直流无刷电动机(毕业设计)

1、毕业论文(设计)题目名称： 直流无刷电动机控制电路设计 题目类型： 辅导教师： 余 仕 求 时 间： 2014年3月 至 2014年5月 目录 长江大学毕业设计(论文)任务书毕业论文(设计)开题报告错误!未定义书签。长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见x长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语xi长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定xii摘要viabstractvii1前言 311 无刷直流电动机的基本组成212 无刷直流电动机的工作原理313 电机的运行特性和传递函数72 选题背景113 方案论证 133.1 系统概述133.2 直流无刷电动机的主回路设计153.3 单片机控制方案18

2、3.3.1dsp芯片简介183.4带位置传感器无刷直流电机213.5方案选定224.1 dsp控制系统的硬件设计224.2 系统功率变换器的设计234.2.1功率驱动电路234.2.2开关元件选择254.3 相电流检测电路254.4 位置检测电路274.5 系统保护环节的设计284.5.1 过、欠压保护电路的设计284.5.2 过热保护电路的设计294.5.3 过流保护电路的设计错误!未定义书签。5 系统软件方案设计305.1 无刷直流电机的位置检测305.2 电机正、反转控制305.3. 速度反馈计算315.4 控制系统软件设计325.4.1整体方案概述325.4.2中断服务子程序概述错误!

3、未定义书签。6 结论35参考文献36致 谢37教授 1 毕业设计(论文)题目：直流无刷电动机控制电路设计2 毕业设计（论文）起止时间：2014年2月21日 6月10日3 毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）（1）设计直流无刷电动机调速控制系统主电路、控制电路及调速控制方案。设计软件控制流程。（2）电机功率约80瓦，带位置传感器，转速范围在600-3000转/分，连续可调，误差不大于5%。（3）电机运行的要求是：运行平稳，不允许有抖动；起动有力，快捷。通过电位器或按键控制加、减速。4 毕业设计(论文)应完成的主要内容（1）硬件电路设计（2）理论设计与分析，理论计算（3）软件设计

4、调试5 毕业设计(论文)的目标及具体要求 学生通过本次毕业设计，掌握直流无刷电动机的调速方法，学会功率器件的使用及电子线路的设计；能够运用单片机控制电动机调速；运用已学的基本知识和专业技术解决实际问题，掌握软件设计流程，提出可行的方案，锻炼自学和动手能力；培养钻研、求实的科学作风；提高论文写作水平和英语阅读理解能力。6 完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求(1) 微机、单片机仿真器(2) 直流无刷电动机；电子器件(3) 上机机时：150任务书批准日期 2014 年 3 月 13 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 2014 年 3 月 13 日 指导教师(签字) 完成任务日期

5、 2014 年 6 月 10 日 学生（签名） 开题报告日期 2014年3月15日 毕业设计开题报告撰写内容及要求一、 题目来源二、 研究目的和意义三、 阅读的主要参考文献及资料名称四、 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向五、 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路六、 完成毕业设计所必须具备的工作条件（如工具书、计算机辅助设计、某类市场调研、实验设备和实验环境条件等）及解决的办法七、 工作的主要阶段、进度与时间安排八、 指导教师审查意见注1：格式要求： （1）题目名称：要求与毕业设计题目名称一致，小二号，黑体加粗，居中，段前后各空一行。（2）学生、指导教师和教学单位署名：学生、指导教

6、师及所在单位（院系或工作单位）在题目下隔一行，居中，格式：学生： ， 学院（系），另起一行居中，格式：指导教师： ，工作单位，署名采用小四号仿宋体。（3）开题报告正文，撰写格式按毕业论文(设计)的排版格式规范要求。 注2：题目类型是指“研究论文”、“毕业设计”或“毕业创作（设计）”；题目来源是指题目来源于教师的科研项目、生产/社会实际或实验室建设、其它等。直流无刷电动机控制电路设计一、题目来源结合生产，社会实际。2、 研究目的及意义当前，随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨，无污染、能源可多样化配置的新型交通工具引起了人们的普遍关注，同时也得到了极大的发展，电动自行车便是其中之一。由于电子控制

