1、 南 陽(yáng) 理 工 學(xué) 院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 學(xué) 院 ： 電子與電氣工程學(xué)院專 業(yè) ： 電子信息工程學(xué) 生 ： 指導(dǎo)教師 ： 薛曉 完成日期 2014 年 5 月南陽(yáng)理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）直流無(wú)刷電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation總 計(jì)： 21 頁(yè)表 格： 2 個(gè)插 圖： 27 幅 南 陽(yáng) 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)Design of Brushless DC Motor Controller and Implementati

2、on 學(xué) 院（系）： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師（職稱）： 薛曉（講師） 評(píng) 閱 教 師： 完 成 日 期： 南陽(yáng)理工學(xué)院 Nanyang Institute of Technology直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電子信息工程專業(yè) 摘 要 直流無(wú)刷無(wú)感直流電機(jī)具有體積小、調(diào)速性能好、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前在很多領(lǐng)域得到了的應(yīng)用。本課題設(shè)計(jì)的是無(wú)刷無(wú)感直流電機(jī)的控制，包括無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)和無(wú)刷無(wú)感直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)學(xué)模型等理論進(jìn)行了分析和論述，為直流電機(jī)的控制提供理論依據(jù)。用matlab guide設(shè)

3、計(jì)了上位機(jī)界面來(lái)進(jìn)行PID參數(shù)的整定。本課題設(shè)計(jì)了直流無(wú)刷電機(jī)的控制系統(tǒng)并進(jìn)行了調(diào)試。用STM32進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)可以很好的檢測(cè)電機(jī)的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，進(jìn)而保證電機(jī)的正確換相和穩(wěn)定運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)可以控制無(wú)刷無(wú)感直流電機(jī)順利啟動(dòng)，并通過(guò)滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。關(guān)鍵詞 無(wú)刷直流電機(jī)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；換相；反電勢(shì)Design of Brushless DC Motor Controller and ImplementationElectronic Information Engineering Specialty Abstract: The brushless DC motors

4、 have the advantage of small,good debugging performance,low weight,and high efficiency. So it has been widely used now. And this restricts the industrial drive applications,After the attachment with sensorless control. This paper mainly reserches the sensorless control technology for BLDCM,designs a

5、nd control BLDCM without position sensor. I use MATLAB guide to debug PID parameter.designing a controller of brushless DC motor and do some experiments for this control system. I use the STM32 MCU as the core microprocessor of hardware system.The results of the experiment show that the rotor positi

6、on detection system can perfectly detect the location of back-EMF zero-crossing signal,and ensuring the correct motor commutation and stable operation.The whole control system can control the brushless DC motor stating smoothly,and use the Sliding rheostat to achieve speed control. Key words：Brushle

7、ss dc motor； motor drive；commutation; back-emf目 錄1 引言11.1 題目綜述11.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況11.3 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容12 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)方案22.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)22.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖的設(shè)計(jì)22.3硬件系統(tǒng)方案論證32.3.1 控制器芯片選型32.3.2 無(wú)刷直流電機(jī)的選型32.3.3驅(qū)動(dòng)電路的選型42.3.4位置檢測(cè)器件選型43控制系統(tǒng)的工作原理和硬件設(shè)計(jì)53.1直流無(wú)刷電機(jī)的工作原理53.2無(wú)刷電機(jī)的反電勢(shì)法位置檢測(cè)原理63.3電源模塊63.4 MCU控制模塊73.5 IPM功率模塊83.6反電勢(shì)位置檢測(cè)模塊103.7 隔

