第4章3无刷直流电机调速系统

无刷直流电机调速系统的控制原理下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

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无刷直流电机(BLDC)双闭环调速系统在无刷直流电机双闭环调速系统中，双闭环分别是指速度闭环和电流闭环。

对于PWM 的无刷直流电机控制来说，无论是转速的变化还是由于负载的弯化引起的电枢电流的变化，可控量输出最终只有一个，那就是都必须通过改变PWM的占空比才能实现，因此其速度环和电流环必然为一个串级的系统，其中将速度环做为外环，电流环做为内环。

调节过程如下所述：由给定速度减去反馈速度得到一个转速误差，此转速误差经过PID调节器，输出一个值给电流环做给定电流，再由给定电流减去反馈电流得到一个电流误差，此电流误差经过PID 调节器，输出一个值就是占空比。

在速度环和电流环的调节过程中，PID的输出是可以作为任意量纲(即无量纲，用标幺值来表示；标幺值：英文为per unit，简写为pu，是各物理量及参数的相对单位值,是不带量纲的数值)来输入给下一环节或者执行器的，因此无需去管PID输出的量纲，只要是这个输出值反映了给定值和反馈值的差值变化，能够使这个差值无限趋近于零即可，相当于将输出值模糊化，不用去搞的太清楚，如果你要是一直在这里纠结输出值具体是个什么东西时，那么你就会瞎在这里出不来了。

假如你要控制一个参数，并且这个参数的大小和你给定量和反馈量有着直接的关系(线性关系或者一阶导数关系或者惯性关系等)，那么就可以不做量纲变换。

比如速度环的PID之后的输出就可以直接定义为转矩，因为速度过慢就要提高转矩，速度过快就要减小转矩，PID输出量的意义是调整了这个输出量，就可以直接改变你要最终控制的参数，并且这个输出量你是可以直接来控制的，这种情况下PID输出的含义是你可以自己定的，比如直流电机，速度环输出你可以直接定义为转矩，也可以定义为电流，然后适当的调节PID的各个参数，最终可以落到一个你能直接控制的量上，在这里最终的控制量就是占空比的值，当占空比从0%—100%时对应要写入到寄存器里面的值为0—3750时，那么0—3750就是最终的控制量的范围。

直流无刷电机是如何实现调速的？
【导读】直流无刷电机是如何实现调速的？这个问题机电公司每隔几天都会遇到，是对无刷电机有使用需求的潜在客户来电咨询的常见问题，所以很有必要为大家讲解一下这方面的知识。

直流无刷电机没有电刷磨损，维护相对简单，较有刷可靠，但需加装驱动（换向）电路。

直流无刷电机的调速方式第一种情况是：主要靠电压来控制，力矩主要由电流来控制，一般会带一个配套的电机驱动器，改变驱动器的输出电压就可以控制电机的速度，如果没有驱动器，想自己直接控制电机的话，需要看电机的功率和工作电流。

如果是小功率的电机可以用电阻调速（不建议使用，方法很简单，串联个电位器即可，不过这种方式会降低效率，所以不提倡），大功率的电机不能使用电阻调速，因为这样需要一个小阻值大功率的电阻（电机工作阻值很小），这种电阻不好找而且这种方案效率太低，最好还是找个配套的驱动器。

直流无刷电机的第二种调速方式：PWM调速，直流电机的PWM调速原理与交流电机调速原理不同，它不是通过调频方式去调节电机的转速，而是通过调节驱动电压脉冲宽度的方式，并与电路中一些相应的储能元件配合，改变了输送到电枢电压的幅值，从而达到改变直流电机转速的目的。

它的调制方式是调幅。

PWM控制有两种方式：
1.使用PWM信号，控制三极管的导通时间，导通的时间越长，那么做功的时间越长，电机的转速就越高
2.使用PWM控制信号控制三极管导通时间，改变控制电压高低来实现
直流有刷电机的优点在于启动力矩大，调速系统结构简单，价格低廉，然而缺点也有很多如噪音大，容易损坏，要换碳刷，所以逐步被直流无刷电机所取代。

