單片機無刷直流電動機控制系統(tǒng)的研究

1、國央衛(wèi)一一壓姿料技太肇學(xué)位論文題÷女主苧墊墨型皇墮墮壁墊絲型墨些墮塹塞墅堅業(yè)業(yè)型！苧！旦鹽塑盟壁型型魚壁塑旦些墮塑一研究生姓名：導(dǎo)師姓名、職稱：申請學(xué)位級別：學(xué)科、專業(yè)：。生一生堡墨型莖些碩士電力電子與電力持動學(xué)位授予單位：墨童壁墊壟芏年門：論文題目：單片機無刷直流電動機控制系統(tǒng)的研究專業(yè)：電力電子與電力傳動研究生：王俠（簽名）堿指導(dǎo)教師：張建軍（簽名）摘要無刷直流電動機是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型電機，它利用電子換相代替機械挾相，既具有直流電動機的調(diào)速性能，又具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點。如今，利用單片機為核心設(shè)計的直流無刷電機控制系統(tǒng)，由于其固有的結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)

2、速范圍寬、低噪聲、高功率密度、啟動扭矩大、壽命長等特點，在日常生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。論文以永磁無刷直流電動機的數(shù)學(xué)模型為理論基礎(chǔ)，研究了無刷直流電動機的基本組成、基本工作原理、運行特性，傳遞函數(shù)；結(jié)合單片機，提出了以電流環(huán)和速度環(huán)組成的雙閉環(huán)全數(shù)字無刷直流電動機控制方案，并根據(jù)方案進(jìn)行了硬件電路和系統(tǒng)軟件的設(shè)計。在硬件電路設(shè)計中，提出了檢測方案和調(diào)節(jié)方案。重點討論了在調(diào)節(jié)方案，為了克服經(jīng)典算法中參數(shù)不易確定的問題，提出了模糊控制方案。通過建立的電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)模型。仿真結(jié)果表明該模型的輸出波形與理論分析完全吻合。采用該仿真模型可以靈活地實現(xiàn)各種控制算法，能有效地節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計周期，加

3、快實際系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試的進(jìn)程，因此為分析和設(shè)計直流無刷電機控制系統(tǒng)提供了一個理想試驗平臺。設(shè)計結(jié)果表明，采用單片機和集成驅(qū)動器的無刷直流電動機控制系統(tǒng)硬件電路簡單，實用，經(jīng)濟性好。實驗結(jié)果證明，該設(shè)計方案合理，工作穩(wěn)定，具有較高的性能指標(biāo)。關(guān)鍵詞：無刷直流電動機；單片機；模糊控制研究類型：應(yīng)用研究：（）盟！塑（）：（）岫舡岍，圮址，、耐，黜，伽，：西妻料技大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性說明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及其取得研究成果盡我所知，除了文中加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得西安科技大學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)

4、位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名：勺城日期：鉚？紅學(xué)位論文知識產(chǎn)權(quán)聲明書本人完全了解學(xué)校有關(guān)保護知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬于西安科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版。本人允許論文被查閱和借閱。學(xué)?？梢詫⒈緦W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。同時本人保證，畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位論文研究課題再撰寫的文章一律注明作者單位為西安科技大學(xué)。保密論文待解密后適用本聲明。學(xué)位論文作者簽名；刁

5、諺緒論緒論研究背景及意義在電氣時代的今天，電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備中，還是在日常生活中的家用電器中，都大量地使用著各種各樣的電動機。據(jù)資料統(tǒng)計，現(xiàn)在有以上的動力源來自于電動機我國生產(chǎn)的電能大約有用于電動機?？梢?，電動機與人們的生活息息相關(guān)、密不可分。由于直流電動機具有非常優(yōu)秀的線性機械特性、寬的調(diào)速范圍、大的啟動轉(zhuǎn)矩、簡單的控制電路等優(yōu)點，長期以來一直廣泛地應(yīng)用在各種驅(qū)動裝置和伺服系統(tǒng)中。但是，直流電動機的電刷和換向器卻成為阻礙它發(fā)展的障礙，機械電刷和換向器因強迫性接觸，造成它結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差，

6、并且機械換相裝置易產(chǎn)生火化、電磁干擾、不適用惡劣環(huán)境以及需要定期維護等不足，嚴(yán)重影響了直流電動機的調(diào)速精度和性能。因此，長期以來人們一直在尋找一種不用電刷和換向器的直流電動機。隨著電子技術(shù)、功率元件技術(shù)和高性能的磁性材料制造技術(shù)的飛速發(fā)展，這種想法已成為現(xiàn)實。無刷直流電動機利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器，因此，使這種電動機不僅保留了直流電動機的優(yōu)點，而且又具有交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，使它一經(jīng)出現(xiàn)就以極快的速度發(fā)展和普及。近年來，電動機的控制部分已由模擬控制逐漸讓位于以單片機為主的微處理器控制。在選擇單片機的過程中，過去很多學(xué)者認(rèn)為位單片機不適合作為電機控制器，