7、技术的不断发展，使得对大量应用的电动机性能、质量的要求越来越高，如：低噪声、高性能、长寿命、小型化、高效节能的要求。而无刷直流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、调速性能好等诸多特点，同时克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊病，所以以无刷直流电机作为电动马达的电动自行车产品逐渐受到消费者的青睐。鉴于无刷直流电机的上述优点以及无刷直流电机作为控制对象的电动自行车在消费市场的巨大潜力，本设计试以c51单片机为主控制芯片，设计一款无刷直流电机控制器。3、 阅读的主要参考文献及资料名称（1）

8、设计直流无刷电动机调速控制系统主电路、控制电路及调速控制方案。设计软件控制流程。（2）电机功率约80瓦，带位置传感器，转速范围在600-3000转/分，连续可调，误差不大于5%。（3）电机运行的要求是：运行平稳，不允许有抖动；起动有力，快捷。通过电位器或按键控制加、减速。1刘刚，王志强，房建成.永磁无刷直流电机控制技术与应用m.北京，机械工业出版社，2008.2李海涛，仪维，吴筱坚等.pic单片机应用开发典型模块m.北京，人民邮电出版社，2007.3三恒星科技.pic单片机易学通m.北京，人民邮电出版社，2006.4杨耕，罗应立.电机与运行控制系统m.北京，清华大学出版社，2006.5张俊.匠

9、人手记一个单片机工作者的实践与思考m.北京，北京航空航天大学出版社，2008.6肖玲妮，袁增贵.protel99se印刷电路板设计教程m.北京，清华大学出版社，2006.7谢渊斌.电动车无刷电机控制器软件设计要点n.电子报2007年合订本下册.8牛海清，谢运祥.无刷直流电动机及其控制技术的发展d.微电机-2002年5期.9刘佳峰，谢杨华.直流无刷电机换相时机的调整eb/ol.电机技术-2006年3期.10孙欢庆，李桥梁.mc33035在直流无刷电机控制中的应用eb/ol.电机技术-2007年3期.11葛小荣王庆.电动自行车控制器mosfet驱动电路设计eb/ol.电动车情商网.2008.4、

10、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向电机分为直流电机、同步电机和异步电机，在我国三种电机的生产分工较为明确，无刷直流电机是三种电机的集合，是电机发展的高层次产品，代表电机的发展方向。目前无刷直流电机研究刚刚起步，主要集中在高等学校，如浙江大学、北京航空航天大学、上海交通大学等，均在进行1.5kw以下样机的研究试验，清华大学正在做15kw电机的样机实验，中科院正在做28kw电机的样机实验。在企业中生产高性能、大容量这种电机的厂家还没有，只有生产结构简单、性能较低、容量在0.2kw以下、用于电动自行车电机的厂家。国际发达国家对无刷直流电机的研制与中国大体相当，但像美国、日本在无刷直流电机控制方面比

11、中国先进。针对传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。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。5、 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路本课题的主要内容是设计一个实用可靠的方案，实现对电动自行车用无刷直流电机的控制。基本要求如下：1、了解无刷直流电机的工作原理、控制方式以及无刷直流电机控制器的软硬件设计方案；2、硬件设计的组成部分有电压检测电路、电流检测电路、霍尔位置检测电路、驱动信号预处理

12、电路、功率驱动电路、过流保护电路等模块电路组成；3、软件设计则通过由硬件采集到得位置信号、电流信号、刹车信号、过流信号、欠压信号等，通过单片机的处理，分别作出换相、同步整流、pwm调制、刹车、过流保护、欠压保护等一些相应的输出动作，以实现对无刷直流电机的控制的目的。课题研究的方法：计划采用理论分析研究与实验分析相结合的研究方法。首先通过查找资料熟悉并掌握单片机的基本原理，然后进行方案设计，在生产厂家进行了解。通过实践到厂里进行观察、调查、自己动手等方法来完成无刷电机驱动电路的设计。课题研究的措施：查找相关资料了解课题相关内容；设计出多个电路设计方案，并对方案进行对比分析， 最终确定最终方案，画

13、出电路原理图；最后分析存在的问题然后进行改进，直到达到设计要求。直流无刷永磁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。三相两极直流无刷电机组成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、c相绕组分别与功率开关管v1、v2、v3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联结。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，从而使定子各项绕组按一定次序导通

