(完整版)无刷直流电机经典换相方式

1、引言

你希望在你的新产品中使用无刷伺服电机吗？平时，我们可能也常碰到一些关键词，例如“梯形波式”，“正弦波式”和“矢量控制”。只有当你了解了他们的真正含义，才能在你的新设计中选择正确的产品。

在过去的十年甚至二十年中，伺服电机市场已经从有刷伺服转变成无刷伺服的市场，这主要是由无刷伺服的低维修率和高稳定性所决定的。在这十几年中，驱动部分在电路和系统方面的技术已发展的非常完善。控制方式也已经完全可以实现那些关键词所描述的功能。

大部分的高性能的伺服系统都采用一个内部控制环来控制力矩。这个内部的力矩环通过和外部的速度环和位置环的配合以达到不同的控制效果。外部控制环的设计是与匹配的电机没有关系的，而内部的力矩环的设计则与所匹配的电机的性能息息相关。

有刷电机的力矩控制是非常简单的，因为有刷电机自身可完成换相工作。所输出的力矩是和有刷电机两极输入的直流电压成正比的。力矩也可通过P-I控制回路轻松地得到控制。P-I控制回路的主要功能就是通过检测电机实际电流和控制电流之间的偏差，实时地调整电机的输入电压。

图1

由于无刷电机自身没有换相功能，所以相对应的控制方式就比较复杂。无刷电机有三组线圈，有别于有刷电机的两组线圈。为了获得有效的力矩，无刷电机的三组线圈必须根据转子的实际位置进行相互独立的控制。这种驱动方式就充分地说明了对无刷电机控制的复杂性。

2、无刷电机基础

简单来说，无刷电机主要由旋转的永磁体（转子）和三组均匀分布的线圈（定子）组成，线圈包围着定子被固定在外部。电流流经线圈产生磁场，三组磁场相互叠加形成一个矢量磁场。通过分别控制三组线圈上的电流大小，我们可以使定子产生任意方向和大小的磁场。同时，通过定子和转子磁场之间的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到控制。

图2

对于转子旋转的任意角度，定子都存在着一个最优化的磁场方向，能产生最大的力矩；同样，定子也能产生一个无力矩输出的磁场方向。简单地说，如果定子生成的磁场和转子永磁体的磁场方向一致，电机就不会输出任何力矩。在这种情况下，两个磁场还是存在相互的作用力的，但由于这个力的方向和转子旋转轴方向一致，所以，两个磁场只产生对轴承的压力，没有产生任何的旋转力。另一方面，如果定子产生的磁场方向正交于转子的磁场方向，这就会产生一个力让转子产生转动，而且这也就是产生最大力矩的位置。

定子产生的任意方向及大小的磁场可以被分解成平行和垂直于转子磁场方向的两个分量。这样，相互正交的磁场产生旋转力，而相互平行的磁场产生的便是对轴承的压力。出于这个原因，一个高效的无刷电机驱动的功能就是减少相互平行的磁场和让相互正交的磁场最大化。

图3

为了便于对控制系统进行建模和分析的需要，我们按照惯例主要对线圈电流进行控制，而不是去控制定子的磁场。因为我们可以非常容易地检测电机的电流，而磁场（实际的磁通量）却很难得到。

在无刷电机中，流经三组线圈的电流直接产生了定子的磁场。由于这三组线圈被人为的按照相互120度角度差来安装的，所以三组线圈所产生的磁场也存在相互120度的角度差。而这三个磁场相互叠加便产生了定子的磁场。

为了对流经定子线圈产生的磁场进行建模，我们便引入了“空间电流矢量”的概念。固定线圈的空间电流矢量具有一个固定的磁场方向，这完全由通过线圈的磁通大小和流经线圈的电流相互作用决定的。这样，我们就可以用空间电流矢量来表征定子的磁场，这个空间电流矢量也就是三组线圈所产生的电流矢量的空间叠加。解释空间电流矢量的一个直观方式就是，我们可以假设定子仅仅由一组线圈构成，而流经这组线圈的电流所产生的磁场和前面的三组线圈产生的叠加磁场是一致的。

图4

和定子磁场一样，定子的空间电流矢量也可以被分解成垂直和平行于转子磁体轴方向的两个分量。垂直方向的电流分量所产生磁场正交于转子的磁场，这就产生了旋转力矩。而平行于转子磁轴方向的电流分量，所产生的磁场与转子磁场一致，就不会产生任何的力矩。所以，一个好的控制算法就需要使这个平行于转子磁轴方向的电流分量最小化，因为，这个电流分量只会使电机产生多余的热量，并加剧轴承的磨损。我们需要控制线圈的电流，以使垂直于转子磁轴方向的电流分量达到最大。由此而得到的电机力矩和这个电流分量的大小成比例。

