无刷直流电机控制器的设计本科生毕业论文Word文档格式.docx
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1.1.1无刷直流电机的优势
电动车辆主要用于城市交通，车辆大部分时间处于启动、加速、制动的工作状态，因此电机的起动性能、加速性能、低速时的效率、制动时的能量再生能力、电机的过载能力、电机的能量密度、电机可靠性对电动车辆尤为重要，是衡量电动车辆电机的重要指标。
目前电动车辆还没有专用电机可选，只能选用通用电机，如直流串激电机、直流并激电机、永磁直流电机、异步电机等。
通用电机的负载特性为恒负载特性，而电动车辆特性为变负载特性，两者特性不匹配，影响了电机出力，进而影响了电动车辆性能。
另外，通用电机的最大效率点均设计在额定点附近，当负载偏离额定点时，电机效率急剧下降，影响了车辆的续驶里程。
开关磁阻电机在低速时具有较大的转矩，但效率偏低，永磁同步电机具有较高的效率，但低速时转矩无法提升。
只有无刷直流电机具备了以上电机的所有优点，它具有串激直流电机的低速转矩提升功能、并激直流电机的调速性能、永磁同步电机的高效特性和接近异步电机的可靠性，非常适合电动车辆的需要。
现就各种电机技术指标汇总见表1-1。
从表1-1看无刷直流电机是最为理想的电动车辆驱动电机，与其它电机相比其主要优点为：
①电机外特性好，非常符合电动车辆的负载特性，尤其是电机具有可贵的低速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足车辆的加速要求。
②速度范围宽，电机可以在任何转速下全功率运行，这是无刷直流电机的独有特性，这样可以省去汽车的机械变速器，改变内燃车辆的传动模式，进一步提高整车效率。
③电机效率高，尤其是在轻载车况下，电机仍能保持较高的效率，这对珍贵的电池能量是很重要的，该种电机可比永磁直流电动机提高效率10％以上，比Y系列电动机提高效率20％以上。
④过载能力强，这种电机比Y系列电动机可提高过载能力20％以上，满足车辆的突起堵转需要。
⑤再生制动效果好，因电机转子具有很高的永久磁场，在汽车下坡或制动时电机可完全进入发电机状态，给电池充电。
⑥电机体积小、重量轻、比功率大、可有效地减轻重量、节省空间。
⑦电机无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电机内部，可靠性高。
⑧电机控制系统比异步电机简单。
表1-1各种电机性能指标
性能指标
直流电机
永磁直流电机
鼠笼异步电机
永磁同步电机
无刷直流电机
起动性能
5
4
2
低速性能
3
低速时效率
平均效率
能量密度
过载能力
再生能力
可靠性
制造成本
控制器成本
合计
36
38
37
45
47
1.1.2无刷直流电机研究现状
电机分为直流电机、同步电机和异步电机，在我国三种电机的生产分工较为明确，无刷直流电机是三种电机的集合，是电机发展的高层次产品，代表电机的发展方向。
目前无刷直流电机研究刚刚起步，主要集中在高等学校，如浙江大学、北京航空航天大学、上海交通大学等，均在进行1.5kw以下样机的研究试验，清华大学正在做15KW电机的样机实验，中科院正在做28
KW电机的样机实验。
在企业中生产高性能、大容量这种电机的厂家还没有，只有生产结构简单、性能较低、容量在0.2KW以下、用于电动自行车电机的厂家。
国际发达国家对无刷直流电机的研制与中国大体相当，但像美国、日本在无刷直流电机控制方面比中国先进[8]。
2 总体设计
2.1无刷直流电机的结构及其工作原理
2.1.1无刷直流电机的结构
与有刷直流电机具备的旋转的电枢和固定的磁场相反，无刷直流电机具有旋转的磁场和固定的电枢，所以无刷直流电动机不需要像有刷直流电机一样必须使用电刷与换向器来使电机旋转。
图2-1是无刷直流电机的组成框图：
图2-1无刷直流电机组成框图
