摘要
介绍以专用控制芯片MC33035、MC33039为核心构成的家用传动装置中永磁无刷直流电机控制器设计，无刷直流电机一般是小型的电机一般采用L298N驱动，他一般可以同时驱动两电机，如果担心驱动不够就可以采用两个L298N。其内部原理是采用H桥式差动放大。L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，主要涉及核心控制电路的构成，功率开关元件的驱动。实现以敏感元件（霍尔元件）为速度反馈电路的双闭环无级调速系统驱动。
关键词：无刷直流电机；专用控制芯片；控制器；功率开关元件；设计
Abstract
This paper investigated the design of the permanent magnet brushness DC (PMBLDC) motor controller applying the special integ rated circuits for service of driver for home , including the construction of main control circuits , the driving of power se miconductor. It actives to control driver of double close –lo op no-grade speed –controlled system by magnetically activated integrated circuits (hall effect switches) .
Key words : PMBLDC motor ;special integrated circuits; controller ; driving of power –semiconductor ; design
第一章绪论
1.1 对小功率无刷直流电机的认识
一种用电子换向的小功率直流电动机。又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。它是用半导体逆变器取代一般直流电动机中的机械换向器，构成没有换向器的直流电动机。这种电机结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。
无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。同步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。而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。
无刷直流电动机由一台同步电机、一组转子位置检测器和一套受位置检测器控制的自控式逆变器组成。中小型电机的逆变器一般由晶体管组成；大型电机的逆变器通常采用晶闸管构成,称为晶闸管电动机。置(例如90°或120°电角度),位置检测器便产生相应的信号，作用于对应的半导体元件，使相应的相绕组通电，产生转矩。电动机转子每转过一对磁极，各半导体元件轮流导通一周，逆变器输出的交流电相应地变化一个周期。所以自控式逆变器的输出频率和电动机的转速始终保持同步，不会出现失步现象。
在小型无刷直流电动机中，逆变器由晶体管组成。由于晶体管具有自关断能力，只要其基极上的控制信号消失，晶体管就自行关断，所以控制比较简单。在容量较大的无刷直流电机中，逆变器由晶闸管组成。晶闸管没有自关断能力，不能靠除去触发信号使其关断。所以当一相电流需要截止，让另一相通电时，如何关断原先导通的晶闸管，把电流转移到新的一相晶闸管，即晶闸管之间的换流问题是晶闸管电机的技术关键。
1.2 本课题的研究意义
实用性新型无刷电机是与电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联系的。它不仅限于交直流领域，还涉及电动、发电的能量转换和信号传感等领域。在电机领域中新型无刷电机的品种是较多的，但性能优良的无刷电机因受到价格的限制，其应用还不十分广泛。下面分别就主要的新型无刷电机进行探索与研究。
