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直流无刷电机控制系统设计论文
直流无刷电机控制系统设计论文
网络与继续教育学院毕业论文
论文题目:
直流无刷电机控制系统设计学校:
武汉理工大学专业:
电气自动化2013级姓名:
指导老师:
完成设计时间:
二0一五年五月
武汉理工大学网络与继续教育学院毕业设计(论文)
目录
摘要..............................................................2
第1章概述.....................................................3
1.1直流无刷电动机的发展概况...................................3
1.2研究背景及意义..............................................3
1.3国内外研究现状...............................................4
第2章直流无刷电动机控制系统设计方案............................6
2.1直流无刷电动机系统的组成...................................6
2.1.1位置检测器.............................................7
2.1.2控制器.................................................7
2.2直流无刷永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较.................8
2.3直流无刷电动机的运行特性...................................8
2.3.1机械特性...............................................8
2.3.2调节特性...............................................9
2.3.3工作特性..............................................10
2.4直流无刷电动机的应用与研究动向............................10
3直流直流无刷电机控制系统的设计.................................12
3.1直流无刷电机控制系统的设计.................................12
3.2设计方案比较...............................................13
3.3直流无刷电动机控制系统组成框图..............................14
4直流无刷电机控制系统的软件设计及电路设计.......................16
4.1系统功能的实现.............................................16
4.2软件流程图.................................................17
4.3直流无刷电机的电路设计.....................................18
4.3.1开关电路的设计........................................18
4.3.2保护电路的设计........................................18
4.3.3驱动电路的设计........................................19
4.3.4反馈电路的设计........................................20
4.3.5电源电路的设计........................................20
参考文献.........................................................21
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武汉理工大学网络与继续教育学院毕业设计(论文)
摘要
传统的有刷直流电机采用机械换向,导致换向不良,严重时会产生火花,调速范围较窄,维护量大。
而直流无刷电机以电子线路代替电刷进行换向,具有结构简单、运行可靠、易于控制等优点,因此在直流无刷电机方面做出积极的研究是很有意义的。
本文先对直流电机控制系统的相关背景、研究该课题的意义和目的、现阶段国内外直流无刷电机的研究现状进行了简要介绍。
接着介绍和分析了整个直流无刷电机控制系统的整体功能和架构。
然后介绍了系统的硬件系统,并对关键的模块进行分析。
最后,对软件系统的原理进行了分析、说明。
最终可通过触摸按键操作ZTM串口屏,对无刷电机的各种参数进行设置,稳定可靠地控制电机工作。
直流无刷电机的基础是有刷直流电机,直流无刷电机是在其基础上发展起来的。
现在直流无刷电机在各种传动应用中虽然还不是主导地位,但是直流无刷电机已经受到了很大的关注。
自上世纪以来,人们的生活水平在不断地提高,人们在办公、工业、生产、电器等领域设备中越来越趋于小型化、智能化、高效率化,而作为所有领域的执行设备电机也在不断地发展,人们对电机的要求也在不断地改变。
现阶段的电机的要求是高效率、高速度、高精度等,由此直流无刷电机的应用也在随着人们的要求的转变而不断地迅速的增长。
本系统的设计主要是通过一个控制系统来驱动直流无刷电机,主要以DSPIC30F2010芯片作为主控芯片,通过控制电路采集电机反馈的霍尔信号和比较电平然后通过编程的方式来控制直流无刷电机的速度和启动停止。
关键词:
直流无刷电机控制系统;
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第1章概述
1.1直流无刷电动机的发展概况
直流无刷电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的,这一渊源关系从其名称中就可以看出来。
有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来,以其优良的转矩控制特性,在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。