为了有效地获得持续的平稳的力矩，我们就需要一个理想的持续稳定的磁场，以产生一个稳定的定子空间电流矢量，而且这个磁场需要实时地跟随转子的旋转并与其磁场保持永远的垂直。从转子的旋转方式来看，定子的空间电流矢量在数值上应该是一个稳定值。所以在电机旋转过程中，定子的空间电流矢量表征出来的应该是一个圆环。由于定子的电流矢量是由三组线圈产生的电流分量相互叠加而成，而且这三组线圈在物理结构上是相互间隔120度的，所以电机的电流矢量应该是三组理想状态的弦波信号相互叠加而成，同时，这三组弦波信号之间也存在120度的相位角。

图5

为了使与转子磁场同向的定子电流矢量最小化（为零）且垂直的磁场最大化，定子线圈内的弦波电流需要随着转子的转动角度实时地进行相位调整。为了达到这种理想状态，我们已经通过各种控制方式，在对无刷电机的控制上获得了不同层度的成功。

３、梯形波式换相

控制直流无刷电机最简单的一种方式就是所谓的“梯形波式”换相。在这种方案中，我们每次只控制一对电机线圈中的电流，而第三路线圈在电路上一直与电源不接触。安装在电机内部的霍尔信号每隔60度角检测一次，并将检测到的结果通过数字信号反馈给电机的控制器部分。由于在梯形波换相的情况下，电机只有两组线圈通以相同的电流，而第三组线圈电流为零，所以这种检测方式在电机旋转一圈中只能检测到六个方向的电流矢量。在电机旋转过程中，电机电流每60度改变一次，所以每个电流矢量只能标定左右30度范围之内的电流。电流的波形从零阶跃式跳变到正向最大电流，然后再为零，再变为负向最大

电流。在这种情况下，电机电流在六个区域内有规律地跳变，使得电机可以近似平滑地运转。

图6

请看图7，这是无刷电机驱动的梯形波控制方式的框架图。这里采用了一个PI控制回路来对电流进行控制。我们用实际测量的电流和需求电流进行比较，得到一个偏差信号。这个偏差信号再经由积分和放大而产生一个输出的纠偏值，这个纠偏值就是用来减少误差的。这个由P-I控制回路产生的纠偏值随后经过PWM整定，再提供给输出桥路。这个过程的目的就是为了保证任意线圈中的电流保持稳定的状态。

换相与电流控制部分没有任何的联系。电机中的霍尔传感器产生的位置信号只是用来选择哪一对线圈对应的输出桥路需要通以电流，而其他桥路则保持无电流状态。电流感应回路主要用来实时地检测通电线圈的电流，并将信号反馈到电流控制回路中。

图7无刷电机驱动的梯形波控制方式框架图

虽然说梯形波换相的控制方式可以满足许多不同的应用控制，但它仍然存在一些缺陷。因为在这种换相方式下，电流矢量只能表示六个非连续的方向，它不能表征任意30度角内的电流变化。这就使电机的力矩以六倍于电机转动频率的状态产生15%（1-cos（30））的波动。这种电流矢量的不精确也带来了效率的损失，因为线圈上的部分电流对电机来说不能产生力矩。更为重要的是，电机每转一圈而产生的六次电流通道的切换，会产生刺耳的噪声，而且会使低速下电机的精度非常难控制。

梯形波式换相对无刷电机来说不能达到一个平滑和精确的控制，尤其是在低速运行的情况下。而弦波式换相就可以解决这些问题。

无刷电机的弦波式控制方式主要是通过同时控制三组线圈的电流，让他们在电机旋转过程中平滑地以弦波形式变化。三组线圈的电流被实时地控制以达到一个大小恒定且保持与转子磁场方向垂直的矢量。相对于梯形波式换相，这种换相方式可消除力矩的波动和换相时候的电流跳动。

在旋转过程中，为了让电机的电流更接近于平滑的弦波形式，我们就需要用一个高精度的传感器来精确测量转子的转动位置。而霍尔信号只能做出粗糙的测量，完全达不到这种高精度要求，所以我们就需要用编码器或者类似的装置来达到我们的要求。

图8是无刷电机驱动的弦波式换相的框架图。这种方式具有两路独立的电流控制环，以此来对电机的两路线圈进行实时控制。因为电机是WYE型接线，所以第三组线圈的电流与另两组线圈的电流总和大小相等，但方向相反（牛顿电流定律），因此我们不能单独地控制第三组线圈的电流。

图８无刷电机驱动的弦波式换相框架图

因为三组线圈的电流必须被组合成一组稳定的电机旋转矢量电流，而且这三组线圈相互保持120度的角度，所以三组电流必须为弦波形式，而且保持120度的相位差。位置编码器主要用来提供两路弦波信号，而且相互间隔120度。这两路信号将和力矩控制信号相互叠加成一个放大的弦波式信号以得到对电机的控制力矩。这两路电流信号经过相位的叠加形成让电机转动的电流矢量。

