永磁无刷直流电动机设计word版

1、如不慎佞犯了你的权益,请联系我们皆知!永磁直流微电动机控制技术Permanent magnet DC micro-motorcontrol technology专业：测控技术与仪器姓名：拓明方指导教师：申请学位级别：学士论文提交日期：2015年 月如不慎佞犯了你的权益,请联系我们皆知!学位授予单位：天津科技大学如不慎侵犯了你的权益,请联系我们吿知!摘要传统直流电机中电刷和换向器的存在使得其结构变得复杂，而且换相时发 生的械接触严重影响了电机运行的可靠性和稳定性，而且会缩短其使用寿命， 极大的影响了电机的应用范围。因此，长期以来科学家们都着力于研究能有效 替代电刷和换向器的装置或控制方法。伴随着

2、微处理器技术和智能控制技术的发展以及永磁材料的出现，PMBDCM 正在以其优越的性能逐步取代传统电机应用于各个领域。其中无位置传感器的 PMBDCM更是克服了位置传感器安装复杂、成本较高的缺陷，拥有可靠的工作性 能和简单的电机结构等优势。因此，针对无位置传感器的PMBDCM,本次毕业设计详细介绍PMBDCM的结 构和工作原理，以TMS320F2812芯片为核心设讣了 PMBDCM的无位置传感器控 制系统的硬件电路，给出了模块化的软件设计思路；并选择硬件起动法和“反 电动势”过零检测法来控制电机运行。最后 在MATLAB/SIMULINK环境下，釆用模块化设计思路对无位置传感器的 PMBDCM进

3、行建模；并采用经典的双闭环控制方法对电机模型进行仿真，通过仿 真结果证明了 “反电动势”过零检测法的可行性。关键词：PMBDCM：无位置传感器；TMS320F2812； “反电势”过零检测如不慎侵犯了你的权益,请联系我们行知!backEMFzero-crossingdetectionABSTRACTTraditional DC motor has a complicated structure because of brush and commutator existence, and mechanical contact occurs when the commutation of a se

4、rious impact on the reliability and stability of the motor operation, as well as, it will shorten motor* s life, a great impact on the application range of the motor scientists have long been focused on the study can effectively replace devices or control method brushes and commutatorWith the develo

5、pment of microprocessor technology and intelligent control technology and permanent magnet material advent, PMBDCM is its superior performance to gradually replace Traditional motor used in various fields Which PMBDCM position sensor-less is overcome complex and costly defects in position sensor mou

6、nted, possess reliable performance, simple motor structure and other advantagesTherefore, for the position sensor-less PMBDCM, this graduation design details of the structure and working principle on PMBDCM ,use TMS320F2812 chip as the core designed sensor-less control system hardware circuit and a

7、modular software design ideas for PMBDCM, then, select hardware starting method and the back-EMF zero-crossing detection method to control the motor runningFinally, under the MATLAB / SIMULINK environment, build a position sensor-less PMBDCM model by modular design concept; and simulate motor model

8、adopt the classic double-loop control method, the Simulation results proved feasibility of the back-EMF zerocrossing detection methodKeywords: PMBDCM: Position sensor-less control; TMS320F2812;目 录1绪论 .1如不慎侵犯了你的权益,请联系我们告知!181.1永磁无刷直流电动机控制技术的研究概况.11.2永磁无刷直流电动机的发展趋势.21.3永磁无刷直流电动机的特点及应用.31.3.1在航空航天中的应用.

9、31.3.2在汽车中的应用.31.3.3在家用电器中的应用.41.3.4在精密电子设备和器械中的应用.41.4论文需要做的工作.52永磁无刷直流电动机的结构和原理 .62.1永磁无刷直流电动机的结构.62.1.1电动机本体.72.1.2位置传感器.72.1.3逆变器（电了开关线路）.82.2永磁无刷直流电动机的基本工作原理.92.2.1有刷直流电动机的工作原理.92.2.2.无刷直流电动机工作原理 .102.3无刷和有刷宜流电机的比较.123永磁无刷直流电动机的控制系统设计 .133.1控制系统的硬件设计.133.1.1驱动电路及驱动保护模块.143.1.2 PIC16F877A芯片及控制系统

10、原理图.153.2控制系统的软件设计.173.2.1软件设计.173.2.2处理位置传感器的检测信号.183.3本章小结如不慎侵犯了你的权益,请联系我们行知!384永磁无刷直流电动机的无位置传感器控制技术 .194.1无位置传感器PMBDCM的控制系统硬件设计 .194.1.1控制系统框图 . .194.1.2逆变器电路的设计.204.1.3逆变器驱动电路设计.204.1.4核心控制电路及外围电路.214.2转子位置的检测及无位置传感器时电机的起动.234.2.1反电势过零检测法原理和实现.234.2.2无位置传感器PMBDCM的硬件起动.254.3无位置传感器PMBDCM的控制系统软件设计

11、.264.3.1转子零初始位置起动程序.264.3.2 反电势，法运行程序 .284.3.3功率模块保护中断(PDPINT)服务程序.294.4本章小结.295永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统的仿真 .315.1 PMBDCM 的数学模型 .315.2无位置传感器PMBDCM的建模和仿真 .325.2.1总体结构设计.325.2.2双闭环调速系仿真结果.336总结与展望 .36参考文献 .37致谢如不慎侵犯了你的权益,请联系我们吿知!1绪论永磁无刷直流电动机（以下简称PMBDCM ）是近年来随着信息技术和材料 技术的发展而迅速发展起来的一种性能优秀的新型电动机。它将老式电动机中 的机械电

