无刷电机控制器的设计

《L}l小型电机》z001。28(6) 无刷电机控制器的设计 无刷电机控制器的设计 北京联合大学(100101)张和王克明冯占英 摘要本文在简要论述无刷电机工作原理的基础上，提出了一种主电路采 用IGBT的PwM电压调节型电路，用EPROM作为脉冲分配器和系统控制器 的设计思路，并得到实践的验证。 叙词无刷电机控制器设计 DesignOfBrushless—motorController Beiji“gUnionUnjversityzhangHe，wangKeming，Fengzhanying Abstract：Th。paperpresentsa newdesign。f thebrushless—motor controller'ThemiancircuitadoptPWMvolt89er89ulati“gtypemadeupof lGBT．ThereadonlymemoryEPROMisusedinpulsed诂tributorandsystem controner．Thethinkinghavealreadyachievedtestandverify． Keywords：Bru8hless—motorControllerDesign 1无刷电机的基本工作原理 无刷电机(又称为无换向器电机)的结构类似 同步电机，结构简单、耐用、价格低。配合位置检测 装置、逆变器，其工作原理又与直流电动机类似，机 械特性和调速特性也与直流电动机相似。在全控器 件的功率、耐压和可靠性不断提高的情况F，在需 要调速的场合，采用无刷电机无疑是优选 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 之 无刷电机的定子侧为三相对称绕组，当按照。 定的顺序向定子绕组中的两相通入直流电流时，产 生定子磁势F。；转子为稀土永磁材料制造的Ns 极，磁势为F，。F。与Fr相互作用，产生电磁转距_r =F。F，Isin目I，口为定、转子磁势之间的夹角，当目 为60。～120。之间时，电磁转矩最大。 检测转子磁势的位置，当F。与F，的夹角为 60。时，控制逆变器，使_=相绕组中的某阿相导通． F。向前转过60。，F，与F。的夹角变为120。，电磁 转矩使转子向目减小的方向运动，当转于磁势F， 与定子磁势F。的夹角再次为60。时，再控制逆变 器，二相绕组中的另外两相导通，F。再向|ii：『转过 6o。，如此循环，定子磁势不断以步进的方式向前转 动，转子随之旋转。调节加到定子上的电压的人小， 张和 1948年11月 生．】982年3月毕业于 河北机电学院自动化 系，学士学位，副教授。 现在北京联台大学信息 学院自动化系任教。 就可以改变转子的转速，而定子电压的调节是通过 脉宽调制(PwM)实现的。 2系统简介 该系统如图1所示。 图l 无刷电机控制器系统框图 三相交流电经二极管整流电路整流，电容滤 波，变为直流，逆变器部分用全拧器件lGBT构成 三相桥式电路。1GBT的隔离驱动电路选用 ExB841，BQ为位置检测器，cF为测速发电机，电 流检测用霍尔元件LEM，PwM信号发生器由集 成芯片TL494及外围电路组成，脉冲分配、PwM 信号及系统的各种控制信号、故障信号经过 万方数据 危刷电机挣制器的设计 《中小班电机》200l，28(6) EPR()M综合，它是系统的拄制中心。 3位置检测 m工作原理可知．检测转子磁场的位嚣是无换 向器电机蹰速系统的关键环节之一，位置检测器 BQ由两部分组成：一部分为同定在转子r的一个 带缺口的旋转圆盘，缺u的角度为180。电角度，缺 口的个数为主机的极对数，另1部分为固定在定子 上的。组检测元件，可以是光电式、电磁感应式、霍 尔元件式等，这里采用光电开关式，苴开关特性好， 响应速度快，抗干扰措施较容易实现。无论尢换向 器电机的极对数足多少，榆测无件之间的距离都足 120。电角度。如图2所示。 心 PB 阳 图2位置检测器 状态10lo。101lO10110100 导适VTlⅥl、，T3vT3w5VTs 譬号、rT6vT2VT2vT4vT4VT6 吲3位置检测信号 旋转圆橇随转子旋转，当其阻挡沿阻挡光路 时，光电开关输出高电乎，未阻捎时，输出低电平。 三个光电扦关输出的信号尸A、PB、Pc如图3所 示。