BLDC電機(jī)電子換向原理的

1、南京工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）題目BLDC電機(jī)電子換向原理的研究及軟硬件實(shí)現(xiàn)課程名稱運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試院（系、部、中心）工業(yè)中心學(xué)院專業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成班級(jí)D自集成102學(xué)生姓名劉永政學(xué)生學(xué)號(hào) 233100235設(shè)計(jì)地點(diǎn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)樓C315指導(dǎo)教師盛國(guó)良、吳京秋設(shè)計(jì)起止時(shí)間：2013.6.17-2013.6.28目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 1.概述 2 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 2.設(shè)計(jì)任務(wù)和要求2 HYPERLINK l bookmark6 o

2、Current Document 2.1 任務(wù)和要求2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 2.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.1.2 設(shè)計(jì)要求2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2.2 研究路線3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 3.1 方案確定3 HYPERLINK

3、 l bookmark26 o Current Document 3.2 硬件設(shè)計(jì)33.2.1 逆變電路設(shè)計(jì)33.2.2 控制電路設(shè)計(jì)43.2.3 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)53.2.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 4. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)7 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 4.1 換向邏輯設(shè)計(jì)7 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 4.2 速度采集9 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 4.3 速度

4、環(huán)控制程序95.系統(tǒng)軟件 115.1 軟件流程 11 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 6.總結(jié) 13 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 7.參考文獻(xiàn)131.概述無(wú)刷直流(Brushless Direct Current, BLDC)電機(jī)是一種正快速普及的電機(jī)類型，它可在家用電器、汽車、航空航天、消費(fèi)品、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和儀器等行 業(yè)中使用。正如名稱指出的那樣， BLDC 電機(jī)不用電刷來(lái)?yè)Q向，而是使用電子換向。BLDC電機(jī)和有刷直流電機(jī)以及感應(yīng)電機(jī)相比，有許多優(yōu)點(diǎn)。其中包括:更好的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特

5、性快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)高效率使用壽命長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)噪音較高的轉(zhuǎn)速范圍此外，由于輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)體積之比更高，使之在需要著重考慮空間與重量因素的應(yīng) 用中，大有用武之地。在本應(yīng)用筆記中，我們將詳細(xì)討論BLDC電機(jī)的構(gòu)造、工作原理、特 性和典型應(yīng)用。設(shè)計(jì)任務(wù)和要求2.1任務(wù)和要求2.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)電機(jī)參數(shù)額定功率PN(KW):1額定電壓UN(V):310額定轉(zhuǎn)速 nN(RPM):3000轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù):5霍爾傳感器: 32.1.2 設(shè)計(jì)要求靜態(tài)指標(biāo):調(diào)速比：D=nmax/nmin三 1000；靜差率：s W3%。 動(dòng)態(tài)指標(biāo):擾動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)偏差：Anmax/nmin W10%；擾動(dòng)產(chǎn)生的恢復(fù)時(shí)間：tv W0.5s；2

6、.2 研究路線系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 控制回路設(shè)計(jì)控制器選擇:PLC、計(jì)算機(jī)或微控制器，包含控制器外設(shè)選型給定器設(shè)計(jì)：模擬/數(shù)字驅(qū)動(dòng)電源：隔離電源，浮柵電流截止環(huán)節(jié)：電流、電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)環(huán)境梯形圖PLCVC+、 VB、 CB、 TC 等計(jì)算機(jī)C微控制器速度環(huán)軟件（中斷方式）速度環(huán)調(diào)節(jié)周期 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)程序、換向子程序 速度檢測(cè)程序、 ASR 子程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 方案確定逆變電路設(shè)計(jì)控制電路設(shè)計(jì)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)保護(hù)電路設(shè)計(jì)換向邏輯設(shè)計(jì)速度采集、速度環(huán)控制程序3.2硬件設(shè)計(jì)3.2.1 逆變電路設(shè)計(jì).uov3 LftVLCGC-jF3 ICY扇GTD22CVk_. UKLsa3 LCV-L

7、jCILCCCuFULA 124333-空 r.uov3 LftVLCGC-jF3 ICY扇GTD22CVk_. UKLsa3 LCV-LjCILCCCuFULA 124333-空 r1品m、2jX12C-TT7TVICO2JLOIk2該電路圖為自舉電路，以滿足浮柵要求。IR2103： 有自舉供電能力，能在不使用外加隔離的情況下方便驅(qū)動(dòng)小功率的全橋電路 率。3.2.2 控制電路設(shè)計(jì)控制電路采用stc89c51做主控，單片機(jī)檢測(cè)霍爾元件的回饋信號(hào)，對(duì)應(yīng)輸出換相信號(hào), 也同時(shí)測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)速。輸出換相信號(hào)通過(guò)二極管構(gòu)成的與門，與單片機(jī)輸出的pwm信號(hào)疊加，使得程序上更 加容易操作。此外主控上配備了輸出

