大功率无刷直流电机控制器的研究_于波峰.docx

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1、分类号： TM301.2 学校代码： 10406 学号： 100430111023 南昌航空大学 硕士学位论文 (专业学位研究生） 大功率无刷直流电机控制器的研究 硕士研究生： 于波峰 导 师： 王 琪 教 授 申请学位级别 ：硕士 学科、专业： 控制工程 所在单位： 信息工程学院 答辩日期： 2013年 6月 授予学位单位 ： 南昌航空大学 Research on High-power BLDC Controller A Dissertation Submitted for the Degree of Master On Control Engineering by YuBofeng Und

2、er the Supervision of Prof. WangQi School of Electronic and Informational Engineering Nanchang Hangkong University, Nanchang, China June.2013 在当今社会，环境污染问题和能源短缺问题日益突显，而电动车的出现无 疑是解决这些问题的一大法宝，并且还在很大的程度上缓解了石油资源危机和 交通方面的压力。属于电动车范畴中的电动自行车、电动摩托车以及电瓶车近 年来都有着突飞猛进的发展。最初有刷直流电机作为这类交通工具的动力系 统，但是长时间工作后发现有刷直流电机存在很

3、多缺陷。近几十年来随着永磁 新材料、集成电路、电力电子技术和控制算法的发展，尤其是功率开关器件在 驱动电路中的应用越来越成熟，无刷直流电机逐渐替代有刷直流电机，成为动 力系统中的主导力量。无刷直流电机控制技术的优劣决定了电动车系统的安全 性和稳定性。 大功率无刷 直流电机的控制系统的控制对象为无刷直流电机。文中首先介 绍了无刷直流电机的结构和工作原理经过对比后发现它比有刷直流电机更适 合作为动力系统，并对其建立微分方程和传递函数模型，从理论上熟悉无刷直 流电机的工作特性。其次，设计大功率无刷直流电机控制系统的整体结构和硬 件电路。整体结构有助于全面了解控制器的功能和控制器的重点。硬件电路中 的

4、电源电路则是整个系统工作的前提，驱动电路是控制器的基础，电流采集电 路保障了控制器的安全，而其他功能电路则体现了控制器的整体水平。如果说 硬件是系统的骨架那么软件就是系统的血液 。软件代码的好坏决定了控制系统 的安全性和稳定性。要及时完成各子任务的响应，并且在出现故障时控制器有 相应的保护能力。最后，生产的样品经过全面测试。包括测功机的整体数据测 试、不同软件结构下的数据测试以及示波器对电流波形的采集。对得到的数据 进行严格分析，对软件做进一步的修改以达到预期的目标。 根据实际测试和仿真得到的数据，证实了本课题所设计的控制器基本达到 市面上成品的标准。在电流控制和系统效率上有很好的表现，并且带

5、有 EABS、 自动巡航、静音启动、防盗报警等功能。 关键词：大功率无刷直流电机控制器，电子刹车，限流 ， PSoC Abstract Environmental pollution and energy shortage have become increasingly serious in todays society, and there is no doubt of that the electric car is a better solution to solve these problems, and also to a large extent eases the pressu

6、re of oil resources crisis the transport, the electric bicycle, electric motorcycle and electro-mobile have a rapid development in recent years, which fall in the electric car.Initially, brush DC motor, as the power system of the kind of transport, but there are many defects after working long.In re

7、cent decades, as the development of the new permanent magnet materials, integrated circuits, power electronics and control algorithms, especially the application of power switching devices in the driver circuit is more and more mature. Brush motor has gradually replaced by brushless DC motor and bec

8、ome a dominant force in the power system. The control technology of the brushless DC motor determines the security and stability of the electric car system. The control object of the high-power brushless DC motor control system is brushless DC motor.Firstly, this paper introduces the structure and w

9、orking principle of the brushless DC motor and after comparison find that it is more suitable than brush DC motor as a dynamic system, and then establish the differential equations and transfer function model. It contributes to familiar with the operating characteristics of the brushless DC motor in

10、 theory. Secondly, design the overall structure and the hardware circuit of the high-power brushless DC motor control system. The overall structure contributes to a comprehensive understanding of the functionality of the controller and the focus of the controller. The power supply circuit is the pre

