直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計方案

1 直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計方案 1 引言 目綜述 直流無刷電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它不僅保留了有刷直流電機(jī)良好的調(diào)試性能，而且還克服了有刷直流電機(jī)機(jī)械換相帶來的火花、噪聲、無線電干擾、壽命短及制造成本高和維修困難等等的缺點(diǎn)。與其它種類的電機(jī)相比它具有鮮明的特征：低噪聲、體積小、散熱性能好、調(diào)試性能好、控制靈活、高效率、長壽命等一系列優(yōu)點(diǎn)?；谶@么多的優(yōu)點(diǎn)無刷直流電機(jī)有了廣泛的應(yīng)用。比如電動汽車的核心驅(qū)動部件、電動車門、汽車空調(diào)、雨刮刷、安全氣囊；家用電器中的 調(diào)和冰箱的壓縮機(jī)、洗衣機(jī)；辦公領(lǐng)域的傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、碎紙機(jī)等；工業(yè)領(lǐng)域的紡織機(jī)械、醫(yī)療、印刷機(jī)和數(shù)控機(jī)床等行業(yè)；水下機(jī)器人等等諸多應(yīng)用 1。 內(nèi)外研究狀況 目前，國內(nèi)無刷直流電機(jī)的控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，我國已經(jīng)制定了 刷直流電機(jī)通用規(guī)范。外國的一些技術(shù)和中國的一些技術(shù)大體相當(dāng)，美國和日本的相對比較先進(jìn)。當(dāng)新型功率半導(dǎo)體器件： 的出現(xiàn)，以及釹鐵硼、釤鈷等高性能永磁材料的出現(xiàn)，都為直流電機(jī)的應(yīng)用奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。近些年來，計算機(jī)和控制技術(shù)快速發(fā)展。單片 機(jī)、 控制器被應(yīng)用到了直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，一些先進(jìn)控制技術(shù)也同時被應(yīng)用了到無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，這些發(fā)展都為直流電機(jī)的發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。 經(jīng)過這么多年的發(fā)展，我國對無刷電機(jī)的控制已經(jīng)有了很大的提高，但是與國外的技術(shù)相比還是相差很遠(yuǎn)，需要繼續(xù)努力。所以對無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究學(xué)習(xí)仍是國內(nèi)的重要研究內(nèi)容 2。 題設(shè)計的主要內(nèi)容 本文以永磁方波無刷直流電機(jī)為控制對象，主要學(xué)習(xí)了電機(jī)的位置檢測技術(shù)、電機(jī)的啟動方法、調(diào)速控制策略等。選定合適的方案，設(shè)計硬件電路并編寫程序 調(diào)試，最終設(shè)計了一套無位置傳感器的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。本課題涉及的技術(shù)概括如下： 2 （ 1）學(xué)習(xí)直流無刷電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)學(xué)模型等是學(xué)習(xí)電機(jī)的前提和首要內(nèi)容。 （ 2）直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)，我選用最常用的反電勢檢測技術(shù)，本文分析了反電勢法的原理，并設(shè)計了反電勢的硬件實(shí)電路，進(jìn)行了焊接與調(diào)試。 （ 3）由于無刷直流電機(jī)在靜止或者轉(zhuǎn)速很低的時候，其產(chǎn)生的反電勢為零或者很小很不容易檢測到，因此直流無刷電機(jī)的啟動是一個難點(diǎn)。 （ 4）分析了速度換的單閉環(huán)控制策略，并用 計了上位機(jī) 界面來實(shí)現(xiàn) 數(shù)的實(shí)時整定。 （ 5）在確定無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件總體方案時，經(jīng)過對比選擇 片，選智能功率模塊 驅(qū)動芯片，并設(shè)計了無刷直流電機(jī)控制驅(qū)動電路、反電勢轉(zhuǎn)子位置檢測電路及電流電壓采樣電路等。 （ 6）最后對整套控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗調(diào)試，包括軟、硬件的調(diào)試，并對調(diào)試結(jié)果進(jìn)行了分析。 2 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)和設(shè)計方案 統(tǒng)設(shè)計目標(biāo) 直流無刷電機(jī)因為調(diào)試性能好、低噪聲、體積小、控制靈活、高效率、散熱性能好、壽命長等一系列的優(yōu)點(diǎn)，本課題設(shè)計目標(biāo)如下： （ 1）能夠驅(qū)動直流無 刷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)并有電路保護(hù)以免器件燒壞。 （ 2）能夠?qū)崟r準(zhǔn)確的檢測到直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。 （ 3）能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)啟動和停止的控制。 （ 4）能夠通過滑動變阻器來實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)的無極調(diào)速。 （ 5）電路具有電流、電壓保護(hù)，以免對電路產(chǎn)生不良影響。 制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖的設(shè)計 直流無刷無感電機(jī)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能：能夠準(zhǔn)確實(shí)時的檢測到無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、能夠用三段式技術(shù)使電機(jī)能夠很好的啟動、 節(jié)技術(shù)、速度環(huán)的控制、電壓保護(hù)、電流保護(hù)等主要關(guān)鍵的控制技術(shù)。電機(jī)調(diào)速原理框圖如下圖1所示。 3 圖 1 電機(jī)調(diào)速原理框圖 件系統(tǒng)方案論證 為了能夠?qū)崿F(xiàn)無刷直流電機(jī)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)、無極調(diào)速等一系列的優(yōu)點(diǎn)，需要選擇合適的元器件來滿足本課題設(shè)計的需求。 制器芯片選型 對直流無刷電機(jī)控制所用微處理器的選型要重點(diǎn)考慮以下幾個方面： （ 1） 微處理器的運(yùn)行頻率和運(yùn)算速度得滿足控制系統(tǒng)要求 （ 2） 微處理器片內(nèi)資源是否足夠，主要是 I/O 口的數(shù)量和電平兼容性、 A/ （ 3） 微處理器的體積、工作溫度等是否滿足系統(tǒng)要求。 （ 4） 微處理器的可靠性、生產(chǎn)廠商、數(shù)量和價格、上市時間等因素也需要考慮，這 關(guān)系到產(chǎn)品的后續(xù)更新?lián)Q代，以及采用該處理器開發(fā)的難易程度。 基于 核 32位單片機(jī) 鐘頻率最大可達(dá) 72數(shù)字處理上經(jīng)過了優(yōu)化，所以本設(shè)計選用 片機(jī)。 刷直流電機(jī)的選型 在選用直流無刷電機(jī)的時候，必須根據(jù)它的參數(shù)來判斷其驅(qū)動電路，無刷電機(jī)的參數(shù)如表 1所示： 表 1 無刷直流電機(jī)的參數(shù) 外轉(zhuǎn)無刷電機(jī) 大效率電流 無負(fù)載流 /10v 最大電流 最大效率 y 軸徑（ 重量 電阻 尺寸（ 3 10A 2A/60s 80% 7g 900 新西達(dá)無刷電機(jī) /2212圖 2。 4 圖 2 直流無刷電機(jī) 動電路的選型 智能功率模塊選擇的是 把驅(qū)動電路和開關(guān)電路集成在了一起，內(nèi)部有欠壓、過壓、過流故障檢測電路， 以進(jìn)行實(shí)時的檢測。還包括三個 個 極驅(qū)動低壓集成電路 )、六個先進(jìn)技術(shù)的 個 能功率模塊的元器件圖如圖 3 所示。 圖 3 智能功率模塊 置檢測器件 選型 反電勢過零點(diǎn)檢測原理是模擬中性點(diǎn)和端電壓的值相等得到，由 口和連接霍爾傳感器接口的關(guān)系，需用三路比較電路， 四路比較電路組成，可選用較電路實(shí)現(xiàn)。 部框圖如圖 4所示： 5 圖 4 比較器 3 控制系統(tǒng)的工作原理和硬件設(shè)計 流無刷電機(jī)的工作原理 本設(shè)計選用的電機(jī)類型為三相星型連接?？刂破鳟a(chǎn)生六路 控制驅(qū)動電路，位置檢測用的反電勢過零點(diǎn)技術(shù)。工作原理如圖 5 所示。 