单片机的永磁无刷直流电机控制系统硬件子系统(附件)
本文主要研究和设计了基于单片机的永磁无刷直流电机控制系统，着重进行了其硬件部分的设计。本课题选用了16位、低功耗、高效率的单片机MSP430F149作为电机的控制器。永磁无刷直流电机硬件系统的设计主要分为七大模块，逆变电路、功率驱动电路、电流、转速检测电路、保护电路、键盘电路、显示电路以及串行口通信电路。本论文对以上这七大模块的结构、功能及工作原理以及在无刷电机运行过程中所起到的作用进行了详细的阐述。在硬件系统的每个模块都设计完毕之后，利用MATLAB对系统的逆变电路部分以及调速情况进行了仿真，并对其结果进行了详尽的分析。本课题的设计同软件部分相结合最终实现了电机的正反转控制、调速控制、换相控制。关键词：永磁无刷直流电机、MSP430f149、仿真分析、硬件设计。目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究目的和意义 1
1.2 永磁无刷直流电机电机的发展历史与发展趋势 2
1.3 永磁无刷直流电机的矢量简介 2
1.4 论文主要研究内容和工作安排 3
2 永磁无刷直流电机的结构和工作原理 4
2.1 电机本体结构 4
2.2 永磁无刷直流电动机基本构成 5
2.3 永磁无刷直流电机运行原理 5
2.4永磁无刷直流电机数学模型 6
3 基于单片机的永磁无刷直流电机控制系统硬件系统的设计 9
3.1 永磁无刷直流电机控制系统设计 9
3.2 主电路设计 11
3.2.1逆变电路设计 11
3.2.2功率驱动电路设计 12
3.3信号检测电路设计 13
3.3.1 电流检测电路设计 13
3.3.2 转子位置检测电路设计 14
3.3.3 电机转速检测 15
3.4保护电路设计 16
3.4.1过流保护检测电路设计 16
3.4.2过压保护检测电路设计 17
3.4.3保护信号处理电路 17
3.5串口通信电路设计 18
3.6键盘输入及显示电路设计 19
3.6.1键盘输入电路 20
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
测电路设计 14
3.3.3 电机转速检测 15
3.4保护电路设计 16
3.4.1过流保护检测电路设计 16
3.4.2过压保护检测电路设计 17
3.4.3保护信号处理电路 17
3.5串口通信电路设计 18
3.6键盘输入及显示电路设计 19
3.6.1键盘输入电路 20
3.6.2显示电路 20
4无刷直流电机的MATLAB建模仿真 20
4.1 MATLAB仿真工具的简介 20
4.2 永磁无刷直流电机MATLAB逆变电路仿真 21
4.3 永磁无刷直流电机MATLAB调速仿真 22
结论 24
致 谢 25
参考文献 26
附录 27
1绪论
1.1课题研究目的和意义
电机是大家普遍熟知的电能转换装置，在生活、工作、工业、家电等各个领域都有非常普遍的应用。目前使用较多的直流电机都具有较好的频率特性，而且控制电路非常简单，并且还有非常宽裕的调速范围以及良好的启动性。正是以上这些优点使得无刷电机广泛地应用在各种驱动装置和电机控制系统中。但是随着科技的发展、电力电子技术和永磁材料的不断发展，直流电机的机械换向器换向的缺陷慢慢的显现出来。无刷电机中机械电刷和换向器的强迫性接触造成的电机运行时出现火花、噪声等问题直接导致了无刷电机的调速精度和精准性。这些缺点使得目前常用的直流电机无法满足目前各领域的技术需求，因此市场急需性能更加优良的电机被发掘。
永磁无刷直流电机(Permanent Magnet Brushless DC Motor, PMBLDCM)正是在这种强大的需求下、强大的现代科技发展的推动下的产物，是一种功能特性更为优良的电动机。它的发展与永磁材料、电子技术和子元件的发展更是密切相关。它的出现标志着无刷直流电机（Brushless DC Motor， BLDCM）的诞生。其结构与直流电机只是略有不同，无刷直流电机的转子采用永磁材料制成的永磁体，电枢绕组放在定子上，以性能优越的电子换向代替了传统的直流电机的机械换向，消除了电的滑动接触结构。从而使得无刷直流电机的性能较之前有了空前的提高。无刷直流电机主要有以下优点：低噪声、高效率、大转矩、控制简单、易维护[1]。这些优点弥补了旧式直流电机的不足，满足了市场对直流电机的技术要求。因此无刷直流电机在未来会有更广泛的应用领域。