12、刷和机械换向器，用一种电子换向器取而代之，因此使PMBDCM不仅保 留了直流电动机的诸多特点，同时还具备了交流电动机结构简单、运行可靠、 维护方便等优点，这就使得PMBDCM在各个领域中有着广泛的应用皿。除此之外, PMBDCM高能量、高密度、高转矩惯性比以及高效率等长处决定了其具有广阔的 发展空间旧。1. 1永磁无刷直流电动机控制技术的研究概况PMBDCM是一种非常具有代表性的新型机电一体化产品，这种产品山定子、 转子、位置传感器和电子开关等组成，它的成长与材料技术、电子技术、信息 技术和检测技术等研究的进步密切相关。而这儿项研究作为潜力巨大的支柱性 技术，必然在信息技术快速发展的新世纪，朝

13、着快、新、小和精准、可靠的方 向发展，为PMBDCM的高速发展提供必备的技术支持。近年来，一方面，随着电力电子技术的提高、功率半导体器件容量增大和 开关速度提高等，都极大地推动了 PMBDCM的发展刃。相对来说，电子元器件比 较容易做到高压低流，这不仅能降低传输过程中的损耗，而且管压降占总的线 电压的比例也会下降，可以有效地增加电动机系统的工作效率。因此，高压低 流应该是未来PMBDCM的发展方向之一；另一方面，处理器微型化正在高速发展, 高速微处理器和DSP等元件的产出，极大的简化了 PMBDCM的控制系统，并显著 提高了电动机的性能:曲。此外，随着控制理论的不断发展，许多现代控制理论 均被

14、用于PMBDCM的控制，但是其中有些控制理论还不是很成熟，需要进一步研 究。相信通过长时间的研究和发展，将之应用到PMBDCM上，必然会推动 PMBDCM的高速发展。现如今，对PMBDCM -个研究热点是无位置传感器控制的研究。位置传感器 为逆变器提供转子位置信号以确定电动机的换相，是电动机系统的重要组成部 分，但同时位置传感器的许多缺点也是无法避免的。比如：增加了电动机的体 积和成本、降低了系统的可鼎性、安装也相对困难等等。鉴于这些缺点，国 内外的许多研究人员一直在寻找能够替代位置传感器的方法，也就是无位置传 感器的控制方法，并取得了成功，许多成品也已在许多地方进行了应用。如不慎侵犯了你的权

15、益,请联系我们行知!1.2永磁无刷直流电动机的发展趋势1831年，著名的科学家法拉第发现了电磁感应现象，从而为现代电动机奠 定了理论基础。我们都知道，无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上 成长起来的，而在长期的探索和研究中，其主要方向便是寻找有效的技术或部 件将有刷直流电动机中的电刷、换向器取而代之。现如今，国内外对永磁无刷直流电动机的研究工作主要集中在它的控制器 模型、精确调速控制、抑制转矩脉冲和位置信号检测等方面。因此，我认为， 对今后PMBDCM的研究应注重以下儿个方面：（1）优化PMBDCM的控制方法，提高其调速性能；（2）向小型化、集成化及控制器全数字化方向发展；（3）开发研究新

16、型的结构和高效的绿色PWM控制方案；（4）进一步研究和完善对PMBDCM测速系统的改进和优化，以及位置信号 检测方法和检测方式。上文中提到，转子位置检测是电动机中非常重要的部分，因此对转子位置 的检测方法提出了从转子、定子结构上做改动，如在转子表面安装非磁性元件, 通过检测该元件中由于产生涡流而导致断开相电压转变来获得转子位置信号的 方法；另有一种新的检测思路一利用智能控制理论，这种检测方法通过自适应 技术、模糊控制或者神经网络控制来建立被测相的电压、电流和转子位置之间 的关系，这种控制方法虽然省去了精确的数学模型，但是在应用中存在很大困 难，使得该方法仍在研究起始阶段，且更多的只是仿真，实际

17、应用不常见：皿。现今，使用做多的仍旧是反电动势控制技术，其原理是通过检测反电动势 的零点来确定转子磁钢的精确位置，同时控制PMBDCM的换向。提高PMBDCM的性能，可以通过优化硬件设计和电力电子装置来实现；也可 改善各种控制方法来进行提高。PMBDCM控制系统是典型的非线性、多变量耦合 系统，结合现代控制理论和智能控制理论的控制方案，如Fuzzy控制、神经网 络控制等多种先进控制策略在PMBDCM中的应用将乂一次提高系统的性能“。尤 其，如果单片机或DSP处理速度能够有保障，应加大各种控制算法的实用化研 究，从而全面推进PMBDCM控制系统朝着微型化、数字化、绿色化和高效节能等 方向发展。1

18、.3永磁无刷直流电动机的特点及应用PMBDCM的最大特点，就是没有换向器和电刷组成的机械接触结构；能够产 如不慎侵犯了你的权益,请联系我们行知!生热量的电枢绕组通常安装在外壳定子上，使其散热容易。因此PMBDCM不会产 生换向火花，没有无线电的干扰，寿命长，运行可靠工：。表1-1几种电动机的比较机项目开关磁阻 电动机变频调速异 步电动机永磁有刷直 流电动机永磁无刷 直流电动机结构可靠性好好差好效率较高较低较高咼调速性能好较好好好功率/体积比较低高电动机本体成本低较低高较高控制器成本较低咼低较高通过上述简单的比较，我们可以看出PMBDCM较其他电动机有着明显的优势, 其发展空间和应用范围都非常的

