基于单片机的无刷电机控制系统设计学士学位论文.docx
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基于单片机的无刷电机控制系统设计学士学位论文
前言
电动机作为机电能量的转换装置,其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。
传统的直流电动机均采用电刷,以机械方法进行换向,存在着相对的机械摩擦,由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点,制造成本高及维修困难等缺点,因而大大地限制了它的应用范围。
永磁无刷直流电动机是近年随着电力电子器件及新型永磁材料发展而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机,它具有以下特点:
1.无刷直流电动机的转子采用高磁能积的稀土磁钢作为转子磁钢,其转动惯量比鼠笼转子要小,所以对于给定的转矩能够响应得更快,控制特性更好。
2.无刷直流电动机的效率比感应电动机高。
因为在感应电机运行时,转子上不会产生铜损和铁损。
3.在相同容量下,无刷直流电动机的体积相对要比感应电机小,重量轻。
4.无刷直流电机的噪音小。
5.无刷直流电机调速方便,灵活,范围广。
目前永磁无刷直流电动机控制器结构已有多种形式,有最初复杂的模拟式到近来以单片机为核心的数字式,但新型电机控制专用芯片的出现,给无刷直流电机调速装置设计带来了极大的便利,这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定,组成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强、特别适用于对控制器体积、性能要求较高的场合。
专用控制芯片优点固然多,但往往价格比较昂贵。
在一些控制要求精度不是很高的场合,就需要能有一种工作稳定,价格又比较低廉的控制器。
本设计就是基于此市场需求,详细介绍了一种利用普通的STC89C5X单片机作为主控芯片的无刷直流电动机控制器的设计。
该控制器成本低廉,功能齐全,通过实验测试工作性能稳定,特别适用于对控制器精度要求不是很高的场合。
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
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所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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年月日
第一章 无刷直流电动机概述
1.1无刷直流电动机的特点
传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动领域中有着广泛的应用,但机械电刷却是它的致命弱点。
无刷直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的特性、又要革除电刷和换向器的目的研究开发的。
控制系统中的执行电动机应该具有下列优点:
快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、适应环境和经济性。
下面将就这些方面具体分析无刷直流电动机的优点所在。
为了实现快速的起、停、加速、减速,要求电动机具有小的转动惯量和大的起动转矩和最大转矩,无刷直流电动机的转子主要是由永磁材料构成的磁极体组成,电枢绕组在定子上,因而转子外径可以相对较小,转子惯量也就较小;转矩方面,只有直流电动机才能达到大的起动转矩和大的最大转矩,而无刷直流电动机具有直流电动机的特性,起动转矩和最大转矩都较大。
这使得它具有快速性的特点。
在可控性方面,直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关系,直流电动机的起动转矩又大,因此可控性最好、最方便。
无刷直流电动机具有一般有刷直流电动机的调速特性,只要简单地改变电动机的输入电压的大小就可以在广阔的范围内进行无级调速。
在可靠性方面,消除了电刷,也就消除故障的主要根源,无刷直流电动机的转子上没有绕组,因而在转子上没有电的损耗,又由于主磁场使恒定的,因此铁损也是极小的,总的来说,除了轴承旋转产生摩擦损耗外,转子方的损耗很小,进一步增加了无刷直流电动机工作的可靠性。
由此可知,和其它类型的电动机相比,无刷直流电动机不仅较为可靠而且损耗较小,它的电枢在定子上,直接和机壳相连,散热条件好,热传导系数大。
