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1、无刷直流电动机控制系统设计方案摘要无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。 现阶段，虽 然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位， 但无刷直流电动 机正受到普遍的关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、 办公自 动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型 化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分 ,电机必须具有精度高、速度 快、效率高等特点,无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。本设计是把无刷直流电动机作为电动自行车控制系统的驱动电机 ,以 PIC16F72单片机为控制电路，单片机采集比较电平及电机霍尔反馈信号，通 过软件编
2、程控制无刷直流电动机。关键词 无刷直流电动机 单片机 霍尔位置传感器AbstractBrushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of. At this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under common concern 。Since the 1990s ， as peoples liv
3、ing standards improve and modernize production, the development of office automation, household appliances ， industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency ， small size and high intelligence, as the implementation of components An important component of the motor m
4、ust have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application is also growing rapidly.This design is the brushless DC motor as the electric bicycle motor driven control system, PIC16F72 microcontroller for control circuit, SCM collection and comparison level elec
5、trical signal Hall feedback ， software programming through brushless DC motor control . Key words bldcm the single chip processor hall position sensor摘 要 IAbstract II第1章 概 述 11。1 无刷直流电动机的发展概况 11.2 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 21。3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理 31。4 无刷直流电动机的运行特性 61.4。1 机械特性 61。4.2 调节特性 61.4。3 工作特性 71。
6、5 无刷直流电动机的应用与研究动向 8第2章 无刷直流电动机控制系统设计方案 102。1 无刷直流电动机系统的组成 102.2 无刷直流电动机控制系统设计方案 122.2。1 设计方案比较 122。2.2 无刷直流电动机控制系统组成框图 13第3章 无刷直流电动机硬件设计 153.1 逆变主电路设计 153。1.1 功率开关主电路图 153.1。2 逆变开关元件选择和计算 153.2 逆变开关管驱动电路设计 173。2。1IR2110 功能介绍173.2.2 自举电路原理 193.3 单片机的选择 203。3.1 PIC单片机特点 203.3。2 PIC16F72 单片机管脚排列及功能定义 2
7、23.3.3 PIC16F72 单片机的功能特性 223。3.4 PWM信号在PIC单片机中的处理 233。3.5 时钟电路 233.3。6 复位电路 243.4 人机接口电路 243.4.1 转把和刹车 243。4。2 显示电路 253.5 门阵列可编程器件 GAL16V8 273。5。1 GAL16V8图及引脚功能 273。6 传感器选择 283.7 周边保护电路 303.7.1 电流采样及过电流保护 303.7。2 LM358双运放大电路 313.7。3 欠电压保护 323。8 电源电路 32第4章 无刷直流电动机软件设计 334。1 直流无刷电机控制器程序的设计概况 334。2 系统各
8、部分功能在软件中的实现 334。3 软件流程图 34结束语36致谢37参考文献38附录1 39附录2 51第 1章 概 述1.1 无刷直流电动机的发展概况无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的， 这一渊源关 系从其名称中就可以看出来 .有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以 其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主 导地位。但是,有机械接触电刷换向器一直是电流电机的一个致命弱点 , 它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流 电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索早在1917年，Bolgior就提 出了用整流管代替有刷直流
9、电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的 基本思想。1955年美国的D。Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直 流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步 ，在无 刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段， 可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷 直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内 ，性能都不理想，只能停留在 实验室阶段，无法推广使用，1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展， 许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等
10、）相继问世，加 之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB ）陆续出现，这些均为无刷直流电动机 广泛应用奠定了坚实的基础，无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展 在1978年汉诺威贸易博览 会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了 MAC无刷直流电动机及其驱 动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系 统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入， 无刷直流电动机的理 论也逐渐得到了完善.1986年，H。R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统 的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域 ，成为无刷直流电动机的经
11、典文 献，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。我国对无刷直流电动机的研究起步较晚 .1987年，在北京举办的联邦德 国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系 统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和 技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列 产品，形成了一定的生产规模。1.2 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较表 1-1 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较项目换向维护寿命机械（速度/力矩）特性无刷直流电动机借助转自子位置传感器 实现电子换向由于没有电刷和换向 器，很少需要维护 比较长
12、平（硬）在负载条件下 能在所有速度上运行有刷直流电动机由电刷和换向器进行机 械换向需要周期性维护效率输出功率/外形尺寸之比高转自惯量速度范围电气噪声由于没有电刷压降，所 以效率高由于电枢绕组设置在与 机壳相连的定子上，容 易散热.这种优异的热 传导特性允许减小电动 机的尺寸，所以输出功 率/外形尺寸之比高 低.因为永磁体设置在 转子上，改善了动态响 应比较高。没有电刷/换向 器给予的机械限制 低比较短中等平（中等硬）。在较 高速度上运行时，电刷 摩擦增加，有用力矩减 小中等中等/低。电枢产生的热 量消散在气隙内，这样 增加了气隙温度，从而 限制了输出功率/外形 尺寸之比转自惯量高，限制了动 态
13、特性制造价格控制控制要求比较高复杂和价格贵为了使电动机运转必须 要有控制器，但同样的 控制器可用于变速控制比较低，存在电刷给予 的机械限制电刷的电弧将对附近的 设备产生电磁干扰 低简单和价格不贵1.3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理1无刷直流电动机转矩分析电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴 ,控 制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号， 控制动信号经驱动电路隔 离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作 . 图11 无刷直流电动机工作原理示意图如图1-1所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传 感器输出的信号经控制电路逻辑变
14、换后驱动逆变器，使T1、T6导通，即A、B 两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流 出，经T6回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针 转动。当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出 的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通,A、C两相绕组通 电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2 回到电源负极。此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换 ，功率开关管 的导通逻辑为 T1、T6T1、T2T3、T2T3、T4T5、
15、T4T5、T6T1、T6。 在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用， 沿顺时针方向连续旋 转。转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场 的磁状态就发生一次跃变。可见 ，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通， 每相绕组的导通时间对应于转子旋转 120电角度。无刷直流电动机的这种工 作方式叫两相导通星型三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作 方式。2无刷直流电动机与输出开关管换流信号无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔 120电角度的霍尔位 置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时， 传感 器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上 各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差 120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图12
