永磁无刷直流电动机控制系统的研究
摘要
无刷直流电动机是集材料科学、电力电子技术、微电子技术和电机理论等多学科为一体的机电一体化产品，在诸多领域有着广阔的应用前景。
随着大功率开关器件集成电路及高性能的磁性材料的进步，采用电子换向原理工作的永磁无刷直流电机取得了长足的发展。永磁无刷直流电机既有直流电机的结构简单，运行可靠。又具备交流电机运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，在当今国民经济的各个领域里的应用日益普及。维护方便的一系列优点
永磁无刷直流电动机发展简况
永磁无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。现阶段，虽然各种交流电动机同直流电动机在传动应用中占主导地位，但是永磁无刷直流电动机正受到普遍的关注。
自20世纪90年代以来，随着人们生活水平提高和现代化的生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具备精度高、速度快、效率高等特点，永磁无刷直流电机的应用因此而迅速增长。现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍
的关注。尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。
无刷直流电机转子采用永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，无刷直流电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如数控机床、机器人等应用中，无刷直流电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。目前无刷直流电机的应用范围已遍及国民经济的各个领域，并日趋广泛，特别是在家用电器、电动汽车、航空航天等领域已得到大量应用。
一．永磁无刷直流电动机与永磁有刷直流电动机的比较
表1-1永磁无刷直流电动机与永磁有刷直流动机的比较
二．永磁无刷直流电动机系统的组成及组成框图
2.1电机本体
无刷直流电动机最初的设计思想还是来自普通的有刷直流电动机，不同的
地方是将直流电动机的定子、转子的位置进行了互换，其转子为永磁结构，产
生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电动机的电刷以及机械换
向器被逆变器和转子位置检测器所代替。所以无刷直流电动机的电机本体实际
上就是一种永磁同步电机。由于无刷直流电动机的电机本体是永磁电机，所以
无刷直流电动机亦称为永磁无刷直流电动机。
定子的结构、普通同步电动机和感应电动机相同，铁心中嵌有着多相对称
绕组。绕组可以接成星形或三角形，并且分别与逆变器中的各开关管相连接，
三相无刷直流电动机最为常见。
2.2逆变器
目前，永磁无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控
型器件，有些主电路已经有集成的功率模块 用这些模块主要是可以提高系统的可靠性。 永磁无刷直流电动机的定子绕组的相数可以有着不同的选择，绕组的连接 方式也同样有着星形和角型之分，而逆变器又有着半桥型和全桥型两种。所以 不同的组合使得电动机产生不同的性能和成本。综合以下三个指标可以有助于 我们做出正确的选择： <1）绕组利用率。 与普通直流电动机不同，永磁无刷直流电动机的绕组是断续通电的。可以 适当地提高绕组利用率使得同时通电的导体数增加，从而电阻下降，效率提高。从这个角度来看的话，三相绕组优胜于四相和五相绕组。 <2）转矩脉动。 永磁无刷直流电动机的输出转矩脉动要比普通直流电动机的转矩脉动大。 一般是相数越多，转矩的脉动越小；采用桥式主电路会比采用非桥式主电路的 转矩脉动小。 <3）电路成本。 相数越多，逆变器电路使用的开关就管越多，成本就越高。桥式主电路所 用的开关管相比半桥式要多一倍，成本就要高；多相电动机的逆变器结构较为 复杂，成本亦高。因此，目前主要以星形连接三相桥式主电路应用最为多见。 2.3位置检测器 位置检测器的作用主要是用于检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号， 从而为逆变器提供一个正确的换相信息。位置检测方式包括有位置传感器和无 位置传感器两种检测方式。 转子位置传感器由定子和转子两部分组成，其转子同电机本体同轴，以跟 踪电机本体转子磁极的位置；其定子是固定在电机本体定子或端盖上，以便检 测和输出转子位置信号。转子位置传感器的种类主要包括磁敏式、电磁式、光 电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。 在永磁无刷直流电动机系统中安装机械式位置传感器可以解决电机转子位 置的检测问题。