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1、直流无刷电机控制系统设计摘 要继有刷直流电动机发展后，无刷直流电机也相继有了发展。目前，尽管各种各样的直流电动机和交流电动机在工业传动应用中发挥了主导作用，但无刷直流电动机也正备受关注。随着这社会的不断发展、人们的生活水平不断提高，同时办公自动化、现代化生产、发展等关键设备也都慢慢走向高智能化、小型化和高效率化，电机作为执行元件的重要部分，需要具有效率高、速度快和精度高等等特点，因此直流无刷电机的应用得到了逐步的推广。本设计首先介绍了直流无刷电机国内外发展现状，然后研究了直流无刷电机的基本运行原理，再次建立了以AT89C51单片机为核心的硬件电路和软件流程图，最后在MATLAB中搭建仿真模型，
2、仿真结果验证了直流无刷电机控制系统的正确性。关键词：直流无刷电机；单片机；MATLAB第一章 绪论1.1 研究意义直流无刷电机是一种新型电机，由于它结合机电一体化，因此有高动态响应、高热容量、高效率和高可靠性等等诸多优势，而且长寿命、低噪声和低成本等方面也是其它的优势。从现阶段来看，随着不断地有新材料技术的出现，直流无刷电机的发展也因此获得了良好的契机。目前无刷电机的各方面的应用已经遍布各种各样的领域，办公自动化和工厂自动化等方面就比较的需要小功率直流无刷电机，例如家用电器或者是外设复印机等等。所以说，无刷电机目前正在快速地取代传统电机的地位。直流无刷电机集特种电机、变速结构、检测元件、控制软
3、件与硬件于一体，形成新一代伺服系统，体现了当今应用科学的许多最新成果，是机电一体化的高新技术产品。直流无刷电机集交流电机和直流电机优点于一体，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗。在电磁结构上和有刷直流电动机一样，不过无刷直流电动机的电枢绕组是处在定子上的，永久磁钢安装在转子上，采用多相形式的电枢绕组，在通过逆变器之后，然后连接到直流电源上面，定子方面利用了电子换向来替换传统电机的电刷和换向器，在各绕组依次通电后，跳跃式的旋转磁场会气隙中生成，同时与转子的主磁场相互作用，因此产生电磁转矩，和其它电机相比，直流无刷电
4、机具有高可靠性和高效率等优势，由于现阶段，随着具体性能的提高与价格的下降等优势的新型稀土永磁材料不断出现，这给永磁直流无刷电机在成本方面带来了下降，因此其优势将会越发的凸显出来。在一些发达的国家里，无刷直流电机逐步替代了有刷直流电机的地位而应用于工业自动化领域。现阶段，很少见到一些国外买进来的设备中会有以有刷直流电机作为执行系统的情况了，比如说美国、日本等的相关公司已经不再会去大幅度地生产有刷直流电动机。由上可知，相对于其它类型电动机来说，无刷直流电机还是一种新型电机，它的驱动、控制更是和电子技术息息相关，因此，对直流无刷电机本体及其控制方法进行系统、深入的研究有着十分重要的现实意义。1.2国
5、内外发展水平和研究情况1.2.1国内外发展水平在工农业生产的各个领域中，作为最早的电动机-有刷直流电动机得到了广泛的应用，它凭借着优良的调速性能，在应用调速理念的领域发挥了重要作用，可是有一个原因限制了它进一步的发展，那就是机械换相装置的存在。它的机械电刷和换向器由于始终不断地要进行强迫性接触，这将会带来可靠性差、火花、噪声等各种各样的棘手问题，会直接影响他的性能和调速的精度。随着科学技术的不断发展与创新，半导体技术、开关型晶体管的研发成功这些都给新型的无刷直流电动机的创造带来机遇。“直流无刷电机”的概念已有最初的具有电子换相器的直流电机发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
