电动小车中无刷直流电机的控制系统设计

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1、编号 无锡太湖学院毕业设计（论文）题目：电动小车中无刷直流电机的控制系统 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 电动小车中无刷直流电机的控制系统 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 电信83 学 号： 作者姓名： 2012 年 5 月 25 日无锡太湖学院信 机系 电子信息工程 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目电动小车中无刷直流电机的控制系统 2、专题 一、 课题

2、来源及选题依据：直流电动机因其优良的调速、起动、制动性能在各种电力拖动系统中得到 广泛的应用，但因直流电机的机械换向出现的火花等问题在一些地方限制了直流电机的使用。自20世纪70年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并生产出多种既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（P-MOSFET）、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）等，这些全控型器件性能优良，由它们构成的电子开关在直流电机中取代了机械换向，构成直流无刷电机，解决了机械换向出现的火花等问题，同时由全控元件组成的脉宽调制直流调速系统（简称PWM调速系统）近年来在中小功率直流传动中

3、得到了迅猛的发展,且由于专用集成电路的出现，使控制器性能更加优良，体积减小。本课题研究电动小车中无刷直流电机的控制系统。二、本设计应达到的要求：了解电动小车的工作情况，其负荷特点；了解PWM技术的现状发展以及其应用价值和可操作性。明确生产机械对ZD调速系统的要求；拟定ZD调速方案；熟悉无刷ZD电动机的基本工作原理；熟悉位置检测传感器的原理；选用专用PWM集成电路在无刷直流电动机进行速度控制；应用集成驱动电路完成对电动机驱动和调速等性能的要求；完成毕业设计总体方案。本设计应做到以下几点:1、 拟定ZD调速方案2、 设计主电路3、 选用位置检测传感器4、 选用专用PWM集成电路5、 完成总电路的设

4、计同时本设计应具有以下功能:A. 欠电压保护功能 当电源电压下降到设定值时，控制器停止工作，起保护作用。B. 过电流保护功能 当电动机过载或发生其它意外情况，有大电流过时，控制器立即停止工作，保护电机。C.无级调速 可根据负载要求实现平稳调速。四、接受任务学生： 电信83 班 姓名 姚振德 五、开始及完成日期：自2011年11月7日 至2012年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名2011年11月7日V摘 要 电动小车最重要的配件是电机，一辆电动小车的电机基本决定了这辆车的性能和档次。目前电动小车所使用的电机大都是高

5、效稀土永磁电机，其中主要又分高速有刷+齿轮减速电机、低速有刷电机和低速无刷电机三种。本文针对无刷电机在现在电动小车中的应用，介绍了一种无刷电机的控制方法。根据电动小车要求启动快、制动快、工作过程要求转速稳定等特点，设计了带有转速、电流双闭环的调速系统，以PI调节器为转速调节器，电流调节器 也用PI调节器，以TL494为PWM脉冲产生芯片，经过综合逻辑电路加上位置反馈信号，由IR2130驱动电机的功率开关。主要内容包括PWM生成电路和功率开关器件、综合逻辑电路的选择，以及驱动电路保护电路的设计等。关键词：电动小车；无刷直流电机；PWM调速 AbstractThe most important p

6、art of an Electric trolley is motor.It basicly decides its performance and level. At present，Electric trolleys are mostly using efficient rare earth permanent magnet as their motors, which also could be divided into three types as High speed brush+gear reduction motors，low speed brush motors and low

7、 speed brushless motors. This paper aim at the Brushless DC Motor be applied in Electric trolleys, introduce a new control method of BLDC. Based on Electric trolleys characteristic, such as start-up rapidness, brake rapidness, work process rotate speed level off and so on, design one system with spe

8、ed and current adjuster, the speed adjuster is PID and the current adjuster is PI , use the TL494 chip generate PWM pulse , pass the synthesis logic circuit and the feedback of rotors location through IR2130 drive the power switch . Mostly content consist of PWM generate circuit , synthesis logic ci

9、rcuit, power switch and drive circuit and so on .Key words: Electric trolley；brushless DC motor；modulate velocity by PWM 目 录摘 要IVAbstractV目 录VI2 电动小车及电机的工作特点22.1 电动小车的工作特点分析及电机选择22.2 无刷直流电机的介绍、结构及工作原理22.2.1 直流无刷电机的介绍22.2.2 直流无刷电机的结构原理框图32.2.3 直流无刷电机的控制原理32.3 控制方案53 控制系统设计63.1 调节器选择及动态参数设计63.1.1 电流调节

