1、1毕业设计开题报告电气工程与自动化实验室无线管理系统一、选题的背景与意义随着高等教育改革的不断深入，高等院校及一些科研院所中相继建立了一些不同层次的实验中心或开放型实验室，对调整实验室布局、实验设备运用、有效组织科研协作等起到了积极的作用。近年来，实验室资金投入的逐渐加大，仪器设备费用的逐渐增加，如何管好实验室和仪器设备，是实验室管理者必须面对的重要课题。实验室的安全使用更是值得我们关注的问题。由于实验室用电量极大，还有大功率仪器（电烙铁等）的使用，如果在实验结束时没有切断电源，将存在着严重的安全隐患。在实验室关闭期间（如晚上），因实验台的线路复杂，电源的布线繁多，安全隐患也是不容忽略的。高校
2、实验室通过连续不断地建设，部分实验室逐步走上了规范化、制度化的管理轨道，但大部分实验室仍然没有意识到信息化是管理工作走向科学化、现代化的必由之路，仍然继续着低效率、不规范的管理状况。本项目根据以上特点而设计，具有安全、可靠、方便、实用等的优点，。基于嵌入式的实验室电源管理方案是嵌入式系统在现代实验室管理中的一项新的应用。将它应用于现代开放型实验室之中，能更好地管理实验室，提高实验室设备利用率，是完善高等院校和科研院所的实验室管理，使其发挥科研主阵地作用的一个有效途径，对我国的科研的发展和科技进步起积极的推动作用，产生良好的社会效益。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题实现实验台电源的无线分配和
3、管理，通过操控控制面板，选择实验台的编号，处理器控制发射芯片发射信号。实验台接收控制信号，执行相应的动作，并对实验的环境进行检查，判断故障情况。1）通过智能控制实验台电源的通断，实现对实验室高可靠、高效率的管理，消除了管理上的问题与安全隐患，也可将此思路用于其它场合的电器及设备的安全化管理，可移植性强。2利用无线传播技术，完成对无线接收和发射模块的设计，实现这个实验室的内部电源的无线管理。23嵌入式核心控制通过不定期的扫描接收来自所有试验台发出的信息，了解试验台的通电情况，以及判断用户是否按照实验室的规则操作实验台。4管理人员可不定期的对上位机进行操作，来实现整个实验室的管理。5无线通信距离1
4、00米6可控制的从机数100台三、研究的方法与技术路线系统总体结构如下图所示编码无线通信微控制器控制面板RF发射模块LED显示键盘RF接收模块解码电子开关RF接收模块解码电子开关图1方案总体框图本课题实现实验台电源的无线分配和管理，通过操控控制面板，选择实验台的编号，处理器控制发射芯片发射信号。实验台接收控制信号，执行相应的电源控制，并对实验的环境进行检查，判断故障情况。41核心控件MCU3本系统拟采用微处理器，其体积小反应速度快，可脱机工作，扩展性能好。利用微处理器控制LED显示、按键和无线发射模块。图2核心控制模块42无线通信模块本系统是拟采用有强大功能的较宽的工作电压范围和低功耗的收发模
5、块，工作在315MHZ频段，分别具有ASK调制和解调功能。图3无线通信模块四、研究的总体安排与进度2006年11月2007年1月调研、查找和阅读大量相关文献并且收集资料、对项目的可行性进行论证。2007年2月2007年5月确定系统总体方案、算法及流程图；初步建立指纹数据库，并且对指纹数据进行处理，完成指纹识别的基础部分；完成顶层软件设计，实现PC机系统管理、实验管理功能。核心控制发送/接收模块LCD显示键盘发送与接收模块接收与发送模块无线通信控制方受控方42007年6月2007年7月设计嵌入式控制核心模块，通过对硬件电路的设计、软件设计、操作系统移植并调试各部分的功能，实现ARM与发射模块、A
6、RM与PC机之间的通信。2007年8月2007年9月对无线发射模块和接收模块编码，确定两个模块之间的通信协议，完成发射和接收模块的电路设计；对设计的子系统进行调试，改进，实现发射和接收模块、接收模块和继电器间的控制。2007年10月2007年12月完成所有子模块的设计，设计完成整个系统，对系统进行全面调试，测试相关数据，分析结果，分析系统实现的全部功能及性能；最后进行项目总结，课题验收，确定以后进一步的研究方向。五、主要参考文献1ARNOLDBERGER吕骏译嵌入式系统设计北京电子工业出版社,20022王田苗嵌入式系统设计与实例开发北京清华大学出版社,20023无线通信原理与应用THEODOR