11、mise of the system; the drive circuit is the basis of the controller, the current acquisition circuit to protect the safety of the controller, while the other functional circuit determines the overall level of the controller. If the hardware is the skeleton of the system, the software is blood. The

12、quality of software code determines the security and stability of the control system. The software have to response each sub-task in time, and have protection when the controller is error. Finally, the samples have been fully tested. Include the overall data of the dynamometer test, under different

13、software structure data test and the oscilloscope on the current waveform acquisition. And then rigorous analysis of the data, obtained further modifications to the software in order to achieve the desired objectives. According to the data obtained by the actual test and simulation confirmed the des

14、ign of the controller of the present subject is basically reach the standard of the product on the market. Good performance in the current control and system efficiency, and with EABS, automatic cruise, quiet startup, anti-theft alarm and other functions. Keywords: High-Power BLDC, Electronic brake,

15、 Current limiting, PSoC HI 南昌航空大学硕士学位论文 目录 目录 触 . I Abstract . II 0 录 . IV m 1 #会者 i 仑 . 1 1.1课题研究目的和意义 . 1 1.2无刷直流电机国内外发展及研究现状 . 2 1.2.1无刷直流电机国外发展现状 . 2 1.2.2无刷直流电机国内发展现状 . 3 1.3主要研究内容及结构安排 . 4 1.3.1主要研究内容 . 4 1.3.2论文结构安排 . 5 第 2章无刷直流电机的工作原理及数学模型 . 6 2.1无刷直流电机的结构和工作原理 . 6 2.1.1无刷直流电机的结构 . 6 2.1.2位置

16、传感器 . 8 2.1.3无刷直流电机的工作原理 . 9 2.2无刷直流电机的数学模型 . 16 2.2.1无刷直流电机的微分方程 . 16 2.2.2无刷直流电机的传递函数 . 20 2.3本章小结 . 22 第 3章硬件设计 . 23 3.1无刷直流电机控制系统整体设计 . 23 3.2微控制器介绍 . 24 3.2.1微控制器的选择 . 24 3.2.2 PSoC介绍 . 24 3.2.3 PSoC系统设计的优势 . 27 3.2.4 CY8C24533 . 28 3.2.5CY8C24533 内部配置 . 30 3.3硬件电路设计 . 31 3.3.1电源电路 . 31 3.3.2 M

17、OSFET驱动及保护电路 . 32 3.3.3上桥臂驱动电路设计 . 33 3.3.4下桥臂驱动电路设计 . 34 3.3.5电流采样电路 . 35 3.3.6峰值电流保护电路 . 36 3.3.7霍尔位置信号检测电路 . 37 IV 南昌航空大学硕士学位论文 目录 3.3.8转把电压检测及限速电路 . 37 3.3.9三速选择及三速指示电路 . 38 3.3.10高电平刹车及 EABS刹车电路 . 39 3.3.11电池电压采集电路 . 40 3.3.12防盗信号开启电路及故障指示电路 . 40 3.4本章小结 . 41 第 4章软件设计 . 42 4.1 鍵 . 42 4.2任务分配模型

18、. 43 4.3系统总体软件设计 . 44 4.3.1主程序流程图 . 44 4.3.2中断程序流程图 . 46 4.3.3换相补偿流程图 . 47 4.4各功能模块软件设计 . 48 4.4.1转把程序流程图 . 48 4.4.2刹车程序流程图 . 49 4.4.3巡航程序流程图 . 50 4.4.4三速度选择程序流程图 . 50 4.4.5转速计算程序流程图 . 51 4.5各保护模块软件设计 . 52 4.5.1限流程序流程图 . 52 4.5.2欠压保护程序流程图 . 53 4.5.3报警程序流程图 . 53 4.5.4故障指示程 序流程图 . 54 4.6本章小结 . 54 第 5章

19、实测数据分析及仿真 . 55 5.1实测数据与波形分析 . 55 5.1.1整体数据及波形分析 . 55 5.1.2电子刹车波形分析 . 60 5.2 Simulink仿真 . 62 5.2.1Simulink 仿真模型 . 62 5.2.2仿真波形分析 . 63 5.3本章小结 . 64 第 6章总结与展望 . 65 6.1总结 . 65 6.2 臟 . 65 参考文献 . 66 攻读硕士期间发表论文情况 . 69 麵 . 70 隱 . 71 V 南昌航空大学硕士学位论文 第 1章绪论 第 1 章绪论 1.1课题研究目的和意义 目前全球都面临环境污染和能源短缺。众多环境问题中最重要就是全球气

