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
留在实验阶段，无法推广到实际中使用，1970年以后，半导体的快速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如MOSFET、IGBT等）不断出现，而且高性能的永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现[2]，这些都为无刷直流电机广泛应用提供了有利的条件。
由于无刷直流电机的广泛使用，无刷直流电机的理论也不断得到修改完善。1986年，对无刷直流电机作了系统的总结，这样标志着无刷直流电机在理论上走向成熟。
1.2 无刷直流电机
1.2.1 无刷直流电机的结构
无刷直流电机主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器组成。它和有刷直流电机有着很多共同点，定子和转子的结构相似（原来的定子变为转子，转子变为定子），绕组的接线一样[3]。然而，结构上有明显的区别：无刷直流电机没有有刷直流电机中的换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。这样，电机结构简单，减少了电机的制造和维护成本，但无刷直流电机不会自动换相，这使的电机控制器成本的提高。
图1.1 无刷直流电机模型
图1.1所示为小功率的三相、星形连接无刷直流电机，定子在内，转子在外，结构与直流电机很相似。另一种无刷直流电机的结构刚好相反，转子在内，定子在外。
1.2.2 无刷直流电机的工作原理
无刷直流电机的定子是线圈绕组，转子是永磁体。检测电机转子的位置，根据转子的位置给电机的相应线圈通电，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，转子才可以跟着磁场转动起来。
如图1.2 无刷直流电机转动原理
如图1.2所示为无刷直流电机的转动原理示意图，定子的线圈一端接电源，其余三相接功率管，位置传感器导通时功率管的G极接+12V，功率管导通，对应的相线圈通电。三个位置传感器随转子转动，依次导通，对应线圈也依次通电，从而定子产生的磁场不断地变化，电机转子也转动起来，这就是无刷直流电机的转动原理。
1.2.3 无刷直流电机的磁路结构和定子绕组
磁路是指磁通能通过的路径，无刷直流电机中，转子上安装永磁体，作为磁极，电机转子磁极多是4个或6个永磁体。转子数目增加，相应的定子绕组也增加，但不需要增加驱动电路数目。主磁场一般由转子永磁体产生，从S极回到N极而闭合。
绕组是指按照一定规律连接起来的一组线圈总体。绕组导电以后，和转子产生的磁场相互作用，产生力或力矩，将电能转换成机械能，故又将定子绕组称为电枢绕组。
1.3 无刷直流电机的应用
近年来，我国中小型电机和微特电机行业发展迅速，是由于其本身具有高效率、寿命长、低噪音和较好的转矩-转速特性的优点。特别在汽车、航空、家用电器等行业中发展较好[15]。
车用无刷直流电机：电机可以作为驱动的核心部件，而且还可以用在汽车空调、雨刮器、电动车门、安全气囊、电动座椅等驱动上。
航空航天用无刷直流电机：利用电机驱动设备代替气动和液压传动装置已成为航空航天发展中的一种趋势。航空航天电机由于其应用场合的特殊性，一般要求所用电机体积小，结构简单。
无刷直流电机在家用电机中的应用：家用电气电子驱动电机每年约30%的增幅发展，现代电器朝着节能、低噪音、智能化和高可靠性方向发展。空调和冰箱中都有压缩机电机，传统的压缩机一般是异步电机，其效率和功率因数较低，采用变频技术以后，情况有所改善。VCD、DVD、CD机等家用电器的主轴驱动电机也使用无刷直流电机，这类电机一般采用盘式无铁心电机结构，现已经大规模生产，价格便宜。无刷直流电机不仅能克服传统家用电机的部分缺点，给人们的居家生活带来更高的舒适性，还能降低能源耗损，更好的实现能源的可持续利用。
无刷直流电机在办公自动化中的应用：计算机外设和办公自动化设备用电机，绝大部分为先进制造技术和新兴微电子技术相结合的高档精密无刷直流电机，是技术密集化产品。这种高性能无刷直流电机伺服控制系统的采用能大大改善产品的质量，提高产品的价值。无刷直流电机在数码相机上也得到广泛的应用，如日本TOSHIBA和SANYO公司已生产出无刷直流电机驱动的相机。无刷直流电机驱动的激光打印机产品也已经有了较长的历史，它的转速可以在每分钟几千到几万转的范围内精确控制，具有很好的技术和市场竞争力。另外，无刷直流电机在计算机、录音机和CD影碟机等设备产品中也有很好的应用[7 ~10]。
1.4 无刷直流电机的发展趋势
新电子技术、新器件、新材料及新的控制方法的出现将进一步推动无刷直流电机的发展和应用[11 ~14]。
(1) 电子电力及微处理器技术对无刷直流电机发展的影响
这使电机向小型化与集成化、控制器全数字化、绿色PWM控制及其高效化发展。
(2) 永磁材料对无刷直流电机发展的影响
电机的小型化、轻量化及高效化与磁性材料的发展息息相关。每当出现新的永磁材料，就会使电机的结构和功能出现新的变革，促进电机的设计理论、计算方法和结构工艺研制水平的提高到一个新的台阶。
(3) 新型无刷直流电机的开发
