三相无刷直流电机驱动器-开题报告(文献综述)

文献综述

题目基于Freescale MKV10Z32单

片机的三相无刷直流电机驱动器学生姓名曹旭雷

专业班级电子科学与技术11-01

学号541111010102

院（系）物理与电子工程学院

指导教师(职称) 邢丽峰（教授）

完成时间2015 年03月20日

1. 项目概述

1.1 项目背景

近年来随着电力电子的发展和新型永磁材料的出现，无刷直流电机得到了迅速发展。无刷直流电机以电子换相代替了机械电刷和换相器实现电机的换相，既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、调速性能好等诸多优点，同时克服了有刷直流电机由机械电刷带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短的弊病，无刷直流电机还具备诸多独特优点，如重量轻、体积小、动态性能好、输出力矩大、设计简便等，故其应用遍及各个领域。

因此，直流无刷电机的应用和研究受到高度的重视。而电力电子技术、微处理器以及现代控制理论的发展，为无刷直流电机的电子换相以及复杂的控制算法提供了软硬件保障。机电一体化的进程在加快，融合了机械技术、电子技术和信息技术，目前BLDC的应用越来越普遍，国内近年来在无刷直流电机的设计和控制方面有很多研究，但与国外成熟的产品相比还是有很多地方需要提高，所以在BLDC方面做出积极的研究是很有意义的。

1.2 整体功能描述

根据题目要求，三相无刷直流电机驱动控制系统主要包括如下部分：

●上位机通信、控制与显示部分；

●上位机与MCU通过USB转串口进行双向通信；

●MCU控制部分，包括位置计算、PID算法和换相控制；

●检测电路部分，包括转子位置、速度和电流检测；

●换相电路部分，包括保护电路、驱动电路。

系统的整体框图如图1.1所示。系统运行后，MCU实时向上位机反馈无刷电机运行状态，上位机通过USB转串口向MCU发送控制信号；MCU接收上位机控制信号，进行PID参数设置、速度切换、检测方式等功能选择；检测电路主要用来获取转子位置和系统自检测所需的各种参数，为MCU控制换相和PID速度控制提供支持；换相电路通过接收MCU控制信号，完成三相电转换，PWM

波形调制等功能；供电电源部分主要提供以上各部分适当的电压、电流，必要时进行一定的安全保护。

图1.1 整体框图

2. 技术指标

2.1 关键技术指标

2.1.1 基本指标

●电机额定电压：DC24V，功率：10~50W；

●支持带霍尔传感器的有感驱动方式；

●PID算法控制电机的转速；

●电机驱动模块具有自检测、防堵转和过流保护等功能；

●PC通过USB转串口与MCU通信，可设定转速，显示转速曲线。

2.1.2 扩展指标

●支持无感驱动方式；

●支持电流闭环以及速度、电流双闭环；

●上位机具有保存转速数据的功能；

●上位机监控显示电机的转速曲线，在遭遇异常情况控制停止异常电机转

动并报警。

2.2 可行性分析

该三相直流无刷电机控制器使用Freescale的Cortex-M0+控制器作为控制核心，该系列的MCU的外设模块是专门用于电机控制应用，同时具有详尽的技术手册以及工程应用手册。以该控制器为核心的对于无刷直流电机的解决方案已经十分成熟，同时三相直流无刷电机是近年来的研究热点，有大量与其相关的控制方法和理论研究，很多相关的技术细节也能找到相应的论文来深入了解。使用串口通信作为通信方式在保持了较快的通信速率的同时，还能通过协议中的校验方式保证通信的可靠性。用LabVIEW编写的上位机软件能完成技术指标要求的功能，界面友好，应用功能多样。所以从技术实现的角度上本次设计是可行。

3. 方案论证

3.1 芯片选型

在无刷直流电机的控制过程中，MCU的主要工作是对输入输出的数据进行处理，拥有强大的运算能力实现各种复杂算法，通过输出接口向驱动电路发送控制信号，将运算结果输出给外围设备，外围设备可根据指令做出相应的动作。Freescale的Cortex-M0+系列芯片种类繁多，包括：KV1x、KV2x、KV3x、KV4x 等系列。综合系统的复杂度、成本和性能等因素，我们选择性能适中的KV1x系列芯片，既能满足工程中的功能和性能要求，也能为未来的方案扩展留下一定的余量。KV1x系列芯片包括：

●256KB Flash存储器，8KB SRAM；

●4通道eDMA；

●2x8通道16位ADC模块；

●1x6通道FlexTimer模块；

●可编程延迟模块（PDB）；

●2xUART通信端口；

●16/32位CRC。

3.2 功率管的选取

无刷直流电机的控制电路一般采用三相全桥电路进行驱动。因此，三相全桥电路的功率管的选择直接关系到控制系统的性能。从功率管的开关频率、驱动功率和驱动能力等方面考虑，MOSFET和IGBT都是较为合适的选择。两者的优缺点对比如表3.1所示。

表3.1 MOSFET与IGBT

可见，MOSFET比IGBT的开关频率高，价格便宜，且保护电路相对简单，适用于各类中小功率开关电路。对于本控制系统来说，电机电压24V，额定功率

10～50W，电流0.4～2.1A，属于低压小功率系统，选用MOSFET作为功率开关管更为合适。

3.3 转子位置检测方法选择

无刷直流电机是通过检测转子位置进行换相的，因此转子位置的准确检测是无刷直流电机控制中非常重要的控制环节。其中有感驱动方式是利用外部传感器检测转子位置的。有感驱动方式控制较为简单，它的控制效果很大程度上与传感器的检测精确度相关联。无感驱动方式是通过检测和计算无刷电机转动过程中的电流、电压等参数变化，推测转子位置，进而进行换相的。无感驱动方式转子位置检测的方法多种，是无刷电机研究中较热门的方向。一般常用的方法有：

●反电势过零点检测法；

●磁链估计法；

●状态观测器法。

其具体介绍如表3.2。

表3.2 检测方式对比

综合考虑控制稳定性、实现难易度和速度可控性等因素，我们在本方案中选择反电势过零检测法作为无刷直流电机的转子位置检测方式。