全数字舵机用无刷直流电机伺服系统的设计
最全直流电机工作原理与控制电路解析(无刷+有刷+伺服+步进)

最全直流电机工作原理与控制电路解析(无刷+有刷+伺服+步进)直流电动机是连续的执行器,可将电能转换为机械能。
直流电动机通过产生连续的角旋转来实现此目的,该角旋转可用于旋转泵,风扇,压缩机,车轮等。
与传统的旋转直流电动机一样,也可以使用线性电动机,它们能够产生连续的衬套运动。
基本上有三种类型的常规电动机可用:AC型电动机,DC型电动机和步进电动机。
典型的小型直流电动机交流电动机通常用于高功率的单相或多相工业应用中,需要恒定的旋转扭矩和速度来控制大负载,例如风扇或泵。
在本教程中,我们仅介绍简单的轻型直流电动机和步进电动机,这些电动机用于许多不同类型的电子,位置控制,微处理器,PIC和机器人类型的电路中。
基本直流电动机该直流电动机或直流电动机,以给它的完整的标题,是用于产生连续运动和旋转,其速度可以容易地控制,从而使它们适合于应用中使用是速度控制,伺服控制类型的最常用的致动器,和/或需要定位。
直流电动机由两部分组成,“定子”是固定部分,而“转子”是旋转部分。
结果是基本上可以使用三种类型的直流电动机。
有刷电机–这种类型的电机通过使电流流经换向器和碳刷组件而在绕线转子(旋转的零件)中产生磁场,因此称为“有刷”。
定子(静止部分)的磁场是通过使用绕制的定子励磁绕组或永磁体产生的。
通常,有刷直流电动机便宜,体积小且易于控制。
无刷电动机–这种电动机通过使用附着在其上的永磁体在转子中产生磁场,并通过电子方式实现换向。
它们通常比常规的有刷型直流电动机更小,但价格更高,因为它们在定子中使用“霍尔效应”开关来产生所需的定子磁场旋转顺序,但是它们具有更好的转矩/速度特性,效率更高且使用寿命更长比同等拉丝类型。
伺服电动机–这种电动机基本上是一种有刷直流电动机,带有某种形式的位置反馈控制连接到转子轴。
它们连接到PWM型控制器并由其控制,主要用于位置控制系统和无线电控制模型。
普通的直流电动机具有几乎线性的特性,其旋转速度取决于所施加的直流电压,输出转矩则取决于流经电动机绕组的电流。
无刷直流电动机及驱动系统设计

无刷直流电动机及驱动系统设计无刷直流电动机是一种能够将电能转化为机械能的电机,它不仅具有高效率、高功率密度、大扭矩和高转速等优点,同时还能在宽范围内调整转速和控制扭矩。
因此,无刷直流电动机及其驱动系统设计成为了工业应用和个人消费电子产品中常见的一种电机类型。
无刷直流电动机驱动系统由电机本体、功率器件、传感器、微控制器和控制算法等组成。
首先,电机本体是电机的核心部分,包括转子、定子、磁铁和绕组等。
转子是电机的运动部分,由永磁体和轴承支撑。
定子是电机的静止部分,由铁芯和绕组组成。
磁铁是电机的永磁体,产生磁场以与永磁体上的磁场相互作用。
绕组是由导线绕制的线圈,通过流过电流产生磁场。
其次,功率器件是驱动系统的关键部分,用于将电能从电源转化为机械能。
一般采用MOSFET或IGBT等功率器件,以实现高速开关和较高电流能力。
它们能够承受高电压和大电流,并快速切换,使得电机能够根据控制信号调整转速和扭矩。
传感器是驱动系统中用于检测电机位置和转速的重要组成部分。
常见的传感器有霍尔传感器、反电动势传感器和编码器等。
霍尔传感器通过检测磁场强度变化来确定转子的位置,反电动势传感器通过测量绕组中电流变化产生的反电动势来确定电机的转速,编码器则能够提供更准确的位置和速度信息。
微控制器是驱动系统中负责控制电机运行的核心部件。
它包含了控制算法、控制逻辑和通信接口等功能,通过与传感器和功率器件进行交互来实现对电机转速、扭矩和方向的精确控制。
微控制器能够根据输入的控制信号,通过调节电流和电压来控制电机的运行状态。
最后,控制算法是驱动系统的重要组成部分,在实际应用中起到至关重要的作用。
常见的控制算法包括PID控制、电流环控制、速度环控制和位置环控制等。