在无刷直流电机控制系统中，速度和转矩波动一直是需要进一步解决的问题，尤其是用于视听设备、航空电气、计算机中的无刷直流电机，更要求其具有运行平稳、精度高、噪声小等特点。总之从结构上研究和开发新型电机必然是今后无刷直流电机发展的方向之一。
(4) 先进控制策略的应用
现代工业中对电机性能的要求越来越高，无刷直流电机性能的改善可以通过电机本体优化设计及电力电子装置的控制来实现，也可以利用各种先进的控制策略来实现。全面实现无刷直流电机控制系统朝微型化、轻量化、高智能化和节能化的方向发展。
1.5 本设计课题的任务和内容
(1) 学习无刷直流电机的基本原理、磁路结构、定子绕组特点和设计计算方法。
(2) 研究和讨论典型三相无刷直流电机的运行控制方式和检测方法及仿真。
(3) 设计输出功率小于100W三相无刷直流电机的控制和检测系统。
(a) 无刷直流电机三相半控电路。
(b) 无刷直流电机三相Y型连接全控电路。
(c) 无刷直流电机三相△型连接全控电路。
(4) 采用专用集成电路实现三相无刷直流电机的换相、正反转和PWM转速控
制。
(5) 采用Protel 99SE绘出几种运行控制方式和检测方法的电气原理图。
(6) 绘出专用集成电路控制方式的PCB图和三维仿真图。
(7) 三相无刷直流电机几种运行控制方式和检测方法的讨论。
1.6 本章总结
本章介绍了无刷直流电机的发展、结构、工作原理、应用及发展趋势，最后明
确了本课题的设计任务和内容。
2 无刷直流电机控制系统的设计方案
2.1 无刷直流电机控制系统的设计
专用芯片控制的无刷直流电机控制系统主要由硬件部分组成。硬件部分由电源路、驱动电路、微处理器控制电路与保护电路等组成。如图2.1有位置传感器的无刷直流电机硬件系统框图，现对无刷直流电动机各部分的基本结构说明如下。
图2.1 有位置传感器的无刷直流电机硬件系统框图
(1) 电源路
电源路主要由直流电源组成。
(2) 驱动电路
当前，无刷直流电动机的驱动桥一般运用6个IGBT或MOSFET等器件构成全控桥，或者用3个IGBT或MOSFET等器件构成半控桥，为了提高驱动桥的可靠性可以使用集成的功率模块和智能功率模块。
IR2110芯片主要有三个功能：逻辑输入;电平平移及输出保护。IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。为了避免隔上臂短路，在电路中加入离二极管和自举电容。
(3) 位置检测器
位置检测器是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，为驱动桥提供换相信号。位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。转子位置传感器由定子和转子两部分组成，转子与电机本体同轴，跟踪电机本体转子磁极的位置；定子固定在电机本体定子或端盖上，检测和输出转子位置信号。
霍尔元件按功能分可分来线性霍尔元件和开关霍尔元件。前者输出模拟量，后来输出数字量。线性霍尔元件的精度高、线性度好，温度范围宽；开关霍尔元件无触点、无磨损、输出小形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高、温度范围宽。
(4) MC33035专用芯片
MC33035专用芯片是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：
（a）可控制电机正反转；
（b）实现电机刹车制动；
（c）启停功能；
（d）可选择三相无刷直流电机传感器相位差60°或120°；
（e）欠压封锁保护，IC过热保护和故障输出。
(5)保护电路
由于在电机启动时，转速比较低，反电动势很小，启动电流大，对电机损害较大，必须要设计保护电路，避免设备短路、过载与防治电缆线路短路。
2.2 无刷直流电动机控制系统设计方案比较
无刷直流电动机调整和起动性能好以及结构简单无需定期修护的特点，因此在可靠性高的电机调速中得到了广泛认可。在电机转速控制方面，数字调速系统已取代模拟调速系统。当前，数字调速系统主要运用两种控制方案:一种是以单片机为控制核心构成的硬件系统。这种方案可以编程控制，应用广范，且方便灵活。另一种采用专用集成电路。这种方案可以降低成本，提高可靠性，但在灵活方面不是很理想。电机控制器是无刷直流电机实现各种伺服功能的指挥核心，它主要功能有以下几种:对输入信号进行处理，给驱动电路提供相应的控制信号，实现电机的正反转、PWM调速、欠压保护和过载保护等。
控制器专用芯片是电动车的驱动系统，它是电动车的核心。其主要的作用是保证电动车正常工作，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池和减少电动车在受到的损伤。
目前，市场上常用的电动车无刷直流电机控制系统主要采用专用集成电路为主控系统，如MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，该类控制器称为模拟式控制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换相，根据电机内的位置传感器信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。该控制系统的缺点是智能性不高，保护措施一般，系统升级空间不大。
