无刷直流电机的驱动器设计毕业论文.doc

成人高等教育毕业设计（论文）诚信承诺书学生姓名学号学习形式业余专业机电一体化指导老师题目无刷直流电机的驱动器设计诚 信 承 诺本人慎重承诺和声明：1、本人在毕业设计（论文）撰写过程中严格遵守有关规定，恪守学术规范，所呈交的毕业设计（论文）是在指导教师的指导下独立完成； 2、毕业设计（论文）所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已注释说明来源； 3、毕业设计（论文）中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况； 4、本人已被告知并清楚：学校对毕业设计（论文）中的抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业设计（论文）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果； 5、若在学校组织的毕业设计（论文）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学院按有关规定给予的处理，并承担相应责任。 学生（签名）： 年 月 日摘 要无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，是一种集电机和电子一体化的高新技术产品，不仅具有体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点，同时还保留了普通直流电动机优良的机械特性。因此，研究具有响应速度快、调节能力强、控制精度高的无刷直流电动机控制系统具有重要意义。本设计论文研究了无刷直流电机(BLDCM)控制系统的原理和设计过程，基于MATLAB/Simulink仿真平台建立了无刷直流电机驱动系统仿真模型，利用该仿真模型验证控制算法。该系统采用双闭环控制：速度环采用离散PID控制，根据滞环电流跟踪型PWM逆变器原理实现电流控制。在建立仿真模型的基础上，本论文对模型进行了仿真。观察电机的相电流、反电动势、转速、输出电磁转矩等参数，并进行了分析。仿真和试验结果与理论分析一致，验证了该方法的合理性和有效性。该仿真模型适用于验证其他控制算法的合理性，并且为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。关键词: 无刷直流电动机；仿真；驱动控制系统；PWM；PIDAbstractBrushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of. At this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under common concern.It is a kind of mechanics products, which has many good Performances, such as Small volume, light, efficient, small inertia and high control precision. BLDCM reserves many excellent mechanical characteristics of DC Motor. So it is very significant to study such a control system with quick response, powerful regulation capability and high precision. This paper presents the theory and process of the design for a sensor BLDCM. Regard how to structure the control system with MATLABSimulink as the center in this paper. We set up the simulation system of BLDCM and verify the control algorithm using this simulation system. Brushless DC motor is a new type motor growing rapidly in recent years which is widely used in industry, agriculture and military, etc. It can not only keep the excellent speed regulation control of