两路电机线圈的电流信号经过整定而得到的弦波信号将被输入到一对P-I控制器里。由于第三路线圈电流是另两路的负向叠加，所以我们无需控制它。每路P-I控制器的输出信号将被接入PWM进行调制，并通过桥路输入到电机的线圈中。第三路线圈的控制电压为另两路线圈电压的负向叠加，而这三路的控制电压依然保持120度的相位角。为了让实际输出的电流波形精确地与电流控制信号吻合，所以经过整定的电流控制矢量就必须像我们所需要的那样旋转平滑，大小稳定，并且一直保持和转子磁场方向垂直。

弦波式换相能得到梯形波式换相所不能达到的对电机的平滑控制。然而，这种理想的方式只能对电机低速运动起到非常好的平滑作用，而对于电机的高速运动则没有任何作用。因为当速度起来后，电流环控制器必须跟踪频率不断提高的弦波信号，而且还要克服振幅和频率不断提高的电机反电动势。

图９

因为P-I控制器的增益和响应频率是有限制的，所以这种电流环控制的不稳定性很容易引起电流的相位滞后和控制误差。速度越高，误差越大。这也导致定子电流矢量的方向不能稳定地跟随转子的旋转磁场，偏离于有效的垂直方向。这就使得电机输出的力矩变小，因此我们就需要更多的电流来保持电机的力矩。这也就表示电机的工作效率降低了。

电机转速越高，这种情况越恶化。在某种状态下，电机电流的方向偏移会达到90度之多，当这个时候，电机的力矩会减小为零。在采用弦波式换相的情况下，如果速度高于上述的状态时，电机会输出负力矩，但这是不可能发生的事。

弦波式控制方式存在着本质的问题，就是它对电机电流的控制是一个变量的控制。当电机速度不断提高，P-I控制器达到极限带宽时，这种控制方式就会失去它的效用。矢量控制就可以解决这个问题，它是通过直接控制对应于转子磁场平行和垂直方向的矢量电流分量来实现对定子线圈电流进行的精确控制。理论上看，矢量电流可分解成平行和垂直于转子磁场的两个电流分量。因为在这两个方向上的电流是静态的，所以P-I控制器对电流的控制就可以是直流的，而不是弦波信号。所以控制器输出的线圈电流和电压就是一个常量，不是原先的随时间不断变化的变量，这也就消除了控制器在频率响应和相位漂移上的限制。如果用矢量控制方式来控制无刷电机，电流控制的质量与电机转速没有任何关系。

图10

在矢量控制的情况下，我们主要控制对应于转子磁场平行和垂直方向上的电机电流和电压。这就表明我们所测得的电机电流必须经过PI控制器进行数学计算，然后将其从定子的三相静态结构转化成转子d-q的动态结构（平行和垂直于转子磁场方向）。同样的，电机端的控制电压也需要经过数学计算将其由转子的d-q结构转化为定子的三相静态结构，然后再输入到PWM部分进行调制。这些转化就要求我们具备高速的数学处理能力，DSP和高性能的处理器就会被采用并成为矢量控制的核心。

虽然这种结构的转换至需要一步计算就可以完成，但我们用两个步骤来描述会比较方便。电机电流首先从定子的物理120度相位差的三相结构转变成稳定的动态的直角正交的d-q结构，然后再由这种定子的动态结构转化为转子的三相静态结构。为了确保得到有效的结果，这些计算必须在P-I控制器的一个采样周期内完成。上述的这种转换与P-I控制器所需的电压信号从d-q结构转换成定子线圈的三相结构的操作正好相反。

一旦电机电流被转化成d-q结构，控制将变得非常简单。我们需要两路P-I控制器；一个控制平行与转子磁场的电流，一个控制垂直向电流。因为平行向电流的控制信号为零，所以这就使电机平行向的电流分量也变成零，这也就驱使电机的电流矢量全部转化为垂直向的电流。由于只有垂直向电流才能产生有效的力矩，这样电机的效率被最大化。另一路P-I控制器主要用来控制垂直向的电流，以获得与输入信号相符的需求力矩。这也就使垂直向电流按照要求被控制以获得所需的力矩。

图11

两路P-I控制器的输出信号表征了对应于转子的电压矢量。对应于电机电流信号的转换，这些静态的电压矢量也经过一系列的参考坐标的转换，得到输出桥路需要的电压控制信号。他们首先由转子动态的d-q参考结构转换成定子的静态x-y结构。接着，电压信号又被由这种直角坐标结构转换成相互间隔120度的物理结构，然后输入到电机的U，V和W的三相线圈中。这三路电压信号在输入到电机线圈前需要经过PWM的调制。

将电机线圈中时变的电流和电压的弦波信号转换成d-q结构的直流信号的工作就是参考坐标的转换。

弦波式换相和矢量控制间的本质区别就是一系列的坐标转换和对电流控制的处理。在弦波式换相方式中，我们需要先进行换相，然后通过P-I 控制得到所需的弦波式电流。因此对系统的P-I控制主要处理的是时变的电机电流和电压的弦波信号，电机的性能就会受到控制器带宽和相位漂移的限制。而在矢量控制中，电流信号先经过P-I控制，再经过高速的换相处理。因此，P-I控制器不需要对时变的电流和电压信号进行处理；系统也不会受到P-I控制器带宽和相位漂移的影响。

