电动车直流无刷电动机的调速控制 作者：黄涛李晶李志刚单位：武汉理工大学信息学院 摘要：对当前无刷电动机在电动车领域的应用做了简单分析，简要介绍了直流无刷电动机的组成和工作原理，提出设计总体方案，详细阐述了驱动电路组成和调速部分的具体实现方法，并且介绍了电路的过流保护功能。 关键词：直流无刷电动机霍尔位置传感器驱动电路调速过流保护 中图分类号:TP332.3 文献标示码: B Timing Control to the Brushless electromotor of Electric-automobile Author: HuangTao LiJing LiZhigang Department: Information College Wuhan University of Technology Abstract：Analyze simply to the application of Brushless electromotor in Electric-automobile field.Take a introduction to the composing and principle of Brushless electromotor.Give a designing blue print and the material method of the driving circuit and timing control circuit.Moreover,introduce the function of over-current protection. Key words: Direct current Brushless electromotor Hall position sensor Driving circuit Timing Control Over-current protection 1.引言 随着当前油价上涨，能源紧张以及人们环保意识的不断加强，具有“节能、环保、轻便灵活”等特点的电动车越来越受到了人们的青睐。目前市场上电动车大多数停留在有刷电动机阶段。有刷电动机采用机械换向，对控制系统的技术要求较低，但是相比无刷电动机，有刷电动机存在着明显的劣势：寿命短，噪声大，效率低，返修率较高，因此电动车采用直流无刷电动机做为驱动系统是一个必然的大趋势。针对这种情况，本文介绍了对电动车直流无刷电动机调速控制的一套切实可行的设计方案，该方案可实现对三相无刷电动机转速进行精确控制。 2. 无刷电动机基本组成和工作原理 2.1 基本组成 直流无刷电动机的结构原理如图1所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。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连接。本设计主要实现电子开关线路的功能。
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
无刷电机工作及控制原理(图解） 左手定则，这个就是电机转动受力分析得基础，简单说就就是磁场中得载流导体,会受到力得作用。 让磁感线穿过手掌正面，手指方向为电流方向,大拇指方向为产生磁力得方向,我相信喜欢玩模型得人都还有一定物理基础得哈哈.
让磁感线穿过掌心，大拇指方向为运动方向，手指方向为产生得电动势方向。为什么要讲感生电动势呢?不知道大家有没有类似得经历，把电机得三相线合在一起,用手去转动电机会发现阻力非常大，这就就是因为在转动电机过程中产生了感生电动势，从而产生电流，磁场中电流流过导体又会产生与转动方向相反得力，大家就会感觉转动有很大得阻力。不信可以试试. 三相线分开,电机可以轻松转动 三相线合并，电机转动阻力非常大 右手螺旋定则，用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致,那么大拇指所指得那一端就就是通电螺旋管得N极。