8、離電路設(shè)計(jì)103.8 速度改變電路設(shè)計(jì)114 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)114.1軟件總體設(shè)計(jì)114.2軟件總體設(shè)計(jì)流程圖124.3無(wú)刷無(wú)感直流電機(jī)開(kāi)環(huán)啟動(dòng)模塊124.4無(wú)刷直流電機(jī)位置檢測(cè)及電機(jī)轉(zhuǎn)速模塊134.5 AD采樣改變PWM占空比模塊144.6 PID計(jì)算模塊144.7 matlab gui 串行通信界面設(shè)計(jì)155直流無(wú)刷無(wú)感電機(jī)測(cè)試結(jié)果及結(jié)果分析165.1 H_PWM_L_PWM的波形165.2端電壓對(duì)地波形165.3位置檢測(cè)波形175.4電流波形175.5實(shí)物圖18結(jié)束語(yǔ)19參考文獻(xiàn)20致謝211 引言1.1 題目綜述 直流無(wú)刷電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它不僅保留了有刷直流電機(jī)良

9、好的調(diào)試性能，而且還克服了有刷直流電機(jī)機(jī)械換相帶來(lái)的火花、噪聲、無(wú)線電干擾、壽命短及制造成本高和維修困難等等的缺點(diǎn)。與其它種類的電機(jī)相比它具有鮮明的特征：低噪聲、體積小、散熱性能好、調(diào)試性能好、控制靈活、高效率、長(zhǎng)壽命等一系列優(yōu)點(diǎn)。基于這么多的優(yōu)點(diǎn)無(wú)刷直流電機(jī)有了廣泛的應(yīng)用。比如電動(dòng)汽車(chē)的核心驅(qū)動(dòng)部件、電動(dòng)車(chē)門(mén)、汽車(chē)空調(diào)、雨刮刷、安全氣囊；家用電器中的DVD、VCD、空調(diào)和冰箱的壓縮機(jī)、洗衣機(jī)；辦公領(lǐng)域的傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、碎紙機(jī)等；工業(yè)領(lǐng)域的紡織機(jī)械、醫(yī)療、印刷機(jī)和數(shù)控機(jī)床等行業(yè)；水下機(jī)器人等等諸多應(yīng)用1。1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況目前，國(guó)內(nèi)無(wú)刷直流電機(jī)的控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，我國(guó)已經(jīng)制定了GJB1

10、863無(wú)刷直流電機(jī)通用規(guī)范。外國(guó)的一些技術(shù)和中國(guó)的一些技術(shù)大體相當(dāng)，美國(guó)和日本的相對(duì)比較先進(jìn)。當(dāng)新型功率半導(dǎo)體器件：GTR、MOSFET、IGBT等的出現(xiàn)，以及釹鐵硼、釤鈷等高性能永磁材料的出現(xiàn)，都為直流電機(jī)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。近些年來(lái)，計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)快速發(fā)展。單片機(jī)、DSP、FPGA、CPLD等控制器被應(yīng)用到了直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，一些先進(jìn)控制技術(shù)也同時(shí)被應(yīng)用了到無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，這些發(fā)展都為直流電機(jī)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展，我國(guó)對(duì)無(wú)刷電機(jī)的控制已經(jīng)有了很大的提高，但是與國(guó)外的技術(shù)相比還是相差很遠(yuǎn)，需要繼續(xù)努力。所以對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究學(xué)習(xí)仍是國(guó)內(nèi)的重要研

11、究?jī)?nèi)容2。1.3 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本文以永磁方波無(wú)刷直流電機(jī)為控制對(duì)象，主要學(xué)習(xí)了電機(jī)的位置檢測(cè)技術(shù)、電機(jī)的啟動(dòng)方法、調(diào)速控制策略等。選定合適的方案，設(shè)計(jì)硬件電路并編寫(xiě)程序調(diào)試，最終設(shè)計(jì)了一套無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。本課題涉及的技術(shù)概括如下：（1）學(xué)習(xí)直流無(wú)刷電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)學(xué)模型等是學(xué)習(xí)電機(jī)的前提和首要內(nèi)容。（2）直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)，我選用最常用的反電勢(shì)檢測(cè)技術(shù)，本文分析了反電勢(shì)法的原理，并設(shè)計(jì)了反電勢(shì)的硬件實(shí)電路，進(jìn)行了焊接與調(diào)試。（3）由于無(wú)刷直流電機(jī)在靜止或者轉(zhuǎn)速很低的時(shí)候，其產(chǎn)生的反電勢(shì)為零或者很小很不容易檢測(cè)到，因此直流無(wú)刷電機(jī)的啟動(dòng)是一個(gè)難點(diǎn)

