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 high performance motion control. BLDCM has been widely used in the various fields of the national economy because this motor not only has the merit of the DC motor for high efficiency, good performance and no excitation loss etc. but also has the merit of the AC induction 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 hardware and software design of the double closed loop control system is dissertated in detail.The controller of the hardware of the system is built by using the TMS320LF2407 as the microprocessor. It analyses the formation 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.
This thesis described the design options about BLDCM control system, It can get a good performance of Speed control; DSP technology enables the
system has not only a high-precision,high reliability, also simplifies the system architecture.
Keywords：Brushless DC motor PWM No position sensor Simulation
目录
第1章概述................................................... - 1 -
1.1 无刷直流电机的现状....................................... - 1 -
1.2 电无刷直流电动机的概况................................... - 2 -
1.2.1 无刷直流电动机的特点和应用......................... - 2 -
1.2.2 发展前景........................................... - 3 -
1.3 本设计的主要工作......................................... - 4 -第2章无刷电机控制系统分析..................................... - 5 -
2.1 无刷直流电动机的基本结构................................. - 5 -
2.1.1 电动机本体电动机本体............................... - 6 -
2.1.2 转子位置检测器..................................... - 6 -
2.1.3 电子换相........................................... - 7 -
2.2 无刷直流电动机的工作原理................................. - 7 -
2.3 直流电动机的PWM调速原理................................. - 9 -第3章无刷直流电机控制器硬件设计.............................. - 11 -
3.1 无刷直流电动机双闭环调速系统............................ - 11 -
3.2 SPWM 控制技术........................................... - 13 -
3.2.1 SPWM控制的基本原理................................ - 13 -
3.2.2 SPWM的数学模型.................................... - 14 -
3.3 无刷直流电动机无位置传感器的检测方法.................... - 15 -
3.3.1 反电动势过零检测法................................ - 15 -
3.3.2 续流二极管间接检测法.............................. - 16 -
3.3.3 反电动势积分法.................................... - 17 -
3.3.4 反电动势三次谐波检测法............................ - 17 -
3.4 数字PID控制器及算法.................................... - 18 -
3.4.1 模拟PID控制原理.................................. - 19 -
3.4.2 PID算法的数字实现................................. - 20 -第4章无刷直流电动机的 DSP 控制系统........................... - 23 -
4.1 DSP的结构和特点........................................ - 23 -
4.1.1 DSP在运动控制领域的应用........................... - 23 -
4.1.2 TMS320LF2407结构和特点............................ - 24 -
4.2 无刷直流电动机的DSP控制系统的设计...................... - 26 -
4.2.1 PWM波形的产生..................................... - 27 -
4.2.2 速度检测与调节.................................... - 29 -
4.2.3 电流检测与调节.................................... - 31 -
4.2.4 异步串行通讯接口电路.............................. - 31 -
4.2.5 电动机的驱动电路.................................. - 32 -
4.3 基于DSP的无位置传感器无刷直流电动机的起动.............. - 33 -
4.3.1 位置型PID算法程序的设计.......................... - 34 -
4.3.2 数字PI速度调节器设计............................. - 35 -
4.3.2 数字PI速度调节器设计............................. - 37 -第五章无刷直流电动机控制系统的软件设计........................ - 38 -
