摘 要

在电气时代的今天,无刷直流电机在各个方面的运用越来越广泛，所以基于无刷直流电机的控制系统也越来越重要。无刷直流电机控制器的性能决定了电机对能量的有效转换率，同时也决定了电机是否能稳定和可靠的运行。无刷直流电机控制系统有的使用位置传感器，有的不使用位置传感器。本文通过霍尔传感器来检测无刷直流电机转子的位置，稳定性和效率比不使用时高。

此外，本文采用了STM32F103RBT6芯片作为主要的控制器，设计了电源电路，驱动电路，MOS桥电路，信号采集等电路。通过比较开环系统和闭环系统的优缺点，本系统采用闭环控制来实现无刷直流电机的稳定运行，在转速控制方面，采用PWM方式来控制无刷直流电机的转速。

关键词:无刷直流电机； STM32； 闭环控制

Abstract

In the electrical age today, the brushless DC motor is applied more and more widely in all fields, DC motor control system based on brushless is more and more important. The performance of Brushless DC motor controller determines the motor efficiency, but also determines the reliability and stability of the motor. Some brushless DC motor control system use the position sensor, some do not use position sensor. The Hall sensor is used to detect the rotor of Brushless DC motor position in this system, and stability and efficiency are better than when do not use .

In addition, this paper uses STM32F103RBT6 chip as the main controller, the design of the power circuit, drive circuit, MOS bridge circuit, signal acquisition circuit. Through comparing the advantages and disadvantages of open-loop system and closed-loop system, this system adopts closed-loop control to achieve stable operation of Brushless DC motor, and this system uses PWM to control the speed of the brushless DC motor .

Key words: Brushless DC motor； STM32； Closed-loop control

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 主要设计内容 3

第2章 无刷直流电机的基本控制原理和方案设计 4

2.1 无刷直流电机工作原理 4

2.2 三相全桥驱动原理 5

2.3 无刷直流电机PWM波脉宽调速原理 6

2.4 PWM死区 7

2.5 控制系统总体设计方案 8

第3章 控制系统电路设计 9

3.1 STM32芯片与IR2103的简单介绍 9

3.2 STM32F103RBT6最小系统 10

3.3 三相全桥驱动电路 11

3.4 IR2103驱动电路 12

3.5 供电电源电路 13

3.6 位置检测电路 13

3.7 调速电路 14

3.8 保护电路 14

第4章 总结 17

参考文献 18

致谢 19

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

近几年来，全世界能源短缺情况越来越严重，能源浪费情况十分严重，能源的有效利用成为世界上各个国家研究的重要内容。根据人们大范围的统计，现今大约有90％的动力来源于无刷直流电机，在我国国内产生的电力能源大约有60％用于无刷直流电机^[1]，无刷直流电机控制系统的好坏不仅关系着电机能否更有效率的转换能量，而且还影响电机是否能稳定和可靠的运行^[3]。无刷直流电机不仅保持了传统直流电机良好的动、静态调速特性，而且结构比较简单、工作时能稳定运行、易于控制。无刷直流电机最早运用在军事方面，但后来想其他各个方面发展的十分快。因此，研究对能量利用更加高效的直流电机及其控制系统能够有效地提高我们人类在各个方面对能源的利用效率。自从人们发明出了直流电机以后，它的发展路程就很坎坷，但随着科学技术的不断进步，直流电机取得了巨大的进步。

初期，直流电机运用电刷来进行换向，其中电刷也经历了很多代的改动，由铜片电刷改为铜丝电刷，铜网电刷，碳刷。但是直流电机使用电刷换向就会出现机械磨损，使电机对能源的转换率降低，还有，电机运转时不会那么稳定，出现故障的次数会比较多。电刷来回摩擦会产生电火花，这会导致无线电干扰产生，还有，电刷会使直流电机运行时的噪音变得比较大，会使电机变得比较复杂，这就会让电机的修理和保养不会那么容易，所以人们一直在查找并实验看看有什么东西能够代替电刷。

