专业资料
电机简要学习手册
2015-2-3
一、直流电机原理与控制方法
1直流电机简介
直流电机（DM）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能
（直流发电机）的旋转电机。
它是能实现直流电能和机械
能互相转换的电机。当它作电
动机运行时是直流电动机，将
电能转换为机械能；作发电机
运行时是直流发电机，将机械
能转换为电能。
直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。
2 直流电动机基本结构与工作原理
2.1 直流电机结构
如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。
2.2 直流电机工作原理
如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和
cd收到电磁力的作用，
其方向可由左手定则判
定，两段导体受到的力
形成了一个转矩，使得
转子逆时针转动。如果
转子转到如上图（b）所
示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定
则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。
发电机的原理则是电机的逆过程：原动机提供转矩，利用法拉第电磁感应产生直流电流。
如下图，比较清晰的说明了直流电动机的原理。
3直流电机重要特性
如下图，更加清晰的揭示了直流电机电流电压与转速转矩之间的关系。
我们可以得到直流电机的四个基本方程：
U=E+I*R (1)
电枢绕组端电压等于反电动势+内阻电流压降
E=Ce*n (2)
反电动势=与电机相关的常数*转速
T=Ct*I (3)
转矩=与电机相关的常数*电流
Tm-TL-T0=J*dw/dt (4)
动力学方程
3.1直流电机反电动势推导
3.2 转矩方程推导
一个主极下导体产生的转矩：
，因a a ai I 2=，p 为磁极对数，
则电枢全部导体产生的电磁转矩为：
重要结论：a T em I K T φ=∴
特点：
直流电动机电磁转矩与每极磁通和电枢电流的乘积成正比。
对他励DCM ，不考虑电枢反应影响时、励磁电流恒定时，有 ＝常数＝，φT T a T em
K C I C T =〖有量纲：[Wb]〗
优点：直流电动机的电磁转矩直接受电枢电流控制【线性、能观能控】
KT 与Ke 的关系
公式T*Ω=Pm=Ea*Ia 正好验证了反电动势产生的电磁能全部转化成总的机械能。
其中，T*Ω=Pm=T*2Pi*f=T*2Pi*n/60=T*n/9.55 (单位：W)
3.3 能量关系
??+?????
??=?????
??, 摩擦损耗的能
通风上加输出的机械能铁芯中损耗的能量上加磁场中能量的增加电阻中能量损耗
去减电源输入的电能
并励时
a
a f UI UI UI UI +=+==cuf 1P P
忽略励磁电路铜耗：
2
0cua 2Fe cua em cua a 1P P P P P P P P P UI P ++=+++=+=≈Ω
P 1
c u f
P
em e
P 2
P 0
电动机的功率流图
其中P0就是空载转矩，基本可认为变化不大，常当做恒定值。
现在看第四个方程Tm-TL-T0=J*dw/dt,两边同乘于Ω，用电机常用参数表示，则可得公式
Tm-TL-T0=GD^2/375*dn/dt.
3.4 直流电机特性曲线
在励磁磁通恒定的情况下，电机特性曲线如下图，由于良好的线性特性，所以电机调速范围广，线性度好。
4直流电机控制系统
传统的直流电机调速，通常是以下几种
4.直流电机调速
由于传统调速原理已被大家广为熟知，所以不再赘述，这里主要介绍直流双闭环调速系统。
近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。
以下是基于直流电机的双闭环调速系统：
该调速系统的特点是：
动态特性如图所示：
许启动电流快速启动，保证了电机
启动转矩，提高了快速性能，一旦
达到额定转矩，电机电流下降，转
速快速进入稳定范围。
该调速系统能抗负载扰动和电
网电压波动，是一种高性能的调速
系统。
二.交流异步电机
1.异步电机简介
1.1物理结构
定子结构转子结构1.2 物理模型
2.异步电机矢量控制基本理论
2.1 异步电机的数学模型
在研究异步电动机的数学模型时，还需做如下假设：
1）忽略其在空间谐波，设三相绕组对称，且在空间互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布；
2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的； 3）忽略铁心损耗；
4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。
三相异步电动机的物理模型如图2.1所示，转子绕组轴线a 、b 、c 以角速度ω随转子旋转，定子三相绕组轴线A 、B 、C 在空间上是固定的。以定子轴线A 轴为参考坐标轴，转子a 轴和定子A 轴之间的电角度为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。
A
图2.1 三相异步电动机的物理模型
2.1.1 异步电机三相动态模型数学表达式
异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成，其中磁链仿真和转矩方程为代数方程，电压方程和运动方程为微分方程。
1）磁链方程
=A AA AB AC Aa Ab Ac A B BA BB
BC Ba Bb Bc B C CA CB CC Ca Cb Cc C a aA aB aC aa ab ac a b bA bB bC ba bb bc b c cA
cB
cC
ca
cb
cc c L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i ψψψψψψ??????
????????????
??????????????????????????????????????????
