基于的直流无刷无感电机的控制新版系统研究应用.doc

南 阳 理 工 学 院

本科生毕业设计（论文）

学 院 ： 电子与电气工程学院
专 业 ： 电子信息工程
学 生 ：
指引教师 ： 薛晓

完毕日期 年 5 月

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

直流无刷电机控制系统设计与实现

Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation

总 计： 21 页
表 格： 2 个
插 图： 27 幅

南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）

直流无刷电机控制系统设计与实现

Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation

学 院（系）： 电子与电气工程学院
专 业： 电子信息工程
学 生 姓 名：
学 号：
指 导 教 师（职称）： 薛晓（讲师）
评 阅 教 师：
完 成 日 期：

南阳理工学院
Nanyang Institute of Technology

直流无刷电机控制系统设计与实现
电子信息工程专业
[摘 要] 直流无刷无感直流电机具备体积小、调速性能好、重量轻、效率高等长处，当前在诸多领域得到了应用。本课题设计是无刷无感直流电机控制，涉及无刷直流电机无位置传感器控制系统和无刷无感直流电机基本构造、工作原理、数学模型等理论进行了分析和阐述，为直流电机控制提供理论根据。用matlab guide设计了上位机界面来进行PID参数整定。
本课题设计了直流无刷电机控制系统并进行了调试。用STM32进行控制。实验成果表白设计转子位置检测可以较好检测电机反电势过零点信号，进而保证电机对的换相和稳定运营。整个系统可以控制无刷无感直流电机顺利启动，并通过滑动变阻器实现电机调速。
[核心词] 无刷直流电机；电机驱动；换相；反电势

Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation

Electronic Information Engineering Specialty
Abstract：The brushless DC motors have the advantage of small,good debugging performance,low weight,and high efficiency. So it has been widely used now. And this restricts the industrial drive applications,After the attachment with sensorless control. This paper mainly reserches the sensorless control technology for BLDCM,designs and control BLDCM without position sensor. I use MATLAB guide to debug PID parameter.
designing a controller of brushless DC motor and do some experiments for this control system. I use the STM32 MCU as the core microprocessor of hardware system.The results of the experiment show that the rotor position detection system can perfectly detect the location of back-EMF zero-crossing signal,and ensuring the correct motor commutation and stable operation.The whole control system can control the brushless DC motor stating smoothly,and use the Sliding rheostat to achieve speed control.

Key words：Brushless dc motor； motor drive；commutation；back-emf

目 录
1 引言 1
1.1 题目综述 1
1.2 国内外研究状况 1
1.3 课题设计重要内容 1
2 系统设计目的和设计方案 2
2.1系统设计目的 2
2.2控制系统构造总体框图设计 2
2.3硬件系统方案论证 3
2.3.1 控制器芯片选型 3
2.3.2 无刷直流电机选型 3
2.3.3驱动电路选型 4
2.3.4位置检测器件选型 4
3控制系统工作原理和硬件设计 5
3.1直流无刷电机工作原理 5
3.2无刷电机反电势法位置检测原理 6
3.3电源模块 6
3.4 MCU控制模块 7
3.5 IPM功率模块 8
3.6反电势位置检测模块 10
3.7 隔离电路设计 10
3.8 速度变化电路设计 11
4 系统软件设计 11
4.1软件总体设计 11
4.2软件总体设计流程图 12
4.3无刷无感直流电机开环启动模块 12
4.4无刷直流电机位置检测及电机转速模块 13
4.5 AD采样变化PWM占空比模块 14
4.6 PID计算模块 14
4.7 matlab gui 串行通信界面设计 15
5直流无刷无感电机测试成果及成果分析 16
5.1 H_PWM_L_PWM波形 16
5.2端电压对地波形 16
5.3位置检测波形 17
5.4电流波形 17
5.5实物图 18
结束语 19
参照文献 20
道谢 21

