无刷电机调速资料Word格式文档下载.docx
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3．6输入设备的选择9
3．7显示模块选择9
3．8电流检测电路9
3．9电压检测电路11
4程序设计13
4．1程序编译环境13
4．2三路PWM的产生13
4．3换相控制14
4．4电流电压检测17
4．5程序流程图18
5实验测试19
5．1仿真19
5.1.2Proteus波形图19
5．2实物图片20
5．3单片机输出PWM的测试20
5．3．1测试仪器20
5．3．2测试方法20
5．3．3测试结果21
5．4无刷电机控制电路的霍尔逻辑测试21
5．4．1测试仪器21
5．4．2测试方法21
5．4．3测试结果21
5．5无刷电机控制电路电机运转测试22
5．5．1测试仪器22
5．5．2测试方法22
5．5．3测试结果23
5．6测试结论23
致谢27
附录：
部分程序代码28
1前言
1.1选题背景
近年来随着电子电力技术和永磁材料的迅速发展，永磁直流无刷电机在机电一体化产品中的应用越来越广泛。
尤其是大功率直流无刷电机的应用在工业上有着有刷直流电机不可比拟的优势．直流无刷电机采用电子换向代替传统的机械换向，既具备交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备有刷直流电机运行效率高、无励磁损耗、调速方法简单等优点，使无刷电机的研究具有重大意义。
1.2相关研究现状及前景
有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换向装置的存在，限制了其发展和应用范匿。
直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。
科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机。
1955年，美国人首次提出用晶体管换向线路代替机械换向装置，经过反复实验，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电动机的机械换相装置，出现了磁电耦合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机，以后人们发现电量波形和转子磁场的位置存在着一定的对应关系，因此又出现了通过观测电枢绕组中不同电量波形，监测转子位置的无位置传感器的电动机。
无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简单无需维护的优点，因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。
在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。
目前，数字调速系统主要采用两种控靠方案：
一种采用专用集成电路。
这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。
另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。
这种方案可以编程控制，应用范围广。
1.3内容章节概述
本文主要从系统分析、硬件设计、程序设计和实验测试四个方面阐述“无刷直流电机驱动电路设计”。
开始概述永磁无刷直流电机的基本结构和三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理以及直流电动机的PWM调速原理，硬件设计介绍本次设计系的统结构框图，简要说明了单片机的选型、半桥驱动电路等，软件设计主要说明本设计的程序流程图；
实验分为仿真和设计电路测试，说明仿真结果和试验结果。
2系统分析
直流电机具有响应快速、起动转矩较大，以及从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°
，这就需要碳刷及整流子。
碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。
交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能实现。
现今半导体发展迅速，功率组件切换频率加快许多，提升了驱动电机的性能。
微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，可达到类似交流电机的控制并有与直流电机相当的性能。
无刷直流电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性且结构上优于直流电机的一种电机。
2.1无刷直流电机概念
2.1.1永磁无刷直流电机的基本结构
稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机基体、开关电路、位置传感器三部分，如图2．1所示。
图2．1永磁无刷直流电动机的组成
（1）电机基体
稀土永磁电动机基体是由带有电枢绕组的定子和永磁转子组成。
常用的有三种结构形式：
转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体；
转子铁心中嵌入矩形板状稀土永磁体：
转子外套上一个整体粘结稀土磁环的环形永磁体。
还有一种外转子式结构，即带有稀土永磁极的转子在外，嵌有绕组的定子在里。
电机运行时，外转子旋转。
（2）开关电路
开关电路由逆变器和驱动电路组成。
