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1、直流无刷电机控制系统设计摘 要继有刷直流电动机发展后，无刷直流电机也相继有了发展。目前，尽管各种各样的直流电动机和交流电动机在工业传动应用中发挥了主导作用，但无刷直流电动机也正备受关注。随着这社会的不断发展、人们的生活水平不断提高，同时办公自动化、现代化生产、发展等关键设备也都慢慢走向高智能化、小型化和高效率化，电机作为执行元件的重要部分，需要具有效率高、速度快和精度高等等特点，因此直流无刷电机的应用得到了逐步的推广。本设计首先介绍了直流无刷电机国内外发展现状，然后研究了直流无刷电机的基本运行原理，再次建立了以AT89C51单片机为核心的硬件电路和软件流程图，最后在MATLAB中搭建仿真模型，
2、仿真结果验证了直流无刷电机控制系统的正确性。关键词：直流无刷电机；单片机；MATLAB第一章 绪论1.1 研究意义直流无刷电机是一种新型电机，由于它结合机电一体化，因此有高动态响应、高热容量、高效率和高可靠性等等诸多优势，而且长寿命、低噪声和低成本等方面也是其它的优势。从现阶段来看，随着不断地有新材料技术的出现，直流无刷电机的发展也因此获得了良好的契机。目前无刷电机的各方面的应用已经遍布各种各样的领域，办公自动化和工厂自动化等方面就比较的需要小功率直流无刷电机，例如家用电器或者是外设复印机等等。所以说，无刷电机目前正在快速地取代传统电机的地位。直流无刷电机集特种电机、变速结构、检测元件、控制软
3、件与硬件于一体，形成新一代伺服系统，体现了当今应用科学的许多最新成果，是机电一体化的高新技术产品。直流无刷电机集交流电机和直流电机优点于一体，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗。在电磁结构上和有刷直流电动机一样，不过无刷直流电动机的电枢绕组是处在定子上的，永久磁钢安装在转子上，采用多相形式的电枢绕组，在通过逆变器之后，然后连接到直流电源上面，定子方面利用了电子换向来替换传统电机的电刷和换向器，在各绕组依次通电后，跳跃式的旋转磁场会气隙中生成，同时与转子的主磁场相互作用，因此产生电磁转矩，和其它电机相比，直流无刷电
4、机具有高可靠性和高效率等优势，由于现阶段，随着具体性能的提高与价格的下降等优势的新型稀土永磁材料不断出现，这给永磁直流无刷电机在成本方面带来了下降，因此其优势将会越发的凸显出来。在一些发达的国家里，无刷直流电机逐步替代了有刷直流电机的地位而应用于工业自动化领域。现阶段，很少见到一些国外买进来的设备中会有以有刷直流电机作为执行系统的情况了，比如说美国、日本等的相关公司已经不再会去大幅度地生产有刷直流电动机。由上可知，相对于其它类型电动机来说，无刷直流电机还是一种新型电机，它的驱动、控制更是和电子技术息息相关，因此，对直流无刷电机本体及其控制方法进行系统、深入的研究有着十分重要的现实意义。1.2国
5、内外发展水平和研究情况1.2.1国内外发展水平在工农业生产的各个领域中，作为最早的电动机-有刷直流电动机得到了广泛的应用，它凭借着优良的调速性能，在应用调速理念的领域发挥了重要作用，可是有一个原因限制了它进一步的发展，那就是机械换相装置的存在。它的机械电刷和换向器由于始终不断地要进行强迫性接触，这将会带来可靠性差、火花、噪声等各种各样的棘手问题，会直接影响他的性能和调速的精度。随着科学技术的不断发展与创新，半导体技术、开关型晶体管的研发成功这些都给新型的无刷直流电动机的创造带来机遇。“直流无刷电机”的概念已有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
6、今，直流无刷电机集电机、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。直流无刷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(起动转矩大，起动电流小)，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、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。电力电子技术的进步对无刷直流电动机的发展来说具有一个很大的推动作用，在其发展的早期，当时处于初级发展阶段的大功率开关器件，不仅可靠性差，而且其价格昂贵，同时又受到驱动控制技术水平、永磁材料两方面的制约，这导致自发明以后的无刷直流电机在一段很长的时间内
