无刷直流电动机工作原理.docx

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1、成都工业学院成教院毕 业 设 计（论 文）论文题目： 基于PLC 无刷直流电动机控制器设计 教 学 点： 重庆科创职业学院 指导老师： 熊建国 职 称： 讲 师 学生姓名： 刘德福 学 号: 专 业： 机电一体化技术 成都工业学院成教院制二一四年三月二十日成都工业学院成教院 毕业设计（论文）任务书题目： 基于PLC无刷直流电机控制器设计 任务与要求：通过对PLC无刷直流电动机控制系统的设计，运用所学的专业知识，在指导老师的指导下，设计出自己的控制系统。 时间： 2013 年 11 月 28 日 至 2014 年 4 月 17 日 共 20 周教 学 点： 重庆科创职业学院 学生姓名： 刘德福

2、学 号： 专业： 机电一体化技术 指导单位或教研室： 重庆科创职业学院 指导教师： 熊建国 职 称： 讲 师 成都工业学院成教院制毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字2013.11.28-2013.12.20查找资料，选题2013.12.22-2014.1.31完成论文的初稿2014.2.1-2014.3.15完成论文二稿的写作2014.3.16-2014.4.5完成论文的终稿及格式修改2014.4.6-2014.4.20定稿，打印论文，做好评阅的准备2014.4.21-2014.4.25论文评阅教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生

3、平时成绩的依据之一。摘 要 本文根据无刷直流电动机的控制原理，采用PIC16F72单片机作为控制芯片，通过软硬件设计，实现了电动车电动、定速、助力、自检四种工作模式并且设计了一种电机模式自识别功能。在系统可靠性方面，设计了欠压、过流和堵转保护。该设计具有智能性高，硬件结构简单，具有升级空间等特点。关键词：无刷直流电动机；单片机；控制器AbstractBased on brushless DC motor control using PIC16F72 single chip microcomputer control chip, through hardware and software des

4、ign, achieved the electric motor, speed, power, self test has four operating modes and design a motor pattern recognition. In terms of system reliability design under-voltage, over-current and locked rotor protection. The design with a high intelligence, hardware structure is simple, with features s

5、uch as upgraded space. Keywords: brushless DC motors, and SCM; controllersKey words：Brushless; SCM; controllers目 录第一章 绪 言车的发明和使用对解决燃油车造成的严重环境污染和缓解日益突出的能源危机问题，有重要的现实意义。1999年5月国家质量技术监督局发布了电动自行车通用技术条件国家标准，为电动车规模化生产化提供了条件。无刷电动机控制系统及电机、变速机构、检测元件、控制软件硬件于一体，具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便等优点，在电动调速领域有着广泛的应用。本文采用Mcrochip

6、公司的PIC16F72单片机为核心，惊醒了微控制单元电路、转子位置信号采集电路、逆变器驱动电路等设计。采用开关型霍尔传感器作为转子位置传感器，微控制单元根据转子位置信号向驱动电路传递PWM（脉宽调制）信号、逆变器上下臂驱动信号控制电机。软件设计采用模块化变成和结构化变成的思想。根据无刷直流电动机的控制原理，实现了电动、定速、助力和自检四种工作模式。利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制。设计了一种电机控制系统的模式自识别功能，可自动识别电机的输入及输出模式，降低了控制器的使用要求。在系统可靠性方面，设计了系统的欠压、过流和堵转保护。第二章 无刷直流电动机的工作原理直流电机由于机械电刷的使用

7、，存在机械摩擦、噪声、电火花、无线电干扰等一系列问题，再加上制造成本高及维修困难等特点，从而大大的限制了它的应用范围。无刷直流电动机利用电子转向器取代了机械电刷和机械换向器，保持了有刷直流电动机的优异特性，又革除了电刷和换向器的“顽疾”。具有结构简单，性能可靠，效率高，维护简便等优点。无刷直流电动机通常是由电动机本体、转子位置传感器和功率开关电路三部分组成。图1是无刷直流电动机的原理框图。图中位置传感器的作用是检测电机转子的的位置，为电子换向器提供转子的位置信息，实现无接触式的电子换向。图2-1中开关电路中的逆变器采用三相六拍导通方式。每一瞬间有两相同时导通，另一相不导通，每相绕组连续导通12

