無刷電機的proteaus仿真

1、華北科技學院畢業(yè)設計（論文）- I -目 錄設計總說明 .1GENERAL DESCRIPTION OF THE DESIGN.31 緒 論 .51.1 課題研究的背景和意義.51.2 本課題的研究現(xiàn)狀 .61.2.1 本課題研究的國外現(xiàn)狀.61.2.2 本課題研究的國內(nèi)現(xiàn)狀 .71.3 課題研究主要內(nèi)容 .72 永磁無刷直流電動機的工作原理 .92.1 倒直流無刷電動機的結構.92.2 直流無刷電動機工作原理.102.3 直流無刷電動機的電動機特性.132.3.1 機械特性.132.3.2 調節(jié)特性.142.4 永磁無刷電動機的數(shù)學模型.142.5 本章小結.153 BLDC 控制系統(tǒng)的硬件

2、設計.163.1 控制核心及按鍵電路.163.2 轉速顯示部分及檔位顯示部分.173.3 驅動電路.193.4 轉速檢測電路.203.5 直流無刷電動機的 Proteus 仿真模型.213.6 本章小結.224 BLDC 控制系統(tǒng)的軟件設計.234.1 軟件部分綜述 .234.2 主函數(shù). .254.3 顯示函數(shù). .264.4 按鍵檢測函數(shù). .27倒立擺系統(tǒng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制實現(xiàn)- II -4.5 PWM 波發(fā)生函數(shù).294.6 電動機控制邏輯. .324.7 PID 控制與實現(xiàn).334.7.1 PID 控制的基本概念.334.7.2 PID 的參數(shù)整定.344.7.3 PID 算法的程序編

3、寫.354.8 本章小結. .375 BLDC 轉速控制系統(tǒng)的仿真.385.1 仿真環(huán)境簡介. .385.2 仿真步驟.405.3 波形分析.445.4 本章小結.46總結與展望 .47參考文獻 .49附錄 A.51附錄 B.61附錄 C.62本科期間發(fā)表論文 .63致 謝 .63 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 共 63 頁 無刷直流電動機的單片機控制與仿真設計總說明無刷電動機是一種用電子換向取代機械換向的新一代電動機，與傳統(tǒng)的直流電動機相比，其具有過載能力強，低電壓特性好，啟動電流小等優(yōu)點，同時由于采用了電子換向取代了機械換向，使電動機的使用壽命得到很大的提高，所以近年來在工業(yè)運

4、用方面大有取代傳統(tǒng)直流電動機的趨勢，研究無刷直流電動機的驅動控制技術具有重要的實際應用價值。 無刷電動機是一個高階次、多變量、不穩(wěn)定、強耦合的非線性系統(tǒng)，對無刷電動機的控制難度要大大高于傳統(tǒng)的直流電動機，所以在完善無刷直流電動機硬件的基礎上，研究探索無刷電動機的控制算法，并把算法通過與嵌入式微處理器（MCU）結合將算法應用到實際的控制系統(tǒng)中，這已成為當今電動機控制領域的一大熱點。本設計硬件部分通過 Proteus 進行仿真，通過 Proteus 搭建無刷直流電動機轉速控制系統(tǒng)的仿真平臺。軟件部分則以 keil C51 為開發(fā)環(huán)境，基于 80C51 的控制核心，主要用 C 語言進行編程。在實現(xiàn)了

5、直流無刷電動機開環(huán)速度調節(jié)的基礎上，引入閉環(huán)轉速調節(jié)和 PID 控制策略，同時加入了按鍵檢測以及轉速顯示，最后實現(xiàn)了對電動機的加速、減速、正反轉等控制以及在消除速度誤差及穩(wěn)速方面做了積極地探索。最后為實際系統(tǒng)的設計提供了有效的理論實踐基礎。 在本次設計的核心是在以 80C51 芯片為控制單元的硬件基礎同時采用位置式 PID算法。每隔一定的周期對無刷電動機的轉速進行檢測，然后利用 AD 轉換器將采集到的轉速信號經(jīng)轉換后變成實際的轉速，利用靜態(tài) LED 顯示單元將轉速顯示出來同時將此轉速信號與設定目標作差，將差值輸入 PID 控制器，經(jīng)過 PID 控制算法的運算得到的結果作為控制信號，根據(jù)控制信號

6、改變驅動無刷電機的逆變器的場效應管的導通時間和換向方式，從而使轉速逐漸接近目標轉速。本次設計的硬件基礎是基于 Proteus 仿真平臺搭建的。Proteus 是著名的 EDA 工具，是目前唯一能將電路仿真軟件，PCB 設計軟件和虛擬模型仿真三合一的實驗平臺，其不僅可以在虛擬環(huán)境中完成硬件電路的設計，還實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。其處理器模型支持 51 系列、AVR 系列、ARM 系列等主流嵌入式處理器，在編譯方面也支持 keil C51、MATLAB 等眾多編譯器。在進行進行仿真時支持實時調試，實現(xiàn)各種無刷直流電動機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁控制算法并觀測輸出結果，有助于降低開發(fā)

