无刷直流电机控制毕业设计论文

江西理工大学2012届本科生毕业设计（论文）

现，如今的永磁无刷直流电机系统己经成为集特种电动机、功率驱动器、检测元件、控制软件与硬件于一体的典型的机电一体化产品，体现了当今工程科学领域的许多最新成果。

1.3 直流无刷电机控制技术的发展

常规控制器(PID 控制)尽管控制精度较高，但它需要建立描述动态系统的精确的数学模型，对于未知动态变化的系统要建立精确的数学模型是比较困难的。比如干扰、参数漂移和噪声等不可能在很高的精度下进行模型化。直流无刷电机是一个多变量、非线性、强耦合的对象，因此利用模糊控制、神经网络控制、自适应控制、专家系统等具有自学习、自适应、自组织功能的智能控制来进行无刷直流电机的控制是一种有效的手段，控制器的计算和存储能力的不断增强也为这些先进控制算法的实现提供了有利的条件。直流无刷电动机控制技术发展经历了如下的发展过程：

(1)无位置传感器控制对于无刷电动机，由于它具有体积小，重量轻，结构简单，维护方便，运行可靠的优点所以备受欢迎。但是无刷电动机要实现旋转，就要实时的检测出转子的位置实现正确换相。所以位置的检测和换相技术的研究是直流无刷电动机控制目前的一个方面。最常用的方式是采用传感器的方式。这种方式可以正确的检测转子位置信号，但是由于传感器的安装不仅会使电机的体积增大，而且传感器也难于安装和维修。因此无传感器的传动控制引起国内外学术界很大的重视，成为近年的研究热点。但是由于定子反电动势和电机的转速成正比，所以在电机静止时反电动势为零，没有换相信号，电机不能自启动。为了实现启动必须外加启动信号，使电动机转子向确定的方向加速，绕组中产生反电动势，然后再用模拟开关切换到反电动势检测换相的方式。在启动方式中主要有外同步方式和预定位方式两种。外同步驱动方式启动是以变频方式同步拖动电机转子旋转，需要专门的脉冲分配电路提供各相导通的控制信号，因此启动电路比较复杂；预定位方式启动的控制电路相对简单，但是为了起动可靠，必须设计起动控制电路并且合理的调整电路参数。目前对电路要求比较简单的启动方法是：启动时首先施加激励电压，应用主动检测方法测得响应电流，利用相电流和相电感的关系得出转子的初始位置。这里要求确切的知道相电流和相电感的关系。

(2)变结构控制由无刷电机组成的控制系统，为了提高它的控制性能，人们也在使用一些新型的控制策略。变结构控制由于具有响应速度快、对控制对象参数变化及外部扰动不灵敏、物理实现简单等优点，人们开始将直流无刷电机采用变结构控制。变结构开关模式既可以由系统的传递函数导出，也可根据系统的最大速度、最大加速度等参数设计，都会使系统的位置控制达到较好的控制效果。

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1.4 TMS320LF2407简介

TMS320LF240x 系列是 TMS320C2000 家族中最新、功能强大的 DSP 芯片，其中 LF2407 是最具有革命性的产品，是当今世界上集成度较高、性能较强的运动控制芯片，特别适合于三相异步电动机的高性能控制。它与现存 24x DSP 控制器芯片代码兼容的同时，240x 芯片具有处理性能更好(30MIPS)、外设集成度更高、程序存储器更大、A/D 转换速度更快等优点，是电机数字化控制的升级产品。

本文给出了基于TMS320LF2407的直流电机控制系统的硬件设计和软件控制策略, 该系统采用 DSP使整个硬件电路的设计变得简单, 有效地降低了系统的成本,显著地提高了系统的处理能力和可靠性。随着 DSP技术的不断发展, DSP也将在电机控制领域中得到更加广泛的应用。

1.5 论文研究意义

最近十年，伴随着经济的迅猛发展，困难也随之而来，高度发达的生产力已经给我们生存的环境造成一系列不容忽视的问题，能源短缺和环境污染就是其中最重要的问题。其中由于汽车工业的迅速发展及大量普及，在这方面造成的影响尤为严重。与日俱增的能源与环境的压力促使人们迫切要求开展对电动汽车的研究和开发。目前全球约 6 亿辆汽车，每年要消耗约 1.8 亿吨石油，然后排放大量尾气污染大气，成为大气的主要污染源。在我国，随着汽车数量的激增，1994年我国就成为石油纯进口国，对石油输出国的依赖性越来越大，与此同时，汽车尾气和噪声对城市的污染贡献率迅速增加，成为主要污染源。以北京为例，1998年机动车排放一氧化碳和氮氧化物的分担率分别达到 82.7％和 42.7％，近年来氮氧化物等污染物有增无减。虽然国家制定了机动车的尾气排放标准，但是如果不从根本上改变传统的内燃机为发动机的做功方式，在能源与污染问题的解决方法上还是治标不治本。电动车以蓄电池储存的电能为动力，在行驶中几乎没有废气排出，排放要比内燃机减少92％－98％，因为没有发动机的振动，它的噪音仅有内燃机的一半。同时电动汽车可以很好地解决能源问题，因为电能属于二次能源，通过多种途径将其他能源（火力，水力，风力，核能，太阳能，潮汐能等）转换得到，所以不存在能源枯竭问题。这些突出优点迫使人们对电动汽车进行研究和开发，而电动车的研究重点就是动力系统——直流无刷电动机控制系统的研究。该课题是围绕直流无刷电动机控制系统实验装置而展开的。