6 圖 5 直流電機(jī)工作原理圖 在圖 5 中，當(dāng)轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)到（ a）時，反電勢過零信號延時 30電角度后，輸出的信號送往單片機(jī)，單片機(jī)輸出信號讓 通。這時電流從電源正極流出，經(jīng) 相繞組，再由 B 相繞組流出，經(jīng) 時由于定子和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 60電角度，即到（ b）時，反電勢過零信號延時 30電角度后，輸出的信號送往單片機(jī)，單片機(jī)讓 時電流從電源的正極流出，經(jīng) 往 A 相繞組，再由 C 相繞組流出，經(jīng) 時由于定子和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動。同樣按照這個 方式，電機(jī)可以順利的轉(zhuǎn)動起來。 電機(jī)有六種磁狀態(tài)，每種狀態(tài)導(dǎo)通 120 度，每次由兩相導(dǎo)通，無刷電機(jī)就是兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)的工作方式 3。 刷電機(jī)的反電勢法位置檢測原理 觀察轉(zhuǎn)子位置和反電勢之間的關(guān)系如圖 6 所示，轉(zhuǎn)子狀態(tài)由 a)變?yōu)?b)過程中反電勢波形和轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系，反電勢波形為 B 相繞組的反電勢，當(dāng)轉(zhuǎn)子由 a）初始狀態(tài)轉(zhuǎn)過 30電角度時，轉(zhuǎn)子的磁場方向正好和 B 相繞組軸線重合，不切割 時 圖可知，由 b)到 c)要進(jìn)行換相動作，因此可利用反電勢過零點(diǎn)確定轉(zhuǎn)子的位 置，進(jìn)而控制電機(jī)的換相，這就是直流無刷無感電機(jī)反電勢檢測及控制換相的原理 4。 圖 6 電機(jī)反電勢位置檢測圖 7 源模塊 由于 需供電電壓是 7 是把 5V 轉(zhuǎn)換成 壓的電路。 圖 7 制模塊 控電路是整個無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)控制逆變器六個橋臂的通斷、采集電壓、采集電流、檢測直流無刷無感電機(jī)的位置（電機(jī)的反電勢檢測）、刷直流電機(jī)啟動的控制、 試下載等。 小系統(tǒng)由 位電路、晶振電路和 口電路組成 （ 1） 片電路如圖 8所示： 圖 8 （ 2） 復(fù)位電路和晶振電路 兩個外部晶振電路和兩個內(nèi)部晶振電路。兩個內(nèi)部晶振電路需要程序配置編程即可，但外部的晶振電路需要晶振電路元器件搭建而成。如圖所示的 晶振和復(fù)位電路如圖 9所示。 8 圖 9 晶振和復(fù)位電路 （ 3） 口電路 口電路實(shí)現(xiàn)了程序下載及程序的在線調(diào)試仿真，使用 它可以方便調(diào)試程序，縮短了開發(fā)周期。由于 入引腳內(nèi)部嵌入了上拉或下拉電阻，因而可以直接連接電路到芯片相應(yīng)引腳。 口電路如圖 10 所示。 圖 10 口電路 （ 4） 口電路 這里的 純的是供電用的。如圖 11所示： 9 圖 11 率模塊 （ 1） 動信號接口電路 置 需光耦就可以用 動 六個橋臂。 高級定時器 能強(qiáng)大，利用 件控制 產(chǎn)生 6 路 換相。這 6個控制橋臂引腳要和 連。驅(qū)動信號接口電路如圖 12所示。 10 圖 12 （ 2）短路電流保護(hù)電路 在芯片引腳 外加一個分流電阻。 腳的電壓，當(dāng)電壓超過模塊指定的 ， 生一個故障信號16來檢測 里設(shè)定瞬時電流保護(hù)值為 30A，檢測電阻 取阻值 為 10率為 10W 的無感電阻。 成濾波電路。另外檢測電阻 要并聯(lián)一個小電容，作用是消除上電瞬時大電流導(dǎo)致的電流保護(hù)誤動作。 （ 3） 故障輸出報警電路 高頻無感電容，作用是防止浪涌電流破壞， 障輸出報警引腳。 腳是剎車功能引腳，和此處的 腳相連，在 現(xiàn)故障時通過此腳輸出低電平到 合 車功能可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)功能。所加的電容 用來消除噪聲干擾，確保出現(xiàn)故障時及時報警。故障輸出信號脈寬是有引腳 外接電容 定的，具體計算公式是 t= 610* )，這里通常選 11 取 33時 t= 電勢位置檢測模塊 反電勢位置檢測電路如圖 13所示。這里選用響應(yīng)時間為 片。定子三相繞組端電壓 A、 B、 到比較器 輸入端，與參考電壓比較，獲得各相反電勢的過零點(diǎn)。反電勢過零點(diǎn)延時 30電角度后的信號用于電機(jī)的換相，進(jìn)而去控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。 圖 13 反電勢位置檢測電路圖 離電路設(shè)計 為了提高系統(tǒng)安全性，采用光耦設(shè)計隔離電路，這里選 用 下圖 14所示。 