无刷直流电机控制系统的设计(附件)【字数：10840】
2018年 1 月 5 日 摘 要无刷直流电机，即BLDCM。其在现实生活中具有十分广泛的应用。我们最熟悉的就是在四轴飞行器中的应用，其中的电机基本都是无刷直流电机。除此之外，BLDCM还有很多重要应用，在制造业中有举足轻重的地位。本论文对直流无刷电机的调速控制，采用美国ATMEL公司的AT89S51作为最小系统，就基于PID算法设计了电机的控制系统。首先给出直流无刷电机的控制模型，然后介绍了其控制理论和方程。其次利用了MATLAB这个数据仿真工具中的SIMULINK模块，基于之前设计的电机等的控制模型。最后，使用Proteus仿真软件进行仿真。利用霍尔元器件对速度、电压反馈后调整数值的仿真，然后将其应用于基于AT89S51系列的软硬件设计，设计了驱动器IR2101的外围电路。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 研究工作的背景与意义 1
1.2国内外研究历史与现状 1
1.3 课题的研究内容 2
1.4 论文结构的安排 3
第二章 建模及仿真 4
2.1 直流无刷电机数学模型 4
2.2 直流无刷电机空间状态模型 6
2.3 直流无刷电机传递函数 6
2.4 电机控制的方式 7
2.5 仿真简介 8
2.6 控制算法仿真 12
2.7 整体仿真方案 12
第三章 PID控制器设计 16
第四章 软硬件设计 18
4.1控制系统硬件设计 18
4.1.1 单片机AT89S51 18
4.1.2 控制芯片MC33035 19
4.1.3 控制电动机的模块 19
4.1.4 直流无刷电机模块 20
4.1.5 驱动器IR2101 21
4.1.6 整体仿真 21
4.2 算法的流程 22
4.3软件设计 23
4.3.1 初始化 23
4.3.2 转子位置检测 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3
4.3.3 PWM脉宽调制 24
4.3.4 开闭环控制设计 25
第五章 总结 28
致 谢 29
参考文献 31
第一章 绪 论
1.1 研究工作的背景与意义
如今，电能是现在社会最重要的能源之一，可以说一切都离不开电能。而电机就是一种能把电能转换为其他能量的装置。经过了一个多世纪的发展，电机已经遍及到了各种工厂，就连我们生活中也随时随地能见电机。但是人们对电机的要求也日益提高，因此，为了满足各种需求，各类电动机也先后被得到研究和发现，其中就包括同步电动机、异步电动机、直流电动机等各类电动机。这些电动机中有些只有小到几毫瓦的容量，有些却拥有大到百万千瓦的容量。小容量的直流电机能被较好的控制，能被广泛的应用于自动控制系统中。然而，采用电刷的电动机基本都是传统的直流电动机，这些直流电动机的换向依靠的都是机械方式，以机械方式完成换向有许多弊端，其中最大的弊端就是机械摩擦，而且机械摩擦是不能避免的，因此电动机的使用寿命必将大大降低，随之而来的还有电机运行时的噪音、电火花等等。与此同时，无线电信号也更加容易被其干扰。除此之外这种电动机的制造成本也比较高，后期维修难度也十分大，这使得这类电动机的使用范围受到了限制，只有在一些十分特殊的环境中，这些电机才能被正常使用。因此，我们继续急需一种新的高性能电动机，这些电动机可以适应之前所说的特殊场合，能够应用于对性能追求比较高小型应用中。因此，基于有刷直流电机的的无刷直流电动机被研发出来了。就是因为有了他们在现实中的应用，才有他们如此快速的发展。
1.2国内外研究历史与现状
从名字就不难看出，直流无刷电动机的原型就是基于直流有刷电动研发出来的。自从1840年以来，因为无刷直流电动机能很好的控制转矩，所以它在工业生产及日常生活中起着非常重要的作用，并且在运动控制领域中也有举足轻重的地位。但是，如此重要的直流电机有着一个很大的缺陷——机械接触电刷换向器，使用这个机械结构的电动机的可靠性和稳定性都比较低，所以想要使用着些电动机也受到了很多条件的制约。人们进行了长期的探索，最终依靠机械的换向方式终于被其他的换向方式所取代。无刷直流电动机的设想是由Bolgior于1917年提出的，在他的设想中，有刷电机的电刷被晶体管代替，无刷电机的雏形就出现了。?D.Harrison等人在1955年第一次提交了用晶体管换相代替机械电刷的专利申请。无刷直流电动机就此进入了世人的眼中。?