电梯门机用无刷直流电机调速系统设计与应用一、引言电梯门机是电梯运行中最为重要的部件之一，它的稳定性和可靠性对于电梯的安全运行至关重要。

在电梯门机中，无刷直流电机调速系统是关键技术之一，它可以提高电梯门机的控制精度和效率，保证电梯门机的平稳运行。

本文将详细介绍无刷直流电机调速系统在电梯门机中的设计与应用。

二、无刷直流电机调速系统设计1. 无刷直流电机简介无刷直流电机是一种以永磁体为转子、三相交错绕组为定子的交流异步马达。

它采用了先进的PWM控制技术，可以实现高效率、低噪音、低振动等优点。

2. 无刷直流电机调速系统结构无刷直流电机调速系统主要由控制器、功率放大器和编码器三部分组成。

其中，控制器负责接收输入信号并进行处理；功率放大器则将处理后的信号转换成驱动信号；编码器则用于反馈转子位置信息。

3. 无刷直流电机调速系统工作原理当控制器接收到输入信号后，会根据设定的控制算法计算出电机所需的转速和转矩。

然后，控制器将计算结果传递给功率放大器，功率放大器则将信号转换成驱动电流。

最后，编码器会反馈转子位置信息，并校正控制器的计算结果。

4. 无刷直流电机调速系统参数选择在设计无刷直流电机调速系统时，需要考虑以下几个参数：（1）电机额定功率和额定转速；（2）控制器采样周期和控制算法；（3）功率放大器输出电压和输出电流；（4）编码器分辨率和反馈周期。

三、无刷直流电机调速系统应用1. 电梯门机中的无刷直流电机调速系统在电梯门机中，无刷直流电机调速系统可以实现精准的门扇开启和关闭控制。

通过对门扇运动轨迹进行精确测量，并根据测量结果进行闭环控制，可以保证门扇开启和关闭的平稳性和精确性。

2. 无刷直流电机调速系统在其他领域中的应用除了在电梯门机中应用外，无刷直流电机调速系统还广泛应用于其他领域，如机床、风力发电、电动汽车等。

在这些领域中，无刷直流电机调速系统可以实现高效率、高精度的运动控制。

四、总结无刷直流电机调速系统是一种先进的驱动技术，可以实现高效率、低噪音、低振动等优点。

直流无刷电机调速原理直流无刷电机是一种新型的电动机，它具有高效率、低噪音、低振动、长寿命等优点，因此被广泛应用于各种电动设备中。

在实际应用中，直流无刷电机需要根据实际需求进行调速，以满足不同的工作要求。

本文将介绍直流无刷电机的调速原理及其实现方法。

一、直流无刷电机的基本原理直流无刷电机是一种基于电子换向技术的电动机，它的转子上没有传统的电刷和集电环，而是采用永磁体或电磁铁作为转子，靠电子器件对电机的转子进行换向控制。

