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.
KEY WORDS: Electric Vehicle,BLDCM,Vector control,SVPWM,Simulink
第一章绪论 (5)
1.1 课题研究的背景和意义 (5)
第二章无刷直流电机的工作原理以及数学模型 (9)
4.4 SVPWM的具体实现方法 (36)
4.3.1 电压空间矢量的空间位置 (37)
4.3.2 电压空间矢量的合成 (37)
第一章绪论
1.1 课题研究的背景和意义
燃油汽车在经过了一百多年的发展之后已经非常成熟丁，它使用方便、价格低廉，性能良好。但随着燃油汽车的发展，汽车尾气的污染问题越来越严重。日前，全世界拥有各类汽车约5亿辆，年消耗燃油约7亿吨，排放的有害物质超过2亿吨，约占空气污染总量的61％。燃油汽车使用的燃料来自于石油，而石油足有限的不可再生资源，作为全世界重要的化工资源的石油被世界各国在汽车上大量地消耗，据近
年的有关石油的国际会议估计，全世界探明的石油储量在未来50年内即可用完。调查显示，截止2013年底，我国年机动车保有量接近3亿辆，与1980年相比增加了近30倍。随着机动车保有量的快速增加。机动车尾气排放污染物对空气的影响越来越严重，给区域和城市的环境带来巨大的压力。另一方面，城市交通拥堵问题己成为阻碍我国许多城市发展的重要问题。据调查，全国几乎所有城市汽车保有量都在不断增加，大量的机动车导致中心城区车流高峰期越演越烈，给城市居民出行带来严重不便，大、中型城市这种现象犹为脱出，严重的甚至导致大面积交通堵塞，交通事故频发。长期以往，必将影响城市经济发展和生活水平的提高。而随着农村城镇化步伐的加快，老百姓对交通工具的需求也与日剧增。电动汽车具有清洁无污染、能量来源多样化、能量效率高的特点：同时电动汽车在改善交通安全以及道路使用等问题上，又便于实现智能化的管理。固此，电动
汽车已成为世界各国的研究热点。我国的汽车工业的发展与世界其他国家相距甚远，
电动汽车的开发为我国在新的起点上赶上世界先进水平提供了一个不可多得的
大好
时机。电动汽车的研制也有利于促进高科技的发展、新兴丁业的兴起以及经济的发
展。因此，电动汽车的研制对我国具有特别重要的意义。
随着能源危机和城市交通拥挤的加剧，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。在上述形势下，发展电动车辆是必然趋势，也是符合绿色、低碳、可持续发展的客观需求。项目提出的目标是：要提高我国电动汽车及相关领域的技术创新能力，培育一支具有汽车产品自主开发能力的队伍，并充分利用社会各方面的科技资源，在国际竞争中抢占新一代汽车技术制高点，促进我国汽车工业实现跨越式发展。
永磁无刷直流电机以其结构简单、可靠性高、效率高、体积小、重量轻等优点被广泛应用于车用电机驱动系统中。电动车用电机驱动控制系统技术的优良直接影响着整车的安全性、舒适性、环保性和经济性。因此研究更加可靠舒适、环境友好、经济的电动车用电机驱动系统势在必行。
1.2 永磁无刷直流电机发展与现状
1955年美国D．H枷son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。1964年，它被美国航空航天局应用于卫星姿态控制、太阳能电池板的跟踪控制等领域。1978年，当时的M籼esmaIlIl公司MAC经典无刷直流电动机及其驱动系统问世，电子换相式无刷直流电机进入实际应用阶段。一直以来，各国学者对无刷直流电动机本体进行了深入的研究，先后成功研制方波直流永磁无刷电机和正弦波直流永磁无刷电机(被称为新一代的永磁同步电机)。由于电机的永磁体、电机控制技术、电力电子技术尤其是功率开关器件的技术进步，永磁无刷直流电机的发展日新月异。50年来，它被逐步推广到军工装备、工业、民用控制等领域，现已成为最具发展前途的电机产品。近三十年，特别是改革开放以后，由于出口和内需的拉动，以及外资企业的进入和国内企业的高速发展，我国对永磁无刷直流电机技术的研究也紧跟时代的脚步。自从上个世纪80年代初开始，国家科研院所、企业研发部门及部分高校的科研工作者就开始对永磁无刷直流电机及其驱动技术进行了深入的研究。随着改革开放以来工业生产及民用设备对无刷直流电机需求逐渐增加，其控制技术也得到了快速发展，相关产业也已经成型。
永磁无刷直流电机采用永磁转子，其转子磁钢结构经过专门的磁路设计，使电机可以获得梯形波的气隙磁场。电机不采用机械式换向器和电刷，而是采用由固态逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器。位置传感器用来检测转予在运动过程中的位置，并将位置信号转换为电信号，保证各相绕组的正确换流。永磁