7、ESRAPPAPORT蔡涛,李旭,杜振民译北京电子工业出版社,19994姜晓冰21世纪实验室和实验设备管理发展趋势初探J2001，18255585曾锐，徐朝军开放实验室管理理念及实现实验室研究与探索,2002,31081126丁晓玲，徐伟平，胡敏网络化分布式国家重点实验室管理信息系统实验技术与管理J,2001,21141187JAINAK,HONGL,PANKANTISANIDENTITYAUTHENTICATIONSYSTEMUSINGINFINGERPRINTSPROCOFTHEIEEE,19978NALINIKRATHA,CHENSHAOYUN,ANILKJAINADAPTIVEFLOW
8、ORIENTATIONBASEDFEATUREEXTRACTIONINFINGERPRINTIMAGESJPATTERNRECOGNITION,1995,2811165916635毕业设计文献综述电气工程与自动化无位置传感器无刷电机调速系统设计早在20世纪30年代，就有人开始研制以电子换相来代替机械换向的无刷直流电机，并取得了一定成果。但由于当时大功率电子开关器件的发展还处于起步阶段，没有理想的电子换相元件，导致这中电机只能停留在实验室研究阶段。11955年，美国的DHARRISON首次实现了晶体管电子开关代替了电刷，但这只是无刷直流电机简单的雏形，无起动转矩，没有实现应用。到六十年代，高强度
9、稀土永久磁铁的有效利用及借助霍尔元件来实现换相，为无刷直流电机的出现创造了条件。七十年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，许多新型高性能半导体功率器件，如GTR,MOSFET,IGBT等相继出现，以及高性能永磁材料，如衫钻、钦铁硼等的问世，均为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础，无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。1978年，原西德MANNESMANN公司的INDRAMAT分部在汉诺威贸易博览会上正式推出MAC无刷直流电动机系统，标志着无刷直流电动机技术已经进入实用化阶段。20世纪八十年代以来，随着新型稀土永磁材料的不断发展应用，无刷直流电动机的造价更低，性能更为优越，再加上消除了直流
10、电动机机械式换向带来的一系列限制，并且体积小、重量轻、效率高、转动惯量小，因而在医疗器械、仪器仪表、化工、办公自动化设备以及家电产品等领域具有广泛的应用。尤其在节能己成为时代主题的今天，无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。因此，对无刷直流电动机的深入研究是非常必要的，具有重大的应用价值。4在交流系统中应用的电动机主要有感应电动机和永磁同步电动机两种，其中永磁同步电动机按工作原理不同，又可分为正弦波反电势的永磁同步电动机PMSM和方波反电动势的无刷直流电动机BLDCM。采用矢量控制的异步电动机，己经可以获得接近直流调速系统的机械特性和较宽的调速范围，但是主要缺点是控制较为复杂，且对
11、电机参数有较强的依赖性；采用PWM控制的永磁同步电6机的外特性完全可以与直流电机等效，且与感应电机相比，体积小、重量轻、效率高、控制相对简单，且不存在励磁损耗问题，因此在高性能应用领域，永磁同步电动机显示了更多的优势。3和正弦波永磁同步电机相比，方波无刷直流电动机虽然存在着转矩脉动的问题，但其优越性表现在不需要正弦波永磁同步电机中的绝对的位置编码器，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，能使电机与逆变器的潜力得到更充分的发挥。因此，永磁无刷直流电动机的应用和研究受到广泛重视。无刷直流电机最大的特点就是它以半导体开关元件代替了由电刷和换向器组成的机械换向结构。由于没有了滑动电接触，就消除
12、了传统直流电机换向产生的噪声、火花等，而且抗干扰性能好，运行可靠，维护方便，同时也延长了电机的使用寿命。无刷直流电机转子采用永磁体激磁，没有激磁损耗，提高了电机整体的效率。电枢绕组位于定子上，热阻小，散热方便，使电机的温升易于控制。在相同功率的情况下，无刷直流电机比交流电机体积小、效率高。并且，无刷直流电机还保持了有刷直流电机优良的调速特性，转速控制方便。3无刷直流电动机控制的关键技术在于转子位置信息的获得及估计方法，和PMSM所需要的连续位置信号相比，无刷直流电动机的位置信息的获取要容易得多，仅仅需要几个关键的换相时刻位置信息。传统的无刷直流电动机的电子换向装置主要采用电子式或机电式位置传感