14、，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。6、 工作条件计算机一台相关器件 图书馆及网络 参考资料七、进度安排3月15号-3月20号 撰写开题报告3月21号-4月7号 完成外文翻译任务并购买相关器件4月8号-4月20号 对课题进行初步设计，以求达到预期目的。4月21号-5月1号 对设计内容进行测试，修改，达到老师要求水平。5月2号-5月20号 撰写毕业论文5月21号-6月1号 完善论文内容。6月2号 进行毕业答辩八、指导教师审查意见长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目指导

15、教师职 称评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见： 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分（注：此页不够，请转反面） 直流无刷长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情

16、况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分（注：此页不够，请转反面）长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签

17、名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)xiii电动机控制电路设计【摘要】本文以永磁方波无刷直流电动机为控制对象，设计了一套无刷直流电机调速控制系统。该系统基于单片机对其外围器件的控制来实现对无刷直流电机的相关控制。本课题是一个理论性课题，本文的撰写目的是讨论无刷直流电机的控制方法。本文首先介绍了无刷直流电机的工作原理及其控制技术的发展与现状、无刷直流电机的结构及运行特性。然后就论述了无刷直流电机的控制技术，在分析比较各种控制方法的优缺点的基础上根据实际采用单片机控制方案。对单片机做一个简单的介绍。在接下来的内容中,对系统的硬件设计做了详细论述；接着阐述了无刷直流电

18、机的转子位置检测方法；接着介绍了算法的软件实现、软件滤波和相移校正、换相点的软件实现；最后详细论述了系统软件的实现方法。本文所完成的主要工作如下:(1) 无刷直流电机工作原理论述。(2)系统控制方案设计。(3)硬件系统设计，功率变换电路的选择，相关外围电路的设计。(4)软件模块的设计及论述。(5)理论设计与分析，理论计算。【关键词】:无刷直流电机 ，反电动势，换相检测，位置传感器，单片机。the control of the brushless dc motor(bldc)【abstract】this thesis designs a speed-variable system for per

19、manent magnet bldcm. based on sunplus high performance 16-bit mcu at89c51 to implement the contro1 for bldcm.the subject research is an academic task. it composes for discussing the method of the control of bldcm. the subject research first expounds the basic component parts, the basic running princ

20、iple, the running characteristic and transfer function of the brushless dc motor (bldcm). then this subject research discusses the control of bldcm and decides to the use of spmc75 to detect the rotor position based on analyzing the advantages and disadvantages of various control methods. afterwards

21、, the method of back-emf zero crossing point and the confirming of commutation point is explained in details. also have a brief introduction to a single-chip. in the following chapter, the hardware design of the digital control system is dissertated in detailsthen discussing the brushless dc motor r

22、otor position detection methodand then introducing the back-emf zero-crossing detection algorithm as well as the principles and software implementation of the algorithmsoftware filtering and phase-shifting amendmentpoints for the software implementationalso discussed in detail a number of software m

23、ethodsis raised by the article software in place of hardware. an important expression of the design concepts and applications.this article completes the prime task is as follows:(1) the research of the bldcm working principle.(2) the design of the digital control systems(3) hardware system design, t

24、he power transfer network choice, the inter phase current and the position detection of the electric circuit (4) software module design research.【key words】 brushless dc motor; counter electromotive force; commutation detection; sensor; scm;参考文献1前言一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。其主

25、要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。上世纪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gtr、mosfet、igbt、ipm等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，

26、均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。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。无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。总的来说，无刷直流电机可以分为以下三种主要用途：持续负载应用：主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用，这类应用成本较低且多为开环控制。可变负载应用：主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干

27、机和压缩机就是很好的例子，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类应用的系统成本相对更高些。定位应用：大多数工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别，这类应用中往往会完成能量的输送，所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。测速时可能会用上光电和一些同步设备。过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用。11 无刷直流电动机的基本组成无刷直流电动机的电枢在定子上，是静止的，主要是通过控制电枢电流来控制磁场的变化，产生与转子磁场始终垂直的磁场。因而无刷直流电动机主要由定子、转子、位置传感器、霍尔传感器（速度控制）、电子开关线路组成。其结构原理图如图11所示。