（2.1）
式中A i ，B i ，C i ，a i ，b i ，c i 为定子和转子相电流的瞬时值；
A ψ，
B ψ，
C ψ，a ψ，b ψ，c ψ为各项绕组的全磁链。
2）电压方程
三相定子绕组的电压方程为
A A A s
B B B s C
C C s d u i R dt
d u i R dt d u i R dt ψψψ=+
=+
=+
(2.2)
与此相对应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为
a a a r b
b b r c
c c r
d u i R dt d u i R dt d u i R dt ψψψ=+
=+=+
(2.3)
式中A u ，B u ，C u ，a u ，b u ，c u 为定子和转子相电压的瞬时值；s R ，
r R 为定子和转子绕组电阻值。
3）转矩方程
根据机电能力转换原理，在线性电感的条件下，可得到转矩方程为：
[()sin ()sin(120)
e p ms A a B b C c A b B c C a T n L i i i i i i i i i i i i θθ=-++++++?
()sin(120)]A c B a C b i i i i i i θ+++-?
(2. 4)
4）运动方程
运动控制系统的运动方程为
e L p J dw
T T n dt
=-
(2. 5)
式中:
J 为机组的转动惯量，L T 包括摩擦阻转矩的负载转矩.
2.1.2 坐标变换
由于异步电动机三相原始动态模型相当复杂，若在三相坐标系下分析和求解异步电动机的方程则显得十分困难。因而必须予以简化，才能在实际中得到运用，使用坐标变换是化简电动机方程的基本原理。由于异步电动机中有一个复杂的电感矩阵和转矩方程使得异步电动机数学模型变的复杂，这个复杂的电感矩阵和转矩方程体现了异步电动机的能量转换和电磁耦合的相互关系。为此，需要从电磁耦合关系出发简化数学模型。 1)三相-两相变换
三相异步电动机的定子三相绕组和与之等效的两相异步电动机定子绕组
α、
β，各相磁势矢量的空间位置如图2.2所示
B
图 2.2 三相坐标系和两相正交坐标系中的磁动势矢量
根据变换前后总磁动势不变和变换前后总功率相等的原则,3s/2s 变换用矩阵可表示为
2
311
()2
2A B C N i N i i i α=--
(2. 6)
23()B C N i N i i β=
- (2. 7)
32111220
A B C i i N i i N i αβ?
?
??--
????
??
?=?
???????????? (2.8)
根据前后变换的总功率不变，可求得匝数比为：
3
2
N N (2.9)
3/2
111220C ?--?=
? (2.10)
2) 静止两相-旋转正交变换
2N i α
图 2.3 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中的磁动势矢量
从静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换，称作静止两相-旋转正交
变换，简称为2s/2r 变换（其中s 表示静止，r 表示旋转），变换同样是磁动势相等原则。由图2.3可知
cos sin d i i i αβ??=+
(2.11)
sin cos q i i i αβ??=-+
(2.12)
写成矩阵形式，得
cos sin sin cos d q i i i i αβ??????????=??????-??????
(2.13)
2/2cos sin sin cos s r C ??????=??-??
(2.14)
2.1.3 静止两相正交坐标系中的动态数学模型
从异步电动机的物理模型可知，异步电动机定子绕组是静止的，因此只要进
行3/2变换就行了，而对于转子绕组而言，在实际过程中转子是旋转的，因此必须先通过三相到两相变换，再通过旋转到静止的变换，才能变换到静止两相正交坐标系。
1）电压方程
00000000=0000
s s s s s s s s
r r r r r r r r r r r r u i R u i R d u i R dt u i R αααβββαααββββαψψψωψψωψ?????????????????????????
?????++????????
??????
??????-??????????
?????? (2.15) 2）磁链方程为
0000=000
s s s
m s s s
m r r m r r r m
r i L L i L L i L L i L L ααββααββψψψψ????????????????????????????????????????
(2.16)
3）转矩方程
()e p m s r s r T n L i i i i βααβ=-
(2.17)
通过旋转变换，改变了定、转子绕组间的耦合关系，使用相对静止等效绕组代替相对运动的定、转子绕组，使得磁链和转矩不受定、转子绕组间夹角θ对的影响。旋转变换将非线性变参数的异步电机磁链方程转化为了线性定常的方程，
但是加剧了电压方程中的非线性耦合程度，将矛盾从磁链方程转移到电压方程中来了，并没有改变对象的非线性耦合性质。
2.1.4 旋转正交坐标系中的动态数学模型
1）电压方程[1]
1111
000000=()000()0
sd sd sd sq
s sq sq sq sd s
rd rd rd rq r rq rq rq rd r u i R u i R d u i R dt u i R ψωψψωψψωωψψωωψ-???????????????????????????
???++????????
??--????
??????-???????????????? （2.18） 2）磁链方程为[1]
0000=000
sd sd s
m sq sq s
m rd rd m r rq rq m
r i L L i L L i L L i L L ψψψψ????????????????????????????????????????