无刷直流电动机在工作时，直接将方波电流输入永磁无刷直流电动机的定子中，控制永磁无刷直流电动机运转。永磁无刷直流电动机的优点是效率高，起动转矩大，过载能力强，高速操作性能好，无电刷，结构简单牢固，免维护或少维护，体积小质量轻，但会产生转矩脉动，电流损耗大，工作噪声大。
电动车的大量使用极大带动永磁无刷直流电机的发展，同时，也对永磁无刷直流电机驱动控制技术提出了更高的要求。对比一般工业及民用家电用永磁无刷直流电机的控制技术，电动车用永磁无刷直流电机的驱动控制技术难度更大，对运行安全性、驾驶舒适性、运行效率要求都更高。基于这些要求，国内、外相关科研单位及企业对应用于电动车领域的永磁无刷直流电机驱动控制技术进行了深入的研究，在传统方波控制技术中加入改进的PI调节控制、模糊控制及滑模变结构控制等先进技术。
1.3 矢量控制策略概述
矢量控制理论以及基于磁场定向控制技术的交流调速系统已经在工业界得到广泛的应用。对电机的控制其实就是对电机转矩的控制，无刷直流电机磁场定向控制通过对交直轴电流分别控制实现对电机转矩的间接控制。 20 世纪 30 年代以来，交流电机理论在同步电机双反应原理、旋转坐标变换等理论基础上逐步形成了交流电机的 Park 方程，而后又由布朗进一步建立了电机的同一理论，从理论上证明了交流电机与直流电机的同一性。在这些理论研究基础之上，1971 年德国西门子公司F．Blaschke 等与美国 P．C．Custman 等几乎同时提出了交流电机磁场定向控制的原理，经过不断的研究与实践，形成了现在获得广泛应用的矢量控制系统。矢量控制系统是通过坐标变换，把交流电机在按照磁链定向的旋转坐标系上等效成直流电机，从而模仿直流电机进行控制，使交流电机的调速性能达到或超过直流电机的性能。1972 年德国西门子公司的 Bayer继 F．Blaschke 的异步电机磁场定向控制原理发表之后，提出了同步电机磁场定向控制原理。矢量控制系统的优点是有良好的转矩响应，精确的速度控制，零速时可以实现全负载。矢量控制基本思想是在普通交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制方式，通过电动机外部的控制系统，实现对电枢磁动势和励磁磁场进行空间定向控制，即控制两者的空间电角度。若电枢电流矢量的幅值也能控制，就可以获得与直流电动机同样的调速性能。矢量控制是以永磁同步电动机在不同坐标系下的数学模型为基础，将原来数学模型经过一系列矢量变换(3S/2S 变换、2S/2R 变换)，变换到与同步坐标系统等效的正交两相坐标系中，通过对相关矢量(电流、磁链)在该坐标系统中各分量的独立控制，得出此时的控制指令值，再经逆变换计算得到系统控制量(电流、电压) 在三相坐标系中的大小，实现快速高效的调速控制。矢量控制的目的是改善转矩控制性能，其最终实施则落到对定子三相电流的控制上。由于定子侧的各个物理量（电流、电压、磁动势、电动势等）都是交流量，
其空间矢量以相同转速同步旋转，直接对其控制、调节和计算都很不方便，因此，要借助坐标变换将定子侧的各个物理量从三相静止坐标系变换到同步旋转坐标系中。从同步旋转坐标系看，电机各空间矢量就变成了直流矢量，继而根据转矩公式在同步旋转坐标系中的形式，找到被控矢量（电压或者电流）各个分量和转矩之间的关系，就可以实时地计算出转矩控制所需要的被控矢量的各个分量值。控制系统按照这些分量值进行实时地控制，就能使交流电动机得到像直流电动机一样的控制性能。但由于这些分量值是在同步旋转坐标系下的，而不是实际存在的物理量因此，还须要经过坐标逆变换，将其从同步旋转坐标系变换到三相静止坐标系中，变换成系统可以实际操作的数据（电压矢量或电流矢量），在三相静止坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。进入 21 世纪，对矢量控制理论的研究仍在继续，德日美三国走在世界前列。日本在研究无速度传感器方面较为先进，主要体现在结合了通用变频器的应用方面；美国则是对电动机参数的识别进行了深入地研究，并且将模糊控制、神经网络控制等一些智能控制技术应用其中；而德国则致力于大功率系统中矢量控制方法的应用，西门子公司已经开始在交流传动电力机车等兆瓦级功率场合应用矢量控制技术。无速度传感器控制系统的出现，神经网络控制、模糊控制理论在电动机调速控制系统中的应用，以及大功率交流传动系统中矢量控制方法的成功应用，将矢量控制推向新的高度。日本学者 Yamamura，Nabae 等人借鉴了矢量控制的思想和方法，应用稳态转差频率得出转子磁场位置的方法，提出了转差量控制方法。该理论出发点是异步电机的转矩主要由电机的转差频率来决定。它以定子电流和频率为控制量，保持电动机的旋转磁场大小不变，而改变磁场的旋转速度，从而实现电动机转矩的实时控制。根据控制目标的不同，定子直交轴电流的具体控制方法可分为如下几类：id = 0 控制、最大转矩电流比控制、恒磁链控制、最大输出功率控制等。根据不同的控制对象，采用不同的电流控制模式，但在本质上存在着共同点：通过电流环来实现电机转矩的间接控制。
