直流无刷电机的控制系统设计方案

直流无刷电机的控制系统设计方案1 引言

1.1 题目综述

直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，它不仅保留了有刷直流电机良好的调试性能，而且还克服了有刷直流电机机械换相带来的火花、噪声、无线电干扰、寿命短及制造成本高和维修困难等等的缺点。与其它种类的电机相比它具有鲜明的特征：低噪声、体积小、散热性能好、调试性能好、控制灵活、高效率、长寿命等一系列优点。基于这么多的优点无刷直流电机有了广泛的应用。比如电动汽车的核心驱动部件、电动车门、汽车空调、雨刮刷、安全气囊；家用电器中的DVD、VCD、空调和冰箱的压缩机、洗衣机；办公领域的传真机、复印机、碎纸机等；工业领域的纺织机械、医疗、印刷机和数控机床等行业；水下机器人等等诸多应用[1]。

1.2 国外研究状况

目前，国无刷直流电机的控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规。外国的一些技术和中国的一些技术大体相当，美国和日本的相对比较先进。当新型功率半导体器件：GTR、MOSFET、IGBT等的出现，以及钕铁硼、钐鈷等高性能永磁材料的出现，都为直流电机的应用奠定了坚实的基础。近些年来，计算机和控制技术快速发展。单片机、DSP、FPGA、CPLD等控制器被应用到了直流电机控制系统中，一些先进控制技术也同时被应用了到无刷直流电机控制系统中，这些发展都为直流电机的发展奠定了坚实的基础。

经过这么多年的发展，我国对无刷电机的控制已经有了很大的提高，但是与国外的技术相比还是相差很远，需要继续努力。所以对无刷直流电机控制系统的研究学习仍是国的重要研究容[2]。

1.3 课题设计的主要容

本文以永磁方波无刷直流电机为控制对象，主要学习了电机的位置检测技术、电机的启动方法、调速控制策略等。选定合适的方案，设计硬件电路并编写程序调试，最终设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。本课题涉及的技术概括如下：

（1）学习直流无刷电机的基本结构、工作原理、数学模型等是学习电机的前提和首要容。

（2）直流无刷电机的转子位置检测技术，我选用最常用的反电势检测技术，本文分析了反电势法的原理，并设计了反电势的硬件实电路，进行了焊接与调试。

（3）由于无刷直流电机在静止或者转速很低的时候，其产生的反电势为零或者很小很不容易检测到，因此直流无刷电机的启动是一个难点。

（4）分析了速度换的单闭环控制策略，并用matlab guide设计了上位机界面来实现PID参数的实时整定。

（5）在确定无刷直流电机控制系统的硬件总体方案时，经过对比选择STM32芯片，选智能功率模块FSBB30CH60C为驱动芯片，并设计了无刷直流电机控制驱动电路、反电势转子位置检测电路及电流电压采样电路等。

（6）最后对整套控制系统进行了实验调试，包括软、硬件的调试，并对调试结果进行了分析。

2 系统设计目标和设计方案

2.1系统设计目标

直流无刷电机因为调试性能好、低噪声、体积小、控制灵活、高效率、散热性能好、寿命长等一系列的优点，本课题设计目标如下：

（1）能够驱动直流无刷电机的运转并有电路保护以免器件烧坏。

（2）能够实时准确的检测到直流无刷电机转子的位置。

（3）能够实现对电机启动和停止的控制。

（4）能够通过滑动变阻器来实现直流无刷电机的无极调速。

（5）电路具有电流、电压保护，以免对电路产生不良影响。

2.2控制系统结构总体框图的设计

直流无刷无感电机的控制系统能够实现的主要功能：能够准确实时的检测到无刷直流电机转子的位置、能够用三段式技术使电机能够很好的启动、PID调节技术、速度环的控制、电压保护、电流保护等主要关键的控制技术。电机调速原理框图如下图1所示。

图1 电机调速原理框图

2.3硬件系统方案论证

为了能够实现无刷直流电机的可靠运转、无极调速等一系列的优点，需要选择合适的元器件来满足本课题设计的需求。

2.3.1 控制器芯片选型

对直流无刷电机控制所用微处理器的选型要重点考虑以下几个方面：

（1）微处理器的运行频率和运算速度得满足控制系统要求

（2）微处理器片资源是否足够，主要是I/O口的数量和电平兼容性、A/D路数及位数。

（3）微处理器的体积、工作温度等是否满足系统要求。

（4）微处理器的可靠性、生产厂商、数量和价格、上市时间等因素也需要考虑，这关系到产品的后续更新换代，以及采用该处理器开发的难易程度。

基于ARM Corte-M3核32位单片机STM32，时钟频率最大可达72MHZ，在数字处理上经过了优化，所以本设计选用STM32F103ZET6单片机。

2.3.2 无刷直流电机的选型

在选用直流无刷电机的时候，必须根据它的参数来判断其驱动电路，无刷电机的参数如表1所示：

表1 无刷直流电机的参数

外转无刷电机KV 最大效

率电流

无负载

流/10v

最大电

流

最大

效率y

轴径

（mm）

重

量

电阻尺寸（mm）

A2212/13 KV1000 4~10A 0.5A 12A/60s 80% 3.17 47g 90m?27.5*30 新西达无刷电机/2212KV1000 如图2。

图2 直流无刷电机

2.3.3驱动电路的选型

智能功率模块选择的是FSBB30CH60C，它把驱动电路和开关电路集成在了一起，部有欠压、过压、过流故障检测电路，CPU可以进行实时的检测。还包括三个HVIC、一个LVIC(门极驱动低压集成电路)、六个先进技术的IGBT、六个FRD。智能功率模块的元器件图如图3所示。

图3 智能功率模块

2.3.4位置检测器件选型

反电势过零点检测原理是模拟中性点和端电压的值相等得到，由STM32端口和连接霍尔传感器接口的关系，需用三路比较电路，LM339N由四路比较电路组成，可选用LM339N 比较电路实现。LM339N部框图如图4所示：

