基于LPC2148的无刷直流电机控制器的设计_李本斌.docx

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1、 工 程 硕 士 学 位 论 文 基于 LPG2148的无刷直流电机控制器的设计 李本斌 指导教师 郎宝华 _ 副教授 李榕 高工 申请学位级别 工程硕士 工程领域 控制工程 2015年 4月 22曰 基于 LPC2148的无刷直流电机控制器的设计 工程领域：控 制工程 研究生签字： + 4 Mi 学 校 导 师 签字 ： 念年 企业导师签字 ： 摘要 无刷直流电机 (BLDCM)既有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等特点，又有直 流电机运行效率高、调速性能好等特性，而且由于不受机械换相的限制，易于做到大容量、 高转速，在汽车、机器人、办公自动化以及工业现场都有广泛的应用前景。因此无刷直流

2、 电机被认为是21世纪最有发展前途和广泛应用前景的电子控制电机。故本课题以 phillips 公司的 LPC2148为核心控制芯片，设计了无刷直流电机控制系统。 首先，论文叙述了无刷直流电机的发展背景和研宄意义，然后介绍了无刷直流电机 的结构和工作原理。在基本电磁定律的基础上建立了无刷直流电机的数学模型，为建立无 刷直流电机控制系统仿真模型奠定了基础。在 Matlab/Simulink中搭建无刷直流电机控制 系统，分别对无刷直流电机幵环控制和速度闭环控制进行了仿真研宄。 其次，本文通过分析反电动势过零点硬件检测电路，研究了该电路使反电动势过零 点信号延迟角度大小的计算问题。得出已有延迟 角度计

3、算公式不符合该电路，于是重新推 导了延迟角度计算公式，并通过 Multisim软件搭建仿真电路进行验证，仿真结果表明重 新推导出的公式是正确的，而已有公式确实不符合该硬件电路。通过延迟角度大小的准确 计算，为反电势法准确控制换相奠定了基础。 最后，在仿真工作的基础上，设计出了控制器的硬件电路和控制软件。利用 Altium Designer绘制电路原理图和进行 PCB的制作。系统中的位置信号检测电路包括霍尔接口 电路和反电势过零点检测电路，使用有位置传感器和无位置传感器两种方式控制。控制软 件按照模块化思想进 行编程，在 KEIL4软件编译环境下用 C语言编写完成。最后进行了 硬件和软件的综合调

4、试。实验结果表明，本控制系统可以稳定运行，并能够对无刷直流电 机进行大范围调速，而且能够通过调节使速度稳定，达到了控制器的设计要求。 关键词：无刷直流电机；无位置传感器；反电势过零点；相位滞后； LPC2148; Matlab/Simulink Design of Brushless DC Motors Controller based on LPC2148 Discipline: Control Engineering Student Signature: Brushless DC motors(BLDCM) are not only owning the characteristic of

5、 simple structure perform reliably、 low maintenance that AC motors having, but also owning the characteristic of high efficiency speed regulation well and so on that DC motors having. And not limited by mechanical commutation, it is easy to accomplish the large capacity and high speed designing. So

6、BLDCM have broad application prospects in the fields of cars、 robots、 office automation and industrial.Therefore, BLDCM are considered to be the most development and application prospect of electronic control motors in the 21st century.So this article had designed a brushless DC motors control syste

7、m using the LPC2148 as core control chip made of phillips. First of all, the paper described the background of BLDCM developmenting and research significance, then introduced the structure and working principle of the brushless DC motors.On the basic of the basic laws of electromagnetic, establishin

8、g the mathematical model of BLDCM which is the foundation of establishing simulation model of BLDCM control system.The article studied the simulation system with open control of BLDCM and the simulation system with speed closed-loop control of BLDCM based on the Matlab/Simulink. Secondly,The article

9、 studied the problem of the zero-crossing of back electromotive force(EMF) hardware detecting circuits that make phase of zero-crossing of back EMF delay and its size calculating. Obtaining that the exsited calculating formula for detecting the size of delay angle inconformity with the circuits9so t

