[电子电路]无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计.doc

1 1 毕业设计 论文 题目 无位置传感器直流无刷电机驱动器 的硬件设计 专 业 姓 名 班 级 学 号 指导教师 浙 江 理 工 大 学 2 2 毕业论文诚信声明 我谨在此保证 本人所写的毕业论文 凡引用他人的研 究成果均已在参考文献或注释中列出 论文主体均由本人独 立完成 没有抄袭 剽窃他人已经发表或未发表的研究成果 行为 如出现以上违反知识产权的情况 本人愿意承担相应 的责任 声明人 签名 年 月 日 摘摘 要要 3 3 近年来 伴随着电力电子技术 新型磁性材料以及微电子技术的发展 无 刷直流电动机以其独到的优点在数控机床 机器人 家电等领域获得了广泛的 应用 特别是人们在取消传统位置传感器的努力更为无刷直流电动机的应用开 辟了广阔的前景 无刷直流电机是以电子换向器代替机械电刷和换相器来实现 直流电机的换向 无刷直流电机以法拉第电磁感应定律为基础 又以新兴的电 力电子技术 数字电子技术和各种物理原理为后盾 具有很强的生命力 无位置传感器无刷直流电机是近年来发展比较快的一种无刷直流电机 它 结构简单 体积小 可靠性高且有利于批量生产 如何实现无刷直流电机的无 位置传感器控制一直是近一 二十年来的研究热点 本文介绍了无位置传感器无刷直流电机的工作原理和特性 对无位置传感 器无刷直流电机控制器的硬件部分进行了详细的介绍 转子位置检测用的是反 电动势过零点法 启动方法采用的是三段式启动 实验结果实现了无位置传感 器无刷直流电机的启动和稳定运行 关键词 关键词 无刷直流电机 无位置传感器 反电势过零点法 4 4 abstract in recent years along with the power electronics technology new magnetic materials and the development of microelectronics technology brushless dc motor with its unique advantages of cnc machine tools robots home appliances and other fields to obtain a wide range of applications especially people in the efforts to abolish traditional position sensor brushless dc motor is more opened up broad prospects for application it takes electrical commentator instead of mechanical brush and mechanical commentator brushless direct current motor was built on faraday s law of electromagnetic induction and armed with power electronic technique digital electronic technique principle of physics so brushless direct current motor enjoys strong vitality bldcm is a relatively fast development in recent years brushless dc motor it is simple structure small size and higher reliability and is conducive to mass production how brushless dc motor sensor less control has been nearly two decades of research focus this paper details working principle and characteristics of sensor less bldcm analyses the hardware circuit design rotor position detection make use of the zero crossing of back electromotive force method and introduces the three step start technique the results of the experiment show that the control system can make the motor start successfully and achieve the motor s correct commutation key words bldc sensor less back electromotive force method 目目 录录 摘要 5 5 abstract 第一章 绪论 1 1 1研究意义 1 1 2课题背景及研究现状 2 1 3研究的基本内容和拟解决的主要问题 3 1 3 1 无位置传感器无刷直流电机的工作原理 3 1 3 2 转子位置检测方法 4 1 3 3 设计无刷直流电机驱动电路 