BLDC电机电子换向原理的研究及软硬件实现

南京工程学院课程设计说明书(论文)题目BLDC电机电子换向原理的研究及软硬件实现课程名称运动控制系统设计与调试院（系、部、中心）专业班级学生姓名学生学号设计地点指导教师设计起止时间：2013.6.17--2013.6.281目录1.概述...............................................................................................................................................22.设计任务和要求............................................................................................................................22.1任务和要求.........................................................................................................................22.1.1设计任务.................................................................................................................22.1.2设计要求.................................................................................................................22.2研究路线.............................................................................................................................33.系统结构设计................................................................................................................................33.1方案确定.............................................................................................................................33.2硬件设计.............................................................................................................................33.2.1逆变电路设计.........................................................................................................33.2.2控制电路设计.........................................................................................................43.2.3检测电路设计.........................................................................................................53.2.4保护电路设计.........................................................................................................64.系统设计......................................................................................................................................74.1换向逻辑设计....................................................................................................................74.2速度采集............................................................................................................................94.3速度环控制程序................................................................................................................95.系统软件......................................................................................................................................115.1软件流程..........................................................................................................................116.总结.............................................................................................................................................137.参考文献......................................................................................................................................1321.概述无刷直流（BrushlessDirectCurrent，BLDC）电机是一种正快速普及的电机类型，它可在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。正如名称指出的那样，BLDC电机不用电刷来换向，而是使用电子换向。BLDC电机和有刷直流电机以及感应电机相比，有许多优点。其中包括：•更好的转速－转矩特性•快速动态响应•高效率•使用寿命长•运转无噪音•较高的转速范围此外，由于输出转矩与电机体积之比更高，使之在需要着重考虑空间与重量因素的应用中，大有用武之地。在本应用笔记中，我们将详细讨论BLDC电机的构造、工作原理、特性和典型应用。2.设计任务和要求2.1任务和要求2.1.1设计任务电机参数额定功率PN(KW):1额定电压UN(V):310额定转速nN(RPM):3000转子磁极对数:5霍尔传感器：32.1.2设计要求静态指标：调速比：D=nmax/nmin≥1000；静差率：s≤3%。动态指标：3扰动产生的动态偏差：Δnmax/nmin≤10%；扰动产生的恢复时间：tv≤0.5s；2.2研究路线1.系统硬件设计—控制回路设计控制器选择:PLC、计算机或微控制器，包含控制器外设选型给定器设计：模拟/数字驱动电源：隔离电源，浮栅电流截止环节：电流、电压检测环节2.系统软件设计—软件设计环境梯形图——PLCVC++、VB、CB、TC等——计算机C——微控制器—速度环软件（中断方式）速度环调节周期转子位置检测程序、换向子程序速度检测程序、ASR子程序3.系统结构设计3.1方案确定1.逆变电路设计2.控制电路设计3.检测电路设计4.保护电路设计5.换向逻辑设计6.速度采集、速度环控制程序3.2硬件设计3.2.1逆变电路设计4该电路图为自举电路，以满足浮栅要求。IR2103：有自举供电能力，能在不使用外加隔离的情况下方便驱动小功率的全桥电路。率。3.2.2控制电路设计控制电路采用stc89c51做主控，单片机检测霍尔元件的回馈信号，对应输出换相信号，也同时测出电机转速。输出换相信号通过二极管构成的与门，与单片机输出的pwm信号叠加，使得程序上更加容易操作。此外主控上配备了输出按钮，和外部过电流检测外部中断输入。输出6个换相端子与前面的ir2103mos管驱动电路相接。电源电路：输入是220V交流电，由于额定电压是310V，所以采用桥式滤波电路。5图：电源电路3.2.3检测电路设计（1）霍尔检测电路和有刷直流电机不同，BLDC电机的换向是以电子方式控制的。要使BLDC电机转动，必须按一定的顺序给定子绕组通电。为了确定按照通电顺序哪一个绕组将得电，知道转子的位置很重要。转子的位置由定子中嵌入的霍尔效应传感器检测。多数BLDC电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器。每当转子磁极经过霍尔传感器附近时，它们便会发出一个高电平或低电平信号，表示北磁极或南磁极正经过该传感器。根据这三个霍尔传感器信号的组合，就能决定换向的精确顺序。霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、可靠，但对工作温度有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。因此，在对性能和环境要求不是很高的永磁无刷直流电机应用场合大量使用霍尔元件式位置传感器。如图3.2.3-1所示：如将三只霍尔传感器按相位差120°安装，则它们所产生的波形如图63.2.3-2所示。三相永磁无刷直流电机转子位置传感器输出信号Ha、Hb、Hc在每360°电角度内给出了6个代码，按其顺序排列，6个代码是101、100、110、010、011、001.当然，这一顺序与电动机的转动方向有关，如果转向反了，代码出现的顺序也将倒过来。图:传感器输出波形（2）位置传感器是无刷直流电动机系统的组成部分之一，有刷也是区别于直流电动机的主要标志。当霍尔传感器用作无刷直流电机转子位置信息检测装置时，将其安放在电机定子的适当位置，霍尔器件的输出与控制部分相连。当无刷直流电机的永磁转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令霍尔器件输出一个电压信号，该信号被送到控制部分，由控制部分发出信号使得定子绕组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，从而产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。当转子到下一位置时，前一位置的霍尔器件停止工作，下一位置的霍尔器件输出电压信号，控制部分使得对应定子绕组通电，产生推斥场使转子继续转动，如此循环，维持电机运转。电路图如下：图：霍尔传感器电路3.2.4保护电路设计电动机启动和堵转时会产生一个很大的峰值电流，当电流超过功率管的最大流过电流时，会将功率管烧坏或者击穿。所以电路设计中必须加一限流保护电路。系统限流保护电路7设计如上图所示，电路由一采样电阻和比较器LM393组成。当电机启动时，启动电流增大，在采样电阻R1上的压降增大，当压降等于给定电压U0时，比较器LM393输出低电平，使IGBT开关管被关断，采样电阻R1上的电流迅速减小，R1上的压降也减小；当电压降到小于给定电压U0时，比较器输出高电平，使IGBT开关管恢复正常的通断顺序。如此下去，电流被限制在U0/R