基于单片机无刷直流电机控制系统的设计毕业设计论文 精品.docx
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基于单片机无刷直流电机控制系统的设计毕业设计论文精品
北方民族大学
学士学位论文
论文题目:
基于单片机无刷直流电机控制系统
统的设计
院(部)名称:
电气信息工程学院
学生姓名:
孙学文
专业:
自动化
学号:
20090274
指导教师姓名:
王君瑞
论文提交时间:
论文答辩时间:
学位授予时间:
北方民族大学教务处制
摘要
1831年,法拉第发现了电磁感应现象,奠定了现代电机的基本理论基础。
19世纪40年代第一台直流电机成功研制,随着科学技术的进步以及新兴的的电力电子技术、数字电子技术的发展,直流电机在某些应用场合已不能完全很好的应用,由于其机械换向引起的火花、转速受机械换向的限制等一系列问题的出现,科学家们开始试着研制一种用一些器件实现电机换向代替电刷—换向器换向的装置。
1955年,美国人Harrison首次提出了用晶体管换向线路代替代替电机电刷接触的思想,直到1962年试制成功了借助霍尔元件(霍尔效应转子位置传感器)来实现换向的无刷直流电机。
本文从无刷直流电机的研究背景、研究意义、发展方向及分类,再到电机的系统结构、工作原理、控制方式都做了一系列系统的论述。
尤其是在电机控制方式上。
现代电机有多种控制方式,电机专用控制集成芯片控制、单片机和DSP控制,本文将采用MCS/51系列的单片机实现对电机的转速控制。
通过用protues软件仿真及用keil软件验证过的程序进行测试,实现无刷直流电机平滑的调速。
关键词:
无刷直流电机,单片机,protues
ABSTRACT
In1831,Faradaydiscoveredelectromagneticinductionphenomenon,laidthefoundationofbasictheoryofmodernmotor.Firstdcmotordevelopedinthe1840s,withtheprogressofscienceandtechnologyaswellastheemergingofthedevelopmentofpowerelectronictechnology,digitalelectronictechnology,dcmotorsinsomeapplicationsisnotverygoodapplication,duetoitsmechanicalcommutationspark,speedlimitedbymechanicalcommutation,theemergenceofaseriesofproblems,suchasscientistsbegintotrytodevelopausesomedeviceformotorcommutationinsteadofthebrush,commutatorreversingdevice.Americansin1955,Harrisonwasproposedforthefirsttimeusethetransistorcommutationcircuitinsteadofinsteadoftheelectricalmotorbrushcontact,until1962,wassuccessfullytrial-producedwithhallelement(halleffectrotorpositionsensor)toimplementthecommutationofthebrushlessdcmotor.
Basedonbrushlessdcmotoroftheresearchbackground,researchsignificance,thedevelopmentdirectionandtheclassification,systemstructure,workingprincipletothemotor,controlmode,doaseriesofsystemsinthispaper.Especiallyonthemotorcontrolmode.Hyundaimotorhasavarietyofcontrolmode,thespecialmotorcontrolchipcontrol,MCUandDSPcontrol,thisarticlewillusetheMCS/51seriesmicrocontrollerformotorspeedcontrol.Byusingprotuessoftwaresimulationandverifiedwithkeilsoftwaretestingprogram,smoothrealizationofbrushlessdcmotorspeedcontrol.