直流无刷电动机与一般直流电动机具有相同的工作原理和应用特性，而其组成是不一样的。除了电机本身外，前者还多一个换向电路，电机本身和换向电路紧密结合在一起。许多小功率电动机的电机本身是与换向电路合成一体，从外观上看直流无刷电动机与直流电动机完全一样。直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。永磁磁场的发展与永磁材料的应用密切相关，第三代永磁材料的应用，促使直流无刷电机向高效率、小型化、节能方向迈进。为了实现电子换向必须有位置信号来控制电路。早期用机电位置传感器获得位置信号，现已逐步用电子式位置传感器或其它方法得到位置信号，最简便的方法是利用电枢绕组的电势信号作为位置信号。要实现电机转速的控制必须有速度信号。用获得位置信号相近方法取得速度信号，最简单的速度传感器是测频式测速发电机与电子线路相结合。直流无刷电机的换向电路由驱动及控制两部分组成，这两部分是不容易分开的，尤其小功率用电路往往将两者集成化成为单一专用集成电路。在功率较大的电机中，驱动电路和控制电路可各自成为一体。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。目前，驱动电路已从线性放大状态转成脉宽调制的开关状态，相应电路组成也从晶体管分立电路转成模块化集成电路。模块化集成电路有功率双极晶体管、功率场效应管和隔离栅场效应双极晶体管等组成形式。虽然，隔离栅场效应双极晶体管价格较贵，但从可靠安全和性能角度看，选用它还是较合适的。控制电路用作控制电机的转速、转向、电流(或转矩)以及保护电机的过流、过压、过热等。上述参数容易转成模拟信号，用此来控制较简单，但从发展来看，电机的参数应转换成数字量，通过数字式控制电路来控制电机。当前，控制电路有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成方式。在对电机控制要求不
高的场合，专用集成电路组成控制电路是简单实用的方式。采用数字信号处理器组成控制电路是今后发展方向，有关数字信号处理器将在下面交流同步伺服电动机中介绍。目前，在微小功率范畴直流无刷电动机是发展较快的新型电机。由于各个应用领域需要各自独特的直流无刷电动机，所以直流无刷电动机的类型较多。大体上有计算机外存储器以及VCD、DVD、CD主轴驱动用扁平式无铁心电机结构，小型通风机用外转子电机结构，家电用多极磁场结构及内装式结构，电动自行车用多极、外转子结构等等。上述直流无刷电动机的电机本身和电路均成一体，使用十分方便，它的产量也非常大。
1.3 课题的研究目的
本课题主要介绍以MC33035为核心构成的无刷直流电动机控制器的设计，主要涉及核心控制电路的构成，IR2103的驱动，调速电路的实现，保证系统运行可靠性的抗干扰等方面的内容。从而研究出高精度的人工心脏叶轮血泵。
1.4 无刷直流电机的发展
永磁直流无刷电动机是近年来迅速成长起来的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，既具有交流电机结构简单，运行可靠，维护方便方便等特点，又具有直流电机的良好调速性，并且无机械式换向器，现在广泛应用于各种场合。无刷直流电动机因其体积小，转矩高，可靠性高，维护方便等优点，在自动家用设备中得到广泛的应用。以前没有一个专用芯片对霍尔传感器检测出的位置信号进行译码，它本身更不具备过流，过热，欠压，正反转选择等辅助功能，因而设计者最初采用分立元件组成的庞大的模拟电路来对它进行控制，使得系统的设计，调试变得相当复杂，而且要占用很大的电路板，有时候与把控制器内嵌到电机内部的要求相矛盾。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。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启
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，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼
（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。
近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。
第二章课题设计的技术原理和设计思路ML4428是美国Micro Linear公司生产的一种新型电动机控制专用集路。适合于三角形或星形联结三相无位置传感器无刷直流电机全渡桥式驱动控制。该集成电路内含有两个专利技术，即新颖的电机起动技术和采用锁相环的反电势控制换相技术。该IC还内置了线性与PWM模式转速闭环控制及关断时间固定的PWM 电机电流限制控制。简单的正反转和制动控制，对与电机换相信号频率相同的VCO输出信号进行处理可测得电机转速，对电动机的限制是要求电动机旋转时定子绕组电感有30％的变化率。因此ML4428芯片在微型电动机领域有广泛应用。
2.1 控制器结构
