学位论文-—无刷直流电机控制系统的设计与实现.doc
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1、目 录内容摘要:3关键词:31设计要求42 设计系统总框架图43 无刷直流电动机53.1 无刷直流电机简介53.2 无刷直流电机的结构63.2.1定子绕组63.2.2永磁转子73.2.3位置传感器73.2.4相序输入73.3无刷直流电动机的工作原理73.4直流电动机的主要驱动方式83.4.1单极性驱动方式83.4.2双极性驱动方式104 MC33035与MC33039的应用134.1 MC33035简介134.1.1 转子位子译码器:144.1.2正/反旋转控制管脚154.1.3 制动管脚154.1.4 误差放大器154.1.5 脉宽调制器154.1.6 电流限制164.2 MC3303916
2、4.3无刷电机驱动模块的硬件设计194.4 无刷电机接线口195主控模块205.1单片机的原理与应用205.2 主控系统的硬件设计215.2.1最小系统215.2.2手控模块225.2.3 显示模块226软件模块237硬件调试图和结果24总结:25参考文献:25诚信协议书27内容摘要: 伴随着机械与电子的科技发展,无刷直流电动机在社会生产生活中占据着越来越重要的地位,本着可塑性宽,工作稳定的特点,无刷直流电动机的使用也日益壮大。本设计是基于单片机的无刷直流电机控制系统,通过无刷直流电机的工作原理,以及在其以MC33035和MC33039为驱动芯片中的应用,设计成闭环控制系统其能实现正转,反转,
3、启动,停止,电机转速可调和转速可显示的。整个设计,硬件由主控模块,驱动模块,显示模块和调速模块构成,并通过软件实现速度测量以及显示。本设计已能实现正反转,停止或启动,以及转速可调的功能。关键词:AT89S52;MC33035;MC33039;无刷直流电机 正文:1设计要求1.1 应用MC33035和MC33039驱动无刷直流电机,实现正反转,启动或停止以及转速可调。1.2基于单片机来实现以上功能,并能显示转速。1.3能从设计中认识无刷直流电机的原理以及提高调试能力,软件和硬件设计的能力,巩固并更进一步认识专业知识。2 设计系统总框架图 位置传感器AT89S52 ENF/RMC33035和MC3
4、3039的三相六步闭环驱动模块三相带霍尔元件无刷直流电机12864转速显示模块相序输出图1-13 无刷直流电动机3.1 无刷直流电机简介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,是电动机从一个成就到另一个成就的进步成品。有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来,以其灵活的控制特性而广为人所用。而其机械接触的电刷-换向的特点则是电流电机最显著的弱点,电刷的运用让其不仅工作性能不稳定,体型大却无法优化,限制了有刷电机在特别场合中的使用。 早在1917年,Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷,从而诞生了无刷直流电机的基本思想。1955年美国的D.Harrison等首次
5、申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利,标志着现代无刷直流电动机的诞生。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。无刷直流电动机的发展在电力电子技术的发展中萌生了许多新
6、的创造和发展。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,无刷直流电动机从此迅速的走向实用阶段。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。 无刷直流电机(Brushless Direct Curren
7、t Motor,BLDCM)目前的应用已经十分广泛,与有刷直流电机相比其具有许多的优点,无刷直流电机工作更稳定,使用寿命更长,无噪声的工作以及更宽的速度范围。由于其在实现同转矩下使用时可以把电机做得更小,因此在对体积和重量要求比较苛刻的场合应用十分灵活。3.2 无刷直流电机的结构 无刷直流电动机(BLDCM)是一种典型的机电一体化产品,它是由定子绕组、永磁转子、相序输入和位置传感器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机,如图3-1所示。当电机正常工作时,位置传感器检测到转子磁极的位置信号,译码器则对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的信号,导通或关闭驱动桥中对应的功率管而使电动机定子各相
8、绕组按一定逻辑相序开关电源,维持电动机持续不断地转动。相序输入定子绕组位置传感器驱动桥译码器正/反转永磁转子图3-1无刷直流电动机系统的结构3.2.1定子绕组无刷电机的三相绕组线圈就是定子,也就是在电机本体中是不动的一个部分,并负责供给电机转子转动驱动力的部件。如果能给三相绕组正确的通/关电顺序,则电机便可以连续的发生扭矩,也就是能持续转动。3.2.2永磁转子永磁转子就是电机中,在定子发生磁场变化时做出扭矩的运动部件,其能发生扭矩是磁场所特有的磁场效应,也就是同极相斥,异极相吸,三相绕组就提供了这个变化的磁极,永磁转子有着固定的磁极,所以在变化的磁场中,转子便可以发生相应的扭矩,磁场有序变化时
9、就如同一根不停息的牵引转子的绳子。3.2.3位置传感器 位置传感器即电机内部的霍尔元件,作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号,为译码器提供转子的位置信号。3.2.4相序输入 相序的输入决定着定子绕组的磁场变化顺序,也就决定了永磁转子的扭矩和连贯性,同样是霍尔传感器工作的目的和起因,所以相序的输入是一个电机重要的动力来源。本设计采用的是三相带霍尔传感器的无刷直流电动机,输入有三路相序信号,输出也有三路位置传感器信号。3.3无刷直流电动机的工作原理 众所周知,一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成,其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生磁场。由于电刷换向作用,使得这两
