(论文 页数:47 字数:20041 带程序)摘要:永磁无刷直流电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，故在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。本文着重研究了稀土永磁(REPM)无刷直流电动机(BLDCM)的高性能控制技术。
在全面分析了稀土永磁无刷直流电动机的结构特点、工作原理、运行方式以及外部特性的基础上，在小范围转速连续调节下的闭环稳速控制技术进行了详细理论研究，提出了利用转子位置传感器信号间接测量电机转速进行电机转速闭环稳速控制的策略。然后介绍了本文的研究重点，即对无刷直流电动机控制器的硬件电路和软件程序问题进行了重点工程设计。采用了高性能的ADuC812单片机作为微处理器，用模拟控制技术对电机进行调速和转速闭环控制，使电机在一定范围内能够进行精确调速和速度稳定控制。通过优化设计、软硬件结合，实现了控制器小型化，提高了控制器可靠性，减小了体积与重量。
本设计有着较好的控制性能在许多领域有着良好的应用基础。采用了一种基于霍尔元件六个离散位置反馈信号的PWM控制方法，并对它的原理及应用方法作了详细的介绍。给出了方案的原理框图以及电路设计框图。



关键词: 稀土永磁,无刷直流电动机,单片机,闭环控制,PWM



ABSTRACT
The Permanent Magnet Brushless DC Motor( PM-BLDCM) has many advantages by its characteristics such as fast response, easiness to control, reliability, smaller volume, lighter weight, energy saving, high efficiency, high adaptability in rough environment and low cost etc. Because of all above these merits, it has been used more and more in lots of field including the medical machine, instruments and meters, chemical industry, spinning industry and home electrical machines. High quality control of rare earth permanent magnet brushless DC motor is researched in this paper.
Depend on the comprehensive analysis and study of the structure, principle, and exterior characteristic of the motor, Point to the control technique of close-loop speed stabilization at a limited adjustment speed range，we bring out the close-loop speed control method that using the rotor position sensor indirectly measure the speed of the motor. Then the control strategy is introduced at the aspect of control theory. At the same time, we mainly design the hardware and the software of the system. The high quality singlechip of ADuC812 is used as the main microprocessor of the control system. Using analog method achieved the speed adjustment and the close-loop speed control which ensure the accuracy of speed adjustment and the speed stability at a definite speed range. As well as, through the optimal design and the combine of hardware and software, implement the miniaturization of the controller, improve the reliability of the controller, and decrease the volume and weight of the controller.
This design has relatively good performance to satisfy the application in many fields. In the analog control system, we adopted a new method of PWM control via six consistent signals from the Hall sensor. The theories and application about the method is also introduced. At the end of the paper, we present the principle block diagram of the control strategy and the block diagram of the circuit design.



Keywords: Rare Earth Permanent; Brushless DC Motor (BLDCM)
Singlechip; Close-loop control; PWM

目录
1 绪论 1
1.1 无刷直流电动机的发展和概况 1
1.1.1 无刷直流电动机的发展历史 1
1.1.2 无刷直流电动机的发展状况及研究方向 2
1.1.3 无刷直流电动机的应用前景 3
1.2 课题的设计要求和技术指标 3
1.3 设计工作的主要内容 4
2 无刷直流电动机的工作原理 5
2.1 无刷直流电动机的构成 5
2.2 电动机的基本工作原理 7
2.3 电动机的运行特性分析 9
2.4 本章小结 12
3 无刷直流电动机总体方案分析与确定 13
3.1 电机定子结构特点 13
3.2 电机转子结构特点 13
3.3 转子位置传感器的选择 14
3.4 主回路供电电路的选择 15
3.4.1 三相半控电路 15
3.4.2 三相全控电路 16
3.5 换相控制电路设计方案 17
3.5.1 可供选择的控制方案简介 17
3.5.2 各控制方案比较 18
3.6 控制器总体方案确定 21
3.7 驱动方式选择 21
3.8 本章小结 22
4 无刷直流电动机控制系统硬件设计 23
4.1 转速给定电路设计 23
4.2 单片机控制系统电路设计 24
4.3 电机HALL信号和转速反馈闭环控制电路设计 26
4.3.1 霍尔信号与主回路功率管导通对应关系 26
4.3.2 转速闭环控制电路设计的必要性 28
4.3.3 主要设计电路介绍 28
4.4 本章小结 31
5 无刷直流电动机软件程序的设计 32
5.1 程序的总体设计思路 32
5.2 查表子程序设计 33
5.3 定时检测子程序设计 34
5.4 输出控制字屏蔽子程序设计 35
5.5 电动机换相时缓冲子程序设计 36
5.6 本章小结 37
结论 39
致谢 40
参考文献 41

1 绪论
1.1 无刷直流电动机的发展和概况
一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。电动机主要类型有同步电动机，异步电动机与直流电动机三种。其中直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但是传统的直流电动机均采用电刷，机械换向等，从而带来了噪声、火花、电磁干扰等缺点。稀土永磁无刷直流电动机（简称PM BLDCM）是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电机，它用一套电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置，保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速特性，同时又克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列缺点，因此在各个领域中得到了广泛应用，如：计算机软盘装置、人工智能机器人、CD机、空调器、电动交通工具乃至航空、航天、航海等行业。除具有一般有刷直流电动机的优点外，还具有高能量密度，高转矩惯性化高效率等特点，同时，现代电力电子技术和永磁材料的发展又为其发展提供了便利条件，因此PM BLDCM具有很强的生命力和发展前途。
1.1.1 无刷直流电动机的发展历史
有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽阔而平滑的优良的调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换向装置的存在，限制了其发展和应用范围。机械换向不良的后果是电刷下面产生危害性火花，严重时可能产生环火，使其在煤矿、油田等具有可燃性气体的场合受到限制，同时换向火花也能引起对无线电通讯及控制设备的电磁干扰，转速也受到机械换向的干扰限制而不能很高。这些缺点在很长时间内没有得到根本改善，这样就限制了直流电动机在更多领域内的推广应用。