DC Motor but eliminate the mechanical contact between brush and diverter as well. This control system adopted double loop control. In the double loop of control system, a discrete PID controller was adopted in the speed loop and a current controller was completed in the current loop on the principle of hysteresis current track PWM inverter.The reasonability and validity were testified by the coincidence of the simulation and experimentation results and theory analysis.This simulation model is also suitable for verifying the reasonability of other control algorithms and offers a new thinking for designing and debugging actual motors.Key words: BLMDCM； Simulation；Driver control system；PWM；PID目 录摘 要Abstract第一章 绪论11.1 课题背景及选题意义11.2 无刷直流电机的发展历史11.3 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较31.4 国内外无刷直流电机研究动态与趋势31.5 本文主要研究内容5第二章 无刷直流电动机及驱动系统结构原理及相关技术72.1 无刷直流电机的本体基本结构72.1.1 电动机本体82.1.2 转子位置传感器82.2 无刷直流电机的工作原理92.3 无刷直流电机的数学模型112.4 无刷直流电机的控制方案142.4.1 单闭环控制142.4.2 双闭环控制142.4.3 PID控制15第三章 无刷直流电机驱动控制系统的设计173.1 驱动电路设计173.1.1 无刷直流电机驱动系统的构成173.1.2 辅助电源电路183.1.3 主功率电路193.1.4 驱动隔离电路203.2 主电路设计213.3 控制电路设计223.3.1 控制器的选择223.3.2 控制板设计233.3.3 控制器243.3.4 驱动电路253.4 检测与保护电路设计283.4.1 电流检测电路设计283.4.2 转子位置及转速检测电路29第四章 无刷直流电机的建模与仿真314.1 无刷直流电动机的仿真模型314.1.1 机本体模块324.1.2 速度PID控制模块344.1.3 参考电流模块344.1.4 电流滞环控制模块354.1.5 电压逆变模块354.2 仿真结果36第五章 总结与展望39参考文献40致 谢41附 录42第一章 绪论1.1 课题背景及选题意义70年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，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，均为直流无刷电机的广泛应用奠定了坚实的基础。无刷直流电动机保持着有刷直流电动机的优良控制特性,在电磁结构上和有刷直流电动机一样,但它的电枢绕组放在定子上,转子上放永久磁钢。无刷直流电动机的电枢绕组像交流电机的绕组一样,采用多相形式,经由驱动器接到直流电源上,定子采用位置传感器实现电子换向代替有刷电机的电刷和换向器,各相逐次通电产生电流,和转子磁极主磁场相互作用,产生转矩。和有刷直流电机相比,无刷直流电动机由于没有电刷的滑动接触机构,因而消除了故障的主要根源。由于转子上没有绕组,因此就没有电的损耗1。又由于主磁场是恒定的,因此铁损也是极小的(在方波电流驱动时,电枢磁势的轴线是脉动的,会在转子铁心内产生一定的铁损)。总的来说,除了轴承旋转产生摩擦损耗外,转子的损耗很小,因而进一步增加了工作的可靠性2。 直流无刷电机的应用已经遍及各个技术领域，其控制方法和运行方式五花八门，层出不穷，要想面面俱到地对他们展开深入讨论，颇为繁琐，也无此必要。从一定意义上说，直流无刷电机是直流电动机的一个分支3，除了不能采用边励磁调速方法（因转子磁极为永久磁钢）外，其他一切直流电机的转速控制方法均可用来控制直流无刷电机4。