曲及钊毕业论文.doc

目录目录I摘 要1ABSTRACT2前言3第一章 绪论41.1课题研究背景和意义41.1.1 永磁无刷直流电动机的发展41.1.2永磁无刷直流电动机的优点及用途51.2直流无刷电动机发展现状61.2.1 国外直流无刷电动机发展现状61.2.2 无刷直流电动机技术的发展71.3论文主要内容82.2永磁无刷直流电动机的工作原理11第三章 控制系统设计213.1 整流电路223.2 触发控制电路223.3逆变电路253.3.1 MOSFET器件原理及选择263.4 驱动电路283.4.1 IR2130283.4.3 TLP250283.4.4 MOSFET的保护30第三章 保护和自动控制系统324.1 C8051F350单片机介绍324.2 单片机控制电路334.2.1 转速测量电路334.2.2 启停控制和故障停机344.2.3 调速控制345.1示波器波形分析365.1.1 霍尔信号输出365.1.2 MC33035输出375.1.3 光耦隔离驱动电路输出395.1.4永磁无刷直流电动机电压输出405.2 电路抗干扰措施415.3 系统调试415.3.1 逆变电路的调试415.3.2 驱动电路的调试42第六章 总结和展望45参考文献：46致谢47附录1： MC33035控制系统48附录2： 光耦驱动电路49附录3: C8051F350最小系统50附录4：实物图51II摘 要无刷直流电机既具有直流电机结构简单，运行可靠，维护方便等一系列优点。还具备交流电机运行效率高，无励磁损耗，调速性能好等诸多优点。近年来，直流无刷电动机的发展很快，现己广泛应用于工业控制的各个领域，是新一代电气传动的发展方向。本文介绍了永磁无刷直流电动机控制系统的组成和研究方向，介绍了新华龙C8051F350高性能16位单片机。分析了永磁无刷直流电动机的工作原理，建立了比较完善的数学模型。设计并实现了基于MC33035和C8051F350的永磁无刷直流电机控制系统，采用TLP250光耦设计了驱动模块，以及利用六个N沟道的STP60NF06 MOSFET管构成了逆变桥电路，最后设置了液晶显示和面板控制，为系统的调试带来了灵活性。实验表明，本文所采用的MC33035驱动芯片和C8051F350单片机具有极高的性能，以其为核心的控制系统具有运行性能良好、调试方便、升级换代容易等特点，为后续的研究工作提供了实验基础和借鉴。关 键 词:无刷直流电动机，霍尔位置传感器，MC33035,C8051F350研究类型：应用研究 ABSTRACTBrushless DC motor possesses the properties of alternate motor,such as simple structure,reliably course,convenient maintain,and so on.Brushless direct current motor also has the characteristics of direct current motor,such as no-excitation-wastage,andhigh efficiency.In recent years，the appliance of brushless DC motor is on behalf of the development direction of new-style electrically transmission. This paper introduces the components of a whole BLDCM control system and its research direction, XINHUALONG C8051F350 16-bit high performance MCU, and types of BLDCM. Then, analyses the running principle of BLDCM, builds mathematical model.BLDCM control system based on MC33035 and C8051F350 is designed and designed by TLP250 optical coupler driver module, and the use of six N-channel of STP60NF06 MOSFET inverters circuit control form and implemented. At end addition LCD display and control panel ,which gives convenience for the debugging of the control system. This paper indicates that the MC33035 and Xin Hua Long C8051F350 MCU has very high performance, and the control system based on it also works reliably The result of the experiments shows the proposed control solution is feasible, which provides the basis and useful reference for later research.KEYWORDS: Brushless DC motor ,Hall position transducer,MC33035,C8051F350THESIS: Application Research前言永磁无刷直流电动机是一种机械、电气、电子一体化的高技术产品，具有结构简单、运行可靠、使用寿命长等优点，在现代轻重工业中应用广泛。