反电动势采样电路 5 1 3 4 无位置传感器无刷直流电机的启动 5 1 4 论文结构 5 第二章 无位置传感器无刷直流电机的结构和工作原理 7 2 1 无刷直流电机的结构 7 2 1 1 电机本体 7 2 1 2 电子开关线路 8 2 2 无刷直流电机的运行原理 8 2 3 无刷直流电机的运行特性 10 2 3 1 机械特性 11 2 3 2 调速特性 12 第三章 无位置传感器无刷直流电机的总体结构和设计原理 14 3 1 无位置传感器无刷直流电机的控制策略 14 3 2 硬件系统介绍及系统框图 14 3 3 控制电路硬件设计 15 3 3 1 控制芯片选择及特点 15 3 3 2 freescale 的 56f8013 微控器统 19 4 1 单片机最小系统 21 4 1 1 单片机复位电路 21 4 1 2 单片机时钟输入电路 21 4 1 3 单片机工作时的电压电路及电源电路 22 6 6 4 2 转子位置信号检测电路 22 4 3 mosfet 驱动电路设计 23 4 4 调速电路设计 25 4 5 保护电路 26 第 5 章 总结及展望 27 参考文献 28 致谢 30 附录 31 浙江理工大学本科毕业设计 论文 7 7 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1研究意义研究意义 近年来 伴随着电力电子技术 新型磁性材料以及微电子技术的发展 无 刷直流电动机以其独到的优点在数控机床 机器人 家电等领域获得了广泛的 应用 特别是人们在取消传统位置传感器的努力更为无刷直流电动机的应用开 辟了广阔的前景 无刷直流电机包括有位置传感器的无刷直流电机和无位置传 感器的无刷直流电机两种工作方式 1 无位置传感器无刷直流电机是近年来发展比较快的一种无刷直流电机 它 结构简单 体积小 可靠性高且有利于批量生产 如何实现无刷直流电机的无 位置传感器控制一直是近一 二十年来的研究热点 本文主要综述各种无位置 传感器无刷直流电机的位置检测策略 2 无刷直流电机大多以霍尔元件 光电码盘或其它位置检测元件作为位置传 感器 但当电机的尺寸小到一定程度时 使用位置传感器的弊病就比较明显 因此 在小型和轻载起动条件下 无位置传感器无刷直流电机成为理想的选择 目前这种电机被广泛地应用于空调 洗衣机等 除了在电机上安装霍尔元件 光电码盘等装置直接检测电机转子的位置外 还可以通过检测电机的磁链 电流和电压等物理量 再经过相应的处理间接地 求得电机的转子位置 由于不是直接检测电机转子的位置 因此这种通过检测 磁链 电流和电压等物理量来得到转子位置的直流电机也被称为无位置传感器 的无刷直流电机 3 20 世纪 80 年代后 随着研究的深入与发展 无刷直流电机的性能更为优 越 并且消除了直流电动机机械式换向的一系列限制 体积小 效率高 因而 在工农业生产 交通运输 国防 航空航天 商业及家用电器 医疗电器设备 等各方面广泛应用 在节能减排已成为时代主题的今天 无刷直流电机的高效 率显示出了巨大的应用价值 而传统的无刷直流电机采用位置信号传感器 随 着电动机尺寸的进一步缩小 其弊端日益突出 安装位置传感器也使电动机结 构复杂 降低了工作的可靠性 所以 从控制系统的成本 可靠性等方面考虑 研究无位置传感器的无刷直流电机具有重要意义 无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计 8 8 1 21 2课题背景及研究现状课题背景及研究现状 直流电动机具有线性机械特性 调速范围广 启动转矩大 控制电路简单 和效率高等诸多优点 因此长期以来一直广泛地应用在备种驱动装置和饲服系 统中 但是直流电动机均采用电刷 用机械换向器进行换向 因为机械电刷和 换向器存 在着相对的机械摩擦 由此带来它结构复杂 可靠性差 变化的接触 电阻 噪声 火花 无线电干扰以及寿命短等致命弱点 再加上制造成本高及 维修困难等缺点 影响了直流电动机的调速精度和性能 从而限制了它的应用 范围 由于位置传感器给控制系统带来了很多缺点 为此 国内外学者都致力于 无位置传感器控制系统的研究 早在 1968 年 德国的 w mieslinger 就提出采 用电容移相实现换流的方法 这就是最早提出的间接位置检测的概念 在此基 础上 1976 年德国的 r hanitsch 等人试制成功借助数字式环形分配器和过零 点鉴别器的组合来实现换流 而去掉了位置传感器 到 1979 年 h wright 发 表了一篇关于 无位置传感器直流电机电子换向的方法和参数 的文章 进一 步完善了该方法 到 1980 年 h lehuy 等人提出利用转子旋转时定子绕组中感 应电动势进行位置检测 这就是所谓的 反电势法 4 在 1990 年 s ogasawara 提出了一种巧妙的方法 续流二极管法 5 通过检测反向并联在 驱动三极管上的二极管的导通状态来得出转子的位置 续流二极管法的基本原 理还是反电势法 但它是从电流角度来考虑反电势的 而且设计巧妙 在 1992 年 有人提出了根据电流和电压的瞬时方程来检测转子位置的方法 6 这两种 方法的提出 使人们开始真正从本质上认识转子的位置变化 得出的是转子的 连续位置信号 在最近几年 有人提出从转子结构或定子结构上作一些改动 如在转子表面安装一些非磁性材料 通过检测该材料中涡流而造成的断开相电 压改变来获得转子位置信号的方法 7 电力电子技木和微电子技术的发展也带动着功率集成电路pic 分为高压集 成电路 hvic 