1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 无刷直流电机控制系统的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 无刷直流电机 （ Brushless Direct Current Motor，简称 BLDCM） 控制系统是一种新型的调速系统，具 有良好的运行、控制及经济性能，有着巨大的发展潜力。其中无刷直流电机是利用电子换相代替机械换相和电刷，机遇又直流电动机良好的调速特性，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，在众多领域中得到了广泛的应用。 本文从无刷直流电机的结构和工作原理出发，描述了无刷直流电机的特点以及
2、阐述了常用的控制方法，特别是针对本文采用的无位置传感器的反电动势零点检测作了说明。除此之外，本文还简单的介绍了 PSoC 技术，包括结构、特点以及应用和开发工具。 此控制器用 PSoC 芯片作为主要芯片，利用 PSoC 技术对控制器的各个模块进行设计，尽量的减少外围电路，使得整个控制器看起来小巧，使其可以利用于小型家电中。 关键词 ： 无刷直流电机， PSoC，无位置传感器，反电动势零点检测 - 2 - Abstract Brushless DC(Brushless Direct Current Motor， short named BLDCM)control system is a new
3、type of speed control system， with a good running， control and economic performance， and it has a great development The brushless DC motor adopts the electronic commutation， instead of mechanical commutation and wire brush The DC motor has the favorable governing performance of the DC motor， as well
4、 as a simple structure， reliable operation， easy maintenance， etc of the AC motor，So BLDCM has been widely using in various fields. This article from brushless dc motor structure and working principle of brushless dc motor, describe the characteristics and expounds the common control method is adopt
5、ed in this paper, especially for the sensorless back-EMF zero detection are explained. In addition, this paper also gives a brief introduction to PSoC technology, including the structure, characteristics and application and development tool. PSoC chip using this controller as the main chip. PSoC tec
6、hnology using various modules of the controller design, as much as possible to reduce the external circuit, making the entire controller looks small, it can be used in small household appliances. Key words: BLDCM， PSoC， Sensorless， Back-EMF zero detection - 3 - 目 录 1 绪论 .1 1.1研究背景和意义 .1 1.2 国 内外研究现状
7、 .1 1.3 主要研究内容 .2 1.4 论文内容概述 .3 2 无刷直流电机概述 .4 2.1 无刷直流电机的结构 .4 2.2无刷直流电机的特点 .5 2.3无刷直流电机的工作原理 .6 2.4无刷直流电机的常用控制方法 .7 3 PSOC嵌入式系统概述 .8 3.1 PSOC简介 .8 3.2 PSOC的结构 .8 3.3 PSOC的特点 .9 3.4 PSOC的应用 .10 3.5 PSOC的开发工具 .10 4 系统硬件设计 .12 4.1控制系统的总体设计方案 .12 4.2各模块电路的具体设计 .12 4.2.1 PSoC 单片机控制模块 .12 4.2.2电机驱动模块的设计
8、.14 4.2.3 电源模块的方案设计 .16 4.2.5 信号控制输入模块 .16 4.2.6 检测模块 .17 5 系统软件设计 .20 5.1系统内部模块电路设计 .20 5.1.1 无传感器无刷直流电机反电动势零点检测 .20 5.1.2 BLDC 的换相状态 .21 5.1.3 过流保护 .23 5.2系统程序设计 .24 6 总结 .30 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .31 附录 1 程序代码 .32 - 1 - 1 绪论 1.1 研究背景和意义 90 年代初期，大部分电机只围绕着通用电机驱动进行研究，比如说高速度的发动机驱动、直接转矩控制、磁通量控制等等。 90
