直流無刷電機控制器的設計

VII頁第1章緒論1.1研究意義與背景在生活中遇到電動機的時候很多比如說：摩托車電動車動車等，交通工具都要和電動機打交道。早期時間很多都是有刷電動機但是隨著社會的發展科學的進步漸漸的發現無刷電機比有刷電機有太多的優點，比如電樞繞組位于定子上，電阻產生的熱量會減少相對于有刷電機，沒有電刷電機的散熱會更加方便，在電機內安裝芯片使電機的溫升易于控制。在相同功率的情況下，無刷直流電機的體積更小，消耗的能量更少。無刷直流電動機轉速控制起來更加方便。無刷電動機在很早以前是沒有普片推廣的當初發明有刷電機時由于當時的社會條件并沒有發現有刷電機的諸多缺點。后來將電機做小做簡便后就漸漸的明白有刷電機其實存在內阻大，發熱大和不易做小和在控制電機方面根本做不到精準。比如將電機運用到多個領域是不僅僅是工業方面是缺點更加明顯就有了后來對無刷電機的研究，但是當當是對無刷電機的研究對當時的社會需求來說并不是很明顯只是在集成電路大發展是無刷直流電機才的到飛速的發展有了小的芯片有了可以在電機內安裝的傳感器就可以對電機的速度或者發熱得到明確的檢測有利于及時對電機進行調節和修改漸漸的就發展到現在的無刷直流電機隨處可見的盛世。對于我們大學生來說設計一個無刷直流電機控制器的設計是實驗其實也是對先前的科學家對無刷電機的貢獻。無刷直流電動機的發展來源于有刷直流電動機的后期改良的結果可以說無刷直流電機是有刷直流電機的升級和換代，電動機從1831年10月28日由法拉第發明了圓盤發電機出來以后出現了更多以發動機為原理的電動機，電動機的轉矩控制特性在電動機發展前期在電子運動范圍內一直起到重要的領導地位。但是，在機械接觸電刷到轉向器一直是直流電動機機械損耗的弊端，為了提高系統的可靠性電機的使用壽命，所以就發明了后來的直流無刷電機，到現在基本上是無刷電動機取代了有刷直流電機。面對直流有刷電機的缺點，在很早以前便有人研究用電子換相來替換機械的有刷直流電機并且，也得到了一些顯著的效果，當時社會經濟并不是特別發達大功率的電子元器件當時并不發達處于發展的初步啟動階段，社會上沒有研究出適合大功率的電子換相元器件導致這種電子換相電機只能出現在實驗室中沒有得到大量推廣。后來實現了晶體管電子開關代替電刷的電機這種電機就是無刷電機的起步階段。隨著社會科技的發展漸漸的有了高強度稀土永久磁鐵以及霍爾元件實現換相，以及后續發明的GTRMOSFEFIGBT等半導體功率元件使無刷電機得到飛速的發展。1.2無刷直流電機控制器的設計研究現狀和未來發展近些年國際上對直流無刷電機的控制是非常熟練的其中日本和美國這兩個國家在這方面的技術更加先進已經站在世界水平的巔峰所以現在很多國家都在向這兩國家學習直流無刷電機的控制技術，直流無刷電機在控制上的核心是控制芯片的選取和芯片和電機的相互配合然后就是PWM的調速方式，傳感器的精密和電路的選擇。圖1-1無刷電機1.3本文工作內容與結構直流無刷電機控制器的設計，控制器是以專用芯片MC33035來進行設計，位置反饋元件有霍爾傳感器反饋接口和編碼器接口，開關器件采用MOSFET管，設計有轉速反饋閉環控制、正反轉、過流保護等，控制器還采用單片機開發板實現數字轉速給定和轉速顯示，采用PID控制，有轉速、電流雙反饋，位置反饋采用霍爾傳感器反饋。設計要求利用專用芯片完成制作一種無刷直流電機控制器。要求采用C8051F001作為控制器的速度測量和速度設定（2）要求利用MC33035組成閉環控制器（3）要求速度可以通過數字按鈕設定（4）要求設定速度的時候顯示設定速度，運行時顯示即時速度（5）要求控制功能包括PWM速度控制、使能控制、正反轉控制能耗制動控制。第1章緒論，介紹了直流無刷電機的研究背景、發展方向及主要技術、國內外研究現狀。第2章直理論分析。第3章MC33035工作原理。第4章無刷直流電動機的簡單技計算。第5章工作總結第6章參考文獻。