1.4 论文研究内容及章节安排
本文主要以电动车用无刷直流电机矢量控制技术实现展开研究，用Matlab/Simulink实现模拟仿真。主要内容及章节安排如下：
第一章为绪论。主要介绍课题研究背景及意义，介绍了无刷直流电机的发展历史及现状，对矢量控制进行了简介。
第二章为无刷直流电机的工作原理与数学模型，介绍了无刷直流电机的工作原理，并且推导了无刷直流电机的电压、转矩和运动方程。
第三章为矢量控制坐标变换，主要对矢量控制理论及其数学推导、坐标变换进行了分析和研究。
第四章、第五章为无刷直流电机矢量控制系统及仿真实验，根据前几章对理论
的研究，结合推导的数学方程，建立 MATLAB/SIMULINK 仿真模型，得出仿真结果，根据结果验证控制理论并对结果进行说明分析。
第六章为全文的总结与展望。
第二章无刷直流电机的工作原理以及数学模型
2.1 无刷直流电机结构
无刷直流电机由电动机主体，控制器和转子传感器组成，是一种典型的机电一体化产品。其框图如图：
图2.1 无刷直流电机的构成框图
2.1.1 电动机主体
直流无刷电机的电机本体的主要特点是采用永磁转子，转子磁钢由稀土永磁
材料构成，具有较强的矫顽力和高密度的剩余磁通；另一方面，稀土永磁材料的磁导率接近空气，对电机直、交轴磁阻均较大，可以减小电枢反应；而定子结构则于交流感应电动机的相似，都是采用三相或二相绕组；直流无刷电机的电机本体通常采用整距叠绕组制作定子绕组，针对极对数较多的情况，采用分数槽绕组方式。单一绕组的转矩波动比较大，但是用户一般对无刷电机的转矩要求较高，通常为了获得较为平稳的转矩而采用多相绕组结构。转子由永久性磁材按一定偶数对的极对数组成，其结构有很多种，常用的有永磁环直接套在转轴上、在导磁铁心里嵌上永磁体等。
2.1.2 控制器
控制器的功能是完成电子换向功能，由功率逻辑开关电源和位置传感器信号处理单元组成，将检测到的位置信号进行处理，按照一定的逻辑顺序去触发功率开关器件，使电动机本体产生持续不断的转矩。功率逻辑开关模块是电机控制系统的核心，其功能是将电源所提供的电能按照一定的逻辑关系分配给无刷直流电机定子上的各相绕组，从而使电动机产生连续的转矩。速度和电流信号采集、处理模块所输出的信号决定各相绕组导通的顺序和通断时间。
2.1.3 位置传感器
转子位置传感器主要是通过检测实际的转子磁极位置为控制器提供正确的换
向
信息。转子位置传感器主要是通过检测实际的转子磁极位置为控制器提供正确的换向
信息。常用的位置传感器有光电式、电磁式和磁敏式三种；
(1)磁敏式位置传感器
控制系统中所用的霍尔位置传感器是一种磁敏式位置传感器，它是利用霍尔效应制成的一种半导体器件，该传感器安置于外磁场中，在通电的情况下即可产生霍尔效应输出霍尔电势信号；如果没有外部磁场的作用，该传感器也不能发挥作用。
霍尔位置传感器体积较小、制造结构简单、可靠性较高、价格相对比较低，
但是其抗干扰能力较差，受工作环境的温度影响比较大，因此，该传感器一般应用于对性能要求不高和环境适宜的场合。
(2)光电式位置传感器
光电式位置传感器由光电耦合开关和遮光板组成，其中，光电耦合开关沿圆周均匀分布，并且固定在定子上。每只光电耦合开关都是有红外发光二极管以及
光敏三极管组成，并且它们相互对称：在两者之问安装了带有窗口的遮光盘，这种盘上的窗口都有一定的角度。
这种位置传感器具有抗干扰能力强、轻巧便于安装、调整更换较为方便等优点，
其缺点为对环境要求高、输出信号需处理。
(3)电磁式位置传感器
电磁式位置传感器由定子和跟踪转子两部分组成，定子一般用硅钢片或者用高频铁氧体材料压铸而成，一般有磁芯、高频激磁输入绕组和输出绕组三部分组成；跟踪转子的外观为一圆柱体，其由非导磁材料制作而成，一般有扇状形式的磁芯和不具有导磁性质的衬套两部分组成。
这种传感器输出的信号比较强、工作性能相对可靠、具有较长的使用寿命长、对于应用环境场合要求不高、具有较强的适应性、物理结构紧凑可承受较大的振动冲击等；但是，这种传感器信噪比较低、体积较大，同时其输出波形为交流，一般需经整流、滤波后才可以使用，因而限制该传感器的使用范围。