1.2 无刷直流电机的发展历史无刷直流电动机(BLDCM)是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机,是现代电子技术(包括电力电子、微电子技术)、控制理论和电机技术相结合的产物。无刷直流电动机采用霍尔元件、光敏元件等作位置传感器代替有刷直流电机的换向器和电刷部分,以电子换相代替机械换向,从而提高了可靠性 5。又克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列的缺点, 因此在各个领域中得到广泛应用。早在1934年，就出现过采用电子管线路代替机械滑动接触的无换向器直流电动机6，但由于当时电子器件的技术水平和制造成本的限制，这种电动机并没有得到发展。1955年，美国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换向的专利，这就是现代无刷直流电动机的雏形7。无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用，1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础， 电动机系统因而得到了迅速的发展。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。 随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入，无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。1986年，H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域，成为无刷直流电动机的经典文献，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。1.3 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较无刷直流永磁电动机是在有刷直流永磁电动机的基础上发展起来的，随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机，采用霍尔元件、光敏元件等作位置传感器代替有刷直流电机的换向器和电刷部分,以电子换相代替机械换向,从而提高了可靠性，克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列的缺点。这两种电机的区别如表1-1所示：表1-1 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较项目无刷直流电动机有刷直流电动机换向借助转自子位置传感器实现电子换向由电刷和换向器进行机械换向维护由于没有电刷和换向器，很少需要维护需要周期性维护寿命比较长比较短机械（速度/力矩）特性平（硬）在负载条件下能在所有速度上运行中等平（中等硬）。在较高速度上运行时，电刷摩擦增加，有用力矩减小效率由于没有电刷压降，所以效率高中等输出功率/外形尺寸之比高由于电枢绕组设置在与机壳相连的定子上，容易散热。这种优异的热传导特性允许减小电动机的尺寸，所以输出功率/外形尺寸之比高中等/低。电枢产生的热量消散在气隙内，这样增加了气隙温度，从而限制了输出功率/外形尺寸之比转自惯量低。因为永磁体设置在转子上，改善了动态响应转自惯量高，限制了动态特性速度范围比较高。没有电刷/换向器给予的机械限制比较低，存在电刷给予的机械限制电气噪声低电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干扰制造价格比较高低控制复杂和价格贵简单和价格不贵控制要求为了使电动机运转必须要有控制器，但同样的控制器可用于变速控制对于一个固定的速度而言，不需要控制器；有变速要求的时候才需要控制器1.4 国内外无刷直流电机研究动态与趋势20世纪80年代以来，国内外对无刷直流电动机展开了深入的研究。随着大功率半导体器件、电力电子技术、微电子技术、数字信号处理技术、现代控制理论的发展以及高性能永磁材料的不断出现，如今的永磁无刷直流电动机系统已经成为集特种电动机、功率驱动器、检测元件、控制软件与硬件于一体的典型的机电一体化产品，体现了当今工程科学领域的许多最新成果。在转子材料方面：近年来，稀土永磁材料迅速发展，其矫顽力高、抗去磁能力强，且常规去磁曲线在大范围线性可逆等特点为永磁无刷直流电动机的设计开辟了广阔的前景。在功率逆变电路方面：电力电子技术和功率半导体器件的发展对无刷直流电动机控制技术的发展影响极大。电力电子功率器件经历了从半控(只能控制开不能控制关)到全控阶段，从电流控制到电压控SU(场控)，从几千Hz到500kHz以上的开关频率的变化，而电机的控制也相应从相控电流转变到脉宽调制技术。