和智能集成电路 spi 的进一步发展和普及 为逆变器实现智 能化 高频化 小型化等创造了有利的条件 这些都为直流无刷直流电机的驱 动控制电路的提高工辟了新的方向 伴随着这些新的电力电于器件 高性能的数字集成电路以及先迸的控制理 浙江理工大学本科毕业设计 论文 9 9 论的应用 直流无刷直流电机调速控制部仲功能日夜完善 所需的控制部件数 目愈来愈少 控制器件的体积也越来越小 控制器件的可靠性提高而成本愈来 愈低 正因为bldcm既具有交流电动机的结构简单 运行可靠 维护方便 低噪音 重量轻等一系列优点 又具备直流电动机的运行效率高 无励磁损耗以及调速 性能好等诸多优点 因而直流无刷电机的应用范围不再局限于传统的工业领域 在当个国民经济的各个领域得到了广泛的应用 例如在计算机外围设备 软驱 光驱 硬盘等 办公自动化设备 打印机 复印机 绘图仪等 家电 洗衣 机 宁凋 风扇等 音像设备 vcd 摄像机 录像机等 汽车 电动自行车 数控机床 雷达和各种军用武器随动系统 机器人 柔性制造系统 大规模集 成电路制造 激光加工 医疗设备等领域得到了广泛的应用 我国对无刷直流电机的研究起步较晚 1987 年 在北京举办的联办德国金 属加工设备展览会 siemens 和 bosch 两公司展出了永磁式同步伺服系统和驱 动器 引起了国内有关学者的广泛关注 也对此进行了研究和技术引进 经过 数年的研究 国内已经有方波无刷直流电机的系列产品 并形成了一定的生产 规模 我国在无刷直流电机的无位置传感器控制方面的研究也十分活跃 近几年 来 基于 dsp 控制器的无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究取得了很多 成果 但这方而的技术还不是很成熟 没有形成系列产品 主要采用国外成熟 的系统 这些年来 业内人士致力于研究开发重量更轻 尺寸更小 功率密度 更高 运行可靠性更高和低价格的无转子位置传感器的无刷直流电机及其控制 技术 8 1 31 3研究的基本内容和拟解决的主要问题研究的基本内容和拟解决的主要问题 1 3 11 3 1 无位置传感器无刷直流电机的工作原理无位置传感器无刷直流电机的工作原理 无刷直流电动机具有独特的优势 困而得到广泛的应用 促使人们对其不 断研究探索 当前的无刷直流电动机己经不单纯是简单意义上的电动机 而是 电机理论 电力电于 微电子技术 现代控制理论以及高性能永磁村料相工结 合 集软硬件于一体的机电一体化产品 无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计 10 10 无位置传感器 bldcm 减少了位置传感器 因而电机结构简单 体积小 可 靠性高 当电机体积较小 位置传感器难以安装或工作环境恶劣以至于位置传 感器无法正常上作时 无位置传感器 bldcm 就更加显示其独特的优越性 所谓 无位置传感器 应该是无机械的位置传感器 在电机运转过程中 作为逆变桥 功率器件换相导通时序的转子位置信号仍然是需要的 只不过这种信号不再是 由位置传感器来提供 而是由新的位置信号检测电路来代替 即以提高电路和 控制的复杂性来降低电机的复杂性 9 无位置传感器是基于有位置传感器无刷 直流电机的结构和运行原理 而它主要是依靠电机的电压和电流信息间接的获 得转子磁极的位置信号 进而控制绕组的换流顺序和时刻 1 3 21 3 2 转子位置检测方法转子位置检测方法 从70年代末开始 无位置传感器技木就开始成为无刷直流电机拄制领域研 究的热点 并相继提出了许多方法 其主要有 1 反电动势法 这是目前最常见和应用最广泛的方法 由于电机绕组的反电动势随转于位 置的改变而该变 利用在定子绕组中感应出的反电动势 可以得到转子的位置 这种方法一般需要对电机的三相端电压进行检测 并据此计算出反电动势 从 而得到转子的位置 该方法在120度运行的方波直流电机中最为常见 因为在这 种类型的尤刷直流电机中 如何瞬间三个绕组中 只有两个导通 未导通相绕 组的端电压即为反电势信号 反电势法可分为 端电压法 积分法以及续流二 级管法 2 三次谐波检测法 对于反电动势为梯形的方波电机 它的反电动势除了基波外 还还有丰富 的高次谐波分量 通过对电枢三相相电压的简单叠加 反电势的基波分量和其 他高次谐波分量由于相位互差 120度而相互抵消 只有三次谐波及其奇数倍次 的谐波由于同相叠加而加强 因此可以从中提取反电动势的三次谐波分量 以 检测转于的位置 该方法只实用于 y型连接的方波电机 3 相电感检测方法 凸极永磁电机的定子绕组电感随转子位置的变化有较大的改变 定于电感 是转于位置和相电流的函数 简单的电感检测方法 在未导通相中注入高频载 浙江理工大学本科毕业设计 论文 11 11 波信号 定子绕组中的电流变化与相电感的瞬时值成反比 这样就可以检测到 转于的位置 该方法可以用于载波模式 其显著优点是在反电势恨小甚至为零 的低速和静止情况下 都具有很好的可靠性 但是 电流的变化率和转子位置 之间的关系比较复杂 特别是在高速时 反电动势对定子电流有较大的影响 产生的误差不能忽略 4状态观测器法 这种方法是将电机三相电压 电流作坐标变换 在派克方程的基础上估算 出电机转子位置 10 1 3 31 3 3 设计无刷直流电机驱动电路 反电动势采样电路设计无刷直流电机驱动电路 反电动势采样电路 讨论 分析无刷直流电动机的结构和工作原理针对无位置传感器无刷直流 电动机启动困难的问题 结合转子位置检测电路的特点设计一种快速 