19、广阔，下面就将介绍一下PMBDCM的儿种应用。 1.3. 1 在航空航天中的应用航空航天用PMBDCM最具代表性的是机械臂控制、陀螺仪与舵机驱动等儿种 应用，这些应用对高速控制和动态响应能力有着非常高的要，因此这些电动机 系统均通过闭环速度反馈方式进行控制，且大多都拥有非常先进控制的算法。 其他航空航天用PMBDCM,如高速离心泵和高速摄像枪等，它们使用到的电动机 转速能够达到万转/分钟，因此需考虑到高速旋转时对电动机机械、电气方面的 影响以及出现问题时的解决方案。另外，航空航天使用电源的电压等级和频率 也与民用区别较大，因此电动机控制系统还须调整具体的参数来适应这些区别。 1.3.2 在汽车

20、中的应用在汽车中，永磁无刷直流电动机主要应用于车轮驱动、净化器等。汽车驱动：电动汽车的四个车轮分别用各自独立的轮式电动机直接启动， 并利用逆变器进行电子换向，这种结构有利于机车的高速运行，并且更换轮胎 后也会不影响电动机自身工作剛。当今国际上的车辆驱动使用的方案，基本上 是采用取消齿轮、直接驱动的外转子式电动机（如图1-1）,然而由于经费的因 素，许多汽车生产厂家会选择内转子式PMBDCM。如不慎侵犯了你的权益,请联系我们行矢（a）电动轮（带永磁内转子）（b）外转子式直流电动机图1-1车辆驱动使用的方案净化器：汽车净化器相当一部分都是使用PMBDCM的带动离心式风叶用以吸 收排出污浊的空气。常

21、用的电动机电路是二相桥式换向驱动电路，这种电机的 内定子绕组可以绕在铁芯齿上，本体做成外转子式结构，定子和定子绕组放在 转子内部，换向采用简单且有控制保护功能的专用集成电路（ASIC）。1.3.3 在家用电器中的应用近年来，家用电器正朝着节能、低噪声、智能化和高可靠性方向发展，其 使用的电子驱动电动机的性能也随之在提高。变频空调的兴起使PMBDCM在空调驱动中的釆用率正逐步提高。并且空调压 缩机中宜釆用无位置传感器控制方式，这种控制方式不但能节约成本和提高变 频空调压缩机控制系统的稳定性，而且使系统体积减小、系统效率也有所了增 加。盘式PMBDCM在VCD、DVD等家用电器的主轴驱动中也有应用

22、。同时，吸尘器、搅拌机、电吹风机、摄像机和家用电风扇等诸多家用电器 也正在将先前使用较多的直流电动机、单相异步电动机和变压变频（VWF）驱 动式异步电动机等用PMBDCM取代，以提高其工作效率。1.3.4在精密电子设备和器械中的应用骨科医疗器械：根据各种手术的需要，要求电动机的动力系统能在较宽的 范圉内连续变速，以适应铳缝、钻孔、锯等技术的要求。而现有骨科医疗器械 用驱动电动机是单相交直流串励电动机及电压调节器，其缺点是噪声大；由于 电刷和换相器的存在，致使手术前的消毒无法完成，给手术带来了极大的影响; 同时需要定时更换电刷及电动机维护。而PMBDCM低噪音、宽范圉调速、体积小、 重量轻等优点

23、却能有效的改善这些缺点川。另外PMBDCM在计算机硬、软盘驱动、激光打印机、太阳能帆板驱动、血液 如不慎侵犯了你的权益,请联系我们行知!分析仪、医护监控设备等领域内正在逐渐替换有刷电动机。该类PMBDCM尺寸小、 加工精度高，属于技术密集型，需求量巨大，且目前其主要来源于各发达国家。1.4论文需要做的工作这一章主要学习和介绍了 PMBDCM控制技术的研究概况、发展趋势以及在各 领域内的应用，为本次毕设奠定了理论基础。本次毕业设计，将主要结合PMBDCM的结构和原理，进行以单片机 PIC16F877A芯片为核心的PMBDCM控制系统硬件设计和软件构思，并对比较热 门的PMBDCM的无位置传感器控

24、制技术重点进行分析和研究。从本章第三节介绍的诸多应用中我们可以看出，PMBDCM的应用范围是非常 广阔的，从“上天”到“入地”，大到火箭小到手术刀，其应用遍布人民的生 活。当然，PMBDCM的应用不仅仅限于这些，其良好的发展前景和优越的性能决 定PMBDCM会在以后有更多、更全面的应用。如不慎侵犯了你的权益,请联系我们告知!2永磁无刷直流电动机的结构和原理PMBDCM山于缺少换向器和电刷组成的机械接触结构，因而使PMBDCM拥有 寿命长、噪音低、和电磁干扰小等众多优点，并且在此基础上还保持了有刷直 流电动机优越的起动和调速性能。此外，PMBDCM的转速不受机械换向的影响， 其转速限制就非常小，

25、日前就已制造岀转速在80000r/min的电机，如果釆用 空气轴承或者磁悬浮轴承，它甚至可以以每分钟高达儿十万转的速度下运行 16O2.1永磁无刷直流电动机的结构常见的PMBDCM的结构如图2-1所示。其主要结构有电动机M （三相两极）、 位置传感器和逆变器三部分组成。三项定子绕组A相、B相、C相分别与电子开 关线路中功率开关几、A、T6 R、匸相联接，位置传感器与电动机转轴同 轴相接网。因此，PMBDCM的基本结构可以视为山逆变器、电动机M以及位置传感器三 者组成（图2-2）。PMBDCM具有旋转的磁场和固定的电枢，逆变器可直接与电枢 绕组相连，位置传感器和逆变器则替换了有刷电动机的机械换向

