上海交通大学
硕士学位论文
新型盘式无刷直流电动机及其控制器的设计
姓名：高强
申请学位级别：硕士
专业：电机电器及控制
指导教师：金如麟;谭fú
2001.1.1
上海交通大学碳上学协论文
摘要
ｌ随着环保闻题的日益突出，人们正在尝试』｝Ｊ低噪声、零排放的电动车辆懿代作为重要污染源的燃油车辆。
目前电动白行车的驱动电机以直流电机为屯即传统的有刷商流电机和性能更加优良的无刷赢流电机。力矩电机采用直接驱动方式，在簸顺散牢的前提Ｆ，可以省去齿轮减速机构，是目前电动自行车驱动的趋势。但以往电机的结构ｔ要足圆柱形径向磁场的结构，有内转子和外转子两种基本结构。在电动自行车驱动电机ｔｆｌ’有刷直流驱动也机中已出现了盘式结构，但是目前盘式无刷直流力矩电机仍然没有厂家在开发。，１
ｊ揿课题的任务就是研制新型盘式结构的无刷苴流电动机及其控制器。设计采用双转子－单定子结构，且定子为无槽形式，采用了新颖的绕组宜接绕在定子上的结构，这样可以显著提高绕组的利用率并增加可靠性；此外，双转予有助于消除磁拉力的不利影响。无槽结构则能消除定位力矩．这次采用的盘式结构可以大幅降低电机的轴向尺寸，特别适用于电动自行车的使用．控制器采用成熟的３相桥式拓扑结构，为提旌蓄电池一次充电的行程，控制器中实现反馈制动的功能，控制器的ＣＰＵ采用ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ公司生产的ＤＳＰ．ＡＤｌＭＣＦ３２８，它可以简化硬件电路设计井提高可靠性，具有很高的性能．价格比。
（作者在设计中主要完成的工作如下：
１．推导新颖结构形式的盘式无刷直流电机没卅１１的主要公式，并编制了相应的手算电磁设计程序；
２．用有限元磁场分析程序进行轴向磁场的分析，为设计提供了参考依据ｉ
３．用ＣＨ骟写计算机辅助设计程序，进行多方案比较，选择适于加工的方案进行结构设计和制造；
４．首次应用ＤｓＰ设计并调试了具有能量反馈功能的控制器，研究的结果为充分利用电动车蓄电池的电能提供了根据；
５．在充分消化了ＡＤ公司的有关ＤＳＰ的资荆后，首次运用其独特的具有代数特色的汇编语言设计无刷直流电机驱动程序；．
６．进行了电机和控制器的试验，为避一步实Ｊｆｊ化打下了基础。上
关键字：盘式无刷直流电机能鲢反馈数字伯号处理器（ＤＳＰ）
．！塑奎塑查堂竺！！堂堡垒茎
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＡｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｃｏｎｃｅｒｎｉｓｐｕｔＯＵｔｈｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍ，ｐｅｏｐｌｅｈａｖｅｂｅｅｎｔｒｙｉｎｇｔｏ
ｒｅｐｌａｃｅｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｆｕｅｌｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｗｈｉｃｈａｒｃａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｏｌｌｕｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｌｙ，ｗｉｔｈｔｈｅｌｏｗ－ｎｏｉｓｅ，ｚｅｒｏ－ｅｍｉｓｓｉｏｎｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓ。
Ｐｒｅｓｅｎｔｌｙｔｈｅｄｃｍｏｔｏｒｓａｒｅｔｈｅｍａｉｎｄｒｉｖｅｍｏｔｏｒｆｏｒｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｂｉｃｙｃｌｅｓ，ｗｈｉｃｈｉｎｏｌｕｄｅ
打ａｄ“ｉｏｎａｌｂｒｕｓｈｄｅｍｏｔｏｒｓａｎｄｔｈｅｂｒｕｓｈｌｅｓｓｄｃｍｏｔｏｒｓｗｉｔｈｂｅｔｔｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＩｎｔｅｒｍｓｏｆ
ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅｄｒｉｖｅｍｏｔｏｒｓｃａｎｂｅｃｌａｓｓｉｆｌｅｄｉｎｔｏｔｗｏｓｏｒｌｓ：ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｈｉｇｈ．ｓｐｅｅｄｍｏｔｏｒｓａｎｄｔｈｅｌｏｗ－ｓｐｅｅｄｔｏｒｑｕｅｍｏｔｏｒｓ．Ｔｈｅｔｏｒｑｕｅｍｏｔｏｒｓｄｒｉｖｅｂｉｃｙｃｌｅｓｄｉｒｅｃｔｌｙ１１ｌｅｙｎｅｅｄｎｏｔｔｈｅｅｘｔｒａｒｅｄｕｃｔｉｏｎｇｅａｒｗｉｔｈｏｕｔｓａｃｒｉｆｉｃｉｎｇｔｏｏｍｕｃｈｅｆｌ％ｉｅｎｃｙ．Ｓｏｔｈｉｓｍｏａｎｓｏｆｄｒｉｖｅｉｓｇｅｔｔｉｎｇｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｐｏｐｕｌａｒｉｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｂｉｃｙｃｌｅｓ．Ｔｈｅｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｍｏｓｔａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｅｄｒｉｖｅｍｏｔｏｒｓｔｈａｔｉｎｄｕｄｅｒｏｔｏｒ－ｉｎａｎｄｒｏｔｏｒ－ｏｕｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅｄｉｓｋｂｒｕｓｈｄｅｍｏｔｏｒｈａｓｂｅｅｎｕｓｅｄｉｎｔｈｅｄｒｉｖｅｆｏｒｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｂｉｃｙｃｌｅ，ｂｕｔｕｐｔｏｎｏｗｔｈｅｄｉｓｋｂｒｕｓｈｉＯＳＳｄｏｍｏｔｏｒｈａｓｎｏｔｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄＳｕｃｃｅＳｓｆＵｌｌｙｂｙｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ．
ＴｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｈｉｓｔｒｅａｔｉｓｅｉｎｖｏｌｖｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｄｉｓｋｂｒｕｓｈｌｅｓｓｄｃｍｏｔｏｒａｎｄｉｔｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｂｉｃｙｃｌｅｓＴｌｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｉｓｆｌｌＴａｆｌｇｏｄｗｉｔｈａｓｉｎｇｌｅｓｔｎｔｅｒｓａｎｄｗｉｃｈｅｄｂｅｔｗｅｅｎｔｗｏｒｏｔｏｒｓ．Ｔｈｅｓｔａｔｏｒｈａｓｆｉｅｓｌｏｔｓ，ａｎｄｔｈｅｗｉｎｄｉｎｇｓａｒｃａｒｒａｎｇｅｄｒａｄｉａｌｌｙｏｎｔｈｅｓｔａｔｏｒＯＯｒＯ．Ｓｕｃｈａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔａｌｌｏｗｓｅｎｄ—ｗｉｎｄｉｎｇｓｏｆａｖｅｒｙｓｈｏｒｔｌｅｎｇｔｈ，ａｎｄｔｈｉｓｒｅｓｕｌｔｓｉｎｎｓｉｇａｉｆｉｏａｎｔｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｗｉｎｄｉｎｇｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｐｅｒｃｅｎｔａｇｅａｎｄｆｉｒｍｎｅｓｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｄｏｕｂｌｅ－ｒｏｔｏｒｓａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｈｅｌｐｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｄｒａｗｂａｃｋｏｆｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｔｒａｃｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｓｌｏｔｌｅｓｓａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ０ａｎｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｃｏｇｇｉｎｇｔｏｒｑｕｅＩｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｖｅｄｒｉｖｅｆｏｒｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｏｂｉｃｙｃｌｅｓ，ｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎｅｖｉｄｅｎｔｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅａｘｉａｌｄｅｍｅｎｓｉｏｎ．ｔｈｕｓｉｓｓｕｉｔｅｄｆｏｒｔｈｅｈｏｕｓｉｎｇｗｉｔｈｉｎｔｈｅｌｉｍｉｔｅｄｓｐａｃｅｏｆｔｈｅｗｈｅｅｌｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｂｉｃｙｃｌｅ．Ｔｈｅｍａｔｕｒｅ３－ｐｈａｓｅｂｒｉｄｇｅ
ｔｏｐｏｌｏｇｙｉｓａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＩｎｏｒｄｅｒｔｏｌｅｎｇｔｈｅｎｔｈｅｍｉｌｅａｇｅｏｆｔｈｅｂａｔｔｅｒｙ
ａｆｔｅｒｃｈｕｒｇｉｎｇ，ｔｈｅｅｎｃｌ．ｇｙｆｅｅｄｂａｃｋｆｕｎｏｔｉｏｎｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ＴｈｅＡＤＭＣＦ３２ＢｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅＣＰＵｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ＩｔｉｓａｐｉｅｃｅｏｆＤＳＰｗｉｔｈｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ－ｐｒｉｃｅｒａｔｉｏｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓｔｈａｔｍａｙｓｉｍｐｌｉｒｙｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．
１１ｍｗｏｒｋｔｈｅａｕｔｈｏｒｈａｖｅｄｏｎｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｓｌｉｓｔｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：
１．ｄｅｄ－ｏｔｉＯｌｌｏｆｔｈｅｅｓｓａｎｔｉａｌｄｅｓｉｇｎｆｏｒｍｕｌａｓｏｆｔｈｉｓｓｐｅｃｉａｌｄｉｓｋｂｒｕｓｈｌｅｓｓｄｅ
ｍｏｔｏｒ，ｃｏｍｐｉｌｉｎｇｔｈｅｍａｎｕａｌｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｍａｇｎｅｔｉｃｅｅｍｐｕｔｉ噌ｐｒｏｇｒａｍ；
２．ａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅａｘｉａｌｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｕｓｉｎｇｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｆｉｎｉｔｅｍｅｔｈｏｄｔｈａｔｆｏｒｍｓｔｈｅｂａｓｅｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎ；
３．ｗｒｉｔｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄｄｅｓｉｇｎｐｒｏｇｒａｍｗｉｔｈＣ＋＋．ｓｅｌｅｃｔｉｎｇｔｈｅｂｅｓｔｓｕｉｔａｂｌｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｍｏｎｇｔｈｅｍｕｌｔｉ．ｓｏｌｕｔｉｏｎｓｆｏｒｍａｎｎｆａｃｔｕｒｉｎｇ；
４．ｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄｄｅｂｕｇｇｉｎｇｔｈｅＤＳＰ－ｂａｓｃｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｉｔｈｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｅｎｅｒｇｙｆｅｅｄｂａｃｋ；
５．ｗｒｉｔｉｎｇａｎｄｄｅｂｕｇｇｉｎｇｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｐｒｏｇｒａｍｆｏｒｔｈｅｂｒｕｓｈｌｅｓｓｄｃｍｏｔｏｒ；
６．ｔｅｓｔｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤｉｓｋＢｍｓｈｌｅｓｓｄｃＭｏｔｏｒＥｎｅｒｇｙＦｅｅｄｂａｃｋＤＳＰ
１．图
图表清单
图ｌ—ｌ盘式永磁直流电动机典型结构…．
国ｌ－２双边永磁体盘式直流电动机结构图
图１－３盘式永磁同步电动机…………
图１－４单定子、双转予结构……………．
图１－５中间定子结构………………．…
图１．６双转子……………………………
图ｌ－７定子轴向视图………………………
图Ｉ．Ｂ转子轴向视图………………………
图１－９空载轴向磁场分布．………………
图１．１０磁极示意图………………………，
图１．１ｌ磁极图……………………………．
图１．１２结构示意图…………………………
图１．１３计辅设计程序框图………………
图１．１４样机外形圈…………………………
图２．１控制器逻辑框图…………………．