第2章理論課題2.1直流無刷電機基本原理電機的組成由定子和轉子兩部分組成，定子是線圈繞組電樞轉子是永久強力磁鐵，當給線圈通入穩點的電流時電動機就能產生一個不變的磁場眾所周知穩定的磁場不能產生電場力所以電機并不能轉動起來，由高中知識可已明白電動機的轉子實時的轉動位置和對應的的電機線圈里通著實時電流有密不可分的關系，使定子產生方向均勻的旋轉磁場電動機才能正常的運轉起來。圖2-1轉子圖2-2定子繞組2.2理論分析無刷直流電機的機械特性： 公式（2.1） n表示轉速。U表示電源電壓。U表示功率管管電壓降。r表示轉矩。T表示周期。始動電壓： 公式（2.2） U表示功率管管電壓降。表示輸入電壓。2.2.1直流電機控制系統由外加電源通過通電轉換進過變頻，整流，把交流電轉為直流電經過電橋通到直流電機，因此設計如下電路圖：圖2-4直流電機原理圖2.3無刷直流電動機基本工作過程無刷直流電動機由名字上都可以看出和有刷直流電機有著密不可分的關系。然而，直流有刷電機由項圈繞組為定子、永久磁鐵為轉子、石墨電刷以及電子換向器構成。電機電刷和換向器的作用就是換相因為永久磁鐵在不斷旋轉所以需要一個換向器來轉換電流的方向。眾所周知不管是無刷電機還是有刷電機都是由定子和轉子構成的，無刷直流電機與有刷電機相比無刷電機里少了電機電刷和換向器。電機的轉子是一塊永磁體材料，定子是芯上繞有線圈，當給線圈通可以變化的電流后，會產生可變的磁場，這個感應磁場和轉子磁體相互作用，由此轉子轉動起來。為了讓電機平滑持續的轉動。直流電源輸出的電流經過導向到達逆變器把直流轉變為交流電然后將輸出簡單點就是逆變器起到的是開關電源的作用。直流電流經過逆變器后的電流波形為鋸齒波調節鋸齒波的寬度就可以間接調節無刷電機的速度。如果要讓電機的速度不停的改變就要將逆變器和電動機和控制芯片設計成一個閉環系統。如果是只需要電動機只保持一個速度旋轉而且不反向就只需要把系統做成開環系統就好，相對來說閉環系統對于開環系統來說要更加復雜。圖2-5相位轉換圖圖2-6電機內部圖2.4主電路方案設計主電路的設計簡單地說就是一個直流電源供電給逆變電路，逆變電路把直流的輸入電源處理后輸送到電機，進過電動機內部的傳感器把采集到的一系列數據輸送到單片機進行速度大小和轉動方向進行比較然后把比較的結果輸送到集成電路進行處理處理的結果再一次輸送到逆變部分對直流電源的電壓和電流進行改變從而再次改變電機的運行狀態就這樣循環往復達到調節電機和控制電機的效果。電機逆變直流電源電機逆變直流電源集成電路集成電路速度檢測速度檢測圖2-7集成電路控制2.4.1直流電源直流電源是持續給電路提供穩定電壓和電流的元件裝置，直流電源的基本原理是比如一個裝滿水壩把水流放到下面的農田一個類型電動勢由高指向低。直流電源內部的非靜電力是由負極指向正極，外部所表現出來的則是正極指向負極。直流電源與外部電路連接后我們稱除電源部分為外電路，電源內部我們稱為內電路。非靜電力的作用是使電流從負極流向正極使電荷的流動成為閉合的循環周而復始，達到持續提供能量的效果。圖2-8直流電源2.4.2逆變器逆變器的功能是將直流電能轉變為交流電一般是分為三個部件逆變電橋，控制邏輯和濾波電路這里我們不介紹控制邏輯和濾波電路只了解逆變電橋。逆變器是采用通用逆變橋，這種逆變橋是適用整改模塊也可用于變頻器，特別是與電流改變方向有關。顯然下圖的這個設計為逆變器，具體的設置為電路橋臂，采用功率管MOSFET電子設備。圖2-9逆變電橋器件開關on/of步驟180°連接方式（各器件連續三步）120°連接方式（個器件連續兩步）Tr123456Tr123456101011001001020100100110003011001001001410100110000151001011001006100110000110表2-1逆變器輸入電流表2.4.3MC33035無刷直流電動機控制芯片早期無刷直流電機是因為技術不夠不能再電動機內部安裝霍爾元件傳感器，強行安裝會產生諸多問題具有電流過大，發熱過多，電壓不穩定的輔助功能的芯片，所以芯片的選擇和電動機之間是雙向選擇的，并且占用了芯片大面積的電路板所以把控制器嵌入電動機中是不可能的。最近幾年，隨著半導體技術的精進和開發出了各種無刷直流電動機控制器芯片，如MC33035，TB6537P等等?，F在介紹芯片MC33035的基本工作原理和應用：芯片MC33035的功能包括開環時電動機的速度控制，轉子前進或后退，允許正常運行和阻尼剎車。芯片MC33035的設計與操作有60度/300度和120度/240度，傳感器的三相無刷電動機，并能有效地控制無刷直流電動機。芯片MC33035管腳定義如下圖所示：圖2-103MC33035管腳定義圖芯片MC33035是在無刷直流電機控制時調節電壓正反來改變電動機的正反轉改變電壓輸出，改變傳感器的高低輸出最后改變整流的正反電流。電動機的開與關的控制是通過輸出來實現該，頂部引腳是開通時連接到正電源的內置上拉電阻會在開始開在該驅動器的輸出時序頂部和底部。表2-2芯片功能介紹表功能可控制電機正反轉實現電機剎車制動啟停功能可選擇三相無刷直流電機傳感器相位差60°或120°欠壓封鎖保護，IC過熱保護和故障輸出可以組合的對象轉子位置傳感器譯碼電路，脈寬調制比較器欠壓、過熱保護以及故障電平輸出誤差放大器，輸出驅動電路具有溫度補償的6.24V內部基準電源RT、CT可變鋸齒波振蕩電路限流電路表2-3芯片引腳功能介紹表引腳號功能備注1，2，24BT,

