1、 河南科技学院新科学院2017届本科毕业论文（设计）无刷直流电动机控制系统设计方案学生姓名： 所在系别： 电气工程系 所学专业：电气工程及其自动化 导师姓名： 完成时间： 2017年4月17号 摘 要永磁无刷直流电机是一个及电机与电力电子一体化的新型电机，永磁无刷电动机系统是是通过电机与辅助器共同作用下运行的，利用电力电子功率变换装置的特性代替传统的机械电刷进行转向的控制系统，这与以往的电机有很大的不同。随着电机控制理论 、控制理 论、数字脉 宽调 制以及现代控制技术的飞快进步，从而使永磁无刷电机得到了快速的发展，目前永磁无刷直流电机已经普遍存在日常生活当中了，并且被广泛使用。本次设计的重点是
2、,设计电机的硬件设计与软件编程。把无刷直流电动机做为控制系统，其中最重要的 组成部分是驱动电机，其次是利用位置传感器测定电机的运转方向；其中位置传感器在代替电刷方面起着重要的作用，单片机做为采集信号的重要元件用来处理反馈过来的信号，通过单片机进行编程控制从而使无刷直流电动机正常运行。关键词: 永磁无刷直流电动机，电力电子技术，霍尔位置传感器， 单片机AbstractPermanent magnet brushless DC motor is a new type motor and motor with power electronic integration, permanent magne
3、t brushless motor system is run by both the motor and the auxiliary device under the control of steering system of mechanical brush by using the characteristic of power electronic power converter device to replace the traditional one. This is quite different from the past the motor with motor contro
4、l theory, control theory, fast progress and modern digital PWM control technology, so that the permanent magnet brushless motor has been the rapid development of the permanent magnet brushless DC motor has been widely exist in daily life, and has been widely used.The focus of this design is the desi
5、gn of hardware and software design of the motor. The control system for brushless DC motor, the most important part is the driving motor, followed by determination of motor running direction by position sensor; the position sensor in place of the brush plays an important role for the signal chip an
6、important component of signal acquisition for processing over the feedback control through the microcontroller programming, so that the normal operation of Brushless DC motor.Keywords:：Permanent， Position sensor-less，Control，SinglechipI目 录1 绪论 .11.1 永磁无刷直流电机的发展历史 .11.2 永磁无刷直流电机的介绍 .11.3 无刷直流电动机的应用 .
7、22 永磁无刷直流电动机 .22.1 永磁无刷直流电机的特点 .22.2 永磁无刷直流电机的结构框图 .22.3 永磁无刷直流电机的原理 .32.4 永磁无刷电动机的组成模块 .42.5 无刷电机与有刷电机的区别 .53 无刷直流电机硬件设计 .53.1 控制系统的硬件设计框图 .53.2 逆变电路 .63.2.1 6 路 MOS 管上下桥 开通原理 .63.3 驱动及驱动保护模块 .73.3.1 光电耦合器 6N137 .73.3.2 IR2130 驱动芯片 .73.3.3 硬件电路图 .83.4 单片机外围电路 .9II3.4.1 PIC16F877A 芯片的内部结构 .93.4.2 外围
8、电路图设计 .103.5 总硬件电路图 .114 系统的软件设计 .114.1 A/D 转化模块 .114.2 软件设计流图 .124.2 中断流程框图 .134.4 处理位置传感器的检测信号 .145 无刷直流电机的仿真 .155.1 数学模型 .155.2 PI 调节器的建模和特性的研究 .165.2.1 PI 调节器的传递函数 .165.2.2 带积分限幅的 PI 调节器 .195.3 电机调速系统仿真模型 .215 总结 .24致谢 .25参考文献 .27附录 .2911 绪论1.1 永磁无刷直流电机的发展历史无刷直流电动机是在有刷电动机的基础上加以改进。有刷直流电动机以其优良的特性和