MC33035 是 MOTORLORA 公司研制的第二代无刷直流电机控制专用集成电路，加上1片 MC3309 电子测速器将无刷直流电动机的转子位置信号进行 F/V 转换，形成转速反馈信号，即可构成转速闭环调节系统。外接 6 个功率开关器件组成三相逆变器，就可驱动三相永磁无刷直流电机，控制器电路构成，如图 1 所示，图中 S1 控制电机转向，S2 控制系统起停，S3 选择系统开环或闭环运行，S4 控制系统制动，S5 选择转子位置检测信号为 60°或 120°方式，S6 控制系统的复位。电位器 RP1 用以设定所需电机转速，发光二板管 L1 用作故障指示，当出现不正常的位置检测信号、主电路过流、3种欠电压之一（芯片电压低于9.1V，驱动电路电压低于9.1V，基准电压低于4.5V）、芯片内部过热、起停端低电平时，L1发光报警，同时自动封锁系统。故障排除后，经系统复位才能恢复正常工作。
2.2 控制原理
从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号（SA,SB,SC）一方面送入 )
MC33035，经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态，经过运算后，产生逆变器三相上、下桥臂开关器件的6路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。处理后的三相下桥 PWM 控制信号（Ar ,Br, Cr）经过驱动电路整形、放大后，施加到逆变器的6个开关管上，使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。另一方面，转子位置检测信号还送入 MC33039 经 F/V转换，得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号 FB。FB 通过简单的阻容网络滤波后形成转速反馈信号，利用 MC33035 中的误差放大器即可构成一个简单的P调节器，实现电机转速的闭环控制，以提高电机的机械特性硬度。实际应用中，还可外接各种 PI, PD，调节电路以实现更为复杂的闭环调节控制。
2.1 设计思路
本设计设计过程分为下三个阶段：
2.1.1 反电势控制换相原理：
对于三相无刷直流电机，转子旋转时，定子绕组反电势过零点对于转子的空间坐标是固定的，不因电机的转速而变。各种反电势位置检测换向控制系统一般都是利用这个过零点进行电机定子绕组换相控制。使电机内工作气隙产生一个跳跃式的旋转磁场，这个旋转磁场与转子永磁磁场相互作用产生旋转力矩使电机旋转。ML4428芯片反电势换向控制单元由反电势采样电路、压控振荡器及环路滤渡器组成锁相环电路。将压控振荡器VCO输出频率锁定在电机定子绕组反电势过零点所确定的频率上，可控制电机逆变器换相逻辑，获得准确的换相时序。反电势采样电路又由中点模拟电路、多路切换开关、符号变换电路组成电机定子绕组端电压波形与假想中点电位相交点附近部分，是该相绕组不激励时间的反电势波形。通过VCO压控振荡器输出信号控制多路切换开关轮番地将电机三相端电压中的反电势信号取出，经与模拟中点电位相减后再通过符号电路处理，得到换相误差信号，该误差信号通过跨导放大器加在环路滤波器上。落后的换相使误差放大器向20脚滤波器充电，从而增大VCO输入电压，使VCO
频率增加。相反，提早换相将会引起20脚上电容放电，使VCO输入电压减少，VCO 频率减小。
2.1.2 起动电路：
前述电动机反电势换相电路需要绕组反电势有一定的大小，但当电机起动或低速时，反电势为零或较低，此时必须由其他办法起动，ML4428起动电机时通过定子绕组的总电流波形。电动机起动时，ML4428先检测转子位置，由于电动机定子绕组随转子位置不同其电感也不同。因此ML4428向电动机定子绕组施加6个不同方向的检测激励脉冲，在该脉冲激励下电动机相应产生6个电流响应，根据6个电流响应幅值的不同可以确定转子位置。由于每次激励时间极短，一般为200 s，电动机在此阶段不会产生旋转。总的转子位置检测时间一般为3 ms。然后根据测得的转子位置选择恰当的驱动状态。使电动机加速旋转．驱动时间可根据电机负载情况由l9脚电阻设定，如此反复步进驱动，直到2(I脚电压大于0．6 V，定子绕组能产生足够大的反电势时，进入正常的反电势锁相环换相控制。
2.1.3速度控制：
当电机进入正常的反电势锁相环换相控制时，内置的速度控制电路开始起作用，两个跨导误差放大器及附属电压反馈网络与电流反馈网络可分别构成闭环速度调器和电流调节器，采用PI控制方式，其输出与锯齿渡信号比较构成PWM 方式调速电路。也可使6脚CPWM端接地，此时跨导放大器的输出通过缓冲电路后直接调制三个外置N沟道MOSFET栅极，此时系统为线性方式调速模式。
无刷直流电机一般是小型的电机一般采用L298N驱动，他一般可以同时驱动两电机，如果担心驱动不够就可以采用两个L298N。其内部原理是采用H桥式差动放大。L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其引脚排列如图1中U4所示，1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。L298可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。1298的逻辑功能如表1所列。表1 L298N的逻辑功能Intel8253输出二组PWM波，每一组PWM波用来控制
