基于STM32的直流無刷無感電機的控制系統(tǒng)研究

1、 南 陽 理 工 學(xué) 院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 學(xué) 院 ： 電子與電氣工程學(xué)院專 業(yè) ： 電子信息工程學(xué) 生 ： 指導(dǎo)教師 ： 薛曉 完成日期 2014 年 5 月南陽理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）直流無刷電機的控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation總 計： 21 頁表 格： 2 個插 圖： 27 幅 南 陽 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 直流無刷電機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)Design of Brushless DC Motor Controller and Implementati

2、on 學(xué) 院（系）： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師（職稱）： 薛曉（講師） 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 南陽理工學(xué)院 Nanyang Institute of Technology直流無刷電機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)電子信息工程專業(yè) 摘 要 直流無刷無感直流電機具有體積小、調(diào)速性能好、重量輕、效率高等優(yōu)點，目前在很多領(lǐng)域得到了的應(yīng)用。本課題設(shè)計的是無刷無感直流電機的控制，包括無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)和無刷無感直流電機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)學(xué)模型等理論進行了分析和論述，為直流電機的控制提供理論依據(jù)。用matlab guide設(shè)

3、計了上位機界面來進行PID參數(shù)的整定。本課題設(shè)計了直流無刷電機的控制系統(tǒng)并進行了調(diào)試。用STM32進行控制。實驗結(jié)果表明設(shè)計的轉(zhuǎn)子位置檢測可以很好的檢測電機的反電勢過零點信號，進而保證電機的正確換相和穩(wěn)定運行。整個系統(tǒng)可以控制無刷無感直流電機順利啟動，并通過滑動變阻器實現(xiàn)電機的調(diào)速。關(guān)鍵詞 無刷直流電機；電機驅(qū)動；換相；反電勢Design of Brushless DC Motor Controller and ImplementationElectronic Information Engineering Specialty Abstract: The brushless DC motors

4、 have the advantage of small,good debugging performance,low weight,and high efficiency. So it has been widely used now. And this restricts the industrial drive applications,After the attachment with sensorless control. This paper mainly reserches the sensorless control technology for BLDCM,designs a

5、nd control BLDCM without position sensor. I use MATLAB guide to debug PID parameter.designing a controller of brushless DC motor and do some experiments for this control system. I use the STM32 MCU as the core microprocessor of hardware system.The results of the experiment show that the rotor positi

6、on detection system can perfectly detect the location of back-EMF zero-crossing signal,and ensuring the correct motor commutation and stable operation.The whole control system can control the brushless DC motor stating smoothly,and use the Sliding rheostat to achieve speed control. Key words：Brushle

7、ss dc motor； motor drive；commutation; back-emf目 錄1 引言11.1 題目綜述11.2 國內(nèi)外研究狀況11.3 課題設(shè)計的主要內(nèi)容12 系統(tǒng)設(shè)計目標和設(shè)計方案22.1系統(tǒng)設(shè)計目標22.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖的設(shè)計22.3硬件系統(tǒng)方案論證32.3.1 控制器芯片選型32.3.2 無刷直流電機的選型32.3.3驅(qū)動電路的選型42.3.4位置檢測器件選型43控制系統(tǒng)的工作原理和硬件設(shè)計53.1直流無刷電機的工作原理53.2無刷電機的反電勢法位置檢測原理63.3電源模塊63.4 MCU控制模塊73.5 IPM功率模塊83.6反電勢位置檢測模塊103.7 隔

8、離電路設(shè)計103.8 速度改變電路設(shè)計114 系統(tǒng)軟件設(shè)計114.1軟件總體設(shè)計114.2軟件總體設(shè)計流程圖124.3無刷無感直流電機開環(huán)啟動模塊124.4無刷直流電機位置檢測及電機轉(zhuǎn)速模塊134.5 AD采樣改變PWM占空比模塊144.6 PID計算模塊144.7 matlab gui 串行通信界面設(shè)計155直流無刷無感電機測試結(jié)果及結(jié)果分析165.1 H_PWM_L_PWM的波形165.2端電壓對地波形165.3位置檢測波形175.4電流波形175.5實物圖18結(jié)束語19參考文獻20致謝211 引言1.1 題目綜述 直流無刷電機是在有刷直流電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它不僅保留了有刷直流電機良