本设计将采用MC33035作为主控芯片。MC33035为直流无刷电机驱动专用芯片，具有使用方便、价格便宜、抗干扰性强等特点，同时也具有不够灵活、功能实现困难等问题，在应用上有一定的限制性．需要通过增加附加电路，可改善控制功能和扩展应用。
无刷直流电机控制方法主要是有位置和无位置控制两种控制方式。有位置的控制方式中，由于霍尔传感器价格便宜，安装方便，作为主要的无刷直流电机的位置
传感器。目前，国内外对无刷直流电机无位置的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法等。但是由于无位置控制方法在低速转动时不可以实现精确的速度调控，所以现阶段在电动车领域只是处于实验阶段，不能推广到实用中。
绕组不同的组合会产生不同的性能和成本。以下三个指标有利于我们做出选择：（1）绕组利用率。
不同于普通直流电动机，无刷直流电动机的各相绕组是间断通电的。增加通电的导体数，电阻下降，效率提高可以提高绕组利用率。三相绕组优于四相和五相绕组。
（2）转矩脉动。
无刷直流电动机的输出转矩脉动大于普通直流电动机。相数越多，转矩的脉动越小。桥式主电路比非桥式主电路的转矩脉动小。
（3）电路成本。
相数越多，驱动桥使用的开关管越多，成本就高。桥式全控主电路所用的开关管比桥式半控多一倍，成本高；多相电动机的驱动桥复杂，成本高。所以，三角形，星形连接三相桥式主电路。
2.3 本章总结
本章介绍了本方案主要采用MC33035专用芯片，霍尔元件，IR2110驱动芯片，场效应管（MOSFET），三相绕组的△型和Y型接法，相应的保护电路等来实现本设计的任务要求。硬件设计系统方案框图如图2.1。
3 无刷直流电动机控制系统的硬件设计
3.1 专用芯片的介绍
MC33035是MOTOROLA公司的第2代无刷直流电机控制专用芯片，内含转子位置传感器译码电路，温度补偿的内部电压基准源，误差放大器，频率可调的锯齿波振荡器，PWM比较器，芯片欠压，输出驱动电路，过热保护电路及限流电路。典型功能包括PWM调速，起动，停止控制，正反转控制和能耗制动控制，广泛应用于两相、三相及多相无刷直流电机驱动控制。
MC33035的工作电源电压范围很宽，在10V-30V之间，芯片内含有基准电压
6.25V。MC33035内部的转子位置译码器主要用于监控三个传感器输入,以便系统能
够正确提供高端和低端驱动输入的正确时序。传感器输入可直接与集电极开路型霍
尔效应开关相连接。用MC33035系列产品控制的三相电机可在最常见的四种传感器
相位下工作。MC33035提供的60°/120°选择可使MC33035很方便地控制拥有有60°、120°、240°或300°的传感器相位电机。这三个传感器输入有八种编码组合,当中的六
种是有效的编码组合,还有两种编码组合无效，通过有效输入编码可使译码器在使用
60度电气相位的窗口中识别出电机转子的当前位置。MC33035无刷直流电机控制器
的正向/反向输出可通过改变定子绕组上的电流方向来改变电机转向。当输入状态改
变时,相应的传感器输入编码会由高电平转变为低电平,从而改变整流时序,来使电机
旋转方向改变。电机转动/停止可由输出使能来控制,当该管脚开路时,连接到正电源
的内置上拉电阻将会启动顶部和底部驱动输出时序。而当该脚接地时,顶端驱动输出
将关闭,并将底部驱动强制为低,从而使电动机停止。MC33035中的振荡器、脉冲宽度
调制、误差放大器、电流限制电路、欠压锁定电路、片内电压参考、驱动输出电路
和热关断电路的工作原理和操作方法与其它同类芯片基本相似。
3.1.1 MC33035的组成，脚管及应用
1 MC33035的组成
（1）转子位置译码器；
（2）限流保护电路；
（3）温度补偿的6.24V内部基准电源；
（4）电阻、电容锯齿波振荡电路；
（5）脉宽调制比较器；
（6）误差放大器；
（7）输出驱动电路；
（8）欠压、过载保护和故障电平输出。
2 MC33035的脚管功能说明:
图 3.1 MC33035
如下表3.1是MC33035各引脚的说明:
表3.1 MC33035各引脚的说明
引脚号引脚名称功能说明
1，2，24 BT，AT，CT 三个集电极开路顶端驱动输出，驱动外部上端功率开关晶体管正向/
反向输入，改变电机转向。
4，5，6 SA,SB,SC 三个传感器输入，控制整流序列。
输出使能，高电平有效。
7 Ooutput
Enable
8 Reference Output 此输出为振荡器定时电容提供充电电流，并为误差放大器提供参
考电压，还向传感器提供电源。
电流检测同向输入。
9 Current Sense
Noninverting Input
10 Oscillator 振荡器引脚，振荡频率由定时元件R和C所选择的参数值决定。
11 ErrorAmp
误差信号放大器同向输入。通常连接到速度设置电位器上Noninverting Input
12 ErrorAmp
误差信号放大器反向输入。
Noninverting Input
13 ErrorAmp
误差放大器输出/PWM 输入。
Out/PWMInput
14 Fault Output 故障输出端。
15 Current Sense
电流检测反向输入端。
Inverting Input
16 Gnd 该管脚用于为控制电路提供一个分离的接地点，并可以作为参考返