50年代末期出现的晶闸管器件，取代了原先的电动机一发电机组、交磁电机扩大机、磁放大器、电子管放大器。在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。从20世纪70年代开始先后出现了几种有自关断能力的全控型功率器件，如可关断晶体管(GTO)、功率晶体管(GTR)。这些全控功率器件取代了普通晶闸管系统，提高了工作频率，简化了电路结构，提高了系统的效率和可靠性。原来谐波成分大、功率因数差的相控变流器己逐步由斩波器或PWM变流器所取代，使电机的调速范围明显增加。其后又出现了功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(IGCT)等，形成第三代功率器件。这些新型功率器件采用场控，工作频率可以更高，驱动电路更简单。目前，第四代的功率集成电路己崭露头角。功率集成电路是电力电子技术与微电子技术相结合的产物，它将半导体功率器件与驱动电路、逻辑控制电路、检测和诊断电路、保护电路集成在一块芯片上，使功率器件含有某种智能功能，因此又称为智能功率集成电路。半导体功率器件发展的另一个方向是智能功率模块(IPM)。它是将多个(或单个)功率器件组成半桥或全桥，并集成了快速恢复二极管、栅极(或基极)驱动电路、保护电路，而形成一个混合模块。所有这些功率器件的发展都促进了无刷直流电机控制技术的进步。在转子位置检测方面：无刷直流电机运行过程中需要不断地根据转子的位置信号来进行正确的换向。转子信号一般由位置传感器来获得，常用的位置传感器有光电式、磁敏式、接近开关式、谐振式、高频耦合式等。由于位置传感器的使用有如下缺点：(1)增大电机尺寸；(2)传感信号传输线太多，容易引起干扰；(3)高温、低温、污浊空气等恶劣工作条件会降低传感器可靠性；(4)传感器的安装精度直接影响电机的运行性能等等，而且在有些特殊场合下电机根本无法安装位置传感器。因此，无刷直流电机的无位置传感器技术近年来日益受到人们的关注，国内外研究人员在这方面进行了积极的研究。无刷直流电机的无位置传感器控制的关键在于转子位置信号的获得，现在比较流行的方法有反电动势法8、电感法9、磁链法10、旋转坐标法11、卡尔曼滤波器法12、续流二极管法13、状态观测器法14等。在换向控制电路方面：随着科技的发展，电子换向控制器经历了模拟控制电路、模拟数字混合控制电路、专用集成控制电路、微处理器控制电路、数字信号处理器控制电路等阶段。从发展趋势上看，以DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)为核心的控制电路已经成为无刷直流电机电子换相控制器的发展方向12。以往的无刷直流电机多由单片机附加许多种接口设备组成，不仅结构复杂，而且处理速度也受到限制，也不方便扩展。DSP相对于一般的微处理器在实时性上有独特的优势，可以实现用软件取代模拟器件进行高性能控制，可以方便地修改控制策略，修正控制参数，兼具故障监测、自诊断和上位机管理与通讯等功能。DSP以其强大的运算能力、极高的处理速度在控制系统中获得广泛应用，为模糊控制、神经网络控制、自适应控制、专家系统等具有自学习、自适应、自组织功能的智能控制的实现提供了有利的条件。DSP可为高性能电机控制提供先进、可靠、高效的数字信号处理与控制平台。1.5 本文主要研究内容本次毕业设计中主要完成的内容包括：（1）无刷直流电机的原理介绍了解无刷直流电机的基本结构，介绍无刷直流电机的工作原理。（2）无刷直流电机的驱动方法和驱动结构的分析分析无刷直流电机的驱动方法和驱动结构。（3）无刷直流电机仿真模型的建立 建立无刷直流电机的仿真模型，完成对无刷直流电机驱动系统的驱动仿真。（4）无刷直流电机仿真结果的总结 给出仿真结果的波形，并对所得波形加以分析，最后综合各种影响因素作出结论。第二章 无刷直流电动机及驱动系统结构原理及相关技术本章将讨论无刷直流电动机及驱动系统的结构和工作原理，着重介绍位置传感器的选择以及电枢绕组和电子换向电路的组合方式，和换流方式的无刷直流电动机。2.1 无刷直流电机的本体基本结构众所周知，有刷直流电动机具有旋转的电枢和固定的磁场。因此，有刷直流电动机必须有一个滑动的接触机构电刷和换向器，通过它们把电流馈给旋转着的电枢。无刷直流电动机却与前者刚好相反，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样，电子换向线路中的功率开关元件，如晶体管或可控硅等直接与电枢绕组连接。电动机内还装有一个位置传感器，它与电子换向线路一起代替了有刷直流电动机的机械换向装置。综上所诉，无刷直流电动机及驱动系统是由电动机本体和驱动器构成，是一种典型的机电一体化产品。图2-1 无刷直流电动机的结构简图驱动器组成：a.作为控制中枢的单片机；b.作为电子换向的由IGBT或MOSFET构成的逆变桥；c.