电机本体的主要部件有定子（A、B、C三相）和转子。
定子部分最重要的部件是电子的绕组（见图2.2.1右边的图形）当电机接上电源后，电流流入绕组，产生磁动势，后者与转子产生的励磁磁场相互作用而产生电功率，并通过转子输出一定的机械功率从而实现了将电能转换为机械能这个过程。
电机的转子是产生励磁磁场的部件，由三部分组成：
永磁体、导磁体和支撑零部件。
永磁体和导磁体是产生磁场的核心，由永磁材料和导磁材料组成。
无刷直流电机要旋转，除了电机本体外，还需要转子位置传感器和电子换相电路的共同配合。
转子位置传感器的作用是检测转子磁极的位置，并将位置信号提供给电机控制器，为其正确驱动电子换相电路提供依据。
电子换相电路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调、预放大、功率放大，然后去触发末级功率晶体管，使电枢绕组按一定的逻辑程序通电，保证电机的可靠运行[1]。
2.1.2无刷直流电机的原理
无刷直流电机的工作过程是电机本体、转子位置传感器和电子换向电路三者协同工作的过程，只要有任何一方出了差错，都会对电机的运行造成很大的影响。
三者的工作原理图如图2-2所示：
图2-2无刷直流电机工作原理框图
在无刷电机中，借助反映主转子位置的位置传感器器的输出信号，通过电子换相电路去驱动与电枢绕组连接的相应的功率开关器件，使电枢绕组依次通电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。
随着转子的转动，位置传感器不断送出信号，然后通过控制器对这些信号的判断，不断送出驱动信号控制相应的功率器件开关，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电机的无接触式换相过程。
无刷直流电机的电枢绕组的联结方式基本上有星形绕组和封闭式绕组两类，这里介绍星形绕组。
星形联结方式是把所有绕组的首端或尾端接在一起，与它们相配合的电子换相电路为桥式联结，也可以为非桥式联结，图2-3即为三相桥式星形联结。
现以图2-3所示的三相桥式星形联结方式来介绍一下无刷直流电机的工作过程。
假设此时无刷直流电机的三个位置传感器的物理位置是相互之间间隔120°
，那么在转子转动时其中的位置传感器就会感应出特定的信号来。
以霍尔传感器为例，当转子处于正转的状态时，三个霍尔传感器H1、H2、H3感应出的信号分别为101、100、110、010、011、001，然后进行下一轮循环。
当转子处于一种反转的状态时，三个霍尔传感器感应出的信号则与正转时感应的相反，这里不再赘述。
图2-3三相桥式星形联结示意图
无刷直流电机的转动离不开电子换相电路的支持。
当电机内部的霍尔传感器感知出一个信号后，电子换相电路要及时获取这个信号，并且很快地根据这个信号来正确判断输出与其相应的驱动信号。
以无刷直流电机的正转为例，当电机的霍尔传感器输出信号为101时，打开V1、V4，使A、B相导通；
当信号为100时，打开V1、V6，使A、C相导通；
当信号为110时，打开V3、V6，使B、C想导通；
当信号为010时，打开V3、V2，使B、A相导通；
当信号为011时，打开V5、V2，使C、A相导通；
当信号为001时，打开V5、V4，使C、B相导通。
只有电子换相电路实时跟进电机内部霍尔传感器捕获的信号，电机才能正常运转[1]。
2.1.3无刷直流电机的运行特性
无刷直流电机的运行特性在此主要介绍其启动特性和调速特性。
讨论各种电机的运行特性时，一般都从转速公式、电动势平衡方程式、转矩公式和转矩平衡方程式出发。
对于无刷直流电机，其电动势平衡方程式为
（2-1）
式中，U是电源电压（V）；
E是电枢绕组反电动势（V）；
Iacp是平均电枢电流（A）；
是电枢绕组的平均电阻（Ω）；
ΔU是功率晶体管饱和管压降（V），对于桥式换相线路为2ΔU。
