无刷直流电机驱动控制系统设计.docx
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1、无刷直流电机驱动控制系统设计无刷直流电机驱动控制系统设计韩红敏导语:本文根据工程参数要求,采用Microchip公司的PIC16F72单片机作为控制芯片,在硬件方面,进展了电源电路设计、系统硬件保护电路设计、三相全桥逆变电路设计、逆变器驱动电路设计。摘要:本文根据工程参数要求,采用Microchip公司的PIC16F72单片机作为控制芯片,在硬件方面,进展了电源电路设计、系统硬件保护电路设计、三相全桥逆变电路设计、逆变器驱动电路设计。在软件方面利用汇编语言,采用模块化编程和构造化编程。根据无刷直流的控制原理,对系统的控制局部进展了具体分析。利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制。在系统可靠
2、性方面:设计了系统的欠压、过流和堵转保护。本文还对影响控制器和单片机系统可靠性的因素进展了分析,并且给出理解决方案.本文所设计的无刷电机控制器实现了电动、定速、助力三种工作形式并且在系统出错情况下具有自检功能。保护功能较完善、硬件构造简单、本钱较低,具有晋级空间,便于用户二次开发。0前言80年代初,无刷直流电机进入了实用阶段,方波和正弦波无刷直流电机先后研究成功。“无刷直流电机的概念已由最初的具有电子换相器的直流电机开展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。现今,无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体,形成为新一代的电动调速系统。无刷直流电机具有最优越的调速性
3、能,主要表如今:调速方便(可无级调速),调速范围宽,低速性能好(启动转矩大,启动电流小),运行平稳,噪音低,效率高,应用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等等.由于无刷直流电机具有这些优点,因此在2004年的国际电时机议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一开展趋势。美、日、英、德在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电机代替有刷电动机的转换。美国福特公司率先把无刷直流电机应用于汽车20世纪80年代以来,随着微机控制技术的快速开展,出现了各种称为无位置传感器控制技术的方法,是现代无刷直流电机控制研究的热门之一。各国知名半导体公司
4、如Allegro,Philips,MicroLinear,Toshiba等,先后推出了很多无刷直流电机无传感器控制集成电路。2004年12月我国电机制造业共1167家消费企业,全部从业人员388282人,资产972亿。我国消费的微特电机己经占世界60%以上,目前是全球最大的永磁体(消费无无刷直流电机控制系统设计刷电机的主要原材料)消费供给基地,中国还将会成为全球最大的无刷电机消费国。随着汽车工业的快速开展,车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起,我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供给商。稀土永磁无刷直流电机是近20年开展起来的一类电机,电力电子技术,微电
5、子技术、微机和稀土永磁材料的开展为无刷直流电机的研究奠定了根底。目前无刷直流电机的开展已经和大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的开展严密结合,显示出广泛的应用前景和强大的生命力。与其它电机相比它具有几个明显优点:永磁无刷直流电机没有电刷、而是利用电子换相,故克制了任何由电刷硬气的问题。永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上,故导热性能好,产生的热量更轻易散发出去;构造也变得简单,并且节省了空间,使其磁场损失也得到了减少。它的效率与转速永远保持同步关系,不会发生失步、震荡等现象,在节约能源方面也有明显上风。1无刷电机控制系统分析1.1三相无刷直流电机星形连接
6、全桥驱动原理无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响,在转子极数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机控制器包括电源局部和控制局部,如图1所示。电源局部提供三相电源给电机,控制局部那么按照需求转换电源频率。电源局部可以直接以直流电输入或以沟通电输入,假如是以沟通电输入就需先经转换器(converter)转成直流电。不管是直流电输入或者是沟通电输入,送入电机线圈前须先将直流电压由逆变器(inverter)转成三相电压来驱动电机。逆变器一般由六个功率晶体管,分为上桥臂和下桥臂,连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制局部那么提供PWM脉冲宽度调制
7、信号决定功率晶体管开关频率及逆变器换相的时机。对于无刷直流电机,当负载变动时,一般希望速度可以稳定于设定值而不会有太大的变动,所以电机内部装有霍尔传感器(hall-sensor),作为速度的闭回路控制,同时也作为相序控制的根据。电机转动由霍尔传感器感应到的电机转子所在位置,决定开启或者关闭逆变器中功率晶体管的顺序来控制,如图2所示,逆变器中的AH,BH,CH(上桥臂功率晶体管)及AL,BL,CL(下桥臂功率晶体管),使电流依序流经电机线圈,产生顺向或者逆向旋转磁场,并与转子磁铁产生的磁场互相作用,使电机顺向或者逆向转动。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时,控制部又再开启下一组功
8、率晶体管,如此循环,电机就可以实现转动.功率晶体管的开启方法举例如下:AH,BL一组AH,CL一组BH,CL一组BH,AL一组CH,AL一组CH、BL一组,但不能使AH,AL或者BH,BL或者CH,CL,即同相上下桥臂同时导通.此外,由于电子零件总有开关的响应时间,所以功率晶体管在关与开的交织时间要将零件的响应时间考虑进去,否那么当上臂(或者下臂)尚未完全关闭,下臂(或者上臂)就已开启,结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。设电机转子位置传感器收集的位置信号为Ha,Hb,Hc,分别对应于逆变器的A相、B相、C相。在电机转动时,控制局部会根据系统设定的速度决定功率管的导通时间。假设系统要求加
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