BLDC电机电子换向原理的研究及软硬件实现.docx
- 文档编号:14271959
- 上传时间:2023-06-22
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:387.92KB
BLDC电机电子换向原理的研究及软硬件实现.docx
《BLDC电机电子换向原理的研究及软硬件实现.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《BLDC电机电子换向原理的研究及软硬件实现.docx(19页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
BLDC电机电子换向原理的研究及软硬件实现
南京工程学院
课程设计说明书(论文)
题 目BLDC电机电子换向原理的 研究及软硬件实现
课程名称运动控制系统设计与调试
院(系、部、中心)工业中心学院
专业 自动化系统集成
班 级 D自集成102
学生姓名 何青云
学生学号 06
设计地点 基础实验楼C315
指导教师盛国良、吴京秋
设计起止时间:
2013.6.17--2013.6.28
目 录
1.概述2
2.设计任务和要求ﻩ2
2.1任务和要求2
2.1.1设计任务ﻩ2
2.1.2设计要求ﻩ2
2.2研究路线ﻩ3
3.系统结构设计ﻩ3
3.1方案确定3
3.2硬件设计ﻩ4
3.2.1逆变电路设计ﻩ4
3.2.2控制电路设计ﻩ6
3.2.3检测电路设计ﻩ7
3.2.4 保护电路设计7
4.系统设计8
4.1 换向逻辑设计8
4.2速度采集ﻩ9
4.3速度环控制程序10
5.系统软件12
5.1软件流程12
6.总结ﻩ14
7.参考文献14
ﻬ
1.概述
无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的,这一渊源关系从其名称中就可以看出来。
有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来,以其优良的转矩控制特性,在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。
但是,有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点,它降低了系统的可靠性,限制了其在很多场合中的使用。
为了取代有刷直流电动机的机械换向装置,人们进行了长期的探索。
早在1917年,Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷,从而诞生了无刷直流电机的基本思想。
无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步,在无刷直流电动机发展的早期,由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段,可靠性差,价格昂贵,加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约,使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内,性能都不理想,只能停留在实验室阶段,无法推广使用。
后来随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入,无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。
1986年,H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结,指出了无刷直流电动机的研究领域,成为无刷直流电动机的经典文献,标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。
我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。
1987年,在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上,SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器,引起了国内有关学者的广泛注意,自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。
经过多年的努力,目前,国内已有无刷直流电动机的系列产品,形成了一定的生产规模。
2.设计任务和要求
2.1任务和要求
2.1.1 设计任务
电机参数
●额定功率PN(KW):
1
●额定电压UN(V):
310
●额定转速nN(RPM):
3000
●转子磁极对数:
5
●霍尔传感器:
3
2.1.2设计要求
●静态指标:
调速比:
D=nmax/nmin≥1000; 静差率:
s≤3%。
●动态指标:
扰动产生的动态偏差:
Δnmax/nmin≤10%;扰动产生的恢复时间:
tv≤0.5s;
2.2研究路线
1.系统硬件设计
—控制回路设计
●控制器选择:
PLC、计算机或微控制器,包含控制器外设选型
●给定器设计:
模拟/数字
●驱动电源:
隔离电源,浮栅
●电流截止环节:
电流、电压检测环节
2.系统软件设计
—软件设计环境
●梯形图——PLC
●VC++、VB、CB、TC等——计算机
●C——微控制器
—速度环软件(中断方式)
●速度环调节周期
●转子位置检测程序、换向子程序
●速度检测程序、ASR子程序
3.系统结构设计
3.1方案确定
1.逆变电路设计
2.控制电路设计
3.检测电路设计
4.保护电路设计
5.换向逻辑设计
6.速度采集、速度环控制程序
3.2硬件设计
图:
驱动电路、保护电路、电源电路、霍尔传感电路
3.2.1逆变电路设计
图:
逆变器与驱动电路接口
(1)该电路图为自举电路,以满足浮栅要求。
IR2103功能介绍:
双列8脚封装,高端工作电压为600V,低端工作电压为10~20V,功耗为1W。
IR2103是高电压,高速功率MOSFET和IGBT驱动和依赖的高和低侧引用输出通道。
专有的高压集成电路和CMOS技术使加固其整体结构。
逻辑输入兼容标准CMOS或LSTTL输出,下降到3.3V。
输出驱动特性高脉冲电流缓冲阶段设计为最低伺服交叉传导。
浮栅被用来连接MOSFET管的N通道或IGBT管工作电压为600V的高端。
(2)各元器件的选型及作用:
电容C1C4C7:
为15V电源滤波电容。
电容C2C5 C8:
为Vcc电源滤波电容。
R1R3R5R7R9R11:
控制功率管开通时间。
R2R4 R6R8R10R12:
下拉电阻,保证IGBT管可靠截止,常闭。
IGBT管Q1Q2Q3Q4Q5Q6:
功率管,输出功率。
三个二极管D1 D2 D3与三个电容C3C6C9 形成电荷泵。
IR2103:
有自举供电能力,能在不使用外加隔离的情况下方便驱动小功率的全桥电路。
(3)引脚功能:
3.2.2控制电路设计
(1) 电源电路:
输入是220V交流电,由于额定电压是310V,所以采用桥式滤波电路。
图:
电源电路
(2)控制电路:
控制电路采用stc89c51做主控,单片机检测霍尔元件的回馈信号,对应输出换相信号,也同时测出电机转速。
输出换相信号通过二极管构成的与门,与单片机输出的pwm信号叠加,使得程序上更加容易操作。
此外主控上配备了输出按钮,和外部过电流检测外部中断输入。
输出6个换相端子与前面的ir2103mos管驱动电路相接。
图:
控制电路
3.2.3检测电路设计
(1)霍尔检测电路
位置传感器是无刷直流电动机系统的组成部分之一,有刷也是区别于直流电动机的主要标志。
当霍尔传感器用作无刷直流电机转子位置信息检测装置时,将其安放在电机定子的适当位置,霍尔器件的输出与控制部分相连。
当无刷直流电机的永磁转子经过霍尔器件附近时,永磁转子的磁场令霍尔器件输出一个电压信号,该信号被送到控制部分,由控制部分发出信号使得定子绕组供电电路导通,给相应的定子绕组供电,从而产生和转子磁场极性相同的磁场,推斥转子继续转动。
当转子到下一位置时,前一位置的霍尔器件停止工作,下一位置的霍尔器件输出电压信号,控制部分使得对应定子绕组通电,产生推斥场使转子继续转动,如此循环,维持电机运转。
电路图如下:
图:
霍尔传感器电路
3.2.4保护电路设计
电动机启动和堵转时会产生一个很大的峰值电流,当电流超过功率管的最大流过电流时,会将功率管烧坏或者击穿。
所以电路设计中必须加一限流保护电路。
系统限流保护电路设计如上图所示,电路由一采样电阻和比较器LM393组成。
当电机启动时,启动电流增大,在采样电阻R1上的压降增大,当压降等于给定电压U0时,比较器LM393输出低电平,使IGBT开关管被关断,采样电阻R1上的电流迅速减小,R1上的压降也减小;当电压降到小于给定电压U0时,比较器输出高电平,使IGBT开关管恢复正常的通断顺序。
如此下去,电流被限制在U0/R1上下,达到限流的目的。
图:
过电流保护电路
4.系统设计
4.1换向逻辑设计
二二通电方式
所谓二二通电方式是指每一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导通120°电角度。
各功率管的导通顺序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1 …。
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回到电源。
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3a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3b所示,其大小同样为
Ta。
但合成转矩Tbc的方向转过了60°电角度。
而后每换一次导通状态,合成转矩矢量方向就随着转过60°电角度,但大小始终保持
Ta不变。
图3c示出了全部合成转矩的方向。