因此，为什么说矢量控制的方式更优越？

矢量信号能够让电机在低速的运转和高速一样的平滑。弦波式换相能让电机在低速下运转平稳，但在高速运转下效率却大大降低。而梯形波式换相在电机高速运转下工作比较正常，但在电机低速运转下，会产生力矩的波动。因此，矢量控制是对无刷电机的最佳控制方式。

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无刷直流电机的建模与仿真

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/a56825495.html, 无刷直流电机的建模与仿真 作者：秦超龙 来源：《电脑知识与技术》2013年第05期 摘要：该文在分析无刷直流电机（BLDCM）数学模型和工作原理的基础上，利用Matlab 软件的Simulink和PSB模块，搭建无刷直流电机及整个控制系统的仿真模型。该BLDCM控制系统的构建采用双闭环控制方法，其中的电流环采用滞环电流跟踪PWM，速度环采用PI控制。仿真和试验分析结果证明了本文所采用方法的有效性，同时也证明了验证其他电机控制算法合理性的适用性，为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。 关键词：BLDCM控制系统；无刷直流电机；数学模型；MATLAB；电流滞环 中图分类号： TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）05-1172-03 随着现代科技的不断发展，无刷直流电动机应用技术越发成熟，应用领域也越发广泛，用户对无刷直流电动机使用增多的同时，对其控制系统的设计要求也变得越来越高。包括低廉的设计和搭建成本、短的开发周期、合适的控制算法、优良的控制性能等。而科学合理的无刷直流电动机控制系统仿真模型的建立，对控制系统的直观分析、具体设计，快速检验控制算法，降低直流电机控制系统的设计成本，拥有十分重要的意义。 直流无刷电动机利用电子换向原理和高磁性材料，取代了传统的机械换相器和机械电刷，解决了有刷直流电动机换向器可维护性差和较差的可靠性的致命缺点，使得直流电动机的良好控制性能得到维持，直流电动机得到更好的应用。伴随着如今功率集成电路技术和微电子技术的发展，控制领域相继出现了大量无刷直流电动机专用驱动和控制芯片，解决高性能无刷电动机驱动控制问题所提出的解决方案也变得更加丰富和科学，无刷直流电机在控制领域显示出前所未有的广阔应用前景[1]。 通过无刷直流电动机控制系统的仿真模型来检验各种控制算法，优化整个控制系统的方法，可以在短时间内得到能够达到预期效果的控制系统。在对无刷直流电机电流滞环控制和数学模型等分析的基础之上，可以利用Simulink中所提供的各种模块，构建出BLDCM控制系统的仿真模型，从而实现只利用Simulink中的模块建立BLDCM控制系统仿真模型。通过对实例电机的仿真，可以得到各类仿真波形，从而验证了仿真模型的有效性和正确性，数学模型的有效性及控制系统的合理性也得到了验证。 1 无刷直流电机的数学模型 本文采用两相导通三相六状态的无刷直流电动机来分析无刷直流电动机的数学模型[2-3]。 无刷直流电动机的感应电动势为梯形波，电流为方波。考虑到分析的方便、无刷直流电动机的特点，该文直接利用电动机本身的相变量建立物理模型，假定：

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。”

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无刷直流电机仿真教程

基于MATLAB／SIMULINK的无刷直流电动机系统仿真 0引言 无刷直流电机（Brushless DC Motor，以下简称BLDCM），是随着电力电子技术和永磁材料的发展而逐渐成熟起来的一种新型电机。为了有效的减少控制系统的设计时间，验算各种控制算法，优化整个控制系统，有必要建立BLDCM 控制系统仿真模型。本文在BLDCM数学模型的基础上，利用MATLAB的SIMULINK和S-FUNCTION建立BLDCM的仿真模型，并通过仿真结果验证其有效性。 1无刷直流电机仿真模型 本文在MATLAB的SIMULINK的环境下，利用其丰富的模块库，在分析BLDCM数学模型的基础上，建立BLDCM控制系统仿真模型，系统结构框图如图1所示。

图1 无刷直流电机控制原理框图 以图1为基础，按照模块化建模的思想搭建的系统的仿真模型如图2所示。整个控制系统主要包括电动机本体模块、逆变器模块、电流滞环控制模块、速度控制模块等。 图2 无刷直流电机控制系统仿真模型框图 1.1电动机本体模块 在整个控制系统的仿真模型中，BLDCM本体模块是最重要的部分，该模块根据BLDCM电压方程求取BLDCM三相相电流，而要获得三相相电流信号i a，i b，

i c必须首先求得三相反电动势信号e a，e b，e c，整个电动机本体模块的结果如下图3所示。电机本体模块包括反动电势求取模块，中性点求取模块，转矩计算模块和位置检测模块。 图3 电机本体模块 1.反电势求取模块 本文直接采用了SIMULINK中的Lookup Table模块，运用分段线性化的思想，直观的实现了梯形波反电动势的模拟，具体实现如图4所示。