13、器直接测量，如霍尔效应器件HED、光学编码器、旋转变压器等。有些传感器的分辨率低或运行特性不好，有的对环境条件很敏感，如震动，潮湿和温度变化都会使性能下降，使得整个传动系统的可靠性和精确性难以得到保证。传感器还大大增加了电气连接线数目，给抗干扰设计带来一定困难。在精确的位置伺服系统中由于空间有限，没有安装传感器的余地。无位置传感器的无刷直流电动机省去了位置传感器，因而电机结构简单，体积小、可靠性高。当电机体积较小、位置传感器难以安装或工作环境恶劣以至于位置传感器无法正常工作时，无位置传感器的BLDCM就更加显示其独特的优越性。所谓的无位置传感器，正确的理解应该是无机械的位置传感器，在电机的运转
14、过程中，作为逆变桥功率器件换相导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这种信号不再是由位置传感器来提供，而应该由新的位置信号检测措施来代替，即以提高电路和控制的复杂性来降低电机的复杂性。7从控制系统的成本、维护性、可靠性等方面来考虑，无位置传感器的传动系统对提高系统的可靠性和对环境的适应性具有重要的意义。转子位置的准确检测是逆变器开关状态切换的基础，精度高低直接影响转矩的输出。因此，在小型、轻载条件下，无位置传感器无刷直流电机成为理想的选择并具有广泛的发展前景。所以对于无位置传感器的无刷直流电动机的研究已经成为国内外学术界所重视，成为近年来的研究热点，在无位置传感器下采用了各种智能控制与辨识
15、算法进行控制。5在转子位置检测的方法中，近年来国内外文献介绍的无传感器位置检测方法主要包括反电动势过零点检测法、反电动势三次谐波积分检测法、续流二极管监测法、反电动势积分法、磁链估计法、扩展卡尔曼滤波法、电感测量法、电流法、涡流效应检测法、采用智能控制检测法等。其中通过测出各相反电势的过零点而获得无刷直流电机所需的转子六个关键位置信号的反电势法原理简单，容易实现，但由于无位置传感器系统中起动时没有反电势信号，因此还需对无位置传感器控制时的起动方案做出相应的解决方案。尽管无位置传感器的无刷直流电动机控制原理和控制电路稍显复杂一些，但总体结构大为简化，制造的难度也降低了。虽然国内有许多的专家学者在
16、无位置传感器的无刷直流电动机的研究方面投入了很多，也取得了不小的成绩，但是，与国外的发达国家的无位置传感器的无刷直流电动机研究水平相比，还存在着比较大的差距。因此，研究无位置传感器的无刷直流电动机对于缩小与发达国家的差距，满足人民生产生活的需要，提高人民的生活水平都有着重要的意义。1参考文献1宋海龙，杨明，范宇，徐殿国无刷直流电动机的无位置传感器控制J电机与控制学报200292082122林瑞光电机与拖动基础M浙江大学出版社，20023杨沛骐“反电势法”无位置传感器无刷直流电机控制系统研究和实现东南大学硕士学位论文20034王海欣,黄海宏基于DSP的三相直流无刷电机调速系统的设计J电源技术应用
17、20079212485吕志勇，江建中永磁无刷直流电机无位置传感器控制综述J中小型电机2000733369本科毕业设计（20届）无位置传感器无刷电机调速系统设计10摘要【摘要】无位置传感器无刷直流电机不但具有传统无刷直流电机良好的调速性能，并且效率高、体积小具有更好可靠性和环境适应性，因此在工业领域中广泛应用。本系统设计的基于C8051F330单片机控制的无位置传感器无刷电机调速系统能对无位置传感器无刷电机启动、调速、保护等控制。本论文首先介绍了无刷电机控制原理。然后对无位置传感器无刷直流电机控制中的关键技术问题转子位置检测方法、起动控制策略、反电势过零点滤波等进行探讨，并详细介绍了以C8051
18、F330单片机为控制器的软、硬件实现方法和设计过程中出现的问题的分析。【关键词】无位置传感器；直流无刷电机；单片机。ABSTRACT【ABSTRACT】BRUSHLESSDCMOTORISWIDELYAPPLIEDTOALLKINDSOFFIELDSOWETOITSSTRONGABILITYOFSPEEDREGULATION,HIGHEFFICIENCYANDSMALLSIZEONTHEOTHERHAND,SENSORLESSBRUSHLESSDCMOTORBLDCMISMOREPOPULARININDUSTRIALFIELDSASITISMORERELIABLEANDADAPTABLETHI
