BLDC電機電子換向原理的

1、南京工程學院課程設(shè)計說明書（論文）題目BLDC電機電子換向原理的研究及軟硬件實現(xiàn)課程名稱運動控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試院（系、部、中心）工業(yè)中心學院專業(yè)自動化系統(tǒng)集成班級D自集成102學生姓名劉永政學生學號 233100235設(shè)計地點基礎(chǔ)實驗樓C315指導教師盛國良、吳京秋設(shè)計起止時間：2013.6.17-2013.6.28目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 1.概述 2 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 2.設(shè)計任務和要求2 HYPERLINK l bookmark6 o

2、Current Document 2.1 任務和要求2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 2.1.1 設(shè)計任務2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.1.2 設(shè)計要求2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2.2 研究路線3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計3 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 3.1 方案確定3 HYPERLINK

3、 l bookmark26 o Current Document 3.2 硬件設(shè)計33.2.1 逆變電路設(shè)計33.2.2 控制電路設(shè)計43.2.3 檢測電路設(shè)計53.2.4 保護電路設(shè)計6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 4. 系統(tǒng)設(shè)計7 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 4.1 換向邏輯設(shè)計7 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 4.2 速度采集9 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 4.3 速度

4、環(huán)控制程序95.系統(tǒng)軟件 115.1 軟件流程 11 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 6.總結(jié) 13 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 7.參考文獻131.概述無刷直流(Brushless Direct Current, BLDC)電機是一種正快速普及的電機類型，它可在家用電器、汽車、航空航天、消費品、醫(yī)療、工業(yè)自動化設(shè)備和儀器等行 業(yè)中使用。正如名稱指出的那樣， BLDC 電機不用電刷來換向，而是使用電子換向。BLDC電機和有刷直流電機以及感應電機相比，有許多優(yōu)點。其中包括:更好的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特

5、性快速動態(tài)響應高效率使用壽命長運轉(zhuǎn)無噪音較高的轉(zhuǎn)速范圍此外，由于輸出轉(zhuǎn)矩與電機體積之比更高，使之在需要著重考慮空間與重量因素的應 用中，大有用武之地。在本應用筆記中，我們將詳細討論BLDC電機的構(gòu)造、工作原理、特 性和典型應用。設(shè)計任務和要求2.1任務和要求2.1.1 設(shè)計任務電機參數(shù)額定功率PN(KW):1額定電壓UN(V):310額定轉(zhuǎn)速 nN(RPM):3000轉(zhuǎn)子磁極對數(shù):5霍爾傳感器: 32.1.2 設(shè)計要求靜態(tài)指標:調(diào)速比：D=nmax/nmin三 1000；靜差率：s W3%。 動態(tài)指標:擾動產(chǎn)生的動態(tài)偏差：Anmax/nmin W10%；擾動產(chǎn)生的恢復時間：tv W0.5s；2

6、.2 研究路線系統(tǒng)硬件設(shè)計 控制回路設(shè)計控制器選擇:PLC、計算機或微控制器，包含控制器外設(shè)選型給定器設(shè)計：模擬/數(shù)字驅(qū)動電源：隔離電源，浮柵電流截止環(huán)節(jié)：電流、電壓檢測環(huán)節(jié)系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計環(huán)境梯形圖PLCVC+、 VB、 CB、 TC 等計算機C微控制器速度環(huán)軟件（中斷方式）速度環(huán)調(diào)節(jié)周期 轉(zhuǎn)子位置檢測程序、換向子程序 速度檢測程序、 ASR 子程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 方案確定逆變電路設(shè)計控制電路設(shè)計檢測電路設(shè)計保護電路設(shè)計換向邏輯設(shè)計速度采集、速度環(huán)控制程序3.2硬件設(shè)計3.2.1 逆變電路設(shè)計.uov3 LftVLCGC-jF3 ICY扇GTD22CVk_. UKLsa3 LCV-L

7、jCILCCCuFULA 124333-空 r.uov3 LftVLCGC-jF3 ICY扇GTD22CVk_. UKLsa3 LCV-LjCILCCCuFULA 124333-空 r1品m、2jX12C-TT7TVICO2JLOIk2該電路圖為自舉電路，以滿足浮柵要求。IR2103： 有自舉供電能力，能在不使用外加隔離的情況下方便驅(qū)動小功率的全橋電路 率。3.2.2 控制電路設(shè)計控制電路采用stc89c51做主控，單片機檢測霍爾元件的回饋信號，對應輸出換相信號, 也同時測出電機轉(zhuǎn)速。輸出換相信號通過二極管構(gòu)成的與門，與單片機輸出的pwm信號疊加，使得程序上更 加容易操作。此外主控上配備了輸出