7、成本和開發(fā)周期，提高設計效率。本次設計利用 Proteus 元件庫所提供的硬件模型（主要有80C51、IR2101、74ls373、AD1674、MOSFET 等）搭建了直流無刷電動機的驅動電路、轉速檢測電路、按鍵檢測電路、以及轉速顯示電路。在結合 Keil 進行軟件系統(tǒng)的開發(fā)，成功地實現(xiàn)了無刷直流電動機轉速控制系統(tǒng)的仿真，同時利用 Proteus 提供的虛擬儀表觀測了單片機輸出的控制脈沖的波形、電動機各項的實際電壓、轉速輸出的波形等直流無刷電機的控制參數(shù)。Keil 是 51 系列兼容單片機 C 語言的開發(fā)系統(tǒng)，C51 在功能上，結構性，可讀性，可維護性都遠超匯編語言（ASM） ，由于 ASM

8、 的編程需要過多的考慮到芯片內(nèi)部的結構，所以缺乏可移植性，而且程序往往會變得很復雜。使用 C51 就能避免這些問題，借助豐富的庫函數(shù)，C51 能利用較少的代碼實現(xiàn)諸如求正切這樣復雜的函數(shù)，甚至能較輕松地編出復雜的嵌入式系統(tǒng)，而且易學易用。但是 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和功能強大的仿真調試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過集成開發(fā)環(huán)境，將這些部分組合在了一起。本次設計是在搭建出基本的硬件電路后，針對80C51 進行軟件模塊化設計，依次完成了按鍵檢測模塊、顯示模塊、電動機控制模塊等，為了獲得準確的延時時間，本系統(tǒng)的延時模塊采用匯編語言編寫，通過匯編語言與 C 語言的接口（

9、API）實現(xiàn)對匯編語言函數(shù)的調用。關鍵詞：無刷直流電動機；單片機；Proteus ；C51；PID；仿真；MCU control and simulation of brushless DC motorGeneral description of the design 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 共 63 頁Brushless motor is a kind of electronic commutation instead of a new generation of mechanical commutation motor. Compared with the traditi

10、onal DC motor, which has strong overload capacity, low voltage characteristics, starting current, etc., also the electronic commutation is used to replace the mechanical commutation, the service life of the motor has been greatly improved, so in recent years in industrial utilization is the trend to

11、 replace the traditional DC motor, the no brush DC motor drive and control technology has important practical application value.However, brushless motor is a high-order, multivariable and unstable, nonlinear system with strong coupling, must not have the control difficulty of the brushless motor is

12、much higher than that of the traditional DC motor, so in the perfect hardware of Brushless DC motor based on, study and explore the brushless electric machine control algorithm and the algorithm by bind to and embedded microcontroller unit (MCU) algorithm is applied to actual control system, it has

13、become a hot spot in the current motor control field.The design of the hardware part of the Proteus simulation by Proteus build no brush DC motor speed control system simulation platform. The software uses keil C51 as development environment, control core based on 80C51, the main use of C language p

14、rogramming. In the realization of the of DC brushless motor speed regulation based, and joined the closed-loop speed control, position type PID control strategy is introduced, also joined the key detection and speed display, and finally to achieve the motor acceleration, deceleration, positive and n

15、egative rotation control and in the elimination of speed error and steady speed do active exploration. Finally, provides a theoretical and practical foundation for the design of the actual system effectively.PID refers to the proportional integral differential control, is a linear combination ofprop

16、ortional, integral and differential control. In the single loop control system, the disturbance makes the controlled parameters deviate from the given value, resulting indeviation. Automatic control system of regulating unit will come from value, measurement of the transducer, and the given value co

17、mparison of deviation ratio, integral and derivative (PID) algorithm and output standard signal, to control the action of the implementing agencies, in order to realize the automatic control of temperature, pressure, flow, and other process parameters. The PID controller is simple and easy to unders

18、tand, without the use of accurate grasp system model and other prerequisites, thus it has become the most widely used controller. In this design, the position type PID algorithm based on 80C51. Using AD converter will be collected the speed signal after conversion into actual speed signal and 無刷直流電動

19、機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁speed signal and set a goal for the poor, the differential input PID controller, through the PID control algorithm to obtain the control signal.Proteus is famous EDA tools, is the only way to circuit simulation software, PCB design software and virtual model to simulate the exper

20、imental platform. It can not only complete the hardware circuit design in virtual environment, but also to achieve a complete design from concept to product. The processor model support series of 51, AVR, arm series mainstream embedded processor, in the compilation also supports many compiler Keil C

21、51, MATLAB, etc. In the simulation support real-time debugging and achieve a variety of control algorithm and observe the output results, to reduce the development cost and cycle, improve the design efficiency. A DC brushless motor control parameters studied the design using Proteus component librar