回到电源地。
17 Vcc 正电源。Vcc在10V～30V的范围内，控制器均可正常工作。
18 Vc 底部驱动输出的高端电压是由该管脚提供的，它的工作范围从
10V～30V。
19，20，21 CB,BB,AB 这三个图腾柱式底部驱动输出被设计用于直接驱动外部底部功率
开关晶体管。
22 60°/120°Select 此管脚的电气状态可决定控制电路是工作在60°（高电平状态）还
是120°（低电平状态）的传感器电气相位输入状态下。
23 Brake 输出使能。该管脚为高时允许马达运行，为低时马达运行停止。3.2 驱动桥主电路设计
全桥是由6个MOSFET管组成，半桥只有3个MOSFET管组成。
俩者的优缺点：全桥，控制简单，效率可以做的比较高。半桥与全桥差不多，
不过效率没全桥那么高，成本比全桥要便宜点。
3.2.1 驱动开关元件选择
MOSFET是由贝尔实验室的D. Kahng和Martin 在1960年首次实验成功，MOSFET的操作原
理和1947年萧克莱等人发明的双载子晶体管不同，且制造成本低廉、使用面积较小和高整合度，
在大型积体电路或是超大型积体电路的领域里运用广泛。
由于MOSFET的性能不断提升和改进，除了应用于微处理器、微控制器等讯号处理的场合上，还有越来越多类比讯号处理的模拟电路同样用MOSFET来实现。表3.2是常见的驱动开关元件的对比。
IGBT 开关速度高，开关损耗小，
具有耐脉冲电流冲击的能
力，通态压降较低，输入阻
抗高，为电压驱动，驱动功
率小开关速度低于电MOSFET,电压，电流容量不及GTO
GTR 耐压高，电流大，开关特性
好，通流能力强，饱和压降
低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题
GTO 电压、电流容量大，适用于
大功率场合，具有电导调制
效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低
MOSFET 开关速度快，输入阻抗高，
热稳定性好，所需驱动功率
小且驱动电路简单，工作频
率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW 的电力电子装置
通过上述的比较，我选择MOSFET。
按照任务要求设计全控△和Y，半控。
3.2.2 三相半控，全控电路
图3.2 三相半控电路
其工作原理：在三相半控电路中，要求磁极位置传感器输出信号1/3为高电平，2/3周期为低电平，并且传感器信号之间的相位差是1/3周期。当转子位置处于120°，A为高电平，B、C为低电平。Q1导通，LA相绕组通电。在电磁作用下，转子顺时针方向旋转。当转子处于240°时，B为高电平，A、C为低电平，Q2导通，LB相绕组通电，LA相绕组断电。转子磁铁同LB相绕组产生的电磁力作用下，继续顺时针旋转。转子处于360°时，C为高电平，A、B为低电平，Q3导通，LC相绕组通电，转子继续顺时针旋转，转子回到原来位置，继续以上过程。
三相半控电路特点是简单，但电动机的利用率很低，每个绕组只导通1/3周期，没有得到充分利用。
图3.3 三相全控Y电路
图3.3是一种三相全控电路，电动机绕组为Y连接。Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6为6只P型功率MOSFET管，起到绕组开关作用。Q1、Q2、Q3高电平有效，Q4、Q5、Q6为低电平有效。它们的导通方式为三三导通。
三三导通方式是任意时刻3个开关管同时导通，每隔60度电角度换相一次，每个功率管通电180°，功率管的导通方式是：Q1、Q6、Q2->Q6、Q2、Q4->Q2、Q4、
Q3->Q4、Q3、Q5->Q3、Q5、Q1->Q5、Q1、Q6->Q1、Q6、Q2…。当Q5、Q1、Q6导通时电流从Q1流入LA相绕组中，经过LB、LC绕组分流，合成转矩方向和LA一致，大小为1.5T a。经过60°电角度后，换相到Q1、Q6、Q2通电，先关断Q5再打开Q2这时电流从Q1、Q2流入，经过LA、LB绕组，再流入LC相绕组，最后经Q6流出，合成转矩于LC的反方向一致，经过60°电角度，大小还是1.5T a。再经过60°电角度，换相到Q6、Q2、Q4通电之后，以此类推，它们最终合成转矩如图3.2.3:
图3.4 三三导通的合成转矩
其电压波形如图3.5
图3.5 Y连接三三导通方式电压波形图
图3.6 三相全空△电路
图3.6为三相全控电路，绕组为△。三三导通时通电顺序为Q1、Q6、Q2->Q6、Q2、Q4->Q2、Q4、Q3->Q4、Q3、Q5->Q3、Q5、Q1->Q5、Q1、Q6->Q1、Q6、Q2…。当Q5、Q1、Q6导通时，电流从Q1管流入，经过LA、LB绕组，在从Q5、Q6管流出，LC相绕组中无电流通过，这相当于LA、LB俩相绕组并联。
假设电流从LA到LB、LB到LC、LC到LA所产生的转矩为正，而从LC到LB、LB到LA、LA到LC产生的转矩为负。流入LA相绕组产生的转矩为正，流入LB相的绕组所产生的的转矩为负，最终转矩合力与图3.2.3相似，其大小为LA相的1.732倍。
3.2.3 功率模块IR2110介绍
