无刷直流电机foc控制系统设计硬件子系统(附件)
随着越来越多的领域应用了无刷直流电机，所以当下科研人员需要研发一种更优的无刷直流电机控制系统，其响应速度需要更快，调节性能需要更强，控制精度需要更高，以满足更广阔的市场需求。针对当下无刷直流电机控制系统的研究情况和不足之处，所以本文研究的课题是基于FOC控制的无刷直流电机调速控制系统。 本文首先详述了无刷直流电机结构及其工作原理， 其次简要阐明了FOC调节技术基本理论。 然后完成速度控制系统硬件电路的设计。在控制系统的硬件电路设计中，微处理器采用的是 STM32F103V8T6为代表的 STM32微处理器，重点分析了硬件电路设计中采用 IR2136 驱动芯片带来的方便，详细介绍了电源电路、功率驱动和逆变电路、电流采样电路，霍尔传感器接口电路等电路的原理与设计以及猜想的硬件干扰因素及硬件电路抗扰措施。最后与负责软件部分编写的搭档进行仿真与调试，取得了预期的效果，最后，证明了本课题系统设计方案的可行性与正确性。关键词 无刷直流电机, FOC,STM32F103V8T6
目 录
1 绪论 1
1.1课题研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3课题设计要求 2
2 无刷直流电机工作原理及其运行特性 2
2.1 无刷直流电机基本结构 3
2.2 电动机本体 4
2.3转子位置检测机构 5
2.4电子开关换向系统 7
2.5基本理论 8
2.6旋转磁场的产生 9
3 无刷直流电机的FOC控制理论 10
3.1什么是FOC 10
3.2坐标变化原理 10
4 无刷直流电机控制系统部分硬件设计 14
4.1控制系统总体框架 15
4.2主控芯片 16
4.3电源电路 17
4.4功率驱动与逆变电路 18
4.5电流采样电路 20
4.6霍尔传感器接口电路 20
4.7硬件抗干扰措施 21
5 仿真与调试 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
绪论
1.1课题研究背景与意义
从20世纪初开始，随着各个领域都开始逐步使用现代科学技术扩大生产力，于是全球经济开始爆炸式增长，这也促进改变了人类的生存方式，人们生活质量得到了大大的提高，但随着进步，能源危机也逐步显现出来。目前，世界各国都要面临的一个矛盾就是经济、科学技术的飞速进步和全球人口的爆炸性增长同地球上越发匮乏的可用资源之间的矛盾。所以，目前全世界科研人员急需有效提高可用有限能源的利用率来缓解这一矛盾。而在现代生产及生活的各个领域里，几乎都能看到电机的影子，所以研究高效，稳定的电机很有必要。
传统的直流电机即有刷直流电机是利用机械式碳刷进行换向的，这就无法避免机械磨损的问题，这一问题直接决定了较低的机电能量转换效率，而且随着电刷磨损的越发严重，也会引发直流电机的工作不可靠和不稳定等问题。电机换向器处也会由于电刷的不停摩擦而产生电火花和很大的噪音。电机内部结构也会因为有机械式碳刷换向部件的存在而使得其十分复杂，同时，其养护难度也随之增大。但随着无刷直流电机的诞生与兴起，传统有刷电机的劣势终于得以解决。同时，为了避免灰尘进入电机内部，提高电机的运行稳定性，所以无刷电机采取的是全封闭式的内部结构；将碳刷换向装置改成电子换向器，这一改进能够使电机转速保持独立，机械换向器不能影响它的运行，使用高速轴承就可让其在高速场合下运行。[1]
从二十世纪五十年代开始，伴随着电机技术的发展壮大，与之相关联的电力电子技术等也不断地向前发展并日渐成熟起来。应用于电机方面的电力电子技术在中央处理与控制的特性上有了很大的提高，伴随而来的是一场关于直流电机控制技术的重要变革，这无疑使电机控制系统迈进了高效智能化的水平。基于此，对于直流电机控制系统特性的研究和应用具有非常大的实际意义。
1.2 国内外研究现状
