无刷直流电机控制系统的设计及仿真

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1、目录1 前言-.1.-1.1 无刷直流电机的发展 -.1-1.2 无刷直流电机的优越性.-.1-1.3 无刷直流电机的应用-.2-1.4 无刷直流电机调速系统的研究现状和未来发展 -2-2无刷直流电机的原理 -.4-2.1 三相无刷直流电动机的基本组成 -.4-2.2 无刷直流电机的基本工作过程.5-2.3 无刷直流电动机本体 -.6-2.3.1 电动机定子-.6-2.3.2 电动机转子-.7-2.3.3 有关电机本体设计的问题 -.8-3转子位置检测 .-.9-3.1 位置传感器检测法 -.9-3.2 无位置传感器检测法 -.10-4系统方案设计.-.1 2-4.1 系统设计要求-.1 2-

2、4.1.1 系统总体框架 -.12-4.2 主电路供电方案选择,.12-4.3 无刷直流电机电子换相器 -.14-4.3.1 三相半控电路 -.14-4.3.2 三相全控电路 -.15-4.4 无刷直流电机的基本方程 -.16-4.5 逆变电路的选择-.18-4.6 基于MC33035勺无刷直流电动机调速系统 -19-4.6.1 MC33035无刷直流电动机控制芯片 .-. 19-4.6.2 基于MC33035勺无刷直流电动机调速系统设计 .-20-5无刷直流电机调速系统的 MATLA防真-.23-5.1 电源、逆变桥和无刷直流电机模型 -.24-5.2 换相逻辑控制模块 -.25-5.3 P

3、WM调制技术-.30-5.3.1 等脉宽 PWMH-.32-5.3.2 SPWM(Sinusoidal PWM)法-.32-5.4 控制器和控制电平转换及 PWMt生环节设计 -32-5.5 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 -34-5.5.1 起动，阶跃负载仿真 -.34-5.5.2 可逆调速仿真 -.36-6总结和体会-.3 8-无刷直流电机调速控制系统设计1前言直流无刷电机，无机械刷和换向器的直流电机，也被称为无换向器直流电动机。它 取代了机械电子换向器电刷和换向器直流电动机来实现，是一个标准的机械和机电一体化产品。不仅具有结构简单，运行可靠，维修方便交流电机和一系列优点与直流有刷效

4、 率高，无励磁损耗和高速性能，以及许多其他功能的发动机。1.1 无刷直流电机的发展直流电动机由于其在运动控制领域的卓越扭矩特性已得到广泛应用，与传统的直流电动机和机械毛刷，可靠性差的需要，减刑会产生电磁干扰，噪声，火花，无线电干扰 和寿命短的致命弱点，具有较高的生产成本和维修问题的严重影响，如联合直流电动机 控制系统的进一步发展的弊端。随着社会生产力，人民生活水平不断提高的发展，他们 不断开发新类型的电机。科学技术的进步，新兴技术和新材料，同时也进一步推动电动 汽车将继续推出新产品。对于传统的直流电机，只要30年早在20世纪的上述缺点，人们开始开发一个电子 交流始终以取代无刷直流电动机刷机，并

5、提出相应数量的结果。但是，这只是高功率处 于发展的初级阶段的电子设备，没有找到理想的电子换向元件。使这个运动只能停留在 实验室研究阶段，没有推广。1955年，美国四哈里森，谁首先提出了晶体管使用该电 机接替该专利申请的机械换向器，这是现代无刷直流电动机的原型。但是，因为没有马 达的起动转矩，使其不能成为产品。后来，经过多年的艰苦工作的人，终于由霍尔元件 实现无刷直流电动机换意味着在1962年来，创造了直流无刷电机产品的时代。自 20世 纪，电力电子行业快速发展的70年代，许多新的高功率高性能电力电子器件，如 GTR 的，MO, IGBT的相继出现，特别是高性能永磁材料等作为卷钻的到来，使无刷直

