無刷直流電機磁場定向控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試案例目錄TOC\o"1-2"\h\u23455無刷直流電機磁場定向控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試案例 1306721無刷直流電機磁場定向控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 141801.1無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu) 117121.2STM32微處理器簡介 536671.3控制系統(tǒng)組成電路設(shè)計 6307062系統(tǒng)調(diào)試 81無刷直流電機磁場定向控制系統(tǒng)硬件設(shè)計1.1無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu)無刷直流電機系統(tǒng)主要由以下這五個部分組成：位置檢測器、控制器、直流電源、逆變器和電機主體如圖4-1所示。圖4-1直流電機系統(tǒng)的組成部分1.1.1電機的主體電機的主體是整個電機最重要的部分，如圖4-2所示他必須要滿足以后使用過程中兩個方面的要求，電磁方面的要求和機械方面的要求，它的永磁體固定在轉(zhuǎn)子上，保證在工作的氣隙中能夠產(chǎn)生足夠的磁通，除此之外，無刷直流電機的主體部分，還要保證機械結(jié)構(gòu)牢固能傳送一定的轉(zhuǎn)距，還能夠經(jīng)受住一些在生產(chǎn)生活中的環(huán)境考驗。圖4-2無刷直流電機無刷直流電機是同步電機，與異步電機相比，它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁場保持同步的關(guān)系，具體的關(guān)系如式4-1所示： (4-1)其中n為同步電機的磁極對數(shù)，ns為同步電機的轉(zhuǎn)速，為電網(wǎng)頻率1.1.2定子無刷直流電機中的定子繞組是直流電機內(nèi)部不動的一個組成部分，它被劃分為定子鐵芯和定子繞組。其中定子鐵心一般由硅鋼片疊成，硅鋼片帶有齒槽，在槽內(nèi)嵌入電樞繞組，具體的那個繞組相數(shù)由極的對數(shù)而定，通常情況下，定子由三個繞組星型或三角形連接而成。當(dāng)電機運動起來后在繞組中產(chǎn)生反電勢，通過轉(zhuǎn)子輸出一定的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)機械能的轉(zhuǎn)化過程。1.1.3轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是電機主體的轉(zhuǎn)動部分，由永磁體構(gòu)成，有2到個極數(shù)，是產(chǎn)生磁場的主要部件。1.1.4霍爾傳感器霍爾傳感器通過的基礎(chǔ)是霍爾效應(yīng)，其根本還是在于左手定則，當(dāng)霍爾傳感器所在的回路中，磁場使霍爾傳感器中的帶電粒子偏移到傳感器的兩側(cè)，從而形成電勢差，霍爾傳感器通過測量這種電勢差，將磁場的強度反映出來。圖4-3霍爾傳感器位置檢測裝置是無刷直流電機的重要部分，它是無刷直流電機能夠連續(xù)傳動的必要部分。首先無刷直流電機是沒有電刷的，它不像有刷直流電機中擁有一個滑動的電刷，這個滑動的電刷可以將電流傳送到電機的線圈部分，無刷直流電機的集流環(huán)上是沒有滑動裝置的，這樣從設(shè)計上就取消了電刷的存在以及接觸點維護和更換問題。和傳統(tǒng)有刷直流電機不同，無刷直流電機的自動換向控制采用了由電子驅(qū)動工作的換向方式來進(jìn)行換向控制。若我們想正確使無刷直流驅(qū)動電機正常旋轉(zhuǎn)，必須沿著一定順序的給定子繞組轉(zhuǎn)動進(jìn)行直流通電。為了能準(zhǔn)確判斷按照什么樣的直流通電的順序來正確選擇哪個供電繞組，知道哪個繞組轉(zhuǎn)子安裝在何處。轉(zhuǎn)子的精確位置可以通過用于在定子內(nèi)部一個嵌入的霍爾感器件來進(jìn)行精確檢測。多數(shù)小型無刷直流電機都通常是從其非直流驅(qū)動端的三個定子上分別嵌入三個霍爾傳感器。每當(dāng)一個電磁轉(zhuǎn)子的內(nèi)部磁極直接穿過霍爾傳感器附近時，它們之間都會自然地向其發(fā)出一個位于高電平或者一個低電平的反射信號，表示一個北磁極或者一個南磁極正從而直接穿過該霍爾傳感器。根據(jù)這三個霍爾傳感器電路信號的精確組合，就已經(jīng)可以精確決定各個霍爾換向電路信號準(zhǔn)確的次序?；魻杺鞲衅鞯陌惭b密度也決定了電機轉(zhuǎn)子所在位置的精度，一般有三個霍爾傳感器，不同的精度反映了轉(zhuǎn)子所在不同的電器角度范圍之內(nèi)。在霍爾傳感器還包含了放大電路來放大霍爾元件所測得的電勢差，它們一起共同組成了霍爾傳感器。