(2.19)
3）转矩方程[1]
()e p m sq rd sd rq T n L i i i i =-
(2.20)
旋转变换将原来静止的定子绕组使用旋转的绕组代替，并使等效的转子绕组
与等效的定子绕组重合，保持严格同步，等效的后定、转子绕组间不存在相对运动。
从异步电机的模型来看，旋转正交坐标系（dq 坐标系）中的动态数学模型还不如静态静止两相正交坐标系（α，β）中的简单，但是，从方程中可以看出，旋转正交坐标系较静止两相正交坐标系的优点在于增加了一个输入量1ω，提高了系统控制的自由度，磁场定向控制就是通过选择1ω而实现的。旋转速度任意的正交坐标系无实际使用意义，常用的是同步旋转坐标系，将绕组中的交流量变为直流量，以便模拟直流电动机进行控制。
2.2 转子磁链定向矢量控制
按转子磁链定向矢量控制的基本思想是通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型，然后按照直流电动机的调速方法来控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。由于变换的变量是矢量，因此这样的坐标变换也称作矢量变换，对应的控制系统称为按转子磁链定向控制系统。
令d 轴与转子磁链矢量重合，称作按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系，简称mt 坐标系；由于m 轴与转子磁链矢量重合，因此
rm rd r ψψψ== (2.21)
0rt rq ψψ==
(2.22)
为了保证m 轴与转子磁链矢量始终重合，还必须使
0rq rt
d d dt dt
ψψ== (2.23)
从而得到mt 坐标系中的状态方程
2
22
1222
12=1
p m
p st r L r m r r sm r r sm m
s r r m sm
r sm st s r r s r s st m s r r m
st r st sm s r s r s n L n d i T dt JL J L d i dt T T di L R L R L u i i dt L L T L L L di L R L R L u i i dt L L L L L ωψψψψωσσσωψωσσσ?-??
?=-+?
?
?+?=-++??+?=---+??
(2.24)
导出mt 坐标系的旋转角速度
1=+
m
st r r
L i T ωωψ (2.25)
mt 坐标系旋转角速度与转子转速之差定义为转差角频率
1=m
s st r r
L i T ωωωψ-=
(2.26)
可以求得mt 坐标系中的电磁转矩表达式
p m e r r st
n L T L i ψ=
(2.27)
由上面的公式可以看出，通过按转子磁链定向，可以将定子电流分解为励磁分量sm i 和转矩分量st i ，转子磁链r ψ仅由定子电流励磁分量sm i 产生，而电磁转矩e T 正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积st i r ψ，实现了定子电流两个分量的解耦，而且降低了微分方程组的阶次。
2.3 转子磁链计算
由于转子磁链的直接检测比较困难，在异步电机交流调速系统中采用按模型计算的方法，即利用容易测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链模型，实时计算磁链的幅值和空间位置。转子磁链模型可以更具电动机数学模型的公式推导出来，也可以利用状态观测器或状态估计理论得到闭环的观测模型。在实际中，多用比较简单的计算模型。在磁链计算的模型中，由于主要测量的信号不同，又分为电流模型和电压模型两种。
2.3.1 电流模型
1) 在αβ坐标系上计算转子磁链的电流模型
由实测的三相定子电流通过3/2变换得到静止两相正交坐标系上的电流，在利用αβ坐标系中的数学模型计算转子磁链在αβ轴上的分量：
???????++-=+--=βαββαβαα
ψωψψ
ψωψψs r m r r r r s r m r r r r i T L T i T L T 1dt
d 1dt d r r (2.28)
也可表述为：
???
????++=-+=)(11)(11r r r r ββββααψωψψωψr r s m r r r s m r T i L s T T i L s T (2.29)
在αβ坐标系中计算转子磁链时，即使系统达到稳定，由于电压、电流和磁链均为正弦量，计算量大，程序复杂，对计算步长敏感。图2.4为αβ坐标系上计算转子磁链的电流模型。
图 2.4 αβ坐标系上计算转子磁链的电流模型
2）在mt 坐标系上计算转子磁链的电流模型
???
????+=+-=st r m
sm r
m r i T L i T L T dt d r 1r r
1ψωωψψ (2.30)
三相定子电流abc i 经过坐标变换，再按照转子磁链定向，得到mt 坐标轴上
的电流st i ，sm i ，从而求得r ψ和s ω信号，由s ω与实测转速ω相加得到定子频率信号1ω，再经过积分即为转子磁链的相位角?。和第一种模型相比，这种模型更容易收敛，计算量更小，而且也比较准确。
图 2.5 在mt 坐标系上计算转子磁链的电流模型
上述讨论的两种计算转子磁链的电流模型都是需要实际测量的电流和转速信号，不论电机运行在高速还是低速时都能够适用，但从其方程中可以看出，转子磁链的计算受到电动机参数变化的影响。如电动机温度的升高、频率的变化影响转子电阻Rr ，磁链的饱和程度会影响电感Lm 和Lr 。由于这些影响的存在，会使得计算的磁链幅值与位置信号产生失真，转子磁链信号的失真必然使磁链闭环控制系统的性能降低，这是电流模型的不足之处。
2.3.2 电压模型
根据电压方程中感应电动势等于磁链变化率的关系，取电动势的积分就可以得到磁链，这样的模型叫做电压模型。
r r ()()r s s s s s m
r s s s s s m L u R i dt L i L L u R i dt L i L ααααββββψσψσ???=--???
??
???=--????