12、。（4）分析了速度換的單閉環(huán)控制策略，并用matlab guide設(shè)計(jì)了上位機(jī)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的實(shí)時(shí)整定。（5）在確定無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件總體方案時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)比選擇STM32芯片，選智能功率模塊FSBB30CH60C為驅(qū)動(dòng)芯片，并設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路、反電勢(shì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路及電流電壓采樣電路等。（6）最后對(duì)整套控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)試，包括軟、硬件的調(diào)試，并對(duì)調(diào)試結(jié)果進(jìn)行了分析。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)直流無(wú)刷電機(jī)因?yàn)檎{(diào)試性能好、低噪聲、體積小、控制靈活、高效率、散熱性能好、壽命長(zhǎng)等一系列的優(yōu)點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：（1）能夠驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)并有電路保

13、護(hù)以免器件燒壞。（2）能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)到直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。（3）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)和停止的控制。（4）能夠通過(guò)滑動(dòng)變阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電機(jī)的無(wú)極調(diào)速。（5）電路具有電流、電壓保護(hù)，以免對(duì)電路產(chǎn)生不良影響。2.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖的設(shè)計(jì)直流無(wú)刷無(wú)感電機(jī)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能：能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的檢測(cè)到無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、能夠用三段式技術(shù)使電機(jī)能夠很好的啟動(dòng)、PID調(diào)節(jié)技術(shù)、速度環(huán)的控制、電壓保護(hù)、電流保護(hù)等主要關(guān)鍵的控制技術(shù)。電機(jī)調(diào)速原理框圖如下圖1所示。圖1 電機(jī)調(diào)速原理框圖2.3硬件系統(tǒng)方案論證為了能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)、無(wú)極調(diào)速等一系列的優(yōu)點(diǎn)，需要選擇合適的元器件來(lái)滿

14、足本課題設(shè)計(jì)的需求。2.3.1 控制器芯片選型對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)控制所用微處理器的選型要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：（1） 微處理器的運(yùn)行頻率和運(yùn)算速度得滿足控制系統(tǒng)要求 （2）微處理器片內(nèi)資源是否足夠，主要是I/O口的數(shù)量和電平兼容性、A/D路數(shù)及位數(shù)。（3）微處理器的體積、工作溫度等是否滿足系統(tǒng)要求。（4）微處理器的可靠性、生產(chǎn)廠商、數(shù)量和價(jià)格、上市時(shí)間等因素也需要考慮，這關(guān)系到產(chǎn)品的后續(xù)更新?lián)Q代，以及采用該處理器開(kāi)發(fā)的難易程度。基于ARM Corte-M3內(nèi)核32位單片機(jī)STM32，時(shí)鐘頻率最大可達(dá)72MHZ，在數(shù)字處理上經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，所以本設(shè)計(jì)選用STM32F103ZET6單片機(jī)。2.3.2 無(wú)刷

15、直流電機(jī)的選型在選用直流無(wú)刷電機(jī)的時(shí)候，必須根據(jù)它的參數(shù)來(lái)判斷其驅(qū)動(dòng)電路，無(wú)刷電機(jī)的參數(shù)如表1所示： 表1 無(wú)刷直流電機(jī)的參數(shù)外轉(zhuǎn)無(wú)刷電機(jī)KV最大效率電流無(wú)負(fù)載流/10v最大電流最大效率y軸徑（mm）重量電阻尺寸（mm）A2212/13KV1000410A0.5A12A/60s80%3.1747g90m27.5*30新西達(dá)無(wú)刷電機(jī)/2212KV1000 如圖2。圖2 直流無(wú)刷電機(jī)2.3.3驅(qū)動(dòng)電路的選型智能功率模塊選擇的是FSBB30CH60C，它把驅(qū)動(dòng)電路和開(kāi)關(guān)電路集成在了一起，內(nèi)部有欠壓、過(guò)壓、過(guò)流故障檢測(cè)電路，CPU可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)。還包括三個(gè)HVIC、一個(gè)LVIC(門(mén)極驅(qū)動(dòng)低壓集成電