8、按鈕，和外部過(guò)電流檢測(cè)外部中斷輸入。輸出6 個(gè)換相端子與 前面的 ir2103 mos 管驅(qū)動(dòng)電路相接。電源電路： 輸入是 220V 交流電，由于額定電壓是3 1 0V ，所以采用橋式濾波電路。31：V圖：電源電路3.2.3 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)（1）霍爾檢測(cè)電路和有刷直流電機(jī)不同，BLDC電機(jī)的換向是以電子方式控制的。要使BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng), 必須按一定的順序給定子繞組通電。為了確定按照通電順序哪一個(gè)繞組將得電，知道轉(zhuǎn)子的 位置很重要。轉(zhuǎn)子的位置由定子中嵌入的霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)。多數(shù)BLDC電機(jī)在其非驅(qū)動(dòng)端上的定子中嵌入了三個(gè)霍爾傳感器。每當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過(guò)霍爾傳 感器附近時(shí)，它們便會(huì)發(fā)出一個(gè)高電平或低電

9、平信號(hào)，表示北磁極或南磁極正經(jīng)過(guò)該傳感器 根據(jù)這三個(gè)霍爾傳感器信號(hào)的組合，就能決定換向的精確順序?；魻栐轿恢脗鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、可靠，但對(duì)工作溫度有一定要求 同時(shí)霍爾元件應(yīng)靠近傳感器的永磁體，否則輸出信號(hào)電平太低，不能正常工作。因此，在對(duì) 性能和環(huán)境要求不是很高的永磁無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合大量使用霍爾元件式位置傳感器。如 圖 3.2.3-1 所示：如將三只霍爾傳感器按相位差 120安裝，則它們所產(chǎn)生的波形如圖3.2.3-2所示。三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號(hào)Ha、Hb、He在每360電角 度內(nèi)給出了6個(gè)代碼，按其順序排列，6個(gè)代碼是101、 100、 110、 010

10、、 011、 001.當(dāng)然， 這一順序與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)，如果轉(zhuǎn)向反了，代碼出現(xiàn)的順序也將倒過(guò)來(lái)。圖:傳感器輸出波形（2）位置傳感器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成部分之一，有刷也是區(qū)別于直流電動(dòng)機(jī)的主 要標(biāo)志。當(dāng)霍爾傳感器用作無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息檢測(cè)裝置時(shí)，將其安放在電機(jī)定子的 適當(dāng)位置，霍爾器件的輸出與控制部分相連。當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)霍爾器件附近 時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)令霍爾器件輸出一個(gè)電壓信號(hào)，該信號(hào)被送到控制部分，由控制部分發(fā) 出信號(hào)使得定子繞組供電電路導(dǎo)通，給相應(yīng)的定子繞組供電，從而產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)極性相同 的磁場(chǎng)，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子到下一位置時(shí)，前一位置的霍爾器件停止工

11、作，下一位 置的霍爾器件輸出電壓信號(hào)，控制部分使得對(duì)應(yīng)定子繞組通電，產(chǎn)生推斥場(chǎng)使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)， 如此循環(huán)，維持電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電路圖如下：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的峰值電流，當(dāng)電流超過(guò)功率管的最大流過(guò)電流時(shí)，會(huì)將功率管燒壞或者擊穿。所以電路設(shè)計(jì)中必須加一限流保護(hù)電路。系統(tǒng)限流保護(hù)電路設(shè)計(jì)如上圖所示，電路由一采樣電阻和比較器LM393組成。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流增大, 在采樣電阻R1上的壓降增大，當(dāng)壓降等于給定電壓U0時(shí)，比較器LM393輸出低電平，使 IGBT開關(guān)管被關(guān)斷，采樣電阻R1上的電流迅速減小，R1上的壓降也減??；當(dāng)電壓降到小 于給定電壓U0時(shí)，比較器輸出高電平，使IGBT開關(guān)管恢復(fù)

12、正常的通斷順序。如此下去， 電流被限制在 U0/R1 上下，達(dá)到限流的目的。/U?A LHE旳宜/U?A LHE旳宜H圖：過(guò)電流保護(hù)電路4. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 換向邏輯設(shè)計(jì)“二 二導(dǎo)通”方式： 所謂“二二導(dǎo)通”方式是指每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1/ 6 周期（60電角度）換相一次，每次換相一個(gè)功率管導(dǎo)通120電角度。各功率管的導(dǎo)通順序是VF1VF2、VF2VF3、 VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1。當(dāng)功率管VF1和VF2導(dǎo)通時(shí)，電流從VF1管流入A 相繞組，再?gòu)腃相繞組流出，經(jīng)VF2回到電源。如果認(rèn)定流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正, 那么從繞組流出所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩則為負(fù)，它