7、而轉(zhuǎn)向使用位單片機。但是由于現(xiàn)代位單片機的功能和速度都與位單片機不相上下，而且價格便宜，易于與占多數(shù)的位芯片接口，同時越來越多的電動機專用集成電路的使用也使單片機減輕了許多沉重的負(fù)擔(dān)。因此，位單片機將會成為普通電動機控制的主流處理器。本文采用的是單片機，進(jìn)行了基于位單片機的無刷直流電動機的控制。此單片機雖然僅有個引腳，但是其內(nèi)部具有口、比較和捕捉功能、轉(zhuǎn)換器等，并還附加有看門狗、各種串行總線接口等功能，他們既可作為普通通用輸入輸出口，又可作為特殊功能端口，比如、定時器輸入輸出及外部事件中斷等。端口最終是普通輸入輸出口，還是特殊功能端口，可通過交叉開關(guān)寄存器配置決定。系統(tǒng)通過軟、硬件的協(xié)調(diào)配合實

8、現(xiàn)全數(shù)字閉環(huán)控制。以往在實現(xiàn)閉環(huán)控制過程中，都采用的是模擬或者數(shù)字，由于操作者經(jīng)驗不易精確描述，控制過程中各種信號量以及評價指標(biāo)不易定量表示，并且參數(shù)不易較滿意調(diào)整，模糊理論是解決這一西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文問題的有效途徑，運用模糊推理，即可實現(xiàn)對參數(shù)的最佳調(diào)型一。無刷直流電動機的特點及發(fā)展歷程無刷直流電動機的特點同其他電動機，如感應(yīng)電動機、永磁同步電動機、有刷直流電動機相比，無刷直流電動機具有非常優(yōu)異的性能，具體如下棚：（）與感應(yīng)電動機相比，無刷直流電動機具有更大的功率密度，更高的效率和更好的控制性能，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：由于采用高性能永磁材料，無刷直流電動機轉(zhuǎn)子體積得以減小，可以具有較

9、低的慣性、更快的響應(yīng)速度、更高的轉(zhuǎn)矩慣量比。由于沒有轉(zhuǎn)子損耗，也無需定子勵磁電流分量，所以無刷直流電動機具有較高的效率和功率密度。對于同等容量輸出，感應(yīng)電動機需要更大功率的整流器和逆變器。由于沒有轉(zhuǎn)子發(fā)熱，無刷直流電動機也無需要考慮轉(zhuǎn)子冷卻問題。盡管感應(yīng)電動機系統(tǒng)應(yīng)用較為普通和成熟，但由于其非線性本質(zhì)，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。永磁同步電動機把交流電動機復(fù)雜的磁場定向控制轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子位置定向控制，而無刷直流電動機則進(jìn)一步將其簡化為離散六狀態(tài)的轉(zhuǎn)子位置控制，也無需坐標(biāo)變換。（）與永磁同步電動機相比，無刷直流電動機也具有明顯的優(yōu)勢：無刷直流電動機采用方波電流供電，可以提供更高的轉(zhuǎn)矩體積比，相同條件下輸出轉(zhuǎn)矩

10、大。在電動機中產(chǎn)生梯形波的磁場分布和梯形波的感應(yīng)電動勢要比正弦波的磁場分布和正弦變化的電動勢簡單，因此無刷直流電動機結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低。對于永磁同步電動機，由于定子電流是轉(zhuǎn)子位置的正弦函數(shù)，系統(tǒng)需要高分辨率的位置傳感器，構(gòu)造復(fù)雜，價格昂貴。產(chǎn)生方波電壓和電流的變頻器比產(chǎn)生正弦波電壓和電流的變頻器簡單，控制也簡單得多，因此無刷直流電動機控制簡單、控制器成本較低。（）由于采用電力電子器件代替機械換向器，無刷直流電動機克服了有刷直流電動機的致命缺點。與有俐直流電動機相比，無刷直流電動機有以下特點：可靠性高，壽命長。它的工作期限主要取決于軸承及其潤滑系統(tǒng)。高性能的無刷直流電動機工作壽命可達(dá)數(shù)十萬小時

11、。而有刷直流電動機壽命一般較短，在高溫環(huán)境下甚至只有幾分鐘。無電氣接觸火花、無線電干擾少，不必經(jīng)常進(jìn)行維護和修理，可工作于高真空、不良介質(zhì)環(huán)境?？稍诟咿D(zhuǎn)速下工作，專門設(shè)計的高速無刷直流電動機的工作轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘緒論萬轉(zhuǎn)以上，并且機械噪聲低。發(fā)熱的繞組安放在定子上，有利于散熱，便于溫度監(jiān)控，易得到更高的功率密度。必須與一定的電子換向線路配套使用，從而使總體成本增加，但從控制的角度看，有更大的使用靈活性。無刷直流電動機發(fā)展歷程一百多年來，電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活之中，電動機主要類型有同步電動機、異步電動機與直流電動機三種，其容量小到幾瓦，大至