现代工业技术和生产需求的快速发展对永磁无刷直流电动机控制系统的性能要求不断提高，因此研究具有响应速度快、调节能力强、控制精度高的无刷直流电动机控制统具有十分重要的意义。本文主要研究低压无刷直流控制器，包括控制模块，驱动模块和功率模块。并为后续的高压无刷直流控制器做准备。全文共分四章。第一章介绍了课题研究的背景，以及无刷直流电动机的发展状况，最后介绍了无刷直流电机控制器所要求实现的功能。第二章介绍了无刷电机的相关理论，首先是介绍了各种无刷电机，然后重点介绍了直流电动机的工作原理和调速原理，最后介绍了无刷电机的数学模型，为这次的设计准备了理论基础。第三章是整个论文的核心，硬件系统的设计。先是分别介绍了控制模块，驱动模块和功率模块的实现，最后对整个电路设计做了一下描述。在本章的最后对实验过程中采集到的波形进行分析，并作出解释。低压无刷直流控制器和高压无刷直流控制器不同的是对保护的要求不一样。高压的设备价格昂贵，所以要求保护的可靠性、速动性、灵敏性更高。 由于水平有限，论文中如有不当和错误之处，恳请读者批评指正。 曲和钊 2010年6月 第一章 绪论1.1课题研究背景和意义1.1.1 永磁无刷直流电动机的发展 永磁无刷直流电动机(PM-BLDCM： Permanent Magnet Brushless Direct Current Motor)是指无机械电刷和换向器(或集电环)的永磁直流电机，又称无换向器永磁直流电机，它是近年随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电机，它用一套电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置，保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能，同时又克服了有刷直流电动机机械换向带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等一系列的缺点，且降低了制造成本，简化了电机维修，因此在各个领域中得到广泛应用，如:计算机的软盘驱动装置，人工智能机器人，CD机、空调器、电动交通工具乃至航空、航天航海业等。除具有有刷直流机的优点外，还具有高能量密度，高转矩惯性化高效率等特点，同时，现代电力电子技术和永磁材料的发展又为其发展提供了便利条件，因此PM-BLDCM具有很强的生命力和发展前途。 早在1917年，Boliger就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。在上世纪30年代，就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的无刷直流电动机，并且取得了一定的成果。但是由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换相元器件，使得这种电机只能停留在实验室研究阶段，而无法推广使用。1955年，美国D.Harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械电刷的专利，诞生了现代无刷电机的雏形。无刷直流电机真正进入实用阶段应从1978年开始，当时原西德MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易博览会上，正式推出MAC经典无刷直流电机及其驱动器。 70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如GTR,MOSFET. IGBT等相继出现，以及高性能永磁材料，如杉钻、钱铁硼等的问世，为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。二十世纪80年代在国际上对永磁无刷电机开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电机。目前，无刷直流电机在国际上已得到较为充分的发展。我国无刷直流电机的研制工作始于二十世纪70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平，有待进一步的研究和开发。121.1.2永磁无刷直流电动机的优点及用途无刷直流电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，故在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。无刷直流电动机和其它电机的比较见表1.1。 