26、。VF （逆变器）图2-1 PMBDCM的结构原理图如不慎侵犯了你的权益,请联系我们告知!直流电源O-逆变器转子位邑传感器图2-2PMBDCM基本结构2. 1. 1 电动机本体PMBDCM电机结构与永磁同步电动机颇为相似，电机结构主要包括转子和定 子；定子绕组采用交流绕组形式，基本为多相绕组(三相、四相、五相等)；转 子上装配永磁体，常见结构形式有三种(图2-3)图(R和图(b)结构的转子外 径有一个固定圈，防止永磁体在电动机高速转动时被甩出，同时在恶劣的工作 环境中永磁体也有保护作用。固定圈通常用不导磁不锈钢的材料。图(c)结构是 套一个整体粘贴性永磁体环在转子铁芯上，该结构适合体积和功率较

27、小的结构, 且转子的制造工艺性较好。除了上述基本结构形式外，还有一种外转子式结构, 这种结构形式主要用于电动车的驱动。如不慎侵犯了你的权益,请联系我们告知!(b)瓦形径向磁化(a)矩形切向磁化(c)环形径向磁化图2-3转子结构形式2. 1. 2 位置传感器位置传感器是PMBDCM的重要器件，其主要作用是跟踪转子的位置。传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接，它将转子位置的变化转换为电信号，传输给如不慎侵犯了你的权益,请联系我们告知,而逆变器则控制定子各相绕组的导通顺序。位置传感器和逆变器相互作用，就起到了有刷电机中电刷和换向器的作用, 为逻辑开关电路提供正确的换向信息。即通过将转子磁钢磁极的位置信

28、号转换 为电信号，然后去控制定子绕组换向。位置传感器种类繁多，我们根据其工作 原理来介绍常见的电磁式、磁敬式、光电式三种位置传感器：（1）电磁式：电磁效应；体积大、外围线路多、结构复杂。（2）磁敬式：霍尔元件、磁敬管、磁敬电阻集成电路；体积小、线路少。（3）光电式：光电效应；结构简单、抗干扰能力强、调整方便、应用广泛。 虽然位置传感器的研究已经趋于成熟，但是近年来，一种无位置传感器的PMBDCM发展更为迅速。它不使用转子位置传感器，让电动机的结构更加简单、 体积更小、可黑性更好。、勺电动机因体积较小或工作环境非常恶劣等种种限制 后，这种无位置传感器的PMBDCM就会体现出明显且独特的优越性。当

29、然，这种 传感器也有比较大的限制，其一便是它的适用条件一般是在空载或轻载条件下 起动，主要原因就是它的转矩比较低。2.1.3 逆变器（电子开关线路）PMBDCM逆变器是用来控制电动机定子各相绕组的导通顺序和导通时间，其 结构主要山功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。星形三相三状态星形四相四状态正交两胭魅星形三相六状态封闭三相六状态如不慎侵犯了你的权益,请联系我们告知图2-4逆变器结构如不慎佞犯了你的权益,请联系我们皆知!2. 2永磁无刷直流电动机的基本工作原理2. 2. 1有刷直流电动机的工作原理在日常生活中，我们会根据电动机供电方式的不同，将电动机分为直流电 动机和交流电动

30、机两种。比较典型的就是笔记本或者电脑机箱中使用的散热风 扇，其主体是直流电动机，供电电压为+12V,转速在100010000转/min。有刷直流电动机和无刷直流电动机的功能都是相同的，都是将电能转换成 机械能的装置。而有刷直流电动机的组成部分是定子、转子和换向器三部分 （图 2-6 ）o定子：电动机主磁极，不动部分。转子：两组或两组以上线圈，山漆包线烧纸而成，称为绕组。绕组接入电 流产生磁场并与定子磁极相互作用，使转子将在磁场力的作用下转动。换向器：直流电动机特有元件，由多个相隔绝缘片的换向片组成。换向器 表面用弹簧压着电枢用以与外界进行联络的电刷。当转子位于某一位置时，换 向器导通一组电枢绕

31、组，并在该绕组中产生磁场。（图2-6）o图2-6有刷直流电动机结构图图2-7有刷直流电动机工作原理图换向片|线圈3电刷-换向片2转了电刷+线圈2换向片3(b如不慎侵犯了你的权益,请联系我们笛知!时转子磁场与定子磁场相互作用迫使转子沿顺时针方向转动。此时可以给岀电如不慎侵犯了你的权益,请联系我们行知!流流通路径：电流+-功率管Vi-A相绕组一B相绕组一功率管V6-电源-。当永磁转子转动60。电角度，到达图2-5 (b)所示位置，位置传感器再次 输出转子位置信号，通过逻辑转换后使V6断开、叽导通，由于V；任然导通，故 绕组A、C通电，A进C出，电枢绕组合成空间磁动势Fa,同时定转子磁场相互 作用迫

32、使转子继续沿顺时针方向转动。此时乂有电流流通路径：电流正极一功 率管Vi-A相绕组一C相绕组一功率管电源负极。以此类推，我们可以看出当转子每沿顺时针转动60电角度，功率开关管 的导通逻辑顺序为 wm$LML皆LW，而电枢绕组的导通顺序A、 B-A、C-B、C,随意转子就将一直受定子合成磁场的驱使沿顺时针方向持续转 动:E。从图中我们可以看出，定子合成磁场Fa在空间中是不连续的旋转磁场。因 为在图2-5中，当转子磁场几顺时针连续转动时，定子合成磁场在空间中保持(a)图中的位置不变，而当转子磁场转过60。电角度到达图(b)中位置时, 定子合成磁场才会从图G)的Fa位置跃变到图(b)中Fa的位置。由

