无刷直流电动机控制系统.docx
《无刷直流电动机控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无刷直流电动机控制系统.docx（12页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
无刷直流电动机控制系统
设计内容与设计要求
一.设计内容：
1.介绍无刷直流电动机（BLDCM）的工作原理、调速系统的组成及功能。
2.分析功率控制器的主电路拓扑形式。
3.给出三相无刷直流电动机控制系统的框图。
4.电流调节器的设计。
二、设计要求：
1、思路清晰，给出整体设计和电路图。
2、给出具体设计思路和电路。
3、写出设计报告。
主要设计条件
1.提供被控电机；
2.提供设计要求；
3.提供调试用实验室；
说明书格式
1．课程设计封面；
2．任务书；
3．说明书目录；
4．正文
5．总结与体会；
6.参考文献
7.课程设计成绩评分表
进度安排
1:
课题内容介绍和查找资料；
2:
总体电路设计和分电路设计；
3:
写设计报告，打印相关图纸；
4:
答辩；
参考文献
1、《电机控制》
2、《电力电子技术》
3、《特种电机及其控制》
4、《电机的DSP控制技术及其应用》
5、《电机拖动与控制》
6、《特种交流电机及其计算机控制与仿真》
简介
直流无刷电机:
又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”。
是将交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。
无刷直流电动机BrushlessDirectCurrentMotor,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。
无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳选择。
目前，在微小功率范畴直流无刷电动机是发展较快的新型电机。
由于各个应用领域需要各自独特的直流无刷电动机，所以直流无刷电动机的类型较多。
大体上有计算机外存储器以及VCD、DVD、CD主轴驱动用扁平式无铁心电机结构，小型通风机用外转子电机结构，家电用多极磁场结构及内装式结构，电动自行车用多极、外转子结构等等。
上述直流无刷电动机的电机本身和电路均成一体，使用十分方便，它的产量也非常大。
为了满足大批量、低成本的市场需要，直流无刷电动机的生产必须要形成规模经济。
因此，直流无刷电动机是一种高投入、高产出的行业。
同时，我们应该考虑到市场也在不断地发展，如家用空调用电机正由3A转向3D，需要大量的中小功率的直流无刷直流电动机，研究和开发中小功率的直流无刷电动机也成当务之急。
第一章直流无刷电机的工作原理
1.基本工作原理
无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。
而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。
驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：
接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。
无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。
由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流—转矩特性；由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高10%左右，一般来说，无刷直流电动机的力能指针（ηcosθ）比同容量异步电动机高12%-20%。
为了更加清晰地阐述这种无刷直接电动机的工作原理，下面是以三相星形连接绕组为例来加以说明。
如图所示，电动机本体的电枢绕组为三相星形连接、位置传感器与电动机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产程驱动信号，驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，是电动机的各相绕组按一定的顺序工作。
当转子旋转到图（a）所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，是VT6、VT1导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经VT1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经VT6回到电源的负极。
电枢绕组在空间产生的磁动势Fa图（a）所示，此时定转子磁场互相作用，使电机的转子顺时针转动。
当转子在空间转过60。
电角度，到达图1（b）所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使VT1、VT2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经VT1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VT2回到电源的负极。
电枢绕组在空间产生的磁动势E如图1（b）所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。
转子在空间每转过60°电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻
辑为VT6、VTl—VTl、VT2—VT2、VT3—VT3、VT4—VT4、VT5—VT5、VT6—VT6、
VTl。
在此期间，转子始终受到顺时钟方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。
在图1（a）到图1（b）的60°电角度范围内，转予磁场沿顺时钟连续旋转，而
定子合成磁场在空间保持图1（a）中的Fa位置静止。
只有当转子磁场连续旋转60°电
角度，到达图1（b）所示的Fr位置时，定子合成磁场才从图1（a）的位置跳跃到图
1（b）中的Fa位置时。
可见，定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是一种跳跃式旋
转磁场，每个步进角是60°电角度。
图1无刷直流电动机工作原理示意图
转子在空间每转过60°电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。
可见，电机有六种磁状态，每个状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120°电角度，我们把无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星形三相六状态。
两相导通星形三相六状态工作方式控制简单、性能最好，所以这种工作方式最为常用。
2.无刷直流电动机的组成
无刷直流电机由永磁转子和三相定子组成，如图2所示。
无刷直流电动机不使用电刷换相，而是采用电子换相。
通常，3个霍尔传感器用来检测转子位置，通过检测这些传感器的不同时序来换相。
无刷直流电机控制（BrushlessDCMotorControl，BLDC）马达，比传统的有刷直流电动机和三相异步电动机有更多的优势，提供更长的使用寿命，具备更好的速度与转矩特性、更低的噪声和更宽的速度范围。