PID控制通过调整比例、积分和微分控制器的系数来达到稳定控制的效果。
电流环控制通过直接或间接测量电机电流,以控制电机的转矩和速度。
速度环控制通过测量电机转速,并根据所需转速和实际转速之间的差异来调整控制信号。
基于c8051的直流无刷电机控制系统的设计

基于c8051的直流无刷电机控制系统的设计
设计一个基于c8051的直流无刷电机控制系统,可以按照以下步骤进行:
1. 选择合适的c8051单片机芯片,建议选择具备PWM输出和
高速计数器功能的型号。
2. 设计电机驱动电路,包括功率电路和驱动电路。
功率电路通常由MOSFET H桥组成,负责将电机驱动电压转换为驱动电流。
驱动电路负责根据单片机控制信号控制MOSFET开关,
控制电机的起停和运动方向。
3. 编写单片机的控制程序。
需要实现以下功能:
- 设定电机转速或转矩的目标值;
- 读取电机的实际转速或转矩;
- 根据目标值和实际值进行比较,计算出控制电压;
- 生成PWM信号,控制电机驱动电路。
4. 调试和测试控制系统。
连接电机和单片机,进行测试和调试,确保系统正常工作。
5. 优化系统性能。
可以根据需要进行性能优化,例如增加闭环控制、采用磁编码器等。
以上步骤仅供参考,根据实际需求和资源可以进行适当调整和修改。
希望能对你有所帮助!。
舵系统用无刷直流电动机仿真研究

道 MO F T,高 电平导 通 。 SE
行器 和鱼 雷 隐 蔽 性 比 较 差 , 同 时 转 速 不 能 太 高 , 也制 约 了其 机动灵 活性 和快 速性 。
无 刷直 流 电动 机 以 电子 换 相 装 置 取 代 了直 流
电动机 的机 械 换 相 装 置 ,不 但 克 服 了直 流 电动 机 的缺 点 ,而 且 具 有 运 行 效 率 高 、无 励 磁 损 耗 以及 调 速性 能好 等诸 多优 点 。在现 代 舵 系统 设 计 时 , 常 采用无 刷 直流 电动机作 为舵 机 的原 动机 。
O 引 言
舵机作 为 飞 行 器 和 鱼 雷 的执 行 装 置 ,接 受 来 自计 算机 送 来 的控 制 角命 令 ,用 以操 纵 舵 面 的偏 转角 度 ,从 而 产 生 一 定 的 铰 链 力 矩 ,以保 持 正 常 的姿 态 。用 于操 作舵 面 的伺 服 系统 称 之 为舵 系 统 。
1z d i eal t l n t h  ̄e mi g a d i a e u t fDC tr Th t e tc lmo e fBLD— y e n d t i. o ei a e s o o n n n d q ae o mi mo o . e ma h ma ia d lo CM se tb ih d. Th pe d s r o c a a trsisa nt d d su ba c fBLDCM sc rid o ti wa sa ls e e s e e v h r ce t nd a i . it r n eo i c wa are u n s e d mo . T i lto e u t h w h tBLDCM t ta y sae h g r c so n a td n mi p e de he smu ain r s lss o t a wih se d . tt i h p e iin a d f s y a c
直流无刷电机的控制系统设计方案

直流无刷电机的控制系统设计方案1 引言1.1 题目综述直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的,它不仅保留了有刷直流电机良好的调试性能,而且还克服了有刷直流电机机械换相带来的火花、噪声、无线电干扰、寿命短及制造成本高和维修困难等等的缺点。
与其它种类的电机相比它具有鲜明的特征:低噪声、体积小、散热性能好、调试性能好、控制灵活、高效率、长寿命等一系列优点。