9、年代末开始，电机控制的技术已转向高能效的电机控制，模块化和系统化，比如集成了功率模块、有源功率控制等等 。这个阶段无刷直流电机的控制技术也趋向了成熟。而在近几年乃至未来的几年中，电机控制技术将步入一个智能化的时代。除了模块化合系统化的深入，更多的功能将融合在电机控制的技术当中 1。 目前，随着科技的发展，人类的不断进步，人们对电子产品的要求也越来越高。目前在工业比较先进的国家里，工业自动化领域里的有刷直流电动机已经逐渐被无刷直流电动机所替代。无刷直流电机由于体积小、重量轻和高效节能等一系列优点，使得中小功率的交流变频系统正逐步为无刷直流电机系统所代替，特别是在放置机械、印刷机械等原来应用变频系
10、统较多的领域， 而在一些直接由电池供电的直流电机应用领域，则更多的由无刷直流电机所替代。 无刷直流电动机在电动驱动、小型机电设备驱动、主轴驱动、工业机器人关节驱动、移动机器人运动驱动和数控机床进给伺服控制等领域得到了广泛的应用。在工业应用中，无刷直流电动机在快速性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势。近几年，随着微电子技术和功率集成电路技术的进步以及稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比的不断提高，各种无刷直流电动机专用控制和驱动芯片大量出现，给高性能无刷电动机驱动控制提供了多种有效的解 决方案，使得无刷直流电动机作为中小功率高性能调速电机和伺服电机在工业中
11、的应用越来越广泛。 本课题的研究成果具有通用性，可应用于制造系统运动控制、电动车的电动转向控制等应用领域。 1.2 国内外研究现状 早在 20 世纪 30 年代，就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的直- 2 - 流无刷电动机，并取得了一定的成果。但由于当时大功率电力电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向的元器件。使得这种电动机智能停留在实验室研究阶段，而无法推广使用。直到 1955 年，美国人 D哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机 械换向器的专利，这就是现代直流无刷电动机的雏形。但由于此电动机尚无启动转矩而不能产品化。尔后又经过人们多年努力，借助于霍尔元件来实现
12、换向的直流无刷电动机终于在 1962 年问世，从而开创了直流无刷电动机产品化的新纪元。 20 世纪 70 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能大功率电力电子器件，如 GTR、 MOSFET、 IGBT 等相继出现，以及高性能永磁材料，如钐钴、钕铁硼等的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础 2。 提高能效可以说是当前的控制系统最需要改进的，它也是电机控制发展中最重要 的一个趋势。传统的交流电机很可能慢慢被无刷直流电机或永磁同步电机所取代，因为它们具有能效更高、可靠性更好、速度更快、干扰更低等优势，同时能够集成更多的功能，如变速度控制、充电管理等等，这样系统的总体成
13、本也会降低。另外控制系统对延长电机寿命的帮助要提供更精确的比如速度、位置、转矩、加速、减速等控制。这些都对电机的控制系统提出了非常高的要求。一些国家和地区陆续出台了一些政策，对电机控制的发展也起到了关键性的作用。电机控制的产品已不仅应用于传统市场，一些新兴市场产品也越来越用到了电机控制，比如数码相机、混合动力汽 车、电动自行车等等都将成为主流的应用领域。所以随着电机市场发展的变化，这些都是对电机控制芯片和其解决方案的挑战。 由于直流无刷电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，顾在当今国民经济各个领域，如
14、医疗机械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及，如计算机硬盘驱动器和软盘驱动器里的主轴电动机、录像机中的伺服电动机，均数以百万计地运用直流无刷电动机。 1.3 主要研究内容 本课题主要研究无刷直流电机的控制系统 。首先 了解和研究无刷直流电机的结构及其工作原理； 其次 研究基于 PSoC 的无刷直流电机控制的方案。最后 完成- 3 - 硬件电路及软件相关设计： （ 1）分析基于 PSoC 的无刷直流电机控制的解决方案，确定系统设计中需要用到 Cy8C29466 的内部结构、通用 I/O 数目、所需 Flash 及 SRAM 空间大小等参数； （ 2）系统的整体硬件结构设计 (包
15、括芯片规划和外围电路设计 )； （ 3） Cypress Designer5.0 的学习和软件的操作使用； （ 4）设计无刷直流电机的驱动模块电路、速度显示模块电路，并绘制原理图，制作 PCB 板； （ 5）应用 C 语言编写系统应用程序，进行硬件电路的调试。 1.4 论文内容概述 本文主要在分析无刷直流电动机的工作原理的基础上，重点讨论怎样用PSoC 的知识来实现对无刷直流电机的控制。本文第一章主要介绍了无刷直流电动机的背景现状；第二章主要对无刷直流电机的基本结构、特点、工作原理以及常用的控制方式作了介绍；第三章介绍了 PSoC 技术的概念，包括它的结构、特点以及应用并且分析了怎样用 PSo