6、今，直流无刷电机集电机、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。直流无刷电机具有最优越的调速性能，主要表现在：调速方便(可无级调速)，调速范围宽，低速性能好(起动转矩大，起动电流小)，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。电力电子技术的进步对无刷直流电动机的发展来说具有一个很大的推动作用，在其发展的早期，当时处于初级发展阶段的大功率开关器件，不仅可靠性差，而且其价格昂贵，同时又受到驱动控制技术水平、永磁材料两方面的制约，这导致自发明以后的无刷直流电机在一段很长的时间内
7、，只能处于实验室研究阶段，没有办法得到应有的推广与发展，20世纪七十年代，伴随着电力电子工业的高速发展，各种新型的全控型半导体功率器件如春雨般出现在世人眼前，这为它后来广泛应用与发展奠定了基础。1978年，在当时的汉诺威贸易博览会上， MANNESMANN公司正式推出了 一种MAC无刷直流电动机及其驱动器，它的出现，在当时引起了世界各国的极大关注，随后，研发和生产无刷直流系统的热潮也在国际上喷涌而出，这也就标志着无刷直流电机正在逐步地走向实用阶段。在人们对无刷直流电机不断的了解基础上，无刷直流电机的理论也逐步进行了完善与改进。在1986年，当时H.R.Bolton对其作了全面而又系统的总结，在
8、总结中，他指出了无刷直流电动机的众多研究领域，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。无刷直流电机对与我国来说，对其研究的还是比较晚。1987年，联邦德国金属加工设备展览会在北京举办，当时BOSCH和SIEMENS两家公司相继展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，这在我们当时国内，引起了众多相关研究学者的关注，自此以后，国内也相继掀起了研发和技术引进的热潮。经过多年的不懈努力，目前，我们国内已研制出无刷直流电动机的一系列的产品。1.2.2 直流无刷电机的主要研究方向采用永久磁铁的直流无刷电机转子，气隙磁通保持在常值，因此它非常适用于恒转矩运行状态，但是对于恒功率运行状态，虽然直流无刷电机难以直接改变
9、磁通以此来进行弱磁控制，但是进行控制改进的改进也还是可以得到弱磁控制的效果。稀土永磁材料具有可产生很大的气隙磁通的优点，由于此，可以大大缩小转子的半径，同时也可以减小转子的转动惯量，因而，当伺服驱动系统要求具有非常良好的静态特性或者高动态响应的时候，直流无刷电机相比较于交流伺服电机和直流伺服电机就凸显出了它更多的优势。现阶段，直流无刷电机的发展已遍布全国的各个领域并且不断的加深，尤其是在家用电器、航空航天等重要领域已得到大量应用与发展。现阶段，直流无刷电机的研究主要在以下方面进行介绍：(1) 无机械式转子位置传感器控制作为整个驱动系统中最为脆弱的部件-转子位置传感器，不仅在成本和复杂性为系统增
10、加的负担，而且系统的抗干扰能力和可靠性也受到了下降，与此同时还要占据一定的空间位置等等。在很多的场合，比如说空调器或者是计算机外设等都要求以无转子位置传感器方式运行。无转子位置传感器运行本质上就是需要在不使用机械传感器的前提下，以电机的电流和电压信息来获取转子磁极的准确位置。目前来看，相对成熟的无转子位置传感器运行方式主要有：1 续流二极管电流通路检测法。目前的这些方法里面都或多或少的存在这各自的缺陷，不过依然在完整中； 2 反电动势法具体包括了直接反电动势法、间接反电动势法和派生反电动势积分法等等；3 定子三次谐波检测法；(2) 转矩脉动控制由于无刷直流电机具有转矩脉动等固有缺陷，尤其是在伴
11、随着转速的升高，或者换向的时候，转动脉动会产生加剧的现象，以至于导师平均转矩明显下降。因此，对于提高无刷直流电动机的性能方面来说，减小转矩脉动是一个重要方面。(3) 智能控制在运动控制研究领域当中，伴随着信息技术和控制理论的不断发展，先进的控制理论就是其中一个新的发展方向，特别是智能控制方面的应用。现阶段，模糊逻辑控制、专家系统和神经网络是其中三个最为重要的控制理论和方法。所谓的模糊控制，就是将一些成熟经验和规则有机地融入到所研究的传动控制策略当中去，目前，已经有很多方面得到了非常成功的应用。伴随着无刷直流电动机在各方面不断扩大的应用情形，可以预测智能控制技术将会受到众多学者更广泛的关注。2.