2.2 无刷直流电机工作原理
无刷直流电机的工作原理以图 2-2 和图 2-3 所示为例说明。
图2.2 永磁无刷直流电机系统图
图2.3 无刷直流电机工作原理示意图
图 2-2 中 BLDCM 表示三相两极无刷直流电机本体，PS 为转子位置传感器，其
与电机转轴一同旋转，主电路采用三相逆变桥供电，由 V1-V6 六个功率开关器件与
A、B、C 三相绕组连接。通过检测转子的位置，经控制电路对转子信号进行逻辑变
换后产生脉宽调制 PWM 信号，驱动电路对 PWM 信号的放大后控制开关器件的开通
与关断让各相绕组按照一定顺序通电，从而保证电机连续旋转。下面以两相导通三
相星形六状态无刷直流电机为例说明其工作原理。
如图 2-3（a）所示，通过转子位置传感器感应出转子的位置信号，经控制逻辑变换后驱动逆变器的开关器件 V1 和 V6 导通，此时绕组 AB 通电，而且为 A 进 B 出，
经右手螺旋定则可判定电枢绕组在空间的合成磁势 Fa 如图中所示。定子磁势Fa 与
转子磁势 Ff的相互作用，拖动转子以顺时针方向进行旋转。该过程中电流的流经的途径为：E+→V1 管→A 相绕组→B 相绕组→V6 管→E-。当转子转过 60°电角度时，到达的位置如图 2-3（b）所示。由于转子位置的不同导致驱动的开关器件也不同，此时导通的开关器件为 V1 和 V2，与 V1 和 V2 连接的AC 两相绕组通电，A 进 C 出，电枢绕组合成的气隙磁势 Fa 如图中所示。定子磁势Fa 与转子磁势 Ff的相互作用继续拖动转子以顺时针方向进行旋转。该过程中电流的流经的途径为：E+→V1 管→A 相绕组→C 相绕组→V2 管→E-。为使转子
磁场始终受定子合成磁场的牵引并按顺时针方向连续旋转，转子每当转过 60°电角度时，逆变器 中 的 开 关 器 件 要 轮 换 导 通 ， 其 导 通 的 逻 辑 为 V2V3 →V3V4→V4V5→V5V6→V1V6→V1V2……，依次循环。
2.3 无刷直流电机的基本方程
理想的无刷直流电机反电动势是梯形波，本文在静止的 A-B-C 三相坐标系上以两相导通星形三相六状态为例，在分析无刷直流电机工作原理的基础上建立了它的动态数学模型。为了简化模型便于分析，在不影响分析结果的前提下，特做出下面的假定条件：
（1）假定气隙磁场是理想状态下按照平顶部分为 120°电角度梯形波分布的。
（2）假定磁路不饱和，不计涡流损耗和磁滞损耗。
（3）忽略齿槽效应和电枢反应。
（4）逆变电路中功率开关管以及续流二极管都有理想开关特性。
（5）三相绕组的参数都对称。
则根据无刷直流电机的特性，可得到如下电压、转矩和运动状态方程。
（1）电压方程
根据电机学原理，绕组可等效为纯电阻和纯电感的串联，故电机绕组上的电 压是电阻压降和电感感应电动势之和，任意绕组的电压方程为：
x x x x
e i R u += （2.1） 其中，
x u ——相绕组电压；
x R ——每相绕组的电阻；
x i ——流过绕组的电流；
x e ——每相绕组的感应电动势，其中dt d e x ψ=
； x ψ ——每相绕组的磁链。
每相绕组的磁链包括自身电流产生磁通交链的磁链、其他相电流产生磁通交链 的磁链和永磁体磁通交链的磁链三部分。以 A 相绕组磁链为例，其表达式为： )
(θpm AC B AB A A A M i M i L ψ+++=ψ
（2.2）
将式（2.2）带入式（2.1）得
))((θpm C AB A A A A i M i L dt
d Ri u ψ+++= A C AC B AB A A A
e i M i M i L dt
d Ri ++++=)( 则电机的电压方程为：
??????????+????????????????????+????????????????????=??????????c b a c b a c cb ca bc b ba
ac ab a c b a c b a c b a e e e i i i p L M M M L M M M L i i i R R R u u u 000000
（2.3） 式中 M 表示两相绕组之间的互感（x 、y 代表 A 、B 、C ），p 为微分算子dt d
p =。由假设可以得到c b a c b a L L L R R R ====;；互感均相等为 M 。由于电机绕组是采用 Y 型接法，所以按照基尔霍夫电流定律可以得到0=++c b a i i i ；由于三相绕组为星形连接，且没有中线，所以有： 0=++c b a
Mi Mi Mi
（2.4）
综上所述，再将式（2.4）带入（2.3）得无刷直流电机的电压方程式（2.5）： ????
