6无刷直流电机控制器的软件设计Word下载.docx
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但是,有机械接触电刷换向器降低了系统的可靠性,使得其在很多场合中无法使用。
为了取代有刷直流电动机的机械换向装置,人们进行了长期的探索。
很早就有人提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷,从而诞生了无刷直流电机的基本思想。
1.2.1无刷直流电机在国外的发展概况
1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利,标志着现代无刷直流电动机的诞生。
无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步,当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段,可靠性差,价格昂贵,加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约,使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内,性能都不理想,只能停留在实验室阶段,无法推广使用。
70年代初,随着电机技术及其相关学科的迅猛发展,无刷直流电机进入了实用阶段,在计算机外设等领域开始应用,还先后研究成功方波和正弦波无刷直流电机。
近40年来,“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换向电机。
如今的无刷直流电机集特种电机、变速机构、检测元件、控制软件与硬件于一体,形成为新一代电动调速系统,是体现着当时应用科学的许多最新成果的高科技产物,在各个领域得到了广泛的应用,无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。
在1978年汉诺威贸易博览会上,前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器,引起了世界各国的关注,随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮,这也标志着无刷直流电动机走向实用阶段。
1986年,H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结,指出了无刷直流电动机的研究领域,成为无刷直流电动机的经典文献,标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。
1.2.2无刷直流电机在中国的发展概况及其应用领域
我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。
1987年,在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上,SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器,引起了国内有关学者的广泛注意,自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。
经过多年的努力,国内目前已有无刷直流电动机的系列产品,形成了一定的生产规模。
我国的无刷直流电机也已在航模、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发展。
但中国无刷直流电机产业的发展过程中出现了不少问题,许多情况不容乐观,如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品;
技术密集型产品明显落后于发达工业国家;
产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大;
企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。
1.2.3当今世界对无刷直流电机的研究热点
当今世界对无刷直流电机的研究热点主要集中在以下三个方面:
(l)从电机设计和控制策略等方面出发,研究无刷直流电机转矩波动抑制方法并提高其伺服精度,扩大其应用范围;
(2)设计可靠、小巧、通用性强的集成化无刷直流电机控制器;
(3)研究无位置传感器控制技术以提高系统的可靠性,进一步缩小电机控制系统的尺寸与重量。
1.3主要研究内容及结构安排
1.3.1主要研究内容
本文对无刷直流电机的原理、结构和控制方法进行了深入的分析,根据市场上现有的无刷直流电机控制器的主要特点进一步进行性能的优化,高效率,超平稳,低成本的无刷直流电机控制器。
重点介绍了基于STC89C52单片机的无刷直流电机控制器系统的硬件电路的软件设计,具体为:
1 查找资料,了解无刷直流电机的工作原理、控制方式以及无刷直流电机控制器的软硬件设计方案;
2 根据控制器的主要功能,设计系统总体控制框图和控制策略,选择STC89C52作为控制器的主控芯片,硬件设计的组成部分有速度显示电路、按键电路、程序下载电路、功率驱动电路、过流保护电路等模块电路组成;
3 软件设计则根据从硬件采集到的位置信号、正反转信号、停止信号等,通过52单片机的处理,分别作出换相、正反转、PWM调制、停止等一些相应的输出动作,以实现对无刷直流电机的控制的目的。
4 对产品进行实验室测试,并对现象进行分析。
5 最终产品方案的设计,包括原理图、PCB和源代码。
1.3.2论文结构安排
全文包括六章,各章节内容安排如下:
第1章为绪论部分,介绍了本课题研究目的和意义,概述无刷直流电机在国内外的发展、研究与应用状况及本文的主要研究工作。