12、3 直流无刷电机的特点及应用保持着有刷直流电机的良好机械及控制特性的直流无刷电机，在电磁结构上和有刷直流电动机一样，不过无刷直流电动机的电枢绕组是处在定子上的，永久磁钢安装在转子上，采用多相形式的电枢绕组，在通过逆变器之后，然后连接到直流电源上面，定子方面利用了电子换向来替换传统电机的电刷和换向器，然后各相依次通电产生电流，定子磁场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，直流无刷电机由于取消了电机的滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了励磁损耗，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
13、定的铁损，和方波电流驱动相比，采用正弦波电流驱动铁损更小)。总而言之，排除轴承旋转产生磨损之外，其转子方面的损耗非常小，因而这将进一步增强了其可靠性。 由于不但拥有交流电动机结构简单、运行稳定、维护方便等诸多优点的无刷直流电动机，它还又具有运行效率高、无励磁损耗同时调速性能又好等优势，因此，故在现阶段社会发展的各个领域，比如仪表仪器、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。直流无刷电机的应用主要分为以下几类：1.定速驱动机械一般工业场合不需要调速的领域以往大多是采用三相或单相交流异步和同步电机。随着电力电子技术的进步，在功率不大于10KW且连续运行的情况下，为了减少体积，节省材料，提高效率
14、和降低能耗，越来越多的电机正被直流无刷电机逐步取代，这类应用有：自动门、电梯、水泵、风机等。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁电机外还要增加驱动器，因此目前较少有应用。2.调速驱动机械 速度需要任意设定和调节，但控制精度要求不高的调速系统分为两种：一种是开环调速系统，另一种是闭环调速系统(此时的速度反馈器件多采用低分辨率的脉冲编码器或交、直流测速等)。通常采用的电机主要有三种：直流电机、交流异步电机和直流无刷电机。这在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。 调速应用领域最初用得最多的是直流电机，随着交流调速技术特别是电力电子技术和控制技术
15、的发展，交流变频技术获得了广泛应用，它们很快都渗透到原有的直流调速系统的绝大多数营养研究领域当中。这些年来，各式各样的中小功率型交流变频系统正逐渐被直流无刷电机系统所替换，这正是由于直流无刷电机重量小、体积小和高效节能等诸多优势，尤其是在印刷机械、纺织机械等原先主要应用的是变频系统的领域，而对于某些直流电机应用领域，它们一直直接由电池来供电的，则更多的被直流无刷电机所代替。3.精密控制 在工业自动化领域中，伺报电动机高精度控制扮演了十分重要的角色，由于其各自的应用场合不太一样，因此其控制性能的要求当然也不尽相同了。在实际情况下，伺服电动机拥有这各式各样的控制形式如：电流控制、转矩控制、位置控制
16、和速度控制等等。具有良好的控制性能的无刷直流电机，它在高速、高精度定位系统中也慢慢的替换掉了直流电机与步进电机的地位，是首选的伺服电机之一。现阶段，对于扫描仪、医疗诊断CT、CD唱机驱动、数控车床驱动及计算机硬盘驱动等都大量应用直流无刷电机伺服系统用于精密控制。 4.其他应用 家用电器、大型同步电机启动等。1.3 文章结构本文的大致结构如下：第一章：主要介绍了直流无刷电机的发展现状，国内外发展水平和研究情况；直流无刷电机的主要研究方向，直流无刷电机的控制系统。第二章：简单的介绍了直流无刷电机的基本原理，研究直流无刷电机的换向准则，用图示的方法简单清晰明了。第三章：研究了直流无刷电机的控制系统，
17、介绍了开环和闭环的优缺点，介绍了数字控制芯片AT89C51的基本性能。第四章：对所研究的直流无刷电机建立了控制系统，建立速度外环电流内环的双闭环控制系统，仿真结果表明所搭建的控制系统可以快速稳定的跟踪速度参考给定值。第五章：对全文进行了总结以及未来发展展望。最后对有关人士表达了深深的谢意。第二章 直流无刷电机基本结构及原理2.1 直流无刷电机系统基本结构直流无刷电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。基于有刷直流电机改进的直流无刷电机，内部电枢绕组与功率开关器件相连，其驱动过程是通过内部主转子位置传感器的输出信号来完成的，使电枢绕组依次通电。在定子形成旋转磁场以驱动转子旋转
