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摘 要

在现代汽车上，发动机冷却系统普遍采用了电动冷却风扇。因此想让汽车发动机工作特性较好，并且工作温度也较为适宜，一个良好的冷却风扇控制系统是必不可少的。在冷却风扇的工作过程中，电机性能的好坏是一个很关键的因素，它会影响冷却风扇的工作温度，进而影响其工作效率。因此寻找一种合适的电机控制器是很有必要的。与传统的电机相比，无刷直流电机主要具有以下一些优点：它的动态相应较好并且运行工作时的噪声小，除此之外，它的工作效率较高并且使用寿命也比较长以及较低的维护成本等一系列优点。因此，无刷直流电机机已广泛应用于各行业，尤其是在电器生产，医药，航空等领域。

本文首先了解研究直流无刷电机的结构及控制方式，并以此作为依据，设计了一种无刷直流电机控制系统。通过对其组成结构以及以何种原理工作的分析，以此作为基础，得出了其数学模型；其次，在仿真软件环境中，对其控制系统进行了仿真设计；最后以电流环作为内环，速度环作为外环设计了无刷直流电机控制系统的仿真模型，在给定电机相关参数的基础上对波形进行了分析。

除此之外，本文在对无刷直流电机模型仿真的基础上，对其控制系统的硬件电路部分和软件部分进行了研究设计。在硬件上设计了基于STM32控制芯片的一系列外围电路，在软件上分别设计了控制系统的主程序和中断子程序。

关键词：无刷直流电机；双闭环控制；PI调节器；STM32芯片

Abstract

In modern automobiles, electric cooling fans are commonly used in engine cooling systems. Therefore, a good cooling fan control system is indispensable to make the car engine have better operating characteristics and more suitable operating temperature. During the operation of the cooling fan, the performance of the motor is a key factor, which will affect the operating temperature of the cooling fan, which in turn affects its working efficiency. Therefore, it is necessary to find a suitable motor controller. Compared with traditional motors, brushless DC motors mainly have the following advantages: its dynamic response is relatively good and the noise during operation is small. In addition, its working efficiency is higher and its service life is longer and longer. A series of advantages such as low maintenance cost. Therefore, the brushless DC motor has been widely used in various industries, especially in the fields of electrical production, medicine, aviation and so on.

This article first understands the structure and control method of the brushless DC motor, and based on this, a brushless DC motor control system is designed. Through the analysis of its composition structure and the principle of working on it, the mathematical model is obtained; secondly, in the simulation software environment, the control system is modeled and simulated analysis; finally through For the research and analysis of its drive control strategy, the current loop is used as the inner loop, and the speed loop is used as the outer loop. The control system is designed, and the waveform is analyzed based on the given motor related parameters.

In addition, based on the simulation of the brushless DC motor model, this paper studies and designs the hardware circuit part and software part of its control system. A series of peripheral circuits based on STM32 control chip are designed on the hardware, and the main program and interrupt subroutine of the control system are respectively designed on the software.

Key words: Brushless DCmotor;Double closed loop control;PI regulator;STM32

目录

1 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2汽车风扇电机控制系统发展历程 2

1.2.1双速型汽车冷却风扇控制系统 2

1.2.2PWM型汽车冷却风扇控制系统 3

1.3汽车风扇电机研究现状 4

2 无刷直流电机的组成结构与数学模型 6

2.1无刷直流电机的组成结构及工作原理 6

2.2无刷直流电机的数学模型 7

2.3无刷直流电机与永磁同步电机的比较 10

3无刷直流电机控制系统的仿真 12

3.1无刷直流电机方波电流驱动控制 12

3.2无刷直流电机控制系统的建模 14

3.3仿真波形 14

4无刷直流电机控制系统总体设计 17

4.1控制系统的硬件设计 17

4.1.1驱动电路 17

4.1.2电流检测电路 18

4.1.3转子位置检测电路 19

4.1.4光耦隔离电路 19

4.2控制系统软件设计 20

4.2.1主程序设计 20

4.2.2定时中断子程序 21

5.总结与展望 23

参考文献 24

致谢 25

1 绪论

1.1课题研究背景及意义

由于当前我国工业以及汽车制造业的高速推进和稳步发展,人们对于各种汽车本身使用性能以及整体使用的好坏以及品质整体要求也越来越高,而汽车本身最重要也是核心的一个组成部件-汽车发动机,其本身整体使用性能的好坏以及品质整体好坏往往甚至会直接影响到汽车的本身整体使用性能以及品质上的优劣。使汽车燃料使用量增多，而且发动机自身的使用寿命也会受到很大的影响，所以发动机只有工作在适宜的温度范围内才能发挥最大功效。在现代汽车工业中，发动机冷却系统很多都采用了一种特殊的风扇-电动冷却风扇。要想让其汽车发动机工作在最适温度上就必须对电动冷却风扇进行控制。因此寻找一个有效且高性能的电机控制系统是非常有必要的。

