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无刷直流电动机与永磁同步电动机的结构和性能比较1.在电动机结构与设计方面这两种电动机的基本结构相同，有永磁转子和与交流电动机类似的定子结构。
但永磁同步电动机要求有一个正弦的反电动势波形，所以在设计上有不同的考虑。
它的转子设计努力获得正弦的气隙磁通密度分布波形。
而无刷直流电机需要有梯形反电动势波，所以转子通常按等气隙磁通密度设计。
绕组设计方面进行同样目的的配合。
此外，BLDC控制希望有一个低电感的绕组，减低负载时引起的转速下降，所以通常采用磁片表贴式转子结构。
内置式永磁（IPM）转子电动机不太适合无刷直流电动机控制，因为它的电感偏高。
IPM结构常常用于永磁同步电动机，和表面安装转子结构相比，可使电动机增加约15%的转矩。
2.转矩波动两种电动机性能最引人关注的是在转矩平稳性上的差异。
运行时的转矩波动由许多不同因素造成，首先是齿槽转矩的存在。
已研究出多种卓有成效的齿槽转矩最小化设计措施。
例如定子斜槽或转子磁极斜极可使齿槽转矩降低到额定转矩的1%～2%以下。
原则上，永磁同步电动机和无刷直流电动机的齿槽转矩没有太大区别。
其他原因的转矩波动本质上是独立于齿槽转矩的，没有齿槽转矩时也可能存在。
如前所述，由于永磁同步电动机和无刷直流电动机相电流波形的不同，为了产生恒定转矩，永磁同步电动机需要正弦波电流，而无刷直流电动机需要矩形波电流。
但是，永磁同步电动机需要的正弦波电流是可能实现的，而无刷直流电动机需要的矩形波电流是难以做到的。
因为无刷直流电动机绕组存在一定的电感，它妨碍了电流的快速变化。
无刷直流电动机的实际电流上升需要经历一段时间，电流从其最大值回到零也需要一定的时间。
因此，在绕组换相过程中，输入到无刷直流电动机的相电流是接近梯形的而不是矩形的。
每相反电动势梯形波平顶部分的宽度很难达到120°。
正是这种偏离导致无刷直流电机存在换相转矩波动。
在永磁同步电动机中驱动器换相转矩波动几乎是没有的，它的转矩纹波主要是电流纹波造成的。
Internal Combustion Engine &Parts0引言随着人类工业社会的迅速发展，能源危机是21世纪各个国家所面临的重大危机，也是要实现可持续发展所必须解决的难题。
永磁无刷直流电机的发展历史可以追溯到上世纪四十年代，直到八十年代初期，在钕铁硼稀土这一永磁材料的突破性研究取得了巨大成果，并且加上生产力迅速提升，制造投入减小的影响，永磁无刷直流电机行业迎来了蓬勃发展。
近三十年来，随着科学研究的深入，永磁体性能得到了跃进式的提升，相应的电力电子器件的完善和蓬勃发展也促进了这一行业的迅猛发展。
永磁无刷直流电机控制系统研究方向与现代电力电子技术、现代控制理论、电机集成技术和微机技术等学科密切相关，相辅相成。
科学家们通过对其研究背景、研究意义、结构组成、工作原理、数学模型、硬件电路设计、软件设计等方面的深入研究，使得永磁无刷直流电机在拥有良好调速性能的情况下，机械换向和电刷等历史研究中出现的难点获得了解决，目前永磁无刷直流电机的用途遍布各行各业，小到家用电器，大到航空航天，都有永磁无刷直流电机的身影，发展前景不可估量。
1研究背景与意义从上世纪四十年代至今，永磁无刷直流电机的发展在实际应用上与永磁材料的突破性研究，生产力迅速提升，制造投入减小，电力电子器件的迅猛发展息息相关，在理论研究上与现代电力电子技术、现代控制理论、电机集成技术和微机技术等学科的深入研究息息相关。
由于其所具有的大功率、大转矩、高速度、高性能、微型化和数字化等特点决定了该行业宽广的发展前景，也吸引了不少科研工作者的目光。
目前永磁无刷直流电机在各行各业都得到广泛的应用，小到家用电器，大到航空航天，都有永磁无刷直流电机的身影。