逆变器主电路有桥式（图2．2a）和非桥式（图2．2b）两种。
电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态（图2．2a）。
驱动电路将控制4电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通与关断的驱动信号。
图2．2桥式（a）与非桥式（b）逆变电路
（3）转子位置传感器
转子位置传感器是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置，向控制器提供位置信号的一种装置。
它由定、转子组成，其转子与电动机同轴，以跟踪电机本体转子位置；
其定子固定于电机本体定子或端盖，以感应和输出转子位置信号。
2.1.2三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理
无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响，在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。
无刷直流电机控制器包括电源部分和控制部分，如图2．3所示。
电源部分提供三相电源给电机，控制部分则按照需求转换电源频率。
电源部分可以直接以直流电输入或者以交流电输入，如果是以交流电输入就需先经转换器（convcfter）转成直流电。
不论是直流电输入或是交流电输入，送入电机线圈前须先将直流电压由逆变器（invatcr）转成三相电压来驱动电机。
逆变器一般由六个功率晶体管，分为上桥臂和下桥臂，连接电机作为控制流经电机线圈的开关。
控制部分则提供PWM脉冲宽度调制信号决定功率晶体管开关频率及逆变器换相的时机。
对于无刷直流电机，当负载变动时，一般希望速度可以稳定于设定值而不会有太大的变动，所以电机内部装有霍尔传感器（hall-sansor），作为速度的闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。
电机转动由霍尔传感器感应到的电机转子所在位置，决定开启或关闭逆变器中功率晶体管的顺序来控制，如图2．3所示，逆变器中的AH、BH、CH（上桥臂功率晶体管）及AL、BL、CL（下桥臂功率晶体管），使电流依序流经电机线圈，产生顺向或逆向旋转磁场，并与转子磁铁产生的磁场相互作用，使电机顺向或逆向转动。
当电机转子转动到霍尔传感器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，电机就可以实现转动。
功率晶体管的开启方法举例如下：
AH、BL一组一AH、CL一组一BH、CL一组一BH、AL一组一CH、AL一组一CH、BL一组，但不能使AH、AL或BH、BL或CH、CL，即同相上下桥臂同时导通。
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（或上譬）就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。
设电机转子位置传感器采集的位置信号为Ha、Hb、Hc，分别对应于逆变器的A相、B相、C相，则当前位置与下一位置电子开关导通相的对应关系如表2．4所示。
在电机转动时，控制部分会根据系统设定的速度决定功率管的导通时间。
若系统要求加速，则增长功率管导通的时间，若要求减速，则缩短功率管导通的时间，此部分工作由PWM脉宽调制信号控制。
图2-3六臂全桥式驱动电路
Q1到Q6为功率场效应管，当需要AB相导通时，只需要打开Q1,Q4管，而使其他管保持截止。
此时，电流的流经途径为：
正极→Q1→线圈A→绕组B→Q4→负极。
这样，六种相位导通模式：
AB,AC,BC,BA,CA,CB分别对应的场效应管打开顺序为Q1Q4,Q2Q2,Q3Q2,Q3Q6,Q5Q6,Q5Q4。
图2.3三相无刷直流电机工作原理
图2.4霍尔传感器信号与桥臂驱动信号示意图
2．2直流电动机的PWM调速原理
直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法就是调节电枢电压。
改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。
为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制（PWM）技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调遽，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。
它被越来越广泛的应用在各种功率的调速系统中。
本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制（PVCiV工）来控制电动机电枢电压，实现调速。
当开关的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us，tt秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为晓fz秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。
2．3霍尔传感器
霍尔器件是一种磁传感器。
按照霍尔器件的功能可将它们分为：
霍尔线性器件和霍尔开关器件。
前者输出模拟量，后者输出数字量，可用于磁场的测量和控制。