状态1 当两头得线圈通上电流时，根据右手螺旋定则,会产生方向指向右得外加磁感应强度B(如粗箭头方向所示），而中间得转子会尽量使自己内部得磁感线方向与外磁感线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。 当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受得转动力矩最大.注意这里说得就是“力矩”最大,而不就是“力”最大。诚然,在转子磁场与外部磁场方向一致时，转子所受磁力最大，但此时转子呈水平状态，力臂为0，当然也就不会转动了。补充一句,力矩就是力与力臂得乘积。其中一个为零,乘积就为零了. 当转子转到水平位置时,虽然不再受到转动力矩得作用，但由于惯性原因,还会继续顺时针转动，这时若改变两头螺线管得电流方向,如下图所示,转子就会继续顺时针向前转动, 状态2 如此不断改变两头螺线管得电流方向,内转子就会不停转起来了。改变电流方向得这一动作，就叫做换相。补充一句：何时换相只与转子得位置有关,而与其她任何量无直接关系。 第二部分：三相二极内转子电机 一般来说,定子得三相绕组有星形联结方式与三角联结方式，而“三相星形联结得二二导通方式”最为常用，这里就用该模型来做个简单分析。
Right after turn on the power of the ESC, it will denote a series sound indicating the ESC is starting work . it will then auto-setting the throttle neutral denoted by LED in which fast inter-flashing with yellow &red light .While succeed in setting neutral ,it will then denoted by another confirmation sound &the LED2 will slowly inter-flash with yellow & red light .lf it is failed setting neutral ,there will be no any confirmation sound Please re-do & re-check the system again starting from step 1 of this instruction . this ESC is applicable to the transmitter with the setting of 1/2 throttle &1/2 brake/reverse. 在之后打开ESC，它的电源将表示表明系列的声音ESC开始工作。它将然后节流孔中性由LED表示快速相互闪动与黄色&red光的自动设置。当在设置中性成功时，它将然后表示由另一确认声音&the LED2慢慢地将与黄色的相互闪光&红灯.lf它是不合格的设置中性，将没有所有确认声音从第1步开始请再做&再复校系统这指示。这ESC是可适用的对与1/2节流孔&1/2闸或相反设置的发射机 紧接着在人事编制小组委员会打开电源，它的声音会表示一系列指示人事编制小组委员会已开始工作。然后，它将自动设定油门中立由LED表示，其中间快速，黄色和红色指示灯闪烁。虽然成功地设置中立的，它就会记为另一个确认声音暨LED2是会慢慢地跨着黄色和红色闪光。低频是无法设定中性的，不会有任何确认的声音，请重新做和重新检查系统再次从步骤1开始的这一指示。这ESC是适用于与1 / 2油门＆1 / 2刹车/反向设置发射器。
无位置传感器直流无刷电机原理 位置传感器的直流无刷电机的换向主要靠位置传感器检测转子的位置，确 定功率开关器件的导通顺序来实现的，由于安装位置传感器增大了电机的体积， 同时安装位置传感器的位置精度要求比较高，带来组装的难度。 研究过程中发现，利用电子线路替代位置传感器检测电机在运行过程中产 生的反电动势来确定电机转子的位置，实现换向。从而出现了无位置传感器的 直流无刷电机，其原理框图如图3．1所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2-1无位置传感器无刷直流电机原理图 无位置传感器无刷直流电机(BLDCM)具有无换向火花、无无线电干扰、寿 命长、运行可靠、维护简便等特点，而且不必为一般无刷直流电机所必须的位 置传感器带来的对电机体积、成本、制造工艺的较高要求和抗干扰性差问题而 担忧，因此应用前景广阔。 由图2-1无刷直流电动机的运行原理图可知，当电机在运行
过程中，总有 一相绕组没有导通，此时可以在该相绕组的端口检测到该绕组产生反电动势， 该反电动势60度的电角度是连续的，由于电机的规格，制造工艺的差别，导致 相同电角度的反电动势值是不同，如要通过检测反电动势的数值来确定转子的 位置难度极大。因此必须找到该反电动势与转子位置的关系，才能确定转子的 位置。 由于BLDCM的气隙磁场、反电势、以及电流波型是非正弦的，因此采用 直交轴坐标变化不是很有效的分析方法。通常直接利用电机本身的相变量来建 立数学模型。假设三相绕组完全对称，磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，忽 略齿槽相应，则三相绕组的电压平衡方程则可以表示为：根据电压方程得电机的等效电路图，如图2．2所示：
