无刷直流电机驱动系统故障诊断与容错控制
使用维护无刷直流电机驱动系统故障诊断与容错控制
张轩磊
（哈尔滨船科控制技术有限公司，黑龙江哈尔滨150000）
摘要:主要分析了无刷直流电机驱动系统运行中常
见故障类型，重点介绍了故障诊断方法及容错控制策
略。通过对无刷直流电机驱动系统常见故障及容错控
制策略进行分析，为系统妥全运行提供保证，并实现经
济与社会效益的最大化。
关键词:无刷直流电机驱动系统;故障诊断；容错控制策略
1无刷直流电机驱动系统常见故障类型
通过对无刷直流电机驱动系统进行分析可以发现，其
常见故障类型可以主要包括12类：交流电源对地短路故障、整流二极管短路故障、整流二极管开路故障、直流母线
接地故障、直流母线电容短路故障、功率开关管无驱动信号
故障、功率开关管开路故障、功率开关管短路故障、逆变器单相桥臂短路故障、电机单相开路故障、电机两相短路故障、电机单相接地故障。通过分析可知，不同故障类型反映了故障的不同位置。
对于无刷直流电机驱动系统而言，其运行过程中常见的故障类型是逆变器功率开关管的通断，进而对系统运行的可靠性产生不利影响。因此，要做好无刷直流电机驱动系统故障的分析和诊断工作，并在此基础上提出有效的容错控制策略。
2无刷直流电机驱动系统故障诊断流程
在对无刷直流电机驱动系统中常见故障进行诊断时,一般可以通过对母线电流数值进行检测，通过査看检测结
果是否为0,来判断不同状态下电路运行中是否出现了故障。实际上，可以借助电流传感器来对系统故障进行检测。
某状态下，如果检测结果的母线电流i L=0时，可以假设令F f I,反之则需要假设玖=0,最后通过对不同状态下的F s 值进行分析后来创建故障诊断表。
在无刷直流电机驱动系统运行过程中，虽然某开关管发
生故障，电流受到电感和电容等元器件作用,不会马上降为
0,此时为了确保电压稳定，则需要提前设置电流判定阈值L,其计算公式为:i t=gi refo式中,i心为电流环给定电流,需要将g控制在0?0.5范围内。同时对任意工作状态下,借助相关方法来检测母线电流幅值,并査看是否满足I iJ
Ci'
C2==Un
图1三相四开关容错拓扑
机械角速度。
3无刷直流电机驱动系统故障容错控制策略
3.1三相四开关容错控制策略
当诊断出无刷
直流电机驱动系统
故障后，要立即结合
实际情况采取针对
性的容错控制措施
进行处理，以畤确
保无刷直流电机驱
动系统的正常运行。在传统容错控制模式中,三相四开关容错模式得到了广泛应用,其示意图如图lo
本次研究中,通过对A相桥臂开关管故障进行分析,_旦诊断出故障问题时,要在第一时间隔离故障管所在桥臂,同时把该相桥臂切换至2个串联电容的中点，这样就可以通过2个串联电容的中点来构建电流与各相桥臂间的回路。通常情况下,电机正常运行阶段所采用的逆变拓扑涉及6种开关状态，然而在传统三相四开关容错控制拓扑中，可能会因为某一桥臂不能正常运行，导致只有4个开关管工作。
3.2准Z源网络逆变器容错控制策略
在无刷直流电机驱动系统中，如果在换相时，保持反电动势不变，此时的转矩脉动与转速保持密切的相关性。因此，可以通过调整略电压的方式来保证Ud=4En。如果发现逆变桥出现运行故障时，要检测和定位故障桥臂发生位置，并迅速隔离开故障桥臂，并对与故障桥臂连接的双向晶闸管进彳亍有效控制，使其处于导通状态，而且还需要将准Z源网络在同一时刻切换至三相四开关逆变拓扑的前端，以期实现有效控制MOS管Q的开通与关断。通过该控制策略,既能够实现对母线电压的有效调整,而且还可以保证换向时刻5=4臨，使三相四开关容错葩下所产生的離脉动得到有效抑制。
4结束语
在无刷直流电机驱动系统运行过程中，需要对其中常见的故障进行诊断和分析,并提出有效的容错控制策略，以此来降低故障的发生率，确保无刷直流电机驱动系统的安全、高效运行。
参考文献：
［1］姬淼鑫?无刷直流电机驱动系统故障诊断与容错控制①］.