13、們合成的轉(zhuǎn)矩如圖3a所示，其大小為3Ta,方 向在Ta和一Tc的角平分線上。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)60后，由VF1VF2通電換成VF2VF3通電，這時(shí)， 電流從VF3流入B相繞組再?gòu)腃相繞組流出，經(jīng)VF2回到電源，此時(shí)合成的轉(zhuǎn)矩如圖3b所 示，其大小同樣為3Ta。但合成轉(zhuǎn)矩Tbc的方向轉(zhuǎn)過(guò)了 60電角度。而后每換一次導(dǎo)通狀態(tài)，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，但大小始終保持叮3 Ta不變。圖3c示出了 全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。a) VF1、VF2導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩b) VF2、V F3導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩c)二二導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩矢量圖圖 1： 聯(lián)結(jié)繞組二二通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖圖 2: 全控橋輸出波形圖霍爾信號(hào)導(dǎo)通管

14、單片機(jī)P1.0P1.5HaHbHeP1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0101V2V1100001100V6V1010001110V5V6010100010V4V5001100011V3V4001010001V2V3100010正轉(zhuǎn)控制真值表霍爾信號(hào)導(dǎo)通管單片機(jī) P1.0-P1.5HaHbHeP1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0101V5V4001100100V4V3001010110V3V2100010010V2V1100001011V1V6010001001V6V5010100反轉(zhuǎn)控制真值表4.2 速度采集對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精密的調(diào)控，首先必須對(duì)它的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，將三

15、路霍爾型號(hào)合并 成一路信號(hào)接單片機(jī)的外部中斷，該中斷為下降沿觸發(fā)方式，在中段中檢測(cè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的 所需要的時(shí)間由此可以算出轉(zhuǎn)速值。無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量計(jì)算公式:n=60/ZTNZ轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)。T單片機(jī)計(jì)數(shù)器技術(shù)周期。R位置傳感器輸出一個(gè)周期單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生技術(shù)脈沖個(gè)數(shù)。4.3 速度環(huán)控制程序直流無(wú)刷電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)采用 PWM 波調(diào)速(l).PWM波的產(chǎn)生，單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)pwm波的產(chǎn)生用了定時(shí)器，用定時(shí)器產(chǎn)生中斷的方式產(chǎn)生 pwm 波,選用 8 位自動(dòng)重裝系統(tǒng)， 8 位定時(shí)器可定時(shí) 1us-256us(12M 晶振)， PWM 的開關(guān)頻 率可達(dá)到4KHZ，定時(shí)器T1中斷的PW

16、M波流程圖如下圖：速度閉環(huán)控制流程圖如下：(PI調(diào)節(jié)器算法)控制算法采用的是積分分離的PI算法，設(shè)定轉(zhuǎn)速被控量的最大允許偏差為 m,當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差e小于m時(shí)，采用PI算法，而當(dāng)e大于等于m時(shí)，則不再進(jìn)行 積分運(yùn)算，即把積分分離出去，這樣就顯著降低了被控量的超調(diào)量和過(guò)度時(shí)間， 使調(diào)節(jié)器的性能得到改善，其中 U1 表示轉(zhuǎn)速給定電壓， Uf 為轉(zhuǎn)速反饋電壓， Ui 為電流給定電壓。PI調(diào)節(jié)器的脈沖傳遞函數(shù)為D(Z)=Kp+Ki*1/s=Kp+( Ki*T)/2*(Z+1)/(Z-1)Kp比例常數(shù)Ki積分系數(shù)T采樣周期5.系統(tǒng)軟件5.1 軟件流程主程序流程圖鍵盤流程圖：開始是否有鍵按下?lián)Q向流程圖：是6.總結(jié)總的來(lái)說(shuō)，BLDC電機(jī)和有刷直流電機(jī)及感應(yīng)電機(jī)相比是具有優(yōu)勢(shì)的。它們 具有更好的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩特性，較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和效率，較長(zhǎng)的使用壽命，無(wú)噪音 運(yùn)轉(zhuǎn)，較高的轉(zhuǎn)速范圍，以及可靠而堅(jiān)固的構(gòu)造等等。同時(shí)，由于輸出轉(zhuǎn)矩與電 機(jī)體積之比更高，使之在需要著重考慮空間與重量因素的應(yīng)用中，大有用武之地。 有了這些優(yōu)勢(shì)，BLDC在汽車，家用電器，航空航天，消費(fèi)品，醫(yī)