无刷永磁直流电机调速系统

毕业设计论文

题目永磁无刷直流电机调速系统设计

（院）系电气与信息工程系

专业电气工程及其自动化班级 0001 学号 0001120121 学生姓名万志雄

导师姓名谢卫才

完成日期 2004-6-15

湖南工程学院

毕业设计（论文）任务书

设计（论文）题目：无刷永磁直流电机调速系统

姓名万志雄系别电气与信息工程系专业电气工程及其自动化班级0001 学号

指导老师谢卫才教研室主任

一、基本任务及要求：

阐述无刷直流电机的发展过程，基本原理和结构。从无刷永磁直流电动机的基本原理和调速原理出发，设计出一个无刷永磁直流电机和系统。

二、进度安排及完成时间：

2月16日明确设计任务书和具体安排

2月20日下午设计任务书抽查

2月16日-3月6日查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告

3月6日抽查文献综述、开题报告撰写情况

3月7日-3月21日毕业实习、撰写实习报告

3月22日-5月29日毕业设计

4月底毕业设计中期检查

5月30日-6月15日撰写毕业设计说明书（论文）

6月16日毕业设计说明书抽查（论文）

6月16日-6月20日修改、装订毕业设计说明书、指导教师评阅

6月18日-6月26日毕业设计答辩（公开答辩、分组答辩）

前言

永磁无刷直流电动机由于没有换向火花，没有无线电干扰，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，又具有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特点，因此被广泛用于国民经济的各个领域，并且日益普及。所以,对于永磁无刷直流电动机的研究将是具有非常重要的意义.本文针对永磁无刷直流电动机所具有的各种优点

本课题对永磁无刷直流电动机的研究基于以下几个方面:无刷直流电机本体的研究, 气隙磁场和电磁转矩的研究, 电磁转矩的研究, 电气损耗的研究, 系统仿真的研究, 换向逻辑的问题的研究, 位置传感器的设计的研究. 但是，由于许多原因，无刷永磁直流电机还存在缺陷，并没有完全适应国民经济的发展，且电机的需求量在随着国民经济的迅猛增长而不断增大。由此可以看出，研究新型无刷直流电机是当务之急。

本课题主要从无刷永磁直流电动机的基本原理出发，阐述无刷永磁直流电动机的基本结构、控制和具体的应用,并且设计一台无刷永磁直流电动机。

本课题主要解决以下几个方面的问题:永磁无刷直流电动机的结构原理,电磁设计和具体应用.

目录

摘要 (Ⅰ)

Abstrac (Ⅰ)

第1章绪论 (1)

1.1课题的研究意义 (1)

1.2 课题的发展和研究概况 (1)

1.3无刷电动机的分类 (4)

1.3.1 按工作特性划分 (4)

1.3.2 按驱动方式划分 (4)

1.3.3 按转子信号检测方式划分 (4)

1.3.4按磁钢的形状划分 (4)

1.4 工作任务 (4)

1.4.1工作任务 (4)

第2章无刷电机的基本原理 (5)

2.1无刷电机的基本原理 (8)

2.2无刷直流电动机的运行特性 (7)

2.2.1起动特性 (8)

2.2.2 无刷直流电动机的工作特性 (8)

2.3直流无刷电动机的基本组成环节及工作原理 (10)

第3章直流无刷电动机的电磁设计┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉14

3.1主要尺寸与电磁负荷┉┉┉┉┉┉┉┉┉………┉┉┉┉┉…┉┉┉┉┉ 14

3.2磁路的计算┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (19)

3.3直流电机的绕组┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉…………┉┉┉ 24

3.4设计程序┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (34)

第4章直流无刷电动机的控制┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉…┉┉┉┉┉┉┉ 37

4.1换向的控制┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (37)

4.2启动电流的控制┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (38)

4.3转速的控制┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (38)

第5章直流无刷电动机的应用┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (39)

结束语┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (42)

致谢 (43)

无刷永磁直流电机调速系统

摘要：无刷永磁直流电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GRT、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，无刷永磁直流电机正在以其特有的优势不断蓬勃发展。为了能对无刷直流电机有一个足够并且更深入的认识，本课题从无刷永磁直流电机的结构、原理、控制以及具体的应用方面展开了讨论，特别是在原理方面，从而为后面的控制部分打下基础，并且依据自己的思路，试着设计一台电机，希望自己能把所学的知识应用到实际。最后，通过对无刷永磁直流电机在轻型汽车上的应用结束设计的内容。

关键词:无刷永磁直流电机、控制、应用。

the System of Speed Adjustment for Permanent Magnet

Brushless DC Motor

Abstract：With the development of Power Electronic Technique and the following appearance of many high capability semiconductor, such as GRT、MOSFET、IGBT. And some high quality permanent magnetic material also gives Direct Current Electromotor a good foundation, such as rare earth. As a result, Direct Current Electromotor is developing vigorously. In order to make Direct Current Electromotor more familiar ,I want to see the structure、principle 、control and the practical use of the Direct Current Electromotor. Especially, I spend a lot ink to study the electromotor’ principle, so I can make the control part more easily. And I also want to design an electromotor in order to throw the knowled ge I have learnt into practice. At last, I have a dream that all buses’ motor can be replaced by Direct Current Electromotor, so that we can save more energy and make the world more beautiful.

Keywords: Permanent Magnet Brushless Direct Current Electromotor、control and Application.

