直流电机无速度传感器闭环控制系统设计与实现

"直流电机无速度传感器闭环控制系统设计 (2014年)，采用反电动势作为反馈参数，通过分时PWM输出实现控制，系统包括主控电路、功率驱动电路、采样电路和过流保护电路，具有高调速精度、简单可靠和经济实用的特点。" 直流电机无速度传感器闭环控制系统是一种创新的控制策略，它利用电机在运行过程中产生的反电动势作为反馈信号，以替代传统的速度传感器。这种设计方法通过分时脉宽调制（PWM）技术来调整电机的输入电压，从而控制电机的转速。在每个PWM周期的低电平阶段，电机由于惯性产生的反电动势被采样并转换为转速信息，形成了一个闭环控制系统。 图2所示的分时PWM输出波形展示了这一过程。在毫秒级的时间间隔内，电机输入电压截止，反电动势被采样。这种方法使反电动势的波形更加平滑，提供了充足的采样和运算时间，同时也允许PWM的占空比在0%到100%之间自由调节，提高了系统的稳定性和可靠性。通过比较电机运转时反电动势与电枢输入端电势的差值，可以判断电机的转速快慢，进而利用PID控制算法进行速度调节。 此外，反电动势的瞬时值与电机转速成正比，通过对其积分可以估算电机的运转路程。积分公式如下： \[ S = \int_{0}^{t} V_e dt \] 其中，Ve代表反电动势对应的转速，t为积分时间间隔，S表示转过的路程。 硬件设计方面，系统主要包括四个模块：控制模块、功率驱动模块、模拟数字（AD）采样模块和电流保护模块。控制模块的核心是主控单元，如图3所示，P1.1生成分时PWM信号，P3.0和P3.1用于电源输入端和功率MOS管的电压采样反馈，P3.3和P2.1控制继电器实现电机的正反转和电源的通断。功率驱动模块（图4）负责将主控模块的控制信号转化为驱动电机所需的功率。 这种无速度传感器的闭环控制方案降低了系统的复杂性，降低了成本，并且具有较高的控制精度，适用于各种需要精确速度控制的直流电机应用。