基于上述原因，对永磁无刷直流电机的控制系统进行合理的、科学的、系统的研究探索是非常重要且必要的，这是现代工业发展和机电一体化所提出来的必须进行的挑战，这一研究具有深远的理论意义和实际应用价值，并且会给整个社会和相关行业带来巨大的经济效益。
永磁无刷直流电机控制系统设计1.电机模型的建立：建立电机的数学模型是进行控制系统设计的第一步。
永磁无刷直流电机可以使用动态数学模型来描述其动态特性，常用的模型包括简化的转子动态模型和电动机状态空间模型。
简化的转子动态模型以电机的电磁转矩方程为基础，通过建立电机的电流-转速模型来描述电机的动态响应。
这个模型通常用于低频控制和电机启动阶段的设计。
电动机状态空间模型则是通过将电机的状态变量表示为电流和转速变量，用微分方程的形式描述电机的动态特性。
这个模型适用于高频控制和电机稳态响应分析。
2.控制器设计：经典的控制方法包括比例积分控制器（PI）和比例积分微分控制器（PID）。
比例积分控制器是最简单的控制器，通过调节电流的比例增益和积分时间来控制电机的速度。
这种控制器适用于低精度控制和对动态响应要求不高的应用。
比例积分微分控制器在比例积分控制器的基础上增加了微分项，通过调节微分时间来控制系统的阻尼比，提高系统的稳定性和动态响应。
3.参数调节：在控制器设计中，参数调节和整定是非常重要的环节，主要包括根据系统的要求选择合适的控制器参数，并进行优化。
参数调节可以通过试探法、经验法和优化算法等方法进行。
其中，试探法和经验法是相对简单的方法，通过调整控制器的参数值来达到稳定运行或者较好的控制性能。
优化算法可以通过数学模型和计算机仿真的方式进行，通过优化目标函数和约束条件，得到最合适的控制器参数。
总结起来，永磁无刷直流电机控制系统设计主要包括电机模型的建立、控制器设计和参数调节。
在设计过程中，需要根据系统的要求选择合适的控制器，通过参数调节和优化算法来提高系统的稳定性和动态性能。
无刷直流电动机控制系统设计方案第1章概述 (1)1.1 无刷直流电动机的发展概况 (1)1.2 无刷直流永磁电动机和有刷直流永磁电动机的比较 (2)1.3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理 (3)1.4 无刷直流电动机的运行特性 (6)1.4.1 机械特性 (6)1.4.2 调节特性 (6)1.4.3 工作特性 (7)1.5 无刷直流电动机的使用和研究动向 (8)第2章无刷直流电动机控制系统设计方案 (10)2.1 无刷直流电动机系统的组成 (10)2.2 无刷直流电动机控制系统设计方案 (12)2.2.1 设计方案比较 (12)2.2.2 无刷直流电动机控制系统组成框图 (13)第3章无刷直流电动机硬件设计 (15)3.1 逆变主电路设计 (15)3.1.1 功率开关主电路图 (15)3.1.2 逆变开关元件选择和计算 (15)3.2 逆变开关管驱动电路设计 (17)3.2.1 IR2110功能介绍 (17)3.2.2 自举电路原理 (19)3.3 单片机的选择 (20)3.3.1 PIC单片机特点 (20)3.3.2 PIC16F72单片机管脚排列及功能定义 (22)3.3.3 PIC16F72单片机的功能特性 (22)3.3.4 PWM信号在PIC单片机中的处理 (23)3.3.5 时钟电路 (23)3.3.6 复位电路 (24)3.4 人机接口电路 (24)3.4.1 转把和刹车 (24)3.4.2 显示电路 (25)3.5 门阵列可编程器件GAL16V8 (27)3.5.1 GAL16V8图及引脚功能 (27)3.6 传感器选择 (28)3.7 周边保护电路 (30)3.7.1 电流采样及过电流保护 (30)3.7.2 LM358双运放大电路 (31)3.7.3 欠电压保护 (32)3.8 电源电路 (32)第4章无刷直流电动机软件设计 (33)4.1 直流无刷电机控制器程序的设计概况 (33)4.2 系统各部分功能在软件中的实现 (33)4.3 软件流程图 (34)结束语 (36)致谢 (37)参考文献 (38)附录1 (39)附录2 (51)第1章概述1.1 无刷直流电动机的发展概况无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。