10、器的设计63.1.2 转速调节器的设计93.2 位置检测113.2.1 位置间接检测原理123.2.2 位置检测电路133.3 转速检测143.4 转速调节器164 系统电路图184.1 PWM生成电路及电流调节器184.2 综合逻辑电路204.3 驱动电路214.4 各相导通信号产生电路244.5 系统整体电路图254.6系统的工作原理275 结论和展望28致 谢29参考文献30附 录31电动小车中无刷直流电机的控制系统 1 绪论从1995年清华大学研制的第一台轻型电动车问世，到现在林林总总的电动车系列产品，过去的十五年中，中国电动小车事业从无到有，再发展成为目前全球最大的轻型电动车产业。短

11、短十数载，已经成就了让全球仰慕的电动车产业规模，国人应当自豪！电动小车行业的发展，业内普遍认为已经历了三个发展阶段：初级阶段、初级生产规模化阶段、超速发展阶段。电动小车的初级阶段也被称作是电动小车的早期实验性生产阶段，时间大概是1995年到1999年。这个阶段主要是对电动小车的四大件，电机、电池、充电器和控制器的关键技术摸索研究。初阶生产规模化阶段是电动小车规模化大生产在遇到几个发展大机遇后获得较快发展的阶段，时间在2000年到2004年。这个阶段随着关键技术方面的突破和电动小车性能的不断提升，让电动小车成为了摩托车和自行车的替代产品，而它的快捷、环保、方便和廉价，同时也激发了市场对它的消费需

12、求。一些新的企业投资加入，进行较大市场规模运作，产能迅速扩展，并初步形成了行业内的江苏、浙江、天津为代表的三大产业聚集地。超速发展阶段是企业间激烈竞争大大刺激了技术进步和新技术扩散，全行业的技术水平大幅度提升，产业获得“井喷式”大发展的阶段，时间在2005年至今。技术进步主要体现在蓄电池寿命和容量提高了35%，电机从单一的有刷有齿电机发展成为无刷高效电机为主流，寿命提高了5倍，效率提高了近30%，爬坡和载重能力提高约3.5倍。与此同时，制造成本也大幅度下降，价格功率下降到原来21%；在控制器系统和充电系统，技术水平也大幅提高。我国是世界公认的稀土资源大国和稀土产品的制造强国，得天独厚的资源优势

13、特别是电机性能国际市场价格昂贵的 BLDC（无刷直流永磁电机）系统在中国企业得到广泛应用在电池技术和电机技术方面都有了很大的进展，电动车专用铅酸电池在技术上的突破已经领先国际。 2 电动小车及电机的工作特点2.1 电动小车的工作特点分析及电机选择 电动小车的工作状态要求电机工作在频繁的启动、制动过程，而且要求电机的启动和制动过程速度快。这样电机启、制动过程中会使电机电流过大，故在设计控制系统时要设计电机的过电流保护，以免使电机由于电流过大无法正常工作。 由于电动小车的频繁的启动、制动，这样一定会产生过大的启动、制动电流，这样大的电流，对永磁体产生的去磁影响必须引起注意。特别在电机运行在负载温升

14、时，随着工作温度的升高，这种去磁作用就越大。若对永磁体的厚度选取不当，这种去磁反应还将影响到永磁体的圆复线。在选择电动小车用永磁 电机时，必须考虑二点 ：第一是电机最高工作温度。第二是起、制动时的电枢反应去磁作用2。根据电动小车的各种启动制动特点，设计的整个系统要求启动快、制动快，在不同的情况下，分别运行在恒功率和恒转矩两种不同的运行方式下。本系统选用适当的电动小车，无刷电机选用SY-94ZWX02型号。电机的额定值为 ：2.2 无刷直流电机的介绍、结构及工作原理 2.2.1 直流无刷电机的介绍无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BL

15、DC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好。无刷直流电动机 BrushlessDirectCurrentMotor,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。本产品具有高效率,高转矩,高精度的三高特点;同时具有体积小,重量轻,可做成各种体积形状,是当今最高效率的调速电机,与传统直流有刷电机比较,或与交流变频调速比较均有更好的性能。无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。同步电动机的

16、定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速。 2.2.2 直流无刷电机的结构原理框图图2-1 无刷电机的结构原理框图 无刷直流电机无换向器的直流电机，无刷电机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统的直流永磁电动机的结构刚好相反，直流无刷电机除了由定子和转

17、子组成的电动机本体外，还要有位置传感器、控制电路以及功率开关器件共同构成换向装置，使得直流无刷电机在运动过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在90度左右的电角度。 2.2.3 直流无刷电机的控制原理永磁无刷直流电动机按控制电路分有桥式和非桥式两种，按电机绕组结构来分有星形和三角型两种方式。桥式星形接法的电机有转矩脉动小，输出转矩大等特点。本论文的样机即采用三相桥式星形结构的电机，下面就以此类电机为例来说明永磁无刷直流电机的工作原理。 刷直流电动机的无传感器控制原理如图2-2所示，通过位置检测电路检测无刷直流电动机的端电压，经微处理器运算后得到电机的转子位置

