合肥师范学院本科生毕业论文（设计）开题报告
（学生用表）
装
订
线
第l章主要叙述了无刷直流电机的发展趋势、无刷直流电机的控制技术、研究背景及意义。
第2章首先介绍了无刷直流电机的基本结构和工作原理，然后给出了常见的无刷直流电机的数学模型及其推导过程，在此基础上对无刷直流电机的稳态特性进行了详细分析。
第3章对本控制系统的总体结构和设计进行介绍。主要包括控制系统的整体方案，控制芯片，控制技术以及控制策略的选择。
第4章对控制系统的硬件电路进行设计，包括DSP最小系统、功率驱动电路、采样检测电路、保护电路等的设计，并对各个部分进行了详细的分析。
第5章以TI公司的CCS开发环境为开发工具，对整个控制系统的软件部分进行了设计。
第6章总结与展望，总结了本文的主要工作，展望了以后工作的研究方向。
五、可行性分析
此次研究是在指导老师的指导下搜集，查阅相关资料，确定能够通过应用DSP 芯片进行控制是最优方案，采用TI公司的TMS320F2812作为控制器。根据现在无刷直流电机的控制技术的发展水平和未来的发展趋势及可操作性进行分析，该课题能够顺利进行。
六、设计方案
6.1无刷直流电机的基本结构
无刷直流电机的设计思想来源于利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器。普通有刷直流电机由于电刷的换向作用，使得电枢磁场和主磁场的方向在电机运行的过程中始终保持相互垂直，这样能够产生最大的转矩，从而驱动电机不停地运转下去。无刷直流电机取消电刷实现了无机械接触换相，做成“倒装式直流电机"的结构，将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子侧。无刷直流电机必须具有由控制电路、功率逆变桥和转子位置传感器共同组成的换相装置以实现电机速度和方向的控制[5]。因此，可以认为无刷直流电机是典型的机电一体化器件，其基本结构由电动机本体、驱动控制电路及转子位置传感器三部分组成，如图所示。
无刷直流电机的构成
6.2无刷直流电机的工作原理
普通直流电机的电枢在转子上，而定子产生固定不变的磁场。为了使直流电机旋转，需要通过换相器和电刷不断地改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转[6]。
无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通直流电动机相反。然而即便是这样的改变仍然不够，因为直流电通入
900左右的空间角，产生转矩推动转子旋转[7]。为了详细说明无刷直流电机的工作原理，下面以三相无刷直流电机为例。
无刷直流电机原理图
6.3系统的整体方案
无刷直流电机控制系统主要包括硬件部分和软件部分。硬件部分又包括主电路、微处理器控制电路以及保护电路。软件部分主要由主程序和定时中断服务子程序组成[8]。
无刷直流电机控制系统的原理图如图所示，该系统的控制器主要负责处理电流传感器和位置传感器电路送来的反馈信号，并发送控制命令产生电机驱动波形[9]。通过捕获单元捕捉电机转子位置传感器上的脉冲信号，从而判断转子的位置，然后输出合适的驱动逻辑电平给MOSFET驱动控制芯片1R2130，再由MOSFET管驱动电机旋转。控制器捕获位置传感器的脉冲信号后，计算电机的当前转速，并且与设定的转速对比，通过控制程序控制电机的转速跟随设定的转速。控制器经A／D及电流检测电路采集电机的电流，结果经PID算法产生合适的调制信号控制电机的电流，当出现过载、低电压或者驱动时序异常等情况时，驱动保护电路则可实现故障保护[10]。
系统总体方案框图
6.4系统结构
无刷直流电机通过软件实现全数字双闭环控制，无刷电机的速度控制结构图如图所示。速度反馈量与速度给定量形成偏差，经过速度调节从而产生电流参考量，与电流反馈量的偏差经过电流调节后形成PWM占空比的控制量，从而实现对电机的速度控制。电流的反馈是通过霍尔传感器检测直流母线电流来实现的。速度反馈则是通过霍尔位置传感器输出的位置量，经过计算得到的。位置传感器输出的位置量还用于控制换相。
七. 研究进度计划
收集资料，研究本课题，并撰写开题报告2012.12-2013.1
研究课题，仿真结果 2013.2-2013.3
初稿修改2013.3-2013.4
定稿，准备答辩2013.4-2013.5
参考文献
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（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）
一种无刷直流电动机控制系统设计
