永磁无刷直流电动机设计word版

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永磁直流微电动机控制技术Permanent magnet DC micro-motor

control technology

专业：测控技术与仪器

姓名：拓明方

指导教师：

申请学位级别：学士

论文提交日期： 2015年月日

学位授予单位：天津科技大学

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摘要

传统直流电机中电刷和换向器的存在使得其结构变得复杂，而且换相时发生的械接触严重影响了电机运行的可靠性和稳定性，而且会缩短其使用寿命，极大的影响了电机的应用范围。因此，长期以来科学家们都着力于研究能有效替代电刷和换向器的装置或控制方法。

伴随着微处理器技术和智能控制技术的发展以及永磁材料的出现，PMBDCM 正在以其优越的性能逐步取代传统电机应用于各个领域。其中无位置传感器的PMBDCM更是克服了位置传感器安装复杂、成本较高的缺陷，拥有可靠的工作性能和简单的电机结构等优势。

因此，针对无位置传感器的PMBDCM，本次毕业设计详细介绍PMBDCM的结构和工作原理，以TMS320F2812芯片为核心设计了 PMBDCM的无位置传感器控制系统的硬件电路，给出了模块化的软件设计思路；并选择硬件起动法和“反电动势”过零检测法来控制电机运行。

最后在MATLAB/SIMULINK环境下，采用模块化设计思路对无位置传感器的PMBDCM进行建模；并采用经典的双闭环控制方法对电机模型进行仿真，通过仿真结果证明了“反电动势”过零检测法的可行性。

关键词：PMBDCM；无位置传感器； TMS320F2812；“反电势”过零检测

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ABSTRACT

Traditional DC motor has a complicated structure because of brush and commutator existence, and mechanical contact occurs when the commutation of a serious impact on the reliability and stability of the motor operation, as well as, it will shorten motor’s life, a great impact on the application range of the motor. scientists have long been focused on the study can effectively replace devices or control method brushes and commutator.

With the development of microprocessor technology and intelligent control technology and permanent magnet material advent, PMBDCM is its superior performance to gradually replace Traditional motor used in various fields. Which PMBDCM position sensor-less is overcome complex and costly defects in position sensor mounted, possess reliable performance, simple motor structure and other advantages.

Therefore, for the position sensor-less PMBDCM, this graduation design details of the structure and working principle on PMBDCM ,use TMS320F2812 chip as the core designed sensor-less control system hardware circuit and a modular software design ideas for PMBDCM, then, select hardware starting method and the "back-EMF" zero-crossing detection method to control the motor running.

Finally, under the MATLAB / SIMULINK environment, build a position sensor-less PMBDCM model by modular design concept; and simulate motor model adopt the classic double-loop control method, the simulation results proved feasibility of the "back-EMF " zero-crossing detection method.

Keywords: PMBDCM; Position sensor-less control; TMS320F2812;

"back-EMF " zero-crossing detection

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目录

1 绪论 (1)

1.1永磁无刷直流电动机控制技术的研究概况 (1)

1.2永磁无刷直流电动机的发展趋势 (2)

1.3永磁无刷直流电动机的特点及应用 (3)

1.3.1 在航空航天中的应用 (3)

1.3.2 在汽车中的应用 (3)

1.3.3 在家用电器中的应用 (4)

1.3.4 在精密电子设备和器械中的应用 (4)

1.4论文需要做的工作 (5)

2 永磁无刷直流电动机的结构和原理 (6)

2.1永磁无刷直流电动机的结构 (6)

2.1.1 电动机本体 (7)

2.1.2 位置传感器 (7)

2.1.3 逆变器（电子开关线路） (8)

2.2永磁无刷直流电动机的基本工作原理 (9)

2.2.1 有刷直流电动机的工作原理 (9)

2.2.2.无刷直流电动机工作原理 (10)

2.3无刷和有刷直流电机的比较 (12)

3 永磁无刷直流电动机的控制系统设计 (13)

3.1控制系统的硬件设计 (13)

3.1.1 驱动电路及驱动保护模块 (14)

3.1.2 PIC16F877A 芯片及控制系统原理图 (15)

3.2控制系统的软件设计 (17)

3.2.1 软件设计 (17)

3.2.2 处理位置传感器的检测信号 (18)

3.3本章小结 (18)

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4 永磁无刷直流电动机的无位置传感器控制技术 (19)

4.1无位置传感器PMBDCM的控制系统硬件设计 (19)

4.1.1 控制系统框图 (19)

4.1.2 逆变器电路的设计 (20)

4.1.3 逆变器驱动电路设计 (20)

4.1.4 核心控制电路及外围电路 (21)

4.2转子位置的检测及无位置传感器时电机的起动 (23)

4.2.1 反电势过零检测法原理和实现 (23)

4.2.2 无位置传感器PMBDCM的硬件起动 (25)

4.3无位置传感器PMBDCM的控制系统软件设计 (26)

4.3.1 转子零初始位置起动程序 (26)

4.3.2 “反电势”法运行程序 (28)