第1章绪论

1.1直流无刷电动机的研究意义

随着科学技术的不断发展，电机对人们的影响是越来越大。而无刷直流电机所具有的各种优越性，更是在整个国民经济中产生着巨大的影响。无刷直流电机由于没有换向器（整流子）和电刷组成的机械接触机构，并且它通常采用永磁体为转子，没有励磁损耗，且发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，这样热阻较小，散热容易。所以，它没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长。它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，又具有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特点，因此被广泛用于国民经济的各个领域，并且日益普及。

但是，由于许多原因，无刷永磁直流电机还存在缺陷，并没有完全适应国民经济的发展，且电机的需求量在随着国民经济的迅猛增长而不断增大。由此可以看出，研究新型无刷直流电机是当务之急。

1.2课题的发展和研究概况

早在本世纪三十年代，就有人开始研制以电子换向来代替机械换向的直流无刷电动机，并取得了一定的成果。但由于当时的大功率器件还只是处于初级发展阶段，没能找到理想的换向元器件，使得这种电机只是停留在实验室研究阶段，而无法推广。1955年，美国D．哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向的专利，这就是现代直流无刷电动机的雏形。但由于该电动机无启动转矩而不能产品化。而后又经过人们的多年努力，借助霍耳元件来实现换向的直流无刷电动机终于在1962年问世，从而开创了直流无刷电动机产品化的新纪元。70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GRT，MOSFET，IGBT等相继出现，以及高、性能永磁材料的出现，如稀土永磁材料的问世，均为直流电机的发展以及广泛应用奠定的坚实的基础。

由于直流无刷电动机既具备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特点,故在当今国民经济中的各个领域,如医疗器械,仪器仪表,化工,轻防以及家用电器等方面的应用日益普及.如计算机硬盘驱动器和软盘驱动器里的主轴电动机,录象机中的伺服电动机,均数以百万计的运行着直流无刷电动机.

近些年来，我国在微小功率范畴内的无刷直流电动机发展较快，尤其是应用于不同领域的特殊类型的直流无刷电机的市场需求量很大。大体类型如下：计算机外存储器以及主

轴驱动用扁平式无铁心电机结构，小型通风机用外转子电机结构，家电用多极磁场结构及内装式结构，电动自行车用多极外转子结构等。家用电器如：空调的电机正由3A 转向3D ，需要大量的中小功率无刷直流电动机。我国稀土材料储量的丰富，更是为高性能的无刷直流电机的发展创造了有利条件。国内对无刷电机的研究主要集中在电动车辆，航天领域以及空调电机的应用上。据统计，在国外自1985年以后无刷直流电机的年增长率大50﹪，在日本其年产量突破亿台。而在我国，直流无刷电机的产品还太少且尚未形成大规模生产。但是随着无刷永磁直流电机的不断发展，国民经济的不断进步，其需求量将不断增加，且必将为我国的建设事业锦上添花。因此，永磁直流无刷电机的研制与开发是意义十分重大的。

本文将基于无刷直流电机的三个基本组成结构，从以下几个方面介绍无刷直流电机的研究现状。具体如下：

1.2.1无刷直流电机本体的研究

1.2.1.1主要尺寸，相数，槽数及绕组连接方式的确定。 主要尺寸的计算方法一般按下试计算：

2

168.4B A K K m

p n l D w N i ????'?='??φα

式中，2

1i D ---电枢直径，m

l ---电枢铁心计算长度，m

p ' ---计算功率。W

w

K ---基波绕组系数

A ---线负荷，A/m 0

B ---气隙磁密幅值，T ： N

n ---额定转速，r/min; 'δα ---算极弧系数，b/b; av

B ---气隙磁密平均值，T ； m ---绕组系数； φ

K ---气隙磁场波形系数。

但是，由于气隙磁密往往只是接近方波或梯形波，这样，A 和K 都难于确定。针对方波和梯形波气隙磁密分布，有一种更简单，更直观的方法来计算主要尺寸，具体如下：

对于方波形气隙磁密电机：

N

w p i n B A K P l D ????'

=

?02

12

sin

75.6π

α；

对于梯形波气隙磁密电机：

N

w p i i p i n AB K P l D ???-'

?-=

?02

1)2

cos

2

(cos

)(6.10π

απ

ααα

1.2.1.2无刷直流电机的相数，槽数及绕组连接方法的选择

相数的选择应根据不同的使用条件，综合考虑绕组的利用程度，电子开关的复杂程度及成本，转矩的脉动及电子元件应力方面的因数。极数与转速有一定的约束关系，且应综合考虑运行性能和经济指标。通常对于整距集中绕组而言，槽数应为相数和极对数的整数倍，而对于分布绕组，则不一定满足此条件，其规律比较复杂。连接方式主要有星形和三角形。总之一点，各参数的选择须根据具体情况，合理的选择。

1.2.2气隙磁场和电磁转矩的研究

对气隙磁场的精确分析，通常使用的是有限元分析法。因为有限元分析法是一种极为有效且精确的方法，它被广泛的用于无刷直流电机的研究中。尽管有限元法比较精确，但是，由于它即使用于计算机辅助计算也是一种极其费时的方法。因而它往往用于其他方法的准确性的校验上。通常为了简化计算，节省时间，通常采取一些较为简便的方法

来计算气隙磁密。如最大空载磁密为0δB

的梯形波等 效为一个幅值为

av

B 的矩形波，并在其中引入波形修正系数

av T

E E k =δ，这样就使得梯

形波磁场的计算转化为矩形波的计算。

若无法获得准确的波形可根据转子外径，磁极厚度，极弧长度，等尺寸推出梯形波。此外，也有采用经验公式对气隙磁密进行计算的，如方波行无刷直流电机在假定定子无

槽的情况下的气隙磁密分布式

)1(2

)

(220γπγ

θππγ

θ

e e e B B m +--=-，其

中 ，

)