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一种无刷直流电动机控制系统设计 摘要：介绍了MOTORALA公司专门用于无刷直流电机控制的芯片MC33035和 MC33039的特点及其工作原理，系统设计分为控制电路与功率驱动电路两大部分，控制电路以MC33035/33039为核心，接收反馈的位置信号，与速度给定量合成，判断通电绕组并给出开关信号。在驱动电路设计中，采用三相Y联结全控电路，使用六支高速MOSFET 开关管组成。通过实验，电机运行稳定。 关键词：无刷直流电机;MC33035/33039;控制电路;驱动电路 Design of control system for Brushless DC Motors SUN GuanQun;SHI Ming;TONG LinYi;XU YiPing Abstract:It introduces the MOTORALA company used for the characteristics o f the chip MC33035 and MC33039 which control the brushless direct curren t motor exclusively and its work principle. The system design divides into tw o major parts: the control circuit and the power driver circuit, the control circ uit take MC33035/33039 as the core, receive feedback position signal, with th e speed to the quota synthesis, the judgment circular telegram winding and p roduces the switching signal. In the actuation circuit design, uses the three-p hase Y joint all to control the electric circuit, uses six high speed MOSFET swit ching valve to compose. Through the experiment, the electric motor moveme nt stable is reliable. Keywords:Brushless DC motor;MC33035/33039;control circuit;drive circuit 1.引言 永磁直流无刷电机是近年来迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机。该电机由定子、 转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成,由于没有励磁装置,效率高、结构简单、工作特 性优良,而且具有体积更小、可靠性更高、控制更容易、应用范围更广泛、制造维护更方便 等优点,使无刷电机的研究具有重大意义。 本系统设计是利用调压调速，根据调整供电PWM电源的占空比进而调整电压的方式实 现。本设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33035，它能够对霍尔传感器检测出的位置 信号进行译码,它本身更具备过流、过热、欠压、正反转选择等辅助功能, 组成的系统所需 外围电路简单，设计者不必因为采用分立元件组成庞大的模拟电路,使得系统的设计、调试 相当复杂,而且要占用很大面积的电路板。 MC33035和MC33039这两种集成芯片也可以方便地完成无刷直流电动机的正反转、 运转起动以及动态制动、过流保护、三相驱动信号的产生、电动机转速的简易闭环控制等。
YANG Zhenyu, Engineering Department. The Technology Research of Double Closed-loop Control System for Permanent Magnet BLDCM[J]. Electronic Science & Technology, 2017. WANG Xiaojun, HU Changlun. Modeling and Simulation Analysis of Double-stator Permanent-magnet Motor Control System[J]. micromotors, 2016. Chai F, Chen R. Torque analysis for double-stator permanent-magnet motor[J]. 哈尔滨工业大学学报:英文版, 2002. Feng C , Shu-Kang C , Shu-Mei C . Torque analysis for double-stator permanent-magnet motor[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2017, 9(4):p.411-414. 王玉彬, 程明, 花为,等. 双定子永磁无刷电机裂比的分析与优化[J]. 中国电机工程学报, 2018, 030(030):62-67. 王雅玲. 电动汽车用双定子永磁无刷电机研究[D]. 山东大学, 2014. 蒲海, 吴敏. 双定子永磁无刷电动机发电机状态有限元时步法的实现[J]. 煤矿机械, 2014, 35(8). 原腾飞. 双定子永磁无刷电机建模及其控制方法探析[J]. 科技创新导报, 2017(14):84-85. 王雅玲, 徐衍亮. 基于电动汽车驱动的双定子永磁无刷直流电机绕组换接运行分析[J]. 电工技术学报, 2014, 029(001):98-103.
驱动轮直流电机选择计算 The final edition was revised on December 14th, 2020.