18、。随着转子的转动，位置传感器不断地输出具体位置信号，位置信号转换为电信号后通过控制芯片来改变电枢绕组的通电状态，电枢电流方向始终保持恒定不变，因此，整个直流无刷电机的换向过程过程完全属于无接触式。图2-1为直流无刷电机工作原理框图。图2-1 直流无刷电机工作原理框图2.1.1 电机本体电机本体的主要部件包括转子和定子。在满足足够磁通要求下，电枢绕组通过某一恒定电流产生一定的电磁转矩。其次在保证机械结构牢固和稳定情况下，传送该电磁转矩。（1）绕组：直流无刷电机常见的绕组形式包括整矩集中、整矩和短矩分布式三种。不同的绕组形式对电机的反电动势波形产生不同影响，甚至间接影响到电机本身的性能文献。整矩集
19、中绕组在同一个槽内分布每相绕组，其反电动势波形为各个导体的反电动势的叠加，具有为较好的梯形反电动势波形；短矩绕组优点是可以缩短绕组端接线，节约材料成本。主要用于消弱转矩谐波。（2）定子：电枢绕组可以Y型连接也可以三角形连接，铁芯内部绕组要求对称，且没有中性点引出。其中电枢绕组Y型连接应用相对较多。另外，与传统有刷直流电机的差别是无刷直流电机的电枢绕组处于定子侧，这将改善无刷直流电机的散热性能。（3） 转子：由一定极对数的永磁体镶嵌在铁心表面或者内部构成。与有刷直流电机中的永磁体在电机气隙中作用一样，都是要求形成足够大的磁场，差别仅在于位置布局上的不同，无刷电机的永磁体设于转子侧。2.1.2 位
20、置传感器位置传感器即检测直流无刷电机转子磁极的位置，将位置信号转换成电信号，经过运算处理控制定子绕组的换相，使电枢电流随着转子位置的不同进行同步换相，在一定气隙下产生旋转磁场，驱动转子不断续旋转。目前直流无刷电机的位置传感器主要包括电磁式、光电式、磁敏式等几个种类。直流无刷电机的控制系统中常采用霍尔位置传感器来检测转子的位置，它本身属于属于磁敏式的一种，具有体积小、方便使用以及廉价特性。本文采用反电动势过零检测的方法，改善了系统稳定性。2.2直流无刷电机工作原理无刷六流电动机的电机本体和控制器紧密结合，是典型的机电一体化器件。在永磁直流无刷电机中，电枢绕组安放于定子铁心中，是电磁感应的关键部件
21、之一。作为直流电机的能量转换通道的电枢绕组，其构成应满足电机要求产生足够大的感应电动势，并形成感应电流产生一定电磁转矩。其定子绕组采用三相星形对称接法。其转子附有永磁体用来检测转子的极性。位置传感器装设在电动机内部，通过检测磁极位置来确定定子绕组是否导通，产生不断续且稳定的电磁转矩以驱动电机转动。电机的驱动装置主要由功率电子器件和相关电路组成，控制电机启动、停止和制动的信息接受和动作过程；接受位置传感器用来控制和调整转速。下面以两相导通星形三相六状态永磁无刷直流电动机为例说明其工作原理，图2-2为其工作原理图 。图2-2直流无刷电机工作原理图2-3所示为定转子磁场旋转状态示意图，其工作原理分析
22、如下：（a）A、B两相导通 （b）A、C两相导通图2-3 定转子磁场旋转状态示意图首先，图2-3（a）所示转子位于A、B两相导通状态 ，此时定子的北极和转子磁动势同时指向绕组B，定子磁动势指向绕组C。电枢电流流通方向为绕组A流入绕组B绕组X流出。根据磁场的基本理论，定子和转子在磁场力的相互作用下促使转子发生旋转。同时驱动控制电路通过转子的位置传感器对位置信号进行翻译，产生驱动信号，此时VT1和VT6处于导通状态，使绕组A正向导通，绕组B反向导通。图2-3(a)所示磁动势Fm和定子合成磁动势Fa的空间位置，转子受永磁顺时针方向的电磁转矩的驱动进行顺时针旋转，电流路径为：电源正极 VT1管 A相绕
23、组 B相绕组 VT6管负极。 当转子经过600电角度顺时针旋转后，定转子旋转空间位置如图2-3(b)所示，此时A、C两相导通。转子经过转动后，位置传感器检测到其位置信号发生变化，经过译码电路完成翻译，产生新的驱动信号，此时VT1、VT2处于导通状态，绕组A正向导通，而绕组C反向导通。磁动势Fm和Fa空间位置如图2-3(b)所示，电机产生顺时针方向的电磁转矩，转子仍然沿顺时针方向转动，电枢电流路径为：电源正极 VT1管 A相绕组 C相绕组 VT2管负极。按照这个规律，可以知道转子每转过600电角度，其绕组导通状态都会变化一次，其导通顺序为：ABAC BCBACACBAB。 综上所述得知，电机转子