随着人们对电力电子技术、材料技术加大力度的研究，位置传感器和功率器件开关电路逐渐被人们发明了出来。它们慢慢地替换了有刷直流电机中的电刷换向装置。因为无刷直流电机既有交流电机的工作可靠，构造比较简单，修理和保养比较容易，效率比较高等优点，转速也不会受换向器的制约，又不会像交流电机那样调节速度和启动性较差^[13]。所以，小到我们日常生活中使用的各种家用电器，大到工业生产，交通运输，航空航天都在使用着各种各样的无刷直流电动机。而且随着无刷直流电机在各个方面的的普遍运用，如何控制无刷直流电机的稳定运行也越来越重要。

1.2 国内外研究现状

自从1831年，法拉第发现了电磁感应定律，电机就从此步入了人们的视线。因其转矩特性比较好，直流电机在各个方面的运用都比较广，但是一般的直流电动机有很多缺点，影响了它在更广领域的使用。比如：电机运行时噪音比较大，因为使用电刷换向，稳定性较差，必须很频繁的进行维修护理；而且换向的时候会产生电磁干扰，会使电机不能正常的正常运转。为了消除使用这种换向的缺点，人们后来发明了电子换向装置，以此来代替机械换向。其实，早在18世纪，Boiiger就想出来了一个特别的设计思路并且使用了整流管来替换机械电刷。代表着无刷电动机的出现是1955年美国的D．Harrison和其他一些人第一次申请了使用晶体管换向电路来替换机械电刷的专利^[4]。然而使用电子换相装置的无刷直流电动机真真正正从实验室走了出来，进入了实用阶段，主要归功于1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出^[11]。从此之后，世界上各个国家都对无刷直流电动机加大了研究力度，方波无刷直流电机和正弦波直流无刷电机相继问世。后面，人们对新的永磁材料、微电子技术、自动控制技术、电力电子技术还有大功率开关器件的研究比较深入，无刷电动机的更新换代还是比较快的。随后无刷直流电机的解释也在不知不觉中改了，它不再是专指带有电子换相装置的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机^[14]。
    在构造上面，无刷直流电机和有刷直流电机还是有很多不同的，无刷直流电动机的电枢是定子绕组，励磁绕组用的是永磁材料。接入电枢绕组的电流波形还是有很多种的，按照前面的波形来说，直流无刷电机基本上分为两种，分别是方波直流电动机（BLDCM）和正弦波直流电动机（PMSM）^[12]，BLDCM使用的是电子换相装置，并且转子是用永磁材料做的；而PMSM则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，不再使用励磁绕组、滑环和电刷^[6]。但是当其他条件一样时，在方波和正弦波之间，驱动电路得到方波更加容易一些，而且控制时比较简单易懂，因此BLDCM在各个方面的的运用比PMSM要广一些。
    通常无刷直流电动机是由三个部分所构成的，它们分别是电动机本体、转子位置检测电路和电子换相电路。其中电子换相电路通常又分为控制和驱动两个部分，而且通常使用位置传感器来检测转子的位置。电机运行时，位置传感器能监测到电机转子的位置，然后把信号发送给控制器，之后控制器能够以一定的先后顺序来导通驱动电路里的功率管，以此来进行有一定顺序的换流，如此电机就能正常运转。位置传感器的种类还是比较多的，但目前常用的有霍尔位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器等，这些传感器每种都有自己的适用环境，因此我们选用位置传感器时应该要根据实际需要。1986年，德国的研人员提出了电容式移相法，并且根据这种方法设计并制造出了世界上第一台不带位置传感器的无刷直流电机。但相比之下，无位置传感器控制方式的可靠性和效率比较低，通常情况下适用于功率需求小时。

由于无刷直流电机的应用前景非常广，世界上各个国家都加快了对无刷直流电机的研究，尤其是加快研究新产品和占领更加广阔市场，其中发达国家制造的无刷直流电机更加先进，而且基于无刷直流电机的控制系统更加全面系统^[8]。就像日本的仓毛电器公司设计制造的KPK系列无刷直流电机，西德西门子公司制造的AD系列无刷直流电机^[15]，在研制功率比较大的无刷直流电机方面，工业级的无刷直流电机及其驱动系统已达到735-91875W的功率范围，特别是在美国，有不少公司的无刷直流电机已经霸占了一些应用方面。比如FUNK,USA的无刷直流电机很大一部分使用于工厂自动化领域。PAPST的无SHAU直流电机很大一部分使用于仪器设备领域，KOLLNNORG的则很大一部分使用于国防和航天领域。