KEYWORDS:
brushlessdcmotor,singlechipmicrocomputer,protues
第1章绪论
1.1引言
随着时代的变迁与科学技术的迅猛发展,电机作为一种机电能量转换及成为各种机械原动力的一种不可或缺的装置,已被应用到各个领域。
能源、冶金、采矿、机械加工、航空航天可以说没有电机就没有今天繁荣的一切。
从19世纪40年代研制成功第一台直流电机到现在,各种类电机应运而生,同步电机、异步电机、开关磁阻电机等。
随着计算机进入控制领域,新型电力电子功率器件及微控制器的不断更新与发展,控制电机的方式也越来越多。
本文将充分利用单片机的外围电路少,运行稳定可靠的特点,将其运用于无刷直流电机的控制,使得控制电机更加方便简捷。
1.2无刷直流电机分类
随着科技日新月异的发展,电机除了扮演着工业发展与人们生活水平逐渐提高的不可或缺的角色。
其种类也是在随着时代的变迁逐渐增加,以此来满足军事和民用领域的需求。
图1-1电机分类结构图
1.3无刷直流电机的研究背景
从1831年法拉第发现电磁感应现象到第一台直流电机被成功研制,这以后电机就开始逐渐被应用于各个领域,但随着人们对物质生活的需求越来越高及科学技术上的突破,直流电机虽然具有调速范围广、启动转矩大、运行平稳效率高等诸多优点,但是由于传统的直流电机都采用的是电刷机械换向装置,就产生了不可避免的机械摩擦、使用寿命缩短等一系列问题。
这就使得它在一些高温高压要求比较严格的情况下不能使用。
因此科学家们就开始寻找一些以替换电刷机械换向的装置,这样就避免了上述问题。
科学技术的进步,带来了科技领域内一系列科技成果,电力电子技术领域中功率半导体和开关型晶体管都得到了大力的发展,为无刷直流电机的应运而生创造了有力的条件并在日后得到大力推广奠定了良好的基础。
1955年,美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷机械结构接触的构想,这就是无刷直流电机的雏形[2]。
它由信号检测、晶体开关和功率放大电路等几部分构成。
它的运行原理是,当转子旋转时,信号绕组内就会感应出周期性的信号电动势,信号电动势就会使相应的晶体管依次导通来完成换向。
但是它的缺点也很明显,转子不转时,信号绕组内就不会有周期性的感应电动势,这样的话晶体管就无法导通,换向也就不能完成。
由于这种电机存在着没有启动转矩并且由于感应电动势信号前沿抖动较大致使晶体管工作在高功耗下等一系列的缺点,因此后续做了诸多改进。
采用离心装置的换向器或是将辅助磁钢安放在定子上,虽然都可以保证电机可靠地启动,但是相伴而来的仍然是比较大的负面问题,加装离心装置换向器致使电机结构上变得复杂,这就会使日后的维修维护工作难以进行,拆装上的难题和机械结构上的设计都会无形中增加高昂的成本。
而定子辅助磁钢的运用需要附加脉冲,这就在电机启动时增加了负担。
同时操作上也变得麻烦。
鉴于此,其后人们又做了无数次的实验验证,最终终于找到了利用位置传感器和电子换向线路来代替机械结构电刷的电子换向线路。
从而找到了一条发展新型直流电机的路线。
传感器的出现为无刷直流电机快速研制成功与投入应用更是起到了关键性的作用,接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继出现,然后又相继研制成功了磁电耦合式和光电式位置传感器。
半导体技术的快速发展,使人们对于1879年美国人霍尔发现的霍尔效应产生兴趣,经过多年的不懈努力与研制,终于在1962年成功试制了借助于霍尔元件(霍尔效应转子位置传感器)来完成换相的无刷直流电机。
在⒛世纪70年代初期,又成功试制了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机[2]。
1978年,联邦德国Mannesmann公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出MAC无刷直流电机及其驱动系统,这标志着无刷直流电机真正进入实用阶段[2]。
永磁无刷电机是永磁无刷直流电机、永磁无刷交流同步电机、永磁无刷直线电机和永磁无刷力矩电机的总称。
正是因为永磁无刷电机具有诸多优点,因此已成为目前微特电机发展的主流。
1.4无刷直流电机研究的意义
无刷直流电机是将控制芯片、检测元件、换向机构、软硬件相结合的一种新型机电产品,综合了许多现代科技的最新成果,是现代机电一体化的最新最好的诠释。
它不仅仅继承了现有交流电机和直流电机的优点,而且自身还有独特的特点。
沿袭了直流电机调速性能好、机械特性呈线性、运行效率高等一系列优点,并且突出的有点就是没有励磁损耗。