如圖所示霍爾傳感器在靠近N極時為高電壓，靠近S極為低電壓，這三個均勻分布的霍爾傳感器的值按照順序依次排列，高電頻為1，低電頻為0，這樣所得的結(jié)果可以表示出轉(zhuǎn)子的位置。圖4-4無刷直流電機霍爾信號輸出1.2硬件總體方案設(shè)計為了驗證本文提出的無刷直流電機磁場定向控制系統(tǒng)方案，根據(jù)第二章無刷直流電機的特點以及工作原理，本文設(shè)計了無刷直流電機磁場定向控制的硬件電路。硬件系統(tǒng)以STM32單片機作為主控核心，通過ADC模塊采集三相電流信息，通過磁編碼器采集電機旋轉(zhuǎn)角度與轉(zhuǎn)速信息，通過直流母線電壓采樣電路監(jiān)控直流電源電流的大小，以此使系統(tǒng)對電機形成閉環(huán)控制并達(dá)到防止硬件過載保護的目的。將以上信息送入控制系統(tǒng)進(jìn)行FOC處理后送入PID控制器，單片機通過GPIO輸出值送SVPWM信號進(jìn)入三相逆變?nèi)珮螂娐芬赃_(dá)到驅(qū)動電機的目的。具體的硬件框圖如下所示。圖4-5系統(tǒng)的硬件框圖1.2STM32微處理器簡介本文所使用的主控芯片是STM32F103C6T6微處理器，如圖4-2所示STM32F103C6T6性能線器件集成了以72MHz頻率運行的高性能內(nèi)核，有48個針腳數(shù)，有著37個IO接口。工作溫度為-40℃~85℃(TA)，電源電壓范圍是2V~3.6V，是一個32位芯片。選用的STM32F103C6T6微處理器是STM32F1系列中，配置較為合適，價格也很低廉，所以選用它作為開發(fā)板的芯片。圖4-6STM32F103C6T6芯片1.3控制系統(tǒng)組成電路設(shè)計1.3.1開發(fā)板電源電路如圖4-5所示本設(shè)計所使用的開發(fā)板需要+5V和+3.3V兩種電壓進(jìn)行供電，其中處理器芯片所需要的工作電壓為+3.3V，而外部的其他設(shè)備需要5V電源。圖4-75V和3.3V開發(fā)板供電電路1.3.2驅(qū)動電路驅(qū)動電路位于主電路與控制電路之間，用來對控制電路的信號進(jìn)行放大的中間電路。其作用，簡單明了，接受來自控制電路的輸出的PWM信號，按其控制目標(biāo)要求，轉(zhuǎn)換為可以使電力電子器件改變工作狀態(tài)的信號。本次設(shè)計的驅(qū)動電路中需要用到兩塊大功率MOSFET—IRFS3607、兩塊TLP715光耦隔離芯片和IR2110S一種雙通道、柵極驅(qū)動、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動模塊組合而成的。圖4-8單相驅(qū)動電路圖4-911V轉(zhuǎn)5V轉(zhuǎn)3.3V電路驅(qū)動電路使用一個11V轉(zhuǎn)5V轉(zhuǎn)3.3V的供電電路，在轉(zhuǎn)換的過程中使用了TPS54360DDA等LDO電壓穩(wěn)壓器，使整個轉(zhuǎn)換過程更加連貫，并且在靜態(tài)電流中有更快的相應(yīng)。1.3.3采樣電路相電流采樣電路，在任何一個具有模數(shù)轉(zhuǎn)換的控制系統(tǒng)中必不可少。大致的作用，在某個具體的時刻接受輸入電壓，并一直保持直到下一次采樣開始。一個模擬信號的輸入，一個控制信號和模擬信號的輸出，其工作狀態(tài)在采樣狀態(tài)和保持狀態(tài)這兩種狀態(tài)中切換。此電路通過一個MCP6024運算放大器來放大霍爾傳感器中的測量電壓。圖4-10相電流采樣接口2系統(tǒng)調(diào)試圖5-1設(shè)計選用的電機選用的電機為日本信濃直流無刷電機，內(nèi)轉(zhuǎn)子，無驅(qū)動板，三相八線直流無刷電機，具體參數(shù)如表所示，具體外形如圖5-1所示表5-1選用電機參數(shù)額定電壓105V額定功率22.1W電機直徑36.5mm電機長度61mm電機軸徑5mm輸出軸長度32.5mm重量232g經(jīng)過前面的硬件設(shè)計，結(jié)合軟件部分搭建下面的實驗平臺，整個實驗平臺包括，監(jiān)控計算機，穩(wěn)壓電源，無刷直流電機，STM32開發(fā)板，電機的驅(qū)動板，ST-LINK下載器。圖5-2實驗平臺如圖5-3設(shè)定固定電源的初始電壓為24V，在電機運行以后，隨著速度調(diào)節(jié)旋鈕的旋轉(zhuǎn)，電機的轉(zhuǎn)速和電流都在不斷增加，從初始的0.07A逐漸增加到0.6A左右如圖5-4。圖5-3電機的初始狀態(tài)圖5-4電機運行之后的電流大小先將程序下載到開發(fā)板以后再打開上位機軟件MoterControlWorkbench，選擇磁場定向控制控制模式，點擊監(jiān)控器后連接設(shè)備，如圖所示。通過電機右側(cè)的StartMotor和StopMotor可以控制電機的啟動和停止。通過在下方輸入數(shù)值或者旋轉(zhuǎn)上方的旋鈕來控制電機的轉(zhuǎn)速。將電機的轉(zhuǎn)速設(shè)置為1000r/min,