1

21(2

m ax

0γ

γ

e e

B B +-=

1.2.3 电磁转矩的研究

在有刷直流电机中，电磁转矩可分为两部分：有效电磁转矩和脉动转矩。由于无刷直流电机具有类似直流电机的特性，通常采用直流模型，即不记电感的影响计算平均电磁转矩。研究波动转矩首先要计算瞬时转矩，可应用麦可思维张量法和建立电路等效模型，利用电路模型进行计算。

1.2.4 电气损耗的研究

这方面的研究相对较少，有的文献讨论了铁心损耗的计算模型，并进行了详细的推导。定子铁心损耗和转子寄生损耗也有部分讨论。

1.2.5系统仿真的研究

在相当多的文献中，都建立了完整的电机模型，对整个系统各方面性能作全面的仿真，且从各方面，各角度讨论电机的优化。有的文章讨论了材料问题，饱和的影响，以及过载问题。

1.2.6 换向逻辑的问题的研究

无刷直流电机具有多种多样的换向逻辑，不同的换向逻辑直接影响其出力和力矩的平衡。

1.2.7 位置传感器的设计的研究

位置传感器是电机的有机组成部分，它的设计对电机系统性能有重要影响。

1.3 无刷直流电机的分类

1.3.1 按工作特性划分，基本可以分为两大类：一类是具有直流电动机特性的无刷直流电机；另一类是具有交流电动机特性的无刷直流电动机。两者多由直流电源供电，不同的是，前者是借助位置传感器来检测转子的位置，用所检测到的信号去触发相应的电子换向电路以实现无接触换向。而后者则是通过逆变器，将直流电转化为交流电，然后去驱动一般的异步电动机或同步电动机。

1.3.2 按驱动方式划分，可以分为两类：一类是方波形无刷直流电机，其电机本体的反电势设计成梯形波，而逆变器输出方波电流或电压，并且与电机反电势保持适当的相位关系，从而产生适当的相位关系，从而产生较平滑的电磁转矩。

1.3.3 按转子信号检测方式划分，基本上可分为有位置传感器和无位置传感器两大类。前者由于传感器的一些不足，如易受温度，灰尘，振动等工作环境的影响，使得无刷直流电机的应用受到了限制。后者则克服了有传感器的缺点，所以应用更为广泛。

1.3.4 按磁钢的形状划分，可分为内嵌式和表面粘贴式两大类，每类中又有许多不同的类型，基本上与永磁电机类似。

此外，有一种正在发展的新型直流无刷电动机，它的特点是没有位置传感器。如电容移相式无刷直流电动机和数字直流无刷电动机。

1.4 工作任务

简要阐述无刷直流电机的发展过程，基本原理和结构，对永磁直流无刷电机的研究与开发有一个总体认识。本课题主要从无刷永磁直流电动机的基本原理出发，阐述无刷永磁直流电动机的基本结构、控制和具体的应用、并且设计一台无刷永磁直流电动机。

第2章 无刷永磁直流电动机原理

2.1 无刷电机的基本原理

直流无刷电动机作为机电能量转换的基本装置，其工作原理主要是所谓电磁转矩原理，即位于磁场中的载流导体，在该导体上就要受到力的作用。力的方向可按左手定则确定。如右图所示。力的大小可由公式求出：

F =BIL

试中 B ——磁感应强度（T ） I ——电流（A ）

Ｌ——导体有效长度（Ｍ） Ｆ——力（Ｎ） 如果磁感应强度Ｂ的方向和 电流Ｉ的方向不垂直，而是 成一定夹角θ，则力的大小为 Ｆ＝ＢＩＬsin θ

一个线圈的两个有效边在磁场中所受到的力的方向相反，他所产生的转矩是以旋转轴O 为中心，其大小又下试计算：

22D

T rF rBIL ==

试中：D T ——转矩（N ．m ）

r ——从中心到各导体的距离（m ）如图所示

线圈在磁场中的受力情况

同样，如果磁感应强度B 和电流方向不垂直，而是成一定夹角θ，则有

22sin D T rF rBIL θ==

对于某一电动机，若电动机气隙中的磁感应强度保持均匀分布，其大小为B 值，方向与导体垂直，则导体上所受到的总转矩为D D T rBILZ =

试中 D Z ——导体总数；

I ——流过每个导体的电流，如果所有导体串联，则为电动机输入端的电流； R ——电动机的气隙半径 L ——导体有效长度。

对与某一特定的电动机而言，其导体总数、每根导体的有效长度以及电动机的气隙半径均已确定，且磁感应强度B 取决于永久磁钢的磁性材料及磁路结构，对某一具体电动机而言也是一个常数，现将其定义为该电动机的转矩常数T K ，既 (/)T

D K rBLZ N m A =? 则有D T T K I =

右手定则及反电动势常数

在磁场中运动的导体因切割磁力线会感应出电动势E ，其大小为E BLv =

试中

v ——导体运动的速度（m/s ）

B ——磁感应强度（T ）； L ——导体的长度（m ）.