22、y provided by the hardware model (mainly 80C51, ir2101, 74ls373, AD1674, MOSFET) steps to build a DC brushless motor drive circuit, speed detection circuit, a key detection circuit, and the speed display circuit and successfully realized the simulation of the brushless DC motor speed control system,

23、 and provided by Proteus virtual instrument.Keil is 51 series compatible microcontroller C language development system, C51 in function, structure, readability, maintenance of far exceeds that of assembly language (ASM), due to the ASM programming need too much considering the chip internal structur

24、e, so the lack of portability and programs tend to become very complex. Using C51 can avoid these problems, with rich library function, C51 can use less code to achieve functions such as calculating tangent of such a complex and even easier to compile a complex embedded systems, and is easy to learn

25、 and use. Keil offers, including the C compiler, macro assembler, linker, library management and powerful simulation debugger, complete development plan, through the integrated development environment, the combination of these sections together. This design is after build the basic hardware circuit

26、and is designed for the 80C51 of modular software design. In order to complete the key detection module, display module, motor control module, in order to obtain the exact delay time and the system time delay module using assembly language to write, through the assembly language and C language inter

27、face (API) implementation calls the function of assembly language.Keywords: brushless DC motor; control; simulation; C51; proteus 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 共 63 頁1 緒論1.1 課題研究的背景和意義無刷直流電動機是上世紀六七十年代發(fā)展起來的結合了多學科技術的一種新型電動機，其最大特點就是沒有換向器（整流子）和電刷組成的機械接觸機構。它通常采用永磁體為轉子，沒有激磁損耗；發(fā)熱的電樞繞組又通常裝在外面的定子上，這樣，熱阻較小，散熱容易。結合機電一體

28、化，具有高速度、高效率、高動態(tài)響應、高熱容量和高可靠性、無換向火花等優(yōu)點，同時還具有低噪聲和長壽命等特點無刷直流電動機是近年來隨著電子技術的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型直流電動機，它是現(xiàn)代工業(yè)設備、現(xiàn)代科學技術和軍事裝備中重要的機電元件之一。與普通直流電動機相比，無刷直流電動機既有相似點，也有其獨有的特點。所謂相似點，在結構上無刷電動機和有刷電動機有相似之處，也有轉子和定子，只不過和有刷電動機的結構相反；有刷電動機的轉子是線圈繞組，和動力輸出軸相連，定子是永磁磁鋼；無刷電動機的轉子是永磁磁鋼，連同外殼一起和輸出軸相連，定子是繞組線圈。去掉了有刷電動機用來交替變換電磁場的換向電刷，故稱之為無刷電

29、動機（Brushless motor） 。所謂不同點，在工作原理上無刷直流電動機是采用半導體開關器件來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。需要三相橋式逆變電路將直流電變成三相電，同時無刷直流電動機一般帶有位置傳感器位置傳感按轉子位置的變化，沿著一定次序對定子繞組的電流進行換流（即檢測轉子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉換電路處理后去控制功率開關電路，按一定的邏輯關系進行繞組電流切換） 。而且無刷電動機去除了電刷，沒有了有刷電動機運轉時產(chǎn)生的電火花，極大減少了電火花對遙控無線電設備的干擾。同時，運轉時摩擦力大大減小，運行順暢，噪音會低許

30、多，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因為少了電刷，無刷電動機的磨損主要是在軸承上，從機械角度看，無刷電動機幾乎是一種免維護的電動機了，只需做一些除塵維護即可。正是由于無刷電動機有如此多的優(yōu)勢，二十一世紀伊始至今掀起了無刷電機替代傳統(tǒng)的直流電動機熱潮，許多學校和科研機構都投入到無刷電動機的研究當中。有人說二十一世紀是“無刷電機廣泛運用的時代”目前無刷電動機已廣泛應用于各種領域，如宇宙航行、航海、醫(yī)療儀器、分析儀器、材料處理、過程控制、機床工業(yè)、紡織工業(yè)和輕工機械等。無刷直流電動機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁1.2 本課題的研究現(xiàn)狀目前永磁無刷電動機的研究熱點分為兩個方向，一是對無位置傳感器的無刷電

31、機轉子位置檢測及轉速估算，二是如何改進永磁無刷電動機的控制算法。發(fā)展較為完善的無位置傳感器位置信號檢測方法主要有四種：續(xù)流二極管法、反電動勢法、電感法以及狀態(tài)觀測法。其中“反電動勢法”是目前最常見和應用最廣泛的一種。但這種方法是以忽略電樞反應影響為前提的，所以存在一定的固有誤差。大功率型永磁無刷直流電動機的電樞反應對氣隙合成磁場的影響十分明顯，所以大功率永磁無刷電機的反電動勢過零點與總的感生電動勢過零點電動勢不重合，這就使電樞反應的影響擴大，導致檢出的轉子位置誤差增大。由于電動機靜止或轉速較低時的反電動勢很小幾乎為零，所以幾乎無法通過反電動勢過零點檢測來得到正確的位置信號。這就導致電動機啟動困

