风机用无刷直流电机控制器设计

论文总字数：24271字

摘 要

无刷直流电机作为一种典型的机电一体化产品，因其采用电子开关线路代替换向器的结构特点，克服了传统直流电机磨损大、噪声高、寿命短、效率较低等缺陷，在汽车、工业控制、自动化乃至航空航天等多个领域应用广泛。并且随着电力电子技术的不断发展，无刷直流电机也获得不断的改进和完善，未来的应用前景十分广阔。本文介绍了无刷直流电机的发展历史、基本结构、控制原理及其研究现状。在此基础上，本文设计了一种基于PIC单片机的能实现调速、转向等基本功能的无刷直流电机的控制器，并给出了PCB板设计、绘制与实物焊接过程。最后，本文对无刷直流电机控制系统进行了整体调试，分析了实验结果，控制器性能良好，基本达到了提高效率的要求，并进一步研究了无刷直流电机的控制方法。

关键词：无刷直流电机控制；PCB设计；PIC单片机；转速、转向控制

Abstract

As a typical mechatronic product, Brushless DC motor(BLDCM) overcomes many defects of traditional DC motors including high loss and noise, short life, low efficiency etc., due to use of the electronic switch circuit to help electronic commutation instead of mechanical commutators. With all of these advantages, BLDCM is widely adopted in many fields such as the automotive, industrial control, automation as well as aerospace. With continuous development of power electronics technology, BLDCM has also got advanced improvement and perfection, while its future prospect is very bright. This thesis describes the development history, the basic structure and control principles and the research status of BLDCM. Further, a BLDCM controller based on PIC microcontroller is also designed, which can achieve basic functions like speed and steering control. The PCB board design, drawing and physical welding process are also presented. Meanwhile, an overall debugging is done to verify the performance of the controller and the experimental results are analyzed after that. Finally, the expected aim of improving efficiency is basically achieved and the controller performs well. Deep research of the control methods of BLDCM is attempted as well.

KEY WORDS: BLDCM;PCB board; PIC;speed and steering control

目录

摘要...................................................................................................................................................I

Abstract.............................................................................................................................................II