图２．２三相桥式主电路……………．……
图２－３Ｉｌ垃１３０功能框图………．…………
图２－４ＩＩｔ２１３０部分接线图………………．
图２－５能量反馈示意图………………．
圈２－６升压电路原理图……………………
圈２．７带能量反馈的主电路…………．
图２－８能量反馈状态等效电路图……．
圈２－９Ｓ用合时的锦效电路图…………．．
图２．１０Ｓ断开式的等效电路图…………．
图２．１１Ｓ断开时的复频域等效电路图…
图２．１２ＡＤＭＣＦ３２８结构框图………．．
图２．１３单更新时的ＰＷＭ输出波形…．．
图２．１４双更新时的ＰＷＭ输出波形…．…．
围２．１５驱动程序框图…………………
图２．１６试验部分装置图…………………．
图２．１７ＰＷＭ波形图……………………．
图２．１８母线电流波形图……………………
图２．１９ＳＷ４两端电压波形图……………
２．表
表１－１多方案比较……．表１．２样机机械特性…．．表２．１ＩＲ２１３０性能参数
２Ｉ２３．２７■■■ＪＪ“■■加Ｕ￡！：２弘”拍强凹如孙弛∞¨蚰铊躬“鲤妇”
刖鬲
１背景
经济的发展为世界创造了更多的物质财富，从而提高了人们的生活水平。而各国的工业化进程又不可避免地对环境造成污染，据１９９６年统汁，全世界拥有各类汽车约５亿辆，其中轿车４亿辆，年消耗燃料达７亿吨，排放的竹害物质在２亿吨以上，约占空气污染总量的６１％”’。此外，汽车噪声是城市噪声污染的主要来源之一。因此，人们很早就开始对零排放，低噪声的电动汽车进行了研究，以期替代燃汕汽４：，如日本、荚国和德国骥在６０年代中期至７０年代就开始了相应的研究，我国也于８０年代提出并开始发展电动车。
上海已被列入世界十大污染城市之一，而作为城市重要污染源的机动车的数量还在逐年递增，其中全市数十万辆的燃油助动印的有宙。Ｃ体制Ｉ：放Ｉ。分严币．助动车废气排放浓度是一般轿车的３—５倍，平均３￣４辆助动车的废气排放总址村Ｉ当于～辆轿车的排放总量。因此，上海市政府规定，从１９９６年７月１１日起暂停办理燃油助动车牌照，并将逐步淘汰燃油助动车。为了满足原助动车使用者的需求，患动ｆ｜｛ｊ乍应运１ｆｌｊ生。
电动自行车以其无废气，无噪声、安全，轻便等优点正受到消费者的青睐，加之市场潜力巨大。正吸引越来越多的厂家和研究机构埘ｊ＃进ｆｒ研究和开发。国内的如电子部２Ｉ所，永久，捷安特、民思达、金城和千鹤等，国外的如同本的Ｙａｍａｈａ、Ｈｏｎｄａ，德国的Ｓａｃｈｓ以及英国，美国等国的厂商。
此次课题是电子部２】所与上海交通火学合作进行的一项研究，目的在于开发一种新型的电动自行车用的驱动电机。作者在此次毕业设计ｆＩＩ，载理论上对这种新型结构的电动机的电磁计算公式进行了分析和公式推导，完成丫盘式无刷矗流电动机的电磁和结构设计，在设计中使用有限元法对气隙磁场进行了分析，应用了计算机辅助没计程序对多方案进行了比较，井选择合适的方案进行加工制造，设计ｒＩ妇ＤＳＰ控制的具有能量反馈功能的控制器，并进行了专题分析。
２电动车辆用驱动电机简介
由于直流电机具有优异的调速性能，Ｗ此在过击几１一年巾，直流有刷电机成为电动汽车用驱动电机的主角．但是，随着大功率电子元件和现代控制理沦纳发展，交流驱动具有的高效率．高能量密度，高可靠性等优点逐渐凸ｆＪ；，ｊｌ｜在取代直流有删电机而成为电动车辆用驱动电机的酋选。此类电机有异步电动机、永磁同步电动机，开关磁阻电动机。
交流驱动电机又可以分为两类；正弦波供电的交流电机和方波供电的交流电机。正弦波供电的交流电机具有不变的瞬时转矩。如异步ｌ乜动机和永磁同步电动机。方波供电的交流电机在电流与电压的幅值相同时比正弦波供电的交流电机能产生蜓火的转矩，因而受到广泛的关注，这类电机有无刷直流电机和开关磁ｍｉ电机。
第一章盘式无刷直流电动机的设计
ｌ盘式无刷直流电动机
１．１盘式无刷直流电机的基本结构和特点
不论是单气隙．双气隙或是多气隙，盘武电机的气隙都足平而型的，气隙磁场是轴向的，所以又称为轴向磁场电机。盘式无刷直流电动机的本体在结构，ｈ与典型的盘式永磁电动机差别不大，无刷直流电动机多采用少槽或集ｔｐ绕组以使反电势波形接近梯形波。因此，下面介绍盘式永磁电动机的基本结构。
１．１．１盘式永磁直流电动机结构和特点
（Ｑ）（ｂ）
图１－！盘式永磁ｊ“流ｆＵ动机典型结构
（ａ）结构示意图（ｂ）磁钢排列图
１一磁钢２一端盖３一电刷ｑ一换向器５～电枢６一轴７一轴承
图１．１所示为典型的盘式永磁商流电动机的结构，电机外形呈扁平状。定子上粘有多块扇形或矩形磁钢，以Ｎ，Ｓ极顺序交替排列，磁极轴向磁化，定予与电枢相对放置。电枢通常无铁心，导体有效部分以辐射状径向排列，导体按～定规律与换向器连接成一体，绕组一般采用叠绕组或波绕组的方式连接。
这种盘式永磁直流电动机的特点为：
轴向尺寸短；由于无铁心，不存在由齿槽－ｊ｜起的转矩波动：不存在磁滞和涡流损耗，效率较高；转动惯量小，快速反应性能优良。花足以上的优点，盘式永磁直流电动机被广泛应用于机器人、计算机外围设备、汽车空调器、录像机、办公自动化、电动自行车和家用电器等场合。
由于其气隙磁场是轴向的，因此盘式电动机的轴向安装尺寸要求极严格，图】．１所示结构中因为磁钢轴向不对称而存在单边磁拉力，影响运转的平稳性，严重时会引起电枢较大变形而影响电机性能。此外，著磁路设计不合理，漏磁通将会较大。
为了克服以上缺点，可以采用双边永磁体结构，如图１．２所示。
图１－２双边永磁体盘式赢流电动机结构图
卜磁俐２－ｌＩ＿！ｌ枢
在同体积永磁体的条件下，采用双边永磁体结构比采用图１－ｌ所示的堆边永磁体结构的气隙磁密可提高】Ｏ％左右，而且改善丫气Ｊ；ｃ！磁街的均匀性。所以，双边水磁体结构的盘式永磁直流电动机可以进一步缩小电机体积，充分利用永磁体，提高电机性能。其缺点在于加工较堆边永磁体结构的电机复杂。
１．１．２盘式永磁同步电动机的结构羽Ｉ特点
图１－３盘式永磁同步电动机
卜转子磁钢２一定子铁心３一定予绕组
图１－３为典型的盘式永磁同步电动机结构图。定子铁心一般由双面绝缘的冷轧硅钢带片带料冲卷而成，定子绕组有效导体部分在空间呈径向分布。转子为高磁能积的永磁体和强化纤维树脂灌封而成的薄圆盘。
这种电机轴向尺寸短、重量轻，体积小、结构紧凑、运行效率高。由于定转子对称排列，定子绕组具有良好的散热条件，可获得很高的功率密度。此外，因为转子转动惯量小，机电时问常数小，峰值转矩和堵转转矩高．低速下运行平稳。使用该种电机作为伺服传动系统的执行元件，可以不用齿轮，精度高、反应快、转矩波动小、过载能力高，可应用于数控机床、机器人，雷达跟踪等高精度系统?ｈ
盘式永磁同步电动机有多种结构形式，按定转予数陵大致可分为以下几种：
１）中间转子结构图１．３所示的结构ＨＩｊ为Ｉ｜Ｊ问转子结构，它可获得最小的转动惯量和最优的散热条件，定子铁心分有撕槽和无衡槽两种。
２）单定子、单转子结构如图１—４所示
形
／／／一
＼封］匪匿
？
、、＼１ｉ．图１—４单定子、单转子结构
卜端盖２一定子铁心３定子绕组４一水磁体
此种结构最为简单，但是其定子要用推力轴承以保证转子不发生轴向串动。
３）中间定子结构如图１．５所示
图｝一５‘ｆＩ问定子结构
１一机壳２一定子绕绑３一定子铁心４一转子轭５～永磁体