郑州:郑州大学,201&
［2］杨欣荣，蒋林,王嬪林?基于小波变换的无刷宜流电机逆变器故障诊断［J］.电测与仪表,2017,4（5）:75-76.
（收稿日期=2019-06-04）
《湖北农机化》2019年第15期
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
直流无刷电机驱动说明书
BLDC SERVO DRIVERS 无刷直流调速驱动器 使用手册1.3 系统上电前请仔细阅读手册 DBLS-01系列 直流无刷电机驱动说明书 一、概述 本控制驱动器为闭环速度型控制器，采用最近型IGBT和MOS功率器，利用直流无刷电机的霍尔信号进行倍频后进行闭环速度控制，控制环节设有PID速度调节器，系统控制稳定可靠，尤其是在低速下总能达到最大转矩，速度控制范围150~6000rpm。 二、特点 1、PID速度、电流双环调节器 2、高性能低价格 3、20KHZ 斩波频率 4、电气刹车功能，使电机反应迅速 5、过载倍数大于2，在低速下转矩总能达到最大 6、具有过压、欠压、过流、过温、霍尔信号非法等故障报警功能 三、电气指标 标准输入电压：24VDC\36VDC\48VDC 三种 最大输入过载保护电流：5A\15A两种 加速时间常数出厂值：0.2秒其他可定制 四、端子接口说明
1、电源输入端 引角序号引角名中文定义 1 V+ 直流+24V输入 2 GND 直流0V输入 2、电机输入端 引角序号引角名中文定义 1 MA 电机A相 2 MB 电机B相 3 MC 电机C相 4 GND 地线 5 HA 霍尔信号A相输入端 6 HB 霍尔信号B相输入端 7 HC 霍尔信号C相输入端 8 +6.25 霍尔信号的电源线 3、控制信号部分 GND：信号地 F/R：正、反转控制，接GND反转，不接正转，正反转切换时，应先关断EN EN：使能控制：EN接地，电机转（联机状态），EN不接，电机不转（脱机状态） BK：刹车控制：当不接地正常工作，当接地时，电机电气刹车，当负载惯量较大时，应采用脉宽信号方式，通过调整脉宽幅值来控制刹车效果。 SV ADJ：外部速度衰减：可以衰减从0~100%，当外部速度指令接6.25V时，通过该电位器可以调速试机 PG：电机速度脉冲输出：当极对数为P时，每转输出6P个脉冲（OC门输入） ALM：报警输出：当电路处于报警状态时，输出低电平（OC门输出） +6.25V：调速电压输出，可用电位器在SV和GND形成连续可调 拔码开关说明：四个档位为OFF时，电机不运行，SW1为ON状态时，电机转速为100%，SW2为ON状态时，电机转速为80%，SW3为ON状态时，电机转速为40%，SW4为ON状态时，电机转速为20%。 4.机械安装：
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
基于MC33035芯片的无刷直流电机驱动系统设计
基于MC33035的无刷直流电机驱动控制系统设计 摘要 随着社会的发展和人民的生活水平提高，人们对交通工具的需求也在不断发展和提高。电动自行车作为一种“绿色产品”已经在全国各省市悄然兴起，进入千家万户，成为人们，特别是中老年人和女士们理想的交通工具，受到广大使用者的喜爱。 MC33035的典型控制功能包括PWM开环速度控制、使能控制(起动或停止) 、正反转控制和能耗制动控制。此芯片具有过流保护、欠压保护、欠流保护、又因此芯片低成本、高智能化、从而简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。 设计的直流无刷电机控制器是采用 MC33035 芯片控制的，以本次设计结果表明，MC33035的典型控制功能带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。电动自行车作为一种新型交通工具已经在社会上引起很大的影响并受到广大使用者的喜爱。 关键词：电动自行车，无刷直流电机，MC33035，位置传感器
THE BRUSHLESS DC MOTOR DRIVE SYSTEM DESIGN BASED ON MC33035 CHIP ABSTRACT With the rapid development of technology, new energy technologies in recent years have been widely used. For example, the small size, light weight, high efficiency, low noise, large capacity and high reliability features such as permanent magnet brushless DC motor-driven bike. MC33035 Typical control functions include open loop PWM speed control so that it can control (start or stop), reversing control and braking control. This chip is overcurrent protection, undervoltage protection, under current protection, and therefore chip cost, high intelligence, which simplifies the system structure, lower system costs, increase system performance to meet the needs of more applications. The design of the brushless DC motor controller is controlled by MC33035 chip to this design results show that, MC33035 typical time delay control with an optional latch-by-week shutdown mode current limiting characteristics, and internal thermal shutdown characteristics. Electric bicycles as a mode of transportation has caused a great impact on society and loved by the majority of users. KEY WORDS: electric-bicycle, brushless DC motor, MC33035, position sensors