12、上萬千瓦。眾所周知，直流電動機具有運行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，但傳統(tǒng)的直流電動機均采用電刷，以及機械方法進(jìn)行換向，因而存在相對的機械摩擦，由此帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，從而無刷直流電動機應(yīng)運而生了網(wǎng)。年，就提出了用整流管代替有刷直流電動機的機械電刷，從而誕生了無刷直流電動機的基本思想。世紀(jì)年代，就有人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，并取得了一定成果。但由于當(dāng)時大功率電力電子器件僅處于初級發(fā)展階段，而無法推廣使用。年，美國哈利森等人首次申請了應(yīng)用晶體管換向代替電動機機械換向器換向的專利，這就是現(xiàn)代無刷直流電動機

13、的雛形。但由于該電動機尚無起動轉(zhuǎn)矩而不能產(chǎn)品化。而后又經(jīng)過人們的多年努力，借助于霍爾元件來實現(xiàn)換向的無刷直流電動機終于在年問世，從而開創(chuàng)了無刷直流電動機的新紀(jì)元。世紀(jì)年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的高性能大功率電力電子器件，如、等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料，如釤鈷、銣鐵硼等的問世，均為無刷直流電動機的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。無刷直流電動機發(fā)展至今已有余年歷史。國外發(fā)達(dá)國家在民用領(lǐng)域推廣，并形成無刷直流電動機及驅(qū)動器件的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)；國內(nèi)研發(fā)和生產(chǎn)的無刷直流電動機品種和數(shù)量不多，主要用于軍工國防設(shè)備。由于它具有的一系列優(yōu)點，近年來在空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、電動自行車及微型風(fēng)機等

14、應(yīng)用，一般是輸出功率不大的微型與特種無刷直流電動機。機械、紡織、印染、冶金、輕工等行業(yè)所需的與小型交流異步電動機功率等級對應(yīng)的永磁無刷直流電動機（功率在一范圍）應(yīng)用才慢慢展開。隨著國際經(jīng)濟一體化趨勢的到來，我國的無刷直流電動機產(chǎn)業(yè)充滿發(fā)展機會【。西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文無刷直流電動機控制專用集成電路隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，各國半導(dǎo)體廠商不斷地推出無刷直流電動機專用控制集成電路，解決了電機和電子電路結(jié)合問題，也有利于控制器的小型化和可靠性的提高。特別是隨著專用控制集成電路的批量生產(chǎn)，價格大幅度下降，解決了妨礙無刷直流電動機向民用領(lǐng)域發(fā)展的高價格問題，使無刷直流電動機的應(yīng)用更方便、更容易推廣普及。隨

15、著電動機應(yīng)用技術(shù)越來越復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計者正在通過利用電動機控制集成電路尋求開發(fā)工作的簡化。使用電動機控制集成化的一個重要因素是使應(yīng)用者容易獲得最佳的硬件軟件解決方案，人們可用最少的開發(fā)時間，就能迅速將其最終產(chǎn)品推向市場銷售。各國電子元件制造商瞄準(zhǔn)無刷直流電動機這一巨大市場，十分重視無刷直流電動機專用控制集成電路芯片的開發(fā)和生產(chǎn)，如美國的國家半導(dǎo)體公司、摩托羅拉公司、德州儀器公司、仙童公司、無線電公司、日本的東芝公司、三洋公司、松下公司、日立公司、三菱公司，還有德國、英國、法國、荷蘭、意大利等國家的公司等【卜。單片機對電動機控制所起的作用及新型單片機的特點單片機對電動機控制所起的作用電動機的控制部

16、分已由模擬控制逐漸讓位于以單片機為主的微處理器控制。微處理器取代模擬電路作為電動機的控制器有如下特點網(wǎng)：（）使電路更簡單模擬電路為了實現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件，使電路復(fù)雜。采用微處理器后，絕大多數(shù)控制邏輯可通過軟件實現(xiàn)。（）可以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制微處理器有更強的邏輯功能，運算速度快、精度高、有大容量的存儲單元，因此有能力實現(xiàn)復(fù)雜的控制，如優(yōu)化控制等。（）靈活性和適應(yīng)性微處理器的控制方式是由軟件完成的。如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只需修改程序即可。在系統(tǒng)調(diào)試和升級時，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。（）無零點漂移，控制精度高數(shù)字控制不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點漂移問

17、題。無論被控量的大或小，都可以保證足夠的控制精度。（）可提供人機界面，多機聯(lián)網(wǎng)工作在電動機的控制中，要用到鍵盤和顯示器作為人機界面?，F(xiàn)在普遍采用單片機作為緒論電動機的控制器，單片機是世界上使用量最大的微處理器。新型單片機的特點單片機產(chǎn)生于世紀(jì)年代。在我國經(jīng)歷了單板機時代和單片機時代。隨著各種各樣的單片機不斷出現(xiàn)，新一代的單片機除具有以往單片機的特點外，并且還具有一些新的發(fā)展趨勢【。（）功能大大增強許多單片機公司將位單片機的性能下移到位單片機，在單片機內(nèi)部增加了口、比較和捕捉功能、轉(zhuǎn)換器等，并增加了看門狗、各種串行總線接口等功能，使新一代的單片機功能更強大?？趶V泛地應(yīng)用在直流電動機控制中。它一經(jīng)