驱动轮电机用于驱动 AGV 的运行，包括AGV 的直行及差速转弯。在选择电机时，我们通常需要计算出电机的额定功率、额定转矩、额定转速等[28]。而在驱动电机的参数计算之前首先需要明确 AGV 的各项设计要求，如表3-1 所示。 3.1.1 电动机的选择 1. 驱动力与转矩关系 AGV 在地面行驶时，轮子与地面接触，AGV 克服摩擦力向前行驶，电机输出转矩Tq 为小车提供驱动力。而Tq 经减速机减速后得到输出转矩Tt 输出至驱动轮，输出转矩Tt 为： 式中 g i ——减速机减速比； q T ——电机输出转矩； t T ——输出转矩； ——电机轴经减速机到驱动轮的效率。 驱动轮在电机驱动下在地面转动，此时相对于地将形成一个圆周力，而地面对驱动轮也将产生一个等值、反向的力t F ，该力即为驱动轮的驱动力[29] 。驱动力为： 式中 q R ——驱动轮的驱动半径。 由于驱动轮一般刚性较好，视其自由半径、静力半径、滚动半径三者相同，均为q R 。 2. 驱动力与阻力计算 小车在行驶过程中要克服各种阻碍力，这些力包括：滚动阻力f F 、空气阻力w F 、坡度阻力r F 、加速度阻力j F 。这些阻力均由驱动力t F 来克服，因此： (1) 滚动阻力f F 滚动阻力在 AGV 行驶过程中，主要由车轮轴承阻力以及车轮与道路的滚动摩擦阻力所组成，f F 大小为：
式中 F——车轮与轴承间阻力； fz F——车轮与道路的滚动摩擦阻力。 fg 其中，车轮轴承阻力 F为： fz 式中P——车轮与地面间的压力，AGV设计中，小车自重m为100kg，最大载重量 M为200kg，因此最大整车重量为300kg，一般情况下，AGV前行过程中，有三轮m ax 同时着地，满足三点决定一平面的规则，各轮的压力为P=1000N[30]； d——车轮轴直径，驱动轮在本次设计中选择8寸的工业车轮，即d=48mm； D——车轮直径，查文献[40]可知，驱动轮在本次设计中选择8 寸的工业车轮，即D=200mm； μ——车轮轴承摩擦因数，良好的沥青或混凝土路面摩擦阻力系数为—，μ =。 F为： 车轮与道路的滚动摩擦阻力 fg 式中Q——车轮承受载荷，Q=1000N； f——路面摩擦阻力系数，f=。 则： F： (2)空气阻力 w 空气阻力是 AGV 行驶过程当中，车身与空气间形成了相对运动而产生于车身上的阻力，该阻力主要由法向力以及侧向力两部分组成。空气阻力与AGV 沿行驶方向的投影面积以及车身与空气的相对运动速度有关，但由于AGV工作于室内，基本工作环境中无风，且速度不快，同时 AGV 前后方的投影面积均不大，因此认为空气阻力F[31]。 ≈ w F： (3)坡度阻力 r AGV 所实际行驶的路面并非理想化绝对平整，而是存在一定的坡度[32]，当 AGV行驶到该坡度处时，重力将产生一个沿着坡度方向的阻力，这个阻力就被称之为坡度阻F，表达式为： 力 r 式中G——AGV 满载总重量； α——最大坡度。 在 GB/T 20721-2006“自动导引小车国标”中表示：路面坡度（H/L）定义为在100mm 以上的长度范围内，路线水平高度差与长度的最大比值，路面坡度的最大比值需要小于（含），对于 AGV 精确定位的停车点，路面坡度需要小于（含）[33]。取坡度： 因此： F： （4）加速度阻力 j
无刷直流电机驱动 James P. Johnson, Caterpiller公司 本章的题目是无刷直流电动机及其驱动。无刷直流电动机（BLDC）的运行仿效了有刷并励直流电动机或是永磁直流电动机的运行。通过将原直流电动机的定子、转子内外对调—变成采用包含电枢绕组的交流定子和产生磁场的转子使得该仿效得以可能。正如本章中要进一步讨论的，输入到BLDC定子绕组中的交流电流必须与转子位置同步更变，以便保持磁场定向，或优化定子电流与转子磁通的相互作用，类似于有刷直流电动机中换向器、电刷对绕组的作用。该原理的实际运用只能在开关电子学新发展的今天方可出现。BLDC电机控制是今天世界上发展最快的运动控制技术。可以预见，随着BLDC的优点愈益被大家所熟知且燃油成本持续增加，BLDC必然会进一步广泛运用。 2011-01-30 23.1 BLDC基本原理 在众文献中无刷直流电动机有许多定义。NEMA标准《运动/定位控制电动机和控制》中对“无刷直流电动机”的定义是：“无刷直流电动机是具有永久磁铁转子并具有转轴位置监测来实施电子换向的旋转自同步电机。不论其驱动电子装置是否与电动机集成在一起还是彼此分离，只要满足这一定义均为所指。”
图23.1 无刷直流电机构形 2011-01-31 若干类型的电机和驱动被归类于无刷直流电机，它们包括： 1 永磁同步电机（PMSMs）； 2 梯形反电势(back - EMF)表面安装磁铁无刷直流电机； 3 正弦形表面安装磁铁无刷直流电机； 4 内嵌式磁铁无刷直流电机； 5 电机与驱动装置组合式无刷直流电机； 6 轴向磁通无刷直流电机。 图23.1给出了几种较常见的无刷直流电机的构形图。永磁同步电机反电势是正弦形的，其绕组如同其他交流电机一样通常不是满距，或是接近满距的集中式绕组。许多无刷直流电