10、he author had deduced a new formula for calculating delay angle of zero-crossing back EMF? and built simulating circuits to detect the Supervisor II Signature: ii Abstract results by Multisim. The verification results showed that the right of the new deducing formula and the exsited formula is indee

11、d not match with this circuits. Finally, the article had designed the hardware circuits and control softwares of the controller based on the simulation work, the author had drawn schematic diagram of circuits and made PCB using the Altium Designer. The system had included hall interface circuits and

12、 the zero-crossing of back EMF detecting circuits,so it can controlled by using position sensor or position sensorless methods.The article had written the control softwares using C language in KEIL4 compilling environment with modular thoughts.Then the article had debugged the hardwares and soflware

13、s.Experimental results showed that the control system can be running stablely, regulatting speed with large range,adjusting speed to be stability, and achiving the requirements of the designing. Key Words: Brushless DC motors; Position Scnsorless; Zero-crossing of back EMF;Phase delay;LPC2148;Matlab

14、/Simulink 1绪论 . 1 1.1课题的研宂背景及意义 . 1 1.2课题的研宄现状 . 1 1.2.1无位置传感器控制技术 . 2 1.2.2无位置传感器起动技术 . 3 1.3论文的主要工作 . 3 1.4本章小结 . 4 2无刷直流电机的工作原理及数学模型 . 5 2.1无刷直流电机的基本结构 . 5 2丄 1电机本体 . 5 2.1.2控制器 . 6 2.2无刷直流电机的工作原理 . :.6 2.3无刷直流电机的数学模型 . .9 2.3.1电压方程 . 9 2.3.2转矩和机械方程 . 10 2.3.3反电势方程 . 10 2.4本章小结 . 11 3无刷直流电机控制系统的仿

15、真研究 . 12 3.1基于 Simulink的无刷直流电机仿真 . 12 3.2无刷直流电机的闭环控制系统 . 13 3.2.1 BLDCM 模块 . 13 3.2.2逻辑换相模块 . 18 3.2.3三相逆变桥模块 . 18 3.2.4控制模块 . 19 3.3仿真结果 . 20 3.4本章小结 . 25 4反电势过零点信号相位滞后研究 . 26 4.1无刷直流电机的反电势法控制 . 26 4,2反电动势相移的计算 . 29 4.3仿真验证相位滞后角计算公式 . 34 4.3.1仿真电路的搭建 . 34 4.3.2端电压为正弦波时的仿真结果 . 36 4.3.3端电压为梯形波时的仿真结果

16、. 37 4.4本章小结 . 38 5无刷直流电机控制系统设计 . 39 5.1系统方案设计 . 39 5.2系统硬件设计 . 39 5.2.1 控制板 . 40 5.2.2驱动板电路 . 44 5.3系统软件设计 . 54 5.3.1控制策略 . . 54 5.3.2软件总体方案设计 . . . 57 5.3.3有位置传感器的开环控制程序 . 57 5.3.4有位置传感器的闭环控制程序 . 65 5.3.5无位置传感器的幵环控制程序 . 67 5.4本章小结 . .72 6实验结果和分析 . 73 6.1有位置传感器控制实验 . 73 6.1.1有位置传感器开环控制实验 . 73 6丄 2有

17、位置传感器闭环控制实验 . 75 6.2无位置传感器控制 . . 76 6.2.1无位置传感器开环控制实验 . 76 6.3本章小结 . 78 7总结与展望 . . . 79 7.1 . . . ； . 79 7.2展望 . 79 #魏 . 81 攻读硕士学位期间发表的论文 . 84 SC ilf . 85 学位论文知识产权声明 . 86 学位论文独创性声明 . 87 1.1课题的研究背景及意义 随着社会生产力的迅速发展和人们生活水平的不断提高，人类生存和发展所需要解决 的棘手问题变成了能源危机。作为机电能量转换装置的电机被广泛应用于工业生产和人们 的日常生活中。因此，提高电机的运行性能及控制

