无刷直流电动机控制系统设计毕业论文

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1、键入文字 学校代码 10857 学 号 20102112117 1 分 类 号 1密 级 公 开 毕业设计(论文) 无刷直流电动机控制系统设计 学历层次大 专 教学系名称电子工程系 专业名称电子信息工程技术 学生姓名 指导教师 2013 年 3 月 20 日 摘要 I 摘要摘要 无刷直流电动机(brushless direct current motor BLDCM)是新型机电一 体化电机,其鲜明的特征和使用技术越来越受到关注,已成为微特电机明显的发 展趋势。 无刷直流电动机具有调速性能好、控制方法灵活多变、效率高、启动转矩 大、过载能力强、无换向火花、无无线电干扰、无励磁损耗及运行寿命长等诸

2、 多优点。近年来,由于永磁材料性能提高、制造成本价格下降、电力电子技术发 展及对电机性能要求等因素的影响,无刷直流电动机的应用领域迅速扩展。随着 大规模集成电路的普及,各具特色的无刷直流电动机专用集成电路控制芯片纷纷 涌现,将各种功能的电子控制电路集成在一片控制芯片中,既使控制电路体积大 大减小,又减少了整个装置的调试工作量。随着电力电子工业的发展,无刷直流 电动机的应用将更加普及。 本设计使用 PIC16F726 单片机来驱动无刷直流电动机，单片机采集电路使 用霍尔传感器，经软件编程后，实现无刷直流电动机的控制。 关键词：无刷直流电机；PIC 单片机；电动自行车；控制系统 II 目录目录 无

3、刷直流电动机控制系统设计无刷直流电动机控制系统设计 1 摘要摘要 I 目录目录 .II 第一章第一章 概述概述 1 1.1 无刷直流电机发展历程1 1.2 无刷直流电机的优缺点2 1.3 无刷直流电机控制器研究4 第二章第二章 无刷直流电机控制系统设计方案无刷直流电机控制系统设计方案 .6 2.1 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理6 2.2 直流电动机的 PWM 调速原理.8 第三章第三章 无刷直流电机硬件设计无刷直流电机硬件设计.10 3.13.1 硬件组成硬件组成 10 3.23.2 三相全桥逆变电路和驱动电路三相全桥逆变电路和驱动电路.11 3.33.3 速度控制电路速度控制电路 1

4、5 3.43.4 其他其他 15 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计17 4.14.1 概述概述 17 4.24.2 主程序主程序 18 4.34.3 中断中断 21 4.44.4 ADAD 转换转换 .22 4.54.5 PWM(PWM(脉冲宽度调制脉冲宽度调制) ).24 4.64.6 位置信号和驱动信号的对应关系位置信号和驱动信号的对应关系.25 4.74.7 数字数字 PIPI 速度调节速度调节.25 结论结论29 致谢致谢30 参考文献参考文献31 第一章 概述 1 第一章第一章 概述概述 1.1 无刷直流电机发展历程无刷直流电机发展历程 现代社会中，电能是最常用且最为普遍的二次

5、能源。而电机作为机电能量 转换装置，经过一个多世纪的发展，其应用范围已遍及现代社会和国民经济的 各个领域及环节。为了适应不同的实际应用，各种类型的电机应运而生，其中 包括同步电机、异步电机、直流电机、开关磁阻电机的各种类型的电机，其容 量小到几毫瓦，大到百万千瓦。相比之下，同步电机具有转矩大、效率和精度 高、机械特性硬等优点，但调速困难，容易“失步”等弱点大大限制了它的应 用范围；异步电机结构简单、制造方便、运行可靠、价格便宜，但其机械特性 软、启动困难、功率因数低、不能经济地实现范围较广的平滑调速，且必须从 电网吸取滞后的励磁电流，从而降低电网功率因数；开关磁阻电机转子既无绕 组也无永磁体，

6、其结构简单、成本低廉，但低速时具有较大的转矩，控制换向 时无上下桥直通等问题，但其噪声和转矩波动相对较大，这在某种程度上限制 了该类型电机的推广应用；直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点， 被广泛地应用于对启动和调速有较高要求的拖动系统，如电力牵引、轧钢机、 起重设备等。目前，小容量的直流电机在自动控制系统中仍然得到广泛应用。 但是，传统直流电机均采用电刷以机械方式换向，因而存在机械摩擦，使得电 机寿命缩短、并带来了噪声、火花以及无线电干扰等问题，再加上制造成本高 及维修困难等缺点，从而限制了其在某些特殊场合的应用。因此，在一些对电 机性能要求较高的中小型应用场合，亟需新型高性能电机的

