1、本科毕业论文（20 届）电 动 车 用 无 刷 直 流 电 机 控 制 器 设 计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的一种新型电动机。它不但具有传统直流电动机的优点，而且还拥有传统直流电动机不具有的诸多优点。因此，在现代社会无刷直流电动机得到了非常广泛的应用。例如在家用电器、电动车、工业机器人、航空航天等领域都有无刷直流电动机的身影。可见，无刷直流电动机极大地改变了我们的生活，推动了社会的发展。本论文在全面分析和总结无刷直流电动机性能和运行原理的基础上，设计了以 PIC16F72 单片机
2、为核心的无刷直流电动机调速系统。PIC16F72 单片机作为电动车控制系统的微控制器，其采集电压、电流、调速等信号和位置传感器的反馈信号，通过软件编程控制无刷直流电动机的调速。无刷直流电动机的调速采用脉冲宽度调制技术（PWM） ，通过改变 PWM 控制脉冲的占空比来调节输入无刷直流电动机的平均直流电压，从而达到调速的目的。本设计的硬件电路主要包括逆变主电路、驱动电路、转子位置检测电路、保护电路、电源电路、时钟电路和复位电路等几个部分。每个单元电路都有各自的功能，如逆变电路进行电流逆变并且改变输出电压频率，驱动电路进行功率放大等。关键字:无刷直流电动机 ,PWM 控制,单片机AbstractII
3、AbstractThe brushless DC motor is a new type of motor developed on the basis of the brush DC motor. It not only has the advantages the traditional DC motor has, but also has the advantages the traditional DC motor not has. Therefore, the brushless DC motor is widely used in the modern society. For e
4、xample in household appliances, electric car, industrial robots, aerospace and other fields all have a brushless DC motor. Visibly the brushless DC motor has greatly changed our lives and it also has promoted our societys development to a large greatly certain extent.This paper consulted many litera
5、ture materials and then analyses and summarizes the present research situation of the brushless DC motor and also elaborated its operation and control mechanism. In the analysis of the performance and operation principle of the brushless DC motor, we designed a speed control system in which the PIC1
6、6F72 microcontroller as the core. Brushless DC motor speed control using the technology of pulse width modulation (PWM), by changing the PWM control pulse duty cycle to regulate the importation of the average DC voltage of the Brushless DC motor , so as to achieve the purpose of speed control.The ha
7、rdware circuit of my design mainly includes the inverter main circuit, drive circuit, interface circuit, protection circuit, power supply circuit, a clock circuit and a reset circuit and so on. Each circuit unit has its own features, such as the inverter circuit for current inversion and change the
8、frequency of the output voltage, driving circuit for power amplification. If linking all the unit circuit effectively, we can get the whole circuit diagram of my design.Key word: the brushless DC motor, the signal chip processor, PWM control目 录III目录摘 要 .IABSTRACT.II目录 .III第一章 概述 .11.1 课题的目的和意义 .11.2
