永磁无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如图一所示： 永磁无刷直流电动机的基本工作原理 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5-26KHZ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，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4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，T1-T6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°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码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°电角度，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。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 2. 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。 电动机的转矩正比于绕组平均电流： Tm=KtIav （N·m） 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度： ELL=Keω （V） 所以电动机绕组中的平均电流为： Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） 其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩： Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra） Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。
硬件电路设计说明书V1 文档版本 1.0 编写人：彭威 编写时间：2015-06-10 部门：研发部 审核人： 审核时间：
1.引言 1.1编写目的 本文档是无刷直流电机风机盘管电源电路及控制驱动电路的硬件设计说明文档，它详细描述了整个硬件模块的设计原理，其主要目的是为无刷直流电机控制驱动电路的原理图设计提供依据，并作为 PCB 设计、软件驱动设计和上层应用软件设计的参考和设计指导。 1.2产品背景 1.3参考资料 Datasheet：Kinetis KE02 Datasheet：MKE02Z16VLC2 Datasheet：MKE02Z64M20SF0RM Datasheet：FSB50760SFT Datasheet：TNY266 Datasheet：FAN7527 2.硬件电路概述 2.1电源部分 电源部分主要功能是提供400V直流电供给电机，另外提供15V直流电给电机驱动芯片供电。采用反激式开关电源设计。 2.1.1总体方案
设计一款 100W驱动开关电源。给定电源具体参数如下： （1）输入电压：AC 85V~265V （2）输入频率：50Hz （3）工作温度：-20℃~+70℃ （4）输出电压/电流：400V/0.25A （5）转换效率：≧85% （6）功率因数：≧90% （7）输出电压精度：±5% 系统整体框架如下 如图所示为电源的整体架构框图，主要目的是在输入的85~265V、50Hz交流电下，输出稳定的恒压电机驱动直流电。由图可知，电源电路主要包括了前级保护电路模块、差模共模滤波模块、整流模块、功率因数校正模块、DC/DC模块。其中EMI滤波电路能够抑制自身和电源线产生的电磁污染，功率因数校正电路采用Boost有源功率因数
无刷直流电动机 一、简介： 一种用电子换向的小功率直流电动机。又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。它是用半导体逆变器取代一般直流电动机中的机械换向器，构成没有换向器的直流电动机。这种电机结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。 同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。无刷电动 机结构如图1。 图1无刷直流电动机结构图 二、特点（优点及意义）： 1、全面替代直流电机调速、全面替代变频器+变频电机调速、全面替代异步电机+减速机调速； 2、可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；3 3、具有传统直流电机的所有优点，同时又取消了碳刷、滑环结构； 4、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小； 5、无级调速，调速范围广，过载能力强； 6、体积小、重量轻、出力大； 7、软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置； 8、效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60%，仅节电一项一年可收回购置成本；
9、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；10、耐颠簸震 动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长；11、没有无线电干扰，不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型；12、根据需要可选梯形波磁场电机和正旋波磁场电机。i 三、发展历程： 无刷电动机的诞生标志是1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。 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。1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。ii 四、国内外无刷电机的发展现状： 1、市场：我国无刷直流电机的研制开发起于70年代初期，主要是为我国自行研制的军事装备和宇航技术发展而配套。由于需要量少，只需由某些科研单位试制提供就能满足要求。经过20多年的发展，虽然在新产品开发方面缩短了与国际先进水平的差距，但由于无刷电机产品是总和了电机、微电子、控制、计算机等技术于一身的高技术产品，受到了我国基础工业落后的制约，因此无论在产量、品种、质量及应用上与国际先进水平差距甚大。目前，国内研制的单位虽然不少，但能有一定批量的单位却屈指可数。当今日本、德国、台湾是无刷电机主要生产国和地区，日本的年产量超过8000万台，其中约50%出口海外，德国年产量约3000万台，台湾主要生产较低档次无刷电机，年产量超过1000万台。iii 2、技术：几乎所有的无刷电动机产品都是为特定用途设计制造的。试图生产一种通用系列无刷电动机来适应千变万化的市场需求，是不可能的。各公司设计制造各种特殊结构、特定用途的无刷直流电动机，在设计、结构和工艺新技术方面不断的革新，以适应不同整机市场的需求。例如： ①永磁材料技术：适应不同性能参数永磁材料，瓦型、环型表面粘接结构和
无刷电机工作及控制原理(图解） 左手定则，这个就是电机转动受力分析得基础，简单说就就是磁场中得载流导体,会受到力得作用。 让磁感线穿过手掌正面，手指方向为电流方向,大拇指方向为产生磁力得方向,我相信喜欢玩模型得人都还有一定物理基础得哈哈.
