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无刷直流电机在电动车辆中的应用

无刷直流电机在电动车辆中的应用
无刷直流电机在电动车辆中的应用

无刷直流电机的驱动及控制

无刷直流电机驱动 James P. Johnson, Caterpiller公司 本章的题目是无刷直流电动机及其驱动。无刷直流电动机(BLDC)的运行仿效了有刷并励直流电动机或是永磁直流电动机的运行。通过将原直流电动机的定子、转子内外对调—变成采用包含电枢绕组的交流定子和产生磁场的转子使得该仿效得以可能。正如本章中要进一步讨论的,输入到BLDC定子绕组中的交流电流必须与转子位置同步更变,以便保持磁场定向,或优化定子电流与转子磁通的相互作用,类似于有刷直流电动机中换向器、电刷对绕组的作用。该原理的实际运用只能在开关电子学新发展的今天方可出现。BLDC电机控制是今天世界上发展最快的运动控制技术。可以预见,随着BLDC的优点愈益被大家所熟知且燃油成本持续增加,BLDC必然会进一步广泛运用。 2011-01-30 23.1 BLDC基本原理 在众文献中无刷直流电动机有许多定义。NEMA标准《运动/定位控制电动机和控制》中对“无刷直流电动机”的定义是:“无刷直流电动机是具有永久磁铁转子并具有转轴位置监测来实施电子换向的旋转自同步电机。不论其驱动电子装置是否与电动机集成在一起还是彼此分离,只要满足这一定义均为所指。”

图23.1 无刷直流电机构形 2011-01-31 若干类型的电机和驱动被归类于无刷直流电机,它们包括: 1 永磁同步电机(PMSMs); 2 梯形反电势(back - EMF)表面安装磁铁无刷直流电机; 3 正弦形表面安装磁铁无刷直流电机; 4 内嵌式磁铁无刷直流电机; 5 电机与驱动装置组合式无刷直流电机; 6 轴向磁通无刷直流电机。 图23.1给出了几种较常见的无刷直流电机的构形图。永磁同步电机反电势是正弦形的,其绕组如同其他交流电机一样通常不是满距,或是接近满距的集中式绕组。许多无刷直流电

直流无刷电机的控制技术

直流无刷电机的控制技术 摘要围绕直流无刷电机控制运用广泛技术——基于DSP的控制系统进行了系统研究,采取模糊控制策略,设计出上位监控系统,数字化、智能化的控制系统提出方案,实践证明了系统的平稳性和快速性满足要求。 关键词直流无刷电机;DSP控制;模糊控制 0引言 数字信号(Digital Signal Processing ,DSP)是涉及很多学科,它广泛被用于很多学科与技术领域。数字信号处理器称为DSP芯片,适用在数字信号处理运算的微处理器,能够快速的在数字信号处理算法上实现。现今,DSP芯片用于运动上的控制、数控机床的控制、航天航空的控制、电力系统上的操作、自动化仪器的控制等各个领域[1],该文主要介绍这种基于DSP芯片控制直流无刷电机智能化控制系统的设计。 1 系统结构设计 系统组成由“PC 上位机、电源单元、TMS320LF2407 DSP芯片、无刷直流电机、检测单元、功率驱动模块、通讯接口”等。(见图1) 1.1 DSP芯片的选择 DSP芯片的选择是很重要的,选对了DSP芯片才能设计出其外围电路和其他电路。DSP芯片的选择要根据实际的应用系统进行确定。DSP芯片由于场合不同选择的也就不同,我们要考虑DSP芯片的运算速度、价格、运算精度、功耗、硬件的资源等。我们根据系统要求,选择TI公司TMS320LF2407芯片。 1.2无刷直流电机 该电机采取1500转/分, 无刷直流电机采用1.78A、27V电压进行供电,电机换向电路主要是由控制和驱动组成,直流无刷电机自身属于机电能量转换部分,该部分由电机电枢、永磁、传感器组成。我们把电机的电轴绕组在定子上、把永磁放在转子上,其目的是为了实现换向。无刷直流电机的工作方式是两相导通的星型3相6状态,这样操作方式是因为转子在旋转定子电流中进行不断换相来保证两个磁场电流方向不发生改变,控制3相定子电流通电顺序与大小控制电机旋转的速度。 1.3功率的驱动模块 TOSHIBA公司采用IPM系列智能型模块,IPM主要集成了检测、控制、逻辑、保护电路这样有效提高了稳定性与可靠性。东芝的高速光耦TLP550(F)是