9、好的調(diào)試性能，而且還克服了有刷直流電機機械換相帶來的火花、噪聲、無線電干擾、壽命短及制造成本高和維修困難等等的缺點。與其它種類的電機相比它具有鮮明的特征：低噪聲、體積小、散熱性能好、調(diào)試性能好、控制靈活、高效率、長壽命等一系列優(yōu)點?；谶@么多的優(yōu)點無刷直流電機有了廣泛的應(yīng)用。比如電動汽車的核心驅(qū)動部件、電動車門、汽車空調(diào)、雨刮刷、安全氣囊；家用電器中的DVD、VCD、空調(diào)和冰箱的壓縮機、洗衣機；辦公領(lǐng)域的傳真機、復(fù)印機、碎紙機等；工業(yè)領(lǐng)域的紡織機械、醫(yī)療、印刷機和數(shù)控機床等行業(yè)；水下機器人等等諸多應(yīng)用1。1.2 國內(nèi)外研究狀況目前，國內(nèi)無刷直流電機的控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，我國已經(jīng)制定了GJB1

10、863無刷直流電機通用規(guī)范。外國的一些技術(shù)和中國的一些技術(shù)大體相當，美國和日本的相對比較先進。當新型功率半導(dǎo)體器件：GTR、MOSFET、IGBT等的出現(xiàn)，以及釹鐵硼、釤鈷等高性能永磁材料的出現(xiàn)，都為直流電機的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。近些年來，計算機和控制技術(shù)快速發(fā)展。單片機、DSP、FPGA、CPLD等控制器被應(yīng)用到了直流電機控制系統(tǒng)中，一些先進控制技術(shù)也同時被應(yīng)用了到無刷直流電機控制系統(tǒng)中，這些發(fā)展都為直流電機的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。經(jīng)過這么多年的發(fā)展，我國對無刷電機的控制已經(jīng)有了很大的提高，但是與國外的技術(shù)相比還是相差很遠，需要繼續(xù)努力。所以對無刷直流電機控制系統(tǒng)的研究學(xué)習(xí)仍是國內(nèi)的重要研

11、究內(nèi)容2。1.3 課題設(shè)計的主要內(nèi)容本文以永磁方波無刷直流電機為控制對象，主要學(xué)習(xí)了電機的位置檢測技術(shù)、電機的啟動方法、調(diào)速控制策略等。選定合適的方案，設(shè)計硬件電路并編寫程序調(diào)試，最終設(shè)計了一套無位置傳感器的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)。本課題涉及的技術(shù)概括如下：（1）學(xué)習(xí)直流無刷電機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)學(xué)模型等是學(xué)習(xí)電機的前提和首要內(nèi)容。（2）直流無刷電機的轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)，我選用最常用的反電勢檢測技術(shù)，本文分析了反電勢法的原理，并設(shè)計了反電勢的硬件實電路，進行了焊接與調(diào)試。（3）由于無刷直流電機在靜止或者轉(zhuǎn)速很低的時候，其產(chǎn)生的反電勢為零或者很小很不容易檢測到，因此直流無刷電機的啟動是一個難點

12、。（4）分析了速度換的單閉環(huán)控制策略，并用matlab guide設(shè)計了上位機界面來實現(xiàn)PID參數(shù)的實時整定。（5）在確定無刷直流電機控制系統(tǒng)的硬件總體方案時，經(jīng)過對比選擇STM32芯片，選智能功率模塊FSBB30CH60C為驅(qū)動芯片，并設(shè)計了無刷直流電機控制驅(qū)動電路、反電勢轉(zhuǎn)子位置檢測電路及電流電壓采樣電路等。（6）最后對整套控制系統(tǒng)進行了實驗調(diào)試，包括軟、硬件的調(diào)試，并對調(diào)試結(jié)果進行了分析。2 系統(tǒng)設(shè)計目標和設(shè)計方案2.1系統(tǒng)設(shè)計目標直流無刷電機因為調(diào)試性能好、低噪聲、體積小、控制靈活、高效率、散熱性能好、壽命長等一系列的優(yōu)點，本課題設(shè)計目標如下：（1）能夠驅(qū)動直流無刷電機的運轉(zhuǎn)并有電路保