7、，只能处于实验室研究阶段，没有办法得到应有的推广与发展，20世纪七十年代，伴随着电力电子工业的高速发展，各种新型的全控型半导体功率器件如春雨般出现在世人眼前，这为它后来广泛应用与发展奠定了基础。1978年，在当时的汉诺威贸易博览会上， MANNESMANN公司正式推出了 一种MAC无刷直流电动机及其驱动器，它的出现，在当时引起了世界各国的极大关注，随后，研发和生产无刷直流系统的热潮也在国际上喷涌而出，这也就标志着无刷直流电机正在逐步地走向实用阶段。在人们对无刷直流电机不断的了解基础上，无刷直流电机的理论也逐步进行了完善与改进。在1986年，当时H.R.Bolton对其作了全面而又系统的总结，在
8、总结中，他指出了无刷直流电动机的众多研究领域，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。无刷直流电机对与我国来说，对其研究的还是比较晚。1987年，联邦德国金属加工设备展览会在北京举办，当时BOSCH和SIEMENS两家公司相继展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，这在我们当时国内，引起了众多相关研究学者的关注，自此以后，国内也相继掀起了研发和技术引进的热潮。经过多年的不懈努力，目前，我们国内已研制出无刷直流电动机的一系列的产品。1.2.2 直流无刷电机的主要研究方向采用永久磁铁的直流无刷电机转子，气隙磁通保持在常值，因此它非常适用于恒转矩运行状态，但是对于恒功率运行状态，虽然直流无刷电机难以直接改变
9、磁通以此来进行弱磁控制，但是进行控制改进的改进也还是可以得到弱磁控制的效果。稀土永磁材料具有可产生很大的气隙磁通的优点，由于此，可以大大缩小转子的半径，同时也可以减小转子的转动惯量，因而，当伺服驱动系统要求具有非常良好的静态特性或者高动态响应的时候，直流无刷电机相比较于交流伺服电机和直流伺服电机就凸显出了它更多的优势。现阶段，直流无刷电机的发展已遍布全国的各个领域并且不断的加深，尤其是在家用电器、航空航天等重要领域已得到大量应用与发展。现阶段，直流无刷电机的研究主要在以下方面进行介绍：(1) 无机械式转子位置传感器控制作为整个驱动系统中最为脆弱的部件-转子位置传感器，不仅在成本和复杂性为系统增
10、加的负担，而且系统的抗干扰能力和可靠性也受到了下降，与此同时还要占据一定的空间位置等等。在很多的场合，比如说空调器或者是计算机外设等都要求以无转子位置传感器方式运行。无转子位置传感器运行本质上就是需要在不使用机械传感器的前提下，以电机的电流和电压信息来获取转子磁极的准确位置。目前来看，相对成熟的无转子位置传感器运行方式主要有：1 续流二极管电流通路检测法。目前的这些方法里面都或多或少的存在这各自的缺陷，不过依然在完整中； 2 反电动势法具体包括了直接反电动势法、间接反电动势法和派生反电动势积分法等等；3 定子三次谐波检测法；(2) 转矩脉动控制由于无刷直流电机具有转矩脉动等固有缺陷，尤其是在伴
11、随着转速的升高，或者换向的时候，转动脉动会产生加剧的现象，以至于导师平均转矩明显下降。因此，对于提高无刷直流电动机的性能方面来说，减小转矩脉动是一个重要方面。(3) 智能控制在运动控制研究领域当中，伴随着信息技术和控制理论的不断发展，先进的控制理论就是其中一个新的发展方向，特别是智能控制方面的应用。现阶段，模糊逻辑控制、专家系统和神经网络是其中三个最为重要的控制理论和方法。所谓的模糊控制，就是将一些成熟经验和规则有机地融入到所研究的传动控制策略当中去，目前，已经有很多方面得到了非常成功的应用。伴随着无刷直流电动机在各方面不断扩大的应用情形，可以预测智能控制技术将会受到众多学者更广泛的关注。2.