2．3．2反电势法电机控制的原理 无刷直流电机中，受定子绕组产生的合成磁场的作用，转子沿着一定的方 向转动。电机定子上放有电枢绕组，因此，转子一旦旋转，就会在空间形成导 体切割磁力线的情况，根据电磁感应定律可知，导体切割磁力线会在导体中产 生感应电热。所以，在转子旋转的时候就会在定子绕组中产生感应电势，即运 动电势，一般称为反电动势或反电势哺1。· 对于稀土永磁无刷直流电机，其气隙磁场波形可以为方波，也可以是梯形 波或正弦波，与永磁体形状、电机磁路结构和磁钢充磁等有关，由此把无刷直 流电机分为方波电机和正弦波电机。对于径向充磁结构，稀土永磁体直接面对 均匀气隙，由于稀土永磁体的取向性好，所以可以方便的获得具有较好方波形 状的气隙磁场，对于方波气隙磁场的电机，当定子绕组采用集中整距绕组，即 每极每槽数q=l时，定子绕组中感应的电势为梯形波，如图加
如何自制一架无线电遥控模型飞机 第一节无线电遥控模型飞机的构成 无线电遥控模型飞机是航空模型家族中种类最多、最有趣，也最能锻炼参与者动手动脑能力的一种模型。大部分的遥控模型都可以自己制作机身部分，配以相应的动力、舵机等设备就可以在天空中翱翔。本章只介绍适合中小学生参与自制的简易遥控模型飞机。 一架简易的遥控模型飞机，大致由四个部分组成：动力系统、舵机、控制系统（发射机和接收机）、机身，下面分四个小结介绍这几个部分。 一、动力系统 模型飞机采用的动力可以分两大类：油动和电动。油动的一般用甲醇两冲程或四冲程发动机、汽油发动机来带动螺旋桨，电动的用有刷或无刷电机带动螺旋桨，另有涡轮发动机也被使用在遥控模型上。这里只介绍采用电动机作为动力的模型。 1.无刷电机——初学航模的首选 七八十年代，由于电子技术发展相对落后，遥控模型飞机通常采用甲醇发动机，飞行起来危险性较大，在飞行时需要准备的附件如油泵、启动器等较多，近些年兴起的电动模型飞机具有小巧灵活、携带方便、飞行安全、成本低廉等特征，深受广大航模爱好者的喜爱。 航模用电动机大致有两种：有刷直流电机和无刷交流电机。在电动模型飞机刚刚兴起时，大部分的飞机都采用有刷直流电机，电能转化为机械能效率不高，而且重量太重，已逐渐被无刷电机取代，本章着重介绍无刷电机。 上左图是一款国产无刷电机及其附件，右图是电机内部结构。无刷电机使用三相交流电，线圈绕组固定在机座上作为定子，永磁体作为转子在外部，一般也叫外转子无刷电机（内转子无刷电机一般用于直升机，这里不作介绍）。初入门的需要了解以下几个参数： 电机型号：国内出厂的电机一般只标示其尺寸大小而不标示功率，比如一款电机标示A2212/6T，代表电机定子的直径为22mm，高度为12mm，6T代表线圈绕组匝数为6匝。也有一些厂家标示其外部转子的尺寸。一般来说，尺寸越大的电机，相同电压下输出功率越大，匝数越少，转速越高。 电机KV值：KV值代表电机在空载（不装螺旋桨）情况下每增加1v电压，电机转速的增加量。比如KV值是2200KV的电机，在电压5V的情况下，空载转速是11000转/分钟。一般来说，相同尺寸的电机，KV值越高，就需要配以较小尺寸的桨，以免因过载而烧毁电机，而KV值较低的电机可以配大尺寸的桨，以达到较大的推力。在高速飞机上一般选用高KV 值的电机，低速或载重较大的飞机一般选用低KV值的电机。 2.无刷电调、锂聚合物电池——无刷电机为动力的标准配置 无刷电机要正常工作，必须要有调速器，也就是无刷电调。从电池中供出的电能是直流电，
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