24、位置每发生变化，都伴随驱动控制电路检测和输出位置信号，再经过译码电路翻译后产生相应的驱动信号，以改变定子绕组的导通状态，让转子按原来方向继续转动。在两相导通星形三相六状态导通工作方式下，转子顺时针旋转的绕组导通顺序如表2-1所示，转子逆时针旋转的绕组导通顺序如表2-2所示。传统有刷直流电动机要实现反转，只需改变励磁磁场的极性或电枢电流就可以完成。虽然无刷直流电动机实现电机反转的原理与有刷直流电动机类似，但由于它不能通过简单的功率开关管的单向导电性，达到改变电源极性来实现反转的局限，无刷直流电机通常采用改变绕组的通电顺序方式来实现电机反转。如图2-2所示的三相六状态无刷直流电动机，假设要使电机顺
25、时针旋转，可通过转子位置传感器检测和接受转子位置，然后根据表2-1所示的各开关管导通顺序，进行相应导通和关断操作。反之，若要电机逆时针旋转，通过旋转变压器采样和收集转子位置信号，在根据表2-2所示的相应开关管导通顺序，对开关管进行导通和关断操作。表2-1： 转子顺时针旋转开关导通顺序及相电流状态顺序霍尔传感器导通开关相电流ABCABC1110VT1VT6正极负极断开2100VTIVT2正极断开负极3101VT3VT2断开正极负极4001VT3VT4负极正极断开5011VT5VT4负极断开正极6010VT5VT6断开负极正极表2-2： 转子逆时针旋转开关导通顺序及相电流状态顺序霍尔传感器导通开关
26、相电流ABCABC1011VT3VT4负极断开正极2001VT5VT4断开负极正极3101VT5VT6正极负极断开4100VT1VT6正极断开负极5110VT1VT2断开正极负极6010VT3VT2负极正极断开从运行过程看，定子绕组每隔600电角度换向一次，定子合成磁动势位置就改变一次，每相绕组何次导通1200电角度，且始终保持两相绕组导通，此工作方式称为两相导通的六状态运行方式。该方式中，每一状态持续600度电角度，在此期间，定子绕组合成磁动势空间位置固定不动，而永磁磁极连续旋转600电角度。定子磁动势为跳跃式旋转磁动势，使定转子磁动势之间的空间夹角周期性变化，导致电磁转矩的波动。第3章 直
27、流无刷电机硬件软件设计任何一个复杂系统稳定而可靠的工作几乎都离不开合理的硬件结构设计与良好的软件代码编写，系统的性能是由软硬件共同决定的。无刷电机调速系统的设计也同样包含硬件设计部分与软件编写部分，本章将着重阐述控制的直流无刷电机硬件设计。3.1 系统总体硬件结构本文所设计的直流无刷电机实时控制系统的硬件平台包括微控制器部分、功率驱动及逆变电路部分、检测电路部分、电源电路部分以及其他接口单元。为了增强系统的灵活性和对硬件资源的合理整合，实时控制系统硬件框图如图3-1所示。图3-1 系统硬件框图1）微控制器AT89C51：系统采用AT89C51单片机控对系统进行模拟采样、运算与控制等；2）驱动电
28、路IR2103：IR2103芯片国际整流器公司生产的控制芯片，这种芯片具有功率放大作用，可以将AT89C51单片机输出的信号进行功率放大，放大后再驱动逆变电路中的功率开关管工作；3）逆变电路：逆变电路拓扑采用三相桥式逆变电路，开关器件采用MOSFET即可，根据MOSFET上的开关时序，将直流电逆变成交流电，再给电机供电，从而达到对电机的控制目的。4）电流检测电路：电流检测一般采用霍尔元件实现，本系统采用的芯片为ACS712，该霍尔完成对系统电流的检测并送入单片机处理器处理。5）位置检测电路：一般情况下，电机会有自带的三相霍尔传感器，此系统选用的自带的三相霍尔传感器的电机，霍尔传感器检测电机转子
29、信号并送入单片机处理器处理；6）电源电路：输入市电电压，经变压器降压后整流经稳压管稳压产生四路独立的输出电压 +/-12V、5V 和 3.3V，给整个系统供电。3.2 微控制器AT89C51AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位单片机处理器。AT89C51采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，使它成为 一种高效微控制器。AT89C51单片机
