无刷直流电机控制系统的设计..docx

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1、学号：1008421057含七叶元学院本科毕业论文（设计）（2014 届）直流无刷电机控制系统的设计院系电子信息工程学院专业电子信息工程姓名胡杰指导教师陆俊峰陈兵兵高工助教2014年4月无刷直流电机的基础是有刷直流电机，无刷直流电机是在其基础上发展起来的。现在无刷直流电机在各种传动应用中虽然还不是主导地位，但是无刷直流电机已经受到了很大的关注。自上世纪以来，人们的生活水平在不断地提高，人们在办公、工业、生产、电器等领域设备中越来越趋于小型化、智能化、高效率化，而作为所有领域的执行设备电机也在不断地发展，人们对电机的要求也在不断地改变。现阶段的电机的要求是高效率、高速度、高精度等，由此无刷直流电

2、机的应用也在随着人们的要求的转变而不断地迅速的增长。本系统的设计主要是通过一个控制系统来驱动无刷直流电机，主要以DSPIC30F2010芯片作为主控芯片，通过控制电路采集电机反馈的霍尔信号和比较电平然后通过编程的方式来控制直流无刷电机的速度和启动停止。关键词：控制系统；DSPIC30F2010芯片；无刷直流电机AbstractBrushless de motor is the basis of brushless de motor, brushless de motor is developedon the basis of its. Now in all kinds of brushless

3、 de motor drive applications while it isnot the dominant position, but the brushless de motor has been a great deal ofattention.Since the last century, constantly improve the peoples standard of living, people inthe office, industrial, manufacturing, electrical appliances and other fields increasing

4、lytend to be miniaturization, intelligence, high efficiency, and as all equipment in thefield of motor is in constant development, people on the requirements of the motoris in constant change. At this stage of the requirements of the motor is high efficiency,high speed, high precision and so on, so

5、is the application of brushless de motor as thechange of peoples requirements and continuously rapid growth.The design of this system mainly through a control system to drive the brushless demotor, mainly dspic30f2010 chips as the main control chip, through collecting motorfeedback control circuit o

6、f hall signal and compare and then programmatically tocontrol the speed of brushless motor and started to stop.Keywords:Control system; dspic30f2010 chip; brushless DC motor目录摘要IAbstract II目录III1引言1L1研究背景及意义11.2 国内外研究现状21.3 设计任务与要求22基本理论22.1 无刷直流电机的结构以及基本原理22.2 无刷直流电机的运行特性52.3 无刷直流电机的应用63直流无刷直流电机控制系

7、统的设计73.1 无刷直流电动机系统的组成部分73.2 无刷直流电机控制系统的设计84直流无刷电机的电路设计94.1 开关电路的设计94.2 保护电路的设计94.3 驱动电路的设计104.4 反馈电路的设计104.5 电源电路的设计115直流无刷电机控制系统的软件设计115.1 系统功能的实现115.2 软件流程图126实物成果及展望13致谢15参考文献15附录181引言近年来随着微电子技术自动控制技术和新型永磁材料的发展，无刷直流电机的应用越来越广泛。他已经在各个领域中被应用，如军事领域、家用电器领域、工业领域等等。有刷电机出现的比较早，大约在上世纪40年代以来就已经占据了整个领域市场的主要

8、地位因为他的一系列优点，如价格低、可靠性好、变速平稳等等优点，但是它有一个致命的弱点就是它的碳刷容易磨损而且非常不容易更换，而且他的运行电流比较大这样就比较容易降低电机的寿命。为了有效的克服其弱点科学家进行了大量研究，终于在1955年美国科学家D.Harrison发现了用晶体管换相线路用来代替直流有刷电机的碳刷的方法并申请的专利，这标致了无刷直流电机的出现。但这只是无刷电机的雏形,1962年，T.G.Wilson和P.H.Trickey提出“固态换相直流电机”专利，这才标志着无刷直流电动机的真正诞生。其实无刷直流电机的思想早在1917年就已经出现了，当时主要是由Bolgior提出的，他当时提出

