直流無刷電機畢業(yè)設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計論文論文題目： 直流無刷電機學生姓名：學生學號： 專業(yè)班級: 指導教師：日期： AbstractBrushless  DC  Motor 摘 要無刷直流電機是最近發(fā)展起來的結(jié)合了多學科技術(shù)的一種新型電機，結(jié)合機電一體化，具有高速度、高效率、高動態(tài)響應、高熱容量和高可靠性、免維護等優(yōu)點，同時還具有低噪聲和長壽命等特點。非常適合使用在24小時連續(xù)運轉(zhuǎn)的產(chǎn)業(yè)機械及空調(diào)冷凍主機、風機水泵、空氣壓縮機負載;低速高轉(zhuǎn)矩及高頻繁正反轉(zhuǎn)不發(fā)熱的特性，更適合應用于機床工作母機及牽引電機的驅(qū)動;其穩(wěn)速運轉(zhuǎn)精度比直流有刷電機更高,比矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制速度

2、閉環(huán)的變頻驅(qū)動還要高,性能價格比更好,是現(xiàn)代化調(diào)速驅(qū)動的最佳選擇。 目前無刷電機已廣泛應用于各種領(lǐng)域，如醫(yī)療儀器、分析儀器、材料處理、過程控制、機床工業(yè)、紡織工業(yè)、輕工機械、電動自行車等。無刷直流電機的控制要比普通有刷電機的控制要復雜得多。目前直流電機的控制方法主要有兩種，一種是采用專用得直流電機控制芯片，如Motorola公司的MC33035；另一種控制方法各個廠家根據(jù)自己的需求采用單片機或DSP進行開發(fā)設(shè)計。本設(shè)計主要采用嵌入式單片機ATMEGA48寫入控制程序，從而形成一種高性能直流無刷電機控制器。其不但能實現(xiàn)MC33035直流電機控制芯片的全部功能，而且具有接口靈活，功能完善，成本低廉

3、、全數(shù)字控制等優(yōu)點，用戶能根據(jù)不同應用場合進行靈活配置。關(guān)鍵詞：無刷直流電機、HALL、PWM目 錄Abstract2摘 要2第1章 直流無刷電機工作原理41.2直流無刷電機的組成及工作原理41.3無刷直流電機的位置檢測方法61.4無刷直流電動機控制系統(tǒng)中的PWM調(diào)速6第2章 設(shè)計需求及設(shè)計的可行性分析72.1 設(shè)計要求72.2課題的提出及意義8第3章 硬件設(shè)計103.1 無刷直流電機驅(qū)動器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計103.2 原理圖設(shè)計103.2單片機電路設(shè)計123.3驅(qū)動電路設(shè)計133.4 輸入輸出控制部分電路設(shè)計13第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計144.1 無刷直流電機工作真值表144.2控制軟件設(shè)計14第五

4、章 結(jié)束語19參考資料20致 謝21第1章 直流無刷電機工作原理1.1無刷馬達與有刷馬達比較之特征DC無刷馬達的無接點化，雖然帶來了各種的優(yōu)點，但是最大的特征是因無電刷化，故不產(chǎn)生雜音；此雜音不僅是機械的雜音，而且也包括了電器的雜訊。另外，因為該馬達沒有機械的接觸部分，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高帶旋轉(zhuǎn)型馬達的長壽命型馬達之要求?？梢哉f，無刷馬達就是無雜音馬達。DC有刷馬達當作控制用馬達時，具有非常優(yōu)越的特性。例如：急劇地加速性、大的起動扭力、對電壓變化之垂下特性、轉(zhuǎn)輸出扭力對輸入電流之直線性等。這些特性是非常重要的條件，可說兼?zhèn)淞丝刂朴民R達所要求的所有特性?？墒?，這種優(yōu)越馬達之唯一最大的缺點就是利用電刷、

5、整流子之機械接觸部分。但這卻是DC有刷馬達在功能上不可缺少之元件，因為利用這些元件馬達才得以正常轉(zhuǎn)動。然而，由于馬達在旋轉(zhuǎn)中不斷地重復滑動作用，所以整流子之磨損也相繼加快。因此，金屬粉末和黑鉛便會飛散，明顯地縮短了馬達的壽命；若磨損惡化的話，在整流子間，就會產(chǎn)生異常的電弧，而且會引起跳火現(xiàn)象。所以，很明顯的，無電刷馬達的壽命較長。總之，DC有刷馬達在結(jié)構(gòu)上，總難免會在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生火花，因此會給周邊元件帶來很大的影響。尤其是在易燃性氣體中使用時，防爆對策則成為很能夠大的問題。根椐上述之理由，將DC馬達無刷化實且有非常大之意義。根據(jù)DC馬達之無刷化，可實現(xiàn)DC無刷馬達之免維修特色。也就是說，不需維修