如果磁感应强度B 和L 不垂直，而是成一定夹角θ，则有

sin E BLv θ=

电动势E 的方向按右手定则判定，即伸开右手，使大拇指和其余四指垂直放在一个平面上，把手心面向N 极，大拇指对着导体运动方向，那么四指所指的方向就是该导体在磁场中所产生的电动势的方向。对于一个具体的 电动机而言，乘积（

D

rBLZ ）为一常数，令电动机常数

E D

K rBLZ =，则有

E

E K =ω

无刷直流电动机的电枢绕组与交流电动机的定子绕组相类似，基本上有星形绕组和封闭式绕组两类。它们的换向线路一般有桥式和非桥式之分。归纳起来有以下几种：星形绕组、封闭式绕组、特殊连接的绕组。

在直流无刷电动机中，来自位置传感器的驱动信号，按照一定的逻辑，使某些功率开关元件在某一瞬间导通或截止，电枢绕组内的电流发生跳变，从而改变了主定子的磁状态，我们把电枢绕组内的这种电流变化过程的物理现象称为“换流”。每换流一次，

磁状态就改变一次。这样，在工作气隙内回产生一个跳越式的旋转磁场。为了使直流无刷电动机可靠的运行，就应该真确的进行换流。换流是直流无刷电动机可靠运行的关键所在。

2.2 无刷直流电动机的运行特性：

无刷直流电动机的运行特性是指电动机的启动、正常工作和调速等情况下，电动机外部各可测物理量之间的关系。

电动机是一种输入功率、输出机械功率的原动机械。因此，我们最关心的是踏它的转矩、转速，以及转矩和转速随输入电压、电流、负载变化而变化的规律。因此，电动机的运行特性可分为：启动特性、工作特性、机械特性和调速特性。讨论各种电动机的运行特性时，一般都由电势公式、电势平衡方程式、转矩公式和转矩平衡方程式出发。对于无刷直流电动机，其电势平衡方程为：

U

r I E U acp acp ?++= (1)

式中 U ——电源电压（伏） E ——电枢绕组反电动势（伏）

acp I ——平均电枢电流（安） acp

r ——电枢绕组的平均电阻（欧）

U ?——功率晶体管饱和管压降（伏）；对于桥式换向线路为2U ?。

对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式，电枢绕组反电动机势有不同的表达式，但不论那一种绕组和线路结构，均可表示为

n

K E e = (2)

式中 n ——电动机转速（r/min ）；

e

K ——反电动势系数（V/r.min ）。

由上两式可知：

e

acp acp e

K U

r I U K E n ?--=

=

(3)

在转速不变时，转速平衡方程式为

2M M M +=

M ——摩擦转矩

2M ——输出转矩

M ——电磁转矩 这里

acp

m I K M =

m

K ——转矩系数

在转速变动的情况下，则

t

d d J

M M M ω++=02

J ——转动部分的转动惯量

t

d d ω——转子的机械角加速度

2.2.1起动特性

电动机在起动时，由于反电动势为零，因此电枢电流（起动电流）为

acp

r U

U II I ?-=

其值为正常工作电枢电流的几倍到十几倍。 所以起动电磁转矩很大，电动机可以很快 起动，并能带负载直接起动。随着转子的 加速，反电动势E 增加，电磁转矩降低， 加速力矩也减小，最后进入正常工作状态。 在空载起动时，电枢电流的变化如右图所示。

需要说明，无刷直流电动机的起动转矩，除了如上所述与起动电流有关，尚与转子相对于电枢绕组的位置有关。转子位置不同时，起动转矩是不同的，这是因为上面所讨论的关系式都是平均值之间的关系，而实际上，由于电枢绕组所产生的磁场是跳跃的。当转子所处位置不同时，转子磁场与电枢磁场之间的夹角在变化。因此所产生的电磁转矩是变化的。这个变化量要比有刷直流电动机因电枢接触压降和电刷所短路元件数的变化而造成的启动转矩的变化大得多。

2.2.2 无刷直流电动机的工作特性

在直流无刷电动机中，工作特性主要包括如下几个方面的关系：电枢电流和电机效

率与输出转矩之间的关系。

（1） 电枢电流和输出转矩之间的关系：

电枢电流随着负载转矩的增加而 增加

（2） 电枢效率和输出转矩之间的关系：

这里仅考察电动机部分的效率与 输出转矩的关系。电动机效率为

P

P

P P ∑-==

11

2η

式中 ∑P ——电动机的总损耗；

1

P ——电动机的输入功率，

U

I P acp =1；

2

P ——输出功率，n M P 22=。 负载与效率特性曲线

2M =0，即没有输出转矩时，电动机的效率为零。随着输出转矩的增加，电动机的效率

增加 。当电动机的可变损耗等于不便损耗时，电动机的效率达到最大值。

（3）机械特性和调速特性

机械特性是指外加电源电压恒定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系。由1、2、

3式可知acp

E acp r nK r U U acp I -=?-

)(acp E acp

r nK r U

U m acp m K I K M -==?- 可以看出，由于等号右边的 第一项是常数（当不计U ?的 变化和电枢反应的影响）。所以 电磁转矩随转速的减小而线性 增加，如右图所示。当转速为零时 既为起动电磁转矩。当上式右边二 项相等时，电磁转矩为零，此时的

转速即为理想空载转速。实际上， 机械特性曲线

由于电动机损耗中可边部分以及电枢反应的影响，输出转矩稍稍偏离直线变化。又因为功率晶体管的饱和管压降随集电极电流的变化而变化，在基极电流不变时，功率晶体管的饱和压降和集电极电流之间的