30、为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。这种单片机应用于各种控制领域1。 AT89C51的主要性能参数：1）与MCS-51 兼容； 2）4K字节可编程FLASH存储器；3）寿命：1000写/擦循环； 4）数据保留时间：10年； 5）全静态工作：0Hz-24MHz； 6）三级程序存储器锁定； 7）1288位内部RAM； 8）32可编程I/O线； 9）两个16位定时器/计数器；10）5个中断源；11）可编程串行通道；12）低功耗的闲置和掉电模式；13）片内振荡器和时钟电路；特性概述：AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两
31、个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内同，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作指导下一个硬件复位。AT89C51引脚图如图3-2所示。图3-2 AT89C51芯片引脚图3.3逆变电路图3-3逆变器主电路逆变器是将直流电转换成交流电然后再向电机供电，采用三相桥式全控逆变电路，其主电路如图3-3所示，功率开关器件采用功率MOSFET。与一般逆变器不同，它的输
32、出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。3.2.1 功率MOSFET近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升，除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上，也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用MOSFET来实现。MOSFET是英文（MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor）的缩写，译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。 MOSFET是由金属、二氧化硅
33、或氮化硅与半导体制成的半导体器件。 N沟道增强型MOSFET的结构图如图3-4所示，MOSFET底部为一块P型硅半导体材料(图3-4a)，第二层设置了两个N型区(图3-4b)，第三层扩散了二氧化硅绝缘层(图3-4c)，由N区上方采用一定的方法引出两个孔，然后用一定的方法分别在绝缘层上及两个孔内引出了三个电极：G(栅极)、S(源极)和D(漏极)，最后做成如(图3-4d)所示的样子。 图3-4功率MOSFET的结构图从图3-4中可以看出MOSFET的G极与D极和S极是相互绝缘的，D极与S极之间有两个PN结。一般情况下，MOSFET的衬底与源极在内部连接在一起。为了改善某些参数的特性，比如提高MOS
34、FET的工作电流、工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等，厂家制成不同的结构及工艺，比如现有的VMOS、DMOS、TMOS等结构。根据MOSFET结构及工作特性，本系统选择的开关器件为功率MOSFET，3.2.2 全桥逆变电路的设计本系统采用三相桥式全控逆变电路，拓扑结构如图3-1所示，在电路图设计中，六个功率开关器件选用国际整流公司的IRF3205型功率MOSFET,如图3-5a)所示。这种器件为N沟道型MOSFET。其特点是导通内阻小，这样通态损耗低，耐压55V，额定电流110A，因此适用于低压大电流的功率变换场合。硬件电路设计图如图3-5所示。QB1、QB3、QB5三个IRF3205作为
35、上桥臂，另外QB2、QB4、QB6为下臂。六个IRF3205通过驱动电路给予的驱动信号控制其导通与关断，在驱动过程为了避免上下管直通导致短路，驱动信号间设置有一定的死区时间，另外，为了减小IRF3205管发热，提高整体效率，必须为IRF3205管提供足够的驱动能力，另外，每个IRF3205上接有两个电阻，比如QB1上，RB1是驱动电阻，RB2为给功率开关管IRF3205结电容提供放电回路的放电电阻。a) IRF3205图3-5b)三相全桥硬件电路图另外，在图3-5b)下桥臂三个IRF3205功率放开关管QI的源极下面反接了一个IRF3205功率开关管，这样做目的是为了防止电源正负极反接对电机造