可靠的 启动方案 路的特点设计一种快速 可靠的启动方案 无位置传感器控制技术 是课题研究的重点 详细分析反电动势法的工作原理 设计不同形式的转子位 置检测电路 并进行验证 1 3 41 3 4 无位置传感器无刷直流电机的启动无位置传感器无刷直流电机的启动 无位置传感器无刷直流电机与有位置无刷直流电机相比减小了电机的安装 体积 增加了工作的可靠性 但也存在着启动困难且不易实现的缺点 而这个 问题也是实现各个功能的基础和关键环节 控制无位置传感器无刷直流电机换相采用的是反电动势法 当用反电势法 检测转子位置信号时 由于定子绕组的反电动势与电机转速成正比 所以当电 机在静止或低速时反电动势法无法正常工作 因此反电动势法需要采用特殊启 动技术 如三段式启动法 就是把电机的启动过程分成三个阶段 定位 加速 切换 定位 电机静止时的转子位置决定了逆变器第一次应该触发哪两个功率器 件 而在没有位置传感器时判断转子初始位置有一定困难 一种方法是先让逆 变器任意两相导通 并控制电机电流 通电一段时间后 转子就会转到与该导 通状态相对于的预知位置 这样就可以完成转子的定位 加速 确定了转子初始位置后 由于定子绕组中反电动势为零 所以必须 人为的改变电机的外加电压和换相信号 使电机从静止到加速运动 这一过程 又称为外同步加速 无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计 12 12 切换 当电机转速上升到一定值时 反电势信号可以准确检测 即可有外 同步向自同步切换 其他启动方法还有升频升压同步启动法 预定位启动法 检测脉冲转子定 位启动法等 11 12 每一种启动方法都有其优缺点 具体使用何种方法还要看 适用于何种场合 1 41 4 论文结构论文结构 第一章 主要介绍了无位置传感器无刷直流电机的课题背景和研究意义 进而提出了本论文的研究任务 第二章 主要介绍了无位置传感器无刷直流电机的结构和工作原理 第三章 详细介绍了无位置传感器无刷直流电机的控制系统 包括芯片介 绍 转子位置信号检测方法 启动方法等 第四章 给出了无位置传感器无刷直流电机的硬件框图和主要电路图 第五章 对全文进行总结 并对无位置传感器无刷直流电机的发展进行展 望 浙江理工大学本科毕业设计 论文 13 13 第二章第二章 无位置传感器无刷直流电机的结构和工作原理无位置传感器无刷直流电机的结构和工作原理 2 12 1 无刷直流电机的结构无刷直流电机的结构 我们知道 有刷直流电机是具有旋转的电枢和固定的磁场 因此有刷直流 电机必须有一个滑动的接触结构 电刷和换向器 通过它们把电流馈给旋转着 的电枢 而无刷直流电机和有刷直流电机相比 它具有旋转的磁场和固定的电 枢 电子开关线路中的功率开关器件如晶体管 功率 mosfet 或 igbt 等可以直 接与电枢绕组相连接 而在电机内部 装有一个转子位置传感器 用它可以检 测转子在运行过程中的位置 电子开关线路和转子位置传感器一起 替代了有 刷直流电机的机械换相装置 所以 可以将无刷直流电机系统分成电动机本体 转子位置传感器 电子开关线路三个部分 13 14 图图 2 1 无刷直流电动机的结构框图无刷直流电动机的结构框图 无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计 14 14 2 1 12 1 1 电机本体电机本体 电机本体的主要部分包括定子和转子 首先 他们要满足电磁方面的要求 保证在工作气隙中能够产生足够的磁通 电枢绕组允许通过一定的电流 以便 产生一定的电磁转矩 其次 要保证机械结构牢固和稳定 能传送一定的转矩 定子是电机本体的静止部分 它有导磁的定子铁心 导电的电枢绕组和固 定铁心和绕组所需要的一些零部件 绝缘材料等组成 如机壳 绝缘片 引出 线等 定子铁心一般由硅钢片叠成 选用硅钢片的目的是为了减少主定子的铁 耗 定子绕组是电机本体的一个最重要的部件 当电机通电后 电流流入绕组 产生磁动势 并与转子产生的励磁磁场相互作用从而产生电磁转矩 转子是电机本体的转动部分 是产生励磁磁场的部件 它有永磁体 导磁 体和支撑零部件组成 2 1 22 1 2 电子开关线路电子开关线路 电子开关线路的作用是将位置传感器的输出信号进行解调 功率放大 然 后去触发相应的功率晶体管在某一瞬间导通或截止 迫使某些原来没有电路的 电枢绕组内开始流通电流 某些原来有电流的电枢绕组内开始关断电流或改变 电流的流通方向 从而使定子磁状态发生变化 我们把这种利用电子电路来实 现电枢绕组内电流变化的物理过程称为电子换相 电子换相是无刷直流电机的 关键技术之一 只有正确的实现换相 才能保证电机的可靠运行 2 22 2 无刷直流电机的运行原理无刷直流电机的运行原理 无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的 有刷直流电机的工 作原理为 电枢绕组放在转子上 通电以后产生反应磁场 由于电刷的换相作 用 使得这两个磁场的方向在电机运行过程中始终保持相互垂直 从而产生最 大转矩驱动电机不停的旋转 在无刷直流电机中 位置传感器输出转子位置信号 通过电子开关线路驱 动有电枢绕组相连接的功率开关器件 是电枢绕组依次通电 从而在定子撒谎 那个产生跳跃式的旋转磁场 驱动永磁转子旋转 位置传感器不断的送出信号 以改变电枢绕组的通电状态 使某一磁极下导体中的电流方向始终不变 这就 是无刷直流电机的换相过程 图 2 2 是无刷直流电机的原理方框图 