直流无刷电动机控制系统设计毕业论文答辩PPT.ppt

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1、直流无刷电动机控制系统设计直流无刷电动机控制系统设计电气优电气优电气优电气优0701:0701:0701:0701:赵剑龙赵剑龙赵剑龙赵剑龙学学学学 号：号：号：号：07140111071401110714011107140111指导教师：曹先庆指导教师：曹先庆指导教师：曹先庆指导教师：曹先庆论文内容论文内容研究背景研究背景论文内容论文内容总结总结123研究背景研究背景 电动机作为机电能量转换装置，其应用范围电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已经遍及国民经济的各个领域，其中直流电动机已经遍及国民经济的各个领域，其中直流电动机具有良好的起动性能和宽广平滑的调速特性，其具有良好的起动性能和宽广

2、平滑的调速特性，其运行效率高，因而被广泛应用于需要经常起动并运行效率高，因而被广泛应用于需要经常起动并调速的场合中调速的场合中。但传统的直流电动机的换向是靠换向器和电但传统的直流电动机的换向是靠换向器和电刷进行换流，在频繁的运转过程中，由于换向器刷进行换流，在频繁的运转过程中，由于换向器和电刷的摩擦，一方面消耗电刷，使我们不得不和电刷的摩擦，一方面消耗电刷，使我们不得不定期检查和更换电刷，耗时耗力，寿命短；另一定期检查和更换电刷，耗时耗力，寿命短；另一方面又产生电火花、电磁干扰，影响附近的电气方面又产生电火花、电磁干扰，影响附近的电气设备设备。因此出现了直流无刷电动机因此出现了直流无刷电动机。

3、返回研究背景研究背景发展状况发展状况1、用整流管代替机械电刷、用整流管代替机械电刷2、用晶体管换向线路代替机械电刷、用晶体管换向线路代替机械电刷 3 3、稀土材料的发展、稀土材料的发展 4 4、电力半导体器件飞速发展，如、电力半导体器件飞速发展，如GTRGTR、GTOGTO、MOSFETMOSFET、IGBTIGBT等等 返回研究背景研究背景u国内外现状国内外现状：国际国际 1、采用智能功率模块作为电机的驱动、采用智能功率模块作为电机的驱动 2、研制更加适合于无刷电动机控制的微、研制更加适合于无刷电动机控制的微处理器，如处理器，如DSP 3、采用现代控制理论和智能控制策略、采用现代控制理论和智

4、能控制策略国内国内 起步晚，主要在科研单位起步晚，主要在科研单位返回论文内容论文内容 本文以直流无刷电动机为控制对象，提出基于本文以直流无刷电动机为控制对象，提出基于PIC16F877A单片机的直流无刷电动机调速系统单片机的直流无刷电动机调速系统的设计方案。的设计方案。本文研究的主要内容是本文研究的主要内容是：1、总结了无刷直流电动机的基本结构和工作原、总结了无刷直流电动机的基本结构和工作原理理 2、设计出直流无刷电动机控制系统的硬件接口设计出直流无刷电动机控制系统的硬件接口电路电路 3 3、设计出控制系统的软件程序设计出控制系统的软件程序 返回论文内容论文内容u一、一、直流无刷电动机直流无刷

5、电动机u二、直流无刷电动机控制策略二、直流无刷电动机控制策略u三、控制系统硬件接口电路设计三、控制系统硬件接口电路设计u四、控制系统软件设计四、控制系统软件设计返回一、直流无刷电动机一、直流无刷电动机u电动机电动机返回一、直流无刷电动机一、直流无刷电动机返回一、直流无刷电动机一、直流无刷电动机u直流无刷电动机基本结构图直流无刷电动机基本结构图 定子：电枢绕组定子：电枢绕组 转子：永磁钢转子：永磁钢返回一、直流无刷电动机一、直流无刷电动机返回直流无刷电动机内部结构图直流无刷电动机内部结构图一、直流无刷电动机一、直流无刷电动机u直流无刷电动机结构直流无刷电动机结构其主要组成部分包括：其主要组成部分

6、包括：电动机本体电动机本体 转子位置传感器转子位置传感器 开关电路开关电路返回 直流无刷电动机原理框图直流无刷电动机原理框图一、直流无刷电动机一、直流无刷电动机u三相星形连接全控桥式电路三相星形连接全控桥式电路返回一、直流无刷电动机一、直流无刷电动机u 在三相无刷直流电动机全控式电路的运在三相无刷直流电动机全控式电路的运行方式中，导通方式有很多种，最常见行方式中，导通方式有很多种，最常见的有两两导通方式和三三导通方式。的有两两导通方式和三三导通方式。u本文采用两两导通方式，其中本文采用两两导通方式，其中VF1、VF2、VF3、VF4、VF5、VF6为六只为六只MOSFET功率管，其绕组的开关作