18、精度并开发节能高效、运行可靠的电机 控制系统成为了科研人员的研宄热点。 同步电机、异步电机和直流电机在实际生产中有广泛的应用。比较这三类电机可知同 步电机有容易 失步 和调速困难等弱点；异步电机有起动困难、功率因数低、调速困难 等缺点；只有直流电机的效率高、易调速、机械特性然而传统有刷直流电机由于机械 换相而存在机械摩擦、火花、噪声和电磁干扰等问题而使其寿命缩短，进而限制了其应用 范围。 而无刷直流电机具有控制简单、效率高、体积小等优点，它既克服了传统直流电机由 于机械换相带来的缺点又保持了一般直流电机的优点。故其被越来越广泛的应用在航天航 空系统、国防军事装备、工业自动化装置 、科学仪器、交

19、通运输、医疗器械、计算机外围 设备、办公自动化设备和家电消费产品中。因此，人们认为无刷直流电机是 21世纪最具 有发展前途和广泛应用前景的电子控制电机。 由于中小型电机市场需求的迅速增长， BLDCM具有广阔的发展空间和机遇；然而也 面临着挑战，这种挑战是对 BLDCM越来越高的技术性能要求和应用要求。因此，设计 一款以 ARM为核心的 BLDCM通用型控制器符合 BLDCM控制的发展趋势，具有实际应 用价值和经济价值。 1.2课题的研究现状 随着科学技术的不断发展，对 BLDCM调速系统性能的要求越来越高。对电机的转 速要求越来越高是一种发展趋势，已经从几千转提高到几万转，甚至几十万转了。并

20、且要 求在高转速时还具有较高的转速控制精度， BLDCM的高速转矩脉动抑制已经成为和抑制 低速转矩脉动同等重要的问题。科学技术的发展进步使得各种传统控制方法在不断更新， 许多经典的控制方法在新技术硬件平台上获得了比以往更优良的性能。尤其是可编程逻辑 控制器件和数字信号处理器的广泛应用极大地推动了 BLDCM控制技术的发展，这也将 会推动控制平台更加趋于集成化和智能化。 所以，当前的研究热点主要集中 在无位置传感器控制的研究、 BLDCM的调速控制、 BLDCM转矩脉动的抑制这三个方面。而无位置传感器控制的研宄主要集中在无位置传感 器控制技术和无位置传感器起动技术这两方面。 西安工业大学工程硕士

21、学位论文 1.2.1无位置传感器控制技术 无位置传感器控制技术也称为转子位置间接检测法，主要通过电机内容易获取的电压 或电流等信号来进行一定的算法处理来获得转子位置信号，该概念来源于 1966年德国 Mieslinger提出的电容移相换流位置估计法 1。无位置传感器控制技 术主要包括反电势法、 电感法、磁链估计法及状态观测器法。 反电势法是目前技术最成熟并且应用最广泛的一种位置检测方法。 BLDCM中转子的 转动会在定子绕组中感应出反电势，反电势的值是转子和绕组相对位置的函数，所以从反 电势波形中就可以得到转子的位置信息。 BLDCM的反电势是梯形波并且反电势中含有过 零点，而过零点在不同的转

22、速下位置不变，所以它可以反应转子位置。某相反电势过零时 刻就反应了转子磁极正位于该相绕组轴线上。于是将检测获得的反电势过零点信号延迟 30 电角度，就得到六个离散的转子位置信号，该信号可以为 逻辑开关电路提供正确的换 相信息，从而实现对 BLDCM的无位置传感器控制。反电势法包括端电压检测法、线反 电势法、直接反电势法等。 1) 端电压检测法 234 该方法是通过检测非导通相绕组的端电压，经过软件计算或利用硬件电路来获得反电 势过零点信号，从而保证 BLDCM正确换相。无位置传感器控制方法中最简单、最成熟 的控制方法就是端电压检测法了，目前该方法主要在低成本并且对系统性能要求不高的设 备上应用