图4 比较器LM339N

3控制系统的工作原理和硬件设计

3.1直流无刷电机的工作原理

本设计选用的电机类型为三相星型连接。控制器产生六路PWM波控制驱动电路，位置检测用的反电势过零点技术。工作原理如图5所示。

图5 直流电机工作原理图

在图5中，当转子顺时针转到（a）时，反电势过零信号延时30°电角度后，输出的信号送往单片机，单片机输出信号让T1、T6 导通。这时电流从电源正极流出，经T1流往A相绕组，再由B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时由于定子和转子磁场的相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子转过60电角度，即到（b）时，反电势过零信号延时30°电角度后，输出的信号送往单片机，单片机让T1、T2导通，这时电流从电源的正极流出，经T1流往A相绕组，再由C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时由于定子和转子磁场的相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。同样按照这个方式，电机可以顺利的转动起来。

电机有六种磁状态，每种状态导通120度，每次由两相导通，无刷电机就是两相导通星型三相六状态的工作方式[3]。

3.2无刷电机的反电势法位置检测原理

观察转子位置和反电势之间的关系如图6所示，转子状态由a)变为b)过程中反电势波形和转子位置之间的关系，反电势波形为B相绕组的反电势，当转子由a）初始状态转过30°电角度时，转子的磁场方向正好和B相绕组轴线重合，不切割B相绕组导线，此时B相绕组的反电势正好为零。由图可知，由b)到c)要进行换相动作，因此可利用反电势过零点确定转子的位置，进而控制电机的换相，这就是直流无刷无感电机反电势检测及控制换相的原理[4]。

图6 电机反电势位置检测图

3.3电源模块

由于STM32F103所需供电电压是3.3V，图7是把5V转换成3.3V电压的电路。

图7 STM32103的供电电源

3.4 MCU控制模块

MCU主控电路是整个无刷直流电机控制系统的控制中心，负责控制逆变器六个桥臂的通断、采集电压、采集电流、检测直流无刷无感电机的位置（电机的反电势检测）、PID的运算、无刷直流电机启动的控制、JTAG调试下载等。STM32最小系统由STM32F103芯片、复位电路、晶振电路和JTAG接口电路组成

（1）STM32F103芯片电路如图8所示：

图8 STM32芯片

（2）复位电路和晶振电路

STM32有两个外部晶振电路和两个部晶振电路。两个部晶振电路需要程序配置编程即可，但外部的晶振电路需要晶振电路元器件搭建而成。如图所示的32.768K和8M 的晶振电路。晶振和复位电路如图9所示。

图9 晶振和复位电路

（3）JTAG接口电路

JTAG接口电路实现了程序下载及程序的在线调试仿真，使用它可以方便调试程序，缩短了开发周期。由于STM32F103ZET6的JTAG输入引脚部嵌入了上拉或下拉电阻，因而可以直接连接电路到芯片相应引脚。JTAG接口电路如图10所示。

图10 JTAG 接口电路

（4）USB接口电路

这里的USB单纯的是供电用的。如图11所示：

图11 USB接口电路

3.5 IPM功率模块

（1）MUC-IPM驱动信号接口电路

FSBB30CH60C置HVIC，无需光耦就可以用MCU驱动IPM的六个桥臂。STM32的高级定时器TIM1功能强大，利用COM事件控制产生6路H_PWM_L_PWM的换相。这6个控制桥臂引脚要和STM32的PE8、PE9、PE10、PE11、PE12、PE13、PE15相连。驱动信号接口电路如图12所示。

图12 MUC-IPM驱动信号接口电路

（2）短路电流保护电路

IPM具有置短路电流保护的功能，要在芯片引脚Csc上外加一个分流电阻。IPM 检测Csc管脚的电压，当电压超过模块指定的Vsc（0.5V）时，IPM产生一个故障信号IPM通过电阻R16来检测N恻电流环节的线路电流，这里设定瞬时电流保护值为30A，检测电阻R16选取阻值为10m?，功率为10W的无感电阻。R32、C40构成滤波电路。另外检测电阻R16需要并联一个小电容，作用是消除上电瞬时大电流导致的电流保护误动作。

（3）故障输出报警电路

C38为0.22uf的高频无感电容，作用是防止浪涌电流破坏，Vof是IPM故障输出报警引脚。TIM1_BKIN引脚是刹车功能引脚，和此处的Vfo引脚相连，在IPM出现故障时通过此脚输出低电平到STM32,配合TIM1刹车功能可以实现系统保护功能。所加的电容C18是用来消除噪声干扰，确保出现故障时及时报警。故障输出信号脉宽是有引脚Cfod的外接电容C24决定的，具体计算公式是t=C24/()，这里通常选取C24为

33nF,此时t=1.8ms。

3.6反电势位置检测模块

反电势位置检测电路如图13所示。这里选用响应时间为1.3us的LM339芯片。定子三相绕组端电压A、B、C经滤波和分压电路，送到比较器LM339N的输入端，与参考电压比较，获得各相反电势的过零点。反电势过零点延时30°电角度后的信号用于电机的换相，进而去控制电机的转动。

图13 反电势位置检测电路图

3.7 隔离电路设计

为了提高系统安全性，采用光耦设计隔离电路，这里选用BL817如下图14所示。

图14 光耦电路

在选用光耦时要注意两点：第一是光耦的开关速度是否满足系统的要求。第二是光耦的信号驱动类型。由于这里的位置检测接入的单片机端口是TIM2_CH1、TIM2_CH2、TIM2_CH3通道。由于反电势经过比较电路以后，可能会有大于单片机所能承受的电压，所以最好用隔离电路来保护单片机。这里选用三片BL817来实现电路的功能。

3.8 速度改变电路设计

速度改变电路选用的是滑动变阻器，通过改变滑动变阻器的阻值从而改变AD的输入值，并通过与反馈回的电机速度他们之间的关系，通过PID整定后的输出来控制PWM 的占空比进而达到改变电机运转速度的功能。速度改变电路如图15所示。