20、候 变暖，近年来全球的平均温度每年都有升高，二氧化碳的浓度也在逐年增加。主 要原因就是在追求工业发展过程中，一些煤和石油大量燃烧后排出大量的温室气 体。按照现有的温度增长趋势，到本世纪中期温度有可能会提高 3 4摄氏度，全 球温度变高已经影响到了人类赖以生存的环境世界各国在盲目发展经济的同时， 并没有从根本上解决环境问题，导致环境问题日益突出。其实，环境问题和能源 紧缺是有密切联系的。能源短缺问题主要体现在石油、天然气等不可再生资源的 紧缺，能源的消耗主要在一些重工业发展和以石油等为燃料的交通工具上。而能 源的短缺问题又反过来制约着这类交通工具的发展。目前 95%以上的道路交通都 要依靠石油，

21、发达国家每年一半以上的石油消耗都是用于道路交通，全世界汽车 石油消耗量占石油消耗总量的一半以上。我国目前已经成为世界石油消费的第二 大国，石油消费增长的头号大国。这一个个真实的数字给我敲响了警钟，在这种 严峻的 情况下，电动车等新型交通工具出现无疑给了人们巨大的信心。它以零污 染、高效节能的特点受到了研究人员和消费人群的亲睐。并在逐渐代替以汽油为 主的交通工具。从而在一定程度上缓解了环境污染问题和能源短缺问题给人类带 来的困扰。 电瓶车近年来的应用越来越广泛。校园 a中的观光车、各旅游景点的游览车、 各种场合的巡逻车以及高尔夫球场中的电动高尔夫球车，这些都是电瓶车应用的 实例甚至在北京奥运会上

22、都有电瓶车穿梭的身影。这类电瓶车零排放、低噪声、 能耗低，乘坐方便，节能环保以后将会成为人们最便捷的短途交通工具。作为这 类交 通工具的动力源头 一电机，无疑是最重要的一个部分。早期的直流电机由 于在结构上的缺陷，电刷的磨损比较严重在换向时还有电火花产生，所以这类电 机作为电动交通工具的动力系统就显得力不从心。近年来随着永磁新材料、微电 子技术、自动控制技术以及电力电子技术，特别是大功率开关器件的发展，无刷 电动机得到了长足的发展 1。电机控制是电动车应用中的关键，所以对无刷电机 控制技术的研究具有非常重要的意义。 本文研究了无刷直流电机的工作原理，设计了整个控制系统的硬件电路，对 驱动电路和

23、电流采集电路做了详细的分析。对比多种类型 的控制芯片后，最终本 课题选用无刷电机控制专用芯片 Cypress公司的 CY8C24533单片机作为主 1 南昌航空大学硕士学位论文 第 1章绪论 控芯片。其内部的 PWM模块以及 SAR8逐次逼近式 AD模块使其在对大功率无 刷直流电机的控制上具有明显的优越性。 1.2无刷直流电机国内外发展及研究现状 1.2.1无刷直流电机国外发展现状 无刷直流电机是从有刷直流电机上发展起来的，确切的说是由发电机发展而 来的。1831年法拉第发现电磁感应定律，从这开始才有了电机的发展。 1840年 左右，世界上第一台直流电机问世。有刷直流电机依靠它在转矩特性方面的

24、优势， 作为动力系统的中枢元件在各种领域和场合都得到了广泛的认可。不过在众多场 合的应用下也暴露出了有刷直流电机的一个非常大的缺陷 - 机械电刷。长时间 使用后，电刷的磨损非常严重并且还容易与电枢之间产生电火花，带来了噪声、 无线电的干扰等一系列的问题，不仅如此，传统的有刷直流电机制造成本高，维 修困难，以上这些都是有刷直流电机的隐患。正因如此，早在 18世纪 20年代， Bonger就提出了一个新的思想，并找到整流管代替机械电刷，无刷直流电机的 基本雏形问世 2。 1930年左右，一些科学家开始从电子换相中寻求突破，为无刷 直流电机的出现奠定了基础。但由于大功率电子器件的限制，没能找到理想的