关系如图所示。所以，随着转速的

减小，电动机的反电动势也减小，电

枢电流增加，U

增大，到一定值以后，增

加较快，所以机械特性曲线接近堵转（即

转速很低时）时，加快下跌如机械特性的

曲线图所示。又由上式可见，改变电源电

压，可以容易的改变输出转矩（在同一转

速下）或改变转速（在同一负载下），如机

械特性曲线所示。所以，无刷直流电动机的调速性能很好，可以用改变电源电压的方法实现平滑调速。但此时电子换向线路及其他控制线路的电源电压仍应保持不变。

综上所述，无刷直流电动机的运行特性与有刷直流电动机极为相似，有着良好的伺服控制性能。

2.3直流无刷电动机的基本组成环节及工作原理

如图所示它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路组成。Array

电动机本体主要部件有主转子和主定子.它们首先必须满足电磁方面的要求,保证在工作气息中产生足够的磁通,电枢绕组必须通过一定的电流,以便产生一定的电磁转

矩.其次要满足机械方面的要求,保证机械结构牢固和稳定,能传送一定转矩,并能经受

住一定环境的考验.此外,还要考虑节约材料,结构简单,紧凑,运行可靠和温升不超过规定的范围.主定子是电动机本体的静止部分.它右导磁的定子铁芯和绕组用的一些零部件,绝缘材料,引出部分等组成,如机壳,绝缘片,槽锲,引出线以及环氧树脂等.主转子是电动机本体的转动部分,是产生激磁磁场的部件.它由三部分组成:永磁体,导磁体和支撑部件.其中,永磁体和导磁体是产生磁场的核心,系由永磁材料和导磁材料组成.无刷直流电机常采用的永磁材料有以下几种:铝镍钴-5,铝镍钴-5结晶取向, 铝镍钴-8, 铝镍钴-8结晶取向,铁氧体和高磁能级的稀土钴永磁材料等.导磁材料一般用10号钢或工业用电工纯铁等。机械支撑部件主要是指转轴,轴套和压圈等.它们起固定永磁体和导磁体的作用.转轴由不导磁材料,如圆钢或玻璃钢棒等车磨而成,要求它有一定的机械强度和刚度.转轴和压圈通常由黄铜或铝等不导磁材料做成.

检测主转子位置的位置传感器是实现无接触换向的一个极其重要的部件.因此,它是无刷直流电动机的一个关键部分.位置传感器可分为接触式和接触式两种.接触式位置传感器出现较早,它结构简单,紧凑,用于比较简单的场合.它和有刷直流电动机相比,无疑是一种创新,因它把有刷直流电动机的大电流直接接触(电流通过电刷,换向器的接触而加到电枢绕组中去)改为小电流接触,然后通过放大而把电源加到电枢绕组中去.但是,这种结构仍然存在机械接触,当电动机连续工作数千个小时后,传感器的闭和次数十分频繁,可达9

10次之多,这显然比触头所允许的次数大好几个数量级;当在强烈震动,高真空及腐蚀性介质中工作时,运行可靠,甚至很危险,不便维修.它有些自动控制系统,飞行器,核动力装置和能源装备等就不宜采用.而无接触式换向器则能弥补上述不足.位置传感器基本上可分为以下几种：光电式位置传感器，磁敏式位置传感器，接近开关式位置传感器，谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器。

电子换向线路和位置传感器相配合,起到与机械换向相类似的作用.因此,电子换向线路也是无刷直流电动机实现无接触换向的一个重要的组成部分.电子换向线路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调,预放大,功率放大,然后去触发末级功率晶体管,使电枢绕组按一定的逻辑程序馈电,保证电动机的可靠运行.一般来说,对电子换向电路的基本要求是:(a) 线路简单; (b)运行稳定可靠;(c)体积小,重量轻;(d)功耗小;(e)能按照位置传感器的信号进行正确换向,并能控制电动机的正反转;(f) 应能满足不同环境的要求;(g)长期运行.电子线路由振荡电路，解调电路和功放电路组成。

图示电动机为三相两极。三相定子绕组分别与定子开关线路联接，A，B，C三相分别与功率开关管

123

,,

V V V相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。

当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换相的换相作用。

因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是由一台电子开关线路，永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图所示。

直流无刷电机的原理框图

直流无刷电动机的磁钢与直流有刷电动机的磁钢作用相同，均是在气隙中建立足够的磁场，所不同的的是前者的磁钢装在转子上，后者装在定子上。

直流无刷电动机电子开关线路是用来控制电动机定子上各相线圈通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。又由于位置传感器所产生的信号一般不能直接用来

控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定的逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元，所以，组成直流无刷电动机各主要部件的框图可如下所示。

第3章 电磁设计

3.1 主要尺寸与电磁负荷

在这一部分里，主要讨论三个问题：磁路结构及其有关尺寸的确定：电枢绕组和有关参数的计算；以及转子位置传感器的设计。

设计无刷直流电动机与有刷直流电动机相比较，在磁路结构方面，除了把永磁体置于转子之上外，没有什么特殊的地方。只是由于用电子换向代替了机械换向，才使得两者在电路系统方面，在电枢绕组的有效利用方面，存在着较大的差别。

设计无刷直流电动机，和通常设计有刷直流电动机不同。首先应该根据给定的技术指标，选择合理的电枢绕组和电子换向线路的组合方式，以及与之相适应的转子位置传感器形式（或选择无位置传感器的控制方式）。然后才能对电动机的磁路系统和电路系统进行合理的设计。所谓合理的设计的是指，就是一方面要在给定的技术指标下，设计出重量轻、尺寸小和经济指标好的电动机；另一方面，要适当的选择电磁参数，以便满足电动机的运行特性。例如起动转矩倍数、时间常数、转矩波动、转速稳定度以及效率等。

在直流无刷电机的设计过程中，所要确定的各部件的尺寸很多，一般都是从决定它的主要尺寸入手。

直流无刷电机的主要尺寸是指定子内径a D 和定子铁心有效长度

a

L 。电动机主要尺寸

确定了电动机外型轮廓，重量及材料费用。他和电动机的技术性能指标有非常密切的关系。主要尺寸选择地合理，整个电动机的设计工作就有了一个良好的基础，就有可能获得比较好的技术经济指标。因此，在电动机的设计过程中，主要尺寸的确定是其中一个非常重要的步骤。电动机主要尺寸与电动机的容量。转速，气隙磁感应强度等参数有关。 所谓电磁负荷是指电动机的电负荷A 和磁负荷B 。它们与电动机主要尺寸的确定直接相关，对电动机的运行特性，效率，温升等指标也有很大的影响。所以，电磁负荷是电机设计中的重要参数。