6、流 电动机，因而被广泛应用于更全面，更奠定了坚实的基础。近 40年来，随着电动机本 体及其相关学科的迅速发展，无刷直流电动机的电子换向直流电动机概念，发展指的是 所有的直流无刷电机与电子交换子的外部特征。无刷直流到从1978年开始实时实际相电机，二十世纪是80岁进行了深入的国际研究，先后开发无刷方波和正弦波无刷直流 电机在十年的时间，直流电动机的发展更加迅速。1.2 无刷直流电机的优越性直流电动机具有快速响应，大起动转矩，从零速到额定转速，额定转矩可提供的性 能，但直流电机的优点也是它的缺点，因为 DC额定负载机密生产性能不断转移的时刻， 电枢与转子磁场须保持恒定90度，这将用刷子和换向器。碳

7、刷，换向器，继而引发电 机，碳粉，所以除了元件造成损害的，有限的场合使用。交流无碳刷及整流子，免维护， 可靠，应用范围广，但直流电机马达的特点，实现同等性能的必须使用复杂的控制得以 实现。今天，功率半导体开关频率成分的快速发展， 加快了许多，提升驱动电机的性能。 微处理器的速度也越来越快，使交流电机控制在一个旋转的两轴直角坐标系放置，适当 控制交流电机在两轴电流分量，类似于直流电动机控制和一个相当大的直流电动机性 能。止匕外，已经有许多微处理器将控制电机必需的功能使芯片，体积越来越小，像模拟 /数字转换器，脉冲宽度调制。直流无刷电机电子换向控制交流电机，直流电机特性的 直流电机相似，身体上没有

8、失踪的应用之一。事实上，无刷直流电机有自己的缺点，包括成本高，难以控制的小型化的复杂性。 在某些情况下，这些缺点已成为障碍的无刷直流电动机的发展。目前，电子技术，控制 技术和大规模生产技术是生产技术的发展，逐步解决这些问题，因此，无刷直流电动机 的性能和功能，有望进一步提高。从市场的产品可以看到，最近一些制造商正在致力于 开发高速，高性能的通用汽车，并提供绝对编码器，防爆电机，以扩大产品种类。虽然 无刷直流电动机提供了一批技术领先和广泛的应用范围，但我们可以在所有应用程序， 它是最佳的选择，应用程序或不应该谨慎选择。1.3 无刷直流电机的应用现在，无刷直流电机应用扩大，如航空航天和军事领域的炮

9、兵雷达，自动定位，船 舶舵，飞机自动驾驶仪，全自动控制应用等，范围，在信息处理设备，包括信息输入， 存储，加工，输出，传输和其他部门，时间越长，如微型计算机软盘驱动器，硬盘驱动 器，光盘驱动器，复印机，打印机，传真机等，在视听设备，录像机，录音机，摄像机 使用，照相机，光碟，DV*,并在同一时间控制其人民的性能要求也不断提高。今天， 在各个领域，如医疗器械，纺织，化工，仪器仪表，电脑驱动器及家电的日益广泛应用 等诸多方面，国民经济的发展。就像电脑的硬盘驱动器和软盘驱动器中的主轴电机，伺 服电机在录音机，使用了大量的直流无刷电机。无刷直流电动机在工厂自动化设备品种 也广泛应用于高速或在伺服系统所

10、需的设备和作为该地区的大部分产品已成为不可缺 少的运动的一部分。在许多应用中，它有望取代刷直流伺服电机。然而，由于直流有刷 低生产成本，控制，以及其他一些优良特性伺服电机，其需求将继续下去。1.4 无刷直流电机调速系统的研究现状和未来发展在国内和国外的直流无刷电机技术一般控制是比较成熟，而日本和更先进的制造直流无刷电机及控制技术美国的所有者。特别是，日本已经变得更突出的民用和军事方面， 美国是比较先进的。无刷直流电机目前的研究重点主要在三个方面：1。无传感器控制技术的开发，提高系统可靠性，降低了电机的体积和重量 ；2。由电机设计和控制方法， 本文研究无刷直流电动机转矩脉动的扩大应用，以增加其服

