基于无刷直流电机的PWM调速系统研究

论文無憂

内容摘要
伴随着半导体工业的发展，使用电子换向的直流无刷电机应运而生。随着微处理机速度亦越来越快，人们可以将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。该文介绍直流无刷电机的结构及控制原理,并以C8051F020为例介绍了C8051F单片机在无刷直流电机转速控制中的应用、实现方法、硬件结构及软件结构等。

关键词：电机；单片机；双闭环；控制系统
目     录
内容摘要…………………………………………………………………………… I
1  引言………………………………………………………………………………1
1.1  无刷电机的发展现状………………………………………………………1
1.2  无刷电机的应用领域………………………………………………………1
2  无刷直流电机的结构………………………………………………………  2
2.1  无刷直流电动机的发展过程………………………………………………2
2.2  无刷直流电动机结构………………………………………………………3
3  无刷直流电机的运行原理和PWM调速系统控制特性………………… 5
3.1  无刷直流电动机的运行原理………………………………………………5
3.2  PWM调速系统控制原理及特性…………………………………………… 6
3.3  PWM调速系统的分类及优点……………………………………………… 9
3.4  电机转速的数字PID算法思想…………………………………………… 10
4  系统硬件设计………………………………………………………………… 12
4.1  80C51单片机硬件结构…………………………………………………… 12
4.2  PWM 信号发生电路……………………………………………………… 13
4.3  单片微机闭环速度控制电路…………………………………………… 14
4.4  直流电机驱动系统电路………………………………………………… 15
5  结 论……………………………………………………………………………16
参考文献……………………………………………………………………………17
附  录……………………………………………………………………………… 18
附录A  C8051F020引脚功能图…………………………………………………… 18
附录B C8051F020的内部结构………………………………………………………18

参考文献
[1] 王秋秩著.微特电机应用技术手册. 上海科学技术出版社. 2003
[2] 孙建忠/白凤仙.《特种电机及其控制》中国水利水电出版社. 2005
[3] 邵贝贝等．Motorola DSP型16位单片机原理与实践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003
[4] 王爽，李铁才，王治国．无刷直流电机换相力矩波动抑制[J]．电机与控制学报，2008，5（3）：288-293．

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1  引    言
1.1  无刷电机的发展现状
    直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。
1.2  无刷电机的应用领域
无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。

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2  无刷直流电机结构
提到直流无刷电机，那么就不得不提直流有刷电机。这里的“刷”实际上就是指“碳刷”，最早的直流电机都是带有“碳刷”的。碳刷是直流有刷电机中的关键性部件，主要起到电流的换向作用。然而其缺点也是较为突出：碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。而且碳刷存在磨耗问题，需要定期的更新碳刷，维护不方便。
2.1 无刷直流电动机的发展过程
无刷直流电动 是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体，位置检测器，逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机。
在国外，电机大致沿着 AC交流异步电机—→直流无刷电机—→步进电机—→伺服电机 这样的演变流程在发展。因此对于各种电机的特性，国外的工程师往往比较了解，电机的采用主要根据最适合现场的标准来选择。我国的工业自动化，在改革开放后飞速发展起来。在90年代，伺服电机就已经被引入国内，广大的工控人士得以直接接触到了电机的最高端类型伺服电机。而在改革开发之前，我国工控业界马达使用类型较为单一，绝大部分的工程师都只知道和使用AC交流异步电机。中间类型的步进电机和直流无刷电机还没有来得及接触就应用到了伺服电机，马达的中间类型存在着一定的真空段，我们称这种现象叫做跳级。而实际应用中，很多场合使用直流无刷电机不仅成本下降较多，而且效果还不错，控制也相对伺服电机简单。
伴随着半导体工业的发展，使用电子换向的直流无刷电机应运而生。随着微处理机速度亦越来越快，人们可以将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小。像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，PWM)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。从目前直流电机的发展趋势来看，直流有刷电机逐步被淘汰，直流无刷电机成为直流电机的主流。
无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。
在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波直流电动机（BLDCM）和正弦波直流电动机（PMSM），BLDCM用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷；而PMSM则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因而BLDCM的应用较PMSM要广泛的多。
    直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。

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未完待续。。。。