但是由于位置传感器的存在增加了其系统的成本和体积，降低 了系统可靠性，从而限制了永磁无刷直流电动机的应用范围，对电机的制造工 艺亦带来了不利的影响。因此，国内外对永磁无刷直流电动机在无位置运行方 式上给予了高度重视。 无机械式位置传感器转子位置检测主要是通过检测和计算同转子位置有关 的物理量来间接地获得转子位置信息，主要有反电动势的检测法、续流二极管 工作状态的检测法、定子三次谐波的检测法和瞬时电压方程法等。 2.4控制器 控制器是永磁无刷直流电动机正常运行并实现各调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能： <1）对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行 一个逻辑综合，来为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，从而实现 电机的正反转以及停车控制。 <2）产生PWM调制信号，使得电机的电压随着给定速度信号来自动变化，从 而实现电机开环调速。 <3）对电动机实行速度闭环调节和电流闭环调节，从而使得系统具有良好的 动态和静态性能。 <4）实现短路、过流、过电压和欠电压等这样的一个故障保护电路。 2.5永磁无刷直流电动机控制系统组成框图 永磁无刷直流电动机控制系统框图,如图2-1所示: 图2-1电动机驱动控制框图 <1）微控制器 其主要功能是按照电动机旋转方向的要求以及霍尔转子位置传感器的三个 输出信号，将它们处理成为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就是根据电压、电流和转速等来反馈模拟信号，以及随机发出来的制动信号，经过AD变换以及必要的运算后，借助内置的时钟 信号从而产生一个带有上述的各种信息的脉宽调制信号。 <2）功率驱动单元 主要有功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和自举电路。自举电路是有 分立器件而构成的，当然也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路。 <3）位置传感器 位置传感器在永磁无刷直流电动机中起到测定转子磁极位置的作用，同时为逻辑开关电路提供正确的换相信息。 <4）周边辅助、保护电路 主要包电流采样电路、电压比较电路、过电流保护电路、调速信号和制动信号等输入电路。 三．永磁无刷直流电动机的结构及基本工作原理 3.1永磁无刷直流电动机转矩分析 电机本体的电枢绕组是三相星型连接，其位置传感器与电机转子同轴，控制电路通过对位置信号进行逻辑变换后从而产生控制信号，控制动信号再经驱动电路隔离放大后来控制逆变器的功率开关管，从而使电机的各相绕组按照一 定的顺序工作。 图3-1 无刷直流电动机工作原理示意图 如图3-1所示，当转子旋转<顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使得T1、T6 导通，A、B两相绕组得电，电流从电源的正极流出，经过T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源负极，此时定转子磁场产生相互作用，使得电机的转子顺时针转动。 当转子在空间转过60度时，到达图b所示位置，转子位置传感器输出的信号经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使得T1、T2导通，即A、C两相绕组得电，电流从电源的正极流出，经过T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电 源的负极。此时定转子磁场产生相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。 转子在空间每转过60度时，逆变器开关就会发生一次切换，功率开关管的 导通逻辑为T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。 在此期间，转子一直受到顺时针方向的电磁转矩的作用，沿着顺时针方向连续 旋转。 转子在空间每转过60度，定子绕组就会进行一次换流，定子合成磁场的磁 状态就会发生一次跃变。所以，电机有6种磁状态，每一种状态都有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120度。永磁无刷直流电动机的这种工作方式就叫两相导通星型三相六状态，这亦是永磁无刷直流电动机最为常用的一种 工作方式。 