7、出现。 无刷直流电机是在有刷直流电机基础上发展起来的。1831 年法拉第发现电 磁感应现象，从而奠定了现代电机的理论基础。19 世纪 40 年代，第 1 台直流 电机研制成功。受电力电子器件和永磁体材料等发展的限制，无刷直流电机在 一个多世纪后才面世。1915 年，美国人 Langmuir 发明了控制栅极的水银整流 器，并制成了直流变交流的逆变装置。针对传统直流电机的弊病，20 世纪 30 年代，一些学者开始研制采用电子换向的无刷直流电机,为无刷直流电机的诞生 提供了条件。但由于当时的大功率电子器件还处于初级发展阶段，没能找到理 2 想的电子换相器件，使得这种可靠性差、效率低下的电机只能停留在

8、实验室阶 段，无法推广使用。1955 年，美国的 Harrison 和 Rye 首次申请成功用晶体管 换相线路代替电机机械电刷换向装置的专利，这就是现代无刷直流电机的雏形， 但是该装置还是存在了一些问题。其后，经过反复实验和不断实践，借助霍尔 元件实现电子换相的无刷直流电机终于在 1962 年问世，从而开创了无刷直流电 机产品化的新纪元。20 世纪 70 年代初期，出现了比霍尔元件的灵敏度高千倍 左右的磁敏二极管，借助磁敏二极管实现换相的无刷直流电机也试制了成功。 此后，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相继 出现，再加上钴、铁、硼等高性能永磁材料的问世，均为无刷直流电

9、机的广泛 应用奠定了坚实的基础。 1978 年，联邦德国 Mannesmann 公司的 Indramat 分部在汉诺威贸易展览会 上正是推出 MAC 无刷直流电机及其驱动系统，这标志着无刷直流电机真正进入 了实用阶段。之后，国际上对无刷直流电机开展了深入的研究，先后研制成梯 形波/方波和正弦波无刷直流电机。随着永磁材料、微电子技术、电力电子技术、 检测技术以及自动控制技术特别是绝缘栅双极晶体管（IGBT）和集成门极换流 晶闸管（IGCT）等大功率开关器件的发展，采用电子换相原理工作的无刷直流 电机正朝着智能化、高频化和集成化方向迅速发展。 20 世纪 90 年代以后，计算机技术与控制理论发展十

10、分迅速，单片机、数 字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑器件 （CPLD）等微处理器得到了空前的发展，指令速度和存储空间都有了质的飞跃， 进一步推动了无刷直流电机的发展。此外，一些先进的控制策略和方法，如滑 模变结构控制、神经网络控制、模糊控制、自抗扰控制和自适应控制等，不断 地被应用到无刷直流电机控制系统中。这些方法在一定程度上提高了无刷直流 电机控制系统在转矩波动抑制、转速动态和稳定响应以及系统抗干扰等方面的 性能，扩大了无刷直流电机控制系统的应用范围，同时还丰富了相关控制理论 的内涵。 1.2 无刷直流电机的优缺点无刷直流电机的优缺点 与有刷直流电动机相比

11、，BLDC 电机有许多有优点，也有一些缺点。无刷 第一章 概述 3 电机需要的维护较少，因此和有刷直流电机相比寿命更长。与同体积的有刷直 流电机和感应电机相比，BLDC 电机能产生更大的输出效率。由于转子用永磁 体制成，和其他类型的电机相比，转子惯性较小。这就改进了加速和减速特性， 缩短了工作周期。其线性的转速/转矩特性有助于预测转速调节的结果。使用无 刷电机就无需检修电刷。在维护困难的应用以及检修空间狭小的场合，无刷电 机是理想的选择。BLDC 电机运行时比有刷直流电机安静得多，并且减少了电 磁干扰（Electromagnetic Interference,EMI） 。低电压型号对使用电池供