??????+????????????????????---+????????????????????=??????????c b a c b a c b a c b a e e e i i i p M L M L M L i i i r r r u u u 000000000000
（2.5）
（2）转矩方程 电源提供的功率，主要部分通过气隙转换为机械能，其他部分作为损耗功率消 耗在了功率开关器件上和电机的铜耗、铁耗上。由电机学的知识可知： Ω=++=e C C B B A A e T i e i e i e P
（2.6）
ω
C C B B A A C C B B A A e i e i e i e p i e i e i e T ++=Ω++=
（2.7）
其中Pe ——电磁功率；
Te ——电磁转矩； ω——电气角速度；
Ω——机械角速度；
P ——电机极对数。
无刷直流电机的逆变模块采用两两导通的工作方式，任意时刻只有两相绕组导通存在电流，其余绕组关断，电流为零。而被导通的两相绕组上电流方向和反电动势（依次记作 i ，E ）大小数量上相等，方向相反，所以电机的电子转矩也可以表示成式子（2.8） Ω=Ei
T e 2 （2.8）
（3）运动方程
无刷直流电机的运动方程为：
dt
d J T T L
e Ω=-
（2.9）
式中 J 为转子转动惯量（kg ·m2）,dt
d Ω为转子角加速度（rad/s2），L T 为负载转矩（N ·m ）。 一般在实际工程应用中，通常采用转速 n 代替机械角速度Ω来表示转子速度，用飞轮惯量 2GD 代替转动惯量 J 表示机械惯性，换算方法式子（2.9）和（2.10）所示：
602n π=Ω
（2.10） g GD mp J 422==
（2.11）
其中m 是电机转动部分质量（Kg ），G 为转动部分的重力（N ），ρ为系统转动惯量半径（m ），D 为转动惯性半径（m ），g 为重力加速度（9.8m/s2）。将式子（2.10）和（2.11）
代入（2.8）式子中得到：
dt
dn GD T T L e ?=-3752
（2.12）
第三章矢量控制坐标变换
3.1 坐标变换
从一种坐标系转换到另一种坐标系的变换称为坐标变换。坐标变换有很多种类，在研究矢量控制时有3种坐标系，一般称作静止三相ABC坐标系、静止的两相αβ坐标系和旋转两相dq坐标系；将静止的三相到静止的两相变换称为3s/2s 变换（Clarke变换），反之，则成为2s/3s变换；将静止的两相到旋转的两相的变换简称为2s/2r变换（park变换又称旋转变换），反之，则称为2r/2s变换。3.1.1 坐标变换的原则
由机电能量转换的基本原理可知，电动机内气隙磁场是进行能量转换的媒介，由定子侧输入的能量正是通过气隙磁场传递到转子的。在进行坐标变换时，只要能使变换前后产生的气隙基波合成磁动势不变（幅值和空间相位相同），两者就是等效的。因此，磁动势不变是不同坐标系间进行变换的一项基本原则。
3.1.2 坐标变换的基本思路
矢量变换控制方法中，两相旋转坐标系的d轴与转子磁链轴线重合，为励磁轴，q轴为转矩轴。转子磁场在q轴分量为零，在磁场恒定且d轴电流分量为0的情况下，电磁转矩与q轴电流分量成正比，此时感应电机的机械特性与他励直流电机的机械特性完全一样，实现了磁场和转矩的解耦控制。由于d轴与转子磁链轴线重合，因此也可称之为转子磁场定向控制。在三相静止坐标系上，永磁无刷直流电机的数学模型是一个多变量、非线性、强耦合的复杂模型。矢量变换控制技术就是利用从静止坐标系到旋转坐标系的变换，实现了定子电流的解耦，将定子
电流分解为励磁分量和转矩分量，从而使永磁无刷直流电机能像直流电机那样分别对磁通和转矩进行独立控制。总之，矢量坐标变化实现了交流矢量和直流矢量之间的等效变换。
