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1、摘 要无刷直流电机具有高速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性等优点的同时，还具有低噪声和长寿命等特点。在计算机系统、家用电器、工业、交通工具、医疗机械等领域有广泛应用。目前国内对无刷直流电机的研究以及成为了重要的课题。DSP是在数字信号处理的各种理论和算法的基础上发展起来的，对于完成各种实时数字信息处理。在无刷直流控制系统中引入DSP技术，对采集的信号直接进行实时处理，提高了系统控制放入自动化程度、精确和可靠性。本文研究的主要内容是基于DSP的无刷直流电机控制系统的研究与设计，实现全数字化双闭环控制系统。论文主要研究了无刷直流电机的控制眼里，给出了系统的整体方案，设计了硬件电路，编写了
2、软件程序。关键词:无刷直流电机；PIC单片机；控制系统；位置传感器AbstractBLDC has advantages of high speed,high efficiebncy,high dynamic response,high temperature bearing capacity and reliability. It also behaves a long life and low noise characteristics. There are extensive applications in many field, such as computer system,elec
3、trical house appliances, Industry,traffic and the medical equipment and so on. The research of brushless DC motor is an important topic now in china, DSP is developing in the foundation of variable theories and arithmetic,used for completing real-time digital information processing.Bringing the DSP
4、technique to the brushless DC motor control system makes the collected signal directly carried on in real time and improves the autormation degree,the accuracy and the credibility of the control system. The thesis studied and designed the brushless DC motor control system based on DSP.It realized fu
5、lly digital-controlled and double closed-loop control system. The thesis mainly discusses and control principle of the brushless DC motor,gives the whole plan of the system, designs the hardware circuit, and programs the software.Keywrd: BLDC, PIC MCU, Control System, position sensor 目 录第一章 绪论- 1 -1
6、.1无刷直流电机的现状- 1 -1.2无刷直流电机控制器概述- 2 -1.3论文研究内容- 3 -第二章 无刷电机控制系统分析- 4 -2.1电机的基本原理- 4 -稀土永磁无刷直流电机的基本结构- 4 -电机的基本工作原理- 5 -三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理- 6 -2.2电机的特性分析- 8 -电机的运行特性分析- 8 -机械特性和调速特性分析- 11 -其他特性分析- 11 -2.3直流电动机的PWM调速原理- 12 -2.4霍尔传感器- 13 -开关型霍尔集成传感器- 14 -霍尔器件在无刷直流电机中的应用- 14 -第三章 无刷直流电机控制器硬件设计- 15 -3. 1单片
7、机选择- 15 -单片机选择依据- 15 -单片机特点- 16 -单片机的功能特性- 17 -信号在PIC单片机中的处理- 18 -3. 2微控制器电路- 18 -3.3三相全桥逆变电路和驱动电路- 21 -顶端、底端驱动电路- 22 -电源电路- 24 -振荡倍压电路- 25 -硬件保护电路- 26 -第四章 系统软件设计- 27 -4.1系统软件设计概述- 27 -4.2主程序介绍- 27 -启动子程序- 28 -4.3中断- 29 -单片机中断资源- 29 -定时器资源分配- 30 -4. 4 PWM(脉冲宽度调制)- 31 -4.5欠压保护、过流保护和堵转保护- 32 -4.5. 1欠
8、压和过流保护功能- 32 -堵转保护功能- 32 -4.6数字PI速度调节- 33 -概述- 33 -基本原理- 33 -位置型PID算法程序的设计- 35 -数字PI速度调节器设计- 36 -第五章 系统调试与运行分析- 38 -5.1系统软、硬件部分调试- 38 -5.1 .1系统硬件调试- 38 -系统软件调试- 39 -5.2实验结果分析与建议- 40 -实验结果分析- 40 -5. 2. 2实验结论与建议- 40 -第六章 总结- 42 -参 考 文 献- 43 -致谢- 45 -英文论文及翻译- 46 - 54 -第一章 绪论1.1无刷直流电机的现状有刷直流电动机作为最早的电动机广
9、泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换向装置的存在，限制了其发展和应用范围。直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性育旨。科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机。1955年，美国人首次提出用晶体管换向线路代替机械换向装置，经过反复实验，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电动机的机械换相装置，出现了磁电藕合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机，以后人们发现
10、电量波形和转子磁场的位置存在着一定的对应关系，因此又出现了通过观测电枢绕组中不同电量波形，监测转子位置的无位置传感器的电动机。80年代初，无刷直流电机进入了实用阶段，方波和正弦波无刷直流电机先后研究成功。“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。无刷直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在:调速方便(可无级调速)，调速范围宽，低速性能好(启动转矩大，启动电流小)，运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、
11、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等等。由于无刷直流电机具有这些优点，因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。美、日、英、德在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电机代替有刷电动机的转换。美国福特公司率先把无刷直流电机应用于汽车20世纪80年代以来，随着微机控制技术的快速发展，出现了各种称为无位置传感器控制技术的方法，是当代无刷直流电机控制研究的热点之一。各国知名半导体公司如Allegro, Philips, Micro Linear, Toshiba等，先后推出了许多无刷直流电机无传感器控制集成电路。2004年12月我国电机制造
12、业共1167家生产企业，全部从业人员388282人，资产972亿。我国生产的微特电机已经占世界60%以上，目前是全球最大的永磁体(生产无无刷直流电机控制系统设计刷电机的主要原材料)生产供应基地，中国还将会成为全球最大的无刷电机生产国。随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应商。1.2无刷直流电机控制器概述无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简单无需维护的优点，因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。
13、目前，数字调速系统主要采用两种控制方案:一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制，应用范围广，且灵活方便。电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能:对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号;产生PWM脉宽调制信号，实现电机的调速;对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有较好的动态和静态性能;实现短路、过流、欠压等故障保护功能。像MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，其针对无刷电机的控制要求，无刷直流电机控制系统设计将控制
14、逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟式控制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向，根据电机内的位置传感器(霍尔传感器)信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。该控制系统的缺点是智能性差，保护措施有限，系统升级空间小。本文采用单片机做为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便，如电机缺相保护、堵转保护、添加力矩传感器等等，可根据不同结构的电机进行控制的优化以达到良好的匹配，通常将此类控制器称为数字式控制器。近几年，国外一些大公司纷纷推出较MCU性能更加优越的DSP(数字信号处理器)芯
15、片电机控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一个以DSP为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。但是这些专用芯片价格昂贵，外围电路设计复杂，在广大的民用市场无法大规模推广应用。无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。在有位置传感器的控制方法中，现今，由于霍尔传感器性价比高，安装方便，被广泛应用作为无刷直流电机的位置传感器。当前，国内外对无刷直流电机无位置传感器的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法、续流二极管检测法、脉冲检测法神经网络控制法等。1.3论文研究内容本课题主要基于TMS320LF2407 DSP芯片对无刷直流电机控制系统进行设计。本文详细分析了直流无刷电机的工作原理和数学模型，控制过程和实现方法，进行了系统硬件的研究和设计，实现了机遇TI公司的TMS320LF2047无刷直流电动机芯片的软件控制，主要工作包括：熟悉直流刷电机的工作原理和运行特性熟