浙江理工大学本科毕业设计 论文 15 15 图图2 22 2 无刷直流电动机原理方框图无刷直流电动机原理方框图 无刷直流电机的电枢绕组与交流电机的定子绕组类似 基本上可以分为星 形绕组和封闭式绕组两类 它们的换相电路也有桥式和非桥式之分 星形联结是把所有绕组的首端和尾端连接在一起 与它们相配合的电子开 关线路可以为桥式电路和非桥式电路 封闭式绕组是由各相绕组组成封闭形 即第一绕组的尾端与第二绕组的首 端相连 第二绕组的尾端与第三绕组的首端相连 依次类推 直到最后一相绕 组的尾端与第一绕组的首端相连 与它想配合的电子开关线路为桥式 无刷直流电机的运行方式因电机本体的绕组型式不同而不同 多数无刷直 流电机的定子绕组为三相绕组 连接方式又分为三相三角形连接和三相星型连 接 本文以三相星型绕组为例对无刷直流电机的运行进行分析 三相星型连接 有两种运行方式 三相全控电路方式和三相半控电路方式 三相全控方式运行 具有转矩脉动小 绕组利用率高的优点 三相全控方式因同时导通的绕组数的 区别而分为两两导通方式 也称为120o导通方式 和三三导通方式 也称为180o导 通方式 15 16 图图2 32 3 无刷直流电动机三相全控电路无刷直流电动机三相全控电路 假设转子转到图 2 4 a 所示的位置时 通过位置检测 控制器输出控制信 无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计 16 16 号使功率开关管 v1 v2 导通 即绕组 a c 通电 电流流通路径为 电源正极 v1 管 a 相绕组 c 相绕组 vz 管 电源负极 两相绕组中的电流在空间产 生合成磁场 其方向为如图 2 4 b 中所示的 fac 的方向 定子磁场与转子磁场 相互作用 使转子沿图 2 4 a 箭头方向 顺时针 转动 转子转到如图 2 4 c 所 示位置 转子位置传感器输出变化 经控制器逻辑变换后使 v1 管关断 v3 管 导通 即绕组 b c 通电 电流流通路径为 电源正极 v3 管 b 相绕组 c 相 绕组 v2 管 电源负极 这时 两相绕组中的电流在空间产生的合成磁场方向 为如图 2 4 d 中所示的 fbc 的方向 定子磁场与转子磁场相互所用 使转子继 续朝顺时针方向转动 如图 2 4 c 箭头所示 转子转到如图 2 4 e 所示位置 转子位置传感器输出变化 经控制器逻辑变换后使 v2 管关断 v4 管导通 即 绕组 b a 通电 电流流通路径为 电源正极 v3 管 b 相绕组 a 相绕组 v4 管 电源负极 这时 两相绕组中的电流在空间产生的合成磁场方向为如图 2 3 f 中所示 fba 的方向 该磁场与转子磁场相互作用 使转子保持朝顺时针 方向转动 如图 2 4 e 箭头所示 依此类推 转子沿顺时针每转过 60o电角度 功率开关管切换一次 功率开关管导通逻辑为 v1v2 v2v3 v3v4 v4v5 v5v6 v6v1 转子磁场始终受到定子合成磁场的 作用 沿顺时针方向连续转动 不难看出 在换相过程中 定子绕组电流在空 间内所形成的合成磁场不是连续的旋转磁场 而是一种跳跃式的旋转磁场 每 个步进角度为 60o电角度 图图2 42 4 开关顺序及定子磁场旋转示意图开关顺序及定子磁场旋转示意图 浙江理工大学本科毕业设计 论文 17 17 从上述分析中可以得出结沦 转子每转过 60o电角度 逆变器开关管之间 就进行次换流 定子磁状态就改变一次 如果标记 v1 v2 功率管导通时的状态 为状态 1 的话 后面依次可以标记为状态 2 3 4 5 6 电机总共有六个磁 状态 每一个磁状态都是两相导通 每相绕组中流过电流的时间相当于转子旋 转 120o电角度的时间 每个开关管的导通角为 120o电角度 所以这种逆变器称 为 120o导通型 这种导通方式习惯仁也称之为 120o导通方式 2 32 3 无刷直流电机的运行特性无刷直流电机的运行特性 17 17 18 18 电机是一种输入电功率 输出机械功率的原动机械 因此 我们最关心的是它 的转矩 转速 以及转矩和转速随输入电压 电流 负载变化而变化的规律 据此 电机的运行特性可分为起动特性 工作特性 机械特性和调速特性 讨论各种电机的运行特性时 般都从转速公式 电动势平衡方程式 转 矩公式和转矩平衡方程式出发 对于无刷直流电机 其电动势平衡方程式为 2 uiacpracpeu 1 公式中 是电源电压 v 是电枢绕组反电动势 v 是平均电ueiacp 枢电流 a 是电枢绕组的平均电阻 u 是功率晶体管饱和管压降 v racpu 对于桥式换相线路为 u 2 对于不同的电枢绕组形式和换相线路形式 电枢绕组反电动势有不同的等 效表达式 但是均可表示为 2 kene 2 公式中 为电机转速 r min 为反电动势系数 v r min nke 由式 2 1 2 2 可知 2 ke iacpracpuu ke e n 3 在转速不变时 转矩平衡方程为 2 02mmm 无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计 18 18 3 上式中 是输出转矩 n m 是摩擦转矩 n m 是电磁转2m0mm 矩 n m 在转速变化的情况下 则 2 dt dw jmmm 02 4 公式中 是转动部分 包括电机本体转子及负载 的转动惯量 kg m2 j 是转子的机械角速度 rad s w 从这些公式来讨论无刷直流电机的各种运行特性 2 3 12 3 1 机械特性机械特性 机械特性是指外加电源电压恒定时 