下载文档原格式
永磁无刷直流电机及其控制一、本文概述永磁无刷直流电机（Permanent Magnet Brushless DC Motor，简称BLDC）是一种结合了直流电机与无刷电机优点的先进电机技术。
本文将对永磁无刷直流电机及其控制技术进行详细的阐述和探讨。
我们将概述永磁无刷直流电机的基本原理和结构特点，包括其与传统直流电机的区别，以及为何在现代工业和家用电器等领域得到广泛应用。
接着，我们将深入探讨永磁无刷直流电机的控制策略，包括位置传感器控制、无位置传感器控制以及先进的电子控制技术，如微处理器和功率电子器件的应用。
我们还将分析永磁无刷直流电机的性能优化和故障诊断技术，以提高其运行效率和可靠性。
我们将展望永磁无刷直流电机及其控制技术的发展趋势，并探讨其在未来可持续能源和智能制造等领域的应用前景。
通过本文的阐述，读者可以对永磁无刷直流电机及其控制技术有更为全面和深入的理解。
二、永磁无刷直流电机的基本原理永磁无刷直流电机（Permanent Magnet Brushless DC Motor，简称BLDC）是一种结合了直流电机与无刷电机优点的电机类型。
其基本原理主要依赖于磁场与电流之间的相互作用，以及电子换向器的无刷换向技术。
磁场与电流相互作用：永磁无刷直流电机中，永磁体（通常是稀土永磁材料）被用来产生恒定的磁场。
当电流通过电机的电枢（也称为线圈或绕组）时，电枢会产生一个电磁场。
这个电磁场与永磁体的磁场相互作用，导致电机转子的旋转。
无刷换向技术：与传统的有刷直流电机不同，永磁无刷直流电机使用电子换向器代替了机械换向器。
电子换向器通过控制电流在电枢中的流动方向，实现了电机的无刷换向。
这种技术不仅提高了电机的效率，还降低了维护成本和噪音。
控制策略：为了精确控制电机的转速和方向，永磁无刷直流电机通常与电子速度控制器（ESC）一起使用。
电子速度控制器可以根据输入信号（如PWM信号）调整电枢中的电流大小和方向，从而实现对电机转速和方向的精确控制。
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。
永磁无刷直流电动机控制系统的研究摘要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。
随着大功率开关器件集成电路及高性能的磁性材料的进步，采用电子换向原理工作的永磁无刷直流电机取得了长足的发展。
永磁无刷直流电机既有直流电机的结构简单,运行可靠。
又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，在当今国民经济的各个领域里的应用日益普及。
维护方便的一系列优点永磁无刷直流电动机发展概况永磁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。
现阶段,虽然各种交流电动机同直流电动机在传动应用中占主导地位，但是永磁无刷直流电动机正受到普遍的关注。
自20世纪90年代以来,随着人们生活水平提高和现代化的生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具备精度高、速度快、效率高等特点，永磁无刷直流电机的应用因此而迅速增长.现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位,但无刷直流电动机正受到普遍的关注.尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。
无刷直流电机转子采用永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，无刷直流电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。
由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如数控机床、机器人等应用中，无刷直流电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。
目前无刷直流电机的应用范围已遍及国民经济的各个领域，并日趋广泛，特别是在家用电器、电动汽车、航空航天等领域已得到大量应用。