三相直流无刷电机驱动程序
1.检测霍尔传感器的值可以判断出转子的位置，再使能相应的上下桥臂，则能驱动电机运动；若要让电机持续转动，则必须再次检测传感器值及使能相应的上下桥臂。这里采用的是将霍尔传感器输出的三根线相边的IO口配置成外部中断，并且为边沿触发，在中断函数中加入传感器检测与上下桥臂切换程序，如此电机就能持续运转了。 2.上桥臂的控制采用IO口置高低电平来控制上桥臂的通断，下桥臂则使用单片机内部集成的三路PWM波来控制，通过控制PWM波的占空比，可以实现对电机的调速了。实际测得，占空比与电机的速度成正比例关系，在PWM波频率为20KHz时，占空比增加1%，速度增加60rpm，并在占空比为53%时达到额定转速3000rpm（空载）。 3.速度测量则采用如下公式： 电机每转一圈，霍尔值改变6次x5个周期=30次，记录边沿触发的中断次数N/30=电机转过的圈数,设运转时间为t(s)则电机转速v=N/30/t*60 rpm。即动转时间为2s时，霍尔值改变次数即为速度值，单位rpm。 4.调速：给定速度，由电机驱动板自动由当前速度平滑过渡到给定速度。实际测试发现，速度变化量很大时，电机会有突然加速或减速时的冲击；因此，调速应有一个缓冲的过程。即加速或减速应以小步进缓慢增加或减少占空比来让速度渐渐达到最终值。 #include "stm32f10x.h" #include "driver_motor.h" #define PWM_PERIOD_T 400 #define U_Up_On GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_13 #define U_Up_Off GPIOB->BRR = GPIO_Pin_13 #define U_Dn_On GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_8 #define U_Dn_Off GPIOA->BRR = GPIO_Pin_8 #define V_Up_On GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_14 #define V_Up_Off GPIOB->BRR = GPIO_Pin_14 #define V_Dn_On GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_9 #define V_Dn_Off GPIOA->BRR = GPIO_Pin_9 #define W_Up_On GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_15 #define W_Up_Off GPIOB->BRR = GPIO_Pin_15 #define W_Dn_On GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_10 #define W_Dn_Off GPIOA->BRR = GPIO_Pin_10 #define SU_HOR GPIOA->IDR & GPIO_Pin_15 #define SV_HOR GPIOA->IDR & GPIO_Pin_12 #define SW_HOR GPIOA->IDR & GPIO_Pin_11 //u8 Motor_Dir=0; //u8 Motor_EN=0;
直流无刷电机及驱动器介绍
技术部 直流无刷电机及驱动器介绍 ---培训讲义 编制/整理：徐兴强 日期：2010-5-5
一、产品技术特点 1）既具有AC电机的优点：结构简单，运行可靠，维护方便等； 2）又具有DC电机的优点：调速性能好，运行效率高，无励磁损耗等； 3）同时，与DC有刷电机比较：无接触磨损，无火花，低噪音，无辐射干扰等；4）再有，与伺服电机比较：控制/驱动原理较简单，可灵活多变，且成本较低；有较高的成套性价比，实用性很强。 主要缺陷：低速启动时，有轻微震动；但不会失步（比较于步进电机）。 二、主要应用方面 1）在精密电子设备和器械中的应用 如：电脑硬盘的主轴驱动，激光打印机，复印机，医疗器械，卫星太阳能帆板驱动，医疗监控设备等。 2）在家用电器中的应用 如：空调器、洗衣机、电热器、吸尘器、电风扇、搅拌机等。 3）在电瓶车/牵引机中的应用 4）在工业系统中的应用 如：工业缝纫机、纺织印花机、等等；
5）在军事工业和航空航天中的应用 三、特殊功能与性能分析 # 典型特性曲线，如下： ##由以上特性曲线可知： 1）电机的最大转矩为启动和堵转时的转矩； 2）在同一转速下，改变供电电压，可以改变电机的输出转矩； 3）在相同转矩时，改变供电电压，可以改变电机的转速。 即：在驱动电路中，通过PWM方式改变供电电压的平均值，在保证转矩不变的情况下，可以实现对电机的平稳调速。 ###BLDC与AC交流感应式电机相比，具有如下优点： 1）转子采用永磁体，无需激励电流。故，同样的电功率，可以获得更大的机械功率； 2）转子无铜损，无铁损，发热更小； 3）启动、堵转时力矩大，更适合于阀门打开、关闭瞬间需要力矩大的场合； 4）电机的输出力矩与工作电压、电流成正比，从而可以简化力矩的检测电路，并更加可靠； 5）利用PWM调制方式改变供电电压的平均值，可以实现平稳调速，使调速、驱动功率电路更加简单，综合成本降低；
