毕业论文：无刷直流电机控制器的设计 ㊣ 精品文档 值得下载

中，转子磁场的转速与定子电流产生的旋转磁场的转速相等，即保持同步。

无刷电机的频率不是调节的，而是受安装在转子轴上的位置检测器的控制。

随着转子位置的不同，位置检测器产生的信号也不同，这些信号经过处理后用来控制逆变桥的正确换流，从而改变电机定子绕组电流的频率，即控制电机转速。

般所说的有刷直流电动机是指具有换向器和电刷的直流电动机。

在这种电动机中定子侧安装固定主磁极和电刷，转子侧安放电枢绕组和换向器。

直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流与主磁场相互作用产生转矩，带动负载。

然而由于电刷和换向器的存在，结果产生了系列致命的弱点结构复杂，可靠性差，故障多，需要维护，维护又困难，寿命短换向火花形成电磁干扰。

无刷直流电动机就是在保留有刷直流电动机的优良性能的基础上，为去除电刷和换向器而研究开发的。

由于无刷直流电动机没有电刷和换向器，它的绕组里电流的通断是通过电子换向电路及功率放大器实现的。

要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩，就应使电枢电流随磁场位置的变化而变化。

为实现这点，就需要确认磁极与绕组之间的相对位置信息。

般采用位置传感器来完成，由位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去驱动功率器件，控制相应绕组电流的通断。

与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的永久磁钢磁极安放在转子上，而电枢绕组安装在定子上。

位置传感器也有相应的两部分，转动部分和电动机本体中转子同轴连接转动部分通常由电机转子代替，固定部分与定子相连。

如图所示，在电动机装配过程中，首先调整好位置传感器的三个信号元件与电机定子三相绕组之间的相对位置，使得转子磁场转到定子相绕组下时，该相绕组才导通，以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持致。

图无刷直流电动机原理示意图当电动机转子极位于处，则传感器元件感应出信号，使功率晶体管导通，相绕组中便有电流通过，设其方向为流入流出，便产生水平向左的定子磁场，与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩，驱动转子逆时针旋转当极旋转至处，元件输出信号使晶体管导通而其余关断，相绕组通过电流，同样产生逆时针方向的电磁转矩，当磁极旋转至处，其动作过程与前两处相同。

如此反复循环，电动机即可旋转起来。

由于传感器元件安装位置为空间互差电角度，因此三相绕组轮流通电时间也为每相。

因为功率晶体管的导通和截止是通过位置传感器传感信号来控制的，所以传感器的位置和三相绕组位置之间必须有严格的对应，在电机安装时应加以注意。

无刷直流电机的特点与优势无刷直流电动机刚开始商品化时就曾经以没有电刷而特性完全和直流电动机样的佳品电动机而著称。

有刷直流电动机的前提是具有电刷和整流子，无刷直流电动机的最大特点就是没有换向器和电刷组成的机械接触机构。

另外，它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，这样，热阻小，散热容易。

现将有刷直流电动机和无刷直流电动机作比较，具体区别如表所示表有刷直流电机和无刷直流电机的比较有刷直流电动机无刷直流电动机机械结构起磁场作用的磁铁作为定子起磁场作用的磁铁作为转子，与交流同步电动机相似优点反应特性好，控制特性好具有有刷直流电机的各种特性，寿命长，维护简单换流方法电刷和整流子机械接触通过晶体管等电子开关转子位置传感电刷自行渐进进行采用霍尔元件等反转方法利用改变端电压极性方法改变晶体管等电子元件的开关状态无刷直流电动机取消了电刷和换向器之间的滑动接触，因而没有换向火花，没有无线点干扰，寿命长可靠性高噪声低，能用于防爆场所。

它既具有交流电动机的结构简单维护方便等系列优点，又具有直流电动机的调速性能，并兼有起动转矩大加速度快动态制动简单效率高以及无励磁损耗等优点。

此外，它的转速不受机械换向的限制，如采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万的速度中运行。

由于无刷直流电动机具有上述系列的优点，因此，它的用途远比有刷直流电动机广泛，在国民经济各个领域的应用日益普及。

它从最初的宇航军事设施应用领域扩展到工业和民用领域。

目前，小功率无刷直流电动机主要应用于计算机外围设备办公室自动化设备和音响影视设备中。

近年来，无刷直流电动机在汽车电子应用方面开始出现了势头，在家用电器中的空调冰箱的应用中也出现了苗头。

在工业控制领域，如数控机床的进给伺服控制，机器人关节驱动和自动生产线电子产品加工设备上也使用各种中小功率的无刷直流电动机。

控制器的结构总体结构介绍本课题主要是利用专用芯片设计电动车控制器，其总体结构可以分为几个模块，分别是电源模块驱动模块控制模块保护模块等。

整个电路的总体框图如下图所示图系统图驱动电路图中用个驱动两个实现驱动，芯片的脚和分别接到的顶部和底部驱动端，公共端脚接地。

电容实现自举的功能，用来实现同集成电路可同时输出两个驱动逆变桥中高压侧与低压侧的通道信号，的内部为自举操作设计了悬浮电源，悬浮电源保证了直接可用于母线电压为的系统中来驱动功率或，其中上半桥臂功率管驱动利用自举电容电压供电，下半桥臂功率管与芯片共用个电源。