直流无刷电动机的电负荷（或称线负荷）A 是指沿定子的内径圆周方向每单位长度中安培导体总数， 其数学表达试为

a

a a D I mN A π=

试中 a I

——定子相电流

a

N ——每相导体数

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。

直流电机的调速方法

第八章直流调速系统 8.1 概述 调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此，在生产机由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长位。当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，在许多场合正逐渐取代直流调速仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础 8.1.1直流电机的调速方法 根据第三章直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种： （1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。 （2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。 （3）改变电枢回路电阻。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。 改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动和调压调速配合使用，在额定转速以上作小围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速直流电动机电枢绕组中的电流与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动。直流电动机电磁转矩中的常方便地分别调节，这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。调节主磁通一般还是通过调节速，还是调磁调速，都需要可调的直流电源。 8.1.3 调速系统性能指标 任何一台需要转速控制的设备，其生产工艺对控制性能都有一定的要求。例如，精密机床要求加工精度达到几十微米至几的围调速，最高和最低相差近300倍；容量几千kW的初轧机轧辊电动机在不到1秒的时间就得完成从正转到反转的过程；高速造速误差小于0.01%。所有这些要求，都可以转化成运动控制系统的稳态和动态指标，作为设计系统时的依据。 转速控制要求 各种生产机械对调速系统提出了不同的转速控制要求，归纳起来有以下三个方面： （1）调速。在一定的最高转速和最低转速围，分档（有级）地或者平滑（无级）地调节转速。 （2）稳速。以一定的精度在所需转速上稳定地运行，不因各种可能的外来干扰（如负载变化、电网电压波动等）而产生（3）加、减速控制。对频繁起、制动的设备要求尽快地加、减速，缩短起、制动时间，以提高生产率；对不宜经受剧烈速量平稳。 以上三个方面有时都须具备，有时只要求其中一项或两项，其中有些方面之间可能还是相互矛盾的。为了定量地分析问题个调速系统的性能。 稳态指标 运动控制系统稳定运行时的性能指标称为稳态指标，又称静态指标。例如，调速系统稳态运行时调速围和静差率，位置随控制系统的稳态力误差等等。下面我们具体分析调速系统的稳态指标。 （1）调速围D 生产机械要求电动机能达到的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速围，用字母D表示，即

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

无刷直流电机软件的设计

4.3 控制器软件设计 软件设计是控制系统最重要的一个组成部分，软件设计的好坏直接关系着整个控制系统性能的优良，控制系统的软件设计一定要具备实时性、可靠性和易维护性，对此，选择一款简单、方便的开发环境对于系统软件的整体优化以及提高整个系统的开发效率有很大的影响。目前支持STM 32系列控制芯片且应用比较广泛的主要有IAR EWARM和KEIL MDK这两个集成开发环境，本文采用的开发环境是KEIL MDK，它是ARM 公司推出的嵌入式微控制器开发软件，集成了业界领先的Vision 4开发平台，具有良好的性能，是ARM开发工具中的最好的选择，适合于不同层次的开发人员使用，尤其是它与我们经常使用的51单片机开发环境Keil C51的整体布局和使用方法类似，只有一些地方不同，操作起来比较熟练，很容易上手，极大的减小了开发人员的使用难度，缩短了开发周期，提高了开发效率，因此这款KEIL MDK得到了很多人的认可。 STM 32的软件开发主要开发方式有2种，就是基于寄存器的开发和基于库函数的开发，其中基于寄存器的开发方式就更51单片机的开发差不多，它是通过直接操作芯片内部的各个寄存器来达到控制芯片的目地，这种方式较直观，程序运行占用的资源少，但对于STM 32这种寄存器数目非常多的芯片来说，采用寄存器的开发方式会减慢开发速度，还让程序可读性降低。而基于库函数的开发方式则是对寄存器的封装，它向下处理与寄存器直接相关的配置，向上为用户提供配置寄存器的接口，这种方式大大降低了使用STM 32的条件，不仅提高了开发效率，而且程序还具有很好的可读性和移植性，因此本文采用的是基于库函数的开发方式，编程语言全采用 C 语言。

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：

无刷直流电动机控制系统设计

(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 无刷直流电动机控制系统设计方案 第1章概述 (1) 1.1 无刷直流电动机的发展概况 (1) 1.2 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 (2) 1.3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理 (3) 1.4 无刷直流电动机的运行特性 (6) 1.4.1 机械特性 (6) 1.4.2 调节特性 (6) 1.4.3 工作特性 (7) 1.5 无刷直流电动机的应用与研究动向 (8) 第2章无刷直流电动机控制系统设计方案 (10) 2.1 无刷直流电动机系统的组成 (10) 2.2 无刷直流电动机控制系统设计方案 (12) 2.2.1 设计方案比较 (12) 2.2.2 无刷直流电动机控制系统组成框图 (13) 第3章无刷直流电动机硬件设计 (15) 3.1 逆变主电路设计 (15) 3.1.1 功率开关主电路图 (15) 3.1.2 逆变开关元件选择和计算 (15) 3.2 逆变开关管驱动电路设计 (17) 3.2.1 IR2110功能介绍 (17) 3.2.2 自举电路原理 (19) 3.3 单片机的选择 (20) 3.3.1 PIC单片机特点 (20) 3.3.2 PIC16F72单片机管脚排列及功能定义 (22) 3.3.3 PIC16F72单片机的功能特性 (22) 3.3.4 PWM信号在PIC单片机中的处理 (23) 3.3.5 时钟电路 (23) 3.3.6 复位电路 (24) 3.4 人机接口电路 (24) 3.4.1 转把和刹车 (24) 3.4.2 显示电路 (25) 3.5 门阵列可编程器件GAL16V8 (27) 3.5.1 GAL16V8图及引脚功能 (27)

