无刷直流电机控制系统开发

摘要

　　随着现代科学技术的发展和提高,人们对于无刷直流电机的要求也越来越高,无刷直流电机的出现满足了人们这一要求,无刷直流电机的最大特点就是采用了电子换向器替代了直流电机的机械换向器,这样做的目的是为了避免产生电磁干扰,导致电刷损坏等问题,无刷直流电机的产生延长了电机需要定期维护修理的时间,同时也使电机的使用时间得到了很大程度上的提高。同时对于直流电机的宽调速、高转矩、稳定的工作、接近静音的运行状态等优点,无刷直流电机都具备,因此为相关控制系统技术的提高和创新提供了很大的帮助,具有非常重要的意义。无刷直流电机控制系统包括硬件和软件两个部分。

　　文章首先是根据阅读国内外大量的相关文献和资料的前提下,讲述了无刷直流电机的背景及发展历史;结合无刷直流电机的各模块工作原理,对其性能进行了分析介绍;同时也对组成整个控制系统的各个模块分别做了详细的阐述,说明了检测电机转子位置的方法;根据现有的理论知识,对整体系统的仿真做了相关模型,对电机的转速闭环系统和转速、电流双闭环系统进行了研宄设计。

　　根据相关原理的需求及设计的要求,本设计选择了美国Microchip公司的推出的I>IC16F917单片机作为核心芯片,利用霍尔传感器的原理功能对电机转子位置信息进行检测,结合PWM相关理论知识对电机转速进行调节。整个设计的重点内容为各个子电路模块的设计和介绍,以及对其实现的功能进行分析,结合相应的仿真软件,实现设计要求。系统的整体构造简单,资金利用较低,并且具有进一步开发的空间,对于开发人员的再次研究开发提供了很好的基础。

　　根据设计需要,选择LabVEW软件对系统PC端进行监测,对于电机旋转过程中电流及转速等物理量进行熟知,为整个系统的调试工作方便可靠的基础,对于控制算法功能的增强及调试工作的顺利进行提供了保障。

　　最后,结合一系列的试验结果分析后,确定本次设计方案的可行性,能够实现整个系统的全面性,稳定的运行状态,得到了最终想要得到的理想结果。

　　关键词:无刷直流电机,单片机,PWM,控制系统,霍尔传感器,Labview

Abstract

　　With the development of modem science and technology and improve, people pay more for the brushless DC motor of the higher requirements, emergence of Bmshless DC motor satisfy this requirement, the biggest characteristic of Brushless DC motor is used to replace the electronic commutator DC motor for mechanical device, the purpose of doing so is to avoid electromagnetic interference, resulting in the brush failure problem of the brushless DC motor has extended the motor need regular maintenance and repair time, but also make use of motor time have been largely improved. At the same time for wide speed regulation, DC motor with high torque, stable work,close to the mute operation state the advantages of Brushless DC motor are available, therefore provides a great help to the relevant control system improvement of technology and innovation, has very important significance. The brushless DC motor control system includes two parts: hardware and software.

　　This paper is based on the premise of reading relevant literature and a large number of data at home and abroad, describes the background and history of the development of Brushless DC motor; with each module working principle of Brushless DC motor, analyzes the performance of each module is also introduced; the composition of the whole control system are detailed this shows that the motor rotor position detection method; according to the existing theoretical knowledge, the model of the whole simulation system,the motor speed closed-loop system and the speed and current dual loop control system design.

　　According to the demand and design principle of the relevant requirements, choose the design of the launch of the PIC16F917 microcontroller Microchip company as the core chip,for detecting rotor position information by using the Holzer function principle of the sensor,combined with PWM related theoretical knowledge of the motor speed adjustment. The key content of the whole design is the design and the introduction of each sub circuit module, as well as the analysis of its function and the corresponding simulation software. The overall structure of the system is simple, the use of funds is low, and has the space for further development. It provides a good foundation for the research and development of developers.

　　According to the design needs to monitor system at PC LabVIEW software selection, the rotation of the motor in the process of current and rotational speed are known, the foundational work for the debugging of the whole system is convenient and reliable,to enhance the control algorithm function and debugging work smoothly to provide security.

　　Finally, combined with a series of test results analysis, to determine the feasibility of the design scheme, to achieve the overall system of a comprehensive,stable running state, the final desired results.