7、用所功率管，其绕组的开关作用所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔功率管导通，每隔1/6周期（周期（60电角度）电角度）换相一次，每一次换相一个功率管，每换相一次，每一次换相一个功率管，每一个功率管导通一个功率管导通120电角度。电角度。返回一、直流无刷电动机一、直流无刷电动机u定子旋转示意图定子旋转示意图 返回 定子磁场旋转示意图定子磁场旋转示意图一、直流无刷电动机一、直流无刷电动机uY联结绕组两两通电时的合成转矩矢量联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图图 返回一、直流无刷电动机一、直流无刷电动机u全控形输出电压波形全控形输出电压波形返回二、直流

8、无刷电动机控制策略二、直流无刷电动机控制策略u直流无刷电机控制技术的发展直流无刷电机控制技术的发展 1、无位置传感器控制、无位置传感器控制 2、变结构控制、变结构控制 3、模糊控制和、模糊控制和PID相结合的相结合的Fuzzy-PID控制控制 4、神经网络和模糊控制相结合的复合控、神经网络和模糊控制相结合的复合控制制 返回二、直流无刷电动机控制策略二、直流无刷电动机控制策略u直流电动机转速直流电动机转速n的表达式为的表达式为u调速方法调速方法1、调节电枢供电电压、调节电枢供电电压U 2、改变电机的主磁通、改变电机的主磁通 3、改变电枢回路电阻、改变电枢回路电阻R 返回二、直流无刷电动机控制策略

9、二、直流无刷电动机控制策略u 脉宽调制（脉宽调制（PWM）PWM控制技术，它是通过对输出电压或控制技术，它是通过对输出电压或输出电流的一系列脉冲的宽度进行调制，输出电流的一系列脉冲的宽度进行调制，来获得所需电压或电流的大小和形状的来获得所需电压或电流的大小和形状的一项技术。一项技术。对此控制系统而言，脉宽调制是调整脉冲对此控制系统而言，脉宽调制是调整脉冲的宽度而不是频率，是通过改变电机电的宽度而不是频率，是通过改变电机电枢电压接通时间和通电周期的比值（即枢电压接通时间和通电周期的比值（即占空比占空比)来控制电机速度。来控制电机速度。返回二、直流无刷电动机控制策略二、直流无刷电动机控制策略u模拟

10、电路及分离式元件组成的电路模拟电路及分离式元件组成的电路其控制电路复杂，且存在零点漂移现象，其控制电路复杂，且存在零点漂移现象，稳定性不强稳定性不强u数字控制方式数字控制方式 1、单片机、单片机 2、DSP 3、高性能专用集成芯片、高性能专用集成芯片 返回二、直流无刷电动机控制策略二、直流无刷电动机控制策略u直流无刷电动机速控制器系统结构图直流无刷电动机速控制器系统结构图 返回三、控制系统硬件接口电路设计三、控制系统硬件接口电路设计 uPIC16F877A引脚图引脚图返回 PIC16F877A有有33根根I/O引脚，引脚，这33个个I/O引脚均可作引脚均可作为普通普通的的输入入/输出引脚使用，

11、出引脚使用，大部分大部分I/O引脚引脚还有有2个以上的功能。个以上的功能。有有A、B、C、D、E共共5个端口，其中个端口，其中A端端口有口有6个脚，个脚，B、C、D端口各有端口各有8个引脚，个引脚，E端口有端口有3个引脚个引脚 三、控制系统硬件接口电路设计三、控制系统硬件接口电路设计uPIC16F877A芯片介绍芯片介绍3个定时器，个定时器，2个个8位，位，1个个16位位 2个个CCP模块，即捕捉、比较、脉宽调制模块模块，即捕捉、比较、脉宽调制模块 8路路10位位A/D转换器转换器 看门狗电路（看门狗电路（WDT）1个同步串行接口，个同步串行接口，SPI与与I2C2个模拟电压比较器个模拟电压比

