发布时间 : 星期六 文章基于单片机无刷直流电机控制系统的设计毕业设计论文更新完毕开始阅读
当定子绕组通电时，电流就会流经绕组，周围就会产生磁场。这个磁场会和转子永磁体产生的磁场形成一定的角度，就会产生相应的力矩。由位置传感器感受转子位置转换的电信号控制功率开关相应的流通，就会是绕组变换导通相，形成变化的磁场。这样就和转子永磁体产生的磁场始终形成一定的角度，产生连续的转矩，这样就是实现了定子电流随转子位置变化而做相应的变化。实现了电子换向线路代替机械换向。
2.3 工作原理
图2-5 无刷直流电机运行原理图
直流电机由定子产生固定的磁场，当转子线圈上通有电流后通电导体会因为磁场的原因产生力矩，此力矩就会使线圈转动，当线圈转过180°由于有换向器的存在通过线圈的电流始终不会改变方向，这样在线圈上就会有连续的力矩，这样就是转子线圈连续的运转起来了。而无刷直流电机没有换向器，并且绕组是在定子上，转子上镶有永磁刚。当定子上的线圈通有直流电后会产生不变的磁场，这个磁场不能与转子产生的磁场始终形成一个电角度来产生力矩推动转子运动，这就要求定子上通电后要产生变化的磁场，可以和转子永磁体产生的磁场在360°始终形成一个固定的电角度产生连续的转矩让转子转动。通过位置传感器感受转子位置产生不同的逻辑信号，改变逻辑开关组成的电路中功率管的导通以此改变定子绕组通电相来实现磁场的变化，致使转子永磁体产生的磁场和绕组换相导通的磁场始终保持一个90°电角度，这样电机就连续不断的运转起来了。
2.4 三相无刷直流电机逆变电路及其工作方式
基于以上阐述的原理，接下来我们就来讨论功率管的导通所带来的绕组换向
问题及由功率管所构成的逆变电路。怎么样才能使转子永磁体产生的磁场与绕
组产生的磁场在360度电角度内始终形成固定的90度的电角度，通过电路的一系列工作方式来说明这些问题。
图2-6 无刷直流电机逆变电路
如图2-6所示，图为现代无刷直流电机最常用的三相全桥逆变电路。采用6个MOSFET功率管和6个续流二极管组成。电机采用三相Y型连接方式。三相绕组导通方式通常有120°导通方式和180°导通方式。下面就两种主要导通方式进行论述和分析。 1. 120°导通方式
所谓120°导通方式就是说电机内部绕组为A、B、C三相，两相绕组导通时其中每一项导通电角度是120°，而且正相导通的一相与反相导通的一相其相间相位差也是120°。按图3所示逆变电路为例，当在其两端加一直流电源时，功率管按顺序导通。首先以A相为基准，AB两相导通时，电流从T1管流过经A相B相绕组再从T6管流回，电流从A相正向流过从B相反向流过。从AB相换到AC相，电流从T1管流经A相C相再从T2管流回，电流还是从A相正向流过从C相反向流过。接下来以B相为基准，电流从T3管流过经B相C相绕组再从T2管流回，电流从B相正向流过从C相反向流回，从BC相换到BA相，电流还是从T3管流过经B相A相再从T4管流回，电流从B相正向流过从A反向流回。最后以C相位基准，电流从T5管流过经C相A相再从T4管流回，电流从C相正向流过从A相反向向流回。从CA相换到CB相，电流从T5管经C相B相再从T6管流回，电流从C相正向流过从B相反向流过。绕组电流换向依次流过，就会在定子绕组中产生变化的磁场。三相绕组的变换顺序不会改变
从AB-AC-BC-BA-CA-CB。MOSFET管的标号可以改变，按照上图的标示功率管的导通顺序应该依次是T1T6-T1T2-T3T4-T3T2-T5T4-T5T6。三相全桥逆变电路有6个状态，6个状态角，每个状态角都是60°。 2. 180°导通方式
180°导通方式就是ABC三相全部处于导通状态。电流正向流过A相，首先电流从CA两相正向流过，最后反向流过B相。接下来电流先从A相正向流过再从BC两相反向流过。然后电流从AB两相正向流过，最后反向流过C相。电流反向流过A相，电流从B相正向流过，从AC两相反向流过。电流从BC两相正向流过，最后从A相反向流过。电流从C相正向流过，从AB两相反向流过。其状态表示为CAB-ABC-ABC-BCA-BCA-CAB。根据状态表示依次使相对应的功率管导通。
此外，根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们各有特点，本系统使用电压型逆变电路，它有以下特点：
(1)直流侧为电压源，或接有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
(2)由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角而异。
(3)当交流侧为阻感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥给臂都并联反馈二极管。
2.5 脉宽调制（PWM）技术
脉宽调制（PWM）是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。成本较低，对于模拟电路产生的热损耗以及对降低其产生的噪音都有良好的抑制作用，是用数字方式来控制模拟信号的典型例子。
PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图2-7所示。
图2-7 PWM占空比原理图
占空比是指，信号在一个周期内持续的高电平时间占整个周期的时间比。设电机始终接通电源时，设方波一个周期的时间为T，电机最大转速为Vmax，图2-4中占空比为t1T,那么电机平均速度Va=Vmax (t1D),为了得到不同的电机转速，我们可以改变占空比，也就是所谓的高电平持续的时间。严格意义上说来，电机平均转速Va与占空比并不成线性关系，但是这里我们可以将它们近似的看成线性关系。
第3章 无刷直流电机控制系统总体设计
3.1 整体运行思路
本系统采用AT89C51为核心控制芯片，三相交流电源经过晶闸管全桥整流电路为逆变桥提供稳定的整流直流电，加载到逆变桥两端。由控制芯片提供六路PWM波，通过位置传感器感受转子的位置变化并将其转化后的电信号反馈到控制芯片中，控制芯片对此作出判断，通过电机驱动芯片IR2110以此控制相对应的功率管按照既定的方式导通，使得定子绕组产生变化的磁场，产生推动转子连续转动的转矩。
3.2 系统总体框图 系统总体框图如图3-1：
图3-1 整体框图
3.3基于Matlab的控制系统