33、此可见, 定子合成磁场在空间中是一种跳跃式旋转磁场，其跃迁跟随每60。电角度步进。我们知道，当机转子顺时针转过60。电角度时，功率开关管导通的顺序会 发生变化，这将导致逆变器开关之间会发生一次换流，且定子状态也会相应改 变一次。综合上述情况我们给出下表。表2-1两相导通星型三相六状态绕组和开关导通图电角度060120180240300360ABC导通顺序BCABVT11 1VT21 1VT31 1VT41 1VT51 1如不慎佞犯了你的权益,请联系我们皆知!VT61 12.3无刷和有刷直流电机的比较对无刷和有刷直流电机进行比较。表2-2无刷和有刷直流电机的比较比较项目无刷直流电动机有刷直流电动

34、机换向方式借助转子位置传感器实现电 子换向通过电刷和换向器进行机械换向控制要求必须有控制器，用來维持电动 机运转，也可以用做变速控 制。定转速时无须使用，变转速时必须 使用。输出功率/外形 尺寸电枢绕组与机壳上的定子相连， 易于散热，允许减小外形尺寸， 故 输出功率/外形尺寸的值会 很高。电枢绕组联接内部定子，其产生的 热量散发在气隙内，增加了气隙温 度，故而限制了外形尺寸。机械特性硬：负载条件允许时，可在所有 速度下运行中等硬：高速运行时，电刷摩擦增 力lb有用力矩减小。使用寿命电脑操控较多，寿命长换向器、电刷损坏严重，寿命较短从表中我们可以明显的看出无刷直流电动机的优越性，因此对无刷直流电

35、 动机的研究将会是未来电机领域内的主要发展方向，而本次毕业设计也将围绕 无刷直流 电机进行控制技术的研究和学习。如不慎侵犯J你的权益，请联系至3永磁无刷直流电动机的控制系统设计现今，各类电动机都在朝着微型化、集成化和绿色化发展。不论是电动机 本体或者其控制系统，都有着同样的发展趋势；当然，这也是当今科学研究的 主要潮流。本章，将以单片机PIC16F877A芯片为核心，简要构造一个PMBDCM 的控制系统。3.1控制系统的硬件设计通过学习PIC16F877A芯片各个管脚的功能和PMBDCM原理结构，以及结合 查阅的文献资料，我已对所要设计的系统有了一定的认识。首先，我们将控制系统的设计框图（图3

36、-1）和各核心部分主要使用的元 器件（表3-1）列出，确定总体的研究方向和内容，接下来就是详细叙述各环 节的功能和作用。图3-1PMBDCM控制系统框图表3-1控制系统核心电路主要使用的元器件器件名用途数量PIC16F877A接受位置传感器检测输入，产生PWM波，与计算机通 信1ATF16V8B组成解码器；输入为3相位置信号、正反、停机、 PWM、保护信号；输出为6只MOSFET的导通信号16N137输出光电耦合器，将驱动信号和主电路信号隔离6IR2130组成保护电路1稳压电源提供+5V、+15V直流电压1IR540NMOSFET,组成功率主电路63.1.1驱动电路及驱动保护模块从图3-1中我

37、们可以看出，该系统是一个反馈控制系统，PIC16F877A芯片 通过位置传感器输入的检测信号来决定芯片输出给隔离驱动电路的PWM脉冲信 如不慎侵犯了你的权益,请联系我们行知!号，而驱动电路接收到信号后还需要识别保护模块发出的信号，来确定整个系 统的安全性和可行性，最后才会继续向功率开关发出指令。在该模块中，我们选择IRC生产的IR2130六路集成芯片来进行驱动和保护。 因为IR2130集成度高、速度快和调试方便等特点，并且拥有过流过压欠压保护、 封锁和指示网络的功能。IR2130的驱动信号延时非常小，小至nm级，而且价 格便宜、体积小，可以有效的减小控制器体积、提高其可翥性，是中小型 PMBD

38、CM驱动电路的理想选择。PIC输出的PWM脉冲信号还需要经过6N137快速光耦进行光电隔离（图3- 2）,然后再通过IR2130驱动电路实现驱动。图3-2 IR2130驱动电路我们可以看到，在芯片IR2130的管脚中，有一个ITRIP管脚，它的作用是: 当整个系统出现过流故障时，故障信号将传送到该管脚，从而锁住IR2130,使 IR2130输出的六个脉冲信号均为低电平，这样就会关闭六个功率元件。这便是如不慎侵犯了你的权益,请联系我们行知!-4 7K11*1JIA4PHK22U2R49VK 11 INl IWlRB134-OS；1/CIKIN MCLR/VPP-RAO/ANO- 比人I . AN

39、1-RA2/AN2/VRH- -K人3/AN引V K卜卜+-RA4/TCKK!RA*s. ATM-4/SS-KBO/INJr-RBI-RB2-RB3/PGM-RH4-RB5-RH6/P(K*KITCV ROAN5 HI IZPKI-XUCKSi- -14 MHZ osc 2/ i JCOI nr14Rco/rioso/r i CKJ RC-IZIIOSFCX-! rtc/fvpi IU?3/S?K/S Kvrrxx-K Rc-7/i5 KIJ6/PSP& R 07AN7I S RCO 16 CCP2I 7 CX P I1 K RC32 3 RCM2519RIX)20RDI2 I RL2 2 2