霍尔器件具有许多优点，它们的体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHz），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。
此外，其工作温度范围宽，可达-55℃～150℃。
由无刷直流电机控制系统工作原理可知，电机位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。
由于电动自行车的电机安装在轮毂内，对电机的尺寸和位置传感器体积的要求都比较高，考虑传感器的体积和性能,通常采用的传感器是磁敏式开关式传感器，目前使用最广泛的是开关型霍尔集成传感器。
当霍尔传感器用作无刷直流电机转子位置信息检测装置时，将其安放在电机定子的适当位置，霍尔器件的输出与控制部分相连。
当无刷直流电机的永磁转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令霍尔器件输出一个电压信号，该信号被送到控制部分，由控制部分发出信号使得定子绕组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，从而产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。
当转子到下一位置时，前一位置的霍尔器件停止工作，下一位置的霍尔器件输出电压信号，控制部分使得对应定子绕组通电，产生推斥场使转子继续转动，如此循环，维持电机运转。
2．4无刷直流电机应用
无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。
总的来说，无刷直流电机可以分为以下三种主要用途：
持续负载应用：
主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用，这类应用成本较低且多为开环控制。
可变负载应用：
主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。
如家用器具中的、甩干机和压缩机就是很好的例子，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类应用的系统成本相对更高些。
定位应用：
大多数工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别，这类应用中往往会完成能量的输送，所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。
测速时可能会用上光电和一些同步设备。
过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用。
3硬件设计
无刷直流电机控制器在控制方式上主要有以专用集成芯片、单片机和DSP芯片控制三种方式。
专用集成芯片为核心的控制器，系统结构简单，价格较便宜，但是系统灵活性不足，保护功能有限；
以DSP芯片为核心的控制器，控制精度较高，但是算法较复杂，开发周期长，成本较高，不易在市场上推广。
本设计使用单片机作为主控芯片能弥补上述两方案的不足。
3．1硬件系统框图
本系统主要采用的硬件有稳压芯片、6颗MOS构成的三相全桥电路、直流无刷电机、按键、单片机、显示模块、三相霍尔、2104驱动电路、电流检测电路以及一些外围电路，具体系统框图如图3-1所示。
3.1系统框图
3．2控制方式
由于该电路有6个MOS管，上桥臂开关管采用PWM工作方式，下桥臂为选通工作方式，所以需要三路PWM信号，由于有3路硬件PWM信号输出的单片机型号较少，本设计采用与非门电路，只需1路PWM信号即可实现控制目的。
3.2与门电路
3．3单片机选择
目前，市场上有很多无刷电机专用控制芯片，很多生产厂商采用MC3303无刷电机专用控制芯片，它具有无刷直流电机控制系统所需要的基本功能。
本设计采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，不仅可以实现专用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易实现系统扩展，通过软硬件设计，实现多功能的电机控制。
STC12C5A60S2单片机有60K的Flash程序存储字节，36个I/O口，具有两路PWM输出、8路10位ADC模数转换、每个I/O能设置成弱上拉、强上拉、高阻、开漏模式，I/O在弱上拉时输出电流为0.15~0.25mA。
该单片机内置上电复位电路，性价比高，抗静电，抗干扰，低功耗，低成本。
图3-3STC12C5A60S2单片机实物图
3.4电路供电电源的选择
线性降压芯片7805。
这个稳压IC需要的外围元件很少，IC内部还有过流、过热及调整管的保护措施，不但价廉且输出电压很稳定。
78系列的稳压集成块要考虑输出与输入压差带来的功率损耗，所以一般输入输出之间压差要大于2V。
其应用电路图如图3-4所示。
图3-47805应用电路
3．5场效应管的驱动电路选择
如图3.3所示三相电桥电路图，其电路功率器件选用6个功率场效应管，由于市电电压为交流220V，整流后的电压为310V，要预留10%余量，故需要选择耐压值大于350V的场效应管。
电机的功率为600AV,功率因素为0.6，实际的工作功率为360W，故实际工作电流为1.16A，由于电机启动瞬间电流会大于正常工作电流的3倍以上，但是持续时间较短，预留200%余量，故需要选择电流大于4A场效应管。
由于高压场效应管均发热量比较大，所以系统采用加风扇散热，以达到降低热阻的效果。
