直流无刷电机控制装置的设计本科论文.doc

直流无刷电机控制装置设计第PAGE\*MERGEFORMAT31页共NUMPAGES\*MERGEFORMAT32页CHANGSHAUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY毕业设计（论文）题目：直流无刷电机控制装置设计1绪论1.1直流无刷电机的研究现状有刷直流电机先于无刷直流电机出现，有刷直流电机拥有宽阔、平滑的调速性能，这个优点使其在需要调速的应用领域有着非常重要的地位，也使得其在工农业各个领域都有着广泛的应用；有刷直流电机机械换向器的存在极大的限制了它发展和应用范围。有刷直流电机的机械电刷和换向器之间存在的强迫性接触造成了其自身结构复杂、可靠性低等一系列问题，这种强迫性接触同时也大大影响了电机的调速精度和性能。根据这种现状，当时的科学家不断尝试对有刷直流电机进行改进，最终无刷直流电机得以面世。开关型晶体管的发明为无刷直流电机的创造提供了可能；在1995年，美国科学家首次提出运用晶体管换相线路来替代机械换向装置，经过不断研究尝试，终于发明了一种消除有刷直流电机中的机械换向装置的方法，就是用位置传感器和电子换相线路来替代它，随后出现了用霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电机；80年代初期，无刷直流电机开始进入实用阶段，经过大量科学家的不懈努力，方波和正弦波的无刷直流电机先后被成功研发出来。人们将一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机称为直流无刷电机；如今，无刷直流电机集各种软硬件于一体，成为了新型电机电动调速系统。无刷直流电机具有调速方便、调速范围宽、低速性能好、运行平稳、噪音低、效率高等优点，其应用场合变得越来越广泛。[1]在恒转矩和恒功率运行状态下，相比于交流电机和有刷直流电机，无刷直流电机能够显示出更多的优越性，目前在国民经济的各个领域无刷直流电机有着广泛的应用范围，并且在不断延伸，无刷直流电机为人们的日常生活提供了极大的便利，同时也大大促进了社会的进步。[2]无刷直流电机的调整和启动性能好，并且结构简单无需维护，所以在要求高可靠性电机调速系统中有着广泛的应用。对于电机转速的控制，原先的模拟调速系统已经逐渐被数字调速系统所取代，当前数字调速系统主要由两种方案：一种方案是采用专用集成电路，这种方案可以大大降低设备支出、提高设备的可靠性，但其灵活性不佳，不易进行功能扩展；另一种方案是以微控制器作为控制核心构成一个硬件系统，这一种方案可以运用编程来进行控制，适用范围广，并且操作起来灵活方便，极易进行功能扩展。无刷直流电机的控制装置主要是由微控制器、逆变电路、位置传感器、驱动电路、调速电路、电源电路等几部分组成。微控制器在无刷直流电机控制系统中充当控制核心的作用，它主要需要完成的功能如下：对各种输入的信号（特别是位置传感器的信号）进行分析处理，并为驱动电路提供各种控制信号；产生PWM信号，控制直流无刷电机的转速；对欠压、过流、短路等可能出现的故障进行保护。[3]无刷直流电机控制装置中的微控制器主要有三种选择，分别是专用集成芯片、单片机以及DSP。在市场上有许多针对无刷直流电机控制的专用集成芯片，比如像摩托罗拉公司生产的专用集成芯片MC33035，其根据无刷直流电机控制的要求，将各种控制逻辑集成在芯片的内部，一般把MC33035这种控制器称之为模拟控制器，其核心的工作原理就是用电子设备来控制电机内部线圈电流的换向，将电机内部位置传感器信息传送给微控制器，微控制器根据这个信息来决定换向的时间和顺序，从而对电机的转速和转向进行控制。这种控制系统的缺点是缺乏智能性、不易进行扩展、功能不完善。[4]单片机作为微控制器，其主要功能如下：单片机自带的PWM口在无刷直流电机控制中有着广泛的应用，通过初始化设定后自动输出PWM控制信号，PWM信号的各种参数也可以通过软件对其进行设定；在该系统中看门狗的功能显得格外重要，看门狗处于工作状态时，会对运行中的程序进行无时无刻监视，一但程序运行出现错误，就会立即让单片机复位；在一块芯片上集成半导体功率器件、逻辑控制电路、驱动电路、保护电路、检测电路等电路，构成一个功率集成电路，让功率器件能变得智能化，方便了单片机对其进行控制。[5]近几年来，国外一些比较大型的公司相继推出性能比较优越的DSP芯片作为电机控制器，例如T1公司生产的TMS320C24系列，Motoro1a公司生产的DSP56F8xx系列以及ADI公司生产的ADMC3xx系列，这些芯片都是以一个DSP作为核心芯片，再和一些电机控制所需要外围电机一起集成在一块单一的芯片上，使得整个控制系统体积缩减、结构紧密、使用便捷、可靠性高。但是这些芯片的价格都普遍很高，并且外围电路设计起来比较复杂，这些因素严重限制了其推广应用。[6]1.2直流无刷电机的发展前景（1）转矩脉动当前，直流无刷电机最本质最大的问题就是存在转矩脉动