18、信号，再由驱动电路按转子的位置信号轮流导通功率逆变桥的六个功率管，以实现对电机三相绕组的通电。三相桥式星形结构的无刷电机在任意时刻有两相绕组导通，第三相绕组处于悬空状态。功率管有6种触发状态，每次只有两只管子导通，每隔 16周期即600电角度换相一次，每次换相一个功率管，每一个功率管导通 1200电角度。由于采用两两导通方式，所以每次只有两相导通，一相截止。其各相反电势波形、相电流波形及各功率管导通状态如图2-3所示。可以看出，导通相电流大小相等，方向相反，非导通相电流为零。非导通相在此期间其反电势有一次过零。无刷直流电机的反电势过零法换相控制正是基于这种方法，即检测断开相的反电势信号，当其过

19、零时，转子直轴与该相绕组重合，延时300电角度依照开通顺序进行换相。因此，只要检测到各相反电势的过零点，即可获得转子的 6个换相点。 图2-2 无刷直流电机控制原理图 图2-3无刷直流电机反电势、相电流及功率管导通时序图2.3 控制方案电机采用有传感器的无刷电机。根据给定转速和实际转速，产生一系列的PWM脉冲信号，同位置传感器产生的相导通信号一起控制功率开关器件的导通和关断，实现对系统的速度调节。运动控制系统包含单闭环和双闭环调速系统。单闭环调速系统中只含有转速调节器，对转速具有调节作用，转速调节器使转速跟随给定电压变化，对负载有抗扰作用。但是，系统对电源的变化没有抗扰作用，而且系统启动过程慢

20、。双闭环调速系统含有转速、电流两个调节器，不仅能够对负载扰动有抗扰作用，在转速调节过程中使电流跟随电流调节器给定电压变化，而且对电源也有抗扰作用，启动时保证获得恒定的最大允许电流，减少了了电机的启动时间。根据电动小车的工作特点，要求启动时间短，工作过程转速稳定，本系统采用转速、电流双闭环调节，双闭环系统可以对电流、转速同时进行调节，调节器选择能够使系统的动态、静态性能都比较好的调节器。 3 控制系统设计根据上一章选择的控制方案，系统采用电流、转速双闭环调节系统，本章主要介绍的控制系统的各个部分，主要有位置传感器、电流传感器、调节器、PWM产生电路、综合逻辑电路、驱动电路、各相导通信号产生电路等

21、几部分组成。系统的各个部分分别有模拟电路和数字电路实现。3.1 调节器选择及动态参数设计根据上述的控制方案，双闭环系统的结构图如3-1下图所示。 图3-1 系统结构图 由图中可知忽略了反电势作用的影响。根据选择的电机为SY-94ZWX02型号，电机的参数选择为。选择逆变电路的时间常数放大倍数，电阻。电流反馈滤波时间常数，转速反馈时间常数。 3.1.1 电流调节器的设计 为了选择电流调节器，首先面临的问题是，应该决定把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流环做到无静差；从动态要求看，电流环的一项重要作用就是 保持电机电流在动态过程中不超过允许值，即在突加控制作用时不希望有超调，或者

22、超调越小越好。从这一考虑出发，应该把电流环校正成典I系统。（1） 电流环控制对象参数如下 电枢回路总电阻：； 电磁时间常数：； 电流环小时间常数：； 电流反馈系数：=0.25V/A。（2）由控制对象的传递函数可知，为把电流环校正成典I系统，电流调节器应该选择PI调节器。PI调节器的结构如下图3-2所示。 图3-2 PI调节器结构电流调节器的传递函数为： （3-1）式中-电流调节器的比例放大倍数； -电流调节器的领先时间常数。选择PI参数，使 以让调节器的零点对消控制对象的大惯性环节的极点，则电流环的动态结构图便成为典型系统的形式。PI调节器的比例放大倍数的选择取决于系统的动态性能指标和所需的截

23、止频率，在电动小车系统中希望超调量小，为了使电流环的超调较小，取电流环开环放大倍数为 则ACR的比例放大倍数为 由 ，按经验取，所以 又由，故在根据滤波时间常数， 所以 （3） 校验近似条件： 逆变器传递函数近似条件 （3-2）现在 ，而显然满足近似条件。 电流环小时间常数近似处理条件 （3-3）而 显然也满足近似条件。、 忽略反电势影响的条件忽略反电动势影响的近似条件为，现 而电流环截止频率 ，显然满足近似条件。设计后电流环可达到的动态指标为 可以满足电动小车的要求。 3.1.2 转速调节器的设计在设计转速调节器时，把电流环当作转速内环的一个环节，和其他环节一起构成转速环的控制对象。为此，求