23、。 BLDCM通常采用三相全桥逆变器作为功率驱动电路。二二导通模式下的每一 时刻三相绕组中只有两相通电而第三相悬浮，并且悬浮相中只有反电势而没有电流。在实 际应用中， BLDCM采用星型连接，而且中性点不引出。端电压法就是利用检测端电压来 间接获得反电势过零点从而控制电机正确换相。悬浮相端电压表达式为： Ux=ex+UN (u) 其中， 是悬浮相端电压， I是悬浮相反电势， 是中性点对地电压。 和 进行 比较就可以得到反电势过零点。 2) 线反电势法 相反电势法是当检测到反电势过零点时再移相 30 电角度才是电机实际换相点。当电 机处于动态过程或受到外界干扰而使转速突变时，会造成位置检测 误差

24、并引起转矩脉动， 严重时会导致电机反转。研宂人员对 BLDCM的线反电动势与转子位置间的关系进行了 分析，发现线反电势的过零点就是电机的换相点，于是电机的换相时刻可以通过直接检测 线反电势的过零点获得，这样就可以克服位置检测误差了。线反电势法的优势使其在许多 领域都获得了应用。 3) 直接反电势法 56肌 该方法是通过检测定子绕组中真实反电势进行无位置传感器控制的方法。使用特定的 PWM调制方式就可以使绕组端电压反映真实的反电势。对于 BLDCM二二导通这种控制 2 1绪论 方式，使用 Hpwm_Lon(High-bridge pwm Low-bridge on)控制就可以通过直接反电势法获

25、得转子位置信号。 某一时刻在 A相上挢臂和 B相下桥臂换相区间内，当 A相 MOSFET关断时，电流 经二极管在 A相和 B相绕组内部续流，续流电流不经过电源。忽略 MOSFET和反向二极 管的导通压降， C相反电势为零时可得： UCG=+UNCC (1-2) 从 (1.2)式可以看出，在 PWM关断期间，悬浮相的端电压是反电势的 3/2倍，该电压 是相对直流母线电压地的，端电压的过零点就是反电势的过零点。换相时刻就是当检测到 端电压的过零点后再延迟 30 电角度的时刻，因此中性点不用引出。 该方法不进行分压使得反电势的幅值不变，故在低速下仍然具有较高的分辨率。优点 是在PWM关断时进行采样，

26、不需要滤波电路来消除高频干扰信号，从而不用进行滤波电 路相位滞后的实时补偿。缺点是在 PWM关断时进行采样，限制了系统在大占空比时的检 测。 1.2.2无位置传感器起动技术 反电势幅值与电机转速成正比，当电机静止或转速较低时的反电势很小或没有，从而 使用反电势法很难检测到转子位置信号，因此需要特殊的起动方法来保证电机从零速正常 起动。目前的常用起动方法主要有 三段式 起动法、预定位起动法、升频升压起动法、 三次样条插值法和电感法等 8】 9。 1.3论文的主要工作 根据目前国内市场上小型无別直流电机控制器的设计现状，在阅读大量文献的基础 上，分析比较各种无刷直流电机控制器的优缺点，发现设计一款

27、包括有位置传感器控制和 无位置传感器控制的无刷直流电机控制器会有很好的市场前景。因此本文重点研宄和讨论 了无刷直流电机控制器的设计。论文的主要工作及任务安排如下 ： 第 1章绪论，阐述了无刷直流电机控制系统的研宄背景及意义并介绍了无刷直流电 机的研宄现状和本文的主要工作。 第 2章无刷直流电机的工作原理及数学模型，简单介绍了无刷直流电机的工作原理 , 详细分析了其换相工作过程并在此基础上建立了无刷直流电机的数学模型。 第 3章无刷直流电机控制系统的仿真研宄，在 MATLAB/Simu】 ink平台上，分别搭建 了无刷直流电机的开环控制仿真系统和速度 PI闭环控制仿真系统，并对仿真结果进行了 比

28、较和分析。 第 4章反电势过零点信号相位滞后研究，研究了无位置传感器控制时转子位置检测 电路使反电动势过零点延迟和延迟角度大小的计算问题。重新推导出了反电动势过零点延 迟角度计算的数学表达式，并通过 Multisim软件搭建反电动势过零点硬件检测电路进行 3 西安工业大学工程硕士学位论文 仿真来验证该数学表达式。 第 5章无刷直流电机控制系统设计，以 LPC2148为主控芯片，设计了无刷直流电机 控制系统。详细介绍了整个系统的总体设计方案、硬件电路设计和控制软件设计。 第 6章实验结果和分析，对控制系统的相关性能进行测试，获得实验波形，通过实 验结果来检测控 制系统运行性能。 第 7章总结与展