AT,

CT集電極開路輸出，驅動上橋三個功率管3正、反轉選擇高電平正傳，低電平反轉，內部上拉4,5，6SA,SB,SC位置傳感器信號輸入7使能控制引腳高電平使電機運行，低電平使電機停止8基準電壓輸出6.24，為MC33039芯片提供電源9,15電流檢測輸入同相端/反相輸入端10振蕩器振蕩器頻率由外接Rt和Ct決定，為PWM提供斬波11誤差放大器輸入同相輸入端，

為微小信號提供放大電路12誤差放大器反相輸入端，為微小信號提供放大電路16接地14故障信號輸出出現傳感器非法輸入、電流檢測輸入端電壓大于100mv、三種之一、芯片內部過熱或7腳為低電平13誤差放大器輸出在閉環控制時連接

校正阻容元件，此引腳同時連到PWM比較器的反相輸入端17，18VCC,

VC芯片供電電源(10V-

-30V)

/下橋驅動輸出提供電源19，20，21CB,

BB,

AB下橋三端驅動輸出2260°

/120°

切換高電平選擇相位差

60°，低電平選擇相位差120°23制動輸入端高電平使電機正常運行，低電平使電機制動減速

第3章MC33035工作原理3.1MC33035芯片工作原理一般情況下，連接在引腳10號連接的電阻R2一條線路上連接的電容C控制芯片內部振蕩器的振蕩頻率，從而在引腳10輸出的波形為鋸齒波，這種鋸齒波和引腳11輸入的轉速設定信號三極管放大器（誤差放大器）放大調節控制后由PWM設定的信號進行比較器比較，從而在PWM比較器輸出端輸出PWM波。電機內的轉子磁場上的速度傳感器輸出的信號輸出到引腳4、5、6、輸入的信號進行譯碼器譯碼，通過引腳4，5，6，輸入的譯碼器信號和PWM比較強輸出的信號進行對比，比較的數據結果進行控制去控制驅動器的六個晶體管的傳感器。這六個信號進過芯片內部的三極管晶體管放大器放大后的型號輸入引腳19、20、21后輸出三路低等的驅動器信號，與此同時從引腳1，2，24輸出會輸出相當于19，20，21三個引腳的高等驅動器信號。引腳11輸出的電壓會根據用戶的變化的改變而改變來該六路的頻率和脈沖寬度的改變，這樣就改變了電壓的頻率從而調節了被控電路的電機的轉速。六路驅動器的相序有芯片的引腳來決定，芯片發熱過度、沒有位置傳感器輸入的位置信號或位置傳感信號相位不正確、線圈繞組過流等非正常狀態都會引起芯片內部反應來調節脈沖的頻率和寬度。3.1.1震蕩電路MC33035芯片內部的震蕩頻率的大小由外部的電阻和電容決定同時也取決于對溫度的感應對芯片震蕩頻率影響。圖3-1MC33035震蕩電路外部連接MC33035芯片內部的震蕩頻率由外部的電阻C2,R2決定震蕩周期長短取決于引腳8輸入電壓由上圖經過電阻R2在經過電容C2進行充電后經過內部的晶體管放電就會形成一個周期。最終輸出的波形會是鋸齒波的震蕩信號。3.1.2誤差放大器誤差放大器是是一個集成度非常高的高效率芯片整個過程中會補償誤差的放大器在閉環線路時放大器電壓增益，開關閉合時為開環控制，開關打開時為閉環控制。圖3-2誤差放大器3.1.3芯片的檢測與保護采樣電阻連接在功率驅動器的下端在功率板的地線之間，因為芯片MC33035的引腳9的內部連接到頻率比較器的正相輸入端，這樣產生的電流作為基準值通過引腳15接地在芯片內部各個周期進行比較如果輸入值高于比較值就能起到對電路的保護效果如果輸出電流值小于比較值就起到對電流的檢測與保護。圖3-3芯片的檢測與保護電路圖3.2由芯片MC33035的無刷直流電動機調速器的設計由芯片MC33035構成的無刷直流電動機開環控制系統。根據MC33035芯片的功能介紹和電橋線路的知識設計如下電路圖來控制直流無刷電機控制器的設計大致原理電路圖包括開環電路他和閉環電路圖在電機速度的控制上來說是不可缺的兩個部分經過6個二極管搭建起的電橋和芯片MC33035來徹底控制電機在轉動是的速度控制和轉向的功能。圖3-4設計圖3.2.1逆變電路的設計PWM控制系統在速度調節方面主要是采取不同寬度的電磁脈沖對電路系統進行調節為PWM轉換器。PWM轉換器在進行脈沖寬度調解時和直流斬波器的作用一致。這種PWM調節可以分為兩種，一種電壓電流逆變器有雙極，單極型和有限單極式等多種逆變電路。這次的實驗采用單級式，這種方式的優點為可以減少開關損耗時，電動機電流較小，不會有不連續電流的現象。圖3-5逆變電路圖3.2.2C8051F00X速度測試芯片1C8051F00X速度控制是通過單片機產生PWM信號脈沖寬度從而調節控制直流電源輸出大小來改變磁場的變化大小導致電動機的轉速發生改變。在電動機里面安裝速度傳感器可以給發電機測試速度，然后把用傳感器的到的速度信號傳遞到單片機，通過單片機將測速信號和給定的PWM信號進行比較。從而形成對電動機的轉速來實現閉環控制系統。圖3-6速度檢測裝置圖