16、路)、六個(gè)先進(jìn)技術(shù)的IGBT、六個(gè)FRD。智能功率模塊的元器件圖如圖3所示。圖3 智能功率模塊2.3.4位置檢測(cè)器件選型反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)原理是模擬中性點(diǎn)和端電壓的值相等得到，由STM32端口和連接霍爾傳感器接口的關(guān)系，需用三路比較電路，LM339N由四路比較電路組成，可選用LM339N 比較電路實(shí)現(xiàn)。LM339N內(nèi)部框圖如圖4所示：圖4 比較器LM339N 3控制系統(tǒng)的工作原理和硬件設(shè)計(jì)3.1直流無(wú)刷電機(jī)的工作原理 本設(shè)計(jì)選用的電機(jī)類型為三相星型連接。控制器產(chǎn)生六路PWM波控制驅(qū)動(dòng)電路，位置檢測(cè)用的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)技術(shù)。工作原理如圖5所示。圖5 直流電機(jī)工作原理圖在圖5中，當(dāng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)到（a）時(shí)

17、，反電勢(shì)過(guò)零信號(hào)延時(shí)30°電角度后，輸出的信號(hào)送往單片機(jī)，單片機(jī)輸出信號(hào)讓T1、T6 導(dǎo)通。這時(shí)電流從電源正極流出，經(jīng)T1流往A相繞組，再由B相繞組流出，經(jīng)T6回到電源的負(fù)極，此時(shí)由于定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，即到（b）時(shí)，反電勢(shì)過(guò)零信號(hào)延時(shí)30°電角度后，輸出的信號(hào)送往單片機(jī)，單片機(jī)讓T1、T2導(dǎo)通，這時(shí)電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流往A相繞組，再由C相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負(fù)極。此時(shí)由于定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣按照這個(gè)方式，電機(jī)可以順利的轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。電機(jī)有六種磁狀態(tài)，每種狀態(tài)導(dǎo)通120度，每

18、次由兩相導(dǎo)通，無(wú)刷電機(jī)就是兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)的工作方式3。3.2無(wú)刷電機(jī)的反電勢(shì)法位置檢測(cè)原理觀察轉(zhuǎn)子位置和反電勢(shì)之間的關(guān)系如圖6所示，轉(zhuǎn)子狀態(tài)由a)變?yōu)閎)過(guò)程中反電勢(shì)波形和轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系，反電勢(shì)波形為B相繞組的反電勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)子由a）初始狀態(tài)轉(zhuǎn)過(guò)30°電角度時(shí)，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)方向正好和B相繞組軸線重合，不切割B相繞組導(dǎo)線，此時(shí)B相繞組的反電勢(shì)正好為零。由圖可知，由b)到c)要進(jìn)行換相動(dòng)作，因此可利用反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)確定轉(zhuǎn)子的位置，進(jìn)而控制電機(jī)的換相，這就是直流無(wú)刷無(wú)感電機(jī)反電勢(shì)檢測(cè)及控制換相的原理4。 圖6 電機(jī)反電勢(shì)位置檢測(cè)圖3.3電源模塊 由于STM32F103所需供電電壓是3.

