单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计新

目录

摘要 (1)

ABSTRACT (2)

1. 概论 (3)

1.1 无刷直流电机的现状 (3)

1.2 电动自行车介绍及发展前景 (4)

1.3 本设计的主要工作 (6)

2. 无刷电机控制系统分析 (6)

2.1 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理 (6)

2.2 直流电动机的PWM调速原理 (9)

3. 无刷直流电机控制器硬件设计 (9)

3.1 硬件组成 (10)

3.2 三相全桥逆变电路和驱动电路 (10)

3.3 速度控制电路 (14)

3.4 其他 (14)

4. 系统软件设计 (15)

4.1 概述 (15)

4.2 主程序 (16)

4.3 中断 (20)

4.4 AD转换 (21)

4.5 PWM(脉冲宽度调制) (23)

4.6 位置信号和驱动信号的对应关系 (23)

4.7 数字PI速度调节 (24)

5. 系统调制与实验结论 (27)

5.1 系统硬件调试 (27)

5.2 系统软件调试 (28)

5.3 实验结论与建议 (29)

结论 (30)

参考文献 (31)

致谢 (32)

单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计专业：电科班级：200502 作者：李青指导老师：雷学堂

摘要

本课题是讲述无刷直流电机控制系统集电机、逆变电路、检测元件、控制软件和硬件于一体，具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便等优点，在电动调速领域有着广泛的应用。电动自行车的发明和使用对解决燃油车造成的严重环境污染和缓解日益突出的能源危机问题有一定的现实意义。根据项目参数要求，采用Microchip公司的PIC16F72单片机作为控制芯片，在硬件方面，进行了电源电路设计、系统硬件保护电路设计、三相全桥逆变电路设计、逆变器驱动电路设计。在软件方面利用汇编语言，采用模块化编程和结构化编程。根据无刷直流电机的控制原理，对系统的控制部分进行了详细分析。利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制。在系统可靠性方面:设计了系统的欠压、过流和堵转保护。本文还对影响控制器和单片机系统可靠性的因素进行了分析，并且给出了解决方案.本文所设计的无刷电机控制器实现了电动、定速、助力三种工作模式并且在系统出错情况下具有自检功能。保护功能较完善、硬件结构简单、成本较低，具有升级空间，便于用户二次开发。

关键词

无刷直流电机,PIC单片机,电动自行车,控制系统

The Design of The Brushless DC Motor

Control System

Speciality : dianke class:0502 Author: liqing Tuor:leixuetang

Abstract

This thesis is part of the project named" the controller of the Brushless DC Motor for electric-bike". The control system consists of Brushless DC Motor, controlling part, sensor part, hardware and software controlling part. With its unique advantages of high efficiency, high reliability, good control ability and maintenance-free, it is widely used in many fields. To developth electric-bike will be helpful to solve the pollution problem caused by the waste gas from the gasoline-automobiles and energy sources problems. The task is to design a Brushless DC Motor (BLDCM) control system for electric-bike. According to the project, PIC16F72M CU produced by Microchip Company has been selected. The design of hardware including power circuit, hardware protection circuit, electronic commutate circuit have been carried out. The software was designed following the principle of modularization and structured programming and using assembly as the programme languages. Typical PI controls theory is used to control the speed. Less voltage protection, current excessive protection and wrong angle protection are designed to reinforce the system. Also, factors that affect the reliability of the system are discussed in this paper, and some methods are introduced soon after. This cont roller realizes three work modes-electromotion, stationary speed and assisting work mode. Another self-test mode, which works under error, is also designed. This kind of brushless DC motor control system is superior in many fields such as high reliability, simple hardware structure, low cost, and convenient for the further development.

Key Words

Electric bike, Brushless DC Motor, PIC, Control System

1. 概论

1.1 无刷直流电机的现状

有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换向装置的存在，限制了其发展和应用范围。直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机。1955年，美国人首次提出用晶体管换向线路代替机械换向装置，经过反复实验，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动机的机械换相装置，出现了磁电祸合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机，以后人们发现电量波形和转子磁场的位置存在着一定的对应关系，因此又出现了通过观测电枢绕组中不同电量波形，监测转子位置的无位置传感器的电动机。

80年代初，无刷直流电机进入了实用阶段，方波和正弦波无刷直流电机先后研究成功。“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。无刷直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在:调速方便(可无级调速)，调速范围宽，低速性能好(启动转矩大，启动电流小)，运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等等.由于无刷直流电机具有这些优点，因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。美、日、英、德在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电机代替有刷电动机的转换。

美国福特公司率先把无刷直流电机应用于汽车20世纪80年代以来，随着微机控制技术的快速发展，出现了各种称为无位置传感器控制技术的方法，是当代无刷直流电机控制研究的热点之一。各国知名半导体公司如Allegro,Philips,Micro Linear,To shiba等，先后推出了许多无刷直流电机无传感器控制集成电路。

2004年12月我国电机制造业共1167家生产企业，全部从业人员388282人，资产972亿。我国生产的微特电机己经占世界60%以上，目前是全球最大的永磁体(生产无

无刷直流电机控制系统设计刷电机的主要原材料)生产供应基地，中国还将会成为全球最大的无刷电机生产国。随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应商。