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第二章 直流无刷电机的结构及其运行原理

无刷直流电动机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机，是现代电力电子、微电子技术、控制理论和电机技术相结合的产物。无刷直流电动机采用无位置传感器检测转子位置，不仅减少了因转子位置传感器而增加额外费用，而且减少了系统体积，并大大的提高了系统的可靠性。本章主要介绍了直流无刷电机的工作原理，并在此基础上给出直流无刷电机的数学模型，阐述霍尔转子位置检测的工作原理

2.1 直流无刷电动机结构特点

直流电动机具有非常优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路等优点，长期以来一直广泛地应用在各种伺服系统中。但是直流电动机的电刷和换向器成为其发展障碍。机械电刷和换向器造成的火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能以及限制了它的应用场合。因此人们一直在寻找一种不用电刷和换向器的直流电动机。随着电子技术，功率半导体和高性能的磁性材料制造技术的发展，这种想法已经能够实现。直流无刷电动机利用电子换向器取代了机械电刷和换向器，因此使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，使它一经出现就以极快的速度发展和普及。随着电动汽车的产业化和商业化，直流无刷电动机凭借其特有的优势占据着重要地位。

2.1.1 永磁材料特性

永磁功能材料常称永磁材料，又称硬磁材料，而软磁功能材料常称软磁材料。这里的硬和软并不是指力学性能上的硬和软，而是指磁学性能上的硬和软。磁性硬是指磁性材料经过外加磁场磁化以后能长期保留其强磁性(简称磁性)，其特征是矫顽力(矫顽磁场)高。矫顽力是磁性材料经过磁化以后再经过退磁使其剩余磁性(剩余磁通密度或剩余磁化强度)降低到零的磁场强度。而软磁材料则是加磁场既容易磁化, 又容易退磁, 即矫顽力很低的磁性材料。退磁是指在加磁场(称为磁化场)使磁性材料磁化以后，再加同磁化场方向相反的磁场使其磁性降低的磁场。

永磁材料是发现和使用最早的一类磁性材料。我国最早发明的指南器(称为司南)便是利用天然永磁材料磁铁矿制成的。现在的永磁材料不但种类很多，而且用途也十分广泛。常用的永磁材料主要具有 4 种磁特性：(1)高的最大磁能积。最大磁能积是永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度；(2)高的矫顽(磁)力。矫顽力是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度；(3)高的剩余磁通密度和高的剩余磁化强度。它们是具有空气隙的永磁材料的气隙中磁场强度的量度；(4)高的稳定性，即对外加干扰磁场和温度、震动等环境因素变化的高稳定性。

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当前常用的重要永磁材料主要有：(1)稀土永磁材料，这是当前最大磁能积最高的一大类永磁材料，为稀土族元素和铁族元素为主要成分的金属互化物(又称金属间化合物)。(2)金属永磁材料。这是一类发展和应用都较早的，以铁和铁族元素(如镍、钴等)为重要组元的合金型永磁材料，主要有铝镍钴(AlNiCo)系和铁铬钴(FeCrCo)系两大类永磁合金。铝镍钴系合金永磁性能和成本属于中等，发展较早，性能随化学成分和制造工艺而变化的范围较宽，故应用范围也较广。铁铬钴系永磁合金的特点是永磁性能中等，但其力学性能可进行各种机械加工及冷或热的塑性变形，可以制成管状、片状或线状永磁材料而供多种特殊应用。(3)铁氧体永磁材料。这是以23Fe O为主要组元的复合氧化物强磁材料(狭义)和磁有序材料如反铁磁材料(广义)。其特点是电阻率高，特别有利于在高频和微波应用。如钡铁氧体（BaFe12O19）和锶铁氧体（SrFe12O19）等都有很多应用。除上述三类永磁材料外，还有一些制造、磁性和应用各有特点的永磁材料。例如微粉永磁材料、纳米永磁材料、胶塑永磁材料(可应用于电冰箱门的封闭)、可加工永磁材料等。

无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。

2.1.2 直流无刷电动机结构

直流无刷电动机的本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他启动装置，其定子绕组一般制成多相，三相，四相，五相不等，转子由永磁钢按一定极对数（2p=2，4 ? ）组成三相定子绕组，分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相，随着转子的转动，位置传感器不断的送出信号以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是直流无刷电动机的换流原理。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换相器的换相作用。

因此所谓直流无刷电动机就其基本结构而言，可以认为是一台电子开关线路、永磁同步电动机以及位置传感器三者组成的电动机系统。直流无刷电动机结构原理图如图 2-1 所示：

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