CN201754551U

CN201754551U - 直流无刷电机及其控制系统

Info

Publication number: CN201754551U
Application number: CN2010202922256U
Authority: CN
Inventors: 李德印
Original assignee: XINXIANG CITY XIAFENG ELECTRICAL APPLIANCES CO Ltd
Current assignee: XINXIANG CITY XIAFENG ELECTRICAL APPLIANCES CO Ltd
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2010-08-16
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2020-08-16

Abstract

本实用新型公开了一种直流无刷电机及其控制系统，该直流无刷电机含有机壳、定子和转子，所述定子的线槽中设置有线圈绕组，所述线槽沿圆周均匀分布且成瓦状，所述转子的圆柱形表面上均匀设置有永磁体，所述永磁体为瓦状。该控制系统含有主控制芯片、驱动电路和显示电路，所述主控制芯片的输入端分别与所述直流无刷电机的反馈信号、上位机的指示信号连接，其输出端分别与驱动电路和显示电路连接，所述驱动控制电路的输出端与三相逆变器的一个输入端连接，所述三相逆变器的另一输入端通过整流电路与三相电源连接，所述三相逆变器的输出端与所述直流无刷电机连接。本实用新型适用范围广，特别适用于耗电量大、要求启动力矩大、运行过程中负载变化大的行业。

Description

直流无刷电机及其控制系统

一.技术领域：本实用新型涉及一种电机及控制系统，特别是涉及一种直流无刷电机及其控制系统。

二.背景技术：目前经常使用的直流电机是有刷直流电机，有刷直流电机具有非常优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、控制电路简单等优点，但是，有刷直流电机机械电刷和换相器需要强迫接触，造成它结构复杂、可靠性差、变化的接触电阻、火花及噪声等一例问题，影响有刷直流电机的调速精度和性能。

三.实用新型的内容：

本实用新型的目的：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、换向方便、运行可靠、维护方便且启动扭矩大的直流无刷电机，同时提供一种调控方便、精确度高的该直流无刷电机的控制系统。

本实用新型的技术方案：一种直流无刷电机，含有机壳、定子和转子，所述定子的线槽中设置有线圈绕组，所述线槽沿圆周均匀分布且成瓦状，所述转子的圆柱形表面上均匀设置有永磁体，所述永磁体为瓦状。

所述定子的线槽为斜槽。所述定子的线槽为72个，所述永磁体为80片。

一种所述直流无刷电机的控制系统，含有主控制芯片、驱动电路和显示电路，所述主控制芯片的输入端分别与所述直流无刷电机的反馈信号、上位机的指示信号连接，其输出端分别与驱动电路和显示电路连接，所述驱动控制电路的输出端与三相逆变器的一个输入端连接，所述三相逆变器的另一输入端通过整流电路与三相电源连接，所述三相逆变器的输出端与所述直流无刷电机连接。

所述主控制芯片为16位数字信号处理器DSP，所述显示电路运用8位微控单元MCU计算通过数码管显示电压、电流、频率的信息。

所述数字信号处理器DSP内置的PWM模块一个输入端通过电流调节器和速度调节器后与位置调节器连接，其另一个输入端通过逻辑运算电路和霍尔位置信号采集器后与所述直流无刷电机连接，所述直流无刷电机通过编码器与可逆计数电路连接，所述可逆计数电路的输出端分别与所述电流调节器、速度调节器和位置调节器连接，并且，所述可逆计数电路与所述速度调节器之间设置有QEP模块，所述QEP模块通过A/D转换模块和电流采样器后与所述直流无刷电机的输入线连接；所述数字信号处理器DSP内置的SCI模块与所述上位机连接。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型将电枢放到定子上，转子做成永磁体，把电刷去掉，利用电子换向取代机械电刷换相器，因此具有结构简单、换向方便、运行可靠、维护方便等优点。

2、本实用新型定子的线槽采用斜槽，能够减少电机的谐波磁场，从而降低电机的振动和噪声。

3.本实用新型系统效率高、功率因数高、节能，其效率特性曲线具有高而平的特点，在电机轻载时节能效果更为明显。另外，电机起动转矩大、过载能力强，最大起动转矩可达3～7倍。

4、本实用新型采用PWM控制技术，具有速度闭环和电源闭环交接多种调节模式，可以实现：(1)起动电压范围宽，能适应电网电压波动大的场所。(2)采用电机专用DSP数字信号处理器，实现PWM脉宽调制技术，优化电流波形，降低谐波干扰，噪声低，低速转矩高。(3)通过运行占空比的调整，可以来改变负载的运行速度。具有良好的起动及制动性能。(4)可选的位置传感和无位置传感器控制方式，系统响应速度快，控制精度高。(5)可选的速度闭环和电流闭环配合多种加减速曲线，能适应多种负载，应用领域宽。

5.本实用新型适用范围广，特别适用于耗电量大、要求启动力矩大、运行过程中负载变化大的行业，推广后具有较好的经济效益。

四.附图说明：

图1为直流无刷电机的结构示意图；

图2为直流无刷电机的控制系统的原理图。

五.具体实施方式：

实施例：参见图1-图2，图中，直流无刷电机含有机壳1、定子和转子4，定子的线槽中设置有线圈绕组2，线槽沿圆周均匀分布且成瓦状，转子4的圆柱形表面上均匀设置有永磁体3，永磁体3为瓦状。转子4两端为安装轴5。