每一路领事的周期为360。电角度．方波的宽度 为180。电角度．而三路信号互差120。电角度。 4脉冲分配逻辑 本文提出采用只读存储器EPROM实现逻辑 变换及脉冲分配的思路。只读存储器除了片选、读 等控制信号外，有一纽地址总线，条数由EPROM 的存储容量决定；一组数据总线为8位。这里不仅 用它作为逻辑变换和脉冲分配，还作为PwM信 号，正反转信号，各种故障信号的综台。将这些信号 加到地址线上，该地址的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 是对逆变器工作状况 的设定，从数据总线输出，经隔离驱动器送到逆变 器的IGBT的控制端。例如：Pc、PB、P^二路位置 检测信号加到地址线的A2、Al、Aoj端，作为地 址的低三位．而该地址的内容即数据的Do～D5输 出的数据，经过隔离驱动，对应六个功率器件VTl ～VT6，某位为l，对应的功率管导通。如图：州一o。 ～60。，榆测到Pc—1．PB—o．PA=1．地址总线的 低i位A2Al40—lol，这时应有逆变器的vTl 嗣IVT6导通，则该地址的内容为21H。州一60。～ 120。．检测到PC—O，P_8一O，PA一1，A2A1Ao= ool，此时应有VTl，VT2导通，则该地址的内容为 03H。尸c、PB、P^三个信号，有8种组合，其中ooo 和111在正常运行中是不会出现的，这两种地址中 的内容为ooH，对应VTl～VT6全部关断。表J给 出了一小部分EPROM的地址和数据的基本关 系。 表I EPRoM的地址和内容 地 址 线 数 据 线 A12～^5^ 4 ^3 A2 ^1 ^O 力5 D4 力3 D2 D1 上JO 16址翩 故障、控制 正反 PWMm 户四 }’A VT6VT5VT4VT3VT2VTl l U 0 O U 0 0 O O 0 00H l 0 0 l 0 0 0 U 1 1 03H l 0 l 0 O 0 1 l n O OCH 1 】 0 1 l O 0 O l 1 0 06H l l O 0 I 1 O O 0 0 30H 1 1 O 1 I 0 O 0 0 l 2lH 1 1 l 0 O l l 0 U 0 18H l 1 l 1 O 0 0 O 0 O 00H 万方数据 《中小型电机》2001，28(6) 无刷电机控制器的设计 5 PwM脉宽调制调压的实现 从工作原理可知无刷电机的机械特件和调速 特性与直流电机相似，改变加在定子侧三榭绕组上 的直流电压的大小，就可以达到凋速的目的。电压 的调节是通过脉宽调制实现的。本电路采甩不可控 整流，经滤波成为恒定的直流电压，对其进行脉宽 调制，按一定周期通断，占窄比决定了平均电撮的 大小。当脉宽较宽。占窄比大时，半均电咏高．电机 转速鬲。 脉宽凋制信呼的产生由集成芯片TL494及外 围电路实现．该芯片内部包括锯齿波振荡器，外接 阻容器件决定振荡频率，该频率应由功率管IGBT 的开关特性和系统所需的频率综合考虑，10kHz左 右为好。控制电慷加刊芯片，与其内部的锯齿波经 过比较和必要的逻辑榨制．形成脉宽调制信号输 出。 PwM脉宽调制信号，也作为地址信号的一部 分，将其接在EPROM的地址线一3上。当A3上的 PwM信号为高电f时，A2、^l、』40所接的位置检 测信号有效，当PwM信哮为低电平即A3一。时， 位置检测信号无效．A3^2A1Ao—o×××地址 巾的内容全为ooH。 顺序应浚相反，所以应在EPROM的地址线44上 设置正／反转控制端；电机工作在回馈状态时，是外 力带动转子磁极旋转，定子磁势跟随转子磁势旋 转，j}落后其60。～120。电角度，逆变器VTl～ VT6的导通顺序及其与位置检测信号的关系与电 动状态不同，EPRoM的地址线卜还应设置电动／ 回馈拄制端，而疋要将这螋地址的内容填对，系统 的控制任务即可完成。当然，为此还需要相应的电 路。如：为了实现无刷电机的阿馈制动，在上电路上 要有能耗电阻，将回馈的电能吸收。 将各种保护信号经过一定电子线路的处理变 为开关量，接到EPROM的地址线卜-，例如对过电 流信号的处理，把霍尔传感器接在丰电路的电流 侧，检测到的信号经滤波放大和施密特电路变为开 关量，接到EPROM的地址线上，当电流超过给定 的安全值时，该位为高电平，对应的数据全为O。