32、難，且使得嚴電動機的調速范圍變窄。所以，研究如何在無位置傳感器永磁無刷直流電動機中采用何種控制算法使得能更精確的檢測轉子的位置信號就成為當前一個十分重要的課題。隨著單片機技術的發(fā)展以及數(shù)字信號處理器（DSP）的應用和推廣，使得位置檢測可以通過 IC 芯片配合一定算法實現(xiàn)。采用 MCU 以實現(xiàn)無位置傳感器的位置檢測和估算已成為研究的熱點和趨勢。 永磁無刷直流電動機轉速控制系統(tǒng)設計的一個重要發(fā)展方向就是采用數(shù)字信號處理器的數(shù)字控制電路。以 MCU 芯片為核心的控制系統(tǒng)并不是一個單純依靠硬件控制電路，它還必須與合理的軟件控制策略相配合。這也為控制系統(tǒng)的設計帶來更大的靈活性。軟件設計必然涉及控制算法的

33、研究和應用。永磁無刷電動機的轉速、電流控制必須由硬件系統(tǒng)的配合具有正確的控制算法的軟件系統(tǒng)才能有良好的閉環(huán)控制效果。而不同的的控制算法能直接影響控制效果的好壞。1.2.1 國外研究現(xiàn)狀美國的科學家早在二十世紀三十年代就開始研制以電子換向來代替電刷機械換向的無刷直流電動機，并取得了一定的科研成果。但是當時大功率電力電子器件剛剛得到發(fā)展，沒有理想的電子換向代替機械向的器件，使得無刷電動機只能停留在實驗室研究階段。美國 D.哈里森等人在 1955 年首次成功實現(xiàn)了應用晶體管換向代替電動機機械換向，這是現(xiàn)代無刷直流電動機的原型，但由于該電動機尚無啟動轉矩故依然只能停留在研究階段。后來又經(jīng)過人們多年的努

34、力，通過霍爾元件進行轉子位置檢測來實現(xiàn)換向的無刷電動機終于在 1962 年問世，從而開創(chuàng)了無刷直流電動機產(chǎn)品化的新紀元。七十年代以來，隨著電力電子工業(yè)飛速發(fā)展，許多新型的高性能半導體功率器件相繼 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 共 63 頁出現(xiàn)，以及高性能永磁材料的問世，均為無刷電動機及其調速系統(tǒng)的廣泛應用奠定了堅實的基礎。又經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，目前無刷直流電動機及其調速系統(tǒng)在技術上已經(jīng)比較成熟，在大量應用中已顯示出優(yōu)良的特性，應用范圍幾乎覆蓋所有電動機的驅動領域，并可以起到其他類電動機所不能達到的功能。國際上一些專家指出，21 世紀是無刷電動機廣泛應用大發(fā)展的時期，將為所有新一

35、代的機電一體化產(chǎn)品設計師所采用。現(xiàn)代的永磁無刷直流電動機轉速控制系統(tǒng)在硬件上有著朝總線化發(fā)展的趨勢，而在軟件上則朝著嵌入式操作系統(tǒng)平臺發(fā)展的趨勢，從而可以使得控制系統(tǒng)自身就具有局域網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)上網(wǎng)的功能，這樣就為遠程監(jiān)控提供了方便。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國直流永磁無刷電動機的研制工作開始于二十世紀七十年代，主要集中在一些科研院校。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，目前我國已有幾種系列產(chǎn)品生產(chǎn)，如 ST 系列，1FTS 系列，ASM 系列等，但到目前為止仍無國家標準。限于我國元器件水平及相關理論沒有得到充分的實踐驗證，尤其是制造工藝和加工設備較國際先進水準差別較大，所以目前我國的永磁無刷直流電動機的綜合研

36、制水平仍低于國際先進水平，有待于進一步的研發(fā)。目前，國內(nèi)研發(fā)的和生產(chǎn)的永磁無刷電動機主要用于軍工設備，而在空調器、電冰箱、洗衣機及微型風機等方面應用無刷電動機仍需大力推廣。 圖 1-1 無刷電動機實物圖1.3 課題研究的主要內(nèi)容本課題首先研究了直流永磁無刷電動機的數(shù)學模型，理解其狀態(tài)空間表達式的推導過程，然后選擇合適的控制方式，再利用 Proteus 仿真平臺，搭建無刷電動機的驅動電路、控制電路、轉速顯示電路完成硬件設計，利用 keil C51 編寫程序從而實現(xiàn)永磁無刷電動機的調速、正轉、反轉、轉速顯示、檔位顯示。最后，通過 AD 轉換器對無無刷直流電動機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁

