永磁无刷直流电机的控制系统的设计

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1、http:/ -1- 中国中国科技论文在线 永磁无刷直流电机的控制系统的设计 科技论文在线 永磁无刷直流电机的控制系统的设计 孙华 （中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008 ） E-mail： 摘摘 要：要： 本文以永磁无刷直流电动机的数学模型为理论基础， 研究了无刷直流电动机的基本 组成、基本工作原理、运行特性等；结合 Cygnal C805lF000 单片机，提出了以电流环和速 度环组成的双闭环全数字无刷直流电动机控制方案，在此方案中采用了数字 PID 控制。本 文基于 C805lF000 单片机以及集成驱动器 IR2130 完成了无刷直流电动机控制系统的软硬件 设计，

2、系统集成度高、外围设计简单，系统成本低且能保持很高的控制精度和性能。 关键词关键词：无刷直流电动机；C805lF000 单片机；数字 PID 控制 1 引言引言 在电气时代的今天， 电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。 无论是 在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中，还是在日常生 活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。据资料统计，现在有 90%以上的 动力源来自于电动机。我国生产的电能大约有 90%用于电动机。可见，电动机与人们的生 活息息相关、 密不可分。 无刷直流电动机是随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种 新型电机，它利用电子

3、换相代替机械换相，既具有直流电动机的调速性能，又具有交流电机 结构简单、运行可靠、维护方便等优点。如今利用单片机为核心设计的直流无刷电机控制系 统，由于其固有的结构简单、调速范围宽、低噪声、高功率密度、启动扭矩大、寿命长等特 点，在日常生活中得到了越来越广泛的应用 【1】。 2 无刷直流电动机控制原理无刷直流电动机控制原理 2.1 无刷直流电机的结构无刷直流电机的结构 无刷直流电机一般由电子换相电路、 转子位置检测电路和电动机本体三部分组成， 其电 机组成方框图如图 1 所示.电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的 检测一般用位置传感器来完成。 工作时， 控制器根据位置传感器

4、测得的电机转子位置有序的 触发驱动电路中的各个功率管来驱动电机 【2】。 图 1 无刷直流电机系统组成 对于电机本体， 主要有转子和定子组成， 无刷直流电机在电磁结构上和有刷直流电机基 本一样，但它的电枢绕组是放在定子上的，而且转子采用的是永磁材料。电子换向电路也就 是控制电路， 无刷直流电动机需要用功率电子开关器件组成的功率控制器才能工作。 功率逆 直流电源 电子换相电路 转子位置传感器 电机本体 负载 http:/ -2- 中国中国科技论文在线科技论文在线 变器主电路与绕组的联接形式、 电机的功率开源等有关。 逆变器功率开关管是主要的核心部 分，目前，无刷直流电机中功率开关管主要为功率 M

5、OSFET 和 IGBT。在大功率电机的控制 中， 也可选择 MCT,它是 MOSFET 与晶闸管的复合器件， 具有高电压、 大电流 （2000V、 300A， 1000V、1000A）、电流密度大（6000A/ 2 ）、工作频率高（20KHz）、控制功率小、易 驱动、可以采用低成本集成驱动电路控制等优点。 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， 还要有由位置传感器、 控制 电路以及功率逻辑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铁产生的永磁磁场，在空间始终保持在 1/2rad左右的电角 度， 本文采用的传感器是霍尔式位置传感

6、器， 霍尔式位置传感器是利用“霍尔效应”来工作的。 利用霍尔位置传感器工作的无刷直流电动机的永磁转子， 同时也是霍尔式传感器的转子。 通 过感知转子上的磁场强弱变化辨别转子所处的位置。图 2 为霍尔集成电路 图 2 霍尔集成电路 2.2 无刷直流电机的工作原理。无刷直流电机的工作原理。 在无刷直流电机中， 借助反映主转子位置的位置传感器的输出信号， 通过电子换相线路 去驱动与电枢绕组连接的相应的功率开关器件， 使电枢绕组依次馈电， 从而在定子上产生跳 跃式的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地从出信号，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向始终不

7、变， 这就是无刷直流电 机的工作原理。 3 系统总体设计方案系统总体设计方案 3.1 系统的控制中心系统的控制中心 本文的控制对象是无刷直流电动机， 而控制中心是 C805lF000 单片机， C805lF000 采用 64 脚 TQFP 封装，由于引脚多所以对于外部设备的联接特别方便 【3】。C805lF 系列单片机是 完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)， 具有与MCS-51指令集完全兼容的全新CIP-51内核。 它在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字 外设及其它功能部件。 3.2 检测方案检测方案 电机控制系统中信号检测是必不可少的， 不仅开环控

8、制状态的极限控制需要， 如过电流、 过电压、过热和欠电压等严重影响系统正常工作的信号，而且对于绝大多数闭环控制系统， 状态信息的检测更是不可缺少， 即进行实时检测并利用检测信号控制电机的正常运行。 常用 的检测信号主要有电流、电压、转子位置和转速等物理量。在位置检测中，采用单片机的数 字 I/O 口连接无刷直流电动机的霍尔位置传感器；在电流检测中，采用电阻法，电阻法是利 用电流流过电阻产生压降， 检测电阻两端电压大小就可以知道流过电阻的电流大小； 在速度 http:/ -3- 中国中国科技论文在线科技论文在线 检测中， 利用无刷直流电动机转子霍尔位置传感器可以检测转子磁极位置角， 在通过利用定