13、護以免器件燒壞。（2）能夠?qū)崟r準確的檢測到直流無刷電機轉(zhuǎn)子的位置。（3）能夠?qū)崿F(xiàn)對電機啟動和停止的控制。（4）能夠通過滑動變阻器來實現(xiàn)直流無刷電機的無極調(diào)速。（5）電路具有電流、電壓保護，以免對電路產(chǎn)生不良影響。2.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖的設(shè)計直流無刷無感電機的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能：能夠準確實時的檢測到無刷直流電機轉(zhuǎn)子的位置、能夠用三段式技術(shù)使電機能夠很好的啟動、PID調(diào)節(jié)技術(shù)、速度環(huán)的控制、電壓保護、電流保護等主要關(guān)鍵的控制技術(shù)。電機調(diào)速原理框圖如下圖1所示。圖1 電機調(diào)速原理框圖2.3硬件系統(tǒng)方案論證為了能夠?qū)崿F(xiàn)無刷直流電機的可靠運轉(zhuǎn)、無極調(diào)速等一系列的優(yōu)點，需要選擇合適的元器件來滿

14、足本課題設(shè)計的需求。2.3.1 控制器芯片選型對直流無刷電機控制所用微處理器的選型要重點考慮以下幾個方面：（1） 微處理器的運行頻率和運算速度得滿足控制系統(tǒng)要求 （2）微處理器片內(nèi)資源是否足夠，主要是I/O口的數(shù)量和電平兼容性、A/D路數(shù)及位數(shù)。（3）微處理器的體積、工作溫度等是否滿足系統(tǒng)要求。（4）微處理器的可靠性、生產(chǎn)廠商、數(shù)量和價格、上市時間等因素也需要考慮，這關(guān)系到產(chǎn)品的后續(xù)更新?lián)Q代，以及采用該處理器開發(fā)的難易程度?；贏RM Corte-M3內(nèi)核32位單片機STM32，時鐘頻率最大可達72MHZ，在數(shù)字處理上經(jīng)過了優(yōu)化，所以本設(shè)計選用STM32F103ZET6單片機。2.3.2 無刷

15、直流電機的選型在選用直流無刷電機的時候，必須根據(jù)它的參數(shù)來判斷其驅(qū)動電路，無刷電機的參數(shù)如表1所示： 表1 無刷直流電機的參數(shù)外轉(zhuǎn)無刷電機KV最大效率電流無負載流/10v最大電流最大效率y軸徑（mm）重量電阻尺寸（mm）A2212/13KV1000410A0.5A12A/60s80%3.1747g90m27.5*30新西達無刷電機/2212KV1000 如圖2。圖2 直流無刷電機2.3.3驅(qū)動電路的選型智能功率模塊選擇的是FSBB30CH60C，它把驅(qū)動電路和開關(guān)電路集成在了一起，內(nèi)部有欠壓、過壓、過流故障檢測電路，CPU可以進行實時的檢測。還包括三個HVIC、一個LVIC(門極驅(qū)動低壓集成電

16、路)、六個先進技術(shù)的IGBT、六個FRD。智能功率模塊的元器件圖如圖3所示。圖3 智能功率模塊2.3.4位置檢測器件選型反電勢過零點檢測原理是模擬中性點和端電壓的值相等得到，由STM32端口和連接霍爾傳感器接口的關(guān)系，需用三路比較電路，LM339N由四路比較電路組成，可選用LM339N 比較電路實現(xiàn)。LM339N內(nèi)部框圖如圖4所示：圖4 比較器LM339N 3控制系統(tǒng)的工作原理和硬件設(shè)計3.1直流無刷電機的工作原理 本設(shè)計選用的電機類型為三相星型連接?？刂破鳟a(chǎn)生六路PWM波控制驅(qū)動電路，位置檢測用的反電勢過零點技術(shù)。工作原理如圖5所示。圖5 直流電機工作原理圖在圖5中，當轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)到（a）時