随着科学技术的发展，电力电子技术水平日益提高，无刷直流电机也得到了很大的发展。但是，初期的无刷直流电机发展却是困难重重。在当时，人们还没有制作大功率开关仪器的能力，制造的开关仪器的价格虽然很高，但是效果却很差，可靠性非常低，再加上当时永磁材料限制和控制技术水平不足，虽然直流无刷电机发明已经有了相当长的时间，但是他的性能却远远达不到人们想要的水平，在很长一段时间内都滞留在实验研究和测试中，根本不能实装到生活生产之中。但是，20世纪70年代之后，无刷直流电机就进入了飞速发展的阶段。得益于高速发展的电力电子技术和电力半导体工业，人们能够生产和制造这种新型的元器件，同时各种高性能的永磁材料也逐一被研究出来，这些有利因素直接推动了直流无刷电机技术的突飞猛进，这为日后无刷直流电动机的大范围的应用提供了非常有利的条件。
前联邦德国的著名公司——MANNESMANN于1978年在汉诺威贸易召开的博览会上，向全世界推出了它的无刷直流电动机和该电机的的驱动系统。这次推出的电机可以说是轰动了整个电机界，随后各国都开始着手研究和制造直流无刷电机系统。就此无刷直流电机就正式开始被使用。无刷直流电机发展至今也有了较长的时间，他的性能特点越来越被人所了解，关于无刷直流电机的各种理论研究也在世界范围内展开。后来，H.R.Bolton更进一步地对无刷直流电动机和他的研究领域做出了总结报告。这次总结对后人有着很大启示，后人把他的总结编纂成书，正因如此，有关无刷电机的理论也开始逐步成熟。1990年之后，计算机技术和自动控制的理论发展突飞猛进，微处理器也有了极大程度的发展，单片机、数字信号处理器的性能都比之前有了非常大的提高，无刷直流电动机因此发展的更加顺利了。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 研究工作的背景与意义 1
1.2国内外研究历史与现状 1
1.3 课题的研究内容 2
1.4 论文结构的安排 3
第二章 建模及仿真 4
2.1 直流无刷电机数学模型 4
2.2 直流无刷电机空间状态模型 6
2.3 直流无刷电机传递函数 6
2.4 电机控制的方式 7
2.5 仿真简介 8
2.6 控制算法仿真 12
2.7 整体仿真方案 12
第三章 PID控制器设计 16
第四章 软硬件设计 18
4.1控制系统硬件设计 18
4.1.1 单片机AT89S51 18
4.1.2 控制芯片MC33035 19
4.1.3 控制电动机的模块 19
4.1.4 直流无刷电机模块 20
4.1.5 驱动器IR2101 21
4.1.6 整体仿真 21
4.2 算法的流程 22
4.3软件设计 23
4.3.1 初始化 23
4.3.2 转子位置检测 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3
4.3.3 PWM脉宽调制 24
4.3.4 开闭环控制设计 25
第五章 总结 28
致 谢 29
参考文献 31
第一章 绪 论
1.1 研究工作的背景与意义