一．永磁无刷直流电动机与永磁有刷直流电动机的比较表1—1 永磁无刷直流电动机与永磁有刷直流动机的比较二．永磁无刷直流电动机系统的组成及组成框图2.1电机本体无刷直流电动机最初的设计思想还是来自普通的有刷直流电动机，不同的地方是将直流电动机的定子、转子的位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。
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。
永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究一、本文概述本文旨在全面探讨永磁无刷直流电动机（Permanent Magnet Brushless DC Motor, PMBLDCM）的设计和仿真研究。
永磁无刷直流电动机作为现代电力驱动系统的关键组件，具有高效率、高功率密度、低噪音和低维护成本等诸多优点，因此在电动汽车、航空航天、家用电器等领域得到了广泛应用。
本文将从理论基础、设计原则、仿真方法、优化策略等多个方面，对永磁无刷直流电动机的设计和仿真进行深入研究。
本文将概述永磁无刷直流电动机的基本工作原理和结构特点，为后续的设计研究和仿真分析奠定理论基础。
接着，重点讨论电动机设计过程中的关键因素，包括绕组设计、磁路设计、热设计以及电磁兼容性设计等，并提出相应的设计原则和优化策略。
在此基础上，本文将探讨基于数值计算的仿真分析方法，包括有限元分析、电路仿真、热仿真等，以评估电动机的性能和可靠性。
本文将总结永磁无刷直流电动机设计和仿真研究的最新进展，展望未来的发展趋势和研究方向。
通过本文的研究，旨在为读者提供一套完整的永磁无刷直流电动机设计和仿真分析框架，为推动该领域的技术进步和应用发展做出贡献。
二、永磁无刷直流电动机的基本原理与特点永磁无刷直流电动机（Permanent Magnet Brushless DC Motor, PMBLDCM）是一种结合了直流电机与无刷电机技术的先进电动机类型。
其基本原理在于利用永久磁铁产生的恒定磁场作为电机的励磁场，并通过电子换向器实现电流的换向，从而实现电机的连续旋转。
这种设计消除了传统直流电机中的机械换向器和电刷，显著提高了电机的运行效率和可靠性。
高效率：由于消除了机械换向器和电刷，减少了能量损失和摩擦，使得PMBLDCM具有更高的运行效率。
高转矩密度：永磁体产生的恒定磁场使得电机在相同体积下能够产生更大的转矩。
良好的调速性能：通过电子换向器，可以实现对电机转速的精确控制，满足各种应用需求。
檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿Windows的网络存储服务器中。
可控制每个摄像头的拍摄区域的运动视频侦测（VMD）功能，可调整VMD的灵敏度触发VMD报警，同时视频错误、通讯失败、存储失败、存储空间溢出等事件或信息触发时，可通过E-mail、DO触发器、声音报警或触发PTZ 摄像头调整到预先设定好的位置。
5系统特点（1）系统集成：基于IP的网络易于和其它应用系统整合（IP Based NetWorks）。
（2）完全数字化图像：易于编辑、存储和传输。
（3）高扩充性：可任意增加摄像机、应用服务器或其它监控设备，方便扩展系统。
（4）更富灵活性，易于系统管理、维护和升级。
（5）便于从任何时间、任何地点进行远程访问与控制监视。
参考文献：［1］田瑞庭.常用可编程序控制器编程器及编程软件使用手册［M］.北京：机械工业出版社，1994.作者简介：尹文波（1969－），男，助理工程师。
现在兖矿集团南屯煤矿从事煤矿机电技术管理工作。
（收稿日期：2009－11－03；责任编辑：姚克）永磁无刷直流电机控制系统研究刘波（中北大学信息与通信工程学院，山西太原030051）摘要：从永磁方波无刷直流电动机的控制特性出发，提出了基于数字信号处理技术的控制策略，给出了所采用的PWM开关方案。
介绍了以TMS40DSP为控制核心永磁无刷直流电动机数字控制系统的设计与实现，实验结果表明，该系统具有良好的控制性能和调速性能。