一个电机的速度．另外二个I／O口可以控制电机的正反转．控制方法与控制电路都比较简单。即P10、P11控制第一个电机的方向，输入的：PWMl控制第一个电机的速度；P12、P13控制第二个电机的方向，输入的PWM2控制第二个电机的速度。由于电机在正常工作时对电源的干扰很大，只用一组电源时会影响单片机的正常工作。所以选用双电源供电。一组5V电源给单片机和控制电路供电，另外一组5V、9V电源给L298N的+VSS、+VS供电。在控制部分和电机驱动部分之间用光耦隔开，以免影响控制部分电源的品质。
2.2 芯片介绍
2.3 芯片功能
MC33035 结构组成及功能
其主要组成部分包括：
（ 1 ）转子位置传感器译码电路；
（ 2 ）带温度补偿的内部基准电源；
（ 3 ）频率可设定的锯齿波振荡器；
（ 4 ）误差放大器；
（ 5）脉宽调制（PWM）比较器；
（ 6 ）输出驱动电路；
（ 7 ）欠电压封锁保护芯片过热保护等故障输出；
（ 8 ）限流电路。
该集成电路的典型控制功能包括 PWM 开环速度控制，使能控制（起动或停止），正反转控制和能耗制动控制，适当加上一些外围元件，可实现软起动。
第三章硬件电路设计
3.1 硬件电路组成
3.1.1 转子位置传感器译码电路
该译码电路将电动机的转子位置传感器信号转换成六路驱动输出信号，三路上侧驱动输出和三路下侧驱动输出。它适合于集电极开路的霍尔集成电路或光耦合电路等传感器。输入端脚 4、5、6 都设有提升电阻，输入电路分 TTL 电路电平兼容，门槛电压为2.2V。该集成电路适用于传感器相位差为,60°、120°、240°、300°四种情况的三相无刷电动机。
由于 3 个输入逻辑信号，可有 8 种逻辑组合。其中 6 种正常状态决定了电动机 , 个不同位置状态。其余 2 种组合对应于位置传感不正常状态，即 3 个信号线开路或对地短路状态，此时脚 14 将输出故障信号（低电平）。
用脚 3 逻辑电平来确定电动机转向。当脚 3 逻辑状态改变时，传感器信号在译码器内将原来的逻辑状态改变成非，再经译码后，得到反相序的换向输出，使电动机反转。电动机的起停控制由脚 7 使能端来实现。当脚 7 悬空时，内部有电流源使驱动输出电路正常工作。若脚 7 接地，3 个上侧驱动输出开路（1 状态），3 个下侧驱动输出强制为低电平（ 0 状态），使电动机失去激励而停车，同时故障信号输出为零。
当加到脚 23 上的制动信号为高电平时，电动机进行制动操作。它使 3 个上侧驱动输出开路，下侧 3 个驱动输出为高电平，外接逆变桥下侧 3 个功率开关导通，使电动机 3 个绕组端对地短接，实现能耗制动。芯片内设一个四与门电路，其输入端是脚 23 的制动信号和上侧驱动输出 3 个信号，它的作用是等待 3 个上侧驱动输出确实已转变为高电平状态后，才允许 3 个下侧驱动输出变为高电平状态，从而避免逆变桥上下开关出现同时导通的危险，其控制真值表，如表1示。
3.1.2 误差放大器
该芯片内设有高性能，全补偿的误差放大器。在闭环速度控制时，该放大器的直流电压增益为 80dB ，增益带宽为 0.6MHz,输入共模电压范围从地到 VREF（典型值为 6.25V ），可得到良好性能。作开环速度控制时，可将此放大器改接成增益为 1 的电压跟随器，即速度设定电压从其同相输入端脚 11输入。脚 12～13 短接。
3.1.3 脉宽调制器
除非由于过电流或故障状态使 6 个驱动输出调闭锁，在正常情况下，误差放大器输出与振荡器输出锯齿波信号比较后，产生脉宽调制（ PWM ）信号，控制 3 个下侧驱动输出。改变输出脉冲宽度，相当于改变供给电动机绕组的平均电压，从而控制其转速和转矩。脉宽调制时序图，如图 3 示。
3.1.4 电流限制
外接逆变桥经一电阻 Rs 接地作电流采样。采样电压由脚 9 和脚 15 输入至电流检测比较器。比较器反相输入端设置有 100mV 基准电压，作为电流限流基准。在振荡器锯齿波上升时间内，若电流过大，此比较器翻转，使下 Rs 触发器重置，将驱动输出关闭，以限制电流继续增大。在锯齿波下降时间，重新将触发器置位，使驱动输出开通。利用这样的逐个周期电流比较，实现了限流，若允许最大电流为 Imax ，则采样电阻按下式选择：
Rs = 0.1/ Imax为了避免由换相尖峰脉冲引起电流检测误动作，在脚 9 输入前可设置 RC 低通滤波器。
3.2 MC33039电子测速器