17、，反電勢過零信號延時30°電角度后，輸出的信號送往單片機，單片機輸出信號讓T1、T6 導(dǎo)通。這時電流從電源正極流出，經(jīng)T1流往A相繞組，再由B相繞組流出，經(jīng)T6回到電源的負極，此時由于定子和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使電機的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60電角度，即到（b）時，反電勢過零信號延時30°電角度后，輸出的信號送往單片機，單片機讓T1、T2導(dǎo)通，這時電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流往A相繞組，再由C相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負極。此時由于定子和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使電機的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動。同樣按照這個方式，電機可以順利的轉(zhuǎn)動起來。電機有六種磁狀態(tài)，每種狀態(tài)導(dǎo)通120度，每

18、次由兩相導(dǎo)通，無刷電機就是兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)的工作方式3。3.2無刷電機的反電勢法位置檢測原理觀察轉(zhuǎn)子位置和反電勢之間的關(guān)系如圖6所示，轉(zhuǎn)子狀態(tài)由a)變?yōu)閎)過程中反電勢波形和轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系，反電勢波形為B相繞組的反電勢，當轉(zhuǎn)子由a）初始狀態(tài)轉(zhuǎn)過30°電角度時，轉(zhuǎn)子的磁場方向正好和B相繞組軸線重合，不切割B相繞組導(dǎo)線，此時B相繞組的反電勢正好為零。由圖可知，由b)到c)要進行換相動作，因此可利用反電勢過零點確定轉(zhuǎn)子的位置，進而控制電機的換相，這就是直流無刷無感電機反電勢檢測及控制換相的原理4。 圖6 電機反電勢位置檢測圖3.3電源模塊 由于STM32F103所需供電電壓是3.

19、3V，圖7是把5V轉(zhuǎn)換成3.3V電壓的電路。圖7 STM32103的供電電源3.4 MCU控制模塊MCU主控電路是整個無刷直流電機控制系統(tǒng)的控制中心，負責(zé)控制逆變器六個橋臂的通斷、采集電壓、采集電流、檢測直流無刷無感電機的位置（電機的反電勢檢測）、PID的運算、無刷直流電機啟動的控制、JTAG調(diào)試下載等。STM32最小系統(tǒng)由STM32F103芯片、復(fù)位電路、晶振電路和JTAG接口電路組成（1）STM32F103芯片電路如圖8所示： 圖8 STM32芯片（2）復(fù)位電路和晶振電路 STM32有兩個外部晶振電路和兩個內(nèi)部晶振電路。兩個內(nèi)部晶振電路需要程序配置編程即可，但外部的晶振電路需要晶振電路元器

20、件搭建而成。如圖所示的32.768K和8M的晶振電路。 晶振和復(fù)位電路如圖9所示。 圖9 晶振和復(fù)位電路（3）JTAG接口電路JTAG接口電路實現(xiàn)了程序下載及程序的在線調(diào)試仿真，使用它可以方便調(diào)試程序，縮短了開發(fā)周期。由于STM32F103ZET6的JTAG輸入引腳內(nèi)部嵌入了上拉或下拉電阻，因而可以直接連接電路到芯片相應(yīng)引腳。JTAG接口電路如圖10所示。圖10 JTAG 接口電路（4）USB接口電路 這里的USB單純的是供電用的。如圖11所示：圖11 USB接口電路3.5 IPM功率模塊（1）MUC-IPM驅(qū)動信號接口電路FSBB30CH60C內(nèi)置HVIC，無需光耦就可以用MCU驅(qū)動IPM的