29、望，总结本文内容并提出需要进一步研宄解决的问题，最后对本文 提出的方案进行了展望。 1.4本章小结 本章首先介绍了课题的研究背景及意义，然后介绍了无刷直流电机控制的国内外研究 现状，最后说明了论文的主要工作。 4 2无刷直流电机的工作原理及数学模型 2无刷直流电机的工作原理及数学模型 2.1无刷直流电机的基本结构 在控制器的控制下使 BLDCM运转，故 BLDCM包含了电机本体和控制器两部分。 控制器包含了转子位置检测功能和确定逻辑换相功能。因此 BLDCM的基本结构如图 2.1 所示。图中的电机本体和控制器缺一不可，所以无刷直流电机是位置检测换相闭环系统。 控制器 图 2. 1 BLDCM的

30、基本结构图 2.1.1电机本体 BLDCM的电机本体在结构上与永磁同步电机相似，没有笼型绕组及其它起动装置， 但都包括定子和转子两部分。 1) 定子结构 电机运转时其中静止部分是无刷直流电机的定子。一般是由电枢绕组、硅钢冲片组成 的定子铁心以及轴承等部件组成的，也有无槽无铁心的定子绕组。而电枢绕组一般为多相 星型或者三角型连接。 2) 转子结构 通常是由转轴、永磁体和磁轭等组成转子结构。永磁体多为由稀土永磁材料按照一定 的极对数组成。包括圆筒式、表贴式和内嵌式，圆筒式是采用整体粘结稀土磁环，表贴式 是将瓦片状的永磁体贴在铁心外表面上，而内嵌式是将永磁体嵌入到铁心内部。其主要作 用是在电机气隙中

31、产生足够的磁感应强度，与通电后的定子电枢绕组相互作用生成转矩而 使转子旋转。 西安工业大学工程硕士学位论文 2.1.2控制器 BLDCM的控制器包括转子位置检测功能及确定换相逻辑功能。 1) 转子位置检测功能 功率开关逻辑换相电路的换相时刻通常是采用位置传感器来检测无刷直流电机转子 位置信号来获得的。首先将转子的位置信号转换成相应的电信号，再使用处理电路对该电 信号进行相应处理，最后通过控制器控制定子绕组换相。除使用位置传感器外，还可以检 测无刷直流电机相关参数，通过相关处理电路和控制算法进行处理后获得转子位置信号同 样能够获得转子位置信息，这样就可以使用无位置传感器控制方法来代替传统位置传感

32、器 控制方法了。 2) 确定换相逻辑功能 电子换相电路是 BLDCM实现电子换相的关键，电机定子各相绕组的通电顺序和通 电时间是通过它来控制的。其主要组成部分是换相逻辑开关控制单元和转子位置信号处理 单元。换相逻辑开关控制单元是换相电路的核心，主要功能是把电源功率以一定的逻辑关 系分配给 BLDCM定子上的三相绕组中而使电机能够产生持续不断的转矩。转子位置信 号决定了各相绕姐通电的顺序和持续时间，而转子位置信号一般需要经过一定逻辑处理才 可控制换相逻辑开关控制单元。 综上所述，可以得出 BLDCM的主要部件组成框图，如图 2.2所示。 位置检测电路 图 2.2 BLDCM的组成框图 2.2无刷

33、直流电机的工作原理 BLDCM为了实现无电刷换相，一般把永磁磁钢放在转子上而将电枢绕组嵌入到定子 6 转子位置信号 处理单元 换相逻辑开关 控制单元 电子换相电路 转子 定子 控制器 电机本体 无刷直流电机 7 控制器 位置检测 图 2. 3无刷直流电机三相全控电路图 星型连接、两两导通三相六状态控制方式是指三相全控电路控制，每一时刻（除换 相瞬间 ）只有两相绕组导通，每 60 电角度换相一次，每相绕组导通 120 电角度。在换相 过程中，定子绕组电流所形成的合成磁场不是连续的旋转磁场，而是一种跳跃式的旋转磁 场，每个步进角为60 电角度。假设转子转到图 2.4(a)所示的位置时，控制器输出控

