直流无刷电机的控制系统设计方案

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1、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、

2、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

3、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：21（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。（2）直流无刷电机的转子位置检测技术，我选用最常用的反电势检测技

4、术，本文分析了反电势法的原理，并设计了反电势的硬件实电路，进行了焊接与调试。（3）由于无刷直流电机在静止或者转速很低的时候，其产生的反电势为零或者很小很不容易检测到，因此直流无刷电机的启动是一个难点。（4）分析了速度换的单闭环控制策略，并用matlabguide设计了上位机界面来实现PID参数的实时整定。（5）在确定无刷直流电机控制系统的硬件总体方案时，经过对比选择STM32芯片，选智能功率模块FSBB30CH60C为驱动芯片，并设计了无刷直流电机控制驱动电路、反电势转子位置检测电路及电流电压采样电路等。（6）最后对整套控制系统进行了实验调试，包括软、硬件的调试，并对调试

5、结果进行了分析。2系统设计目标和设计方案2.1系统设计目标直流无刷电机因为调试性能好、低噪声、体积小、控制灵活、高效率、散热性能好、寿命长等一系列的优点，本课题设计目标如下：（1）能够驱动直流无刷电机的运转并有电路保护以免器件烧坏。（2）能够实时准确的检测到直流无刷电机转子的位置。（3）能够实现对电机启动和停止的控制。（4）能够通过滑动变阻器来实现直流无刷电机的无极调速。（5）电路具有电流、电压保护，以免对电路产生不良影响。2.2控制系统结构总体框图的设计直流无刷无感电机的控制系统能够实现的主要功能：能够准确实时的检测到无刷直流电机转子的位置、能够用三段式技术使电机能够很

6、好的启动、PID调节技术、速度环的控制、电压保护、电流保护等主要关键的控制技术。电机调速原理框图如下图1所示。21图1电机调速原理框图2.3硬件系统方案论证为了能够实现无刷直流电机的可靠运转、无极调速等一系列的优点，需要选择合适的元器件来满足本课题设计的需求。2.3.1控制器芯片选型对直流无刷电机控制所用微处理器的选型要重点考虑以下几个方面：（1）微处理器的运行频率和运算速度得满足控制系统要求（2）微处理器片内资源是否足够，主要是I/O口的数量和电平兼容性、A/D路数及位数。（3）微处理器的体积、工作温度等是否满足系统要求。（4）微处理器的可靠性、生产厂商、数量和价格、上

7、市时间等因素也需要考虑，这关系到产品的后续更新换代，以及采用该处理器开发的难易程度。基于ARMCorte-M3内核32位单片机STM32，时钟频率最大可达72MHZ，在数字处理上经过了优化，所以本设计选用STM32F103ZET6单片机。2.3.2无刷直流电机的选型在选用直流无刷电机的时候，必须根据它的参数来判断其驱动电路，无刷电机的参数如表1所示：表1无刷直流电机的参数外转无刷电机KV最大效率电流无负载流/10v最大电流最大效率y轴径（mm）重量电阻尺寸（mm）A2212/13KV10004~10A0.5A12A/60s80