图15 速度改变电路

4 系统软件设计

4.1软件总体设计

本文设计的BLDCM控制器的特点是控制系统的软件化，系统的许多功能都是在硬件的基础上依靠软件来实现的。它们包括：无位置传感器下的三段式启动；基于STM32高级定时器的三相六路互补的PWM输出；依赖无位置检测电路反电势检测后的电机换相；利用STM32的AD来转换计算采样电压值；电机的转速计算；电机转速的调节等。软件的可靠性将直接影响整个控制系统的性能。

软件系统的设计是分模块进行设计，包括直流无刷电机的启动、PWM换相，转子速度的计算，PID算法的实现等，软件的结构图如图16所示：

主程序

Systick中断

函数TIM2中断服

务函数

TIM1中断服

务函数

ADC1中断服

务函数

启动子程序

图16 软件的总体框图架构

4.2软件总体设计流程图

这部分是直流无刷无感电机的总体流程框图，是总体程序的大体结构模式，如图17所示。

图17 软件总体流程图

4.3无刷无感直流电机开环启动模块

本文运用了传统的三段式电机启动技术[5]，当反电势达到一定的值时再切换至电机的自控状态。

(1) 转子定位：由程序控制任意两相导通一段时间，此时电机定子合成的磁势轴线在空间就会有一个方向并把转子磁极拖到与其重合的位置上，这个过程就是转子的预定位过程。

通常转子定位导通电机任意两相一定时间方式，但是这种方式容易造成定位失败。为了克服这种可能的电磁转矩为零的情况，我们采用两次定位的放法解决。

（2）开环加速：按照电机旋转的方向，按照六步PWM的换相顺序，每隔一定的延时进行一次换相动作，强行使电机的转子按照设定的方向旋转起来。在这里用升频升压法来实现开环加速，即换相信号频率逐渐加大，并且增大外施电压使电机加速，称为升频升压法。

(3) 当开环换相过程持续大约30个周期后，电机的转速达到一定的值，反电动势也能够检测的到了，此刻就可以进入闭环控制系统。

依据以上原理三段式开环启动的流程框图如图18所示。

图18 开环三段式启动

4.4无刷直流电机位置检测及电机转速模块

在直流无刷电机控制体系中，要根据转子位置信息进行换相，也要根据转子位置信息计算转速。本课题位置检测用的是反电势位置检测技术，用的比较器来判断电机转子的位置，从而控制电机的进一步转动[6]。它的流程图如图19所示。

图19 直流无刷电机位机检测图

4.5 AD采样改变PWM占空比模块

AD模块采用的滑动变阻器来改变PWM的占空比，并采用了平均滤波技术，PWM脉宽调整模块根据转速的给定值设置PWM波的脉宽,从而控制电转速[7]。如图20所示。

图20 AD采样改变PWM占空比

4.6 PID计算模块

模拟PID控制原理如图21示，整个控制系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

PID控制系统的基本原理是根据设定值rin(t)和实际输出值yout(t)构成控制偏差e(t)=yout(t)-rin(t)完成.利用PID控制系统对偏差进行处理得到控制量u(t),然后再利用这个控制量去控制被控对象，其中u(t)的计算公式为：

（1）Kp：比例常数，Ti：积分常数，Td：差分常数。

图21 模拟PID 控制原理图

PID 控制系统中，三个控制量所起的作用分别是：P 控制将误差固定比例修正。I 控制将误差取时间的积分。D 控制将误差进行微分防止被控量的严重超调。

从公式中推出增量式PID 控制算法为：

=))2()1(2)(()())1()((-+--++--k e k e k e Kd k Kie k e k e Kp

下面是增量PID 算法，程序设计中用的最常用的增量PID 算法[8]：

);(*2)1(*1)2(*0)()1(k e q k e q k e q k u k u ++-++=+ （2）

4.7 matlab gui 串行通信界面设计

为了更好调节PID,设计matlab gui 界面，能够很方便的调节PID 。界面如图22：

图22 PID参数整定界面

5直流无刷无感电机测试结果及结果分析

5.1 H_PWM_L_PWM的波形

直流无刷电机的驱动波形有很多种方式可以选择，比如：PWM_ON调制、ON_PWM 调制、H_PWM_L_ON调制、H_ON_L_PWM调制、H_PWM_L_PWM调制。我选用的是H_PWM_L_PWM 调制方式[9]，图23是六路PWM的其中两路，其他的几路基本都一样，用来控制直流无刷电机的顺利运转。

图23 H_PWM_L_PWM波形

5.2端电压对地波形

图24是电机对地的电压波形，和原理的很接近，也算理想。

图24 端电压对地波形

5.3位置检测波形

电机的位置检测波形图如下所示，它是通过模拟中性点[10]得到的，经过光耦隔离输入到单片机的霍尔接口，通过判断单片机接口的电平来驱动电机的旋转步伐，单片机接口电平如表2所示。图25为位置检测的波形虽然有点毛刺，但经过单片机部的软件滤波，仍然能够好的识别电机转子的位置，并进行电机的换相。

图25 位置检测波形

表 2 位置检测电平

PA6 PA7 PB0 十六进制

0 0 1 0x01

0 1 1 0x03

0 1 0 0x02

1 1 0 0x06

1 0 0 0x04

1 0 1 0x05

5.4电流波形

直流无刷电机刚启动时的电流非常大，此时容易烧坏电机，因此要加保护电路，驱动电路也要有足够的电流驱动能力，否则电机转不起来。示波器观察的波形如何下图26所示，符合电机启动的原理电流波形[11]。

图26 电流波形图

5.5实物图

图27是动手焊的电路板，是直流无刷电机的驱动电路板，驱动电路用的集成模块IPM构成。该电路很好的实现了无刷电机的启动、停止及转速控制能功能。达到了预期效果。

图27 实物图

结束语

近年来，随着电机技术和其相关控制技术的迅猛发展，使得无刷直流电机在工控等很多领域得到了及其广泛的应用。我这次以无刷直流电机为设计对象，对无刷直流电机控制系统进行了相对较为深入的学习，主要对以下几方面的容进行了学习：（1）学习了电机的理论控制技术[12]。