如今，人们对无刷直流电机的研究主要从 3 个不同方面入手：①研究如何准确实现转子位置检测，在没有位置传感器的电机中；②对控制算法进行优化和创新的探讨；③对转矩脉动控制的研究。目前，在对无刷直流电机的研究中，最为关键问题的是如何准确检测转子的位置。但就目前的电机技术领域而言，无位置传感器的电机的技术发展还不够成熟，其功率需要增大，稳定性和可靠性还需要不断的实验论证。因此，本次系统设计中采用的是技术相对成熟稳定的带有位置传感器的电机。
1.3课题设计要求
内容：以单片机为控制核心，以破壁料理机为负载，设计无刷直流电机控制系统，实现最大电流启动、且电流为正弦波。
主要包括：控制器，驱动电路，显示和键盘设定等功能。在熟悉系统控制原理的基础上，设计系统硬件电路。
要求：
1、熟练使用单片机；
2、设计控制系统的硬件；
3、与软件进行调试；
4、按照毕业设计要求完成英文翻译、撰写毕业论文。
2 无刷直流电机工作原理及其运行特性
我们先从结构、原理以及特征上深入解析为什么无刷直流电机能够逐渐占领主导地位？现在对典型的交流电机和直流电机进行一个比较，如下表所示。
表2.1 无刷、感应以及有刷电机比对表[6]
对比项
无刷电机
交流感应电机
有刷电机
转速/转矩特征
平缓，额定负载下可运行于各种速度
非线性，低转速下转矩也很低
中等平缓，转速较高时，由于电刷摩擦使得有效转矩减小
功率输出效率
高效，散热特征好，需要的空间小
中等效率，需要的空间大
中等/低，电枢热量提升了气隙温度，限制输出功率
调控条件
必须要有专用调控器，可实现转速调节
无专用调控器，转速不可调
无专用调控器，转速不可调
之所以现在无刷型的直流电机被使用的越来越广泛，主要的原因是这种直流电机的结构由于没有碳刷的存在而比较简单，并且这种直流电机本身的性能也很优异，抗干扰能力较强，使用可靠而效率很高等一些相较于别的电机突出的部分。因此，如果我们要推进无刷直流电机的研究和发展就需要先正确认识和剖析无刷直流电机的构造、运行特性。
2.1 无刷直流电机基本结构
无刷直流电机使用的是没有磨损困扰的、转向效率高的、新式的电子换向器，没有采用传统的机械式碳刷，正因为这一优化，让无刷电机不论是在电机组织结构还是运行工作特性等方面都比普通电机优良。对无刷直流电机基本构件来说，最为关键就是电动机、转子位置检测机构和功率器件，无刷直流电机运行基本架构就是由这三大部件组成的，如图2.1 所示。
目 录
1 绪论 1
1.1课题研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3课题设计要求 2
2 无刷直流电机工作原理及其运行特性 2
2.1 无刷直流电机基本结构 3
2.2 电动机本体 4
2.3转子位置检测机构 5
2.4电子开关换向系统 7
2.5基本理论 8
2.6旋转磁场的产生 9
3 无刷直流电机的FOC控制理论 10
3.1什么是FOC 10
3.2坐标变化原理 10
4 无刷直流电机控制系统部分硬件设计 14
4.1控制系统总体框架 15
4.2主控芯片 16
4.3电源电路 17
4.4功率驱动与逆变电路 18
4.5电流采样电路 20
4.6霍尔传感器接口电路 20
4.7硬件抗干扰措施 21
5 仿真与调试 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
绪论
1.1课题研究背景与意义
从20世纪初开始，随着各个领域都开始逐步使用现代科学技术扩大生产力，于是全球经济开始爆炸式增长，这也促进改变了人类的生存方式，人们生活质量得到了大大的提高，但随着进步，能源危机也逐步显现出来。目前，世界各国都要面临的一个矛盾就是经济、科学技术的飞速进步和全球人口的爆炸性增长同地球上越发匮乏的可用资源之间的矛盾。所以，目前全世界科研人员急需有效提高可用有限能源的利用率来缓解这一矛盾。而在现代生产及生活的各个领域里，几乎都能看到电机的影子，所以研究高效，稳定的电机很有必要。