三相无刷直流电机系统结构及工作原理

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图2.3 直流无刷电动机的原理框图位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器【3】。 2.4基本工作原理 众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度。 2.5无刷直流电机参数 本系统采用的无刷电机参数 ·额定功率：100W ·额定电压：24V（DC） ·额定转速：3000r/min ·额定转矩：0.23N?m ·最大转矩：0.46N?m ·定位转矩：0.01N?m ·额定电流：4.0A

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无刷直流电机调速--C语言源程序

附录 1. C语言源程序： #include"stdio.h" #include"myapp.h" #include"ICETEK-VC5502-EDU.h" #include"scancode.h" #include"lcd.h" #define CTRSTATUS (*(unsigned int * )0x608000) //port8000 #define CTRLED (*(unsigned int * )0x608004) //port8004 #define MCTRKEY (*(unsigned int * )0x608005) //port8005 #define CTRCLKEY (*(unsigned int * )0x608006) //port8006 #define CTRMOTORBSPEED (*(unsigned int * )0x608003) void InitMcBSP(); void INTR_init( void ); void InitForMotorB( void ); void showparameters(); void LCDPutString(unsigned int * pData,int x,int y,unsigned int nCharNumber,unsigned color); void PIDControl(int rk,int yk); void PrintParameters(); //定时器分频参数 #define T100 99 // 100个时钟周期中断一次 #define T2Hz 20000 // 20000个时钟周期读取速度一次 //工作变量 usigned int uWork,uN,nCount,nCount1,nCount2,nCount3,nCount4; int nSSS,nJSSpeed,pwm1; int md,wc; unsigned int nScreenBuffer[30*128]; float a=0.6f,b=0.2f,c=0.1f,duk; int ek,ek1,ek2,tz;

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。

无刷直流电机的组成及工作原理

无刷直流电机的组成及工作原理 2.1 引言 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。 2.2 无刷直流电机的组成 2.2.1 电动机本体 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。 目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。 2.2.2 电子换相电路 控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。 驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT 模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。 2.2.3 转子位置检测电路

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

无刷直流电动机启动过程的Matlab仿真

万方数据

张会焱：无刷直流电动机启动过程的Ｍａｄａｂ仿真 式中．电磁转矩为 电磁功率为 乙＝告 乙＝乞之＋％‘＋ｅｃ‘ （８） （９） ２运行状态分析 在本文中，无刷直流电动机电枢绕组与逆变器的联接形式采用三相导通三相星形六状态的方式。 如图２所示。假设在任意时刻开关线路的上桥臂和下桥臂有一个或者两个晶体管导通，即三相绕组的通电顺序依次为Ａ＋Ｂ屯＋、Ａ＋Ｂ屯一、Ａ＋Ｂ＋ｃ一、Ａ—Ｂ＋ｃ一、Ａ’Ｂ屯＋、Ａ。Ｂ屯?（１８０。导通型）字母上标为加号代表电流流进绕组，字母上标为负号代表电流流出绕组。当电流为Ａ＋Ｂ＿ｃ＋通电时，转子磁极位置如下图３中ａ所示，Ｆｓ为定子绕组合成磁动势，ＦＮ为转子永磁体磁动势，０为转子磁极位置角（Ｏ＝ｏ一训３）。当永磁体位于起始位置时．Ａ、Ｃ两相电流流进绕组，而Ｂ相电流流出绕组。此时电流流通 的路径为：电源正极一Ｖ。管—呱相绕组一Ｂ相绕组—－Ｖ６管一电源负极；还有，电源正极一Ｖｓ管—屺相绕组一Ｂ相绕组—Ｖ。管一电源负极。ＦＳ和Ｒ相互作用，使转子 顺时针旋转。当转子顺时针旋转训３到达终止位置时，开始进入电流为Ａ＋Ｂ屯‘通 电的状态，如图３中ｂ所示。此时电流流通的路径为：电源正极一Ｖ，管一Ａ相绕 组一Ｂ相绕组一Ｖ６管一电源负极；还有，电源正极一ＶＩ管—Ａ相绕组川相绕 组一Ｖ：管一电源负极。Ｆｓ和ＦＮ相互作用，使转子继续顺时针旋转。如此六种状态循 环往复。阁在电角度０的各个区间内Ｖ。＿６管的导通顺序如表ｌ。 一个周期２霄内的运行状态图如图３所示。Ｏ为转子磁极位置角（０＝０一们是 第一个状态） Ｏ与六个边界值的差值作为他ｈｙ的输入信号，通过逻辑转换得到逆变器的输入信号Ｓ。．６ 图４脉冲序列产生模块 六个ｒｅｈｙ的输出分别是下表的ｌ、２、３、４、５、６，Ｓ－＾６的逻辑值如表２ 表２脉冲信号逻辑真值表 图２无刷直流电动机的基本电路结构 表１三相电流在晶闸管中的流向 电劁晓Ｏ 棚捌３ ｉ钾 ３纠３ １ Ａ ＾＾Ａ＾Ａ导习蕊守 ＢＢＢＢＢＢＣ ＣＣＣ Ｃ Ｃ Ⅵ导通 导通导丑％导粗 导通导遇Ⅵ导逼 导迥导逼Ⅵ导逼 导通导通、‘导遗导通 导通碥 导逼 导通 导遇 删ｃ田ｄ 明ｆ 图３一周期内磁势和电流方向的变化 由５逆变器等效电路 Ｏ ３ ＰＷＭ逆变器的通用数学模型 三相全桥逆变器有大功率晶体管（ＣＴＲ）、功率场效应管（ＭＯＳＦＥＴ）、绝缘栅双 极型晶体管（ＩＧＢＴ）等器件，这些器件一般由６个开关管组成。在仿真过程中，可以用六个理想的开关Ｓ；（ｉ．１，２，３，４＇５，６）来代替，其等效的拓扑结构如图５所示。 由于同一桥臂的两个开关管不能同时导通，可设第ｉ个开关管导通时，Ｓｉ＿１；否则Ｓｉ＝Ｏ。同时假设三相参数完全对称，ｏｋ产ｋ Ｌ，Ｒ．：Ｒ妒ｋ＝Ｒ，则由逆变器输出端至直流电源中性点的电压为 Ｉｕ０＝ｓ计％／２｛【，ｋ＝ｓ６｝ｕｄ，２ Ｋ＝ｓｎ讥／２ （１０） 其中开关函数。 本拦目贲任编辑：唐一乐 －?－?－人工■奠夏识射陵术?－２７０７ 万方数据