（2）查找了一些电机控制[13]的书籍。

（3）分析了常用的无刷直流电机位置控制方法及反电势过零点检测原理[14]。

（4）对电极控制算法进行了研究，重点阐述了速度环控制策略的原理[15]。

（5）设计硬件电路，设计了以IPM为核心的功率逆变电路，并设计了反电势过零点检测电路。

（6）编写程控制系统软件[16]，对整套控制系统进行了调试。

PWM控制直流电机的系统的设计

电力电子与电机拖动综合课程设计 题目： PWM控制直流电机的系统 专业： 05自动化 学号： 200510320219 姓名：张建华 完成日期： 指导教师：李晓高

电力电子与电机拖动综合课程设计任务书 班级：自动化05 姓名：张建华指导老师：2008年6月10日 年月日

目录

1 引言 直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制;而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率低。随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。 本电机调速系统采用脉宽调制方式, 与晶闸管调速相比技术先进, 可减少对电源的污染。为使整个系统能正常安全地运行, 设计了过流、过载、过压、欠压保护电路, 另外还有过压吸收电路。确保了系统可靠运行。 2 系统概述 2.1 系统构成 本系统主要有信号发生电路、PWM速度控制电路、电机驱动电路等几部分组成。整个系统上采用了转速、电流双闭环控制结构，如图1所示。在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器

一种无刷直流电动机控制系统设计

一种无刷直流电动机控制系统设计

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一种无刷直流电动机控制系统设计 摘要：介绍了MOTORALA公司专门用于无刷直流电机控制的芯片MC33035和 MC33039的特点及其工作原理，系统设计分为控制电路与功率驱动电路两大部分，控制电路以MC33035/33039为核心，接收反馈的位置信号，与速度给定量合成，判断通电绕组并给出开关信号。在驱动电路设计中，采用三相Y联结全控电路，使用六支高速MOSFET 开关管组成。通过实验，电机运行稳定。 关键词：无刷直流电机;MC33035/33039;控制电路;驱动电路 Design of control system for Brushless DC Motors SUN GuanQun;SHI Ming;TONG LinYi;XU YiPing Abstract:It introduces the MOTORALA company used for the characteristics o f the chip MC33035 and MC33039 which control the brushless direct curren t motor exclusively and its work principle. The system design divides into tw o major parts: the control circuit and the power driver circuit, the control circ uit take MC33035/33039 as the core, receive feedback position signal, with th e speed to the quota synthesis, the judgment circular telegram winding and p roduces the switching signal. In the actuation circuit design, uses the three-p hase Y joint all to control the electric circuit, uses six high speed MOSFET swit ching valve to compose. Through the experiment, the electric motor moveme nt stable is reliable. Keywords:Brushless DC motor;MC33035/33039;control circuit;drive circuit 1.引言 永磁直流无刷电机是近年来迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机。该电机由定子、 转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成,由于没有励磁装置,效率高、结构简单、工作特 性优良,而且具有体积更小、可靠性更高、控制更容易、应用范围更广泛、制造维护更方便 等优点,使无刷电机的研究具有重大意义。 本系统设计是利用调压调速，根据调整供电PWM电源的占空比进而调整电压的方式实 现。本设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33035，它能够对霍尔传感器检测出的位置 信号进行译码,它本身更具备过流、过热、欠压、正反转选择等辅助功能, 组成的系统所需 外围电路简单，设计者不必因为采用分立元件组成庞大的模拟电路,使得系统的设计、调试 相当复杂,而且要占用很大面积的电路板。 MC33035和MC33039这两种集成芯片也可以方便地完成无刷直流电动机的正反转、 运转起动以及动态制动、过流保护、三相驱动信号的产生、电动机转速的简易闭环控制等。

无刷直流电机的驱动及控制

无刷直流电机驱动 James P. Johnson, Caterpiller公司 本章的题目是无刷直流电动机及其驱动。无刷直流电动机（BLDC）的运行仿效了有刷并励直流电动机或是永磁直流电动机的运行。通过将原直流电动机的定子、转子内外对调—变成采用包含电枢绕组的交流定子和产生磁场的转子使得该仿效得以可能。正如本章中要进一步讨论的，输入到BLDC定子绕组中的交流电流必须与转子位置同步更变，以便保持磁场定向，或优化定子电流与转子磁通的相互作用，类似于有刷直流电动机中换向器、电刷对绕组的作用。该原理的实际运用只能在开关电子学新发展的今天方可出现。BLDC电机控制是今天世界上发展最快的运动控制技术。可以预见，随着BLDC的优点愈益被大家所熟知且燃油成本持续增加，BLDC必然会进一步广泛运用。 2011-01-30 23.1 BLDC基本原理 在众文献中无刷直流电动机有许多定义。NEMA标准《运动/定位控制电动机和控制》中对“无刷直流电动机”的定义是：“无刷直流电动机是具有永久磁铁转子并具有转轴位置监测来实施电子换向的旋转自同步电机。不论其驱动电子装置是否与电动机集成在一起还是彼此分离，只要满足这一定义均为所指。”

图23.1 无刷直流电机构形 2011-01-31 若干类型的电机和驱动被归类于无刷直流电机，它们包括： 1 永磁同步电机（PMSMs）； 2 梯形反电势(back - EMF)表面安装磁铁无刷直流电机； 3 正弦形表面安装磁铁无刷直流电机； 4 内嵌式磁铁无刷直流电机； 5 电机与驱动装置组合式无刷直流电机； 6 轴向磁通无刷直流电机。 图23.1给出了几种较常见的无刷直流电机的构形图。永磁同步电机反电势是正弦形的，其绕组如同其他交流电机一样通常不是满距，或是接近满距的集中式绕组。许多无刷直流电