MC33039是为无刷直流电动机闭环速度控制专门设计的集成电路，系统不必使用高价的电磁式或光电测速机，就可实现精确调速控制。它直接利用三相无刷直流电动机转子位置传感器 3 个输出信号，经 F / V 变换成正比于电动机转速的电压。
从 MC33039 结构图图 4 可知，脚 1 、 2、 3 接收位置传感器 3 个信号，经有滞后的缓冲电路，以抑制输入噪声。经“或”运算得到相当于电动机每对极下 6 个脉冲的信号。再经有外接定时元件 CT 和 Rr 的单稳态电路，从脚 5 输出的 fout 信号的
占空比与电动机转速有关，其直流分量与转速成正比，此信号在外接低通滤波器处理后，即可得到与转速成正比的测速电压。三相电动机中应用时的波形图中，fout 是脚5输出，Vout，（AVG）表示它的平均值，即直流分量。
第四章软件系统设计
4.1 系统软件设计
系统中的信号采集、控制决策确定及控制量输出等各项功能都要通过软、硬件共同来实现。控制系统中的应用软件是根据系统的各项功能要求而设计的，它首先应该可靠地实现系统的各项功能。为此本装置软件设计的主要原则是:①软件的设计与硬件电路的设计综合进行。在软件设计时尽量发挥单片机高性能的潜力，进行硬件的软化，以减不控制系统硬件电路无器件的数量，降低控制系统的造价和提高系统的可靠性。②各功能程序实现模式化、子程序化，这样便于程序的测试、移植和修改。同时程序设计尽量考虑模块的通用性，这样模块的反复利用率高，可以节省大量的程序存储单元。③对程序存储区和数据存储区进行合理规划，为功能的扩展预留空间，以提高序运行的速度，使软件升级更为容易与简单。④在系统软件设计中，同时要进行抗干扰设计。软件抗干扰是微机控制系统中提高可靠性和抗干扰能力。⑤在程序中尽量避免使用浮点数运算，因为执行这些子程序会占用较多的时间，而工业控制对是动机保护动作实时性要求较高，例如当电动机发生短路故障后，要求保护动作时间必须小于0.2s，这就使单睛机没有足够的时间去反复调用这些子程序。因此本系统在程序设计时都采用定点数运算。
本装置所有软件全部采用单片机汇编语言编写，而且采用了模块化结构，包括参数设定模块和保护运行模块，从而使程序简单明了，为软件的编写和修改提供了方便。整个控制软件的主程序框图如图4.1所示。
图4.1主程序框图
4.2 感应电动机运行方式的方案
数字化多功能电动机就果用数学方法实现血流量的测量。通过对相应的动作方程进行计算，加以分析、判断，从而执行判决的任务。
4.3 参数设定模块
在参数设定模块中，运行人员可通过“参数通道号”(键1),“+”(键2),“一”(键3)和“完成”(键4)四个按键方便地进行各个运行参数的设定、保护功能的选择和保护动作定值的整定，当参数设定完后，将参数写入EEPROM中保存起来。参数设
定模块的程序流程框图如图4.2所示。
实验一直流电动机起动实验 一、实验目的理解直流电机的工作原理，测试直流电动及直接起动的波形。说明负载转矩、转速、电流、电磁转矩之间为何具有相应的对应关系。 二、实验的主要内容 仿真一台直流并励电动机的起动过程。电动机参数为: PN =17kW, U N = 220V, n0= 3000r/min,电枢回路电阻R a =0. 0870，电枢电感La =0. 0032H，励磁回路电阻R F=181.50,电机转动惯量J=0.76 kg ?m2。 三、实验的基本原理直流电动机刚与电源接通的瞬间，转子尚未转动起来时，他励和串励电动机的电枢电流以及并励和复励电动机的输入电流称为起动电流，这时的电磁转矩称为起动转矩。一般情况下，在额定电压下直接起动时，起动电流可达电枢电流额定值的10~20倍，起动转矩也能达到额定转矩的10~20倍，这样的起动电流是换向所不允许的，而且过大的起动转矩会使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的巨大冲击，以致损坏传动机械和生产机械。由此可见，除了额定功率在数百瓦以下的微型直流电动机，因电枢绕组导线细、枢电阻大以及转动惯量又比较小，可以直接起动以外，一般的直流电动机是不允许采用直接起动的。 四、实验步骤 1) 建立并激电动机的仿真模型:直流电动机DCmotor 的电枢和励磁并联后由直流电源DC 供电，用Step 模块给定电动机的负载转矩，在DCmotor 的m 端连接了Demux 模块,将m 端输出的4 个信号分为4 路，以便通过示波器Scope 观察，m 端输出的转速单位为rad/s,这里使用了一个放大器(Gain), 将rad/s 转换为习惯的r/min,变换系数为:k=60/2 π =9.55。 2) 计算电动机参数: 励磁电流 励磁电感在恒定磁场控制时可取“ 0” 电枢电阻 R a =0.0870 电枢电感估算
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。
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。