19、3V，圖7是把5V轉(zhuǎn)換成3.3V電壓的電路。圖7 STM32103的供電電源3.4 MCU控制模塊MCU主控電路是整個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)控制逆變器六個(gè)橋臂的通斷、采集電壓、采集電流、檢測(cè)直流無(wú)刷無(wú)感電機(jī)的位置（電機(jī)的反電勢(shì)檢測(cè)）、PID的運(yùn)算、無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)的控制、JTAG調(diào)試下載等。STM32最小系統(tǒng)由STM32F103芯片、復(fù)位電路、晶振電路和JTAG接口電路組成（1）STM32F103芯片電路如圖8所示： 圖8 STM32芯片（2）復(fù)位電路和晶振電路 STM32有兩個(gè)外部晶振電路和兩個(gè)內(nèi)部晶振電路。兩個(gè)內(nèi)部晶振電路需要程序配置編程即可，但外部的晶振電路需要晶振電路元器

20、件搭建而成。如圖所示的32.768K和8M的晶振電路。 晶振和復(fù)位電路如圖9所示。 圖9 晶振和復(fù)位電路（3）JTAG接口電路JTAG接口電路實(shí)現(xiàn)了程序下載及程序的在線調(diào)試仿真，使用它可以方便調(diào)試程序，縮短了開(kāi)發(fā)周期。由于STM32F103ZET6的JTAG輸入引腳內(nèi)部嵌入了上拉或下拉電阻，因而可以直接連接電路到芯片相應(yīng)引腳。JTAG接口電路如圖10所示。圖10 JTAG 接口電路（4）USB接口電路 這里的USB單純的是供電用的。如圖11所示：圖11 USB接口電路3.5 IPM功率模塊（1）MUC-IPM驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口電路FSBB30CH60C內(nèi)置HVIC，無(wú)需光耦就可以用MCU驅(qū)動(dòng)IPM的

21、六個(gè)橋臂。STM32的高級(jí)定時(shí)器TIM1功能強(qiáng)大，利用COM事件控制產(chǎn)生6路H_PWM_L_PWM的換相。這6個(gè)控制橋臂引腳要和STM32的PE8、PE9、PE10、PE11、PE12、PE13、PE15相連。驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口電路如圖12所示。圖12 MUC-IPM驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口電路（2）短路電流保護(hù)電路 IPM具有內(nèi)置短路電流保護(hù)的功能，要在芯片引腳Csc上外加一個(gè)分流電阻。IPM檢測(cè)Csc管腳的電壓，當(dāng)電壓超過(guò)模塊指定的Vsc（0.5V）時(shí)，IPM產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)IPM通過(guò)電阻R16來(lái)檢測(cè)N惻電流環(huán)節(jié)的線路電流，這里設(shè)定瞬時(shí)電流保護(hù)值為30A，檢測(cè)電阻R16選取阻值為10m，功率為10W的無(wú)感電

22、阻。R32、C40構(gòu)成濾波電路。另外檢測(cè)電阻R16需要并聯(lián)一個(gè)小電容，作用是消除上電瞬時(shí)大電流導(dǎo)致的電流保護(hù)誤動(dòng)作。（3）故障輸出報(bào)警電路C38為0.22uf的高頻無(wú)感電容，作用是防止浪涌電流破壞，Vof是IPM故障輸出報(bào)警引腳。TIM1_BKIN引腳是剎車(chē)功能引腳，和此處的Vfo引腳相連，在IPM出現(xiàn)故障時(shí)通過(guò)此腳輸出低電平到STM32,配合TIM1剎車(chē)功能可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)功能。所加的電容C18是用來(lái)消除噪聲干擾，確保出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)報(bào)警。故障輸出信號(hào)脈寬是有引腳Cfod的外接電容C24決定的，具體計(jì)算公式是t=C24/()，這里通常選取C24為33nF,此時(shí)t=1.8ms。3.6反電勢(shì)位置檢