表1.1 无刷直流电动和其他电机比较表性能 电机无刷直流电动机有刷直流电动机异步交流电动机机械特性硬硬软过载能力大大小可控性易易难平稳性好较好较差噪声小大较大维修性易难易寿命长短长体积小较小大效率高高低成本较高较高低无刷直流电动机与有刷直流电动机相比，前者去掉了电刷和换向器，克服了换向电磁干扰、可靠性差、寿命短、维修困难、噪声大等各种缺陷。随着无刷直流电动机的性能的不断提高，成本的不断降低，会逐渐替代有刷直流电动机。同样，与步进电机相比，在高速度、高精度、高分辨率、高可靠性的伺服系统应用中，闭环控制的永磁无刷直流电动机可以满足步进电机所满足不了的各种要求。这是步进电机固有特点所决定的，即使采用闭环控制的步进电动机控制以及细分技术，步进电机也无法适用于速度更快、定位更精确、分辨率更高的情况。小功率感应电机的应用领域主要集中在家用电器，而随着家用电器对性能和质量的要求不断提高，对配套应用的电动机也提出诸如低噪声、高性能、长寿命、小型化、高效率等许多更高的要求。这样以高性能无刷直流电动机来代替性能差、效率低的小功率感应电动机也就成了必然趋势。 现在电动车辆在污染、能源等关系国计民生重大问题上已经越来越表现出深远的革命性的意义。在电动车辆上曾经采用的有刷直流电动机、交流感应电动机作为驱动电机。但是现在由于永磁无刷直流电动机的起动力矩大、过载能力强、体积小、效率高、寿命长、控制简单等特点，更多的电动车驱动方案己经开始采用其作为驱动设备。341.2直流无刷电动机发展现状1.2.1 国外直流无刷电动机发展现状在国外，无刷直流电动机的生产和应用取得很大进展，如日本仓毛电器公司研究出的KRK系列产品，德国西门子公司推出的AD系列产品。在大功率无刷直流电机方面，工业级的无刷直流电动机及驱动系统己达到735-9875w的功率范围，特别是在美国，一些公司的直流无刷电机产品己占据了不同的应用领域，例如FUNK，USA的产品主要用于工厂自动化领域，PAPST的产品主要应用于仪器设备领域，KOLLNNORG的产品主要应用于国防和航天领域。自上世纪末起，逐渐形成直流无刷电机的研究热潮，针对其存在的问题，各国研究人员纷纷推出自己最新科研成果，其中美国的 AhmRubaaj博士及其同事共同研制出一种新型的永磁直流无刷电机，其转子跟普通的电机一样，而其定子却和普通的有刷直流机的转子极为相似，并能以转子位置传感器及逻辑开关电路，使定子绕组依次换向。其优点为:大大减少了转矩波动，可在较大范围内自然换向，充分提高了电机体积的利用率。针对位置传感器的改善，美国的Ke1thAC0rzine博士等人最近研制出一种混合观测装置，通过固定于定子上的霍尔元件获得信号监测转子位置，以此代替价格不菲的光学编码器，大大降低了电机成本，且提高了监测精度，可谓物美价廉。相信随着国际、国内对直流无刷电机的研制和开发工作的日臻成熟和完善，直流无刷电机会愈发显示出其独特的经济价值和实用价值。1.2.2 无刷直流电动机技术的发展(1)电动机本体无刷电动机磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段:铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼。钕铁硼的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。目前，为提高电动机的功率密度，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。(2)控制电路无刷直流电动机控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。目前，控制电路一般有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成形式。80年代出现了高性能处理器，如通用高速单片机，其处理速度弥补了传统微处理器的不足，使无刷直流电动机的转速控制能够达到很高的精度，大大提高了无刷直流电动机控制系统的性能。(3) 驱动电路 驱动电路的作用是输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。从20世纪70年代开始先后出现了几种有自关断能力的全控型功率器件，如可关断晶闸管(GTO)、功率晶体管(GTR)。这些全控功率器件取代了普通晶闸管系统，提高了工作频率，简化了电路结构，提高了系统的效率和可靠性。其后又出现了功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)，形成第三代功率器件。这些新型功率器件采用场控，工作频率可以更高，驱动电路更简单。目前，号称第四代的功率集成电路己崭露头角。 (4)转子位置检测电路永磁无刷电动机是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。本课题采用霍尔位置传感器:。霍尔组件与其它磁敏组件相比，具有体积小、灵敏度高、输出功率大、工作可靠、性能稳定等优点，并己做成集成芯片式。有位置传感器的永磁无刷直流电机均需一个附加的位置传感器，用以向逆变桥提供必要的换向信号。1.3论文主要内容 本文主要针对具有霍尔位置传感器的三相永磁无刷直流电动机的驱动控制器，主要包括以下几个方面的工作： 1）简要回顾了永磁无刷电动机的发展、优点和用途、以及组成无刷直流电动机各模块的技术。