电机转速和电磁转矩之间的关系 由 公式 2 1 2 2 2 3 可以得到 2 racp nke racp uu iacp 5 2 racp nke racp uu kmkmiacpm 6 当不计 u 的变化和电枢反应的影响是 是 2 5 等号右边的第一项是常数 所以电磁转矩随转速的减小而线性增加 如图 2 5 浙江理工大学本科毕业设计 论文 19 19 图图2 52 5 机械特性曲线机械特性曲线 2 3 22 3 2 调速特性调速特性 由 2 6 式 在同一转速下改变电源电压 可以很容易的改变输出转矩或 在同一负载下改变转速 所以 无刷直流电机的调速性能很好 可以通过改变 电源电压实现平滑调速 但此时电子换相线路及其他控制线路的电源电压仍应 保持不变 图 2 6 是无刷直流电机的调速特性曲线 图图 2 62 6 调速特性曲线调速特性曲线 无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计 20 20 第三章第三章 无位置传感器无刷直流电机的总体结构和设计原理无位置传感器无刷直流电机的总体结构和设计原理 3 13 1 无位置传感器无刷直流电机的控制策略无位置传感器无刷直流电机的控制策略 无位置传感器无刷直流电机控制技术的核心是通过硬件和软件相结合的手 段来间接获得转子位置信号 从而控制相应的功率器件 实现无刷直流电机的 调速运行 无刷直流电机的位置检测方法主要包括反电势过零点检测法 电流 检测法 三次谐波电压检测法等 本文采用的是反电势过零点检测法 由于本设计采用的是反电势过零点检测方法 当电机静止或电机的转速较 低时 绕组的反电势信号幅值较小 无法可靠检测转子位置信号 不能提供换 相依据 本设计采用的是三段式启动方法 也就是需要电机启动时 不管电机 的转子处于什么位置 给电机提供一个确定的工作状态并维持一定的时间 定 子绕组产生的合成磁势在空间 上会有一个确定的方向 吸引转子转到与之垂直 的位置 从而能够明确知道一个准确的转子位置信号 这是转子的预定位阶段 浙江理工大学本科毕业设计 论文 21 21 本次设计控制芯片采用 freescale 的 56f8013 主要采样转子位置信号过 零点电压信号 并产生 pwm 脉冲信号 通过三个 ir2103 芯片驱动六个 mosfet 的导通和关断 从而产生无刷直流电机的换相信号 从而驱动电机持续稳定的 运转 3 23 2 硬件系统介绍及系统框图硬件系统介绍及系统框图 本文介绍的无位置传感器无刷直流电机的硬件系统框图如图 3 1 所示 在本次硬件系统设计中 采用的是 freescale 公司的 56f8013 微控制器 其主要功能是根据电动机旋转方向的要求和转子位置信号 将他们处理成为功 率驱动单元的六个功率开关器件所需要的驱动时序 56f8013 的另一个重要作 用是根据电流 电压和转速等反馈模拟信号 以及随机发出的制动信号 经过 ad 变换和必要的运算后 借助内置的时钟信号产生一个带有上述各种信息的脉 宽调制信号 pwm 逻辑处理单元是采用的是 ir2103 芯片 它是专用的 mosfet 驱动芯片 每一个 ir2103 芯片可以驱动两个 mosfet 主要功能是把驱动顺序信号和带有 各种控制信息的脉宽调制 pwm 信号综合成六个驱动信号来驱动 mosfet 从而形 成电机换相所需要的时序信号 功率驱动单元主要包括 mosfet 功率开关器件组成的三相半桥逆变电路和自 举电路等 反电动势检测电路主要是由比较器电路组成 主要功能是实时检测三相绕 组输出端的反电动势 检测反电动势的过零点 将信号送到 56f8013 再由 56f8013 给出换相信号 此部分电路是系统中的关键部分 无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计 22 22 电源 整流电压检测电路 56f8013 整流 ir2103 逆变 电路 驱动电路 反电势检测电路 保护电路 bld c 图图 3 13 1 硬件系统整体框图硬件系统整体框图 3 33 3 控制电路硬件设计控制电路硬件设计 3 3 13 3 1 控制芯片选择及特点控制芯片选择及特点 本控制系统中微控制器选择的是freescale的56f8013微控器系统 其引脚信号 功能分布如图3 2所示 56f8013 56f8011是基于56800e核的数字信号处理器 dscs 系列的一员 在单芯 片中 集成了dsp的数字处理功能和微控制功能 以及各种灵活搭配的外设 具 有很高的性价比 由于成本低 外设搭配灵活和精简的指令代码 56f8013 56f8011可以适用于各种用途 56f8013 56f8011提供了各种功能的外 设接口 如应用于工业控制 电机控制 家电控制 安防系统 开关电源 电 源管理和医疗监控系统 或者用于普通的高频器 高精度的传感器之中 56800e核基于双哈佛体系结构 由三个并行执行单元组成 每个指令周期可以 完成6个操作 类似mcu的编程模式和优化后的指令集能产生高效简洁的数字运 算代码和控制代码 该指令集对c编译器来说也是高效的 能快速开发优化的控 制程序 1 一个多功能的6通道输出的脉宽调制模块 pwm 高达96mhz的pwm工作时钟 15位的分辨率 浙江理工大学本科毕业设计 论文 23 23 中心对齐和边缘对齐两种pwm信号模式 4个带可编程数字滤波器的可编程的错误输入 双缓冲的pwm寄存器 每个互补的pwm信号对可以输出不同开关频率 pwm的发生源可以选择为 