60091字硕士毕业论文基于STC单片机的无刷DC电机管理系统的开发

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：60091字

论点：直流电机,控制,绕组

论文概述：

本文是单片机论文，主要介绍了洗衣机与 BLDCM 控制系统的研究背景与意义并简要叙述了它的应用领域，对比介绍了有位置传感器与无位置传感器电机优缺点和无刷直流电机的控制方式的优缺点

论文正文：

第一章引言

1.1课题研究的背景和意义
目前，最常用的洗衣机主要由单相异步电动机驱动。这种洗衣机主要利用离合器的变速来清洁和脱水被清洁的物体。虽然可以达到清洗的目的，但由于离合器的限制，这种洗衣机的效率大大降低，同时也带来噪音污染，极大地限制了洗衣机智能的提高。然而，对于无刷DC电机的应用，它不再需要机械减速和传动装置，它可以直接驱动洗衣机滚筒……。永磁无刷DC电机作为绿色家电的主要驱动系统，既有普通DC电机的优点，又有交流电机的优点。它正在逐步取代单相异步电动机在家用电器中的应用，这标志着家用电器的智能化水平将大大提高。

1.2无刷DC电机
的应用与普通DC电机相比，省去了机械刷和换向器，更有利于电机的维护。同时，完全消除了普通电机机械刷和换向器引起的故障，大大提高了电机的使用寿命。噪音污染大大减少了。由于无刷DC电机用电子换向电路代替了普通DC电机的机械电刷，电刷引起的机械噪声也随着其消失而消失。工作效率显著提高。因为无刷DC电机使用永磁体来产生恒定且连续的磁场，所以它是目前效率最高的电机。在大多数情况下，它的永磁体退磁系数相对较小。
……。

第二章无刷DC电机数学模型分析

2.1无刷DC电机的基本机构
无刷DC电机的机体是实现整个系统能量转换的核心。它在结构上类似于同步电机，其设计直接影响控制系统的可靠性。作为具有位置传感器的无刷直流电机，转子的位置主要由传感器测量，然后对输出转子位置的信号进行处理，得到相应的开关信号，开关信号控制开关器件，按照一定的顺序开启和关闭相应的开关器件，从而将DC电压的电能转化为机械能，电机产生一定的输出转矩，从而实现系统[27]的稳定运行。
众所周知，DC电机的内部结构主要包括定子和转子。普通DC电机的转子是产生电磁转矩和感应电动势。为了减轻电机的重量和减小电机的体积，无刷DC电机的转子采用永磁材料，其电枢绕组放置在定子上，不同于普通的DC电机。

2.2无刷DC电机的工作原理分析
无刷DC电机已经广泛应用于社会的各个领域。它有单相、两相和三相多种运行模式，每种无刷DC电机分为多种驱动模式，而半桥驱动和全桥驱动是应用最广泛的驱动模式。全桥驱动模式可分为多种类型，最常用的是星形和角形连接。驱动模式的选择将直接影响电机的性能和成本，因此选择合适的驱动模式是重中之重。常见无刷DC电机几种工作模式的比较[29]: 1)单相导电星形三相三态采用三相半桥逆变电路，星形绕组相连，电机本体利用率低，转矩脉动大。2)星形三相六态两相导通采用星形绕组相连的三相桥式逆变电路，具有电机输出大、转矩稳定的特点。3)三相导电星形三相六态采用星形绕组相连的三相桥式逆变电路，其特点是主电路容易直接短路，损坏开关器件。4)两相导通角三相六态采用三相桥式逆变电路，角绕组相连，电机输出低。5)三相导通角三相六态采用连接角绕组的三相桥式逆变电路，其特点是主电路容易直接短路，损坏开关器件。
以下重点介绍人们经常使用的驱动电路。如图2.2所示，两两导通三相星形连接意味着两个不同相的开关管同时导通。每个开关管的导通顺序为:τ 1和τ2；τ2、τ3；τ3、τ4；τ4、τ5；τ5、τ6；τ6，τ1 .一个周期有六种传导状态。每次换向由o60电角度分开。每个开关管都以o120电气角度导通。每个开关管一次换向一个。逆变桥上桥臂的三个功率开关管τ 1、τ 3和τ 5的主要功能是像每相绕组一样传输正向电流，从而产生正向电磁转矩来控制电机的速度。逆变桥下桥臂的三个功率开关管τ 2、τ 4和τ 6主要用于像每相绕组一样传输反向电流，从而在极性相同的转子永磁磁场下产生反向电磁转矩来控制电机速度。
......