12、3 直流无刷电机的特点及应用保持着有刷直流电机的良好机械及控制特性的直流无刷电机，在电磁结构上和有刷直流电动机一样，不过无刷直流电动机的电枢绕组是处在定子上的，永久磁钢安装在转子上，采用多相形式的电枢绕组，在通过逆变器之后，然后连接到直流电源上面，定子方面利用了电子换向来替换传统电机的电刷和换向器，然后各相依次通电产生电流，定子磁场和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩。 和有刷直流电机相比，直流无刷电机由于取消了电机的滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了励磁损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的(在方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁心内产生一
13、定的铁损，和方波电流驱动相比，采用正弦波电流驱动铁损更小)。总而言之，排除轴承旋转产生磨损之外，其转子方面的损耗非常小，因而这将进一步增强了其可靠性。 由于不但拥有交流电动机结构简单、运行稳定、维护方便等诸多优点的无刷直流电动机，它还又具有运行效率高、无励磁损耗同时调速性能又好等优势，因此，故在现阶段社会发展的各个领域，比如仪表仪器、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。直流无刷电机的应用主要分为以下几类：1.定速驱动机械一般工业场合不需要调速的领域以往大多是采用三相或单相交流异步和同步电机。随着电力电子技术的进步，在功率不大于10KW且连续运行的情况下，为了减少体积，节省材料，提高效率
14、和降低能耗，越来越多的电机正被直流无刷电机逐步取代，这类应用有：自动门、电梯、水泵、风机等。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁电机外还要增加驱动器，因此目前较少有应用。2.调速驱动机械 速度需要任意设定和调节，但控制精度要求不高的调速系统分为两种：一种是开环调速系统，另一种是闭环调速系统(此时的速度反馈器件多采用低分辨率的脉冲编码器或交、直流测速等)。通常采用的电机主要有三种：直流电机、交流异步电机和直流无刷电机。这在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。 调速应用领域最初用得最多的是直流电机，随着交流调速技术特别是电力电子技术和控制技术
15、的发展，交流变频技术获得了广泛应用，它们很快都渗透到原有的直流调速系统的绝大多数营养研究领域当中。这些年来，各式各样的中小功率型交流变频系统正逐渐被直流无刷电机系统所替换，这正是由于直流无刷电机重量小、体积小和高效节能等诸多优势，尤其是在印刷机械、纺织机械等原先主要应用的是变频系统的领域，而对于某些直流电机应用领域，它们一直直接由电池来供电的，则更多的被直流无刷电机所代替。3.精密控制 在工业自动化领域中，伺报电动机高精度控制扮演了十分重要的角色，由于其各自的应用场合不太一样，因此其控制性能的要求当然也不尽相同了。在实际情况下，伺服电动机拥有这各式各样的控制形式如：电流控制、转矩控制、位置控制
16、和速度控制等等。具有良好的控制性能的无刷直流电机，它在高速、高精度定位系统中也慢慢的替换掉了直流电机与步进电机的地位，是首选的伺服电机之一。现阶段，对于扫描仪、医疗诊断CT、CD唱机驱动、数控车床驱动及计算机硬盘驱动等都大量应用直流无刷电机伺服系统用于精密控制。 4.其他应用 家用电器、大型同步电机启动等。1.3 文章结构本文的大致结构如下：第一章：主要介绍了直流无刷电机的发展现状，国内外发展水平和研究情况；直流无刷电机的主要研究方向，直流无刷电机的控制系统。第二章：简单的介绍了直流无刷电机的基本原理，研究直流无刷电机的换向准则，用图示的方法简单清晰明了。第三章：研究了直流无刷电机的控制系统，介绍了开环和闭环的优缺点，介绍了数字控制芯片AT89C51的基本性能。第四章：对所研究的直流无刷电机建立了控制系统，建立速度外环电流内环的双闭环控制系统，仿真结果表明所搭建的控制系统可以快速稳定的跟