作为电压型交直交主电路的整流、滤波单元；d.作为人机接口的键盘和数字显示单元；e.作为控制、驱动电源的开关电源。2.1.1 电动机本体电动机的本体主要是有主定子和主转子构成。主定子是电动机本体的静止部分。它是由导磁的定子铁芯、导电的电枢组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、绝缘槽锲、引出线及环氧树脂等。主转子是电动机的转动部分，是产生激磁磁场的部件。它是由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是产生磁场的核心，系由永磁材料和导磁材料组成。无刷直流电动机采用的永磁材料由下例几种：铝镍钴-5、铝镍钴-5结晶取向、铝镍钴-8、铝镍钴-8结晶取向、铁氧体及高磁能级的稀土钴永磁材料等。导磁材料一般用10号钢或者工业用电工纯铁等。机械支撑零部件主要是指转轴、轴套和压圈等，它们起固定永磁体和导磁作用。转轴由不导磁材料组成。它们首先必须满足电磁方面的要求，保证在工作气隙中能够产生足够的磁通。电枢绕组允许通过一定的电流，以便产生一定的电磁转矩。其次就是要满足机械方面的要求，保证机械结构牢固和稳定，能传送一定的转矩，并能够经受一定环境的考验。此外，还要考虑到节约材料、结构简单、紧凑、运行可靠和稳升不超过规定的范围。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机转子由钕铁硼永磁材料构成。在定转子形成的气隙中产生N-S极相间的方波磁场，所以也把这种电动机称为“方波电动机”。为了使电动机绕组准确换向，在电动机内装有位置传感器，作为转子极性的位置信号。2.1.2 转子位置传感器转子位置传感器是无刷直流电机的重要组成部分，它的作用是检测转子磁极的位置、为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相，使电机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按一定次序换相，通过气隙形成步进式旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。位置传感器的种类很多，并且都各具特点。目前在无刷直流电机中应用较多的位置传感器主要有磁敏式、电磁式、光电式等。霍尔位置传感器是磁敏式位置传感器的一种，由于其体积小，使用方便并且价格低廉，故无刷直流电机控制系统中一般将其作为转子位置检测装置。（1）位置传感器的结构位置传感器核电动机的本体一样，也是静止部分和运动部分组成，即位置传感器的定子和位置传感器的转子，位置传感器的种类很多，这里先以较常用的磁电式位置传感器作为典型来分析：磁电式位置传感器的定子：磁电式位置传感器定子是由磁芯、激磁线圈、输出线圈和罩壳等组成。 磁电式位置传感器的转子：这种位置传感器转子由导磁材料（铁芯）和非导磁材料（衬套）组成。磁芯材料与位置传感器定子的磁芯材料相同。非导磁材料为铜或者环氧树脂等，铁芯一般为扇形。（2）位置传感器的分类位置传感器按工作原理分，可分为敏感式、耦合式、谐振式和接近式等。 敏感式位置传感器是利用敏感元件来感受出转子的位置，并输出信号去控制各相绕组的导通顺序。常用敏感元件有光敏元件（如光电二极管、光电三极管和光电池）和磁敏元件（如霍尔元件、磁敏电阻、磁敏二极管和磁敏三极管等）。耦合式是指变压器耦合（即磁电式）和高频空心线圈耦合等。谐振式是由电感、电容等元件组成，当达到谐振条件时，输出信号为最大，借此去控制电枢绕组的导通。接近式是利用接近某物而动作的原理所组成的一种位置传感器。2.2 无刷直流电机的工作原理普通直流电机的电枢在转子上，而定子产生固定不变的磁场。为了使直流电机旋转，需要通过换相器和电刷不断地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旋转无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通直流电动机相反15。然而即便是这样的改变仍然不够，因为直流电通入定子上的电枢以后，产生的不变磁场还是不能使电动机转动起来。为了达到使电动机的转子旋转的目的，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子位置的不断变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90°左右的空间角，产生转矩推动转子旋转为了详细说明无刷直流电机的工作原理，下面以三相无刷直流电机为例，来分析它的转动过程16。图2-2是三相无刷直流电机的工作原理图。采用光电式位置传感器，电子开关电路为半桥式驱动。电动机的定子绕组分为A相、B相、C相，采用星行连接。