28、图1-1 无刷直流电动机的结构原理图11中的位置传感器主要用来检测转子的位置，并且反馈给控制电路，控制电路根据转子的位置来控制电枢电流，确保定子磁场与转子磁场始终垂直。电动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。定子三相绕组有星形联结方式和三角联结方式，而“三相星形联结的二二导通方式”最常用。一般而言，电机的绕组数量都和永磁极的数量是不一致的（比如用9绕组6极，而不是6绕组6极），这样是为了防止定子的齿与转子的磁钢相吸而对齐，产生类似步进电机的效果，此种情况下转矩会产生很大波动。转子由永久磁钢按一定极对数(2p=2, 4,)组成。图1-1中的电动机本体为三相两极。如上

29、图所示，位置传感器由三只光电式位置传感元件组成，空间互成120均匀分布；位置传感器可以控制功率开关的导通情况，当控制v1导通时，直流电流流入a项绕组，形成位于a项绕组轴线上的电枢磁势，与转子作用产生驱动转矩，使转子顺时针旋转。当转子旋转到其他位置时，位置传感器依次控制v2,v3功率开关的导通，从而让定子产生旋转的磁场，持续产生驱动转矩，使转子旋转起来。直流无刷电动机通过直流电源（交流电整流后）供电，然后通过换向电路的逆变作用，给定子中的线圈供电，产生磁场与转子上的永磁体作用，推动转子旋转，位置传感器通过感应转子的位置来反馈给换向电路，控制功率开关的闭合，调节定子磁场，保证转子持续的旋转。直流无

30、刷电动机基本机构及其之间的相互作用的原理图如下：图1-2 无刷直流电动机的原理框图直流无刷电动机的电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的时间和顺序，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分配关系分配给直流无刷电动机定子上的各相绕组，以便使电动机定子产生旋转的电磁场。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。但是位置传感器所产生的信号不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。12 无刷直流电动机的工作原理 直流无刷电动机的原理图如下所示： 图1-

31、3电机原理图主电路是一个典型的电压型交-直-交电路。逆变器提供等幅等频调制波的对称交变矩形波，。永磁体n-s交替交换，使位置传感器产生相位差120的u、v、w方波，各个功率开关的导通顺序为v1-v4导通、v1-v6导通、v3-v6导通、v3-v2导通、v5-v2导通、v5-v4导通，也就是说将直流母线电压依次加在a+b-、a+c-、b+c-、b+a-、c+a-、c+b-上，这样转子每转过一对n-s极，v1-v6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60电度角，转子跟随定子磁场转动相当于60电度角空间位置，转子在新

32、位置上，使位置传感器u、v、w产生新的信号，新的信号又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60电度角，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。 图1-4 三相全控桥的六种通电情况示意图无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。 为了实现电子换向，必须有位置信号来控制电路。主要通过位置传

33、感器检测转子的位置并反馈给控制电路。要实现电机转速的控制必须有速度信号。用获得位置信号相近方法取得速度信号，最简单的速度传感器是测频式测速发电机与电子线路相结合。 直流无刷电机的换向电路由驱动及控制两部分组成，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。目前，驱动电路已从线性放大状态转成脉宽调制的开关状态，相应电路组成也从晶体管分立电路转成模块化集成电路。控制电路用作控制电机的转速、转向、电流(或转矩)以及保护电机的过流、过压、过热等。直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说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=120f/p在转子极数固定情况下，改变定子

34、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范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。根据它励直流电机的特性，可知直流电动机的电磁转矩与电枢平均电流成正比，电枢的反电动势ea与电动机的角速度成反比，电动机的平均电流ia=（vm-ea）/2ra ,vm为电动机的线间电压，vm=v&，其中&为调制波的占空比，ra为每项绕组电压；从而可以得到直流无刷电动机的电磁转矩为：tm=&(vkt/2ra)-kt(kew/2ra)

35、，其中ke、kt为电动机的结构常数，当角速度w一定时，改变占空比可以线性的改变电动机的电磁转矩，而调制波的占空比可以通过一定的控制电路来控制位置传感器，从而可以控制相应定子线圈通电时间的长短，导致转矩受到的电磁转矩作用的时间发生变化，最终得以控制电机的加速和制动过程；角速度w取决于速度指令vc的高低，如果速度指令最大值为+5v，则对应的最高转速，+5v以下任何电平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。当vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压vfb变小，调制波的占空比&就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动