无刷直流电机控制系统的设计

1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在,无刷直流电机定义有俩种:一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机,而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体,带转子位置信号,通过电子换相控制的自同步旋转电机”,其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义,把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始,由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展,家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展,电机作为设备的重要组成部分,必须具有精度高、速度快、效率高等优点,因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代,第一台直流电动机研制成功,经过70多年不断的发展,直流电机进入成熟阶段,并且运用广泛。 1955年,美国的D.Harrison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,形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初,霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现,标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初,德国人Blaschke提出矢量控制理论,无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高,极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年,在北京举办的德国金属加工设备展览会上,西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器,引起了我国有关学者的注意,自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前,我国无刷直流电机的系列产品越来越多,形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展,无刷直流电机发展的初期,由于大功率开关器件的发展处于初级阶段,性能差,价格贵,而且受永磁材料和驱动控制技术的约束,这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内,都停

无刷直流电机控制技术综述

龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/9113103561.html, 无刷直流电机控制技术综述 作者:黄秀勇 来源:《山东工业技术》2017年第14期 摘要:在十九世纪电机诞生的时候,其中实用性的电机就是无刷的形式,其得到了广泛 的运用,随着时代的发展,在上世纪中叶的时候晶体管诞生,直流无刷电机也随之应运而生,无刷直流电机的应用十分广泛,在各个领域都有涉猎。 关键词:直流无刷电机;技术研究;控制技术 DOI:10.16640/https://www.doczj.com/doc/9113103561.html,ki.37-1222/t.2017.14.201 0 引言 经过不断的演变与发展,无刷直流电机综合了交流电机和直流电机的全部优点出现在人们的视野当中,它的出现大大的提高了生产的效率,减少了能源的消耗,得到了广泛的应用和普及。在电机领域中,新型无刷电机的品种众多,其性能和价格都不尽相同,就其的控制来说具有多种方法。 1 无刷直流电机的特点 随着科技的发展,无刷直流电机的出现代替了许多传统的电机,在各个领域都得到了广泛的应用,它具有传统直流电机的全部优点,但同时又除去了碳刷、滑环结构,它在投入使用的过程中具有速度很低的优点,这就大大的减少了用电率,虽说其速度低但其产生的功率却十分巨大,其体积小、重量轻的优点省去了减速机的超大负载量,在使用的过程中效率十分高。由于其除去了碳刷,所以减少了很多消耗,这就使它的省电率相当高,再加上其在运作时不会产生火花,对于一些爆炸性的场所来说更具备安全性,对其的维修和保养方面来说也是十分容易的。综合其特点来看,和其他种类的电机相比其优异性非常显著,因此,无刷直流电机凭借着其充分的优势在很多场合都发挥着重要的作用。 2 转子位置检测技术 逆变器功率器在进行运转的时候,转子在进行运转的时候位置会发生改变,在其位置发生改变的同时会触发组合,使其组合的状态进行不同的改变,这就是无刷直流电机的运行原理,由此看来,想要准确的控制无刷直流电机的运行就必要确保转子的位置,与此同时还要对转子触发的功率器件组合进行相应准时的切换,想要做到这一点是相当困难的。 通过科技水平的不断提高,相关学者提出了检测转子位置的一种新的办法。首先准备一些非磁性导电质地的材料,把这些材料粘在永磁转子的外部;其次,相关设备在工作时会使非磁性材料上产生涡流效应,进而使转子的位置发生相应的改变,最后通过观察检测电压来确定转

51单片机直流无刷电机控制

基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机 学号:3100501044 班级:电气1002 :王辉军