21、六個橋臂。STM32的高級定時器TIM1功能強大，利用COM事件控制產(chǎn)生6路H_PWM_L_PWM的換相。這6個控制橋臂引腳要和STM32的PE8、PE9、PE10、PE11、PE12、PE13、PE15相連。驅(qū)動信號接口電路如圖12所示。圖12 MUC-IPM驅(qū)動信號接口電路（2）短路電流保護電路 IPM具有內(nèi)置短路電流保護的功能，要在芯片引腳Csc上外加一個分流電阻。IPM檢測Csc管腳的電壓，當電壓超過模塊指定的Vsc（0.5V）時，IPM產(chǎn)生一個故障信號IPM通過電阻R16來檢測N惻電流環(huán)節(jié)的線路電流，這里設(shè)定瞬時電流保護值為30A，檢測電阻R16選取阻值為10m，功率為10W的無感電

22、阻。R32、C40構(gòu)成濾波電路。另外檢測電阻R16需要并聯(lián)一個小電容，作用是消除上電瞬時大電流導(dǎo)致的電流保護誤動作。（3）故障輸出報警電路C38為0.22uf的高頻無感電容，作用是防止浪涌電流破壞，Vof是IPM故障輸出報警引腳。TIM1_BKIN引腳是剎車功能引腳，和此處的Vfo引腳相連，在IPM出現(xiàn)故障時通過此腳輸出低電平到STM32,配合TIM1剎車功能可以實現(xiàn)系統(tǒng)保護功能。所加的電容C18是用來消除噪聲干擾，確保出現(xiàn)故障時及時報警。故障輸出信號脈寬是有引腳Cfod的外接電容C24決定的，具體計算公式是t=C24/()，這里通常選取C24為33nF,此時t=1.8ms。3.6反電勢位置檢

23、測模塊反電勢位置檢測電路如圖13所示。這里選用響應(yīng)時間為1.3us的LM339芯片。定子三相繞組端電壓A、B、C經(jīng)濾波和分壓電路，送到比較器LM339N的輸入端，與參考電壓比較，獲得各相反電勢的過零點。反電勢過零點延時30°電角度后的信號用于電機的換相，進而去控制電機的轉(zhuǎn)動。圖13 反電勢位置檢測電路圖3.7 隔離電路設(shè)計為了提高系統(tǒng)安全性，采用光耦設(shè)計隔離電路，這里選用BL817如下圖14所示。圖14 光耦電路在選用光耦時要注意兩點：第一是光耦的開關(guān)速度是否滿足系統(tǒng)的要求。第二是光耦的信號驅(qū)動類型。由于這里的位置檢測接入的單片機端口是TIM2_CH1、TIM2_CH2、TIM2_C

24、H3通道。由于反電勢經(jīng)過比較電路以后，可能會有大于單片機所能承受的電壓，所以最好用隔離電路來保護單片機。這里選用三片BL817來實現(xiàn)電路的功能。 3.8 速度改變電路設(shè)計速度改變電路選用的是滑動變阻器，通過改變滑動變阻器的阻值從而改變AD的輸入值，并通過與反饋回的電機速度他們之間的關(guān)系，通過PID整定后的輸出來控制PWM的占空比進而達到改變電機運轉(zhuǎn)速度的功能。速度改變電路如圖15所示。 圖15 速度改變電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1軟件總體設(shè)計本文設(shè)計的BLDCM控制器的特點是控制系統(tǒng)的軟件化，系統(tǒng)的許多功能都是在硬件的基礎(chǔ)上依靠軟件來實現(xiàn)的。它們包括：無位置傳感器下的三段式啟動；基于STM32高

25、級定時器的三相六路互補的PWM輸出；依賴無位置檢測電路反電勢檢測后的電機換相；利用STM32的AD來轉(zhuǎn)換計算采樣電壓值；電機的轉(zhuǎn)速計算；電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)等。軟件的可靠性將直接影響整個控制系統(tǒng)的性能。軟件系統(tǒng)的設(shè)計是分模塊進行設(shè)計，包括直流無刷電機的啟動、PWM換相，轉(zhuǎn)子速度的計算，PID算法的實現(xiàn)等，軟件的結(jié)構(gòu)圖如圖16所示：圖16 軟件的總體框圖架構(gòu)4.2軟件總體設(shè)計流程圖 這部分是直流無刷無感電機的總體流程框圖，是總體程序的大體結(jié)構(gòu)模式，如圖17所示。 圖17 軟件總體流程圖4.3無刷無感直流電機開環(huán)啟動模塊本文運用了傳統(tǒng)的三段式電機啟動技術(shù)5，當反電勢達到一定的值時再切換至電機的自控狀態(tài)。