让磁感线穿过掌心，大拇指方向为运动方向，手指方向为产生得电动势方向。为什么要讲感生电动势呢?不知道大家有没有类似得经历，把电机得三相线合在一起,用手去转动电机会发现阻力非常大，这就就是因为在转动电机过程中产生了感生电动势，从而产生电流，磁场中电流流过导体又会产生与转动方向相反得力，大家就会感觉转动有很大得阻力。不信可以试试. 三相线分开,电机可以轻松转动 三相线合并，电机转动阻力非常大 右手螺旋定则，用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致,那么大拇指所指得那一端就就是通电螺旋管得N极。
状态1 当两头得线圈通上电流时，根据右手螺旋定则,会产生方向指向右得外加磁感应强度B(如粗箭头方向所示），而中间得转子会尽量使自己内部得磁感线方向与外磁感线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。 当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受得转动力矩最大.注意这里说得就是“力矩”最大,而不就是“力”最大。诚然,在转子磁场与外部磁场方向一致时，转子所受磁力最大，但此时转子呈水平状态，力臂为0，当然也就不会转动了。补充一句,力矩就是力与力臂得乘积。其中一个为零,乘积就为零了. 当转子转到水平位置时,虽然不再受到转动力矩得作用，但由于惯性原因,还会继续顺时针转动，这时若改变两头螺线管得电流方向,如下图所示,转子就会继续顺时针向前转动, 状态2 如此不断改变两头螺线管得电流方向,内转子就会不停转起来了。改变电流方向得这一动作，就叫做换相。补充一句：何时换相只与转子得位置有关,而与其她任何量无直接关系。 第二部分：三相二极内转子电机 一般来说,定子得三相绕组有星形联结方式与三角联结方式，而“三相星形联结得二二导通方式”最为常用，这里就用该模型来做个简单分析。
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
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
无位置传感器直流无刷电机原理 位置传感器的直流无刷电机的换向主要靠位置传感器检测转子的位置，确 定功率开关器件的导通顺序来实现的，由于安装位置传感器增大了电机的体积， 同时安装位置传感器的位置精度要求比较高，带来组装的难度。 研究过程中发现，利用电子线路替代位置传感器检测电机在运行过程中产 生的反电动势来确定电机转子的位置，实现换向。从而出现了无位置传感器的 直流无刷电机，其原理框图如图3．1所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2-1无位置传感器无刷直流电机原理图 无位置传感器无刷直流电机(BLDCM)具有无换向火花、无无线电干扰、寿 命长、运行可靠、维护简便等特点，而且不必为一般无刷直流电机所必须的位 置传感器带来的对电机体积、成本、制造工艺的较高要求和抗干扰性差问题而 担忧，因此应用前景广阔。 由图2-1无刷直流电动机的运行原理图可知，当电机在运行
过程中，总有 一相绕组没有导通，此时可以在该相绕组的端口检测到该绕组产生反电动势， 该反电动势60度的电角度是连续的，由于电机的规格，制造工艺的差别，导致 相同电角度的反电动势值是不同，如要通过检测反电动势的数值来确定转子的 位置难度极大。因此必须找到该反电动势与转子位置的关系，才能确定转子的 位置。 由于BLDCM的气隙磁场、反电势、以及电流波型是非正弦的，因此采用 直交轴坐标变化不是很有效的分析方法。通常直接利用电机本身的相变量来建 立数学模型。假设三相绕组完全对称，磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，忽 略齿槽相应，则三相绕组的电压平衡方程则可以表示为：根据电压方程得电机的等效电路图，如图2．2所示：
2．3．2反电势法电机控制的原理 无刷直流电机中，受定子绕组产生的合成磁场的作用，转子沿着一定的方 向转动。电机定子上放有电枢绕组，因此，转子一旦旋转，就会在空间形成导 体切割磁力线的情况，根据电磁感应定律可知，导体切割磁力线会在导体中产 生感应电热。所以，在转子旋转的时候就会在定子绕组中产生感应电势，即运 动电势，一般称为反电动势或反电势哺1。· 对于稀土永磁无刷直流电机，其气隙磁场波形可以为方波，也可以是梯形 波或正弦波，与永磁体形状、电机磁路结构和磁钢充磁等有关，由此把无刷直 流电机分为方波电机和正弦波电机。对于径向充磁结构，稀土永磁体直接面对 均匀气隙，由于稀土永磁体的取向性好，所以可以方便的获得具有较好方波形 状的气隙磁场，对于方波气隙磁场的电机，当定子绕组采用集中整距绕组，即 每极每槽数q=l时，定子绕组中感应的电势为梯形波，如图加
无刷直流永磁电动机设计实例 一. 主要技术指标 1. 额定功率：W 30P N = 2. 额定电压：V U N 48=，直流 3. 额定电流：A I N 1< 3. 额定转速：m in /10000r n N = 4. 工作状态：短期运行 5. 设计方式：按方波设计 6. 外形尺寸：m 065.0036.0?φ 二． 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P ' 直流电动机 W P K P N N m i 48.4063 .030 85.0'=?= = η，按陈世坤书。 长期运行 N i P P ?'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ?'' += 'η η431 3． 预取线负荷m A A s /11000'= 4． 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6． 预取长径比（L/D ）λ′=2