24、出电流环的等效闭环传递函数。求得电流环的闭环传递函数经过近似处理后，得到，整个电流环等效成只有小时间常数的一阶惯性环节。由控制对象和电流环的传递函数知，转速环的控制对象的传递函数包含了一个积分环节和一个惯性环节，而积分环节在负载扰动作用之后。转速环的主要扰动为负载扰动，为了实现转速无静差，则必须在扰动之前设置一个积分环节，于是应该按典型II系统设计转速调节器了。 （1） 转速环控制对象参数如下转速环小时间常数：；转速反馈系数：（2） 由结构图和传递函数可以看出，为了把转速环校正成典型II系统，转速调节器应该采用PI调节器， 其传递函数如下： （3-4）式中， 为比例放大倍数 为积分时间常数转速

25、环按典型II系统设计。取，则 （3-5）系统按准则选择ASR参数： 则 取 ，则 再根据 ，得 （3） 校验近似条件： 电流环传递函数等效条件 （3-6）按准则设计时而 转速环小时间常数近似处理条件 （3-7）现在 满足近似处理条件。（4） 动态性能指标转速超调量 （3-8）现在 取中频带宽为，按准则确定参数， 因此 由此可以看出，转速超调量非常小，上升时间非常短，可以满足电动小车的要求。这样，整个系统的开环传递函数就为典型II系统，系统的参数也就基本上确定下来。按照所求得的参数，设计控制系统画出电路图。根据设计好的系统参数，通过对整个系统进行仿真，进一步验证系统是否符合电动小车的要求3.2

26、位置检测 置传感器在无刷直流电动机中起着检测转子磁极位置的作用，为功率开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，经位置信号处理电路处理后控制定子绕组换相。由于功率开关的导通顺序与转子转角同步，因而位置传感器与功率开关一起，起着与传统有刷直流电机的机械换向器和电刷相类似的作用。位置传感器的种类比较多，可分为电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器等。电磁式传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长等优点，但其体积比较大，信噪比较低且输出为交流信号，需整流滤波后才能使用。光电式位置传感器性能比较稳定、体积小、重量轻，但对环境要求较高。磁敏式位置传感器的基本原理为霍尔效

27、应和磁阻效用，它对环境适应性很强，成本低廉，但精度不高。 3.2.1 位置间接检测原理永磁无刷直流电动机要实现闭环控制，必须知道转子的位置信息，传统的永磁无刷直流电机是以位置传感器来获得转子的位置信号的。实际上，随着电机转子的位置不同，电机的各相绕组电压和磁通会发生变化，如果能找到电机测得的变量与转子位置之间的关系，那么就可以不通过位置传感器而只通过测得的变量值得到转子的位置信号，这就是间接位置检测的基本思想。以三相桥式星形结构无刷直流电机为例，电机的电压平衡方程为：（3-9）式中 Va Vb Vc 一一绕组相电压。 ia ib ic一一绕组相电流。 ，一一绕组自感和绕组间的互感。 一一绕组电

28、阻。 一一磁极磁链。 一一电角度。上式中，凡是角度的函数，式（ 3 9 ）通过变换可得：（3-10）由于电阻和电感是电机的固有参数，认为是可知的，由式 （310）可知，若连续得到某时刻的电流电压值，则可得到三相的礼值，由礼就可得知0的范围，即转子的位置。目前大部分的间接位置检测方法均基于此原理。由以上分析可知，要知道电机的位置，需要知道电流电压与磁极磁链的关系以及磁极磁链与转子位置之间的关系。在不同的场合，可通过不同的方法实现上面的两层映射关系。常见的间接位置检测方法有反电势法、电感法、续流二极管法和磁链估计法等。反电势法是根据转子在不同的位置时定子绕组中的反电势的不同，通过得到特殊点的反电势

29、从而推算出转子的位置的；电感法则是根据转子在不同的位置时对电机电枢电感的影响，通过检测电流得到电感的变化从而得到转子的位置；续流二极管法是通过检测未导通相的二极管的续流情况来确定转子的位置；磁链法是通过电压电流值计算得到磁链的值，从而推出转子的位置。 3.2.2 位置检测电路 本系统采用霍尔传感器检测位置，霍尔集成电路内部原理图如下图3-3所示。 图3-3霍尔集成电路原理图 霍尔元件的作用是利用霍尔效应来产生输出电压，由于霍尔元件产生的电动势很低，应用时需要外接放大器，很不方便。随着半导体集成技术的发展，将霍尔元件与半导体集成电路一起制作在同一块N型硅外延片上，这就构成了霍尔集成电路。霍尔集成