第一章 概述 1

1.1 引言 1

1.1.1 无刷直流电机概述 1

1.1.2 无刷直流电机的历史沿革与现状 1

1.2 课题研究意义 1

1.3 课题研究内容 1

第二章 无刷直流电机简介 3

2.1 无刷直流电机的基本结构和工作原理 3

2.1.1 基本结构 3

2.1.2 无刷直流电机两相导通星形三相六状态下的工作原理 4

2.2 无刷直流电机的运行特性分析 5

2.2.1 机械特性 5

2.2.2 调节特性 6

2.2.3 工作特性 6

2.3 无刷直流电机与有刷直流电机的性能比较 7

2.4 无刷直流电机的研究方向 7

2.4.1 转矩脉动问题 7

2.4.2 无位置传感器控制 8

2.4.3 控制算法与策略 8

2.4.4 电磁兼容问题 8

2.5 本章小结 8

第三章 无刷直流电机的控制器设计 9

3.1 原始参数及设计要求 9

3.1.1 设计所用电机及控制器参数 9

3.1.2 控制器的设计要求 9

3.2 控制系统的组成结构 9

3.2.1 单片机 9

3.2.2 主逆变电路 10

3.2.3 功率开关管驱动 10

3.2.4 电源电路 11

3.2.5 电流检测电路 11

3.2.6 外围接口电路 11

3.3 本章小结 12

第四章 无刷直流电机控制器的PCB设计 13

4.1 PCB设计总述 13

4.2 原理图绘制 13

4.3 印刷电路板设计 14

4.3.1 PCB板大小和元件封装的选择 14

4.3.2 元件的布局 14

4.3.3 PCB布线 15

4.3.4 电磁兼容性 15

4.4 元器件焊接 16

4.5 本章小结 16

第五章 无刷直流电机控制器的调试与实验结果分析 17

5.1 PCB板的整体调试 17

5.2 控制器各功能的实现和方法 17

5.2.1 输出PWM控制信号 17

5.2.2 软启动 18

5.2.3 正确换相 18

5.2.4 转速控制 18

5.2.5 转向控制与堵转检测 18

5.2.6 过流保护 19

5.3 实验结果与分析 19

5.3.1 不同调制占空比下的端电压波形 19

5.3.2 正、反转时端电压波形比较 21

5.3.3 三相霍尔传感器信号波形 21

5.3.4 控制系统效率 22

5.4 本章小结 22

第六章 总结 23

致谢 24

参考文献 25

1. 概述

1.1 引言

1.1.1 无刷直流电机概述

无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor)与普通的直流电机相比，去除了电刷和传统的机械换向装置，故而又被称为无换向器电机。其主要构成是电机本体和电子换向电路，是种很典型的机电一体化产品。

无刷直流电机兼具了普通直流电机调速特性好、效率较高和交流电机结构简单、维护方便的优点。同时，与普通直流电机相比，其成本较低，但是寿命更长，且转速不受换向设备的限制，因而无刷直流电机具有很高的研究和应用价值。其本身具有的诸多优越性使得无刷直流电机的应用十分广泛，在汽车制造、工业控制、自动化以及航空航天等诸多领域都有广阔的运用。

1.1.2 无刷直流电机的历史沿革与现状

19世纪40年代，第一台有刷直流电动机诞生。由于有刷直流电机控制特性良好，运动控制领域长期以其为主导。但是，有刷直流电机的致命缺陷在于它必须借助换向器来改变电枢绕组中的电流方向以保证转矩单向持续，从而维持电机的正常运行。必然存在的机械接触会产生较大的机械损耗，降低电机的运行效率，同时还伴随着噪声、电火花、电磁干扰等一系列问题，使得系统整体的可靠性降低。为了克服上述问题，关键是为直流电机寻找到一种不需要接触换向的方式。为此，人们作了长期的尝试和努力。

1955年，美国人D.Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替机械电刷的思想，标志着无刷直流电机的诞生。1962年，利用霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电机试制成功，也是现在有位置传感器无刷电机的雏形。20世纪70年代后，随着电力电子的快速发展，GTR、MOSFET、IGBT等功率器件相继问世，并且SmCo、NsFeB等高磁能积的永磁材料也相继被发现，这些都为无刷直流电机的进一步发展做好了铺垫。到80年代，无刷直流电机得到了更深入的研究和开发，方波和正弦波无刷直流电机先后研制成功。1986年，H.R.Bolton全面系统地总结了方波无刷直流电机的理论[5][10]，无刷直流电机进入了实用阶段。

发展到近代，随着电力电子器件、微处理芯片的升级换代，低成本永磁材料的发现和新型控制理论的完善都使得无刷直流电机的制造成本进一步降低，性能进一步提高，应用范围进一步拓展。其中采用新型永磁材料高磁能钕铁硼制造的无槽永磁无刷直流电机性能卓越，具有铁耗小，噪音小，转速平稳，自动化生产方便等诸多优点。我国在无刷直流电机的研究上起步较慢，但是随着汽车工业的不断壮大，对车用小功率电机的市场需求带动了永磁无刷直流电机的发展。目前我国已经成为世界电动汽车制造行业的主要供应商。

1.2 课题研究意义

我国的风机耗电量约占全国总发电量的2%，但是风机的总体运行效率却很低。实现风机的节能降耗任务紧迫。1-10千瓦的小功率风机单台的耗电量较小，但是数量却很多。因而实现小型风机的节能降耗同样意义深远。国内却一直未对该领域作深入的研究。

本课题主要研究永磁无刷直流电机的控制器设计方法，且该种控制器可用于驱动小功率风机，通过调速调节风量达到节能的效果。同时，本课题研究的这种无刷直流电机控制器也不仅仅局限于风机所用。无刷直流电机因其自身的优越性能，在交通、医疗、航空航天等多个领域都有不俗表现，在各种家电及电脑外设中也有广泛运用，如直流变频空调、洗衣机等家电商品中都应用到无刷直流电机的控制技术。