37、刷電動機進行速度信號采集，引入 PID 控制策略，形成轉速單閉環(huán)控制，在如何減小誤差及保持轉速穩(wěn)定方面做了積極的探索。本論文分為五章。各章內(nèi)容如下：第 1 章對本課題的背景、意義以及無刷電動機的研究現(xiàn)狀進行了綜述。第 2 章闡述永磁無刷直流電動機的工作原理，推導其機械特性，并最終得到其數(shù)學模型。第 3 章主要介紹永磁無刷直流電動機轉速控制系統(tǒng)的硬件設計部分，各部分電路的工作原理、元件選型等。第 4 章主要介紹永磁無刷直流電動機轉速控制系統(tǒng)的程序部分，闡述各部分程序所實現(xiàn)的功能，以及 PID 算法的程序化。第 5 章主要介紹了使用 Proteus 對軟件部分硬件部分綜合仿真以簡單開環(huán)的轉速控制系

38、統(tǒng)作為對比，分析仿真后的波形。最后對本文主要工作進行了總結，并對后續(xù)工作提出展望。 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 共 63 頁2 永磁無刷直流電動機的工作原理2.1 直流無刷電動機的結構 直流無刷電動機與一般直流電動機具有相同的工作原理和應用特性，其組成是不一樣的。除了電動機本身外，前者還多一個換向電路，電動機本身和換向電路緊密結合在一起。許多小功率電動機的電動機本身是與換向電路合成一體，從外觀上看直流無刷電動機與直流電動機完全一樣。直流無刷電動機的電動機本身是機電能量轉換部分，它除了電動機電樞、永磁勵磁兩部分外，還帶有傳感器。電動機本身是直流無刷電動機的核心，它不僅關系到性能指標

39、、噪聲振動、可靠性和使用壽命等，還涉及制造費用及產(chǎn)品成本。由于采用永磁磁場，使直流無刷電動機擺脫一般直流電動機的傳統(tǒng)設計和結構，滿足各種應用市場的要求，并向著省銅節(jié)材、制造簡便的方向發(fā)展。永磁磁場的發(fā)展與永磁材料的應用密切相關，第三代永磁材料的應用，促使直流無刷電動機向高效率、小型化、節(jié)能方向邁進。為了實現(xiàn)電子換向必須有位置信號來控制電路。早期用機電位置傳感器獲得位置信號，現(xiàn)已逐步用電子式位置傳感器或其它方法得到位置信號，最簡便的方法是利用電樞繞組的電勢信號作為位置信號。實現(xiàn)電動機轉速的控制必須有速度信號。用獲得位置信號相近方法取得速度信號，最簡單的速度傳感器是測頻式測速發(fā)電動機與電子線路相結

40、合。直流無刷電動機的換向電路由驅動及控制兩部分組成，這兩部分是不容易分開的，尤其小功率用電路往往將兩者集成化成為單一專用集成電路。在功率較大的電動機中，驅動電路和控制電路可各自成為一體。驅動電路輸出電功率，驅動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路。目前，驅動電路已從線性放大狀態(tài)轉成脈寬調制的開關狀態(tài)，相應電路組成也從晶體管分立電路轉成模塊化集成電路。模塊化集成電路有功率雙極晶體管、功率場效應管和隔離柵場效應雙極晶體管等組成形式。雖然，隔離柵場效應雙極晶體管價格較貴，但從可靠安全和性能角度看，選用它還是較合適的?？刂齐娐酚米骺刂齐妱訖C的轉速、轉向、電流(或轉矩)以及保護電動機的過流、過壓、過熱等。

41、上述參數(shù)容易轉成模擬信號，用此來控制較簡單，但從發(fā)展來看，電動機的參數(shù)應轉換成數(shù)字量，通過數(shù)字式控制電路來控制電動機。當前，控制電路有專用集成電路、微處理器和數(shù)字信號處理器等三種組成方式。在對電動機控制要求不高的場合，專用集成電路組成控制電路是簡單實用的方式。 與有刷直流電動機不同，BLDC 電動機具有固定的電樞與旋轉的磁場。因此，無刷直流電動機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁BLDC 電動機無需像有刷直流電動機那樣使用換向器和電刷來使電動機轉動。它的主要組成：電動機本體、轉子位置傳感器以及電子換相電路。直流無刷電動機結構如圖2-1： 圖 2-1 直流無刷電動機結構 電動機本體的主要部件

42、是定子和轉子。定子部分與有刷電動機不同，直流無刷電動機的定子最主要的部件就是線圈繞組了。電動機要把電能轉化為機械能，就要把轉子動起來，轉子轉起來就可得到相互作用的磁場，當直流無刷電動機接上電源后，電流就會接入線圈，就會得到磁動勢，和轉子的磁場相互作用，就會得到電功率，從而實現(xiàn)電動機把電能轉化為機械能的這一過程。直流無刷電動機的轉子對電動機來講有比較重要的地位，它是產(chǎn)生勵磁磁場的主要器件之一。 圖 2-2 直流無刷電動機逆變器結構圖直流無刷電動機要能夠轉動起來，除了電動機本體以外，還需要電子換相電路與轉子位置傳感器的共同配合。這當中，使用轉子位置傳感器的目的是來檢測轉子磁極的位置，并將這個位置信