30、电路通过霍尔元件产生的霍尔电动势来驱动开关器件。本系统的位置检测电路如下图3-4所示。图3-4 位置检测电路 由上图可知位置检测有霍尔传感器实现，通过三个霍尔元件产生的霍尔电动势来判断转子位置，并控制功率开关器件的开通与关断。霍尔传感器产生的信号与PWM信号共同控制逆变器器件的开关来实现转速调节。随着半导体集成技术的发展，一般的霍尔传感器是霍尔集成电路，霍尔集成电路有线性型和开关型两种，这里采用开关型集成电路。将三只霍尔集成电路按相位差120安装，则它们所产生的位置信号波形图如下图3-5所示。图3-5 转子位置波形3.3 转速检测 转速检测电路是通过LM2907频压转换器实现的，LM2907为

31、集成式频率/电压转换器，是一种将频率转换成电压的器件。芯片中包含了比较器、充电泵、高增益运算放大器，能将频率信号转换成直流电压信号。只要通过检测传感器的频率就可检测出电机的转速。LM2907的内部原理图如下图3-6所示： 图3-6 LM2907的原理框图各引脚功能如下：脚（F）和11脚（IN-）为运算放大器比较器的输入端；脚接充电泵的定时电容（C1）；脚接充电泵的输出电阻和积分电容（R1/C2）；脚（IN+）和10脚（UF1）为运算放大器的输入端；脚为输出晶体管的发射极（U0）；脚为输出晶体管的集电极，一般接电源（UC）；脚为正电源端（VCC）；12脚为接地端（GND）；，13，14脚未用。L

32、M2907的工作原理为：当充电泵把从输入级输入来的频率转换成为直流电压时，需外接定时电容C1、输出电阻R1以及积分电容或滤波电容C2，当第一级输出的状态发生改变时（这种情况可能发生在输入端上有合适的过零电压或差分输入电压时），定时电容在电压差Vcc/2的两电压值之间被线性地充电或放电，在输入频率信号的半周期中，定时电容上的电荷变化量为C1Vcc/2，泵入电容中的平均电流或流出电容中的平均电流为：输出电路把这一电流准确地送到负载电阻（输出电阻）R1中，R1电阻的另一端接地，这样滤波后的电流被滤波电容积分后得到输出电压：其中为增益常数，典型值为。电容2的值取决于纹波电压的大小和实际应用中所需要的响

33、应时间。本系统采用LM2907集成式频率/电压转换器，将频率信号转化成电压信号，电路图如下图3-7所示。 图3-7 转速检测电路 本系统采用LM2907频率/电压转换器，将霍尔传感器脉冲频率转换成电压反馈到转速环，实现转速反馈。这样可以省去测速发电机，减轻设备重量及体积。其中，。参考电压可以很好的调节输出的最小电压和带负载能力。3.4 转速调节器根据之前调节器的选择和计算，本系统转速调节环节采用PI调节器，调节器电路图如下图3-8所示。 图3-8转速调节器由上图可知转速调节器由模拟电路组成，P 主要是使系统的响应速度快，增加系统的快速性，I是积分环节，主要是提高系统的稳态性能。PI调节器有较好

34、的调节性能，使系统具有响应快速、稳态、动态性能较好等性能。通过PI转速调节器，系统可以实现转速无静差。4 系统电路图4.1 PWM生成电路及电流调节器PWM生成及电流调节器由TL494实现。TL494是美国德州仪器（Texas Instrument）公司产品，原是为开关电源设计的脉冲宽度调节器。其内部结构框图如下图4-1所示。 图4-1 TL494的内部结构图TL494是16脚集成电路，内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。 下图4-2是它的管脚图图4-2 TL494的管脚图其中1、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端；3脚是相

35、位校正和增益控制；4脚为间歇期调理，其上加03.3V电压时可使截止时间从2%线性变化到100%；5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容，所接的振荡电阻和电容决定了震荡器产生锯齿波的频率；7脚为接地端；8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；12脚为电源供电端；13脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时，两路输出分别由触发器Q和端控制，形成双输出方式，即为推挽输出方式；14脚为5V基准电压输出端，最大输出电流10mA；15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端。PWM生成及电流调节器电路图如下图4-3（见下一页）所示。 TL494内部有两