无刷直流电机工作原理详解

无刷直流电机工作原理详解 日期: 2014-05-28 / 作者: admin / 分类: 技术文章 1. 简介 本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如： 能获得更好的扭矩转速特性； 高速动态响应； 高效率； 长寿命； 低噪声； 高转速。 另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为 广泛的3相BLDC。 2.1 定子 BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图2.1.1。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每 个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。

BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图2.1.2和图 2.1.3所示。

直流无刷电机转速控制

一、 直流无刷电机转速控制 1. 模拟PID 控制 1.1 模拟PID 控制原理 在模拟控制系统中，最常用的控制器就是模拟PID 控制器。以下图所示直流电机 控制系统为例，说明PID 控制器控制电机转速的原理。图中)(0t n 为转速设定值，)(t n 为转速反馈值，)()()(0t n t n t e -=为偏差信号，偏差信号通过PID 控制器后产生控制作用作用于直流电机从而控制电机转速到设定值。 常见的模拟PID 控制系统如下图所示。PID 控制器由比例、积分、微分的线性组合构成。控制规律如下： ]) ()(1)([)(0?++=t d i p dt t de T d e T t e K t u ττ * 其中： p K ——控制器的比例系数 i T ——控制器的积分系数 d T ——控制器的微分系数 1) 比例部分 比例部分的数学表达式：)(t e K p 。 比例部分的作用是对偏差信号做出快速反应，一旦控制器检测到偏差，比例部分就 能迅速产生控制作用，且偏差越大，控制作用越强。但仅存在比例控制的系统存在稳态偏差。比例系数越大，响应越快，过渡越快，稳态偏差也越小，但系统也越不稳定，因此比例系数必须选择恰当。 2) 积分部分 积分部分的数学表达式： ?t i p d e T K 0 )(ττ。

从积分部分表达式可以看出，只要系统输出与设定值存在偏差，积分作用就会不断增加，知道偏差为零，因此积分部分可以消除稳态偏差。但积分作用会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数越小，积分作用越强，过渡过程容易产生震荡，但回复时间减小；积分常数越大，积分作用越弱，过渡过程不产生震荡，但回复时间增长。因此应根据具体情况选取积分常数。 3) 微分部分 微分部分的数学表达式： dt t de T K d p ) (。 微分作用能阻值偏差的变化。它根据偏差的变化趋势进行控制。偏差变化越快，微分作用越强，能在偏差变化之前就行控制。微分作用的引入有助于减小超调量，克服振荡；但微分作用对噪声很敏感，导致系统的错误响应，使系统不稳定。 为实现PID 控制器的软件实现，将式*进行适当离散化，即离散PID 。 2. 数字PID 控制 2.1 位置式PID 算法 离散化处理的方法是，以T 为采样周期，对模拟信号进行采样，以k 为采样序列号，进行以下近似： T e e dt t de e T d e kT t k k k j j t 1 )()(-=-≈≈≈∑?ττ 将上式带入式*，得到如下式所示的位置式离散PID 控制规律。 ][1 T e e T e T T e K u k k d k j j i k p k -=-++ =∑ ** 由于位置式PID 要对t 时刻之前的所有输出进行记录，工作量大，对计算机硬件要求高。增量式PID 可避免这些。 2.2 增量式PID 算法 由式**得到 ][2 11 11T e e T e T T e K u k k d k j j i k p k ---=---++ =∑ 将式**与上式相减，得到增量式PID 控制规律如下 211)21()1(---++-++ =-=?k d p k d p k d i p k k k e T T K e T T K e T T T T K u u u *** 一旦得出控制作用的增量，就可递推得出当前控制作用的输出。 2.3 控制器参数整定 1) 离线整定法 步骤 1：将控制器从“自动”模式切换至“手动”模式（此时控制器输出完全由人工控制），人为以阶跃方式增大或减少控制器输出，并记录控制器相关的输入输出动态响应数据。 步骤 2：由阶跃响应数据估计特性参数 K , T ,τ。

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.

