无刷直流电机控制器的设计本科毕业论文(2)

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1 引言

1．1课题背景描述

当前，随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨，无污染、能源可多样化配置的新型交通工具引起了人们的普遍关注，同时也得到了极大的发展，电动自行车便是其中之一。由于电子控制技术的不断发展，使得对大量应用的电动机性能、质量的要求越来越高，如：低噪声、高性能、长寿命、小型化、高效节能的要求。 而无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、调速性能好等诸多特点，同时克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊病，所以以无刷直流电机作为电动马达的电动自行车产品逐渐受到消费者的青睐[8]。鉴于无刷直流电机的上述优点以及无刷直流电机作为控制对象的电动自行车在消费市场的巨大潜力，本设计试以PIC16F72单片机为主控制芯片，设计一款无刷直流电机控制器。 1.1.1无刷直流电机的优势

电动车辆主要用于城市交通，车辆大部分时间处于启动、加速、制动的工作状态，因此电机的起动性能、加速性能、低速时的效率、制动时的能量再生能力、电机的过载能力、电机的能量密度、电机可靠性对电动车辆尤为重要，是衡量电动车辆电机的重要指标。目前电动车辆还没有专用电机可选，只能选用通用电机，如直流串激电机、直流并激电机、永磁直流电机、异步电机等。通用电机的负载特性为恒负载特性，而电动车辆特性为变负载特性，两者特性不匹配，影响了电机出力，进而影响了电动车辆性能。另外，通用电机的最大效率点均设计在额定点附近，当负载偏离额定点时，电机效率急剧下降，影响了车辆的续驶里程。开关磁阻电机在低速时具有较大的转矩，但效率偏低，永磁同步电机具有较高的效率，但低速时转矩无法提升。只有无刷直流电机具备了以上电机的所有优点，它具有串激直流电机的低速转矩提升功能、并激直流电机的调速性能、永磁同步电机的高效特性和接近异步电机的可靠性，非常适合电动车辆的需要。现就各种电机技术指标汇总见表1-1。

从表1-1看无刷直流电机是最为理想的电动车辆驱动电机，与其它电机相比其主要优点为：①电机外特性好，非常符合电动车辆的负载特性，尤其是电机具

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有可贵的低速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足车辆的加速要求。②速度范围宽，电机可以在任何转速下全功率运行，这是无刷直流电机的独有特性，这样可以省去汽车的机械变速器，改变内燃车辆的传动模式，进一步提高整车效率。③电机效率高，尤其是在轻载车况下，电机仍能保持较高的效率，这对珍贵的电池能量是很重要的，该种电机可比永磁直流电动机提高效率10％以上，比Y系列电动机提高效率20％以上。④过载能力强，这种电机比Y系列电动机可提高过载能力20％以上，满足车辆的突起堵转需要。⑤再生制动效果好，因电机转子具有很高的永久磁场，在汽车下坡或制动时电机可完全进入发电机状态，给电池充电。⑥电机体积小、重量轻、比功率大、可有效地减轻重量、节省空间。⑦电机无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电机内部，可靠性高。⑧电机控制系统比异步电机简单。

表1-1 各种电机性能指标 永磁直流电

性能指标 起动性能 低速性能 低速时效率 平均效率 能量密度 过载能力 再生能力 可靠性 制造成本 控制器成本 合计

直流电机

机

5 5 3 3 2 4 3 2 4 5 36

4 4 4 4 3 4 4 2 4 5 38

机 2 3 3 4 4 4 3 5 5 4 37

4 4 5 5 5 5 5 4 4 4 45

鼠笼异步电

永磁同步电机

机 5 5 5 5 5 5 5 4 4 4 47 无刷直流电

1.1.2无刷直流电机研究现状

电机分为直流电机、同步电机和异步电机，在我国三种电机的生产分工较为明确，无刷直流电机是三种电机的集合，是电机发展的高层次产品，代表电机的发展方向。目前无刷直流电机研究刚刚起步，主要集中在高等学校，如浙江大学、

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北京航空航天大学、上海交通大学等，均在进行1.5kw以下样机的研究试验，清华大学正在做15KW电机的样机实验，中科院正在做28 KW电机的样机实验。在企业中生产高性能、大容量这种电机的厂家还没有，只有生产结构简单、性能较低、容量在0.2KW以下、用于电动自行车电机的厂家。国际发达国家对无刷直流电机的研制与中国大体相当，但像美国、日本在无刷直流电机控制方面比中国先进[8]。

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2 总体设计

2.1无刷直流电机的结构及其工作原理 2.1.1 无刷直流电机的结构

与有刷直流电机具备的旋转的电枢和固定的磁场相反，无刷直流电机具有旋转的磁场和固定的电枢，所以无刷直流电动机不需要像有刷直流电机一样必须使用电刷与换向器来使电机旋转。图2-1是无刷直流电机的组成框图：

无 刷直流电机 电机本体 转子位置传感器 电子换相电路 图2-1无刷直流电机组成框图

电机本体的主要部件有定子（A、B、C三相）和转子。

定子部分最重要的部件是电子的绕组（见图 2.2.1右边的图形）当电机接上电源后，电流流入绕组，产生磁动势，后者与转子产生的励磁磁场相互作用而产生电功率，并通过转子输出一定的机械功率从而实现了将电能转换为机械能这个过程。

电机的转子是产生励磁磁场的部件，由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是产生磁场的核心，由永磁材料和导磁材料组成。

无刷直流电机要旋转，除了电机本体外，还需要转子位置传感器和电子换相电路的共同配合。转子位置传感器的作用是检测转子磁极的位置，并将位置信号提供给电机控制器，为其正确驱动电子换相电路提供依据。

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电子换相电路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调、预放大、功率放大，然后去触发末级功率晶体管，使电枢绕组按一定的逻辑程序通电，保证电机的可靠运行[1]。

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