摘要 直流无刷电机是同步电机的一种,由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等),转子由永久磁钢按一定极对数(2p=2,4,…)组成。电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响: N=120.f / P。在转子极数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器),控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正,以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载围当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 MCS-51单片机是美国英特尔公司生产的一系列单片机的总称,是一种集成电路芯片,采用超大规模技术把具有数据处理能力的微处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入输出接口电路、定时计算器、串行通信口、脉宽调制电路、A/D转换器等电路集成到一块半导体硅片上,这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。 本论文将介绍基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机的设计,它可以实现控制直流无刷电动机的启动、停止、急停、正反转、加减速等功能。 关键词:单片机,直流无刷电动机,控制系统

直流无刷电动机是在直流电动机的基础之上发展而来的,它是步进电动机的一种,继承了直流电动机的启动转矩大、调速性能好等特点克服了需要换向器的缺点在交通工具、家用电器及中小功率工业市场占有重要的地位。直流无刷电动机不仅在电动自行车、电动摩托车、电动汽车上有着广泛的应用,而且在新一代的空调机、洗衣机、电冰箱、吸尘器,空气净化器等家用电器中也有逐步采用的趋势,尤其是随着微电子技术的发展,直流无刷电动机逐渐占有原来异步电动机变频调速的领域,这就使得直流无刷电动机的应用围越来越广。 本设计就是基于MCS-51系列单片机控制直流无刷电动机,利用所学的知识实现单片机控制直流无刷电动机的启动、停止、急停、正反转,加减速等控制,并对直流无刷电动机运行状态进行监视和报警。详细介绍单片机的种类、结构、功能、适用领域和发展历史、未来前景及其直流无刷电动机的工作原理、控制结构等容,既着重单片机的基本知识、功能原理的深入阐述,又理论联系实际详细剖析单片机控制直流无刷电动机的过程。 1.直流无刷电动机的基本组成 直流无刷电动机是在直流电动机的基础上发展而来的,直流无刷电动机继承了直流电动机启动转矩大、调速性能好的优点,克服了直流电动机需要换向器的缺点,在交通工具、家用电器等生活的方方方面面占有重要的地位。 由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点,故在当今国民经济各领域应用日益普及。 直流无刷电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等),转子由永久磁钢按一定极对数(2p=2,4,…)组成。图3-1所示为三相两极直流无刷电机结构。 三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结,A、B、

开题报告无刷直流电机的控制系统

合肥师范学院本科生毕业论文(设计)开题报告 (学生用表) 装 订 线

第l章主要叙述了无刷直流电机的发展趋势、无刷直流电机的控制技术、研究背景及意义。 第2章首先介绍了无刷直流电机的基本结构和工作原理,然后给出了常见的无刷直流电机的数学模型及其推导过程,在此基础上对无刷直流电机的稳态特性进行了详细分析。 第3章对本控制系统的总体结构和设计进行介绍。主要包括控制系统的整体方案,控制芯片,控制技术以及控制策略的选择。 第4章对控制系统的硬件电路进行设计,包括DSP最小系统、功率驱动电路、采样检测电路、保护电路等的设计,并对各个部分进行了详细的分析。 第5章以TI公司的CCS开发环境为开发工具,对整个控制系统的软件部分进行了设计。 第6章总结与展望,总结了本文的主要工作,展望了以后工作的研究方向。 五、可行性分析 此次研究是在指导老师的指导下搜集,查阅相关资料,确定能够通过应用DSP 芯片进行控制是最优方案,采用TI公司的TMS320F2812作为控制器。根据现在无刷直流电机的控制技术的发展水平和未来的发展趋势及可操作性进行分析,该课题能够顺利进行。 六、设计方案 6.1无刷直流电机的基本结构 无刷直流电机的设计思想来源于利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器。普通有刷直流电机由于电刷的换向作用,使得电枢磁场和主磁场的方向在电机运行的过程中始终保持相互垂直,这样能够产生最大的转矩,从而驱动电机不停地运转下去。无刷直流电机取消电刷实现了无机械接触换相,做成“倒装式直流电机"的结构,将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子侧。无刷直流电机必须具有由控制电路、功率逆变桥和转子位置传感器共同组成的换相装置以实现电机速度和方向的控制[5]。因此,可以认为无刷直流电机是典型的机电一体化器件,其基本结构由电动机本体、驱动控制电路及转子位置传感器三部分组成,如图所示。 无刷直流电机的构成 6.2无刷直流电机的工作原理 普通直流电机的电枢在转子上,而定子产生固定不变的磁场。为了使直流电机旋转,需要通过换相器和电刷不断地改变电枢绕组中电流的方向,使两个磁场的方向始终保持相互垂直,从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转[6]。 无刷直流电动机为了去掉电刷,将电枢放到定子上,而转子做成永磁体,这样的结构正好与普通直流电动机相反。然而即便是这样的改变仍然不够,因为直流电通入定子上的电枢以后,产生的不变磁场还是不能使电动机转动起来。为了达到使电动机