由于这样的关系,在相同的条件下,在相同的出力要求下,无刷直流电动机可以设计得体积更小,重量更轻。
不论是电机设计还是系统设计,提高效率、节约能量都具有重要意义,有着长远的社会、经济效益。
据报道,美国55%以上的电力是消耗在电动机的运行上,美国GE公司曾预测,仅在制冷器具的应用中,若用无刷电机取代传统的异步电动机,其效率可提高20%,全美国一年可节约用电2.2MkWh。
而异步电动机运行在轻载时功率因素低,增加线路和电网的损耗,根据有关报导,我国消耗在电动机上的电力占整个电力的65%以上。
因此,提高电动机的效率,选择损耗最小、效率最高的电机是很重要的。
从以上的分析可以看出,相对于其他类型的电机,无刷直流电动机的损耗最小、节能效率最高。
一份资料作过对比分析,对于7.5kW的异步电动机系统效率可达86.4%,但是同样容量的无刷直流电动机效率可达92.4%。
在环境适应性方面,对于高性能系统,只能采用直流电动机,但在同时要求长寿命,免维修以及防爆、防燃的环境条件下,有刷直流电动机就无法适应,无刷直流电动机才是最好的选择。
在经济性方面,随着电子技术的发展,电子元器件的价格不断的下降,无刷直流电动机驱动、控制器的价格己经和异步机的变频器相差不多了,只是由于稀土永磁材料的价格较贵,无刷直流电动机的成本也较高.但是在考虑综合指标(系统性能、重量、能量消耗)之后,无刷直流电动机的应用仍呈上升趋势。
1.2 无刷直流电动机的发展历史及研究应用现状
1917年,Boliger提出用整流管代替有刷直流电机的基本思想。
1955年,美国D.Harrison等人首次申请了用整流管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利,标志着现代无刷电机的诞生。
上世纪60年代末至70年代初方波无刷直流电动机一般采用光敏元件和遮光板位置传感器,采用三相半控120°相带导通驱动方式。
由于受到功率开关器件、永磁材料和驱动控制技术发展水平的制约,这一时期的无刷直流电动机并未进入实用阶段。
近40年来,由于电机本体及其相关学科的迅猛发展,“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向的直流电机发展到泛指一切具有有刷直流电机外部特性的电子换向电机。
无刷直流电机的发展亦使得电机理论与大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论以及高性能材料的结合更加紧密。
在10多年的时间里,无刷直流电机在国际上已得到较为充分的发展发达的国家里,无刷直流电机将在未来的几年中成为主导电机,并逐步取代其它类型的电机。
进入上世纪90年代,随着永磁材料的出现和完善,特别是钕铁硼的热稳定性和耐腐蚀性能的进一步的发展和改进,加上电力电子器件的大容量、高性能化以及功率变换技术和传动控制技术的确立,以及用于控制的DSP、MPU、ASIC等电子设备的高速、低价格化,使得无刷直流电动机系统控制技术使用了最新控制理论而取得了飞跃发展,在扩大应用领域和提高性能等方面都有长足的进步。
直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具有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,已经广泛的应用到我们的日常生活和国民经济各个领域之中。
目前我国已有很多单位正在积极开发,引进国外先进技术,进一步提高无刷电动机的性能,未来市场对无刷电机的需求量还将急剧增加。
1.3本论文的主要内容
本论文主要介绍了一款数字式霍尔位置传感无刷直流电动机控制器的设计。
首先简要介绍了无刷直流电动机的一些特点,发展概况及应用前景,紧接着简单分析了无刷直流电动机的组成和工作原理。
最后着重介绍了以STC89C52单片机为核心的无刷直流电动机智能控制器硬件电路和控制软件的设计。
文中对硬件各个模块电路都做了详细的分析说明;对软件的控制原理,都用流程图做了详细的阐述。
第二章 无刷直流电动机的结构及工作原理
2.1无刷直流电动机基本结构
无刷直流电动机属于三相永磁同步电机的范畴,永磁同步电动机的磁场来自电动机转子上的永久磁铁。
在这里,永久磁铁的特性,在很大程度上决定电动机的特性。
目前采用的永磁材料主要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼、等根据几种的磁感应强度和磁场强度成线性关系这一特点,应用最为广泛的就是钕铁硼。
它的线性关系范围最大,被称为第三代稀土永磁合金。