1 引言
1.1 题目综述
直流无刷电机是在有刷直流电机基本上发展起来，它不但保存了有刷直流电机良好调试性能，并且还克服了有刷直流电机机械换相带来火花、噪声、无线电干扰、寿命短及制导致本高和维修困难等等缺陷。与其他种类电机相比它具备鲜明特性：低噪声、体积小、散热性能好、调试性能好、控制灵活、高效率、长寿命等一系列长处。基于这样多长处无刷直流电机有了广泛应用。例如电动汽车核心驱动部件、电动车门、汽车空调、雨刮刷、安全气囊；家用电器中DVD、VCD、空调和冰箱压缩机、洗衣机；办公领域传真机、复印机、碎纸机等；工业领域纺织机械、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
当前，国内无刷直流电机控制技术已经比较成熟，国内已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。外国某些技术和中华人民共和国某些技术大体相称，美国和日本相对比较先进。当新型功率半导体器件：GTR、MOSFET、IGBT等浮现，以及钕铁硼、钐鈷等高性能永磁材料浮现，都为直流电机应用奠定了坚实基本。近些年来，计算机和控制技术迅速发展。单片机、DSP、FPGA、CPLD等控制器被应用到了直流电机控制系统中，某些先进控制技术也同步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发展奠定了坚实基本。
通过这样近年发展，国内对无刷电机控制已有了很大提高，但是与国外技术相比还是相差很远，需要继续努力。因此对无刷直流电机控制系统研究学习仍是国内重要研究内容[2]。
1.3 课题设计重要内容
本文以永磁方波无刷直流电机为控制对象，重要学习了电机位置检测技术、电机启动办法、调速控制方略等。选定适当方案，设计硬件电路并编写程序调试，最后设计了一套无位置传感器无刷直流电机调速系统。本课题涉及技术概括如下：
（1）学习直流无刷电机基本构造、工作原理、数学模型等是学习电机前提和首要内容。
（2）直流无刷电机转子位置检测技术，我选用最惯用反电势检测技术，本文分析了反电势法原理，并设计了反电势硬件实电路，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时候，其产生反电势为零或者很小很不容易检测到，因而直流无刷电机启动是一种难点。
（4）分析了速度换单闭环控制方略，并用matlab guide设计了上位机界面来实现PID参数实时整定。
（5）在拟定无刷直流电机控制系统硬件总体方案时，通过对比选取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，涉及软、硬件调试，并对调试成果进行了分析。
2 系统设计目的和设计方案
2.1系统设计目的
直流无刷电机由于调试性能好、低噪声、体积小、控制灵活、高效率、散热性能好、寿命长等一系列长处，本课题设计目的如下：
（1）可以驱动直流无刷电机运转并有电路保护以免器件烧坏。
（2）可以实时精确检测到直流无刷电机转子位置。
（3）可以实现对电机启动和停止控制。
（4）可以通过滑动变阻器来实现直流无刷电机无极调速。
（5）电路具备电流、电压保护，以免对电路产生不良影响。
2.2控制系统构造总体框图设计
直流无刷无感电机控制系统可以实现重要功能：可以准的确时检测到无刷直流电机转子位置、可以用三段式技术使电机可以较好启动、PID调节技术、速度环控制、电压保护、电流保护等重要核心控制技术。电机调速原理框图如下图1所示。

图1 电机调速原理框图
2.3硬件系统方案论证
为了可以实现无刷直流电机可靠运转、无极调速等一系列长处，需要选取适当元器件来满足本课题设计需求。
2.3.1 控制器芯片选型
对直流无刷电机控制所用微解决器选型要重点考虑如下几种方面：
（1） 微解决器运营频率和运算速度得满足控制系统规定
（2）微解决器片内资源与否足够，重要是I/O口数量和电平兼容性、A/D路数及位数。
（3）微解决器体积、工作温度等与否满足系统规定。
（4）微解决器可靠性、生产厂商、数量和价格、上市时间等因素也需要考虑，这关系到产品后续更新换代，以及采用该解决器开发难易限度。
基于ARM Corte-M3内核32位单片机STM32，时钟频率最大可达72MHZ，在数字解决上通过了优化，因此本设计选用STM32F103ZET6单片机。
2.3.2 无刷直流电机选型
在选用直流无刷电机时候，必要依照它参数来判断其驱动电路，无刷电机参数如表1所示：
表1 无刷直流电机参数
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）
A2212/13
KV1000
4~10A
0.5A
12A/60s
80%
3.17
47g
90mΩ
27.5*30
新西达无刷电机/2212KV1000 如图2。

图2 直流无刷电机
2.3.3驱动电路选型
智能功率模块选取是FSBB30CH60C，它把驱动电路和开关电路集成在了一起，内部有欠压、过压、过流故障检测电路，CPU可以进行实时检测。还涉及三个HVIC、一种LVIC(门极驱动低压集成电路)、六个先进技术IGBT、六个FRD。智能功率模块元器件图如图3所示。