列出表格说明永磁无刷电动机的优越性。 2）介绍了永磁无刷直流电动机的基本结构和工作原理，建立了数学模型，为无刷直流电动机的设计奠定了理论基础。 3）以MC33035芯片为核心进行无刷直流电动机控制器硬件系统设计。 4）进行无刷直流电动机转子位置检测电路设计和无刷直流电动机驱动电路设计。 5）记录了整个设计过程中的实验结果，并对实验结果进行了分析。 6）对全文工作做了总结，并对下一步工作做了一定的展望。 第二章 永磁无刷直流电动机的工作原理和数学模型 2.1永磁无刷直流电动机基本组成环节 无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机，有称无换向器电机。它的结构原理如图2.1所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关电路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他启动装置。其定子绕组一般成多相(三相、四相、五相不等)，转子由永久磁钢按一定极对数（2,4,.）组成。图2.1中的电动机本体为三相两极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接，在图2.1中A相、B相、C相绕组分别与功率开关管V1, V2, V3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接。 图2.1 永磁无刷直流电动机系统的结构原理图 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组以一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图2.2所示。图2.2 永磁无刷直流电动机的原理框图电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于无刷直流电动机中永久磁钢装在转子上，而直流有刷电动机的磁钢装在定子上，图2.3示出了典型无刷直流电动机本体的基本结构图。图2.3 永磁无刷直流电动机本体的基本结构图无刷直流电动机电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，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，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。综上所述，组成无刷直流电动机主要部件的框图如图2.4所示。5 图2.4 无刷直流电动机的组成框图2.2永磁无刷直流电动机的工作原理 众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。无刷直流电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与有刷直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样还不行，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，无刷直流电动机除了由定、转子组成电动机本体外，还需要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换向装置，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场，在空间始终保持在90左右的电角度。6、7 有刷直流电机电枢绕组中感应的电势和实际通过的电流其实是交变的。从电枢绕组和定子磁场之间的相互作用来看，它实际上是一台同步电机。这个同步电机和直流电源之间是通过换向器和电刷把它们联系起来的。在电动机的情况下，换向器和电刷起着逆变器的作用，它把电源的直流电逆变成交流电送入电枢绕组。相反地，在直流发电机的情况下，换向器和电刷起着整流器的作用，它把电枢中产生的交流电整流为直流电输送到外面的负载上。有刷直流电机中的电刷不仅起着引导电流的作用，而且由于电枢导体在经过电刷所在位置时，其中的电流要改变方向，所以电刷的位置决定着电机中电流换向的地点。这就是说，有刷直流电机的电刷起着电枢电流换向位置的检测作用。和无刷直流电动机相比，就不难看到，其实无刷直流电动机和有刷直流电动机一样，本身都是一台同步电动机，只是有刷直流电动机中加的是一个机械的逆变器换向器和电刷，而无刷直流电动机中则采用电子换向装置电子逆变器代替机械换向器和电刷的作用。尽管二者构造不同，但它们所起的作用却是完全相同的，都是为了实现直流电动机的正确换相。13为了更加清楚地阐述无刷直流电动机的工作原理和特点，下面以三相星形绕组半控桥电路为例来加以简要说明。图2.5为三相无刷直流电动机半控桥电路原理图。此处采用光电器件VP1,VP2, VP3作为位置传感器，以三只功率晶体管V1, V2, V3构成功率逻辑单元。在图2.5中，三只光电器件VP1 , VP2,VP3的安装位置各相差120，均匀分布在电动机一端。