?? （2.31）
式中：r r
R L T =r r
s L L L 2m -1=σ
图 2.6 计算转子磁链的电压模型
电压模型通过实测的电流和电压信号来计算定子磁链。从电压模型的表达式中可以看出，计算转子磁链是不需要转速信号的，并且与转子电阻Rr无关。相对于电流模型而言，电压模型受电动机参数变化的影响比较小，而且算法简单，适合在实际中运用。电压模型的缺点是其计算表达式中包含纯积分项，积分的初始值和累积误差都会影响计算结果，在低速时，定子电阻压降变化的影响也比较大。
比较电压模型和电流模型，电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速。实际中可以将两者模型结合起来，在低速时采用电流模型，在中、高速时采用电压模型，解决好两者的过渡问题，便可以提高整个运行范围中计算转子磁链的准确度。
3.具体控制方案
3.1 控制框图
××
×
第二章 直流电机 2．1 概述 2.1.1 直流电机的工作原理 首先，复习e=B δlv 公式，说明e 正比于B δ。结合图2.1解释v=2πRn/60 （m/s ， n (r/min)）; 机械角速度Ω=v/R=2πn /60 ( r/s); 电角速度ω=p Ω=p2πn/60 (rad/s) （记下来）；导体或线圈。 将直流电机的简单工作原理图结构介绍清楚。包括：N 、S 磁极和A 、B 电刷静止，换向片、线圈（导体）以及电枢逆时针旋转。将其抽象成一个平面图。 假设磁力线进入磁极为正方向，离开磁极的磁通方向为负。得气隙磁密在空间得分布曲线 B δ(θ)(0≤θ=ωt ≤2π)。进而得到导体电势e(ωt)和线圈电势e AB (ωt)。 经过合理的多个线圈均匀分布设计，按照一定规律连接起来就组成电枢绕组，便可以获得近似直流电动势。 工作原理： （1） 发电机：电枢绕组中感应的交变电势，依靠换向器的换向作用，利用静止 的电刷把同一磁极 下导体电势引出，变为直流电势输出。（发电机惯例） （2） 电动机：通过电刷和换向器的共同作用，使得同磁极下的导体边流过的电 流方向不变，导体 受力方向不变，进而产生方向恒定的电磁转矩，使电机连续转动。 结论：（1）电机内部（电刷为界），线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流量。 （2）电机外部（电刷两端），电动机运行外加直流电；发电机运行输出直流电 （3） 从原理上讲，同一台电机既可以作电动机运行又可以作发电机运行，是可逆的。 （4）电动机惯例 发电机惯例 i i u Motor u Generator
2．1．2 直流电机的主要结构部件 定子——起机械支撑，产生磁场的作用 机座、端盖、电刷、 轴承 直流电机结构 气隙——耦合磁场 转子——产生电磁转矩、产生感应电势 电枢铁心和电枢绕组 换向器、转轴、风扇 2．1．3 直流电机的额定值 额定值：指电机正常运行时各物理量的数值。此时亦称电机满载运行。否则为欠载或过载 额定功率：指输出功率W, kW 。 发电机P N =U N I N 电动机P N =ηU N I N 额定电压U N (V)， 额定电流I N (A)， 额定励磁电压U fN (V)， 额定励磁电流I fN (A)， 额定转速n N (r/min)
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
第二章直流电机的基本结构和运行分析 直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。将机械能转换为直流电能的电机称为直流发电机；将直流电能转换为机械能的电机称为直流电动机。直流发电机可作为各种直流电源；直流电动机具有宽广的调速范围，较强的过载能力和较大的起动转矩等特点，广泛应用于对起动和调速要求较高的生产机械，如电力机车、内燃机车、工矿机车、城市电车、电梯、轧钢机等的拖动电机。 本章介绍直流电机的工作原理和基本结构；分析直流电机的磁路系统、电路系统和电磁过程；导出感应电势和电磁转矩的一般计算方法；得出直流电机在不同运行状态的各种平衡方程式和运行特性。 第一节直流电机基本工作原理 直流电机是直流发电机和直流电动机的总称。直流电机具有可逆性，既可作直流发电机使用，也可作直流电动机使用。作直流发电机使用时，将机械能转换成直流电能输出；作直流电动机使用时，则将直流电能转换成机械能输出。 一、直流电机的模型结构 图2—1所示为一台直流电机简单模型图。N、S为定子上固定不动的两个主磁极，主磁极可以采用永久磁铁，也可以采用电磁铁，在电磁铁的励磁线圈上通以方向不变的直流电流，便形成一定极性的磁极。 图2-1 直流发电机工作原理
在两个主磁极N 、S 之间装有一个可以转动的、由铁磁材料制成的圆柱体，圆柱体表面嵌有一线圈（称为电枢绕组），线圈首末两端分别连接到两个弧形钢片（称为换向片）上。换向片之间用绝缘材料构成一整体，称为换向器，它固定在转轴上（但与转轴绝缘），随转轴一起转动，整个转动部分称为电枢。为了接通电枢内电路和外电路，在定子上装有两个固定不动的电刷A 和B ，并压在换向器上，与其滑动接触。 二、直流发电机的工作原理 1.感应电势的产生 当直流发电机的电枢被原动机拖动，并以恒速ｖ逆时针方向旋转时，如图2－2(a)所示，线圈两个有效边ab 和cd 将切割磁力线，而感应产生电势ｅ。其方向用右手定则确定，导体ab 位于N 极下，导体cd 位于S 极下，产生电势方向分别为b →a ，d →c 。若接通外电路，电流从换向片1→A →负载→B →换向片2。电流从电刷A 流出，具有正极性，用“＋”表示；从电刷B 流入，具有负极性，用“一”表示。 当电枢转到90o 时，线圈有效边ab 和cd 转到N 、S 极之间的几何中心线上，此处磁密为零，故这一瞬时感应电势为零。 当电枢转到180o 时，导体ab 和cd 及换向片1、2位置互换，如图2-1(b)所示。导体加位于S 极下，导体cd 位于Ｎ极下，线圈两个有效边产生的感应电势方向分别为a →b ，c →d ，电势方向恰与开始瞬时相反。外电路中流过的电流从换向片2→A →负载→B →换向片1。由此可见，电刷A(B)始终与转到N(S)极下的有效边所连接的换向片接触，故电刷极性始终不变A 为“＋”，B 为“―”。 由以上分析可知，线圈内部为一交变电势，但电刷引出的电势方向始终不变，为一单方向的直流电势。 2.电势的波形 根据电磁感应定律，每根导体产生的感应电势ｅ为： Lv B e X = （V ） （2-1） 式中x B ——导体所在位置的磁通密度（T ）； L ——导体切割磁力线的有效长度（ｍ）； v ——导体切割磁力线的线速度（ｍ/ｓ）。 要想知道电势的波形，先得找出磁密的波形，前已设电枢以恒速v 旋转，v=常数，L 在电机中不变，则x B e ∝，即导体电势随时间的变化规律与气隙磁密的分布规律相同。设想将