圖 14 光耦電路 12 在選用光耦時要注意兩點(diǎn)：第一是光耦的開關(guān)速度是否滿足系統(tǒng)的要求。第二是光耦的信號驅(qū)動類型。由于這里的位置檢測接入的單片機(jī)端口是 道。由于反電勢經(jīng)過比較電路以后，可能會有大于單片機(jī)所能承受的電壓，所以最好用隔離電路來保護(hù)單片機(jī)。這里選用三片 實(shí)現(xiàn)電路的功能。 度改變電路設(shè)計 速度改變電路選用的是滑動變阻器，通過改變滑動變阻器的阻值從而改變 輸入值，并通過與反饋回的電 機(jī)速度他們之間的關(guān)系，通過 定后的輸出來控制 度改變電路如圖 15所示。 圖 15 速度改變電路 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 件總體設(shè)計 本文設(shè)計的 制器的特點(diǎn)是控制系統(tǒng)的軟件化，系統(tǒng)的許多功能都是在硬件的基礎(chǔ)上依靠軟件來實(shí)現(xiàn)的。它們包括：無位置傳感器下的三段式啟動；基于 出；依賴無位置檢測電路反電勢檢測后的電機(jī)換相；利用 ；電機(jī)的轉(zhuǎn)速計算；電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)等。軟件的可靠性將直接影響整個控制系統(tǒng)的性能。 軟件系統(tǒng)的設(shè)計是分模塊進(jìn)行設(shè)計，包括直流無刷電機(jī)的啟動、 相，轉(zhuǎn)子速度的計算， 件的結(jié)構(gòu)圖如圖 16所示： 主 程 序S y s t i c k 中 斷函 數(shù)T I M 2 中 斷 服務(wù) 函 數(shù)T I M 1 中 斷 服務(wù) 函 數(shù)A D C 1 中 斷 服務(wù) 函 數(shù)啟 動 子 程 序圖 16 軟件的總體框圖架構(gòu) 13 件總體設(shè)計流程圖 這部分是直流無刷無感電機(jī)的總體流程框圖，是總體程序的大體結(jié)構(gòu)模式，如圖17所示。 端 口 、 時 鐘 、定 時 器 、 開 環(huán) 啟 動無 位 置 傳 感 器閉 環(huán) 調(diào) 節(jié)結(jié) 束開 始圖 17 軟件總體流程圖 刷無感直流電機(jī)開環(huán)啟動模塊 本文運(yùn)用了傳統(tǒng)的三段式電機(jī)啟動技術(shù) 5，當(dāng)反電勢達(dá)到一定的值時再切換至電機(jī)的自控狀態(tài)。 (1) 轉(zhuǎn)子定位 ： 由程序控制任意兩相導(dǎo)通一段時間，此時電機(jī)定子合成的磁勢軸線在空間就會有一個方向并把轉(zhuǎn)子磁極拖到與其重合的位置上，這個過程就是轉(zhuǎn)子的預(yù)定位過程。 通常轉(zhuǎn)子定位導(dǎo)通電機(jī)任意兩相一定時間方式，但是這種方式容易造成定位失敗。為了克服這種可能的電磁轉(zhuǎn)矩為零的情況，我們采用兩次定位的放法解決。 （ 2） 開環(huán)加速：按照電機(jī)旋轉(zhuǎn)的 方向，按照六步 換相順序，每隔一定的延時進(jìn)行一次換相動作，強(qiáng)行使電機(jī)的轉(zhuǎn)子按照設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)起來。在這里用升頻升壓法來實(shí)現(xiàn)開環(huán)加速，即換相信號頻率逐漸加大，并且增大外施電壓使電機(jī)加速，稱為升頻升壓法。 (3) 當(dāng)開環(huán)換相過程持續(xù)大約 30個周期后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的值，反電動勢也能夠檢測的到了，此刻就可以進(jìn)入閉環(huán)控制系統(tǒng)。 依據(jù)以上原理三段式開環(huán)啟動的流程框圖如圖 18所示。 14 第 一 次 定 位第 二 次 定 位開 啟 按 六 部 運(yùn)行 30次 ？關(guān) 閉 換 至 閉 環(huán) 模式圖 18 開環(huán)三段式啟動 刷直流電機(jī)位置檢測及電機(jī)轉(zhuǎn)速模塊 在直流無刷電機(jī)控制體系中，要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行換相，也要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息計算轉(zhuǎn)速。本課題位置檢測用的是反電勢位置檢測技術(shù)，用的比較器來判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，從而控制電機(jī)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)動 6。它的流程圖如圖 19 所示。 反 電 勢 過 零點(diǎn) ？