无刷直流电机仿真

无刷直流电机仿真 学号：2110903073 姓名：方浩 1 无刷直流电机仿真模型 本文在MATLAB的SIMULINK的环境下，利用其丰富的模块库，在分析BLDCM数学模型的基础上，建立BLDCM控制系统仿真模型，系统结构框图如图1所示。 图1 无刷直流电机控制原理框图 以图1为基础，按照模块化建模的思想搭建的系统的仿真模型如图2所示。整个控制系统主要包括电动机本体模块、逆变器模块、电流滞环控制模块、速度控制模块等。 图2 无刷直流电机控制系统仿真模型框图 1.1 在整个控制系统的仿真模型中，BLDCM本体模块是最重要的部分，该模块

根据BLDCM电压方程求取BLDCM三相相电流，而要获得三相相电流信号i，i，ab i必须首先求得三相反电动势信号e，e，e，整个电动机本体模块的结果如下图cabc 3所示。电机本体模块包括反动电势求取模块，中性点求取模块，转矩计算模块 和位置检测模块。 图3 电机本体模块 1. 反电势求取模块 本文直接采用了SIMULINK中的Lookup Table模块，运用分段线性化的思想，直观的实现了梯形波反电动势的模拟，具体实现如图4所示。

图 4 反电势求取模块 Lookup Table模块的实质是通过查表构造反电动势波形，只要把360?内的反电动势的单位波形预先输入至Lookup Table模块中，就能得到其单位理想波形，由前面的数学模型知道，反电势梯形波的幅值为：e=Ke*ω。其中Ke为电机的反电动势系数。具体的Lookup Table参数设置参照下表 1。 表 1 位置信号和单位反电动势的关系 0 60 120 180 240 300 360 位置 A 1 1 1 -1 -1 -1 1 B -1 -1 1 1 1 -1 -1 C 1 -1 -1 -1 1 1 1 2. 转矩计算模块 依据数学模型建立转矩计算模型如图5所示。

无刷直流电机工作原理详解

日期: 2014-05-28 / 作者: admin / 分类: 技术文章 1. 简介 本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如： 能获得更好的扭矩转速特性； 高速动态响应； 高效率； 长寿命； 低噪声； 高转速。 另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为 广泛的3相BLDC。 定子 BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每 个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。 BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图和图

无刷直流电动机PWM 控制方案

第三章、用EL-DSPMCKIV实现无刷直流电动机PWM 控制方案 实验概述： 本实验是一个无刷直流电动机的PWM控制系统。结构简单，用到的模块也较少。下面给出每个模块的输入与输出量名称及其量值格式 （一）、无刷直流电动机PWM 控制原理简介 无刷直流电动机从结构上讲更接近永磁同步电动机（我们在下一章节中做详细介绍），控制方法也很简单，主要是通过检测转子的位置传感器给出的转子磁极位置信号来确定励磁的方向，从而保证转矩角在90 度附近变化，保证电机工作的高效率。定子换相是通过转子位置信号来控制，转矩的大小则通过PWM的方法控制有效占空比来调控。 我公司提供过两种直流无刷电机，一种以前提供过的57BL-02直流无刷电机的额定电压为24V，额定转速为1600rpm，转子极数为4，也就是2 极对，还有一种是现在提供的57BL-0730N1直流无刷电机，该电机额定转速为3000rpm，转子极数为10，也就是5极对，这两种电机的转子位置都由霍尔传感器提供，同时由此计算出电机的转速，控制程序样例没有电流环。 （二）、系统组成方案及功能模块划分 本实验为开环和闭环实验，通过几个模块信号处理最终用BLDCPWM模块产生IPM 驱动信号来控制直流无刷电机转动。

下图为一个开环控制的系统功能框图，参考占空比信号经由RMP2CNTL 模块处理，变成缓变信号送到PWM产生模块。霍尔传感器的输出脉冲信号，经由DSP的CAP1、CAP2、CAP3端口被DSP获取。通过霍尔提供的转子位置信息HALL3_DRV模块判断转子位置，并将该转子位置信息通过计数器传递给BLDC_3PWM_DRV 模块，该模块通过占空比输入、设定开关频率以及转子的位置信息产生相应的PWM 信号作用于逆变器中的开关管，从而驱动电动机旋转。

