摘 要
无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。
自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。
本设计是把无刷直流电动机作为电动自行车控制系统的驱动电机，以PIC16F72单片机为控制电路，单片机采集比较电平及电机霍尔反馈信号，通过软件编程控制无刷直流电动机。
关键词 无刷直流电动机 单片机 霍尔位置传感器
I
Abstract
Brushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of. At this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under common concern.
Since the 1990s, as people's living standards improve and modernize production, the development of office automation, household appliances, industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency, small size and high intelligence, as the implementation of components An important component of the motor must have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application is also growing rapidly.
This design is the brushless DC motor as the electric bicycle motor-driven control system, PIC16F72 microcontroller for control circuit, SCM collection and comparison-level electrical signal Hall feedback, software programming through brushless DC motor control .
Key words： bldcm the single chip processor hall position sensor
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目录
第一章 概 述 ........................................................................................................................... 1
第一节 无刷直流电动机的发展概况 ................................................................. 1 第二节 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 ............................. 2 第三节 无刷直流电动机的结构及基本工作原理 .......................... 2 第四节 无刷直流电动机的运行特性 .................................... 5 第五节 无刷直流电动机的应用与研究动向 ...................................................... 7 第二章 无刷直流电动机控制系统设计方案 ....................................................................... 9
第一节 无刷直流电动机系统的组成 .................................... 9 第二节 无刷直流电动机控制系统设计方案............................................................. 11 第三章 无刷直流电动机硬件设计 .................................................................................... 14
第一节 逆变主电路设计 ............................................. 14 第二节 逆变开关管驱动电路设计 ..................................... 16 第三节 单片机的选择 ............................................... 18 第四节 人机接口电路 ............................................... 22 第五节 门阵列可编程器件GAL16V8 ................................... 25 第六节 传感器选择 ................................................. 26 第七节 周边保护电路 ............................................... 29 第八节 电源电路 ................................................... 31 第四章 无刷直流电动机软件设计 .................................................................................... 32
第一节 直流无刷电机控制器程序的设计概况 ........................... 32 第二节 系统各部分功能在软件中的实现 ............................... 32 第三节 软件流程图 ................................................. 33 结论 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。 致谢 ........................................................................................................................................... 36 参考文献 .................................................................................................................................. 37
第一章 概 述
第一节 无刷直流电动机的发展概况
无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。
1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。
无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用，1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础，无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了 MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。
随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入，无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。1986年，H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域，成为无刷直流电动机的经典文献，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。
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我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。
第二节 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较
表1-1 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 项目 无刷直流电动机 有刷直流电动机 换向 借助转子位置传感器实现电由电刷和换向器进行机械换子换向 向 维护 由于没有电刷和换向器，很需要周期性维护 少需要维护 寿命 比较长 比较短 机械（速度/力矩） 平（硬）在负载条件下能在中等平（中等硬）。在较高特性 所有速度上运行 速度上运行时，电刷摩擦增加，有用力矩减小 效率 由于没有电刷压降，所以效中等 率高 输出功率/外形尺寸之比高 由于电枢绕组设置在与机壳中等/低。电枢产生的热量消相连的定子上，容易散热。散在气隙内，这样增加了气这种优异的热传导特性允许隙温度，从而限制了输出功减小电动机的尺寸，所以输率/外形尺寸之比 出功率/外形尺寸之比高 转自惯量 低。因为永磁体设置在转子转自惯量高，限制了动态特上，改善了动态响应 性 速度范围 比较高。没有电刷/换向器给比较低，存在电刷给予的机予的机械限制 械限制 电气噪声 低 电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干扰 制造价格 比较高 低 控制 复杂和价格贵 简单和价格不贵 控制要求 为了使电动机运转必须要有对于一个固定的速度而言，控制器，但同样的控制器可不需要控制器；有变速要求用于变速控制 的时候才需要控制器 第三节 无刷直流电动机的结构及基本工作原理
一、 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，控制动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变
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