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1、直流无刷电机毕业设计毕业设计论文论文题目： 直流无刷电机学生姓名：学生学号： 专业班级: 指导教师：日期： AbstractBrushlessDCMotor摘 要无刷直流电机是最近发展起来的结合了多学科技术的一种新型电机，结合机电一体化，具有高速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性、免维护等优点，同时还具有低噪声和长寿命等特点。非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是
2、现代化调速驱动的最佳选择。 目前无刷电机已广泛应用于各种领域，如医疗仪器、分析仪器、材料处理、过程控制、机床工业、纺织工业、轻工机械、电动自行车等。无刷直流电机的控制要比普通有刷电机的控制要复杂得多。目前直流电机的控制方法主要有两种，一种是采用专用得直流电机控制芯片，如Motorola公司的MC33035；另一种控制方法各个厂家根据自己的需求采用单片机或DSP进行开发设计。本设计主要采用嵌入式单片机ATMEGA48写入控制程序，从而形成一种高性能直流无刷电机控制器。其不但能实现MC33035直流电机控制芯片的全部功能，而且具有接口灵活，功能完善，成本低廉、全数字控制等优点，用户能根据不同应用场
3、合进行灵活配置。关键词：无刷直流电机、HALL、PWM目 录Abstract2摘 要2第1章 直流无刷电机工作原理41.2直流无刷电机的组成及工作原理41.3无刷直流电机的位置检测方法61.4无刷直流电动机控制系统中的PWM调速6第2章 设计需求及设计的可行性分析72.1 设计要求72.2课题的提出及意义8第3章 硬件设计103.1 无刷直流电机驱动器的总体结构设计103.2 原理图设计103.2单片机电路设计123.3驱动电路设计133.4 输入输出控制部分电路设计13第四章 系统软件设计144.1 无刷直流电机工作真值表144.2控制软件设计14第五章 结束语19参考资料20致 谢21第1
4、章 直流无刷电机工作原理1.1无刷马达与有刷马达比较之特征DC无刷马达的无接点化，虽然带来了各种的优点，但是最大的特征是因无电刷化，故不产生杂音；此杂音不仅是机械的杂音，而且也包括了电器的杂讯。另外，因为该马达没有机械的接触部分，所以能够实现高带旋转型马达的长寿命型马达之要求。可以说，无刷马达就是无杂音马达。DC有刷马达当作控制用马达时，具有非常优越的特性。例如：急剧地加速性、大的起动扭力、对电压变化之垂下特性、转输出扭力对输入电流之直线性等。这些特性是非常重要的条件，可说兼备了控制用马达所要求的所有特性。可是，这种优越马达之唯一最大的缺点就是利用电刷、整流子之机械接触部分。但这却是DC有刷马
5、达在功能上不可缺少之元件，因为利用这些元件马达才得以正常转动。然而，由于马达在旋转中不断地重复滑动作用，所以整流子之磨损也相继加快。因此，金属粉末和黑铅便会飞散，明显地缩短了马达的寿命；若磨损恶化的话，在整流子间，就会产生异常的电弧，而且会引起跳火现象。所以，很明显的，无电刷马达的寿命较长。总之，DC有刷马达在结构上，总难免会在旋转中产生火花，因此会给周边元件带来很大的影响。尤其是在易燃性气体中使用时，防爆对策则成为很能够大的问题。根椐上述之理由，将DC马达无刷化实且有非常大之意义。根据DC马达之无刷化，可实现DC无刷马达之免维修特色。也就是说，不需维修且寿命长的马达。1.2直流无刷电机的组成
6、及工作原理无刷直流电机是由电动机本体、位置传感器和功率变换器三部分组成。图1-1为一台典型的三相桥式永磁无刷直流电机原理图。图中QlQ6为电力电子开关器件，常用IGBT, MOSFET和GTR。电机本体由定子和转子两部分构成，磁钢贴在转子上与转子同轴旋转;电枢绕组装在定子上，可以是类似交流电机的重叠绕组，也可以是含极靴的非重叠绕组。三相电压、电流及反电势正方向如图所示，口为定、转子磁势夹角的电角度。根据位置传感器检测的转子位置，永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差1200的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的6状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑
7、组件处理产生T1T4导通、T1T6导通、T3T6导通、T3T2导通、T5T2导通、T5T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1T6功率管即按固定组合成6种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动600电角度，转子跟随定子磁场转动相当于600电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进600电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转
8、。图11无刷直流电机工作原理图无刷直流电机的电子换向线路是用来控制电机定子上上各相绕组通电的顺序和时间的，主要由功率开关单元和位置传感器的信号处理单元两个部分组成。1.3无刷直流电机的位置检测方法无刷直流电机运行是通过逆变器功率器件随转子不同位置相应改变其不同触发状态来实现的。因此准确检测转子位置并根据转子位置准时切换功率器件触发组合状态是控制无刷直流电机的关键。转子的位置检测装置最直接、有效是利用位置传感器得到不同位置信号经门电路、模拟开关或专用芯片可得到不同触发逻辑信号，实现触发状态的自动切换。本设计系统中位置传感器采用HALL传感器实现。1.4无刷直流电动机控制系统中的PWM调速 脉宽调