18、初始化設(shè)定后會自動地發(fā)出控制信號，只在需要調(diào)整參數(shù)時才介入。捕捉功能在電動機控制中可用于測頻。它相當(dāng)于在老式單片機中用計數(shù)器與外中斷聯(lián)合測頻功能。在有模擬信號存在的情況下（例如用直流測速發(fā)電機測速，或測量電動機繞組的輸出電壓或電流），如果要將模擬信號輸入單片機，轉(zhuǎn)換器是必不可少的，將轉(zhuǎn)換器集成在單片機內(nèi)，將帶來極大的方便。近年來，單片機的一個重大變化是出現(xiàn)了各種同步串行總線，如總線、，總線。同步串行總線由于使用的信號線少（如使用條信號線，總線只使用條信號線），所以電路占用電路板的面積大大減小。與并行總線相比，其信號受干擾的可能性也小。還有一個最突出的優(yōu)點是單片機可利用的引腳相對增多。這就是同步

19、串行總線風(fēng)靡起來的原因，它大有取代并行總線之勢。在電動機的控制中，要用到鍵盤和顯示器作為人機界面，有時還要用到外接存儲器，這時使用有同步串行總線接口的芯片將會大大減小電路的尺寸，降低成本。（）速度更快速度更快了是新一代單片機的又一個最大特點。用單片機對電動機進(jìn)行實時控制，經(jīng)常采用一些優(yōu)化算法，如數(shù)字控制、數(shù)字濾波等。對于實時性很強的控制，速度低的單片機往往不能勝任。新一代單片機的速度比老式單片機的速度提高了倍多，例如，公司生產(chǎn)的系列位單片機的工作頻率己達(dá)；公司生產(chǎn)的系列位單片機的工作頻率高達(dá)；公司的系列位單片機的工作頻率已達(dá)。單片機速度提高的原因是采用了流水線技術(shù)，執(zhí)行指令與提取指令可同時完成

20、。另外，有些單片機采用了（，）結(jié)構(gòu)技術(shù)，使指令執(zhí)行的速度得到提高，如美國國家半導(dǎo)體公司的系列位單片機、美國公司的系列位單片機。（）小型化和低功耗西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文采用同步串行總線可以減少無用的引腳，另外，由于采用了內(nèi)部存儲器，沒有必要保留外接并行存儲器的引腳，這些都使單片機引腳的數(shù)目可以大大減少。這樣一來，一方面提供了更多的引腳作為口使用，另一方面也可以去掉眾多引腳而使芯片小型化。例如，美國公司推出引腳和引腳的位系列單片機；中國臺灣義隆公司的引腳的位系列單片機；中國武漢力源公司和半導(dǎo)體公司合作生產(chǎn)的引腳的位單片機；美國公司生產(chǎn)的引腳的位單片機。小型化的單片機給用戶提供了低成本、電路尺寸小

21、的選擇。單片機的低電壓和低功耗也是新一代單片機的特色。大多數(shù)單片機都有休眠省電工作方式，一些單片機還采用電壓供電，這些措施都可以減少單片機耗電。這對于移動設(shè)備的電動機控制提供了幫助。例如，數(shù)碼攝像機、便攜式儀器、便攜式視聽設(shè)備、筆記本電腦中的光盤驅(qū)動器和磁盤驅(qū)動器等。本論文主要研究內(nèi)容國內(nèi)在無刷直流電動機控制系統(tǒng)領(lǐng)域理論研究多，而基于單片機實現(xiàn)的系統(tǒng)少，本論文針對這種發(fā)展現(xiàn)狀，將側(cè)重點放在系統(tǒng)的基本實現(xiàn)上，開發(fā)設(shè)計出一套能夠?qū)崿F(xiàn)無刷直流電機控制的完整軟硬件系統(tǒng)。本文的主要內(nèi)容如下：通過對無刷直流電動機的組成和基本工作原理的簡要介紹，分析推導(dǎo)了無刷直流電動機的運行特性及其傳遞函數(shù)，為之后進(jìn)行的的

22、仿真研究、實際系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了有效依據(jù)。對，的微控制器內(nèi)核和片內(nèi)存儲器、端口輸入輸出、片內(nèi)可編程計數(shù)器定時器陣列以及片內(nèi)調(diào)試電路等特性進(jìn)行系統(tǒng)介紹。概括介紹了本系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制總體設(shè)計方案，其中包括相應(yīng)的檢測方案和采用模糊策略對控制器的調(diào)節(jié)方案，并對其設(shè)計方法進(jìn)行了相關(guān)介紹。在硬件設(shè)計過程中，介紹了驅(qū)動王的集成芯片取和電源設(shè)計。采用軟件模塊化實現(xiàn)了無刷直流電動機系統(tǒng)速度、電流的雙閉環(huán)軟件設(shè)計，其中包括轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)和其他環(huán)節(jié)的實現(xiàn)，結(jié)合軟硬件調(diào)試整個電路。無刷直流電動機控制原理無刷直流電動機的組成與交流電動機相比，直流電動機具有運行效率高和調(diào)速性能好等優(yōu)點。但傳統(tǒng)的直流電動機