在转子上安置永磁铁的方式有两种:
一种是将成型的永久磁铁装在转子表面,即所谓外装式;另一种是将成型的永久磁铁埋入转子里面,即所谓内装式。
根据永久磁铁安装方法不同,永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。
扇形磁铁构造的转子具有电枢电感小、齿槽效应转矩小的优点,但易受电枢反应的影响。
且由于磁通不可能集中、气隙磁密度低,电极呈现凸的特性。
矩形磁铁构造的转子呈现凸极特性,电感大、齿槽效应转矩大,但磁通可集中,形成高磁通密度,故适于大容量电机,由于电动机呈现凸极特性,可以利用磁阻转矩,此外,这种转子结构的永久磁铁,不易飞出,故可作高速电机使用。
根据确定的转子结构所对应的每相励磁通势合布不同,三相永磁同步电机可分为两种类型:
正弦波形和方波形永磁同步电机,前者每相励磁磁通势分布是正弦波形,后者每相则是方波状,根据磁路结构和永磁体形状的不同而不同,对于径向励磁结构,永磁体直接面向均匀气隙如果采用稀大材料,由于采用非均匀气隙或非均匀磁场化方向长度的永磁体的径向励磁结构,气隙磁场波形可以实现正弦分布。
应该指出稀士永磁方波形电机属于永磁无刷直流电机的范畴,而稀土永磁体正弦波形电动机则一般作为三相交流永磁同步伺服电机使用。
但这不是绝对的,究竟是三相永磁直流无刷电动机还是三相永磁交流同步电机,主要决定于电动机的控制系统的方式,取决于电动机的转子位置传感器的类型。
无刷直流电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子换相线路3部分组成,其内部基本结构原理图和实物图如下图2.1(a)、(b)所示:
电子换相线路
霍尔位置检测器
电动机本体
1主定子2主转子3传感器转子4传感器定子5电子换相开关电路
(a)霍尔无刷电机内部原理图(b)霍尔无刷电机内部结构图图
图2.1无刷电机基本结构图
2.2 无刷直流电动机的工作原理
2.2.1 霍尔位置检测器
霍尔式位置检测器是利用“霍尔效应”进行工作的。
利用霍尔式位置传感器工作的无刷直流电动机的永磁转子,同时也是霍尔式位置传感器的转子。
通过感知转子上的磁场强弱变化来辨别转子所处的位置。
霍尔传感器按功能和应用可分为线性型和开关型两种:
1.线性型:
线性型传感器是由电压调整器、霍耳元件、差分放大器、输出级等部分组成,输入为变化的磁感应强度得到与磁场强度成线性关系的输出电压,可用于磁场测量、电流测量、电压测量等。
2.开关型:
开关型传感器是由电压调整器、霍耳元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成。
输入为磁感应强度,输出为开关信号。
直流无刷电动机的转子位置检测器属于开关型的传感元件。
它的外形像一直普通的晶体管,如下图2.2(a)所示,集成电路原理如下图2.2(b)所示。
(a)霍尔集成电路外形(b)集成电路原理图
图2.2霍尔位置检测器
直流无刷电机的霍耳位置传感器和电机的本体一样,也是由静止部分和运动部分组成,即位置传感器定子和传感器转子。
其转子与电机主转子一同旋转,以指示电动机主转子的位置,即可以直接利用电动机的永磁转子,也可以在转轴其它位置上另外安装永磁转子。
定子由若干个霍耳元件,按一定的间隔,等距离的安装在传感器定子上,以检测电动机转子的位置。
位置传感器的基本功能是在电动机的每一个电周期内,产生出所要求的开关状态数。
位置传感器的永磁转子每转过一对磁极(N、S几极)的转角,也就是说每转过360电角度,就要产生出与电动机绕组逻辑分配状态相对应的开关状态数。
以完成电动的一个换流全过程,如果转子的极对数越多,则在360机械角内完成该换流全过程的次数也就越多。
霍耳位置传感器必须满足以下两个条件:
1.位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的,每一个开关状态所占的电角度相等。
2.位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。
位置传感器输出的开关状态能满足以上条件,那么总可以通过一定的逻辑变换将位置传感器的开关状态与电动机的换相状态对应起来,进而完成换相。
对于三相无刷直流电动机,其位置传感器的霍耳元件的数量是3,安装位置应当间隔120电角度,其输出信号是Ha、Hb、Hc。
霍尔式位置传感器由于结构简单,性能可靠,成本低,因此是目前在无刷直流电动机上应用最多的一种位置传感器。
2.2.2无刷直流电动机的驱动和绕组连接方式
无刷直流电动机的驱动方式主要有三相半桥式和全桥式驱动两种。