3.2永磁无刷直流电动机与输出开关管换流信 永磁无刷直流电动机的位置是通过三个在空间上相隔120度的霍尔位置传感器进行检测，如果位于霍尔传感器位置上的磁场的极性发生变化时，那么这时 传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间 上各相差120度，因此在这三个检测元件的输出端可以获得三个在时间上互差 120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图3-2所示，以信 号A为例，A相位置宽度为180角：在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，<此时下部可供导通的管 子为T4、 T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度—120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期， 故导通的开关管为T1和T2 120度—180度时，由于每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断 理论上来说，只要保证这三个位置传感器在空间上互差120度，开关管的换流时刻是可以推算出来的。然而，将控制电路简化，每个霍尔传感器的起始安 装位置在各自相绕组的基准点 0=00）上.如是在r 0= 00的控制条件下，A相绕组开 始通电的时刻<即该相反电势相位30度位置）恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。同理可知，其他开关管的导通时刻亦可以按照此方法确定。 本次测试选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压U H =36V,电枢额定 电流I aH =8.5A,电枢峰值电流I aP 15A,额定转速n H =350r/min,额定功率P H =250W。 图3-2 永磁无刷电动机位置检测及开关管驱动信号 表3-2 永磁无刷电动机直流通电控制方式开关切换表 四．永磁无刷直流电动机的运行特性 4.1机械特性 永磁无刷直流电动机的机械特性： 22222S T a s T e e e e t U U rI U U r n T C C C C δδδ φφφ---= =- U T -开关器件的管压降 I a -电枢电流 Ce-电机的电动势常数 -每级磁通量 可见永磁无刷直流电动机的机械特性和一般直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。如4-1图所示机械特性曲线簇是在不同的供电电压驱动下绘制的。 图4-1 机械特性曲线簇 当转矩较大、转速较低时，这时流过开关管和电枢绕组的电流会很大，管压降会随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线就会偏离直线，向下弯曲。 4.2调节特性 永磁无刷直流电动机的调节特性如图4-2所示。 图4-2 调节特性 调节特性的开始起动电压和斜率分别为： 022e T T rT U U C δ φ= + <1-2） 1 e K C δφ= <1-3） 由机械特性和调节特性可以看出，永磁无刷直流电动机和一般的直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压从而实现无级调速。但不能通过调节励磁来调速，因为永磁体的励磁磁场是不可调的。 4.3工作特性 电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图4-3所示。 图4-3工作特性 在输出额定转矩时,电机效率高、损耗低是永磁无刷直流电动机的重要特点之一。 五．永磁无刷直流电动机控制系统的研究动向 目前，永磁无刷直流电机控制系统的研究主要集中在以下几个方面： 5.1无机械式转子位置传感器控制 转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部分了，其结构复杂成本还高，而且还降低了系统的可靠性和抗干扰能力，还占了不小的空间。在很多的应用地方，比如空调器和计算机外设都需要无刷电动机以无转子位置传感器运行。 无转子位置传感器运行实际上就是没有机械传感器无转子位置运行，是通过电机的电压和电流来获取磁场的位置。 目前比较成熟的无转子位置传感器运行方式有： 5.1.1反电动势法——包括直接反电动势法和间接反电动势法 5.1.2定子三次谐波检测法 5.1.3续流二极管电流通路检测法 但以上的几种运行方式都存在其局限性，仍需要日后的改善。 5.2转矩脉动控制 5.2.1永磁无刷电机存在的一个固有的特点就是转矩脉动，尤其是随着电机的转速加快，换向导致转矩脉动加剧，平均转矩明显下降。所以减小转矩脉动是提高无刷直流电动机性能的非常重要的一个方面。 5.3智能控制 随着目前信息技术和控制理论的发展，智能控制的应用时非常重要的一个发展方向。就目前来说，专家系统、模糊逻辑控制和神经网络控制是三个最主要的理论和方法。其中，模糊控制就是通过把一些模糊性的成熟经验和规则很好的融入到传动控制策略中来，现已成功地应用到许多方面。随着永磁无刷直流电动机应用范围的越来越广，智能控制技术一定会受到更为广泛的重视。 六．