电容起滤波的作用。

管脚和分别加个阻值为欧姆的电阻作为缓冲，起限流的作用用以使内部封装的反并联快速恢复二极管失效，外部再并联个电容，起到抗干扰的作用。

虽然采用上述措施使逆变桥回路中增加了个二极管管压降，但解决了功率工作于高频驱动时出现的空载发热严重工作不稳定等问题。

电源部分将的电压降压成的电压的电路图如所示图电源电路图中将的电压输入芯片，变成的电压输出。

芯片是将高于的电压变成的电压，电容和起滤波的作用，电阻起限流作用。

控制部分整个控制部分工作过程是电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号送入，经芯片内部译码电路结合正反转控制端起停控制端制动控制端电流检测端等控制逻辑信号状态，经过运算后，产生逆变器三相上下桥臂开关器件的路原始控制信号，其中三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。

处理后的三相下桥控制信号及三相上桥控制信号经过驱动电路整形放大后，施加到逆变器的个开关管上，使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。

调速电路电动自行车的行驶速度是由调速手把来控制的，通过旋转电动车的手把来调节开车的速度。

这里的调速手把的控制是接到控制芯片的管脚上，通过调节可变电阻的大小来实现电压的变化，从而达到调节速度的目的。

但是，速度是不可能无限的调大的，比如在上坡的时候是不能完全依赖电动车的，同时必须借助于人自身的力量来增加电动车的动力，以保护电动车，延长寿命。

图调速电路具体调速电路图如图所示图中在的手把中相当于有个可变电阻，当旋转手把时，电阻产生变化，从而电压变化，达到速度调节的目的。

中的脚接到芯片的参考电压上，为电路提供电源脚接地，形成个完整的回路。

脚通过电阻接到误差信号放大器反向输入端，电容是起到抗干扰的作用。

刹车电路刹车控制采用实时响应方式，当系统检测到刹车信号后，立即使输出的信号变为零脉宽，使电子开关断开，电机失电。

同时借助于自行车本身的制动系统，使自行车停止前进。

这时系统应处于等待状态，刹车信号消失后，系统恢复当时所需的脉宽。

但如果刹车信号消失时，车把给定的是最大速度值，则系统应采用软启动方案，以防止自行车急速前冲。

图所示为刹车电路图刹车电路图中为电子刹车，电子刹车是将光耦接到的使能端管脚。

当光耦的左端为高电平时，二极管发光，右端导通，由于下面接地，所以右端显示低电平，低电平无效，电机停转。

如果左端为低电平，则相同的原理，高电平有效，电机正常运转。

中的脚通过个二极管接到的使能端管脚，同样起到刹车的功能，当前者刹车功能失效的情况下，后者可以起到刹车的作用。

保护部分电动自行车运行时常有爬坡顶风刹车后启动等情况，这时电机电流及波动都很大。

大电流对蓄电池电机和控制器均有很大影响。

铅酸蓄电池在剩余电量低于总量时继续使用，会对电池造成不可恢复的伤害。

当电池电量低于总电量的时，以铅酸电池为例，输出电压会降到左右另方面，蓄电池不是理想恒压源，即使电量较多，如果较大电流放电，电压会降到以下。

控制器应该做到既防止大电流造成伤害，又充分发挥电池的能力。

所以保护功能部分主要分为两大块，是欠压保护模块，是过流保护模块。

欠压保护由于电动自行车的蓄电池正常工作电压为，但低于时，必须为蓄电池充电，否则会影响蓄电池寿命，因此利用的欠压保护功能实现电池的欠压保护。

欠压保护电路图如图所示图欠压保护电路上图比较器选用的型号是，比较器负端由参考电压提供比较电压的门槛值，经过计算可以得到比较器负端管脚处的电压，比较器的正端由蓄电池提供电压，通过电阻进行分压，蓄电池的欠压保护门槛值为。

当正端管脚处的电压高于负端管脚处的电压时，管脚输出为高电平，电机正常运行当管脚正端处的电压低于管脚负端处的电压时，说明蓄电池电压低于时，蓄电池处于欠压状态，管脚输出为低电平，的使能端管脚失效，电机停转，这时实现了欠压保护。

过流保护由于直接驱动的轮式电机经常处于起动或低速状态下运行，尤其是起动时电机绕组反电势几乎为零，而绕组电阻又很小，所以起动时电流相当大，这对电机危害极大，所以在满足转矩要求的前提下对电机电流进行限制是必要的。

过流保护电路图如图所示图过流保护电路图中选择的比较器的类型的，比较器负端管脚的电压来自于电流采样电阻上的电压，采样电阻选择欧姆，不致引起电机损坏的极限电流为，，此电压值应是比较器翻转的门槛值。

所以管脚负端的电压是。

设计中由参考电压提供电压给比较器的正端，经过三个电阻的分压，得到比较器正端管脚处的电压。

当正端管脚处的电压高于负端管脚处电压时，则输出为高电平，电机正常工作。

如果正端管脚处的电压低于负端管脚电压时，那么说明电机处于过流状态，左端管脚输出为低电平，芯片的使能端管脚无效，电机停转，起到了过流保护的作用。

电容是起到抗干扰滤波的作用。

谢辞三年的大学生活就要结束，这段学习生活是我人生非常重要的阶段，使我不但在新的知识方面得到了新的补充，更重要的是我在这三年中自己的思维方式和处理问题的能力等方面都得到了锻炼和提高。

这三年的学习生涯是我今后学习和生活的新起点，在我生活中将占有重要的页。

在本文即将收稿之际，首先要真诚的感谢我的指导老师刘奎武老师，是在他的悉心指导和亲切关怀下