无刷直流电动机及其控制系统的研究毕业论文

无刷直流电动机及其控制系统的研究

4.3.3负载在0.6S突然由原来的2N·M变到4N·M ........................................................................... 36 4.3.4转速在0.6S突然由原来的200 RAD/S变到400 RAD/S ............................................................ 37 4.3.5电机制动时，能量回收 ............................................................................................................ 38 4.4 MTPA与ID=0仿真结果对比、分析 ........................................................................................... 39 4.4.1结果对比 .................................................................................................................................... 39 4.4.2结果分析 .................................................................................................................................... 40 4.5本章小结 ....................................................................................................................................... 41 5.1无刷直流电机的基本硬件组成 ................................................................................................. 41 5.1.1 DSP控制器 ................................................................................................................................ 42 5.1.3控制电路 .................................................................................................................................... 45 5.1.4转子位置检测电路 .................................................................................................................... 47 5.2数字控制系统的软件设计 ........................................................................................................... 48 5.2.1整体设计论述 ............................................................................................................................ 49 5.2.2 换相检测和开环起动的软件实现 ............................................................................................ 49

1.换相点的软件实现 ...................................................................................................... 50

2. 电机旋转的正、反向控制 ........................................................................................ 50

5.2.3主要子程序 ................................................................................................................................ 51

1. 转子转速调节子程序 ................................................................................................ 51 2. 换相服务子程序 ........................................................................................................ 53

............................................................... 53

5.2.4PWM周期中断子程序(PWM ISR) .......................................................................................... 55 5.2.5 ADC转换中断服务子程序（ADC ISR） ................................................................................ 56 第六章 结论 .................................................................................................................................... 58 参考文献 ......................................................................................................................................... 59

无刷直流电动机及其控制系统的研究

第一章 绪论

近二十多年来，电力电子技术、计算机技术、控制理论以及新材料技术都得到了迅速的发展，所有这些都推动着电机控制技术的发展、进步。新材料技术的发展，例如稀土永磁材料Nd-Fe-B、磁性复合材料的出现，给电机设计插上了翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。我们国家稀土资源十分丰富，近年来，永磁电机的研究十分活跃。采用永磁材料激磁，特别是采用高性能稀土永磁材料，可大大提高电动机效率，缩小电机体积。据不完全统计，500W以下的直流微电机中，永磁电机占92%，而10W以下永磁电机占99%。而在无刷化方面，主要是发展无刷直流BLDC (Brushless DC)电机，以提高产品的可靠性和寿命。

而电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展更使得电机调速技术得到很快的发展。新的电力电子器件，高性能的数字集成电路以及先进的控制理论的应用，使得控制部件功能日益完善，所需的控制器件数目愈来愈少，控制器件的体积也日益减小，控制器的可靠性提高而成本日益降低。从而使得电机的应用不再局限于传统的工业领域。而在商业，家用电器、声像设备、电动自行车、汽车、机器人、数控机床、雷达和各种军用武器随动系统等领域也得到广泛应用。

当前，电子产品正经历着从模拟到数字的转化，在这场数字化的革命当中，DSP(Digital Signal Processor)器件适时而动，取得了飞速的发展。

今天，DSP己经成为通信、计算机、网络、工业控制以及家用电器等电子产品中不可或缺的基础器件。由于DSP具有较强的计算能力和较好的实时性，使得算法复杂的现代控制理论能够在实际中得到很好的应用，特别是实时性要求很高的系统，也可以通过DSP实现复杂的智能控制算法。在电力传动这个实时性要求很高的领域，DSP的应用越来越多，例如机器人，机械手等工业自动化系统；火炮位置伺服等军用设备；洗衣机，空调等家用电器设备；电动自行车等交通工具都用到了DSP控制器电力传动方案。

DSP技术的提高和CPU相似，已经成为决定电子产品更新换代的决定因素之一。用DSP进行电力传动系统的设计，是未来电力传动系统实现数字化，智能化的发展方向。

本课题是自选研究课题，旨在研制一套基于DSP的无刷直流电机调速系统，主要工作如下：

无刷直流电动机及其控制系统的研究

(1)研究无刷直流电动机的运行原理和控制方式，针对控制对象——具有正

弦波反电动势的15kW无刷电机选择合适的控制方案。

(2)设计无刷直流电机控制器的硬件电路，包括电源电路、功率电路、电流检测电路、电压检测电路、位置检测电路、电流斩波电路、驱动电路、DSP外围电路、DSP和单片机通信电路以及显示电路等。

(3)根据无刷直流电机的控制策略，介绍无刷直流电动机在横转矩区的id=0和MTPA控制策略，并在Matlab/simulink环境下，构建了电机控制模型，对两种控制策略的仿真结果进行了分析和对比。最后，选择和确定了本系统相应的控制策略。

(4)通过实验和仿真结果，设计无刷直流电机直接转矩控制系统的硬件和软件。实现数据采集及显示；跟踪转子位置，输出相通断信号至功率变换器决定对应的开关器件的开断；根据转子位置信号计算速度值；实现电流斩波控制；进行转速环和电流环PI调节；实现电机正反转运行以及DSP与单片机通信等。

第2章 无刷直流电机的工作原理

2.1 无刷直流电机的基本组成及工作原理 2.1.1 基本组成

图2-1 无刷直流电动机的结构原理图

无刷直流电动机的结构原理如图2-1所示。它主要由电动机本体、 位置传感

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器和电子开关电路控制器三部分组成。电动机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起 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。在图2-1中A相、B相、C相绕组分别与功率开关管(VT1，VT4),(VT3，VT6),(VT5，VT2)相接，磁极位置传感器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，去控制电子开关电路，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，这就是无刷直流电动机的换流原理。由于电子开关电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，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关电路、永磁同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图2-2所示。

直流电源 开关电路 电动机 n

图2-2 无刷直流电动机的原理框图

位置传感器 2.1.2 无刷直流电机的工作原理

众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永磁磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙中产生磁场，其电枢绕组通电后产生电枢磁场。由于电枢的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生转矩而驱动电动机不停地运转。无刷直流电动机为了实现无电刷换向，首先把电枢绕组放在定子上，永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外，还要有位置传感器、控制电路以及功率开关共同构成的换