8、按鈕，和外部過電流檢測外部中斷輸入。輸出6 個換相端子與 前面的 ir2103 mos 管驅(qū)動電路相接。電源電路： 輸入是 220V 交流電，由于額定電壓是3 1 0V ，所以采用橋式濾波電路。31：V圖：電源電路3.2.3 檢測電路設(shè)計（1）霍爾檢測電路和有刷直流電機不同，BLDC電機的換向是以電子方式控制的。要使BLDC電機轉(zhuǎn)動, 必須按一定的順序給定子繞組通電。為了確定按照通電順序哪一個繞組將得電，知道轉(zhuǎn)子的 位置很重要。轉(zhuǎn)子的位置由定子中嵌入的霍爾效應傳感器檢測。多數(shù)BLDC電機在其非驅(qū)動端上的定子中嵌入了三個霍爾傳感器。每當轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過霍爾傳 感器附近時，它們便會發(fā)出一個高電平或低電

9、平信號，表示北磁極或南磁極正經(jīng)過該傳感器 根據(jù)這三個霍爾傳感器信號的組合，就能決定換向的精確順序。霍爾元件式位置傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、可靠，但對工作溫度有一定要求 同時霍爾元件應靠近傳感器的永磁體，否則輸出信號電平太低，不能正常工作。因此，在對 性能和環(huán)境要求不是很高的永磁無刷直流電機應用場合大量使用霍爾元件式位置傳感器。如 圖 3.2.3-1 所示：如將三只霍爾傳感器按相位差 120安裝，則它們所產(chǎn)生的波形如圖3.2.3-2所示。三相永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號Ha、Hb、He在每360電角 度內(nèi)給出了6個代碼，按其順序排列，6個代碼是101、 100、 110、 010

10、、 011、 001.當然， 這一順序與電動機的轉(zhuǎn)動方向有關(guān)，如果轉(zhuǎn)向反了，代碼出現(xiàn)的順序也將倒過來。圖:傳感器輸出波形（2）位置傳感器是無刷直流電動機系統(tǒng)的組成部分之一，有刷也是區(qū)別于直流電動機的主 要標志。當霍爾傳感器用作無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置信息檢測裝置時，將其安放在電機定子的 適當位置，霍爾器件的輸出與控制部分相連。當無刷直流電機的永磁轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾器件附近 時，永磁轉(zhuǎn)子的磁場令霍爾器件輸出一個電壓信號，該信號被送到控制部分，由控制部分發(fā) 出信號使得定子繞組供電電路導通，給相應的定子繞組供電，從而產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場極性相同 的磁場，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子到下一位置時，前一位置的霍爾器件停止工

11、作，下一位 置的霍爾器件輸出電壓信號，控制部分使得對應定子繞組通電，產(chǎn)生推斥場使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動， 如此循環(huán)，維持電機運轉(zhuǎn)。電路圖如下：電動機啟動和堵轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生一個很大的峰值電流，當電流超過功率管的最大流過電流時，會將功率管燒壞或者擊穿。所以電路設(shè)計中必須加一限流保護電路。系統(tǒng)限流保護電路設(shè)計如上圖所示，電路由一采樣電阻和比較器LM393組成。當電機啟動時，啟動電流增大, 在采樣電阻R1上的壓降增大，當壓降等于給定電壓U0時，比較器LM393輸出低電平，使 IGBT開關(guān)管被關(guān)斷，采樣電阻R1上的電流迅速減小，R1上的壓降也減??；當電壓降到小 于給定電壓U0時，比較器輸出高電平，使IGBT開關(guān)管恢復

12、正常的通斷順序。如此下去， 電流被限制在 U0/R1 上下，達到限流的目的。/U?A LHE旳宜/U?A LHE旳宜H圖：過電流保護電路4. 系統(tǒng)設(shè)計4.1 換向邏輯設(shè)計“二 二導通”方式： 所謂“二二導通”方式是指每一瞬間有兩個功率管導通，每隔1/ 6 周期（60電角度）換相一次，每次換相一個功率管導通120電角度。各功率管的導通順序是VF1VF2、VF2VF3、 VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1。當功率管VF1和VF2導通時，電流從VF1管流入A 相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)VF2回到電源。如果認定流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正, 那么從繞組流出所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩則為負，它

