BLDC電機電子換向原理的

1、南京工程學(xué)院課程設(shè)計說明書（論文）題目BLDC電機電子換向原理的研究及軟硬件實現(xiàn)課程名稱運動控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試院（系、部、中心）工業(yè)中心學(xué)院專業(yè)自動化系統(tǒng)集成班級D自集成102學(xué)生姓名劉永政學(xué)生學(xué)號 233100235設(shè)計地點基礎(chǔ)實驗樓C315指導(dǎo)教師盛國良、吳京秋設(shè)計起止時間：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)計任務(wù)2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.1.2 設(shè)計要求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33.2.1 逆變電路設(shè)計33.2.2 控制電路設(shè)計43.2.3 檢測電路設(shè)計53.2.4 保護電路設(shè)計6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 4. 系統(tǒng)設(shè)計7 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 4.1 換向邏輯設(shè)計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.概述無刷直流(Brushless Direct Current, BLDC)電機是一種正快速普及的電機類型，它可在家用電器、汽車、航空航天、消費品、醫(yī)療、工業(yè)自動化設(shè)備和儀器等行 業(yè)中使用。正如名稱指出的那樣， BLDC 電機不用電刷來換向，而是使用電子換向。BLDC電機和有刷直流電機以及感應(yīng)電機相比，有許多優(yōu)點。其中包括:更好的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特

5、性快速動態(tài)響應(yīng)高效率使用壽命長運轉(zhuǎn)無噪音較高的轉(zhuǎn)速范圍此外，由于輸出轉(zhuǎn)矩與電機體積之比更高，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電機的構(gòu)造、工作原理、特 性和典型應(yīng)用。設(shè)計任務(wù)和要求2.1任務(wù)和要求2.1.1 設(shè)計任務(wù)電機參數(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)子磁極對數(shù):5霍爾傳感器: 32.1.2 設(shè)計要求靜態(tài)指標(biāo):調(diào)速比：D=nmax/nmin三 1000；靜差率：s W3%。 動態(tài)指標(biāo):擾動產(chǎn)生的動態(tài)偏差：Anmax/nmin W10%；擾動產(chǎn)生的恢復(fù)時間：tv W0.5s；2

6、.2 研究路線系統(tǒng)硬件設(shè)計 控制回路設(shè)計控制器選擇:PLC、計算機或微控制器，包含控制器外設(shè)選型給定器設(shè)計：模擬/數(shù)字驅(qū)動電源：隔離電源，浮柵電流截止環(huán)節(jié)：電流、電壓檢測環(huán)節(jié)系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計環(huán)境梯形圖PLCVC+、 VB、 CB、 TC 等計算機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)子位置檢測程序、換向子程序 速度檢測程序、 ASR 子程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 方案確定逆變電路設(shè)計控制電路設(shè)計檢測電路設(shè)計保護電路設(shè)計換向邏輯設(shè)計速度采集、速度環(huán)控制程序3.2硬件設(shè)計3.2.1 逆變電路設(shè)計.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)動小功率的全橋電路 率。3.2.2 控制電路設(shè)計控制電路采用stc89c51做主控，單片機檢測霍爾元件的回饋信號，對應(yīng)輸出換相信號, 也同時測出電機轉(zhuǎn)速。輸出換相信號通過二極管構(gòu)成的與門，與單片機輸出的pwm信號疊加，使得程序上更 加容易操作。此外主控上配備了輸出

8、按鈕，和外部過電流檢測外部中斷輸入。輸出6 個換相端子與 前面的 ir2103 mos 管驅(qū)動電路相接。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 檢測電路設(shè)計（1）霍爾檢測電路和有刷直流電機不同，BLDC電機的換向是以電子方式控制的。要使BLDC電機轉(zhuǎn)動, 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。多數(shù)BLDC電機在其非驅(qū)動端上的定子中嵌入了三個霍爾傳感器。每當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過霍爾傳 感器附近時，它們便會發(fā)出一個高電平或低電