直流电机控制系统设计

直流电机控制系统设计

XX大学 课程设计 （论文） 题目直流电机控制系统设计 班级 学号 学生姓名 指导教师

沈阳航空航天大学 课程设计任务书 课程名称专业基础课程设计 院（系）自动化学院专业测控技术与仪器 班级学号姓名 课程设计题目直流电机控制系统设计 课程设计时间: 2012年7 月9 日至2012年7 月20 日 课程设计的内容及要求： 1.内容 利用51单片机开发板设计并制作一个直流电机控制系统。系统能够实时控制电机的正转、反转、启动、停止、加速、减速等。 2.要求 （1）掌握直流电机的工作原理及编程方法。 （2）掌握直流电机驱动电路的设计方法。 （3）制定设计方案，绘制系统工作框图，给出系统电路原理图。 （4）用汇编或C语言进行程序设计与调试。 （5）完成系统硬件电路的设计。 （6）撰写一篇7000字左右的课程设计报告。 指导教师年月日 负责教师年月日

学生签字年月日 目录 0 前言 (1) 1 总体方案设计 (2) 1.1 系统方案 (2) 1.2 系统构成 (2) 1.3 电路工作原理 (2) 1.4 方案选择 (3) 2 硬件电路设计 (3) 2.1 系统分析与硬件设计 (3) 2.2 单片机AT89C52 (3) 2.3 复位电路和时钟电路 (4) 2.4 直流电机驱动电路设计 (4) 2.5 键盘电路设计 (4) 3软件设计 (5) 3.1 应用软件的编制和调试 (5) 3.2 程序总体设计 (5) 3.3 仿真图形 (7) 4 调试分析 (9) 5 结论及进一步设想 (9) 参考文献 (10) 课设体会 (11) 附录1 电路原理图 (12) 附录2 程序清单 (13)

51单片机直流无刷电机控制

基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机 学号：3100501044 班级：电气1002 ：王辉军

摘要 直流无刷电机是同步电机的一种，由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,…）组成。电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响： N=120．f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载围当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 MCS-51单片机是美国英特尔公司生产的一系列单片机的总称，是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力的微处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入输出接口电路、定时计算器、串行通信口、脉宽调制电路、A/D转换器等电路集成到一块半导体硅片上，这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。 本论文将介绍基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机的设计，它可以实现控制直流无刷电动机的启动、停止、急停、正反转、加减速等功能。 关键词：单片机，直流无刷电动机，控制系统

直流无刷电动机是在直流电动机的基础之上发展而来的，它是步进电动机的一种，继承了直流电动机的启动转矩大、调速性能好等特点克服了需要换向器的缺点在交通工具、家用电器及中小功率工业市场占有重要的地位。直流无刷电动机不仅在电动自行车、电动摩托车、电动汽车上有着广泛的应用，而且在新一代的空调机、洗衣机、电冰箱、吸尘器，空气净化器等家用电器中也有逐步采用的趋势，尤其是随着微电子技术的发展，直流无刷电动机逐渐占有原来异步电动机变频调速的领域，这就使得直流无刷电动机的应用围越来越广。 本设计就是基于MCS-51系列单片机控制直流无刷电动机，利用所学的知识实现单片机控制直流无刷电动机的启动、停止、急停、正反转，加减速等控制，并对直流无刷电动机运行状态进行监视和报警。详细介绍单片机的种类、结构、功能、适用领域和发展历史、未来前景及其直流无刷电动机的工作原理、控制结构等容，既着重单片机的基本知识、功能原理的深入阐述，又理论联系实际详细剖析单片机控制直流无刷电动机的过程。 1．直流无刷电动机的基本组成 直流无刷电动机是在直流电动机的基础上发展而来的，直流无刷电动机继承了直流电动机启动转矩大、调速性能好的优点，克服了直流电动机需要换向器的缺点，在交通工具、家用电器等生活的方方方面面占有重要的地位。 由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。 直流无刷电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,…）组成。图3-1所示为三相两极直流无刷电机结构。 三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结，A、B、