9、 国内外发展现状 .11.2.1 国内发展现状 .11.2.2 国外发展现状 .21.3 无刷直流电动机的特点 .31.4 论文主要研究内容 .4第二章 无刷直流电动机控制系统设计 .52.1 无刷直流电动机系统的组成 .52.2 无刷直流电动机控制系统组成框图 .52.3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理 .62.3.1 无刷直流电动机的工作原理 .72.3.2 无刷直流电动机的换相 .72.4 无刷直流电动机控制系统中的 PWM 控制器 .8第三章 无刷直流电动机硬件设计 .103.1 逆变主电路设计 .103.1.1 功率开关主电路图 .113.1.2 逆变开关元件的选择 .113.2
10、 逆变开关管驱动电路设计 .123.2.1 对驱动电路的基本要求 .123.2.2 IGBT 驱 动 电 路 .123.2.3 运 算 放 大 电 路 .133.3 单片机的选择 .133.3.1 PIC 单片机特点 .14目 录IV3.3.2 PIC16F72 单片机管脚排列及功能定义 .143.3.3 PWM 信号在 PIC 单片机中的处理 .153.3.4 时钟电路 .153.3.5 复位电路 .163.4 转子位置的检测 .163.4.1 传感器的选择 .163.4.2 转子位置检测方法 .163.4.3 位置信号检测电路 .173.5 保护电路 .183.5.1 电流采样与过流保护
11、.183.5.2 欠电压保护 .193.6 电源电路 .193.7 显示电路 .203.8 速度检测与控制电路 .20第四章 无刷直流电动机软件设计 .224.1 无刷直流电动机控制器程序设计概况 .224.2 软件总体构成 .224.2.1 主程序的设计 .224.2.2 单片机初始化程序 .234.3 数字 PID 控制 .254.3.1 PID 控制原理 .254.3.2 数字 PID 控制算法 .26总 结 .28参考文献 .29致谢及声明 .30第一章 概述 -1-第一章 概述无刷直流电动机是一种新型的电动机，由于它具有远超过其它电机的诸多优点，所以在国民经济的各个领域都得到了广泛的
12、应用。近几年来，随着电力电子技术、PWM 调速技术的不断发展以及新型单片机的层出不穷，无刷直流电动机的发展更是速度飞快。1.1 课题的目的和意义社会发展到今天，虽然为我们提供了极丰富的物质生活条件，但却是以严重的自然资源消耗为代价的。我国虽然地大物博、资源丰富，但人口众多，所以各种自然资源依然非常的短缺。其中最主要的就是石油资源，石油资源的紧缺必然就导致燃油汽车制造行业的紧缩。因此，研究开发以其他形式为动力的交通工具迫在眉睫。此时，电动车应运而生，并且越来越受到人们的关注。电动车产业是绿色环保的产业，它在降低能源消耗、减轻环境污染、促进社会经济健康发展方面都起到了重要的作用 1。在我国，除了石
13、油资源短缺外，燃油车排放的尾气污染也是各城市大气污染的主要来源。环保、低能耗的电动车无疑将成为我国交通工具未来发展的趋势，这也符合城市交通发展的战略要求。另外，我国稀土资源很丰富，总储量约占世界总量的70，为稀土永磁无刷直流电动机的研究与应用提供了优越条件 2。因此，电动车符合中国的基本国情，符合未来节能环保的发展趋势。1.2 国内外发展现状1.2.1 国内发展现状我国对电动汽车的研发虽然起步较晚，但并不落后于世界，技术水平与产业化差距相差较小。“十五”期间，国家为了节约能源资源、改善大气环境、增强汽车工业竞争力、设立了“电动汽车重大科技专项”，组织许多大企业、著名大学和科研院所的高科技人员进
14、行联合研发。从2001年起，国家在电动车领域的投资急剧增加，已经达到100亿元人民币。其中“863”计划中涉及这一领域的投资就达到了8.8亿元人民币。我国“电动汽车重大科技专项”设立几年第一章 概述 -2-来，已经在许多方面取得了重大进展：燃料电池汽车已经成功开发出性能样机；混合动力汽车正在武汉等地公交线路上试验；纯电动轿车和纯电动客车已经通过了国家有关机构的认证。目前我国电动汽车研究发展的优势和存在的不足主要表现在以下几个方面：优势：燃料电子汽车整车集成技术发展迅速，新一代样车的开发基本完成；在电机与驱动系统方面的研究取得了较大的进展；我国政府特别支持开发研究稀土永磁电机，因为我国稀土资源丰
15、富，这样就很好的利用了我国的资源优势，降低了将来车辆产业化时的造价。在电动汽车四轮驱动方面也取得了很大的进展。2002年5月一辆四轮驱动的微型汽车功能模型车被上海燃料电池汽车动力系统公司和同济大学新能源汽车工程中心联合研制成功。在燃料电池质子膜、氢的储存制备和氢能基础设施建设研究等方面也有一定突破，整车开发产业化方案初见端倪。电动机及其控制技术取得了进展。不足：在新的电子控制系统技术的使用上与国外有较大差距。国外电动车续驶里程长，样机充一次电最多可行驶的距离达200多Km，而我国只能连续行驶100多Km，车速也远远落后于国外车的速度。蓄电池是电动汽车的关键技术，在这方面，国外已研发出了铝空气电
16、池、锌空气电池、镍氢电池等高能电池，但我国的高能电池还在研制中。1.2.2 国外发展现状这里以世界上最发达的国家美国和日本为例，介绍世界上电动汽车的发展现状。日本是世界上电动汽车技术发展最快的国家之一，特别是在混合动力电动汽车的发展上更是居世界领先地位。目前，全世界能够对混合动力汽车进行批量生产和销售的企业只有日本的丰田和本田公司。1997 年丰田公司在日本推出了世界上第一款混合动力轿车 PRIUS 并对其进行了批量的生产。该产品于 2000 年 7 月出口北美，同年 9 月出口欧洲，现在已在二十多个国家销售。据丰田公司测试，PRIUS 轿车节油效果特别明显。到 2012 年，丰田公司将为其生