(1) IR2110的特点有：输出驱动隔离电压可达500V；芯片自身的门输入驱动范围为10~20V；输入端带施密特触发电器；可实现两路分立的驱动输出，可驱动高压高频器件，如IGBT、功率MOSFET等，且工作频率高可达500KHz ，开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；逻辑电源的输入范围（脚9）5-15V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配。
(2) IR2110 主要功能及技术参数
IR2110 逻辑电源电压范围在5 V-20V以内,适应TTL 或CMOS 逻辑信号输入,具有独立的高端和低端输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上,容许逻辑电路参考地(USS) 与功率电路参考地(COM) 之间有- 5V和+ 5V 的偏移量,并且可以屏蔽不大于50ns 的脉冲,这样的抗干扰效果较为理想。IR2110 浮置电源采用自举电路,其高端工作电压可达500V ,工作频率可达到500kHz。两路通道均带有欠压锁定功能。其典型工作参数如表3.3所示。
表3.3 IR2110 工作参数
参数最小值/ V 最大值/ V
VB VS + 10 VS + 20
VS - 4 500
HO VS VB
VCC 10 20
LO 0 VCC
VDD VCC + 4. 5 VCC + 20
VSS - 5 + 5
HIN ,SD ,LIN VSS VDD
IR2110功能概述。IR2110驱动器将相应的信号送到对应的低阻抗输出。其高端输出HO和低端输出LO分别以浮置电位VSS和固定电位VCC为基准。逻辑电路为高端电路和低端电路输出提供对应的脉冲。HO和LO输出与HIN和LIN输入相位相同。当SD输入高电平时两路都关闭。
当VDD低于欠电压阀值，欠电压UV检测电路并关闭两电路输出。还有，当VSS
低于规定的欠电压时，欠电压检测电路也可以让高端输出中断。逻辑输入采用带有0.1VDD滞后的触发电路，用以提高抗干扰能力。高抗噪声平移位电路可以将逻辑信号送到输出驱动级。
低端延时电路可使控制脉冲定时要求，两路输出的传播延时匹配简化。当Vs电压为500V或小于500V时，高端功率MOSFET管关断。输出驱动的MOSFET管接成源极跟随器，而另一只输出驱动MOSFET管则接成共源极电路，高端的脉冲发生器驱动HV电平转化器还触发RS闩锁置位或复位。每个高电压DMOS电平转换器只能在很狭窄的脉冲持续期内导通，所以功率不高。
3.2.4 IR2110各个脚管
图3.7 IR2110
以下是IR2110引脚的介绍：
VDD（引脚9） : 逻辑电源电压
HIN（引脚10）: 逻辑高端输入
SD （引脚11）: 关断
LIN（引脚12）: 逻辑低端输入
VSS（引脚13）: 逻辑电路地电位端，其值可以为0V
NC（引脚4）: 空端
NC（引脚8）: 空端
HO （引脚7）: 高端输出
VB (引脚6) : 高端浮置电源电压
VS（引脚5）: 高端浮置电源偏移电压
NC （引脚14）: 空端
VCC（引脚3）: 低端固定电源电压
COM（引脚2）: 公共端
LO （引脚1）: 低端输出
3.2.5 驱动电路图
图3.8 全控△型驱动电路
图3.9 全控Y型驱动电路
图3.10 半控驱动电路
本设计在驱动电路中增加了隔离二极管和自举电容，避免上臂短路.
以上图为例，当下管导通上管截止时，IR2110LO输出为高，HO为低，隔离二极管D6导通，自举电容C8充电；当下管截止上管导通时，隔离二极管D6截止，自居电容C8储存的电荷供电，IR211HO为高，三极管导通，驱动MOSFET管栅极，使上管保持导通。
3.3 开关电路
图3.11 开关电路
开关S2闭合时电机转动，S4闭合时电气状态可决定控制电路是工作在60°（高电平状态）还是120°（低电平状态）的传感器电气相位输入,S4闭合可改变电流流向实现电机正反转。
3.4 稳压电路
图3.12 稳压电路
此电路主要是由稳压二极管组成，该电路为MC33035的17引脚和18引脚提供稳定的电压10V-30V。17引脚正电源使控制器正常工作，18引脚Vc底部驱动输出的高端电压。
3.5 调速电路
图3.13 调速电路
电路通过改变PWM的输入，即改变脉冲宽度输入，通过专用芯片来均匀的改变电机每相的电压大小进行调速。
3.6 RC振荡电路
图3.14 RC振荡电路
振荡原理：建立振荡就是要是电路产生自激，从而产生持续的振荡，由直流电变为交流电。对于RC来说，直流电源就是能源。
3.7 过流保护
在控制系统工作过程中，经常会发生很多异常情况，为了防止这些情况电路设计中必须加入保护电路。通常有欠压保护电路和过流保护电路。因为MC33035已经有欠压保护了，所以主要讨论过电流保护。
当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时,会引起电流过大，使管子功耗增大,发热,若没有过流保护装置,大功率开关三极管就有可能损坏。故而在开关稳压器中过电流保护是常用的。在线性稳压器中常用的限流保护和电流截止保护在开关稳压器中均能应用。但是,根据开关稳压器的特点,这种保护电路的输出不能直接控制开关三极管,而必须使过电流保护的输出转换为脉冲指令,去控制调制器以保护开关三极管。为了实现过电流保护一般均需要用取样电阻串联在电路中。