13、們合成的轉(zhuǎn)矩如圖3a所示，其大小為3Ta,方 向在Ta和一Tc的角平分線上。當電機轉(zhuǎn)過60后，由VF1VF2通電換成VF2VF3通電，這時， 電流從VF3流入B相繞組再從C相繞組流出，經(jīng)VF2回到電源，此時合成的轉(zhuǎn)矩如圖3b所 示，其大小同樣為3Ta。但合成轉(zhuǎn)矩Tbc的方向轉(zhuǎn)過了 60電角度。而后每換一次導通狀態(tài)，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過60電角度，但大小始終保持叮3 Ta不變。圖3c示出了 全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。a) VF1、VF2導通時合成轉(zhuǎn)矩b) VF2、V F3導通時合成轉(zhuǎn)矩c)二二導通時合成轉(zhuǎn)矩矢量圖圖 1： 聯(lián)結(jié)繞組二二通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖圖 2: 全控橋輸出波形圖霍爾信號導通管

14、單片機P1.0P1.5HaHbHeP1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0101V2V1100001100V6V1010001110V5V6010100010V4V5001100011V3V4001010001V2V3100010正轉(zhuǎn)控制真值表霍爾信號導通管單片機 P1.0-P1.5HaHbHeP1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0101V5V4001100100V4V3001010110V3V2100010010V2V1100001011V1V6010001001V6V5010100反轉(zhuǎn)控制真值表4.2 速度采集對電機轉(zhuǎn)速進行精密的調(diào)控，首先必須對它的轉(zhuǎn)速進行精準測量，將三

15、路霍爾型號合并 成一路信號接單片機的外部中斷，該中斷為下降沿觸發(fā)方式，在中段中檢測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的 所需要的時間由此可以算出轉(zhuǎn)速值。無刷電機轉(zhuǎn)速測量計算公式:n=60/ZTNZ轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周傳感器輸出的脈沖個數(shù)。T單片機計數(shù)器技術(shù)周期。R位置傳感器輸出一個周期單片機定時/計數(shù)器產(chǎn)生技術(shù)脈沖個數(shù)。4.3 速度環(huán)控制程序直流無刷電機的調(diào)速系統(tǒng)采用 PWM 波調(diào)速(l).PWM波的產(chǎn)生，單片機要實現(xiàn)pwm波的產(chǎn)生用了定時器，用定時器產(chǎn)生中斷的方式產(chǎn)生 pwm 波,選用 8 位自動重裝系統(tǒng)， 8 位定時器可定時 1us-256us(12M 晶振)， PWM 的開關(guān)頻 率可達到4KHZ，定時器T1中斷的PW

16、M波流程圖如下圖：速度閉環(huán)控制流程圖如下：(PI調(diào)節(jié)器算法)控制算法采用的是積分分離的PI算法，設(shè)定轉(zhuǎn)速被控量的最大允許偏差為 m,當轉(zhuǎn)速偏差e小于m時，采用PI算法，而當e大于等于m時，則不再進行 積分運算，即把積分分離出去，這樣就顯著降低了被控量的超調(diào)量和過度時間， 使調(diào)節(jié)器的性能得到改善，其中 U1 表示轉(zhuǎn)速給定電壓， Uf 為轉(zhuǎn)速反饋電壓， Ui 為電流給定電壓。PI調(diào)節(jié)器的脈沖傳遞函數(shù)為D(Z)=Kp+Ki*1/s=Kp+( Ki*T)/2*(Z+1)/(Z-1)Kp比例常數(shù)Ki積分系數(shù)T采樣周期5.系統(tǒng)軟件5.1 軟件流程主程序流程圖鍵盤流程圖：開始是否有鍵按下?lián)Q向流程圖：是6.總結(jié)總的來說，BLDC電機和有刷直流電機及感應電機相比是具有優(yōu)勢的。它們 具有更好的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩特性，較高的動態(tài)響應和效率，較長的使用壽命，無噪音 運轉(zhuǎn)，較高的轉(zhuǎn)速范圍，以及可靠而堅固的構(gòu)造等等。同時，由于輸出轉(zhuǎn)矩與電 機體積之比更高，使之在需要著重考慮空間與重量因素的應用中，大有用武之地。 有了這些優(yōu)勢，BLDC在汽車，家用電器，航空航天，消費品，醫(yī)