17、产的所有汽车装上混合动力发动机。丰田公司推出 PRIUS 混合动力轿车后，又推出了 ESTIMA 混合动力汽车和搭载软混合动力系统的 CROWN 轿车。丰田汽车公司在混和动力系统降低能耗、降低尾气第一章 概述 -3-排放等方面居世界领先地位。本田汽车公司研发生产的 Insight 混合动力电动汽车已经开始在市场上出售，而且销售情况非常乐观。2002 年 4 月，本田汽车公司生产的 Civic 混合动力汽车成功出口到美国，并占据了一定的市场份额。在电动汽车产业化方面，美国汽车公司比日本差许多。美国的三大汽车公司只是小批量生产、销售纯电动汽车。混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车还在研究阶段，实现产
18、业化还需很长时间。目前在美国市场上占主导地位的仍然是日本产的电动汽车。现在美国已推出了 3 款混合动力概念车：通用Precept、福特 Prodigy 和戴姆勒克莱姆勒 DodgeESX3。1.3 无刷直流电动机的特点直流电动机具有运行效率高及调速性能好等许多优点，但传统的直流电机均有电刷，以机械方式进行换向，因而存在机械摩擦。由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命的弱点，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。无刷直流电动机是一种新型的高性能电动机，它不但继承了传统直流电动机的所有优点，还具有许多独特的优点。对无刷直流电动机与传统直流电动机在优缺点方面所做的一个简单对比，如表1-
19、1所示。表1-1 无刷直流电动机与传统直流电动机比较比较传统直流电动机 无刷直流电动机优点转速可在大范围内进行调节转速可在短时间内升高或降低电机转轴的速度和位置控制比较简单。换相时不需要电刷，无火花及磨损现象，散热性能好，噪声低，噪声低，不存在无线电干扰。缺点换相时需要电刷，会产生火花及磨损现象，运行时噪声很大，存在无线电干扰等。相同条件下，与传统直流电动机相比电源设备较复杂，价格相对较高。第一章 概述 -4-1.4 论文主要研究内容本论文以一台额定电压48V、额定功率250W的3相6极无刷直流电动机作为研究对象，研究的目的是设计一个电动车用的无刷直流电动机控制器。本设计除了要实现调速功能外，
20、还要求此控制器结构简单、运行可靠、控制系统有较好的动、静态性能。论文的研究内容主要有以下几个方面：(1)简要介绍了本课题的目的意义及电动车产业的国内外发展现状，并对无刷直流电动机与传统直流电机在优缺点方面进行了比较。(2)介绍了无刷直流电动机的结构、基本工作原理、数学模型和PWM控制器，以及无刷直流电动机系统的组成和转速-电流双闭环控制系统。(3)无刷直流电动机硬件设计。主要的单元电路有逆变电路、驱动电路、转子位置检测电路、速度检测与控制电路、电流采样与过流保护电路等。(4)无刷直流电动机软件设计。主要介绍了软件总体构成并写了单片机初始化 C 语言程序，简要介绍了数字 PID 控制算法。第一章
21、 概述 -5-第二章 无刷直流电动机控制系统设计总体上说，无刷直流电动机调速系统是一个单闭环控制系统：直流电源流经控制与驱动电路给电动机供电，位置传感器检测电动机转子位置信号并反馈给控制器。实际应用中为了提高控制精度，我们采用转速、电流双闭环控制。2.1 无刷直流电动机系统的组成无 刷 直 流 电 动 机 系 统 的 组 成 如 图 2-1 所 示 ， 主 要 由 电 动 机 、 转 子 位 置传 感 器 和 电 子 换 相 线 路 3 部 分 组 成 10。 如 图 2-1 所 示 ， 直 流 电 源 通 过 控 制与 驱 动 电 路 向 电 动 机 供 电 ， 位 置 传 感 器 检 测
22、电 动 机 转 子 的 位 置 ， 并 把 信 号 实时 的 传 给 控 制 电 路 。 控 制 电 路 进 行 逻 辑 分 析 与 信 号 转 换 ， 再 经 过 驱 动 电 路 的隔 离 放 大 后 控 制 各 功 率 器 件 的 导 通 与 截 止 ， 从 而 使 电 动 机 各 绕 组 按 一 定 的 次序 通 电 ， 这 就 实 现 了 电 子 换 相 。直流电源控制与驱动电路电动机本体位置传感器输出转矩图 2-1 无刷直流电动机系统组成框图2.2 无刷直流电动机控制系统组成框图在 保 证 系 统 稳 定 的 前 提 下 ， 为 了 提 高 系 统 的 启 动 性 能 ， 引 进 了
23、 电 流 负 反馈 ， 这 就 构 成 了 转 速 、 电 流 双 闭 环 调 速 系 统 。 在 转 速 调 节 器 和 电 流 调 节 器中 转 速 调 节 器 是 调 速 系 统 的 主 导 调 节 器 。 这 样 就 可 以 获 得 良 好 的 动 、 静 态性 能 ， 是 一 种 非 常 实 用 的 调 速 系 统 。无刷直流电动机控制系统采用转速、电流双闭环控制，包括电流内环和速度外环，如图2-2所示。启动时，让电流内环起主要作用，保证电动机获得允许的最大电流，以使转速线性递增到给定值；启动完成进入稳态运行后，外环的转速负反馈开始起主要作用，这时转速将随着给定电压的变化而变化，电流内环随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流 11。转速环可以使稳态运行