12、电的应用、 便携式设备或医疗应用很理想。 表 1-1 对 BLDC 电机与有刷直流电机之间的比较进行了总结。表 1-2 比较 了 BLDC 电机与感应电机。 表 1-1 将 BLDC 电机与有刷直流电机比较 特性BLDC 电机有刷直流电机 维护根据霍尔传感器进行电子换向采用电刷换向。 寿命较长较短 转速/ 转矩特 性 平坦-在负载额定的条件下，可 在所有转速下正常工作。 中等平坦-转速较高时，电刷摩 擦增加，因此较少了用用转矩。 效率高-没有电刷两端的压降。中等 输出功 率/体 积 高-由于出众的散热特性而缩小 了体积。由于 BLDC 电机将绕组放 在了连接至电机外壳的定子上， 因而散热更好。

13、 中等/低-电枢产生的热容量散发 到气隙中，这使气隙中的温度升 高，限制了输出功率/体积规范。 转子惯 性 小，因为转子上有永磁体。这改 进了动态响应。较大的转子惯性限制了动态特性 转速范 围 较高-无电刷/换向器是施加的机 械限制。较低-有电刷的机械限制 产生的 电子干 扰低 电刷中的电弧会对附近设备产生 电磁干扰。 制造成 本 较高-由于其中有永磁体，制造 成本较高。低 控制复杂且昂贵简单且便宜 控制要 求 要保持电机运转，始终需要控制 器。还可使用这一控制器控制转 速。 固定转速不需要控制器；只有需 要改变转速时才需要控制器。 4 表 1-2 将 BLDC 电机与感应电机比较 特性BLD

14、C 电机交流感应电机电机 转速 /转 矩特 性 平坦-在负载额定的条件下，可 在所有转速下正常工作。非线性-低转速下转矩也低。 输出 功率 /体 积 高-由于转子采用永磁体，对于 给定的输出功率可以实现较小的 体积。 中等-由于定子和转子都有绕组，输 出功率与体积之比低于 BLDC。 转子 惯性小-动态特性较佳大-动态特性较差。 起动 电流额定值-无需专门的启动电路。 大约是额定值的 7 倍-应谨慎选择合 适的起动电路。通常使用星型-三角形 启动器 控制 要求 要保持电机运转，始终需要控制 器。还可使用这一控制器控制转 速。 固定转速不需要控制器；只有需要改 变转速时才需要控制器。 差额定子和

15、转子磁场的频率相等。 转子运行频率低于定子，差值即为差 频，随着电机负载的增加该差频也增 加 1.3 无刷直流电机控制器研究无刷直流电机控制器研究 无刷直流电机控制器的发展通电器元件类似，经历了从分立元件控制方式 到数字可编程集成电路控制方式的发展历程。 一般，采用分立电子元器件设计的无刷直流电机控制器结构复杂，体积较 大，相应的可靠性和通用性也较差，不利于批量生产。因此，对无刷直流电机 的控制，当前主要采用专用集成电路（ASIC）控制器、FPGA、单片机和 DSP 控制器等方式。 目前，很多先进工业国家的半导体厂商，都能提供自己开发的电机控制专 用集成电路，如美国 ON Semiconduc

16、tor 和 Motorola 等公司开发的 MC33035、MC33039 无刷直流电机控制芯片和 MicroLinear 公司的 ML4425/4428 无位置传感器控制芯片。专门集成电路控制其结构简单，性价比 高、外围器件比分立式控制器少，但在使用时也会受到一定的限制，功能扩展 性不好，不易进行产品的功能变化和升级等操作。因此，如果考虑控制器今后 第一章 概述 5 的软硬件设计等功能，可使用 FPGA、单片机或 DSP 等对无刷直流电机进行控 制，该类控制器具有功能完善和控制灵活等特点，当然相应的成本可能会比专 用集成电路控制器高。FPGA 可以用 VHDL、Verilog 或 C 语言来编程，灵活性 强，具有静态可重复编程和动态在线系统重构的特性，使得硬件的功能可以像 软件一样通过编程来修改，并能按照用户需求来定义接口功能。单片机和 DSP 具有丰富的外围接口，单片机一般用于简单的电机控制系统，而 DSP 由于具有 强大的计算和数据处理能力，通常应用于电机的智能控制系统中。 经济实用型的无刷直流电机控制器可采用多种单片机来实现