36、成损坏。如果输入电源反接，QI管则关断，系统没有回路，电流无法流通，这样就能够起到电源反接保护的作用。3.3驱动电路前面提到六个IRF3205管都需要一定的驱动信号还能工作，而单片机的信号功率微弱，中间必须加功率放大环节，在本系统中，采用专门的全桥电路驱动芯片IR2103来驱动三相桥式变换器，IR2103的输出电压10-20V, 这款芯片自带自举电路驱动功能，专门为全桥电路上下功率管提供驱动，外围电路相对简单，不用为全桥中的上管提供专门的隔离驱动电源。采用自举驱动方法可降低生产成本，提高电路可靠性。图3-6为IR2103驱动芯片引脚图及其输入/输出状态。图3-6 IR2103引脚及其输入/输出
37、状态图图3-7 IR2103原理图IR2103采用自带的自举电路，其工作原理图如图3-7所示。图3-7中电容C、二极管VD分别为自举电容和自举二极管。自举电路的工作过程2为：与桥臂上功率开关管Q1的源极和下功率开关管Q2的漏极与自举电容C的负极连接，当桥臂下功率开关管Q2驱驱动导通时，由于IR2103管的内阻很小，其压降小，可忽略不计，此时VS点电压可近视为零；这个时间段，供电电源VCC可通过自举二极管VD向自举电容C充电。当桥臂下功率开关管Q2截止后，自举电容C两端屯压保持不变，接下来在桥臂上管驱动导通的时候，C通过驱动芯片内MOSFET管QV1向外总功率开关管栅极放电，桥臂上管驱动信号导通
38、后，由于IR2103管的内阻很小，压降小，电源母线电压与VS点相连，自举电容C的正极电压为母线电压与电源电压VCC两者之和,二极管VD的反向作用截止，电容C无法放电，因此上桥臂管驱动信号保持不变。当上桥臂管驱动截止时，电容C通过驱动芯片内MOSFET管QV2放电，Q1截止。在两路互补的PWM信号驱动下，驱动信号按上述方式完成了对桥臂中的上下功率MOSFET管的驱动。功率MOSFET管驱动电路图如图3-8所示。图3-8功率MOSFET管驱动电路图3.4电流检测电路为了对变换器进行时实控制，就必须把变换器的时时工作状态反映到控制电路中，以供控制电路处理并调整，这就必须引入对主电路的信号采样。电流采
39、样的方法有电流互感器、霍尔元件和直接电阻采样。采用霍尔元件取样,控制和主功率电路有隔离,可以检出直流信号,信号还原性好, 但有s级的延迟,并且价格比较贵;采用电阻取样价格非常便宜,信号还原性好,但是控制电路和主功率电路不隔离,功耗比较大。而电流互感器采样具有能耗小、频带宽、信号还原性好价格便宜、控制和主功率电路隔离等诸多优点本次设计中，主要采用电流互感器对系统电流信号采样，电流互感器选用LEM公司生产的ACS712型号的高速电流互感器，ACS712 可为工业、商业和通信系统中的交流或直流电流感测提供经济实惠且精确的解决方案。该器件封装便于客户轻松实施。典型应用包括电动机控制、载荷检测和管理、开
40、关式电源和过电流故障保护3。ACS712型号工作电压为12，输出电流为-5A+5A，最大误差1.5%检测频率可以到200KHz。因此完全符合我们的设计要求。采用三个 ACS712 分别测量三相的相电流，将其送入AT89C51，经过 ADC 读入微控制器，完成对三相电流的检测和处理形成电流闭环。其电路图如图3-9所示。图3-9电流检测电路3.5位置检测电路 系统的位置检测电路如图3-10所示，由于AT89C51芯片高电平对应的电压为3.3V，因此本设计中采用分压电阻分压的方式使得输入AT89C51芯片的I/O口为3.3V。电机有三路霍尔信号，将其分别送到AT89C51的3个I/O 口 PCO、P
41、C1、PC2中，AT89C51芯片会根据输入3路的霍尔信号，进行软件编程设置对应的PWM波时序。图3-10 位置检测电路3.6电源电路系统的供电电源部分结构框图如图3-11所示，将电网侧的220V交流电经过变压器降压，整流，滤波及稳压后给系统供电。实际系统中，变压器采用副边12V双端输出的变压器，整流电路采用4个IN4001整流二极管进行桥式不可控制整流后，进过35V，1000uF大电容进行滤波，然后分别进过LM7812、LM7912和LM7805产生三种直流电给系统供电，详细电路如图3-12a)、3-12b)所示，其中图3-12b)为单片机AT89C51的供电电源，采用LM1117MP-3.