43、號及時傳給電動機控制器，讓它能夠正確地驅動電子換相電路。電子換相電路（如圖 2-2 所示）由六只晶體管組成，它在電動機運轉當中有著至關重要的作用。2.2 直流無刷電動機工作原理 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 共 63 頁 直流無刷電動機是由電動機主體和驅動器兩部分組成。由于沒有電刷，所以要將轉子制作成永磁體,而將線圈繞組放在定子上去，這樣修改后的結構正好與一般直流電動機恰恰相反；然而，如果只給直流無刷電動機通入固定的直流電流，那么直流無刷電動機只可以產(chǎn)生不變的磁場，直流無刷電動機不能轉動起來，為了能夠使電動機轉動起來，只有實時檢測直流無刷電動機轉子的位置，再根據(jù)轉子的位置給直流無

44、刷電動機的不同相通以對應的電流，使定子能夠產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉磁場，電動機 6 步通電順序如圖所示，每步三個繞組中一個繞組流入電流，一個繞組流出電流，一個繞組不導通。通電順序如下： 1.V1、V4 2. V5、V4 3. V5、V2 4. V3、V2 5. V3、V6 6.V1、V6 磁場開始旋轉，由于磁力作用轉子磁極被牽引旋轉。磁場順時針旋轉的時候，電動機順時針旋轉的順序：123456；磁場逆時針旋轉的時候，電動機逆時針旋轉的順序：654321。 圖 2-3 電動機 6 步通電順序通過六只晶體管組成的換相電路，來給電動機供電。它的換相過程如圖 2-4 所示：無刷直流電動機的控制與仿真第 6

45、3 頁 共 63 頁圖 2-4 換相過程示意圖霍爾傳感器輸出的二進制編碼控制 6 個功率管的導通，它由邏輯電路或軟件編程實現(xiàn)。此外，可以通過改變定子繞組電壓的大小來改變電動機速度。最終實現(xiàn)了 BLDC電動機的調速控制。所謂霍爾傳感器，是指利用霍爾效應制成的傳感器?；魻栃且环N電磁效應，是指運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用引起的偏轉。當帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉就導致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場，被稱為霍爾電壓?；魻栯妷弘S磁場強度的變化而變化，磁場越強，電壓越高，磁場越弱，電壓越低，霍爾電壓值一般只有幾毫伏，但如果通過功率放大器

46、放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強的信號。若使霍爾集成電路起傳感作用，需要用機械的方法來改變磁場強度。下圖所示的方法是用一個轉動的葉輪作為控制磁通量的開關，當葉輪葉片處于磁鐵和 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 13 頁 共 63 頁霍爾集成電路之間的氣隙中時，磁場偏離集成片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路的輸出電壓的變化，就能表示出葉輪驅動軸的某一位置?；魻栃獋鞲衅鲗儆诒粍有蛡鞲衅鳎型饧与娫床拍芄ぷ?，這一特點使它能檢測轉速低的運轉情況。圖 2-5 霍爾傳感器工作原理示意圖圖 2-6 無刷電機中的霍爾傳感器 2.3 直流無刷電動機特性2.3.1 機械特性在機械特性的表達式上，BLD

47、C 電動機的機械特性和一般直流電動機相比都具有比較好的機械特性。無刷電動機的機械特性曲線簇見圖 27。無刷直流電動機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁 圖 2-7 機械特性曲線簇直流無刷電動機在轉矩較低時機械特性最好，在轉矩較大、轉速較小的情況下機械特性有所變化。曲線向下彎曲的原因是,在轉矩很大、轉速較小的情況下。電流會變得很大，造成管壓降變化加快，使電壓減小。機械特性曲線就會偏離原來的直線。2.3.2 調節(jié)特性BLDC 電動機的調節(jié)特性如圖 28 所示 圖 2-8 無刷電機的調節(jié)特性從圖 2-5 上能夠看出，BLDC 電動機具有較好的調節(jié)特性。較好的機械特性和調節(jié)特性為 BLDC 電動機

48、良好的調速性能打下了基礎。 2.4 永磁無刷電動機的數(shù)學模型無刷直流電動機(BLDCM) 既有傳統(tǒng)直流電動機的調節(jié)特性，又有交流電動機無刷的優(yōu)點，在快速性、可控性、可靠性、輸出轉矩、結構、耐受環(huán)境和經(jīng)濟性等方面具有明顯的優(yōu)勢，近年來得到迅速推廣。以三相六狀態(tài) BLDCM 為對象，分析直流無刷電動機的數(shù)學模型及電磁轉矩特性。當忽略齒槽效應和電樞反應，三相繞組電壓方程可以表示為： (2-1)cbacbacbassscbaeeeiiipMLMLMLiiiRRRuuu000000000000式中：、表示電動機定子繞組相電壓；、表示電動機定子繞組aubucuaebece電動勢；、 表示電動機定子繞組相電