物理八年级人教新课标实 验安装直流电动机模型 Prepared on 22 November 2020
实验报告 实验：安装直流电动机模型 初三( )班姓名：_____________ 座号：_______ _____年___月___日 实验目的：1.安装直流电动机模型。 2.研究直流电动机的转动方向和转速。 实验器材：直流电动机模型(散件)，干电池组、滑动变阻器、开关、导线若干。 实验步骤：1.安装直流电动机模型。 2.画出直流电动机模型与变阻器、电源、开关、组成的串联电路 图。 3.按电路图连接电路。 4.经检查无误后，闭合开关，调节滑动变阻器至合适位置，观察电动机线圈转动情况。 5.按下表进行实验，结论填入表中。 源电压，否则容易把电 动机模型烧坏。
2.为了使线圈在转动到平衡位置时，适时地改变线圈中电流方向，必须十分注意通电线圈 和换向器安装是否符合要求，应该使换向器两个铜质半环的绝缘处（断开处）的边线与线圈平面垂直。 3.电刷和换向器安装的松紧要适当，太松会接触不良形成开路，太紧会使电刷与铜质半环 间摩擦过大妨碍线圈的转动。 4.若接通电源后，电动机模型不转动，则可能有以下故障： ①滑动变阻器的连入阻值过大。②电刷与换向器间接触不良。③线圈正好处于平衡位置。 ④电磁铁没有磁性（或磁体没有放置好，磁场较弱）⑤电路的其它部分开路。☆） 实验报告 实验：安装直流电动机模型 初三( )班姓名：_____________ 座号：_______ _____年___月___日 实验目的：1.安装直流电动机模型。 2.研究直流电动机的转动方向和转速。 实验器材：直流电动机模型(散件)，干电池组、滑动变阻器、开关、导线若干。 实验步骤：1.安装直流电动机模型。 2.画出直流电动机模型与变阻器、电源、开关、组成的串联电路 图。 3.按电路图连接电路。 4.经检查无误后，闭合开关，调节滑动变阻器至合适位置，观察电动机线圈转动情况。 5.按下表进行实验，结论填入表中。
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
实验二直流并励电动机 一.实验目的 1.掌握用实验方法测取直流并励电动机的工作特性和机械特性。 2.掌握直流并励电动机的调速方法。 二.预习要点 1.什么是直流电动机的工作特性和机械特性？ 2.直流电动机调速原理是什么？ 三.实验项目 1.工作特性和机械特性 保持U=U N和I f=I fN不变，测取n、T2、n=f(I a)及n=f(T2)。 2.调速特性 (1)改变电枢电压调速 保持U=U N、I f=I fN=常数，T2=常数，测取n=f(Ua)。 (2)改变励磁电流调速 保持U=U N，T2 =常数，R1 =0，测取n=f(I f)。 (3)观察能耗制动过程 四．实验设备及仪器 1．NMEL系列电机教学实验台的主控制屏。 2．电机导轨及涡流测功机、转矩转速测量（NMEL-13）。 3．可调直流稳压电源（含直流电压、电流、毫安表） 4．直流电压、毫安、安培表（NMEL-06）。 5．直流并励电动机。M03 (U N=220v，I N=1.1A，n N=1600) 6．波形测试及开关板（NMEL-05）。 7．三相可调电阻900Ω（MEL-03）。 五．实验方法 1．并励电动机的工作特性和机械特性。 实验线路如图1-6所示 U1：可调直流稳压电源 R1、R f：电枢调节电阻和磁场调节电阻， 位于NMEL-09。
电机旋转，并调整电机的旋转方向，使电机正转。 b．直流电机正常起动后，将电枢串联电阻R1调至零，调节直流可调稳压电源的输出至220V，再分别调节磁场调节电阻R f和“转矩设定”电位器，使电动机达到额定值：U=U N=220V，Ia=I N，n=n N=1600r/min，此时直流电机的励磁电流I f=I fN（额定励磁电流）。 c．保持U=U N，I f=I fN不变的条件下，逐次减小电动机的负载，即逆时针调节“转矩设定”电位器，测取电动机电枢电流I a、转速n和转矩T2，共取数据7-8组填入表1-8中。表U＝U N＝221V I f=I fN=56.1mA I f2=1.1 A
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
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