基于无刷直流电机控制系统设计与实现

基于无刷直流电机控制系统设计与实现 发表时间：2017-10-20T11:19:09.350Z 来源：《防护工程》2017年第15期作者：樊圣至[导读] 为了摆脱此系统对进口技术的依赖性，应深入研究其控制系统，提升设计水平，从而实现煤矿开采的自动化。交通运输部东海第一救助飞行队摘要：无刷直流电机具备体积小、效率高以及控制精度高等优势，且在多个领域得到了广泛使用。但在部分控制系统中，外加干扰以及参数摄动等因素干扰了系统的动静态性，基于此，本文在分析无刷直流电机结构与运行原理的基础上，指出了其软硬件方面的优化控制措施，以期为此后无刷直流电机控制系统的设计工作提供更多的参考依据。 关键词：无刷直流电机；控制系统；设计与实现 1 无刷直流电机结构 电机本体、位置测算结构、电子换相逻辑等均属于无刷直流电机的组成结构，且其与永磁同步电机较为相似。相较直流电机，无刷直流电机旋转的转子为磁极，而直流电机为绕组。且定子主要由电枢绕组、定子铁芯以及其他固定部件组成，电枢绕组一般采用三相Y型绕法，而转子磁极则采用稀土永磁钢片组成，安装在转子表面。 2 无刷直流电机软硬件设计2.1系统硬件部分 2.1.1系统硬件结构 系统硬件主要包括整流电路、开关电源电路、控制芯片、信号隔离电路、调试电路、逆变功率电路以及电流电压检测与保护电路等，其具体结构如下图1所示。 图1 无刷直流电机控制系统硬件结构组成图其中键盘控制系统信息，比如完成启动、停机、速度给定以及系统参数的在线修改等工作。系统交流电源通过整流桥获得直流电源，并供给全桥逆变以及开关电源电路。而开关电源电路则为系统提供24V以及5V的直流电源，电压检测电路通过模数转换获得电压时值，通过母线电压的监控实行过压保护动作，而主控芯片则通过判断输入信息进行控制命令。 2.1.2电源部分分路 整个系统能量的主要来源便是电源，且其呈现出交流、直流以及交流的变化过程，整个电路被分为强电与弱电两个组成部分，且单相220伏的交流电在整合后会形成310伏的直流电，为逆变电路以及开关电路提供能量。首先是整流电路，包括单相全桥不可控整流电路以及电容充电电流限制电路两个组成部分，当电机功率为1.5kW时，控制器的输出能力设定为2.2kW，且上电瞬间直流电源对电容充电，断开继电器，且电流在经过电阻的过程中得到缓冲。其次是电源电路，主要由变压器、IC1以及MC7085等部分组成，其中IC1为电源的专门控制面板。且开关电源处于电压工作模式，IC1通过电压反馈调整PWM的输出功率，从而维持电源电压的稳定运行。最后是芯片电源电路，主要采用主控芯片为3.3伏的工作电平。 2.1.3主控芯片以及周边电路研究中采用适合电机控制领域的32位Cortex -M3核的单片机，可以达到较高的运算效率，且其时钟频率为72赫兹，具备丰富的外设资源。在设计管脚分配以及附属电路时应在参考专业手册的基础上进行，第一，对于引脚60的外接电路，芯片应处于下载设置状态，且系统完成后还应焊接0欧姆的电阻，以保持引脚的低电平状态。第二，对于晶振电路应采用8M外部晶体的振荡器，且电源与大地之间连接电容，以排除电源的耦合干扰。第三，PWM信号输出控制电路，应采用安全性较强的芯片，且在芯片输出后以及光电隔离之前设置74ACT244以有效控制信号的总输出。第四，键盘系统属于独立通信模块，设计时应按照协议要求编写通讯软件即可使用。 2.1.4功率器元件以及驱动电路GTO、MOSFET、GTR、IGBT以及IPM等均属于常用的功率开关元件，且设计期间，应根据元件管件的耐压程度、最大开关频率等因素进行选择。本次研究中，电机控制要求较高的开关频率；较小的导通阻抗以及较小的驱动功率，因此可以选择MOSFET、IPM以及IGBT。比较发现，IGBT具备大电流以及低导通阻抗的特点，可以保持开关频率；而IPM则在内部集成了过高电压、过大电流以及高温的检测系统，且可以在引脚处输出故障信号，降低了系统的损害率。但考虑到此次研究的试验性质，因此应选择IGBT的分立元件组建全桥逆变电路，并确定1200伏的耐压与25安的额定电流，上升时间为50毫秒。 2.1.5模拟量采集与故障电路

无刷直流电机控制系统的设计

1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。 1955年，美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内，都停

直流无刷电机的控制系统设计方案

直流无刷电机的控制系统设计方案1 引言 1.1 题目综述 直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，它不仅保留了有刷直流电机良好的调试性能，而且还克服了有刷直流电机机械换相带来的火花、噪声、无线电干扰、寿命短及制造成本高和维修困难等等的缺点。与其它种类的电机相比它具有鲜明的特征：低噪声、体积小、散热性能好、调试性能好、控制灵活、高效率、长寿命等一系列优点。基于这么多的优点无刷直流电机有了广泛的应用。比如电动汽车的核心驱动部件、电动车门、汽车空调、雨刮刷、安全气囊；家用电器中的DVD、VCD、空调和冰箱的压缩机、洗衣机；办公领域的传真机、复印机、碎纸机等；工业领域的纺织机械、医疗、印刷机和数控机床等行业；水下机器人等等诸多应用[1]。 1.2 国内外研究状况 目前，国内无刷直流电机的控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。外国的一些技术和中国的一些技术大体相当，美国和日本的相对比较先进。当新型功率半导体器件：GTR、MOSFET、IGBT等的出现，以及钕铁硼、钐鈷等高性能永磁材料的出现，都为直流电机的应用奠定了坚实的基础。近些年来，计算机和控制技术快速发展。单片机、DSP、FPGA、CPLD等控制器被应用到了直流电机控制系统中，一些先进控制技术也同时被应用了到无刷直流电机控制系统中，这些发展都为直流电机的发展奠定了坚实的基础。 经过这么多年的发展，我国对无刷电机的控制已经有了很大的提高，但是与国外的技术相比还是相差很远，需要继续努力。所以对无刷直流电机控制系统的研究学习仍是国内的重要研究内容[2]。 1.3 课题设计的主要内容 本文以永磁方波无刷直流电机为控制对象，主要学习了电机的位置检测技术、电机的启动方法、调速控制策略等。选定合适的方案，设计硬件电路并编写程序调试，最终设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。本课题涉及的技术概括如下：

基于MC33035芯片的无刷直流电机驱动系统设计

基于MC33035的无刷直流电机驱动控制系统设计 摘要 随着社会的发展和人民的生活水平提高，人们对交通工具的需求也在不断发展和提高。电动自行车作为一种“绿色产品”已经在全国各省市悄然兴起，进入千家万户，成为人们，特别是中老年人和女士们理想的交通工具，受到广大使用者的喜爱。 MC33035的典型控制功能包括PWM开环速度控制、使能控制(起动或停止) 、正反转控制和能耗制动控制。此芯片具有过流保护、欠压保护、欠流保护、又因此芯片低成本、高智能化、从而简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。 设计的直流无刷电机控制器是采用 MC33035 芯片控制的，以本次设计结果表明，MC33035的典型控制功能带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。电动自行车作为一种新型交通工具已经在社会上引起很大的影响并受到广大使用者的喜爱。 关键词：电动自行车，无刷直流电机，MC33035，位置传感器