这种结构由双转子和单定于组成双４￡隙。定了铁心一般不开槽，定子绕组既可以粘接在铁心上，也可以均匀绕于铁心卜，形成环形绕ｔｌｔＳｔ’ｙ－。转于为商性能永磁材料粘接在实心钢上，构成的圆盘。此种结构的一大优点在于其绕ＰＪｔ＋ｔＪ用率较以上两种结构要高，～则可以节省用铜量，＝则可以减少铜耗，提高效率。但这种｝Ｕ机的转动惯缝比中间转予结构的大．
４）多盘式结构此结构由多定予和多转子交错排列组成多气隙。采用多盘式结构可进一步提高盘式永磁同步电动机转矩，特别适台ｊ：火力矩卣陵传动装置。ｆ｛１于其结构较复杂，在此不再画出其结构图。
２．双转子单定子盘式无刷直流电动机２．１结构形式
此次设计选用的结构形式为双转子单定子结构，侗其在结构。Ｊ二与图】．５有些差别。其结构如图１－６所示：
图】－６双转子单定子盘式无刷直流电动机结构图
１一定子铁心２一定子绕组３一端盖４一转子轭５一永磁体６一轴承７一轴
图１－６结构为外转子布局，适合于电动自行１：的＾接驱动，方便安装。如前所述，双转子有利于消除单转子所造成的单边磁拉力的不利影响。此外，旋转式磁橄具有风扇的作用，有利于改善电机扇热。：
定子轴向视图如图１．７所示：
。ｊ笃一。｜一ｇ
图ｌ－７定子轴向视图
卜绕组：一定子铁心
如图１．７所示，圆环形的定子采用无槽形式，绕组结构不同于常规的扇形绕组，绕组按矩形形状直接绕在定子上。采用这种方式，一则町以消除齿槽效应所造成的转矩波动，二则与常规的印刷绕组或粘贴的扇形绕组相比，导体有效部分长度所占导体总长度的比例，即导体的利用率得到提高，从而可以降低钢的消耗量，３ｆ＇－ｆｉ减少铜耗，提高效率，而且具有比常规的印刷绕组或粘贴的扇形绕组更坚同的机械幔度。
转子轴向视图如图１－８所示
图１－８转予轴阳视图
转子由转子轭和扇形磁钢组成，磁钢轴向磁化，按Ｎ，ｓ极的顺序交巷排列于圆环形的转子轭上，磁钢的形状也可以是矩形或其它特别设计的Ｊ目状。极数多可以有效地减少转矩波动，但是极数越多对位置传感器的定位精度要求就越，｝＊。所以．选择极数州应综合考虑以上两个因素。
２．２电机运行原理
主磁路从一个极出发，轴向穿过气隙，沿删向经过定子铁心，阿穿过轴向气隙和相邻的另一磁极，最后沿转子轭部闭合。电流径向流动的导体在轴向磁场的作用下产生切向的电磁力。控制器根据位置信号，在合适的时机对电机绕组换相，便可以在电机气隙中产生一个跳跃式的旋转磁场，从而带动转子转动。
２．３轴向气踪磁场分折
２．３．１磁场分析的理论基础
２．３．１．１边界条件
电机电磁场分析一般由一组描述磁场特征的偏微分方程和边界条件组成。设求解对象为ｕ，边界条件通常有三种：，
１．边界上的物理条件规定了物理壁ｕｍ边界ｒ．Ｉ：的值
计｜ｒ＝Ｚ（ｒ）
２．边界上的物理条件规定ｒ物理量ＩＩ在边界，１的法向上微商的值
婴Ｊ，＝石（ｒ）
３．边界上的物理条件规定了物理量ｕ和其法向微商的线性组合的值
（删＋嘲｜ｒ一胛，
以上三个边界条件分别称为第一、第二和第三类边界条件，其中Ｚ（ｒ）、以（ｒ）、＾（ｒ）
，口和芦为给定值或函数。当Ｚ（ｒ），五（ｒ）、．厶（ｒ）中任一个值为零时，对应的边界条
件称为齐次边界条件。
２．３．１．２边值阿愿和条件变分问题
电磁场的经典描述是麦克斯韦方程组，电机电磁场分析一般采用位函数表示，位函数比场量本身更容易建立边界条件。位函数包括矢鲢磁位Ａ和标匮磁位西。目前二维电磁
场计算大多采用矢量磁位，园为求出矢量磁位可很方便地画出磁力线并求出磁通。
电机电机场属工程电磁场，随时间的变化速率慢，因此一般不计场的推迟作用，即忽略位移电流的影响，属于似稳场。电机中的电磁场问题一般可用二维平面场来描述，在平面场域口内，电磁场问题可写成边值问题：
ｒＱ：昙驴警＋茜ｃ，，爹叫
Ｉ
弋ｒ１：Ａ＝Ａｏ
Ｉ
Ｌｒ２：厂＿０．４：胡，
上式中，，一磁阻率，ｙ＝ｌｉｐ，∥为磁导率
彳—’矢量磁位。在二维平面场中，爿仅有ｚ轴分量，故可写成标量形式
．㈣电流密度
凰一磁场强度的切向分量
．ｒｒ－第一类边界条件
厂ｒ第二类边界条件
这时磁力线全部在五ｒ平面内，磁场只有』轴和，轴的分量，它们的表达式分别为：
其中
垃：掣
砂
Ｂ一一塑
７缸
在边界条件上，常用到边界上的功ｆｆＩ：ｆ碰密Ｂｔ种Ｉ法向磁密风，它们的表达式为：风＝警
置：一丝
’却
以上的边值问题与下面的变分问题等价；
ｒⅣ（４）＝Ⅱ，（ｒ，，曰船一，；爿）级砂一Ｌ（－胃，）Ａｄｌ＝ｍｉｎ
ｉ
ｒ１：４：墙
Ｂ＝图蔼。
条件变分问题通过三角刹分可进行离散化，将三角剖分得到的方程根据极值条件合成，加上边界条件，可以得到以三角形节点磁位值为求解对象的方程组，通过迭代计算，便可得到方程组的解。
２．３．２磁场分析
在空载条件下，磁场的求解域可以从整周期进一步简化为半周期。求解域见图１－９，该圈为在半周期区域中沿某一半径的周向展，ｒ图，其中，４为对称的Ｎ极和ｓ极。
可以将该磁场分析问题认为足一个二维平面场问题，以矢量磁位Ａ。为求解对象。求解的主要步骤如下：
Ｉ．按比例画出在某一半径处半周期求解区域内的周向展开图，如图Ｉ－９。
２．确定边界条件。
３．确定材料。
４．调用自动剖分子程序，对求解区域进行三角剖分。
５．调用有限元子程序，获得数值解。
６．显示计算结果。
可见，由于已有自动剖分子程序和有限元子程序可供调用，求解的关键在于准确地确定边界条件，因此，下面重点讨论如何确定边界条件。
ＥＦ以外为空气。若认为ＥＦ外无漏磁，则可以将边界ＡＥＦＪＡ视为磁力线。由于在二维平面场中，等Ａ线即为等磁力线，因此，在边界ＡＥＦＪＡ上的边界条件为Ａｚ＝０。
由于在交界面上，彳：的法向及切向分量分别相等，即一连续，所以在交界面ＢＩ，ＣＫ，ＤＬ，ＬＭ，ＭＧ上对一无约束。
在处理永磁体时，当以标量磁位为求解对象时，～般将永磁体视为等效磁荷；当以矢量磁位为求解对象时，一般将永磁体视为等效电流。此处由于以爿，为求解对象，故将永磁体视为等效电流。
已知极化强度＾，的分布的情况下，永磁体的等效电流为”’：
等效电流密度：五＝Ｖ×府
等效面电流密度：Ｌ＝肠×＿『ｉ，其中，亓指永磁体的外法向方向。
如果永磁体均匀磁化，厨可视为常矢睦，则等放电流密度‘７。为零，而等效面电流密度Ｌ不为零，所以，在交界面ＫＬ和＾喇上有＝方向的等效面电流密度，大小为Ｉ厨×再Ｉ．由于４中磁极一半为Ｎ极，一半为Ｓ极，极化强度方向难好相反，而外法线方向也正好相反，因此，在ＫＬ和ＭＮ上的等效面电流锵度大小相等，方向相同。在边界ＣＫ，ＤＬ，ＭＧ和ＮＨ上由于麝和商共线，因此，等效ｉｌ＿ｉｉ电流密度为零。
确定材料的工作主要是为了确定该材剃的磁导率。
２．３．２磁场分析结论
就扇形磁极，利用有限元法对某一半径处轴向磁场的分布进行分析，空载的磁力线分布如图１－９所示。
闰卜９空载轴向磁场分布网
１－１／２定子铁心２一绕组３一机械气隙ｄ一永磁体５一转子轭
由图可见，在磁极中心线两侧很大的范闸内，气隙磁密基本不变，而在两磁极交界处磁密迅速下降。因此，在某一半径处，气隙磁密可以近似认为是梯形波。对４ｉ同半径处的磁场分布进行分析可以发现，在不同半径处，梯形波的幅值足不同的，在平均ｊ卢径处附近的幅值最大，而在最大和最小半径处的幅值＝Ｉ匠小。
此外还可见，由于绕组置于气隙中，电磁气隙较大，这类电机的漏磁系数比较大。
以上只分析了磁场在周向的分布，而实际ｌ：还存在往向的磁场分布，这会造成附加的漏磁，因此在设计中应予以注意。
２．４设计中的基本公式
由于本次设计中绕组结构不同干常规设玑没ｆｒ现成的公式和程序参ｊ嘏，故进行了以下探讨：
２．４．１反电势?