直流电机控制系统

直流电机控制系统

摘要：本文利用MCS-51系列单片机产生PWM信号，采用了自己设计的电机驱动电路，实现对直流电机的转速和控制方向的控制，并着重对电机驱动电路的设计进行叙述。主要模块包括单片机控制模块、电机驱动模块、电机接口模块、电源模块、键盘控制模块。 关键词：PWM信号，直流电机，电机驱动，单片机

引言 随着科学技术的迅猛发展,电气设备发展日新月异.尤其以计算机,信息技术为代表的高新技术的发展,使制造技术的内涵和外延发生了革命性的变化,传统的电气设备设计,制造技术不断吸收信息控制,材料,能量及管理等领域的现代成果,综合应用于产品设计,制造,检测,生产管理和售后服务.在生产技术和生产模式等方面,许多新的思想和概念不断涌现,而且,不同科学之间相互渗透,交叉融合,迅速改变着传统电气设备制造业的面貌,从而使得产品频繁的更新换代,这就使得电机成为社会生产和生活中必不可少的工具.随着科学技术的不断发展,人类社会的不断进步,人们对生活产品的需求要不断趋向多样化,这就要求生产设备必须具有良好的动态性能,在不同的时候进行不同的操作,完成不同的任务.为了使系统具有良好的动态性能必须对系统进行设计.特别是大型的钢铁行业和材料生产行业,为达到很高的控制精度,速度的稳定性,调速范围等国产直流电机简介为了满足各行业按不同运行条件对电动机提出的要求,将直流电机制造成不同型号的系列.所谓系列就是指结构形状基本相似,而容量按一定比例递增的一系列电机.它们的电压,转速,机座型号和铁心长度都是一定的等级.现将我国目前生产的几个主要系列直流电机简要的介绍如下。Z2系列为普通用途的中,小型电机.它的容量从400W到200KW,电动机的额定电压有200V和110V两种,额定转速有3000,1500,1000,750及600r/min五个等级.Z2系列普通用

单闭环无静差直流调速系统

8.3.4 单闭环无静差直流调速系统 上面介绍的采用比例调节器的单闭环调速系统，其控制作用需要用偏差来维持，属于有静差调速系统，只能设法减少静差，无法从根本上消除静差。对于有静差调速系统，如果根据稳态性能指标要求计算出系统的开环放大倍数，动态性能可能较差，或根本达不到稳态，也就谈不上是否满足稳态要求。采用比例积分调节器代替比例放大器后，可以使系统稳定且有足够的稳定裕量。但是采用PI调节器之后的系统稳态性能是否满足当时并未提及。通过下面的讨论我们将看到，将比例调节器换成比例积分调节器之后，不仅改善了动态性能，而且还能从根本上消除静差，实现无静差调速。 积分调节器和积分控制规律 图所示为用线性集成电路运算放大器构成的积分调节器（简称I调节器）的原理图。根据运算放大器的工作原理，我们可以很容易地得到 （）式中，——积分调节器的积分时间常数。 式（）表明积分调节器的输出电压是输入电压对时间的积分。当积分调节器在输入和输出都为零时，突加一个阶跃输入，其输出将随时间线性增大（如图所示），即

（） 其上升的速度取决于积分时间常数。在积分调节器中，只要在调节器输入端有Uin作用，电流i不为零，电容C就不断积分，输出Uex也就不断线性变化，直到运算放大器饱和为止。 图积分调节器 图阶跃输入时积分调节器的输出特性 从以上分析可知，积分调节器具有下述特点“ （1）积累作用。只要输入端有信号，哪怕是微小信号，积分就会进行，直至输出达到饱和值（或限幅值）。只有当输入信号为零，这种积累才会停止。 （2）记忆作用。在积分过程中，如果突然使输入信号为零，其输出将始终保持在输入信号为零瞬间前的输出值。 （3）延缓作用。即使输入信号突变，例如为阶跃信号，其输

无刷直流电动机调速系统设计说明

目录 1绪论 (1) 1.1 直流无刷电动机发展状况 (1) 1.2直流无刷电机控制技术的发展 (1) 2 直流无刷电动机的工作原理 (2) 2.1 直流无刷电动机的结构与原理 (2) 2.2三相绕组直流无刷电动机控制主回路的基本类型 (4) 2.3直流无刷电动机控制系统中的PWM控制器 (5) 3 直流无刷电动机控制系统的数学模型 (6) 3. 1直流无刷电动机的基本方程 (7) 3. 2直流无刷电动机控制系统的动态数学模型 (10) 4 硬件电路 (12) 4.1 主电路 (12) 4.2换相电路 (14) 5 软件部分设计 (17) 5. 1软件总体构成 (17) 5. 2主程序的设计 (17) 5. 3中断子程序的设计 (19) 结论 (21) 参考文献 (22) 致谢 .............................................................. 错误!未定义书签。