THE BRUSHLESS DC MOTOR DRIVE SYSTEM DESIGN BASED ON MC33035 CHIP ABSTRACT With the rapid development of technology, new energy technologies in recent years have been widely used. For example, the small size, light weight, high efficiency, low noise, large capacity and high reliability features such as permanent magnet brushless DC motor-driven bike. MC33035 Typical control functions include open loop PWM speed control so that it can control (start or stop), reversing control and braking control. This chip is overcurrent protection, undervoltage protection, under current protection, and therefore chip cost, high intelligence, which simplifies the system structure, lower system costs, increase system performance to meet the needs of more applications. The design of the brushless DC motor controller is controlled by MC33035 chip to this design results show that, MC33035 typical time delay control with an optional latch-by-week shutdown mode current limiting characteristics, and internal thermal shutdown characteristics. Electric bicycles as a mode of transportation has caused a great impact on society and loved by the majority of users. KEY WORDS: electric-bicycle, brushless DC motor, MC33035, position sensors

直流电机控制系统设计范本

直流电机控制系统 设计

XX大学 课程设计 （论文）题目直流电机控制系统设计 班级 学号 学生姓名 指导教师

沈阳航空航天大学 课程设计任务书 课程名称专业基础课程设计 院（系）自动化学院专业测控技术与仪器 班级学号姓名 课程设计题目直流电机控制系统设计 课程设计时间: 7 月 9 日至 7 月 20 日 课程设计的内容及要求： 1.内容 利用51单片机开发板设计并制作一个直流电机控制系统。系统能够实时控制电机的正转、反转、启动、停止、加速、减速等。 2.要求 （1）掌握直流电机的工作原理及编程方法。 （2）掌握直流电机驱动电路的设计方法。 （3）制定设计方案，绘制系统工作框图，给出系统电路原理图。 （4）用汇编或C语言进行程序设计与调试。 （5）完成系统硬件电路的设计。 （6）撰写一篇7000字左右的课程设计报告。

指导教师年月日 负责教师年月日 学生签字年月日 目录 0 前言...................................................................................... 错误!未定义书签。 1 总体方案设计 ...................................................................... 错误!未定义书签。 1.1 系统方案 ...................................................................... 错误!未定义书签。 1.2 系统构成 ...................................................................... 错误!未定义书签。 1.3 电路工作原理............................................................... 错误!未定义书签。 1.4 方案选择 ...................................................................... 错误!未定义书签。 2 硬件电路设计 ...................................................................... 错误!未定义书签。 2.1 系统分析与硬件设计................................................... 错误!未定义书签。 2.2 单片机AT89C52............................................................ 错误!未定义书签。 2.3 复位电路和时钟电路................................................... 错误!未定义书签。 2.4 直流电机驱动电路设计 ............................................... 错误!未定义书签。 2.5 键盘电路设计............................................................... 错误!未定义书签。 3 软件设计 ............................................................................ 错误!未定义书签。 3.1 应用软件的编制和调试 ............................................... 错误!未定义书签。 3.2 程序总体设计............................................................... 错误!未定义书签。 3.3 仿真图形 ...................................................................... 错误!未定义书签。 4 调试分析 .............................................................................. 错误!未定义书签。

无刷直流电机控制系统的Proteus仿真

无刷直流电机控制系统的Proteus仿真-机械制造论文 无刷直流电机控制系统的Proteus仿真 王家豪潘玉民 （华北科技学院电子信息工程学院，河北三河101601） 【摘要】基于Proteus软件仿真平台，提出了一种对无刷直流电机(BLDCM)控制系统实现了转速闭环控制的方案。该系统以AT89S52单片机为核心，采用IR2101芯片驱动及AD1674实现速度，并利用数码动态显示转速，通过增量式PID调节对无刷直流电机实现转速闭环稳定控制。仿真结果表明该系统具有可控调速、显示直观等特点。 关键词无刷直流电机(BLDCM)；Proteus；增量式PID；闭环控制 ０引言 无刷直流电机（BLDCM）既有直流有刷电机的特性，又有交流电机无刷的优点，在快速性、可控性、可靠性、输出转矩、结构、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，近年来得到迅速推广[1]。BLDCM是一种用电子换向取代机械换向的新一代电动机，与传统的直流电动机相比，它具有过载能力强，低电压特性好，启动电流小等优点。近年来在工业运用方面大有取代传统直流电动机的趋势，所以研究无刷直流电机的驱动控制技术具有重要的实际应用价值。 本设计采用增量式PID控制策略控制无刷电动机，并在Proteus平台上进行转速闭环系统仿真。搭建了无刷直流电动机转速控制系统的仿真模型，基于80C51控制核心，采用keil C51软件编写C程序。 1系统硬件组成 控制系统的硬件组成如图1所示。采用Atmel公司的AT89S52单片机为系统

控制核心、IR2101驱动的MOSFET三相桥式逆变器、无刷直流电机、A/D转换转速检测、闭环PID控制、按键检测、档位和转速显示等部分组成。 2控制系统核心及外围电路 系统核心AT89S52单片机最小系统及按键电路如图2所示。 AT89S52芯片是8位单片机，具有廉价、实用及运算快等优点，它有两个定时器，两个外部中断接口，24个I/O口，一个串行口。 单片机首先进行初始化，将显示部分（转速显示、档位显示）送显“0”然后通过中断对按键进行检测当检测到启动键按下时，系统启动，控制核心输出初始控制码，与此同时通过AD转换器读取当前的实时转速，一方面用于显示，另一方面将当前转速与设定转速送入PID控制环节然后输出下一时刻的控制码。 在本次设计中使用80C51的外部中断接口0（INT0）作按键检测（见图3），通过四个与门，当有任何一个按键按下去时tap端都会出现低电平引发中断。

直流电机控制系统设计(1)

湖南工程学院课程设计《DSP原理及应用》 题目：直流电机控制系统设计 专业： 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 2015年5 月19 日

摘要 直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统体积小，结构简单、可靠性高、操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。 本篇论文介绍了基于单片机的直流电机PWN调速的基本办法，直流电机调速的相关知识以及PWM调速的基本原理和实现方法。重点介绍了基于TMS320LF2407单片机的用软件产生PWM信号以及信号占空比调节的方法。对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。 关键词：单片机最小系统；PWM ；直流电机调速，TMS320LF2407;