19、SDESIGNACCOMPLISHESASENSORLESSBRUSHLESSDCMOTORCONTROLSYSTEMBASEDONC8051F330,WHICHCONDUCTSTHECONTROLOFTHEBRUSHLESSMOTORSSTARTUP,SPEEDREGULATION,STOPANDPROTECTINGTHISDESIGNACCOMPLISHESASPEEDREGULATIONSYSTEMOFSENSORLESSBRUSHLESSDCMOTORCONTROLLEDBYTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERC8051F330MEANWHILE,THEPAPERSTA
20、RTSWITHTHECONTROLLINGPRINCIPLESOFBRUSHLESSMOTORANDTHENDISCUSSESSOMEPIVOTALTECHNIQUESPROBLEMSOFSENSORLESSBRUSHLESSDCMOTORCONTROL,SUCHASDETECTIONMETHODSOFROTORPOSITION,STARTINGCONTROLSTRATEGIESANDBACKEMFCROSSINGZEROPOINTFILTERINGBESIDES,BOTHSOFTWAREANDHARDWARECONTROLLEDBYTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERC805
21、1F330AREINTRODUCEDINDETAILASWELLASTHEIRWORKINGPROCEDURES【KEYWORDS】SENSORLESS；BRUSHLESSDCMOTOR；SINGLECHIPMICROCOMPUTER。11目录摘要10目录111绪论1311无刷直流电机的研究背景和发展现状13111无刷直流电机的发展背景13112无刷直流电机的研究现状1312无位置传感器无刷直流电机的研究意义14121无刷直流电机的研究意义14122无刷直流电机无位置传感器控制的研究意义1513本论文的主要工作152无位置传感器无刷直流电机的原理与系统总体设计1621无位置传感器无刷直流电机的
22、基本结构和工作原理16211无位置传感器无刷直流电机的基本结构16212无位置传感器无刷直流电机的工作原理1622转子位置检测方法17221转子位置检测方法的选择917222反电势法介绍19223反电势过零点检测法介绍2123三段式启动方法22231转子定位22232外同步加速23233自同步自动换相2324无位置传感器无刷电机调速系统总体设计2325控制器选择24251C8051F330主要性能参数1024252C8051F330的10位ADC26253C8051F330的8位脉宽调制方式263系统硬件设计2931系统硬件总体结构2932功率管驱动电路2933功率管主电路31331三相桥式逆
23、变电路31332电压电流检测电路3234反电势滤波电路3335单片机最小系统344系统软件设计3541系统软件总体结构3542初始化程序设计3543电机启动程序3644端电压检测及换相程序371245运行控制程序395系统调试及波形分析4151硬件调试41511单片机最小系统41512功率电路42513反电势滤波电路4252软件调试4253实验波形分析43531外同步阶段波形43532自同步阶段波形44533换相超前时波形456结束语46参考文献47致谢错误未定义书签。附录48131绪论11无刷直流电机的研究背景和发展现状111无刷直流电机的发展背景自十九世纪四十年代直流电机出现以来，由于它良
24、好的动静态性能和调速性能指标，在运动控制领域很长一段时间内一直都占据主导地位。但是它优良的性能需要依靠有机械接触的电刷和换向器来实现，这大大加大了直流电机结构的复杂性和发生故障的概率，使用场合也的受到了很大的限制。例如，由于机械摩擦带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等问题，严重的限制了直流电机的应用。为此人们一直在寻求以交流电动机取代具有电刷和机械式换向器的直流电动机，来满足各种领域的需要。但是因为三相交流电动机是一个多变量、非线性时变的复杂系统，可控性较差。因此在很长一段时间里与直流传动系统相比，交流传动系统在控制性能与成本、复杂性、可靠性等方面都有一定差距。但是随着微处理器技术、电力电
25、子技术和电机控制理论的发展，交流调速已经取得了巨大的进步，各方面性能指标都有很大的提高，并且交流电机本来的结构简单、易维护等优点又得到了充分发挥，目前交流传动系统正迅速取代传统的直流传动系统12。112无刷直流电机的研究现状针对传统直流电机的缺点，早在20世纪30年代，有人就开始以电子换相来代替机械换向的无刷直流电机研究，并取得了一定的成果。但是当时大功率电子开关器件的发展正处于起步阶段，没有理想的电子换相元件，因此这种电机的研究只能停留在实验室阶段。1955年，美国的DHARRISON首次实现了利用晶体管电子开关代替电刷，但是这只是无刷直流电机的简单雏形，没有起动转矩，没有实现应用。到了六十