无刷直流电机控制系统的设计

无刷直流电机控制系统 的设计 Pleasure Group Office【T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT18】

1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在,无刷直流电机定义有俩种:一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机,而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体,带转子位置信号,通过电子换相控制的自同步旋转电机”,其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义,把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始,由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展,家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展,电机作为设备的重要组成部分,必须具有精度高、速度快、效率高等优点,因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代,第一台直流电动机研制成功,经过70多年不断的发展,直流电机进入成熟阶段,并且运用广泛。 1955年,美国的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,形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初,霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现,标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初,德国人Blaschke提出矢量控制理论,无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高,极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年,在北京举办的德国金属加工设备展览会上,西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器,引起了我国有关学者的注意,自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前,我国无刷直流电机的系列产品越来越多,形成了生产规模。

基于单片机的无刷直流电机的控制系统

绪论 随着计算机进入控制领域,以及新型的电力电子功率器件的不断出现,采用全控型的开关功率元件进行脉冲调制(paulse width modulation,简称PWM)控制的无刷直流电机已成为主流。随着半导体工业,特别是大功率电子器件及微控制器的发展,变速驱动变的更加现实且成本更低。 本文充分利用单片机的数字信号处理器运算快、外围电路少、系统组成简单、可靠的特点,将其应用于无刷电机的驱动设计。实验表明,该设计使得无刷直流电机的组成简化和性能的改进成为可能,有利于电机的小型化和智能化。 (一)电机的分类 电机按工作电源种类可分为: 1.直流电机 (1)有刷直流电机 ①永磁直流电机 ·稀土永磁直流电动机 ·铁氧体永磁直流电动机 ·铝镍钴永磁直流电动机 ②电磁直流电机 ·串励直流电动机 ·并励直流电动机 ·他励直流电动机 ·复励直流电动机 (2)无刷直流电机 稀土永磁无刷直流电机 2.交流电机 (1)单相电动机

(2)三相电动机 (二)无刷直流电机及其控制技术的发展 1831年,法拉第发现了电磁感应现象,奠定了现代电机的基本理论基础。从19世纪40年代研制成功第一台直流电机,经过大约17年的时间,直流电机技术才趋于成熟。随着应用领域的扩大,对直流电机的要求也就越来越高,有接触的机械换向装置限制了有刷直流电机在许多场合中的应用。为了取代有刷直流电机的电刷-换向器结构的机械接触装置,人们曾对此作过长期的探索。1915年,美国人Langnall发明了带控制栅极的汞弧整流器,制成了由直流变交流的逆变装置。20世纪30年代,有人提出用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机,但此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重又复杂而无实用价值。 科学技术的迅猛发展,带来了电力半导体技术的飞跃。开关型晶体管的研制成功,为创造新型直流电机——无刷直流电机带来了生机。1955年,美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想,这就是无刷直流电机的雏形。它由功率放大部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成,其工作原理是当转子旋转时,在信号绕组中感应出周期性的信号电动势,此信号电动势份别使晶体管轮流导通实现换相。问题在于,首先,当转子不转时,信号绕组内不能产生感应电动势,晶体管无偏置,功率绕组也就无法馈电,所以这种无刷直流电机没有起动转矩;其次,由于信号电动势的前沿陡度不大,晶体管的功耗大。为了克服这些弊病,人们采用了离心装置的换向器,或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动。但前者结构复杂,而后者需要附加的起动脉冲。其后,经过反复的试验和不断的实践,人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置,从而为直流电机的发展开辟了新的途径。20世纪60年代初期,接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世,之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。半导体技术的飞速发展,使人们对1879年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣,经过多年的努力,终于在1962年试制成功了借助霍尔元件(霍尔效应转子位置传感器)来实现换相的无刷直流电机。在⒛世纪70年代初期,又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相