1.2 电动自行车介绍及发展前景

1.2.1 电动自行车概况

电动自行车一般分为两类，一种是"零启动电动自行车"，一般称为电动自行车，这种电动自行车尽管有脚踏骑行功能但可以完全靠电动骑行。还有一种"智能型电动自行车"，这种智能型电动自行车不能完全电动骑行，是需要人力骑行的助力电动自行车，一般为一比一助力即人机对等出力。不过现在有些电动车控制器将这两种功能综合在一起，通过功能选择按键可以选择相应的骑行模式。

据助力车专业委员会不完全统计，全国电动自行车的销售量1998年为5.4万辆，1999年为14万辆，2000年为29万辆，2001年电动自行车的实际销量已超过58万辆，2004年更高达400多万辆，今年则可望达到500万辆，主要销售在苏浙沪、天津一带，在鼓励电动自行车的上海，电动自行车拥有量已达120万辆，其中2005年共销售电动自行车40万辆。专家预计，到2008年我国电动自行车年销量可突破1000万辆，电动自行车制造业已进入高速发展时期。

据中国自行车协会统计，目前全国电动自行车保有量已超过1000万辆。目前全国自行车的保有量在4亿辆左右，以10％被电动自行车替代，每辆电动自行车

2000~3000元计算，这个市场将达到1000亿元左右。千亿元的大蛋糕让人心动，全国已经在自行车的发展基地上自然形成了三大电动自行车板块：以天津为首的天津、南京板块，以上海为首的江浙板块以及以广州为首的广东板块，三足鼎立。中国自行车协会理事长王凤和指出，作为绿色环保产品，电动自行车的发展全国不平衡，其中江浙沪地区占了总额的80％，以旅游城市杭州为例，2003年电动自行车保有量为40万辆，而自行车为100万辆，已经占到40％。

国外的电动车业近年来也得到了快速的发展。从全球市场上看，日本雅马哈、本田、三洋、松下等知名公司纷纷进入电动自行车行业，而且日益扩大生产规模；德国、英国、奥地利、意大利、美国等国著名的自行车厂商和公司，也不断加入电动自行车的开发、生产和销售，电动自行车的销售也呈逐年上升趋势。据资料介绍，全球电动

自行车数量，在过去6年中，从3.6万辆剧增到50万辆。这样说来，电动车作为暂时的"替代品"或最终的交通、休闲用具，市场前景都不可限量。

1.2.2 发展前景

电机是电动自行车的关键部件。为使电动自行车有良好的使用性能，驱动电机应具有宽调速范围、高转速和足够大的起动转矩。此外，由于电动自行车的驱动电机是车载形式运行的，这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有良好的能量回馈性能。

稀土永磁无刷直流电机是近20年发展起来的一类电机，电力电子技术，微电子技术、微机和稀土永磁材料的发展为无刷直流电机的研究奠定了基础。目前无刷直流电机的发展已经和大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合，显示出广泛的应用前景和强大的生命力。与其它电机相比它具有几个明显优点：①永磁无刷直流电机没有电刷、而是利用电子换相，故克服了任何由电刷硬气的问题。②永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的热量更容易散发出去；结构也变得简单，并且节省了空间，使其磁场损失也得到了减少。③它的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失步、震荡等现象，在节约能源方面也有明显优势。

近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步发展，新产品、新技术层出不穷。许多电动车生产厂家都应用了一系列的电动车新技术，大大增强了自身品牌在市场上的影响，也颇受消费者的关注。麦科集团电助动车公司研制出智能变频电机，变频控制器和变频高效电机共同组成高效动力系统，充分利用小电流大扭矩原理，在其行过程中根据路况和载重情况及时调整输出功率；北京新日电动车研制开发了双动力电动车，与普通电动车相比，双动力电动车拥有两个动力源，可实现在两个不同恶毒点留下的效能转换，即实现高效动力档和高速动力档的转换；莫拉克公司开发出在骑行的同时就能给蓄电池充电的电动车，可以提高电动自行车一次充电续驶里程。

电动自行车作为自行车史上具有革命性的交通工具，在给人们生活带来方便的同时，也对整个社会的经济产生了积极的影响。物美价廉的电动自行车有着巨大的市场需求。电动自行车在整车设计、驱动系统、电池管理，尤其是锂电池、燃料电池等高性能电池的研制方面不断取得突破。驱动系统的可靠性与安全性，促进整车效率，而且可以节约能源和降低自行车的维护成本，从而推动电动自行车的广泛应用。

1.3 本设计的主要工作

论文对无刷直流电机的控制原理进行了详细分析，依据无刷直流电机特性，针对电动自行车的控制需求，进行了无刷直流电机控制系统的设计。技术指标如下:系统正常工作电压36V;最低工作电压31V;最大工作电流10A;

最大输出功率360W。

1.3.1硬件部分

硬件部分以PIC16F72单片机作为控制芯片，逆变器由6个MOSFET管组成。通过微控制单元电路、逆变器驱动电路等电路模块的设计，实现了电机的智能控制以及欠压保护、过流保护、堵转保护等保护功能，可靠的对电动车电机和电池进行保护，确保电动车使用及安全。

1.3.2软件部分

在软件方面利用汇编语言，采用模块化编程和结构化编程。实现了信号的采集及处理，实现了电动自行车的电动、定速和助力三种工作模式并且在系统出错情况下具有自检功能。利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制。

具体设计下:

①选用PIC16P72单片机作为主控芯片;

②采用开关型霍尔传感器作为电机转子位置传感器;

③通过对PIC单片机编程，实现电动车电动、定速和助力三种工作模式;

④通过硬件电路和软件编程，实现系统自检、欠压、过流、堵转保护功能;