26、年代，利用霍尔元件来实现换相以及高强度稀土永久磁铁的有效利用，为无刷直流电机的出现创造了有利条件。七十年代以来，伴随着电力电子技术的飞速发展，很多新型高性能的半导体功率器件，例如GTR,MOSFET,IGBT等的相继出现，以及高性能永磁材料，如衫钻、钦铁硼等的问世，为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础，因而无刷直流电动机系统得到了迅速的发展。1978年，MANNESMANN公司的INDRAMAT分部在汉诺威贸易博览会上正式推出了MAC无刷直流电动机系统，这标志着无刷直流电动机技术已经进入实用化阶段。14随着人们日益深入的了解无刷直流电动机特性，使得无刷直流电动机的理论也逐渐得到完善。198
27、6年，HRBOLTON在一篇论文中对方波无刷直流电动机的特性进行了全面系统的总结，指出了这种电机的主要研究领域和研究方法，这篇论文标志着方波无刷直流电动机在理论上已基本成熟。我国对无刷直流电动机的研究起步较晚，在八十年代以前，国内对方波无刷直流电动机的研究几乎是空白。在1987年，北京举办的联办德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出的永磁式同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者广泛的关注。从此，国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，现在国内已有方波无刷直流电动机的系列产品，并且形成了一定生产规模。目前，国内主要的研究工作主要集中在对无刷直流电机的无位置传
28、感器控制上，己取得了很大的成果，并且得到了实际应用34。12无位置传感器无刷直流电机的研究意义121无刷直流电机的研究意义在交流传动系统中目前应用的电动机主要有感应电动机和永磁同步电动机两种，而永磁同步电动机根据不同的工作原理，可分为正弦波反电势的永磁同步电动机PMSM和方波反电动势的无刷直流电动机BLDCM。通过采用矢量控制的异步电动机，目前己经能够得到接近直流调速系统的机械特性和较宽的调速范围，但是存在着控制较为复杂的主要缺点，并且对电机参数的依赖性较强；而采用PWM控制的永磁同步电机可以得到与直流电机完全等效的外特性，与感应电机相比，体积小、重量轻、效率高、控制相对简单、不存在励磁损耗问
29、题等。因此在高性能应用领域，永磁同步电动机具有更多的优势。与正弦波永磁同步电机相比，方波无刷直流电动机虽然有转矩脉动的问题，但它不需要正弦波永磁同步电机中的绝对位置编码器，其功率密度更高，输出转矩更大，而且控制结构更为简单，能使电机与逆变器的潜力得到更充分的发挥。因此，永磁无刷直流电动机的应用和研究受到了广泛重视。无刷直流电机的最大特点是以半导体开关元件代替了由电刷和换向器组成的机械换向结构。没有滑动电接触，消除了传统直流电机换向产生的噪声、火花等，而且它的抗干扰性能好，运行可靠，维护方便，也延长了电机的使用寿命。无刷直流电机的转子采用永磁体激磁，没有激磁损耗，提高了电机整体效率。电枢绕组位在
30、定子上，热阻小，散热方便，使电机的温升容易得到控制。在相同功率情况下，和交流电机相比无刷直流电机比体积小、效率高。同时，无刷直流电机还保持了有刷直流电机优良的调速特性，转速控制方便。15从20世纪八十年代以来，随着新型稀土永磁材料的发展应用，无刷直流电动机的造价更低，性能更为优越，再加上消除了直流电动机机械换向带来的一系列限制，而且体积小、重量轻、效率高、转动惯量小，因此目前在仪器仪表、医疗器械、化工、办公自动化设备以及家电产品等领域具有广泛应用。尤其在节能己成为时代主题的今天，无刷直流电机的高效率更显示了它巨大的应用价值。因此，对无刷直流电动机的研究非常必要，具有重大实际应用价值。122无刷
31、直流电机无位置传感器控制的研究意义无刷直流电动机的电子换向主要通过检测转子的相对位置来进行正确的换向。传统的无刷直流电机一般采用霍尔元件作为位置信号传感器。但是，随着电机尺寸的进一步缩小，使用霍尔元件的弊端就日益突出。第一，电机内部用于安装霍尔元件的位置受到了限制；第二，霍尔元件对温度的变化以及电机应用中经常遇到的各种噪声敏感，而且传感器信号传输线过多会引入干扰，容易造成误操作。第三，霍尔元件的安装会使电机结构变得复杂、可靠性降低。从控制系统的成本、维护、可靠性等方面考虑，无位置传感器的传动系统对提高系统可靠性和对环境的适应性有重要的意义。转子位置的准确检测是逆变器开关状态切换的基础，其精度高