由于安装在电动机轴上的旋转遮光板(亦称截光器)的作用，使得从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极位置。图2.5所示的转子位置和图2.6 a )所示的位置相对应。图2.5 三相无刷直流电动机半控桥电路原理图 a) b) c) d) 图2.6 开关顺序及定子磁场旋转示意图 由于此时光电器件VP1，被光照射，从而使功率晶体管V1呈导通状态，电流流入绕组A-A，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按图2.6中的箭头方向(顺时针方向)转动。当转子磁极转到图2.6 b)所示的位置时，直接装在转子轴上的旋转遮光板也跟着同步转动，并遮住VP1而使VP2受光照射，从而使晶体管V1截止、晶体管V2导通，电流从绕组A-A断开而流入绕组B-B，使得转子磁极继续朝箭头方向转动，并带动遮光板同时朝顺时针方向旋转。当转子磁极转到图2.6 c)所示位置时，此时旋转遮光板己经遮住VP2，使VP3被光照射，导致晶体管V2截止、晶体管V3导通，因而电流流入绕组C-C，于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转，使转子磁极转到图2.6 d )所示位置，即重新回到了图2.6 a)所示位置。这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器VP1, VP2, VP3的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。不难看出，在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120电角度。各相绕组电流与电动机转子磁场的相互关系如图2.6所示。图2.6 a )为第一状态，Fa为绕组A-A通电后所产生的磁动势。显然，绕组电流与转子磁场的相互作用，使转子沿顺时针方向旋转；转过120电角度后，便进入第二状态，这时绕组A-A断电，而绕组B-B随之通电，即定子绕组所产生的磁场转过了120，如图2.6 b)所示，电动机转子继续沿顺时针方向旋转；转子转过120电角度后，便进入第三状态，这时绕组B-B断电，C-C通电，定子绕组所产生的磁场也同时转过了120电角度，如图2.6）所示：它继续驱动转子沿顺时针方向转过 120电角度后就恢复到初始状态了。这样周而复始，电动机转子便连续不断地旋转。图2.7示出了各相绕组导通顺序的示意图。 图2.7 各相绕组的导通示意图三相半控电路的特点是简单。但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电1/3时间，另外2/3时间处于断开状态，没有得到充分的利用。由图2.8可知，在运行过程中其转矩的波动较大，从Tm/2到Tm。所以在要求比较高的场合，一般均采用三相全控电路。众所周知，三相绕组的联结方式有和Y之分。下面我们分析一下，如图2.9 ,Y型联结两两导通方式的工作情况。 图2.8 三相半控电路恒电流下的转矩波形所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期(60电角度)换相一次，每次换相一个功率管，每一个功率管导通120电角度。各功率管的导通顺序是VF1VF2, VF2VF3, VF3VF4,VF4VF5, VFSVF6.。当功率管VF1和VF2导通时，电流从VF1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VF2 图2.9 Y联结三相全控桥式电路管回到电源。其转子位置如图2.10所示。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩则为负，它们合成的转矩如图2.11 a)所示，其大小为Ta，方向在Ta和-Tc的角平分线上。当电机转过60后，由VF1VF2通电换成VF2VF3通电。这时，电流从VF3流入B相绕组再从C相绕组流出，经VF2回到电源，此时合成的转矩如图2.11 b)所示，其大小同样为Ta。但合成转矩适量方向就随着转过60电角度，但大小适中保持Ta不变。图2.11 c)示出了全部合成转矩的方向。8、9图2.10 Y联结两两通电模式转子位置示意图所以，同样一台无刷直流电动机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相Y联结全控电路，在两两换相的情况下，其合成转矩增加了倍。每隔60电角度换向一次，每个功率管通电120，每个绕组通电240，其中正向通电和反向通电各120，其输出转矩波形如图2.12所示。由图2.12可以看出，三相全控时的转矩波动比三相半控时小得多，仅从0.87Tm到Tm。 a) b) c) 图2.11 Y联结绕组两两导通时的合成转矩矢量图 a) VF1和VF2导通时合成转矩 b) VF1和VF2导通时合成转矩 c) 两两导通时合成转矩矢量图 图2.12 全控桥时输出转矩波形 2.3永磁无刷直流电动机的数学模型无刷直流电动机的定子绕组一般分为三相或多相，转子由永磁体按照一定的极对数组成。三相无刷直流电动机的定子绕组接法有丫型和型两种。对于丫型接法的无刷直流电动机，有二二通电和三三通电等方式。