1.2 永磁无刷直流电机的发展历史与发展趋势
无刷直流电机发展历史悠久，至今已接近一个世纪。无刷直流电机的萌芽时期出现在1934年左右，是历史上出现的第一批无刷直流电机，没有换向器结构，并且利用电子管线路代替了电机的机械滑动接触。但是由于当时的电力电子水平非常低，各项技术发展的并不完善，这一批无刷直流电机并没有得到真正的发展。也没有正式的投入使用。现代无刷直流电机的雏形出现在1955年，当时的无刷直流电机是历史上首次提出采用晶体管换向来代替传统的机械换向器换向[2]。并且电路结构比较完善，由开关电路、信号检测电路、驱动电路和磁极体组成。工作原理与今天的无刷直流电机相似。但是当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电[3],所以这种无刷直流电动机没有启动转矩，因此没有产品化。经历了萌芽时期、雏形期后进入了真正的实用期，1978年，德国科技推出了更为完善的永磁无刷直流电机以及驱动系统，使得无刷直流电机真正的投入到使用中。从此永磁无刷直流电机就进入了飞速发展的时期。在转子材料方面，特性优良的稀土材料已经成为永磁无刷直流电机的采用首选。在功率逆变电路方面，随着电力电子技术以及功率开关管迅速发展，利用全控功率器件例如绝缘栅双极晶体管（IGBT）取代了普通晶闸管系统，充分简化了电路结构，提高了系统的效率和可靠性。原始无刷直流电机普遍存在谐波成分大、功率因数差的缺陷，随着控制技术的发展，电机的相控变流器已由斩波器或者PWM变流器所取代，弥补了原来的缺陷，并且使得电机的调速范围明显增加。在转子位置检测方面，比较流行的方法有反电动势法、电感法、磁链法、续流二极管法。在换向电路控制方面，电机的换向控制器经历了诸多阶段。目前来看以单片机为核心的控制电路成为无刷直流电机电子换向器的发展方向。可以看出一个世纪以来无刷直流电机的研究与发展一直是国内外的研究热点，并且取得了非常大的成果。
永磁无刷直流电机的出现使得家电领域对于电机高要求的机械特性得到了充分的实现，无刷直流电机不仅可以在电机低速运转情况下维持良好的效率，在电机以较高的转速运转的情况下仍可以获得较高的效率，永磁无刷直流电机凭借这一优良鲜明的技术特征得到家电领域的广泛认同，在家电领域得到了非常广泛的领域。无刷直流电机的应用领域也在不断扩大，出产量也连年飙升，到目前每年无刷电机的电机用量数字非常庞大，数以亿台计。随着控制技术以及各领域技术的进步，无刷直流电动机的使用领域会持续拓宽，功率等级也会越来越大。技术发展朝着高性能、高精度、高可靠性、无刷化、永磁化、机电一体化方向发展。
1 绪论 1
1.1 课题研究目的和意义 1
1.2 永磁无刷直流电机电机的发展历史与发展趋势 2
1.3 永磁无刷直流电机的矢量简介 2
1.4 论文主要研究内容和工作安排 3
2 永磁无刷直流电机的结构和工作原理 4
2.1 电机本体结构 4
2.2 永磁无刷直流电动机基本构成 5
2.3 永磁无刷直流电机运行原理 5
2.4永磁无刷直流电机数学模型 6
3 基于单片机的永磁无刷直流电机控制系统硬件系统的设计 9
3.1 永磁无刷直流电机控制系统设计 9
3.2 主电路设计 11
3.2.1逆变电路设计 11
3.2.2功率驱动电路设计 12
3.3信号检测电路设计 13
3.3.1 电流检测电路设计 13
3.3.2 转子位置检测电路设计 14
3.3.3 电机转速检测 15
3.4保护电路设计 16
3.4.1过流保护检测电路设计 16
3.4.2过压保护检测电路设计 17
3.4.3保护信号处理电路 17
3.5串口通信电路设计 18
3.6键盘输入及显示电路设计 19
3.6.1键盘输入电路 20
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
测电路设计 14
3.3.3 电机转速检测 15
3.4保护电路设计 16
3.4.1过流保护检测电路设计 16
3.4.2过压保护检测电路设计 17
3.4.3保护信号处理电路 17
3.5串口通信电路设计 18
3.6键盘输入及显示电路设计 19
3.6.1键盘输入电路 20
3.6.2显示电路 20
4无刷直流电机的MATLAB建模仿真 20
4.1 MATLAB仿真工具的简介 20
4.2 永磁无刷直流电机MATLAB逆变电路仿真 21
4.3 永磁无刷直流电机MATLAB调速仿真 22
