无刷直流电机控制器设计资料.docx
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无刷直流电机控制器设计资料
指导教师:
时间:
2014.03.3至2014.05.30
副教授
1.毕业设计(论文)题目:
无刷直流电机控制器设计
2.毕业设计(论文)起止时间2014年3月3日~2014年5月30日
3.毕业设计(论文)所需资料及原始数据(指导教师选定部分)
(1)无刷直流电机相关资料
(2)电力电子技术相关资料
(3)硬件电路、元器件手册
4.毕业设计(论文)应完成的主要内容
(1)无刷直流电机工作原理
(2)无刷直流电机控制电路设计
5.毕业设计(论文)的目标及具体要求
(1)设计无刷直流电机主硬件电路
(2)设计无刷直流电机控制电路
(3)绘制参数测控系统软件框图
(4)编写监控程序
6、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求
单片机开发装置和相关元器件
上机200机时
任务书批准日期2014年2月20日教研室(系)主任(签字)
任务书下达日期2014年2月27日指导教师(签字)
完成任务日期2014年5月30日学生(签名)
生产/社会实际
2 研究目的和意义
无刷直流电机利用电子换向代替机械换向,解决了传统直流电机因为电刷摩擦而产生的众多问题并因其结构简单、运行可靠、维修方便等优点,使得它的应用越来越广泛[1],如在仪器仪表、家用电气和医疗器械等方面的应用成为研究的热点,因而对电机运行性能的要求也越来越高,因此围绕改善电机性能方面的研究也是多方向的。
早期的电机驱动控制系统多采用专用硬件控制设备,需设计专用的控制芯片及其它硬件电路以满足不同控制对象的需要,这种封闭式结构使电机驱动控制系统的体积大、开发成本高、开发周期长,可靠性、可扩展性和易用性都很差,并且升级困难。
随着技术的不断进步,人们对电机驱动控制系统提出了更高的要求,既希望能够根据不同的应用需求,迅速、经济地构建面向客户的控制系统,又希望大幅度降低系统维护费用改变以往封闭式设计模式,使底层生产控制系统的集成更为简便和有效。
现代电机驱动控制系统正朝着开放性、实时性和可靠性方向发展。
无刷直流电机大多采用 MCU(单片机)或者 DSP(数字信号处理器)来研制电机控制器,因为一些 MCU 和DSP 中预置了用于电机控制的指令、接口和外设,应用较为方便。
但是,在一些特殊的应用领域,例如,在高温、低温和强电磁干扰或者有放射性粒子辐射的太空环境中,MCU 和 DSP 无法正常工作[2]。
所以引入了FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
由于FPGA运用了硬件电路软件化设计的理念,使得FPGA设计具有良好的可重复性和修改性。
模块的硬件描述语言 (HDL)不拘泥于某一型号FPGA或某一厂商的FPGA,只需要经过简单的设置就可重复利用已有的电路模块,又因为FPGA具有优异的可重复编程的能力,可以很简单的对算法进行修改和升级。
从而极大地缩短了控制器的设计时间,节约了产品升级换代的成本。
FPGA 有从商用到航天等不同级别的芯片,环境适用范围广泛。
无刷直流电机具有以下优点:
1)低噪声:
因为没有了机械电刷或滑环式电刷,无刷直流电机消除了除支承、连接以及负载以外的机械噪声 :
2)高效率:
无刷直流电机是目前电机中最高效率的一种电机,这要归功于其利用永磁体长生的恒定、持续的磁场的缘故。
在合适的操作条件下永磁无刷直流电机的永磁体具有非常小的去磁系数:
3)无励磁需要:
如上所述,无刷直流电机利用永磁体产生恒定磁场,省去了传统电机的电励磁部分:
4)易维护、寿命长:
消除了机械电刷和换相器的无刷直流电机比传统直流电机构造简单,更易维护,而且电机寿命更长:
5)控制结构简单:
无刷直流电机的转矩正比于电机电流,反馈装置简单,不需要采用绝对位置编码器或旋转变压器,因此较之交流电机更易于控制。
正式因为这个原因,目前已有很多半导体厂家生产了适合无刷直流电机控制需要的专用集成电路控制芯片:
目前,无刷直流电机的应用越来越普遍,国内近年来在无刷直流电机的设计和控制方面有很多的研究,但与国外成熟的产品化相比还有很多地方只得提高。
3 阅读的主要参考文献及资料名称
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4国内外现状和发展趋势
4.1国内外现状
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,但机械换相装置的存在,限制了其发展和应用范围。
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。
“无刷直流电机”的概念已有最初的具有电子换相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相电机。
现今,无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体,形成为新一代的电动调速系统。
无刷直流电机具有最优越的调速性能,主要表现在:
调速方便(可无级调速),调速范围宽,低速性能好(起动转矩大,起动电流小),运行平稳,噪音低,效率高,应用场合从工业到民用极其广泛。
如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等。