因此光电式位置传感器上也有三个光敏接受元件Va、Vb、Vc与之对应。三个光敏接受元件在空间上间隔120°，分别控制三个开关管Vl、V2，V3,该开关管控制对应相绕组的通电与断电。遮光板安装在转子上，安装的位置与图中转子的位置相对应，并随着转子一同旋转，遮光板的透光部分分别占120°。为了简化，转子只有一对磁极4。当转子处于图2-3(a)所示的位置时，遮光板遮住光敏接收元件Vb、Vc，只有Va可以透光。因此Va输出高电平使开关管Vl导通，A相绕组通电，而B、C两相处于断电状态。A相绕组通电使定子产生的磁场与转子的永磁磁场相互作用，产生的转矩推动转子逆时针转动。当转子转到图2-3(b)的位置时，遮光板遮住Va，并使Vb透光。因此Va输出低电平使开关管V1截止，A相断电。同时Vb输出高电平使开关管V2导通，B相通电，C相状态不变。这样由于通电相发生了变化，使定子磁场方向也发生了变化，与转子永磁磁场相互作用，仍然会产生与前面过程同样大的转矩，推动转子继续逆时针转动。当转子转到图2-3(c)的位置时，遮光板遮住Vb，同时使Vc透光。因此，B相断电，C相通电，定子磁场方向又发生变化，继续推动转子转到图2-3(d)的位置，转子转过一周又回到原来位置。如此循环下去，电动机就转动起来了17。图2-2 无刷直流电机原理图如图2-3所示的过程可以看成是按一定次序换相通电的过程，或者说是磁场旋转的过程。在换相的过程中，定子各绕组在工作气隙中形成跳跃式运动的旋转磁场。该旋转磁场在一周内有三种磁状态，每个状态都要持续120°，它们跟踪转子并且与转子的磁场相互作用，产生推动转子持续旋转的转矩。图2-3 通电绕组与转子位置关系2.3 无刷直流电机的数学模型 接下来以转子结构永磁面装式结构、三相无刷直流电机定子电枢绕组星形接法、两相通电模式为例，分析无刷直流电机的数学模型。为了便于分析，现作如下五个假设18-19：(1)电机定子的三相电枢绕组完全对称，结构上相差120°电角度，参数相同；(2)功率器件的导通和关断时间对系统性能无影响，功率器件的导通压降为恒定值，并且当开关关断后的等效电阻为无穷大；(3)忽略定子绕组的电枢反应对系统性能的影响；(4)电机转子永磁体产生的气隙磁场的波形为梯形波，三相绕组反电势也为梯形波，且波顶是120°电角度宽度；(5)电机内部气隙磁场均匀，磁路不会产生饱和现象，不考虑磁滞损耗。1)无刷直流电机的电压方程可以用如下表示： =+ （2-1）其中： ，为三相定子绕组的电压，单位为伏特（V）； ，为三相定子绕组的电流，单位为安培（A）； ，为三相定子绕组的电阻，单位为欧姆（）； ，为三相定子绕组的自感，单位为亨利(H)； ，为三相定子绕组之间的互感，单位为亨利(H)； P为微分算子（d/dt）； ，为三相定子绕组的反电动势，单位为伏特（V）。由前面的假设可知，转子的磁阻等参数不发生变化，由于三相绕组完全对称=，=，=。电路理论基本知识可得，在三相对称绕组的电机中，有+=0，所以公式（2-1）又可以表示为：=+ （2-2）2)电机的转矩方程为： =（+）/w （2-3） 上式中w为转子机械角速度(rad/s)。由上式可知，电磁转矩大小和反电动势和电流成正比，即控制了电流就可以间接地控制转矩。若要产生恒定的转矩，则首先要求反电动势为梯形波，定子电流为方波，由无刷直流电机的工作原理可知，在任何时刻，定子只有两相绕组是导通的。所以电磁转矩的方程又可表示为： = （2-4）其中： 为电机转矩常数； 为电机的转速。3）电机的运动方程为： -= （2-5）其中: 为电机的负载转矩，单位为(N·m)； 为电机的阻力系数，单位为(N·m·s/rad)； 为电机的转动惯量，单位为(kg·)。4)电机的反电动势可以表示为： = （2-6）其中: 为电机的反电动势常数，单位为(V·s/rad)；为电机的转速，单位为(rads)；5)电机的转速方程可以有以下公式来表达： = （2-7）由上式可得出无刷直流电机的机械特性为： = （2-8）6)电机的调节特性曲线如图2-4所示：图2-4 无刷直流电机调节特性曲线 从以上的调节特性图可以看出，无刷直流电机有很好的调速性能，可以通过改变直流侧电源电压来使电机进行无级调速。由于电机的转子采用的是永磁体，即不需要进行励磁调节而来控制电机速度。2.4 无刷直流电机的控制方案 2.4.1 单闭环控制单闭环控制方式即是转速闭环控制方式。反馈量是电机的转速，它由速度给定，速度检测以及速度控制组成。给定转速值通过键盘输，根据反馈的实际转速，可以得到转速误差信号，转速误差信号经过速度调节器后就输出PWM值，经过PWM驱动器后就可以来驱动电机转起来，这样做可以实现速度的实时反馈与调整。单闭环控制结构图如图2-5所示：图2-5 无刷直流电机的单闭环控制系统框图单闭环控制优点是：结构比较简单、控制方便、转速响应好；缺点是：系统带负载后，转矩响应慢。