36、机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，&减小，tm减小。发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电网波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳定转速与指令转速相差在1%左右，远小于所要求的5%，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不像异步机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高10%左右。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电动机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。旋转

37、磁场在电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续电角度，绕组电流与转子磁场的相互作用，使转子沿顺时针方向旋转；转过电角度后，便进入第二状态，这时绕组a+b-断电，而绕组a+c-随之通电，定子绕组所产生的磁场转过了，电动机转子继续沿顺时针方向旋转；转子转过电角度后，便进入第三状态，这时绕组a+c-断电，b+c-通电，定子绕组所产生的磁场也同时转过了电角度，；它继续驱动转子沿顺时针方向转过电角度后就恢复到初始状态了。这样周而复始，电动机转子便连续不断地旋转。下图示出了各相绕组导通顺序的示意图： 图1-5 各相绕组的导通示意图13 电机的运行特性和传递函数由于直流无刷电动机的精确计算设计到非线性理论和

38、数值解法等诸多复杂的问题，处理起来相当困难，目前的知识水平难以解决，因而才用一些方法进行简化，现做如下假设：1）直流无刷电动机的气隙磁感应强度沿气隙按正弦分布； 2）绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙磁通的影响忽略不计；3）控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降ut为恒值；4）各相绕组对称，其对应的电路单元完全一致，相应的电气时间常数忽略不计； 5）位置传感器等控制电路的功耗忽略不计。根据上述假设，化简之后可以得到其电子开关电路如下：图1-6半控电路由于转子磁场在气隙中，是按照正弦规律分部的，b=bmsin这样一来，如果在定子某一相（例如b相）绕组中通一持续的直流量，所产生的电磁转矩为tm

39、=zlbmrisin 其中，z是每相绕组的有效导体数；l是绕组中导线的有效长度，即磁铁长度(m)；r是电动机中气隙的半径(m)；i是绕组相电流(a)。从上述电磁转矩的公式中可以看出，如果某一项线圈持续通入直流电的话，转子转矩按照正弦规律变化，并且其平均值为零；但是定子电枢是三相对称分布的，并且由位置传感器控制定子各相电枢线圈依次通电，每相只是通过1/3周期的矩形波电流，电流和转子磁场作用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相当于1/3周期的一段，且这一段曲线与定子绕组开始通电时的转子相对位置有关，下图所示的电路中列举了获取最大平均转矩的情况： 图1-7三相电机的转矩波形如上图所示，=0瞬间选作晶体

40、管开始导通的基准点，电动机三相绕组轮流通电时，所产生的总转矩如图所示。若晶体管导通时间提前或滞后，均将导致转矩的脉动值增加，平均值减小。在三相半控电路情况下，当o=30时，电动机的瞬时转矩过零点如图所示。这就是说，当转子转到几个位置时，电动机产生的转矩为零，这会在电动机起动时出现死区（即转子在这些位置时，电动机无起动力矩）。显然，当o30后，电动机转矩的瞬时将出现负值，其总输出转矩的平均值更小。因此在三相半控电路情况下，特别是在起动时，o不宜大于30；一般情况下，考虑到传感器延时、处理器执行时间、放大器移相等诸多环节造成的延时，选择适当的提前角，总是尽力为把o角调整到稍大于0, 选择适当的提前

41、角，使得在上述诸因素的影响下，真正能在o=0处实际换相。这样，电动机所产生的平均转矩ta最大，可改善电动机的动态特性和效率。输出转矩的最大平均值ta电动机在电动转矩作用下转动后，转子磁场切割定子绕组，在各相绕组上c产生出感应电动势。当其转速n不变时，该电动势波形也是正弦波，相位同转矩相位一致。由于在本电路中，每相绕组在一个周期中，只通电2/3，因此，仅在这2/3期间所感生出的反电动势才对外加电压起平衡作用，而在另外4/3期间由于晶体管开关不导通，故其感应电动势对外加电压不起作用。对外加电压而言，三相直流无刷电动机半控电路的反电动势波形如图所示：图1-8反电动势波形通过计算可以得到电枢绕组的感应