其 他的控制信号和故障信号均按这样的方式处理。 7结束语 通过基本电路实验．证明本设计思路是正确 的，七U实可行的，而且控制的核心部分电路简单，可 靠性高。 参考文献 6 四象限运行及整机控制 1许大中，晶闸管无换卡H器电机．科学出版社，】984年 前述1=作原理中，J{叙述r电机正向电动状态 (8)· 的工作情况，反ffil电动状态时，定子磁势的转向戍 2周绍英·交流调速系统·机械工业出版社·1996(9)- 该相反，根据转子位置检测的结果，功率管导通的 牧稿日期：200】一04一03 《，链囊￡％￡孥0转譬鲨是蛙生二监=羹：啦韬拦壁是当心i蔓芷∽监二羹趣冀醢地：螳二《恕￡垒“直菇整‰掣盛名0勒0鞫龄嚣囊t晕￡缸掣笺恕￡鞫鉴芷恕0‰0：譬；基蒜s岱 首家潮汐敖毫站投入遗罾 苏格兰利Ⅲ岛屿上的潮汐能为全国电网供电。 降低发电成本．使之与海岸风能发电及垃圾填理场 苏格、!艾莱岛西部一个崎岖不平的半岛r建 发电等其他町更新能源生产方法展开竞争的问题。 起一鹰具有开创性的潮汐发电站：这座发电站终十 政府顾问在80年代就得出结论：人规模近海潮汐 向英国的幽家电网供电。 能源转换器在几十年内还无法实现，这使研究人员 这座海边电厂足没在苏格兰北部的书弗根公 把注意力放在了小型海岸发电设备的研制七。 司(wavegen)开发建造的。在泣次发电中，它的功艾莱岛潮汐发电的成本为每度5．95便士(7 率达到150f瓦，足够300幢房屋使用。据认为．这 美分)，而垃圾填埋场和海边风能发电的成本为每 是潮汐能首次得到商业利用。 度3便士，煤炭和天然气发电的成本为每度2便 存此之前，潮汐发电技术一占没能像人们预青 士。但是，潮汐发电的支持者指出，风能发电成本的 的那样发挥效益。艾莱岛潮汐电厂的成功是一次重 大幅度下降(10年前的数字为每度10便士)说明。 要的突破。欧髋委员会开展的一项研究估计．英国 相关技术已有所改进。 只需用L本l茸潮汐能的o．1％就可满足全罔的用 韦弗根公司认为．世界潮汐电力市场在今后 电需求。 20年可产生130亿英镑的没备销售额，潮汐发电 潮汐能的问题，一直是如何制造坚固的设嵛并 机的功率可以达到900万千瓦。 万方数据 无刷电机控制器的设计 作者： 张和， 王克明， 冯占英 作者单位： 北京联合大学,100101 刊名： 中小型电机 英文刊名： SMALL & MEDIUM ELECTRIC MACHINES 年，卷(期)： 2001，28(6) 被引用次数： 4次 参考文献(2条) 1.许大中 晶闸管无换相器电机 1984 2.周绍英 交流调速系统 1996 相似文献(10条) 1.期刊论文 林志琦.刘涛.逄林.LIN Zhi-qi.LIU Tao.PANG Lin 无刷电机控制器软件设计经验 -长春师范学院学报 （自然科学版）2008,27(2) 无刷直流电机已广泛应用到计算机硬盘、电动自行车等领域,本文以MICROCHIP公司的PIC16F72作为电动自行车无刷电机控制器的软件编程经验为基 础,研究了电动自行车无刷电机控制器的单片机控制的程序设计的方法, 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了无刷电机控制器的采样时间确定方法.研究了电动自行车调速的平滑型问题 ,分析了控制器的PWM分辨率及限流驱动和减小换相噪声的方法;给出了堵转保护和欠压保护的程序设计方法. 2.学位论文 刘声华 电动汽车CPPM无刷电机及其控制器研究 2009 永磁无刷直流电动机在不同驱动领域得到了越来越广泛的应用。但由于其气隙磁场不可调节，导致电机调速范围不宽，已经成为电动汽车领域应用 的技术瓶颈。感应极永磁电机(CPPM：Consequent Pole Permanent Machine)在其内部增加了励磁绕组和感应极(或称铁极)，十分巧妙地解决了永磁无刷 直流电动机的气隙磁场调节问题。 本文研究电动汽车CPPM无刷电机及其控制器。论文首先综述了纯电动汽车以及CPPM无刷电机的研发现状，分析了CPPM无刷电机的结构和性能特点。 