32、低将直接影响转矩输出。所以对于无刷直流电动机的控制无位置传感器的研究已被国内外学术界所重视，成为近年来的研究热点。虽然国内有许多的专家学者在无刷直流电动机无位置传感器控制方面已经做了很多的研究，也取得了不小的成绩，但是，与发达国家研究水平相比，还有很大的差距。因此，研究无刷直流电动机无位置传感器控制对于缩短与发达国家的差距，满足人民生产生活需要，提高人民生活水平有重要的意义。13本论文的主要工作论文首先介绍无刷直流电机的基本结构和工作原理。然后对无位置传感器无刷直流电机控制中的关键技术问题转子位置检测方法、起动控制策略、反电势过零点滤波等进行探讨，并详细介绍了功率驱动电路和以C8051F330
33、单片机为控制器的无位置传感器无刷电机调速系统实现方法，并对系统调试过程中出现的各种问题进行了分析和总结。162无位置传感器无刷直流电机的原理与系统总体设计21无位置传感器无刷直流电机的基本结构和工作原理211无位置传感器无刷直流电机的基本结构传统的无刷直流电机结构原理如图21所示，它主要由三部分组成永磁电机本体、电子换向器、转子位置传感器。直流电源电子换向器位置信号处理转子位置传感器BLCDM图21无刷直流电机结构原理图对无位置传感器无刷直流电机来说，可以检测电机相关信息量，经处理后得到位置信号从而实现位置传感器功能，也就是说用无位置传感器控制方式来取代传统的位置传感器。212无位置传感器无刷
34、直流电机的工作原理本系统设计的是全桥星接无刷直流电机其驱动原理如下图22三相星形联接全桥驱动原理图如图22所示，位置信号通过位置检测电路检测无刷直流电机的端电压并经过处理器处17理后得到，再通过驱动电路按照转子的位置信号来轮流导通逆变桥的6个功率管，实现对电机三相绕组通电。三相桥式星形联接的无刷直流电机在每一个时刻都有两相绕组导通，另一相处于关断状态。功率管有六种触发状态，每种状态下只有两个功率管导通且每隔60电角度换相一次，每次切换一个功率管，也就是说每个功率管导通120电角度。因为采用两两导通方式，每次只有两相导通，另一相关断，所以导通相相电流大小相等方向相反而非导通相相电流为零，非导通相
35、会有一次反电势过零。对于采用单极性PWM控制方式（上桥臂功率管采用PWM控制，下桥臂功率管直接开关）时功率管的工作状态与换相对应关系为表21所示。换相控制字为05。表21功率管的工作状态与换相的对应关系换相控制字各功率管工作状态T1T2T3T4T5T60PWMOFFOFFONOFFOFF1PWMOFFOFFOFFOFFON2OFFOFFPWMOFFOFFON3OFFONPWMOFFOFFOFF4OFFONOFFOFFPWMOFF5OFFOFFOFFONPWMOFF22转子位置检测方法无位置传感器无刷直流电机控制是指不使用位置传感器，而是使用其他方法间接得到转子位置信号、角速度等状态量，从而确定
36、逆变器功率管的切换，对定子绕组进行换相，保持定子电流和反电势在相位上的严格同步。221转子位置检测方法的选择9在无位置传感器无刷直流电机控制中，研究的一个核心问题是怎样通过软件和硬件的方法设计一种转子状态量的检测电路。因为可以直接测量到的状态量一般只有相电压和相电流，因此目前的研究成果所提出的无位置传感器无刷直流电机控制方法中大部分是基于这两个观测量。目前常用的无传感器位置检测方法有反电势法、状态观测法、续流二极管法、电感法，下面做简要介绍。（1）反电势法“反电势法”是通过检测电机的反电势获得转子位置信号的方法。根据对反电势不同处18理，反电势法又可分为反电势过零点检测法、锁相环技术法、反电势
37、逻辑电平积分法等。反电势过零点检测法在无刷直流电机中，由于绕组反电势是正负交变的，当某相绕组反电势过零时，转子直轴恰好与该项绕组轴线相重合。因此只要检测到各相反电动势过零点，就可以获得转子的若干关键位置，从而省去了位置传感器实现无刷直流电机的无位置传感器控制，这是目前应用最广泛的方法。这种方法的缺点在于静止或低速时反电势信号为零或很小，很难准确检测到绕组的反电势过零点，因而无法得到有效的转子位置信号，系统低速性能较差，需要采用开环方法进行启动，此外，为了消除PWM调制引起的干扰信号，需要对反电势进行深度滤波，这会造成与电机转速有关的信号相移，因此需要进行相移补偿。锁相环技术法锁相环技术法是利用
