PLC及运动控制系统创新实践报告——无刷电机的研究与控制
学院自动化科学与工程学院学生姓名学生学号指导教师赖玉斌
提交日期2012年7月8日
一无刷电机介绍与选题要求1无刷电机背景资料介绍电动机的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。
电动机的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；提供保护和显示等等。
近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。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BLDC。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，所以值得业界关注。本产品已经生产超过5kW，可设计到40kW，可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。无刷电机在我国的发展时间虽短，但是随着技术的日益成熟与完善得到了迅猛发展。已在航模、医疗器械、家用电器、电动车等多个领域得到广泛应用，并在深圳、长沙、上海等地形成初具规模产业链。如深圳伟业电机、长沙科达等一批
专业厂商，在技术上不断推进行业发展。近几年来，无刷电机成为在模型领域里快速发展的一种动力。由于产量和价格的原因，过去几年无刷电机多使用在中高档航空模型中，现在由于机械加工技术的快速发展，无刷电机的生产成本下降许多，目前它正进入模型领域的各个层面，从电动遥控车到电动遥控船再到电动模型飞机，无处不在。
2基本要求1)了解无刷电机结构组成与工作原理；2)无刷电机与其它电机比较优缺点；3)控制方案与策略设计；
4)实验和调试；5)论述报告。
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二无刷电机结构组成与工作原理1．无刷直流电动机转矩分析电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴，控制电路对位
置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。
图1无刷直流电动机工作原理示意图如图1-1所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。
当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。
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转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间
对应于转子旋转120电角度。无刷直流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。2．无刷直流电动机与输出开关管换流信号
无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图1-2所示，以信号A为例，A相位置宽度为180电导角：在0-60度，T1必须
导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，（此时下部可供导通的管子为T4、T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度—120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度—180度时，由于每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断（T1=0），T2仍然
导通（B相开始进入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通（防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。其他时间段的开关管导通情况与此类似。理论上，只要保证三个位置传感器在空间上互差120度，开关管的换流时刻总是可以推算出来的。然而，为了简化控制电路，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点（r
0=0）上.那么在r0=0的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻（即该相反电势相位30度位置）恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。同理，其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定。
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图2无刷电动机位置检测及开关管驱动信号表1无刷电动机直流通电控制方式开关切换表旋转方向位置传感器逆变桥开关管驱动信号ABCT1T2T3T4T5T6
正转001000011101100010001100110001001110011000
反转001101000010110100000111100110000011三无刷电机与其它电机比较优缺点
1、适用范围：无刷电机：通常被使用在控制要求比较高，转速比较高的设备上，如航模，精密仪器仪表等对电机转速控制严格，转速达到很高的设备商，另外现在最为先
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进的干手器，迪奥电器产的无刷电机DIHOUR干手器也用的是这种电机，其电机和控制器的成本都很高，所以也之后比较高端的设备才被使用。碳刷电机：通常动力设备使用的都是有刷电机，如吹风机、工厂的电动机、家用的抽油烟机等等，另外串激电机的转速也能达到很高，但是由于碳刷的磨损，使用寿命不如无刷电机。2、使用寿命：
无刷电机：通常使用寿命在几万小时这个数量级，但是由于轴承的不同无刷电机使用寿命也有很大不同。碳刷电机：通常有刷电机的连续工作寿命在几百到1千多个小时，到达使用极限就需要更换碳刷，不然很容易造成轴承的磨损。3、使用效果：