由于无刷直流电机具有这些优点,因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。
我国目前是世界最大的永磁体(生产无刷电机的主要原材料)生产供应基地,中国还将要成为全球最大的无刷电机生产国。
随着汽车工业的快速发展,车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起,我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应用。
4.2发展趋势
随着石油能源的日趋紧张以及人们环保意识的增强,电动自行车越来越受欢迎。
用无刷电机驱动已成为电动车的发展方向。
永磁直流无刷电机是近年来迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机。
该电机由定子、转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成,既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的特点,又具有直流电机良好的调速特性,并且无机械式换相器,现已广泛应用于各种调速场合。
无刷直流电机因其体积小、转矩高、可靠性高、维护方便等优点,在电动自行车等家用设备中得到了广泛的应用。
以前没有一个专用控制芯片能够对霍尔传感器检测出的位置信号进行译码,它本身更不具备过流、过热、欠压、正反转选择等辅助功能,因此设计者最初采用分立元件组成的庞大的模拟电路来对它进行控制,使得系统的设计、调试相当复杂,而且要占用很大面积的电路板,有时候与把控制器内嵌到电机内部的要求相矛盾。
后来MOTOROLA公司研制了无刷电机控制专用芯MC33035,它集译码、过流、过热、欠压、正反转选择诸功能于一身,组成的系统所需外围电路比较简单。
无刷直流电机控制器结构有多种形式,最初是采用分离元件组成的庞大而复杂的模拟控制电路,由于调试难度大,稳定性差,已逐渐被淘汰以微机(单片机)为核心构成的数字控制电路调速控制功能强,但存在着运算速度慢的缺陷,一般只适用于复杂的运行控制场合新型电机控制专用芯片的出现,给无刷直流电机调速装置的设计带来了极大的便利,这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定,组成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强,特别适用于工作环境恶劣、对控制器体积、价格性能比要求较高的场合。
5要研究内容、关键问题,及解决思路
5.1直流无刷电动机基本组成及工作原理
VF/V
图1MC33033和MC33039构成的控制器
5.2三相闭环无刷直流电机控制电路的控制
从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号一方面送入MC33033,经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态,经过运算之后,产生逆变器三相上、下臂开关器件的6路原始控制信号,其中,三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。
处理后的三相下桥PWM控制信号经过驱动电路整形、放大后,施加到由6个功率开关器件组成的MPM3003的6个开关管上,使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。
另一方面,转子位置检测信号还送入MC33039,经F/V转换,得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号FB。
FB通过简单的阻容网络滤波后形成转速反馈信号,利用MC33033中的误差放大器即可构成一个简单的P调节器,实现电机转速的闭环控制,以提高电机的机械特性硬度。
实际应用中,还可外接各种HI,PID调节电路以实现更为复杂的闭环调节控制。
注意事项:
(1)MC33033供给集成电路的正电源与供下侧驱动输出正电源为同一个电源,其取值范围为:
10——30V。
(2)集电极开路输出用来驱动三相桥上侧功率管,接入电阻可根据应用的功率管进行选择。
其下侧驱动输出由于内部结构,可直接接功率管,建议接入几十欧的电阻,防止电流冲击。
同时,可在下侧输出端与地接IS1588稳压二极管。
(3)由于内部振荡器振荡频率由外接定时元件CT、RT决定。
建议使用振荡器频率为20——30KHz,以兼顾过低则有可闻噪声,过高则开关损耗过大的矛盾。
5.3欠压锁定
双欠压锁定用来预防IC和外部电力开关晶体管的损害。
在低电压条件下,它保证IC和传感器充分发挥作用,并且有充足的底部驱动输出电压。
对IC的正向电源(VCC)被8.9V门限电压进行检测。
在这个电平保证当MOSFET设备工作时,有充足的门驱动和必要低的RDS(on)。
当直接地供给霍尔传感器动力,不正当的传感器操作可能使参考电压下跌到4.5V以下。
如果两个比较器都识别到这种欠压状态,顶面驱动器被关闭并且底部驱动器被维持在一个很低的状态。
当通过他们各自的门限电压时,每台比较器都有滞后作用以防止振动。
6完成毕业设计(论文)所必须具备的工作条件(如工具书、计算机、辅助设计、实验设备和实验环境条件等)及解决的办法。
工作条件
解决方法
工具书
购买及租借
电脑
学校机房提高
所需计算机软件
学校机房提高
7工作的主要阶段、进度与时间安排
具体时间安排如下:
2014.2.25—2014.3.15撰写开题报告
2014.3.15—2014.4.25做外文翻译
2014.4.25—2014.5.01理论了解及实际操作
2014.5.01—2014.5.31撰写论文
2014.5.31—2014.6.3论文修改、定稿
2014.6.3后审查,答辩
8指导教师审查意见
[摘要]这些年来,燃油交通工具因尾气排放问题已造成严重的空气污染。
于是绿色交通工具的发展已经成为一个很重要的课题。
结合我国的国情,电动自行车的发展具有重要的环保意义。
随着电机技术及功率器件性能的不断提高,电动自行车的控制器发展迅速。
本文设计主要采用无刷直流电机专用控制芯片MC33033为控制芯片,用功率器件MOSFET为开关器件驱动电机,实现对无刷直流电机的控制。
该设计不仅要实现电动自行车正常使用时应具备的基本性能,还要通过增加欠压检测电路、过流保护电路、同步整流电路等措施来提升电机运行可靠性与稳定性,使电动自行车用无刷直流电机具备更持久的生命力。
[关键词]无刷直流电机MC33033电路图
Brushlessdcmotorcontrollerdesign
[Abstract]Inrecentyears,transportationfuelemissionproblemhasbeencausedbyurbanairpollutionlevels.Sothedevelopmentofgreentransporthasbecomeanimportantissue.TakingintoaccountChina'snationalconditions,developmentofelectricbicycleshasimportantenvironmentalsignificance.Withthemotortechnologyandcontinuouslyimprovetheperformanceofpowerdevices,therapiddevelopmentofelectricbicyclecontroller.ThisdesignusesabrushlessDCmotorforthecontrolofdedicatedcontrolchipMC33033chip,inordertopowerMOSFETdevicesastheswitchingdevicedrivemotor,toachievecontroloftheelectricbike.Thisdesignnotonlytoachievetheelectricbicycleinnormaluseshouldhavethebasicperformance,butalsobyaddingunder-voltagedetectioncircuit,anovercurrentprotectioncircuit,asynchronousrectifiercircuitandothermeasurestoimprovethestabilityandreliabilityoftheoperationofthemotor,brushlessDCmotorwithamorelastingvitality.
[Keywords]brushlessDCmotorMC33033Circuitdiagram
无刷直流电机控制器设计
1前言
一个多世纪以来,作为机电能量转换装置的电动机,其广泛应用于国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。
电动机主要类型有直流电机、异步电动机和同步电机三种。
由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向,从而存在一定的的机械摩擦,由此带来了火花、噪音、寿命短以及无线电干扰等弱点,再加上制造成本高及维修困难等缺点,从而其应用范围大大的收到了限制。
针对上述传统直流电动机的缺点,早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。
经过了几十年的努力,直至上世纪60年代初这一愿望终于实现了。
进入70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品,第一代电力电子器件是传统晶闸管不能自关断的半控型器件。
随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高,电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展,是电力电子技术的又一次飞跃,先后研制出GTR、GTO、功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。
而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件,开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展。
而进入90年代电力电子器件正朝着复台化、标准模块化、智慧化、功率集成的方向发展。
正是由于功率器件GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现和发展,以及高性能永磁材料的出现,均为直流无刷电动机的广泛应用打下了坚实的基础。
采用霍尔组件位置传感器的无刷直流电机结构简单、适应性好、信号容易控制,因此,霍尔组件位置传感器始终是无刷直流电机位置传感器的主流。