pwm发生器 扩展的普通io 内部定时器 adc转换结果的限制 当转换结果比高域值更大时 关闭pwm信号 当转换结果比低域值更小时 发送pwm信号 2 两个独立的12位模 数转换器 adcs 2个3通道的输入端口 支持同时和连续转换 adc转换可以与pwm和定时器模块同步 采样速率高达2 67msps 8字长的结果缓冲寄存器 adc智能的功耗管理 自动待机 自动降低功耗 3 一个16位的多用途4通道定时器模块 tmr 高达96mhz的工作时钟 4个独立的16位计数 定时的级联能力 每个定时器都有捕捉和比较功能 高达12个工作模式 4 一个带lin从机功能的串行通信接口 sci 3 全双工或者单线的传输模式 两种接收器唤醒模式 空闲线 地址屏蔽 5 一个串行外设接口 spi 全双工工作模式 主机和从机模式 无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计 24 24 可编程的传输数据长度 2 到 16 位 6 一个 i2c 端口 传输高达 400kbps 支持主机和从机操作 7 可以选择不同时钟源的 cop 看门狗计时能力 8 5v 容限的 26 个通用 i o gpio 引脚 9 完整的上电复位和低电压中断模块 10 锁相环 pll 提供了高速时钟频率内核和外设 11 时钟源 片内振荡器 外部时钟源 12 片内电压调节器为数字和模拟电路减少和降低噪音 13 实时调试的 jtag eonce 调试编程接口 浙江理工大学本科毕业设计 论文 25 25 图图3 23 2 56f8013 56f801156f8013 56f8011引脚信号功能分布引脚信号功能分布 本系统中驱动功率开关器件的芯片选择的是美国 ir 公司的芯片 ir2103 芯片是 ir 公司专为驱动功率开关管而设计的 是一种高电压高速的功率 mosfet 和 igbt 驱动器 它有两个独立的高端和低端输出通道 一个芯片可以 驱动两个 mosfet 管或 igbt 管 输出的浮置通道可用来驱动高端接于 600v 最 大 的 n 沟道电力 mosfet 或 igbt 下图是 ir2103s 的 ir2103s 外形结构 图图 3 33 3 ir2103sir2103s 外形结构外形结构 3 3 33 3 3 freescalefreescale 的的 56f801356f8013 微控器系统微控器系统 该系统采用freescale公司的56f8013为核心 由56f8013芯片产生pwm控制 信号 从gpioa0 gpioa5管脚输出送到ir2103s芯片 再通过反电动势检测电路 测量出电压信号从ana2 anb0 anb1管脚输入 再根据56f8013内部的程序来 pwm控制信号的输出 以达到电机的稳定运行 19 另外包括复位电路和晶振电路 复位电路包括上电复位和按键复位 当电 路刚上电时 电容c5上电有充电 此时 电容相当于短路 引脚1reset为低电位 当 c5充电完成以后 电容相当开路 引角1为高电平 这样就实现了上电复位 当按键 按下时 引脚1接地为低电位 这样就实现了按键复位 此电路是由晶振产生5mhz 的震荡频率 输入给56f8013芯片 再由56f8013芯片的内部电路产生一个四倍频 20mhz的工作频率 再将c9和c10两个电容并联到晶振上 以起到滤波的作用 产 生稳定的5mhz的频率 图3 3为56f8013微控器系统 无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计 26 26 图图 3 43 4 56f801356f8013 微控器系统微控器系统 3 3 43 3 4 无刷直流电机的反电动势采样电路无刷直流电机的反电动势采样电路 反电动势过零点法是技术上应用最广泛 最成熟的转子位置检测方法 11 采用两两通电方式 其原理为 在无刷直流电机稳态运行时 忽略电机电枢 120 反应的前提下 通过检测关断相反电动势的过零点来获得永磁转子的关键位置 信号 从而控制绕组电流的切换 20 本系统采用的是端电压法检测反电动势 如图所示 端电压 0au0bu 经分压后 经滤波得到检测信号 再经过电压比较器0cu0au0bu0cu lm358 光电隔离器等 最后分别送到 pic 单片机的三个捕捉口 图为 a 相反电 动势检测电路 图中 r1o3 r104 和 r105 可以看成一个分压器 将定子绕组反 电动势进行分压 得到 分压器电阻的阻值要根据电机在工作时的反电0au0au 动势的大小进行选择 分压电阻的阻值要满足功率的要求 反电动势过零点有 两种情况 一种是由正变为负的过零 一种是由负变为正的过零 这样电压比较 器输出信号中由高电平变为低电平的边沿和由低电平变为高电平的边沿将都为 有效 由电压比较器输出的信号经过光耦 tlp521 这样既实现了电气上的隔离 又实现了电平的转换 得到最终需要的电平信号 得到的信号送到 pic 单片机的 三个捕捉口 单片机根据相应的捕捉信号判断反电动势过零点 浙江理工大学本科毕业设计 论文 27 27 图图 3 43 4 反电动势采样电路反电动势采样电路 第第4 4章章 无位置传感器无刷直流电机的控制电路设计无位置传感器无刷直流电机的控制电路设计 4 14 1 单片机最小系统单片机最小系统 4 1 14 1 1 单片机复位电路单片机复位电路 无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计 28 28 