40、 RI) )IRO5230IO K112驱动的保护模块，保护驱动电路其至是系统都会在过流欠压的情况下不被 破坏。3. 1. 2 PIC16F877A芯片及控制系统原理图PIC16F877A芯片是属于MicrochipTechnology公司推出的8位PIC系 列单片机中的中级产品，其其采用的是14位的RISC指令系统，在保持低成本 同时，增加了 A/D、内部EFPR0M存储器、比较输出、捕捉输入、PWM输出、I2C 和SPI接口、异步串行通信（USART）接口、模拟电压比较器、LCD驱动、 FLASH程序存储器等诸多功能。该类单片机都具有开发容易、周期短、高速、 低功耗和低价实用等儿大特点。根

41、据系统设计需要，我们首先需要对单片机进行外围电路的绘制（图3-3）o图3-3 PIC16F877A芯片外围电路说明：Pinl接入一个二极管，用来显示电平状态；Pinl9、20、21、22、27、28为输出端，输出PWM波；Pin33、34、35设计为模拟输入并加入上拉电 阻。最后，通过对PIC16F877A芯片和驱动电路的设计，我们就能完整的绘制 出以PIC16F877A芯片为核心的控制系统原理图（图3-4）。GNRPOTIPCYI2；NI)如不慎侵犯了你的权益,请联系我们告知!一2 2対 呂令 ? ? I I wsws _g_g目 -ctos-ctos B-B-rara d?2d?2图3-4

42、控制系统原理图X*X* 2 2 I. I. afcklafckl u u asc-asc-? ?L.y.L.y. 2 2XLXL te?te? S2S2 .3.3papak-k-WXDWXD.蚩5 5 -nn-lr-lr-_r-_r- -lrlrwwL L 沖.V.V=tc=tc如不慎侵犯了你的权益,请联系我们行知!3- 2控制系统的软件设计通过对PMBDCM控制系统硬件的设计，我们可以看岀，PMBDCM控制系统软 件的开发主要实现的功能是对PMBDCM的位置信号处理、转速的讣算、电流与转 速的调节、PWM脉冲信号的生成以及对故障信号的处理等。而其中最为車要的 环节就是对位置信号的处理，因为这

43、一环节决定了芯片的后续一系列动作。3. 2. 1软件设计图3-5软件设计流程图如图3-5所示，定义并初始化变量，初始化ADC模块，定义事件管理器模 如不慎侵犯了你的权益,请联系我们告知!块，开启ADC中断等都需要在初始化系统时完成，其中很重要的一个环节是配 置寄存器，因为寄存器中存着系统运行所需要的位置值。然后再通过读取初始 时刻未知值确定调用的换向子程序。当位置信号发生变化后，会进入中断，对位置值和捕获值进行读取，并进 行相应的换向导通及PW调制法切。3. 2. 2处理位置传感器的检测信号上文中我们提到，PIC16F877A芯片是通过读取位置传感器输入的位置值来 调制输出的PWM脉冲信号，所

44、以对位置信号的检测和处理对于电动机的控制系 统设计是非常重要的一个环节。电动机的电枢转子和磁极转子的相对位置信号（A、B、C）的导通状态，我 们可以将其设置成一个三位二进制数，并通过RB,、RBi、RB：即Pin33、34、35, 来进行读取。同时，我们还需要这三个相对位置信号与六个功率管之间的导通 关系，将他们的关系绘制成表3-2格并存如CPU。表3-2换向表位置信号正转反转换向状态字RBo(A)RB： (B)RB: (C)导通的功率管1001Q6、Q1QI. Q52010Q4、Q5QI、Q63011Q5、Q6Q5、Q64100Q2、Q3Q2、Q35101QI、Q2Q3、Q46110Q3、Q

45、4QI、Q2具体的程序编写将在计算机中完成，并且与中断程序配合实现下列功能：1、 向单片机发出控制命令，如电动机的启、停，转速的控制等；2、 查询电动机的运行状态（转向和转速）和控制模式：减。3.3本章小结本章主要简介了以PIC16F877A芯片为核心的PMBDCM控制系统的设计，并 给出了此单片机软件设计的简单构思。通过此次对PMBDCM控制系统的设计，将 对我接下里要分析和学习的PMBDCM的控制方法有很大的帮助。如不慎侵犯了你的权益,请联系我们行知!4永磁无刷直流电动机的无位置传感器控制技术近年来，PMBDCM 直都以极快的速度在发展，并且其应用也在更多的领域 中出现，与此同时PMBDC

46、M的控制理论也相应的得到了迅速的发展。智能控制理 论作为现今最为热门的研究学科，其发展已经非常成熟。本章将主要研究在电 机领域内非常热门的无位置传感器控制技术，这种控制技术不但在一定程度上 简化了电机结构，并且从位置检测方面和电机起动方面带给电机控制系统更多 的变化，具有广阔的发展空间和深远的研究意义:。4. 1无位置传感器PMBDCM的控制系统硬件设计无位置传感器，其思路是用其他的位置信号检测方法代替位置传感器的位 置信号检测。这样就有效的降低了电动机结构的复杂性，但却增加了控制系统 的多样性。所以，U前大多数对无位置传感器控制方法的研究核心和关键就是 寻找和建立新型的位置信号检测方法，从硬

