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永磁无刷直流电机控制系统研究 摘要 无刷直流电动机是集材料科学、电力电子技术、微电子技术和电机理论等多学科为一体的机电一体化产品，在诸多领域有着广阔的应用前景。 随着大功率开关器件集成电路及高性能的磁性材料的进步，采用电子换向原理工作的无刷直流电机取得了长足的发展。无刷直流电机既有直流电机的结构简单，运行可靠，维护方便的一系列优点。又具备交流电机运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，在当今国民经济的各个领域里的应用日益普及。通常我们靠霍尔元件来得到转子的位置，然而传感器有一些缺点，比如增加了成本占空间，附加了传感器电路对温度不稳定，除此之外，它不能用于在一些恶劣的环境中。由于无位置传感器技术能解决上述问题，因此吸引了各国科研工作者研究的兴趣。 我们用美国TI公司专门为电机的数字化控制设计的16位定点DSP控制器TMS320X240作为微控制器。它集DSP的信号高速处理能力及适用于电机控制的优化的外围电路于一体，可以为高性能传动控制提供可靠高效的信号处理与控制硬件。 关键词：无刷直流电机,控制系统，DSP, TMS320F240 目 录1　绪论 11.1 选题的目的和意义 11.2 永磁无刷直流电机的国内外研究概况 21.3 直流无刷电机控制方法 31.4 本课题主要研究内容 42 无刷直流电机 52.1 无刷直流电动机的基本组成 52.1.1 电机本体 62.1.2 位置传感器 62.1.3 电子换向线路 72.2 直流无刷电机的工作原理 72.3 永磁无刷直流电机特点 102.4 直流无刷电机与其它电机的比较 133 基于DSP的控制系统设计原理 143.1 无刷直流电机的DSP控制系统 143.2 无刷直流电机调速系统 143.2.1 普通方式PWM信号的产生 143.2.2 PWM信号的分配和系统的四象限运行 163.3 TMS320F240 简介 183.3.1 TMS320F240 的体系结构 183.3.2 中央处理器CPU 193.3.3 事件管理器（Event manager） 203.3.4 片内外设 213.3.5 TMS320F240 与其他微处理器的性能比较 223.3.6 事件管理模块的中断系统 223.4 基于DSP的无刷直流电动机控制解决方案 233.4.1 有位置传感器的无刷直流电动机控制方案 243.4.2 无位置传感器的无刷直流电动机控制方案 274 控制系统的硬件电路设计 304.1 系统概述 304.2 以DSP芯片TMS320F240为核心的控制单元 314.2.1 TMS320F240性能简介 314.2.2 IGBT模块以及驱动单元 314.3 主回路散热设计 334.4 电流检测电路的设计 334.5 转速给定电路 354.6 轴角编码检测单元 364.7 主电源、驱动及控制电源回路 364.7.1 主电源设计 364.7.2驱动以及控制电源设计 374.8 故障检测和保护环节 384.9 电机姿态显示 394.9.1 232通讯接口 394.9.2 CAN总线接口 405 总结 41致 谢 43参考文献 44 1　绪论 1.1 选题的目的和意义 永磁无刷直流电机是一种电子电动机。随着电力电子技术的发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现以及高性能永磁材料，如稀土永磁材料的问世，为无刷直流电动机的广泛应用奠定的基础, 它由直流电源经过逆变器、位置检测装置向电动机供电，因而既保持了直流电机的优良特性，又改善了有刷直流电机效率低、耗电多、噪音大、维护困难、使用寿命短等运行状况。电机系统属环保节能型产品，是国家产业政策支持的高新技术项目，正处在产品成长期，具有广阔的市场前景。无刷永磁直流电机正在以其特有的优势不断蓬勃发展。 直流无刷电动机有着很多其它电动机无可比拟的优点使得它在很 多领域得到了很广泛的应用。 1．直流无刷电动机在家用电器中的应用。 在空调器行业，永磁直流无刷电动机的应用已成为衡量空调技术水 准的重要指标之一。目前，变频空调技术已从异步电机变频控制发展到 无刷电动机的变转速控制，即市场上宣传的“直流变频空调”，其压缩 机电机和室内、室外风机都采用永磁直流无刷电动机，与采用异步电机 的交流变频空调相比，直流变转速空调具有起动功率大、高效节能，抗 电压波动能力强等优点。目前直流变转速空调电控系统的技术难点主要 包括:压缩机控制系统的换相转矩脉动抑制技术，无位置传感器控制技 术，高效率低噪音的室内外风机驱动系统。 变频洗衣机是近年来进入居民家庭消费的又一热门产品。目前应用 于变频洗衣机的电机类型主要有三相异步电动机，开关磁阻电动机和直 流