基于这么多的优点无刷直流电机有了广泛的应用。
比如电动汽车的核心驱动部件、电动车门、汽车空调、雨刮刷、安全气囊;家用电器中的DVD、VCD、空调和冰箱的压缩机、洗衣机;办公领域的传真机、复印机、碎纸机等;工业领域的纺织机械、医疗、印刷机和数控机床等行业;水下机器人等等诸多应用[1]。
1.2 国内外研究状况目前,国内无刷直流电机的控制技术已经比较成熟,我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。
外国的一些技术和中国的一些技术大体相当,美国和日本的相对比较先进。
当新型功率半导体器件:GTR、MOSFET、IGBT等的出现,以及钕铁硼、钐鈷等高性能永磁材料的出现,都为直流电机的应用奠定了坚实的基础。
近些年来,计算机和控制技术快速发展。
单片机、DSP、FPGA、CPLD等控制器被应用到了直流电机控制系统中,一些先进控制技术也同时被应用了到无刷直流电机控制系统中,这些发展都为直流电机的发展奠定了坚实的基础。
经过这么多年的发展,我国对无刷电机的控制已经有了很大的提高,但是与国外的技术相比还是相差很远,需要继续努力。
所以对无刷直流电机控制系统的研究学习仍是国内的重要研究内容[2]。
1.3 课题设计的主要内容本文以永磁方波无刷直流电机为控制对象,主要学习了电机的位置检测技术、电机的启动方法、调速控制策略等。
选定合适的方案,设计硬件电路并编写程序调试,最终设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。
本课题涉及的技术概括如下:(1)学习直流无刷电机的基本结构、工作原理、数学模型等是学习电机的前提和首要内容。
永磁无刷直流电机控制系统设计

永磁无刷直流电机控制系统设计1.电机模型的建立:建立电机的数学模型是进行控制系统设计的第一步。
永磁无刷直流电机可以使用动态数学模型来描述其动态特性,常用的模型包括简化的转子动态模型和电动机状态空间模型。
简化的转子动态模型以电机的电磁转矩方程为基础,通过建立电机的电流-转速模型来描述电机的动态响应。
这个模型通常用于低频控制和电机启动阶段的设计。
电动机状态空间模型则是通过将电机的状态变量表示为电流和转速变量,用微分方程的形式描述电机的动态特性。
这个模型适用于高频控制和电机稳态响应分析。
2.控制器设计:经典的控制方法包括比例积分控制器(PI)和比例积分微分控制器(PID)。
比例积分控制器是最简单的控制器,通过调节电流的比例增益和积分时间来控制电机的速度。
这种控制器适用于低精度控制和对动态响应要求不高的应用。
比例积分微分控制器在比例积分控制器的基础上增加了微分项,通过调节微分时间来控制系统的阻尼比,提高系统的稳定性和动态响应。
3.参数调节:在控制器设计中,参数调节和整定是非常重要的环节,主要包括根据系统的要求选择合适的控制器参数,并进行优化。
参数调节可以通过试探法、经验法和优化算法等方法进行。
其中,试探法和经验法是相对简单的方法,通过调整控制器的参数值来达到稳定运行或者较好的控制性能。
优化算法可以通过数学模型和计算机仿真的方式进行,通过优化目标函数和约束条件,得到最合适的控制器参数。
总结起来,永磁无刷直流电机控制系统设计主要包括电机模型的建立、控制器设计和参数调节。
在设计过程中,需要根据系统的要求选择合适的控制器,通过参数调节和优化算法来提高系统的稳定性和动态性能。
无刷直流电动机控制系统设计