7．计算电枢内径 m n B A P D N s i i i 233 11037.110000 255.0110008.048 .401.61.6-?=?????=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-?= 8. 气隙长度m 3107.0-?=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-?= 10. 极对数p=1 11. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--?=??='='λ 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-? 12. 极距 m p D i 22 1 102.22 104.114.32--?=??==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-?== 三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22 1 10733.06 104.114.3--?=??==π 3. 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图。 4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096 .043.155 .010733.0--?=???==δ ，t B 可由 设计者经验得1.43T ，t b 由工艺取m 210295.0-? 5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056 .196.0255 .08.02.222-?=????=≈Φ= δδτ
直流无刷电动机及其调速控制 1．直流无刷电动机的发展概况与应用 有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。 1955年美国的D.Harrison等首次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，标志着现代无刷直流电动机的诞生。无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用。1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。 随着现代永磁材料和相关电子元器件的性能不断提高，价格不断下降，无刷电动机的到了快速发展，并被广泛应用于各个领域，例如，在数控机床、工业机器人以及医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺机械和家用电器等小功率场合，计算
电机与拖动基础 课程设计报告 设计题目： 学号： 指导教师： 信息与电气工程学院 二零一六年七月
直流无刷电机本体设计 1. 设计任务 (1) 额定功率 80N P W = (2) 额定电压310N U V ≤ (3) 电动机运行时额定转速 1000/min N n r = (4) 发电机运行时空载转速max 6000/min n r = (5) 最大允许过载倍数 2.5λ= (6) 耐冲击能力21500/m a m s = (7) 机壳外径42D mm ≤ 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。
无刷电机之无感方案控制难点解析 无刷无感控制在实际应用中极为广泛，人们对它的研究也尤为以久，它的控制难点主要有两点：第一，电机的启动；第二，转子位置的检测。 对于高压无感方案来讲，除了软件上的难点之外，硬件设计也不容忽视，如硬件设计稍有不当，会导致整个控制板的干扰很大，从而加大了整个方案成功的难度。 以下我们主要针对低压的无感方案进行讨论，对于低压的无感方案来讲，市面上的硬件设计都大同小异，检测转子的位置的方式也都几乎都采用反电动势检测法。 1、为什么无感方案电机的启动如此困难？ 对于无刷电机来讲，电机的运转是靠电子开关控制换相，那么想要电机正常高效的运转，就必须要知道转子的位置之后，才能正常换相，问题来了，电机没有传感器，也没有转起来，所以转子的位置就不得而知了，所以无感的启动就要自转启动，先让电机以一定的速率自转，在电机自动的过程中，我们通过检测反电动势来得知转子的位置，从而得到正确的换相的相位。 电机的自启动说起来简单做起来难，本人在调试众多无感方案的过程中，总结出以下几点经验供参考： （1）、首先是自转，自转一定要让电机运转顺畅，不能打抖，同时也不能造成大电流。这是启动成功的非常关键的一步。具体如何达到这个效果，就要各位在调试的过程中调节PWM占空比以及换相时间的长短了。 （2）、启动步数不能太少，也不要过多，一般十来步就够了，等电机运行十来步后开始检测反电动势，当检测到正确的反电动势后这时候电机就正常运转起来了。 2、如何检测反电动势 检测反电动势的方法有两种，第一是用单片机内部AD采样反电动势信号来进行比较，第二是用比较器直接比较。这两种方法思路都是一样，但依个人的经验来看，用比较器的方案更可靠，性能更好，特别是电机转速要求非常高时，用AD采样方法几乎是行不通的。 虽然用比较器方案更有优势，可为何在市面上用AD采样的方式也非常常见？这个主要是因为产品成本的问题。用比较器方案做，要不在外部加一个比较器IC，不仅增加成本，同时也增大PCB 的布板空间，其二就是找一个内部带AD的单片机，而这种单片机相对来讲通常价格偏高一些。下图为检测反电动势的电路参考图：
毕业论文 课题名称无刷直流电机双闭环PI控制系统仿真 系部 专业 班级 学号 姓名 指导教师
摘要 本设计基于MATLAB/SIMULINK环境，利用其自带模块，编写S-函数程序，建立无刷直流电机的闭环控制系统模型。此系统采用转速-电流PI双闭环控制策略。其中，转速环为控制外环，使用PI控制算法；电流环为控制内环，采用滞环比较PWM控制方式，使得实际电流能跟踪参考电流。在分析了无刷直流电机的物理特性之后，可以建立其数学模型，将它与控制系统数学模型结合，就可以实现电机控制。将仿真结果与理论分析对比之后，可以看到本控制系统具有良好的控制效果。 关键词：无刷直流电机；双闭环控制系统；MATLAB/Simulink；PI控制 Abstract
based on MATLAB/SIMULINK environment, using the automatic module and writing S - function program establish a model of the closed loop control system of brushless dc motor. This system USES PI speed - current double closed-loop control strategy. Among them, the speed loop as the outer ring to use PI control algorithm; Current loop to control the inner ring, using the hysteresis PWM control mode, makes the actual current can track reference current. Physical properties after the analysis of the brushless dc motor, can establish its mathematical model, combined with control system mathematical model, it can achieve motor control. After compare the simulation results and theoretical analysis, you can see this control system has good control effect. Keywords: Brushless DC Motor; double-loop control system; MATLAB/Simulink; PI control