前言 电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。然而近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。而作为单片嵌入式系统的核心—单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。这是因为单片机具有很多优点：体积小，功能全，抗干扰能力强，可靠性高，结构合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。所以选用单片机作为控制系统的核心以

开题报告无刷直流电机的控制系统

合肥师范学院本科生毕业论文（设计）开题报告 （学生用表） 装 订 线

第l章主要叙述了无刷直流电机的发展趋势、无刷直流电机的控制技术、研究背景及意义。 第2章首先介绍了无刷直流电机的基本结构和工作原理，然后给出了常见的无刷直流电机的数学模型及其推导过程，在此基础上对无刷直流电机的稳态特性进行了详细分析。 第3章对本控制系统的总体结构和设计进行介绍。主要包括控制系统的整体方案，控制芯片，控制技术以及控制策略的选择。 第4章对控制系统的硬件电路进行设计，包括DSP最小系统、功率驱动电路、采样检测电路、保护电路等的设计，并对各个部分进行了详细的分析。 第5章以TI公司的CCS开发环境为开发工具，对整个控制系统的软件部分进行了设计。 第6章总结与展望，总结了本文的主要工作，展望了以后工作的研究方向。 五、可行性分析 此次研究是在指导老师的指导下搜集，查阅相关资料，确定能够通过应用DSP 芯片进行控制是最优方案，采用TI公司的TMS320F2812作为控制器。根据现在无刷直流电机的控制技术的发展水平和未来的发展趋势及可操作性进行分析，该课题能够顺利进行。 六、设计方案 6.1无刷直流电机的基本结构 无刷直流电机的设计思想来源于利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器。普通有刷直流电机由于电刷的换向作用，使得电枢磁场和主磁场的方向在电机运行的过程中始终保持相互垂直，这样能够产生最大的转矩，从而驱动电机不停地运转下去。无刷直流电机取消电刷实现了无机械接触换相，做成“倒装式直流电机"的结构，将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子侧。无刷直流电机必须具有由控制电路、功率逆变桥和转子位置传感器共同组成的换相装置以实现电机速度和方向的控制[5]。因此，可以认为无刷直流电机是典型的机电一体化器件，其基本结构由电动机本体、驱动控制电路及转子位置传感器三部分组成，如图所示。 无刷直流电机的构成 6.2无刷直流电机的工作原理 普通直流电机的电枢在转子上，而定子产生固定不变的磁场。为了使直流电机旋转，需要通过换相器和电刷不断地改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转[6]。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通直流电动机相反。然而即便是这样的改变仍然不够，因为直流电通入定子上的电枢以后，产生的不变磁场还是不能使电动机转动起来。为了达到使电动机

直流电动机控制系统设计

X X X X X学院 题目：直流电动机控制系统 学 院 XXXXXX学院 专 业 自动化 班 级 XX班 姓 名 XXX 学 号 XXXXX 指导老师 XXX 2012年 12 月 25 日 1、 设计题目：直流电动机控制系统 1、前言 近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。 采用传统的调速系统主要有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。另外，由于PWM 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开

关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。 2、系统设计原理 脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需 要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 （1） 式中 Ua——电枢供电电压（V）； Ia ——电枢电流（A）； Ф——励磁磁通（Wb）； Ra——电枢回路总电阻（Ω）； CE——电势系数， ，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。 由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。 3、方案选择及论证 3.1、方案选择 3.1.1、改变电枢回路电阻调速 可以通过改变电枢回路电阻来调速，此时转速特性公式为 n=U-【I(R+Rw)】/KeФ （2）式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。 当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R= (Ra+Rw)增大，电动机转速就降低。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。 这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，

无刷直流电机控制系统的设计——毕业设计

无刷直流电机控制系统的设计——毕业设计

学号：1008421057 本科毕业论文（设计） (2014届) 直流无刷电机控制系统的设计 院系电子信息工程学院 专业电子信息工程 姓名胡杰 指导教师陆俊峰陈兵兵 高工助教 2014年4月

摘要 无刷直流电机的基础是有刷直流电机，无刷直流电机是在其基础上发展起来的。现在无刷直流电机在各种传动应用中虽然还不是主导地位，但是无刷直流电机已经受到了很大的关注。 自上世纪以来，人们的生活水平在不断地提高，人们在办公、工业、生产、电器等领域设备中越来越趋于小型化、智能化、高效率化，而作为所有领域的执行设备电机也在不断地发展，人们对电机的要求也在不断地改变。现阶段的电机的要求是高效率、高速度、高精度等，由此无刷直流电机的应用也在随着人们的要求的转变而不断地迅速的增长。 本系统的设计主要是通过一个控制系统来驱动无刷直流电机，主要以DSPIC30F2010芯片作为主控芯片，通过控制电路采集电机反馈的霍尔信号和比较电平然后通过编程的方式来控制直流无刷电机的速度和启动停止。 关键词：控制系统；DSPIC30F2010芯片；无刷直流电机

Abstract Brushless dc motor is the basis of brushless dc motor, brushless dc motor is developed on the basis of its. Now in all kinds of brushless dc motor drive applications while it is not the dominant position, but the brushless dc motor has been a great deal of attention. Since the last century, constantly improve the people's standard of living, people in the office, industrial, manufacturing, electrical appliances and other fields increasingly tend to be miniaturization, intelligence, high efficiency, and as all equipment in the field of motor is in constant development, people on the requirements of the motor is in constant change. At this stage of the requirements of the motor is high efficiency, high speed, high precision and so on, so is the application of brushless dc motor as the change of people's requirements and continuously rapid growth. The design of this system mainly through a control system to drive the brushless dc motor, mainly dspic30f2010 chips as the main control chip, through collecting motor feedback control circuit of hall signal and compare and then programmatically to control the speed of brushless motor and started to stop. Keywords: Control system; dspic30f2010 chip; brushless DC motor