无刷直流电动机控制系统设计方案第1章概述 (1)1.1 无刷直流电动机的发展概况 (1)1.2 无刷直流永磁电动机和有刷直流永磁电动机的比较 (2)1.3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理 (3)1.4 无刷直流电动机的运行特性 (6)1.4.1 机械特性 (6)1.4.2 调节特性 (6)1.4.3 工作特性 (7)1.5 无刷直流电动机的使用和研究动向 (8)第2章无刷直流电动机控制系统设计方案 (10)2.1 无刷直流电动机系统的组成 (10)2.2 无刷直流电动机控制系统设计方案 (12)2.2.1 设计方案比较 (12)2.2.2 无刷直流电动机控制系统组成框图 (13)第3章无刷直流电动机硬件设计 (15)3.1 逆变主电路设计 (15)3.1.1 功率开关主电路图 (15)3.1.2 逆变开关元件选择和计算 (15)3.2 逆变开关管驱动电路设计 (17)3.2.1 IR2110功能介绍 (17)3.2.2 自举电路原理 (19)3.3 单片机的选择 (20)3.3.1 PIC单片机特点 (20)3.3.2 PIC16F72单片机管脚排列及功能定义 (22)3.3.3 PIC16F72单片机的功能特性 (22)3.3.4 PWM信号在PIC单片机中的处理 (23)3.3.5 时钟电路 (23)3.3.6 复位电路 (24)3.4 人机接口电路 (24)3.4.1 转把和刹车 (24)3.4.2 显示电路 (25)3.5 门阵列可编程器件GAL16V8 (27)3.5.1 GAL16V8图及引脚功能 (27)3.6 传感器选择 (28)3.7 周边保护电路 (30)3.7.1 电流采样及过电流保护 (30)3.7.2 LM358双运放大电路 (31)3.7.3 欠电压保护 (32)3.8 电源电路 (32)第4章无刷直流电动机软件设计 (33)4.1 直流无刷电机控制器程序的设计概况 (33)4.2 系统各部分功能在软件中的实现 (33)4.3 软件流程图 (34)结束语 (36)致谢 (37)参考文献 (38)附录1 (39)附录2 (51)第1章概述1.1 无刷直流电动机的发展概况无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的,这一渊源关系从其名称中就可以看出来。
一种数字化舵机系统设计与实现

( 中北 大学仪器科 学与动态测试教育部重点 实验室 , 山西太原 00 5 ) 30 1
摘要 : 数字化舵机具 有控制精度高 、 可靠性 高 、 干扰 能力强且 便 于调整 和优化 等优点 , 抗 已成 为导 弹舵机的发展方 向。通过实验验证 , 建立了数字化舵机 的系统模型 。根 据相关技 术指标 的要 求 , PD 将 I 控制引入舵机系统 , 计了 PD校正控制器 , 设 I 并在系统空载和加载条件 下进 行性 能的仿 真与对 比。 以专 用数字信号处理器 ( S ) 片为基础 , D P芯 设计完成 了一套基于 D P的数字化舵机仿 真系统 。 S
Ⅱ £ [()+1 ()= e£ /
J
f £ t × et d e) + (d d( /t ) ]
() 1
图 2 无 刷 直 流 电机 动 态 结 构 图
式 中积 分 的上 下 限分 别 是 0和 t 因此 它 。
方式。滚珠丝杠和齿轮副相结合的传动具有体 积重量小 、 精度高 、 率高、 效 易排布等优点。滚 珠丝杠计算如图 3 其数学模型的建立如式( ) , 4
求的角度存在误差时, 在控制器的作用下产生 误差电压信号 , 该误差经过驱动器进行功率 放大后 , 驱动伺服 电机转动。伺服 电机的力矩 通过减速传动机构放大 , 带动舵面 , 使舵面向要
求 的角 度偏 转 。误差 为正 时 , 在伺 服 电机 加 上 的直 流平 均 电压 为正 , 面 向正方 向转动 ; 舵 误
作者简 介 : 赵小龙 (9 6一) 男 , 18 , 满族 , 辽宁省锦州 市 人, 中北大学博士研 究生 , 究方 向: 研 动态 测试及 智
能仪器 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
全数字舵机用无刷直流电机伺服系统的设计