23、采用電刷一換向器結(jié)構(gòu)，以機械方式進(jìn)行換向，不可避免地存在噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，大大限制了它的應(yīng)用范圍，致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大多采用三相感應(yīng)電動機。那么，能不能既保持直流電動機的優(yōu)良特性，又去掉機械換向裝置呢？無局直流電動機正是在直流電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型電機。無刷直流電動機是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，它是由電動機本體、控制電路和轉(zhuǎn)子位置傳感器部分組成，其原理圖如圖所示。圖無刷直流電動機系統(tǒng)組成圖中，直流電源通過控制電路向電動機定子繞組供電，位置傳感器隨時檢測轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號來控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而自

24、動地控制了哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實現(xiàn)電子換向。電機本體無屆直流電動機的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。無刷直流電動機最初的設(shè)計思想來自普通的有刷直流電動機，不同的是將直流電動機的定、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換。件圖無刷直流電動機結(jié)構(gòu)示意圖無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的，具有一定的磁極對數(shù)的永磁體，產(chǎn)生氣隙磁通。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分為兩種：第一種是將瓦片狀的永磁體貼在轉(zhuǎn)子外表上，如圖盼刀岡阪諺讎詢?nèi)f一墨違圖星形連接三相橋式主電路移影影一圖中，橋臂上六個開關(guān)管，是溝道功率，柵極電位高電平時導(dǎo)通。位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制這些開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通方式。（）二二導(dǎo)通方

25、式二二導(dǎo)通方式是指在任一瞬間使兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通。這種方式就是兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式。下面根據(jù)反電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的概念來分析其導(dǎo)通規(guī)律及特點。電機的瞬時電磁轉(zhuǎn)矩可由電樞繞組的電磁功率求得：無刷直流電動機控制原理互叢萼警蔓（）式中氣、三相繞組的反電動勢、三相繞組的電流。轉(zhuǎn)子的機械角速度?？梢?，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動勢的大小。在一定的轉(zhuǎn)速下，如果電流一定，反電動勢越大，轉(zhuǎn)矩越大。圖給出了無刷直流電動機三相繞組的反電動勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的開關(guān)管導(dǎo)通規(guī)律。圖三相繞組的反電動勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律為了使電機獲得最大轉(zhuǎn)矩，在二二導(dǎo)通方式下，開關(guān)管的導(dǎo)通順序應(yīng)為、億一、州、一、。在這種工

26、作方式下，每個電周期共有六種導(dǎo)通狀態(tài)，每隔電角度工作狀態(tài)改變一次，每個開關(guān)管導(dǎo)通電角度。由此可見，如果忽略換相過程的影響，當(dāng)梯形波反電動勢的平頂寬大于等于電角度時，電機的轉(zhuǎn)矩脈動為。因此，無刷直流電動機在設(shè)計時，應(yīng)盡量增大磁極的極弧系數(shù)，以獲得足夠?qū)挼拇琶芏确植疾ㄐ?，從而得到平頂部分較寬的反電動勢波形。同時，如果假定電流為平頂波，電機工作在兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式時，總的電磁轉(zhuǎn)矩是每相電磁轉(zhuǎn)矩的兩倍。（）三三導(dǎo)通方式三三導(dǎo)通方式是任一瞬間使三個開關(guān)管同時導(dǎo)通。各開關(guān)管導(dǎo)通的順序為：、西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文、÷、卜“、÷、。由此可見，三三導(dǎo)通方式也有六種導(dǎo)通狀態(tài)，同樣也是

27、每隔改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改變一次工作狀態(tài)換相一次，但是每個開關(guān)管導(dǎo)通。，導(dǎo)通的時間增加了。比較兩種通電方式可見：在二二通電方式下，每個管子均有電角度的不導(dǎo)通時間，不可能發(fā)生直通短路故障。而在三三通電方式下，因每個管子導(dǎo)通時間為電角度，一個管子的導(dǎo)通和關(guān)斷稍有延遲，就會發(fā)生直通短路，導(dǎo)致開關(guān)器件損壞。而且，兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式很好地利用了方波氣隙磁場地平頂部分，使電機出力很大，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好控制電路無刷直流電動機需要用功率電子開關(guān)器件組成的功率控制器才能工作。功率逆變器主電路與繞組的聯(lián)接形式、電機的功率等有關(guān)。目前以星形三相三狀態(tài)和兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)兩種方式最為常用。逆變器功率開關(guān)管是主

28、電路的核心部分。目前，無刷直流電動機中功率開關(guān)管主要為功率和。在大功率電機的控制中，也可選擇，它是與晶閘管的復(fù)合器件，具有高電壓、大電流（、：、）、電流密度大（）、工作頻率高（）、控制功率小、易驅(qū)動、可以采用低成本集成驅(qū)動電路控制等優(yōu)點。為了提高逆變器的可靠性、縮小體積，還可以選擇近年來迅速發(fā)展的功率集成電路（）。將多個（如個或個）功率開關(guān)管及其快恢復(fù)二極管集成為一體。這樣，無刷直流電動機開關(guān)主電路的逆變電路就可以由一個功率開關(guān)管集成塊來實現(xiàn)。目前，三相半橋和三相橋式逆變器主電路均有商品化功率集成電路出售，在設(shè)計時可以選用。在功率半導(dǎo)體器件與微電子技術(shù)結(jié)合的基礎(chǔ)上，還出現(xiàn)了智能功率模塊（）它是