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。
三相无刷直流电机系统结构及工作原理
图2.3 直流无刷电动机的原理框图位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器【3】。 2.4基本工作原理 众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度。 2.5无刷直流电机参数 本系统采用的无刷电机参数 ·额定功率：100W ·额定电压：24V（DC） ·额定转速：3000r/min ·额定转矩：0.23N?m ·最大转矩：0.46N?m ·定位转矩：0.01N?m ·额定电流：4.0A
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
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
无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机的控制结构 无刷直流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。无刷直流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。也就是说无刷直流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。 无刷直流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。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。无刷直流电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
（图一） 无刷直流电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如 下（图二） inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL 一组， 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则
无刷直流电机结构、类型和基本原理 一、概述 直流电动机的主要长处是调速和启动特性好，堵转转矩大，被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中。但是，直流电动机都有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严峻地影响了电动机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰。缩短电动机寿命，换向器电刷装置又使直流电动机结构复杂、噪声大、维护困难，长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。 随着电子技术的迅速发展，各种大功率电子器件的广泛采用，这种愿望已被逐步实现。本章要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使这种电动机既具有直流电动机的特性。又具有交流电动机结构简朴、运行可靠、维护方便等优点；它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转要中运行。 元刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体，把先进的电子技术应用于电机领域，这将促使电机技术更新、更快地发展。 二、无刷直流电动机的基本结构和类型 (一)基本结构 无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言．可以认为是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成的“电动机系统”。其基本结构如图5一20所示。 电动机本体在结构上是一台普通的凸极式同步电动机．它包括主定子和主转子两部分，主定子上放置空间互差120。的三相对称电枢绕组Ax、BY、cz，接成星形或三角形，主转子是用永久磁钢制成
第三章、用EL-DSPMCKIV实现无刷直流电动机PWM 控制方案 实验概述： 本实验是一个无刷直流电动机的PWM控制系统。结构简单，用到的模块也较少。下面给出每个模块的输入与输出量名称及其量值格式 （一）、无刷直流电动机PWM 控制原理简介 无刷直流电动机从结构上讲更接近永磁同步电动机（我们在下一章节中做详细介绍），控制方法也很简单，主要是通过检测转子的位置传感器给出的转子磁极位置信号来确定励磁的方向，从而保证转矩角在90 度附近变化，保证电机工作的高效率。定子换相是通过转子位置信号来控制，转矩的大小则通过PWM的方法控制有效占空比来调控。 我公司提供过两种直流无刷电机，一种以前提供过的57BL-02直流无刷电机的额定电压为24V，额定转速为1600rpm，转子极数为4，也就是2 极对，还有一种是现在提供的57BL-0730N1直流无刷电机，该电机额定转速为3000rpm，转子极数为10，也就是5极对，这两种电机的转子位置都由霍尔传感器提供，同时由此计算出电机的转速，控制程序样例没有电流环。 （二）、系统组成方案及功能模块划分 本实验为开环和闭环实验，通过几个模块信号处理最终用BLDCPWM模块产生IPM 驱动信号来控制直流无刷电机转动。
下图为一个开环控制的系统功能框图，参考占空比信号经由RMP2CNTL 模块处理，变成缓变信号送到PWM产生模块。霍尔传感器的输出脉冲信号，经由DSP的CAP1、CAP2、CAP3端口被DSP获取。通过霍尔提供的转子位置信息HALL3_DRV模块判断转子位置，并将该转子位置信息通过计数器传递给BLDC_3PWM_DRV 模块，该模块通过占空比输入、设定开关频率以及转子的位置信息产生相应的PWM 信号作用于逆变器中的开关管，从而驱动电动机旋转。