直流无刷电机驱动原理
直流无刷电机的工作原理 直流无刷电机的优越性 直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电 枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会 产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及 整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技 术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处 理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制 交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。 此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，PWM)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。 直流无刷电机的控制结构 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=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。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图(1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需 求转换输入电源频率。
无刷直流电机驱动器说明书
无刷驱动器DBLS-02 一概述： 本控制驱动器为闭环速度型控制器，采用最近型IGBT和MOS功率器，利用直流无刷电机的霍尔信号进行倍频后进行闭环速度控制，控制环节设有PID速度调节器，系统控制稳定可靠，尤其是在低速下总能达到最大转矩，速度控制范围150~10000rpm。 二产品特征: 1、PID速度、电流双环调节器 2、高性能低价格 3、20KHZ斩波频率 4、电气刹车功能，使电机反应迅速 5、过载倍数大于2，在低速下转矩总能达到最大 6、具有过压、欠压、过流、过温、霍尔信号非法等故障报警功能 三电气指标 标准输入电压：24VDC~48VDC，最大电压不超过60VDC。最大输入过载保护电流：15A、30A两款连续输出电流：15A 加速时间常数出厂值：秒其他可定制 四端子接口说明: 1、电源输入端: 引角序号引角名中文定义 1V+直流+24~48VDC输入 2GND GND输入 引角序号引角名中文定义 1MA电机A相 2MB电机B相
3MC电机C相 4GND地线 5HA霍尔信号A相输入端 6HB霍尔信号B相输入端 7HC霍尔信号C相输入端 8+5V霍尔信号的电源线 G ND：信号地F/R：正、反转控制，接GND反转，不接正转，正反转切换时，应先关断EN E N：使能控制：EN接地，电机转（联机状态），EN不接，电机不转（脱机状态）B K：刹车控制：当不接地正常工作，当接地时，电机电气刹车，当负载惯量较大时，应采用脉宽信号方式，通过调整脉宽幅值来控制刹车效果。S V ADJ：外部速度衰减：可以衰减从0~100%，当外部速度指令接时，通过该电位器可以调速试机P G：电机速度脉冲输出：当极对数为P时，每转输出6P个脉冲（OC门输入）A LM：报警输出：当电路处于报警状态时，输出低电平（OC门输出）+5V：调速电压输出，可用电位器在SV和GND形成连续可调内置电位器：调节电机速度增益,可以从0~100%范围内调速。 五驱动器与无刷电机接线图 六机械安装：
DSP无刷直流电动机驱动控制程序
2.4 无刷直流电动机驱动控制程序 //########################################################################## ###/// //无刷电机控制源程序 //TMS320F2812 // //########################################################################## ### //===================================================================== //头文件调用 //===================================================================== #include "DSP28_Device.h" #include "math.h" #include "float.h" //===================================================================== //常量附值 //===================================================================== #define Idc_max 3000 //电流给定最大值 #define Idc_min 0 //电流给定最小值 //===================================================================== //标志位 //===================================================================== char Iab_Data=0; struct Flag_Bits { // bits description