42、电动势的平均值为：为了便于求出平均反电动势，定义反电动系数和转矩细数如下：反电动势系数和转矩系数为常数，其大小同主电路的接法（三相半控或全控电路）以及功率晶体管的换相方式（如两两换相或三三换相）有关。由于假设各绕组相互对称，并且相应的时间常数忽略不计，根据上述三相星型绕组简化电路可以得到直流无刷电动机的电压平衡方程式为：其中，ea=ken，ta =kti代入电压平衡方程式中，经过整理可以得到直流无刷电动机的几下特性如下：式中，n是电动机转速(r/min)；u是电源电压(v)；u是功率管压降(v)；ta是电动机产生的电动转矩平均值(nm)；kt是转矩系数；r是电动机的内阻()。 综上所述，得到直

43、流无刷电动机的动态方程组为：其中，tl是电动机的负载阻转矩；gd2足电动机转子飞轮力矩(nm2)，gd2=4gj（j是转动惯量），其所在的方程式为电动机单轴系统的运动方程式；上述方程组经过拉普拉斯变换后可以得到：从而可以得到直流无刷电动机的动态结构图如下：图1-9动态结构图从而求出其传递函数为：其中，ki是电动机的电动势传递系数，ki=1/ke；k是转矩传递系数，k=rkekt）；te是电磁时间常数，te=rgd2（375kekt）。2 选题背景电动机是一种将电能转换为机械力的设备，其转轴的转速与转轴提供的转动力矩是满足机械负载要求的两个生重要的工作指标。转速与转矩的乘积即为电动机轴上输出的机

44、械功率值。各种类型的电动机，主要有交流异步电动机、直流电动机、交直流两用电动机及微型、特种用途电动机，广泛用于工业、农业和国民经济其他部门的各种机械设备、日用电器和自动控制系统的动力驱动。据有关报道，我国消耗在电动机的电力占整个电力的65%以上。直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。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

45、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，以驱动直流电动机无刷直流电动机用一套电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置,保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能,同时又克服了有刷直流电动机机械换向带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等一系列缺点。无刷直流电动机还具有高能量密度,高转矩惯性比、高效率等特点,在快速性、可控性、可靠性、经济性等方面具有明显的优势,且制造和维修成本大大降低。无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可

46、靠、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。无刷直流电动机与有刷直流电动机相比,具有以下特点:(1)可靠性高、寿命长。无刷直流电动机的工作期限主要取决于轴承及其润滑系统。高性能的无刷直流电动机工作寿命可达数十万小时,而有刷直流电动机寿命一般较短,在高温环境下甚至只有几分钟。(2)无电器接触火花且无线电干扰少。(3)发热的绕组安放在定子上,有利于散热,便于温度监控,易得到较高功率密度。(4)必须与一定的电子换向线配套使用,从而使总体成本增加。与异步电动机相比,无刷直流电动机具有更大的功率密度、更高的效率和更好的控制性能。主要表现在以下几个方面:(

47、1)由于采用高性能永磁材料,无刷直流电动机转子体积得以减小,可以具有较低的惯性、更快的响应速度、更高的转矩/惯量比。(2)由于没有转子损耗,也无需定子励磁电流分量,所以无刷直流电动机具有较高的效率和功率密度,对于同等容量的输出,异步电机需要更大功率的整流器和逆变器。(3)尽管异步电机系统应用较为普遍和成熟,但由于其非线形本质,控制系统极为复杂。永磁同步电动机把交流电动机复杂的磁场定向控制转化为转子位置定向控制,而无刷直流电动机则进一步将其简化为离散六状态的转子位置控制。基于无刷直流电动机以上的优点,故而无刷直流电动机在当今国民经济各个领域应用广泛。(1)电驱动系统中的应用。电驱动系统是指以电能

48、为电源,通过电动机本体、驱动器及传感器与控制器进行能量变换的动力系统,是世界主要动力群。永磁无刷电动机、开关磁阻电动机、步进电机等微特电机综合性能的提高,也使得微特电机大量进入电驱动系统作为执行元件成为必然趋势,而永磁无刷电动机作为微特电机中的“佼佼者”,必将在高性能工业驱动场合获得广泛的应用。(2)在交流伺服驱动系统中的应用。一个多世纪以来,直流伺服驱动系统一直占主导地位,但是由于传统直流电动机均采用机械方法进行换向,带来不可克服的“机械磨损、电火花、噪声、无线电干扰、寿命短”等致命弱点,因此,使其应用范围受到了一定限制,尤其是在高性能中、小功率伺服驱动场合。80年代以来,随着矢量控制技术的