34、制信 号使功率开关管 Ql、 Q2导通，即绕组 A、 C通电，电枢绕组合成磁势为 Fac。 电流流 通路径为：电源正极 一 Q1管 一 A相绕组 一 C相绕组 一 Q2管一电源负极。定子磁场和转子 2无刷直流电机的工作原理及数学模型 中，这与传统永磁直流电机的结构刚好相反。 BLDCM用电子换 相代替机械换相，用有位 置传感器或无位置传感器、电子换相电路来取代有刷直流电机的电刷和换相器。由位置检 测电路提供转子位置信号，经过控制器逻辑处理后，控制电子换相电路换相，从而使定子 绕组产生的电枢磁场与转子磁钢产生的永磁磁场相互作用，产生持续不断的转矩，保证电 机连续运转 1()。 BLDCM的运行方

35、式因电机本体的绕组形式不同而各异。本文主要针对的是定子绕组 是三相绕组结构的无刷直流电机来进行分析的。三相 BLDCM绕组的连接方式有三相星 型连接和三相三角型连接这两种方式。而三相星型连接又有三相全控电路控制方式和三相 半控电路控制方式。如图 2.3所示，它是三相全控电路控制方式。三相半控电路方式比三 相全控电路方式结构简单，但每个绕组只通电 1/3周期的时间，故绕组利用率较低，转矩 波动较大。而三相全控电路运行方式，绕组利用率较高，转矩波动较小，故在大部分场合 通常采用三相全控电路方式。三相全控方式根据同时导通的绕组数而分为两两导通方式和 三三导通方式。本文的研究对象是星型连接、两两导通三

36、相六状态的无刷直流电机。 逆变器 7 西安工业大学工程硕士学位论文 磁场相互作用使转子顺时针方向旋转。当转子转到图 2.4(b)所示位置后，转子位置传感器 输出变化，经控制器逻辑处理后使 Q1管关断， Q3管 导通，即绕组 B、 C通电，电枢绕 组合成磁势为 Fbc。电流流通路径为：电源正极 一 Q3管 一 B相绕组 一 C相绕组 一 Q2管一 电源负极。定子磁场与转子磁场相互所用，使转子继续朝顺时针方向旋转。依此类推，转 子沿顺时针方向每转过 60 电角度，功率开关管切换一次，六个功率开关管导通顺序为 Q1Q2 Q3Q2 Q3Q4 Q5Q4 Q5Q6 Q1Q6 ，转子磁场始终和定子合成磁场相

37、互作 用而使转子不断沿着顺时针方向转动。 Fac (a) AC相通电时的定子磁场图 (b)BC相通电时的定子磁场图 图 2.4开关顺序及定子磁场旋转示意图 转子每转过 60 电角度，逆变器开关管之间进行一次换流，并且定子磁状态改变一次。 标记 Q1Q2功率管导通状态为 状态 1,后面导通状态可以标记为状态 2、 3、 4、 5、 6。表 1.1为两两导通三相六状态的 BLDCM的三相绕组与各开关管导通顺序。电机总共有六个 磁状态，每一个磁状态都是两相导通，每相绕组中流过电流的时间为转子旋转 120 电角 度的时间，每个开管的导通角为 120 电角度。 表 1.1六个状态区间功率管导通顺序和绕组电流方向表 状态 1 状态 2 状态 3 状态 4 状态 5 状态 6 导通开关管 Q1Q2 Q3Q2 Q3Q4 Q5Q4 Q5Q6 Q1Q6 电流方向 A+C- B+C- B+A- C+A- C+B- A+B- 2无刷直流电机的工作原理及数学模型 2.3无刷直流电机的数学模型 由于 BLDCM和 PMSM不同，它的气隙磁场