⑤通过软硬件设计，实现电动自行车仪表盘显示控制;

⑥利用PI控制理论实现电机速度的闭环调制;

本设计实现了无刷直流电机的自动控制，硬件结构简单、成本较低，具有升级空间，便于用户二次开发。设计中，利用PIC开发环境完成软件编写和调试;利用逻辑分析仪和示波器等完成硬件调试;借助于电动自行车实体，对软硬件参数进行测试，实现结构优化。

2. 无刷电机控制系统分析

2.1 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理

无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响，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。无刷直流电机控

制器包括电源部分和控制部分，如图2.1所示。电源部分提供三相电源给电机，控制部分则按照需求转换电源频率。电源部分可以直接以直流电输入或者以交流电输入，如果是以交流电输入就需先经转换器(converter)转成直流电。不论是直流电输入或是交流电输入，送入电机线圈前须先将直流电压由逆变器(inverter)转成三相电压来驱动电机。逆变器一般由六个功率晶体管，分为上桥臂和下桥臂，连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部分则提供PWM脉冲宽度调制信号决定功率晶体管开关频率及逆变器换相的时机。对于无刷直流电机，当负载变动时，一般希望速度可以稳定于设定值而不会有太大的变动，所以电机内部装有霍尔传感器(hall-sensor)，作为速度的闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。

电机转动由霍尔传感器感应到的电机转子所在位置，决定开启或关闭逆变器中功率晶体管的顺序来控制，如图2.2所示，逆变器中的AH, BH, CH(上桥臂功率晶体管) 及AL, BL, CL(下桥臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈，产生顺向或逆向旋转磁场，并与转子磁铁产生的磁场相互作用，使电机顺向或逆向转动。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环，电机就可以实现转动.功率晶体管的开启方法举例如下:AH, BL一组—>AH, CL 一组—>BH, CL一组—>BH, AL一组—>CH, AL一组—>CH、BL一组，但不能使AH, AL 或BH, BL或CH, CL，即同相上下桥臂同时导通.此外，因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。设电机转子位置传感器采集的位置信号为Ha, Hb, Hc，分别对应于逆变器的A相、B相、C相，则当前位置与下一位置电子开关导通相的对应关系如表2.1所示。

在电机转动时，控制部分会根据系统设定的速度决定功率管的导通时间。若系统要求加速，则增长功率管导通的时间，若要求减速，则缩短功率管导通的时间，此部分工作由PWM脉宽调制信号控制。

图2.1三相无刷直流电机工作原理 Inverter MOTOR

图2.2 逆变器原理图

表2.1霍尔位置信号与换相的关系

2.2 直流电动机的PWM 调速原理

直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法就是调节电枢电压。改变电枢电压

调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。为了获得可调的直流电压，利用电力

电子器件的完全可控性，采用脉宽调制PWM)技术，直接将恒定的直流电压调制成可变

大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系

统就称为直流脉宽调速系统。它被越来越广泛的应用在各种功率的调速系统中。

本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制(PWM)

来控制电动机电枢电压，实现调速。图2.3是对电机进行PWM 调速控制时的电枢绕组

两端的电压波形。当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为

0, tz 秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。

图2.3 输入输出电压波形

电动机电枢绕组两端的电压平均值。为: U U t t t U t U a T

S 1112110==+= 式中占空比a 表示在一个周期T 里，开关管导通的时间与周期的比值，a 变化范围

为0-1之间。所以当电源电压Us 不变时，电枢的端电压的平均值U 。取决于占空比的大

小，改变a 值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的.理想空载转速与占空比

a 成正比。

3. 无刷直流电机控制器硬件设计

无刷直流电机控制器在控制方式上主要有以专用集成芯片、单片机和DSP 芯片控

制三种方式。以专用集成芯片为核心的控制器，系统结构简单，价格较便宜，但是系

统灵活性不足，保护功能有限:以DSP芯片为核心的控制器，控制精度较高，但是算法较复杂，开发周期长，成本较高，不易在市场上推广。本设计使用单片机作为主控芯片可以弥补上述两方案的不足。

3.1硬件组成

本控制器根据项目参数要求应具有如下功能:

(1)具有电动、定速、助力三种工作模式:在电动模式下，控制系统能够根据电动车转把所给电压，正常加电运转;定速模式下，无需按住转把，电动车能够按照设定速度运行:助力模式下，能够根据助力传感器测得的骑车者的用力实现助力骑行.三种工作模式可通过模式转换按钮切换。

(2)当系统出错或者位置传感器、助力传感器出错时能够进入自检模式并显示错误。

(3)能够实现系统的欠压保护、过流保护、堵转保护。

(4)能够实时显示电动车的状态。

根据上述功能，所设计的系统硬件框图。如图3.1所示。

3.2 三相全桥逆变电路和驱动电路

逆变电路和驱动电路是主控芯片与被控电机之间联系的纽带，其传输性能的好坏直接影响着整个系统的运行质量。其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组。功率场效应晶体管具有开关速度快、高频特性好、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度

高等显著特点，因而在各类中小功率开关电路中得到了广泛的应用。

在本控制系统中就采用了MOSFET组成的逆变器变换电路。根据第二节所述，半桥逆变器的控制比较复杂，需要六组控制信号，电机三相绕组的工作也相对独立，必须对三相电流分别控制。而全桥逆变器的控制比较简单，只需三组独立控制信号，且任一时刻导通的两相电流相等，只要对其中一相电流进行控制，另外一相电流也得到了控制.因此本设计采用全桥逆变电路来控制各相位的导通，如图2.2所示。

本设计中逆变器上下桥臂都采用N沟道MOSFET管，如图3.2所示。P型MOSFET管由于工艺的原因，参数一致性较差，价格较贵，而且其内阻比N沟道的MOSFET管大，损耗也大。因此，当前的无刷控制器一般都采用两个N沟道MOSFET管组成逆变器的一相。当功率MOSFET管用作开关，被驱动饱和导通，即在它的两极之间压降最低时，其栅极驱动要求可概括如下:

(1) 栅极电压一定要比漏极电压高10~15V，用作高压侧开关时其栅极电压必定高于干线电压，常常可能是系统中的最高电压.