关键词：永磁无刷直流电动机；数字信号处理；数字控制系统中图分类号：TM351；TP11文献标识码：B文章编号：1001－0874（2010）02－0017－03 Study of the Control System for Permanent Magnet Brushless DC MotorLIU Bo（Information and Communication Engineering Department，North University of China，Taiyuan030051，China）Abstract：By the control characteristics of permanent magnet brushless DC motor with square-wave current，the control strategy based on digital signal processing technology is proposed，and the adopted PWM switching scheme is carried out.The design and implementation of digital control system with TMS40DSP as the control core for permanent magnet brushless DC motor is described，experimental results show that the system has better control performance and speed performance.Keywords：permanent magnet brushless DC motor；digital signal processing；digital control system1永磁无刷直流电动机控制特性从电动机设计角度，永磁无刷直流电动机转子磁钢采用性能优异稀土永磁材料，优化磁路设计，使电动机获接近于方波气隙密。
本系统采用永磁无刷直流电动机具有120ʎ电角顶宽梯形波气隙磁密，定子绕组采用三相星形连接方式［1］。
研究结果表明，永磁无刷直流电动机电磁转矩出力大、无转矩脉动现象、具有与直流电动机相似转矩、转速控制特性，控制电路简单、可靠，与普通无刷直流电动机相比，易于获得更加优越综合性能。
2控制策略和PWM开关方案（1）控制策略·71·2010年第2期煤矿机电系统采用数字转速、电流双闭环控制结构，如图1所示。
速度控制器设计采用了面向电机控制高速数字信号处理器；电流控制器实现，以及各种反馈信号处理和PWM 控制信号产生，均采用了数字信号处理技术，用软件实现硬件电路功能，实现永磁无刷直流电动机实时控制［2］。
与传统控制方式相比，数字控制系统大大降低硬件电路复杂程度，获了更高性价比。
图1控制原理框图系统工作原理是：首先，速度给定U *N与速度反馈U N 进行比较，到速度差值经速度控制器输出相应相电流给定值N *i ，与相应相电流反馈N i 进行比较之后，电流差值经电流控制器变换成对应PWM 波脉冲宽度，然后综合转子位置信号后产生所需PWM 控制信号，经隔离驱动之后，驱动逆变电路中相应开关器件工作。
其中，对电流检测分时反馈处理，使相反电势和相电流相位始终保持一致；对霍尔集成位置传感器输出交变信号进行软件计算，输出速度反馈值。
（2）PWM 开关方案本系统采用上桥双极性调制、下桥恒通的两两导通、三相六拍运行方式，即两者结合的PWM 开关方案。
两两导通方式利用了准方波气隙磁密平顶部分，绕组利用率高，电动机出力最大，平稳性最好，是使永磁无刷直流电动机获最佳性能和发挥最大潜力理想导通方式。
同时，双极性PWM 调制方式控制简单，无控制死区，能获高质量输出波形，显著提高电动机运行性能。
3控制系统硬件结构TMS320F2812是TI 公司推出低价格、高性能定点16位数字信号处理器，它专为数字电动机控制和其它控制应用系统而设计。
该芯片具有高性能CPU 内核，采用改进哈佛总线结构，使用流水线作业，具有20MIPS 处理能力，大多数指令单周期即可执行完。
同时，该芯片集成了丰富片内外设，包括一个事件管理器、两路10位8通道A /D 转换器、同步通信接口、异步通信接口等。
如图2所示，TMS320F2812可以实现用软件取代模拟器件、实现复杂控制规律，方便修改控制策略、修正控制参数，能满足系统实时控制要求［3］。
图2系统硬件结构框图TMS320F2812处理器将数字信号处理高速运算功能与面向电机强大控制能力结合一起，为各类电机提供了高速、高效和全变速先进控制技术。