49、流； 、分別表示電動機繞組自感和aibiciLM 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 15 頁 共 63 頁定子繞組之間的互感；表示電動機定子繞組電阻；p 為微分算子。sR轉矩方程 (2-2)/ea ab bc cTe ie ie i運動方程為 (2-3) eLmmTTBJ式中，為阻尼系數(shù)，為負載轉矩; 為轉動慣量。上述兩式表明，電動機反電BLTJ勢、相電流、轉速與負載轉矩存在著相互關系，一些變量具有時變特性，系統(tǒng)存在干擾等，傳統(tǒng)的 PID 控制器難以適應。2.5 本章小結本章主要分析直流無刷電動機的工作原理及控制過程同時介紹了無刷電動機的數(shù)學模型，并在此基礎上對直流無刷電動機的機械特性、調節(jié)特

50、性簡單分析。分別與傳統(tǒng)直流電動機和三相交流電機的機械特性作比較，突出無刷電機的優(yōu)良性能。在最后得出其轉矩方程和運動方程以便之后對系統(tǒng)能更好的分析設計。無刷直流電動機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁3 BLDC 控制系統(tǒng)的硬件設計 硬件部分的組成框圖如圖 3-1 所示，主要部分由控制核心、轉速顯示部分、檔位顯示部分、按鍵檢測部分、轉速檢測及反饋部分、電動機驅動電路，六部分構成。 AT89S52單片機（PID）檔位顯示按鍵檢測ID2101驅動電路無刷直流電動機AD1674轉速反饋轉速顯示圖 3-1 無刷直流電動機控制系統(tǒng)硬件組成3.1 控制核心及按鍵電路 控制核心采用 Atmel 公司的 8

51、0C51 芯片，80C51 屬于 MCS-51 系列單片機，80C51 有兩個 16 位定時計數(shù)器，兩個外中斷，兩個定時計數(shù)中斷，及一個串行中斷，并有 4 個 8 位并行輸入口。80C51 內(nèi)部有時鐘電路，但需要石英晶體和微調電容外接，本系統(tǒng)中采用 12MHz 的晶振。由于 80C51 的系統(tǒng)性能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時間精度的要求，而且產(chǎn)品產(chǎn)量豐富來源廣，應用也很成熟，故采用來作為控制核心。 圖 3-2 為控制核心與按鍵檢測部分的基本接線，圖中 C1C3、R1、R2、CY 構成了單片機最小系統(tǒng)，CY 是 12MHZ 的石英晶振。復位電路采用按鍵復位。圖中 B1B5是 5 個自復位按鈕。 由于所需

52、按鍵比較少，采用獨立按鍵，使用點動開關分別實現(xiàn)啟動（OPEN）、加速（UP）減速（DOWN）、反轉（CPL）、停止（CLOSE）。 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 17 頁 共 63 頁 圖 3-2 主控芯片及按鍵部分在本次設計中使用了 80C51 的外部中斷接口 0（INT0）用作按鍵檢測（見圖 3-3），通過四個與門構成中斷觸發(fā)電路，當有任何一個按鍵按下去時 tap 端都會產(chǎn)生下降沿從而引發(fā)中斷。P0 口用作數(shù)據(jù)輸出總線，P2 口用作地址輸出總線（P2.0P2.1 檔位顯示，P2.2 pwm 輸出地址，P2.3 轉速檢測地址，P2.4P2.8 轉速輸出顯示地址）圖 3-3 按鍵檢測部分3

53、.2 轉速顯示部分及檔位顯示部分顯示部分均采用 7 端共陰極二極管配合 74LS373 的 led 靜態(tài)顯示，這是因為對無刷電動機控制需要嚴格的時間控制，雖然動態(tài)顯示的硬件連接簡單而且功耗低，但是由于其需要一定的延時消除“殘影”故不能采用。 74ls373 為三態(tài)輸出的八 D 鎖存器，當三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，Q0Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅動負載或總線。當 OE 為高電平時，Q0Q7 呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端 LE 為高電平時，Q 隨數(shù)據(jù) D 而變。當 LE 為低電平時，D 被鎖存在已建立的數(shù)無刷直流電動機的控制與仿真第

54、 63 頁 共 63 頁據(jù)電平。當 LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mV。圖 3-4 74ls373 真值表 圖 3-5 轉速顯示部分圖 3-6 檔位顯示部分上圖均為無刷直流電動機控制系統(tǒng)的轉速顯示部分，其中，圖 3-5 為轉速顯示，圖3-6 為檔位顯示部分。圖中每一個七段數(shù)碼管均對應一個排阻（REP 和 RP），這是由于 80C51 的帶負載能力不強，排阻用于作上拉電阻以增大電流，易于驅動發(fā)光二極管。每一個數(shù)碼管還對應接有一個 74ls373，用于鎖存需要數(shù)碼管顯示的數(shù)字段碼，從 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 19 頁 共 63 頁而實現(xiàn)靜態(tài)顯示，