前种方式的优点是结构简单,每相通电时间只有1/3,即120o,其绕组利用率很低,另外,它的输出转矩波动较大。
因此,此种方式只在要求较低的场合中应用,而应用较多的则是全桥式驱动。
全桥式驱动下的绕组主要分为星型联结和角型联结。
下面以三相无刷直流电动机为例,主要对这两种联结方式的特点进行分析。
1.三相星型联结全桥驱动方式
驱动电路原理图如下图2.3所示:
A
B
C
图2.3三相星型联结全桥驱动方式
以二二导通方式为例,开关管的导通顺序为:
AH、CL→CL、BH→BH、AL→AL、CH→CH、BL→BL、AH,共有六种导通状态,因此,每隔60o改变一次导通状态,每改变一次状态更换一个开关管,每个开关管导通120o。
当AH、CL导通时,电流线路为:
电源→AH→A组绕相→C组绕相→CL→地。
转子转过60o角后,位置传感器送过来的控制信号使AH、CL管截止,CL、BH管导通。
电流线路变为:
电源→BH→B组绕相→C组绕相→CL→地。
按照这一规律,每换一次导通状态电流流向变换一次,合成电磁转矩的矢量方向就转过60o角,电机就会持续转动。
2.三相角型联结全桥驱动方式
驱动电路原理图如下图2.4所示:
图2.4三相角型联结全桥驱动方式
开关管的导通顺序与电流流向,换相变换和三相星型联结全桥驱动方式相同,这里不再赘述。
2.2.3霍尔无刷直流电机工作原理
普通直流电动机的电枢在转子上,而定子产生固定不动的磁场。
为了使直流电动机旋转,需要通过换向器和电刷不断的改变电枢绕组中电流的方向,使两个磁场的方向始终保持相互垂直,从而产生恒定的转矩驱动电动机不断转动。
无刷直流电动机为了去掉电刷,将电枢放到定子上去,而转子做成永磁体,这样的结构正好与普通电机相反;然而,即使这样改变还不够,因为定子上的电枢通入直流以后,只能产生不变的磁场,电动机依然不能转动。
为了使电动机的转子转起来,必须使定子电枢各相绕组不断的换相通电,这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化,使定子磁场与永磁磁场始终保持90o左右的空间角,产生转矩推动转子旋转。
霍尔无刷直流电机与普通无刷直流电机相比,只是电机内部多了一个霍尔位置检测器。
其工作原理与无位置传感器电机完全一样,只是在相位检测时比较方便。
其工作原理框图如下图2.5所示:
图2.5无刷直流电动机基本工作原理框图
直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电,位置传感器随时检测到转子所处的位置,并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止,从而自动地控制了那些绕组通电,那些绕组断电,实现电子换向。
霍尔信号与无刷电机(以三相无刷电机为例)三路相位对应关系如下图2.6所示:
H1
H2
H3
EA
IA
EB
IB
IC
EC
导通管V1V1V3V3V5V5
V4V6V6V2V2V4
图2.6霍尔信号与无刷电机三路相位对应关系
第三章无刷直流电动机的硬件设计
3.1 系统组成
系统原理框图如下图3.1所示:
图3.1系统原理框图
为了降低成本,主控芯片选用市场上普通STC89C52单片机作为主控中心,单片机输出与输入的信号先经过光耦隔离(目的消除干扰),运行时,首先采集电机的霍尔信号送主机进行处理,同时输出相应的控制字,六个功率管分成上下臂两部分,通过控制字来控制上下臂有序的导通,从而达到电机三相有序通电,使电机有序运转。
电机运转的同时,单片机对采集到的霍尔信号做相应判断,对转速做到实时测量,并将测量结果送外围显示电路显示。
同时系统还设计有工作指示检测电路,能实时检测电机运转是否正常。
遇到异常情况,立即亮告警指示灯。
系统还设计有电平转换(MAX232)电路,用户可以很方便的下载程序,便于系统功能升级。
主要功能模块组成元件:
1.微机处理系统:
STC89C52单片机;
2.光耦隔离电路:
TLP521-4,TLP521-1;
3.程序下载电路:
MAX232电平转换芯片;
4.速度显示电路:
四位一体共阴数码管,74LS138译码器,74LS48七段译码器;
5.功率变换电路:
8050NPN、9014PNP三极管,STP60NF06、STP80PF55功率管;
6.单片机I/O口输出驱动电路:
7407同相驱动芯片。
3.2单片机设计及接口电路
单片机设计系统原理电路图如下图3.2所示:
图3.2单片机设计及接口电路
单片机P0口接按键电路,接收用户指令。
P1口输出电机控制字(P1.0---P1.5),经驱动和光耦隔离电路后,控制功率管的导通。
高两位(P1.6—P1.7)控制工作指示灯。