如今，电能是现在社会最重要的能源之一，可以说一切都离不开电能。而电机就是一种能把电能转换为其他能量的装置。经过了一个多世纪的发展，电机已经遍及到了各种工厂，就连我们生活中也随时随地能见电机。但是人们对电机的要求也日益提高，因此，为了满足各种需求，各类电动机也先后被得到研究和发现，其中就包括同步电动机、异步电动机、直流电动机等各类电动机。这些电动机中有些只有小到几毫瓦的容量，有些却拥有大到百万千瓦的容量。小容量的直流电机能被较好的控制，能被广泛的应用于自动控制系统中。然而，采用电刷的电动机基本都是传统的直流电动机，这些直流电动机的换向依靠的都是机械方式，以机械方式完成换向有许多弊端，其中最大的弊端就是机械摩擦，而且机械摩擦是不能避免的，因此电动机的使用寿命必将大大降低，随之而来的还有电机运行时的噪音、电火花等等。与此同时，无线电信号也更加容易被其干扰。除此之外这种电动机的制造成本也比较高，后期维修难度也十分大，这使得这类电动机的使用范围受到了限制，只有在一些十分特殊的环境中，这些电机才能被正常使用。因此，我们继续急需一种新的高性能电动机，这些电动机可以适应之前所说的特殊场合，能够应用于对性能追求比较高小型应用中。因此，基于有刷直流电机的的无刷直流电动机被研发出来了。就是因为有了他们在现实中的应用，才有他们如此快速的发展。
1.2国内外研究历史与现状
从名字就不难看出，直流无刷电动机的原型就是基于直流有刷电动研发出来的。自从1840年以来，因为无刷直流电动机能很好的控制转矩，所以它在工业生产及日常生活中起着非常重要的作用，并且在运动控制领域中也有举足轻重的地位。但是，如此重要的直流电机有着一个很大的缺陷——机械接触电刷换向器，使用这个机械结构的电动机的可靠性和稳定性都比较低，所以想要使用着些电动机也受到了很多条件的制约。人们进行了长期的探索，最终依靠机械的换向方式终于被其他的换向方式所取代。无刷直流电动机的设想是由Bolgior于1917年提出的，在他的设想中，有刷电机的电刷被晶体管代替，无刷电机的雏形就出现了。?D.Harrison等人在1955年第一次提交了用晶体管换相代替机械电刷的专利申请。无刷直流电动机就此进入了世人的眼中。?
随着科学技术的发展，电力电子技术水平日益提高，无刷直流电机也得到了很大的发展。但是，初期的无刷直流电机发展却是困难重重。在当时，人们还没有制作大功率开关仪器的能力，制造的开关仪器的价格虽然很高，但是效果却很差，可靠性非常低，再加上当时永磁材料限制和控制技术水平不足，虽然直流无刷电机发明已经有了相当长的时间，但是他的性能却远远达不到人们想要的水平，在很长一段时间内都滞留在实验研究和测试中，根本不能实装到生活生产之中。但是，20世纪70年代之后，无刷直流电机就进入了飞速发展的阶段。得益于高速发展的电力电子技术和电力半导体工业，人们能够生产和制造这种新型的元器件，同时各种高性能的永磁材料也逐一被研究出来，这些有利因素直接推动了直流无刷电机技术的突飞猛进，这为日后无刷直流电动机的大范围的应用提供了非常有利的条件。
前联邦德国的著名公司——MANNESMANN于1978年在汉诺威贸易召开的博览会上，向全世界推出了它的无刷直流电动机和该电机的的驱动系统。这次推出的电机可以说是轰动了整个电机界，随后各国都开始着手研究和制造直流无刷电机系统。就此无刷直流电机就正式开始被使用。无刷直流电机发展至今也有了较长的时间，他的性能特点越来越被人所了解，关于无刷直流电机的各种理论研究也在世界范围内展开。后来，H.R.Bolton更进一步地对无刷直流电动机和他的研究领域做出了总结报告。这次总结对后人有着很大启示，后人把他的总结编纂成书，正因如此，有关无刷电机的理论也开始逐步成熟。1990年之后，计算机技术和自动控制的理论发展突飞猛进，微处理器也有了极大程度的发展，单片机、数字信号处理器的性能都比之前有了非常大的提高，无刷直流电动机因此发展的更加顺利了。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/306.html