对于不同的电枢绕组形式和换相线路形式，电枢绕组反电动势有不同的等效表达式，但不论哪一种绕组和线路结构，均可表示为
（2-2）
式中，n是电机转速（r／min）；
是反电动势系数（V／r／min）。
由式（1－1）、式（1－2）可知：
（2-3）
在转速不变时，转矩平衡方程式为
（2-4）
式中，M2是输出转矩（N·
m）Mo是摩擦转矩（N·
m）,M是电磁转矩。
这里，
（2-5）
Km为转矩系数（N·
m／A）。
在转速变化的情况下，则
（2-6）
式中，J是转动部分（包括电机本体转子及负载）的转动惯量（kg。
2m）；
ω是转子的机械角速度（rad／s）。
电机在起动时，由于反电动势为零，因此电枢电流（即启动电流）为
（2-7）
其数值是正常情况下工作电枢电流的几倍到几十倍，由式（2-5）可知，此时电枢的电磁转矩非常大，电机能很快起动。
随着转子的加速，反电动势E增加，电磁转矩降低，加速转矩减小，最后进入正常的工作状态。
为了防止在起动时因起动电流过大而烧坏了电机，这就要求控制器在控制电机起动时必须要使PWM驱动波保持在一个比较合理的占空比上，并设置电流反馈控制，在保证电机能快速起动的基础上又尽量让电机保持在一个电机能接受的范围内。
另外，当电机发生堵转时，这时电机也会有很大的电枢电流流过，这时在控制器上设置一个过流保护电路也是很必要的。
总之，对电流的检测，一切都是为了电机的安全。
现讨论电机的调速特性。
当电机以一定的转速正常运行时，此时电枢电流为：
（2-8）
电磁转矩为：
（2-9）
由此看出，当不记电源电压U的变化和电枢反应的影响时，式（2-9）等号右边第一项是常数，所以电磁转矩随着转速的减小而线性增加，如图2-4所示：
图2-4无刷直流电机机械特性曲线
当转速为零时，即为起动转矩；
当式（2-9）等号右边两相相等时，此时转矩M=0，即电机运行在空载的状态。
实际上由于电机损耗中可变部分以及电枢反应的影响，输出转矩会偏离直线变化[1][4]。
当在同一转速下改变电源电压，亦即控制住（2-9）等号右边的第一项，这时就能很容易地改变输出转矩M，也很容易在同一负载下改变转速。
所以无刷直流电机的调速性能很好，可以通过改变电源电压实现平滑调速，但此时电子换相线路及其他控制线路的电源电压仍能保持不变。
无刷电机的这个运行特性就和有刷电机很相似了，他们都有着良好的伺服控制性能，这也为无刷直流电机用PWM波控制其转速提供了理论基础。
3 硬件设计
3.1单片机概述
3.1.1PIC16F72单片机的主要性能
首先我们对外部时钟输入：
它的频率是20MHz，其中有2K字14位宽的程序存储空间，伴随着128字节8位宽的数据存储空间，另外还有8个中断，3个8位I/O口以及PORTA、PORTB、PORTC。
还有三个定时器模块：
TIMER0、TIMER1、TIMER2随带着一个CCP模块；
5路8位模数转换。
3.1.2PIC16F72单片机的功能特性描述
在CPU方面：
我们只需要学习35条汇编指令；
除了转移指令外，其他的汇编指令都是单字节指令；
它的运算速度是20M外部时钟输入，200ns指令周期；
2K*14位字节的程序存储空间；
并且在输出引脚与PIC16F872、PIC16C72/A兼容，它具有中断功能其具备8级硬件堆栈；
直接寻址、间接寻址、相对寻址模式；
外围模块性能：
它的宽工作电压范围是2V-5.5V；
它的Timer0：
8位宽并附带8位预分频器的定时/计数器；
Timer1：
16位宽并附带预分频器的定时/计数器，并能在睡眠模式下凭借外部的晶振或时钟输入继续保持增量；
Timer2：
8位宽并附带8位周期寄存器以及一个预分频器和一个后分频器；
CCP模块：
最多16位宽，分辨率为12.5ns的捕获器；
最多16位宽，分辨率为200ns的比较器；
最多10bit分辨率的PWM波；
5路8位数模转换器；
SPI串行通信模块和I2C串行通信模块；
欠压复位电路；
[3]