定子的线槽为斜槽，减少了电机的谐波磁场，从而降低直流无刷电机的振动和噪声。定子的线槽为72个，所述永磁体为80片。

直流无刷电机(BLCDM)控制系统包括主控制芯片、驱动电路和显示电路三大部分。主控制芯片采用16位数字信号处理器DSP，电机的反馈信号(例如：电流过大)通过霍尔线向主控制芯片电路传输，主控制芯片通过计算输出正弦波传入驱动电路，驱动电路处理这些信号控制IGBT输出稳定的正弦波控制直流无刷电机；同时主控制芯片还要将信号通过排线传给显示电路，显示电路通过8位MCU(Micro Control Unit)计算通过数码管显示电压、电流、频率等信息。键盘、电位器、复位信号通过MCU处理传给主芯片DSP，然后经过驱动电路改变电机状态。

DSP板：这是实现电机控制的核心部分。本系统程序主要利用了DSP的如下功能块：

(1)系统利用DSP的SCI串行通信口实现控制器上位机的通讯连接。通过该接口电路，DSP控制器将系统的实时运行状态上传给上位机供存储和分析，而上位机则将控制指令(例如起、停、正转、反转、运行速度等)发送给DSP控制器以实现对电机控制系统的实时监控。串行通信速率可变。

(2)A/D转换器接口用于测量电机的相电流。

(3)PWM模块用于产生需要的PWM信号以驱动功率模块上的PWM逆变器。PWM模块有6个输出通道，从PWM0到PWM5，可以配置为3对互补的PWM信号或6个独立的PWM信号，在互补通道下允许可编程的死区时间插入，通过电流状态输入或软件独立的顶/底通道脉宽校正和独立的顶部、底部通道极性控制。

(4)使用通用定时器Timer1产生电流和速度控制的周期。

(5)使用4个输入捕获单元和Timer2获得3个霍尔元件的状态，连接编码器信号的输出。编码器安装在电机转子上，用于测量电机的位置，并经过微分得到电机速度。

图2是本实用新型整体系统控制图，在系统中设置了速度调节器和电流调节器，分别调节电机的转速和电流，两者之间实行串级连接，把速度调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM模块。由DSP内置的PWM模块产生6路PWM信号直接输入驱动电机。在控制算法中需要电机运行时的相电流，由两个电流传感器将电流信号转换为电压信号输入DSP内置的A/D模块，该A/D模块有两个独立的转换器，可以保证采集到的相电流是同时的.电机的转速和位置的测量由外置的光电编码器完成，由编码器产生的两路正交信号输入DSP内置的正交编码模块，就可由DSP计算电机的转速和位置。人机接口通过DSP内置的SCI、SPI和CAN现场总线模块完成对电机各种参数的设定，同时监视电机的运行状况。

系统通过三闭环(即位置环、速度环、电流环)结构实现电机的伺服控制，当电机处于运行状态时，给定的位置信号与反馈位置信号的偏差经过(位置环)PID调节得到速度的参考值，控制器根据测出的反馈位置信息计算出当前转速，在DSP中进行PI计算(速度环)得到电流的给定电压参考值，电机绕组电流反馈信号经过电流传感器的检测从A/D口送人DSP，经转换得到当前主回路的电流反馈电压值进行PI计算，得到的电流调节器的输出去调节占空比，进而控制功率开关管的导通与关断，从而实现对无刷直流电动机位置转速、电流或转矩的控制。

在三闭环控制系统中，电流环和速度环均为内环，位置环为外环.电流环的作用是提高系统的快速性，抑制电流环内部干扰，限制最大电流以保障系统安全运行，电流环采用PI调节器.速度环的作用是增加系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动，速度环采用PI调节器.位置环的作用是保证系统静态精度和动态跟踪的性能，位置环采用PID控制.在开始跟踪被控量时，先取消积分作用，使比例项迅速跟踪偏差的变化，当被控量接近新的设定值时再将积分作用加入，这样既可以避免超调又可缩短达到稳态的时间，起到了积分校正的作用。

Claims

1.一种直流无刷电机，含有机壳、定子和转子，其特征是：所述定子的线槽中设置有线圈绕组，所述线槽沿圆周均匀分布且成瓦状，所述转子的圆柱形表面上均匀设置有永磁体，所述永磁体为瓦状。

2.根据权利要求1所述的直流无刷电机，其特征是：所述定子的线槽为斜槽。

3.根据权利要求2所述的直流无刷电机，其特征是：所述定子的线槽为72个，所述永磁体为80片。

4.一种权利要求1-3任一项所述的直流无刷电机的控制系统，含有主控制芯片、驱动电路和显示电路，其特征是：所述主控制芯片的输入端分别与所述直流无刷电机的反馈信号、上位机的指示信号连接，其输出端分别与驱动电路和显示电路连接，所述驱动控制电路的输出端与三相逆变器的一个输入端连接，所述三相逆变器的另一输入端通过整流电路与三相电源连接，所述三相逆变器的输出端与所述直流无刷电机连接。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征是：所述主控制芯片为16位数字信号处理器DSP，所述显示电路运用8位微控单元MCU计算通过数码管显示电压、电流、频率的信息。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征是：所述数字信号处理器DSP内置的PWM模块一个输入端通过电流调节器和速度调节器后与位置调节器连接，其另一个输入端通过逻辑运算电路和霍尔位置信号采集器后与所述直流无刷电机连接，所述直流无刷电机通过编码器与可逆计数电路连接，所述可逆计数电路的输出端分别与所述电流调节器、速度调节器和位置调节器连接，并且，所述可逆计数电路与所述速度调节器之间设置有QEP模块，所述QEP模块通过A/D转换模块和电流采样器后与所述直流无刷电机的输入线连接；所述数字信号处理器DSP内置的SCI模块与所述上位机连接。