无刷直流永磁电动机设计实例 一. 主要技术指标 1. 额定功率：W 30P N = 2. 额定电压：V U N 48=，直流 3. 额定电流：A I N 1< 3. 额定转速：m in /10000r n N = 4. 工作状态：短期运行 5. 设计方式：按方波设计 6. 外形尺寸：m 065.0036.0?φ 二． 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P ' 直流电动机 W P K P N N m i 48.4063 .030 85.0'=?= = η，按陈世坤书。 长期运行 N i P P ?'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ?'' += 'η η431 3． 预取线负荷m A A s /11000'= 4． 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6． 预取长径比（L/D ）λ′=2
7．计算电枢内径 m n B A P D N s i i i 233 11037.110000 255.0110008.048 .401.61.6-?=?????=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-?= 8. 气隙长度m 3107.0-?=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-?= 10. 极对数p=1 11. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--?=??='='λ 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-? 12. 极距 m p D i 22 1 102.22 104.114.32--?=??==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-?== 三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22 1 10733.06 104.114.3--?=??==π 3. 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图。 4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096 .043.155 .010733.0--?=???==δ ，t B 可由 设计者经验得1.43T ，t b 由工艺取m 210295.0-? 5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056 .196.0255 .08.02.222-?=????=≈Φ= δδτ
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。
南阳理工学院 本科生毕业设计（论文） 学院：电子与电气工程学院 专业：电子信息工程 学生： 指导教师：薛晓 完成日期2014 年 5 月
南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 直流无刷电机的控制系统设计与实现Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation 总计： 21 页 表格： 2 个 插图： 27 幅
南阳理工学院本科毕业设计（论文） 直流无刷电机控制系统设计与实现 Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation 学院（系）：电子与电气工程学院 专业：电子信息工程 学生姓名： 学号： 指导教师（职称）：薛晓（讲师） 评阅教师： 完成日期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology
直流无刷电机控制系统设计与实现 电子信息工程专业 [摘要]直流无刷无感直流电机具有体积小、调速性能好、重量轻、效率高等优点，目前在很多领域得到了的应用。本课题设计的是无刷无感直流电机的控制，包括无刷直流电机无位置传感器控制系统和无刷无感直流电机的基本结构、工作原理、数学模型等理论进行了分析和论述，为直流电机的控制提供理论依据。用matlab guide设计了上位机界面来进行PID参数的整定。 本课题设计了直流无刷电机的控制系统并进行了调试。用STM32进行控制。实验结果表明设计的转子位置检测可以很好的检测电机的反电势过零点信号，进而保证电机的正确换相和稳定运行。整个系统可以控制无刷无感直流电机顺利启动，并通过滑动变阻器实现电机的调速。 [关键词] 无刷直流电机；电机驱动；换相；反电势 Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation Electronic Information Engineering Specialty Abstract:The brushless DC motors have the advantage of small,good debugging performance,low weight,and high efficiency. So it has been widely used now. And this restricts the industrial drive applications,After the attachment with sensorless control. This paper mainly reserches the sensorless control technology for BLDCM,designs and control BLDCM without position sensor. I