36、个误差放大器，利用误差放大器1作为电流调节器，由2脚输入电流给定信号，电流反馈信号由1脚输入，在2脚和3脚之间接入阻容环节以构成PI调节器，从而实现电流调节。而误差放大器2可作为限流保护，由15脚输入限流给定值，由16脚输入电流采样反馈值。 作为电流调节器时，TL494的死区时间是不希望有的。如果4脚接地，PWM信号的最大占空比为96%，即功率开关器件不可能完全导通，这对电流跟踪控制应用是不利的。因为当系统突加给定时，若受控电流在一个脉冲周期内不能跟踪给定值，在电流上升过程中每个周期都有4%时间要强迫关断。如果调制频率较高，则此关断时间极短，虽然对电流响应速度影响不大，但却造成不必要的开关损耗

37、。而当开关器件在4%T的时间内还没有完全关断又强迫开通时，其损耗更为严重，甚至影响逆变器的安全。因此，要采取措施消除此死区。实验表明，在4脚加-0.3电平时，即可将PWM信号最大占空比扩展到100%。图4-3PWM生成电路及电流调节器4.2 综合逻辑电路 综合逻辑电路主要有与门电路组成，PWM和各相导通信号通过与门电路，产生所需要的功率器件开关信号。只有当两路信号全部为高电平时，与门的输出才为高电平，即产生的信号是开关器件导通的信号。综合逻辑电路主要是用来分配开关器件的触发脉冲，是驱动电路按一定的顺序产生驱动信号。综合逻辑电路图如下图4-4所示：图4-4综合逻辑电路 位置传感器输出和PWM信号

38、经与门叠加后，产生开关器件的导通信号，经过驱动电路IR2130来驱动功率开关器件。4.3 驱动电路本系统驱动电路由IR2130实现，IR2130可用来驱动工作在母电压不高于600V的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA，而反向峰值驱动电流为500mA。IR2130是美国国际整流器公司生产的专用驱动芯片，只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，可以使整个驱动电路简单可靠。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的MOS门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下2个功率器件的

39、门极驱动信导产生2s互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽(320V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及COMS电平兼容。 IR2130管脚如下图4-5所示。 图4-5IR2130的管脚图VB1VB3：是悬浮电源连接端，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，VS1VC3是其对应的悬浮电源地端。 HIN1HIN3、LIN1LIN3：逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端，低电平有效。ITRIP：过流信号检

40、测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通保护CA-、CAO、：内部放大器的反相端、输出端和同相端，可用来完成电流信号检测。HO1HO3、LO1L03：逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。FAULT：过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。它在芯片内部是漏极开路输出端，低电平有效。、：芯片供电电源连接端，接电源，而接电源地。IR2130内部结构及其工作原理：IR2130的内部结构如下图4-6所示： 图4-6 IR2130的内部结构图 它的内部集成有1个电流比较器CURRENT COMPARATOR，1个电流放大器CURRENT AMP，1个自身工作电源欠

41、压检测器UNDERVOLTAGE DETECTOR，1个故障处理单元FAULT LOGIC及1个清除封锁逻辑单元CLEAR LOGIC。除上述外，它内部还集成有3个输入信号处理器INPUT SIGNAL GEN-ERATOR两个脉冲处理和电平移位器PULSE GENERATOR LEVEL SHIFTER，3个上桥臂侧功率管驱动信号锁存器LATCH，3个上桥臂侧功率管驱动信号与欠压检测器，U. V DETECTOR及6个低输出阻抗MOS功率管驱动器DRIVER和1个或门电路。正常工作时，输入的6路驱动信号经输入信号处理器处理后变为6路输出脉冲，驱动下桥臂功率管的信号L1L3经输出驱动器功放后，

42、直接送往被驱动功率器件。而驱动上桥臂功率管的信号H1H3 先经集成于IR2130内部的3个脉冲处理器和电平移位器中的自举电路进行电位变换， 变为3路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的3路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲与否检验之后，送到输出驱动器进行功放后才加到被驱动的功率管。一旦外电流发生过流或直通，即电流检测单元送来的信号高于0.5V时，则IR2130内部的电流比较器迅速翻转，促使故障逻辑处理单元输出低电平，一则封锁3路输入脉冲信号处理器的输出，使IR2130的输出全为低电平，保护功率管；另一方面，同时IR2130的FAULT脚给出故障指示。同样若发生IR2130的工作电源欠压，则欠压检测器迅

43、速翻转， 也会进行类似动作。发生故障后，IR2130内的故障逻辑处理单元的输出将保持故障闭锁状态。直到故障清除后，在信号输入端LIN1LIN3同时被输入高电平，才可以解除故障闭锁状态。 当IR2130驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足时，则该路的驱动信号检测器迅速动作，封锁该路的输出，避免功率器件因驱动信号不足而损坏。当逆变器同一桥臂上2个功率器件的输入信号同时为高电平，则IR2130输出的2路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象发生本系统驱动电路图如下图4-7所示： 图4-7 驱动电路由于驱动集成芯片内部含有过流、欠压等保护，故可使设计整个电路时不需专门设计保护电路，使整个