PID闭环速度调节器采用比例积分微分控制 闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称PID控制），其输出是输入的比例、积分和微分的函数。PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型，因此PID 调节器得到了广泛的应用。 PID调节器虽然易于使用，但在设计、调试无刷直流电机控制器的过程中应注意：PID调节器易受干扰、采样精度的影响，且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作用。所以，在不影响控制精度的前提下对PID控制算法加以改进，关系到整个无刷直流电机控制器设计的成败。 2速度设定值和电机转速的获取 为在单片机中实现PID调节，需要得到电机速度设定值（通过A／D变换器）和电机的实际转速，这需要通过精心的设计才能完成。 无刷直流电机的实际转速可通过测量转子位置传感器（通常是霍尔传感器）信号得到，在电机转动过程中，通过霍尔传感器可以得到如图2所示的周期信号。 由图2可知，电机每转一圈，每一相霍尔传感器产生2个周期的方波，且其周期与电机转速成反比，因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短一次速度采样的时间，可测得任意一相霍尔传感器的一个正脉冲的宽度，则电机的实际转速为：但由于利用霍尔传感器信号测速，所以测量电机转速时的采样周期是变化的，低速时采样周期要长些，这影响了PID 调节器的输出，导致电机低速时的动态特性变差。解决的办法是将三相霍尔传感器信号相“与”，产生3倍于一相霍尔传感器信号频率的倍频信号，这样可缩短一次速度采样的时间，但得增加额外的硬件开销。直接利用霍尔传感器信号测速虽然方便易行，但这种测速方法对霍尔传感器在电机定子圆周上的定位有较严格的要求，当霍尔传感器在电机定子圆周上定位有误差时，相邻2个正脉冲的宽度不一致，会导致较大的测速误差，影响PID调节器的调节性能。若对测速精度要求较高时，可采用增量式光电码盘，但同样会增加了电路的复杂性和硬件的开销。 电机速度设定值可以通过一定范围内的电压来表示。系统中采用了串行A／D（如ADS7818）来实现速度设定值的采样。但在电机调速的过程中，电机控制器的功率输出部分会对A／D模拟输入电压产生干扰，进行抗干扰处理。 3非线性变速积分的PID算法 （1）PID算法的数字实现 离散形式的PID表达式为： 其中：KP，KI，KD分别为调节器的比例、积分和微分系数；E（k），E（k－1）分别为第k 次和k－1次时的期望偏差值；P（k）为第k次时调节器的输出。 比例环节的作用是对信号的偏差瞬间做出反应，KP越大，控制作用越强，但过大的KP会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。积分环节的作用虽然可以消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量，甚至使系统出现等幅振荡，减小KI可以降低系统的超调量，但会减慢系统的响应过程。微分环节的作用是阻止偏差的变化，有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，但其对干扰敏感，不利于系统的鲁棒性。 （2）经典PID算法的积分饱和现象 当电机转速的设定值突然改变，或电机的转速发生突变时，会引起偏差的阶跃，使｜E（k）｜增大，PID的输出P（k）将急剧增加或减小，以至于超过控制量的上下限Pmax，此时的实际控制量只能限制在Pmax，电机的转速M（k）虽然不断上升，但由于控制量受到限制，其增长的速度减慢，偏差E（k）将比正常情况下持续更长的时间保持在较大的偏差值，从而使得PID 算式中的积分项不断地得到累积。当电机转速超过设定值后，开始出现负的偏差，但由于积分项已有相当大的累积值，还要经过相当一段时间后控制量才能脱离饱和区，这就是正向积分饱和，反向积分饱和与此类似。解决的办法：一是缩短PID的采样周期（这一点单片机往往达不到），
基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机 学号：3100501044 班级：电气1002 ：王辉军
摘要 直流无刷电机是同步电机的一种，由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。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。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围当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 MCS-51单片机是美国英特尔公司生产的一系列单片机的总称，是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力的微处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入输出接口电路、定时计算器、串行通信口、脉宽调制电路、A/D转换器等电路集成到一块半导体硅片上，这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。 本论文将介绍基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机的设计，它可以实现控制直流无刷电动机的启动、停止、急停、正反转、加减速等功能。 关键词：单片机，直流无刷电动机，控制系统