55、其中 373 的 OE 端直接接地，而其片選端 CE 用于做地址線決定哪個數(shù)碼管選通。3.3 驅動電路本文對無刷電動機的控制采用三相全橋電路，二二導通六狀態(tài)導通方式，使用了6 個 N 溝道功率 MOSFET 管 SMP60N06 構成三相橋式逆變器。（見圖 3-8）由于80C51 帶載能力弱，輸出電流小，故用 IR2101 驅動控制功率管的通斷。IR2101 是雙通道、柵極驅動、高壓高速功率驅動器，該器件采用了高度集成的電平轉換技術，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，同時提高了驅動電路的可靠性。同時上管采用外部自舉電容上電，使驅動電源數(shù)目較其他 IC 驅動大大減少，在工程上減少了控制變壓

56、器體積和電源數(shù)目，降低了產(chǎn)品成本，提高了系統(tǒng)可靠性。 IR2101 采用 HVIC 和閂鎖抗干擾制造工藝，集成 DIP、SOIC 封裝。其主要特性包括：懸浮通道電源采用自舉電路；功率器件柵極驅動電壓范圍 1020 V；邏輯電源范圍 520 V，而且邏輯電源地和功率地之間允許+5 V 的偏移量；帶有下拉電阻的CNOS 施密特輸入端，方便與 LSTTL 和 CMOS 電平匹配；獨立的低端和高端輸入通道。IR2101 的內(nèi)部結構框圖如圖 3-7 所示。 圖 3-7 IR2101 的內(nèi)部結構框圖 HIN 為邏輯輸入高；LIN 為邏輯輸入低；VB 為高端浮動供應；HO 為高邊柵極驅動器輸出；Vs 為高端

57、浮動供應返回；Voc 為電源；LO 為低邊柵極驅動器輸出；COM為公共端。 圖 3-9 為一橋臂 IR2101 的接法。D2 是快恢復二極管 BYT30，C4 為自舉電容,選取C4 的電容值為 2.2uf。無刷直流電動機的控制與仿真第 63 頁 共 63 頁 圖 3-8 三相全橋逆變器 圖 3-9 IR2101 接法3.4 轉速檢測電路轉速檢測電路采用逐次比較型 12 位 A/D 轉換器 AD1674，采用雙極性輸入方式，由于輸入電壓范圍為+10V-10V 所以在無刷電動機的 omega 輸出端接滑動變阻器分壓。AD1674 是美國 AD 公司生產(chǎn)的 12 位逐次比較型 A/D 轉換器。轉換時

58、間為 10s，單通道最大采集速率 100kHz。由于芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與各種典型的8 位或 16 位的單片機相連，AD1674 片內(nèi)集成有高精度的基準電壓源和時鐘電路，從而使該芯片在不需要任何外加電路和時鐘信號的情況下完成 A/D 轉換且采用并行輸出，使用非常方便。AD1674 的主要特點包括：具有可控三態(tài)輸出緩沖器；12 位數(shù)據(jù)可以在一個讀周期中輸出，也可分在兩個周期中依次輸出；內(nèi)置 10V 的電壓基準源；內(nèi)置時鐘電路，無需外部時鐘；可實現(xiàn)單極性模擬量輸人，也可實現(xiàn)雙極性模擬量輸入； 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 21 頁 共 63 頁內(nèi)置采樣保持電路，支持轉換器的整個

59、耐奎斯特帶寬。采樣保持器對用戶是透明的，無需查詢其等待狀態(tài)。 AD1674 有兩種工作模式，一是完全控制模式，一是獨立工作模式。在完全控制模式下，使用了所有的控制信號，該模式用于當系統(tǒng)中地址總線上掛接有多個設備的情況。獨立工作模式用于系統(tǒng)中有專門的輸人端口，無需全部的總線接口功能。雙極性輸入時，輸出的轉換結果 D 與模擬輸入電壓 VIN 之間的關系為：VFS / VIN+1 2048=D或，式中 VFS 為基準電壓。 /2VFS1-2048 / DVIN圖 3-10 轉速檢測部分AD1674 的 STS 是 A/D 轉換器的工作狀態(tài)指示信號，一旦啟動 A/D 轉換，STS 變?yōu)楦唠娖?，當轉換結

60、束，STS 變?yōu)榈碗娖絾纹瑱C既可以用中斷方式也可以用查詢方式判斷 AD1674 的工作狀態(tài)。3.5 直流無刷電動機的 Proteus 仿真模型 BLDC 電動機的 Proteus 仿真模型是在根據(jù)直流電動機模型的基礎上建立起來的，該模型具有三個霍爾傳感器，它們的作用是來轉子位置的檢測。設計的時候在元器件庫中選擇的是 BLDC-STAR 即星型連接的無刷電動機，這個三相星型連接方式的無刷直流電動機有 8 個引腳。Load 是仿真負載的輸入端，omega 是轉子角速率的輸出端，a、b、c 是線圈的輸入端。sa、sb、sc 是霍爾傳感器的輸出端。loadabcsasbscomegaM2BLDC-ST