用置传感器代替机械换向装置的好处很突出,没有了机械换向装置产生的机械摩擦以及摩擦产生的火花,就大大减少了投入维护运行用的费用,而且从可靠安全的角度上考虑无刷直流电机可以用在高温高压等环境比较恶劣或者是要求比较严格的场合,这些都是以往应用的电机所不具备的。
另一方面,从减少机械振动和减少噪音方面无刷直流电机做的也是非常成功的。
这就为人类的工作提供了更加良好的工作环境,从环保的角度上考虑也是很好的。
虽然由于驱动电路与换向电路在成本上有一定的增加,但是相信这些随着科学技术的进步与发展都会得到客服,随着永磁材料的更新进步,制作转子永磁体变得也越来越容易成本也在下降,这就又为无刷直流电机的推广应用增加了一定的筹码,因此在来,相信很长一段时间里,无刷直流电机会越来越多的应用在民用领域中,渐渐的将会取代现有的直流电机。
早在1964年,无刷直流电机就被美国国家航空航天局(NASA)使用,用于卫星姿态控制、太阳电池板的跟踪控制、卫星上泵的驱动等[2]。
现代无刷直流电机都是以永磁励磁的。
所以永磁材料的研究与发展从某种程度上来说对无刷直流电机的发展起着至关重要的作用。
过去的铝镍钴永磁材料已逐渐被铁氧体、稀土永磁材料所代替,20世纪80年代高慈能积的铷铁硼永磁材料的出现与发展更是极大程度的推动了永磁电机的发展。
随着电力半导体器件的更新与换代,从小功率晶体管,到大功率晶体管(GTR)、金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)等新型开关器件的发展使得无刷直流电机的驱动电路更加简单。
微电子技术更是将无刷直流电机的专用控制集成电路与电子电路更好的结合起来。
由上面的分析可以看出,随着时代的进步与科学的发展无刷直流电机在今后的社会发展中必定会逐渐成为主流,纵使它的出场成本依然昂贵,但是随着永磁材料与电力电子微电子技术的稳定发展,相信成本问题终将不会限制它的成长。
因此,对它的研究在现如今以致在今后未来的很长一段时间里都会具有很深远的意义。
1.5无刷直流电机未来研究方向
由于科技进步,各行各业都有了飞速的发展。
材料、电力电子与微电子技术、数字电路等行业更是日新月异,无刷直流电机也得到了空前的发展。
虽然无刷电动机有诸多的优点,但是大部分都是基于特定的场合所设计的,因此这就造成了现在没有一款是通用的,所以只有试着从降低生产成本、提供更高的效率、生产自动化和规模化上来克服这一缺点。
Ø鉴于流水线生产技术的应用与工厂自动化程度的提高,可以大规模的成批量的生产电机的零件,即高效又省时从而一定程度上节约了制作成本。
Ø集成芯片的投入使用不但很好的的减少了电子线路的复杂性和发生危险的概率,更是减少了投入人工的维护,使得检修与日常保养的工作量也减少了,这也从另一个角度降低了成本。
而且电机日常工作性能更加稳定,可靠性也随之提高。
Ø随着电子产品日渐趋向高度集成化微型化,对于控制器的要求也就越来越严格,即单片机与DSP相继问世以来电机的控制也就更多样化。
各公司也相继开发出了控制电机的专用集成芯片,所以在未来一定还会有多种多样的芯片问世,他们将会更加高度集成化,使用起来将会更加便捷。
Ø虽然无刷直流电机有这样或是那样的优点,但是科技在发展,时代在进步,虽然克服了机械换向所带来的一系列的问题,并不能说明他就是一直适用的。
由于引入的位置传感器内嵌在机体内部,而且传感器的组成也是颇为复杂,无位置传感器检测转子位置信号的技术就被人们引入到无刷直流电机的领域中,而且现在有了相对成熟的反电动势法。
相信未来电机结构会更加简单,检测转子位置信号的技术会越来多,方便实用。
通过上述叙述我们可以确定,想要使无刷直流电机在未来越来越的在民用领域中使用的话,那么就要从其结构、成本、体积等各发面研究,找出一个最佳方案,甚至有可能的话设计一款通用型。
第2章无刷直流电机系统结构及工作原理
2.1相比有刷直流电机无刷直流电机的主要特点
1.因为是电子线路实现换向,所以就没有了机械换向时所产生的机械磨损和火花的问题,由此工作寿命就得以延长。
2.由于是电子换向线路,所以在一定的高温高压及环境比较恶劣的情况下,可以从一定程度上减少来自外界的干扰,从而使得它具有较高的可靠性能,不用经常维护。
3.转子损耗几乎没有,没有了机械换向的摩擦就一定程度上削弱了震动,噪声问题也就随之解决。
4.功率密度较高,定子绕组容易散热。
2.2无刷直流电机的构成
和有刷直流电机一样无刷直流电机同样有转子和定子,不同的是有刷直流电机是将主磁极和电
图2-1无刷直流电机主体图
刷安装在定子上,将电枢绕组安装在转子上。
而无刷直流电机却恰好性反,它是将绕组装在了定子上,转子上装有永久磁钢。