第一章制作工具的准备 做为一个新入门的模型爱好者，首先遇到的问题就是：做模型需要一些什么工具呢？什么工具是即省钱又好用的呢？在这里我想谈一下自己的经验，希望对您有所帮助。 1.模型剪/钳 刃口由高强度金属制成且成斜口(也称斜口钳)，是将模型零件从板子上取下的工具，由于是斜口的，所以不会损坏零件。建议购买国产奥迪的，价格在18元左右。 2.笔刀 将零件剪下后，要将零件上多余的流道削去，就要用到笔刀，建议购买田岛的28元/把(8片刀片)在这里要提醒初学者由于笔刀很锋利，使用笔刀时刀口不要朝向自己，以免造成伤害。 3.锉刀 零件取下之后，还要进行打磨的工作，这时你就需要它。锉刀可以分为钻石粉锉刀(表面上附有廉价的钻石粉)以及螺纹锉刀，前者很适合打磨塑料;后者可以打磨蚀刻片。建议购买有各种形状的套装，一般价格不贵在20~50元左右。锉刀的清理可以用废旧的牙刷刷几下既可。 4.砂纸 在经过锉刀的粗打磨后，就要使用砂纸进行细加工，砂纸分为各种号数，号数越大就越细，建议购买800，1000。1200号水砂纸(在五金店均有售，价格在0。6元/张左右)720 5.胶水 零件打磨完毕以后，就要使用专门的模型胶水进行粘接，在这里笔者强烈建议购买田宫的溜缝胶水(25元/瓶)它流动性相当好，而且粘接强度适中，最重要的是它具有“渗” 的作用，这样就避免了由于胶水涂太多而溢出损坏零件。其他胶水还有模王的瓶装(小瓶10元/瓶大瓶25元/瓶)威龙胶水(8元/瓶现以不多见)等。 6.镊子 模型制作中经常要碰到细小零件，这时你就需要一把好用的镊子，建议购买弯头尖嘴，而且后面有锁扣的那种。 7.补土 一些模型由于开模的原因，在组合后会产生缝隙，这时就需要使用补土来填补。补土有很多种类:水补土，牙膏状补土，AB补土，保丽补土，红补土等，就功能上可以分为填补类:牙膏状补土塑型类:AB补土，保丽补土，红补土表面处理类:水补土。这里只介绍属填补类的牙膏状补土:一般市面上常见的是田宫和郡仕的产品，价格均为25元/支，笔者个人认为田宫的补土较为细腻，容易上手，但有干后收缩大的缺点，但还是建议初学者使用;郡仕补土为胶状，干后硬度大，且收缩小，但较难上手，不太适合初学者。 以上几种就是模型制作中最最基础的工具(不包括涂装工具，将另文介绍)，对于初学者来说这仅仅是踏向模型制作之路的第一步，如何使用好这些工具，是模型制作的基本功，也是成为高手的必经之路
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
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
无刷电调板制作说明 参数： 驱动方法： A、ppm 信号驱动 B、I2C 信号驱动 功率： 55W 电压： 7.2-14.8V 电流： 8.0-20A w w w .o u r a v r .c o m 转载请注明出处
电路图 w w w .o u r a v r .c o m 转载请注明出处
元件位置图： 正面： 反面: w w w .o u r a v r .c o m 转载请注明出处
元件清单 数量 元件 描述 位号 1 ATMEGA8-16 单片机 IC1 1 78L05 三端稳压块 IC 2 3 IRFR1205 功率MOSFET NA-, NB-, NC- 3 IRFR5305 功率MOSFET NA+, NB+, NC+ 3 BC817 三极管 T1, T2, T3 1 10R 电阻(100) R32 3 100R 电阻(101) R17, R19, R25 3 470R （ 680R ） 电阻(471/681) R2, R5, R8 2 1k 电阻(102) R27, R33 15 4k7 电阻(472) R1,R3, R4, R6,R7, R9,R11, R12, R13,R15, R18,R20, R21, R22, R26 5 18k 电阻(183) R10, R14, R16, R23, R24 1 LED 绿LED LED1 1 LED 红LED LED2 17 100nF 电容(104) C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C10, C11, C13, C15, C16, C17, C18,C19, C20 1 1uF 电容(105) C14 1 10uF/50V 电容(106) C12 1 330uF/25V 电解电容 C9 w w w .o u r a v r .c o m 转载请注明出处
