控制的。3.3 单片机STC12C5A60AD 3.3.1 简介本设计选用宏晶科技公司生产的STCI2C5A60AD单片机，最小应用系统引脚分布如图3.4所示。 图3.4 单片机引脚图该芯片为8位单片机，采用51内核，工作电压为5V，内部集成了8路10位精度的A/D转换模块，能够用于一般的测试电路。60K字节的片内Flash，；1280字节的RAM用于数据存储；ISP / IAP，用来直接通过串口下载客户所需程序；2路PWM，通过一些外围电路可作2路D/A使用；2个16位定时/计数器；硬件看门狗（WDT）；高速SPI串行通信