初中物理直流电动机实验 初中物理直流电动机实验 观察与思考 1．试总结使直流电动机转向和转速改变的因素. 2．试推想交流电动机的工作原理。 3．玩具小汽车，坦克等车辆能向前后两个方向运动，而车轮的转动由车内的电动机带动，问汽车、坦克等车辆怎样改变运动方向的？ 实验结论 1.通过增大电流、增强磁场，可以使电动机的转速变快。即改变电流大小、改变磁场的强弱可以改变电动机的转动速度； 2. 只要改变电流的方向或磁场的方向中的一个，就可以改变电动机转动的方向。 实验考点 这个实验所涉及的内容，往往考查电动机的转动速度与哪些因素有关，转动的方向与哪些因素有关，以及电动机的原理，往往以探究题、填空题等形式出现。 经典考题 1. 科学家通过长期研究，发现了电和磁的联系，其中最重要的两种研究如上图所示。 （1）甲图是研究_________现象的装置，根据这一现象制了
________机。 （2）乙图是研究_____________的装置，根据这一现象制成了_________机。 3. 在安装直流电动机模型的实验中，安装完毕后闭合开关，线圈沿顺时针方向转动，要想使线圈沿逆时针方向转动，正确的做法是（） A. 减少一节电池 B. 调换磁性更强的磁铁 C. 把电源正、负极和磁铁南、北极同时对调 D. 把电源正、负极对调或磁铁南、北极对调 观察与思考答案 1. 电流的方向,磁铁磁极的方向能改变电动机的转向,电流的强弱、磁场的强弱、线圈的特性能改变转速。 2. 交流电动机采用交流电源，利用电流方向的改变使线圈在磁场中受力方向改变，从而维持线圈的不断转动。 3. 当电流方向发生改变时，电动机的转向随之发生改变，进而使车轮也反向转动，达到向前后两个方向运动的目的。 经典考题答案 1.要明确电动机的原理和发电机的原理，这两个实验比较相似，是同学们容易混淆的两个知识点。发电机的原理图中没有电源而有电流表，电动机的图中有电源，没有电流表。
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
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
实验八直流并励电动机 一.实验目的 1.掌握用实验方法测取直流并励电动机的工作特性和机械特性。 2.掌握直流并励电动机的调速方法。 二.实验方法 1．并励电动机的工作特性和机械特性。 表1-8 U=U N=220V I f=I fN= 80.8 mA 2．调速特性 （1）改变电枢端电压的调速 （2）改变励磁电流的调速 三．实验报告 1.由表1-8计算出P2和η，并绘出n、T2、η=f(I a)及n=f(T2)的特性曲线。
图1 n=f(I a)特性曲线图2 T2=f(I a)特性曲线 图3 η=f(I a)特性曲线图4 n=f(T2)特性曲线 2.绘出并励电动机调速特性曲线n=f(U a)和n=f(I f)。分析在恒转矩负载时两种调速的电枢电流变化规律以及两种调速方法的优缺点。 图5 特性曲线n=f(U a)图6 特性曲线n=f(I f) 在恒转矩负载时两种调速的电枢电流变化规律以及两种调速方法的优缺点： 改变电枢端电压的调速是在额定转速以下调节转速的方法，电压Ua越小，转速n越小。优点：（1）可实现平滑的无级调速；（2）相对稳定性较好；（3）调速经济性较好；（4）调速范围大。 缺点：需要专用的可调压直流电源。 改变励磁电流的调速是在额定转速以上调节转速的方法，励磁电流If减小，磁通Φ变小，转速n升高。 优点：（1）可实现无级调速；（2）稳定性好；（3）调速经济性较好；（4）控制方便，能量损耗小。 缺点：受电动机机械强度和换向火花的限制，转速不能太高，调速范围不大。
四．思考题 1.并励电动机的速率特性n=f(I a)为什么是略微下降？是否会出现上翘现象？为什么？上翘的速率特性对电动机运行有何影响？ 答：根据并励电动机的速率特性公式，若忽略电枢反应，当电枢回路电流I a增加时，转速n下降；若考虑电枢反应的去磁效应，磁通Φ下降可能引起转速n的上升，即出现上翘现象。这样的变化与电枢回路电流I a增大引起的转速n降低抵消，使电动机的转速n变化很小。 2.当电动机的负载转矩和励磁电流不变时，减小电枢端压，为什么会引起电动机转速降低？ 答：由直流电动机机械特性的表达式可知，转速n与电枢电压Ua成正比、与磁通量Φ成反比，所以减小电压时，转速n下降。 3.当电动机的负载转矩和电枢端电压不变时，减小励磁电流会引起转速的升高，为什么？ 答：由于磁通与励磁电流在额定磁通以下时基本成正比，所以励磁电流I f减小时，主磁通也随着减小。由机械特性的表达式可知，当磁通Φ减小时，转速n升高。 4.并励电动机在负载运行中，当磁场回路断线时是否一定会出现“飞速”？为什么？ 答：不一定。因为当电动机负载较轻时，电动机的转速将迅速上升直至超过允许值，造成“飞车”；但若电动机的负载为重载时，则电动机的电磁转矩将小于负载转矩，使电动机转速减小，但电枢电流将飞速增大，超过电动机允许的最大电流值，烧毁电枢绕组。
. .. 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。