直流无刷电动机是在直流电动机的基础之上发展而来的，它是步进电动机的一种，继承了直流电动机的启动转矩大、调速性能好等特点克服了需要换向器的缺点在交通工具、家用电器及中小功率工业市场占有重要的地位。直流无刷电动机不仅在电动自行车、电动摩托车、电动汽车上有着广泛的应用，而且在新一代的空调机、洗衣机、电冰箱、吸尘器，空气净化器等家用电器中也有逐步采用的趋势，尤其是随着微电子技术的发展，直流无刷电动机逐渐占有原来异步电动机变频调速的领域，这就使得直流无刷电动机的应用围越来越广。 本设计就是基于MCS-51系列单片机控制直流无刷电动机，利用所学的知识实现单片机控制直流无刷电动机的启动、停止、急停、正反转，加减速等控制，并对直流无刷电动机运行状态进行监视和报警。详细介绍单片机的种类、结构、功能、适用领域和发展历史、未来前景及其直流无刷电动机的工作原理、控制结构等容，既着重单片机的基本知识、功能原理的深入阐述，又理论联系实际详细剖析单片机控制直流无刷电动机的过程。 1．直流无刷电动机的基本组成 直流无刷电动机是在直流电动机的基础上发展而来的，直流无刷电动机继承了直流电动机启动转矩大、调速性能好的优点，克服了直流电动机需要换向器的缺点，在交通工具、家用电器等生活的方方方面面占有重要的地位。 由于直流无刷电动机既具有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等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。 直流无刷电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。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3-1所示为三相两极直流无刷电机结构。 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结，A、B、
7.2.2 直流电动机工作原理与结构 图7-4 直流电动机模型 图7-4是一个最简单的直流电动机模型。在一对静止的磁极N和S之间，装设一个可以绕Z-Z'轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈abcd。这个转动的部分通常叫做电枢。线圈的两端a和d分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环1和2上。换向片1和2之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。A和B是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。
图7-5 换向器在直流电机中的作用 当电刷A和B分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷A流入，而从电刷B流出。这时线圈中的电流方向是从a流向b，再从c流向d。我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。当电枢在图7-5（a）所示的位置时，线圈ab边的电流从a流向b，用表示，cd边的电流从c流向d，用⊙表示。根据左手定则可以判断出，ab边受力的方向是从右向左，而cd边受力的方向是从左向右。这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。 当电枢转到使线圈的ab边从N极下面进入S极，而cd边从S极下面进入N极时，与线圈a端联接的换向片1跟电刷B接触，而与线圈d端联接的换向片2跟电刷A接触，如图7-5（b）所示。这样，线圈内的电流方向变为从d流向c，再从b流向a，从而保持在N极下面的导体中的电流方向不变。因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。
直流无刷电机工作原理 直流电机简介 无刷直流电机（BLDC）是永磁式同步电机的一种，而并不是真正的直流电机，英文简称BLDC。区别于有刷直流电机，无刷直流电机不使用机械的电刷装置，采用方波自控式永磁同步电机，以霍尔传感器取代碳刷换向器，以钕铁硼作为转子的永磁材料，性能上相较一般的传统直流电机有很大优势，是当今最理想的调速电机。 工作原理 直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）。 导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 无刷电机优缺点 直流电动机具有快速响应，大起动转矩，从零速到额定转速，额定转矩可提供的性能，但直流电机的优点也是它的缺点，因为DC额定负载机密生产性能不断转移的时刻，电枢与转子磁场须保持恒定90度，这将用刷子和换向器。碳刷，换向器，继而引发电机，碳粉，所以除了元件造成损害的，有限的场合使用。交流无碳刷及整流子，免维护，可靠，应用范围广，但直流电机马达的特点，实现同等性能的必须使用复杂的控制得以实现。今天，功率半导体开关频率成分的快速发展，加快了许多，提升驱动电机的性能。微处理器的速度也越
第三章直流电机的原理 本章主要介绍直流电机的结构和基本工作原理、直流电机绕组的构成、直流电机的电枢反应、直流电机绕组的电动势和电磁转矩、直流发电机和直流电动机的功率转矩等内容。本章共有10节课，内容和时间分配如下： 1.掌握直流电机的结构及工作原理。（2节） 2.掌握直流电机绕组有关的结构。（2节） 3.掌握直流电机绕组的电枢反应。（1节） 4.掌握直流电机的电枢电动势和电磁转矩。（1节） 5.掌握直流发电机的基本方程式和运行特性、并励发电机的条件。( 2.5节) 6.掌握直流电动机的基本方程式和运行特性。( 1.5节) 第一节直流电机的基本工作原理 一直流电机的用途 直流电动机的优点： 1 调速范围广，易于平滑调节 2 过载、启动、制动转矩大 3 易于控制，可靠性高 4 调速时的能量损耗较小 缺点: 换向困难，容量受到限制，不能做的很大。 应用: 轧钢机、电车、电气铁道牵引、造纸、纺织拖动。 直流发电机用作电解、电镀、电冶炼、充电、交流发电机励磁等的直流电源。 二、直流电机的工作原理 原理：任何电机的工作原理都是建立在电磁感应和电磁力这个基础上。 为了讨论直流电机的工作原理，我们把复杂的直流电机结构简化为工作原理图。（一）直流发电机的工作原理 1．工作原理：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e 。 e=Blv。 B:磁密l：导体长度；v：导体与磁场的相对速度。 正方向：用右手定则判断。电势e正方向表示电位升高的方向，与U相反。如果同一元件上e和U正方向相同时，e= -U。