6、且壽命長的馬達。1.2直流無刷電機的組成及工作原理無刷直流電機是由電動機本體、位置傳感器和功率變換器三部分組成。圖1-1為一臺典型的三相橋式永磁無刷直流電機原理圖。圖中QlQ6為電力電子開關(guān)器件，常用IGBT, MOSFET和GTR。電機本體由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成，磁鋼貼在轉(zhuǎn)子上與轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn);電樞繞組裝在定子上，可以是類似交流電機的重疊繞組，也可以是含極靴的非重疊繞組。三相電壓、電流及反電勢正方向如圖所示，口為定、轉(zhuǎn)子磁勢夾角的電角度。根據(jù)位置傳感器檢測的轉(zhuǎn)子位置，永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差1200的U、V、W方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生有效的6狀態(tài)編碼信號：101、100、

7、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產(chǎn)生T1T4導通、T1T6導通、T3T6導通、T3T2導通、T5T2導通、T5T4導通，也就是說將直流母線電壓依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對N-S極，T1T6功率管即按固定組合成6種狀態(tài)的依次導通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動600電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當于600電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進600電角度，如此循環(huán)，無刷直流

8、電動機將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。圖11無刷直流電機工作原理圖無刷直流電機的電子換向線路是用來控制電機定子上上各相繞組通電的順序和時間的，主要由功率開關(guān)單元和位置傳感器的信號處理單元兩個部分組成。1.3無刷直流電機的位置檢測方法無刷直流電機運行是通過逆變器功率器件隨轉(zhuǎn)子不同位置相應改變其不同觸發(fā)狀態(tài)來實現(xiàn)的。因此準確檢測轉(zhuǎn)子位置并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置準時切換功率器件觸發(fā)組合狀態(tài)是控制無刷直流電機的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)子的位置檢測裝置最直接、有效是利用位置傳感器得到不同位置信號經(jīng)門電路、模擬開關(guān)或?qū)Ｓ眯酒傻玫讲煌|發(fā)邏輯信號，實現(xiàn)觸發(fā)狀態(tài)的自動切換。本設(shè)計系統(tǒng)中位置傳感器采用HALL傳感器實現(xiàn)。1.4無刷

9、直流電動機控制系統(tǒng)中的PWM調(diào)速 脈寬調(diào)制即PWM (Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列的脈沖寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需波形。PWM驅(qū)動是利用大功率管的開關(guān)特性，按固定頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”與“斷開“時間的長短，通過改變無刷直流電動機定子繞組上電壓脈沖的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。第2章 設(shè)計需求及設(shè)計的可行性分析2.1 設(shè)計要求題目數(shù)字超聲波發(fā)生器的設(shè)計設(shè)計內(nèi)容簡介無刷電機廣泛應用于各種領(lǐng)域，如醫(yī)療儀器、分析儀器、材料處理、過程控制、機床工業(yè)、紡織工業(yè)、輕工機械、電動自行車等。本

10、設(shè)計主要采用嵌入式單片機ATMEGA48寫入控制程序，從而形成一種高性能直流無刷電機控制器SZPT33035。其不但能實現(xiàn)MC33035直流電機控制芯片的全部功能，而且具有接口靈活，功能完善，成本低廉、全數(shù)字控制等優(yōu)點，用戶能根據(jù)不同應用場合進行靈活配置。主要任務(wù)（1） 正確設(shè)計原理圖（2） 采購元器件（3） 焊接元器件（4） 調(diào)通硬件（5） 設(shè)計軟件，電機正常運轉(zhuǎn)驗收標準（1） 原理圖（2） 元器件（3） 電路版（4） 調(diào)試完成的成品板（5） 設(shè)計軟件，電機正常運轉(zhuǎn)主要性能指標1. 具有控制開環(huán)、三相或四相無刷直流電機;2. 可以選擇在60°/120°或120°

11、/240°的傳感器相位角；3. 具有欠壓鎖定、過流關(guān)斷保護等功能；4. 具有與微控制器SPI通信接口；2.2課題的提出及意義無刷直流電機是最近發(fā)展起來的結(jié)合了多學科技術(shù)的一種新型電機，結(jié)合機電一體化，具有有低噪聲和長壽命等特點。目前無刷電機已廣泛應用于各種領(lǐng)域，如醫(yī)療儀器、分析儀器、材料處理、過程控制、機床工業(yè)、紡織工業(yè)、輕工機械、電動自行車等。無刷直流電動機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。無刷直流電機的控制要比普通有刷電機的控制要復雜得多。目前直流電機的控制方法主要有兩種，一種是采用專用得無刷直流電機控制芯片，如Motorola公司的MC33035；另一種控制