9、用整流管代替提直流有刷电机的机械刷，这就是无刷直流电机的基本思想。无刷直流电机的真正应用主要是在上世纪60年代，因为无刷直流电机主要是取决于电子技术的发展，在上个世纪六十年代以后电子技术飞速的发展直接决定了无刷直流电机的广泛应用。无刷直流电机最先的应用是在航空技术中，这主要得益于无刷直流电机的高可靠性。相比较其他电机无刷直流电机的主要特点有：1、重量轻、体积小、出力大；2、具有直流无刷电机的优点，同时又取消了机械刷和滑环等结构；3、调速比较简单；4、可以低速大功率运行，这样就省去了减速机直接要驱动大功率的负载；5、启动电流小，启动转矩大；6、调速的范围广，无级调速，过载能力比较强；7、可以用软

10、件启动和软件停止，制动性能比较好，省去了机械制动或者电磁制动的装置；8、效率高，由于无刷直流电机没有来了机械刷和励磁损耗，所以节电效率比较高；9、可靠性高，稳定性好，维修保养比较简单，适应能力比较强；10、噪音小，震动小，寿命长；11、不会产生火花适合一些特殊场所；从上面的分析我们可以看出来无刷直流电机相对于其他电机还是一种新型的电机，无刷直流电机的发展与电子技术的发展密不可分，所以我们深入研究无刷电机的控制方法有着非常重要的现实意义。1.2 国内外研究现状我国对无刷直流电机的研究比较早而我们国内的研究则起步比较晚，近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方

11、法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性，同时也是频率变化的装置，所以又名直流变频，国际通用名词为BLDC.无刷直流电机的运转效率，低速转矩，转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好，所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可设计到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。无刷直流电机在我国的发展时间较短，我国的无刷直流电机主要起步于上世纪七十年代初，当时研制主要是为了我国的某些科研单位的需求，但是经过了四十年的发展随着技术的日益成熟与完善无刷直流电机得到了迅猛发展。已在高级电子设备、

12、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗器械、家用电器、电动车等多个领域得到广泛应用，并在深圳、长沙、上海等地形成初具规模产业链，在技术上不断推进行业的发展。1.3 设计任务与要求1、设计任务利用DSPIC芯片制作一个控制系统，该控制系统的主要功能是控制无刷直流电机的有效运作，包括调速等；用专业软件绘制控制系统的PCB,以及熟练掌握相关专业软件；焊接PCB以及写入程序。2、设计要求要能够完整的实现其功能调速、复位、停止；尽可能的降低成本；电路要具有过流保护作用；直流无刷电机的功率为60w,要使电路能够有效负载。2基本理论无刷直流曳机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指

13、无曳刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机，它相比较于传统的有刷电机结构比较复杂。2.1 无刷直流电机的结构以及基本原理BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为广泛的3相BLDCOBLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图2-lo从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLD

14、C定子有3个呈星行排列的绕组，每个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势不同,分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。另外还需要对反电动势的一点说明就是绕组的不同其相电流也是呈现梯形和正弦波形，可想而知正弦绕组由于波形平滑所以运行起来相对梯形绕组来说就更平稳一些。但是，正弦型绕组由于有更多绕组使得其在铜线的使用上就相对梯形绕组要多。平时由于应用电压的不同，我们可以根据需要选择不同电压范围的无刷电机。48V及其以下应用电压的电机可以用在汽车、

15、机器人、小型机械臂等方面。100V及其以上电压范围的电机可以用在专用器具、自动控制以及工业生产领域。其原理图见图2-1。其中1为定子，2为转子。图2-1电磁式位置传感器原理图转子是2至8对永磁体按照N极和S极交替排列在转子周围构成的（内转子型），如果是外转子型BLDC那么就是贴在转子内壁，如图2-2所示。N图2-2转子类型与有刷直流电机不同，无刷直流电机使用电子方式换向。要使BLDC转起来，必须要按照一定的顺序给定子通电，那么我们就需要知道转子的位置以便按照通电次序给相应的定子线圈通电。定子的位置是由嵌入到定子的霍尔传感器感知的。通常会安排3个霍尔传感器在转子的旋转路径周围。无论何时，只要转子的磁极掠过霍尔元件时，根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出对应的高或低电平，这样只要根据3个霍尔元件产生的电平的时序就可以判断当前转子的位置，并相应的对定子绕组进行通电。霍尔效应：当通电导体处于磁场中，由于磁场的作用力使得导体内的电荷会向导体的一侧聚集，当薄平板通电导体处于磁场中时这种效应