29、將功率半導(dǎo)體器件與具有信號處理功能、自我保護功能、各種診斷功能等的電路集成或組裝在一起，可以實現(xiàn)無刷直流電動機的逆變電路、驅(qū)動電路和許多控制電路的功能，使得電機控制器具有體積小、重量輕、設(shè)計簡單和可靠性高等顯著特點，是高性能無刷直流電動機的理想器件。如三菱公司生產(chǎn)的智能功率模塊已有完整系列，電壓有和兩個等級，電流包括多種規(guī)格。轉(zhuǎn)子位置傳感器無刷直流電動機除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動機的本體以外，還要有由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置，使得無刷直流電動機在運行過程中定無刷直流電動機控制原理子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的永磁磁場，在空間始終保持在蘭左右的電角度。位置

30、傳感器與電機本體一樣也是由靜止部分和運動部分組成，即由位置傳感器定子和位置傳感器轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子位置傳感器目前主要有敏感式、耦合式、諧振式和接近式等。敏感式位置傳感器是利用敏感元件來感受轉(zhuǎn)子位置信息，并輸出電信號去控制各相繞組的導(dǎo)通順序。常用的敏感元件有光敏元件（如光電二極管和光電三極管等）和磁敏元件（如霍爾元件、磁敏二極管和磁敏三極管）。耦合式是指變壓器耦合（即磁電式）和高頻空心線圈耦合等。諧振式是利用電感和電容等元件組成的諧振電路，當(dāng)滿足諧振條件時，輸出信號最強，以此控制電樞繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷。接近式是利用某物而動作的原理所組成的一種位置傳感器，如接近開關(guān)。由于永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子是永磁，

31、因此常用磁敏式霍爾位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置。世界上第一臺無刷直流電機就使用了霍爾元件式位置傳感器，故在本文中采用霍爾元件式位置傳感器?；魻柺轿恢脗鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，成本低、是目前在無刷直流電機上使用最多的一種位置式傳感器。霍爾式位置傳感器是利用“霍爾效應(yīng)”來進(jìn)行工作的。利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動機的永磁轉(zhuǎn)子，同時也是霍爾式傳感器的轉(zhuǎn)子。通過感知轉(zhuǎn)子上的磁場強弱變化來辨別轉(zhuǎn)子所處的位置。如圖所示，在長方形半導(dǎo)體薄片上通以電流，當(dāng)將半導(dǎo)體薄片置于外磁場中，并使其與外磁場垂直時，則在與電流和磁感應(yīng)強度口構(gòu)成的平面相垂直的方向上會產(chǎn)生一個電動勢乓，稱其為霍爾電動勢，其大小為：式中是

32、霍爾元件的靈敏度。圖霍爾效應(yīng)原理西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文當(dāng)磁場強度方向與半導(dǎo)體薄片不垂直，而是成角時，霍爾電動勢的大小改為（）利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場，對霍爾元件通入直流電，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁場強度大小和方向隨著它的位置不同而發(fā)生變化時，霍爾半導(dǎo)體就會輸出霍爾電動勢，霍爾電動勢的大小和相位隨著轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測轉(zhuǎn)子位置的作用。無刷直流電動機的基本工作原理眾所周知，一般的永磁式直流電動機的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機氣隙中產(chǎn)生磁場。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場。由于電刷的換向作用，使得這兩個磁場的方向在直流電動機運行的過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電動機不停地運轉(zhuǎn)

33、。無刷直流電動機為了實現(xiàn)無電刷換向，首先要求把一般直流電動機的電樞繞組放在定予上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上。這與傳統(tǒng)直流永磁電動機的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅這樣做還是不行的，因為用一般直流電源給定子上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場，它不能與運動中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場相互作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。所以，無刷直流電動機除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動機的本體以外，還要有由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置，使得無刷直流電動機在運行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場，在空間始終保持在蘭左右的電角度，從而使電機能不停的運轉(zhuǎn)。為了更加清晰地闡述這種無刷直流電動

34、機的工作原理，下面以三相星形連接繞組為例來加以說明。如圖所示，電動機本體的電樞繞組為三相星形連接、位置傳感器與電動機本體同軸，控制電路對位置信號進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電動機的各相繞組按一定的順序工作。圖三相無刷直流電動機系統(tǒng)無刷直流電動機控制原理當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到圖（）所示的位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使、導(dǎo)通，即、兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)流入相繞組，再從相繞組流出，經(jīng)回到電源的負(fù)極。電樞繞組在空間產(chǎn)生的磁動勢（）所示，此時定轉(zhuǎn)子磁場互相作用，使電機的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過。電角度