但是,有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点,它降低了系统的可靠性,限制了其在很多场合中的使用。
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。
早在1917年,Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷,从而诞生了直流无刷电机的基本思想。
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,标志着现代直流无刷电动机的诞生。
直流无刷电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步,在直流无刷电动机发展的早期,由于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,使得直流无刷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,1970年以后,随着电力半导体工业的飞速发展,许多新型的全控型半导体功率器件(如GTR、MOSFET、IGBT等)相继问世,加之高磁能积永磁材料(如SmCo、NsFeB)陆续出现,这些均为直流无刷电动机广泛应用奠定了坚实的基础,
直流无刷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直流无刷电动机及其驱动器,引起了世界各国的关注,随即在国际上掀起了研制和生产直流无刷系统的热潮,这业标志着直流无刷电动机走向实用阶段。
随着人们对直流无刷电动机特性了解的日益深入,直流无刷电动机的理论也逐渐得到了完善。
1986年,H.R.Bolton对直流无刷电动机作了全面系统的总结,指出了直流无刷电动机的研究领域,成为直流无刷电动机的经典文献,标志着直流无刷电动机在理论上走向成熟。
我国对直流无刷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。
1.2研究背景及意义
有刷电机出现的比较早,大约在上世纪40年代以来就已经占据了整个领域市场的主要地位因为他的一系列优点,如价格低、可靠性好、变速平稳等等优点,但是它有一个致命的弱点就是它的碳刷容易磨损而且非常不容易更换,而且他的运行电流比较大这样就比较容易降低电机的寿命[1]。
为了有效的克服其弱点科学家进行了大量研究,终于在1955年美国科学家D.Harrison发现了用晶体管换相线路用来代替直流有刷电机的碳刷的方法并申请的专利,这标致了直流无刷电机的
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出现。
但这只是无刷电机的雏形,1962年,T.G.Wilson和P.H.Trickey提出“固态换相直流电机”专利,这才标志着直流无刷电动机的真正诞生。
其实直流无刷电机的思想早在1917年就已经出现了,当时主要是由Bolgior提出的,他当时提出用整流管代替提直流有刷电机的机械刷,这就是直流无刷电机的基本思想。
直流无刷电机的真正应用主要是在上世纪60年代,因为直流无刷电机主要是取决于电子技术的发展,在上个世纪六十年代以后电子技术飞速的发展直接决定了直流无刷电机的广泛应用。
直流无刷电机最先的应用是在航空技术中,这主要得益于直流无刷电机的高可靠性。
相比较其他电机直流无刷电机的主要特点有:
1、重量轻、体积小、出力大;
2、具有直流无刷电机的优点,同时又取消了机械刷和滑环等结构;
3、调速比较简单;
4、可以低速大功率运行,这样就省去了减速机直接要驱动大功率的负载;
5、启动电流小,启动转矩大;
6、调速的范围广,无级调速,过载能力比较强;
7、可以用软件启动和软件停止,制动性能比较好,省去了机械制动或者电磁制动的装置;
8、效率高,由于直流无刷电机没有来了机械刷和励磁损耗,所以节电效率比较高;
9、可靠性高,稳定性好,维修保养比较简单,适应能力比较强;
10、噪音小,震动小,寿命长;
11、不会产生火花适合一些特殊场所;
1.3国内外研究现状
我国对直流无刷电机的研究比较早而我们国内的研究则起步比较晚,近三十年来针对异步电动机变频调速的研究,归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法,稀土永磁直流无刷电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。
直流无刷电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC.直流无刷电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可设计到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。
直流无刷电机在我国的发展时间较短,我国的直流无刷电机主要起步于上世纪七十年代初,当时研制主要是为了我国的某些科研单位的需求,但是经过了四
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十年的发展随着技术的日益成熟与完善直流无刷电机得到了迅猛发展。
已在高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、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的发展。
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第2章直流无刷电动机控制系统设计方案
2.1直流无刷电动机系统的组成
直流无刷电动机(BrushlessDCMotor,简称BLDCM)是一种典型的机电一体化产品,它是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机.位置检测器检测转子磁极的位置信号,控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号,开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件,将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组,使电动机产生持续不断的转矩.