　　Keywords; brushless DC motor,MCU,PWM, control system, Holzer sensor,Labview

　　21世纪,我国的经济和科学技术己经进入了日新月异和飞速发展的时代,因此,随着人们生活水平和生产技术的提高,无刷直流电机在日常的生活和生产中也越来越普及。不仅在航空航天和我国的国防技术领域,而且在人们日常生活的家用电器中,无刷直流电机都发挥着及其重要和不可替代的作用[1]。生活程度的提升,使得私人小汽车和燃油机进入大家的视野,并且越来越普遍存在。凡事都有利和弊,私人车和燃油机在给我们日常活动和产业增加方便之外,也给我们的自然环境带来了伤害,排放的有害气体使得环境污染进一步恶化,与此同时,也使得我国的石油等不可再生资源变得更加匮乏,只能依靠进口来满足需要。因此,寻找可以替代石油等不可再生资源和开发新能源来缓解我国资源贫乏的任务就变成了我们探索的一个新的课题。电力私人车的出现在必定在很大的水平上缓和了自然环境的污染和石油资源的匮乏P]。而电力私人车的主要作用和价值少不了对系统控制的研宄和应用。

　　电机控制系统能够给国家甚至全世界的经济发展带来深远的意义,因此,研究开发高效的电机控制系统具有重大的意义。最初,直流电机控制和交流电机控制组成了电动机的总系统控制。电动机是电机控制系统核心,而电机又有直流电机和交流电机,在驱动装置中到底是采用直流机还是采用交流机呢?两者相比之下可知,直流电动机拥有更加稳定的调速功能,其结构与交流电动机相比也更简单。但是,直流电动机的换向器是采用机械制造的,可靠性相对较差,工作的时候很容易出现火花和电磁干扰,这种情况导致了直流电机在很多场合并不是最佳选择,从而限制了直流电机技术的进步。

　　上个世纪50年代,电子装置替代电动机电刷结构的想法首先由美国人提出。再加上电力电子技术和稀土磁材料技术日新月异的情况下,经过相关研究人员的反复试验,使得用转子位置传感器以及电子换向器来替代直流电机机械换向器的方法得以实现为电机新技术的研究和发展开辟了新的天地。直流电机具有调速性能好的优势,无刷直流电机在保留这一优势的同时,还采用了交流电机的结构,使得电动机的构造更加简洁以及运转更加可信,用电机换向器取代机械换向器,根底上解除了一系列的弊端。

　　近些年,随着单片机技术的发展,以单片机、DSP等微处理器为核心的数字系统在控制系统中取代了模拟系统,占据了主导的地位。在高端应用系统的开发中,由于DSP作为微处理器,具有处理速度快,资源丰富等优点,因此经常得以应用,但是其价格也相对较高。伴随着电子产业的日新月异,如何生产出专门用于系统控制的单片机变得很重要[3]。以单片机作为系统的处理器,不仅节约了生产成本,也让电路PCB板如何布线变得更加简单。

　　近些年来,虽然无刷直流电机在我国取得了飞速的进步,但是在大多数系统里还是以美国,欧洲以及日本生产的产品在在我国的国内市场中仍然拥有着绝对的优势。即使我国无刷直流电机生产水平日新月异,然而硬软件技术的不成熟严重影响了我们国家电机控制领域相应技术的进步。因此,如何研制质量高、拥有自主生产专利的控制系统研究变得越来越必要,不仅对无刷直流电机控制技术的发展带来了理论上的借鉴,还带来了实际上的价值。

　　为了使无刷直流电机控制系统在交通、运输、计算机系统以及自动化等领域得到广泛的应用,相应的研发技术的提高和电机控制系统性能的改进就变得异常重要。计算机控制中,外围储存非常重要,比如,硬、光盘的储存器都必不可少,它们的主要结构都是由无刷直流电机组成。同时,对于无刷电动机精度、转速、寿命等都具有较高要求。

　　在过去的工业自动化领域中,大多数都是采用异步电机作为原动机。但是由于无刷直流电机拥有转速快、精度好、高可靠等优势,所以在新工业自动化设备里,例如数控机床和自动化工业等控制中都是采用了无刷直流电机取代了原本电动机。

　　我过人口众多,由于科学技术的日新月异和经济的快速进步,使得人们生活水平逐渐提高。生活水平的提高,使人们对于物质的追求也越来越高,因此私家车也变得不再是什么稀有的奢饰物,其数量大量增长。然而,贫富差距永远存在,并不是每个人都能买得起私家车,再加上石油价格的进一步提高和交通道路的拥堵日益严重,使得每个人在短时间内不可能都拥有私家车。同时,车辆尾气也让我们改善环境的工作变得更加艰难。因此,这些问题掀起了电车和电自行车等新代步工具的研发热潮。由于无刷直流电机具有转速高和调速范围宽等优点,很大程度上满足了电动汽车等新能源交通工具的驱动要求。目前,在新的电车、电自行车的生产研发技术中,已经应用了电机技术,并且也取得了很好的效果。

