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1、毕业设计（论文）研究直流无刷电机控制系统的软件设计届本科毕业论文设计论文题目研究直流无刷电机控制系统的软件设计学生姓名 所在院系 机 电 学 院 所学专业 应用电子技术教育 导师姓名 完成时间 摘 要无刷直流电机是近年来发展起来的一种新型电机它利用电子换相代替机械换向既具有有刷直流电机的体积小重量轻转动惯量小不存在励磁损耗调速性能优越的特点又克服了有刷直流电机由于电刷环流而引起的磨损产生火花而又引起噪音及其对周围电路带来恶劣影响同时无刷直流电机既具备交流电机的结构简单运行可靠维护方便的一系列优点因此在许多领域得到了广泛的应用如医疗器械仪器仪表化工及计算机驱动器以及家用电器等方面得到了广泛的应用
2、无刷直流电机的研究包括电机本体的设计研究换向逻辑的研究位置检测方法的研究控制系统的换相控制正反转控制制动控制速度和电流调节等关键词无刷直流电机控制系统调速Study on Brushless DC Motor Control System Software DesignAbstractBrushless DC motor is developed in recent years a new type of motor it is replaced by the use of electronic exchange of machine-for-to we have a brush DC mot
3、or small size light weightsmall moment of inertia there is no loss of excitation speed control performance superior characteristics but also to overcome as a result of brush DC motor brush wear and tear caused by circulation producing sparks and noise and its impact on the adverse effects brought ab
4、out by the surrounding circuit At the same time brushless DC motor with AC motor is simple in structure reliable operation and easy maintenance of a series of advantages so in many areas has been widely used such as medical equipment Instrumentation chemical engineering and computer drives as well a
5、s household appliances etc receive a wide range of applications BLDCM study include the design of the electrical body reversing the logic of research methods of position detection and control system for phase control positive control brake control speed and current regulationKeywords brushless DC mo
6、tor control system speed目 录1 绪论 111 课题背景 112 无刷直流电动机的现状及发展趋势 1121 无刷直流电动机的现状 1122 无刷直流电动机的发展趋势 22 无刷直流电机的工作原理 321 无刷直流电机的基本组成及工作原理 3211 基本组成 3212 无刷直流电机的工作原理 422 位置传感器 53 无刷直流电机的控制策略 631 无刷直流电机的主电路基本类型及通电方式 6311 三相半控电路 6312 三相连接全控电路 732 无刷直流电机的控制策略 10321 无刷直流电机的 DSP 控制系统 10322 转速和电流调节 10323 PWM 波控制策
7、略 11324 无刷直流电机的正反转控制 114 无刷直流电机控制系统的硬件部分 1241 开关电源 1242 控制电路部分 13431 基于 DSP56F803 的控制电路 13432 霍尔传感器 135 控制系统的软件设计 1551 DSP 简介 1553 主程序设计 1654 子程序设计 176 结束语 22致 谢 22参考文献 23附录程序清单 2411 课题背景DSP Digital Signal Processor 器件适时而动取得了飞速的发展今天 DSP 己经成为通信计算机网络工业控制以及家用电器等电子产品中不可或缺的基础器件由于 DSP 具有较强的计算能力和较好的实时性使得算法
8、复杂的现代控制理论能够在实际中得到很好的应用特别是实时性要求很高的系统也可以通过 DSP 实现复杂的智能控制算法在电力传动这个实时性要求很高的领域DSP 的应用越来越多例如机器人机械手等工业自动化系统火炮位置伺服等军用设备洗衣机空调等家用电器设备电动自行车等交通工具都用到了 DSP 控制器电力传动方案DSP 技术的提高和 CPU 相似已经成为决定电子产品更新换代的决定因素之一用 DSP 进行电力传动系统的设计是未来电力传动系统实现数字化智能化的发展方向12 无刷直流电动机的现状及发展趋势121 无刷直流电动机的现状国外在无刷直流电动机发展的早期主要致力于将更加先进的电力电子器件和材料应用于无刷
9、直流电动机以提高它的性能但无刷直流电动机在低速运行时的转矩波动过大这是采用优良的电动机设计和先进的器件所无法从根本上取得突破的瓶颈在八十年代以后随着磁性材料 尤其是高性能的稀土永磁材料 电力电子器件和专用控制器的迅速发展明显改善了无刷直流电动机特性的同时人们又把对无刷直流电动机研究的目光转移到电子换向稀土永磁材料以及智能控制三个方面试图来抑制无刷直流电动机的转矩波动我国无刷直流电动机的研制工作开始于 70 年代初期主要是为我国自行研制的军事装置和宇航技术发展而配套由于数量少由某些科研单位试制就能满足要求经过 20 多年的发展虽然在新产品开发方面缩短了与国际先进水平的差距但由于无刷直流电动机是集