use MATLAB guide to debug PID parameter. designing a controller of brushless DC motor and do some experiments for this control system. I use the STM32 MCU as the core microprocessor of hardware system.The results of the experiment show that the rotor position detection system can perfectly detect the location of back-EMF zero-crossing signal,and ensuring the correct motor commutation and stable operation.The whole control system can control the brushless DC motor stating smoothly,and use the Sliding rheostat to achieve speed control. Key words：Brushless dc motor；motor drive；commutation; back-emf
摘要 电动汽车具有清洁无污染，能源来源多样化，能量效率高等特点，可以解决能源危机和城市交通拥堵等问题。电动车作为国家“十二五规划”重点发展的节能环保项目，获得了广泛应用和发展。无刷直流电机用电子换向装置取代了普通直流电动机的机械换向装置，消除了普通直流电机在换向过程中存在的换向火花，电刷磨损，维护量大，电磁干扰等问题，成为了电动车驱动电机的主流选择。本文将采用基于空间电压矢量脉宽调制技术（SVPWM）的正弦波驱动无刷直流电机的方法来解决方波控制下的无刷直流电机启动抖动明显，动矩脉动大，噪声大等问题。控制系统实现了永磁无刷直流电机在不同负载下低转矩纹波，运动平滑，噪音小，启动迅速，效率高的运行效果。 本文主要研究内容如下： 1.对永磁无刷直流电机数学模型与矢量控制工作原理分析，首先对永磁无刷直流电机本体及数学模型分析，接着对矢量控制坐标变换和空间电压矢量脉宽调制技术的原理和实现进行分析。 2.电动汽车用永磁无刷直流电机矢量控制系统实现，首先分析电动汽车用永磁无刷直流电机矢量控制系统结构，最后将电动汽车用永磁无刷直流电机矢量控制系统用Matlab/Simulink仿真。 关键词：电动汽车，无刷直流电机，矢量控制，SVPWM，Simulink
ABSTRACT Electric Vehicle has no pollution and it can supply with diversify energy sources.Also it’s energy efficient is high.These advantages can solve the problems of global energy crisis increasing and city’s traffic jam. Electric Vehicle is widely developed and applied which is called as a national ‘five years plan’focused on development of energy conservation and environment protection projects.The brushless DC motor with electronic commutator which replaces the normal DC motor mechanical switchback unit emerged,and it eliminates a few problems such as commutation sparks,brush wear,a large amount of maintenance,electromagnetic interference and so on,becoming the mainstream selection of the Electric Vehicle drive motor selection. The paper adopted the sinusoidal current drive based on space vector pulse with modulation(SVPWM) method was proposed to solve the problems of start shaking ,large torque ripple and loud noise of brushless direct current motor under the control of square-wave.The control system enabled BLDCM with different load operating in the condition of the low torque ripple smooth rotation ,low noise and high efficiency . The main studies were as follows: (1)Analyzing the mathematical model of BLDCM and the principle of the vector control.firstly,to analyze the ontology of the BLDCM and mathematical model,then analyze the vector control coordinate transformation and theory of space vector pulse width modulation. (2)Electric vehicles with a permanent magnet brushless dc motor vector control system implementation. Firstly analyze the electric car with a permanent magnet brushless dc motor vector control system structure, finally to the electric car with permanent magnet brushless dc motor vector control system with Matlab/Simulink.