考虑单根导体中的反电势。由磁场分析已知，气隙磁密沿圆周方向按梯形波分布。假设气隙磁密的平均值为Ｂａｙ，见图１－１０，当导体以“。，的角速度和埘磁饭旋转时，考虑在半径ｒ处长度为咖的一段导体中的感应电辨：
ｄ０＝Ｂ“ｃｏｒｄｒ
则，在一个盘面下整段导体中感应电势为：
ｅ＝ｒ曲＝Ｃ２凡舡，。协＝三％∞。（ｒ１：一＿２）由于采用双转子结构，在一匝线圈中感应的反ｆＵ势为ｅ‘＝２ｅ＝Ｂ。∞。（譬一，１２）（Ｊ）（２）（３）
假设三相电枢绕组总串联匝数为Ⅳ，则每栩串联匝数为丝３，每相电枢绕组的平均反电势为：
ｋ：了ＮＰ’：譬圯甜。孵一，ｌ：）（４）ｊｊ
设电机采用Ｐ对永磁体，则在一个极范Ｉ目内的气隙磁通为：
吣圯警
又∞。＝嚣
其中ｔ／为电机转速（ｒ／ｍ）。
将式（５），（６）代入（４），得：
艮＝等即（７）（５）（６）
的口。应用曰ｈ（平均磁密幅值）代替，二青的芙系为：
Ｂ。＝‰口，
ｋ＝老咖＝。蚴
Ｃｅ：盟（８）
～４５ａｐ
Ｊ。：—Ｕａ－２ＡＵ—－２Ｅ，一（９）
‘４”
２Ｒ、。’其中，△Ｕ为在额定导通状态下一个功率Ｊｒ关管的管ｊ区降，Ｒ为每相电枢电阻。
％Ｕｄ－Ａ２ＡＵ２磊Ｕｄ－２ＡＵ垅Ｊ５紫（１０）
ｄｆ＝Ｂ“ｌ。ｄｒ
ｌ。＝２￡Ｂ。ｌ，ｒｄｒ＝Ｂ。ｌＪ哇一ｒ？、
＿：掣ｏ
＝ＺＮＢ，ｈ，Ｉ。＠一ｒｔ２）
＝；Ⅳ警。
。等吖。
＝ｃｒ叱１。
其巾，转矩常数
Ｃ，：４Ｎｐ
１
３：ｒｏｔ，
因为在额定状态下定子内径处的电负荷ｉＩｒ农达为“塾：丝．
’
２ｔｒｒ３３丌，Ｉ
所以式（１２）又可以表示为：
７二＝２，厅Ｊｊ％＾（，？一‘２）
设珥和Ｂ跏为一定值，当ｒ２一定时，
舍
盟：ｏ．
如（１２）（１３）（１４）（１５）
可得当ｋ，＝２＝√３时，７０有最大值。
‘
从减少用铜量的角度而吉，颤越大越好，因为这可以减！ｐ匝数。但是，ｔ越大，内径越小，对导线的撵放不利。
２．Ｓ磁极设计
２．５．１撮效和极弧系数
对于一定的极弧系数，采用较少的极数使极问距离增加，漏磁显著减少。但是极数太少，对电机的效率和运行平稳性都不利。所以盘武水磁电动机尽管漏磁很大。但为了有较高的效率，仍然采用较多的极数，一般为６～１２极。
减小极弧系数有利于减少漏磁，ｆＨ会０｝起每极磁通壤降低，瓶磁通齄的降低又会导致匝数加大和气隙增大，一般情况下取０．８左右为佳。
２．６２００Ｗ电机的设计
２．６．１手算程序示例
１．性能要求
（１）额定电压Ｕｄ＿３６Ｖ
（２）额定转速ｎＮ＝１７５ｒｐｍ
（３）额定功率Ｐ２Ｎ＝２００Ｗ
（４）额定效率ｎ铲７７．６５％
２．磁极设计
２．磁极设计
（５）永磁体形状
（６）永磁体外径
∽永磁体内径
ｆ８）永磁体轴向长度（９）极对数
（１０）每极夹角
（１１）极弧系数
（１２）永磁体每极截面积
’／
、，弋一
图１—１１磁极罔
扇形
Ｄｍ０＝Ｊ６．２６ｃｍ
Ｄｍｉ＝９２４ｃｍ
ｈ。；０７９ｃｍ
ｐ＝６
ＩＪ【）２４
ａ．：堕一６ｘ２４ｏ．８
ａ，２前２—丽刮湛
爿。：竺翌丝：型坐塑堕堕丝兰丝：９３７２９。ｍ２
一”
８口８×６
……～（１３）每转子上永磁体体积
圪＝２叫。吮＝２×６ｘ９．３７２９ｘｏ７９＝８８．８５５Ｃ／Ｄ３
（１钔选择烧结钕铁硼Ｎ－３３Ｓｂｌ，性能如下：
Ｂｒ＝１．１丁ｒＨｃ＝８８４ｋＡ／ｍ＝８８４０Ａ／ｃｍ，Ｊ。７．４出ｎｌＪ
（１５）每转子上永磁体质量
Ｍ。＝Ｐ。吃×１０３＝７．４×８８８５５×１０１＝ｏ６５７５ｋｇ
３．主要尺寸
ｎ门。３
Ｐｉｈｒ—ｒ－
．ＪＬ
（１６）定Ｊ二外｛ｔ（１７）定。ｒ内｛ｔ（１８）转ｆ外往（１９）转。ｆ内往ｆ２０）转ｆ喜ＩｌＪ向Ｋ（２１）定子轴向长ｆ２２）ｊ！‘￡Ｊ！｜；ｆ
ｆ２３）附加气隙（丰ＩＩｉ接磁铡引起）
（２４）气隙总长４．磁路计算
（２５）计算极弧系数’“．一一，一０．８
（２６）气隙磁势的分布系数衅一ｏ．９６
此系数表示气隙平均磁密与磁极、Ｈ匀、ｆ！舱处磁懈『内比ｆＩ＿ｆ。
０如Ｓ
ｍ
ｂ
吣峪
０¨１０鲫０ａ㈨Ｉ二旷胪旷叫婚忻＂删１ｒⅫｍ∞¨蛐ｊ岍ｈ＝ｎ
ｎ
Ｄｎｋ
ｋ—ｄ占誉燕
圭塑苎塑叁兰些！：堂丝堡；！！；
（２７）一个极内的气隙面积
以＝！塑ｉ二堡！：！：！兰！！！！！！∑！！：塑８ｐ８×６
（２８）取空载漏磁系数为
Ｏｏ＝１．４５
（２９）预取磁钢空载工作点
６。二Ｏ．５４６２
（３０）空载气隙磁通中。：姒。仃０＝７５１０４ｃｍ２
１０一～０，５４６２ｘ］．１７。９．３７２９ｌ４５
×１０一＝４．１３０７×１０一４ｗｂ（３】）一个极气隙磁压降Ｂ
：』皇ＬＪ×１０：—４．１３０７。１０．４—ｘ０．７０５。１０：３０８６
Ａ。胁ＡＪ４×３１４１６×７５１０４（３２）定子轭部计算长度（一对橄）
“＝鼍≯＝主坐堕！史！…＋Ｉ一０墅４×６
＝３３３８０ｃｍ
（３３）转子轭部计算长度（一对极）
Ｌ，：：型玉芷生！：型坐塑墅塑！：２６８３５。。
”４ｐ４×６
（３４）定子轭部磁密Ｂ１：—塾娶～：Ｔ
ｊ２。４．１３０７×１０－４×１０４
１．６８０４
１，。Ｉ（Ｄｏｌ～ＤＪｌ）ｋ１１５×（１５一ＩＯ５）×Ｏ９５
（３５）转子轭部磁密％：』蛑：—４．１３０７。１—０－４ｘ１０４：１ｔ１０１５Ｔ
”ｌａ２（Ｄｏ：一口：）ｏ３≮０６５—４）
（３６）定子用ＤＷ４６５－５，由《微特电机设计于册》杏其磁化曲线．得Ｈｉｌ＝４４．７１９２
Ｍｅｍ。转予用１０≈钢，查于册巾的磁化曲线，得Ｈｉ２＝６．８３９７Ａ／ｅｒａ。
（３７）一对极磁压降
ＺＦ＝ＦＩ、＋Ｆ１１七２Ｆ５＝ＨｎＬＩ、＋Ｈｎｉ。｜ｌ七２Ｆ５
＝４４．７１９２×３．３３８０＋６８３９７×２６８３５＋２×３０８６
＝６３３８７９Ａ
（３１１）空载工作点计算值
６。：１一三生：ｌ～一婴旦一：ｏ５４６２
ｋ一一赫叫一熹嵩蒜卸５４６２合格
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。
《电力拖动技术课程设计》报告书 直流电动机调速设计 专业：电气自动化 学生姓名： 班级： 09电气自动化大专 指导老师： 提交日期： 2012 年 3 月
前言 在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工效率。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/0a5684803.html, 无刷直流电机的建模与仿真 作者：秦超龙 来源：《电脑知识与技术》2013年第05期 摘要：该文在分析无刷直流电机（BLDCM）数学模型和工作原理的基础上，利用Matlab 软件的Simulink和PSB模块，搭建无刷直流电机及整个控制系统的仿真模型。该BLDCM控制系统的构建采用双闭环控制方法，其中的电流环采用滞环电流跟踪PWM，速度环采用PI控制。仿真和试验分析结果证明了本文所采用方法的有效性，同时也证明了验证其他电机控制算法合理性的适用性，为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。 关键词：BLDCM控制系统；无刷直流电机；数学模型；MATLAB；电流滞环 中图分类号： TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）05-1172-03 随着现代科技的不断发展，无刷直流电动机应用技术越发成熟，应用领域也越发广泛，用户对无刷直流电动机使用增多的同时，对其控制系统的设计要求也变得越来越高。包括低廉的设计和搭建成本、短的开发周期、合适的控制算法、优良的控制性能等。而科学合理的无刷直流电动机控制系统仿真模型的建立，对控制系统的直观分析、具体设计，快速检验控制算法，降低直流电机控制系统的设计成本，拥有十分重要的意义。 直流无刷电动机利用电子换向原理和高磁性材料，取代了传统的机械换相器和机械电刷，解决了有刷直流电动机换向器可维护性差和较差的可靠性的致命缺点，使得直流电动机的良好控制性能得到维持，直流电动机得到更好的应用。伴随着如今功率集成电路技术和微电子技术的发展，控制领域相继出现了大量无刷直流电动机专用驱动和控制芯片，解决高性能无刷电动机驱动控制问题所提出的解决方案也变得更加丰富和科学，无刷直流电机在控制领域显示出前所未有的广阔应用前景[1]。 通过无刷直流电动机控制系统的仿真模型来检验各种控制算法，优化整个控制系统的方法，可以在短时间内得到能够达到预期效果的控制系统。在对无刷直流电机电流滞环控制和数学模型等分析的基础之上，可以利用Simulink中所提供的各种模块，构建出BLDCM控制系统的仿真模型，从而实现只利用Simulink中的模块建立BLDCM控制系统仿真模型。通过对实例电机的仿真，可以得到各类仿真波形，从而验证了仿真模型的有效性和正确性，数学模型的有效性及控制系统的合理性也得到了验证。 1 无刷直流电机的数学模型 本文采用两相导通三相六状态的无刷直流电动机来分析无刷直流电动机的数学模型[2-3]。 无刷直流电动机的感应电动势为梯形波，电流为方波。考虑到分析的方便、无刷直流电动机的特点，该文直接利用电动机本身的相变量建立物理模型，假定：