10、电动机微电子电力电子控制计算机等技术于一身的高科技产品受到我国基础工业落后的制约因此无论产量质量品种及应用与国际先进水平有着较大的差距目前国内的研制单位虽不少但形成一定批量的单位却屈指可数而且其中绝大部分属于低档的无刷风机产品的市场竞争能力不强但无刷直流电动机的应用前景十分广阔我国的科研单位正致力于吸收国外先进的技术开发出具有市场竞争能力的产品122 无刷直流电动机的发展趋势由于电子元器件已能做到高电压大电流所以目前电机正向高电压大电流发展正弦波 PWM 电流驱动技术新的控制方式和策略都使得无刷直流电动机得到进一步发展无刷直流电动机性能的改进离不开高性能材料的应用首先是永磁材料性能的提高研制和
11、采用磁性能更好温度特性更佳防腐防锈特性更佳价格更便宜的稀土材料是一个关键在导电材料上国外已经普遍采用了无氧铜线它的电阻率小更可贵的是硬度小易整形下线方便另外绝缘材料新型导磁材料高速运行时的轴承以及结构材料的塑料化都是很有意义的课题提高无刷直流电动机的性能应该进一步解决的问题首先是削弱或消除转矩的脉动尤其是用于视听设备电影机械计算机中的无刷直流电动机要求运行平稳无噪声在这些应用场合的电动机大多数为小功率小尺寸的电动机为了改进性能利用计算机进行模拟分析计算和比较研究气隙磁场形状磁极形状结构和充磁技术选择合适的极对数和槽数以及合适的槽口尺寸为了满足各种要求已开发了各种类型的无刷直流电动机如无槽电机定
12、子铁芯无齿槽定子绕组直接放置于定子铁芯上盘式电机具有两个轴向的气隙在小容量的情况下这种电机容易做到低噪声低震动低转矩脉动高效率和高功率密度与有刷直流电动机相对应新品种中还包括无刷直流力矩电动机无刷直流直线电动机无刷直流有限转角电动机低惯量无刷直流电动机电磁超微型电动机等变结构控制无传感器控制遗传算法和模糊控制的复合控制都将使无刷直流电动机的系统性能更加优越2 无刷直流电机的工作原理211 基本组成图 1 无刷直流电动机的结构原理图无刷直流电动机的结构原理如图 1 所示它主要由电动机本体 位置传感器和电子开关电路控制器三部分组成电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似但没有笼型绕组和其他起 动装置
13、其定子绕组一般制成多相三相四相五相不等转子由永磁钢按一定极对数 2p 24 组成三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接在图 2-1 中 A 相 B 相 C 相绕组分别与功率开关管 VT1VT4 VT3VT6 VT5VT2 相接磁极位置传感器跟踪转子与电动机转轴相连接当定子绕组的某一相通电时该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩驱动转子旋转再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号去控制电子开关电路从而使定子各相绕组按一定次序导通定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相随着转子的转动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得在某一磁极下导体中的电流方
14、向始终保持不变这就是无刷直流电动机的换流原理由于电子开关电路的导通次序是与转子转角同步的因而起到了机械换相器的换相作用因此所谓无刷直流电动机就其基本结构而言可以认为是一台由电子开关电路永磁同步电动机以及位置传感器三者组成的电动机系统其原理框图如图 2 所示212 无刷直流电机的工作原理众所周知一般的永磁式直流电动机的定子由永磁磁钢组成其主要作用是在电动机气隙中产生磁场其电枢绕组通电后产生电枢磁场由于电枢的换向作用使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直从而产生转矩而驱动电动机不停地运转无刷直流电动机为了实现无电刷换向首先把电枢绕组放在定子上永磁磁钢放在转子上这与传统直流永磁
15、电动机的结构刚好相反但仅这样做还是不行的因为用一般直流电源给定子上各绕组供电只能产生固定磁场它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用以产生单一方向的转矩来驱动转子转动所以无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外还要有位置传感器控制电路以及功率开关共同构成的换向装置使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢所产生的永磁磁场在空间始终保持在左右的电角度下面以图 2-1 和图 2-3 为例 两两导通 Y 连接三相六状态 加以简要说明图 3 永磁无刷直流电动机工作原理示意图当转子永磁体位于图 3a 所示位置时转子位置传感器输出磁极位置信号经过控制电路逻辑变换后
16、驱动逆变器使功率开关管 导通即绕组 AB 通电 A 进 B 出电枢绕组在空间的合成磁势如图 3a 所示此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动电流流通路径为电源正极管A 相绕组B 相绕组管电源负极当转子转过 600 电角度到达图中 3b 位置时位置传感器输出信号经过逻辑变换后使开关管截至导通此时仍导通则绕组 AC 通电 A 进 C 出电枢绕组在空间合成磁场如图 3b 中此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动电流流通路径为电源正极管A 相绕组C 相绕组管电源负极依次类推当转子继续沿顺时针每转过 600 电角度时功率开关管的导通逻辑为则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动在图 3a 到 b 的 600 电角度范围内转子磁场顺时针连续转动而定子合成磁场在空间保持图 3a 的的位置不动只有当转子磁场转够 600 电角度到达图 3b中的位置时定子合成磁场才从图 3a 中位置顺时针跃变至