本系统所采用的无刷直流电动机为定子三相丫型(星型)接法、转子五对极的电动机，采用二二通电三相六状态(六拍)的通电方式，其拓扑结构如图2.13所示。 由于无刷直流电动机反电动势波形为梯形波，包含有大量的高次谐波，且无刷直流电动机的电感非线性，因而，进行无刷直流电动机的分析和数值计算时采用dq变换会比较困难。在分析和数值计算中，直接采用相变量法，以相电压、相电流为状态变量，就可以方便地建立可以得到比较准确结果的模型。稀土永磁 图2.13无刷直流电动机系统拓扑结构材料的磁导率很低，即转子的磁阻很高，其影响可忽略不计。作如下假设: 1)忽略齿槽效应; 2)忽略磁路饱和、不计涡流损耗和磁滞损耗； 3)不考虑电枢反应，气隙磁密分布近似为120度平顶矩形波。 于是，可列出如下状态方程来表达无刷直流电动机的三相定子电压的平衡方程式： （2-1）式中:三相定子绕组相电压，单位V； 三相定子绕组相电流，单位A； 三相定子绕组相电组，单位； 三相定子绕组相反电动势，单位V； 三相绕组自感，单位H； 三相定子绕组之间的互感，单位H。 有电动机的结构可知，三相定子绕组为对称分配，因此有以下式子成立: 式中，因而，式（2-1）可改为： （2-2）又因为在三相对称的星型绕组电动机中故式（2-2）可变形为： (2-3) 无刷直流电机的电磁转矩表达式为： (2-4)式中 为电动机工作时转子旋转的角速度，单位rad/s在通电期间，无刷直流电动机的带电导体处于相同的磁场下，各绕组间的感应电动势为： （2-5）式中: p:电机转子极对数 ：每极气隙磁通，单位Wb N:每相总导体数 n:电动机转速，单位rpm从逆变器的直流端来看，星型连接的无刷直流电动机感应电动势由两相绕组经逆变器串联而成，故有: （2-6） 因此，电磁转矩表达式可化为： （2-7） 式中 电机绕组电流幅值，单位A ，转子角速度，单位rad/s由式(2-7)可以看出，无刷直流电动机的电磁转矩表达式和普通直流电动机相同，其电磁转矩的大小与磁通以及电流幅值成正比。因此控制逆变器输出的方波电流的幅值就可以控制无刷直流电动机的输出转矩。6电动机的运动方程为: (2-8)式中 这样，就构成了完整的无刷直流电动机数学模型。第三章 控制系统设计 我们所要驱动的永磁无刷直流电动机是西安骊山电子业总厂生产的，型号为LS42BL3A45-B30的无刷电机。具体参数如下： 系统控制框图如图3.1，采用交直交电压源型逆变电路为供电主回路。系统中包括整流（滤波）电路、控制系统供电电路、触发电路、以及由六只MOSFET组成的三相逆变电路、控制电路、转子位置传感器信号处理电路和电流检测电路。现在分别介绍各个单元的电路设计。12 图3.1 永磁无刷直流电动机控制系统框图3.1 整流电路 系统采用的市电220V直接供电，整流电路和滤波电路采用的是我们从市面上买来的开关电源盒，包括两个单路的24V供电电源，功率75W。 和一个多路的供电电源，共包括12V，5V和3.3V五路输出。采用这种开关电源盒的好处是供电稳定，可以在电压的10%内进行调节。开关电源盒内部有LC共模抑制电感，滤除电源中的共模干扰。3.2 触发控制电路 本系统中触发电路采用由专用控制芯片MC33035提供驱动信号。 无刷电机控制系统组成框图如图3.2所示： 图3.2无刷电机控制系统图成框图 图中，控制电路的核心部件采用无刷电机专用控制芯片MC33035，转速闭环电路要求电机在负载波动和电源电压波动时保持恒定转速运行，保护电路具有保护电机过载、堵转等功能，起动电路是为高压无刷电机控制器专门设计的，以确保电机平稳起动以及控制器的安全。 MC33035是MOTOROLA公司开发的第二代无刷直流电动机专用集成控制芯片。MC33035可以用来控制三相(全波或者半波)、两相和四相无刷电动机，另外配合MC33039电子测速器作F/V转换，引入测速反馈后，可构成闭环速度调节系统。采用上述两款芯片还使控制器具有转速闭环控制功能。 MC33035主要功能介绍如下: 1.转子位置传感器译码电路 根据无刷电机运行原理，定子绕组电流换相时刻由检测转子位置的三个霍尔位置传感器来决定。霍尔位置传感器在永磁体N极下输出高电平1，在S极下感应输出低电平。那么三个霍尔信号可以组合出8种状态:000, 001, 010, 011,100, 101, 110，111。三个霍尔信号在空间上相隔120电角度，而一个磁极宽度为 180，那么三个霍尔不可能同时在一个极下，即000和111两个状态是在检测转子位置时是不可能出现，上述8种状态中的6个状态有效。这6个状态对应定子绕组6种通电方式，这一系列过程都由译码电路来完成。当出现000和111这两种正常情况下不可能出现的状态时，MC33035会关断6个驱动信号的输出，并且输出错误报警信号。 传感器信号的输入端被设计成为直接与集电极开路类型霍尔效应开关或者光电藕合器连接，包含了内置上拉电阻使所需外部器件最少，输入与TTL电平兼容。 2.带温度补偿的内部基准电源 此电源的典型值为6.24V，可以为芯片内部逻辑电路提供电源，也可以向外部电路提供电源，根据外接电路功率的情况，可以改变此电源提供的电流大小，而且只要芯片供电在1030V电压范围，都可以稳定输出6.24V。本方案中霍尔位置传感器的电源就是由它提供。 3.频率可设定的锯齿波震荡器 此频率震荡器的电源由基准电源提供，频率由RC震荡器产生，其频