直流电动机分类 直流电动机按结构及工作原理可划分：（1）无刷直流电动机和（2）有刷直流电动机。 （1）无刷直流电动机：无刷直流电动机是将普通直流电动机的定子与转子进行了互换。其转子为永久磁铁产生气隙磁通：定子为电枢，由多相绕组组成。在结构上，它与永磁同步电动机类似。无刷直流电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同．在铁芯中嵌入多相绕组(三相、四相、五相不等)．绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器的各功率管相连，以便进行合理换相。转子多采用钐钴或钕铁硼等高矫顽力、高剩磁密度的稀土料，由于磁极中磁性材料所放位置的不同．可以分为表面式磁极、嵌入式磁极和环形磁极。由于电动机本体为永磁电机，所以习惯上把无刷直流电动机也叫做永磁无刷直流电动机。 （2）有刷直流电动机可划分：（2、1）永磁直流电动机和（2、2）电磁直流电动机。 （2、1）永磁直流电动机划分：稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 （2、1、1）稀土永磁直流电动机：体积小且性能更好，但价格昂贵，主要用于航天、计算机、井下仪器等。
（2、1、2）铁氧体永磁直流电动机：由铁氧体材料制成的磁极体,廉价，且性能良好，广泛用于家用电器、汽车、玩具、电动工具等领域。 （2、1、3）铝镍钴永磁直流电动机：需要消耗大量的贵重金属、价格较高，但对高温的适应性好，用于环境温度较高或对电动机的温度稳定性要求较高的场合。 （2、2）电磁直流电动机划分：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。 （2、2、1）串励直流电动机：电流串联，分流，励磁绕组是和电枢串联的，所以这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以直流串励电动机通常用较粗的导线绕成，他的匝数较少。 （2、2、2）并励直流电动机：并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。 （2、2、3）他励直流电动机：励磁绕组与电枢没有电的联系，励磁电路是由另外直流电源供给的。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。
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
目录 1．直流电动机简介 (1) 2．直流电动机的相关内容 (1) 3．直流电动机调速简介 (4) 4．他厉直流电动机的调速方法 (6) 5．设计内容 (10) 6．结论 (12) 7．参考文献 (13) 8．致谢 (14) 9．设计感想 (15)
直流电动机调速设计 一. 直流电动机 直流电动机是人类最早发明和应用的电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂，维护困难，价格较贵等缺点制约了它的发展，但是由于直流电动机具有优良的起动，调速和制动性能，因此在工业领域中占有一席之地。它是实现了电能转换成机械能的电机。 二.有关内容： 〈一〉直流电动机的分类 1、他励直流电动机 2、并励直流电动机 3、串励直流电动机 4、复励直流电动机 〈二〉直流电动机用途 直流电动机具有优良的调速性能，调速范围宽，精度高，平滑性好，且调节方便，还具有较高的过载能力和优良的起动、制动性能，因此直流电动机特别适合于要求宽度调速范围的电气传动和有特殊性能要求的自动控制系统，例如：轧钢机、电力机、城市电车等。 直流电机与交流电机相比，其主要的缺点是换向问题。它限制了直流电机的最大容量，增加了运行维护工作量，也导致其制造成本较高。但目前仍有不少场合使用直流电动机。
〈三〉直流电动机的结构 图1 直流电机装配结构图 1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极 6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心 直流电动机主要由磁极，电枢，换向器三部分组成。 （1）磁极是电动机中产生磁场的装置，它分为极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空隙中磁感应强度得分布最为合适，并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的，固定在机座上；机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。 （2）电枢。电枢是电动机中产生感应电动势的部分。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心成圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组。（3）换向器。换向器是直流电动机的一种特殊装置，主要有许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组可以同外电路连接。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。
基于MATLAB／SIMULINK的无刷直流电动机系统仿真 0引言 无刷直流电机（Brushless DC Motor，以下简称BLDCM），是随着电力电子技术和永磁材料的发展而逐渐成熟起来的一种新型电机。为了有效的减少控制系统的设计时间，验算各种控制算法，优化整个控制系统，有必要建立BLDCM 控制系统仿真模型。本文在BLDCM数学模型的基础上，利用MATLAB的SIMULINK和S-FUNCTION建立BLDCM的仿真模型，并通过仿真结果验证其有效性。 1无刷直流电机仿真模型 本文在MATLAB的SIMULINK的环境下，利用其丰富的模块库，在分析BLDCM数学模型的基础上，建立BLDCM控制系统仿真模型，系统结构框图如图1所示。
图1 无刷直流电机控制原理框图 以图1为基础，按照模块化建模的思想搭建的系统的仿真模型如图2所示。整个控制系统主要包括电动机本体模块、逆变器模块、电流滞环控制模块、速度控制模块等。 图2 无刷直流电机控制系统仿真模型框图 1.1电动机本体模块 在整个控制系统的仿真模型中，BLDCM本体模块是最重要的部分，该模块根据BLDCM电压方程求取BLDCM三相相电流，而要获得三相相电流信号i a，i b，
i c必须首先求得三相反电动势信号e a，e b，e c，整个电动机本体模块的结果如下图3所示。电机本体模块包括反动电势求取模块，中性点求取模块，转矩计算模块和位置检测模块。 图3 电机本体模块 1.反电势求取模块 本文直接采用了SIMULINK中的Lookup Table模块，运用分段线性化的思想，直观的实现了梯形波反电动势的模拟，具体实现如图4所示。
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