基于无刷直流电机控制系统设计与实现 发表时间：2017-10-20T11:19:09.350Z 来源：《防护工程》2017年第15期作者：樊圣至[导读] 为了摆脱此系统对进口技术的依赖性，应深入研究其控制系统，提升设计水平，从而实现煤矿开采的自动化。交通运输部东海第一救助飞行队摘要：无刷直流电机具备体积小、效率高以及控制精度高等优势，且在多个领域得到了广泛使用。但在部分控制系统中，外加干扰以及参数摄动等因素干扰了系统的动静态性，基于此，本文在分析无刷直流电机结构与运行原理的基础上，指出了其软硬件方面的优化控制措施，以期为此后无刷直流电机控制系统的设计工作提供更多的参考依据。 关键词：无刷直流电机；控制系统；设计与实现 1 无刷直流电机结构 电机本体、位置测算结构、电子换相逻辑等均属于无刷直流电机的组成结构，且其与永磁同步电机较为相似。相较直流电机，无刷直流电机旋转的转子为磁极，而直流电机为绕组。且定子主要由电枢绕组、定子铁芯以及其他固定部件组成，电枢绕组一般采用三相Y型绕法，而转子磁极则采用稀土永磁钢片组成，安装在转子表面。 2 无刷直流电机软硬件设计2.1系统硬件部分 2.1.1系统硬件结构 系统硬件主要包括整流电路、开关电源电路、控制芯片、信号隔离电路、调试电路、逆变功率电路以及电流电压检测与保护电路等，其具体结构如下图1所示。 图1 无刷直流电机控制系统硬件结构组成图其中键盘控制系统信息，比如完成启动、停机、速度给定以及系统参数的在线修改等工作。系统交流电源通过整流桥获得直流电源，并供给全桥逆变以及开关电源电路。而开关电源电路则为系统提供24V以及5V的直流电源，电压检测电路通过模数转换获得电压时值，通过母线电压的监控实行过压保护动作，而主控芯片则通过判断输入信息进行控制命令。 2.1.2电源部分分路 整个系统能量的主要来源便是电源，且其呈现出交流、直流以及交流的变化过程，整个电路被分为强电与弱电两个组成部分，且单相220伏的交流电在整合后会形成310伏的直流电，为逆变电路以及开关电路提供能量。首先是整流电路，包括单相全桥不可控整流电路以及电容充电电流限制电路两个组成部分，当电机功率为1.5kW时，控制器的输出能力设定为2.2kW，且上电瞬间直流电源对电容充电，断开继电器，且电流在经过电阻的过程中得到缓冲。其次是电源电路，主要由变压器、IC1以及MC7085等部分组成，其中IC1为电源的专门控制面板。且开关电源处于电压工作模式，IC1通过电压反馈调整PWM的输出功率，从而维持电源电压的稳定运行。最后是芯片电源电路，主要采用主控芯片为3.3伏的工作电平。 2.1.3主控芯片以及周边电路研究中采用适合电机控制领域的32位Cortex -M3核的单片机，可以达到较高的运算效率，且其时钟频率为72赫兹，具备丰富的外设资源。在设计管脚分配以及附属电路时应在参考专业手册的基础上进行，第一，对于引脚60的外接电路，芯片应处于下载设置状态，且系统完成后还应焊接0欧姆的电阻，以保持引脚的低电平状态。第二，对于晶振电路应采用8M外部晶体的振荡器，且电源与大地之间连接电容，以排除电源的耦合干扰。第三，PWM信号输出控制电路，应采用安全性较强的芯片，且在芯片输出后以及光电隔离之前设置74ACT244以有效控制信号的总输出。第四，键盘系统属于独立通信模块，设计时应按照协议要求编写通讯软件即可使用。 2.1.4功率器元件以及驱动电路GTO、MOSFET、GTR、IGBT以及IPM等均属于常用的功率开关元件，且设计期间，应根据元件管件的耐压程度、最大开关频率等因素进行选择。本次研究中，电机控制要求较高的开关频率；较小的导通阻抗以及较小的驱动功率，因此可以选择MOSFET、IPM以及IGBT。比较发现，IGBT具备大电流以及低导通阻抗的特点，可以保持开关频率；而IPM则在内部集成了过高电压、过大电流以及高温的检测系统，且可以在引脚处输出故障信号，降低了系统的损害率。但考虑到此次研究的试验性质，因此应选择IGBT的分立元件组建全桥逆变电路，并确定1200伏的耐压与25安的额定电流，上升时间为50毫秒。 2.1.5模拟量采集与故障电路
机器人直流无刷电机是一种应用在智能机器人驱动上的微型电机产品，具备驱动、减速、提升扭矩功能，主要由微型直流无刷电机、齿轮箱组装而成，也称为机器人电机；这种直流无刷电机属于非标电机齿轮箱，采用定制参数、性能特点、结构方式，定制参数范围，直径规格在3.4mm-38mm之间，额定电压在3V-24V，输出力矩范围：1gf.cm到50Kgf.cm之间，减速比范围：5-1500；输出转速范围：5-2000rpm； 机器人直流无刷电机产品参数： 产品名称：儿童智能陪护机器人电机齿轮箱 电压：3V-24V 空载转速：15000 空载电流：300MA 工作温度：-20 (85) 产品说明：儿童智能陪护机器人电机齿轮箱为特定客户开发设计，只作为儿童智能陪护机器人电机齿轮箱的方案展示。 标准直流无刷电机产品参数： 产品名称：5v直流减速电机 产品分类：直流减速电机 电压：5 VDC 材质：五金 旋转方向：cw&ccw 齿轮箱回程差：≤2°（可定制） 轴承：烧结轴承;滚动轴承 轴向窜动：≤0.1mm(烧结轴承);≤0.1mm(滚动轴承) 输出轴径向负载：≤20N(烧结轴承);≤30N(滚动轴承) 输入速度:≤15000rpm 工作温度：-30 (100)