16、C 的开发工具 PSoC Designer 制作相应的模块；第四章包含的是硬件设计方面的内容；第五章介绍的是软件的相关设计。 - 4 - 2 无刷直流电机概述 所谓无刷直流电机，实际上就是以电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器的同步电机。 与一般直流电动机具有相同的工作原理和应用特性， 但 其组成是不一样的。除了电机本身外，前者还多一个换向电路，电机本身和换向电路紧密结合在一起。许多小功率电动机的电机本身是与换向电路合成一体，从外观上看直流无刷电动机与直流电动机完全一样。直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，它除了电机电枢、永磁励 磁 两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机
17、的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性 和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。 2.1 无刷直流电机的结构 本文以有位置传感器的无刷直流电动机为例。此电机的内部安装有霍尔位置传感器，用来检测转子在电机运动过程中的位置变换，转子是永磁材料制成的，电子开关线路和转子位置传感器代替了有刷直流电动机的机械换向装置，该无刷直流电机的结构原理如下图 2-1 所示 。 直 流 电 源 功 率 开 关位 置 信 号 处 理直 流 无刷 电 机位 置 传 感 器负 载图 2-1 有位置传感器的无刷直流电动机的结构 它主要是由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电
18、动机相似，但是没有笼形绕组和其他启动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、无相不等），转子由永久磁钢按一定的极对数（ 2p=2,4， ）组成 1。 当定子绕组的某一项通电时，该电流与转子永久磁钢的磁场相互作用，从而- 5 - 产生转矩，驱动转子旋转；再由位置传感器将转子磁极位置信号变换成电信号，去控制电子开关线路，从而 使定子各相绕组按照一定的顺序导通，定子相电流也随着转子位置的变化而按照一定的顺序换相。因为电子开关线路的导通次序是跟转子转角同步的，所以已达到了机械换向器的换向作用 2。 电动机转子的永久磁钢和永磁有刷电机中所使用的永久磁钢的作用相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场；其
19、不同之处在于，直流无刷电机中永久磁钢装在转子上，而直流有刷电动机的磁钢装在定子上。 电子开关线路是用来控制定子各相绕组的通电顺序和时间的，主要是由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。其中功率逻辑开关单元是控制电路的核心， 它的功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子的各相绕组，以此让电动机产生持续不断的转矩 3。而转子位置传感器的信号决定了各项绕组的导通顺序和时间，但它的信号要经过一定的逻辑处理后去控制功率开关。总之，无刷直流电机的主要组成框图如下图 2-2 所示。 直流无刷电动机电 动 机 本 体电 子 线 路 开 关位 置 传 感 器主 定 子主 转 子传 感 器
20、 定 子传 感 器 转 子功 率 逻 辑 开 关位 置 信 号 处 理图 2-2 无刷直流电动机的组成框图 2.2 无刷直流电机的特点 无刷直流电机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使其不但具有直流电动机的特性，还具有交流电动机的优点。其特点如下： - 6 - 1性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了约 6 倍； 2具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点； 3它的转速不再受到机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转速中运行； 4属静态电机，空载电流小； 5效率高，体积小。 2.3 无刷直流电机的工作原理 直流电机的结构向来都是电枢为转子
21、，磁铁为定子，在气隙中产生励磁磁场，其电枢通电后产生感应磁场。由于电刷的换向作用，在直流电动机的运行过程中，这两个磁场始终保持垂直，从而产生最大电磁转矩，驱动电动机不停运转。同时，由于这 两个磁场互为正交，理论上没有耦合作用，可以独立对电枢电流进行控制来调节电动机的运行速度，这是十分方便的 3。 NSW 2U 1V 1V 2U 2W 1V T 1 V T 2 V T 3+-电 动 机 本 体电 子 开关 线 路位 置 传 感 器图 2-3 无刷直流电机的原理图 在直流无刷电动机的情况下，为了实现无电刷换向，首先要做的是把一般直流电动机的电枢绕组安放在定子上，把永磁铁放在转子上，这恰好与传统的直流