12、方法各個廠家根據(jù)自己的需求采用單片機或DSP進行開發(fā)設(shè)計。采用Motorola公司的MC33035專用控制芯片具有接口簡單優(yōu)點，但其外部接口少，控制靈活性差，控制方式單一等缺點，而且成本較高，目前其成本每片在12元以上。而采用通用單片機或DSP進行設(shè)計，雖然靈活性好，但產(chǎn)品開發(fā)周期長，對開發(fā)人員要求高，綜合成本高。本創(chuàng)新設(shè)計主要采用嵌入式單片機ATMEGA48寫入控制程序，從而形成一種高性能專用直流無刷電機控制器SZPT33035。其不但能實現(xiàn)MC33035直流電機控制芯片的全部功能，而且具有接口靈活，功能完善，成本低廉、全數(shù)字控制等優(yōu)點，用戶能根據(jù)不同應用場合進行靈活配置。主要創(chuàng)新點： &#

13、216; 采用通用單片機灌入程序，形成專用無刷電機芯片SZPT3305，具有開發(fā)成本低廉、芯片可靠性高；Ø SZPT33035可以控制3相或四相無刷直流電機；Ø SZPT33035提供6路橋式MOSFET驅(qū)動接口，3路HALL傳感器輸入接口；Ø SZPT33035具有過流檢測電路輸入比較電路，檢測過流，自動關(guān)閉MOSFET輸出；Ø SZPT33035提供I2C接口與MCU進行通信控制，通信時鐘可達400Kbps。Ø SZPT33035具有高可靠性，內(nèi)置振蕩和上電復位以及看門狗電路；Ø SZPT33035具有啟動、停止、正反轉(zhuǎn)，變速控制

14、輸入接口；Ø SZPT33035可以選擇在60°/120°或120°/240°的傳感器相位角；Ø 工作電壓為1.8V5.5V;Ø SZPT33035提供DIP28、QFP32兩種封裝;SZPT33035芯片成本在6元以內(nèi)。銷售價格在12元左右，具有很強的競爭力。第3章 硬件設(shè)計3.1 無刷直流電機驅(qū)動器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計本設(shè)計的無刷直流電機驅(qū)動器由單片機控制部分、直流電機功率驅(qū)動部分及霍爾信號檢測部分及控制按鍵輸入、輸出指示等部分組成。如圖31所示。圖31無刷直流電機驅(qū)動器的總體結(jié)構(gòu)圖3.2 原理圖設(shè)計無刷直流電機驅(qū)動器原理圖如

15、圖32所示。單片機的6路PWM輸出控制電機驅(qū)動MOS管，無刷直流電機的霍爾信號送入單片機作為換向的依據(jù)。從電機轉(zhuǎn)子位置檢測器送來的三相位置檢測信號(SA， SB，SC)一方面送入單片機，經(jīng)單片機結(jié)合正反轉(zhuǎn)控制端、起停控制端、制動控制端、電流檢測端等控制邏輯信號狀態(tài)，經(jīng)過運算后，產(chǎn)生逆變器三相上、下橋臂開關(guān)器件的6路原始控制信號，其中，三相下橋開關(guān)信號還要按無刷直流電機調(diào)速機理進行脈寬調(diào)制處理。處理后的三相下橋PWM控制信號(AT，BT，CT，)經(jīng)過驅(qū)動電路整形、放大后，施加到逆變器的6個開關(guān)管上，使其產(chǎn)生出供電機正常運行所需的三相方波交流電流。圖32無刷直流電機驅(qū)動器原理圖3.2單片機電路設(shè)計

16、圖33 單片機電路原理圖單片機采用高性能、底功耗的8位AVR微型處理器ATMEGA48。其具有極高的運算速度，具有4K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash和256字節(jié)的EEPROM，具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC，六通道PWM，上電復位以及可編程的掉電檢測，可工作于主機/ 從機模式的SPI 串行接口；具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器；五種休眠模式：空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式和Standby 模式，片內(nèi)經(jīng)過標定的RC振蕩器，片內(nèi)/片外中斷源。3.3驅(qū)動電路設(shè)計圖34 電機接口（U、V、W）電路圖功率管即按固定組合成6種狀態(tài)的依次導通（如圖4-1，4-2），使位置傳感器U、

17、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進600電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動機將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。3.4 輸入輸出控制部分電路設(shè)計 輸入三個按鍵分別為啟動、停止、正反轉(zhuǎn)功能以及速度控制輸入電位器。圖35 控制輸入電路圖第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 無刷直流電機工作真值表原理圖參見圖11，正傳時，根據(jù)HALL信號，給出6個MOS管驅(qū)動信號真值表如圖41所示。反轉(zhuǎn)MOS管驅(qū)動信號真值表如圖42所示圖41無刷直流電機正傳驅(qū)動信號真值表圖42無刷直流電機反傳驅(qū)動信號真值表4.2控制軟件設(shè)計 #define bldc_step1 0x04/

