可调速无刷直流电机控制系统设计开题报告

背景

从1831年法拉第发现电磁感应现象到第一台直流电动机被成功研制，这以后电机就开始逐渐被应用于各个领域，但随着人们对物质生活的需求越来越高及科学技术上的突破，直流电机虽然具有调速范文广、启动转矩大、运行平稳效率高等诸多优点，但是由于传统的直流电机都采用的是电刷机械换向装置，就产生了不可避免的机械摩擦、使用寿命缩短等一系列问题。这就使得它在一些高温高压要求比较严格的情况下不能使用。因此科学家们就开始寻找一些以替换电刷机械换向的装置，这样就避免了上述问题。

科学技术的进步，带来了科技领域内一系列科技成果，电力电子技术领域中功率半导体和开关型晶体管都得到了大力的发展，为无刷直流电机的应运而生创造了有力的条件并在日后得到大力推广奠定了良好的基础。1955年，美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷机械结构接触的构想，这就是无刷直流电机的雏形。它由信号检测、晶体开关和功率放大电路等几部分构成。它的运行原理是，当转子旋转时，信号绕组内就会感应出周期性的信号电动势，信号电动势就会使相应的晶体管依次导通来完成换向。但是它的缺点也很明显，转子不转时，信号绕组内就不会有周期性的感应电动势，这样的话晶体管就无法导通，换向也就不能完成。由于这种电动机存在着没有启动转矩并且由于感应电动势信号前沿抖动较大致使晶体管工作在高功耗下等一系列的缺点，因此后续做了诸多改进。采用离心装置的换向器或是将辅助磁钢安放在定子上，虽然都可以保证电机可靠的启动，但是相伴而来的任然是比较大的负面问题，加装离心装置换向器致使电机结构上变得复杂，这就会使日后的维修维护工作难以进行，拆装上的难题和机械结构上的设计都会无形中增加高昂的成本。而定子辅助磁钢的运用需要附加脉冲，这就在电机启动时增加了负担。同时操作上也变得麻烦。鉴于此，其后人们又做了无数次的实验验证，最终终于找到了利用位置传感器和电子换向线路来代替机械结构电刷的电子换向线路。从而找到了一条发展新型直流电机的路线。传感器的出现为无刷直流电机快速研制成功与投入应用更是起到了关键性的作用，接近开关式位置传感器、

电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继出现，然后又相继研制成功了磁电耦合式和光电式位置传感器。半导体技术的快速发展，使人们对于1879年美国人霍尔发现的霍尔效应产生兴趣，经过多年的不懈努力与研制，终于在1962年成功试制了借助于霍尔元件（霍尔效应转子位置传感器）来完成换向的无刷直流电机。在20世纪70年代初期，又成功试制了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。1978年，联邦德国Mannesmann公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出MAC无刷直流电机及其驱动系统，这标志着无刷直流电机真正进入实用阶段。

意义

无刷直流电机是将控制芯片、检测元件、换向机构、软硬件相结合的一种新型机电产品，综合了许多现代科技的最新成果，是现代机电一体化的最新洗好的诠释，它不仅仅继承了现有交流电机和直流电机的优点，而且自身还有独特的特点。沿袭了直流电机调速性能好、机械特性呈线性、运行效率高等一系列优点，并且突出的优点就是没有励磁损耗。用位置传感器代替机械换向装置的好处很突出，没有了机械换向装置产生的机械摩擦以及摩擦产生的火花，就大大减少了投入维护运行用的费用，而且从可靠安全的角度上考虑，无刷直流电机可以用在高温高压等环境比较恶劣或者是要求比较严格的场合，这些都是以往应用的电机所不具备的。这就为人类的工作提供了更加良好的工作环境，从环保的角度上考虑也是很好的。虽然由于驱动电路与换向电路在成本上有一定的增加，但是相信这些随着科学技术的进步与发展都会得到克服，这就又为无刷直流电机的推广应用增加了一定的筹码，因此在未来，相信很长一段时间里，无刷直流电机会越来越多的应用在民用领域中，渐渐地将会取代现有的直流电机。早在1964年，无刷直流电机就被美国国家航天局（NASA）使用，用于卫星姿态控制、太阳电池板的跟踪控制、卫星上泵的驱动等。

以永磁材料的研究与发展从某种程度上来说对无刷直流电机的发展起着至关重要的作用。过去的路镍钴永磁材料已逐渐被铁氧体、稀土永磁材料所替代。20世纪80年代告辞能级的铷铁硼永磁材料的出现与发展更是极大程度的推动了永磁电机的发展。随着电力半导体器件的更新与换代，从小功率晶体管，到大功率晶体管（GTR）、金属氧化物半导体场效应管（MOSEFT）、绝缘栅双极性晶体管（IGBT）等新型开关器件的发展使得无刷直流电机的驱动电路更加简单。微电子技术更是将无刷直流电机的专用控制集成电路与电子电路更好的结合起来。

由上面的分析可以看出，随着时代的进步与科学的发展无刷直流电机在今后的社会发展中必定会逐渐成为主流，纵使它的出厂成本依然昂贵，但是随着永磁材料与电力电子微电子技术的稳定发展，相信成本问题终将不会限制它的成长。因此，对它的研究在现如今以致在今后未来的很长一段时间里都会具有很深远的意义。

研究内容

1.绪论

无刷直流电机的背景、目的以及意义。

2.无刷直流电机的原理

无刷直流电机的构成原理、工作原理和控制原理。

3.无刷直流电机控制器设计

无刷直流电机控制器设计方案，控制器的基本原理，脉宽调制技术（PMW）。

4.硬件电路

单片机与键盘接口设计，单片机与显示数码管接口的设计，逆变器与驱动电路接口设计，限流保护电路设计。

5.软件设计

控制器软件设计总述，程序流程图。

系统方案

系统的组成：MCS-51，4位数码管，LM621芯片，矩阵键盘和无刷直流电机。

各部的作用：选择MCS-51作为核心控制器，数码管用来显示速度的大小和转子旋转的方向，LM621用来换相，输入部分选择了2*3矩阵键盘。本设计使用PMW技术来进行调速，用来控制电机的启动，停止以及速度大小的调整。

1.微控制器

将电机的旋转方向的要求，以及从转子位置的霍尔传感器传出的三个输出信号，处理成所需的驱动电平，然后用于驱动六个功率开关器件。通过AT89C51内部的时钟以及电机发出的制动信号、电信号和模拟信号，经过AD处理产生脉宽调制信号。

2.功率驱动单元

采用以MOSFET功率管构成的全桥逆变电路作为功率驱动单元。

3.位置传感器

用霍尔元件作为位置传感器，它可以反馈转子在各个时刻的信息。

4.周边辅助、保护电路

主要有电流采样电路、电压比较电路、过电流保护电路、调速信号和制动信号等输入电路。

预期目标

设计一套基于单片机的直流电机控制系统，在系统中，我们将以MCU为母体，应用于单向直流无刷电机(BLDC)控制，提供三种输入型态控制转速， 使用MCU直接PWM输出驱动马达运转。采用单片机作为中央处理器，通过键盘发直流电机的正转、反转、加速、减速等命令，由专用驱动芯片实施对电机的控制，同时LCD液晶屏显示电机转速等相关信息。