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1、 直流无刷电机控制装置设计 CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 毕业设计（论文）题目： 直流无刷电机控制装置设计 1 绪论1.1 直流无刷电机的研究现状有刷直流电机先于无刷直流电机出现，有刷直流电机拥有宽阔、平滑的调速性能，这个优点使其在需要调速的应用领域有着非常重要的地位，也使得其在工农业各个领域都有着广泛的应用；有刷直流电机机械换向器的存在极大的限制了它发展和应用范围。有刷直流电机的机械电刷和换向器之间存在的强迫性接触造成了其自身结构复杂、可靠性低等一系列问题，这种强迫性接触同时也大大影响了电机的调速精度和性能。根据这种现状，当时的科学家
2、不断尝试对有刷直流电机进行改进，最终无刷直流电机得以面世。开关型晶体管的发明为无刷直流电机的创造提供了可能；在1995年，美国科学家首次提出运用晶体管换相线路来替代机械换向装置，经过不断研究尝试，终于发明了一种消除有刷直流电机中的机械换向装置的方法，就是用位置传感器和电子换相线路来替代它，随后出现了用霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电机；80年代初期，无刷直流电机开始进入实用阶段，经过大量科学家的不懈努力，方波和正弦波的无刷直流电机先后被成功研发出来。人们将一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机称为直流无刷电机；如今，无刷直流电机集各种软硬件于一体，成为了新型电机电动调速系统。无刷直流电机
3、具有调速方便、调速范围宽、低速性能好、运行平稳、噪音低、效率高等优点，其应用场合变得越来越广泛。1 在恒转矩和恒功率运行状态下，相比于交流电机和有刷直流电机，无刷直流电机能够显示出更多的优越性，目前在国民经济的各个领域无刷直流电机有着广泛的应用范围，并且在不断延伸，无刷直流电机为人们的日常生活提供了极大的便利，同时也大大促进了社会的进步。2 无刷直流电机的调整和启动性能好，并且结构简单无需维护，所以在要求高可靠性电机调速系统中有着广泛的应用。对于电机转速的控制，原先的模拟调速系统已经逐渐被数字调速系统所取代，当前数字调速系统主要由两种方案：一种方案是采用专用集成电路，这种方案可以大大降低设备支
4、出、提高设备的可靠性，但其灵活性不佳，不易进行功能扩展；另一种方案是以微控制器作为控制核心构成一个硬件系统，这一种方案可以运用编程来进行控制，适用范围广，并且操作起来灵活方便，极易进行功能扩展。 无刷直流电机的控制装置主要是由微控制器、逆变电路、位置传感器、驱动电路、调速电路、电源电路等几部分组成。 微控制器在无刷直流电机控制系统中充当控制核心的作用，它主要需要完成的功能如下：对各种输入的信号（特别是位置传感器的信号）进行分析处理，并为驱动电路提供各种控制信号；产生PWM信号，控制直流无刷电机的转速；对欠压、过流、短路等可能出现的故障进行保护。3 无刷直流电机控制装置中的微控制器主要有三种选择
5、，分别是专用集成芯片、单片机以及DSP。 在市场上有许多针对无刷直流电机控制的专用集成芯片，比如像摩托罗拉公司生产的专用集成芯片MC33035，其根据无刷直流电机控制的要求，将各种控制逻辑集成在芯片的内部，一般把MC33035这种控制器称之为模拟控制器，其核心的工作原理就是用电子设备来控制电机内部线圈电流的换向，将电机内部位置传感器信息传送给微控制器，微控制器根据这个信息来决定换向的时间和顺序，从而对电机的转速和转向进行控制。这种控制系统的缺点是缺乏智能性、不易进行扩展、功能不完善。4 单片机作为微控制器，其主要功能如下：单片机自带的PWM口在无刷直流电机控制中有着广泛的应用，通过初始化设定后