中图分类号:T M 383 4+1 文献标识码:A 文章编号:1001 6848(2006)07 0088 02 电动车用无刷直流电动机的调速控制 黄 涛 李 晶 (武汉理工大学信息学院,武汉 430070) 摘 要:对当前无刷直流电动机在电动车中的应用做了简单分析,详细阐述了其驱动电路和调整部分的实现方案以及过流保护等功能。 关键词:无刷直流电动机;霍尔位置传感器;驱动电路;调速;过流保护;电动助力车;应用 收稿日期:2005 08 29 1 概 述 当给无刷直流电动机定子绕组通电时,该电流与转子永磁体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位置变换成方波信号,通过控制电路去控制开关线路的通断,从而使定子各相绕组按一定顺序导通,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,因而起到了机械换相器的换相作用。因此,所谓无刷直流电动机,就其结构而言,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置传感器三者组成的 电动机系统 。 2 设计方案 本设计应用于控制电动自行车和电动摩托车的无刷直流电动机。最大输出功率700W,采用48V 蓄电池供电,空载转速可达700转/分钟。功率最大时(通常为爬坡时),流过M OSFET 管的电流最高可达20A,因此对M OSFET 管的电流承受能力有一定的要求。本设计中选择IRF540N,其击穿电压为100V,最大可承受电流为33A,可以满足设计要求。为了保护MOSFET 管,延长使用寿命,当电流达到设计的最高电流值时采取过流保护。整个电路以时序逻辑控制为主,对时序的准确性要求相当高。设计方案流程图如图1所示。 3 实现方法 由固定在无刷电动机内的霍尔位置传感器输出霍尔信号,即转子位置信号。信号波形如图2所示。以三相无刷电动机为例, 各相信号是占空比为图1 电动车 用无刷直流电机设计流程 图2 三相霍尔信号波形 50%的方波,相互之间相位差为120!。由三相霍 尔信号A 、B 、C 组成的一组编码(先后顺序分别为:101、100、110、010、011、001),经过译码电路及74LS38选择出每个编码所对应时刻时驱动电路中导通的功率管,从而为电动机提供工作电流。驱动电路如图3所示。经74LS38输出的信号通过光电隔离进入驱动电路,光耦全部采用正相接法。对于三相霍尔信号A 、B 、C 各种不同的组合,例如当A 、B 、C 为101时,经74LS138译码器和74LS38与非门输出,到达1、2路光耦输入端为高电平,3、4、5、6路光耦输入端为低电平。由图3所示电路可知,1路和2路光耦分别对应的M OS FET 管M 1、M2导通,通过A 相和C 相对无刷直流电动机提供供电回路。同理,当霍尔信号A 、B 、C 为其它状态值时,亦可通过译码电路及74LS38与非门选择相应的光耦,使输入端为高电平,对应的M OSFET 管轮流导通,如此不断循环换相,从而驱动电动机旋转。 ? 88? 微电机 2006年 第39卷 第7期(总第154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：P N30W 2.额定电压：U N 48，直流 V 3.额定电流：I N1A 3.额定转速：n N10000r/min 4.工作状态：短期运行 5.设计方式：按方波设计 6.外形尺寸：0.0360.065m 二．主要尺寸的确定 1.预取效率0.63、 2.计算功率P i 直流电动机 ' K m P N0.8530 P i40.48W，按陈世坤书。 N 0.63 长期运行 1 2 PN Pi 3 短期运行 1 3 PN Pi 4 3．预取线负荷A s'11000A/m 4．预取气隙磁感应强度B'0.55T 5. 预取计算极弧系数i0.8 6．预取长径比（L/D）λ′=2
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. 7．计算电枢内径 6.1P i 6.1 40.48 10 2 m D i13 3 1.37 i A s B n N 0.811000 0.55 210000 根据计算电枢内径取电枢内径值D i1 1.4 102 m 8. 气隙长度 0.7 103 m 9. 电枢外径D 1 2.95 102m 10. 极对数p=1 11.计算电枢铁芯长 L D i1 2 1.4 102 2.8 102 m 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长 L= 2.8102 m 12. 极距 Di13.14 1.410 2 2 m 2p 2 2.2 10 13. 输入永磁体轴向长L m L 2.8102 m 三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 D i1 3.141.410 2 10 2 m t 6 0.733 z 3. 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图。 4. 预估齿宽: b t tB 0.733 102 0.55 0.294 10 2 m ，B t 可由 B t K Fe 1.430.96 设计者经验得 1.43T ，b t 由工艺取0.295102 m 5. 预估轭高: h j1 a i B 2.2 0.8 0.55 0.32310 2 m 2lB j1K Fe 2KFeBj1 2 0.96 1.56