第4章無刷直流電動機的簡單技計算4.1公式計算在三相無刷直流電機所建立數學模型中轉子在旋轉過程中有安裝霍爾元件幾個霍爾元件之間會間隔120度的角度和Y型連接的電路對應起來就會列出下面三個矩陣方程，三相平衡電壓方程： 公式（4.1）上面的三相平衡電壓方程中的Ua,Ub,Uc,分別為項圈繞組相電壓V。ia，ib,ic分別表示項圈繞組相電流A。Ea,Eb,Ec為定子繞組之間的相電動勢V。P為微分算子P=L表示相繞組的自感H。定子繞組的自感和互感之和為常數當三相繞組為Y連接時就有下面的兩個方程：將ia+ib+ic=0Mib+Mic=-Mia帶入三相平衡電壓方程中可得如下方程： 公式（4.2） 公式（4.3） 公式（4.4）由上面幾個式子可以的出磁場的轉矩方程為：公式（4.5）直流無刷電動機在通電的情況下，直流無刷電動機自帶電導體一直處于磁場不改變情況下，所以經過分析的如下關于感應電動勢方程： 公式（4.6）以上式中：Ω代表電動機的角速度。Ua,Ub,Uc,為定子項圈繞組相電壓(V)。Y型連接的無刷直流電動機感應電動勢E。ia，ib,ic為定子繞組相電流(A)。N表示總導體個數。Ea,Eb,Ec為定子繞組相電壓電動勢(V)。為每相繞組的自感(H)M為每兩相繞組的互感(H)。Pm為極的對數，n表示電動機轉動速度，Φm表示主磁通量。從變壓器的直流端是兩相項圈繞組經逆變器串聯完成，因此： 公式(4.7)因此，電磁轉矩表達式可化為： 公式(4.8) 公式(4.9)直流無刷電機通入方形波得電流時的電磁方面的方程和普通的直流無刷電機通入正常電流時的方程一樣。電動機轉子的運動方程為： 公式(4.10)化簡可得： 公式（4.11）因為這個系統采用120°型三相逆變器，在工作期間任一時刻只有兩相通電，直流無刷電機方波的輸出相電壓幅值為。對于每相項圈繞組的動態方程式： 公式(4.12)上式為電源電壓。式中：Id為方波電流的幅值為電機的角速度。為負載轉矩為轉子與負載的轉動慣量為粘滯阻尼系數。忽略摩擦，電動機的轉矩平衡方程式為： 公式(4.13)可得： 公式(4.14)兩邊分別進行拉式變換后得： 公式(4.15) 公式(4.16)考慮到，得到直流無刷方波電機的動態結構圖。U圖4-1動態結構圖4.2MATLAB仿真MATLAB軟件是作為一種提供矩陣運算和操作的編程軟件和各種功能強大的圖形的基本單位矩陣，是目前最流行的電腦輔助設計軟件。SIMULINK模塊中的電子電力系統可以給同學們帶來非常大的方便我們可以通過這個實驗模塊來模擬各種電力系統的數學方面的模型，只要可以搭建相應的模型就可以得到相應的實驗數據。Matlab仿真在讀大一就一直在使用的軟件SIMULINK電子電力系統模塊中安裝一個個的模擬板塊都可以在軟件中找到。一般matlab用來工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。表4-1matlab功能表數值分析數值和符號計算工程與科學繪圖控制系統的設計與仿真數字圖像處理數字信號處理通訊系統設計與仿真財務與金融工程圖4-2速度控制仿真圖用matlab軟件來模擬直流電源發出直流信號出來經過逆變器到達電動機出來后進入數據采集這里是速度檢測傳感器發出信號后輸入比較器對比實際速度與設定速度的大小如何再把進過比較過后的信息輸入控制器在控制器進行運算比較厚輸出到PID控制芯片輸出的信號再次輸入回逆變器中再次對輸入電流進行頻率和大小上的調節從而達到控制電動機的轉停和速度的加減。