传统的直流电机即有刷直流电机是利用机械式碳刷进行换向的，这就无法避免机械磨损的问题，这一问题直接决定了较低的机电能量转换效率，而且随着电刷磨损的越发严重，也会引发直流电机的工作不可靠和不稳定等问题。电机换向器处也会由于电刷的不停摩擦而产生电火花和很大的噪音。电机内部结构也会因为有机械式碳刷换向部件的存在而使得其十分复杂，同时，其养护难度也随之增大。但随着无刷直流电机的诞生与兴起，传统有刷电机的劣势终于得以解决。同时，为了避免灰尘进入电机内部，提高电机的运行稳定性，所以无刷电机采取的是全封闭式的内部结构；将碳刷换向装置改成电子换向器，这一改进能够使电机转速保持独立，机械换向器不能影响它的运行，使用高速轴承就可让其在高速场合下运行。[1]
从二十世纪五十年代开始，伴随着电机技术的发展壮大，与之相关联的电力电子技术等也不断地向前发展并日渐成熟起来。应用于电机方面的电力电子技术在中央处理与控制的特性上有了很大的提高，伴随而来的是一场关于直流电机控制技术的重要变革，这无疑使电机控制系统迈进了高效智能化的水平。基于此，对于直流电机控制系统特性的研究和应用具有非常大的实际意义。
1.2 国内外研究现状
如今，人们对无刷直流电机的研究主要从 3 个不同方面入手：①研究如何准确实现转子位置检测，在没有位置传感器的电机中；②对控制算法进行优化和创新的探讨；③对转矩脉动控制的研究。目前，在对无刷直流电机的研究中，最为关键问题的是如何准确检测转子的位置。但就目前的电机技术领域而言，无位置传感器的电机的技术发展还不够成熟，其功率需要增大，稳定性和可靠性还需要不断的实验论证。因此，本次系统设计中采用的是技术相对成熟稳定的带有位置传感器的电机。
1.3课题设计要求
内容：以单片机为控制核心，以破壁料理机为负载，设计无刷直流电机控制系统，实现最大电流启动、且电流为正弦波。
主要包括：控制器，驱动电路，显示和键盘设定等功能。在熟悉系统控制原理的基础上，设计系统硬件电路。
要求：
1、熟练使用单片机；
2、设计控制系统的硬件；
3、与软件进行调试；
4、按照毕业设计要求完成英文翻译、撰写毕业论文。
2 无刷直流电机工作原理及其运行特性
我们先从结构、原理以及特征上深入解析为什么无刷直流电机能够逐渐占领主导地位？现在对典型的交流电机和直流电机进行一个比较，如下表所示。
表2.1 无刷、感应以及有刷电机比对表[6]
对比项
无刷电机
交流感应电机
有刷电机
转速/转矩特征
平缓，额定负载下可运行于各种速度
非线性，低转速下转矩也很低
中等平缓，转速较高时，由于电刷摩擦使得有效转矩减小
功率输出效率
高效，散热特征好，需要的空间小
中等效率，需要的空间大
中等/低，电枢热量提升了气隙温度，限制输出功率
调控条件
必须要有专用调控器，可实现转速调节
无专用调控器，转速不可调
无专用调控器，转速不可调
之所以现在无刷型的直流电机被使用的越来越广泛，主要的原因是这种直流电机的结构由于没有碳刷的存在而比较简单，并且这种直流电机本身的性能也很优异，抗干扰能力较强，使用可靠而效率很高等一些相较于别的电机突出的部分。因此，如果我们要推进无刷直流电机的研究和发展就需要先正确认识和剖析无刷直流电机的构造、运行特性。
2.1 无刷直流电机基本结构
无刷直流电机使用的是没有磨损困扰的、转向效率高的、新式的电子换向器，没有采用传统的机械式碳刷，正因为这一优化，让无刷电机不论是在电机组织结构还是运行工作特性等方面都比普通电机优良。对无刷直流电机基本构件来说，最为关键就是电动机、转子位置检测机构和功率器件，无刷直流电机运行基本架构就是由这三大部件组成的，如图2.1 所示。
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