BLDC驱动电路设计及应用

摘要

无刷直流电机被认为是21世纪最具有发展潜力和应用前景的电机，其在宇航、国防、科研、工业、民生等各个方面都有着重要的应用。相比于有刷电机换相时存在噪音、火花、发热等问题，无刷直流电机通过数字控制的方式，很好的克服了这些缺陷，因而深受人们的喜爱，有逐渐取代有刷电机的趋势。
　　首先，在充分调研了无刷直流电机的国内外现状，探讨了研究无刷直流电机驱动系统的意义及必要性的基础上，确立了本设计课题。
　　其次，在调研了国内外一些主流无刷直流电机驱动系统的基础上，制定了本设计的驱动方案以及驱动电路应用性能指标。本设计采用双闭环控制方式。主体硬件采用主控电路加驱动电路加逆变电路的设计架构，在速度环设计中速度反馈电路采用霍尔位置传感器加光耦隔离的方式，电流环反馈电路使用采样电阻加电流放大器的方式，其中电流放大器使用的是集成于驱动芯片内部的电流放大器。在电源管理方面采用不同供电电压的供电机制，以满足不同电路的电压需求，另外在驱动电路中加入错误保护报警电路，以更好的保护本电路。软件设计方面，采用开环加闭环设计方式，电机的启动由软件完成，之后可以选择采用开环或闭环的控制方式，而在具体的程序实现方面，采用将主要的功能放在功能子模块中，而将一些不需要经常更改的功能放在主程序中。软件算法部分采用PID算法。软件部分主要的功能模块有：软启动单元，开环控制单元，脉冲转换单元，计数换相单元，PWM发生单元，闭环速度单元，霍尔捕获单元，实时速度计算单元，PID算法单元等。
　　最后，在完成驱动电路的设计及调试之后，通过检查主控电路、驱动电路、逆变电路、霍尔反馈电路等相关电路管脚波形和电机运转情况得出本驱动电路设计的正确性。然后，针对目前市场上无刷直流手电钻的稀缺，做出相关应用开发，并且在实验室条件下，完成电钻、电起子的功能，而且达到了国标中对电钻的相关要求，从而证明了本驱动电路能够达到设计时制定的应用性能指标。
　　本设计是紧随数字浪潮，基于数字控制技术的基础之上，设计完成了一款电机驱动电路，并且由于本设计采用的电源管理芯片和功率管具有一定的耐压范围，即在一定范围内的电压下均可以正常工作，所以，本设计完成后的驱动电路也可以在一定的电压范围内正常工作；本设计的另一亮点在于软件设计的闭环控制是由开环控制向闭环控制过度的，所以，本设计既可应用于开环控制系统，又可应用于闭环控制系统。由于以上两个特点，大大增加了本驱动电路的应用范围，使其应用具有一定的扩展性。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1课题研究的背景意义

1.2 无刷直流电机的历史和现状以及发展趋势

1.3 论文主要工作及论文安排

第二章 无刷直流电机控制系统技术原理与相关技术

2.1 无刷直流电机的基本结构

2.2 无刷直流电机的工作原理

2.3 无刷直流电机的调速方式

2.4无刷直流电机的内部线圈等效电路

2.5 JTAG接口

2.6 本章小结

第三章 无刷直流电机的控制策略

3.1 PID控制策略

3.2 模拟PID控制原理

3.3 数字PID

3.4控制器参数整定

3.3本章小结

第四章 无刷直流电机控制系统硬件设计

4.1 系统总体设计方案

4.2 主控模块

4.3 驱动电路设计

4.4逆变电路

4.5光耦隔离

4.6电源管理模块

4.7 程序下载电路

4.8 本章小结

第五章 无刷直流电机控制系统的软件设计

5.1 软件开发语言与工具

5.2 系统软件设计方案

5.3 电机的开环设计

5.4电机的闭环控制

5.5本章小结

第六章 无刷直流电机驱动系统调试结果

6.1主控芯片的PWM输出

6.2驱动芯片PWM输出

6.3逆变电路验证

6.3位置传感器的波形图

6.4反电动势波形输出

6.5为测试大电流而给逆变电路加焊锡的驱动板

6.6驱动电路的应用

6.6本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2展望

附录一 主控板原理图

附录二 驱动芯片原理图

附录三 逆变电路原理图

附录四 光耦隔离电路原理图

参考文献

致谢

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