5.1 主程序结构.............................................. - 38 -
5.2 电动机启动子程序........................................ - 39 -
5.3 换相子程序.............................................. - 40 -
5.4 ADC中断子程序.......................................... - 40 -总结.......................................................... - 44 -致............................................................ - 45 -参考文献..................................................... - 46 -附录1：直流无刷电机驱动技术的研究 ............................ - 47 -
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
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
BLDC SERVO DRIVERS 无刷直流调速驱动器 使用手册1.3 系统上电前请仔细阅读手册 DBLS-01系列 直流无刷电机驱动说明书 一、概述 本控制驱动器为闭环速度型控制器，采用最近型IGBT和MOS功率器，利用直流无刷电机的霍尔信号进行倍频后进行闭环速度控制，控制环节设有PID速度调节器，系统控制稳定可靠，尤其是在低速下总能达到最大转矩，速度控制范围150~6000rpm。 二、特点 1、PID速度、电流双环调节器 2、高性能低价格 3、20KHZ 斩波频率 4、电气刹车功能，使电机反应迅速 5、过载倍数大于2，在低速下转矩总能达到最大 6、具有过压、欠压、过流、过温、霍尔信号非法等故障报警功能 三、电气指标 标准输入电压：24VDC\36VDC\48VDC 三种 最大输入过载保护电流：5A\15A两种 加速时间常数出厂值：0.2秒其他可定制 四、端子接口说明
1、电源输入端 引角序号引角名中文定义 1 V+ 直流+24V输入 2 GND 直流0V输入 2、电机输入端 引角序号引角名中文定义 1 MA 电机A相 2 MB 电机B相 3 MC 电机C相 4 GND 地线 5 HA 霍尔信号A相输入端 6 HB 霍尔信号B相输入端 7 HC 霍尔信号C相输入端 8 +6.25 霍尔信号的电源线 3、控制信号部分 GND：信号地 F/R：正、反转控制，接GND反转，不接正转，正反转切换时，应先关断EN EN：使能控制：EN接地，电机转（联机状态），EN不接，电机不转（脱机状态） BK：刹车控制：当不接地正常工作，当接地时，电机电气刹车，当负载惯量较大时，应采用脉宽信号方式，通过调整脉宽幅值来控制刹车效果。 SV ADJ：外部速度衰减：可以衰减从0~100%，当外部速度指令接6.25V时，通过该电位器可以调速试机 PG：电机速度脉冲输出：当极对数为P时，每转输出6P个脉冲（OC门输入） ALM：报警输出：当电路处于报警状态时，输出低电平（OC门输出） +6.25V：调速电压输出，可用电位器在SV和GND形成连续可调 拔码开关说明：四个档位为OFF时，电机不运行，SW1为ON状态时，电机转速为100%，SW2为ON状态时，电机转速为80%，SW3为ON状态时，电机转速为40%，SW4为ON状态时，电机转速为20%。 4.机械安装：
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.
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
. .. 无刷直流电动机的发展现状 无刷直流电动机的发展现状：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。 无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可*、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。 在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波直流电动机（BLDCM）和正弦波直流电动机（PMSM），BLDCM用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷；而PMSM则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因而BLDCM的应用较PMSM要广泛的多。 无刷直流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。
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)
文献综述 无刷直流电动机： 时间轴： 1955年—无刷电机诞生 1978年—无刷电机进入实用阶段 20世纪—无传感器无刷电机研制成功 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。 无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。 在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波直流电动机（BLDCM）和正弦波直流电动机（PMSM），BLDCM用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷；而PMSM则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因而BLDCM的应用较PMSM要广泛的多。 无刷直流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。 由于位置传感器的使用有如下缺点： (1)增大电机尺寸； (2)传感器信号传输线太多，容易引起干扰；