35、，到達(dá)圖（）所示的位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使、砣導(dǎo)通，、兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)流入相繞組，再從相繞組流出，經(jīng)回到電源的負(fù)極。電樞繞組在空間產(chǎn)生的磁動勢如圖（）所示，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為、÷、他÷、扣、÷、÷、。在此期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時鐘方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。在圖（）到圖（）的電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)予磁場沿順時鐘連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而定子合成磁場在空間保持圖（）中的兄位置靜止。只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場連

36、續(xù)旋轉(zhuǎn)。電角度，到達(dá)圖（）所示的位置時，定子合成磁場才從圖（）的位置跳躍到圖（）中的位置?？梢?，定子合成磁場在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，每個步進(jìn)角是電角度。（）、導(dǎo)通，、相通電（）、導(dǎo)通，、相通電是。×（）、導(dǎo)通，、相通電（），導(dǎo)通。、相通電圖無刷直流電動機工作原理示意圖轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過。電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型醫(yī)窿；！醫(yī)蘭蘭箋魯差醫(yī)厶厶，乞以三臣；習(xí)睦妻蘭鏨丟匿醫(yī)。國又由于三相繞組星形接法，厶，因此純拖崛，所以，式（）塞；習(xí)三三膨工乙丟【：，；。圖無刷直流電動機的等效電路無刷直流電機的運行特

37、性和傳遞函數(shù)要十分精確地分析無刷直流電動機的運行特性是很困難的。它涉及非線性理論及數(shù)值解法等諸多問題，在一般工程應(yīng)用上尚無此必要，故通常均作如下假定唧（）電動機的氣隙磁感應(yīng)強度沿氣隙按正弦分布。（）繞組通電時，該電流所產(chǎn)生的磁通對氣隙磁通的影響忽略不計。（）控制電路在開關(guān)狀態(tài)下工作，功率晶體管壓降為恒值。（）各相繞組對稱，其對應(yīng)的電路單元完全一致的，相應(yīng)的電氣時間常數(shù)忽略不計。（）位置傳感器等控制電路的功耗忽略不計。西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文下面以三相全控電路，兩兩通電模式為例來分析無刷直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時的特性。其電路圖如圖所示：由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度在電動機氣隙中是按正弦規(guī)律分布

38、的，即，這樣一來，如果在定子中某一相（例如相）繞組中通入持續(xù)的直流電流，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為乒式中：每相繞組的有效導(dǎo)體數(shù)；（）工繞組中導(dǎo)線的有效長度，即磁鋼長度，單位；，電動機中氣隙的半徑，單位；，繞組相電流，單位在三相全控電路兩兩通電時，共有六種通電方式，每種方式都由兩個繞組線圈串聯(lián)通電，這時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為兩個繞組的轉(zhuǎn)矩合成，其大小為：“乙“（）就是說某一相通以持續(xù)不變的直流后，它和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也將隨轉(zhuǎn)子位置的不同而按正弦規(guī)律變化，如圖所示。圖在恒定電流下的單相轉(zhuǎn)矩它對外負(fù)載講，所得的電動機平均轉(zhuǎn)矩為零。但在無刷直流電動機三相全控電路的工作情況下，實際上各相繞組中通過的不是持續(xù)不變的直流

39、電流，只是通過周期的矩形波電流，那么該電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線中相當(dāng)于周期的一段，且這一段曲線與繞組開始通電時的轉(zhuǎn)子相對位置有關(guān)。顯然在繞組通電的時間里，如果載流導(dǎo)體正好處在比較強的氣隙磁場中，它所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動小，轉(zhuǎn)矩平均值較大。電動機一旦在電動轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動后，旋轉(zhuǎn)了的轉(zhuǎn)子磁場就要切割定無刷直流電動機控制原理子繞組，在各相繞組上感生出電動勢，當(dāng)其轉(zhuǎn)速不變時，該電動勢波形也是正弦波，相位同轉(zhuǎn)矩相位一致。感生電動勢波形如圖所示。六六六六六六入入入圖三相無刷直流電動機全控電路的反電勢由上述分析，可以很方便的求出輸出轉(zhuǎn)矩的平均值疋和感生電動勢的平均值。由平均轉(zhuǎn)矩和平均反電

40、動勢便可求得無刷直流電動機穩(wěn)定運行時的電壓平衡方程式，為此首先定義反電動勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)：一（）：墨，對于某個具體的電動機，它們?yōu)槌?shù)。當(dāng)然，其大小同主回路的接法（如三相半控或三相全控）以及開關(guān)管的換相方式（如兩兩換相或三三換相）有關(guān)口，。前己指出，為簡便計算，假定各相繞組對稱、相應(yīng)的時間常數(shù)忽略不計。由圖可得電動機的電壓平衡方程為：一（）其中，將其代入式（）整理后，可得其機械特性方程為：甩半一西佗）式中：療電動機轉(zhuǎn)速，單位；電源電壓，單位；功率管管壓降，單位；置電動機的內(nèi)阻，單位；西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文由式（）可知，無刷直流電動機的機械特性方程同一般直流他勵電動機的機械特性方程在形式上完全