三相无刷直流电机控制系统设计

广东工业大学 硕士学位论文 三相无刷直流电机控制系统设计姓名:孙心华 申请学位级别:硕士专业:电力电子与电力传动指导教师:童怀 20080501 摘要 摘要 三楣无刷直流电机是近年来迅速发展起来的一种新型电机,它剃用电子挨耀代替机械换相,既具有直流电机的调速性能,又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点,并且体积小、效率高,在许多领域已得到了广泛的运用。本文首先介绍了三相无捌直流电机在国内外的发展及其控制系统的研究现状,详细论述了三相永磁无刷直流电机的构成、运行原理、特性分析和其转子位置信号的检测方法;然后设计了控制系统的硬件电路及相应软件,最后对设计的控制系统进行调试并分析了影响系统可靠性的睽素及给毒了相应解决的方案。根据控制系统的设计参数、成本及灵活性等各方面的要求,本控制系统设计了以A tmega8L单片机及ECN30206集成驱动器为核心的硬件平台。Atmega8L 单片枫对蠢ECN30206构成豹功率驱动电路进行转速PID闭环控制、并定时采集电流信号对电流进行过流保护及采用 Max7219串行显示转速、电流、相关故障信息, 通过光电隔离对永磁无刷直流电机诸如转向等控制及接收外部信息,通过RS- 485总线接蹬与外部其它系统交换信怠、对各种信息进行分析处理、协调各部分的工作。 在软件方面编制了基于硬件平台的程序,协调硬件工作。本控制系统软件由 一个前意念系统努加两个中断服务子程序,前看台主程序豳对系统初始化模块、 转子转速计算及转速PID闭环控制组成,初始化模块主要对A tmega8L单片机三个

定时器T0、T1、T2,ADC转换器,通用串行口U ART,输入输出I/O口的初始化, 系统初始化之后再对无刷直流电机转子转速进行计算,计算结果再与设定值进行比较,将比较差值送PID控制器控制PWM的占空比来控制专用驱动控制器ECN30206 的VSP引脚电压输入,从而控制转速,达到闭环控制的目的,中断程序主要惩来睾 行中断接收上位枫发来的无刷直流电机转向及转速设定僮、定时中断检测电流 及显示转速值及相关故障。 本文所设计的无刷直流控制系统实现了电机的转向、转速闭环PID控制、各 种参数及故障的显示。本控制系统保护功能较完善,硬件结构简单,成本较低, 主 控制部分、驱动部分及显示部分用户可以任意选择使用。 广东工业人学工学硕上学位论文 关键词:三相无刷直流电机;Atmega8L单片机; ECN30206集成驱动器;PID闭环控制 Abstract Ab stract Three phase brushless DC motor(BLDCMwith permanent excitation,whose electrical commutator iS used to instead of mechanical,has not only the same good characteristics of speed control as traditional DC motor,but also the good characteristics of AC Motor such as structure simple,operation reliable,maintenance friendly.Brushless DC motor has set wide application due to its high power density,ease to control,high efficiency over wide speed range. The paper firstly introduced the study status of permanent magnet brushless DC motor in home and abroad,and then discussed its structure,operation principles, characteristics as well as its rotor position signal detection methods in detail;secondly, designed