调速的关键问题是转矩控制，直流电动机调速性能好的根本原因就在于其转矩易于控制。直流电动机的转矩表达式是i C T T e ?=φ，式中e T 为电磁转矩，T C 为转矩系数，i 为电枢电流，φ为磁通。由转矩表达式可知，磁通φ和电枢电流i 分别由励磁绕组和电枢绕组控制，两者相互独立。如果忽略了磁饱和效应以及电枢反应，电枢绕组产生的磁场与励磁绕组产生的磁场是相互正交的，于是可以简单地说磁通φ和电枢电流i 是正交的。
在同步旋转坐标系上，转矩控制复杂性得到了根本解决。永磁无刷直流电机的物理模型可以等效变换成类似直流电机模型，分析和控制就可以大大简化，而这些都是基于坐标变换实现的。
如图 3.1(a)所示为通入电流的无刷直流电机三相对称定子绕组 A 、B 、C 产生了合成磁动势 F ，合成磁动势在三相坐标系中按着 A-B-C 逆向旋转。图 3.1(b)描绘的是两相静止绕组α、β，它们空间角度相差 90°，产生的合成旋转磁动势为 F ，当图 3.1(a)和图 3.1(b)中的两个旋转磁动势以相同的角速度和大小旋转时，可以看成图中(a)、(b)两个绕组等效。类似的在图 3.1(c)中有两个互相垂直的绕组d 和q ，它们的匝数相等，分别通电流 id 和 iq,产生合成磁动势 F ，合成磁势的位置相对 d 、q 坐标系来说是静止的。假如我们将其以和图(a)、(b)中合成磁动势大小和旋转方向一致。那么图 3.1(c)和(a)、(b)两个绕组就都等效了。如果我们站在铁芯上和绕组一起旋转，按照相对运动的原理，d 和q 是两个通入直流而相互垂直的静止绕组。更进一步如果磁通方向是固定在d 轴上，那这个模型基本上就等效于直流电动机物理模型。此时在这个坐标系中，绕组d 就是前文中提到普通直流电动机的励磁绕组，绕组 就是普通直流电动机的电枢绕组。这就说明了通过一定的数学变换能够把无刷直流电机模型变换成普通直流电机模型，所以需要解决的问题就变成了如何求出 ia 、ib 、ic 和 以及id 与iq 之间的等效变换矩阵，而这就是坐标变换的任务。
（a) (b) (c)
图3.1 等效电机模型
（a)三相交流绕组（b)两相静止交流绕组（c)旋转直流绕组
3.1.3 三相静止坐标系和两相静止坐标系间变换
三相静止ABC 坐标系向两相静止αβ坐标系变换，称之为 3/2 变换。图3.2中描绘了三相ABC 和两相αβ坐标系，为了方便分析，取A轴和α轴方向一致并且相互重合假设三相绕组每相的匝数N3，两相绕组每相有效匝数N2，每相的磁动势等于各自相电流乘以对应的匝数，他们的空间矢量都与各相的坐标轴相重合。
由于在坐标变换的过程中，磁动势保持不变，所以两个坐标系中各自的磁动势在α、β轴上的分量对应相等，所以有式子（3.1）和（3.2），将它们写成矩阵形式，得到式子（3.3)
图3.2 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量
)2121(60cos 60cos 33332C B A o
c o B A i i i N i N i N i N i N --=--=α
（3.1）
)(2360sin 60sin 33032C B o
C B i i N i N i N i N -=-=β
（ 3.2） ??????????????????????---=??????C B A i i i N N i i 232302121123βα （3.3）
两相电动机的相电压、相电流有效值为三相电动机相电压、相电流有效值的3/2倍，因此两相电动机没想功率增加为三相电动机每相功率的3/2倍，但相数由三相变为两相，电动机功率不变同时，可以证明： 3
223=N N
（3.4）
代入式子（3.4）中可以得到式子（3.5）：
??????????????????????---=
??