(2) 栅极电压从逻辑上看必须是可控的，它通常以地为参考点。

(3) 栅极驱动电路吸收的功率不会显著地影响总效率。

本系统中功率MOSFET的漏极电压为36V，本系统的最高电源电压也为36V。为满足栅极高于漏极10V~15V的要求，需要采用升压电路。

3.2.1 顶端、底端驱动电路

(1) 驱动电路

如图3.2所示，由于受到匹配电压的限制，顶端驱动电路无法直接与TTL器件匹配，因此在电路中通过LM339用来间接匹配电压，匹配后的LM339输出端(

当某相顶端驱动电路有效时，场效应器件VF1(或VF3,V F5)的栅极电压不低于

46V，才能保证场效应管的充分导通.导通后，X1(或X2, X3电压与电池电压相同)。由于MOSFET管的栅极绝缘栅易被击穿破坏，因此栅源间电压不得超过正负20V。栅源间并联电阻或齐纳二极管，以防止栅源间电压过大。本设计中，顶端驱动电路中的15V 稳压二极管DZ2, DZ4和DZ6为保护二极管。漏源间也要加保护电路以防止开关过程中因电压的突变而产生漏极尖峰电压损坏管子，可用齐纳二极管籍位.当电机意外突然停转时，电机绕组产生瞬间的反向高压可能会损坏功率管，所以在直流母线上并联一只耐高压电容，意外停机时，母线上产生的瞬间高压会由于电容两端电压不能突变而

得到抑制。

底端电压驱动电路采用NE555内部推挽电路，利用单片机产生的PWM信号调制底端驱动信号，调制后的信号通过电阻藕合至底端驱动场效应管栅极，控制场效应管导通状态。因为底端驱动电路中NE555功耗较大，因此需要为U8, U9和U10配上祸合电容C37, C39和C43。底端电压驱动电路中R22,R30,R38为串联栅电阻，是场效应管底端驱动保护电路，可消去由MOSFET电容和栅一源电路在任何串联绕组感应而生的高频振荡。

以A相为例，顶端驱动，当LM339的2口输出为低时，12脚正端接地，使得Ql基极电压为22V>Ql开通，电流流过R19，电流方向为左正右负(从而保证Ql开通时Q2关断)，VF1栅极电压为50V左右，源极电压为36V左右，VF1开通;当LM339的2口输出为高时，Ql关断，这时VF1截止。Q2与R18, R19, C26组成有源滤波器。底端驱动，当经过逻辑保护的A相底端控制信号aBTM输入为1时，经过底端驱动电路产生12V有效信号，使得VF2导通。同时，单片机输出的PWM信号送到NE555的RST端，对底端控制信号进行调制。

图3.2 MOSFET驱动逆变电路

3.2.2 电源电路

驱动电路的电源部分包含两部分电路:一部分是将电池电源36V，通过三端稳压器LM7915产生相对电源电压的-15V电压，即36V-15V=21V ，用于倍压电路产生高驱动电压;另一部分是通过三端稳压器LM7812产生的+12V电压，用于顶端驱动匹配和底端驱动电路。如图3.3所示，电源电路中，根据各个部分的电流，合理的选择分流电阻**R14和**R45的阻值和功率，减小直接流过三端稳压器件的电流，降低其发热量，提高电路稳定性。

图3.3 +21V和+12V电源电路

3.2.3 振荡倍压和硬件保护电路

（1）硬件保护电路

为了增加控制系统的可靠性和安全性，设计了纯硬件制动保护电路，如图3.4所示。制动电路通过控制振荡电路的RST端的电平状态，间接控制顶端驱动电路导通所需电压源.通过LM339的保护功能，当系统正常工作时，测试点1处的电压通过上拉电阻，电平为12V，经过22V稳压二极管，测试点2处的电平在34V左右，振荡电路正常工作;当系统过流时，纯硬件的保护电路U5反向输入端的电压将高于正向输入端参考电压，U5内部的三极管导通，测试点1处电平约0.7V,测试点2处电压为21V左右，RST有效，振荡电路停止振荡，顶端驱动电路将不再输出驱动电压，从而实现硬件制动稳定性。R47和C36组成电流波形尖峰抑制器，可抑制电流波形的前导峰缘，增强系统。

（2）振荡倍压电路

如图3.4所示，NE555的电源接+36V电压，地端接+21V电压。NE555和外围电路组成振荡电路，振荡电路产生的振荡频率约为4-5KHz,振荡信号从NE555的3脚输后，通过陶瓷电容C23和C24、二极管D3和D4构成的倍压电路，将输出电压提升到50V左右，送到MOS管的栅极。NE555的RST脚能够控制振荡电路的起停。