图图 4 14 1 单片机复位电路单片机复位电路 当电路刚上电时 电容c5上电有充电 此时 电容相当于短路 引脚1reset为低电 位 当c5充电完成以后 电容相当开路 引角1为高电平 这样就实现了上电复位 当按键按下时 引脚1接地为低电位 这样就实现了按键复位 4 1 24 1 2 单片机时钟输入电路单片机时钟输入电路 图图 4 24 2 晶体振荡器电路晶体振荡器电路 此电路是由晶振产生5mhz的震荡频率 输入给56f8013芯片 再由56f8013芯片的 内部电路产生一个四倍频20mhz的工作频率 再将c9和c10两个电容并联到晶振 上 以起到滤波的作用 产生稳定的5mhz的频率 4 1 34 1 3 单片机工作时的电压电路及电源电路单片机工作时的电压电路及电源电路 浙江理工大学本科毕业设计 论文 29 29 图图 4 34 3 56f801356f8013 工作时的电压工作时的电压 图图 4 44 4 12v12v 和和 5v5v 电压产生电路电压产生电路 单片机工作时所需要的电压为5v 其中12v电压是电机工作时所需要的 4 24 2 转子位置信号检测电路转子位置信号检测电路 本系统采用的是端电压法检测反电动势 端电压经电阻网络分压后 输入到单 片机的ana2 anb0 anb1管脚输入 再根据56f8013内部的程序来pwm控制信号 的输出 以达到电机的稳定运行 无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计 30 30 图图 4 54 5 转子位置信号检测电路转子位置信号检测电路 4 34 3 mosfetmosfet驱动电路设计驱动电路设计 系统选用的mosfet的驱动芯片为ir公司的ir2103s 该驱动器集控制电路 电平转换 低阻抗输出和识别保护为一体 其驱动集成电路只需几个外围元器 件 就可以使三相桥式电路的逻辑控制信号与mos栅极器件完整连接 而且驱动 能力强大 易于调试 该驱动器可以使功率系统的设计时间缩短 尺寸减小 成本降低 可靠性提高 下图是一片单片机56f8013pwm输出和ir2103s驱动其中一个上下桥臂的电路 图 pwm1的高端和低端输出分别作为芯片ir2103s的高端和低端输入 图图 4 54 5 pwmpwm 脉冲输出电路脉冲输出电路 浙江理工大学本科毕业设计 论文 31 31 图图 4 74 7 mosfetmosfet 驱动电路驱动电路 电压比较器用的是 lm38 lm358 里面包括有两个高增益 独立的 内部频 率补偿的双运放 适用于电压范围很宽的单电源 而且也适用于双电源工作方 式 它的应用范围包括传感放大器 直流增益模块和其他所有可用单电源供电 的使用运放的地方使用 lm358 的特点 内部频率补偿 低输入偏流 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围宽 包括接地 差模输入电压范围宽 等于电源电压范围 直流电压增益高 约 100db 单位增益频带宽 约 1mhz 电源电压范围宽 单电源 3 30v 双电源 1 5 一 15v 低功耗电流 适合于电池供电 输出电压摆幅大 0 至 vcc 1 5v 无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计 32 32 图图 4 84 8 电压放大电路电压放大电路 系统每相反电动势检测电路都有一个 lm358 使三个比较器都工作在相同 的状态 每一个比较器均设计为过零比较器 这样 经过分压滤波后的反电动 势信号再经过电压比较器 在输出端得出的信号就是方波信号 反电动势过零 点有两种情况 一种是由正变为负的过零 一种是由负变为正的过零 这样电压 比较器输出信号中由高电平变为低电平的边沿和由低电平变为高电平的边沿将 都为有效 把电压比较器的输出信号送到单片机的捕捉口 单片机根据相应的 信号即可得到相应的反电动势过零点 4 44 4 调速电路设计调速电路设计 通过一个电位器可以调节无刷直流电机的速度 单片机上的管脚anao通过 采样电位器上的分压speed 再经过ad转换 改变单片机输出pwm脉冲的占空比 来调节输入电机绕组的平均直流电压 以达到调速的目的 浙江理工大学本科毕业设计 论文 33 33 图图 4 94 9 电机调速电路电机调速电路 4 54 5 保护电路保护电路 lm358运放芯片起到稳压的作用 同时起到过流保护的作用 其中 c15 r16 rf1的作用是为提供电机的采样电流 图图 4 104 10 保护电路保护电路 无位置传感器直流无刷电机驱动器的硬件设计 34 34 第第 5 5 章章 总结及展望总结及展望 本课题是基于单片机56f8013为控制器 以ir2103s作为功率mosfet的驱动 芯片的无位置传感器无刷直流电机控制器的硬件设计 首先 了解了无刷直流 电机的组成结构 工作原理 数学模型等 并对无刷直流电机的有位置传感器 和无位置传感器进行了分析 其次 对无位置传感器无刷直流电机控制器的硬 件原理图进行了设计 介绍和分析了无刷直流电子的转子位置检测方法 反电 势法 并设计了反电势检测电路 并对电机的启动技术 三段式启动方法进行 了介绍 最后对对无位置传感器无刷直流电机的硬件进行了设计 现在 无刷直流电机以其卓越的性能和技术优势使其应用越来越广泛 广 泛应用在工业 农业 国防 航空航天 现代科技和日常生活的各个方面 因 此 在电机领域内 设计高性能的无刷直流电机特别是无位置传感器无刷