产品名称：直流无刷减速电机（齿轮电机） 产品分类：无刷减速电机 产品规格：Φ20MM产品 电压：12V 空载电流：220 mA （可定制） 负载转速：2.4-1000 rpm（可定制） 减速比：5/25/125/625:1（可定制） 机器人直流无刷电机定制参数、规格范围： 尺寸规格系列：3.4mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm、28mm、32mm、38mm； 电压范围：3V-24V 功率范围：0.1W-40W 输出力矩范围：1gf.cm到50Kgf.cm 减速比范围：5-1500； 输出转速范围：5-2000rpm； 生产厂家
直流无刷电机的控制技术 摘要围绕直流无刷电机控制运用广泛技术——基于DSP的控制系统进行了系统研究，采取模糊控制策略，设计出上位监控系统，数字化、智能化的控制系统提出方案，实践证明了系统的平稳性和快速性满足要求。 关键词直流无刷电机；DSP控制；模糊控制 0引言 数字信号（Digital Signal Processing ，DSP）是涉及很多学科，它广泛被用于很多学科与技术领域。数字信号处理器称为DSP芯片，适用在数字信号处理运算的微处理器，能够快速的在数字信号处理算法上实现。现今，DSP芯片用于运动上的控制、数控机床的控制、航天航空的控制、电力系统上的操作、自动化仪器的控制等各个领域[1]，该文主要介绍这种基于DSP芯片控制直流无刷电机智能化控制系统的设计。 1 系统结构设计 系统组成由“PC 上位机、电源单元、TMS320LF2407 DSP芯片、无刷直流电机、检测单元、功率驱动模块、通讯接口”等。（见图1） 1.1 DSP芯片的选择 DSP芯片的选择是很重要的，选对了DSP芯片才能设计出其外围电路和其他电路。DSP芯片的选择要根据实际的应用系统进行确定。DSP芯片由于场合不同选择的也就不同，我们要考虑DSP芯片的运算速度、价格、运算精度、功耗、硬件的资源等。我们根据系统要求，选择TI公司TMS320LF2407芯片。 1.2无刷直流电机 该电机采取1500转/分, 无刷直流电机采用1.78A、27V电压进行供电，电机换向电路主要是由控制和驱动组成，直流无刷电机自身属于机电能量转换部分，该部分由电机电枢、永磁、传感器组成。我们把电机的电轴绕组在定子上、把永磁放在转子上，其目的是为了实现换向。无刷直流电机的工作方式是两相导通的星型3相6状态，这样操作方式是因为转子在旋转定子电流中进行不断换相来保证两个磁场电流方向不发生改变，控制3相定子电流通电顺序与大小控制电机旋转的速度。 1.3功率的驱动模块 TOSHIBA公司采用IPM系列智能型模块，IPM主要集成了检测、控制、逻辑、保护电路这样有效提高了稳定性与可靠性。东芝的高速光耦TLP550（F）是
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
直流无刷电机的控制系统设计方案1 引言 1.1 题目综述 直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，它不仅保留了有刷直流电机良好的调试性能，而且还克服了有刷直流电机机械换相带来的火花、噪声、无线电干扰、寿命短及制造成本高和维修困难等等的缺点。与其它种类的电机相比它具有鲜明的特征：低噪声、体积小、散热性能好、调试性能好、控制灵活、高效率、长寿命等一系列优点。基于这么多的优点无刷直流电机有了广泛的应用。比如电动汽车的核心驱动部件、电动车门、汽车空调、雨刮刷、安全气囊；家用电器中的DVD、VCD、空调和冰箱的压缩机、洗衣机；办公领域的传真机、复印机、碎纸机等；工业领域的纺织机械、医疗、印刷机和数控机床等行业；水下机器人等等诸多应用[1]。 1.2 国内外研究状况 目前，国内无刷直流电机的控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。外国的一些技术和中国的一些技术大体相当，美国和日本的相对比较先进。当新型功率半导体器件：GTR、MOSFET、IGBT等的出现，以及钕铁硼、钐鈷等高性能永磁材料的出现，都为直流电机的应用奠定了坚实的基础。近些年来，计算机和控制技术快速发展。单片机、DSP、FPGA、CPLD等控制器被应用到了直流电机控制系统中，一些先进控制技术也同时被应用了到无刷直流电机控制系统中，这些发展都为直流电机的发展奠定了坚实的基础。 经过这么多年的发展，我国对无刷电机的控制已经有了很大的提高，但是与国外的技术相比还是相差很远，需要继续努力。所以对无刷直流电机控制系统的研究学习仍是国内的重要研究内容[2]。 1.3 课题设计的主要内容 本文以永磁方波无刷直流电机为控制对象，主要学习了电机的位置检测技术、电机的启动方法、调速控制策略等。选定合适的方案，设计硬件电路并编写程序调试，最终设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。本课题涉及的技术概括如下：