结论 24
致 谢 25
参考文献 26
附录 27
1绪论
1.1课题研究目的和意义
电机是大家普遍熟知的电能转换装置，在生活、工作、工业、家电等各个领域都有非常普遍的应用。目前使用较多的直流电机都具有较好的频率特性，而且控制电路非常简单，并且还有非常宽裕的调速范围以及良好的启动性。正是以上这些优点使得无刷电机广泛地应用在各种驱动装置和电机控制系统中。但是随着科技的发展、电力电子技术和永磁材料的不断发展，直流电机的机械换向器换向的缺陷慢慢的显现出来。无刷电机中机械电刷和换向器的强迫性接触造成的电机运行时出现火花、噪声等问题直接导致了无刷电机的调速精度和精准性。这些缺点使得目前常用的直流电机无法满足目前各领域的技术需求，因此市场急需性能更加优良的电机被发掘。
永磁无刷直流电机(Permanent Magnet Brushless DC Motor, PMBLDCM)正是在这种强大的需求下、强大的现代科技发展的推动下的产物，是一种功能特性更为优良的电动机。它的发展与永磁材料、电子技术和子元件的发展更是密切相关。它的出现标志着无刷直流电机（Brushless DC Motor， BLDCM）的诞生。其结构与直流电机只是略有不同，无刷直流电机的转子采用永磁材料制成的永磁体，电枢绕组放在定子上，以性能优越的电子换向代替了传统的直流电机的机械换向，消除了电的滑动接触结构。从而使得无刷直流电机的性能较之前有了空前的提高。无刷直流电机主要有以下优点：低噪声、高效率、大转矩、控制简单、易维护[1]。这些优点弥补了旧式直流电机的不足，满足了市场对直流电机的技术要求。因此无刷直流电机在未来会有更广泛的应用领域。
1.2 永磁无刷直流电机的发展历史与发展趋势
无刷直流电机发展历史悠久，至今已接近一个世纪。无刷直流电机的萌芽时期出现在1934年左右，是历史上出现的第一批无刷直流电机，没有换向器结构，并且利用电子管线路代替了电机的机械滑动接触。但是由于当时的电力电子水平非常低，各项技术发展的并不完善，这一批无刷直流电机并没有得到真正的发展。也没有正式的投入使用。现代无刷直流电机的雏形出现在1955年，当时的无刷直流电机是历史上首次提出采用晶体管换向来代替传统的机械换向器换向[2]。并且电路结构比较完善，由开关电路、信号检测电路、驱动电路和磁极体组成。工作原理与今天的无刷直流电机相似。但是当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电[3],所以这种无刷直流电动机没有启动转矩，因此没有产品化。经历了萌芽时期、雏形期后进入了真正的实用期，1978年，德国科技推出了更为完善的永磁无刷直流电机以及驱动系统，使得无刷直流电机真正的投入到使用中。从此永磁无刷直流电机就进入了飞速发展的时期。在转子材料方面，特性优良的稀土材料已经成为永磁无刷直流电机的采用首选。在功率逆变电路方面，随着电力电子技术以及功率开关管迅速发展，利用全控功率器件例如绝缘栅双极晶体管（IGBT）取代了普通晶闸管系统，充分简化了电路结构，提高了系统的效率和可靠性。原始无刷直流电机普遍存在谐波成分大、功率因数差的缺陷，随着控制技术的发展，电机的相控变流器已由斩波器或者PWM变流器所取代，弥补了原来的缺陷，并且使得电机的调速范围明显增加。在转子位置检测方面，比较流行的方法有反电动势法、电感法、磁链法、续流二极管法。在换向电路控制方面，电机的换向控制器经历了诸多阶段。目前来看以单片机为核心的控制电路成为无刷直流电机电子换向器的发展方向。可以看出一个世纪以来无刷直流电机的研究与发展一直是国内外的研究热点，并且取得了非常大的成果。
永磁无刷直流电机的出现使得家电领域对于电机高要求的机械特性得到了充分的实现，无刷直流电机不仅可以在电机低速运转情况下维持良好的效率，在电机以较高的转速运转的情况下仍可以获得较高的效率，永磁无刷直流电机凭借这一优良鲜明的技术特征得到家电领域的广泛认同，在家电领域得到了非常广泛的领域。无刷直流电机的应用领域也在不断扩大，出产量也连年飙升，到目前每年无刷电机的电机用量数字非常庞大，数以亿台计。随着控制技术以及各领域技术的进步，无刷直流电动机的使用领域会持续拓宽，功率等级也会越来越大。技术发展朝着高性能、高精度、高可靠性、无刷化、永磁化、机电一体化方向发展。
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