永磁无刷直流电动机控制系统的发展和应用 1、产品向专用化、多样化方向发展 随着现在永磁无刷直流电动机的广泛应用，为了适应整机市场的不同需求，在产品的结构设计以及功能需求设计方面对其工艺技术也作出了更加专用化和 多样化的要求。例如： 拥有适应多种不同性能参数的永磁材料，表面粘接结构有瓦型、环型之分，以及拥有各种不同设计嵌入式内磁体结构等新的转子磁路结构的出现。出现了 目前各种外转子、轴向气隙<平面电机）、无齿槽结构电机等。 不管是采用了稀土永磁铁或者是氧体永磁的永磁无刷直流电动机，一般情 况下永磁转子结构都是表面粘贴式。近些年来，日本各知名家电厂商均在新一 代的变频空调压缩机所用的永磁无刷直流电动机中，也都采用了各自的专利转 子结构，目前嵌入式永磁转子结构已成为市场主流。嵌入式永磁转子结构的电 动机能够获得较高的效率，可以增强转子抗高速离心力的效果。 2、通过结构和工艺革新，以生产自动化、规模化，使产品向低成本、低 价格方向发展 无刷直流电动机的成本及售价一般都比较高，这是因为其采用电子换相电 路所以它的成本要高于一般的机械换向器。也正是这样的一个原因，限制了其 应用扩展到民用行业民用产品领域。针对目前国内外的汽车行业、家电行业及 办公自动化领域对于低成本永磁无刷直流电动机出现供不应求的现状，所研制 的新型永磁无刷直流电动机，尤其在工业控制和各类民用产品的领域能很好的 得到利用。 在结构和工艺革新方面：采用了分割型定子铁芯结构和连续绕线工艺方法。对于节距y=1分数槽设计，用专用绕线机直接绕制定子线圈，这样对于采用了 外转子结构的电机是比较方便的；但是对于采用了内转子结构的电机而言，特 别是采用了定子内径小的小功率电机来说；就要困难的多得多了。鉴于此，采 用分割型定子铁芯结构的构思油然而生了。采用分割型定子铁芯结构工艺技术 使得了永磁无刷直流电动机的生产达到了高效率、大批量、自动化这样的一个 标准，日本有多家厂商亦就这样的工艺技术进行效法，推出了自己专利的定子 铁芯分割方案。该技术也开始引起我国国内一些厂家的关注，并且进行了探索 性的实验。 目前，由于在IT领域永磁无刷直流电动机的广泛应用，例如软盘、硬盘、光盘驱动器、DVD、CD主轴驱动器上的采用，其市场竞争以及大规模的生产， 价格达到了很低。 3、电机设计方面，过去无刷直流电动机大多采用整数槽设计。近年，分 数槽技术在永磁无刷直流电动机的应用日益增多。 永磁无刷直流电动机采用分数槽技术的好处： <1）对于多极的永磁无刷电动机采用较少的定子槽数，可以提高带您点击 的性能及槽满率，槽满率的提高，线圈周长和绕组端部伸出长度的缩短，使电 动机绕组电阻减小。铜损随之也减低，进而提高电动机效率和降低温升；同时，采用较少数目的元件数，不仅能简化嵌线工艺和接线，而且降低了成本。 <2）增加了绕组的短<长）距和分布效应，改善反电势波形的正弦性。 <3）有可能得到线圈节距y=1的设计<集中绕组），每个线圈只绕在一个齿上，从而缩短了线圈周长及绕组端部伸出的长度，铜量使用得到降低；各个线 圈端部不存在重叠，无需绝缘。 <4）有可能使用专用绕线机，直接将线圈绕在齿上从而取代传统嵌线工艺，提高了工作效率。 <5）降低了齿槽反应转矩，有利于达到减少振动和噪声的效果。 总之，分数槽技术的应用有利于永磁无刷直流电动机降低在其节能、节材、小型化、轻量化、省工、生产自动化等方面的产品成本，增强其产品竞争力。 4、DSP<数字信号处理器）电机控制器的应用 就系统的控制器而言，为了更好的实时快速处理多种信号，为进一步提高 控制系统的综合性能，近些年国外的一些大公司都相继推出了较MCU<单片微控 制器）性能更加优越的DSP<数字信号处理器）单片电机控制器，如ADI的ADMC3xx系列，TI的TMS320C24系统及M0tomla的DSP56F8xx系列。这些控制 器都是以一个DSP为基础的内核，以及电机控制所需的外围功能电路，集成在 单一芯片内，从而使价格大大得到降低，体积得到缩小，结构更加紧凑，使用 更加便捷，可靠性得到很大提高。目前DSP的最大速度可达到20～40MIPS以上，指令执行的时间或完成一次动作的时间快达几十纳秒，与普通的MCU相比，其 运算及处理能力也增加了10～50倍，系统的控制性能得到了很大的确保。 5、无位置传感器控制技术 通过前面永磁无刷直流电动机工作原理，可以知道电子开关的换相必须要 由转子磁极位置信号来决定。一般情况下我们都是通过采用安装位置传感器的 方法来得到这些信号。但是采用安装位置传感器的话就存在占用了电机的一些 空间、安装位置对准、需较多引出线、影响可靠性等缺点。在一些特德的环境 或场合，如压缩机内有高温高压环境，是不允许安装位置传感器。因此，随着 目前永磁无刷直流电动机控制的研究渐渐发热，微机控制技术的快速发展，无 位置传感器控制技术逐渐进入人们的视野。其原理主要是通过一些电子电路和 一些软件的方法来获得位置信号，从而实现电子换相。无位置控制技术的出现 解决了有位置控制所存在的一些缺点，极大的满足了市场和产品的全面需求。 在很多方法中，要数反电势法最为成功的。