理解：电磁感应原理的变形（变化的磁通产生感应电动势） 2 发电机工作过程分析：两磁极直流发电机的工作原理图。 （1）构成： 磁场：图中N和 S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。 励磁绕组——容量较小的发电机是用永久磁铁做磁极的。容量较大的发电机的磁场是由直流电流通过绕在磁极铁心上的绕组产生的。用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组，励磁绕组中的电流称为励磁电流If。 电枢绕组：在N极和 S极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心，其上紧绕着一个线圈称为电枢绕组(图中只画出一匝线圈)，电枢绕组中的电流称为电枢电流Ia。 换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片——换向片上，组成一个换向器。换向器上压着固定不动的炭质电刷。 电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。
无刷电机结构图及里面的霍尔信号工作原理 (2009-05-30 17:33:55) 转载 标 签： 教育 霍耳的红线一般接5－12v直流电。推荐5－7v。 霍耳的信号线传递电机里面磁钢相对于线圈的位置，根据三个霍耳的信号控制器能知道此时应该如何给电机的线圈供电（不同的霍耳信号，应该给电机线圈供相对应方向的电流），就是说霍耳状态不一样，线圈的电流方向不一样。 霍耳信号传递给控制器，控制器通过粗线（不是霍耳线）给电机线圈供电，电机旋转，磁钢与线圈（准确的说是缠在定子上的线圈，其实霍耳一般安装在定子上）发生转动，霍耳感应出新的位置信号，控制器粗线又给电机线圈重新改变电流方向供电，电机继续旋转（线圈和磁钢的位置发生变化时，线圈必须对应的改变电流方向，这样电机才能继续向一个方向运动，不然电机就会在某一个位置左右摆动，而不是连续旋转），这就是电子换相。 电动车用无刷直流电机工作原理 摘要: 无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为bldc.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kw,可设计到400kw,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。. 关键词:无刷直流电机永磁同步电机直流变频钕铁硼 abstract: brushless direct current motor has the same dc motor output characteris tics, also named bldc. bldc have higher output torque in low speed, higher efficiency and better speed precision than any control modes of frequency converter drives. this chapte r introduce capacity up to 400kw for the industrial application. key words:brushless direct current motor permanent magnetic synchronous motor bldc ndfeb [中图分类号]tm921 [文献标识码]b 文章编号1561-0330(2003)06-00 1 无刷直流电动机简介 无刷直流电动机的学名叫“无换向器电机”或“无整流子电机”,是一种新型的无级变速电机,它由一台同步电机和一组逆变桥所组成,如图1所示。它具有直流电机那样良好的调速特性,但是由於没有换向器,因而可做成无接触式,具有结构简单,制造方便,不需要经常性维护等优点,是一种现想的变速电机。 在工作原理上有二种不同的工作方式： (1)直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”,如图1所示。是将三相交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。(2)交流无刷电动机:它是利用交-交变频器向同步机供给交流电。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/3d1830713.html, 无刷直流电机控制技术综述 作者：黄秀勇 来源：《山东工业技术》2017年第14期 摘要：在十九世纪电机诞生的时候，其中实用性的电机就是无刷的形式，其得到了广泛 的运用，随着时代的发展，在上世纪中叶的时候晶体管诞生，直流无刷电机也随之应运而生，无刷直流电机的应用十分广泛，在各个领域都有涉猎。 关键词：直流无刷电机；技术研究；控制技术 DOI：10.16640/https://www.doczj.com/doc/3d1830713.html,ki.37-1222/t.2017.14.201 0 引言 经过不断的演变与发展，无刷直流电机综合了交流电机和直流电机的全部优点出现在人们的视野当中，它的出现大大的提高了生产的效率，减少了能源的消耗，得到了广泛的应用和普及。在电机领域中，新型无刷电机的品种众多，其性能和价格都不尽相同，就其的控制来说具有多种方法。 1 无刷直流电机的特点 随着科技的发展，无刷直流电机的出现代替了许多传统的电机，在各个领域都得到了广泛的应用，它具有传统直流电机的全部优点，但同时又除去了碳刷、滑环结构，它在投入使用的过程中具有速度很低的优点，这就大大的减少了用电率，虽说其速度低但其产生的功率却十分巨大，其体积小、重量轻的优点省去了减速机的超大负载量，在使用的过程中效率十分高。由于其除去了碳刷，所以减少了很多消耗，这就使它的省电率相当高，再加上其在运作时不会产生火花，对于一些爆炸性的场所来说更具备安全性，对其的维修和保养方面来说也是十分容易的。综合其特点来看，和其他种类的电机相比其优异性非常显著，因此，无刷直流电机凭借着其充分的优势在很多场合都发挥着重要的作用。 2 转子位置检测技术 逆变器功率器在进行运转的时候，转子在进行运转的时候位置会发生改变，在其位置发生改变的同时会触发组合，使其组合的状态进行不同的改变，这就是无刷直流电机的运行原理，由此看来，想要准确的控制无刷直流电机的运行就必要确保转子的位置，与此同时还要对转子触发的功率器件组合进行相应准时的切换，想要做到这一点是相当困难的。 通过科技水平的不断提高，相关学者提出了检测转子位置的一种新的办法。首先准备一些非磁性导电质地的材料，把这些材料粘在永磁转子的外部；其次，相关设备在工作时会使非磁性材料上产生涡流效应，进而使转子的位置发生相应的改变，最后通过观察检测电压来确定转