44、系统的设计简单可靠。4.4 各相导通信号产生电路控制无刷电机，是通过控制无刷电机各相的导通来控制的。要控制各相的导通，就要通过转子的位置，来产生各相导通信号。其电路图如下图4-8（见下一页）所示。由图中可以看出，换相的控制电路是用数字电路实现的，转子位置信号通过74LS138型3-8译码器后，再经过74LS38和74LS09 两片门电路逻辑分配来产生各相导通信号，最后各相导通信号和PWM信号一起，经过综合逻辑电路，由驱动电路来驱动无刷电机的开关器件。图4-8 各相导通信号产生电路 由上述逻辑电路产生的换相译码真值表如下表4-1所示。表4-1 换相译码真值表传感器输入功率器件导通信号H1H2H3

45、VF1VF3VF5VF4VF6VF21011000101001000011100100010100101000110011000010010104.5 系统整体电路图 根据以上各个部分的介绍，把各个部分连接起来，在加上电流采样电路、电压采样电路等一些电路就可以组成整个系统如下图4-9（见下一页）所示。 图4-9 总电路图4.6系统的工作原理无刷直流电机的供电系统是通过交流电整流成直流电，在经过逆变器变成交流电给电机的绕组供电，通过控制逆变器开关器件的开通与关断，从而控制加在绕组上的电压和电流，来控制电机的转速。转速及电流调节器均有限幅值，转速调节器的输出作为电流调节器的给定值，启动时转速调节器

46、很快达到限幅值，速度环相当于开环状态，ASR只是对电流调节器发出最大电流指令。在ASR输出限幅值的作用下，电流调节器的输出也有一跃变，但是电流调节器没有达到限幅值。电流调节器的输出增加使的逆变器的输出逐渐增加，电机的转速逐渐增加，最后达到给定的转速，系统稳定运行。只要调节器的参数选的合理就能是整个系统启动快，达到所需要求。制动时按下制动按扭，电机进入制动状态，直到电机转速为零，这样就可以使系统的制动过程快，达到工业电动小车的要求。从整个系统的各个部分可以看出，系统的设计全部用模拟电路或者数字电路实现，这使的整个系统设计简单易于实现，在生产制造时可以节省许多成本。但是这样设计虽然简单易于实现，系

47、统也有许多不足之处，如没有单片机控制的响应速度快、精确性高等。现在还有许多无刷电机控制系统是使用DSP实现的，这使的系统的响应速度和精确性更高，但成本也会增加。不管用什么元件控制无刷电机，其基本原理大体上都是相同的，都是采用电流、转速调节器，通过位置信号产生相导通信号，再加上PWM信号来控制逆变器的功率开关器件的开通与关断，从而实现电机的调速的。5 结论和展望本文在了解无刷直流电机的基础上，通过对无刷直流电机性能、控制方式的分析，设计了一种简单的，用模拟电路和数字电路实现对无刷直流电机的控制。本文设计的控制系统，是针对无刷电机在电动小车中的应用，根据电动小车的性能、工作特点，对系统的要求，来实

48、现对电机的控制。 现代电动小车工业是经济发展的重要环节，随着经济的发展，电动小车也必定有很大的发展。无刷直流电机是一种新发展的，性能优异的电机。把无刷电机用在电动小车中，电动小车一定会有很大的发展。无刷电机有许多中不同的控制方法，通过研究对无刷电机的控制，使无刷电机的优异性能得以发挥，会很大程度上促进电动小车的发展。 无刷直流电机除了有位置传感器的，近年，还出现了无位置传感器的无刷直流电机，它不是利用反电动势来检测位置，而是通过贴于转子表面的非磁性导体材料，利用定子绕组高频开关工作时非磁性材料的涡流效应，使开路电压的大小随转子位置变化，从而通过检测开路相电压来判断转子位置。这种无位置传感器的无

49、刷直流电机克服了一般位置无刷电机的启动和低速运行问题，但该方法需要特殊电机，对电机的制作工艺提出了很高的要求。 不管是位置还是无位置传感器的无刷电机，其都有有待解决的问题，转矩脉动就是无刷电机存在的一个主要问题。由于转矩存在脉动，使的无刷电机在交流伺服系统中的应用受到了限制，尤其是在直接驱动的应用场合，转矩脉动使的电机转速控制特性恶化，因此，消除转矩脉动成为提高伺服性能的关键。 随着电力电子技术、控制技术的发展，位置检测可以使用芯片通过适当的算法来实现。高速微处理器DSP器件以及专用控制芯片的出现，使得运行速度和处理能力有了很大的提高。采用DSP控制无位置传感器无刷电机成为研究的热点，低成本D