直流无刷电机的转子和定子之间通过磁场相互作用产生电磁转矩，从而实现电机的转动。

直流无刷电机的工作原理可以分为两个阶段：电子换向和电磁转矩产生。

在电子换向阶段，电机控制器通过检测转子位置信号，控制电子器件对电机的相序进行调整，从而使得电机的磁场方向与转子位置相匹配，实现电子换向。

在电磁转矩产生阶段，电机的转子和定子之间产生的磁场相互作用产生电磁转矩，从而推动电机的转动。

二、直流无刷电机的调速原理直流无刷电机的调速原理主要是通过改变电机的电压和电流来改变电机的转速。

在实际应用中，直流无刷电机的调速方式主要有以下几种：1. 电压调速电压调速是最简单的调速方式，它通过改变电机的电压来改变电机的转速。

当电机的电压降低时，电机的转速也会降低。

因此，通过控制电机的电压，可以实现电机的调速。

电压调速的缺点是效率低，因为电机的功率不变，但电压下降会导致电机的电流增加，从而产生大量的损耗。

2. 电流调速电流调速是通过改变电机的电流来改变电机的转速。

当电机的电流增加时，电机的转速也会增加。

因此，通过控制电机的电流，可以实现电机的调速。

电流调速的优点是效率高，因为电机的功率不变，但电流增加不会产生大量的损耗。

但是，电流调速需要较为复杂的电路控制，因此成本较高。

3. PWM调速PWM调速是一种基于脉冲宽度调制技术的调速方式，它通过改变电机的脉冲宽度来改变电机的平均电压和电流，从而实现电机的调速。

当脉冲宽度增加时，电机的平均电压和电流也会增加，从而实现电机的加速。

目录1绪论 (1)1.1 直流无刷电动机发展状况 (1)1.2直流无刷电机控制技术的发展 (1)2 直流无刷电动机的工作原理 (3)2.1 直流无刷电动机的结构与原理 (3)2.2三相绕组直流无刷电动机控制主回路的基本类型 (4)2.3直流无刷电动机控制系统中的PWM控制器 (5)3 直流无刷电动机控制系统的数学模型 (6)3. 1直流无刷电动机的基本方程 (8)3. 2直流无刷电动机控制系统的动态数学模型 (11)4 硬件电路 (13)4.1 主电路 (13)4.2换相电路 (15)5 软件部分设计 (17)5. 1软件总体构成 (17)5. 2主程序的设计 (17)5. 3中断子程序的设计 (19)结论 (21)参考文献 (22)致谢 (23)1绪论1.1 直流无刷电动机发展状况电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已经遍及国民经济的各个领域，电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。

直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中。

但传统的直流电动机均采用机械电刷的方式进行换向，存在相对的机械摩擦，和由此带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点。

因此，早在1917年，Bulgier就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机(BLDCM: Brushless Direct Current Motor)的基本思想。

1955年，美国D·Harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着无刷直流电机的诞生。

1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正进入了实用阶段。

二十世纪80年代国际上对无刷电机开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电机，在10多年的时间里，无刷直流电机在国际上己得到较为充分的发展。

基于PWM技术的无刷直流电机的调速系统设计Brushless DC Motor Speed Control System Based On PWM摘要无刷直流电机(BLDCM)具有调速性能优异、运行性能可靠和维护方便等优点，相较于有刷直流电机，其采用电子换向取代机械换向，有效地提高了电动机的运行效率，也使得其成品体积更加的轻巧。

但是无刷直流电机也存在转矩脉动、控制器复杂、成本较高等缺陷，这些缺陷的存在也一定程度上影响了无刷直流电机作为高效、先进电机在应用上的普及，因此研究如何改善以及解决无刷直流电机存在的问题便具有更加明显的现实意义。

MATLAB是一款用于数据分析与计算、算法开发以及动态系统建立与仿真的数学软件。

最初是由美国MathWorks公司出品的商用数学软件，其由Matlab和Simulink 两个重要组成部分构成，现在更是应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

本文通过对无刷直流电机结构以及工作原理的研究与分析，找出导致其具有较大转矩脉动的原因，并先从理论上得到如何抑制转矩脉动的方法，再通过Matlab 建立起无刷直流电机的仿真模型，对其仿真结果进行分析与改善，从而有效地抑制无刷直流电机的转矩脉动。