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
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
无刷直流电机驱动器原理
图1 第2章 无刷直流电机的驱动原理 2.1 驱动方式的理论分析 一、主要器件MOSFET MOSFET 又称金属-氧化物半导体场效应晶体管，可分为N 型和P 型两种，又被称为NMOSFET 与PMOSFET 。 如图1所示，一块P 型硅 半导体材料作衬底，在其面上扩散了两个N 型区，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2）绝缘层，最后在N 区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极）、S （源极）及D （漏极），如图所示。在驱动器上用到的MOSFET 是在其上反并联一个二极管，该二极管通常被称为寄生二极管。由于添加了二极管的缘故，从而使其没有了反向电压阻断的能力。一般使用时在栅源极间施加一个-5V 的反向偏执电压，目的是为了保证是器件导通，噪声电压必须阈值门控（栅极）电压和负偏置电压之和。 MOSFET 的使用方法和三极管的使用方法几乎类似，都是采用小电流的方式来控制大电流，这在模拟电路中经常用到。如图2所示，在无刷电机驱动 器中使用MOSFET 主要是在MOSFET 的栅源极施加一个寄生二极管。 二、单相半波逆变器原理 如图3所示是单相半波逆变器的原理图。对其工作状态分析如下： 第一个工作状态，v1导通，负载电压等于Ud/2,从而使负载电流与电压同向。 第二个工作状态，v2关短后，负载电流流向vd2，使得负载上的电压变为-Ud/2。但随着时间的推移会使负载的电流最终变为0。 第三个工作状态，v2导通，使得负载中出现了负电压和负电流。 第四个工作状态，v2关断造成vd2正向偏置，得负载 电压变为Ud/2。 如果电压为横坐标u ，电流为竖坐标i 的话，那么通过上面四个状态就可以是电流和电压在四个象限内轮流工作。因此，采用一定的方法通过控制v1和v2的导通时间就可以达到控制负载上电流和电压按照一定的频率来轮换着工作。 图2 图3 图2
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
无刷直流电机控制系统的设计(一)
1 引言 无刷直流电机最本质的特征就是没有机械换向器与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:一种就是方波/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就是永磁同步电机。另一种就是方波/梯形波直流电机与正弦波直流电机都就是无刷直流电机。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”,其换相电路可以就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与现代化生产、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 无刷直流电动机就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与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,西门子与博世两公司展出了永磁自同步伺服系统与驱动器,引起了我国有关学者的注意,自此我国开始了研制与开发电机控制系统与驱动的热潮。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,而且受永磁材料与驱动 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,都停留在实验阶段,无法推广到实际中使用,1970年以后,半导体的快速发展,许多新型的全控型半导体功率
无刷直流电机驱动器原理
无刷直流电机驱动器原理Newly compiled on November 23, 2020
图1 第2章 无刷直流电机的驱动原理 驱动方式的理论分析 一、主要器件MOSFET MOSFET 又称金属-氧化物半导体场效应晶体管，可分为N 型和P 型两种，又被称为NMOSFET 与PMOSFET 。 如图1所示，一块P 型硅半导体材料作衬底， 在其面上扩散了两个N 型区，再在上面覆盖一层二 氧化硅(SiO2）绝缘层，最后在N 区上方用腐蚀的方 法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极）、S （源极）及D （漏极），如图所 示。在驱动器上用到的MOSFET 是在其上反并联一个二极管，该二极 管通常被称为寄生二极管。由于添加了二极管的缘故，从而使其没有 了反向电压阻断的能力。一般使用时在栅源极间施加一个-5V 的反向偏执电压，目的是为了保证是器件导通，噪声电压必须阈值门控（栅极）电压和负偏置电压之和。 MOSFET 的使用方法和三极管的使用方法几乎类似，都是采用小电流的方式来控制大电流，这在模拟电路中经常用到。如图2所示，在无刷电机驱动器中使用MOSFET 主要是在MOSFET 的栅源极施加一个寄生二极管。 二、单相半波逆变器原理 如图3所示是单相半波逆变器的原理图。对其 工作状态分析如下： 图2 图2