鉴于CPPM无刷电机结构的特殊性以及磁场分布的复杂性，利用专业的三维建模软件Rhino4.0构建了CPPM无刷电机的三维模型，将其导入Maxwell3D软件分 析界面进行了电磁场的三维有限元分析，分析不同参数对CPPM无刷电机磁场的影响，在此基础之上对CPPM无刷电机试验样机进行了优化设计和试验样机 试制，同时采用小转子加霍尔检测电路的方法较好地解决了CPPM无刷电机试验样机转子位置检测的难题。 其次，本文对CPPM无刷电机控制器进行了大量的研究工作，完成了CPPM无刷电机控制器的硬件电路设计、制板以及硬件调试工作，并重点对CPPM无 刷电机的控制策略进行了分析和探讨，提出了分区控制的方案。 最后，论文报告了CPPM无刷电机试验样机的试验研究结果，试验结果表明，CPPM无刷电机具有良好地弱磁和增磁调速性能，是电动汽车的理想驱动 电机，同时也验证了CPPM无刷电机试验样机设计的合理性及控制器的稳定性。 3.期刊论文 袁月峰.赵强先.杨云.吴新丽.YUAN Yue-feng.ZHAO Qiang-xian.YANG Yun.WU Xin-li 基于Actel Fusion FPGA的无位置传感器无刷电机控制器 -国外电子元器件2008,16(8) 钎对Actel公司推出的Fusion系列混合信号FPGA,介绍了一种基于Fusion FPGA的无刷电机无位置传感器的控制器.试验结果表明,采用Fusion混合信号 FPGA的无刷电机控制器具有集成度高,性能稳定,抗干扰能力强,控制精度高等优点. 4.学位论文 江昊 盘式无刷直流电机的转矩无脉动控制 2004 高性能的永磁体如钐钴、钕铁硼的问世使得永磁无刷直流电动机的性能大大提高了.现在的工程师们更为青睐永磁无刷直流电动机是因为以下几点原 因:(1)去除了电刷的永磁无刷直流电动机彻底地免除了维护而且消除了我们不希望的由于换向带来的火花、电刷损耗以及无线电干扰等等;(2)低转动惯 量的转子提高了电机机械响应的质量,从而缩短了电机加速和减速的时间;(3)高矫顽力稀土永磁材料的使用使得同样尺寸的永磁无刷直流电动机比传统的 直流电动机效率高;(4)由于没有机械换向部分定子的结构简单了.通常的永磁无刷直流电动机由永磁同步电动机、逆变器以及安装在转子轴上的位置传感 器构成.逆变器的驱动信号与转子位置信号同步从而保证在任意的速度下定子绕组电流与转子磁场同步.永磁无刷电机无脉动转距调速系统与传统无刷电 机调速系统在电磁、机械结构上基本一样,所不同的是它在传统无刷机控制系统的基础上增加了一个增量式编码盘,从而导致其控制方法有了比较大的改 变.由于通过编码盘可以轻易获得精确的电机转子位置信号,故运用SPWM调制方法可以使得无刷机的电枢磁场按照圆形轨道连续旋转,从而实现输出转距无 脉动.同时对转子精确位置信号进行微分计算又可以获得精确的速度信号,故实现精确速度闭环又成为了可能.该文的主要研究对象是永磁无刷电机无脉动 转距控制系统.考虑到永磁无刷电机无脉动转距调速系统与传统的永磁无刷直流电动机调速系统是特殊与一般的关系,该文研究的思路是从传统永磁无刷 直流电动机入手,在研究了传统永磁无刷直流电动机的控制策略及运动规律的基础上再来分析永磁无刷电机无脉动转距调速系统的特殊规律. 5.会议论文 李新华.胡海.邴黎明.杨卫华 新型无刷电机吊扇及控制器研究 2008 文章研究一种新型外转子无刷电机吊扇及控制器.首先介绍了外转子无刷电机的结构及设计特点,讨论了控制器组成及其保护电路,简要描述了软件设 计思想和框图,最后给出了系统试验的部分结果. 6.学位论文 戴冬冰 无刷电机控制器在细纱机中的应用 2006 本文重点论述了在细纱机的电气控制中，直流无刷电机控制器的设计。旨在说明直流无刷电机控制器对电动机转速控制以及换相控制的实现方法和 技术优势。对于转子位置传感器及其检测电路的硬件设计、PWM脉宽调制技术的实现、IGBT逆变单元的设计，以及串行通讯接口的设计进行了详细的描述 ；介绍了以TMS320家族的DSP为核心控制器的控制系统的设计方案。 阐述了上位机可编程逻辑控制器对直流无刷电机控制器的控制方式：PLC采用异步串行通讯方式控制直流无刷电机控制器，定时比较检测锭速和设定 锭速，对无刷电机控制器输出自动做适当修正，实现一种简易的速度闭环控制。 7.学位论文 卿浩 缝纫机用无刷直流电机控制器研究 2006 近年来，随着服装加工业的发展，对缝纫机的性能要求越来越高，传统的由离合器电动机驱动的缝纫机的缺点日益明显。