47、件和软件上间接的获取可鼎的转子 位置信号，以便触发逆变器从而驱动电动机运行。4.1.1控制系统框图通过查阅文献资料和对电动机原理的学习，本章将选取以TMS320-F2812芯 片为核心的PMBDCM系统结构（图4-4）来分析无位置传感器的控制技术。图4-4系统结构图如不慎佞犯了你的权益,请联系我们皆知!4.1.2逆变器电路的设计如图4-5为釆用了经典的三相全桥式结构的逆变器主电路设计。PMBDCM的逆变器非常的特殊，它的主要作用是将供电的直流电转化成交流电来为电动机提供电源。PMBDCM的特殊性在于，它的输岀山转子的位置信号所控制，而不 是独立调节，是一个“自控式逆变器”。将这种逆变器应用于P

48、MBDCM中，使得 PMBDCM的转速和输入电动机的电流频率保持相同，这样就不会在电动机和逆变 器之间产生较大的振荡和失步，进一步提高了 PMBDCM的性能號。4.1.3逆变器驱动电路设计驱动电路设讣，采用专用驱动芯片IR2132来驱动逆变器的六个功率管。4-6逆变器驱动电路SV如不慎侵犯了你的权益,请联系我们行知!R1 厂1IR2132的HIN1、HIN3、LI1LI3管脚作为功率管的输入驱动信号与DSP 的PWM1、PWM6联接，III DSP控制产生PWM控制信号的输入。4. 1.4核心控制电路及外围电路PMBDCM无位置传感器控制系统需要快速的、高精度的计算，要求控制系统 有很强的实时

49、性，对于一般的单片机，其指令执行速度和运算能力很难做到系 统的实时控制，尤其是对拓速旋转的电机控制系统。TMS320F2812内部整合了 数字信号处理器和微控制器的最佳特性，具备高速的运算处理能力和实时监控 的能力，是一种非常适合于电机控制系统的主控芯片。TMS320F2812系统组成包括：150MHz、每秒150*106条指令的低电压3. 3V CPU,片内存储器，中断管理模块，事件管理器模块等。其中事件管理器共6个 捕获单元，每个事件管理器3个，每个捕获单元都有相应的捕获输入引脚。每 个事件管理器模块都有一个正交编码脉冲（QEP）电路，如果QEP电路被使能， 可以对相应引脚上的正交脉冲进行

50、解码和计算。QEP电路可以用做联接一个光 点编码器来获得电机的位置和速度等信息。TMS320F2812最小系统简图如图4-7所示。3.3VVDDOVWTMS320LF2812PEL I XAH J/CTKNPLL2vssXAH.2VSSO图4-7 DSP最小系统*C3如不慎侵犯了你的权益,请联系我们吿知!PWXI12PWM2 C3PUM24PWXI? C5PU、13671AVcc1Y6A2A6Y2Y5A3A5Y3Y4AGND4Yj|GND12PWM6 CPWM1卡13PWM6PVM2；10PWX15_CFVM3”11PWM5PWXI4f8PWM4 CPWM5卡9PWM4PWM6F输岀端口驱动电

51、路5V5V+5VR1CZ1NCVccANENCAOUTNCGND6N173输出GND山于F2812芯片输出引脚驱动能力有限，在光耦隔离之前还需要通过驱动电路提升驱动能力。如图4-8所示。4-8 PWM光电耦合电路数字信号处理器TMS320F2812采用高性能静态CMOS技术，I/O 口供电电压和Flash烧写电压为3. 3V,内核电压为1.8V。本次设讣将釆用TI公司的电源 芯片 TPS76801Q 和 TPS7333QD ,如图 4-9 所示。PWM1 C1GNDSN*40714光辎隔夜电聘如不慎侵犯了你的权益,请联系我们告知!图4-9控制芯片电源电路4. 2 转子位置的检测及无位置传感器时

52、电机的起动PMBDCM运行时，对转子位置信号的检测是一项非常重要的环节，它决定了 PMBDCM控制逆变器进行换流等操作，是电动机正常运行的一大保障。通过前文 学习我们知道，有位置传感器的PMBDCM是通过位置传感器来检测转子位置信号, 这种方法控制成本低、较为简单，但也有着一些不能避免的缺点：1、 增加电动机的体积和结构的复杂性，特别对于微型电动机是很大的问题。2、 增加了电动机的制作成本。比如所使用的霍尔IC传感器、旋转变压器或 光电码盘等，相对于各自的电动机都是一项不小的成本付出。3、 传感器的工作环境对输出的信号影响太大。如高温、高湿度、腐蚀性、高 速以及振动的工作条件下，均会使传感器的

53、可鼎性降低从而导致电动机无 法正常工作，甚至会引起连锁反应并损坏其他的设备。4、 引入传感器就需要多加导线，这样会影响系统的稳定性和可黑性。因此，虽然增加位置传感器使得对电动机的控制更简单和方便，但也极大 的限制了 PMBDCM在各个领域的应用。相比较之下，无位置传感器这种控制方式 具有很大的灵活性和优势，比如在冰箱、空调中压缩机等工作环境较恶劣的地 方就必须要抛弃位置传感器而采用无位置传感器的控制方法。山此可以看出， 无位置传感器的PMBDCM将受到更多的重视，其应用范围也会更加广阔。4. 2. 1反电势过零检测法原理和实现反电动势:PMBDCM中，转子旋转磁场在定子绕组中产生的感应电动势方