第一个工作状态，v1导通，负载电压等于Ud/2,从而使负载电流与电压同向。 第二个工作状态，v2关短后，负载电流流向vd2，使得负载上的电压变为-Ud/2。但随着时间的推移会使负载的电流最终变为0。 第三个工作状态，v2导通，使得负载中出现了负电压和负电流。 第四个工作状态，v2关断造成vd2正向偏置，得负载电压变为Ud/2。 如果电压为横坐标u，电流为竖坐标i的话，那么通过上面四个状态就可以是电流和电压在四个象限内轮流工作。因此，采用一定的方法通过控制v1和v2的导通时间就可以达到控制负载上电流和电压按照一定的频率来轮换着工作。 但是上面的变换有一些缺点。例如，在任何时刻加载在负载上的电压都是全部电压的一半。假如咋某个时刻对于功率额定的器件，电压减半后会使电流变为原来的两倍，同时又欧姆定律可知这时的发热会变为原来的次方倍。这对于器件来说会造成更大的风险。另外电压只能在最大电压的一半，没办法为0V，那就会是器件造成更大的波纹度。 三、三相逆变电路 原理如图所示 由单项桥的原理来分析三相桥电路。每个负载由两个上下桥臂共同连接，中间是连接在一起的没有中心线的 星型连接方式。中点电压 有桥臂上下开关器件的开 关状态所决定。假定每一 相的桥臂在任意给定时刻 均有一个开关器件的导
直流无刷电机驱动芯片L6229
1/25L6229 October 20041 FEATURES ■ OPERATING SUPPLY VOLTAGE FROM 8 TO 52V ■ 2.8A OUTPUT PEAK CURRENT (1.4A DC)■ R DS(ON) 0.73? TYP. VALUE @ T j = 25 °C ■ OPERATING FREQUENCY UP TO 100KHz ■ NON DISSIPATIVE OVERCURRENT DETECTION AND PROTECTION ■ DIAGNOSTIC OUTPUT ■ CONSTANT t OFF PWM CURRENT CONTROLLER ■ SLOW DECAY SYNCHR. RECTIFICATION ■ 60° & 120° HALL EFFECT DECODING LOGIC ■ BRAKE FUNCTION ■ TACHO OUTPUT FOR SPEED LOOP ■ CROSS CONDUCTION PROTECTION ■ THERMAL SHUTDOWN ■ UNDERVOLTAGE LOCKOUT ■INTEGRATED FAST FREEWEELING DIODES 2DESCRIPTION The L6229 is a DMOS Fully Integrated Three-Phase Motor Driver with Overcurrent Protection. Realized in MultiPower-BCD technology, the device combines isolated DMOS Power Transistors with CMOS and bipolar circuits on the same chip. The device includes all the circuitry needed to drive a three-phase BLDC motor including: a three-phase DMOS Bridge, a constant off time PWM Current Con- troller and the decoding logic for single ended hall sensors that generates the required sequence for the power stage. Available in PowerDIP24 (20+2+2), PowerSO36 and SO24 (20+2+2) packages, the L6229 features a non-dissipative overcurrent protection on the high side Power MOSFETs and thermal shutdown. DMOS DRIVER FOR THREE-PHASE BRUSHLESS DC MOTOR Table 1. Order Codes Part Number Package L6229N PowerDIP24L6229PD PowerSO36L6229PDTR PowerSO36 in T ape & Reel L6229D SO24L6229DTR SO24 in T ape & Reel Rev. 3
三相直流无刷电机驱动程序
三相直流无刷电机驱动 程序 Document serial number【LGGKGB-LGG98YT-LGGT8CB-LGUT-
1.检测霍尔传感器的值可以判断出转子的位置，再使能相应的上下桥臂，则能驱动电机运动；若要让电机持续转动，则必须再次检测传感器值及使能相应的上下桥臂。这里采用的是将霍尔传感器输出的三根线相边的IO口配置成外部中断，并且为边沿触发，在中断函数中加入传感器检测与上下桥臂切换程序，如此电机就能持续运转了。 2.上桥臂的控制采用IO口置高低电平来控制上桥臂的通断，下桥臂则使用单片机内部集成的三路PWM波来控制，通过控制PWM波的占空比，可以实现对电机的调速了。实际测得，占空比与电机的速度成正比例关系，在PWM波频率为20KHz时，占空比增加1%，速度增加60rpm，并在占空比为53%时达到额定转速3000rpm（空载）。 3.速度测量则采用如下公式： 电机每转一圈，霍尔值改变6次x5个周期=30次，记录边沿触发的中断次数N/30=电机转过的圈数,设运转时间为t(s)则电机转速v=N/30/t*60 rpm。即动转时间为2s时，霍尔值改变次数即为速度值，单位rpm。 4.调速：给定速度，由电机驱动板自动由当前速度平滑过渡到给定速度。实际测试发现，速度变化量很大时，电机会有突然加速或减速时的冲击；因此，调速应有一个缓冲的过程。即加速或减速应以小步进缓慢增加或减少占空比来让速度渐渐达到最终值。 #include "" #include "" #define PWM_PERIOD_T 400 #define U_Up_On GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_13 #define U_Up_Off GPIOB->BRR = GPIO_Pin_13