9-10 直流无刷电机的设计9-10-1直流无刷电机的概述直流电机有无可伦比的优点，体积小，重量轻，结构简单，速度变化范围大，供源简单，移动方便，价格低廉，制造简单，工艺性好等等，是我国用量最大的一种电机。
但是直流电机由于换向的需要，因此必需要由电刷和换向器来换向。
由于换向器和电刷的作用，就给电机带来各种不良的影响，如噪声，电刷运行寿命，电机干扰和电机本身体积等问题。
直流电机最大的缺点是电机寿命远远不如交流电机，交流同步电机等等无刷电机。
交流电机，交流同步电机是交流供电的，由于用的是交流电源，在50HZ 的交流电源中，一对极的交流异步电机的同步理论转速是:m in /30001506060r p f n =⨯=⨯=，在交流同步电机中的同步转速也应该为m in /3000r ，如果把电源的频率调高或调低，则电机的工作转速也可以很高或者较低的。
但这个电机的供源是交流电，如果把直流电源通过电路的转换，变成可以交变的波形供给交流电机或交流同步电机，那么交流异步电机或交流同步电机也可以很好的转动起来的，这就是直流无刷电机的最直观的概念。
要把直流电转换成单相或三相交变电源，在上世纪中叶还是一个非常麻烦的事，那时只有电子真空管，体积很大，输出电流很小，那时台式收音机就有12英寸的电视机那么大，无法和现在手指那么大的MP3相比拟。
后来发明了半导体和相应的各种半导体技术使电子控制技术推向了一个新纪元。
各种电源逆变，分配技术，换相技术的相继出现，许多高性能，高功率的半导体器件的研制成功，从而使电机领域出现了机电一体化的步进电机，直流无刷电机，并迅速在各个领域得到了广泛的应用。
当出现了永磁直流无刷电机后，就体现了它强大的生命力，永磁直流无刷电机有许多优点，如干扰小，(电路部分有一定的电磁干扰的)，运行寿命长，调速性能好，控制方法多，输出力矩大，过载能力强，调速范围宽，起动响应快，运行平稳，效率高等。
永磁无刷直流电机有许多交流异步电机，步进电机和直流电机不具备的优点。
小功率永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究摘要永磁无刷直流电动机是把电机、电子和稀土材料的高新技术产品发展紧密的结合在一起的新型电机，它具有单位体积转矩高、重量轻、转矩惯量小、控制简单、能耗少和调速性能好等优点，因而在航天航空、数控机床、机器人、汽车、计算机外围设备、军事等领域及家用电器等方面都获得了广泛的应用。
因此，设计性能优异的永磁无刷直流电机具有重要的理论意义和应用价值。
本论文系统的研究了35w小功率永磁无刷直流电机的本体设计，包括设计方法、有限元分析、性能计算、软件仿真等。
本文主要的研究内容如下：1、综述了永磁无刷直流电机的研究现状、存在问题和发展前景，分析了永磁无刷直流电机的基本理论。
2、建立永磁无刷直流电机的数学模型，先利用解析法对该电机进行电磁设计，然后利用有限元法对电机进行优化。
3、基于星形连接三相三状态的控制电路，利用Infolytic公司的MagNet电磁场分析软件建立了永磁无刷直流电机的有限元分析模型，仿真分析其静态气隙磁场分布及动态带负载时的电机特性。
并将软件仿真所得结果与设计计算结果进行比较分析，验证了设计方法的正确性。
关键词：电机设计，无刷直流电动机，有限元分析，稳态特性第一章绪论1．1永磁无刷直流电动机的发展状况永磁无刷直流电动机是一种新型的电动机，其应用广泛，相关技术仍然在不断的发展中，该类电动机的发展充分体现了现代电动机理论、电力电子技术和永磁材料的发展过程。