25、电 子换相器件，使得这种可靠性差、效率低下的电机只能停留在实验室阶段，在真 正的应用中却始终没有发展起来。 1950年左右，美国籍科学家德文 哈里斯与他 的同事共同研制出用电子换向电路代替有刷直流电机中的换向器和电刷来完成 换向工作，并申请了专利。无刷直流电机从此诞生，也是现代无刷直流电机 的雏 形 34。它的工作原理是，当有转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的感应 电动势，根据感应电动势驱动某一组晶体管导通，依次进行使响应的绕组轮流导 通，就完成了换流。但是这种电机同样存在一些问题。首先，该电机无启动转矩 , 当转子静止时，绕组内不会感应出电势，晶体管不能导通同时导致功率绕组无法 导通。其

26、次，晶体管的功率消耗过大。为了改进这些缺陷，一些学者经过不断的 试验和多次实践，最终依靠霍尔元件实现电子换相从而解决了问题，开拓出无刷 直流电机产品化的新时代。在接下来的 10几年中，还出现了比霍尔元件 更为灵 敏的磁敏二极管，伴随着永磁材料的问世（如钕铁硼、铝镍钴细永磁材料 ） 以及 电子产业和半导体功率器件的发展，为无刷直流电机的广泛应用打下了一定的基 础 5 6 7。 20世纪80年代左右，原联邦德国 Indmmat公司在一次贸易展会上， 向人们展示出了他们的经典的关于无刷直流电机控制的驱动电路和电机 91 。在 之后的几年时间里，各国的科学家和学者根据展会上的控制电路为原型进行了深 入

27、的分析和研究，先后成功研制出方波和正弦波作为驱动信号的无刷直流电机。 2 南昌航空大学硕士学位论文 第 1章绪论 在此之后，无刷直流电机逐渐代替其他电机开始成为电机中绝对主导，在国际上 也迅速发展起来 11。 近年来，随着电力电子技术和集成电路以及控制技术的发展，无刷直流电机 的应用已经涉及到，汽车、航空航天、家用电器等很多领域。一方面归于电子技 术的发展，另一方面驱动电路的成本降低也是很大的一个因素。 在国外无刷直流电机的应用主要在航空航天、办公设备及家用电器中。在电 动交通工具中，如电动自行车中的应用却不是那么广泛，主要因为国外的电动车 行业还没有像国内发展那么快。在澳大利亚使用电动自行车

28、的人就很少，基本上 家家都有私家车来作为代步工具，再就是即使一些自行车爱好者也不亲睐这类动 力车，更喜欢单纯的自行车还可以依靠它来锻炼身体。而在日本，电动自行车价 格较贵，用的人不多。目前一台电动自行车的最低价格近 7万日元，最贵的大约 12万日元。电动自行车在日本不流行主要由两个原因，一个是居住地基本上都 有比较方便的公共汽车站，再就是大部分家庭还是主要依靠汽车。并且在日本必 须通过驾 照考试后才可以驾驶电动自行车。不过随着人们环保意识的提高，相信 在未来一段时间内电动自行车行业在国外也会有比较好的发展。 1.2.2无刷直流电机国内发展现状 国内无刷直流电机的发展始于 70年代初期，由于主要

29、应用在军工方面和航 空方面，要求的数量不是很多而是更注重精度，主要集中在一些和军工单位有合 作项目的科研机构和高等院校中 12，所以发展并不广泛。经过几十年的发展虽 然国内也有一系列的产品，但由于我国电子元件档次不高，科研水平和制造水平 也与国外相比有差距，关键还是理论与实践的结合不好，既有很多疑难问题 没有 解决，同时也很难真正转化到实际的应用中。所以国内无刷直流电机的总体水平 与国外相比还有一段距离，还有待进一步的研究和发展。不过近年来，国内中小 型电机和微特电机行业的发展也是有目共睹。表 1-1是 2004 2008年我国中小 型电机行业产品销售量的收入的不完全统计。其中，由于无刷直流电

30、机具有寿命 长、效率高、噪声低以及较好的转矩特性和低污染等优点，在电动汽车、家电、 航空等行业也取得了很好的发展 13。 表 1-1 2004 2008年中小电机销售量和销售收入统计表 年份 2004 im 200 mi 200S 产品髓 i iGto 賺 i抑 13336 产品收入万元 p 1560卿 2_ mm 3130198 3 南昌航空大学硕士学位论文 第 1章绪论 中小电机的发展主要得益于电动自行车行业的发展。国内的电动自行车行业 比国外发展的更好，主要是因为国内的消费人群比国外更多并且价格也能为大多 数人所接受。当然还有一个原因是国家政策的支持，因为电动车被认为纯正的 “ 绿 色