Xxxx大学 本科毕业论文开题报告 基于Simulink的直流电机转速控制仿真研究 学号： xxx 姓名： 导师： 学院： 专业： 日期：
目录 一、选题依据、目的和意义 二、国内外研究现状及发展趋势 三、研究的主要内容及实验方法 四、目标，主要特色及工作进度 五、主要参考文献
一、选题依据、目的和意义 直流电机分为有刷和无刷两种，无刷直流电机（BLDCM）是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流；无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般是“方波”），另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。 无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少40％—50％左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。 1.1选题依据 无刷直流电动机因卓越的性能和不可替代的技术优势倍受人们的关注,特别是自70年代后期以来伴随着永磁材料技术、计算机及控制技术等支撑技术的快速发展及微电机制造工艺水平的不断提高,无刷直流电动机在高性能中、小伺服驱动领域获得广泛应用并日趋占据主导地位。随着无刷直流电机应用领域的不断扩大,要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理。建立无刷直流电机控制系统的仿真模型,可以有效的节省控制系统设计时间,及时验证系统的控制算法,同时可以充分利用计算机仿真的优越性,很方便的改变系统的结构,加入不同的扰动和参数变化,可以更好的考察系统在不同结构和不同工况下的静、动特性。因此如何建立无刷直流电机控制系统的仿真模型成为迫切需要解决的关键问题。 1.2目的和意义 无刷直流电动机具有体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高、无滑动接触和换相火花、可靠性高、使用寿命长及噪声低等优点，在航空航天、伺服控制、数控机床、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用。随着无刷直流电机应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。通过建立有效的无刷直流电动机系统仿真模型，可以
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
无刷直流电机控制系统的Proteus仿真-机械制造论文 无刷直流电机控制系统的Proteus仿真 王家豪潘玉民 （华北科技学院电子信息工程学院，河北三河101601） 【摘要】基于Proteus软件仿真平台，提出了一种对无刷直流电机(BLDCM)控制系统实现了转速闭环控制的方案。该系统以AT89S52单片机为核心，采用IR2101芯片驱动及AD1674实现速度，并利用数码动态显示转速，通过增量式PID调节对无刷直流电机实现转速闭环稳定控制。仿真结果表明该系统具有可控调速、显示直观等特点。 关键词无刷直流电机(BLDCM)；Proteus；增量式PID；闭环控制 ０引言 无刷直流电机（BLDCM）既有直流有刷电机的特性，又有交流电机无刷的优点，在快速性、可控性、可靠性、输出转矩、结构、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，近年来得到迅速推广[1]。BLDCM是一种用电子换向取代机械换向的新一代电动机，与传统的直流电动机相比，它具有过载能力强，低电压特性好，启动电流小等优点。近年来在工业运用方面大有取代传统直流电动机的趋势，所以研究无刷直流电机的驱动控制技术具有重要的实际应用价值。 本设计采用增量式PID控制策略控制无刷电动机，并在Proteus平台上进行转速闭环系统仿真。搭建了无刷直流电动机转速控制系统的仿真模型，基于80C51控制核心，采用keil C51软件编写C程序。 1系统硬件组成 控制系统的硬件组成如图1所示。采用Atmel公司的AT89S52单片机为系统