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 直流电动机调速系统设计 初始条件： 采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。 要求完成的主要任务: （1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构； （2）设计出触发系统和功率放大电路； （3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。 (4) 器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗 器选择、晶闸管保护设计 参考文献： [1] 周渊深.《电力电子技术与MATLAB仿真》.北京：中国电力出版社， 2005:41-49、105-114 时间安排： 2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 1概述 0 2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 0 2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成 0 2.2 稳态结构框图和静特性 (1) 3双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析 (2) 3.1双闭环直流调速系统的动态数学模型 (2) 3.2双闭环直流调速系统的动态过程分析 (3) 4转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计 (5) 4.1转速和电流两个调节器的作用 (5) 4.2调节器的工程设计方法 (5) 4.2.1设计的基本思路 (6) 4.3 触发电路及晶闸管整流保护电路设计 (6) 4.3.1触发电路 (6) 4.3.2整流保护电路 (7) 4.3.2.1 过电压保护和du/dt限制 (7) 4.3.2.2 过电流保护和di/dt限制 (8) 4.4 器件选择与计算 (8) 5心得体会 (13) 参考文献 (14) 附录：电路原理图 (15)
中图分类号:T M36+ 1 文献标志码:A 文章编号:100126848(2009)0320036203 三槽无刷直流电动机 吕学文,吕瑰丽,范 瑜 (北京交通大学电气工程学院,北京 100044) 摘 要:介绍了分数槽无刷直流电动机的优点,分析了三槽无刷直流电动机的特点、结构、控制系统与工作原理和控制方法等。实验结果表明,系统的硬件及控制策略设计合理,具有良好的运行性能。 关键词:无刷直流电机;反电势法;实验 Three 2teeth Slotted Brushless D i rect Curren tM otor LV Xue 2wen,LV Gui 2li,F AN Yu (Electrical Engineering School of Beijing J iaot ong University,Beijing 100044,China ) Abstract:The advantage of fracti onal sl otted brushless direct current mot or (BLDC Mot or )was intr o 2duced .Characters of three 2teeth sl otted BLDC mot or were analyzed .The structure,operati on p rinci p le and contr ol strategy of contr ol syste m were researched . It was shown that the hardware and contr ol strate 2 gy of this syste m were reas onable and good running perf or mance .Key W ords:B rushless DC mot or;Back E MF method;Ex peri m ent 收稿日期:2008203205 0 引 言 无刷直流电动机(BLDC M )既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好的特点,故在当今国民经济的诸多领域,如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。在有些领域,如家用小电器、电动玩具等,出于成本和制造工艺的考虑,希望所用电机越简单越好,因此三槽直流电机曾经风靡一时,但是由于传统的直流电机都采用电刷机械方法换向,因此会产生火花和电磁干扰,使电机寿命短,限制了其应用。文献[1]中提及的三槽无刷直流电机的方案给人们很大 启发。三槽无刷直流电机既具备三槽直流电机的结构简单和制造方便的特点,又可以避免其机械换向产生的火花、电磁干扰等缺点,改善了其性能,扩大了其应用领域。 1 分数槽电机 设电机总槽数为z ,极对数为p ,相数为m ,则每极每相槽数为: q =z 2m p (1) q 为整数,则为整数槽绕组;q 为分数,则为 分数槽绕组。本文所讨论的三槽无刷直流电机中, z =3,p =1,m =3,则: q = z 2m p =32×3×1=1 2 (2) 故三槽无刷直流电机属于分数槽电机的一种。采 用分数槽的主要优点是:(1)电枢冲片的齿槽数减少,便于电枢冲片和铁心的制作;(2)每个齿上绕制一个集中线圈,从而可采用自动绕线机绕制,可以显著地提高劳动生产率,降低电动机的制造成本;(3)能显著地缩短电枢线圈的端部长度,节省铜材,并减小电枢漏抗,增加电动机的出力,提高灵敏度和效率;(4)减小齿槽效应引起的转矩脉动 [2] 。 2 三槽无刷直流电动机 211 电机本体 有的应用场合,如剃须刀、录音机、小玩具、内置式血泵等,主要从电机的的体积和电磁功率两个方面去考虑电机本体的设计。从无刷直流电机的设计角度来讲,在电磁负荷一定时,电动机的体积随电动机电磁功率的增加而增加,随电动 ? 63?微电机 2009年第42卷第3期
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
第一章：概述 直流电动机是人类发明最早和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因结构复、维护苦难，价格昂贵等缺点制约了它的发展，应用不及交流电机广泛。但由于直流电动机具有优良的启动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。 转速调节的主要技术指标是：调速范围D和负载变化时对转速的影响即静差率，以及调速时的允许负载性质等（静差率就是表示在负载变化时拖动装置转速降落的程度。静差率越小，表示转速稳定性越好，对生产机械，如机床加工的零件，其加工的精度及表面光洁度就越高）。而直流电动机的突出优点是恰好是能在很大的范围内具有平滑，平稳的调速性能，过载能力较强，热动和制动转矩较大。 因此，从可靠性来看，直流电动机仍有一定的优势。 调节直流电动机转速的方法有三种： （１）电枢回路串电阻； （２）改变励磁电流； （３）改变电枢回路的电源电压； 而本文从另一个角度来阐述直流电机的速度控制，即利用自动控制中的反馈来调节电机的平稳运行以达到各项性能指标。
第二章：系统数学模型 本系统的简化方框图为： 其对应的原理图为： 控制系统的被控对象为电动机（带负载），系统的输出量是转速w ，参数亮是Ui 。控制系统由给定电位器、运算放大器1（含比较作用）、运算放大器2（含RC 校正网络）、功率放大器、测速发电机、减速器等部分组成。 工作原理为：当负载角速度ω和电动机角速度m ω一致的时候，反馈电压为0，电机处于平衡状态即电动机运行稳定。当负载的角速度收到干扰的作用时，ω和m ω失谐，控制系 统通过反馈电压的作用来改变m ω直到达到新的一致使系统恢复稳定，电机稳定运行。
2.1直流电动机的数学模型： 直流电动机的数学模型。直流电动机可以在较宽的速度范围和负载范围内得到连续和准确地控制，因此在控制工程中应用非常广泛。直流电动机产生的力矩与磁通和电枢电流成正比，通过改变电枢电流或改变激磁电流都可以对电流电机的力矩和转速进行控制。图2.2是一个电枢控制式直流电动机的原理图。在这种控制方式中，激磁电流恒定，控制电压加在电枢上，这是一种普遍采用的控制方式。 设为输入的控制电压 电枢电流 为电机产生的主动力矩 为电机轴的角速度 为电机的电感 为电枢导数的电阻 为电枢转动中产生的反电势 为电机和负载的转动惯量 根据电路的克希霍夫定理 (2-1) 电机的主动转矩 (2-2) 其中为电机的力矩常数。 反电势 (2-3) 式中为电机反电势比例系数 力矩平衡方程