26、 (1) 轉(zhuǎn)子定位：由程序控制任意兩相導(dǎo)通一段時間，此時電機定子合成的磁勢軸線在空間就會有一個方向并把轉(zhuǎn)子磁極拖到與其重合的位置上，這個過程就是轉(zhuǎn)子的預(yù)定位過程。通常轉(zhuǎn)子定位導(dǎo)通電機任意兩相一定時間方式，但是這種方式容易造成定位失敗。為了克服這種可能的電磁轉(zhuǎn)矩為零的情況，我們采用兩次定位的放法解決。（2）開環(huán)加速：按照電機旋轉(zhuǎn)的方向，按照六步PWM的換相順序，每隔一定的延時進行一次換相動作，強行使電機的轉(zhuǎn)子按照設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)起來。在這里用升頻升壓法來實現(xiàn)開環(huán)加速，即換相信號頻率逐漸加大，并且增大外施電壓使電機加速，稱為升頻升壓法。 (3) 當開環(huán)換相過程持續(xù)大約30個周期后

27、，電機的轉(zhuǎn)速達到一定的值，反電動勢也能夠檢測的到了，此刻就可以進入閉環(huán)控制系統(tǒng)。依據(jù)以上原理三段式開環(huán)啟動的流程框圖如圖18所示。 圖18 開環(huán)三段式啟動4.4無刷直流電機位置檢測及電機轉(zhuǎn)速模塊 在直流無刷電機控制體系中，要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息進行換相，也要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息計算轉(zhuǎn)速。本課題位置檢測用的是反電勢位置檢測技術(shù)，用的比較器來判斷電機轉(zhuǎn)子的位置，從而控制電機的進一步轉(zhuǎn)動6。它的流程圖如圖19所示。 圖19 直流無刷電機位機檢測圖 4.5 AD采樣改變PWM占空比模塊AD模塊采用的滑動變阻器來改變PWM的占空比，并采用了平均濾波技術(shù)，PWM脈寬調(diào)整模塊根據(jù)轉(zhuǎn)速的給定值設(shè)置PWM波的脈寬,從而

28、控制電轉(zhuǎn)速7。如圖20所示。 圖20 AD采樣改變PWM占空比4.6 PID計算模塊模擬PID控制原理如圖21示，整個控制系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。PID控制系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)設(shè)定值rin(t)和實際輸出值yout(t)構(gòu)成控制偏差e(t)=yout(t)-rin(t)完成.利用PID控制系統(tǒng)對偏差進行處理得到控制量u(t),然后再利用這個控制量去控制被控對象，其中u(t)的計算公式為： （1）Kp：比例常數(shù)，Ti：積分常數(shù)，Td：差分常數(shù)。圖21 模擬PID控制原理圖 PID控制系統(tǒng)中，三個控制量所起的作用分別是：P控制將誤差固定比例修正。I控制將誤差取時間的積分。D控制將誤差

29、進行微分防止被控量的嚴重超調(diào)。從公式中推出增量式PID控制算法為：= 下面是增量PID算法，程序設(shè)計中用的最常用的增量PID算法8： （2） 4.7 matlab gui 串行通信界面設(shè)計 為了更好調(diào)節(jié)PID,設(shè)計matlab gui界面，能夠很方便的調(diào)節(jié)PID。界面如圖22： 圖22 PID參數(shù)整定界面5直流無刷無感電機測試結(jié)果及結(jié)果分析5.1 H_PWM_L_PWM的波形直流無刷電機的驅(qū)動波形有很多種方式可以選擇，比如：PWM_ON調(diào)制、ON_PWM調(diào)制、H_PWM_L_ON調(diào)制、H_ON_L_PWM調(diào)制、H_PWM_L_PWM調(diào)制。我選用的是H_PWM_L_PWM調(diào)制方式9，圖23是六路