23、測(cè)模塊反電勢(shì)位置檢測(cè)電路如圖13所示。這里選用響應(yīng)時(shí)間為1.3us的LM339芯片。定子三相繞組端電壓A、B、C經(jīng)濾波和分壓電路，送到比較器LM339N的輸入端，與參考電壓比較，獲得各相反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)延時(shí)30°電角度后的信號(hào)用于電機(jī)的換相，進(jìn)而去控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。圖13 反電勢(shì)位置檢測(cè)電路圖3.7 隔離電路設(shè)計(jì)為了提高系統(tǒng)安全性，采用光耦設(shè)計(jì)隔離電路，這里選用BL817如下圖14所示。圖14 光耦電路在選用光耦時(shí)要注意兩點(diǎn)：第一是光耦的開(kāi)關(guān)速度是否滿足系統(tǒng)的要求。第二是光耦的信號(hào)驅(qū)動(dòng)類型。由于這里的位置檢測(cè)接入的單片機(jī)端口是TIM2_CH1、TIM2_CH2、TIM2_C

24、H3通道。由于反電勢(shì)經(jīng)過(guò)比較電路以后，可能會(huì)有大于單片機(jī)所能承受的電壓，所以最好用隔離電路來(lái)保護(hù)單片機(jī)。這里選用三片BL817來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的功能。 3.8 速度改變電路設(shè)計(jì)速度改變電路選用的是滑動(dòng)變阻器，通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器的阻值從而改變AD的輸入值，并通過(guò)與反饋回的電機(jī)速度他們之間的關(guān)系，通過(guò)PID整定后的輸出來(lái)控制PWM的占空比進(jìn)而達(dá)到改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的功能。速度改變電路如圖15所示。 圖15 速度改變電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件總體設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的BLDCM控制器的特點(diǎn)是控制系統(tǒng)的軟件化，系統(tǒng)的許多功能都是在硬件的基礎(chǔ)上依靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它們包括：無(wú)位置傳感器下的三段式啟動(dòng)；基于STM32高

25、級(jí)定時(shí)器的三相六路互補(bǔ)的PWM輸出；依賴無(wú)位置檢測(cè)電路反電勢(shì)檢測(cè)后的電機(jī)換相；利用STM32的AD來(lái)轉(zhuǎn)換計(jì)算采樣電壓值；電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算；電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)等。軟件的可靠性將直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括直流無(wú)刷電機(jī)的啟動(dòng)、PWM換相，轉(zhuǎn)子速度的計(jì)算，PID算法的實(shí)現(xiàn)等，軟件的結(jié)構(gòu)圖如圖16所示：圖16 軟件的總體框圖架構(gòu)4.2軟件總體設(shè)計(jì)流程圖 這部分是直流無(wú)刷無(wú)感電機(jī)的總體流程框圖，是總體程序的大體結(jié)構(gòu)模式，如圖17所示。 圖17 軟件總體流程圖4.3無(wú)刷無(wú)感直流電機(jī)開(kāi)環(huán)啟動(dòng)模塊本文運(yùn)用了傳統(tǒng)的三段式電機(jī)啟動(dòng)技術(shù)5，當(dāng)反電勢(shì)達(dá)到一定的值時(shí)再切換至電機(jī)的自控狀態(tài)。

26、 (1) 轉(zhuǎn)子定位：由程序控制任意兩相導(dǎo)通一段時(shí)間，此時(shí)電機(jī)定子合成的磁勢(shì)軸線在空間就會(huì)有一個(gè)方向并把轉(zhuǎn)子磁極拖到與其重合的位置上，這個(gè)過(guò)程就是轉(zhuǎn)子的預(yù)定位過(guò)程。通常轉(zhuǎn)子定位導(dǎo)通電機(jī)任意兩相一定時(shí)間方式，但是這種方式容易造成定位失敗。為了克服這種可能的電磁轉(zhuǎn)矩為零的情況，我們采用兩次定位的放法解決。（2）開(kāi)環(huán)加速：按照電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向，按照六步PWM的換相順序，每隔一定的延時(shí)進(jìn)行一次換相動(dòng)作，強(qiáng)行使電機(jī)的轉(zhuǎn)子按照設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。在這里用升頻升壓法來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)加速，即換相信號(hào)頻率逐漸加大，并且增大外施電壓使電機(jī)加速，稱為升頻升壓法。 (3) 當(dāng)開(kāi)環(huán)換相過(guò)程持續(xù)大約30個(gè)周期后