10、个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直,从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无电刷换向,首先要求把一般直流电动机电枢绕组放在定子上,把永磁磁钢放在转子上,这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的,因为用一般直流电源给定子上各绕组供电,只能产生固定磁场,它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用,以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外,还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成换相装置,使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生永磁磁场,在空间始终
11、保持(/2)rad左右的电角度。为了更加详细的阐述这种直流无刷电动机的工作原理和特点,下面就以三相星型联结绕组无刷直流电机的控制来介绍。如图3-2,无刷电机有A、B、C三相绕组,当定子绕组在某相通电时,该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩,驱动转子旋转,每发生一次转矩,位置传感器都会有其对应的转子位置信号输出。当初始状态如途中实线所在位置,在B相通电,转子由于磁场发生变化而发生顺时针扭矩转至C-H3的位置,断开B相而通A相,转子继续发生扭矩,转至B-H2的位置,再断开A相通C相,则转子就会转至初始位置。如此看来,在三相无刷直流电机中,定子各相绕组在工作换相器件是跳跃式的,形
12、成跳跃变化的磁场角度为120/240。CVCCH3H1BAH2图3-23.4直流电动机的主要驱动方式3.4.1单极性驱动方式 就是使用单个开关驱动、斩波控制的电路,如图3-3所示,使用一个功率MOSFET开关管,并在电动机两端并接一个二极管做续流用。开关管由一个MOSFET栅极驱动器驱动,它又接受一个模拟控制器或一个微控制器的PWM斩波控制。如图3-3所示功率开关串接在电动机下方(靠近电源地),其栅极驱动器应采用低侧栅极驱动器。如果功率开关管串接在电动机上方(靠近电源正极),其栅极驱动器应采用高侧栅极驱动器。电源控制器栅极驱动二极管MOSFETM图3-3图3-4给出高侧(HS)和低侧(LS)两
13、种驱动方式。对于高侧开关,它的栅极驱动需要附加的电平提升电路,所以大多采用低侧驱动方式。典型应用是小型风机、泵的驱动。当采用斩波控制时,电流通过续流二极管续流,时间较长,损耗较大。开/关或PWM开/关续流二极管M电平提升电路M高侧开关图3-4图3-5的半桥驱动电路可以避免这个缺点。它有低损耗和快速的特点。其中的二极管VD1、VD2实际上是DMOS管的“体”二极管,这是由于工艺原因和与DMOS管一起自动生成的。这样,不必在另外附加续流二极管。另外,半桥驱动电路一个附加的优点是可实现电动机制动控制:断开VF1停止对电动机供电的同时,将VF2连续开通,电动机的电动势(EMF)经VF2短路,使电动机制
14、动。此时,如果VF2不是连续开通,而是PWM控制,可实现电动机的软制动。VD1VD2VF1VF2M图3-53.4.2双极性驱动方式 由四个功率开关组成的H桥电路(又称全桥电路),它需要两个半桥驱动器。利用H桥式电路和PWM控制实现对直流电动机正反两个方向的调速控制和伺服控制,如图3-6所示。双极性驱动也可以想单极性驱动那样,将EMF短路实现电动机制动。例如,将两个低侧开关同时开通,或将两个高侧开关同时开通。如果希望制动作用缓和些,可让短路电流过一个开关和一个二极管。双极性驱动有另一种 十分有效的制动方式反向制动,是单极性驱动不能实现的。反向制动电流的幅值大约可达到堵转电流的两倍。此脉冲电流对电
15、动机和驱动器都是有害的,它可以通过只能制动程序来避免。通过只能制动控制可获得所需的系统阻尼。VFH2OUT2OUT1VFL1VFH11MVFL21图3-6电机本体的电枢绕组为三相星型连接,位置传感器与电机转子同轴,控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号,控制动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管,使电机的各相绕组按一定的顺序工作。本设计是实现对三相无刷直流电动机的控制,控制三相的驱动桥采用的是H全桥式驱动桥控制,如图3-7所示。图3-7转子在空间每转过60电角度,定子绕组就进行一次换流,定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见,电机有6种磁状态,每一状态有两相导通,每相绕组的导
16、通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电动机的这种工作方式叫两两换相导通法,这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。就图3-7而言,所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通,每隔1/6周期(60电角度)换相一次,每次换相一个功率管,每一功率管导通120电角度。个功率管的导通顺序是Q1Q2、Q2Q3、Q3Q4、Q5Q6、Q6Q1、。当功率管Q1和Q2导通时,电流从Q1管流入A相绕组,再从C相绕组流出,经过Q2流回电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正,那么从绕组流出所产生的转矩则为负,他们合成的转矩如图3-8a所示,其大小可为Ta,方向在Ta和-Tc的角平分线上。当电动机转过60后
17、,由Q1Q2通电换成Q2Q3通电。这时,电流从Q3流入B相绕组再从C相绕组流出,经过Q2流回电源。此时合成的转矩如图3-8b所示,其大小同样为Ta。但合成转矩Tbc的方向转过60电角度。而后每次换相一个功率管,合成转矩矢量方向就随着转过60电角度,但大小始终保持Ta不变。图3-8本设计使用的电机输入输出波形如下表所示:转度电角度0 60 120 180 240 300 360 60 120 180 240 300 360机械角度0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180S1 OUTS2 OUTS3 OUTA-0+0-0+0-B+0-0+0-0C0-0
18、+0-0+从上表波形可以看出,该电机内有4对磁极转子,既8个极对数,转子每转过机械度15,相电改变一次,所以一圈需改变相电次数24次,相电每6次为一个周期,则经过4个周期,电机方可旋转一圈,从图中可知,一周期相电包含一个高脉冲的传感器输出,则电机旋转的机械转度360一次会输出4个脉冲的位置传感器信号。这为下面所提及的转速运算提供帮助。4 MC33035与MC33039的应用4.1 MC33035简介MC33035是一款高性能多功能的无刷直流电机驱动芯片,它具有开环三相或四相电机控制所需要的全部功能。该器件由一个整流序列的转子位置译码器、提供传感器电源的温度补偿参考电压、频率可编程的锯齿波振荡器
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