它是以检测不激励相绕组的反电势过零点，经过运算以后，决定换相时刻。 6、正弦波控制技术 永磁无刷直流电动机的电子换相控制模式分为两大类；方波驱动和正弦波驱动。就其位置传感器及其控制电路来说，由于方波驱动相对简单、价廉的优点，目前大多数永磁无刷直流电动机的驱动方式都采用方波驱动；正弦波驱动相对方波驱动来说的话劣势就在于：其控制电路比较复杂，成本也比较高，而且需要有高分辨率位置传感器，如旋转变压器、光电编码器等。正弦波驱动工作原理主要是通过借助高分辨率位置传感器作用，强制为永磁无刷直流电动机提供正弦波相电流特征的电子换相方法。与方波驱动相比采用正弦波驱动优点有：低转矩波动、运动比较平滑、噪声小、在弱磁控制和拓宽调速范围方面可以更好的利用领先的角技术来实现。以前正弦波驱动方式主要是用于军用和工业用等较高要求的伺服系统。由于高速MCU和DSP控制器的被广泛的应用以及价格大幅度降低的优势，使其性能优异的正弦波电流控制方式在价格方面的限制得以很大的缓解，受到了更加广泛的关注。例如，西门子公司早期开发的正弦波电流控制方式的1FT6系列已经代替了1FT5系列方波电流控制方式。 随着目前人们不断的需求以及对正弦波控制技术的更加深入研究，简易位置正弦波换相控制技术面世。简易位置正弦波换相控制技术的出现解决了正弦波驱动主要是通过借助高分辨率位置传感器作用的这样的一个限制，尤其是新一代的永磁无刷直流电动机正弦波控制芯片的问世，近一步形成了正弦波控制在永磁无刷直流电动机控制上的地位。这种控制芯片在计算机外围设备、办公自动化设备、甚至是家用电器的小功率无刷直流电动机驱动控制中开始得到应用的例子是：ST Mieroelectronics公司的L7250电动机驱动微控制器，朗讯 盘驱动器 TMP88CS43可编程电动机驱动微控制器等。 随着无刷直流电动机在计算机外围设备、办公自动化设备、家用电器的应用日益增多，人们对它们的噪声要求也越来越苛刻。无传感器或只需简易位置传感器，低转矩波动、运动比较平滑、噪声小、成本适中等优点的新一代正弦化永磁无刷直流电动机及其驱动器将会受到人们越来越广泛的应用，具有良好的发展前景。 结束语 本文在广泛查阅资料，以永磁无刷直流电动机的原理和结构为理论基础，了解无刷直流电机特性，对无刷直流电机的控制原理进行了的研究，了解了永磁无刷电机的系统结构以及控制方式和控制规律。 由于时间与能力有限，本文所探讨的控制系统还有待于进一步的改进，例如在降低成本和提高可靠性方面：可以尝试采用无位置传感器的控制方法以及利用软件检测电机的反电动势，从而省去位置传感器这样的一种方法。在使系统更具更好的灵活性和稳定性方面：可以试试采用专用的控制芯片和单片机相结合的方式来实现永磁无刷直流电机的控制等。 致谢 在做本课题毕业论文的这段时间里，涂老师给了我很多指导和建议，让我对永磁无刷直流电机控制系统有了很多了解，并学到了很多对我有用的东西。尽管他工作很忙，但他也抽出自己空余的时间辅导我们，对我们在本课题探讨中出现的问题均一一细致的解答。 谢谢涂老师！ 通常情况下，1KW以上的电机我们会称它为大功率无刷直流电机。无刷电机在大功率、高转速的条件下，其优越性更加明显，但对电机控制器要求会比较高。 它的原理是很多人想要知道的，以BLDC80无刷直流电机为例来说吧，此款电机额定转速15000rpm，额定功率1300W，过载能力3倍，而驱动部分按1KW设计，电源为三相220V/50HZ，驱动方式为直流PWM，这样电机的可靠性更高，控制简单，控制特性更好，无刷直流电机控制器是根据霍尔效应制作的一种磁场控制器，其安装在电机的内部，是一种开关型器件。 大功率无刷直流电机控制器输入的信号经过阻容低通滤波后再输入到单片机中，以免杂波的干扰影响单片机的判断。 这款大功率无刷直流电机主要可以应用在智能家厨、工业设备、医疗设备等领域。其中家电设备的应用最为广泛，主要应用的产品是料理机、破壁机，此款无刷直流电机是含控制器一体化的产品，可根据性能和应用要求设计电机和控制器的方案。 随着市场的需求，无刷直流电机的技术优势越来越显著，近些年大功率无刷直流电机已经迅速的得到了推广与应用，无刷直流电机控制器的技术也得到了一 定的提升。无刷直流电机选型时需参考的主要参数有以下几点：最大扭矩：可以通过将负载扭矩、转动惯量和摩擦力相加得到，另外，还有一些额外的因素影响最大扭矩如气隙空气的阻力等。 平方模扭矩：可以近似的认为是实际应用需要的持续输出扭矩，由许多因素决定：最大扭矩、负载扭矩、转动惯量、加速、减速及运行时间等。 转速：这是有应用需求的转速，可以根据电机的转速梯形曲线来确定电机的转速需求，通常计算时要留有10%的余量。 江苏惠斯通机电科技有限公司具有完备售后服务队伍，为用户提供最佳的服务，并且取得了16949认证，是一家专业生产防爆控制电机，伺服电机，直流无刷电机的厂家，是中国航天防爆伺服制定供应商，是军工行业受欢迎品牌，其产品性价比远远高于国外品牌的同类电机。 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。 