49、不断成熟,极大推动了交流伺服驱动技术的发展,使得交流伺服驱动系统的性能可以与直流伺服系统媲美,特别是自永磁无刷电动机技术发展的日趋成熟,在一些高性能伺服驱动场合更有取代直流伺服的趋势。这样便为永磁无刷电动机赢得了又一广阔的应用领域。(3)在光机电一体化中的应用。光机电一体化技术和信息技术作为20世纪末诞生的“高新技术”必将在到来的新世纪里获得更加快速的发展和广泛的应用。这样对作为这两大技术(含其产业)的基础元件之一的微特电机必将迎来又一个快速发展的春天,而作为微特电机中的永磁无刷电动机成为新世纪的一大朝阳产品也就理所当然。直流无刷电动机力矩大,调速范围宽,不产生电刷粉尘和电火花,摩擦力矩小故其

50、性能优越,但阻碍其普及应用的主要因素是价格,它的电子控制和换相部分价格较高,所以研究一种实用且控制更加简捷、灵活的直流无刷电动机调速系统是十分必要的。特别是随着汽车工业的发展,污染严重、能源紧张等矛盾日益尖锐,人们对电动汽车的呼声也日益高涨。于是电动汽车专用电机及驱动系统成为了研究的焦点,国外电动汽车驱动装置实际应用的交流电机主要有鼠笼异步电机和永磁同步机,但目前认为最适合用于电动汽车的电机是多相永磁无刷直流电机,所以对无刷直流电动机控制的研究是十分有必要的。自二十世纪九十年代以后，人类更加关注环境保护，节约能源及国民经济的可持续发展。随着现代微电子技术、电力电子技术、传感器技术、精密机械技术

51、、自动控制技术、微型计算机技术及人工智能技术等高新技术的发展，以机械为主体的工业、民用产品不断采用高新技术，并向自动化和智能化方向发展。相应对电动机的要求从过去简单的启动控制、提供动力，发展到要求对转速、位置、转矩等精确控制，以使驱动机械运动达到预定的技术性能，从而促进了电动机与电子产品结合成密不可分的机电一体化产品的发展。而永磁直流无刷电动机就是这种产品的典型之一。我国无刷直流电机的研制工作始于二十世纪70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平

52、，有待进一步的研究和开发3 方案论证3.1 系统概述在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。目前，数字调速系统主要采用两种控制方案：一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制，应用范围广，且灵活方便。因而采用后一种控制方式，采用单片机作为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便，通常将此类控制器称为数字式控制器。可绘出无刷直流电动机控制系统框图:图3-1控制系统结构原理图微控制器（单片机）主要功

53、能是根据电动机旋转方向的要求和来自霍尔转子位置传感器的三个输出信号，将它们处理成功率驱动单元的六个功率开关器件所要求的驱动顺序。微控制器的另一个重要作用是根据电压、电流和转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过ad变换和必要的运算后，借助内置的时钟信号产生一个带有上述各种信息的脉宽调制信号。功率驱动单元主要包括功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和自举电路。自举电路由分立器件构成的，也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路。位置传感器在无刷直流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。周边辅助、保护电路主要有电流采样电路、电压比较电路、过电流保护电路、调速

54、信号和制动信号等输入电路。3.2 直流无刷电动机的主回路设计了解直流无刷电动机的运行，首先必须了解其定子绕组与电子换向器之间的各种连接方法；由于定子绕组为三相绕组的直流无刷电动机在实际生活中最为常用，因此在此着重加以讨论。1.三相半控电路常见的三相半控电路如图32所示。图32 三相半控电路图32中，l1、l2、l3为电动机a、b、c三相绕组；vf1、vf2、vf3为3个大功率mosfet管，主要起开关作用；h1、h2、h3为来自转子位置传感器的信号。在三相半控电路中，要求位置传感器的输出信号1/3周期为高电平，2/3周期为低电平，并要求各传感器之间的相位差也是1/3周期，如图33所示。 图33 三相半控电路中的位置传感器的信号波形和一般的直流电动机一样，在电动机起动时，由于其转速很低，故转子磁通切割定子绕组所产生的反电动势很小，因而可能产生较大的电流。另外，三相半控电路虽然结构简单，但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电1/