其中，永磁材料、大功率开关器件、高性能微处理器等的快速发展对永磁无刷直流电动机的进步功不可没。
1821年9月，法拉第建立的世界上第一台电机就是永磁电机，自此奠定了现代电机的基本理论基础。
十九世纪四十年代，人们研制成功了第一台直流电动机。
1873年，有刷直流电动机正式投入商业应用。
从此以后，有刷直流电动机就以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，占据了极其重要的地位。
随着生产的发展和应用领域的扩大，对直流电动机的要求也越来越高。
永磁无刷直流电机设计实例永磁无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDC）是一种形式先进的电机，具有高效率、长寿命、高功率密度、高控制精度等优点，已广泛应用于机床、机器人、电动工具等领域。
在本文中，我们将介绍永磁无刷直流电机的设计实例。
1. 电机参数计算在进行永磁无刷直流电机设计之前，首先需要计算出电机的一些参数，包括额定功率、额定转速、额定电压、额定电流等。
这些参数将作为电机设计的基础。
1.1 标称功率Pn = Tmax × ωnPn 为电机标称功率，Tmax 为电机最大扭矩，ωn 为电机额定转速。
1.2 额定转速永磁无刷直流电机的额定转速通常由应用需求决定。
对于电动工具来说，需要较高的额定转速，而对于机床来说，需要较低的额定转速。
通常情况下，可以根据应用的要求来选择适当的额定转速。
永磁无刷直流电机的额定电压通常由电源系统决定。
通常情况下，可以选择电压稳定器或直流电源来提供稳定的电压。
根据实际需求和电源系统的限制，可以确定电机的额定电压。
2. 永磁体设计永磁体是永磁无刷直流电机中最重要的组件之一，其设计将直接影响电机的性能。
永磁体的设计包括永磁体的形状、尺寸以及选用的材料。
2.1 形状与尺寸永磁体的形状和尺寸对电机的输出特性有着重要的影响。
通常情况下，可以选择方形、圆形、椭圆形等形状，并根据电机设计参数计算出永磁体的尺寸。
2.2 材料选择永磁体选用的材料决定了电机的性能。
目前常用的永磁体材料有 NdFeB、SmCo、AlNiCo 等。
不同的永磁体材料具有不同的磁性能、机械性能和耐温性能，应根据实际应用需求进行选择。
3. 绕组设计绕组是永磁无刷直流电机中的另一个关键组件，在电机的输出特性和效率上起着重要作用。
绕组的设计涉及到绕组的形状、导线直径、匝数和线材材料等方面。
绕组的形状通常与永磁体相对应，可以根据永磁体的形状来确定绕组的形状。
3.2 导线直径导线直径直接影响到电机的电阻和电感，对电机的输出特性和效率有着重要影响。
张慧1976年10月生，2000年7月毕业于浙江大学电气工程及其自动化专业，学士学位，在读研究生。
研究方向为电机设计及其控制。
考虑电感影响时永磁无刷直流电机的设计浙江大学（杭州，027）张慧潘再平均电流和电磁转矩的修正系数，以计入电感的影响，同时也考虑波形不匹配对电流和电磁转矩的影响，因而较以往的计算方法更为准确。
叙词永磁电机电磁转矩计算1前言近年来，由于永磁无刷直流电机自身的优异性能，以及市场需求量的不断扩大，人们对永磁无刷直流电机的研究越来越关注。
永磁无刷直流电机的设计是电机本体和控制系统的综合设计，它不仅涉及到了电机设计的基本理论，而且还包括了控制理论、材料科学以及电力电子技术等学科，是一项十分复杂的工作。
仅从永磁无刷直流电机的本体设计而言，现有设计理论、设计程序尚不成熟、完善，而且大多是建立在手工计算的基础上，这就难以满足实际情况的需要。
本文从电机本体设计着手，应用电机基本理论对影响电机性能的主要参数电感及平均电流、电磁转矩的计算进行了讨论，提出了一些简单实用的新方法。