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。 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 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 无刷直流电机工作原理详解 日期: 2014-05-28 / 作者: admin / 分类: 技术文章 1. 简介 本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如： 能获得更好的扭矩转速特性； 高速动态响应； 高效率； 长寿命； 低噪声； 高转速。 另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为 广泛的3相BLDC。 2.1 定子 BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图2.1.1。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每 个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。 BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图2.1.2和图 2.1.3所示。 直流无刷电机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： 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： 基于MC33035的无刷直流电机驱动控制系统设计 摘要 随着社会的发展和人民的生活水平提高，人们对交通工具的需求也在不断发展和提高。电动自行车作为一种“绿色产品”已经在全国各省市悄然兴起，进入千家万户，成为人们，特别是中老年人和女士们理想的交通工具，受到广大使用者的喜爱。 MC33035的典型控制功能包括PWM开环速度控制、使能控制(起动或停止) 、正反转控制和能耗制动控制。此芯片具有过流保护、欠压保护、欠流保护、又因此芯片低成本、高智能化、从而简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。 设计的直流无刷电机控制器是采用 MC33035 芯片控制的，以本次设计结果表明，MC33035的典型控制功能带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。电动自行车作为一种新型交通工具已经在社会上引起很大的影响并受到广大使用者的喜爱。 关键词：电动自行车，无刷直流电机，MC33035，位置传感器 THE BRUSHLESS DC MOTOR DRIVE SYSTEM DESIGN BASED ON MC33035 CHIP ABSTRACT With the rapid development of technology, new energy technologies in recent years have been widely used. For example, the small size, light weight, high efficiency, low noise, large capacity and high reliability features such as permanent magnet brushless DC motor-driven bike. MC33035 Typical control functions include open loop PWM speed control so that it can control (start or stop), reversing control and braking control. This chip is overcurrent protection, undervoltage protection, under current protection, and therefore chip cost, high intelligence, which simplifies the system structure, lower system costs, increase system performance to meet the needs of more applications. The design of the brushless DC motor controller is controlled by MC33035 chip to this design results show that, MC33035 typical time delay control