　　原本的家庭用电设备中,大多数都是采用的异步电机。现在,由于无刷直流电机能够满足家用电器的节能、环保、小体积、低噪音等要求,因此,已经逐步取代了原来的异步电机,使家用电器的性能得到了进一步的提高。

　　综上所述,可以看出,随着无刷电机技术进一步发展,如今在各方面应用中都取得了进一步的利用。经济及科学技术的进步,给电动机带来了更为广阔的市场,这将为其产生技术的发展取得了更好的机遇。在不久将来,无刷直流电动机将会得到长足进步,应用领域将会更加广阔。

 　　无刷直流电机控制系统调试：

反馈速度值

PWM数值

反馈电流值

给定速度值

反馈速度值

PWM数值

反馈电流值

给定速度值

目录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 研究背景及意义
　　　　1.2 无刷直流电机的应用与发展
　　　　1.3 PIC系列单片机的概述
　　　　1.4 无刷直流电机在驱动控制中的问题
　　　　1.5 论文研宄设计的主要任务
　　　　1.6 本章小结
　　第二章 无刷直流电机的工作过程
　　　　2.1 无刷直流电机的基本结构
　　　　　　2.1.1 电机本体
　　　　　　2.1.2 霍尔传感器
　　　　　　2.1.3 电子开关
　　　　2.2 无刷直流电机的工作原理
　　　　2.3 无刷直流电机数学模型的建立和分析
　　　　　　2.3.1 电压的平衡方程
　　　　　　2.3.2 反电动势方程
　　　　　　2.3.3 电磁转矩方程
　　　　　　2.3.4 运动方程
　　　　2.4 无刷直流电机的调速特性和机械特性
　　　　　　2.4.1 调速特性
　　　　　　2.4.2 机械特性
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 无刷直流电机控制系统方案
　　　　3.1 控制系统方案的介绍
　　　　3.2 无刷直流电机转子位置信息的检测
　　　　3.3 PWM调制方式
　　　　3.4 本章小结
　　第四章 无刷直流电机控制系统的硬件设计
　　　　4.1 主控单元
　　　　　　4.1.1 单片机简介
　　　　　　4.1.2 PIC16F917在控制系统中的引脚应用
　　　　4.2 电源模块
　　　　4.3 功率电路的设计
　　　　　　4.3.1 整流电路
　　　　　　4.3.2 逆变主电路
　　　　4.4 功率驱动器模块
　　　　4.5 驱动控制信号预处理模块
　　　　4.6 转子位置信号检测电路
　　　　4.7 调速电路
　　　　4.8 保护电路
　　　　　　4.8.1 过流保护电路
　　　　　　4.8.2 欠压保护电路
　　　　4.9 电流采样电路
　　　　4.10 本章小结
　　第五章 无刷直流电机控制系统的软件设计
　　　　5.1 软件设计思路
　　　　5.2 系统主程序
　　　　　　5.2.1 系统的初始化
　　　　5.3 子程序模块设计
　　　　　　5.3.1 单片机中断概述
　　　　　　5.3.2 模块转换器(A/D)模块
　　　　　　5.3.3 脉宽调制
　　　　5.4 软件滤波算法
　　　　5.5 无刷直流电机双闭环调速系统
　　　　　　5.5.1 PI控制
　　　　　　5.5.2 双闭环直流调速
　　　　5.6 本章小结
　　第六章 PC端监测软件的设计
　　　　6.1 PC端监测软件的需求分析
　　　　6.2 监测软件设计方法
　　　　　　6.2.1 LabVIEW串口功能
　　　　　　6.2.2 通信协议的制定
　　　　　　6.2.3 监测界面
　　　　6.3 本章小结
　　第七章 系统的调试
　　　　7.1 功率板电路测试
　　　　7.2 控制电路测试
　　　　7.3 整体功能调试
　　　　　　7.3.1 开环调试
　　　　　　7.3.2 转速闭环调试
　　　　　　7.3.3 转速、电流双闭环调试
　　　　7.4 本章小结
　　第八章 总结与展望
　　　　8.1 总结
　　　　8.2 展望
　　参考文献
　　致谢

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