圖4-3開關管模塊直流無刷電動機之所以可以擺脫電刷和換向器就是因為開關管把直流轉換為了可以使電機一直穩定旋轉的鋸齒波。電流有刷電機在通入直流電的情況下當轉子線圈旋轉時定子磁場不變線圈產生的磁場在旋轉就會產生一種情況是旋轉一圈只有一半周期是在做有用功還有一半時間在做無用功。于是就有了電刷和換向器當線圈旋轉到一半時換向器就換將正負電極換一個方向通到線圈內就會繼續做有用功但是這樣的電機消耗比較大，發熱也高機械部件容易損壞所以后來就發明了開關管來代替電刷和換向器。圖4-4逆變器輸出波形圖逆變橋逆變橋gABCTmABCK轉換系數speed轉速數據采集NmS直流無刷電機 轉速電磁轉矩1000目標轉速開關信號ABC延時時鐘In1In2In3Out1In4占空比DOut1EF邏輯控制In1Out1In2PID控制器圖4-5總設計圖圖4-6譯碼器H1H2H3PhaseAPhaseBPhaseC101+V-VNC100+VNC-V110NC+V-V010-V+VNC011-VNC+V001NC-V+V表4-1正轉邏輯對照表表4-2反轉邏輯對照表H1H2H3PhaseAPhaseBPhaseC101-V+VNC100-VNC+V110NC-V+V010+V-VNC011+VNC-V001NC+V-V圖4-7正轉譯碼邏輯圖4-8反轉譯碼邏輯表4-3傳感器真值表HaHbHcEMFAEMFBEMFC0010-1+1010-1+10011-10+1100+10-1101+1-101100+1-1表4-4正轉電路真值表EMFAEMFBEMFCQ1Q2Q3Q4Q5Q60-1+1000110-1+10011000-10+1010010+10-110001+1+101001000+1-1001001表4-5圖4-8反轉電路真值表EMFAEMFBEMFCQ1Q2Q3Q4Q5Q60-1+1001001-1+10100100-10+1100001+10-1010010+1+100110000+1-1000110解碼后的數據通過上面的真值表來設計譯碼器相互對應MOSFET六個管的控制信號。4.2PWM調制技術PWM調整原理是通過調節脈沖寬度開控制輸出電流的大小從而控制電動機的速度大小和旋轉方向。下面介紹兩種關于PWM調整速度方法。下圖為PWM調整速度原理圖。圖4-9PWM調制原理圖無刷直流電動機是以電機，轉子，轉子檢測器和電子管組成。主電路上的逆變電路屬于電子管部分，電子管通俗解釋就是電流逆變器和電子處理器兩部分組成。主電路是通過電子器件對電機進行電能的轉換和控制的任務，直流無刷電機通過電子開關管替代轉換器和電刷是有你減少耗能的作用減少開關的損耗就出現了PWM調節技術。近些年電子電力技術的飛速發展已經大量生產出來了多種電子開關管；高功率晶體管（GTR）的，功率場效應晶體管（功率MOSFET），關斷晶閘管（GTO）的，控制晶閘管（MCT）的，絕緣柵電壓控制晶體管（IGBT）等多種開關管經過調查發現用開關管控制的電路每年可以減少損耗百分之10，使用電子開關管可以使電機的體積減少百分之30以上。設備的效率高，功率因數自然就會高所以現在都在普片采用電子功率管。功率管的使用也漸漸表面了PWM技術的更熟練運用只要有電子開關管的電機設備要讓電機受控制就必不可少的使用PWM技術。現如今普片的PWM調節技術通過調節開關管的開關頻率就間接的控制輸出電流鋸齒波的寬度。調節電流的寬度我們可以明確的發現一個周期越短電機旋轉的速度就越快反之周期越長電機旋轉的就越慢。PWM很少會抑制諧波的行為，這樣一來效率就會很高。