无刷电机：通常是数字变频控制，可控性强，从每分钟几转，到每分钟几万转都可以很容易实现。碳刷电机：碳刷电机一般启动以后工作转速恒定，调速不是很容易，串激电机也能达到200转/分，但是使用寿命会比较短。4、节能方面：
相对而言，无刷电机采用变频技术控制的会比串激电机节能很多，最典型的就是变频空调和冰箱。5、日后维修方面：碳刷电机需要更换碳刷，如果更换不及时会造成电机的损坏，而无刷电机，使用寿命很长，通常是有刷电机的10倍以上，但是坏了就需要更换电机，但日常
维护基本不需要。四无刷电机控制方案与策略设计、1、设计方案比较设计方案比较设计方案比较设计方案比较
无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简单无需维护的优点，因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。目前，数字调速系统主要采用两种控制方案:一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制，应
用范围广，且灵活方便。电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能:对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号;产生
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PWM脉宽调制信号，实现电机的调速;实现短路、过流、欠压等故障保护功能。控制器是电动自行车的驱动系统，它是电动自行车的大脑。其主要作用是在保证电动自行车正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池，以及降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度。目前，市场上常用的电动自行车无刷直流电机控制器主要采用专用集成电路为主控
芯片，像MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，其针对无刷电机的控制要求，将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟式控制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向，根据电机内的位置传感器(霍尔传感器)信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。该控制系统的缺点是智能性差，保护措施有限，系统升级空间小。
本设计采用单片机作为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便，通常将此类控制器称为数字式控制器。近几年，国外一些大公司纷纷推出较MCU性能更加优越的DSP(数字信号处理器)芯片电机控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24
系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一个以DSP为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。但是这些专用芯片价格昂贵，外围电路设计复杂，在广大的民用市场无法大规模推广应用。无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。在有位置
传感器的控制方法中，现今，由于霍尔传感器性价比高，安装方便，被广泛应用作为无刷直流电机的位置传感器。当前，国内外对无刷直流电机无位置传感器的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法、续流二极管检测法、脉冲检测法神经网络控制法等。但是由于无位置传感器控制方法在低速时无法实现精确的速度调制，所以现阶段在电动车领域只是处于研究阶段，无法推广到工业生产当中。
2、无刷直流电动机控制系统组成框图无刷直流电动机控制系统组成框图无刷直流电动机控制系统组成框图无刷直流电动机控制系统组成框图无刷直流电动机控制系统框图,如图2所示:
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图3电动机驱动控制框图（1）微控制器主要功能是根据电动机旋转方向的要求和来自霍尔转子位置传感器的三个输出信号，将它们处理成功率驱动单元的六个功率开关器件所要求的驱动顺序。微控制器的另
一个重要作用是根据电压、电流和转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过AD变换和必要的运算后，借助内置的时钟信号产生一个带有上述各种信息的脉宽调制信号。（2）功率驱动单元主要包括功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和自举电路。自举电路由分立器件
构成的，也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路。（3）位置传感器位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。（4）周边辅助、保护电路
主要有电流采样电路、电压比较电路、过电流保护电路、调速信号和制动信号等输入电路。五基于MCL系统教学实验平台的实验
1、实验步骤
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（1）、见图4，连接主电路、电流检测、过流保护、频/压（f/v）转换等环节的连线，并将U相定子电流取样电阻短接。（有上位机时，连接上位机与组件间的串口通讯线。）（2）、检查给定电位器是否放在零位（要求电位器左旋到底）。（3）、经接线检查无误后，合上MCL－14组件左下方的电源开关，这时系统缺省设置在开环控制方式下。
（4）、如需转换控制方式，须待电机停止后再按控制方式按钮，相应控制方式指示灯亮。（5）、系统设置于开环工作状态，分别在有与无位置传感器情况下，进行电机转子位置信号检测实验。<1>选择“有无位置传感器”按钮，使系统工作在有位置传感器状态（“有传感器”