发表时间:2008-12-28 李金飞秦海鸿陈志辉王慧贞严仰光来源:《伺服控制》网络版
关键字:伺服系统全数字永磁无刷直流电动机舵机
信息化调查找茬投稿收藏评论好文推荐打印社区分享
本文基于TI公司的高性能DSP-TMS320F2812设计了全数字舵机用伺服系统,采用电流环内环,速度外环,位置最外环的三闭环控制结构。
并设计了带有电压泵升电路的主功率电路以及功率管驱动电路,软件采用C语言模块化编程,对速度计算的改进提高了速度的计算精度和抗干扰能力。
试验结果表明,分析正确,设计合理。
近年来,随着稀土永磁材料、电力电子技术的发展以及微处理器dsp性能的提高,永磁无刷直流电动机(permanent magnet brushless dc motor, pmbldcm)以其控制简单、输出转矩大、动态响应好、惯量小、可靠性高等优点而得到越来越广泛的研究和应用。
尤其作为中小功率高性能调速电机和伺服电机,在航空航天、军事、家电及工业领域有广阔的应用前景和研究价值。
模拟伺服系统存在很多缺陷,如控制线路体积大、限制了先进控制方法的运用、电路参数受环境影响大、可靠性差以及不易更改。
随着dsp性能的提高,全数字控制得以引入伺服控制器中,使得系统简化,不易受环境影响,可靠性高。
本文设计了以ti公司高性能
dsp-tms320f2812为核心的舵机用伺服控制器,包括硬件和软件设计。
一、伺服系统的基本原理
图1给出永磁无刷直流电动机伺服系统的结构框图,该系统由电机本体、电子换向器及位置传感器三部分组成,其中电子换向器包括逆变器和控制器。
永磁无刷直流电动机的定子上放置了电枢绕组,转子上安装了永磁体,提供电机的励磁,并在转子上同轴安装位置传感器,会输出有规律的位置信号。
经逻辑处理后去控制逆变器中电子开关的通断,从而建立起旋转的定子磁场,并且使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90°左右的电角度,产生转矩推动转子旋转。
图1 永磁无刷直流电动机结构框图
为增加电机出力,永磁无刷直流电机的反电势设计成120°梯形波,三相互差120°,相应的采用三相六状态工作方式。
为了实现精确的定位,保证系统的稳定、快速,伺服系统采用三环控制,如图2所示系统控制框图。
电流环作为内环,速度环作为外环,位置环作为最外环。
位置给定与位置反馈形成偏差,经位置调节后产生速度参考量,它与速度反馈量的
偏差经速度调节后形成电流给定量,再与电流反馈的偏差经电流调节输出pwm占空比,控制逆变器开关管的开通与关断从而控制无刷直流电动机,实现位置伺服控制。
图2 pmbldcm伺服系统闭环控制框图
二、伺服系统的分析与设计
单斩上管调制方式可以减少开关管的损耗,避免功率电路与输入电源的能量的循环,使系统有更高的效率。
伺服系统采用这种调制,导通区间,上管调制,下管常通。
pid控制具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛用于工业过程控制中,它不需要知道被控对象精确的数学模型。
本系统三个闭环调节器都采用pid控制。
电流环控制的对象为两个惯性环节的串连,按照调节器工程设计方法,将电流环校正成典i型系统,要实现快速的电流跟踪,电流调节器选择pi调节。
电流环作为速度环的内环,经调节后可以看作一个惯性环节,故速度环的控制对象是一个惯性环节和一个积分环节的串连,按照调节器工程设计方法,将速度环校正成典ii型系统,速度调节器选择pi调节。
一般情况下,伺服系统不希望出现位置响应超调,以免位置控制响应精度下降,故将位置环校正成典型ⅰ型系统,调节器为p 调节。
伺服系统的硬件设计
伺服系统硬件结构如图3所示,该控制系统主要由控制电路、功率放大电路,位置检测电路、采样电路及保护电路等部分组成。
图3 伺服系统硬件结构框图
主电路及驱动电路设计