调速传动系统的各项重要指标： 1）、调速范围：最高与最低转速相比。 2）、调速平滑性：相邻两档转速的差值越小越平滑。 3）、调速的工作特性：静态特性主要是调速后机械特性的硬度，对绝大多数负载，机械特性越硬，则负载变化时，速度变化越小，工作越稳定。动态特性主要为升速和降速过程是否快而平稳。当负载突然增减与电压突然变化时，系统转速能否迅速地恢复。 4）、调速系统的经济性。主要从价格、调速运行效率、调速系统故障率，售后服务与支持等方面衡量。 5）、负载转矩特性：一般来说空气、水、油等介质对机械阻力基本上都是和转速二次方成正比。即负载转矩TZ=KN2 电动直升机航模用的动力一般为无刷直流电动机，无刷直流电动机的结构与交流永磁同步电动机相似，其定子上有多相绕组，转子上镶有永磁体，无刷直流电动机的优点和关键特征如下： 1）本质上是多相交流电动机，但经过控制获得类似直流电动机特性； 2）需要多相逆变器驱动； 3）无电刷和换相器，即使在高转速下，也可得到较高的可靠性； 4）效率高； 5）低的EMI 6）可实施无传感器控制； 按照无刷直流电动机工作原理，必须有转子磁极位置信号来决定电子开关的换相。装有转子位置传感器（例如霍尔元件）就称为有感无刷电机。有感无刷电机装传感器检测电气相位可分为60°/120°/180°/240°/300°等。根据电气相位的不同，电子换相驱动方式就略有不同，开关时序将不同，如6步换相180°变频：经过6个节拍，无刷电机的定子中将产生一个旋转磁场，带动转子转动，每个开关的一个状态在连续的3个节拍中保持不变，相当于在磁场中180°的范围内保持不变。6步换相120°变频：则每个开关的一个状态在连续的2个节拍中保持不变，相当于在磁场中120°的范围内保持不变。 位置传感器的存在占用了电动机的一些空间、安装位置对准、需要引出线等问题，随着微机控制技术的高速发展，无位置传感器控制技术和方法也获得快速进展，利用无传感器技术，无刷直流电动机不必装专门的位置传感器，从而简化电动机结构和尺寸，减少了引线，进而降低电动机成本。它从电子电路中经检测后计算获得转子磁极位置信号，实现电子换相，如电感法、反电动势法，其中以反电动势法（BEMF）较为成功。近年无传感器无刷直流电动机控制技术在航模电动机中的应用日渐增多。 无刷直流电动机从电子换相控制模式上可分为两大类：方波驱动和正弦波驱动。方波驱动相对而言控制电路简单、控制芯片种类多且价廉，应用广泛，是目前绝大多数无刷电调采用的驱动方式。但随着无传感器或外置式简易位置传感器正弦波换相控制技术的进步，无刷直流电动机的驱动控制将趋向正弦化发展。正弦波驱动相比方波驱动更具优势：正弦波驱动的电动机产生的转矩与转子位置角度无关，当在电动机中的相电流强制为正弦波时，转子在任何位置下，由定子建立的磁场矢量与转子磁场矢量之间的夹角总是维持在90°，这个电角度正是对于给定电流下，能产生最大转矩且损耗最小的角度。理论上,通常的方波驱动（6步换相、霍尔换相或梯形波驱动）直流电动机转矩纹波约为13%，而由于测量误差等因素影响，实际转矩纹波约为17%~20%。而良好设计的正弦波驱动，转矩纹波仅为3%左右。转矩纹波会导致电动机的振动、噪声、机械磨损，大大影响调速系统性能。正弦波驱动还易于利用超前角技术拓宽调速范围，这也是方波驱动难以实现的。所以正弦波驱动相比方波驱动具有低转矩波动，平滑的运动，更小的可闻噪声和易于利用超前角技术拓宽调速范围，节能高效等