3.1.3PIC16F72单片机的引脚排列
图3-1PIC16F72引脚图
3.2MOSFET驱动芯片IR2103简介
IR2103的管脚图如图3-2所示。
引脚
是悬浮电源连接端，通过自举电容为上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，引脚
是与
对应的悬浮电源的地端。
引脚HIN和LIN分别是上桥臂功率管和下桥臂功率管的驱动信号输入端，HIN是高电平有效，LIN是地电平
有效，并且他们的输入信号范围3V~5V，与TTL电平和CMOS电平兼容。
HO
LO是输出逆变桥上下桥臂的功率开关器件的驱动信号，其输出的信号电平范围
图3-2IR2103管脚图
是10~20V，其输出的信号受输入引脚HIN和LIN的共同控制，具体的输入输出时序逻辑关系如图3-3所示：
图3-3IR2103输入输出时序逻辑关系图
此外，还要介绍的是IR2103所具备的产生死区时间功能。
如图3-4所示，当HIN和LIN同时从低电平跳变到高电平时，HO和LO并不是在同一个时间往各自相反的方向跳变，而是HO的输出波形要比LO的输出波形窄，从而在两个
波形跳变处产生了时间差DT，这个时间差DT就是死区时间。
根据IR3103的
Datesheet，产生的死区时间DT的大致范围是400~650ns，满足MOSFET的开
通或关断时间。
由于后续部分的硬件电路设计部分要用到死区时间，所以在先这里简单的介绍一下。
图3-4死区时间波形图
3.3无刷直流电机控制器的硬件设计
3.3.1无刷直流电机控制器硬件实现的设计思路
无刷直流电机控制器原理框图如图3-5所示。
从原理框图可以看出，无刷直流电机控制器硬件电路包括直流电源模块、调速&
刹车输入模块、功率驱动模块（即逆变桥驱动电路）、功率输出模块（即逆变桥电路）、智能控制模块（以PIC16F72单片机为核心的电路）。
直流电源模块为经过一系列的变压转换，能输出一系列不同的电压值，为整机的不同模块提供合适的电压和电流，是整机的动力来源。
对电动车用无刷直流电机来说，由于其只能采用电池形式的供电方式，而电池的能来总是越用越少，所以必须定时检测一下电源的电压以确定电池此时的剩余电量，以免使用电池过量造成而缩短电池的使用寿命。
调速和刹车输入模块实现电机的调速输入。
其实现方式为输出通过输出电位器的电压变化来表示此时电机输出速度应做的增减调整，为后面提及的PWM调速提供依据。
图3-5无刷直流电机控制器原理框图
逆变桥驱动模块接收到智能控制系统提供的换相以及调速信号后，通过一系列的转换，使控制器输出的信号转换成相应的控制逆变桥电路动作的驱动信号，从而达到控制正确控制逆变桥动作的目的。
逆变桥电路根据逆变桥电路的驱动信号使各个MOSFET做相应的开关动作，为无刷电机提供能量，驱动电机做加速、加速、匀速、制动等一系列动作。
智能控制模块是核心。
一方面，控制模块接收来自无刷电机的霍尔传感器发送的位置信号，并经过一系列算法的处理向逆变桥电路输出换相的波形，使电机能正常运转；
另一方面，控制模块通过对调速和刹车信号的采集确定电机的预定转速，同时根据实时采集的霍尔位置信号确定预定速度和实际速度的差值，然后采集逆变桥电流，在电机的电流没有超出最大电流的前提下，控制模块通过调节PWM波的占空比以达到速度调节的目的；
同时，控制模块还要采集电源电压，确保电源没有工作在欠压状态。
3.3.2电源电路部分
图3-6电源电路原理图
电源电路输出三路电压，分别是+48V电压、+13.5V电压和+5V电压。
第一路为电池的电压，输出电压为+48V，主要为逆变器供电，具体连接见功率驱动MOSFET部分。
第二路输出+13.5V电压，主要供给MOSFET作开通电压用，其实现电压转换的原理是通过LM317与R3、R4组合输出电压，转换公式为
（3-1）。
通过计算可得，第二路电源电压约为13.5V。