aVF1、VF2导通时合成转矩bF2、VF3导通时合成转矩c二二导通时合成转矩矢量图
图:
联结绕组二二通电时的合成转矩矢量图
图:
全控桥输出波形图 图:
传感器输出波形
霍尔信号
导通管
单片机P1.0----P1.5
Ha
Hb
Hc
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
1
0
1
V2
V1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
V6
V1
0
1
0
0
0
1
1
1
0
V5
V6
0
1
0
1
0
0
0
1
0
V4
V5
0
0
1
1
0
0
0
1
1
V3
V4
0
0
1
0
1
0
0
0
1
V2
V3
1
0
0
0
1
0
正转控制真值表
霍尔信号
导通管
单片机P1.0----P1.5
Ha
Hb
Hc
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
1
0
1
V5
V4
0
0
1
1
0
0
1
0
0
V4
V3
0
0
1
0
1
0
1
1
0
V3
V2
1
0
0
0
1
0
0
1
0
V2
V1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
V1
V6
0
1
0
0
0
1
0
0
1
V6
V5
0
1
0
1
0
0
反转控制真值表
4.2速度采集
对电机转速进行精密的调控,首先必须对它的转速进行精准测量,将三路霍尔型号合并成一路信号接单片机的外部中断,该中断为下降沿触发方式,在中段中检测转子旋转一周的所需要的时间由此可以算出转速值。
无刷电机转速测量计算公式:
n=60/ZTN
Z-----转子旋转一周传感器输出的脉冲个数。
T-----单片机计数器技术周期。
R-----位置传感器输出一个周期单片机定时/计数器产生技术脉冲个数
4.3速度环控制程序
直流无刷电机的调速系统采用PWM波调速
1.PWM波的产生,单片机要实现pwm波的产生用了定时器,用定时器产生中断的方式产生pwm波,选用8位自动重装系统,8位定时器可定时1us--256us(12M晶振),PWM的开关频率可达到4KHZ,定时器T1中断的PWM波流程图如下图:
ﻩ
ﻩ
ﻩ
ﻩY
Nﻩ
Y
ﻩN
速度闭环控制流程图如下:
(PI调节器算法)
控制算法采用的是积分分离的PI算法,设定转速被控量的最大允许偏差为m,当转速偏差e小于m时,采用PI算法,而当e大于等于m时,则不再进行积分运算,即把积分分离出去,这样就显著降低了被控量的超调量和过度时间,使调节器的性能得到改善,其中T1表示转速给定转速脉冲,Tf为转速反馈脉冲,Ui为电流给定电压。
PI调节器的脉冲传递函数为
D(Z)=Kp+Ki*1/s=Kp+(Ki*T)/2*((Z+1)/(Z-1))
Kp------------比例常数
Ki-------------积分系数
T---------------采样周期
5.系统软件
5.1软件流程
(1)主程序流程图:
否
是
(2)键盘流程图:
否
是
(3)换向流程图:
6.总结
本设计所述的直流电机闭环调速系统是以低价位的AT89C51单片机为核心的,而通过单片机来实现电机调整又有多种途径,相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行调整,采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本,它能够充分发挥单片机的效能,对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。
总的来说,BLDC电机和有刷直流电机及感应电机相比是具有优势的。
它们具有更好的转速与转矩特性,较高的动态响应和效率,较长的使用寿命,无噪音运转,较高的转速范围,以及可靠而坚固的构造等等。
同时,由于输出转矩与电机体积之比更高,使之在需要着重考虑空间与重量因素的应用中,大有用武之地。
有了这些优势,BLDC在汽车,家用电器,航空航天,消费品,医疗,仪器和自动化行业获得广泛应用。
7.参考文献
1.李宁,白晶.《电力拖动与运动控制系统》.北京 .高等教育出版社. 2009
1.夏长亮.《无刷直流电机控制系统》.北京.科技出版社,2009
2. 张琛.《直流无刷电机原理及应用》.机械工业出版社.1996
3.张文灼.《单片机应用技术》.机械工业出版社.2008
4.吴守箴,臧英杰.《电气传动的脉宽调制控制技术》.机械工业出版.1995
5. 胡文静.《永磁无刷直流电动机的发展及展望.微特电机》.2002.35(4):
34~38
6.蔡耀成.《无刷直流电机中的霍尔位置传感器.微特电机》.1999.27(5):
23~25
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- BLDC 电机 电子 换向 原理 研究 软硬件 实现