P2口主要用于速度实时显示,低4位(P2.0—P2.3)输出BCD码,高三位(P2.5---P2.7)控制74LS138译码器,控制数码管的选通位。
P3口(P3.4—P3.6)用于接收经过光耦隔离后的霍尔相位信号。
同时,(P3.0---P3.1)用于串口通信。
3.2.1按键电路
图3.3按键电路
按键电路设计简单,操作方便,采用软件内部消抖。
当按键按下时,立即有指示灯提示,用户可以以此判断按键是否的确按下。
3.2.2速度显示电路
图3.4速度显示电路
考虑到单片机I/O口资源的富余,直接采用并口输出数据。
由图中可以看出,电路比较简单,只需一块74LS48译码器和一块74LS138译码器(最多可以控制8个数码管,便于以后系统升级)。
3.2.3驱动和光耦隔离电路
图3.5I/O口驱动和光耦隔离电路
7407驱动芯片主要是为了增加单片机I/O口的驱动能力,光耦芯片是为了消除外界对单片机的干扰。
3.3功率变换电路的设计
3.3.1功率管的选用
功率管(功率场效应控制器)是一种用电压信号控制工作电流的电力电子器件。
特点是输入阻抗极高,所需驱动功率很小,在控制信号撤除后会自行关断,是一种高性能的自关断器件。
目前广泛使用于电机驱动控制电路,特别是应用于无刷直流电机的驱动控制中。
本设计选用的功率管如下:
1.N管选用STP60NF06,这种系列MOSFET功率管是一种具有独特的STripFET过程微电子稳压管,特别是具有极小的输入电容和栅极电荷。
因此,特别适合作为电信和计算机的先进高效的主要的开关隔离式DC-DC转换器。
还可应用在要求低电荷驱动栅极的电路。
2.P管选用STP80PF55,主要应用于电动机控制、DC-DC和DC-AC变换器中。
3.3.2功率管驱动电路设计
MOSFET管工作在高频时,为了防止振荡,有两点必须注意:
第一,尽可能减少各端点的连接线长度,特别是栅极引线,如果无法使引线缩短,可以在靠近栅极处串联一个小电阻以便控制寄生振荡;第二,由于MOSFET管的输入阻抗高,驱动电源的阻抗必须比较低,以避免正反馈所引起的振荡,特别是MOSFET管的直流输入阻抗非常高,但它的交流输入阻抗是随频率而改变的,因此MOSFET管的驱动波形的上升和下降时间与驱动脉冲发生器阻抗有关。
考虑以上因素,决定采用下图所示的功率管驱动电路,这种方式可以产生足够高的栅压使器件充分导通,有较好的驱动性能,并能保证较高的关断速度。
开通时间与关断时间的差别也通过互补电路而消除。
同时,在这种驱动方式中的两个外接晶体管起着射极跟随器的作用,因而功率MOSFET管永远不会被驱动到饱和区。
STP80PF55、STP60NF06功率管驱动电路分别如下图3.8所示:
图3.8功率管驱动电路
3.3.3功率变换电路
上臂采用STP80PF55功率管,低电平导通;下臂采用STP60NF06功率管,高电平导通。
图3.9功率变换电路
3.4电动机换相
3.4.1电动机的换相原理
由于使用的是带霍尔位置检测器的无刷直流电机,相位检测比较容易,所以换向相对也比较容易,只需要根据单片机接收到的霍尔信号,输出相对应的控制字,控制功率管,进行功率的变换,控制相应的某一相通电,以此循环下去,就会使电机的相位顺序通电。
下图是霍尔信号与相位控制字的真值表(表1)
表1霍尔信号与相位控制字的真值表
霍尔位置信号与三相线驱动电流时序对应关系如下图3.10所示:
注:
“1”=高电平,“0”=低电平,“X1”=无论什么,“1”=高阻态无电流,“+”=正电流,“-”=负电流
图3.10霍尔位置信号与三相线驱动电流时序对应图
3.4.2电动机的正反转换相
通过上面对无刷电机工作原理的介绍,只需改变开关管的通电顺序就可以实现电机的反转。
下面以二二导通方式为例,正反转控制字真值表如下表2,3所示:
表2二二导通方式正转控制字真值表
霍尔信号
导通管
单片机P1.0-----P1.5
控制字
H1
H2
H3
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
1
0
1
V1
V2
0
0
1
1
1
0
0EH
1
0
0
V2
V3
0
0
1
1
0
1
0DH
1
1
0
V3
V4
1
0
0
1
0
1
25H
0
1
0
V4
V5
1
0
0
0
1
1
23H
0
1
1
V5
V6
0
1
0
0
1
1
13H
0
0
1
V6
V1
0
1
0
1
1
0
16H
表3二二导通方式反转控制字真值表
霍尔信号
导通管
单片机P1.0-----P
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