50、SP无位置传感器无刷直流电机，成为无刷电机的发展方向。 致 谢通过这几个月来的忙碌和学习，本次毕业论文设计已接近尾声，作为一个大专生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，在这里衷心感谢指导老师的督促指导，以及一起学习的同学们的支持，让我按时完成了这次毕业设计。 在这次毕业设计中，我首先要感谢我的指导老师方光辉老师，她帮助我解决了许多关键性的设计问题，在她的指导下，我顺利的完成了电动小车中无刷直流电机的控制系统的设计任务。在毕业设计期间，我遇到了非常多的问题，每次方老师都能够给予及时的指导和解答，才能使我能够顺利的完成设计任务，写出毕业论文。还有谢谢我周围的同窗朋友，他们给了我

51、无数的关心和鼓励，也让我的大学生活充满了温暖和欢乐。如果没有他们的帮助，此次毕业论文的完成将变得困难。他们在我设计中给了我许多宝贵的意见和建议。同时也要感谢自己遇到困难的时候没有一蹶不振，取而代之的是找到了最好的方法来解决问题。最后，感谢生我养我的父母。谢谢他们给了我无私的爱，为我求学所付出的巨大牺牲和努力。 参考文献1 何礼仁， 彭达洲， 胥布工. 一种基于专用芯片的电动小车控制系统J.微电机，2005，38（6）：94-96.2 周贤韬， 徐卫，朱世益， 麻志德 电动小车用无刷直流电动机及其控制系统的研制J. 微电机，1998第31卷，第6期（总第105期）.3 张琛 .，直流无刷电动机原

52、理及应用M. 北京: 机械工业出版社,1996：12-554 龙驹，永磁无刷直流电动机转速控制系统的优化设计M. 西南交通大学出版社, 2006：80-90 .5 尔桂花， 窦日轩. 运动控制系统著M. 北京: 清华大学出版社,2002.：20-606 吴守箴， 臧英杰. 电气传动的脉宽调制控制技术M. 北京. 机械工业出版社,1999.7：100-150.7 尹衍辰， 范瑜. 基于C51的永磁无刷电动机控制器设计J. 中小型电机，2005，32（6）：130-14.8 谭建成.，电机控制专用集成电路M. 北京. 机械工业出版社,1997.7：35-609 孙立志.，PWM与数字化电动机控制技

53、术应用M. 北京.中国电力出版社, 2007：50-56.10 谭建成，永磁无刷直流电机技术M.北京 .机械工业出版社，2011：22-3011 12 Timothy J.Maloney ,Modern industrial electronics C.Science Press ，2002：22-40.13 14Mouhoub Mekhiche, Stephen Nichols. High-speed, High-power Density PMSM Drive for Fuel Cell Powered Hew ApplicationJ. IEEE,2001:0-7803-7091-0/0

54、1. 15 Evans P D，Brown DSimulation of brushless DC drives C. 1EE Proceedings B，Electric Power Applications，137(5)：299308. 附 录调节器设计根据选择的电机为SY-94ZWX02型号，电机的参数选择为。选择逆变电路的时间常数放大倍数，电阻。电流反馈滤波时间常数，转速反馈时间常数。 电流调节器的设计 为了选择电流调节器，首先面临的问题是，应该决定把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流环做到无静差；从动态要求看，电流环的一项重要作用就是 保持电机电流在动态过程中不超过

55、允许值，即在突加控制作用时不希望有超调，或者超调越小越好。从这一考虑出发，应该把电流环校正成典I系统。（1） 电流环控制对象参数如下 电枢回路总电阻：； 电磁时间常数：； 电流环小时间常数：； 电流反馈系数：=0.25V/A。（2）由控制对象的传递函数可知，为把电流环校正成典I系统，电流调节器应该选择PI调节器。PI调节器的结构如下图3-2所示。 图3-2 PI调节器结构电流调节器的传递函数为： （3-1）式中-电流调节器的比例放大倍数； -电流调节器的领先时间常数。选择PI参数，使 以让调节器的零点对消控制对象的大惯性环节的极点，则电流环的动态结构图便成为典型系统的形式。PI调节器的比例放大倍数的选择取决于系统的动态性能指标和所需的截止频率，在电动小车系统中希望超调量小，为了使电流环的超调较小，取电流环开环放大倍数为 则ACR的比例放大倍数为 由 ，按经验取，所以 又由，故在根据滤波时间常数， 所以 （3） 校验近似条件： 逆变器传递函数近似条件 （3-2）现在 ，而显然满足近似条件。 电流环小时间常数近似处理条件 （3-3）而 显然也满