1绪论 1.1 直流无刷电动机发展状况 电动机作为机电能量转换装置，其应用围已经遍及国民经济的各个领域，电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中。但传统的直流电动机均采用机械电刷的方式进行换向，存在相对的机械摩擦，和由此带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点。因此，早在1917年，Bulgier就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机(BLDCM: Brushless Direct Current Motor)的基本思想。 1955年，美国D·Harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着无刷直流电机的诞生。1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正进入了实用阶段。二十世纪80年代国际上对无刷电机开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电机，在10多年的时间里，无刷直流电机在国际上己得到较为充分的发展。现代电力电子器件工艺日臻成熟，出现了功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(MOSFET)，特别是绝缘栅双极晶体管(IGBT ), MOS可控晶闸管(IGCT)的开发成功，使无刷直流电机功率驱动电路的可靠性和稳定性得到保障。直流无刷电动机的发展也使得传统的电机学科同当代许多新技术的发展密切相关。随着大功率半导体器件、电力电子技术、微电子技术、数字信号处理技术、现代控制理论的发展以及高性能永磁材料的不断出现，如今的无刷直流电机系统己经成为集特种电动机、功率驱动器、检测元件、控制软件与硬件于一体的典型的机电一体化产品，体现了当今工程科学领域的许多最新成果。 1.2直流无刷电机控制技术的发展 常规控制器(PID控制)尽管控制精度较高，但它需要建立描述动态系统的精确的数学模型，对于未知动态变化的系统要建立精确的数学模型是比较困难的。比如干扰、参数漂移和噪声等不可能在很高的精度下进行模型化。

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。

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

直流电动机无级调速毕业设计

毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目：直流电动机无级调速 1．设计（论文）的主要任务及目标 (1) 本次的设计任务就是直流电动机无级调速的设计，使其能更好的为我们的生产和生活服务。 (2) 本次的设计目的就是要求设计要使得电动机转速可以由零平滑调至额定转速，能实现高速起动，具有较高的调速精度。 2．设计（论文）的基本要求和内容 (1) 直流电动机的基本知识 (2) 直流电动机的运行原理 (3) 主电路以及控制电路的设计 3．主要参考文献 [1] 张家生.电机原理与拖动基础.北京邮电学院出版社，2006年 [2] 唐介.电机与拖动. 北京:高等教育出版社,2003年 [3] 陈世元.电机学.中国电力出版社，2004年 [4] 徐邦荃.直流调速系统与交流调速系统.华中科技大学出版社,2008年 [5] 赵影.电机与电力拖动. 北京:国防工业出版社,2006年 4．进度安排 设计（论文）各阶段名称起止日期 1 论文初稿2012年12月27日 2 第一次修改2012年12月30日 3 第二次修改2013年01月08日 4 第三次修改2013年02月17日 5 论文终稿2013年03月16日 I

直流电动机无极调速 摘要 本设计主要是运用调速系统对直流电动机进行调速，使其实现无级的效果。此调速系统由主电路和控制电路两部分组成：主电路是采用晶闸管可控整流装置进行调速;控制电路是采用双闭环速度电流调节方法进行反馈。系统采用调压调速的调速方法可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级调速。双闭环速度电流调节这种方法虽然初次头次成本相对而言较高，但它保证了系统的性能，保证了对生产工艺要求的满足，它既兼顾了启动时的电流的动态过程，又保证稳态后速度的稳定性，在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用很好地满足了生产需要。 关键词：无级调速；双闭环；晶闸管 II

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

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

基于PWM控制的直流电机自动调速系统设计_毕业设计

基于PWM控制的直流电机自动调速系统设计 1 绪论 1.1 课题的研究背景和意义 直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性;尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电机、步进电机等)的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。 近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制 (PulseWidthModulation，简称PWM)控制方式已成为绝对主流。这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。 五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。首先，实现了整流器件的 更新换代，从50年代的使用己久的直流发电机一电动机组(简称G-M系统)及水银整流装置，到60年代的晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统)，使得变流技术产生了根本的变革。再到脉宽调制 (PulsewidthModulation)变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器单片机应用于控制系统，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位[1]。 目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。该方法依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统或环节的内部参数，所获的参数具

单闭环无静差直流调速系统的时域分析

邢台学院物理系 《自动控制理论》课程设计报告书 设计题目：单闭环无静差直流调速系统的时域分析 业：专自动化 ：级班学生姓名: :学号 ：指导教师

日24 月3 年2013． 邢台学院物理系课程设计任务书专业：自动化班级：

日月年 摘要 单闭环无静差直流调速系统是把转速作为系统的被调节量，通过对给定电压的控制来实现对电动机转速控制的调速系统。它能够检测误差，纠正误差，有效地解决调速范围与静差率的矛盾，抑制消除扰动造成的影响，并且采用了比例积分调节器，从而实现了无静差调速。由于其优良的调速性能，在工农业生产中获得了广泛的应用，为工业生产，交通运输，楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了巨大的变化。 本次课程设计以单闭环无静差直流调速系统为例，研究控制系统的性能，并对单闭环无静差直流调速系统进行时域分析。 调节时超调量时域分析：单闭环无静差直流调速系统关键词 目录 1单闭环无静差直流调速系统简介 (1) 1.1 系统原理 (1) 1.2 系统的整体设计 (1) 1.3电流截止负反馈简介 (2) 1.4各环节简介及传递函数 (3) 1.4.1比例积分放大器 (3) 1.4.2晶闸管整流器 (4) 1.4.3额定励磁下的直流电动机 (5) 2单闭环无静差直流调速系统的时域分析 (7)

2.1 系统动态结构图 (7) 2.2 动态性能分析 (8) 2.3稳态性能分析 (10) 3基于MATLAB的时域分析 (10) 4总结体会 (14) (14) . 献文考参． 1单闭环无静差直流调速系统简介 系统原理1.1为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单 闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的 则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在本设计中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反 馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较U，用作 控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后经放大后，得到移相控制电压c加到晶闸管的门 极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的 转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例） 调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的 转速能稳定在一定的范围内变化。 系统的整体设计1.2

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