9、制即PWM (Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列的脉冲宽度进行调制，来等效地获得所需波形。PWM驱动是利用大功率管的开关特性，按固定频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开“时间的长短，通过改变无刷直流电动机定子绕组上电压脉冲的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。第2章 设计需求及设计的可行性分析2.1 设计要求题目数字超声波发生器的设计设计内容简介无刷电机广泛应用于各种领域，如医疗仪器、分析仪器、材料处理、过程控制、机床工业、纺织工业、轻工机械、电动自行车等。本设计主要采用嵌入式单片机ATMEGA48
10、写入控制程序，从而形成一种高性能直流无刷电机控制器SZPT33035。其不但能实现MC33035直流电机控制芯片的全部功能，而且具有接口灵活，功能完善，成本低廉、全数字控制等优点，用户能根据不同应用场合进行灵活配置。主要任务（1） 正确设计原理图（2） 采购元器件（3） 焊接元器件（4） 调通硬件（5） 设计软件，电机正常运转验收标准（1） 原理图（2） 元器件（3） 电路版（4） 调试完成的成品板（5） 设计软件，电机正常运转主要性能指标1. 具有控制开环、三相或四相无刷直流电机;2. 可以选择在60/120或120/240的传感器相位角；3. 具有欠压锁定、过流关断保护等功能；4. 具有与
11、微控制器SPI通信接口；2.2课题的提出及意义无刷直流电机是最近发展起来的结合了多学科技术的一种新型电机，结合机电一体化，具有有低噪声和长寿命等特点。目前无刷电机已广泛应用于各种领域，如医疗仪器、分析仪器、材料处理、过程控制、机床工业、纺织工业、轻工机械、电动自行车等。无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷直流电机的控制要比普通有刷电机的控制要复杂得多。目前直流电机的控制方法主要有两种，一种是采用专用得无刷直流电机控制芯片，如Motorola公司的MC33035；另一种控制方法各个厂家根据自己的需求采用单片机或DSP进行开发设计。采用Motorola公司的MC
12、33035专用控制芯片具有接口简单优点，但其外部接口少，控制灵活性差，控制方式单一等缺点，而且成本较高，目前其成本每片在12元以上。而采用通用单片机或DSP进行设计，虽然灵活性好，但产品开发周期长，对开发人员要求高，综合成本高。本创新设计主要采用嵌入式单片机ATMEGA48写入控制程序，从而形成一种高性能专用直流无刷电机控制器SZPT33035。其不但能实现MC33035直流电机控制芯片的全部功能，而且具有接口灵活，功能完善，成本低廉、全数字控制等优点，用户能根据不同应用场合进行灵活配置。主要创新点： 采用通用单片机灌入程序，形成专用无刷电机芯片SZPT3305，具有开发成本低廉、芯片可靠性高
13、； SZPT33035可以控制3相或四相无刷直流电机； SZPT33035提供6路桥式MOSFET驱动接口，3路HALL传感器输入接口； SZPT33035具有过流检测电路输入比较电路，检测过流，自动关闭MOSFET输出； SZPT33035提供I2C接口与MCU进行通信控制，通信时钟可达400Kbps。 SZPT33035具有高可靠性，内置振荡和上电复位以及看门狗电路； SZPT33035具有启动、停止、正反转，变速控制输入接口； SZPT33035可以选择在60/120或120/240的传感器相位角； 工作电压为1.8V5.5V; SZPT33035提供DIP28、QFP32两种封装;SZ
14、PT33035芯片成本在6元以内。销售价格在12元左右，具有很强的竞争力。第3章 硬件设计3.1 无刷直流电机驱动器的总体结构设计本设计的无刷直流电机驱动器由单片机控制部分、直流电机功率驱动部分及霍尔信号检测部分及控制按键输入、输出指示等部分组成。如图31所示。图31无刷直流电机驱动器的总体结构图3.2 原理图设计无刷直流电机驱动器原理图如图32所示。单片机的6路PWM输出控制电机驱动MOS管，无刷直流电机的霍尔信号送入单片机作为换向的依据。从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号(SA， SB，SC)一方面送入单片机，经单片机结合正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信
15、号状态，经过运算后，产生逆变器三相上、下桥臂开关器件的6路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。处理后的三相下桥PWM控制信号(AT，BT，CT，)经过驱动电路整形、放大后，施加到逆变器的6个开关管上，使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。图32无刷直流电机驱动器原理图3.2单片机电路设计图33 单片机电路原理图单片机采用高性能、底功耗的8位AVR微型处理器ATMEGA48。其具有极高的运算速度，具有4K字节的系统内可编程Flash和256字节的EEPROM，具有独立振荡器的实时计数器RTC，六通道PWM，上电复位以及可编程的掉电检测，可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口；具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；五种休眠模式：空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和Standby 模式，片内经过标定的RC振荡器，片内/片外中断源。3.3驱动电路设计图34 电机接口（U、V、W）电路图功率管即按固定组合成6种状态的依次导通（如图4-1，4-2），使