另外，控制器是无刷直流电机最关键的部分，控制器的优劣很大程度上决定了电机的性能与应用范围。当前无刷直流电机制造企业的大部分利润也源于电机控制器的设计和制造。掌握控制器设计的核心技术是众多企业必须面对的问题。故而从生产应用的角度，研究无刷直流电机控制器，提高控制器性能，优化其控制方法同样具有实际价值。

1.3 课题研究内容

本课题主要涉及的研究内容如下：

(1) 研究了无刷直流电机的结构、原理及控制方法，具体分析了三相桥式逆变控制器的工作原理。

(2) 设计了一种典型的三相六状态桥式无刷直流电机控制器，并实现了电机调速、转向及过流保护等基本控制功能。

(3) 利用Altium Designer软件进行控制器原理图的设计和PCB板绘制，完成了电路板的焊接。

(4) 对无刷直流电机控制器进行了软硬件调试，并对控制器性能作了测试和分析。

1. 无刷直流电机简介

2.1 无刷直流电机的基本结构和工作原理

2.1.1 基本结构

无刷直流电机的基本结构主要分为电动机本体、控制器（电子开关线路）和转子位置传感器三部分。其中位置传感器检测并输出转子的位置信号，控制器接受位置信号并进行逻辑处理，产生相应的开关信号来导通和关断电子开关线路中的各个功率开关器件，驱动电机持续转动。无刷直流电机的结构如图2-1所示。

图2-1 无刷直流电机结构图

(1) 电动机本体

无刷直流电机本体与普通的有刷直流电机相似，不同的是普通直流电机电枢绕组布置在转子上，永磁铁放在定子上，而无刷直流电机则相反，将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子侧。其定子结构与普通同步电机相似，铁芯中嵌有多相对称绕组，绕组按星形或三角形接法，分别与开关线路中的各功率开关管相连。其中三相无刷直流电机应用最为普遍。其转子产生气隙磁通，主要由永磁体构成。转子结构有三种典型形式：表面粘贴式磁极、嵌入式磁极和环形磁极[1]。永磁体材料主要有铝镍钴、铁氧体、钐钴和钕铁硼等[1]。原来普通直流电机中的电刷和机械换向器则替换为控制器和转子位置传感器。

(2) 转子位置传感器

位置传感器也分为两部分，分别安装在定子和转子上。其转子部分绑定转子并与之同轴旋转，用来实时跟踪转子位置。定子部分则固定在定子或电机端盖上，检测和输出转子位置信号[13]。位置传感器一般有电磁式、光电式和磁敏式等几种形式[1]。有位置传感器的无刷直流电机控制中应用较多的是霍尔传感器。霍尔传感器属于磁敏式传感器，具有体积小、价格低，且使用方便的优点。本研究中的无刷直流电机即采用这种基于霍尔元件的转子位置传感器。

(3) 电子开关线路

电子开关线路的功率开关器件一般使用MOSFET、IGBT等全控型器件。线路的拓扑结构主要有：半桥式、全桥式（两两导通、三三导通）、C-Dump式、H桥式、四开关式[1]等。其中六管全桥式线路最为常见。全桥式线路中又可分为两两导通和三三导通两种方式。两两导通方式中，开关管中每个时刻有一个上桥臂和下桥臂导通，定子磁场合成转矩每转过60°电角度换相一次，每个开关管导通120°电角度。三三导通与两两导通相似，但每个时刻有三只开关管导通，也是60°电角度换相一次，每个开关管导通180°电角度，导通时间和顺序与前种方式不同。三三导通相比两两导通绕组，绕组利用率更高，转矩脉动也更小，但是存在同桥的上下桥臂可能同时导通而短路的隐患[3]。

(4) 控制器

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