控制核心、IR2101驱动的MOSFET三相桥式逆变器、无刷直流电机、A/D转换转速检测、闭环PID控制、按键检测、档位和转速显示等部分组成。 2控制系统核心及外围电路 系统核心AT89S52单片机最小系统及按键电路如图2所示。 AT89S52芯片是8位单片机，具有廉价、实用及运算快等优点，它有两个定时器，两个外部中断接口，24个I/O口，一个串行口。 单片机首先进行初始化，将显示部分（转速显示、档位显示）送显“0”然后通过中断对按键进行检测当检测到启动键按下时，系统启动，控制核心输出初始控制码，与此同时通过AD转换器读取当前的实时转速，一方面用于显示，另一方面将当前转速与设定转速送入PID控制环节然后输出下一时刻的控制码。 在本次设计中使用80C51的外部中断接口0（INT0）作按键检测（见图3），通过四个与门，当有任何一个按键按下去时tap端都会出现低电平引发中断。
河南科技大学毕业设计（论文）开题报告 （学生填表） 院系：电子信息工程学院2013年03月31日 课题名称无刷直流电机驱动电路 学生姓名赵永亮专业班级自动化093课题类型硬件设计 指导教师丁喆职称副教授课题来源生产实际1. 设计（或研究）的依据与意义 电动机作为机电能量转换装置，一直在人类生产和生活中起着十分重要的作用，其应用范围遍及各个领域。电力拖动自动控制系统已经成为现代电器化及自动化的基础，而实现工业企业的电气化及自动化对于提高产品质量，改善工人的劳动条件，增加工作可靠性以及劳动生产率均有重大的意义。因多年来，人们对电动机的研究一直未停断。电动机主要分为同步电机、异步电机和直流电动机三种类型，其容量大到几万千瓦，小到几瓦。长期以来，直流电动机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位。众所周知，直流电动机具有运行效率高、调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷换向，以机械接触方法进行换向，因而存在相应的机械摩擦，带来了火花、噪声、电磁干扰大以及寿命短等缺点，再加上制造成本高以及维修困难等缺点，大大限制了它的应用范围。因此无刷直流电动机应运而生。1955年美国的D.Harrison等人首次申请了用晶体管换向电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生，而电子换向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。 直流无刷电动机的主要特点：高效率：无刷直流电动机转子上既无铜耗也无铁耗，其效率比同容量异步电动机提高５％—１２％。．启动转矩大，启动电流小：无刷直流电动机的机械特性和调节特性与他励直流电动机枢控时相应特性类似，所以它的启动转矩大，启动电流小，调节范围宽，且没有因电刷换向器引起的缺点，电子换向取代了机械换向。无刷直流电动机是一种自控式调速系统，它无需像普通同步电动机那样需要启动绕组；在负载突变时，不会产生振荡和失步。无刷直流电机具有直流电动机特性、永磁同步电动机类似的结构。适合长期低速运转、启动频繁的场合，这是变频调速器拖动Ｙ系列电动机不太容易实现的。因此得到了广泛的应用，无论在数控机床，机器人等制造加工领域，还是家用电器如洗衣机，电脑硬盘等场合都日益受到重视。无刷直流电动机是集材料科学、电力电子技术、微电子技术和电机理论等多学科为一体的机电一体化产品，在诸多领域有着广阔的应用前景。因此，对无刷直流电机本体及其控制方法进行系统、深入的研究具有十分重要的现实意义。
概述 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。无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。 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。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。 参数 无刷直流减速电机参数分为标准参数和定制电机参数； 标准小型电机参数如下： 直径尺寸：4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、18mm、20mm、22mm、28mm、32mm、38mm； 齿轮箱材质分为：金属、塑胶材质结构； 输出转速：5-2000rpm； 减速比：5-1500； 功率：3V-24V； 输出扭矩：1gf-cm到50KGf-cm； 定制参数，即可按照项目设备需求定制无刷直流减速电机参数、规格和性能需求。
用途 小型无刷直流减速电机广泛应用在医疗器械，智能家居，机器人，汽车驱动，自动化设备，光学设备，精密仪器，工控设备等领域；按照应用方式分为：持续负载应用、可变负载应用、定位应用；在智能家居、智慧城市、机器人自动化领域均有广泛应用，通常是定制参数，规格模式。 品牌介绍 深圳市兆威机电股份有限公司成立于2001年，是一家研发、生产精密传动系统及汽车精密注塑零组件的制造型企业，为客户提供传动方案设计,零件的生产与组装的定制化服务。
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
直流无刷电机规格书 a c e 集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#