现对直流无刷电动机各部分的基本结构说明如下。
2.1.1电机本体
直流无刷电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机,不同的是将直流电动机的定子、转子位置进行了互换,其转子为永磁结构,产生气隙磁通;定子为电枢,有多相对称绕组。
原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。
所以直流无刷电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。
由于直流无刷电动机的电机本体为永磁电机,所以直流无刷电动机也称为永磁直流无刷电动机。
定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同,铁心中嵌有多相对称绕组。
绕组可以接成星形或三角形,并分别与逆变器中的各开关管相连,三相直流无刷电动机最为常见。
2.1.2逆变器
目前,直流无刷电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件,有些主电路已有集成的功率模块(PIC)和智能功率模块(IPM),选用这些模块可以提高系统的可靠性。
直流无刷电动机定子绕组的相数可以有不同的选择,绕组的连接方式也有星形和角型之分,而逆变器又有半桥型和全桥型两种。
不同的组合使电动机产生不同的性能和成本。
综合以下三个指标有助于我们做出正确的选择:
(1)绕组利用率。
与普通直流电动机不同,直流无刷电动机的绕组是断续通电的。
适当地提高绕组利用率将可以使同时通电的导体数增加,使电阻下降,效率提高。
从这个角度来看,三相绕组优于四相和五相绕组。
(2)转矩脉动。
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直流无刷电动机的输出转矩脉动比普通直流电动机的转矩脉动大。
一般相数越多,转矩的脉动越小;采用桥式主电路比采用非桥式主电路的转矩脉动小。
(3)电路成本。
相数越多,逆变器电路使用的开关管越多,成本越高。
桥式主电路所用的开关管比半桥式多一倍,成本要高;多相电动机的逆变器结构复杂,成本也高。
因此,目前以星形连接三相桥式主电路应用最多。
2.1.1位置检测器
位置检测器的作用是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号,为逆变器提供正确的换相信息。
位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。
转子位置传感器也由定子和转子两部分组成,其转子与电机本体同轴,以跟踪电机本体转子磁极的位置;其定子固定在电机本体定子或端盖上,以检测和输出转子位置信号。
转子位置传感器的种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。
在直流无刷电动机系统中安装机械式位置传感器解决了电机转子位置的检测问题。
但是位置传感器的存在增加了系统的成本和体积,降低了系统可靠性,限制了直流无刷电动机的应用范围,对电机的制造工艺也带来了不利的影响。
因此,国内外对直流无刷电动机的无位置运行方式给予高度重视。
无机械式位置传感器转子位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的物理量间接地获得转子位置信息,主要有反电动势检测法、续流二极管工作状态检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。
2.1.2控制器
控制器是直流无刷电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心,它主要完成以下功能:
(1)对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合,为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号,实现电机的正反转及停车控制。
(2)产生PWM调制信号,使电机的电压随给定速度信号而自动变化,实现电机开环调速。
(3)对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节,使系统具有较好的动态和静态性能。
(4)实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路。
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2.2直流无刷永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较
2.3直流无刷电动机的运行特性
2.3.1机械特性
直流无刷电动机的机械特性为:
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US?
2UT?
2rIaUs?
2UT2r?
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Te(1-1)Ce?
?
Ce?
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CeCt?
?
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UT-开关器件的管压降
Ia-电枢电流
Ce-电机的电动势常数
-每级磁通量
可见直流无刷电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同,机械特性较硬。
在不同的供电电压驱动下,可以得到如1-3图所示机械特性曲线簇。
n?
图1-3机械特性曲线簇
当转矩较大、转速较低时,流过开关管和电枢绕组的电流很大,这时,管压降随着电流增大而增加较快,使在电枢绕组上的电压有所减小,因而图所示的机械特性曲线会偏离直线,向下弯曲。
2.3.2调节特性
直流无刷电动机的调节特性如图1-4所示。
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图1-4调节特性
调节特性的始动电压和斜率分别为:
2rTeU0?
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2UT(1-2)CT?
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1K?
(1-3)Ce?
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从机械特性和调节特性可以看出,直流无刷电动机与一般直流电动机一样,具有良好的调速控制性能,可以通过调节电源电压实现无级调速。
但不能通过调节励磁调速,因为永磁体的励磁磁场不可调。
2.3.3工作特性
电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图1-5所示。
图1-5工作特性
在输出额定转矩时,电机效率高、损耗低是直流无刷电动机的重要特点之一。
2.4直流无刷电动机的应用与研究动向
现阶段,虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位,但直流无刷电动机正受到普遍的关注。
自20世纪90年代以来,随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展,家用电器、工业机器人等设备都越来越趋
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向于高效率化、小型化及高智能化,作为执行元件的重要组成部分,电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点,直流无刷电机的应用也因此而迅速增长。
尤其在节能已成为时代主题的今天,直流无刷电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。
直流无刷电机转子采用永久磁铁,其产生的气隙磁通保持为常值,因而特别适用于恒转矩运行;对于恒功率运行,直流无刷电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制,但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。
由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大,可产生很大的气隙磁通,这样可以大大缩小转子半径,减小转子的转动惯量,因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中,如数控机床、机器人等应用中,直流无刷电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。
目前直流无刷电机的应用范围已遍及国民经济的各个领域,并日趋广泛,特别是在家用电器、电动汽车、航空航天等领域已得到大量应用。
目前,直流无刷电机的研究主要集中在以下方面:
(1)无机械式转子位置传感器控制。
转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部件,不仅增加了系统的成本和复杂性,而且降低系统的可靠性和抗干扰能力,同时还需要占据一定的空间位置。
在很多应用场合,例如空调器和计算机外设都要求直流无刷电动机以无转子位置传感器方式运行。
无转子位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下,利用电机的电压和电流信息获得转子磁极的位置.