倍压电路的工作原理是:当NE555的3脚为GND电压(+21V)时，电源36V通过二极管

D4给电容C24充电，如果时间常数合适，C24上的电压近似等于36V-21V=15V ，方向为左负右正:当NE555的3脚为高时，电容C24左侧为36V ，右侧为36V+15V=51V ，因为二极管D4反偏截止，产生的51V 电压就通过二极管D3给C23, C25充电，这样经过若干周期的反复充电，电容C25上的电压就升到后部驱动所需要的51V 恒定电压。

T e s t v o c t o r T e s t v o c t o r

图3.4 振荡倍压电路和纯硬件保护电路

3.3 速度控制电路

3.4 其他

3.4.1 蓄电池检测方案

电动自行车在使用过程中实时监测蓄电池的容量情况将给用户带来很大的方便，它能提供蓄电池的电能大约能够使车辆行驶多少里程，蓄电池是否需要充电等信息。

蓄电池的总容量通常以充足电后，放电至其端电压达到规定值时所释放出的总电量来表示。当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量等于放电电流和放电时间的乘积:

t I d d Q =

式中Q 的单位为(A-h)。如果放电电流不是一个恒定的常数，蓄电池的容量为不同的放电电流与相应时间的乘积之和:

t I t I t I dN dN d d d d Q +++= (2211)

由于蓄电池的容量受到很多因素的影响，长时间的使用，反复的充放电，一些蓄电池的容量将逐渐减小，因此要准确测量蓄电池的容量比较困难。

本方案利用蓄电池端电压与容量之间的关系，通过测量蓄电池的端电压来监测蓄电池的容量.利用单片机的A/D 转换口，将电池两端的电压这一模拟量转化为数字量， 从而显示电池相应的电量，以及判断电池是否欠压。

3.4.2 助力信号检测方案

本设计中用到的助力传感器为V7系列电动车用助力传感器。V7助力传感器由开关 型霍尔元件和后部处理电路组成，供电电源5V 。当霍尔原件感应面有磁场时，传感器 输出为低，无磁场时输出为高，后部处理电路根据接收到的信号进行处理，向单片机发出符合以下规律的信号:

(1) 频率与转速成正比；

(2) 电机正转时，一周期内的高电平时间:低电平时间>=2:1 ；

电机反转时，一周期内的高电平时间:低电平时间>=1:2 。

为了使得采集的数据更精确，电动车助力轮上装有5个感应铁块，所以助力轮转一圈，助力传感器会按照上述规律送出5组信号.利用PIC 单片机的普通I/O 口和定时器 TO 加以配合，检测高低电平的时间，从而确定相应的转速，给出对应的助力。

4. 系统软件设计

4.1 概述

在软件方面，本设计利用汇编语言，采用模块化编程和结构化编程。

模块化编程:完全实现本设计所有的技术指标需要大量而有效的程序来实现，烦琐的程序需要采用模块化编程的方法，即将一个大的程序分成若干小的模块，各个模块保持相对的独立性，模块之间只靠少量的出入口参数相联系。这样各个程序模块分

别设计，从而使程序的调试、修改和维护都变得比较容易。

结构化编程:各个子程序之间使用结构良好的转移和调用，这样各个模块可有效地组合成一个整体，使流程明确地从一个程序模块转移到下一个程序模块.在这个过程中，要注意严格控制使用任意转移语句。

根据课题要求，无刷智能控制器智能部分功能如下:

(1) 电动模式:

打开电锁，如果各电器部件正常工作，电动车进入电动状态，此时前仪表板电动指示灯点亮，转动电动车转把，电动车正常加电运转;如转把、刹把、助力传感器信号出错，则电动车进入自检状态，待前面所说电器部件信号恢复正常，过2-3秒电动车退出自检模式，进入正常电动状态。

(2) 助力模式:

打开电锁，在电动车进入电动模式下，按动模式转换按钮，电动模式转换到助力模式，此时前仪表板电动指示灯灭，助力指示灯亮，骑行实现一加一助力:再次按动模式转换按钮或刹车，则电动车退出助力模式回到电动模式，助力模式下刹车，电机断电，但不退出助力模式。

(3) 定速模式:

打开电锁，在电动车进入电动模式下，按住模式转换按钮保持2-3秒钟不动，电动车由电动模式转换到定速模式，此时前仪表板电动指示灯灭，定速模式指示灯点亮，电动车将保持现有的固定速度运行，再次按动模式按钮或刹车，则电动车退出定速模式回到电动模式。当车速低于2km/h时，定速功能无效，其目的是避免用户在推车时误触发模式转换按键。

(4) 自检功能:

当转把不在零位、刹把处于刹车状态下，或转把、刹把工作正常，但助力传感器信号出错时，打开电锁，此时电动车进入自检模式，转把拧得角度越大，欠压灯闪的频率无刷育流电机控制系统设计越快;定速灯指示助力传感器;捏刹把时电动灯亮;三个电量指示灯分别指示无刷电机的三个霍尔信号。如各电器部件信号恢复正常，过2-3秒电动车退出自检模式回到电动模式，或重新打开电锁，电动车进入正常电动状态。