选用仙童公司生产的8N60场效应管，该管的耐压值为600V，25°
C时最大通过电流为8A，100°
C时最大通过电流为4.6A，内阻为1.2Ω，管子的开通时间为60.5ns，关断时间为64.5ns能达到系统的要求。
A、B、C分别与无刷直流电动机三相绕组成三角形接法。
3.5三相电桥电路图
半桥驱动电路。
IR2104是一种高性能的半桥驱动芯片，该芯片采用被动式泵荷升压原理。
上电时，电源流过快恢复二极管D向电容C充电，C上的端电压很快升至接近Vcc，这时如果下管导通，C负级被拉低，形成充电回路，会很快充电至接近Vcc，当PWM波形翻转时，芯片输出反向电平，下管截止，上管导通，C负极电位被抬高到接近电源电压，水涨船高，C正极电位这时已超过Vcc电源电压。
因有D的存在，该电压不会向电源倒流，C此时开始向芯片内部的高压侧悬浮驱动电路供电，C上的端电压被充至高于电源高压的Vcc，只要上下管一直轮流导通和截止，C就会不断向高压侧悬浮驱动电路供电，使上管打开的时候，高压侧悬浮驱动电路电压一直大于上管的S极。
采用该芯片降低了整体电路的设计难道，只要电容C选择恰当，该电路运行稳定。
图3.6半桥驱动电路
3．6输入设备的选择
方案一：
按键。
按键的输入量单一，不能实现电机自由变速。
方案二：
电位器。
输入量大且输入量的大小客观可见，方便操作者生理感官直接感受。
由于输入的数据量大，方案二最符合这个要求，故选择方案二输入设备。
图3-7按键电路
3．7显示模块选择
数码管。
数码管价格低廉，显示方案需要增加驱动电路，而且显示内容单一，驱动电流比液晶显示电流大。
1602液晶显示。
液晶驱动电流较小，能显示较大信息量，无需增外设电路。
由于系统需要显示多行数据，方案二最符合这个要求，故选择方案二为显示模块。
图3-81602液晶显示
3．8电流检测电路
霍尔电流传感器。
电流流过霍尔传感器的线圈发生磁场，磁场随电流的大小变化而变化，磁场汇集在磁环内，霍尔元件输出跟着磁场变化的电压信号。
经过检测电压值，能得到电流的大小。
电阻分压检测电路。
经过在输出回路中串连采样电阻，将经过电阻的电流转换成两端的电压，经过检测电压值从而获得电流值。
该检测方式电路和程序控制都比较简洁。
要完成对输出电压和电流的闭环控制，务必对输出电流和电压进行采样反馈。
本设计采用如下图所示的电流电压检测电路。
为了便于MCU采集，分压电阻发生的电压经过由LM358组成的同相比例放大器放大后，输入到MCU的ADC端口。
LM358内部集成的是双运放，单电源和双电源都能使其工作。
图3-9Lm358引脚图及引脚功能
要完成对输出电压和电流的闭环控制，务必对输出电流经过运放放大后进行采样反馈。
本设计采用如图3-10所示的电流检测电路。
图3-10电流检测电路
为了板子器件的安全，我们设定保护电流为2A，即电流超过2A，系统进入保护状态。
本设计采用电阻分压的式样对输出的电压进行实时检测，因为采样电压直接输送给单片机10位ADC进行检测，单片机供电电源为5V，所以其内部自带的检测的最高电压也为5V，这个电路中，LM358由5V电压供电，最大输出电压和供电电源电压之前有1.2V压差，所以能输出最大电压为：
（3-1）
2A电流经过0.025Ω电阻得到的电压为
（3-2）
该电压要经过放大后才能更容易被单片机检测到，在这个应用中运放的放大倍数应该小于
（3-3）
这里选择R12和R10为33K和1K，放大倍数为
（3-4）
因为
>
符合设计要求。
即当电流为2A时，运放输出电压为：
（3-5）
3．9电压检测电路
输入电压为24V，而单片机的采样电压最高位5V，故电压采样电阻比例应该小于
（3-6）
这里取R1和R5是100K和10K，
（3-7）
1<
2,所以满足条件。
当24V输入时，单片机检测到的电压是，
（3-8）
电压分压检测电路如图3-11所示。
图3-11电压检测电路
综合以上的分析论证，本无刷直流电机驱动电路采用STC12C5A60S2单片机作为控制核心，霍尔传感器反馈电机转子当前位置，单片机处理后的输出信号经各级处理电路，控制三相电桥的通断状态，实现控制电机转速的目的。
采用电位器为电机转速输入设备，采用1602液晶显示电机转速信息，主电路功率器件选用6个N沟道功率场效应管，半桥驱动电路采用IR2104芯片。
整体电路图如图3.12所示
3.12整体电路
4程序设计
4．1程序编译环境
单片机及其外围硬件的执行离不开软件的运作。
为了实现单片机采集信号、控制系统，需要编制相应的软件程序。
对于51系列单片机的编程，主要有汇编和C语言两种编程语言，汇编语言功能强、运行速度快，但编程复杂，调试繁琐，并且移植性差；
而C语言作为准高级语言，具有良好的可读性，调试简单，移植性好。
本系统采用C语言编写程序，KeilC51作为集成开发环境。
4．2三路PWM的产生
由于该电路有6个MOS管，上桥臂开关管采用PWM工作方式，下桥臂为选通工作方式，所以需要三路PWM信号，单路PWM（P1_3脚）信号可以通过与门电路实现PWM的选通而产生3路PWM信号
4-1与门电路
其逻辑真值表如下
PWM
IN1
SD1
IN2
SD2
IN3
SD3
1
采用PWM控制的方法控制上管进行PWM，下管选通。
另外的，由于人耳朵的听力范围为20~20KHz的声波，所以PWM要避开这一人耳敏感的频率，单片机选择21KHz的PWM输出，降低了无刷直流电机的运行噪声。
用按键调节控制电机的PWM占空比，从而达到电机转速的可控性。
由于按键不需要响应反应很快，故按键程序直接在主程序
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