????C B A i i i i i 232302121132βα （3.5）
XX职业技术学院 毕业项目 2011 届 项目类别：毕业设计_________ _ _____ 项目名称：单片机直流电机调速系统的设计 专业名称：机电一体化 姓名：XXX 班级：08机电3班 指导教师：XX 2011年X月X日 目录 摘要 (3) Abstract (4) 一、总体设计概述 (5) (一)总体硬件电路设计 (5) (二)系统总体设计框图 (5) (三)8051单片机简介 (6) 二、PWM信号发生电路设计 (8) (一)PWM的基本原理 (8) (二)PWM信号发生电路设计 (8) (三)PWM发生电路主要芯片的工作原理 (10) 三、功率放大驱动电路设计..................................................................,11 (一)芯片IR2110性能及特点 (11) (二)IR2110的引脚图以及功能 (11)
四、主电路设计 (12) (一)延时保护电路 (12) (二)主电路 (12) (三)输出电压波形 (13) (四)系统总体电路图 (14) 五、测速发电机 (16) 六、滤波电路 (17) 七、A/D转换 (18) (一)芯片选型 (18) (二)ADC0809的引脚及其功能 (18) 八、系统软件部分的设计 (19) (一)PI 转速调节器原理图及参数计算...............................................................,. (19) (二)系统中的部分程序设计 (19) (三)主程序设计 (19) (四)PI控制算法子程序设计 (20) 九、系统调试 (22) (一)软件调试 (22) (二)系统仿真 (22) 十、论 (23) 致谢 (24) 参考文献 (25) 摘要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯片IR2110作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。 关键词：PWM信号;测速发电机;PI运算 Abstract
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。
河南科技大学 2009 届本科毕业论文 论文题目：基于单片机的直流电机调速系统设计 学生姓名： 所在院系：信息工程学院 所学专业：计算机科学与技术 导师姓名： 完成时间：2009-05-22
摘要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯片IR2110作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D 转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。 关键词：PWM信号，测速发电机，PI运算 1
The Design of Direct Current Motor speed Regulation System Based On SCM Chenli School of Information and Engineering Abstract This article mainly introduces the method to generate the PWM signal by using MCS-51 single-chip computer to control the speed of a D.C. motor. It also clarifies the principles of PWM and the way to adjust the duty cycle of PWM signal. In addition, IR2110 has been used as an actuating device of the power amplifier circuit which controls the speed of rotation o f D.C. motor. What’s more, tachogenerator is used in this system to measure the speed of D.C. motor. The result of the measurement is sent to A/D converter after passing the filtering circuit, and finally the feedback single is stored in the single-chip computer and participates in a PI calculation. As for the software, this article introduces in detail the idea of the programming and how to make it. Key words:PWM signal，tachogenerator，PI calculation 2
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
直流无刷电机驱动技术的研究 摘要 随着现代电力电子技术的发展和永磁材料性能的不断提高，无刷直流电动机的系统在高性能运动控制领域越来越受到重视。无刷直流电动机既具有直流电动机运行效率高、调速性能好、无励磁损耗等诸多特点，又具备交流电动机的运行可靠、结构简单、维护方便等一系列优点，在国民经济各个领域的应用日益普及。 本文在对无刷直流电动机控制系统的发展及应用综述的基础上，详细的介绍了无刷直流电动机的基本结构、工作原理和运行特性，并给出了其数学模型。简述了无刷直流电动机的控制策略，并分析了无位置传感器控制技术的原理和方法。然后对无刷直流电动机双闭环控制系统的硬、软件设计作了详细论述。系统以 TI 公司的 TMS320LF2407 芯片为控制核心，分析了 PWM 信号的产生分配情况，给出反电动势过零点、速度及电流等检测电路设计，并以 IR2130 作为驱动芯片设计了无刷直流电动机的驱动电路，采用三段式起动方式来起动电动机。系统的软件采用模块化设计方法，主要包括初始化程序、起动子程序、换相子程序、ADC 中断服务程序等。最后运用 SIMULINK 建立了无刷直流电动机控制系统的仿真模型，并对给定实例进行仿真。 本论文所述无刷直流电动机控制系统的设计方案，可以获得良好的速度控制性能，而且 DSP 技术不仅使系统获得了高精度，高可靠性，还简化了系统结构。： 关键词：无刷直流电动机 PWM 控制无位置传感器仿真
Abstract With the development of power electronics technology and ceaseless advance of permanent magnet material, Brushless DC motor (BLDCM) is more and more attention in the field of control. BLDCM widely used in the various fields of the national economy because this motor not only loss etc. but also motor for reliable operation, simple structure and easy maintenance etc. On the basis of the summary for developments and applications of BLDCM control system,the thesis introduces the structure, running principle, operational characteristics and mathematical model of BLDCM. It outlines BLDCM control strategy, and discusses the principles and methods of the control technology with no position sensor detection. Then the of the double closed loop control system is dissertated in detail.The controller of the of PWM signals and designs the circuit of BEMF-zero-crossing, velocity and current detection. This system chooses syllogism jump-start motor. Besides, the drive circuit of the BLDCM is designed with IR2130. System software is modular in design methods, Including initialization, starting, commutation subroutine, ADC interrupt service procedures. Finally, it established a BLDCM control system simulation model by SIMULINK, and simulate to the case model.