4.3.3 功率模块保护中断（PDPINT）服务程序 (29)

4.4本章小结 (29)

5 永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统的仿真 (31)

5.1PMBDCM的数学模型 (31)

5.2无位置传感器PMBDCM的建模和仿真 (32)

5.2.1 总体结构设计 (32)

5.2.2 双闭环调速系仿真结果 (33)

6 总结与展望 (36)

参考文献 (37)

致谢 (38)

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1 绪论

永磁无刷直流电动机 ( 以下简称 PMBDCM ) 是近年来随着信息技术和材料技术的发展而迅速发展起来的一种性能优秀的新型电动机。它将老式电动机中

的机械电刷和机械换向器，用一种电子换向器取而代之，因此使PMBDCM不仅保留了直流电动机的诸多特点，同时还具备了交流电动机结构简单、运行可靠、

维护方便等优点，这就使得PMBDCM在各个领域中有着广泛的应用[1]。除此之外，PMBDCM高能量、高密度、高转矩惯性比以及高效率等长处决定了其具有广阔的

发展空间[2]。

1.1 永磁无刷直流电动机控制技术的研究概况

PMBDCM是一种非常具有代表性的新型机电一体化产品，这种产品由定子、

转子、位置传感器和电子开关等组成，它的成长与材料技术、电子技术、信息

技术和检测技术等研究的进步密切相关。而这几项研究作为潜力巨大的支柱性

技术，必然在信息技术快速发展的新世纪，朝着快、新、小和精准、可靠的方

向发展，为PMBDCM 的高速发展提供必备的技术支持。

近年来，一方面，随着电力电子技术的提高、功率半导体器件容量增大和

开关速度提高等，都极大地推动了PMBDCM的发展[3]。相对来说，电子元器件比

较容易做到高压低流，这不仅能降低传输过程中的损耗，而且管压降占总的线

电压的比例也会下降，可以有效地增加电动机系统的工作效率。因此，高压低

流应该是未来PMBDCM的发展方向之一；另一方面，处理器微型化正在高速发展，高速微处理器和DSP等元件的产出，极大的简化了PMBDCM的控制系统，并显著提高了电动机的性能[4-6]。此外，随着控制理论的不断发展，许多现代控制理论

均被用于PMBDCM的控制，但是其中有些控制理论还不是很成熟，需要进一步研究。相信通过长时间的研究和发展，将之应用到PMBDCM上，必然会推动PMBDCM的高速发展。

现如今，对PMBDCM一个研究热点是无位置传感器控制的研究。位置传感器为逆变器提供转子位置信号以确定电动机的换相，是电动机系统的重要组成部分，但同时位置传感器的许多缺点也是无法避免的。比如：增加了电动机的体积和成本、降低了系统的可靠性、安装也相对困难等等[7]。鉴于这些缺点，国内外的许多研究人员一直在寻找能够替代位置传感器的方法，也就是无位置传感器的控制方法，并取得了成功，许多成品也已在许多地方进行了应用。

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1.2 永磁无刷直流电动机的发展趋势

1831年，著名的科学家法拉第发现了电磁感应现象，从而为现代电动机奠定了理论基础[8]。我们都知道，无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上成长起来的，而在长期的探索和研究中，其主要方向便是寻找有效的技术或部件将有刷直流电动机中的电刷、换向器取而代之。

现如今，国内外对永磁无刷直流电动机的研究工作主要集中在它的控制器模型、精确调速控制、抑制转矩脉冲和位置信号检测等方面。因此，我认为，对今后PMBDCM的研究应注重以下几个方面：

（1）优化PMBDCM的控制方法，提高其调速性能；

（2）向小型化、集成化及控制器全数字化方向发展；

（3）开发研究新型的结构和高效的绿色PWM控制方案；

（4）进一步研究和完善对PMBDCM测速系统的改进和优化，以及位置信号检测方法和检测方式[9]。

上文中提到，转子位置检测是电动机中非常重要的部分，因此对转子位置的检测方法提出了从转子、定子结构上做改动，如在转子表面安装非磁性元件，通过检测该元件中由于产生涡流而导致断开相电压转变来获得转子位置信号的方法；另有一种新的检测思路—利用智能控制理论，这种检测方法通过自适应技术、模糊控制或者神经网络控制来建立被测相的电压、电流和转子位置之间的关系，这种控制方法虽然省去了精确的数学模型，但是在应用中存在很大困难，使得该方法仍在研究起始阶段，且更多的只是仿真，实际应用不常见[10]。

现今，使用做多的仍旧是反电动势控制技术，其原理是通过检测反电动势的零点来确定转子磁钢的精确位置，同时控制PMBDCM的换向。

提高PMBDCM的性能，可以通过优化硬件设计和电力电子装置来实现；也可改善各种控制方法来进行提高。PMBDCM控制系统是典型的非线性、多变量耦合系统，结合现代控制理论和智能控制理论的控制方案，如Fuzzy控制、神经网络控制等多种先进控制策略在PMBDCM中的应用将又一次提高系统的性能[11]。尤其，如果单片机或DSP处理速度能够有保障，应加大各种控制算法的实用化研究，从而全面推进PMBDCM控制系统朝着微型化、数字化、绿色化和高效节能等方向发展。