第一部分电机与拖动实验的基本要求和安全操作规程电机与拖动实验课的目的在于培养学生掌握基本的实验方法与操作技能。培养学生学会根据实验目的，实验内容及实验设备拟定实验线路，选择所需仪表，确定实验步骤，测取所需数据，进行分析研究，得出必要结论，从而完成实验报告。 一、实验前的准备 实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书,了解实验目的、项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题(有些内容可到实验室对照实验预习，如熟悉组件的编号，使用及其规定值等)，并按照实验项目准备记录抄表等。 实验前应写好预习报告,经指导教师检查认为确实作好了实验前的准备，方可开始作实验。 二、实验的进行 1、建立小组，合理分工 每次实验都以小组为单位进行,每组由2～3人组成，实验进行中的接线、调节负载、保持电压或电流、记录数据等工作每人应有明确的分工，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠。 2、选择组件和仪表 实验前先熟悉该次实验所用的组件，记录电机铭牌和选择仪表量程，然后依次排列组件和仪表便于测取数据。 3、按图接线 根据实验线路图及所选组件、仪表、按图接线，线路力求简单明了，按接线原则是先接串联主回路，再接并联支路。为查找线路方便，每条支路可用相同颜色的导线或插头。 4、测取数据 预习时对电机的试验方法及所测数据作到心中有数。实验时,根据实验步骤逐次测取数据。三、实验报告 实验报告是根据实测数据和在实验中观察和发现的问题，经过分析后写出的心得体会。 实验报告要简明扼要、字迹清楚、图表整洁、结论明确。实验报告包括以下内容： 1) 实验名称、专业班级、学号、姓名、实验日期、室温℃。 2) 列出实验中所用组件的名称及编号，电机铭牌数据(P N、U N、I N、n N）等。 3) 注明实验时所用线路图中仪表量程，电阻器阻值，电源端编号等。 4) 数据的整理和计算 5) 按记录及计算的数据用坐标纸画出曲线，曲线要用曲线尺或曲线板连成光滑曲线。 6) 根据数据和曲线进行计算和分析，说明实验结果与理论是否符合，可对某些问题提出一些自己的见解并最后写出结论。实验报告应写在一定规格的报告纸上，保持整洁。
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
有槽无刷直流电动机设计流程 一. 主要技术指标的输入 额定电压N U 、额定转速N n 、额定功率N P 、预取效率η'、工作状态、设计方式。 其中工作方式有短期运行和长期运行两个选项，设计方式有按方波设计和按正弦波设计两种方式。 二． 主要尺寸的确定 计算功率i P ' 长期运行 N i P P ?'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ?' ' +='ηη431 预取值的输入 预取线负荷s A ' 预取气隙磁密δB ' 预取计算极弧系数i α 预取长径比λ′（L/D ） 计算电枢内径 3 11.6N s i i i n B A P D λαδ'''' =' 根据计算电枢内径取电枢内径值1i D 极对数p 计算电枢铁芯长 1i D L λ'=' 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L 实际长径比 D L = λ 输入永磁体轴向长m L 、转子铁芯轴向长Lj1 极距 p D i 21 πτ= 输入电枢外径1D 以及气隙宽度(包含紧圈)δ的值 三．定子结构 齿数 Z 齿距 z D t i 1 π= 槽形选择 共七种，分别如下表。
预估齿宽: Fe t t K B tB b δ = (t B 可由设计者经验得) 预估轭高: 1 1122j Fe i Fe j j B K B a K lB h δ δτ≈ Φ= (1j B 可由设计者经验得) 齿高t h 电枢轭高t i j h D D h --= 2 1 11 气隙系数 2 01 0101)5()5(b b t b t K -++= δδδ 电枢铁心轭部沿磁路计算长度 1111)2 1(2) 2(j i j t i i h p h h D L +- ?++= απ 电枢铁芯材料确定(从数据库中读取) 电枢冲片材料 电枢冲片叠片系数1Fe K 电枢冲片材料密度1j ρ 电枢冲片比损耗)50/10(s p 电枢铁损工艺系数a K 开口梯形槽1 开口口半梨形槽2 图 形 结 参 构 数 槽口宽01b 槽口深01h 槽肩宽1x b 槽肩深1x h 槽底宽1d b 槽身深1s h 槽口宽01b 槽口深01h 槽肩圆弧直径1x b 槽底宽1d b 槽 深1s h 净 2 1 1118 sin 2x s x d s b a a h b b S +-+?+= π