由于在电机启动时，转速比较低，反电动势很小，启动电流大，对电机损害较大，
因
此通常要在电机控制电路中加入如图3.15所示的过电流保护。此电路的优点是不用通过处理器判断是否过流，可以实时的作出反应，在电机启动过程中，可有效的保
护
系统不受损害。
图3.15 过电流保护电路
3.8 本章总结
本章主要设计了驱动桥和驱动电路以及MC33035周边的开关电路，稳压电路，调速电路，RC振荡电路。实现了三相无刷直流电机的换相、正反转和PWM转速控制。本章是介绍了过电流保护原理和作用以及电路图。
4 传感器选择
霍尔传感器是一种磁传感器。按霍尔器件的功能可以分为:线性霍尔器件和开关
霍尔器件。线性霍尔器件输出模拟量，开关霍尔器件输出数字量，都可用于电机磁场的测量。霍尔器件有很多特点，比如它们的体积小巧，重量很轻，寿命很长，安装简单，功耗较小，频率较高 ,耐震动，不怕污染或腐蚀。霍尔开关器件没有触点、不会磨损、输出稳定、不抖动、不会回跳、位置精度高。并且，它可以在-55o C到150o C 范围内正常工作。
（1）无刷直流电动机中常用转子位置传感器
转子位置传感器是无刷直流电机中的重要组成部分。它对电机转子进行位置检测，输出信号经过逻辑变换后去控制功率开关管的导通或关闭，这样可以让电机定子绕组按顺序导通，确保电机连续转动。转子位置传感器也由定子、转子组成，其转子和电机本体同轴安装，可跟踪检测电机转子的位置；其定子安装于电机本体的定子上或端盖上，可以检测和输出转子的位置信号。转子位置传感器的技术指标主要为：输出信号的精度，幅值，工作温度，抗干扰能力，响应速度，损耗，安装方便性，体积重量以及可靠性等。其种类包括电磁式、光电式、磁敏式、正余弦旋转变压器式、接近开关式以及编码器等。
常用的传感器主要有以下几种：
（a）霍尔元件式位置传感器
霍尔元件式位置传感器是磁敏式半导体位置传感器。它是用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求安装于外磁场中并通以工作电流，可以输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，霍尔电势信号就不会输出。通常有两种方式用霍尔元件作转子位置传感器。
一种方式是将霍尔元件安装于电机端盖内表面，电机轴同轴的永磁体靠近霍尔元件并与之有一小间隙。对于三相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空间上相隔120°电角度，永磁体的圆弧宽度为180°电角度。这样，当电机转子转动时，三个霍尔元件会轮流输出三个宽度为180°电角度、相位之间差120°电角度的矩形波信号。
另一种方式是直接将霍尔元件安装在定子电枢铁心表面或绕组端部靠近铁心处，利用安装在电机转子上的永磁体主极作为位置传感器的永磁体，按照霍尔元件的输出信号来判断转子的磁极位置。
如图4.1所示，霍尔元件式位置传感器的结构简单、体积小、价格低，但工作温度有一定的要求，还有霍尔元件要靠近传感器的永磁体，不然输出信号电平低，不
能正常工作。所以，在对性能和环境要求不高的永磁无刷直流电机运用场合中大量使用霍尔元件式位置传感器。
图4.1 霍尔元件式位置传感器结构
（b）电磁式位置传感器
电磁式位置传感器的定子是由磁芯、高频激磁和输出绕组组成。转子由扇形磁芯与非导磁衬套组成。电机转动时，输入绕组中输入高频激磁电流，当转子扇形磁芯位于输出绕组下面时，输入与输出绕组通过定子、转子磁芯耦合，输出绕组中感应到高频信号，经过滤波整形和逻辑处理，可以控制逆变器工作。这种传感器的强度很高，可经得起较大的振动冲击，一般多用于航空航天领域。电磁式位置传感器的输出信号很大，一般不要经过放大就可以直接驱动功率开关管，但是输出电压是交流的，必须经过整流。因为这种传感器很复杂笨重，所以大大限制了它在普通条件下的运用。
（c）光电式位置传感器
光电式位置传感器是由固定在定子上的数个光电耦合开关与在转子轴上的遮光盘所构成。数个光电耦合开关沿圆周均匀分布，每只光电耦合开关是由相对的红外发光二极管和光敏三极管构成。遮光盘位于发光二极管与光敏三极管之间，盘上有一定角度的窗口。红外发光二极管导通之后发出红外光，当遮光盘随电机转子一同转动时，红外光交替的照在光敏三极管上，使三极管不停的导通和截至，其输出信号可以判断出转子的位置。光电式位置传感器质量轻，安装可靠，抗干扰力好，调整简单，所以获得了广泛的运用。
目前，无位置传感器的永磁无刷直流电机发展迅速。它不需要转子位置传感器，所以电机结构简单、体积小、可靠性较高。当电机体积小、位置传感器安装不便或电机工作在恶劣环境中导致位置传感器工作的可靠性不能保证时，无位置传感器的永磁无刷直流电机就显示出特别的优越性。无位置传感器无刷直流电机的弱点主要是起动转矩比较小，一般适用于空载条件下起动。
（2）霍尔器件在无刷直流电机中的运用
当霍尔传感器用来作为无刷直流电机转子位置检测装置时，将它安装在电机定子的适当位置，霍尔传感器的输出与控制部分相连接。当无刷直流电机的转子经过霍尔器件时，转子上永磁体的磁场使霍尔传感器输出电压信号，该电压信号被送到控制部分，经控制部分发出相应信号来使定子绕组导通，从而产生与转子的磁场极