1.检测霍尔传感器的值可以判断出转子的位置，再使能相应的上下桥臂，则能驱动电机运动；若要让电机持续转动，则必须再次检测传感器值及使能相应的上下桥臂。这里采用的是将霍尔传感器输出的三根线相边的IO口配置成外部中断，并且为边沿触发，在中断函数中加入传感器检测与上下桥臂切换程序，如此电机就能持续运转了。 2.上桥臂的控制采用IO口置高低电平来控制上桥臂的通断，下桥臂则使用单片机内部集成的三路PWM波来控制，通过控制PWM波的占空比，可以实现对电机的调速了。实际测得，占空比与电机的速度成正比例关系，在PWM波频率为20KHz时，占空比增加1%，速度增加60rpm，并在占空比为53%时达到额定转速3000rpm（空载）。 3.速度测量则采用如下公式： 电机每转一圈，霍尔值改变6次x5个周期=30次，记录边沿触发的中断次数N/30=电机转过的圈数,设运转时间为t(s)则电机转速v=N/30/t*60 rpm。即动转时间为2s时，霍尔值改变次数即为速度值，单位rpm。 4.调速：给定速度，由电机驱动板自动由当前速度平滑过渡到给定速度。实际测试发现，速度变化量很大时，电机会有突然加速或减速时的冲击；因此，调速应有一个缓冲的过程。即加速或减速应以小步进缓慢增加或减少占空比来让速度渐渐达到最终值。 #include "stm32f10x.h" #include "driver_motor.h" #define PWM_PERIOD_T 400 #define U_Up_On GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_13 #define U_Up_Off GPIOB->BRR = GPIO_Pin_13 #define U_Dn_On GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_8 #define U_Dn_Off GPIOA->BRR = GPIO_Pin_8 #define V_Up_On GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_14 #define V_Up_Off GPIOB->BRR = GPIO_Pin_14 #define V_Dn_On GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_9 #define V_Dn_Off GPIOA->BRR = GPIO_Pin_9 #define W_Up_On GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_15 #define W_Up_Off GPIOB->BRR = GPIO_Pin_15 #define W_Dn_On GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_10 #define W_Dn_Off GPIOA->BRR = GPIO_Pin_10 #define SU_HOR GPIOA->IDR & GPIO_Pin_15 #define SV_HOR GPIOA->IDR & GPIO_Pin_12 #define SW_HOR GPIOA->IDR & GPIO_Pin_11 //u8 Motor_Dir=0; //u8 Motor_EN=0;
一、国内外研究现状简述： 有刷直流电动机自出现以来，以其优良的转矩控制特性，最早应用于工农业生产领域，在运动控制领域中占据主导地位。但是，机械换向问题一直是电流电机的一个弱点，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机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。 1955年美国的D.Harrison首次申请用晶体管的换相线路代替有刷直流电机的机械电刷的专利，标志现代无刷直流电机的诞生。而后又经过人们多年的努力，使科学技术飞速的发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机。现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成新一代的电动调速系统，这些使得电机的驱动电路体积更小且设计简化。无刷直流电机的优越调速性能（主要表现在：调速方便，调速范围宽，低速性能好，运行平稳，噪音低，效率高）将使无刷直流电机的应用更加普及。由于无刷直流电机的应用前景广阔，各国都加快对无刷直流电机新产品开发的速度和占领市场的力度，尤其美国和日本及西方国家具有较先进的无刷直流电机制造和控制技术。因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。 在我国，无刷直流电机的发展时间较短，但随着技术的日益成熟与完善也得到了快速的发展。我国直流无刷电机的研制工作始于二十世纪70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。但限于我国元器件制造工艺能力水平较低，与国际相比差距较大，所以目前我国在无刷直流电机领域仍不是技术强国。我国的无刷直流电机已在航空航天、电动车、家用电器等多个领域得到广泛应用，并在深圳、长沙、上海等地形成初具规模产业链。并且，我国目前是世界最大的永磁体（生产无刷电机的主要原材料）生产供应基地，中国还将会成为全球最大的无刷电机生产国。并在技术上不断推进行业发展。但是，中国在无刷直流电机产业的发展过程中出现了不少的问题，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；产业能耗大、环境污染严重；企业总体规模小、技术创新能力薄弱等。 当今，世界对无刷直流电机的研究热点主要集中在以下三个方面： 1、设计可靠、小巧、通用性强的集成化无刷直流电机控制器；
论文题目: 无刷直流电动机转矩脉动抑制的研究 姓名: 专业名称: 控制理论与控制工程 研究方向: 交流传动与伺服控制 指导教师: ） 日期:2011年12月30日 青岛大学硕士研究生学位论文开题报告
一选题的目的和意义 现代社会中，电能是最常用且最为普遍的二次能源。而电机作为机电能量转换装置，经过一个多世纪的发展，其应用范围已遍及现代社会和国民经济的各个领域及环节。为了适应不同的实际应用，各种类型的电机应运而生，其中包括直流电机、异步电机、同步电机、开关磁阻电机和各种其他类型的电机，其容量小到几毫瓦，大到百万千瓦。 相比之下，直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但是传统直流电机均采用电刷以机械方式换向，因而存在机械摩擦，使电机寿命缩短，并带来了噪音、火花以及无线电干扰等问题，且制造成本高及维修困难。 异步电机结构简单、制造方便、运行可靠、价格便宜，但其机械特性软、启动困难、功率因数低，不能经济地实现范围较广的平滑调速，且必须从电网吸收滞后的励磁电流，从而降低电网功率因数。 他控式变频同步电机具有转矩大、效率和精度高、机械特性硬等优点，但调速困难、容易“失步”等弱点大大限制了它的应用范围。 开关磁阻电机转子既无绕组也无永磁体，其结构简单、成本低廉，在低速时具有较大的转矩，控制换相时无上下桥直通等问题，但其噪声和转矩波动相对较大，这在某种程度上限制了该类型电机的推广应用。 无刷直流电机在保持传统直流电机优越的调速性能基础上，克服了原来机械换向和电刷引起的一系列问题，且具有效率高、功率密度大、功率因数高、体积小、控制精度高等明显优点。但是位置传感器的安装与使用，一般会增加电机的成本，并影响无刷直流电机控制系统的可靠性和工作寿命；另外，位置传感器装入电机内部，还可能会增大电机的体积，在汽车，航空航天，家用电器，办公自动化领域等对电机体积有严格要求与限制的行业中更适于使用无传感器无刷直流电机。 于是对于无刷无位置传感器直流电动机的转矩脉动抑制的研究就有了很大的意义。
技术部 直流无刷电机及驱动器介绍 ---培训讲义 编制/整理：徐兴强 日期：2010-5-5