38、非导通相的反电势经过逻辑处理后得到周期为60度电角度脉冲列，然后采用PLL锁相技术将脉冲列倍频，再通过同步计数器计数值和锁存预置值的比较，得到理想的换相点。由于该方法硬件上需要三分频、锁相环电路等，电路结构较为复杂，应用并不广泛。反电势逻辑电平积分比较法反电势逻辑电平积分比较法是将两相反电势进行过零比较处理，在得到逻辑电平后再对两路逻辑电平进行积分处理，由于这两路逻辑电平积分值关系反映相位的关系，因此可以用于确定电机转子的磁场位置。此方法的优点在于只需要检测非导通相的反电势极性，这有利于提高低速性能。但是由于这种方法需要进行积分比较，增加了检测电路的复杂性，也增加了软件的运算量，同时还增加了成
39、本，不便于实际应用。反电势3次谐波积分法此方法适用于120导通、绕组星型接法的无刷直流电机控制中。由于梯形波的反电势包含三次谐波分量，因此获取此分量并对其进行积分，当积分值为零时即得到了相应的转子位置信息。这种位置检测方法与利用反电动势过零点检测方法相比可以获得较宽的调速范围，但也需要采用开环起动方式。（2）状态观测法状态观测法就是以电机转速、转子位置角、电流等参数为状态变量，在定义状态量的基础上对电机建立相应的数学模型，通过数字滤波得出其状态变量的离散值，从而实现对电机的控制。这种方法能较好解决电机在高速、重载情况下难于控制的问题，而且它良好的抗干19扰能力使其更适合在恶劣的环境中工作。但是
40、状态观测法庞大的运算量在一定程度上限制了它的应用。这种方法一般采用DSP来承担庞大的运算量，因而增加了系统成本，因此在实际中使用较少。比较常用的是扩展卡尔曼滤波法，对具有随机干扰的非线性系统来说卡尔曼滤波器是最优的递推估算器。扩展卡尔曼滤波法是通过建立电机的数学模型，周期性检测外加电压、不导通相反电势和负载电流等变量，然后利用特定算法得到电机转子的位置和速度的估计值。在通过比较估计值与设定值的差值后经过PID调节，达到控制电机的目的。在电机控制中，由于需要实现的控制目的各不相同，选取的状态变量以及建立的系统模型和观察模型也不相同。但是由于扩展卡尔曼滤波法计算量大，对系统参数敏感和需要初始位置信
41、息缺点它的实际应用。（3）续流二极管法当无刷直流电机采用120导通方式时，由于非导通相的绕组电流有一个续流的过程，因此只要监测并联在6个功率管上的续流二极管的导通情况，就可以得到6个功率管的开关顺序。这种方法可以提高电机调速范围，特别是可以拓宽电机转速下限。但是由于要求逆变器必须工作在上下功率管轮流处于PWM斩波方式，这增大了控制难度。其次，续流二极管导通的无效信号和毛刺干扰造成的误导通信号也不易去除。而且由于此方法的转子位置误差比较大，绕组电感量、反电势系数不是常数，反电势波形不是标准的梯形波等因素都会造成转子位置误差，需要一定的补偿措施。这种方法目前国内应用不是很广泛，技术也不是很成熟。（
42、4）电感法电感法有两种形式一种是应用于凸极式永磁无刷直流电机，另一种是应用于内嵌式磁钢结构的永磁无刷直流电机。第一种电感法是通过在启动过程中对电机绕组施加探测电压来判断电感的变化。在凸极电机中，由于绕组自感可以表示成绕组轴线与转子直轴间夹角的偶次余弦函数，因此通过检测绕组自感变化，就可判断转子轴线的位置信号。但是这种方法难度较大，并且只能应用于凸极电机，现在应用较少。第二种方法的原理是在内嵌式无刷直流电机中，绕组电感会因转子位置改变而发生相应的变化，通过检测这些变化再通过一定计算就可的到转子位置信号。但是这种方法需要对绕组电感进行不间断的实时检测，这增加了实现的难度，所以应用不是很广泛。222
43、反电势法介绍反电势法是目前应用最广泛的转子位置信号检测方法。它经常用于电枢绕组采用星型接20法的三相六拍120方波型驱动的永磁无刷直流电机。图23给出逆变器主电路。图23逆变器主电路反电势法基本原理在逆变器供电的任一瞬间，总有一相上下桥臂处于断开状态，因此该相绕组的相电压等于其感生电势。在理想情况下三相的感应电动势E和相电流I如图24所示。在忽略电枢反应对气隙磁场造成影响前提下，可认为这一感生电动势就等于该相绕组产生的反电势。反电势过零点可以通过检测相电压或端电压得到，检测到过零点时刻并作30电角度延时，就可以得到功率器件的正确触发时刻，据此依次就得到了转子的六个关键位置信号，并以此为依据，轮