基于TMS320F2812的无刷直流电机控制

基于TMS320F2812的无刷直流电机控制 以前一个项目里有一部分是使用2812控制无刷直流电机,这里分享一下软硬件设计和程序代码: 1.无刷直流电机的结构和换相原理 无刷直流电机的本体在结构上与永磁同步电动机相似,但没有笼型绕组和其他启动装置。其转子采用永磁材料制成,而定子上有多相电枢绕组,绕组相数分为两相、三相、四相和五相,但应用最多的是三相和四相。各相绕组分别与外部的电力电子开关电路中相应的功率开关器件连接,位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。 当定子绕组的某一相通电时,该相电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用产生转矩,驱动转子旋转,再由位置传感器将转子位置变换成电信号去控制电力电子开关电路,从而使定子各相绕组按一定次序导通,定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相,这就是直流无刷电动机的换流原理。由于电力电子开关电路的导通次序是与转子转角同步的,因而起到了机械换相器的换相作用。基于TMS320F2812的无刷直流电机控制系统结构图如图1所示。图1中,直流电源通过开关电路相电动机定子绕组供电,位置传感器采用了霍尔传感器,可不断检测转子当前位置,DSP控制器根据当前位置信息来判断哪一相绕组被接通,进而控制开关管的导通与截止,实现电机的换相。 直流无刷电动机控制系统结构图1 图

2 电子换相器的工作原理图图图2给出了一个三相无刷直流电机电子换相原理图。图中符号H1、H2和H3表示三个霍尔位置传感器,它们输出电平信号。当电机的转子运行到x-u平面的正半周(图中虚线标出的区间),则H1传感器输出高电平。同理,当电机的转子分别运行到y-v和z-w,平面的正半周(图中虚线标出的区间),则对应的H2和H3分别输出高电平。由图可见,H1、H2和H3输出 高电平的区间是互有重叠的,如果将H1、H2和H3的输出电平组合成一个向量[H1 H2 H3],则可以得到6种有效组合:[001]、[010]、[011]、[100]、[110]和[101],每种组合覆盖整个圆周的1/6(即60°)。控制器根据这六个状态组合来决定开 关电路的哪一相被接通以维持电机的运行,当状态发生变化时,就必须进行相位的切换。对于电机的三相绕组,A、B和C,采用ANC表示直流母线电压施加 到A-C绕组之间;CNA则表示直流母线电压施加到C-A绕组之间,其他类似。注意ANC电流从A→C,而CAN电流从C→A,作为直流电机,绕组电流相反意味着受力是相反的,会导致电机反向转动。 图3给出了6种状态组合下对应的通电绕组的情况,例如在状态[001]通电绕组 是ANB。如果电机正转,则下一个组合状态为[101],故应将通电绕组切换为ANC;同理,如果电机反转,则下一个组合状态为[101],故通电绕组应该切换为CNB,以次类推。表1给出了电机正向旋转时,转子位置传感器输出的状态组合[H1 H2 H3] 给出了电机反转时的情况。2与下一个导通绕组之间的对应关系。 表.

浅谈无刷直流电机控制的两种模式

浅谈无刷直流电机控制的两种模式 【摘要】:文章以无刷直流电动机为控制对象,分别介绍了以PIC18F2431单片机和DSP作为电机的主要控制芯片所构成的电机控制系统及其工作方法。 【关键词】:无刷直流电;控制芯片;PIC18F2431单片机;DSP 直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用,也可作为电动机使用,用作直流发电机可以得到直流电源,而作为直流电动机,由于其具有良好的调速性能,在许多调速性能要求较高的场合,仍得到广泛使用。对于无刷直流电机的控制,从控制硬件主体来说,可以有多种选择。其中包括单片机、DSP、FPGA等,文章将具体论述两种常见的分别由单片机和DSP作为电机的主要控制芯片的电机控制系统。 一、使用单片机作为无刷直流电机控制的主体 采用美国微芯公司生产的PIC18F2431作为无刷直流电机的主控芯片,其引脚如图1所示。该芯片具备所有PIC18 单片机固有的优点,即以及高耐久性的增强型闪存程序存储器和高速10 位A/D 转换器。除了这些优点之外,该芯片还增强了器件设计,使得其成为电机控制应用的良好选择,其中包括插入可编程死区时间的14 位分辨率功率控制PWM 模块、运动反馈模块(Motion Feedback Module,MFM)包含一个3 通道输入捕捉(Input Capture,IC)模块和正交编码器接口(Quadrature Encoder Interface,QEI),这些功能使得电机控制变得较为方便。 直流无刷电机是同步电机的一种,也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响:N=120f / P。在转子极数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器),控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正,以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。当采用PIC18F2431单片机进行电机控制的时候,原理图如图2所示。PIC18F2431 单片机RB 口是PWM 调制脉冲的输出口, IC1 、IC2 和IC3 用于测量来自转子磁钢位置传感器的信号HA、HB 和HC ,RC1 是限流保护输入口,内部有比较模块。 在直流无刷电动机运行过程中,只要控制了输出PWM 脉冲的占空比,就实现了对直流无刷电动机转速的控制。在本系统中,将流过电动机转子的主电路电流Ia 经过取样电阻r连接到地,则得到电压u = r ×Ia,与电动机的电流Ia成正比例关系。当u0 = u 时,则表示给定的转速与电动机的转速相等,保持该占空比不变则可以使直流无刷电动机正常工作。当u0 〉u 时, 说明此时给定的电流比流经电动机转子的电流大,必须提高输出PWM 脉冲的占空比, 增大输出PWM 脉冲的平均电压,从而提高流过电动机转子的电流。提高输出PWM 脉冲的占空比也