8、0电角度，每隔60度电角度定子绕组电流换相一次。电机顺时针旋转360度电角度内，3路位置传感器信号的状态组成的状态字从101-100-110-010-011-001进行变化。状态字发生变化的时刻也是定子绕组电流将要发生换相的时刻。图2-1 无刷直流电动机的组成第三章 电机的控制系统实现第一节 系统硬件设计本系统的硬件结构原理图如图3-1-1所示。系统的控制核心是PIC16C72单片机。该单片机稳定性好，引脚具有的防瞬态能力给系统提供了稳定保障。其具有的PWM（脉宽调制）输出功能，节省了外围电路和单片机工作时间。内部集成的5个8位A/D口，满足了系统对转速信号、电流反馈信号、欠压信号等模拟信号的

9、采集要求，丰富的中断资源可准确地采集电机的相位信息，实现工作模式的转换。独特的哈佛总线结构。极低的功耗、I/O引脚上拉电路和看门狗电路等使系统有了极高的性价比。图3-1-1 系统硬件结构图系统采用三个开关型霍尔传感器作为位置传感器，位置传感器将电机转子位置信号H1、H2、H3送到单片机的三个I/O口。单片机的PA和PB口作为逆变器上下桥臂控制端，根据转子位置信号H1、H2、H3，单片机不断将控制字送到PA和PB口，实现换相控制。逆变器采用三相星形结构，由六个N沟道的MOSFET管组成，见图3-1-2.转子位置信号与MOSFET管导通的对应关系见表1。图3-1-2 控制端接线表1 转子位置与驱动

10、桥臂对应关系当前位置H1、H2、H3下一位置导通相100AH CL110BH CL010BH AL011CH AL001CH BL101AH BL逆变器下桥臂开关信号按照无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。单片机的CCPI口发出的PWM（脉宽调制）信号，通过改变PWM信号的占空比来控制电机工作电流，从而实现速度控制。采用与非门实现上下臂的硬件互锁逻辑，保证同相上下桥臂不会同时导通。上桥臂驱动由升压电路和三极管驱动电路组成。转速给定信号由转把上的线性霍尔传感器送出，助力信号由安装在车蹬上的助力传感器送出。当系统出现故障时，MCU通过控制字锁住逆变器三相上下桥臂，电机停止转动本设计采用了双电源设

11、计，驱动部分使用一路电源，微控制部分使用另一路电源，从而避免驱动部分造成的线上压降对微控制器造成影响。第二节 系统软件设计本系统软件设计采用模块化编程和结构化编程的思想，使用汇编语言编程。根据直流电机的控制原理，设计了电动车的四种工作模式。本控制器的电机模式自识别功能，能够自动识别电机的换相角度、霍尔传感器的相位和电机输出相位。在系统可靠性方面，设计了系统的欠压、过流和转赌保护。本系统的控制软件主要保护包括主程序。外部中断服务子程序、A/D转换子程序、换相程序。脉宽调制程序和计数器/定时器终端程序等几部分。系统主程序流程如图3-2-1所示，主程序上电复位后完成系统的初始化;PWM、ADC端口，

12、定时器等单元的初值设置；中断设置；变量、标志寄存器的初始化。为了防止在初始化的过程中，中断的意外到来，应在主程序的开始处先关闭全局中断。初始化完成后，进入自检程序，若各电器信号正常，则2秒后退出自检模式，重新对相关寄存器、定时器赋初值，并打开INT外部中断，允许模式转换按钮中断。然后判断电机启动是否成功，如果成功竟如正常工作模式函数，如有非法状态，停电机，程序跳入自检模式进行自检。图3-2-1系统主程序流程图在系统进入到正常工作模式后，判断系统处于何种工作模式，检查系统是否处于非法状态，如果出现欠压、过流、堵转等错误，则停机，程序跳入自检状态；否则，判断是否有刹车信号。在电动模式下采集转把信息