延 時 30 電 角度 換 相 并 計 算轉(zhuǎn) 速返 回 主 程 序 中 斷圖 19 直流無刷電機(jī)位機(jī)檢測圖 15 D 采樣改變 空比模塊 占空比，并采用了平均濾波技術(shù)， 寬調(diào)整模塊根據(jù) 轉(zhuǎn)速的給定值設(shè)置 的脈寬 ,從而控制電轉(zhuǎn)速 7。如圖 20所示。 讀 入 A D 采 樣 值是 否 采 樣 1 0次取 1 0 次 的 平 均值平 均 值 4 0 0 0 ?設(shè) 置 對 應(yīng) 的 P W 設(shè) 平 均 值 為 0設(shè) 平 均 值 為4 0 0 0 主 程 序進(jìn) 入 中 斷圖 20 空比 算模塊 模擬 制原理如圖 21示，整個控制系統(tǒng)由模擬 制器和被控對象組成。 制系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)設(shè)定值 t)和實(shí)際輸出值 t)構(gòu)成控制偏差 e(t)=t)t)完成 u(t),然后再利用這個控制量去 控制被控對象，其中 u(t)的計算公式為： )()(1)()( 0 t dt （ 1） 例常數(shù)， 分常數(shù)， 分常數(shù)。 16 圖 21 模擬 個控制量所起的作用分別是： P 控制將誤差固定比例修正。 從公式中推出增量式 制算法為： )1()()( = )2()1(2)()()1()( 下面是增量 法，程序設(shè)計中用的最常用的增量 法 8： );(*2)1(*1)2(*0)()1( （ 2） )1(*0 )21(*1 2 4.7 行通信界面設(shè)計 為了更好調(diào)節(jié) 計 面，能夠很方便的調(diào)節(jié) 面如圖 22： 圖 22 17 5 直流無刷無感電機(jī)測試結(jié)果及結(jié)果分析 _波 形 直流無刷電機(jī)的驅(qū)動波形有很多種方式可以選擇，比如： 制、 制、 制、 制。我選用的是 9，圖 23 是六路 其中兩路，其他的幾路基本都一樣，用來控制直流無刷電機(jī)的順利運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖 23 形 電壓對地波形 圖 24是電機(jī)對地的電壓波形，和原理的很接近，也算理想。 圖 24 端電壓對地波形 18 置檢測波形 電機(jī)的位置檢測波形圖如下所示 ，它是通過模擬中性點(diǎn) 10得到的，經(jīng)過光耦隔離輸入到單片機(jī)的霍爾接口，通過判斷單片機(jī)接口的電平來驅(qū)動電機(jī)的旋轉(zhuǎn)步伐，單片機(jī)接口電平如表 2 所示。圖 25 為位置檢測的波形雖然有點(diǎn)毛刺，但經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的軟件濾波，仍然能夠好的識別電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，并進(jìn)行電機(jī)的換相。 圖 25 位置檢測波形 表 2 位置檢測電平 六進(jìn)制 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0流波形 直流無 刷電機(jī)剛啟動時的電流非常大，此時容易燒壞電機(jī)，因此要加保護(hù)電路，驅(qū)動電路也要有足夠的電流驅(qū)動能力，否則電機(jī)轉(zhuǎn)不起來。示波器觀察的波形如何下圖 26所示，符合電機(jī)啟動的原理電流波形 11。 19 圖 26 電流波形圖 物圖 圖 27是動手焊的電路板，是直流無刷電機(jī)的驅(qū)動電路板，驅(qū)動電路用的集成模塊 成。該電路很好的實(shí)現(xiàn)了無刷電機(jī)的啟動、停止及轉(zhuǎn)速控制能功能。達(dá)到了預(yù)期效果。 圖 27 實(shí)物圖 20 結(jié)束語 近年來，隨著電機(jī)技術(shù)和其相關(guān)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得無刷直流電機(jī)在工控等很多領(lǐng)域得到 了及其廣泛的應(yīng)用。我這次以無刷直流電機(jī)為設(shè)計對象，對無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了相對較為深入的學(xué)習(xí)，主要對以下幾方面的內(nèi)容進(jìn)行了學(xué)習(xí)： （ 1）學(xué)習(xí)了電機(jī)的理論控制技術(shù) 12。 （ 2）查找了一些電機(jī)控制 13的書籍。 （ 3）分析了常用的無刷直流電機(jī)位置控制方法及反電勢過零點(diǎn)檢測原理 14。 （ 4）對電極控制算法進(jìn)行了研究，重點(diǎn)闡述了速度環(huán)控制策略的原理 15。 （ 5）設(shè)計硬件電路，設(shè)計了以 核心的功率逆變電路，并設(shè)計了反電勢過零點(diǎn)檢測電路。 （ 6）編寫程控制系統(tǒng)軟