27、，電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的值，反電動(dòng)勢(shì)也能夠檢測(cè)的到了，此刻就可以進(jìn)入閉環(huán)控制系統(tǒng)。依據(jù)以上原理三段式開(kāi)環(huán)啟動(dòng)的流程框圖如圖18所示。 圖18 開(kāi)環(huán)三段式啟動(dòng)4.4無(wú)刷直流電機(jī)位置檢測(cè)及電機(jī)轉(zhuǎn)速模塊 在直流無(wú)刷電機(jī)控制體系中，要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行換相，也要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息計(jì)算轉(zhuǎn)速。本課題位置檢測(cè)用的是反電勢(shì)位置檢測(cè)技術(shù)，用的比較器來(lái)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，從而控制電機(jī)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)6。它的流程圖如圖19所示。 圖19 直流無(wú)刷電機(jī)位機(jī)檢測(cè)圖 4.5 AD采樣改變PWM占空比模塊AD模塊采用的滑動(dòng)變阻器來(lái)改變PWM的占空比，并采用了平均濾波技術(shù)，PWM脈寬調(diào)整模塊根據(jù)轉(zhuǎn)速的給定值設(shè)置PWM波的脈寬,從而

28、控制電轉(zhuǎn)速7。如圖20所示。 圖20 AD采樣改變PWM占空比4.6 PID計(jì)算模塊模擬PID控制原理如圖21示，整個(gè)控制系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。PID控制系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)設(shè)定值rin(t)和實(shí)際輸出值yout(t)構(gòu)成控制偏差e(t)=yout(t)-rin(t)完成.利用PID控制系統(tǒng)對(duì)偏差進(jìn)行處理得到控制量u(t),然后再利用這個(gè)控制量去控制被控對(duì)象，其中u(t)的計(jì)算公式為： （1）Kp：比例常數(shù)，Ti：積分常數(shù)，Td：差分常數(shù)。圖21 模擬PID控制原理圖 PID控制系統(tǒng)中，三個(gè)控制量所起的作用分別是：P控制將誤差固定比例修正。I控制將誤差取時(shí)間的積分。D控制將誤差

29、進(jìn)行微分防止被控量的嚴(yán)重超調(diào)。從公式中推出增量式PID控制算法為：= 下面是增量PID算法，程序設(shè)計(jì)中用的最常用的增量PID算法8： （2） 4.7 matlab gui 串行通信界面設(shè)計(jì) 為了更好調(diào)節(jié)PID,設(shè)計(jì)matlab gui界面，能夠很方便的調(diào)節(jié)PID。界面如圖22： 圖22 PID參數(shù)整定界面5直流無(wú)刷無(wú)感電機(jī)測(cè)試結(jié)果及結(jié)果分析5.1 H_PWM_L_PWM的波形直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)波形有很多種方式可以選擇，比如：PWM_ON調(diào)制、ON_PWM調(diào)制、H_PWM_L_ON調(diào)制、H_ON_L_PWM調(diào)制、H_PWM_L_PWM調(diào)制。我選用的是H_PWM_L_PWM調(diào)制方式9，圖23是六路