13、，控制PWM占空比；定速模式下，转把信号无效，程序根据模式转换前的PWM占空比恒定输出；助力模式下，根据定时器TO采集助力传感器的高低电平时间没控制PWM信号占空比。在这个过程中，始终允许KMOD按键中断，因此可以通过按下KMOD键切换电动、定速和助力三种工作模式。PIC16F72系列单片机配有输入捕捉/输出比较/脉冲宽带调制CCP（Capture/Compare/PWM）模块。其中脉宽调制输出工作模式，适合用于从引脚上输出脉冲宽度随时可调的PWM信号，可实现直流电机调速、步进电机的变频控制等。当CCP模块工作与PWM模式，CCP引脚可以输出分辨率达10位的PWM信号波形。产生此波形需要确定两

14、个基本参数；周期（高电平和低电平持续时间总和）和脉宽（高电平持续时间）。当CCP工作于PWM模式时，确定PWM信号周期所用到的定时器是8位的时基定时器TMR2，而确定PWM信号脉宽所用到的定时器则是10位宽的时基定时器（有定时器TMR2的8位和其低端扩展的两为共同构成）。PWM信号周期可以通过向PR2中写入数值来人为设定。该周期计算公式如下： PWM周期=(PR2)+14Tosc(TMR2预分频比)其中：Tosc为系统时钟周期； 4Tosc为系统指令周期； TMR2预分频比可以是1、4或16PWM信号的脉冲宽度预定值，可以通过写入10位脉宽寄存器来设定。计算公式如下PWM高电平时间=(CCP1

15、CON)Tosc(TMR2分频比)其中，CCPR1L：CCP1CON代表2个寄存器拼装组合得到的10位数据第三节 模式自识别设计电动车无刷直流电机有60度和120度之分，控制器也有60度和10度之分，电机和控制器必须配套。无刷电机和无刷控制器之间的8条连线(位置传感器电源线、地线、传感器三相信号线共五条，线包绕组三相连线共三条)共有36种接法：60度的只有两种接法是正确的，一种电机正传，一种电机反转;120度的有6种接法是正确的，3种电机正转3种电机反转。电机和控制器的度数不相配或接线不正确的结果是：电机不转、转动无力、震动，轻载电流大等。严重的可能损坏控制器或者电机内部的霍尔转子位置传感器。

16、所以，应该先确定电机角度，然后配套控制器。但是不同电机生产厂家、不同的生产批次可能不同，第一相、第二相、第三相信号线的颜色不是恒定的，无刷控制器也是如此，因此给安装和维修造成了困难，也就是说用户按照对应的颜色接线不一定能使电机正确旋转。为了解决上述问题，本设计加入了无刷电机模式自识别功能。在程序中存有位置信号和驱动信号对应表，以查表的方法寻找电机正确的驱动。由于电机的转动是通过逆变器上三臂和下三臂驱动的，因此当连线不正确时，系统反馈的电流值不在正常范围内，检察系统电流即可知道电机是否正常转动。当电机反转，则人为按下刹车信号，通知单片机继续查询，直至找到正确的匹配方式。因此，只要电动车控制器的电

17、源线不接错就能自动识别电机的输入及输出模式，省去无刷电机接线的麻烦，降低了控制器的使用要求。结束语本文所研制的电动自行车用无刷直流电机控制器，具有可靠性、高智能性、模块化设计等特点，且硬件简单、成本较低，具有较大的升级空间，便于用户二次开发.。谢 辞从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。非常感谢熊建国老师及各位专业老师在我大学的最后学习阶段毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他们给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，他们放弃了自己的休息时间，他们的

18、这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他们表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！参考文献：1、清泉，詹宜巨.1世纪的绿色交通工具电动车。北京：清华大学出版社，20002、小明.电动机的单片机控制M.北京：北京航空航天大学出版社，2002.3、P.Pillary,R.Kxishnan,Modeling,Simulation,and Analysis of Permanent Motor Drivers.IEEETarsactions Industry Applications.1989,(3):28-20.4、李学海.PIC单片机实用教程基础篇.北京：北京航空航空大学出版社，2002.12-16.5、潘健.无刷直流电机控制器MC33035的原理及应用.国外电子元器件.2003,（8）;38-41.