6、自动输出PWM控制信号，PWM信号的各种参数也可以通过软件对其进行设定；在该系统中看门狗的功能显得格外重要，看门狗处于工作状态时，会对运行中的程序进行无时无刻监视，一但程序运行出现错误，就会立即让单片机复位；在一块芯片上集成半导体功率器件、逻辑控制电路、驱动电路、保护电路、检测电路等电路，构成一个功率集成电路，让功率器件能变得智能化，方便了单片机对其进行控制。5 近几年来，国外一些比较大型的公司相继推出性能比较优越的DSP芯片作为电机控制器，例如T1公司生产的TMS320C24系列，Motoro1a公司生产的DSP56F8xx系列以及ADI公司生产的ADMC3xx系列，这些芯片都是以一个DSP
7、作为核心芯片，再和一些电机控制所需要外围电机一起集成在一块单一的芯片上，使得整个控制系统体积缩减、结构紧密、使用便捷、可靠性高。但是这些芯片的价格都普遍很高，并且外围电路设计起来比较复杂，这些因素严重限制了其推广应用。61.2 直流无刷电机的发展前景 （1）转矩脉动当前，直流无刷电机最本质最大的问题就是存在转矩脉动，直流无刷电机自身存在的转矩脉动使得它在交流伺服系统中的不能起到很好的控制作用，特别是在一些需要直接驱动的场合，转矩脉动使得电机的调速特性变得恶化，往往无法的到很好的控制效果，尤其是在一些对电机要求比较特殊的场合，这些场合要求直流无刷电机运行非常平稳、没有噪音，因此是否能够彻底抑制或
8、消除这种转矩脉动决定着是否能有效提高直流无刷电机伺服系统性能。 产生转矩脉动的原因主要有磁通的畸变和齿槽效应、谐波以及换向电流。现今，国内外许多的大学和科研所对转矩脉动问题都进行了比较深入的研究，根据产生原因的不同，提出了与之对应的抑制方法，在一定程度上的确是提高了无刷直流电机的性能，但是这些研究和方法均是在原有结构和方案上提出来的一些削弱或者补偿的方法，并没有真正从原理或根本上消除转矩脉动，所以对于直流无刷电机转矩脉动问题还需进行进一步的研究，探索如何成功消除转矩脉动成为无刷直流电机一个新发展方向。 （2）直流无刷电机的发展方向随着当今控制技术和电子技术的迅速发展，可以通过芯片配合相应的算法
9、来实现转子位置检测，科技的发展使得单片机、DSP以及专用集成芯片的运算速度和处理能力不断提高。DSP芯片自身固有的运算处理能力可以用来在直流无刷电机上实现无传感器控制，基于DSP的直流无刷电机无位置传感器控制成为一大研究热点，降低设备成本，研发较低成本的DSP无位置传感器直流无刷电机，也是无刷直流电机的一个发展方向。 随着控制理论的不断发展，先进的控制理论也为运动控制的发展指示着新的方向，特别是先进智能控制理论的广泛应用；目前智能控制在向着三个主要方向发展，它们分别是专家系统、模糊逻辑控制和神经网络控制。其中，专家系统和神经网络控制的应用还不是很成熟，但是在模糊逻辑控制方面已经小有成就，基于模
10、糊控制已经有了很多成功应用实例，模糊逻辑控制原理就是传动控制策略当中有机融入一些具有模糊性的成熟经验和规则，这一控制方法在无刷直流电机控制系统中也有着不错的应用前景，利用模糊逻辑控制的方法来控制无刷电机也是直流无刷电机一个发展方向。1.3 本设计的目的和意义 无刷直流电机相对于有刷直流电机的交流电机而言，有着非常明显的优势，它集这两种电机的优点于一身，综合了交流电机结构简单、维护方便、运行可靠和有刷直流电机调速性能好、运行效率高的特点，同时直流无刷电机不存在励磁的损耗。在一些工业比较先进的国家，无刷直流电机正在逐渐取代有刷直流电机成为工业自动化领域的主角，在一些国家，伺服驱动用的有刷直流电机已