11、务器范围；3。可靠性和紧凑的设计，集成的无刷直流电动机控制器的多功能性。无传感器控制技术：传统的无刷直流电动机通过位置传感器直接检测转子位置。无 传感器控制容易获得，主要是通过电机的电压或电流信号经过一定的算法处理，得到转 子位置信号，也被介绍到转子位置检测方法而闻名。目前的检测方法是：电磁场，归纳 法，熔盐法；续流二极管法观察员估计，智能估计方法。电磁场被广泛使用的方法原理 简单。随着传感器控制无刷直流电动机直接起动普遍较为困难，所以一开始就一直是热 和和难点。电磁场的无刷直流电动机转子位置检测启动三阶段方法比较成熟，对从起动 电机稳定运行方式可分为三个阶段：定子位置，加速度和切换。其他传感

12、器控制的电机 起动方法，如前位置开始，日益频繁和提高同步起动法检测和短脉冲转子定位和法国， 也有一定的应用。无刷直流电动机控制器：无刷电机控制器，具有相似的发展已经从电器元件的分立 元件到数字可编程控制电路控制发展过程。 在一般情况下，使用复杂的控制器设计，大， 可靠性差，通用性分立元器件，是不利于大规模生产。时间，当前的无刷直流电动机控 制器，专用集成电路，FPG舟口单片机，DSP空制器方法的主要用途。电机控制专用集成 电路，是目前较无刷直流摩托罗拉的 MC3303班机是一种直流无刷电机控制芯片, MicroLinear公司ML4425/4428传感器控制芯片等。如果我们考虑到控制器的硬件和

13、软 件设计等功能以后，您可以使用控制器的设计与FPGA单片机，DS将。FPGA可以禾I用VHDL Verilog或C语言编程，灵活性，可与在线系统的静态和动态重新配置编程功 能重复，使得硬件的功能可以编程为相同的软件修改，并且可以根据用户需求定义界面 功能。MCUff口 DSPt丰富的外设接口，微控制器通常用于简单电机控制系统中，而 DSP 为一个强大的计算和数据处理能力，往往在智能电机控制系统。关于这个问题的转矩脉动比较复杂，不属于本文的范围，所以没有更多的说明。2无刷直流电机的原理2.1 三相无刷直流电动机的基本组成直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分构成 其

14、定子绕组一般为多相(3相、4相、5相不等)，转子由永久磁钢按一定极对数(2p=2,4,)组成。下图所示即为三相两极直流无刷电机结构：图2.1三相两极直流无刷电机组成三相定子绕组和电子开关电路，分别在相应的功率开关器件连接的A, B, C三相绕组与电源开关用V1, V2, V3的阶段。跟踪转子位置传感器相连，电机轴。当一相电源 定子绕组，转子电流和所产生的扭矩作用的永久磁铁的两极磁场产生的驱动转子旋转， 那么该位置传感器转子磁铁的位置转换成电信号，以控制电子开关电路，使由一个特定 的顺序交替定子绕组，定子相按一定顺序转子换相位置的变化电流。由于电子开关电路 的使用顺序同步与转子角度，起到了扭转机

15、械换向器的作用。无刷直流电机线是用来控制电子开关电机各相序定子绕组和时间的力量，主要是由逻辑开关单元，位置传感器信号处理单元两部分权力。权力的逻辑控制电路交换的单位 是电源的核心，它的功能是分配给每个阶段之间的逻辑关系电动机定子绕组，使电机产 生的包转矩。而每相绕组的顺序和时间依赖于从转子位置传感器信号。不过，按位置传 感器产生的信号经过一定的逻辑去控制电源开关通过。总之，对直流无刷电机的主要部 件组成，如图2.2所示。图2.2无刷直流电机的组成框图总结告诉我们，通常称为无刷直流电机的基本结构，可以被看作是由电子开关，电 机位置传感器的身体和运动系统三部分组成的电路。简化的组成框图如图2.3所示图2.3无刷直流电机简化的组成原理框图2.2 无刷直流电机的基本工作过程转子位置图2.1和图2.4 (一)对应的位置显示。此时光电子器件是因为 VP1的光 线，使V1的是功率晶体管导通状态，电流流入绕组机管局，转子磁极绕组与从转子的 磁图三箭头极方向产生转矩电流的作用，旋转。当转子磁极图2.4 (b)所示的位置，直接旋转式转子轴也跟着由同步遮光板转动，病毒 VP1和VP2的照射覆盖离开，这样，在 晶体管V1和V2的铅晶体管通，从绕组的绕组 BB心跳过流入，机管局，使转子磁