4.2 主程序

程序主流程图如图4.1所示，主程序上电复位后完成系统初始化:PWM,ADC端口、

定时器等单元的初值设置;中断设置;变量、标志寄存器的初始化。为了防止在初始化的过程中，中断的意外到来，应在主程序的开始处先关闭全局中断。初始化完成后，进入自检程序，若各电器信号正常，则2秒后退出自检模式。重新对相关寄存器，定时器赋初值，打开INT外部中断，即允许模式转换按钮中断。判断电机启动是否成功,如果成功进入正常工作模式函数，若有非法状态，停电机，程序跳入自检模式进行自检。

电机正常工作模式流程如图4.2所示。系统进入到正常工作模式的主循环时，首先判断系统处于何种工作模式，然后检查系统是否处于非法态，如果出现欠压、过流、堵转等错误，则停机，程序跳入到自检状态;否则，判断是否有刹车信号，如没有，进入判断模式及模式功能处理函数:如果有，则停机，等待刹车结束信号。刹车结束后，如果工作模式为定速模式，则退出定速模式，进入电动模式。

在电动模式下，单片机采集转把电压信息，控制输出的PWM信号的占空比;定速模式下，转把信号无效，程序根据模式转换前输出的PWM占空比恒定输出;助力模式下，根据定时器TO采集助力传感器的高低电平时间，控制PWM信号的占空比。在这个过程中，始终允许KMOD按键中断，因此可以通过按下KMOD键切换电动、定速和助力三种模式。

图4.1 系统工作流程图

图4.2 正常工作模式流程图

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

一种无刷直流电动机控制系统设计

一种无刷直流电动机控制系统设计

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一种无刷直流电动机控制系统设计 摘要：介绍了MOTORALA公司专门用于无刷直流电机控制的芯片MC33035和 MC33039的特点及其工作原理，系统设计分为控制电路与功率驱动电路两大部分，控制电路以MC33035/33039为核心，接收反馈的位置信号，与速度给定量合成，判断通电绕组并给出开关信号。在驱动电路设计中，采用三相Y联结全控电路，使用六支高速MOSFET 开关管组成。通过实验，电机运行稳定。 关键词：无刷直流电机;MC33035/33039;控制电路;驱动电路 Design of control system for Brushless DC Motors SUN GuanQun;SHI Ming;TONG LinYi;XU YiPing Abstract:It introduces the MOTORALA company used for the characteristics o f the chip MC33035 and MC33039 which control the brushless direct curren t motor exclusively and its work principle. The system design divides into tw o major parts: the control circuit and the power driver circuit, the control circ uit take MC33035/33039 as the core, receive feedback position signal, with th e speed to the quota synthesis, the judgment circular telegram winding and p roduces the switching signal. In the actuation circuit design, uses the three-p hase Y joint all to control the electric circuit, uses six high speed MOSFET swit ching valve to compose. Through the experiment, the electric motor moveme nt stable is reliable. Keywords:Brushless DC motor;MC33035/33039;control circuit;drive circuit 1.引言 永磁直流无刷电机是近年来迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机。该电机由定子、 转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成,由于没有励磁装置,效率高、结构简单、工作特 性优良,而且具有体积更小、可靠性更高、控制更容易、应用范围更广泛、制造维护更方便 等优点,使无刷电机的研究具有重大意义。 本系统设计是利用调压调速，根据调整供电PWM电源的占空比进而调整电压的方式实 现。本设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33035，它能够对霍尔传感器检测出的位置 信号进行译码,它本身更具备过流、过热、欠压、正反转选择等辅助功能, 组成的系统所需 外围电路简单，设计者不必因为采用分立元件组成庞大的模拟电路,使得系统的设计、调试 相当复杂,而且要占用很大面积的电路板。 MC33035和MC33039这两种集成芯片也可以方便地完成无刷直流电动机的正反转、 运转起动以及动态制动、过流保护、三相驱动信号的产生、电动机转速的简易闭环控制等。

无刷直流电机驱动器说明书

无刷直流电机驱动器说 明书 -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1

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 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ENEN：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）+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