30、PWM的其中兩路，其他的幾路基本都一樣，用來控制直流無刷電機的順利運轉(zhuǎn)。圖23 H_PWM_L_PWM波形5.2端電壓對地波形 圖24是電機對地的電壓波形，和原理的很接近，也算理想。圖24 端電壓對地波形5.3位置檢測波形電機的位置檢測波形圖如下所示，它是通過模擬中性點10得到的，經(jīng)過光耦隔離輸入到單片機的霍爾接口，通過判斷單片機接口的電平來驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)步伐，單片機接口電平如表2所示。圖25為位置檢測的波形雖然有點毛刺，但經(jīng)過單片機內(nèi)部的軟件濾波，仍然能夠好的識別電機轉(zhuǎn)子的位置，并進行電機的換相。 圖25 位置檢測波形表 2 位置檢測電平PA6PA7PB0十六進制0010x010110x03

31、0100x021100x061000x041010x055.4電流波形直流無刷電機剛啟動時的電流非常大，此時容易燒壞電機，因此要加保護電路，驅(qū)動電路也要有足夠的電流驅(qū)動能力，否則電機轉(zhuǎn)不起來。示波器觀察的波形如何下圖26所示，符合電機啟動的原理電流波形11。圖26 電流波形圖5.5實物圖 圖27是動手焊的電路板，是直流無刷電機的驅(qū)動電路板，驅(qū)動電路用的集成模塊IPM構(gòu)成。該電路很好的實現(xiàn)了無刷電機的啟動、停止及轉(zhuǎn)速控制能功能。達到了預(yù)期效果。 圖27 實物圖結(jié)束語近年來，隨著電機技術(shù)和其相關(guān)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得無刷直流電機在工控等很多領(lǐng)域得到了及其廣泛的應(yīng)用。我這次以無刷直流電機為設(shè)計對象

32、，對無刷直流電機控制系統(tǒng)進行了相對較為深入的學(xué)習(xí)，主要對以下幾方面的內(nèi)容進行了學(xué)習(xí)：（1）學(xué)習(xí)了電機的理論控制技術(shù)12。（2）查找了一些電機控制13的書籍。（3）分析了常用的無刷直流電機位置控制方法及反電勢過零點檢測原理14。（4）對電極控制算法進行了研究，重點闡述了速度環(huán)控制策略的原理15。（5）設(shè)計硬件電路，設(shè)計了以IPM為核心的功率逆變電路，并設(shè)計了反電勢過零點檢測電路。（6）編寫程控制系統(tǒng)軟件16，對整套控制系統(tǒng)進行了調(diào)試。本文設(shè)計的無刷直流電機，雖然取得了一點小小的成果。但由于本人水平很有限，期待以后進一步的深入研究。需要進行改進的問題如下：（1）本課題設(shè)計位置檢測方法用的是反電勢法，雖然該方法簡單可靠，但它的理論前提是在忽略電樞反應(yīng)的理想條件下建立的，因此在實際應(yīng)用中必定存在誤差，所以以后要改進。（2）無刷直流電機的啟動用的是三段式，這個方法在電機空載或者輕負載情況下，啟動效果較好，成功率相對較高。但在電機重載時，啟動效果較差，所以以后要改進。（3） 控制策略和控制算法的改進。本課題用的是最需常見的速度環(huán)控制策略，而怎樣將智能控制實際應(yīng)用到無刷直流電機控制系統(tǒng)中還是分析的難點，以后要對此進一步學(xué)習(xí)。（4）轉(zhuǎn)矩脈動是無刷直流電機存在的一個影響很大的問題，以后要改善進而減小轉(zhuǎn)矩脈動的影響。參考文獻1 許大中,賀益康.電機控制M.杭州:浙江