整个控制系统以TMS320F2812为控制核心、辅以89C51双CPU 结构，主要由DSP 部分、数据交换部分和单片机部分等组成。
（1）DSP 部分设计1）位置/转速检测接口采用转子位置传感器是霍尔集成位置传感器，接口简便，将位置传感器输出端经光耦隔离后，再与TMS320F2812三个CAP 单元相接。
转速检测是对位置传感器输出交变信号进行软件计算而间接获得。
2）电流检测接口采用处于逆变器低电压与之间采样电阻进行电流检测，得到一个正比于电流电压信号，将电压信号输出端隔离后接至TMS320F240自带A /D 转换模块。
3）存储器扩展，保护电路、驱动电路等TMS320F2812具有大量片内存储器和丰富片内外设，充分利用TMS320F240本身内部硬件资源，有利于简化系统设计，有利于提高系统性能、降低系统成本。
·81·煤矿机电2010年第2期（2）数据交换部分设计主要由双口RAM CY7C007实现TMS320F2812和89C51之间数据交换。
双口RAM 数据交换方式和并行通信、串行通行、DMA 方式相比，实现简单，大大提高了DSP 与单片机之间并行数据处理能力，满足了系统实时性要求。
（3）单片机部分设计采用89C51单片机，一方面设计人机接口进行状态显示和参数设定，提供故障报警功能，一方面又进行通信接口设计，实现系统与上位机数据通信功能。
以上基于双口RAM 通信、双CPU 结构硬件系统，既解决了DSP 和单片机之间数据通信问题，又将DSP 高速处理能力和单片机强大接口能力结合起来，实现了DSP 和单片机资源合理配置，为构建高性能、高可靠性控制系统奠定了硬件基础。
4控制系统软件设计控制系统软件主要包括初始化程序、DSP 程序和单片机程序等组成部分，如图3所示。
图3系统软件总体框图（1）初始化程序初始化程序包括DSP 和单片机各自初始化程序，主要完成各自系统时钟设定、中断向量定义、I /O 端口初始化、控制寄存器设置以及各功能模块初始化等。
（2）DSP 程序DSP 程序是整个系统软件核心组成部分，主要负责电机起动、电机转速和电流双闭环控制实现、系统监控和故障处理功能等。
DSP 程序包括起动子程序、电流和位置检测中断服务子程序、转速控制子程序、电流控制子程序、PWM 调制子程序，速度计算子程序以及系统监测和故障处理模块等。
进行各种反馈信号检测是构成双闭环控制前提。
位置信号、电流信号检测分别由位置检测中断服务程序和电流检测中断服务程序来实现，转速检测是软件计算间接获得［4］。
电流采样时间选取对系统性能有着重要影响，本系统为实现20kHz 电流环，每50μs 对电流采样一次。
此外，利用软件对检测电流进行分时反馈处理，以使相反电势和相电流相位始终保持一致。
转速、电流控制子程序是实现永磁方波无刷直流电动机实时控制关键所在。
为提高系统动态性能和稳态精度，本系统转速环采用PI 控制算法、电流环采用PID 控制算法。
要求有高运行效率，故代码编写采用汇编语言，以充分利用DSP 芯片资源。
PWM 调制子程序检测到位置信号和电流控制器输出值产生具有一定宽度的方波，经隔离驱动后控制相应IGBT ，完成对电机转速和转矩控制。
为防止逆变电路同一桥臂上下两个IGBT 同时导通造成直流短路，软件中需要设置适当死区时间。
（3）单片机程序单片机程序主要功能是实现在DSP 通信基础上，人机接口设定系统运行参数、显示系统运行状态，并提供故障代码显示及报警功能等。
此外，单片机程序还包括通信子程序，实现系统与上位机双向数据通信。
5结语（1）数字控制系统硬件电路简单，系统所需元器件少，大大降低了系统成本，提高了系统可靠性；数字化实现方法，使系统具有很强灵活性、可编程性，易于操作和维护，便于已有硬件基础上进行系统升级。
（2）实验结果表明，基于DSP 永磁无刷直流电动机数字控制系统具有良好控制性能和调速性能，可获取较好的动态性能和稳态精度，运行效率高，抗干扰能力强。
参考文献：［1］冯永利，杨文淑.陀螺稳定控制系统设计与仿真［J ］.光电工程2003，16（1）.［2］王连明，葛文奇，谢慕君.陀螺稳定平台速度环的一种神经网络自适应控制方法［J ］.光电工程，2001（4）.［3］郎庆文，刘年宝，王统安.船载跟踪雷达两轴稳定伺服系统的前馈补偿法［J ］.上海航天，1995（6）.［4］黄惟一.陀螺仪器原理［M ］.北京：国防工业出版社.1987.作者简介：刘波（1984－），男，在读硕士研究生。