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：

基于无刷直流电机控制系统设计与实现

基于无刷直流电机控制系统设计与实现 发表时间：2017-10-20T11:19:09.350Z 来源：《防护工程》2017年第15期作者：樊圣至[导读] 为了摆脱此系统对进口技术的依赖性，应深入研究其控制系统，提升设计水平，从而实现煤矿开采的自动化。交通运输部东海第一救助飞行队摘要：无刷直流电机具备体积小、效率高以及控制精度高等优势，且在多个领域得到了广泛使用。但在部分控制系统中，外加干扰以及参数摄动等因素干扰了系统的动静态性，基于此，本文在分析无刷直流电机结构与运行原理的基础上，指出了其软硬件方面的优化控制措施，以期为此后无刷直流电机控制系统的设计工作提供更多的参考依据。 关键词：无刷直流电机；控制系统；设计与实现 1 无刷直流电机结构 电机本体、位置测算结构、电子换相逻辑等均属于无刷直流电机的组成结构，且其与永磁同步电机较为相似。相较直流电机，无刷直流电机旋转的转子为磁极，而直流电机为绕组。且定子主要由电枢绕组、定子铁芯以及其他固定部件组成，电枢绕组一般采用三相Y型绕法，而转子磁极则采用稀土永磁钢片组成，安装在转子表面。 2 无刷直流电机软硬件设计2.1系统硬件部分 2.1.1系统硬件结构 系统硬件主要包括整流电路、开关电源电路、控制芯片、信号隔离电路、调试电路、逆变功率电路以及电流电压检测与保护电路等，其具体结构如下图1所示。 图1 无刷直流电机控制系统硬件结构组成图其中键盘控制系统信息，比如完成启动、停机、速度给定以及系统参数的在线修改等工作。系统交流电源通过整流桥获得直流电源，并供给全桥逆变以及开关电源电路。而开关电源电路则为系统提供24V以及5V的直流电源，电压检测电路通过模数转换获得电压时值，通过母线电压的监控实行过压保护动作，而主控芯片则通过判断输入信息进行控制命令。 2.1.2电源部分分路 整个系统能量的主要来源便是电源，且其呈现出交流、直流以及交流的变化过程，整个电路被分为强电与弱电两个组成部分，且单相220伏的交流电在整合后会形成310伏的直流电，为逆变电路以及开关电路提供能量。首先是整流电路，包括单相全桥不可控整流电路以及电容充电电流限制电路两个组成部分，当电机功率为1.5kW时，控制器的输出能力设定为2.2kW，且上电瞬间直流电源对电容充电，断开继电器，且电流在经过电阻的过程中得到缓冲。其次是电源电路，主要由变压器、IC1以及MC7085等部分组成，其中IC1为电源的专门控制面板。且开关电源处于电压工作模式，IC1通过电压反馈调整PWM的输出功率，从而维持电源电压的稳定运行。最后是芯片电源电路，主要采用主控芯片为3.3伏的工作电平。 2.1.3主控芯片以及周边电路研究中采用适合电机控制领域的32位Cortex -M3核的单片机，可以达到较高的运算效率，且其时钟频率为72赫兹，具备丰富的外设资源。在设计管脚分配以及附属电路时应在参考专业手册的基础上进行，第一，对于引脚60的外接电路，芯片应处于下载设置状态，且系统完成后还应焊接0欧姆的电阻，以保持引脚的低电平状态。第二，对于晶振电路应采用8M外部晶体的振荡器，且电源与大地之间连接电容，以排除电源的耦合干扰。第三，PWM信号输出控制电路，应采用安全性较强的芯片，且在芯片输出后以及光电隔离之前设置74ACT244以有效控制信号的总输出。第四，键盘系统属于独立通信模块，设计时应按照协议要求编写通讯软件即可使用。 2.1.4功率器元件以及驱动电路GTO、MOSFET、GTR、IGBT以及IPM等均属于常用的功率开关元件，且设计期间，应根据元件管件的耐压程度、最大开关频率等因素进行选择。本次研究中，电机控制要求较高的开关频率；较小的导通阻抗以及较小的驱动功率，因此可以选择MOSFET、IPM以及IGBT。比较发现，IGBT具备大电流以及低导通阻抗的特点，可以保持开关频率；而IPM则在内部集成了过高电压、过大电流以及高温的检测系统，且可以在引脚处输出故障信号，降低了系统的损害率。但考虑到此次研究的试验性质，因此应选择IGBT的分立元件组建全桥逆变电路，并确定1200伏的耐压与25安的额定电流，上升时间为50毫秒。 2.1.5模拟量采集与故障电路

直流无刷电机的控制技术

直流无刷电机的控制技术 摘要围绕直流无刷电机控制运用广泛技术——基于DSP的控制系统进行了系统研究，采取模糊控制策略，设计出上位监控系统，数字化、智能化的控制系统提出方案，实践证明了系统的平稳性和快速性满足要求。 关键词直流无刷电机；DSP控制；模糊控制 0引言 数字信号（Digital Signal Processing ，DSP）是涉及很多学科，它广泛被用于很多学科与技术领域。数字信号处理器称为DSP芯片，适用在数字信号处理运算的微处理器，能够快速的在数字信号处理算法上实现。现今，DSP芯片用于运动上的控制、数控机床的控制、航天航空的控制、电力系统上的操作、自动化仪器的控制等各个领域[1]，该文主要介绍这种基于DSP芯片控制直流无刷电机智能化控制系统的设计。 1 系统结构设计 系统组成由“PC 上位机、电源单元、TMS320LF2407 DSP芯片、无刷直流电机、检测单元、功率驱动模块、通讯接口”等。（见图1） 1.1 DSP芯片的选择 DSP芯片的选择是很重要的，选对了DSP芯片才能设计出其外围电路和其他电路。DSP芯片的选择要根据实际的应用系统进行确定。DSP芯片由于场合不同选择的也就不同，我们要考虑DSP芯片的运算速度、价格、运算精度、功耗、硬件的资源等。我们根据系统要求，选择TI公司TMS320LF2407芯片。 1.2无刷直流电机 该电机采取1500转/分, 无刷直流电机采用1.78A、27V电压进行供电，电机换向电路主要是由控制和驱动组成，直流无刷电机自身属于机电能量转换部分，该部分由电机电枢、永磁、传感器组成。我们把电机的电轴绕组在定子上、把永磁放在转子上，其目的是为了实现换向。无刷直流电机的工作方式是两相导通的星型3相6状态，这样操作方式是因为转子在旋转定子电流中进行不断换相来保证两个磁场电流方向不发生改变，控制3相定子电流通电顺序与大小控制电机旋转的速度。 1.3功率的驱动模块 TOSHIBA公司采用IPM系列智能型模块，IPM主要集成了检测、控制、逻辑、保护电路这样有效提高了稳定性与可靠性。东芝的高速光耦TLP550（F）是