18、100#define bldc_step2 0x06/110#define bldc_step3 0x02/010#define bldc_step4 0x03/011#define bldc_step5 0x01/001#define bldc_step6 0x05/101#define bldc_hall PIND&0x07#define bldc_cw PINC.3#define bldc_ccw PINC.2#define bldc_en PINC.1#define bldc_f 1#define bldc_r 0unsigned char hall_signal_old,ha

19、ll_signal;bit bldc_dir=1;/默認為左轉(zhuǎn)void bldc_fwd(void) unsigned char hall_signal; hall_signal=PIND&0x07; switch(hall_signal) case bldc_step6:/100 bldc_UL=0; bldc_UH=1;/- bldc_VH=0;/- bldc_VL=0; bldc_WH=0;/- bldc_WL=1; break; case bldc_step1:/110 bldc_UL=0; bldc_UH=0;/- bldc_VL=0; bldc_VH=1;/- bldc_W

20、H=0;/- bldc_WL=1; break; case bldc_step2:/010 bldc_UH=0;/- bldc_UL=1; bldc_VL=0; bldc_VH=1;/- bldc_WH=0;/- bldc_WL=0; break; case bldc_step3:/011 bldc_UH=0;/- bldc_UL=1; bldc_VH=0;/- bldc_VL=0; bldc_WL=0; bldc_WH=1;/- break; case bldc_step4:/001 bldc_UH=0;/- bldc_UL=0; bldc_VH=0;/- bldc_VL=1; bldc_W

21、L=0; bldc_WH=1;/- break; case bldc_step5:/101 bldc_UH=1;/- bldc_UL=0; bldc_VH=0;/- bldc_VL=1; bldc_WH=0;/- bldc_WL=0; break; void bldc_rev(void) switch(bldc_hall) case bldc_step1:/100 bldc_UH=0 ; bldc_VH=0; bldc_WH=0; delay_us(2); bldc_UH=0;bldc_UL=1; bldc_VL=0;bldc_VH=0; bldc_WL=0;bldc_WH=1; delay_

22、us(4); break; case bldc_step2:/110 bldc_UH=0 ; bldc_VH=0; bldc_WH=0; delay_us(2); bldc_UH=0;bldc_UL=0; bldc_VH=0;bldc_VL=1; bldc_WL=0;bldc_WH=1; delay_us(4); break; case bldc_step3:/010 bldc_UH=0 ; bldc_VH=0; bldc_WH=0; delay_us(2); bldc_UL=0;bldc_UH=1; bldc_VH=0;bldc_VL=1; bldc_WH=0;bldc_WL=0; dela

23、y_us(4); break; case bldc_step4:/011 bldc_UH=0 ; bldc_VH=0; bldc_WH=0; delay_us(2); bldc_UL=0;bldc_UH=1; bldc_VL=0;bldc_VH=0; bldc_WH=0;bldc_WL=1; delay_us(4); break; case bldc_step5:/001 bldc_UH=0 ; bldc_VH=0; bldc_WH=0; delay_us(2); bldc_UH=0;bldc_UL=0; bldc_VL=0;bldc_VH=1; bldc_WH=0;bldc_WL=1; de

24、lay_us(4); break; case bldc_step6:/101 bldc_UH=0 ; bldc_VH=0; bldc_WH=0; delay_us(2); bldc_UH=0;bldc_UL=1; bldc_VL=0;bldc_VH=1; bldc_WH=0;bldc_WL=0; delay_us(4); break; 第五章 結(jié)束語經(jīng)過幾個月的努力，畢業(yè)設(shè)計基本完成了。在畢業(yè)設(shè)計的實踐中，學到很多有用的知識，也積累了不少寶貴的項目開發(fā)經(jīng)驗。在此要特別感謝我的父母，他們給我了很大的鼓勵和支持，我的同學，他們?yōu)槲易鲈囼炋峁┝肆己玫脑囼灜h(huán)境，此外還有素未謀面的朋友“大海”，如果沒有他的無私幫助，想必我在畢業(yè)設(shè)計實踐過程中會走很多彎路，在此特別表示感謝 。這次畢業(yè)設(shè)計使我明白了很多，在這次制作過程發(fā)現(xiàn)自己平時所學的知識是比較實用的，課本上學到的雖然是最基本的知識，但到了真正編程、調(diào)試和深入學習的時候往往我們平時學到的最基礎(chǔ)的知識還是最重要的，例如：MC33035的應用，這并不是我們的專業(yè)課程，確實比較生疏，所以，只能在看相關(guān)書籍和資料的同時，利用自己現(xiàn)有的知識去理解和深入書籍和資料的知識。本次所設(shè)計的系統(tǒng)雖說是一個簡單的單片機系統(tǒng)，但從中我盡力去做了每一個步驟，一方面此次設(shè)計既鞏固