44、流触发这六个功率管，驱动电机运转。图24理想情况下三相感应电动势E与相电流I的波形21223反电势过零点检测法介绍由于电机绕组中性点一般不引出，因此直接测定绕组反电势相电压值比较困难。但是测量两相端子对地电压比较方便。图25显示了无刷直流电机定子的相等效电路，L是相电感，R是相电阻，XE是反电势，NV是电机定子绕组中性点对地电压，UU、VU、WU是每相输出端对地电压。LREX0W、V、UUDUXVN图25定子相等效电路由图25建立二相端电压平衡方程为UUUUNDIURILEVDT（21）VVVVNDIURILEVDT（22）WWWWNDIURILEVDT（23）由于采用两两通电方式，所以在每个
45、瞬间只有两相导通，设U相和V相导通，且从U相流入V相流出，这时U、V两相的电流大小相等，方向相反，W相电流为0，则式23简化为WWNUEV（24）WWNEUV22（25）将式（31）和（32）相加得到中性点电压为1122NUVUVVUVEE（26）再将式（36）代入式（35）得到W相反电势过零检测方程为1122WWUVUVEUUVEE（27）当WE过零时，0UVEE，UDUU，0VU，式（37）变为1122WUVDUUVU（28）同理可得U相和V相反电势过零检测方程为1122UWVDUUVU（29）1122VUWDUUVU（210）式（38）、（39）、（310）显示，当二相定子绕组的反电势过
46、零点与端电压过中点在时间上重合，因为反电势波形与端电压波形频率相等，所以寻找到反电势过零点后30电角度就相当于寻找端电压过中点后30电角度。23三段式启动方法由前面所述，在系统中采用最易实现的反电势过零检测法对转子位置进行检测，实现换相控制。但是由于无刷直流电机在静止或低速时反电势为零或很小，无法进行转子位置的判断，因此需要采用特殊的起动方法，通常按它控式同步电动机的运行状态从静止开始加速，直至转速达到一定，能够检测到位置信号，然后切换到无刷直流电机运行状态。这个过程为三段式起动技术，它包括转子定位，同步加速和运行状态切换三个阶段。231转子定位由于电机静止时转子的初始位置决定了逆变器第一次应
47、触发那两个功率管，最简单的方法是先把逆变器的某两相导通并控制电机电流，经过一定时间使转子转到一个预知位置。此23方法容易实现但是存在一定的问题，当转子的起始位置与导通的两个功率管决定的磁场方向恰好相反时，转子可能不动导致定位失败。因此现在本系统采用的方法是先给预定的两相通电并持续一定的时间，使转子转到预定的磁场方向上，然后按电机旋转方向的换相顺序定位到下一拍，并维持一定的时间，确保转子转到下一拍磁场方向上，这样可以确保电机定位准确。232外同步加速在本系统中为使电机稳定加速起动，采用升频升压的外同步起动方法，也就是通过逐渐减小六拍的换相时间和逐渐增大PWM的占空比提高输出电压来逐步提高电机的转
48、速，在实际调速过程中空载起动时当PWM占空比达到25时电机转速已经完全可以检测到相电压。此外非常重要的是换相频率和输出电压的调整，必须相互匹配，否则，当换相频率过慢时会导致定子磁场滞后转子产生很大的电流，当换相频率太快时会导致转子超前使电机失步卡死。具体换相频率和输出电压的匹配方法将在第4章详细介绍。当电机达到一定转速且能检测到反电动势过零点时，进入恒频恒压阶段并且开始检测六拍的每一拍是否能够检测到反电势过零点，当连续六拍都检测到反电势过零点时就切换到闭环自动换相状态。这样可以防止干扰等引起的误检测影响起动过程的顺利完成。233自同步自动换相从电机运行状态切换的条件可以知道当连续六拍都检测到反
49、电势过零点时电机可以从外同步状态切换到自同步状态。而且由于进行状态切换时电机当前所处的拍是知道的，所以在闭环自动换相过程中可以根据当前电机所处的拍知道下一个拍的导通相和关断相。这样形成一个循环实现电机根据拍值自动换相。24无位置传感器无刷电机调速系统总体设计如图26可知，本系统由单片机控制模块、功率驱动模块、功率主电路、转子位置检测模块组成。系统采用反电势过零点检测法，转子位置信号由端电压进行无源深度滤波产生，通过单片机的ADC进行位置信号的采样，然后控制功率驱动模块来轮流导通逆变桥的6个功率管使电机正常运转，并且通过PWM控制实现电机的调速，在此期间定时检测相电流和电源电压。24单片机电流检测电压检测PWM调节功率驱动模块功率主电路无刷直流电机转子位置检测模块图26无位置传感器无刷直流电机调速系统结构框图25控制器选择从无刷直流电机的工作原理可知，在运行过程中需要不断检测反电势过零点信号也就是检测端电压的值，而且其值的精度直接影响电机换相的时刻，这对电机运行的效率有直接的影响，此外由于电机转速较高，位置信号的频率较高，需要采用转换速率较高的ADC。C8051F330单片机内置有一个200KSPS的10位逐次逼近寄存器型ADC并且拥有两个16通道模拟多路选择器
