摘 要

随着无刷直流电机调速系统的调速精度和鲁棒性的要求原来越高，采用传统电机机械换向的方式已经越来越难以满足电机在各个领域之中的应用了，传统的控制算法和控制器，在很多场合上也难以满足需要。在智能控制方法和高性能控制器开始广泛发展的背景下，本课题设计了以DSP为基础的无刷直流电机调速系统。

在控制算法上，我们学习了传统的PID控制算法以及神经网络理论，分析研究了基于单神经元自适应PID控制算法的转速、电流双闭环无刷直流电机调速系统，并且用Altium designer 画出了电源电路、控制主电路以及DSP外围扩展电路的详细电路图。

在理论分析的基础上，本次设计以TI公司的TMS320F2812DSP为主控制芯片，设计了无刷直流电机调速系统的硬件部分，其中包括DSP主控电路、功率变换电路、IGBT驱动电路、电路采样电路、转子位置信号检测电路、按键电路、显示电路、保护电路。

通过对本次设计进行模拟假设，画出了设计的总体电路图，可行性较为理想，证明本文所设计的控制方案满足无刷直流电机调速系统的要求。

关键词：无刷直流电机；DSP；硬件设计；Altium designer

Abstract

With BLDCM（Brushless DC Motor）speed control system of the speed control accuracy and robustness of the original higher, the traditional mechanical motor reversing has become increasingly difficult to meet the motor in various fields of application the, the traditional control algorithm, on many occasions also difficult to to meet the need. Under the background of the development of intelligent control method and high performance controller, the speed control system of Brushless DC motor based on DSP is designed in this paper.

In the control algorithm, we learn the traditional PID control algorithm and the neural network theory, analysis of the single neuron adaptive PID control algorithm, the speed and current double closed loop brushless DC motor speed control system based on, and use Altium designer to draw out the power supply circuit, a control main circuit and DSP peripheral expansion circuit with circuit diagram.

On the basis of theoretical analysis and the design to TI's TMS320F2812 DSP main control chip, design the hardware part of the brushless DC motor speed control system, including DSP control circuit, power conversion circuit, IGBT drive circuit, the current sampling circuit, the rotor position signal detecting circuit, keyboard circuit, display circuit, the protection circuit.

Through the simulation hypothesis of this design, the design of the overall circuit diagram, the feasibility is more ideal, it is proved that the control scheme designed to meet the requirements of Brushless DC motor speed control system.

Key Words：Brushless DC Motor；DSP；hardware design；Altium designer

目录

第1章 绪论 1

1.1无刷直流电机概述 1

1.1.1无刷直流电机的发展状况 1

1.1.2无刷直流电机的特点 1

1.1.3 无刷直流电机调速系统的研究现状 2

1.2 本文研究内容 2

第2章 无刷直流电机的结构以及工作原理 4

2.1无刷直流电机的结构 4

2.2无刷直流电机的运行原理 5

2.3 无刷直流电机的数学描述 6

2.4 无刷直流电机调速原理的介绍 9

2.5 无刷直流电机全桥驱动的原理及换相 9

2.6无刷直流电机的双闭环控制原理 12

2.6.1无刷直流电机双闭环调速系统 12

2.6.2 PID控制原理 13

2.7本章小结 14

第3章 无刷直流电机调速系统硬件电路设计 15

3.1系统硬件总体设计 15

3.2TMS320F2812DSP芯片简介 15

3.3 DSP外围电路的设计 16

3.4功率变换及其功率驱动电路的设计 20

3.4.2驱动电路的设计 21

3.6 速度闭环电路的设计 23

3.6.1速度给定电路的设计 23

3.6.2位置信号检测电路的设计 24

3.7按键和显示电路的设计 24

3.7.3键盘控制电路设计 25

3.8本章小结 26

第4章 总结 27

4.1工作总结 27

4.2不足和展望 27

参考文献 28

附录A电源电路原理图纸 30

附录B功率驱动主电路原理图纸 31

附录C DSP外围电路原理图纸 32

附录D 键盘和显示电路原理图纸 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1无刷直流电机概述

1.1.1无刷直流电机的发展状况

电机作为能量之间相互转换的装置已经有一个多世纪的历史了，而且在人们日常生活之中的各个国民经济领域之间已经相当普及。其分类主要有同步电机、异步电机以及直流电机等等，容量也有大有小，从几瓦到上千万瓦都有。直流电机虽然运动效率比较高，调速性能比较好，但是由于传统的直流电机必须要用到电刷这个装置，用机械的方法进行换向，所以存在有相对的机械摩擦，从而有了噪声、无线电干扰、火花一级寿命短的致命弱点，再加上其制造成本和维修维护技术层面比较困难，所以大大限制了传统直流电机的应用范围，导致在当前的社会生产方面，三相异步电动机占了主导地位。^【1】