9、 时器确定相邻 2 次霍尔状态变化所需要的时间，就可以计算转子实际转速。 3.3 模拟模拟 PID 控制控制 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID 控制。模拟 PDI 控制系统原理框 图如图 3 所示，系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成。 图 3 模拟 PID 控制系统原理图 PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值)(tr与实际输出值)(ty构成控制偏差 )()()(tytrte= （1） )(te作为 PID 的控制器的输入，)(tu作为 PID 控制器的输出和被控对象的输入。所以 模拟 PID 控制器的控制规律为 0 0 1 )( )( 1 )()(u dt td

10、e Tdtte T teKtu D t P += （2） 式中 P K比例系数； 1 T积分常数； D T微分常数； 0 u控制常量。 4 系统的硬件设计系统的硬件设计 图 4 控制系统总体硬件框图 图 4 给出了三相无刷直流电动机单片机控制结构框图。 其中三相无刷直流电动机定子绕 组为星形接法， 控制器单片机采 C805lF000， 驱动电路采用 IR 公司的专用集成芯片 IR2130， 逆变器采用三相桥式结构， 转子位置采用霍尔元件检测， 并利用位置信号去计算转子转速以 实现转速控制闭环。 http:/ -4- 中国中国科技论文在线科技论文在线 4.1 系统时钟与复位电路系统时钟与复位电路

11、 基于 C8051F000 的系统时钟是由内部振荡器或外部振荡器产生，C8051 单片机在复位 后由内部振荡器提供系统时钟。，系统的时钟和复位电路如图 5 所示。 图 5 时钟与复位电路 4.2 功率驱动板功率驱动板 功率驱动电路如图 6 所示。 图 6 功率驱动电路原理图 为了减少干扰，增加控制电路的可靠性，在系统设计时，将控制电路与功率驱动电路完 全分开， 功率部分与控制部分不共地而控制信号采用光电隔离， 其中主要的控制信号为PWM 信号。在本设计中，选用了三片 TLP2630 作为光电隔离元件。 4.3 驱动集成电路驱动集成电路 IR2130 电机控制的驱动部分主要构成是驱动集成电路 I

12、R2130。其驱动电路图如图 7 所示。 http:/ -5- 中国中国科技论文在线科技论文在线 图 7 IR2130 与 MOS 逆变器的接线原理图 4.4 电源电路的设计电源电路的设计 由于本系统的电压等级电机的供电电压为 24V，所以整个系统的外加电源为 24V,故所 需要的电压等级有 3 个。 1）15V：驱动功率管 MOSFET。 2）5V：单片机的 32 个端口，容许 5V 输入。 3）3.3V：单片机所需要的供电电压。 5 系统的软件设计系统的软件设计 C8051F000 具有丰富的外围模块和中断资源，大大提高了程序编写的灵活性。对于永磁 无刷直流电动机的控制系统， 其软件设计主

13、要对电机转速的控制设计。 控制系统软件设计与 上述硬件电路接口设计有关， 三相无刷直流电动机两相导通模式的软件设计思想是根据外部 模拟量输入转速指令给定值以及转向要求确定转速指 * n，在利用转子位置传感器霍尔元件 检测到的转子位置信号变化计算转子实际转速n，并得到转速误差信号nne=*；然后利 用转速调节器计算无刷直流电动机母线电流参考指令 * ab I；同时采样直流母线值 dc I；接着 计算电流误差信号 dcdc III= * ，利用电流调节确定功率开关器件的占空比；最后根据霍 尔元件以及直流母线指令电流产生转矩的正负确定无刷直流电动机定子绕组控制逻辑， 输出 相应的 PWM 波形，使得

14、转子按照控制的要求进行 【5】，图 8 为调速系统框图，调速采用的 是双闭环调速系统。 http:/ -6- 中国中国科技论文在线科技论文在线 图 8 无刷直流电动机调速控制框图 系统程序主要由主程序模块和中断程序模块构成： 主程序模块主要完成变量的定义、 各 功能模块的初始化和 I/O 口的初始化等，而中断服务程序就是在中断执行各功能模块的程 序，例如读取当前时刻的位置信息、占空比的调节等，主程序是在程序开始时执行一次，然 后等待中断的发生。 6 系统运行分析系统运行分析 系统运行分析是通过在实际系统工作时， 用示波器对其相关信号进行检测， 并用数码相 机将波形拍摄下来。系统运行的工作环境是

15、： 无刷直流电机的选择，额定功率为 40W；额定转速 1000r/min；额定电压 24V；额定电 流为 2.7A；电机的供电方式为方波供电。 利用示波器对其相关信号检测，主要是对不同占空比 D 的 PWM 驱动波形进行检测， 对 IR2130 驱动器的输入输出波形进行测试，以及母线电流波形的检测，最后再根据所得波 形，分析所设计的系统性能的好坏。由于时间的限制，本系统没有进行实时的检测，只是从 理论上进行制定出检测的思路和方法。 参考文献参考文献 1王晓明. 电动机的单片机控制. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.2-5 7-23 182-218 2张琛. 无刷直流电动机原理及应用（第

16、二版）. 北京：机械工业出版社，2004.7-23 182-218 3潘琢金，孙德龙，夏秀峰. C8051F 单片机应用解析. 北京：北京航空航天大学出版社，2002. 4C8052F330/1,C8051F330D,2004 1.2(silicon Laboratoratories) 5Mixed Signal ISP Flash MCUFamily,2006 1.5(silicon Laborato-ratories) http:/ -7- 中国中国科技论文在线科技论文在线 Permanent magnet brushless DC motor control system design Sunhua (China