9、电机的稳定性，在很长的一段时间在占据着重要的地位。但是有刷直流电机系统还有一个致命缺点，那就是有刷电机的可靠性大大降低，从而限制了电机的使用条件，降低了 电机的使用频率。 为了使有刷电机使用更加完善， 经过科学家经过了长期的探索，就在1917科学家年首次提出大胆的设想如果可以利用其他元件代替电刷进行运转，为无刷电机的产生奠定了一定的依据。1955年美国科学家首次提出是否可以解决电刷对电机的摩擦损耗，利用其他元件代替并进行多次试验成功发现了替代品，这一伟大的成果加速了无刷电机的出现。电力电子的快速发展为无刷直流电动机的进步创造了条件，在无刷直流电动机发展的初期，由于电力 电子的发展还不成熟造成了
10、电机的可靠性比较差，再加上一些客观原因例如：电力电子技术还不完善，用于事物的条件还不充分加上价格昂贵实用性差、永磁材料没有达到理想的条件和驱动控制技术水平不发达，从而使无刷直流电动机只能在实验研究阶段无法用到实际生活。1970年以后，随着电力电子技术的飞速发展， 许多新型半导体功率器件相继产生，例如半控型、全控型等，正因为电力电子有了快速发展为无刷直流电动机的产生奠定了科学的基础。在 1978年博览会上，德国的公司首次提出了无刷电机的驱动装置， 为无刷电动机的应用提供了科学依据同时为无刷直流电动机的研发迈出巨大的一步。在国际上国外科学家已经对无刷电机有了深刻的了解但我国依旧使用传统的有刷电机对
11、新型电机的研究还知之甚少，但是中国科学家不怕困难刻苦研究。在1987年设备展览会上司首次利用电力电子技术对电机进行驱动，这一重大标志着无刷电机的实现更近了一步。从此开始在这一领域进行了深刻的研究和不停地探讨， 为这一领域取得了巨大的成就使第一台永磁无刷直流电动机诞生，并快速投入使用。 1.2 永磁无刷直流电机的介绍无刷直流电动机采用位置传感器取代传统的机械电刷换向器,定子作为电枢，转子采用永磁材料。正因为 此特点使无刷直流电机的使用更加的方便，因为没有2机械电刷的原因解决了直流电机电刷容易损环的缺点。作为当今最理想的数字控制系统用于调速电机，无刷直流电机创造了新型电机的优势。无刷直流电机具有特
12、点是效率高,转矩速度低,转速精度高等特点，越来越多的被用于到生活中。无刷直流电机本身就具很多性能，不同于传统电机体积比较大运行起来比较笨重。 实现了用于各种工作 环境的需要，正因 为这 些特点成为了当今效率最高的调速电机。正因为无刷电 机的不断完善，也逐 渐的被大多数人所接受，使用的频率也逐渐增大。1.3 无刷直流电动机的应用80 年代电机已经处于多样化，各种直流电动机和交流电动机在生活中所占的比重越来越大，但是有刷电机处于主导地位，无刷电机的使用还较少。 80 年代以来，人们生活水平大幅提高有刷电机已经不能满足生活中的日常需要以及现代工业的快速发展，更加迫切新型电机的使用。 电机作 为生活的
13、重要部分之一，电机必须完善自身的缺点，而且保持本身原有的优点，结合实际使用情况进一步进行完善。通过对无刷电机的不断创新，在日常生活中无刷电机的使用频率大大提高。不仅仅是生活中在办 公领域无刷电机也体显出来了他的特点，办公领域逐渐往高效智能化发展，在军 工与航天领域作用也越来越大。 2 永磁无刷直流电动机2.1 永磁无刷直流电机的特点直流无刷电机是集电机和电子一体化的电机。无刷直流电机解决了电机损耗的问题，使电机的使用寿命大大提高，使用范 围逐步 扩展 。无刷的直流电机大多是采用三相对称的星形接法或三角形接法。无刷直流电机转子是永磁铁，定子是电枢， 产生得磁场是永磁 场只靠定子与转子是不行的，无
14、法满足电机的正常运行，所以要加上位置传感器 对电机进行转向。因 为定子与转子的原因无刷电机的磁场是固定的，转子不能在 电机内部的恒定磁场相互作用，只能产生单一方向的转矩来驱动转子向着单一的方向运动。2.2 永磁无刷直流电机的结构框图根据对无刷电机工作的了解，电机主要是由一下几部分构成，首先通入直流电源经过功率开关组成的逆变电路产生三相交流电，但是只有其中的两相通入到永磁电机当中使电机开始转动，电机的转动信息通过位置传感器进行读取，确定电机的所在位置，再通过 位置信号处理来确定电机下一步的运转方向。最终再次传到了功率开关，通往电 机内部，就 这样周而复始的 进行转动。可以把无刷 电3机看做一条反
15、馈电路，输入的信号对电机造成影响使电机开始运行，输出的信号同样对电机造成影响，就这样形成了反馈电路。在功率开关的作用下通入到永磁电机之中，但永磁电机的磁场是恒定的磁场。所以需要位置传感器中的霍尔元件进行处理，产生出来的位置信号再输入到功率开关中让电机的运行方向始终沿着某个方向旋转，即使是在恒定磁场下也可以使电机正常运行。图 2-1 电机结构框图2.3 永磁无刷直流电机的原理无刷直流电机因为定子与转子的原因，需要逆变电路为电机提供信号。在逆电路中一共有六个功率开关，每两个为一组可分为三相，每次接通时只通过其中两个功率开关。当电机开始运行时， 输出的电信号经 控制电路变换后驱动逆变器进行转向。开始运行时 T1、T6 功率开关导通，即 A、B 两相绕组通电，C 相绕组相当于断路，使电流从正极流出，经 T1 流入 A 相绕组 ，再从 B 相绕组流出，由T6 回到 电源的负极，此时 定子和转子磁场相互作用，使电机的转子逆时针转动。每 60 电度角转变了一次功率开关。根据表 2-1 可知。表 2-1 电机正转转子位置 060 60120 120180 180240 240300 300360直流电源 功率开关位置传感器位置信号处理永磁电机