无刷直流电动机无传感器低成本控制方法关键词：无刷直流电动机无位置传感器控制可编程逻辑器件 1引言 无刷直流电机的无传感器控制是近年来电机驱动领域 关注的一项技术。无位置传感器控制的关键在于获得可靠 的转子位置信号，即从软、硬件两个方面间接获得可靠的 转子位置信号来代替传统的位置传感器［1~3］。采用无传感 器控制 技术的无刷电机具有结构简单、体积小、可靠性高和可维 护性强等优点，使其在多个领域内得到了充分的利用［4］。 目前对于无传感器无刷电机的控制多采用单纯依靠 DSP软件控制的方法［5］，但 是由于控制算法计算量大，执行速度较慢，且DSP 成本较高，不利于以后向市场推广。同时也出现了应用于 无传感器BLDCM控制的一些专用的集成电路［6］，但由于 这些芯片可扩展性和通用性较 低，而且价格昂贵，只适用于低压、小功率领域。为了扩 展无传感器BLDCM应用领域，降低其控制系统的成本， 扩充控制系统的功能，增加控制系统的灵活性，本文以 MCU+PLD方式组成控制系统的核心，利用PLD数字逻 辑功能，分担MCU 的逻辑运算压力，使MCU和PLD的 功能都得到了最大程度的发挥。对于无位置传感器 BLDCM 控制系统，本文着重分析了换相控制策略和闭环调速，最 后通过仿真和实验，验证了控制系统的合理性和可行性。 2系统的总体硬件设计 本文中所设计系统是以8位PIC单片机和 PLD构成的硬件平台，硬件结构框图如图1所示。 功率逆变电路采用三相全桥逆变结构，电机定子绕组 为Y接法，电机工作模式为三相6状态方式。在本文无传 感器控制方式中采用反电动势过零位置检测方法，位置检 测电路根据电机端电压获取3路位置信号，将信号送入 PIC单片机进 行软件移相后得到3路换相信号，由可编程逻辑 器件进行逻辑解码后输出6路驱动开关管的前极 信号，通过驱动芯片IR2233产生驱动信号以控制 各开关管的导通与关断。该系统采用速度单闭环方式，通 过改变PWM的占空比以达到调速的目的。 本文中选用Microchip 公司的单片机PIC16F874作 为控制核心，它内部有8K的FLASH 程序存储器，368字 节的数据存储器（RAM），256字节的EEPROM数据存 储器，14个中断源， 8级深度的硬件堆栈，3个定时/计数器，两个捕 捉/比较/PWM （CCP）模块，10位多通道A/D转换器 等外围电路和硬件资源⑹。这些使得运用 PIC16F874在设计硬件电路时，控制电路大大简化，可靠 性提高，调试更加方便。 PIC16F874单片机的B端口的4~7 口具有电平变 化中断的功能，利用RB5~RB7作为反电动 势的过零点检测信号的输入，如已开RB 口中断， 一旦有过零点出现（发生电平的变化）就进入RB 口中断服 务。利用CCP模块输出占空比可调的信号，可实现直流 电机调速。 3控制方法 3.1软件相移补偿 由于采用脉宽调制技术进行调速，导致无刷电 机端电压波形中存在一定的高频调制分量，因此在反电势检 测中必须采用有源低通滤波电路以滤除高频分量，避免得到 图1系统总体结构硬件框图
直流电动机调速设计
直流电动机调速设计 一、要点： 加深对《电机与拖动》这门学科的理解，拓展知识面，并了解直流电动机调速在实际生产中的应用。 要在设计的过程中充分利用已经掌握的《电机与拖动》的知识来解决问题，要做到理论联系实践。 通过计算和绘图，学会运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术指标资料等，培养电机设计的基本技能。 掌握对直流电动机的三中调速方法； 掌握各种方法对直流电机调速的原理和步骤； 理解各种方法电机调速的优缺点； 培养独立思考问题和独立解决问题的能力。 二、原理： (一)、直流电动机的物理模型： 直流电动机的物理模型图 这是分析直流电机的物理模型图。 其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的) 上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。 （二）、直流电动机的工作原理
（三）、直流电动机的励磁方式： （1）定义：直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式，实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何连接，就决定了它是什么励磁方式。 （2）分类：他励式和自励式 他励式：若励磁绕组不和电枢绕组连接，励磁绕组单独有其他电源供电的直流电机称为他励式直流电机。 自励式：分为串联式、并励式、复励式三种。 （四）、直流电动机的分类： 1、他励直流电动机； 2、并励直流电动机； 3、串励直流电动机； 4、复励直流电动机。 （五）、调速的含义： 在实际的生产过程中，很多方面都要求能改变电机的工作速度。例如金属切削机床，由于加工工件的精度要求不同，对电机工作时的速度的要求也就不同。所谓调速就是根据电力拖动系统的负载特系的特点，通过改变电动机的电源电压、电枢回路电阻或减弱磁通而改变来改变电动机的特性来人为的达到给系统调速的目的，以满足实际的工作需要的一种方法。 （六）、调速的方法有三种： 1、改变电枢电阻调速；
. .. 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。
三江学院 本科毕业设计（论文） 题目基于TI2812 DSP的无刷直流电动机 控制软件设计 电气与自动化工程学院院电气工程及其自动化专业学号B05071006 学生姓名邢小强 指导教师熊田忠 起讫日期2009年2月23日至2009年5月25日设计地点L422
摘要 无刷直流电机既具有直流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，还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，现已广泛应用于工业控制的各个领域。 本文在对无刷直流电动机调速系统的发展及应用综述的基础上，介绍了采用DSP芯片对无刷直流电动机进行换向与转速控制的微机控制系统。文中给出了系统的总体设计方案，分析了无刷直流电机的工作原理、控制电路、驱动电路，提出了软件控制无刷电机的策略。阐述了软件框架的基本结构以及各个模块的具体设计方法。文中还对DSP芯片（TMS320F2812）进行了一些介绍。 最后运用实际的硬件平台以及上位机软件（LabVIEW）对无刷直流电动机进行监控，证明了该系统工作良好，达到了预期目标。 关键词：无刷直流电动机，DSP芯片，软件控制
Abstract Brushless DC motor with a DC motor is simple in structure, reliable operation, easy maintenance, such as a series of advantages, also has high efficiency AC motor run, no excitation loss and good speed, and many other advantages, has been widely used in various industrial control field. This article in the brushless DC motor speed control system overview of the development and application on the basis of the paper introduces the DSP chip on the exchange of brushless DC motor and speed control to the Microcomputer Control System. In this paper, the overall design of the system program, analysis of the brushless DC motor working principle, control circuit, driver circuit, a software strategy for brushless motor control. Framework set out the basic structure of software modules, as well as the specific design methods. The article also DSP Core (TMS320F2812) to introduce a number. Finally, the use of the actual hardware platform, as well as PC software (LabVIEW) for brushless DC motor control, show that the system is good, reaching the target. Keywords: brushless DC motor, DSP chips, Control Software