第三章无刷DC电机的控制策略..............................19
3.1无刷直流电机调速控制模式..............................19
第四章无刷DC电机的MATLAB仿真分析通用仿真设计................................31
4.1控制系统................31
第五章无刷DC电机控制系统的设计.............................................43
5.1控制系统的总体结构...........................................43

第四章无刷DC电机的MATLAB仿真分析

4.1控制系统的总体仿真设计
本文研究的内容是以电流滞环为内环，速度模糊PID控制为外环的无刷直流电机速度控制系统。通过比较常规PID控制器和模糊PID控制器两种速度控制控制器，并分析这两种不同控制模式下无刷直流电机的动态特性，可知模糊PID控制器应用于速度控制环节，可以很好地提高速度控制系统的响应速度。与传统的PID相比，该方法能使系统更快地达到稳定状态，同时能保证系统的稳定性和准确性。系统框架如图4.1所示。

4.2模块设计
在无刷直流电机调速系统电机本体的建模过程中，如何计算反电动势已成为人们在建模过程中需要解决的难题。选择合适的反电动势计算方法不仅能有效抑制转矩脉动，而且有利于输出理想的相电流波形。如果选择的方法不合适，有时甚至会直接导致无刷DC电机调速系统换相失败。因此，获得理想的反电动势波形是无刷直流电机仿真建模的关键问题之一。
目前已知的反电动势计算方法主要有三种:一种是使用有限元法，即将连续的反电动势值近似分成一组离散值；另一种是傅立叶变换，它看起来像许多三角信号的组合。最后一种是分段线性法。本文通过对三种方法的比较，选择分段线性法计算无刷直流电机梯形波的反电动势。分段线性法的基本原理是将0 ~ 360°空之间的角度等分成六个区域，即60°空之间的每一个角度对应一个区域，这样电机转子可以以60°整数倍空之间的角度换向，即转子以60°、120°、180°、240°、300°、360°空之间的角度换向。该方法将每个区域视为操作阶段，并且每个相反的电动势可被视为直线，然后无刷直流电动机的操作状态可由转子位置信号和转子旋转方向[54]确定。
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第六章总结与展望

本文的主要研究工作包括以下几个方面:1)介绍了洗衣机和无刷直流电机控制系统的研究背景和意义，并简要描述了其应用领域。比较介绍了位置传感器和无传感器电机的优缺点以及无刷DC电机控制方式的优缺点，并简要说明了单片机作为主控芯片的优势。2)阐述了无刷直流电机的基本结构、工作原理和数学模型，以及电枢绕组的连接方式和调速方法。确定本系统中使用的无刷DC电机的电枢绕组连接在三相星形桥中，并使用脉宽调制技术来调节无刷DC电机的速度。3)介绍了无刷DC电机的控制方法和调速策略。通过比较开环控制和闭环控制；传统PID控制和模糊PID控制的优缺点决定了本文所采用的控制策略，即模糊PID双闭环控制，为系统的准确性和稳定性奠定了基础。4)建立了MATLAB系统仿真模型，并详细介绍了系统中的各个模块。同时，确定系统参数并调整控制系统。通过比较传统PID控制和模糊PID控制下的速度图，得出模糊PID控制优于传统PID控制的结论。5)介绍了无刷DC电机控制系统的软硬件设计，给出了控制部分的电路设计，并给出了控制系统的软件结构。基于模块化思想的主程序模块和中断服务程序模块的流程图为系统的理论验证提供了依据。

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参考文献(略)