目前比较成熟的无转子位置传感器运行方式有:
1反电动势法——包括直接反电动势法、间接反电动势法以及派生出来的反电动势积分法等。
2定子三次谐波检测法。
3续流二极管电流通路检测法。
但现有方法都存在各自的局限性,仍在不断完善之中。
(1)转矩脉动控制。
存在转矩脉动是直流无刷电动机的固有缺点,特别是随着转速升高,换相导致转矩脉动加剧,并使平均转矩显著下降。
减小转矩脉动是提高直流无刷电动机性能的重要方面。
(2)智能控制。
随着信息技术和控制理论的发展,在运动控制领域中,一个新的发展方向就是先进控制理论,尤其是智能控制理论的应用。
目前,专家系统、模糊逻辑控制和神经网络控制是三个最主要的理论和方法。
其中,模糊控制是把一些具有模糊性的成熟经验和规则有机地融入到传动控制策略当中,现已成功地应用到许多方面。
随着直流无刷电动机应用范围的扩大,智能控制技术将受到更广泛的重视。
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第3章直流直流无刷电机控制系统的设计
直流无刷电动机是在有刷直流电动机的基础上进行设计的,有所区别的是将直流电动机的定子、转子的位置进行了相应的互换,其中的转子是永磁结构,可以产生气隙磁通;定子是电枢,有多相对称绕组。
原来的有刷直流电动机的电刷和机械换向器被直流无刷电动机中的逆变器和转子位置检测器所代替。
由此可以看出直流无刷电动机的电机本体本质上是一种永磁同步电机。
因为直流无刷电动机的电机本体是永磁电机,所以直流无刷电动机又被称为永磁直流无刷电动机。
3.1直流无刷电机控制系统的设计
针对电机节约成本、体积缩小和应用场合等诸多问题,采用的检测方法是反电动势过零点,设计了基于DSPIC30F2010芯片的直流无刷电机无位置传感器控制系统,分析了DSPIC30F2010外围电路,逆变及其驱动电路[11]。
反电动势检测电路,电流采样与过流保护电路,开发了主程序和中途事件处理程序,并给出了电机正常运行时端电压的波形。
实验结果表明系统能够控制电机顺利启动,而且实现了电机正确的换相和正常运行,证明了系统设计的可行性。
转子位置信号的检测是直流无刷电机的无位置传感器控制的难点。
国内外研究人员对此提出了很多方法,一些典型的方法有:
扩展卡尔曼滤波法、三次谐波检测法、反电动势法和电感检测法等。
扩展卡尔曼滤波器法的计算比较繁琐,对微机性能要求相对较高,实现起来较麻烦。
三次谐波检测法在高速运转时能够准确并且快速地估计转子所处的位置,但是存在低速时难以得到有效的转子位置信号,虽然RC滤波电路有过零点相移等一些缺点,但是在目前的技术下这个该方法是最成熟的,实现起来最简单,在应用中最广泛的转子位置检测方法。
电感检测法需要对绕组电感进行不断的实时检测,实现难度较大。
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图3-2转子位置信号检测
普遍采用的控制方案为基于DSP的控制和基于专用集成电路的控制等,受芯片功能、速度和结构的限制,硬件设计中往往需要较多的外围电路,导致装置的整体集成度不高,硬件开发相对复杂。
本文采用反电动势过零点检测方法,设计了基于dsPIC30F2010芯片的直流无刷电机无位置传感器控制系统,将高性能16位单片机的控制特点和DSP高速运算的优点相结合[12],为嵌入式系统设计提供了合适的单芯片、单指令流的解决方案,其结构简单,运行性能良好。
3.2设计方案比较
直流无刷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制方案:
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,且灵活方便。
电机控制器是直流无刷电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心,它主要完成以下功能:
对各种输入信号进行逻辑综合,为驱动电路提供各种控制信号;产生PWM脉宽调制信号,实现电机的调速;实现短路、过流、欠压等故障
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