作为一种机电-机械能量相互转换装置，电机经过长足的应用发展，它的应用领域已不断扩展涉及到整个现代经济社会和整个国民经济的各个领域和各个环节。为了能够适应各种不同的实际驱动应用，相继有各种不同类型的电机产品诞生,其中主要包括驱动同步电机、异步电机、直流驱动电机、开关磁阻驱动电机以及其它一些不同种类的电机。通过对这几种不同类型的电机比较，能够明显发现,其中同步电机虽然具有转矩较大、效率和调速精度高、机械传动特性硬等诸多优点,但也还存有一些不足的短处地方，例如同步电机电流调速较为困难、容易“失步”等一些缺点等都限制了它的主要应用领域范围；相比之下，虽然小型异步电机其整体结构简单、制造简便、运行稳定、价格实惠，但是它的调速机械传动特性软、启动复杂、功率损失因数低、要用于实现应用范围较大的平滑电流调速还不够简单经济，并且异步电机还要从交流电网中直接吸收很多励磁电流，它们的功率因数是滞后的，通过这种方法，电网的功率因数可以被降低。虽然小型异步电机的制造成本比较低，但是它也存在诸如噪声和转矩波动比较大等一些问题，这些技术问题在某些技术层面上已经妨碍了它被大量的规模推广应用；直流电机因为具有高速启动、控制特性好、调速范围广且平稳、过载调速能力强并且电机受到的电磁干扰小等诸多重要优点，在对电机启动和过载调速系统性能要求比较高的工业中，直流电机被广泛的选择应用。如民用城市有轨电车、大型起重运输设备、内燃机车等。但是，传统的直流电机的油刷换向都往往是直接采用电动机械油刷换向，并且由于采用了大量电动油刷，因此在接触时，可能有很多磨损或者火花被产生，并且直流电机的复杂结构限制了其工作体积和电机重量的进一步减小,使得它在一些特殊应用场合的实际应用被严格限制了。因此在一些对系统性能控制要求较高的应用场合中，急需一种新型的直流电机出现。而新型无刷直流电机的出现正好满足了这一技术要求。它同时具有安全运行可靠、噪声小、无产生火花、寿命长和安装维护方便等一系列优点,被广泛应用于各种负载调速器和驱动器的场合。

1.2汽车风扇电机控制系统发展历程

1.2.1双速型汽车冷却风扇控制系统

如下图1-1所示,双速型发动机空调冷却和风扇控制系统工作原理：如果汽车空调冷却液超过温度限定阈值，以及另外一种情况出现：打开汽车空调后空调冷却压力超过系统规定的限值，在这两种情况下系统中的温度开关，或者是空调冷却压力控制开关会产生自行接通的动作。此时，如图1-1所示，图中的J1和J2会产生动作，并进行工作。两个继电器工作后会使相应的开关闭合，电路接通，随之风扇电机会开始工作。在图1-1中，当J1继电器处于快速吸合状态时，驱动风扇仍然处于慢速这一档位进行机械输出。当J2继电器处于快速吸合状态时，驱动风扇仍然处于全速启动这一档位进行机械输出。不管是上述哪一种类型的冷却系统，冷却风扇只有两个高低不同档位的额定工作旋转速度，对冷却水箱内部温度的控制精度很低。而且低速电路运行时主要是靠一个串联的整流电阻或者分流降压电路来直接进行降速,电阻上面会有约几十瓦的余热能量白白的转换成为大量热能并将损失消耗掉。

双速型风扇冷却控制系统的主要优点在于：系统结构较为简单、制造成本较低以及有较强的实用性。它的缺点在于：对于热水箱内的温度控制精度非常低、低速时使用还有一个分频高压加热电阻可以进行热量的消耗。

图1-1

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