图3 智能功率模块
2.3.4位置检测器件选型
反电势过零点检测原理是模仿中性点和端电压值相等得到，由STM32端口和连接霍尔传感器接口关系，需用三路比较电路，LM339N由四路比较电路构成，可选用LM339N 比较电路实现。LM339N内部框图如图4所示：

图4 比较器LM339N
3控制系统工作原理和硬件设计
3.1直流无刷电机工作原理
本设计选用电机类型为三相星型连接。控制器产生六路PWM波控制驱动电路，位置检测用反电势过零点技术。工作原理如图5所示。

图5 直流电机工作原理图
在图5中，当转子顺时针转到（a）时，反电势过零信号延时30°电角度后，输出信号送往单片机，单片机输出信号让T1、T6 导通。这时电流从电源正极流出，经T1流往A相绕组，再由B相绕组流出，经T6回到电源负极，此时由于定子和转子磁场互相作用，使电机转子顺时针转动。当转子转过60电角度，即到（b）时，反电势过零信号延时30°电角度后，输出信号送往单片机，单片机让T1、T2导通，这时电流从电源正极流出，经T1流往A相绕组，再由C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时由于定子和转子磁场互相作用，使电机转子继续顺时针转动。同样按照这个方式，电机可以顺利转动起来。
电机有六种磁状态，每种状态导通120度，每次由两相导通，无刷电机就是两相导通星型三相六状态工作方式[3]。
3.2无刷电机反电势法位置检测原理
观测转子位置和反电势之间关系如图6所示，转子状态由a)变为b)过程中反电势波形和转子位置之间关系，反电势波形为B相绕组反电势，当转子由a）初始状态转过30°电角度时，转子磁场方向正好和B相绕组轴线重叠，不切割B相绕组导线，此时B相绕组反电势正好为零。由图可知，由b)到c)要进行换相动作，因而可运用反电势过零点拟定转子位置，进而控制电机换相，这就是直流无刷无感电机反电势检测及控制换相原理[4]。

图6 电机反电势位置检测图
3.3电源模块
由于STM32F103所需供电电压是3.3V，图7是把5V转换成3.3V电压电路。

图7 STM32103供电电源
3.4 MCU控制模块
MCU主控电路是整个无刷直流电机控制系统控制中心，负责控制逆变器六个桥臂通断、采集电压、采集电流、检测直流无刷无感电机位置（电机反电势检测）、PID运算、无刷直流电机启动控制、JTAG调试下载等。STM32最小系统由STM32F103芯片、复位电路、晶振电路和JTAG接口电路构成
（1）STM32F103芯片电路如图8所示：

图8 STM32芯片
（2）复位电路和晶振电路
STM32有两个外部晶振电路和两个内部晶振电路。两个内部晶振电路需要程序配备编程即可，但外部晶振电路需要晶振电路元器件搭建而成。如图所示32.768K和8M晶振电路。 晶振和复位电路如图9所示。

图9 晶振和复位电路
（3）JTAG接口电路
JTAG接口电路实现了程序下载及程序在线调试仿真，使用它可以以便调试程序，缩短了开发周期。由于STM32F103ZET6JTAG输入引脚内部嵌入了上拉或下拉电阻，因而可以直接连接电路到芯片相应引脚。JTAG接口电路如图10所示。

图10 JTAG 接口电路
（4）USB接口电路
这里USB单纯是供电用。如图11所示：

图11 USB接口电路
3.5 IPM功率模块
（1）MUC-IPM驱动信号接口电路
FSBB30CH60C内置HVIC，无需光耦就可以用MCU驱动IPM六个桥臂。STM32高档定期器TIM1功能强大，运用COM事件控制产生6路H_PWM_L_PWM换相。这6个控制桥臂引脚要和STM32PE8、PE9、PE10、PE11、PE12、PE13、PE15相连。驱动信号接口电路如图12所示。