当今随着计算机进入控制领域,以及新型的电力电子功率元器件的不断出现,采用全控型的开关功率组件进行脉冲调制(pulsewidthmodulation,简称PWM)控制电机已成为主流。
目前在国外的一些公司相继推出了用于电机调速的数字信号处理(DSP)芯片,在空调、洗衣机、电冰箱等家用电器领域及工业变频控制领域,以其使用便捷、可靠性高、结构紧凑、成本低和功能强等优势而被广泛使用。
2选题背景
2.1选题来源
生产/社会实际
2.2当前能源问题
能源是人类社会存在和发展的物质基础。
当今社会,能源和环境问题已经成为困扰人类社会进步和发展的重大课题。
自英国工业革命以来,以石油、煤炭和天然气等化石燃料为一次能源的供能系统极大地促进和推动了世界各国的经济发展。
然而大量化石燃料的使用会带来严重问题:
资源枯竭、环境污染、生态资源破坏等。
从20世纪70年代发生能源危机以来,人类探寻一种新的、清洁、安全可靠的可持续能源系统,世界各国对新能源与可再生能源逐渐重视,人力和物力的投入不断加大,促进了新能源与可再生资源利用技术和装置的研发,加快了新能源与可再生资源的商业化进程。
进入21世纪,我国的能源问题,尤其是石油问题,也变得日益严重。
我国的矿物能源储量比较丰富,但是人均能源资源却只有世界人均能源资源的二分之一左右。
二十多年来,我国经济快速、持续发展,其发展速度与质量为世界所瞩目。
但同时又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战,目前我国已经是世界第二大石油进口国,能源问题十分紧迫。
由此可以知道在交通方面发展一种绿色可再生的能源已显得尤为重要。
2.3无刷直流电机研究现状
1955年,美国D.哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电机机械换向器换向的专利,这就是现代直流无刷电机的雏形[2]。
随后又经过人们多年的努力,通过霍尔元件来实现换向的直流无刷电机终于在1962年问世。
80年代以来,微电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上相结合产生了高频化全控型器件,从而使电力电子技术的发展进入了一个新的阶段,新的电力电子器件使电路的控制性能大为改善,使以前难以实现的功能也得以实现。
目前,电力电子装置朝着集成化的方向发展,把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起,便构成了功率集成电路,这些使得电机的驱动电路设计简化及体积更小。
电力电子工业的发展,使半导体大功率管的价格不断下降而其性能却不断提高,这些都将使无刷直流电机的应用更加普及[3]。
随着科技的发展,无刷直流电机的控制器经历了模拟控制系统、模拟数字混合控制电路、数字控制系统等阶段。
传统的无刷直流电机控制器一般由模拟器件以硬接线的方式构成。
然而模拟元件的物理特性决定了它们具有一些本质上的缺陷,例如元器件的老化和温漂问题等,由于采用了硬接线,系统升级困难,使它很难满足现代电子系统的设计要求。
因此,数字控制系统应运而生,最初的数字控制系统都是以单片机为主控芯片,单片机的种类很多,其中以51系列、96系列单片机最为普遍。
在单片机控制系统发展的同时,一些厂家开发出了电机控制专用芯片,如用于无刷直流电机控制的UCC3626、摩托罗拉高性能微控制器中的智能化外围模块MC33039等。
这类芯片价格便宜,执行速度快,但是所能实现的控制功能简单,难以满足高性能控制场合的需要。
从目前的发展趋势来看,以双闭环控制代表无刷直流电机控制器的发展方向。
在过去20多年的时间里,直流无刷电机在国际上己得到较为充分的发展,控制技术已经比较成熟。
由于无刷直流电机的应用前景广阔,各国都加快对无刷直流电机新产品开发的速度和占领市场的力度,尤其美国和日本具有较先进的无刷直流电机制造和控制技术。
日本在民用方面比较突出,而美国则在军用方面更加先进。
在我国,无刷直流电机的发展时间较短,但随着技术的日益成熟与完善也得到了迅猛的发展。
我国直流无刷电机的研制工作始于二十世纪70年代初期,主要集中在一些科研院所和高等院校。
限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低,尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大,所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平,有待进一步的研究和开发。
我国的无刷直流电机应用场合从工业到民用极其广泛。
如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等。
由于无刷直流电机具有这些优点,因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。
我国目前是世界最大的永磁体(生产无刷电机的主要原材料)生产供应基地,中国还将要成为全球最大的无刷电机生产国。
随着汽车工业的快速发展,车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起,我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应用。
2.4发展趋势
随着
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