54、向 与绕组电流方向相反，故称之为反电动势。如图4-6 (a)所示，在T。时刻转子d轴滞后B相绕组轴线兀/6电弧度。为 使电动机转子顺时针转动，驱动逆变器功率管VTi和VT，电流经VT：管一A相一C相f VT：管；B相为悬空相。这时，定子合成磁场方向为图4-6 (a)中F GND如不慎侵犯了你的权益,请联系我们吿知!并和和转子磁场相互作用，推动转子继续沿顺时针方向转动。接着转子d轴继 续转过TT/6电弧度，于T时刻正好与B相绕组轴线相重合，此时B相绕组反电 动势S等于零，如图4-6 (b)所示。理想状况下，反电动势的过零点出现在每 次换向后的30电角度时刻；反过来说，从反电动势过零时刻开始，延迟

55、30 电角度时间后就是下一次换相时刻。山图4-6所示的原理图可以看出，转子位置信号可以通过反电动势的过零 点来检测。但是，在实际应用中，绕组中的反电动势是很那直接获得，因此， 需要利用其他方法来获取反电动势波形，从而找出过零点。LI前，“相电压法”和“端电压法”是两种用于检测反电动势过零点比较有效的方法。本次设计中，我们选取比较常用的相电压法。对于两相导通的星形三相六状态永磁无刷直流电动机工作原理的分析可知， 无刷直流电动机任意一相绕组的输出端都有三种状态：高电压态，绕组接到电 源正端，有电流流入；低电压态，绕组接到电源负端，有电流流出；高阻态， 此时绕组处于不导电状态。电动机运行中，在任意时

56、刻逆变器中总有一相的功 率器件是全部关断的，也就是说，对应该相的电动机绕组输出端处于高阻态， 通常把该相绕组称之为悬空绕组。在悬空时间内，该绕组的相电压等于其感应 电动势，该感应电动势与气隙磁场相对应。当不考虑电枢反应的影响时，气隙如不慎侵犯了你的权益,请联系我们告知!磁场主要山转子磁钢激励，这样可以近似的认为绕组中的感应电动势等于反 电动势。通过询面的分析可知，绕组反电动势的过零点就发生在该相绕组悬空 时间内，所以通过检测绕组的相电压就可以间接地检测到反电动势过零点。列外，也可用电压平衡方程来说明用相电压等效反电动势的可行性。在假 定磁路不饱和，不计涡流损耗，三相绕组完全对称的情况下，以A相

57、为例，无 刷直流电动机运行时相电压的电压平衡方程表达式为：uA 二i*RA+LPiA+LPiB+MPic+耳(4-1)对于方波无刷直流电动机，山于转子磁阻不随位置的变化而变化，因而定 子绕组的自感和互感为常数。上式中，几凡为定子绕组的电阻压降，当该相绕 组悬空时，绕组中没有电流，所以这项值为零。“几为绕组中电流变化引起的 自感电动势，绕组悬空时电流为零，该项值也为零。Lpipic为另外两相绕组 中电流的变化在该相绕组中引起的互感电动势，因另外两相电流大小相等、方 向相反，因此，这两项互感电动势的值相互抵消。e,即为绕组中的反电动势。 从上面分析可知，当该相绕组悬空时，电压平衡方程式可以简化为：

58、uA = eA (4-1)即绕组的相电压等于反电动势。因此，在绕组悬空的时候，可以采用绕组 的相电压来替代反电动势检测电动机转子位置。4. 2. 2无位置传感器PMBDCM的硬件起动对于有位置传感器的无刷直流电动机来说，能顺利的进行直接起动。但对 于靠检测反电动势过零点来进行转子位置检测的无位置传感器无刷直流电动机 来说，由于静止时不产生反电动或刚起动时反电动势很小，无法测得反电动势, 使得无位置传感器的无刷直流电动机的起动成了重要问题：减。那么为了启动电机，则需为电动机设计一个专用的起动电路来产生起动信4-7如不慎侵犯了你的权益,请联系我们行知!采用这种起动方式，电动机不但能实现升频升圧起动

59、，并可在一定的负载 下起动，起动条件也不苛刻，是一种较成功的起动方式。但是这种起动方式的 最大缺点就是附加的起动电路加大了电动机的尺寸，对于广泛应用于微型电动 机中的无刷直流电动机是个不小的障碍，而且对电动机的可靠性也有所降低。4. 3无位置传感器PMBDCM的控制系统软件设计本控制系统主程序主要包括单片机的初始化，转子零初始位置起动程序， “反电势法”无传感器运行程序。其中，转子零初始位置起动程序包括转子的 初始位置检测、加速过程以及反电势法的切换三个部分 “反电势法”无传感 器运行程序包括换相相位补偿、换相逻辑判断以及速度电流闭环控制。软件设计初始化子程序和主程序如图4-8所示如不慎侵犯了

60、你的权益,请联系我们行知!图4-8主程序和初始化子程序4. 3.1转子零初始位置起动程序在电机速度切换过程中，当电机由静止加速至“反电势法”运行时，加速过程切换至“反电势”法运行的切换速度设定为 皿，而当电机从高速至低速时, 转换速度设定为n0-Ana这个速度差4/7保证了电机在运行时不会产生两个状 态之间反复切换情况的发生。当电动机接收到起动信号后，在适当的PWM脉宽下给电动机预定的两相绕 组通电Ts,保证有足够的电磁转矩和时间使转子定位到预定的位置；定位完成 后，DSP就按照一定的换相顺序轮流导通各功率管，使得电枢磁场和转子磁场 相作用，带动转子朝某一方向旋转。同时，有定时器计时，逐步减小