42、3电源芯片将5V电压转换成功经验3.3 V给AT89C51供电。图中Lamp,LED为电源指示灯。 图3-11 直流稳压框图a) b) 图3-12 电源电路图3.7 系统软件设计3.7.1 主程序流程图设计主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，经过调节器之后产生PWM脉冲进而控制电机的转速。其程序流程图如图3-13所示。图3-13直流无刷电机主程序3.7.2 ADC中断流程图设计ADC中断子程序的框图和换相子程序流程图，如图3-14所示。在ADC中断子程序中，主要进行读ADC转换结果、电流调节、中性点电压计算、延迟时间计算、感
43、应电动势符号判别和换向准备的操作，另外在磁定位过程中，根据电流调节的结果更新PWM占空比、磁定位结束后的判别操作。换相子程序则检测直流无刷电机转子的位置，当经过扇区的分界线时，产生中断，告知主程序即将换相，为产生正确的PWM做好准备。图3-14 ADC中断子程序流程图图3-15换相子程序框图第四章 直流无刷电机MATLAB仿真4.1 MATLAB/Simulink的介绍4.1.1 MATLAB的简介MATLAB是矩阵+实验室（Matrix Laboratory）的简称，它是美国MathWorks公司于1984年开始出品的一种软件，在各个行业算法的开发、数据结构和数据分析可视化、数据处理以及数值
44、科学计算等都有很高的计算能力与处理能力。MATLAB主要包括仿真和链接两大部分；MATLAB最主要的特点可以概况如下：(1)具有优秀的友好的工作运行平台与程序编写的环境；(2)具有简单易懂且易用的，符合人们思维的程序语言；(3)具有强大的矩阵科学计算功能和强大的数据处理能力；(4)具有优秀的图形显示和处理功能；(5)具有应用广泛的，各个专业模块集合的工具箱simulink；(6)具有与其它程序接口的能力和处理发布平台的能力；(7)具有应用软件的设计和开发能力，与C语言兼容的能力。4.1.2 Simulink的功能与特点Simulink是MATLAB中一个重要的工具箱，是MathWorks公司开
45、发的具有连续和离散功能的，可以用于静态计算和动态仿真的，同时也具有通信接口能力的仿真工具箱。同时，Simulink是MATLAB中的一种基于视觉化的仿真工具箱，里面包含了很多行业可以用到的模块，同时也为用户提供了相应的S函数模块，给用户自定义相应功能带来了很大的好处，不仅可以实现动态系统数学模块的建立、仿真计算和分析处理等，也可以实现线性系统控制与分析、非线性系统控制与分析、数字系统控制与分析及数字信号处理与分析中，具有强大的功能。目前还没有相关软件在矩阵计算、数据处理等方面超过MATLAB，本文正是在MATLAB/Simulink中搭建了直流无刷电机的仿真模型。4.2 直流无刷电机仿真在MA
46、TLAB中搭建直流无刷电机的仿真模型，图4-1为电子电压和电流的波形。图4-2为定子A相电流、电机转速和电机转矩的仿真波形，从图中可以看出来，直流无刷电机能够跟踪参考给定转速，当参考转速发生变化时，实际电机的转速也会发生变化，而且电机的转矩同样也会变化，这说明仿真是正确的。图4-1 直流无刷电机定子电压电流波形图4-2 直流无刷电机仿真波形4.3 直流无刷电机仿真图图4-3、图4-4和图4-5给出了直流无刷电机在MATLAB中的仿真图。图4-3 速度控制框图图4-4 仿真封装内部图图4-5 仿真封装外部图第五章 总结与展望5.1 总结本文仿真结果表明：波形符合理论分析，系统能平稳运行，具有较好
47、的静、动态特性。同时，该模型提供的各仿真模块具有通用性。因此，它为分析和设计直流无刷电机控制系统提供了有效手段和工具，也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。5.2 展望本文虽然完成了初步的工作，但是在很多方面尚未深入探索，很多问题尚未解决。由于系统设计内容繁多、工作量大和时间限制，本文仅对直流无刷电机的控制系统进行了一些基本的研究。而且个人能力有限、实践经验缺乏，在工作中也在所难免存在很多不足之处。针对直流无刷电机控制系统的特点以及发展趋势，为进一步改进和完善工作，本人还将继续研究。致 谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。感谢我的导师*老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、