内部装有感受位置变化的霍尔元件,通过霍尔元件检测转子的位置变化,转换成电信号后将信号给到电子换向线路,然后顺序改变功率管的导通,实现电机的连续运转。
综上所述,无刷直流电机由三部分组成分别是电机本体,转子位置传感器和电子换相线路,如图2-1,图2-2,图2-3所示
图2-2无刷直流电机内部原理图
图2-3无刷直流电机结构图
1.电机主体
众所周知,电机由定子和转子组成。
定子部分就是指电机不运动的部分,基座、定子绕组,转子部分就是电机启动后在运转的那一部分,带有永磁体的铁心部分。
2.位置传感器
图2-4位置传感器结构示意图
霍尔位置传感器也是由运动部分和静止部分组成,位置传感器定子和转子。
定子是由霍尔元件按照一定的间隔平均的安装在位置传感器定子上,转子和电机主转子一同旋转来检测主转子位置。
传感器转子每转过一对磁极(NS)转角,就相应的产生出与电机逻辑分配状态相对应的开关状态数,以此完成电机的一次换流全过程。
3.电子换相
当定子绕组通电时,电流就会流经绕组,周围就会产生磁场。
这个磁场会和转子永磁体产生的磁场形成一定的角度,就会产生相应的力矩。
由位置传感器感受转子位置转换的电信号控制功率开关相应的流通,就会是绕组变换导通相,形成变化的磁场。
这样就和转子永磁体产生的磁场始终形成一定的角度,产生连续的转矩,这样就是实现了定子电流随转子位置变化而做相应的变化。
实现了电子换向线路代替机械换向。
2.3工作原理
图2-5无刷直流电机运行原理图
直流电机由定子产生固定的磁场,当转子线圈上通有电流后通电导体会因为磁场的原因产生力矩,此力矩就会使线圈转动,当线圈转过180°由于有换向器的存在通过线圈的电流始终不会改变方向,这样在线圈上就会有连续的力矩,这样就是转子线圈连续的运转起来了。
而无刷直流电机没有换向器,并且绕组是在定子上,转子上镶有永磁刚。
当定子上的线圈通有直流电后会产生不变的磁场,这个磁场不能与转子产生的磁场始终形成一个电角度来产生力矩推动转子运动,这就要求定子上通电后要产生变化的磁场,可以和转子永磁体产生的磁场在360°始终形成一个固定的电角度产生连续的转矩让转子转动。
通过位置传感器感受转子位置产生不同的逻辑信号,改变逻辑开关组成的电路中功率管的导通以此改变定子绕组通电相来实现磁场的变化,致使转子永磁体产生的磁场和绕组换相导通的磁场始终保持一个90°电角度,这样电机就连续不断的运转起来了。
2.4三相无刷直流电机逆变电路及其工作方式
基于以上阐述的原理,接下来我们就来讨论功率管的导通所带来的绕组换向问题及由功率管所构成的逆变电路。
怎么样才能使转子永磁体产生的磁场与绕组产生的磁场在360度电角度内始终形成固定的90度的电角度,通过电路的一系列工作方式来说明这些问题。
图2-6无刷直流电机逆变电路
如图2-6所示,图为现代无刷直流电机最常用的三相全桥逆变电路。
采用6个MOSFET功率管和6个续流二极管组成。
电机采用三相Y型连接方式。
三相绕组导通方式通常有120°导通方式和180°导通方式。
下面就两种主要导通方式进行论述和分析。
1.120°导通方式
所谓120°导通方式就是说电机内部绕组为A、B、C三相,两相绕组导通时其中每一项导通电角度是120°,而且正相导通的一相与反相导通的一相其相间相位差也是120°。
按图3所示逆变电路为例,当在其两端加一直流电源时,功率管按顺序导通。
首先以A相为基准,AB两相导通时,电流从T1管流过经A相B相绕组再从T6管流回,电流从A相正向流过从B相反向流过。
从AB相换到AC相,电流从T1管流经A相C相再从T2管流回,电流还是从A相正向流过从C相反向流过。
接下来以B相为基准,电流从T3管流过经B相C相绕组再从T2管流回,电流从B相正向流过从C相反向流回,从BC相换到BA相,电流还是从T3管流过经B相A相再从T4管流回,电流从B相正向流过从A反向流回。
最后以C相位基准,电流从T5管流过经C相A相再从T4管流回,电流从C相正向流过从A相反向向流回。
从CA相换到CB相,电流从T5管经C相B相再从T6管流回,电流从C相正向流过从B相反向流过。
绕组电流换向依次流过,就会在定子绕组中产生变化的磁场。
三相绕组的变换顺序不会改变从AB-AC-BC-BA-CA-CB。
MOSFET管的标号可以改变,按照上图的标示功率管的导通顺序应该依次是T1T6-T1T2-T3T4-T3T2-T5T4-T5T6。
三相全桥逆变电路有6个状态,6个状态角,每个状态角都是60°。
2.180°导通方式
180°导通方式就是ABC三相全部处于导通状态。
电流正向流过A相,首先电流从CA两相正向流过,最后反向流过B相。
接下来电流先从A相正向流过再从BC两相反向流过。
然后电流从AB两相正向流过,最后反向流过C相。