随着科学与技术的不断发展与创新，材料领域也发展迅速，这就使得新技术和新材料大量的出现，从而推动了电机产品的发展。传统直流电机存在如此多的弊端，为了解决这些问题，大约八十年前一些科学家想通过电子换向来替代以电刷为基础的机械换向，也取得了不错的进步。但是当时的技术受到了其他技术的制约，大功率电子器件技术还处于刚刚起步的状态，理想的电子换向器无法找到，因此无刷直流电机只是一种概念性的研究然而并不能推广使用。1955年，D.Harrison(美)等人首次应用了晶体管换向来替代电机的电刷机械换向，并且申请了专利，现代的无刷直流电机就是以此为最初形态发展过来的。到了二十世纪七十年代，电力电子工业得到了迅速的发展，很多新型的高性能半导体功率器件发展起来，出现了MOSFET管和IGBT管等，还有一些高性能永磁材料的产生，这些技术的飞速发展都大大了拓广无刷直范围流电机的使用范围。^【2】

1.1.2无刷直流电机的特点

无刷直流电机的电枢绕组在定子上面，转子上面放置了永久磁钢，使其在保持机械特性和控制特性方面保持了传统电机的优良基础。无刷直流电机使用多相形式来进行绕组，电信号经过逆变器的作用之后供给导通到了直流电源，电机上面具备能够实现电子换向的霍尔元件，从而代替了传统电刷结构的换向装置。电机的各个相之间依次通电来产生电流，转矩通过转子主磁场和定子磁场之间的相互作用来产生。无刷直流电机因为用霍尔器件的电子换向方式替代了传统的电刷机械换向方式，避免了滑动摩擦产生的能量损耗，因此消除了主要故障的根源，从而增加了其使用寿命和维护成本。另一方面，无刷直流电机因其没有绕组，所以也就消除了励磁损耗，再加上主磁场的恒定不变也就减小了电机的铁损耗。所以除了电机转动不可避免的损耗外转子方面产生的损耗就可以忽略不计了，这就加强了工作的可靠性和提高了电机能量转换的整体效率。^【3】综上所述，无刷直流电机具备结构简单、便于维护、工作效率高、寿命长、维修成本低等优点，同时也保留着传统电机的运行效率高、转矩大、动态性能好、调速简单等优点，而且还优化了传统直流电机因电刷的机械换向所形成的难易维护和电火花干扰的缺点，综合了直流电机和交流电机的优良性能，使新一代电机向着无刷直流的方向发展。^{【7】【8】}

1.1.3 无刷直流电机调速系统的研究现状

针对无刷直流电机调速系统的研究，目前的主要研究方向分为硬件和软件两部分。硬件部分的研究领域是电机控制器的选择和使用，软件部分主要负责在控制算法方面进行研究。^【4】

自从单片机技术的问世，利用单片机来对电机系统进行控制应用越来越广泛，这就加速了电机控制系统的发展。单片机控制系统以单片机为系统的硬件核心，通过它来完成控制算法的实现，并且担任了输入输出以及键盘显示等任务。单片机使用和发展领电机控制领域进入到了一个新的阶段。但是，单片机本身的结构又有诸多限制，控制系统虽然以单片机为核心，其外围仍需要很多的外围器件，例如需要外接数模（A/D）转换器来实现模拟信号的输入等。系统中增加元器件使得印制电路板的尺寸和成本增大，从而降低了其可维护性和系统的稳定性。此外，由于单片机的处理速度较慢，是的系统控制性能的控制算法很难进行实时执行。所以，以单片机为基础的电机控制系统主要应用于控制精度及性能要求较低的场合。