性相同的磁场，排斥转子继续转动。当转子转到下一位置时，前一个位置的霍尔传感器停止工作，转子所在位置的霍尔传感器输出电压信号，控制部分发出对应信号使得对应定子绕组导通，产生相同磁场排斥转子继续转动实现电机不停的运转。4.1 本章总结
本章介绍了霍尔元件，光电式位置传感器，电磁式位置传感器，最后介绍了霍尔元件在电机中的应用。
结束语
本课题实现了三相无刷直流电机的换相、正反转和PWM转速控制。我通过对专用芯片的研究以及查找相关资料设计了：
（1）开关电路，实现电机的转动，正反转，以及控制电路工作的高电平或低电平状态。
（2）稳压电路，为17引脚和18引脚提供稳定的10V-30V电压。
（3）调速电路，实现PWM调速。
（4）振荡电路，将电源的直流电能，转变成一定频率的交流信号的电路。作用是产生交流电振荡，作为信号源。
（5）IR2110的全桥和半桥驱动电路，避免上臂短路，增加隔离二极管和自举电容。
通过解了MC33035具有片内电流限制电路、片内电压参考、欠压锁定电路、驱动输出电路以及热关断等电路设计了过电流保护，选用合适的霍尔元件。
通过学习无刷直流电机的基本原理、磁路结构、定子绕组特点和设计计算方法。
研究典型的三相无刷直流电机的运行控制方法和检测及仿真。学习Protel 99SE 的运用，设计了输出功率小于100W三相无刷直流电机的控制和检测系统：（a）无刷直流电机三相Y型半控电路原理图。
（b）无刷直流电机三相△型半控电路原理图
（c）无刷直流电机三相Y型连接全控电路原理图。
（d）无刷直流电机三相△型连接全控电路原理图。
运用软件绘出了专用集成电路控制方式的PCB图和三维仿真图。
通过浏览书籍，查看文献资料，学习无刷直流电机原理的基础上，并对无刷直流电机的控制原理进行了的研究，设计了电动自行车用无刷直流电机控制器。
本文所设计的基于MC33035的无刷直流电机控制器具有硬件结构简单、保护功
能完善。主要实现了如下功能:
(1)采用MC33035作为主控芯片，加强电动车电机控制；
(2)完善电机控制系统，实现了系统的过流保护；
(3)设计了驱动电路、硬件过流保护电路，提高系统的可靠性;
本文所设计的控制系统还有需要进一步的改进，比如可采用无位置控制方法，运用软件检测电机的反电动势，从而不需要位置传感器，减少硬件成本，提高可靠性;还可采用单片机来对无刷直流电机进行控制，使系统具更加的灵活和稳定。
致谢
毕业设计完成期间，陈老师给了我不少指导和建议，使我对无刷电机控制系统
有了不少的了解，学到了不少对我有用的东西。虽然他工作很忙，但他也抽出自己
的时间辅导我们，对我们所提出的问题进行解答。通过这一阶段的努力，我的毕业
论文终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上
都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励
是分不开的。
在本论文的写作过程中，我的导师陈安明老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，
在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老
师以及关心我的同学和朋友。
写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的
学习生活的开始。
感谢各位专家的批评指导
参考文献
[1] 张琛. 无刷直流电动机原理及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2004.
[2] 李仲明. 稀土永磁电机[M]. 北京：国防工业出版，2005.
[3] 叶金虎. 现代无刷直流永磁电动机的原理及设计[M]. 北京：科学出版社，2007.
[4] 夏长亮. 无刷直流电机控制系统[M]. 北京：科学出版社，2009.
[5] 汪海燕, 李娟娟, 张敬华. 自适应模糊PID控制的无刷直流电机及仿真[J].
微电机, 2003, 36（4）：65-68.
[6] 夏长亮, 郭培健, 史婷娜. 基于模糊遗传算法的无刷直流电机自适应控制[J].
中国电机工程学报, 2005, 25 (11)：123-126.
[7] 蒋海波, 崔新艺, 曾凌波. 无刷直流电机模糊控制系统的建模与仿真[J] . 西
安交通大学学报, 2005, 39 (10)：55-58.
[8] 卢玉宇. 三相无位置传感器无刷直流电机的控制[J]. 福建农林大学报，
2007,36（5）：34-39.
[9] 张磊，瞿文龙，陆海峰. 无刷直流电机换相转矩脉动的抑制[J]. 电工电能新
技术，2005,24（2）：122-125.
[10] 罗吉, 高元楼. 电机控制应用[J]. 现代电机, 2008，35（5）：99-102.
[11] 李宁，刘启新. 电机自动控制系统[M]. 北京：机械工业出版社，2000.
[12] 潘建. 无刷直流电机控制器MC33035的原理及应用[J]. 国外电子元器件,
2003，32（4）：87-92.
[13] 谭建成. 电动机控制专用集成电路[M]. 北京：机械工业出版社，1997.
[14] 孙江宏, 李良玉. Protel 99电路设计与应用[M]. 北京：机械工业出版社，
2001.
[15] 杨宜民. 新型驱动器及其应用[M]. 北京：机械工业出版社，1998.