电流反向流过A相,电流从B相正向流过,从AC两相反向流过。
电流从BC两相正向流过,最后从A相反向流过。
电流从C相正向流过,从AB两相反向流过。
其状态表示为CA/B-A/BC-AB/C-B/CA-BC/A-C/AB。
根据状态表示依次使相对应的功率管导通。
此外,根据直流侧电源性质的不同可分为两种:
直流侧是电压源的称为电压型逆变电路,直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。
它们各有特点,本系统使用电压型逆变电路,它有以下特点
:
(1)直流侧为电压源,或接有大电容,相当于电压源,直流侧电压基本无脉动,直流回路呈现低阻抗。
(2)由于直流电压源的钳位作用,交流侧电压波形为矩形波,并且与阻抗角无关,而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角而异。
(3)当交流侧为阻感性负载时需提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用,为了给交流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥给臂都并联反馈二极管。
2.5脉宽调制(PWM)技术
脉宽调制(PWM)是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术,尤其是在对电机的转速控制方面,可大大节省能量。
成本较低,对于模拟电路产生的热损耗以及对降低其产生的噪音都有良好的抑制作用,是用数字方式来控制模拟信号的典型例子。
PWM(脉冲宽度调制)是通过控制固定电压的直流电源开关频率,改变负载两端的电压,从而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面,比如:
电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的,从而来控制电动机的转速。
也正因为如此,PWM又被称为“开关驱动装置”。
如图2-7所示。
图2-7PWM占空比原理图
占空比是指,信号在一个周期内持续的高电平时间占整个周期的时间比。
设电机始终接通电源时,设方波一个周期的时间为T,电机最大转速为Vmax,图2-4中占空比为t1/T,那么电机平均速度Va=Vmax
(t1/D),为了得到不同的电机转速,我们可以改变占空比,也就是所谓的高电平持续的时间。
严格意义上说来,电机平均转速Va与占空比并不成线性关系,但是这里我们可以将它们近似的看成线性关系。
第3章无刷直流电机控制系统总体设计
3.1整体运行思路
本系统采用AT89C51为核心控制芯片,三相交流电源经过晶闸管全桥整流电路为逆变桥提供稳定的整流直流电,加载到逆变桥两端。
由控制芯片提供六路PWM波,通过位置传感器感受转子的位置变化并将其转化后的电信号反馈到控制芯片中,控制芯片对此作出判断,通过电机驱动芯片IR2110以此控制相对应的功率管按照既定的方式导通,使得定子绕组产生变化的磁场,产生推动转子连续转动的转矩。
3.2系统总体框图
系统总体框图如图3-1:
图3-1整体框图
3.3基于Matlab的控制系统
图3-2基于无刷直流电机Matlab的仿真图
图3-3线电压Uab
图3-4转子转速
图3-5相电流ia和相反电势ea
图3-6电磁转矩Te
3.3基于仿真波形的论述
由图3-6可知,电机空载启动,自由加速至稳态后,在0.1s时负载转矩跳变。
负载突增时,电机转速下降,图3-5中的相电流周期增大,电流增大引起转矩增大,以平衡负载转矩。
由图中波形可知转矩波形幅值和相电流幅值波形都在增大。
负载突降时,转速会上升,电压和电流波形的周期会变短,电流和转矩的幅值以及波动程度都会变小。
由于负载突增的时候,转速已经很高,反电势也会很大,在母线电压恒定的情况下电流不会很快响应,所以转速的变化过程会较慢,从图3-4中就可以看出。
仿真结果表明无刷直流电机的转矩波动较大,动态响应过程较快。
第4章无刷直流电机控制系统软硬件设计
4.1各接口电路与所用芯片详细功能及使用介绍
4.1.1AT89C51芯片的介绍
AT89C51是由美国Atmel公司生产的一种8位单片机,其片内Flash是一种高速电可擦除可编程只读存储器(EEPROM),可在内部存放程序。
“AT”表示由Atmel公司生产,“C”表示CMOS工艺,“LV”表示低电压,“S”表示这种器件含可以下载的Flash存储器。
功能概述:
AT89C51片内
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