一、产品技术特点 1）既具有AC电机的优点：结构简单，运行可靠，维护方便等； 2）又具有DC电机的优点：调速性能好，运行效率高，无励磁损耗等； 3）同时，与DC有刷电机比较：无接触磨损，无火花，低噪音，无辐射干扰等；4）再有，与伺服电机比较：控制/驱动原理较简单，可灵活多变，且成本较低；有较高的成套性价比，实用性很强。 主要缺陷：低速启动时，有轻微震动；但不会失步（比较于步进电机）。 二、主要应用方面 1）在精密电子设备和器械中的应用 如：电脑硬盘的主轴驱动，激光打印机，复印机，医疗器械，卫星太阳能帆板驱动，医疗监控设备等。 2）在家用电器中的应用 如：空调器、洗衣机、电热器、吸尘器、电风扇、搅拌机等。 3）在电瓶车/牵引机中的应用 4）在工业系统中的应用 如：工业缝纫机、纺织印花机、等等；
5）在军事工业和航空航天中的应用 三、特殊功能与性能分析 # 典型特性曲线，如下： ##由以上特性曲线可知： 1）电机的最大转矩为启动和堵转时的转矩； 2）在同一转速下，改变供电电压，可以改变电机的输出转矩； 3）在相同转矩时，改变供电电压，可以改变电机的转速。 即：在驱动电路中，通过PWM方式改变供电电压的平均值，在保证转矩不变的情况下，可以实现对电机的平稳调速。 ###BLDC与AC交流感应式电机相比，具有如下优点： 1）转子采用永磁体，无需激励电流。故，同样的电功率，可以获得更大的机械功率； 2）转子无铜损，无铁损，发热更小； 3）启动、堵转时力矩大，更适合于阀门打开、关闭瞬间需要力矩大的场合； 4）电机的输出力矩与工作电压、电流成正比，从而可以简化力矩的检测电路，并更加可靠； 5）利用PWM调制方式改变供电电压的平均值，可以实现平稳调速，使调速、驱动功率电路更加简单，综合成本降低；
基于模糊控制的直流电机调速系统 毕业设计论文
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
直流无刷电机的工作原理 直流无刷电机的优越性 直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电 枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会 产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及 整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技 术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处 理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制 交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。 此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，PWM)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。 直流无刷电机的控制结构 直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转 子极数(P)影响： N=120．f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直 流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子 的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电 机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图(1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需 求转换输入电源频率。
毕业论文声明 本人郑重声明： 1．此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 2．本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。 3．若在大学学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担，与毕业论文指导老师无关。 4.本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。 学位论文作者（签名）： 年月
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无刷直流电动机的发展现状 无刷直流电动机的发展现状：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。 无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可*、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。 在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波直流电动机（BLDCM）和正弦波直流电动机（PMSM），BLDCM用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷；而PMSM则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因而BLDCM的应用较PMSM要广泛的多。 无刷直流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。
无刷驱动器DBLS-02 一概述： 本控制驱动器为闭环速度型控制器，采用最近型IGBT和MOS功率器，利用直流无刷电机的霍尔信号进行倍频后进行闭环速度控制，控制环节设有PID速度调节器，系统控制稳定可靠，尤其是在低速下总能达到最大转矩，速度控制范围150~10000rpm。 二产品特征: 1、PID速度、电流双环调节器 2、高性能低价格 3、20KHZ斩波频率 4、电气刹车功能，使电机反应迅速 5、过载倍数大于2，在低速下转矩总能达到最大 6、具有过压、欠压、过流、过温、霍尔信号非法等故障报警功能 三电气指标 标准输入电压：24VDC~48VDC，最大电压不超过60VDC。最大输入过载保护电流：15A、30A两款连续输出电流：15A 加速时间常数出厂值：秒其他可定制 四端子接口说明: 1、电源输入端: 引角序号引角名中文定义 1V+直流+24~48VDC输入 2GND GND输入 引角序号引角名中文定义 1MA电机A相 2MB电机B相
3MC电机C相 4GND地线 5HA霍尔信号A相输入端 6HB霍尔信号B相输入端 7HC霍尔信号C相输入端 8+5V霍尔信号的电源线 G ND：信号地F/R：正、反转控制，接GND反转，不接正转，正反转切换时，应先关断EN E N：使能控制：EN接地，电机转（联机状态），EN不接，电机不转（脱机状态）B K：刹车控制：当不接地正常工作，当接地时，电机电气刹车，当负载惯量较大时，应采用脉宽信号方式，通过调整脉宽幅值来控制刹车效果。S V ADJ：外部速度衰减：可以衰减从0~100%，当外部速度指令接时，通过该电位器可以调速试机P G：电机速度脉冲输出：当极对数为P时，每转输出6P个脉冲（OC门输入）A LM：报警输出：当电路处于报警状态时，输出低电平（OC门输出）+5V：调速电压输出，可用电位器在SV和GND形成连续可调内置电位器：调节电机速度增益,可以从0~100%范围内调速。 五驱动器与无刷电机接线图 六机械安装：