为提高定子绕组的利用率、减小转矩脉动以及降低电路成本,逆变器一般采用三相全桥驱动结构,如图4所示。
伺服电机要求能在四象限运行,当制动时能量回流到直流侧,对燃料电池来说是不允许的,故直流侧须串二极管d0,保证电流单向流动。
回馈的能量给输入电容cdc充电,过多的能量经电压泵升电路释放。
泵升电路采用滞环控制,当cdc电压超过滞环上限值,开通功率管q0经电阻r0释放能量;当cdc电压低于滞环下限值则关断功率管q0。
图4 主电路结构图
合理的驱动电路对功率器件的安全工作及整个伺服系统的稳定运行至关重要。
图5给出文中设计采用的功率管驱动电路,驱动芯片采用带光耦隔离的专用驱动芯片ir3120,为保证功率管可靠关断,采用稳压管in4733,使其获得-5v左右的关断电压。
图5 功率管驱动电路
控制电路设计
控制器采用tms320f2812作为控制芯片。
控制器位置给定和反馈通过ad采样检测直线电位器电压得知。
采用电流互感器检测两相电流,因三相星型连接易得第三相电流。
电流检测经调理电路调理后保证其在采样电路所要求的0~3v量程内,然后送至dsp2812的三个
a/d采样口。
三个位置间隔120°分布的霍尔位置传感器h1、h2和h3经整形隔离电路后分别与dsp的三个捕捉引脚相连,通过产生捕捉中断来给出换向时刻,查表得到换向控制字并提供速度计算信号。
换向控制字与导通逻辑的对应关系如附表所示。
为了保证伺服系统安全运行,电源合理使用,本系统设计了硬件过欠压保护和过流保护
三、伺服系统的软件设计
闭环数字实现
伺服系统采用c语言编程,软件由主程序、定时中断程序和捕捉中断三部分组成,中断子程序如下图6和7所示。
主程序进行系统初始化,使能t2周期中断并使能内部中断int3,等待中断发生,定时中断周期为25μs。
三闭环都用数字实现,位置调节周期为10ms;为了提高速度响应,避免起动、停转和大幅加减速时调节器饱和,在普通pi调节器基础上改进为bang-bang控制,其阀值定为200r/min。
速度调节周期为2.5ms,速度反馈从霍尔传感器
的位置信号得到。
电流调节每次定时中断进行一次。
电流检测采用t1p下溢起动ad采样,检测三相电流,检测到的电流进行调零处理后作为电流反馈。
通用定时器gp1设置成连续增计数模式,波形发生器产生非对称pwm波。
图6 定时中断子程序
图7 捕捉中断子程序
速度计算
由于实际的霍尔传感器爪盘很难做到完全对称,所以利用转子旋转一周的间隔来计算速度,则可以很好的消除误差,对高速电机而言这种速度计算精度完全满足要求。
另转子换向时如果有扰动则有可能使得电机有瞬间的抖动,速度计算出错。
故在计算速度时加入抗扰动处理:存储上次位置信号,每次cap中断,读到的位置信号与前一次比较,判断是否换向正确,否则不予计算速度。
这种方法能很好排除速度计算干扰。
四、试验结果
基于以上原理分析,设计制作了伺服控制器原理样机,其控制的电机额定电压udc=56v、额定功率850w、2对极,逆变器功率管选择ixfr200n10p,并进行了原理试验。
图8为轻载时霍尔信号与电流波形,通道1是霍尔位置信号hall1,通道2为a相电流信号。
霍尔信号输出为反逻辑:下降沿开通功率管,上升沿关断功率管。
图9为a和b相相电流波形。
图10为在起动时的速度波形,通道1为速度给定,通道2为速度。
速度给定为3000r/min,速度反馈能很好的跟踪。
图8 霍尔与电流波形
图9 相电流波形
图10 起动时速度波形
试验结果初步验证了文中的原理分析,控制器性能的优化还需做进一步工作。
五、结语
本文分析了永磁无刷直流电动机的工作原理,表明永磁无刷直流电机具有控制简单、输出转矩大、动态响应好、可靠性高等优点。
根据其工作原理进行了dsp全数字伺服控制器的设计,设计制作了原理样机,试验结果表明这种设计的合理性,具有系统结构简单,控制性能较好的特点。
速度计算时巧妙的加入位置捕捉判断,解决了速度计算干扰问题。