BLDCM 相关技术要求 沛城内部使用 2012年3月7日起草 接口类参数 一针座间距设计 1. 2.5 mm间距（适用于电机最大工作电流为2A的设计） 2. 3.96mm 间距（适用于电机最大工作电流大于2A但是小于5A的设计） 3. 5.08mm 间距（适用于电机最大工作电流大于5A但是小于12A的设计） 4. 7.62mm 间距（适用于D=225mm以上的离心风机用电机） 二针座定义 电气类参数 一额定工作电压 ◆ 12V DC ◆ 24V DC ◆ 48V DC ◆ 110V AC ◆ 220V AC 二工作电压范围 ◆ 12V DC（7~15V DC）◆ 24V DC（12~30V DC）◆ 48V DC（28~72V DC）◆ 110V AC ◆ 220V AC ---(宽电压范围90~265V AC) 三启动电压即是工作电压范围中的最低电压值（V）。 四额定电流即是产品在额定工作电压下的工作电流(A)。 五最大启动电流即是最高工作电压时的启动电流（A）。
六最大工作电流即是最高工作电压时的输入电流（A）。 七堵转电流即是在最高工作电压时的堵塞保护时的电流（常规是倍工作电流，可持续10S）（A）。 八电流波形即是在采样电阻处可检测的电流形式。正玄波/方波 九额定转速即是在全速时的转速，要求规定参考值和允许偏差值（RPM）。 十最高转速即是在最高工作电压时所能达到的最高转速（RPM）。 十一额定功率即是在自由空间，额定工作电压下的功率（W）。 十二最大功率即是在最高工作电压、最大静压下的最大功率（W）。 基本性能指标 一最大风量是指单位时间内的空气流通量（下图是风量换算公式） 二噪声规定额定噪声和最大噪声（行业要求≤50dB） 控制信号和调速方式 一控制方式（PWM） 二信号电平范围视控制信号输出MCU的I/O VDD值而定。三输入控制信号频率范围 30HZ~30KHZ 四额定电压下，启动所需最小占空比 10% 五占空比≤10%对应状态电机停转（Stop） 六 PWM控制端子悬空（NC）对应状态全速 七占空比=100%对应状态全速 九占空比10%~100%对应转速 RPM Min~RPM Max,近似正比线性 十转速精度 1500RPM及以下转速，要求±150转；1500RPM以上转速，要求±5%可靠性要求
合肥师范学院本科生毕业论文（设计）开题报告 （学生用表） 装 订 线
第l章主要叙述了无刷直流电机的发展趋势、无刷直流电机的控制技术、研究背景及意义。 第2章首先介绍了无刷直流电机的基本结构和工作原理，然后给出了常见的无刷直流电机的数学模型及其推导过程，在此基础上对无刷直流电机的稳态特性进行了详细分析。 第3章对本控制系统的总体结构和设计进行介绍。主要包括控制系统的整体方案，控制芯片，控制技术以及控制策略的选择。 第4章对控制系统的硬件电路进行设计，包括DSP最小系统、功率驱动电路、采样检测电路、保护电路等的设计，并对各个部分进行了详细的分析。 第5章以TI公司的CCS开发环境为开发工具，对整个控制系统的软件部分进行了设计。 第6章总结与展望，总结了本文的主要工作，展望了以后工作的研究方向。 五、可行性分析 此次研究是在指导老师的指导下搜集，查阅相关资料，确定能够通过应用DSP 芯片进行控制是最优方案，采用TI公司的TMS320F2812作为控制器。根据现在无刷直流电机的控制技术的发展水平和未来的发展趋势及可操作性进行分析，该课题能够顺利进行。 六、设计方案 6.1无刷直流电机的基本结构 无刷直流电机的设计思想来源于利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器。普通有刷直流电机由于电刷的换向作用，使得电枢磁场和主磁场的方向在电机运行的过程中始终保持相互垂直，这样能够产生最大的转矩，从而驱动电机不停地运转下去。无刷直流电机取消电刷实现了无机械接触换相，做成“倒装式直流电机"的结构，将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子侧。无刷直流电机必须具有由控制电路、功率逆变桥和转子位置传感器共同组成的换相装置以实现电机速度和方向的控制[5]。因此，可以认为无刷直流电机是典型的机电一体化器件，其基本结构由电动机本体、驱动控制电路及转子位置传感器三部分组成，如图所示。 无刷直流电机的构成 6.2无刷直流电机的工作原理 普通直流电机的电枢在转子上，而定子产生固定不变的磁场。为了使直流电机旋转，需要通过换相器和电刷不断地改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转[6]。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通直流电动机相反。然而即便是这样的改变仍然不够，因为直流电通入定子上的电枢以后，产生的不变磁场还是不能使电动机转动起来。为了达到使电动机
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。