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
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
无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。本质上，无刷直流电机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。 通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制方式。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念，无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频，从电机理论上讲，无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似，应该归类为交流永磁同步伺服电机；但习惯上被归类为直流电机，因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看，称之为“无刷直流电机”也算是合适的。 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波， 逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。 本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制 策略。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。 最后纠正一个概念，“直流变频”实际上是交流变频，只不过控制对象通常称之为“无刷直流电机”。 仅对电机结构而言，二者确实相差不大，个人认为二者的区别主要在于： 1 概念上的区别。无刷直流电机指的是一个系统，准确地说应该叫“无刷直流电机系统”，它强调的是电机和控制器的一体化设计，是一个整体，相互的依存度非常高，电机和控制器不能独立地存在并独立工作，考核的也是他们整体的技术性能。而交流永磁同步电机指的是一台电机，强调的是电机本身就是一台独立的设备，它可以离开控制器或变频器而独立地存在独立地工作。 2 从设计和性能角度上看，“无刷直流电机系统”设计时主要考虑将普通的机械换向变为电子换向后如何还能保持机械换向电机的优点，考核的重点也是系统的直流电机特性，如调速特性等；而交流永磁同步电机设计主要着重电机本身的性能，特别是交流电机的性能，如电压的波形、电机的功率因数、效率功角特性等。 3 从反电势波形看，无刷直流电机多为方波，而交流永磁同步电机反电势波形多为正弦波。 4 从控制角度看无刷直流电机系统基本不用什么算法，只是依据转子位置考虑给那个绕组通电流即可，而交流永磁同步电机如果需要变频调速则需要一定的算法，需要考虑电枢电流的无功和有功等。
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
毕业设计（论文） 题目:无刷电机驱动的电动自行车 的控制系统设计 专业:数控技术 班级: 学号: 姓名: 指导老师:
摘要 近年来，燃油交通工具因尾气排放问题已造成城市空气的严重污染。于是发展绿色交通工具已经成为一个重要的课题。考虑到我国的国情，发展电动自行车具有重要的环保意义。随着电机技术及功率器件性能的不断提高，电动自行车的控制器发展迅速。本文设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33033为控制芯片，以功率器件MOSFET为开关器件驱动电机，实现对无刷直流电机的控制。设计出了电路原理图、印制板电路图和电路板实物的3维效果图。 关键词：无刷直流电机MC33033 原理图印制板电路图
Abstract In recent years, transportation fuel emission problem has been caused by urban air pollution levels. So the development of green transport has become an important issue. Taking into account China's national conditions, development of electric bicycles has important environmental significance. With the motor technology and continuously improve the performance of power devices, the rapid development of electric bicycle controller. This design uses a brushless DC motor for the control of dedicated control chip MC33033 chip, in order to power MOSFET devices as the switching device drive motor, to achieve control of the electric bike. Design a circuit diagram, PCB circuit diagrams and circuit board real 3-D renderings. Keywords：brushless DC motor MC33033 Schematic PCB circuit
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
直流无刷电动机研发设计毕业论文 目录 中文摘要 (Ⅰ) Abstract (Ⅱ) 第一章绪论 (1) 1.1 课题的背景及研究意义 (1) 1.2 直流无刷电机控制系统的研究 (3) 1.3 PCI总线的应用 (7) 1.4 课题研究的主要容 (9) 1.5 论文的组织结构 (10) 第二章直流无刷电机控制原理 (11) 2.1 无刷直流电机的结构 (11) 2.2 无刷直流电机工作原理 (13) 2.3 无刷直流电机PID调速原理 (17) 第三章系统硬件设计 (21) 3.1 PCI运动卡控制电机的实现方法 (21) 3.2 硬件总体设计思想 (22) 3.3 数据采集卡及接线端子板 (23) 3.4 直流电机及其驱动器 (25)
3.4硬件连线示意图 (27) 第四章系统软件设计 (28) 4.1 软件总体设计思想 (28) 4.2 图形化编程软件LabVIEW简介 (29) 4.3 PCI控制卡的各子程序设计 (30) 4.3.1 转速控制程序 (30) 4.3.2 转速检测程序 (36) 4.3.3 PID控制程序 (40) 4.4 总程序框图 (41) 第五章实验与结论 (43) 5.1 硬件的安装与测试 (43) 5.2 软件测试 (45) 5.2.1 转速控制程序测试 (45) 5.2.2 转速检测程序测试 (46) 5.2.3 PID程序测试 (48) 5.3 结果分析 (50) 第六章总结与展望 (52) 6.1本文工作总结 (52) 6.2 研究展望 (52) 致谢 (54) 参考文献 (55)
附录一中文翻译 (57) 附录二外文原文 (67)
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
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.