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
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
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
直流电机驱动电路设计 一、直流电机驱动电路的设计目标 在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点： 1. 功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电 器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。 如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。 2. 性能：对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。 1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。 2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。 3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。 4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。 5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。 二、三极管-电阻作栅极驱动
1．输入与电平转换部分： 输入信号线由DATA引入，1脚是地线，其余是信号线。注意1脚对地连接了一个2K欧的电阻。当驱动板与单片机分别供电时，这个电阻可以提供信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时，这个电阻可以防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。或者说，相当于把驱动板的地线与单片机的地线隔开，实现“一点接地”。 高速运放KF347（也可以用TL084）的作用是比较器，把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2.7V基准电压比较，转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。KF347的输入电压范围不能接近负电源电压，否则会出错。因此在运放输入端增加了防止电压范围溢出的二极管。输入端的两个电阻一个用来限流，一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。 不能用LM339或其他任何开路输出的比较器代替运放，因为开路输出的高电平状态输出阻抗在1千欧以上，压降较大，后面一级的三极管将无法截止。 2．栅极驱动部分： 后面三极管和电阻，稳压管组成的电路进一步放大信号，驱动场效应管的栅极并利用场效应管本身的栅极电容（大约 1000pF）进行延时，防止H桥上下两臂的场效应管同时导通（“共态导通”）造成电源短路。 当运放输出端为低电平（约为1V至2V,不能完全达到零）时，下面的三极管截止，场效应管导通。上面的三极管导通，场效应管截止,输出为高电平。当运放输出端为高电平（约为VCC-(1V至2V),不能完全达到VCC）时，下面的三极管导通，场效
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)
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
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：
直流电机控制电路集锦 直流电机的类型 按：直流电机在家用电器、电子仪器设备、电子玩具、录相机及各种自动控制中都有广泛的应用。但对它的使用和控制，很多读者还不熟悉，而且其技术资料亦难于查找。直流电机控制电路集锦，将使读者“得来全不费功夫”! 在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。本文将详细介绍各种直流电机的控制技术。 站长的几句说明：本文内容比较详实完整，但遗憾的是原稿的印刷质量和绘图的确很差，尽管采取了很多措施，有些图仍可能看不太清楚。 直流电机，大体上可分为四类： 第一类为有几相绕组的步进电机。这些步进电机，外加适当的序列脉冲，可使主轴转动一个精密的角度(通常在1.8°--7.5°之间)。只要施加合适的脉冲序列，电机可以按照人们的预定的速度或方向进行连续的转动。 步进电机用微处理器或专用步进电机驱动集成电路，很容易实现控制。例如常用的SAAl027或SAAl024专用步进电机控制电路。 步进电机广泛用于需要角度转动精确计量的地方。例如：机器人手臂的运动，高级字轮的字符选择，计算机驱动器的磁头控制，打印机的字头控制等，都要用到步进电机。 第二类为永磁式换流器直流电机，它的设计很简单，但使用极为广泛。当外加额定直流电压时，转速几乎相等。这类电机用于录音机、录相机、唱机或激光唱机等固定转速的机器或设备中。也用于变速范围很宽的驱动装置，例如：小型电钻、模型火车、电子玩具等。在这些应用中，它借助于电子控制电路的作用，使电机功能大大加强。 第三类是所谓的伺服电机，伺服电机是自动装置中的执行元件，它的最大特点是可控。在有控制信号时，伺服电机就转动，且转速大小正比于控制电压的大小，除去控制信号电压后，伺服电机就立即停止转动。伺服电机应用甚广，几乎所有的自动控制系统中都需要用到。例如测速电机，它的输出正比于电机的速度；或者齿轮盒驱动电位器机构，它的输出正比于电位器移动的位置．当这类电机与适当的功率控制反馈环配合时，它的速度可以与外部振荡器频率精确锁定，或与外部位移控制旋钮进行锁定。 唱机或激光唱机的转盘常用伺服电机。天线转动系统，遥控模型飞机和舰船也都要用到伺服电机。 最后一类为两相低电压交流电机。这类电机通常是直流电源供给一个低频振荡器，然后再用低频低压的交流去驱动电机。这类电机偶尔也用在转盘驱动机构中。 步进电机的基本工作原理
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-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。
课程设计(论文) 题目名称直流电动机控制电路的设计 课程名称电力拖动基础课程设计 学生姓名周孝雄 学号0941202031 系、专业电气工程系、09自动化 指导教师邱雄迩 2011年12 月18 日
邵阳学院课程设计（论文）任务书 注： 1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效； 2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。
指导教师（签字）：学生（签字）：
邵阳学院课程设计（论文）评阅表 学生姓名周孝雄学号0941202031 系电气工程系专业班级09自动化班 题目名称直流电动机控制电路的设计课程名称电力拖动基础一、学生自我总结 二、指导教师评定 注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；
当今，自动化控制系统在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。直流电动机应用如此之广，主要在于其采用了PWM脉宽调制电路来控制直流电动机的调速。在这里介绍了PWM脉宽产生的电路。该电路运用模拟电子电路基础知识完成，利用产生的方波信号带动负载转动。本设计原理简单，易于理解，电路实现简单。我们先概括介绍了电路中锁需要的电路模块，然后给出了整体的电路图，并做了测试及得出测试结果。 关键词：直流电动机，PWM，三极管
1绪论 (7) 1.1概述 (7) 1.2 直流电动机的基本理论 (7) 1.3直流脉宽调速系统 (10) 2 元器件介绍 (13) 2.1 SG2731 (13) 2.2 三极管C4466 和 A1693 (16) 3 系统设计方案 (17) 3.1直流电动机控制电路 (17) 4直流电动机控制电路的测试 (19) 4.1 测试步骤 (19) 4.2 测试结果 (19) 5实验总结 (21) 参考文献 (22)
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
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
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
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