11、经不再被大量生产。 在我国，无刷直流电机的应用技术与国际先进水平还是有很大差距的，大多数场合应用的还是有刷直流电机，这不仅不利用我国经济的发展，而且为国民的生活和工农业生产带来了很多不便；现有对于无刷直流电机的认识还不太成熟，无刷直流电机的应用还存在着许多的问题；因此深入对直流无刷电机和其控制系统的研究有着重要的意义。2 方案论证2.1 系统控制方案 方案一： 图2.1电动机驱动控制框图 如图2.1所示为方案一电机控制系统的框图，该控制电路的控制核心采用专用集成芯片，专用集成芯片选用MC3303系列的控制器，该控制器可以用来直接控制直流无刷电机的转速、转向、制动，该系列控制器内部含有一个可以产
12、生正确整流时序的转子位置译码器，内置的转子位置译码器监控三个位置传感器的输入，对三个位置传感器的信息经过处理后，再为顶端、底部驱动输出的提供正确时序。该系统可以很好的实现电机控制的一些功能，方便简单而且有效，但是该电路在速度调节上面不是很精确，而且无法显示当前电机的转速，只能进行单机控制，缺乏智能性，且不易进行扩展。 方案二： 图2.2所示为方案二电机控制的框图。利用单片机作为该控制电路的微控制器，单片机作为控制核心，控制电机的启动和制动、转动的速度和方向，三个位置传感器将转子位置信息传送给单片机，单片机根据这个信息加上电机旋转方向的要求，对PWM输出信号进行设定。功率驱动模块由功率开关器件组
13、成的逆变电路以及放大电路组成。位置传感器位于无刷直流电动机的内部，它用来对转子位置的进行测定，单片机检测到该信息，经过运算处理设定PWM波形，从而正确控制逻辑开关电路进行换相。该控制系统还包括一些其他的外围电路，主要起到辅助和保护的作用。图2.2电动机驱动控制框图 方案三： 方案三的电动机驱动控制框图如图2.3所示，其中微控制器仍然选用单片机，选用三相全桥逆变电路作为本系统的逆变电路，专用集成芯片选用MC3303系列的控制器，利用单片机控制专用集成芯片来控制电机的启动和停止、正反转、制动、加速和减速，与方案二不同的是位置传感器的输出信号不再送给单片机，而是直接传送给专用集成芯片处理，专用集成芯
14、片从单片机接收各种控制信号，通过转速传感器单片机可以得到电动机转速信息并将其转速实时显示出来。 图2.3电动机驱动控制框图 方案一单独采用专用集成芯片来进行控制，控制起来方便简单而且有效，但是调速不是很精确，无法当前电机的转速进行实时的显示，只能进行单机控制，缺乏智能性，并且不易进行扩展；方案二单独采用单片机来进行控制，很容易扩展，但外围电路比较复杂，软件调试也比较困难；方案三同时利用单片机和专用集成芯片来控制，不仅容易扩展，外围电路也很简单，也相对比较稳定；通对对比选择采用方案三。2.2 无刷电机的工作原理与型号选择 2.2.1 无刷电机工作原理1转矩分析电机的电枢绕组有三相采用星型连接方式
15、，电机的转子和位置传感器在同一根轴上，将位置传感器检测到的位置信号传送给控制电路，控制电路对其进行处理后产生控制信号，控制信号不能直接送给逆变器的功率开关管，因为控制信号非常弱，无法直接驱动功率开关管，必须经驱动电路隔离放大后才能够控制功率开关管导通的顺序，从而使得电机的各相绕组按照一定的顺序工作。以电机顺时针转动来分析其工作原理： 图2.4 无刷直流电动机工作原理示意图如图2.4中图（a）所示，转子旋转到达该位置时，转子位置传感器检测得到的位置信息经控制电路处理后成为一组控制信号，经过隔离放大驱动逆变器，使逆变电路中功率开关管T1、T6 导通，使得三相绕组中A、B两相通电，电流从直流电源正极的出来，流经开关管T1进入A相绕组，再从B相绕组出来，经开关管T6回到直流电源的负极，受到定子产生的磁场与转子产生磁场相互作用力的影响，电机的转子会沿顺时针方向转动。当转子到达图2.4中图（b）、（c）、（d）所示位置时，处理的过程同上述过程是相似的，只不过由于转子所在位置不同，位置传感器检测到的位