┉┉ ! 专题讲座"#$%&"’()*"#+,-$’*+# 2006年第4期┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ """""" " """"""" " "" """ """ "" """ """ " "" """ """ """ 无刷直流电动机的设计（ """ """" "" """" "" " """ "" """""）42 无刷直流电动机的设计（） 叶金虎（中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233）The Design of Brushless DC Motor （）YE Jin -hu （No.21Research Institute under CETC ，Shanghai 200233，China ） 中图分类号： TM381 文献标识码：A 文章编号：1004-7018（2006）04-0042-018.2.4永磁体的稳定方法 由永磁体本身的特性可知，永磁体的去磁曲线仅表明当外部的去磁磁场强度单方向从零变化到 H c 值时， 永磁体内部磁场强度H m 和磁通密度B m 之间的关系。一旦在去磁曲线上某一点去掉外部的强迫去磁磁场强度后， 永磁体内部的磁状态就不会沿着去磁曲线向上移动，而只能沿回复直线向上移动。一台新装配好的永磁电动机，充磁以后的原始磁状态处在图39中的A 点上。在电动机运行时，转图39 去磁磁场变化时的磁铁工作图子永磁体将会受到电枢反应 磁场的去磁作用，使电动机的磁状态发生变化， 永磁体的工作点将随着电枢反应的增磁或去磁作用在某一回复直线 K 1A 1上移动。如果电动机在另一次运行时， 经受了比上次大的去磁作用，这时永磁体的 工作点将在另一条回复直线K 2A 2上移动。由此可 见，电动机的运行特性将会随着负载的变化而变化，表现为性能不稳定，这是我们所不希望的。为此，在电动机正式投入运行以前，必须让电动机经受它在 按照技术条件运行的整个过程中， 可能遇到的最大去磁作用，从而保证它的运行性能不会再随着负载的变化而变化。我们把所采取的这种措施称为“稳定”，通常采用的方法有下面几种： （1）空气稳定 永磁体转子在装入定子以前，图40 空气稳定时 的磁铁工作图预先给以充磁，并使永磁体达到饱和状态。然后，不要给充好磁的转子永磁体加保护性 的磁短路环， 而让其自由地处于空气中。这时，永磁体本身的磁状态 （Φ0，AW 0）由直线OC 与去磁曲线的交点C 来决定，如图40所示。直线OC 是永磁体转子自由地处于空气中时，其永磁体的外磁路的等效磁导线。有时亦称它为自由状态时的漏磁导线。C 点是回复直线的起始点。我们把这种稳磁方法叫做空气稳定，或者称之谓自由状态的稳定。在设计采用空气稳定的电动机时，当磁路系统的尺寸决定之后，必须求出转子永磁体在空气中的等效磁导∧c ，从而决定回复直线的起始点。用这种方法稳定的电动机，制造和维修方便，但永磁体利用差，电动机的重量较重和体积较大。（2）起动稳定 永磁体转子在装入定子以后得图41 起动稳定时的磁铁工作图 进行充磁，并使永磁体达到饱和状态，此时永磁体的磁状态由图41中的A 点来确定。然后，电动机在额定工作电压和额定负载条件下起动，永磁体的工作点将沿去磁曲线下降到K 点。随着起动过程的结束，电动机将在 额定状态下运行，永磁体的工作点移到负载工作点H ，其磁状态由H 点确定。在设计采用起动稳定的永磁电动机时，当主要尺寸确定之后，必须选定磁路系统和电路系统，对应某一电枢绕组和电子换向线路，就可以计算出起动电流I st 和起动时电枢反应直轴去磁磁势AW adK 的数值，从而决定回复直线起始点K 的位置，以及负载工作点H 和空载工作点P 的位置。据此可校验所选磁路和电路是否合适，并在此基础上进行适当调整，以便尽量使永磁体能工作在最佳工作点上。（3）突然反转稳定 当技术指标中对电动机有正反转要求时，永磁体的稳定要采用突然反转的方法。对于无刷直流电动机，由于电路系统中电子换向线路导通顺序的不同，它在突然反转时情况较为复杂。现在以星形三相电枢绕组与非桥式电子换向线路的组合为例进行分析。电动机正向旋转时（顺时针方向），定子绕组导通顺序为U #V #W ；反向旋转时（逆时针方向），定子绕组导通顺序为U #W #V 。（下转第46页）
图文讲解无刷直流电机的工作原理
图文讲解无刷直流电机的工作原理 导读：无刷直流电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。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。它的应用非常广泛，在很多机电一体化设备上都有它的身影。 什么是无刷电机？ 无刷直流电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。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能级的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。