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

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：

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

无刷直流电机控制系统的Proteus仿真

无刷直流电机控制系统的Proteus仿真-机械制造论文 无刷直流电机控制系统的Proteus仿真 王家豪潘玉民 （华北科技学院电子信息工程学院，河北三河101601） 【摘要】基于Proteus软件仿真平台，提出了一种对无刷直流电机(BLDCM)控制系统实现了转速闭环控制的方案。该系统以AT89S52单片机为核心，采用IR2101芯片驱动及AD1674实现速度，并利用数码动态显示转速，通过增量式PID调节对无刷直流电机实现转速闭环稳定控制。仿真结果表明该系统具有可控调速、显示直观等特点。 关键词无刷直流电机(BLDCM)；Proteus；增量式PID；闭环控制 ０引言 无刷直流电机（BLDCM）既有直流有刷电机的特性，又有交流电机无刷的优点，在快速性、可控性、可靠性、输出转矩、结构、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，近年来得到迅速推广[1]。BLDCM是一种用电子换向取代机械换向的新一代电动机，与传统的直流电动机相比，它具有过载能力强，低电压特性好，启动电流小等优点。近年来在工业运用方面大有取代传统直流电动机的趋势，所以研究无刷直流电机的驱动控制技术具有重要的实际应用价值。 本设计采用增量式PID控制策略控制无刷电动机，并在Proteus平台上进行转速闭环系统仿真。搭建了无刷直流电动机转速控制系统的仿真模型，基于80C51控制核心，采用keil C51软件编写C程序。 1系统硬件组成 控制系统的硬件组成如图1所示。采用Atmel公司的AT89S52单片机为系统

控制核心、IR2101驱动的MOSFET三相桥式逆变器、无刷直流电机、A/D转换转速检测、闭环PID控制、按键检测、档位和转速显示等部分组成。 2控制系统核心及外围电路 系统核心AT89S52单片机最小系统及按键电路如图2所示。 AT89S52芯片是8位单片机，具有廉价、实用及运算快等优点，它有两个定时器，两个外部中断接口，24个I/O口，一个串行口。 单片机首先进行初始化，将显示部分（转速显示、档位显示）送显“0”然后通过中断对按键进行检测当检测到启动键按下时，系统启动，控制核心输出初始控制码，与此同时通过AD转换器读取当前的实时转速，一方面用于显示，另一方面将当前转速与设定转速送入PID控制环节然后输出下一时刻的控制码。 在本次设计中使用80C51的外部中断接口0（INT0）作按键检测（见图3），通过四个与门，当有任何一个按键按下去时tap端都会出现低电平引发中断。

无刷直流电机驱动器原理精编版

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。 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。 图2 图3 图2

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;

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，因为直流电通入定子上的电枢以后，产生的不变磁场还是不能使电动机转动起来。为了达到使电动机

无刷电机驱动器

常州工学院 课程设计报告 课题：无刷电机驱动器 班级： 姓名： 学号： 指导老师：王雁平

目录 1 直流无刷无霍尔电机原理 (1) 2 总体设计方案 (3) 3 硬件设计 (4) 3.1 电源模块 (4) 3.2 驱动电路 (5) 4 心得体会 (6) 5 附录 (6) 5.1 元件清单 (6) 5.2 原理图 (7) 5.3 PCB图 (9)

1、直流无刷无霍尔电机原理 无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断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。无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样的结构正好和普通直流电动机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。

无刷直流电机控制系统的设计——毕业设计

无刷直流电机控制系统的设计——毕业设计

学号：1008421057 本科毕业论文（设计） (2014届) 直流无刷电机控制系统的设计 院系电子信息工程学院 专业电子信息工程 姓名胡杰 指导教师陆俊峰陈兵兵 高工助教 2014年4月

摘要 无刷直流电机的基础是有刷直流电机，无刷直流电机是在其基础上发展起来的。现在无刷直流电机在各种传动应用中虽然还不是主导地位，但是无刷直流电机已经受到了很大的关注。 自上世纪以来，人们的生活水平在不断地提高，人们在办公、工业、生产、电器等领域设备中越来越趋于小型化、智能化、高效率化，而作为所有领域的执行设备电机也在不断地发展，人们对电机的要求也在不断地改变。现阶段的电机的要求是高效率、高速度、高精度等，由此无刷直流电机的应用也在随着人们的要求的转变而不断地迅速的增长。 本系统的设计主要是通过一个控制系统来驱动无刷直流电机，主要以DSPIC30F2010芯片作为主控芯片，通过控制电路采集电机反馈的霍尔信号和比较电平然后通过编程的方式来控制直流无刷电机的速度和启动停止。 关键词：控制系统；DSPIC30F2010芯片；无刷直流电机

Abstract Brushless dc motor is the basis of brushless dc motor, brushless dc motor is developed on the basis of its. Now in all kinds of brushless dc motor drive applications while it is not the dominant position, but the brushless dc motor has been a great deal of attention. Since the last century, constantly improve the people's standard of living, people in the office, industrial, manufacturing, electrical appliances and other fields increasingly tend to be miniaturization, intelligence, high efficiency, and as all equipment in the field of motor is in constant development, people on the requirements of the motor is in constant change. At this stage of the requirements of the motor is high efficiency, high speed, high precision and so on, so is the application of brushless dc motor as the change of people's requirements and continuously rapid growth. The design of this system mainly through a control system to drive the brushless dc motor, mainly dspic30f2010 chips as the main control chip, through collecting motor feedback control circuit of hall signal and compare and then programmatically to control the speed of brushless motor and started to stop. Keywords: Control system; dspic30f2010 chip; brushless DC motor

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。