图12 MUC-IPM驱动信号接口电路
（2）短路电流保护电路
IPM具备内置短路电流保护功能，要在芯片引脚Csc上外加一种分流电阻。IPM检测Csc管脚电压，当电压超过模块指定Vsc（0.5V）时，IPM产生一种故障信号IPM通过电阻R16来检测N恻电流环节线路电流，这里设定瞬时电流保护值为30A，检测电阻R16选用阻值为10mΩ，功率为10W无感电阻。R32、C40构成滤波电路。此外检测电阻R16需要并联一种小电容，作用是消除上电瞬时大电流导致电流保护误动作。
（3）故障输出报警电路
C38为0.22uf高频无感电容，作用是防止浪涌电流破坏，Vof是IPM故障输出报警引脚。TIM1_BKIN引脚是刹车功能引脚，和此处Vfo引脚相连，在IPM浮现故障时通过此脚输出低电平到STM32,配合TIM1刹车功能可以实现系统保护功能。所加电容C18是用来消除噪声干扰，保证浮现故障时及时报警。故障输出信号脉宽是有引脚Cfod外接电容C24决定，详细计算公式是t=C24/()，这里普通选用C24为33nF,此时t=1.8ms。
3.6反电势位置检测模块
反电势位置检测电路如图13所示。这里选用响应时间为1.3usLM339芯片。定子三相绕组端电压A、B、C经滤波和分压电路，送到比较器LM339N输入端，与参照电压比较，获得各相反电势过零点。反电势过零点延时30°电角度后信号用于电机换相，进而去控制电机转动。

图13 反电势位置检测电路图
3.7 隔离电路设计
为了提高系统安全性，采用光耦设计隔离电路，这里选用BL817如下图14所示。

图14 光耦电路
在选用光耦时要注意两点：第一是光耦开关速度与否满足系统规定。第二是光耦信号驱动类型。由于这里位置检测接入单片机端口是TIM2_CH1、TIM2_CH2、TIM2_CH3通道。由于反电势通过比较电路后来，也许会有不不大于单片机所能承受电压，因此最佳用隔离电路来保护单片机。这里选用三片BL817来实现电路功能。
3.8 速度变化电路设计
速度变化电路选用是滑动变阻器，通过变化滑动变阻器阻值从而变化AD输入值，并通过与反馈回电机速度她们之间关系，通过PID整定后输出来控制PWM占空比进而达到变化电机运转速度功能。速度变化电路如图15所示。

图15 速度变化电路
4 系统软件设计
4.1软件总体设计
本文设计BLDCM控制器特点是控制系统软件化，系统许多功能都是在硬件基本上依托软件来实现。它们涉及：无位置传感器下三段式启动；基于STM32高档定期器三相六路互补PWM输出；依赖无位置检测电路反电势检测后电机换相；运用STM32AD来转换计算采样电压值；电机转速计算；电机转速调节等。软件可靠性将直接影响整个控制系统性能。
软件系统设计是分模块进行设计，涉及直流无刷电机启动、PWM换相，转子速度计算，PID算法实现等，软件构造图如图16所示：

图16 软件总体框图架构
4.2软件总体设计流程图
这某些是直流无刷无感电机总体流程框图，是总体程序大体构造模式，如图17所示。

图17 软件总体流程图
4.3无刷无感直流电机开环启动模块
本文运用了老式三段式电机启动技术[5]，当反电势达到一定值时再切换至电机自控状态。
(1) 转子定位：由程序控制任意两相导通一段时间，此时电机定子合成磁势轴线在空间就会有一种方向并把转子磁极拖到与其重叠位置上，这个过程就是转子预定位过程。
普通转子定位导通电机任意两相一定期间方式，但是这种方式容易导致定位失败。为了克服这种也许电磁转矩为零状况，咱们采用两次定位放法解决。
（2）开环加速：按照电机旋转方向，按照六步PWM换相顺序，每隔一定延时进行一次换相动作，强行使电机转子按照设定方向旋转起来。在这里用升频升压法来实现开环加速，即换相信号频率逐渐加大，并且增大外施电压使电机加速，称为升频升压法。
(3) 当开环换相过程持续大概30个周期后，电机转速达到一定值，反电动势也可以检测到了，此刻就可以进入闭环控制系统。
根据以上原理三段式开环启动流程框图如图18所示。

图18 开环三段式启动
4.4无刷直流电机位置检测及电机转速模块
在直流无刷电机控制体系中，要依照转子位置信息进行换相，也要依照转子位置信息计算转速。本课题位置检测用是反电势位置检测技术，用比较器来判断电机转子位置，从而控制电机进一步转动[6]。它流程图如图19所示。

图19 直流无刷电机位机检测图
4.5 AD采样变化PWM占空比模块
AD模块采用滑动变阻器来变化PWM占空比，并采用了平均滤波技术，PWM脉宽调节模块依照转速给定值设立PWM波脉宽,从而控制电转速[7]。如图20所示。