30、PWM的其中兩路，其他的幾路基本都一樣，用來(lái)控制直流無(wú)刷電機(jī)的順利運(yùn)轉(zhuǎn)。圖23 H_PWM_L_PWM波形5.2端電壓對(duì)地波形 圖24是電機(jī)對(duì)地的電壓波形，和原理的很接近，也算理想。圖24 端電壓對(duì)地波形5.3位置檢測(cè)波形電機(jī)的位置檢測(cè)波形圖如下所示，它是通過(guò)模擬中性點(diǎn)10得到的，經(jīng)過(guò)光耦隔離輸入到單片機(jī)的霍爾接口，通過(guò)判斷單片機(jī)接口的電平來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)步伐，單片機(jī)接口電平如表2所示。圖25為位置檢測(cè)的波形雖然有點(diǎn)毛刺，但經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的軟件濾波，仍然能夠好的識(shí)別電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，并進(jìn)行電機(jī)的換相。 圖25 位置檢測(cè)波形表 2 位置檢測(cè)電平PA6PA7PB0十六進(jìn)制0010x010110x03

31、0100x021100x061000x041010x055.4電流波形直流無(wú)刷電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)的電流非常大，此時(shí)容易燒壞電機(jī)，因此要加保護(hù)電路，驅(qū)動(dòng)電路也要有足夠的電流驅(qū)動(dòng)能力，否則電機(jī)轉(zhuǎn)不起來(lái)。示波器觀察的波形如何下圖26所示，符合電機(jī)啟動(dòng)的原理電流波形11。圖26 電流波形圖5.5實(shí)物圖 圖27是動(dòng)手焊的電路板，是直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路板，驅(qū)動(dòng)電路用的集成模塊IPM構(gòu)成。該電路很好的實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷電機(jī)的啟動(dòng)、停止及轉(zhuǎn)速控制能功能。達(dá)到了預(yù)期效果。 圖27 實(shí)物圖結(jié)束語(yǔ)近年來(lái)，隨著電機(jī)技術(shù)和其相關(guān)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得無(wú)刷直流電機(jī)在工控等很多領(lǐng)域得到了及其廣泛的應(yīng)用。我這次以無(wú)刷直流電機(jī)為設(shè)計(jì)對(duì)象

32、，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了相對(duì)較為深入的學(xué)習(xí)，主要對(duì)以下幾方面的內(nèi)容進(jìn)行了學(xué)習(xí)：（1）學(xué)習(xí)了電機(jī)的理論控制技術(shù)12。（2）查找了一些電機(jī)控制13的書(shū)籍。（3）分析了常用的無(wú)刷直流電機(jī)位置控制方法及反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)原理14。（4）對(duì)電極控制算法進(jìn)行了研究，重點(diǎn)闡述了速度環(huán)控制策略的原理15。（5）設(shè)計(jì)硬件電路，設(shè)計(jì)了以IPM為核心的功率逆變電路，并設(shè)計(jì)了反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路。（6）編寫(xiě)程控制系統(tǒng)軟件16，對(duì)整套控制系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。本文設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)，雖然取得了一點(diǎn)小小的成果。但由于本人水平很有限，期待以后進(jìn)一步的深入研究。需要進(jìn)行改進(jìn)的問(wèn)題如下：（1）本課題設(shè)計(jì)位置檢測(cè)方法用的是反電勢(shì)法，雖然該方法簡(jiǎn)單可靠，但它的理論前提是在忽略電樞反應(yīng)的理想條件下建立的，因此在實(shí)際應(yīng)用中必定存在誤差，所以以后要改進(jìn)。（2）無(wú)刷直流電機(jī)的啟動(dòng)用的是三段式，這個(gè)方法在電機(jī)空載或者輕負(fù)載情況下，啟動(dòng)效果較好，成功率相對(duì)較高。但在電機(jī)重載時(shí)，啟動(dòng)效果較差，所以以后要改進(jìn)。（3） 控制策略和控制算法的改進(jìn)。本課題用的是最需常見(jiàn)的速度環(huán)控制策略，而怎樣將智能控制實(shí)際應(yīng)用到無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中還是分析的難點(diǎn)，以后要對(duì)此進(jìn)一步學(xué)習(xí)。（4）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是無(wú)刷直流電機(jī)存在的一個(gè)影響很大的問(wèn)題，以后要改善進(jìn)而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響。參考文獻(xiàn)1 許大中,賀益康.電機(jī)控制M.杭州:浙江