一般控制场合可以采用单闭环来进行控制，若系统对动态性能等要求很高的情况下，比如要求快速起制动，突加负载等，单闭环系统就很难满足要求。这主要是由于在单闭环系统中不能很好地控制电流和转矩的动态响应过程，即转速单闭环控制系统有一定的局限性，在只要求转速控制的场合推荐使用。2.4.2 双闭环控制 给定速度值通过键盘设定，根据反馈的实际转速，就可以得到转速误差信号，转速误差信号经过速度调节器后就可以作为电机的电流参考值，同时，通过电流检测电路实时检测出定子绕组的电流值，两者的差值就为电流误差信号。最后根据转子位置检测电路计算的转子位置，经过电流调节器后确定各个功率开关器件IRF3205导通时间及占空比，再经过PWM驱动器后就使得电机转动起来，最后再次对这些步骤进行循环。系统总体框图如图2-6所示：速度调节器电流检测PWM调节器电流调节器BLDCC转子位置与速度检测-图2-6 无刷直流电机的转速电流双闭环控制系统框图本系统采用的是转速电流双闭环控制，其中电流环为内环，转速环为外环。双闭环控制系统的优点是：转速响应和转矩响应都很快、精度高、稳定性高；缺点是：结构相对复杂、成本高。2.4.3 PID控制PID是工业生产中最常用的一种控制方式，PID调节仪表也是工业控制中最常用的仪表之一，PID 适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。PID参数自整定控制仪可选择外给定（或阀位）控制功能。可取代伺服放大器直接驱动执行机构（如阀门等）。PID外给定（或阀位）控制仪可自动跟随外部给定值（或阀位反馈值）进行控制输出（模拟量控制输出或继电器正转、反转控制输出）。可实现自动/手动无扰动切换。手动切换至自动时，采用逼近法计算，以实现手动/自动的平稳切换。PID外给定（或阀位）控制仪可同时显示测量信号及阀位反馈信号。PID光柱显示控制仪集数字仪表与模拟仪表于一体，可对测量值及控制目标值进行数字量显示（双LED数码显示），并同时对测量值及控制目标值进行相对模拟量显示（双光柱显示），显示方式为双LED数码显示+双光柱模拟量显示，使测量值的显示更为清晰直观。PID参数自整定控制仪可随意改变仪表的输入信号类型。采用最新无跳线技术，只需设定仪表内部参数，即可将仪表从一种输入信号改为另一种输入信号。PID参数自整定控制仪可选择带有一路模拟量控制输出（或开关量控制输出、继电器和可控硅正转、反转控制）及一路模拟量变送输出，可适用于各种测量控制场合。PID参数自整定控制仪支持多机通讯，具有多种标准串行双向通讯功能，可选择多种通讯方式，如RS-232、RS-485、RS-422等，通讯波特率3009600bps 仪表内部参数自由设定。可与各种带串行输入输出的设备（如电脑、可编程控制器、PLC等）进行通讯，构成管理系统。第三章 无刷直流电机驱动控制系统的设计驱动控制电路的功能是将霍尔位置传感器检测到的转子位置信号首先进行处理，然后按一定的逻辑代码输出，以此触发功率开关。因为驱动控制电路的导通顺序和转子转角同步，所以该控制电路起到了机械电刷和换向器的换向作用。因此，无刷直流电机就其基本结构而言，可以认为是由位置传感器、驱动控制电路以及永磁式同步电动机共同所组成的闭环系统。驱动控制电路由功率控制开关单元和位置传感器信号处理单元组成，用来控制电机定子上各相绕组通电时间和顺序。功率控制开关单元是控制电路的核心部分，它的作用是将电源的功率按一定逻辑关系分配给电机定子上的各相绕组，使电机产生连续不断的转矩。而各相绕组导通的时间和顺序则取决于位置传感器的信号。早期的无刷直流电机的换向器大多由晶闸管构成，但是其关断要通过反电动势或电流过零才能完成，并且由于晶闸管较低的开关频率，逆变器只能在较低的频率范围内工作。随着新型可关断全控型器件的不断发展，IGBT或功率MOSFET具有控制容易、可靠性高、开关频率高等诸多优点，故在中小功率的电动机驱动控制电路中应用较多。3.1 驱动电路设计3.1.1 无刷直流电机驱动系统的构成无刷直流电机驱动系统模块框图如图3-1所示，按功能大致可划分为以下几个部分：辅助电源、主功率电路、驱动隔离电路、调理及保护电路、DSP 数字控制电路、CPLD 逻辑综合电路。各部分既相互独立又互相依存，共同组成了无刷直流电机驱动系统。图3-1 无刷直流电机驱动系统硬件框图3.1.2 辅助电源电路本文所采用的辅助电源电路是基于78、79 系列稳压芯片的线性电路，其电路拓扑如图3-2 所示。图3-2 辅助电源电路图辅助电源为系统各部分控制电路正常工作提供可靠的电源；主功率电路同时承担了整流与逆变的任务，为电机的正常运转提供能量，同时取代了传统直流电机上的电刷，作为电机的电子换向器；驱动隔离电路将系统计算获得的驱动信号相互隔离出来，并将信号功率增强，以确保能够正常的开通或关断功率管，同时它还通过光