与此同时，具有控制精度 高、能耗低和维护方便等优点的缝纫机无刷直流电机（BLDCM）控制系统受到了愈来愈多的关注。然而，我们国内目前所使用的缝纫机控制器基本上由国 外进口。着眼于提高我国缝纫机行业的竞争力和巨大的市场潜力，进行缝纫机用BLDCM控制器的研究具有重要的理论和实际意义。本文的主要工作有： ①介绍了BLDCM的工作原理，分析了BLDCM的模型和机械特性。结合BLDCM的特性和系统设计要求制定了系统的控制策略，并在Matlab6.5/Simulink环 境下对控制系统进行了仿真分析。 ②基于理论分析所得到的结论，研究了控制系统的硬件结构，以ATmega48V和MC33035为核心设计了控制器，详细讨论了控制器的部分电路模块。 ③设计了控制系统的软件，给出了程序 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图，并对要点进行了详细的说明。 实验结果表明，本文所开发的缝纫机用BLDCM控制器的性能可靠、操作简单，基本满足设计要求，为后续的研究工作提供了良好的开发、测试平台。 8.会议论文 谭建成 基于ATmega8的航模用无刷电机电子速度控制器开发 2007 介绍了一种以AVR单片机ATmega8为主控芯片的航模用无刷电机电子速度控制器(Esc),给出了系统的硬件构成和软件设计。该控制器性能可靠、成本 较低,是一种实用的无刷直流电动机无传感器控制系统。 9.学位论文 刘士勇 磁通开关电机的设计与控制 2008 单相磁通开关电机是一种新型的无刷电机，双凸极结构、集中绕组、定子和转子都无永磁体、结构简单。电机本身的特点决定了其制造成本低廉、 坚固耐用、噪声较小、适合于在家用电器、电动工具、轻工业以及机动车等场合应用。电机本体的成本低于同等功率的单相电机、永磁电机等。磁通开 关电机需要配合控制器一起使用，在调速的场合整个系统的成本还是要比其它电机系统低，如开关磁阻电机系统。低廉的成本是整个磁通开关电机调速 系统的竞争优势。但是此电机刚提出不久，从理论到设计方法、控制策略还不完善；而且磁路深度饱和，不能应用传统的电机分析方法。本文在前人研 究的基础上，主要做了以下几个方面的工作： 1、介绍了磁通开关电机系统的拓扑结构、工作原理、运行特点，计算了电机的性能，应用MATTLAB语言编写了磁通开关电机的设计程序。 2、根据磁通开关电机的工作原理和特点，应用MATLAB建立非线性仿真模型，并且应用仿真模型仿真了电机的运行情况。 3、应用静态有限元的方法分析了电机气隙磁场分布，转矩随转子位置、绕组电流的变化情况等；应用时步有限元的方法验证了电机的运行性能。 4、在磁通开关电机计算、仿真结果以及有限元验证的基础上，设计制作了一台样机和相应配套的控制器。最后对样机的各项性能指标进行测试分析 ，验证了电机整个设计过程的正确性，以及控制器的简单、可靠、通用性。 10.期刊论文 刘志龙.谢宋和.李淑君 基于TMS320L240x DSP的无刷电机控制器的设计 -郑州轻工业学院学报(自然 科学版)2003,18(2) 采用电流环、速度环和位置环相结合的多环控制方法,在计算时采用改进的空间矢量PWM算法,设计了基于TMS320L240x DSP的无刷电机控制器.实验表 明,该方法稳定了逆变器工作频率,改善了无刷电机的换相性能,实现了无刷电机的稳定快速控制. 引证文献(4条) 1.马瑞卿.侯红胜.杨白明 270 V高压无刷直流电动机速度闭环控制器[期刊论文]-电机与控制应用 2009(6) 2.刘川.李波 电动车无刷直流驱动电机的控制系统设计[期刊论文]-电机技术 2008(4) 3.王滨.高永生.张文明 基于TMS320F2812的新型无刷电机控制器设计[期刊论文]-电子测量技术 2007(8) 4.杨平 双余度无刷直流电机控制系统设计及性能研究[学位论文]硕士 2005 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_zxxdj200106011.aspx 授权使用：广西工学院(gxgxy)，授权号：b3a18f96-a1c6-4c7f-936f-9ea7009ac571 下载时间：2011年3月15日