无刷直流电机控制器的设计

无刷直流电机控制器的设计 3.1 无刷直流电机控制器的概述 无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简 单无需维护的优点,因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。在电机转速控制方面,绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。目前,数字调速系统主要采用两种控制方案:一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备投资,提高装置的可靠性,但不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制,应用范围广,且灵活方便。 电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心,它主要完成以下功能:对各种信号进行逻辑综合,以给驱动电路提供各种控制信号;产生PWM调制信号,实现电机的调速;对电机进行速度环和电流环调节,使系统具有较好的动态和静态性能;实现短路、过流、欠压、堵转等故障保护功能。 现代控制技术的发展与微处理器的发展息息相关,可以说,每一次微处理器的进步都推动了控制技术的一次飞跃。在微处理器出现之前,控制器只能由模拟系统构成。由模拟器件构成的控制器只能实现简单的控制,功能单一、升级换代困难,而且由分立器件构成的系统控制精度不高,温度漂移,器件老化严重,使得维护成本增高,限制了它的发展和应用范围。随着微处理器的迅速发展和推广,控制器由模拟式转换成了数模混合式,并进一步发展到全数字式,技术的进步使得许多模拟器件难以实现的功能都可以方便地用软件实现,使系统的可靠性和智能化水平大大提高。在电机转速控制方面,绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。目前,数字调速系统主要采用两种控制方案:一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备投资,提高装置的可靠性,但不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制,应用范围广,且灵活方便[9][10]。 控制器是电动自行车的驱动系统,它是电动自行车的大脑。其主要作用是在保证电动自行车正常工作的前提下,提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护

无刷直流电机控制方案.pdf

无传感器无刷直流电机系统设计 朱明程、吕利昌《测控技术》2000年第8期 摘要:本文介绍了一个无传感器BLDC(无刷直流电机)系统的结构组成,该系统以Motoro la的MC68HC705MC4作为控制芯片。并详细讨论了系统的硬件构成、无位置传感器系统的控制算法和控制程序的各主要功能模块。 关键词:无传感器;PWM;BLDC 近年来,电力电子技术的飞速发展带动了电机行业新的革命。无位置传感器无刷直流电机(B LDC)具有无换向火花、无无线电干扰、寿命长、运行可靠、维护简便等有点,而且不必为一般无刷直流电机所必须的位置传感器带来的对电机体积、成本、制造工艺的较高要求和抗干扰性差问题而担忧,因此应用前景广阔。 国内外的学者对无位置传感器的无刷直流电机已进行了多年的研究,提出过不少方案。本文所述的方案,是建立在电机定子绕组反电动势检测原理的基础上。 1. 无传感器BLDC应用系统结构 选择如图1所示的系统结构。该设计结构简单、成本低。 2. 系统控制程序设计与讨论 2.1 控制算法 控制算法有两种: 第一种方法是通过计算基于相的反电动势过零点的转换事件。这种方法的不足之处在于:对反馈信号的任何干扰,都可能引起扭矩波动和电机停转。 为了克服如上问题,提出了第二种方法。在这种方法中,电机按同步电机方式运转,产生的操作电压保证反电动势与转换一致,相的反电动势过零点将可以保证在一时间段内,不需要计算下一个转换事件,而是直接基于对反电动势的检测进行处理。所以这是一个更加稳定的运算法则(在有反馈干扰信号的情况下),使电机不会停转,采用这种运算法则,电机速度变化很小。下面简要介绍这一算法的控制流程。 (1)补偿阶段 在电机启动前,两相通电的时候,存在一个很短的时间(取决于电机的时间常数),在该时间内,电流控制器保证电流在预定义的范围内,以产生高的启动扭矩。 (2)抖动阶段 经过补偿阶段,电机开始启动和抖动直至达到工作速度。电流控制器保证电流不超过最大值。