第2章介绍了无刷直流电机的原理及其控制方案,根据任务书确定控制方案。
第3章介绍了简单介绍硬件部分电路。
第4章详细介绍无刷直流电机控制器的各功能的软件设计。
第5章分析、调试。
第6章为结论。
后面的包括:
参考文献、致谢、附录。
第二章无刷直流电机的工作原理及控制方案
三相永磁无刷直流电机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成,电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成,而对转子位置的检测可以通过用传感器的方法或无位置传感器技术进行确定。
工作时,控制器根据测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管,进行有序换流,以驱动直流电动机运行。
本章将简单介绍无刷直流电机的结构和控制方案。
2.1无刷直流电机的结构分析
2.1.1有刷直流电机的结构
图2-1为有刷直流电机的示意图。
只要在电刷A、B两端通入一定的直流电流,电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向,这样,直流电机的转子就会持续的运转下去。
图2-1直流有刷电机示意图
由图分析可知,这样的结构存在一定的缺陷:
1)电机的长期工作使用电刷容易受到粉尘的危害,降低了工作的可靠性。
2)电刷在换向时容易产生火花,所以在很多场所限制使用。
3)长时间工作使电机磨损严重,需要经常更换,这样就增加了维护的成本。
2.1.2无刷直流电机的结构
图2-2为无刷直流电机的示意图,它主要由转子(永磁体)、线圈绕组的定子和位置传感器组成。
无刷电机和有刷电机在结构上有着截然不同的地方:
无刷直流电机用位置传感器代替换向器和电刷,不能自动换向,因此成本提高了。
图2-2无刷直流电机示意图
图2-2所示无刷直流电机为三相星型连接单磁极对数的无刷直流电机,而且他的定子(线圈绕组)在内,转子(永磁体)在外,电动自行车上的无刷直流电机多采用这种电机。
与直流有刷电机相比,直流无刷电机具有以下优点:
1 在低速下能够输出较大的转矩,因此在电动车启动时,可以提供较大的启动转矩,缩断了速度的上升时间;
2 无刷直流电机的过载能力强,使电动车所承受的载荷大、爬坡有力;
3 无刷电机的电制动性好,由于无刷电机的制动过程是发电过程,因此可以提供更多的电力使得电动车的续航里程更大;
4 因为无刷直流电机没有电刷,所以它没有电刷带来的危害,可靠性高;
5 无刷直流电机的驱动控制较简单,使得其开发周期较短。
2.1.3霍尔位置传感器
常用的无刷直流电动机位置传感器有三种电磁式、光电式和霍尔位置传感器。
本节将介绍霍尔位置传感器。
置于磁场中的导体,通以电流,如果运动方向与磁场强度方向垂直,则在垂直于电流和磁场方向会产生电动势,其大小为
:
式中
为灵敏度系数,I为电流大小,B为磁场强度。
若磁场强度方向与导体成
角时,电动势的大小变为
。
霍尔传感器是以霍尔效应原理为基础工作的一种磁传感器,可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。
霍尔传感器主要有两大类:
开关型器件和线性器件。
本设计中采用的是开关型霍尔传感器。
开关型霍尔传感器是在线性霍尔传感器的基础上又集成了“比较功能”的集成电路,封装与线性霍尔传感器封装一样。
开关型霍尔传感器可分为三种:
单极性、双极性和锁存型,作为无刷直流电动机的位置传感器开关型霍尔传感器更合适。
2.2直流无刷电机的工作原理
(a)霍尔无刷电机内部原理图(b)霍尔无刷电机内部结构图
图2-3无刷电机基本结构图
在直流无刷电机中,由位置传感器(如图(a))输出位置信号,电子换相电路(如图(b))根据位置传感器输出的位置信号驱动电枢线圈绕组对应的功率开关管,各相绕组轮流通电,在电机定子上产生跳变的旋转磁场用以驱动永磁转子旋转。
随着转子的转动位置传感器输出具有周期性变化的位置信号,驱动电路以位置信号为基准改变电枢绕组的通电状态,从而某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变,无刷直流电机的无接触换相由此而来。
图2-5为直流无刷电机的工作原理框图。
输出
转子位置传感器
电机本体
电子换相线路
直流电源
图2-4直流无刷电机工作原理框图
本文所有讨论的都是三相星型链接的无刷直流电机。
图2-6为全桥式无刷直流电机驱动电路,图中V1,V2,V3,V4,V5,V6为N沟道MOSFET功率管,高电平导通,低电平截止。
单片机通过检测位置传感器的三个输出的不同状态来控制这6个开关管的导通和截止,其控制方式采用二二导通方法。
图2-5全桥式无刷直流电机驱动电路
二二导通方式是指每一时刻电机都有两相导通,相应的有两个MOSFET功率管导通。
根据图2-6的MOSFET功率管命名关系,功率开关管的导通顺序为:
V1、V6→V6、V3→V3、V2→V2、V5→V5、V4→V4、V1。
共六种导通状态,因此每隔60°
电角度改变一次导通状态,每改变一次状态就改变两个功率开关管的开关状态,每个功率开关管导通的电角度为120°
当V1、V6导通时,电流流向为:
电池正极→V1→U相线圈绕组→W相线圈绕组→V6→电池负极。
与三相半桥式驱动方式相比较,三相全桥星型链接二二导通方式的合成转矩大小增加了根号三倍,每隔60°
电角度的空间分布,每个功率MOSFET导通120°
电角度,每相绕组通电240°
电角度,线圈绕组的利用率增加了,转矩波动减小了。
求得电机的瞬时电磁转矩为:
(2.1)
公式(2.1)中:
Eu、Ev、Ew为U、V、W三相的
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