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1.3 永磁无刷直流电动机的特点及应用

PMBDCM的最大特点，就是没有换向器和电刷组成的机械接触结构；能够产生热量的电枢绕组通常安装在外壳定子上，使其散热容易。因此PMBDCM不会产生换向火花，没有无线电的干扰，寿命长，运行可靠[12]。

表1-1几种电动机的比较

通过上述简单的比较，我们可以看出PMBDCM较其他电动机有着明显的优势，其发展空间和应用范围都非常的广阔，下面就将介绍一下PMBDCM的几种应用。1.3.1 在航空航天中的应用

航空航天用PMBDCM最具代表性的是机械臂控制、陀螺仪与舵机驱动等几种应用，这些应用对高速控制和动态响应能力有着非常高的要，因此这些电动机系统均通过闭环速度反馈方式进行控制，且大多都拥有非常先进控制的算法。其他航空航天用PMBDCM，如高速离心泵和高速摄像枪等，它们使用到的电动机转速能够达到万转/分钟，因此需考虑到高速旋转时对电动机机械、电气方面的影响以及出现问题时的解决方案。另外，航空航天使用电源的电压等级和频率也与民用区别较大，因此电动机控制系统还须调整具体的参数来适应这些区别。

1.3.2 在汽车中的应用

在汽车中，永磁无刷直流电动机主要应用于车轮驱动、净化器等。

汽车驱动：电动汽车的四个车轮分别用各自独立的轮式电动机直接启动，并利用逆变器进行电子换向，这种结构有利于机车的高速运行，并且更换轮胎后也会不影响电动机自身工作[13]。当今国际上的车辆驱动使用的方案，基本上是采用取消齿轮、直接驱动的外转子式电动机（如图1-1），然而由于经费的因素，许多汽车生产厂家会选择内转子式PMBDCM。

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（a ）电动轮（带永磁内转子） （b ）外转子式直流电动

机

图1-1 车辆驱动使用的方案

净化器：汽车净化器相当一部分都是使用PMBDCM 的带动离心式风叶用以吸收排出污浊的空气。常用的电动机电路是二相桥式换向驱动电路，这种电机的内定子绕组可以绕在铁芯齿上，本体做成外转子式结构，定子和定子绕组放在转子内部，换向采用简单且有控制保护功能的专用集成电路（ASIC ）。

1.3.3 在家用电器中的应用

近年来，家用电器正朝着节能、低噪声、智能化和高可靠性方向发展，其使用的电子驱动电动机的性能也随之在提高。

变频空调的兴起使PMBDCM 在空调驱动中的采用率正逐步提高。并且空调压缩机中宜采用无位置传感器控制方式，这种控制方式不但能节约成本和提高变频空调压缩机控制系统的稳定性，而且使系统体积减小、系统效率也有所了增加。

盘式PMBDCM 在VCD 、DVD 等家用电器的主轴驱动中也有应用。

同时，吸尘器、搅拌机、电吹风机、摄像机和家用电风扇等诸多家用电器也正在将先前使用较多的直流电动机、单相异步电动机和变压变频（VVVF ）驱动式异步电动机等用PMBDCM 取代，以提高其工作效率。

1.3.4 在精密电子设备和器械中的应用

骨科医疗器械：根据各种手术的需要，要求电动机的动力系统能在较宽的范围内连续变速，以适应铣缝、钻孔、锯等技术的要求。而现有骨科医疗器械用驱动电动机是单相交直流串励电动机及电压调节器，其缺点是噪声大；由于电刷和换相器的存在，致使手术前的消毒无法完成，给手术带来了极大的影响；同时需要定时更换电刷及电动机维护。而PMBDCM 低噪音、宽范围调速、体积小、重量轻等优点却能有效的改善这些缺点[14]

。

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另外PMBDCM在计算机硬、软盘驱动、激光打印机、太阳能帆板驱动、血液分析仪、医护监控设备等领域内正在逐渐替换有刷电动机。该类PMBDCM尺寸小、加工精度高，属于技术密集型，需求量巨大，且目前其主要来源于各发达国家。

1.4 论文需要做的工作

这一章主要学习和介绍了PMBDCM控制技术的研究概况、发展趋势以及在各领域内的应用，为本次毕设奠定了理论基础。

本次毕业设计，将主要结合PMBDCM的结构和原理，进行以单片机PIC16F877A 芯片为核心的PMBDCM控制系统硬件设计和软件构思，并对比较热门的PMBDCM的无位置传感器控制技术重点进行分析和研究。

从本章第三节介绍的诸多应用中我们可以看出，PMBDCM的应用范围是非常广阔的，从“上天”到“入地”，大到火箭小到手术刀，其应用遍布人民的生活。当然，PMBDCM的应用不仅仅限于这些，其良好的发展前景和优越的性能决定PMBDCM会在以后有更多、更全面的应用。