1无刷直流电机的速度控制方案

1 无刷直流电机的速度控制方案 对无刷直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性:闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率(额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比)要小得多;当要求的静差率相同时,闭环调速系统的调速范围可以大大提高。无刷直流电机的速度控制方案如图1所示。 无刷直流电机控制器可采用电机控制专用DSP(如TI公司的TMS320C24X系列、AD公司的ADMCxx系列),也可采用单片机+无刷直流电机控制专用集成电路的方案。前者集成度高,电路设计简单,运算速度快,可实现复杂的速度控制算法,但由于DSP的价格高而不适合于小功率低成本的无刷直流电机控制器。后者虽然运算速度低,但只要采用适当的速度控制算法,依然可以达到较高的控制精度,适合于小功率低成本的无刷直流电机控制器。 闭环速度调节器采用比例积分微分控制(简称PID控制),其输出是输入的比例、积分和微分的函数。PID调节器控制结构简单,参数容易整定,不必求出被控对象的数学模型,因此PID调节器得到了广泛的应用。 PID调节器虽然易于使用,但在设计、调试无刷直流电机控制器的过程中应注意:PID调节器易受干扰、采样精度的影响,且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作用。所以,在不影响控制精度的前提下对PID控制算法加以改进,关系到整个无刷直流电机控制器设计的成败。 2 速度设定值和电机转速的获取

为在单片机中实现PID调节,需要得到电机速度设定值(通过A/D变换器)和电机的实际转速,这需要通过精心的设计才能完成。 无刷直流电机的实际转速可通过测量转子位置传感器(通常是霍尔传感器)信号得到,在电机转动过程中,通过霍尔传感器可以得到如图2所示的周期信号。 由图2可知,电机每转一圈,每一相霍尔传感器产生2个周期的方波,且其周期与电机转速成反比,因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短一次速度采样的时间,可测得任意一相霍尔传感器的一个正脉冲的宽度,则电机的实际转速为:但由于利用霍尔传感器信号测速,所以测量电机转速时的采样周期是变化的,低速时采样周期要长些,这影响了PID调节器的输出,导致电机低速时的动态特性变差。解决的办法是将三相霍尔传感器信号相“与”,产生3倍于一相霍尔传感器信号频率的倍频信号,这样可缩短一次速度采样的时间,但得增加额外的硬件开销。直接利用霍尔传感器信号测速虽然方便易行,但这种测速方法对霍尔传感器在电机定子圆周上的定位有较严格的要求,当霍尔传感器在电机定子圆周上定位有误差时,相邻2个正脉冲的宽度不一致,会导致较大的测速误差,影响PID调节器的调节性能。若对测速精度要求较高时,可采用增量式光电码盘,但同样会增加了电路的复杂性和硬件的开销。 电机速度设定值可以通过一定范围内的电压来表示。系统中采用了串行A/D(如ADS7818)来实现速度设定值的采样。但在电机调速的过程中,电机控制器的功率输出部分会对A/D模拟输入电压产生干扰,进行抗干扰处理。 3 非线性变速积分的PID算法

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