第5章總結工作本次設計在做的就會發現很多平時學習上很多的問題只有自己在親歷做事時才能明白自己的不足在完成設計是需要自己去克服很多的問題再改錯的途中一直都要保持良好的心態俗話說失敗是成功之母只有再一次一次的失敗中過來的人才能理解這句話的寶貴再搭建模型時經常搭建不出來的窘境時自己在網上學習才是考驗一個人的學習能力的時候經過了這次設計后讓我明白了很多的做事方法。這次設計過程中讓我們對matlab軟件的應用更加得心應手，畢業設計和畢業實習過程中是我們調查研究，在這過程中也教會了我們如何獨自面對困難，如何自主查詢工具書，手冊，圖表等參考書。本次畢業設計是理論和實踐知識的一次實地驗證培養了我們的綜合實踐能力如何分析問題，解決問題。通過這次畢業設計我明白了知識在于積累，知識是學無止境的一切都要扎根于實踐在實踐中完善自己。最后由衷感謝這次的指導老師和大學四年的老師，感謝你們的耐心指導。

第6章參考文獻[1]葉金虎,徐思海,張頡民,崔海大,施民生編著無刷直流電動機北京科學技術出版社1991.[2]張琛.無刷直流電動機原理及應用[M工機械工業出版1992.[3]曉弘.靳方義侯景陽