此外，由于电机的扭矩较大，对于矢量空间和重量起关键因素的场合更加实用。
在无刷直流电机中，电磁场不旋转运动，而永磁旋转，三相定子绕组保持静态。
这可能会产生一个问题，如何传递电流给运动的转子。
为了解决这个问题，电刷换向器被智能电子控制器所取代。
有刷直流电动机中该控制器也执行相同的功率分配，但使用的是电路控制，而不是一个换向器／刷系统。
电动机的速度和扭矩取决于带电绕组电机所产生的磁场的强度，磁场的强度又取决于通过的电流大小。
因此，调整转子电压（或电流）将改变电机转速。
第二章无刷直流电机的控制
1.无刷直流电机的控制原理
要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启（或关闭）换流器（inverter）中功率晶体管的顺序，如下（图3）inverter中之AH、BH、CH（这些称为上臂功率晶体管）及AL、BL、CL（这些称为下臂功率晶体管），使电流依序流经电机线圈产生顺向（或逆向）旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。
当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管（或只开下臂功率晶体管）；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。
基本上功率晶体管的开法可举例如下：
AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL一组
但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。
此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂（或下臂）尚未完全关闭，下臂（或上臂）就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。
图3
当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令（Command）与hall-sensor信号变化的速度加以比对（或由软件运算）再来决定由下一组（AH、BL或AH、CL或BH、CL或……）开关导通，以及导通时间长短。
速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。
PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要达到较精准速度控制的核心。
高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。
至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。
或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。
电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。
之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差（Error）。
知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。
但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型P.I.D.控制的重要理论。
本课题基于LPC2141的无刷直流电机控制系统设计，无刷直流电机控制系统框图如图4所示。
图4无刷直流电机控制系统框图
2.转子的控制
无刷直流电机的驱动必须考虑在转子的不同位置施加不同的电压，即必须正确控制三相绕组系统的电压相序，以便使定子磁场和转子磁场之间的相角度始终接近90°，从而获得最大的扭矩。
因此，控制器需要一些控制策略来确定转子的方向／位置（相对于定子线圈）。
图5三相桥电机驱动结构图
本设计使用霍尔传感器来直接测量转子的位置（也有一些应用中使用旋转编码器，或者在驱动线圈中使用反电势的方式）。
当一个传感器输出180°电角度的高电平时，其他传感器输出180°的低电平。
3个传感器两两有60°相角度差，因此很容易将传感器的轮换分为6个阶段（通过3位二进制代码表示）。
图5为三相桥电机驱动结构图。
表1则显示了三相霍尔传感器输出电平值和实际的电机绕组MOS管驱动换相之间的关系。
表1三相霍尔传感器换向表
3.速度的控制
通过改变加在电机上的电压，可以改变电机的转速。
如图6所示，使用PWM输出来控制6个开关三相桥（Q1～Q6），可以通过改变占空比的PWM信号来调整电机的电压。
图6PWM速度控制
第三章电机的反馈
1.电流测量
电机电流的低成本测量可以在MOSFET与地之间使用电流感应电阻。
小电压出现在电流检测电阻上，经过滤波和放大之后，输入到LPC2141的ADC输入端。
电机的电流测量也经常用于保护模式。
当电机在堵转位置时，电流会急剧增加。
由于电流的异常突变，ADC的数值会达到一个极限，从而将系统关断，切换到保护模式，从而提高系统的安全系数。
2.RPM转速测量
作为闭环速度控制，实际的电机速率必须实时监测。
通过霍尔传感器连接LPC2141的输入引脚，可以很准确地测量电机转速。
常用如下2种方法：
①连接霍尔传感器输出到LPC2141的外部中断输入引脚。
这样每60°电角度就会产生一次中断。
通过在一定的确切时间（如1s）统计计数中断的数量，即可很容易地计算出精确的电机速度。
②连接传感器信号到LPC2141的定时器捕获引脚，通过衡量每一个旋转相位的切换时间来计算电机的转速。
第四章硬件设计
1.LPC2141的使用方法
LPC2141的系统功能框图如图7所示。
LPC2141是NXP公司基于ARM7的LPC2000系列低成本微控制器，具有6通道PWM定时器、片上USB接口、8KB的片上静态RAM和32KB的片上闪存程序存储器。
对于较大的存储或特定外设（CAN总线、以太网等）的要求，可以选择LPC2000系列的其他型号（如LPC2368等），这些芯片都是和LPC2141兼容的。
图7系统功能框图
本设计具备如下特性：
CPU负载小于5％，代码大小为6KB（包含USB通信代码）；未用的外设包括UART、I2C、SPI／SSP、RTC、2个定时器和5个A／D输入；超过30个未用的通用输入输出口GPIO，用于用户的特定应用要求。
小结
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。
在设计过程中和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。
学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
这次我的课程设计题目是三相直流无刷电动机的设计。
通过对直流无刷电机的研究，更了解了无刷电机的线路、原理，我知道了其控制电路，加深了对驱动电路的功能了解。
在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
在此感谢我们的赵老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。
而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。
升级会员 