2电感的计算电感是对电机性能有重大影响的参数，但在以往的永磁无刷直流电机的设计程序中多采用直流模型，因而就忽略了电感的影响，这就势必导致性能计算值与实际值之间较大的偏差。
本文就从电机的基本原理出发对电感的计算进行了讨论。
永磁无刷直流电机电路一般不对称。
以三相六状态为例，在每个通电状态下，只有两相绕组同时通电，电路结构不对称。
因此，其计算较为复杂。
尽管永磁无刷直流电机的电感计算与一般电机有所不同，但其物理本质没有什么不同，因此可采用与异步电机电感计算类似的方法进行计算。
具体推导如下：2.1每极电枢基波磁势每相磁势幅值F为考虑电感影响时永磁无刷直流电机的设计式中I――基波电流有效值W――每相绕组匝数――绕组系数P――极对数设H为绕组的空间位置角，取A相绕组的轴线处为原点，则通电的两相磁势表达式分别为两相合成磁势为2.2气隙基波径向磁密幅值式中k――气隙系数――第一气隙长度2.3每极基波磁通式中A――计算极弧系数――定子铁心有效长度2.4基波磁场产生的磁链2.5每相电感在L→∞的条件下，磁链和电流成正比变化，电感可如下计算3平均电流和电磁转矩的计算3.1不考虑电感时，平均电流和电
磁转矩的计算通常永磁无刷直流电机的端电压波形为方波，因其气隙磁场（或基波磁场）为正弦分布，因而在永磁无刷直流电机的端电压和反电动势波形之间就存在着波形匹配问题。
一般来说，控制电路中的元件需正向压降才能导通，而在永磁无刷直流电机中，由于其端电压波形通常为方波，反电动势基波波形为正弦波，二者大小关系随时间不断变化，因此当转速升高到一定程度时，反电动势的瞬时值将有可能超过端电压，使得控制元件无法导通，绕组暂时断电。
端电压与合成反电动势关系如图1所示，其中划斜线部分表示导通区间。
此时每个通电状态下的导通角与状态角不等且转速越高，导通角越小。
这将导致转速超过某一数值后，定子电流和电磁转矩的平均值将不与转速成线性关系，电机机械特性呈现非线性。
考虑到上述现象，在计算平均电流时，就不能简单在整个通电状态下进行积分求解平均值而应首先计算上述现象出现的临界转速，在出现上述现象的转速范围内计算导通与关断之间的临界角，然后再在导通区间内积分，在整个通电状态内求解平均值。
详细步骤如下：3.1.1每相绕组的反电动势E式中――电机转速5――每极磁通――气隙磁场基波系数3.1.2临界转速N所谓的临界转速就是指能够使得两相合成反电动势的幅值等于这两相绕组端电压的转速。
当电机转速超过N时，导通角将小于状态角，且随着转速的改变而改变当电机转速小于N 时，导通角恒等于状态角。
根据定义可得如下等式式中U――电机端电压――控制元件压降从中可解得临界转速N的表达式为3.1.3平均电流I按照电枢绕组导通状态不同，分两种情况计算。
转速小于临界转速时考虑电感影响时永磁无刷直流电机的设计转速大于临界转速时式中A为临界角，即当通电的两相绕组合成反电动势幅值大于其端电压时，使得反电动势瞬时值等于端电压时的角度。
当反电动势的相位角大于A且小于PA时，控制元件截止，绕组中电流为零反之，则绕组正常供电3.1.4平均电磁转转M转速小于临界转速时转速大于临界转速时可见，考虑了波形匹配问题后推导出的平均电流和电磁转矩公式，不仅仅在电机的工作点附近范围内适用，而且可以在转速由零到理想空载转速的整个工作范围内适用。
3.2考虑电感时，平均电流和电磁转矩的计算计入电感影响的方法较多，如采用交流电机模型，以参数的形式计入电感的作用。
本文在此主要介绍一种简便的近似方法。
在永磁无刷直流电机中，电枢电流是在绕组端电压和绕组的反电动势平均值的共同作用下产生的，因此电枢电流可以看成是上述两者的合成电压的阶跃响应。
如果不考虑电感的影响，那么这个阶跃响应电流也是一个方波但是电感的影响是不能忽略的，根据电路理论，对于电感、电阻组成的电路，在阶跃电压作用下的电流响应是按指数上升的波形。