对直流无刷电机的pid控制

PID闭环速度调节器采用比例积分微分控制 闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称PID控制），其输出是输入的比例、积分和微分的函数。PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型，因此PID 调节器得到了广泛的应用。 PID调节器虽然易于使用，但在设计、调试无刷直流电机控制器的过程中应注意：PID调节器易受干扰、采样精度的影响，且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作用。所以，在不影响控制精度的前提下对PID控制算法加以改进，关系到整个无刷直流电机控制器设计的成败。 2速度设定值和电机转速的获取 为在单片机中实现PID调节，需要得到电机速度设定值（通过A／D变换器）和电机的实际转速，这需要通过精心的设计才能完成。 无刷直流电机的实际转速可通过测量转子位置传感器（通常是霍尔传感器）信号得到，在电机转动过程中，通过霍尔传感器可以得到如图2所示的周期信号。 由图2可知，电机每转一圈，每一相霍尔传感器产生2个周期的方波，且其周期与电机转速成反比，因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短一次速度采样的时间，可测得任意一相霍尔传感器的一个正脉冲的宽度，则电机的实际转速为：但由于利用霍尔传感器信号测速，所以测量电机转速时的采样周期是变化的，低速时采样周期要长些，这影响了PID 调节器的输出，导致电机低速时的动态特性变差。解决的办法是将三相霍尔传感器信号相“与”，产生3倍于一相霍尔传感器信号频率的倍频信号，这样可缩短一次速度采样的时间，但得增加额外的硬件开销。直接利用霍尔传感器信号测速虽然方便易行，但这种测速方法对霍尔传感器在电机定子圆周上的定位有较严格的要求，当霍尔传感器在电机定子圆周上定位有误差时，相邻2个正脉冲的宽度不一致，会导致较大的测速误差，影响PID调节器的调节性能。若对测速精度要求较高时，可采用增量式光电码盘，但同样会增加了电路的复杂性和硬件的开销。 电机速度设定值可以通过一定范围内的电压来表示。系统中采用了串行A／D（如ADS7818）来实现速度设定值的采样。但在电机调速的过程中，电机控制器的功率输出部分会对A／D模拟输入电压产生干扰，进行抗干扰处理。 3非线性变速积分的PID算法 （1）PID算法的数字实现 离散形式的PID表达式为： 其中：KP，KI，KD分别为调节器的比例、积分和微分系数；E（k），E（k－1）分别为第k 次和k－1次时的期望偏差值；P（k）为第k次时调节器的输出。 比例环节的作用是对信号的偏差瞬间做出反应，KP越大，控制作用越强，但过大的KP会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。积分环节的作用虽然可以消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量，甚至使系统出现等幅振荡，减小KI可以降低系统的超调量，但会减慢系统的响应过程。微分环节的作用是阻止偏差的变化，有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，但其对干扰敏感，不利于系统的鲁棒性。 （2）经典PID算法的积分饱和现象 当电机转速的设定值突然改变，或电机的转速发生突变时，会引起偏差的阶跃，使｜E（k）｜增大，PID的输出P（k）将急剧增加或减小，以至于超过控制量的上下限Pmax，此时的实际控制量只能限制在Pmax，电机的转速M（k）虽然不断上升，但由于控制量受到限制，其增长的速度减慢，偏差E（k）将比正常情况下持续更长的时间保持在较大的偏差值，从而使得PID 算式中的积分项不断地得到累积。当电机转速超过设定值后，开始出现负的偏差，但由于积分项已有相当大的累积值，还要经过相当一段时间后控制量才能脱离饱和区，这就是正向积分饱和，反向积分饱和与此类似。解决的办法：一是缩短PID的采样周期（这一点单片机往往达不到），

直流无刷电机本体设计要点

电机与拖动基础 课程设计报告 设计题目：号：学 指导教师： 信息与电气工程学院

二零一六年七月 哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告 直流无刷电机本体设计 1. 设计任务 P?80W (1) 额定功率N U?310V额定电压(2) N min r/n?1000(3) 电动机运行时额定转速N n?6000r/min (4) 发电机运行时空载转速max??2.5 (5) 最大允许过载倍数 2s/?1500ma (6) 耐冲击能力m D?42mm (7) 机壳外径设计内容： 1. 根据给定的技术指标，计算电机基本尺寸，包括：定子铁心外径、定子铁心内径、铁心长度等。 2. 磁路计算，包括极对选择、磁钢选型、磁钢厚度、气隙长度等方面计算。 3. 定子绕组计算，包括定子绕组形式、定子槽数、绕组节距等计算。 2. 理论与计算过程 2.1 直流无刷电机的基本组成环节 直流无刷电动机的结构原理如图2-1-1所示。它主要由电机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。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。图中的电机本体为三相电机。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连接，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所产生的磁场相互作用而产生转矩，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，因而起到了机械换向器的换向作用。 因此，所谓直流无刷电机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电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 2-1-2所示。 2 哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告