41、一致。只不過其中的轉(zhuǎn)矩和反電勢運用平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動勢的概念。這是由于它的反電動勢和轉(zhuǎn)矩的波動比較大的緣故，式（）表示電動機在穩(wěn)定運行時的機械方程，即一般所說的靜態(tài)方程。同理，在上述假設(shè)條件不變的情況下，無刷直流電動機的動態(tài)特性可由下列方程組來描寫：前已指出，為簡便計算，假定各相繞組對稱、相應(yīng)的時間常數(shù)忽略不計。在相導(dǎo)通時，由于繞組中性點電流為零，則可得到如下電壓平衡方程組為：璣疋哮疋哮講講（）磊哮毛一置一哮（）兩式相減得；伽似哮（）這里一為逆變器輸出電壓，毛一歷為平均反電動勢。又因為互。乏一瓦罷魯（），式中，電動機負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，電動機轉(zhuǎn)子飛輪力矩（），（轉(zhuǎn)動慣量）。經(jīng)拉氏變換后，可得（）（）

42、厶（）乙（）厶（）馳罷（）（）：圳）在零初始條件下，對式（）取拉氏變換得電壓與電流和電流與電動勢之間得傳遞函數(shù)分別為：無刷直流電動機控制原理呻璣）一（）胄生塑：里翌：型堡生（）厶（一五（曲乙舯乙甄石吣）本章小節(jié)本章簡要介紹了無刷直流電動機的組成和基本工作原理，并建立了無刷直流電動機的數(shù)學(xué)模型，分析了無刷直流電動機的運行特性，并推出了其傳遞函數(shù)，為后面的仿真研究、實際系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了依據(jù)。西安科技大學(xué)碩士擘位論文單片機本課題的控制對象是無刷直流電動機，而控制中心是單片機，且有兩種，一種是貼片式，一種是雙列直插式，也稱為，本系統(tǒng)采用的是雙列直插式。高速單片機簡介系列單片機是完全集成的混合信號

43、系統(tǒng)級芯片（），具有與指令集完全兼容的全新內(nèi)核。它在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括：、可編程增益放大器、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、定時器、可編程計數(shù)器定時器陣列（）、內(nèi)部振蕩器、看門狗定時器、電源監(jiān)視器、，及等。這些外設(shè)部件的高度集成為設(shè)計小體積、低功耗、高可靠性和高性能的單片機應(yīng)用系統(tǒng)提供了方便，也可使系統(tǒng)的整體成本大大降低【，。與指令集完全兼容，因此可以使用標(biāo)準(zhǔn)的匯編器、編譯器及軟件包進(jìn)行軟件開發(fā)，這使熟悉系列單片機的工程技術(shù)人員可以很容易地掌握的應(yīng)用技術(shù)和進(jìn)行軟件移植。采用全新的內(nèi)核，指令以時鐘

44、周期為運行單位，平均每個時鐘可以執(zhí)行條單周期指令。與最初的單片機相比，在相同時鐘下，單周期指令運行速度為原來的倍，全指令集平均運行速度為原來的倍?，F(xiàn)今許多種類微處理器的端口大多是固定為某個特殊功能服務(wù)的，這種固定方式的端口，既占用過多引腳，配置又不夠靈活。而在中，則采用交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實現(xiàn)端口的靈活配置。在這種通過交叉開關(guān)配置的端口系統(tǒng)中，單片機外部為通用端口，內(nèi)部則通過配置相應(yīng)的寄存器控制交叉開關(guān)配置到所選擇的端口上。片內(nèi)調(diào)試支持功能允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速和在系統(tǒng)調(diào)試。在使用調(diào)試時，所有的模擬外設(shè)和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。對于開發(fā)和調(diào)試嵌入式

45、應(yīng)用系統(tǒng)來說，在系統(tǒng)調(diào)試比采用標(biāo)準(zhǔn)仿真器要優(yōu)越得多，因為這一技術(shù)能保證精確模擬外設(shè)的性能。具有可在系統(tǒng)編程的程序存儲器，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲。使用編程非常方便，可以在集成開發(fā)環(huán)境（）下通過接口進(jìn)行編程，不需要專用編程器或適配器；還可以通過用戶軟件對進(jìn)行編程，允許現(xiàn)場更新固件，為產(chǎn)品的軟件升級提供了極大的方便。存儲器還具有安全機制，可以保護程序代碼和數(shù)據(jù)、以防止程序或數(shù)據(jù)被讀取或意外改寫。雖然采用供電，但單片機所有端口可以接收邏輯電平的輸入，在選擇漏極開路輸出加上拉電阻到電源后，也可驅(qū)動邏輯器件，所以與現(xiàn)在通用的電子電路具有很好的兼容性。系統(tǒng)概述器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型。主要特性有：高速、流水線結(jié)構(gòu)的兼容的內(nèi)核（可達(dá)）全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）真正位的通道單端差分），帶模擬多路器位電流輸出妃高精度可編程的瑚內(nèi)部振蕩器可在系