对于三相六状态运行方式，任何时刻都有两绕组同时导通，因此电枢电流的瞬时值表达式可写成式中U――作用于电枢回路的阶跃电压――两相绕组反电动势的合成值S――电枢回路电感和电阻组成的时间常数在每个导通状态内对式（18）进行积分，就可获得每相绕组的平均电流。
由图2可以看出图示2区域与3区域的面积相等，因此在一个状态内的积分可由1、2区域计算。
于是式中T――换相周期由上式可知，计入电感影响后的电枢电流与不计电感时的电枢电流仅相差一个系数ki.因此在计算永磁无刷直流电机平均电流时，就可以先在忽略电感的情况下计算平均电流，然后再引入电流修正系数计入电感的影响。
平均电磁转矩与平均电流成正比，因此该修正系数同样适用于平均电磁转矩的计算。
采用这种基于直流模型的修正方法，就大大的简化了计算，提高了精度。
4计算结果实验验证一台摩托车用外转子永磁无刷直流电机的有关数据如下：额定功率500W，额定电压36V，额定考虑电感影响时永磁无刷直流电机的设计上海中小电机行业技术创新中心第一届理事会及技术委员会会议在上海召开上海中小电机行业技术创新中心第一届理事会及技术委员会会议于2001年4月17日至18日在上海市召开。
出席会议的有上海市经委，中国电器工业协会中小型电机分会及技术创新中心理事单位全体理事和技术委员会委员，并特邀兰州电机有限责任公司、河北电机股份有限公司、山东华力电机集团股份有限公司和顺德市德胜电机有限公司参加了会议。
会议听取、审议并通过了《上海中小电机行业技术创新中心近期科技开发计划和2001年工作计划》、
《上海中小电机行业技术创新中心管理机构设置和机构职能》、《2001年度财务预算方案》。
会议认为技术创新中心的近期科技开发计
划和2001年工作计划是适时和可行的，其中开发中国高效电机的时机已成熟，任务是紧迫的开发智能化电机是提高电机产品技术含量和提高中小型电机企业经济效益的有效途径。
代表还对技术创新中心的科技开发计划的立项原则和研究方向提出了许多积极的建议。
会议接纳兰州电机有限责任公司、河北电机股份有限公司、山东华力电机集团股份有限公司和顺德市德胜电机有限公司为技术创新中心会员单位。
转速400r/min，极对数9，相数3，齿数27，定子内径6cm，定子外径15cm，转子外径17.4cm，转子内径16cm，转子磁钢为瓦片形，其厚度0.4cm，圆心角15°，采用集中绕组。
按照试验给定电压进行计算，并利用计算结果与测试结果绘制特性曲线，如图3所示。
从此图中可以比较直观的看到：整条特性曲线尤其是额定点附近计算结果与实验结果吻合较好。
取额定点进行分析，可以获得在相同的额定功率下计算额定转矩、额定转速相对各自测试值的误差分别为0.333，0335.可见，采用这种方法进行计算误差较小，完全满足工程计算的需要。
5结论（1）电感对永磁无刷直流电机的性能有较大影响，因此在其设计中不能忽略电感的影响本文在两相绕组同时通电情况下，推导了每相电感的计算公式。
（2）在永磁无刷直流电机的端电压和反电动势之间存在着波形匹配问题，这将影响平均电流和电磁转矩的计算。
（3）尽管电感的影响不能忽略，但可以在不计电感的条件下，获得平均电流和电磁转矩，再引入一个由转速和电感决定的系数对其进行修正，从而获得计入电感后的更为精确的结果。
这种方法比较适于计算机辅助设计，而且也可以满足工程计算上的需要。
1张琛。
直流无刷电动机原理及应用。
北京：机械工业出2叶金虎等。
无刷直流电动机。
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3王毓东。
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杭州：浙江大学出版社，1990.
单绕组与双绕组异步电动机的用铜量及铜耗比较
k6aplo 矿物绝缘电缆。