无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。 无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。 位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。 采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。 采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。 采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置
无刷直流电动机硬件设计 3.1 逆变主电路设计 3.1.1 功率开关主电路 图3-1 功率开关主电路原理图 逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。 3.1.2 逆变开关元件选择和计算 MOSFET在1960年由贝尔实验室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla 首次实验成功，这种元件的操作原理和1947年萧克莱（William Shockley）等人发明的双载子晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因为制造成本低廉与使用面积较小、高整合度的优势，在大型积体电路（Large-Scale Integrated Circuits, LSI）或是超大型积体电路（Very Large-Scale Integrated Circuits, VLSI）的领域里，重要性远超过BJT。 近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升，除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上，也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用MOSFET来实现。 表3-1对IGBT、GTR、GTO 和电力MOSFET的优缺点的比较 器件优点缺点
IGBT 开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱 动，驱动功率小 开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量 不及GTO GTR 耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低 开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱 动电路复杂，存在二次击 穿问题 GTO 电压、电流容量大，适用 于大功率场合，具有电导 调制效应，其通流能力很 强 电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率 低 电 力 MOSFET 开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在 二次击穿问题 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 10kW 的电力电子装置 通过上述的比较，我选择MOSFET 。 电枢额定电流I aH =8.5A ，因为每个控制元件导通120o ,所以控制元件的峰值电 流可以由以下方程算出。 2/3018.52Idt ππ =?，通过计算可得I=25.5A ， 额定电压U H =36V ，峰值电压应有一个百分之40的余量所以 U M =U H *1.4=36*1.4=50.4V 通过以上计算，可得出选择的MOSFET 峰值电流为25A,峰值电压为50V 。 3.2 逆变开关管驱动电路设计 3.2.1 IR2110功能介绍 (1) IR2110的特点有：输出驱动隔离电压可达500V ；芯片自身的门输入驱动范围为10~20V ；输入端带施密特触发电器；可实现两路分立的驱动输出，可驱 动高压高频器件，如IGBT 、功率MOSFET 等，且工作频率高可达500KHz ，开通、关断延迟小，分别为120ns 和94ns ；逻辑电源的输入范围（脚9）5~15V ，可方便的与TTL ，CMOS 电平相匹配。 (2) IR2110 主要功能及技术参数