指示灯亮）；然后启动电机，将速度设定电位器顺时针旋转到二分之一额定转速（n/2）左右的位置，用双线示波器同时测量与记录电机的位置传感器输出PSU、PSV与地之间的波形，并观察两波形之间的相位关系。<2>待电机停止后，揿选择“有无位置传感器”按钮，使系统工作在无位置传感器状态（“无传感器”指示灯亮）；然后启动电机，用双线示波器测量与记录端电压与(-U
d/2)比较后比较器输出Ou、Ov与地之间的波形，并观察两波形之间的相位关系。（6）、系统处于开环控制状态，起动电机到二分之一额定转速（n/2）左右，测试并记录下列波形。<1>功率晶体管基极控制波形；
用双踪示波器测试DSP输出功率晶体管基极控制信号1（对应于Ug）、2（对应于Vg）与GND之间波形，并分析两波形间的相位关系。<2>电机定子线电压（U、V之间）波形；<3>电机定子电流波形；将U相定子电流取样电阻短接线拆除，用示波器观测并记录定子电流取样电阻两端
波形，测试完毕后仍将该电阻短接。（7）、速度调节器改变时系统稳态机械特性测试电机在高速与中速条件下，负载从轻载按一定间隔加到额定负载（考虑到主回路母线电流I
d与电机定子电流I1间存在固定的比例关系，为简单计，以母线电流近似地代替电机定子电流，Id可在0~1.0A范围内变化），在速度调节器采用下列控制方式时分别测出系统稳态机械特性曲线：<1>开环控制；<2>PID控制；
<3>模糊控制（FUZY）；<4>模糊-PID控制。（8）、不同控制方式时的系统动态特性研究
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调节电机速度到n/2左右，用示波器观察并记录在不同控制方式时的下列动态波形：<1>突加给定时的n=f（t）（即Un=f（t））与id=f（t）（即UFI=f（t）），起动电机到n/2左右，按停机按钮待停机后再按起动按钮，即可观察上述波形。<2>突减给定时的n=f（t）与i
d=f（t），起动电机到n/2左右，按停机按钮即可观察上述波形。（9）、速度调节器在不同P、I、D参数时的系统动态特性研究系统处于PID控制状态，调节电机速度到n/2左右，用示波器观察并记录不同P、I、D参数时的动态波形U
n=f（t）。（注意：须待电机停机后才能改变PID参数。）注意，选用上位机后，可在上位机人机界面上完成实验操作、观察和记录实验曲线。请在实验前仔细阅读“MCL-14上位机程序使用说明”，以便掌握具体操作方法。
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图4实验连接图2、实验结果数据记录及分析（1）实验测定的波形图
VgUg
U+AU+
GTRP
C1+
UgVg
WgWg
iUUVW
UFIUFIf/V
Un编码器UFI
U-U-
Nf/V
21435
6GND
串行接口转速反馈
(TMS320F240)
P图7-8
Uw1U1Uu-1
Un
Uv1-Ou
PSUPSV
OvOw
PSWVC
-1
ID
FUZZYPIDF-PID
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图5位置传感器输出PSU、PSV与地之间的波形
图6比较器输出Ou、Ov与地之间的波形
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图7电机定子线电压（U、V之间）波形
图8电机定子电流波形（2）、不同控制方式时的系统动态特性研究
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图9突加给定时开环控制下电机n=f（t）与id=f（t）的波形
图10突加给定时PID控制下电机n=f（t）与id=f（t）的波形
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图1突加给定时模糊控制控制下电机n=f（t）与id=f（t）的波形
图12突加给定时模糊-PID控制下电机n=f（t）与id=f（t）的波形（3）、速度调节器在不同P、I、D参数时的系统动态特性研究
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图13P=2,I=0.8,D=1.9
图14P=4,I=0.4,D=2.19（4）、速度调节器改变时系统稳态机械特性测试表2开环控制下电机高速机械特性测试转速n/rpm1076929855794707
电流I/A0.2030.2700.3370.4200.504
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图15开环控制下电机高速机械特性曲线表3PID控制下电机高速机械特性测试转速n/rpm12351233118010971031电流I/A0.2320.7180.8040.9050.960
图16PID控制下电机高速机械特性曲线表4模糊控制下电机高速机械特性测试转速n/rpm1239118911761113985
电流I/A0.2060.4130.7400.8830.961
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图17模糊控制下电机高速机械特性曲线表5模糊+PID控制下电机高速机械特性测试转速n/rpm12351234123411781040电流I/A0.2200.4010.6080.8020.951
图18模糊-PID控制下电机高速机械特性曲线由以上各种控制方式下所得的机械特性曲线可以得知：模糊-PID控制方式的机械特性曲线是最硬的，而开环控制方式的机械特性曲线是最软的，其他两种控制方式的机械
特性位于两者之间。
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六个人心得本次创新实践，主要是了解无刷电机，是对课本知识的补充。前期主要是通过网络查找有关于无刷电机的有关资料以及无刷电机的控制方案，对于无刷电机有个初步的了解。在这次实践中，通过实验来了解各种控制方式下的机械特性，了解无刷电机的优缺
点和其他电机的区别。无刷电机是电机未来发展的方向，本次创新实践主要是了解电机方面的知识。自己在以后的日子，应该更进一步的了解具体的控制方案，能自己编写控制无刷电机的具体控制方案的程序。参考文献
《电力手动与运动控制系统》第二版，罗飞、郗晓田、文小玲、许玉格等编著，化学工业出版社，2007.2.《电气控制与可编程序控制器的原理及应用》，陈立定等编著，机械工业出版社。
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