31、” 交通工具，不需要消耗石油、天然气等燃料，对现在越来越严重的能源问题 和环境问题都有缓解作用。 如图 1-1所示为近几年来电动车的年产销量图，从 2002年到 2007年电动自 行车的年产销量连续五年増长，最初几年增长率已超过 50%，但是随着市场的饱 和 2007年的增长率就仅仅只有 10%左右。到 2008年和 2009年收到全球经济危 机的影响，首次呈现出连续两年产销量下降的情况。不过在 2010年产销量达到 2400万辆，这是连续两年产销量下降后的首次上扬，相比 2009年增长率提高了 将近 20%。至此电动自行车行业 又进入了稳步发展的阶段。 20022003 2004 2005

32、2006 2007 2008 2009 2010 产销暈 增长率 1 图 1-1电动自行车年产销量 1.3主要研究内容及结构安排 1.3.1主要研究内容 本课题主要研究对象是大功率无刷直流电机控制器，首先对控制器的控制对 象无刷直流电机的结构和工作原理进行详细的研究，对无刷直流电机建立微分方 程和传递函数。然后设计整个控制系统的硬件电路，编写相应的控制代码以及保 护子程序。最后对在测功机上测试的数据和电流波形以及仿真的波形进行了详细 分析。研制出一款大功率的控制器可驱动 1500W无刷直流电机，限流在 50A左 右，并带有 EABS等多种功能。具体研究内容有以下几个方面： 4 南昌航空大学硕士

33、学位论文 第 1章绪论 (1) 对控制对象无刷直流电机进行原理性的分析主要是关于驱动和换相的 策略问题，并与有刷直流电机对比分析。 (2) 建立了无刷直流电机的微分方程和传递函数模型，从理论上了解了无 刷直流电机的工作原理。 (3) 设计了大功率无刷直流电机控制系统的硬件部分：通过对比选用合适 的微控制器芯片，设计的主要电路有：电源电路、驱动电路、电流采集电路和其 他功能性电路。 (4) 在设计的硬件电路基础上，完成软件代码的编写。包括主程序、中断 程序和各子程序。并对软件结构进行了优化。 (5) 对控制器样本进行整体测试，对测功机上测试的整体数据和示波器采 集到的电流进行分析。并与 Matl

34、ab/Simulink仿真的结果进行对比。 1.3.2论文结构安排 本论文总共包括 6章，各章节内容安排如下： 第一章为绪论部分。介绍了本课题研究目的和意义，并对国内外无刷直流电 机的研究现状进行以及国内电动自行车行业的发展进行概述。大体介绍了本课题 的研究工作和论文结构安排。 第二章为无刷在直流电机的原理部分介绍。详细分析了无刷直流电机的结构 和工作原理并与有刷直流电机进行对比。建立了无刷直流电机的微分方程和传递 函数模型。 第三章为硬件设计部分。设计了大功率无刷直流电机控制系统的整体框架， 选用Cypress公司的 CY8C24533作为微控制器芯片，对其进行详细介绍。设计 的硬件电路主要

35、包括：电源电路、驱动电路、电流采集电路和其他电路。 第四章为软件设计部分。编写了相应的软件代码，并对软件结构进行了对比 和优化，选用了更合适无刷直流电机控制的软件结构。 第五章为数据分析部分。主要对在测功机上测得的整体数据，示波器采集的 电流波形以及仿真的数据进行对比分析。 第六章为总结和展望部分。 5 南昌航空大学硕士学位论文 第 2章无刷直流电机的工作原理及数学模型 第 2章无刷直流电机的工作原理及数学模型 无刷直流电机由固定的电枢绕组作为定子和可旋转的永磁体作为转子所组 成，按照电机转动时产生的反电动势波形主要可分为两种类型：反电势为正弦波 的永磁同步电机和反电势为梯形波的无刷直流电机，从严格意义上来讲，无刷直 流电机指的是那种仅仅具备直流电机特性的电机。 2.1无刷直流