由于驱动电路对第二路电源的要求不是很高，基本上在10V到20V时即可控制MOSFET正常开关，所以选择还是比较合适的。
LM317的输入和输出电压不能超过60V，所以要在输入端串接R1以达到压降的作用在此，R2的作用一方面是争取更多的电流以驱动负载，另一方面则分担了LM317的一部分功耗。
第三路输出+5V电压，由H7805提供，它一方面要为智能控制系统提供电源电压，另一方面是作为AD转换的基准电压值，所以对这路电压精度的要求比较搞，一般要让其波动电压范围稳定在4.8~5.2V之间，H-7805芯片能满足这个要求。
3.3.3输入信号处理部分
3.3.3.1电源电压检测信号处理部分
图3-7电压检测电路
电源电压检测信号处理部分如上图3-7所示，其基本的实现方式是利用电阻的分压原理使进入A/D转换的电压值能处在5V以内，并且电压值的变化与外部电源电压的变化成正比，从而能很好地监视电源电压的变化。
在右图中，输入单片机A/D转换的电压值为
（3-2）
由上式计算可得，
0.08*
，这样A/D模块能识别的最高电压就达到了60V左右，即使有时因电压不稳而产生较大跃变时A/D转换模块也能很快察觉出来。
3.3.3.2电流检测信号和处理部分
电流检测电路和处理部分分成电流检测电路和过流保护电路两部分。
它们组成的原理图如图3-8所示。
图3-8电流检测和过流保护电路
在图3-8中，R45是康铜电阻，所以检测就是采用电阻R45来实现的。
R45安装在功率驱动桥的下端与功放板地线之间，这样通过电动机的电流最终是要经过R45接地的，因此，根据欧姆定律，只要知道了R45两端的电压，就知道相电流了。
LM358带两个放大器，其中U1A作比较器用，用于判断是不是有电流过流情况。
由图可知，引脚3作为基准电压的输入用，可以计算出，基准电压为
=0.3V。
正常情况下，输出引脚1处于高电平状态，当出现过流的现象时，康铜电阻出的电压增大，输入引脚2将大于基准电压，这时输出引脚1将翻转到低电平状态，由此给单片机一个过流保护中断，促使单片机做过流保护的相关工作。
LM358的U1B就作为放大器用，其放大的倍数是6.5倍。
选择的放大倍数较小的原因有两个：
1）LM358的频率响应不够高，而PWM波形的频率是15KHz，如果放大倍数比较大的话，那么其电流响应将变成梯形波，不利于电流信号的采集；
2）输出的电流信号杂波太多，尤其在起动的时候，电流值的波动非常大，如果放大倍数选的太大的话，有可能引起误判。
综上，选择6.5倍虽然在电流大小的放大精度上有一定影响，不过都在允许的范围内。
3.3.3.3霍尔位置传感器信号处理部分
霍尔位置传感器信号处理部分的电路图如图3-9所示。
图3-9霍尔位置传感器输入信号电路
在这里，霍尔传感器安装在电机内部，是一种开关型器件，且采用的是OC门输出的形式，要使其产生高低电平，必须接上拉电阻才行。
从霍尔传感器输入的信号经过阻容低通滤波后再输入到单片机中，以免杂波的干扰影响单片机的判断。
阻容低通滤波的选取则既要考虑到通过低通滤波滤除信号高频成分的效果，又要考虑到其对从霍尔传感器输入的方波的响应情况，以尽快达到单片机输入口的门限电压（PIC单片机I/O口的高电平的门限电压是2~3V），这样才符合实时采集的要求。
在这里，当输入由低转高时，总电阻为5.5Kohm，电容为0.1uf，经过计算，输入电压上升到3V的时间是0.3ms，而在转速最大时单相霍尔传感器的输出频率是140Hz，即其输出的周期是7ms，符合要求。
3.3.3.4手柄（调速）信号处理部分
手柄（调速）信号处理部分如图3-10所示。
图3-10调速信号输入电路
调速信号的输入信号采用电阻式电位器控制，控制的电压范围是0~5V，信号从引脚2经过阻容低通滤波后进入单片机的A/D模块中采样处理。
3.3.3
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