12、较器1个参考电压发生器等个参考电压发生器等 返回三、控制系统硬件接口电路设计三、控制系统硬件接口电路设计u控制系统主电路控制系统主电路返回三、控制系统硬件接口电路设计三、控制系统硬件接口电路设计u单片机外围电路单片机外围电路单片机外围电路单片机外围电路返回三、控制系统硬件接口电路设计三、控制系统硬件接口电路设计u指示电路指示电路返回当发生故障当发生故障时，三极管导时，三极管导通，起指示作通，起指示作用的的发光二用的的发光二极管亮极管亮三、控制系统硬件接口电路设计三、控制系统硬件接口电路设计uIR2130简介简介 IR2130是国际整流器公司最新推出的高是国际整流器公司最新推出的高压集成驱动器，

13、具有六路输入信号和六压集成驱动器，具有六路输入信号和六路输出信号，其中六路输出信号中的三路输出信号，其中六路输出信号中的三路具有电平转换功能路具有电平转换功能,因而它既能驱动桥因而它既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件式电路中低压侧的功率器件,又能驱动高又能驱动高压侧的功率元件。该驱动器可工地运行，压侧的功率元件。该驱动器可工地运行，只需一路电源。只需一路电源。返回三、控制系统硬件接口电路设计三、控制系统硬件接口电路设计uIR2130介绍介绍 VCCVCC为输入电源为输入电源HIN1HIN1、HIN2HIN2、HIN3HIN3、LIN1LIN1、LN2LN2、LIN3LIN3为输入端为输入端FA

14、ULT FAULT 为故障输出端为故障输出端ITRIPITRIP为电流比较器输入端为电流比较器输入端CAO CAO 为电流放大器输出端为电流放大器输出端CA-CA-为电流放大器反向输入端为电流放大器反向输入端返回三、控制系统硬件接口电路设计三、控制系统硬件接口电路设计uIR2130简介简介VSSVSS为电源地为电源地VS0VS0为驱动地为驱动地 LO1LO1、LO2LO2、LO3LO3为三路低侧输出为三路低侧输出VB1VB1、VB2VB2、VB3VB3为三路高侧电源为三路高侧电源端端HO1HO1、VS1VS1、HO2HO2、VS2VS2、HO3HO3、VS3VS3为三路高侧输出端为三路高侧输出

15、端 返回三、控制系统硬件接口电路设计三、控制系统硬件接口电路设计uIR2130驱动电路图驱动电路图返回四、控制系统软件设计四、控制系统软件设计u本设计是应用本设计是应用PIC单片机实现的，主要单片机实现的，主要功能是对电动机进行调速、制动及欠电功能是对电动机进行调速、制动及欠电压保护。压保护。u该系统由系统初始化模块、高优先级和该系统由系统初始化模块、高优先级和低优先级中断服务程模块组成。程序初低优先级中断服务程模块组成。程序初始化模块始化模块(包括变量初始化模块、中断初包括变量初始化模块、中断初始化模块、始化模块、PWM初始化模块、初始化模块、A/D初始初始化模块化模块)，A/D采样子程序采

16、样子程序,延时子程序等延时子程序等。返回四、控制系统软件设计四、控制系统软件设计u主程序流程图主程序流程图返回四、控制系统软件设计四、控制系统软件设计u中断服务流程图中断服务流程图返回四、控制系统软件设计四、控制系统软件设计uB口电平变化中断服务程序流程图口电平变化中断服务程序流程图 返回四、控制系统软件设计四、控制系统软件设计返回制制动处理理子子程程序序流流程程图四、控制系统软件设计四、控制系统软件设计欠欠电电压压处处理理子子程程序序返回总结总结u本课题研究的重点是对整个控制系统的本课题研究的重点是对整个控制系统的硬件的设计和软件的编写。硬件的设计和软件的编写。u硬件部分重点在于控制模块的设

17、计，这硬件部分重点在于控制模块的设计，这是整个硬件部分最核心部分。控制模块是整个硬件部分最核心部分。控制模块是基于是基于PIC16F877A单片机，通过高性能单片机，通过高性能六输出六输出MOS栅极驱动器栅极驱动器IR2130而设计的。而设计的。返回总结总结u本文主要做了以下工作本文主要做了以下工作:u1、分析了无刷直流电动机的结构及基本、分析了无刷直流电动机的结构及基本工作原理；工作原理；u2、设计了系统以、设计了系统以PIC16F877A单片机为单片机为核心的硬件电路，并实现了系统的可靠核心的硬件电路，并实现了系统的可靠性保护；性保护；u3、设计以、设计以IR2130为主的驱动电路；为主的驱动电路；u4、完成了基于、完成了基于PIC16F877A的软件设计的软件设计。返回感谢各位老师观看