图20 AD采样变化PWM占空比
4.6 PID计算模块
模仿PID控制原理如图21示，整个控制系统由模仿PID控制器和被控对象构成。
PID控制系统基本原理是依照设定值rin(t)和实际输出值yout(t)构成控制偏差e(t)=yout(t)-rin(t)完毕.运用PID控制系统对偏差进行解决得到控制量u(t),然后再运用这个控制量去控制被控对象，其中u(t)计算公式为：
（1）
Kp：比例常数，Ti：积分常数，Td：差分常数。

图21 模仿PID控制原理图
PID控制系统中，三个控制量所起作用分别是：P控制将误差固定比例修正。I控制将误差取时间积分。D控制将误差进行微分防止被控量严重超调。
从公式中推出增量式PID控制算法为：

=
下面是增量PID算法，程序设计中用最惯用增量PID算法[8]：
（2）

4.7 matlab gui 串行通信界面设计
为了更好调节PID,设计matlab gui界面，可以很以便调节PID。界面如图22：

图22 PID参数整定界面
5直流无刷无感电机测试成果及成果分析
5.1 H_PWM_L_PWM波形
直流无刷电机驱动波形有诸各种方式可以选取，例如：PWM_ON调制、ON_PWM调制、H_PWM_L_ON调制、H_ON_L_PWM调制、H_PWM_L_PWM调制。我选用是H_PWM_L_PWM调制方式[9]，图23是六路PWM其中两路，其她几路基本都同样，用来控制直流无刷电机顺利运转。

图23 H_PWM_L_PWM波形
5.2端电压对地波形
图24是电机对地电压波形，和原理很接近，也算抱负。

图24 端电压对地波形
5.3位置检测波形
电机位置检测波形图如下所示，它是通过模仿中性点[10]得到，通过光耦隔离输入到单片机霍尔接口，通过判断单片机接口电平来驱动电机旋转步伐，单片机接口电平如表2所示。图25为位置检测波形虽然有点毛刺，但通过单片机内部软件滤波，依然可以好辨认电机转子位置，并进行电机换相。

图25 位置检测波形
表 2 位置检测电平
PA6
PA7
PB0
十六进制
0
0
1
0x01
0
1
1
0x03
0
1
0
0x02
1
1
0
0x06
1
0
0
0x04
1
0
1
0x05
5.4电流波形
直流无刷电机刚启动时电流非常大，此时容易烧坏电机，因而要加保护电路，驱动电路也要有足够电流驱动能力，否则电机转不起来。示波器观测波形如何下图26所示，符合电机启动原理电流波形[11]。

图26 电流波形图
5.5实物图
图27是动手焊电路板，是直流无刷电机驱动电路板，驱动电路用集成模块IPM构成。该电路较好实现了无刷电机启动、停止及转速控制能功能。达到了预期效果。

图27 实物图
结束语
近年来，随着电机技术和其有关控制技术迅猛发展，使得无刷直流电机在工控等诸多领域得到了及其广泛应用。我这次以无刷直流电机为设计对象，对无刷直流电机控制系统进行了相对较为进一步学习，重要对如下几方面内容进行了学习：
（1）学习了电机理论控制技术[12]。
（2）查找了某些电机控制[13]书籍。
（3）分析了惯用无刷直流电机位置控制办法及反电势过零点检测原理[14]。
（4）对电极控制算法进行了研究，重点阐述了速度环控制方略原理[15]。
（5）设计硬件电路，设计了以IPM为核心功率逆变电路，并设计了反电势过零点检测电路。
（6）编写程控制系统软件[16]，对整套控制系统进行了调试。
本文设计无刷直流电机，虽然获得了一点小小成果。但由于本人水平很有限，期待后来进一步进一步研究。需要进行改进问题如下：
（1）本课题设计位置检测办法用是反电势法，虽然该办法简朴可靠，但它理论前提是在忽视电枢反映抱负条件下建立，因而在实际应用中必然存在误差，因此后来要改进。
（2）无刷直流电机启动用是三段式，这个办法在电机空载或者轻负载状况下，启动效果较好，成功率相对较高。但在电机重载时，启动效果较差，因此后来要改进。
（3） 控制方略和控制算法改进。本课题用是最需常用速度环控制方略，而如何将智能控制实际应用到无刷直流电机控制系统中还是分析难点，后来要对此进一步学习。
（4）转矩脉动是无刷直流电机存在一种影响很大问题，后来要改进进而减小转矩脉动影响。

参照文献
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