with an optional latch-by-week shutdown mode current limiting characteristics, and internal thermal shutdown characteristics. Electric bicycles as a mode of transportation has caused a great impact on society and loved by the majority of users. KEY WORDS: electric-bicycle, brushless DC motor, MC33035, position sensors 直流无刷电机实验 一．实验目的 1.了解直流无刷电机的运行原理 2.掌握直流无刷电机的DSP控制。 二．实验内容 1.实现无刷直流电机的正反转控制 2.实现无刷的速度调节 3.实现无刷直流电机电流环和速度环双环闭环控制 三．原理简介 1.直流无刷电机的原理 无刷直流电动机的结构原理图如图2－1所示： 图1 直流无刷电动机的结构原理图 无刷直流电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关电路三部分组成。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。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1中的电动机本体为三相两极，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接，在图1中A相、B相、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接[2]。 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。 所以，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位量传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图2所示。 图2 直流无刷电动机的原理框图 2. 直流无刷电机的控制 直流无刷电机的控制基本上类似于直流有刷电机的控制（PWM 调制），但由于无刷直流电机用电子换向器取代了机械电刷，所以无刷直流电机除了在控制各相电枢电流的同时还用对电子换向器进行控制。在无刷直流电机的运行过程中，霍尔位置传感器不断检测电机当前位置，控制器根据当前位置信息来判断下一个电子换向器的导通时序。如图3所示 H1 H3 ANC BNC BNA CNA H2 CNB ANB A Z X C y W B u V 旋转方向 反向 图1 电子换向器的工作原理 图中H1、H2和H3分别表示霍尔位置传感器的信号，H1的有效期为X 轴到u 轴 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。 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 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 日期: 2014-05-28 / 作者: admin / 分类: 技术文章 1. 简介 本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如： 能获得更好的扭矩转速特性； 高速动态响应； 高效率； 长寿命； 低噪声； 高转速。 另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为 广泛的3相BLDC。 定子 BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每 个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。 BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图和图大功率无刷直流电机的介绍
一种无刷直流电动机控制系统设计
永磁无刷直流电动机的基本工作原理
无刷直流电机的驱动及控制
基于无刷直流电机控制系统设计与实现
无刷直流电机控制系统的设计
无刷直流电机工作原理详解
直流无刷电机的控制系统设计方案
直流无刷电机与永磁同步电机区别
无刷电机之无感方案控制难点解析
基于MC33035芯片的无刷直流电机驱动系统设计
直流无刷电机实验
无刷直流电机控制系统的Proteus仿真
基于STM32的直流无刷无感电机的控制系统研究
开题报告无刷直流电机的控制系统
无刷直流电机工作原理详解
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