9、平信號，表示北磁極或南磁極正經(jīng)過該傳感器 根據(jù)這三個霍爾傳感器信號的組合，就能決定換向的精確順序。霍爾元件式位置傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、可靠，但對工作溫度有一定要求 同時霍爾元件應(yīng)靠近傳感器的永磁體，否則輸出信號電平太低，不能正常工作。因此，在對 性能和環(huán)境要求不是很高的永磁無刷直流電機應(yīng)用場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。三相永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號Ha、Hb、He在每360電角 度內(nèi)給出了6個代碼，按其順序排列，6個代碼是101、 100、 110、 010

10、、 011、 001.當(dāng)然， 這一順序與電動機的轉(zhuǎn)動方向有關(guān)，如果轉(zhuǎn)向反了，代碼出現(xiàn)的順序也將倒過來。圖:傳感器輸出波形（2）位置傳感器是無刷直流電動機系統(tǒng)的組成部分之一，有刷也是區(qū)別于直流電動機的主 要標(biāo)志。當(dāng)霍爾傳感器用作無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置信息檢測裝置時，將其安放在電機定子的 適當(dāng)位置，霍爾器件的輸出與控制部分相連。當(dāng)無刷直流電機的永磁轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾器件附近 時，永磁轉(zhuǎn)子的磁場令霍爾器件輸出一個電壓信號，該信號被送到控制部分，由控制部分發(fā) 出信號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)子磁場極性相同 的磁場，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子到下一位置時，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，控制部分使得對應(yīng)定子繞組通電，產(chǎn)生推斥場使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動， 如此循環(huán)，維持電機運轉(zhuǎn)。電路圖如下：電動機啟動和堵轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生一個很大的峰值電流，當(dāng)電流超過功率管的最大流過電流時，會將功率管燒壞或者擊穿。所以電路設(shè)計中必須加一限流保護電路。系統(tǒng)限流保護電路設(shè)計如上圖所示，電路由一采樣電阻和比較器LM393組成。當(dāng)電機啟動時，啟動電流增大, 在采樣電阻R1上的壓降增大，當(dāng)壓降等于給定電壓U0時，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，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：過電流保護電路4. 系統(tǒng)設(shè)計4.1 換向邏輯設(shè)計“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，電流從VF1管流入A 相繞組，再從C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)電機轉(zhuǎn)過60后，由VF1VF2通電換成VF2VF3通電，這時， 電流從VF3流入B相繞組再從C相繞組流出，經(jīng)VF2回到電源，此時合成的轉(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)通時合成轉(zhuǎn)矩b) VF2、V F3導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩c)二二導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩矢量圖圖 1： 聯(lián)結(jié)繞組二二通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖圖 2: 全控橋輸出波形圖霍爾信號導(dǎo)通管

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

15、路霍爾型號合并 成一路信號接單片機的外部中斷，該中斷為下降沿觸發(fā)方式，在中段中檢測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的 所需要的時間由此可以算出轉(zhuǎn)速值。無刷電機轉(zhuǎn)速測量計算公式:n=60/ZTNZ轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周傳感器輸出的脈沖個數(shù)。T單片機計數(shù)器技術(shù)周期。R位置傳感器輸出一個周期單片機定時/計數(shù)器產(chǎn)生技術(shù)脈沖個數(shù)。4.3 速度環(huán)控制程序直流無刷電機的調(diào)速系統(tǒng)采用 PWM 波調(diào)速(l).PWM波的產(chǎn)生，單片機要實現(xiàn)pwm波的產(chǎn)生用了定時器，用定時器產(chǎn)生中斷的方式產(chǎn)生 pwm 波,選用 8 位自動重裝系統(tǒng)， 8 位定時器可定時 1us-256us(12M 晶振)， PWM 的開關(guān)頻 率可達(dá)到4KHZ，定時器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，采用PI算法，而當(dāng)e大于等于m時，則不再進(jìn)行 積分運算，即把積分分離出去，這樣就顯著降低了被控量的超調(diào)量和過度時間， 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)總的來說，BLDC電機和有刷直流電機及感應(yīng)電機相比是具有優(yōu)勢的。它們 具有更好的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩特性，較高的動態(tài)響應(yīng)和效率，較長的使用壽命，無噪音 運轉(zhuǎn)，較高的轉(zhuǎn)速范圍，以及可靠而堅固的構(gòu)造等等。同時，由于輸出轉(zhuǎn)矩與電 機體積之比更高，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，BLDC在汽車，家用電器，航空航天，消費品，醫(yī)