关键词：无刷直流电机，转矩脉动，仿真模型AbstractBrushless DC motor (BLDCM) has excellent speed performance, reliable performance and easy maintenance, etc., compared to a brush DC motor, which uses electronically commutated replace mechanical commutation, effectively improve the operating efficiency of the motor, but also so that the volume of the finished product more compact. But there brushless DC motor torque ripple controller complexity, high cost and other defects, the presence of these defects also affected to some extent, a brushless DC motor as efficient and advanced motor universal in application, how to improve and therefore research solve the problems of the brushless DC motor will have more obvious practical significance.MATLAB is a tool for data analysis and computation, algorithm development, and simulation of dynamic systems to establish and mathematical software. MathWorks was originally developed by the US company produced commercial mathematical software, which consists of Matlab and Simulink are two important parts, and now it is used in engineering calculations, control design, signal processing and communications, image processing, signal detection, financial modeling design and analysis and other fields.Based on the brushless DC motor structure and working principle of research and analysis to identify the cause of which has a large torque ripple, and theoretically first get how to suppress torque ripples, established through Matlab brushless Simulation Model DC motor, its simulation results are analyzed and improved in order to effectively suppress the torque ripple of the brushless DC motorKeywords:Brushless DC motor; The torque pulsation; The simulation model目录第一章绪论 (6)1.1 研究背景及研究意义 (6)1.2 无刷直流电机调速系统的国内外研究现状 (7)1.3 本文的主要研究内容及章节安排 (8)第二章无刷直流电机的基本原理 (9)2.1 无刷直流电机的基本结构 (9)2.1.1 电机本体 (9)1.电动机定子 (9)2. 电动机转子 (10)2.1.2 位置传感器 (10)2.2 无刷直流电机的工作原理及换相过程 (12)2.2.1 无刷直流电机的工作原理 (13)2.2.2 无刷直流电机的换相过程 (15)2.3 无刷直流电机的应用 (16)2.4 本章小结 (16)第三章基于PWM技术的无刷直流电机转矩脉动抑制 (17)3.1 PWM控制技术简介 (17)3.1.1 PWM控制技术的基本原理 (17)3.1.2 PWM控制技术的控制方法 (18)3.2 Buck变换器的原理及控制方式 (19)3.2.1 Buck变换器的原理 (19)3.2.2 Buck变换器的控制方式 (20)3.3 无刷直流电机转矩脉动的产生 (20)3.3.1传导区转矩脉动 (21)3.3.2换相区转矩脉动 (22)3.4 无刷直流电机转矩脉动的抑制 (24)3.5 本章小结 (27)第四章无刷直流电机的仿真分析 (28)4.1 MATLAB和SIMULINK的介绍 (28)4.2 无刷直流电机的数学模型 (29)4.2.1电机本体模块 (30)4.2.2转矩计算模块 (31)4.2.3速度控制模块 (32)4.2.4电流控制模块 (32)4.2.5电压逆变模块 (33)4.3无刷直流电机的仿真结果 (33)4.4本章小结 (38)结论 (39)致谢 (40)参考文献 (41)附录 (42)第一章绪论1.1 研究背景及研究意义对于工厂生产和社会发展而言，电力拖动都有着举足轻重的地位，为了满足生产工艺的需求，通过控制电机的转矩以及转速来控制电动机的转速以及位置，这样就可以形成一个自动化系统，称之为电力拖动。

无刷直流电机调速系统控制策略无刷直流电机工作原理无刷直流电动机由定子绕组、永磁转子、逆变器、转子磁极位置检测器等组成。

其转子采用永久磁铁，进行特殊的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场。

定子采用整距集中绕组，通过功率控制器控制各项绕组的通断状态以供给电机方波电流。

驱动电路逆变器图中V1－V6为六个MOSFET功率管，起绕组开关作用，通过控制电路中开关的通断来控制电流的流向。

上桥臂的三个开关管V1、V13、V5是P沟道功率MOSFET，栅极电位低电平时导通；下桥臂三个开关管V2、V4、V6是N沟道功率MOSFET，栅极电位高电平时导通。

这些开关管的通断通过位置检测电路获得的转子位置信号，由内部逻辑来控制。

DC 24V图1.直流无刷电机驱动电路逆变电路开关管的导通方式对于如图1所示逆变电路开关管的通断，其控制方式有两种：二二导通和三三到导通方式。

所谓三三导通方式，是指在任何一个瞬间有三个开关管同时导通，各开关管的导通顺序为：V1V2V3--V2V3V4--V3V4V5--V4V5V6--V5V6V1--V6V1V2，如此循环。

可见，在每个周期的六个状态当中，每个开关管连续有三个状态是导通的，也就是说，每个开关管导通180o电角度。

所谓二二导通方式，是指在任何一个瞬间有二个开关管同时导通，各开关管的导通顺序为：V1V2--V2V3—V3V4—V4V5—V5V6—V6V1，如此循环。

可见，在每个周期的六个状态当中，每个开关管连续有两个状态是导通的，也就是说，每个开关管导通1200电角度。

可见，在三三导通方式下，每对上下连接的开关管导通无时间间隔，这样的话，如果有一个管子的关断稍微延迟，就会发生短路，电源和开关管都有可能烧坏：而在二二导通的方式下，每对上下相连的开关管的导通有60o电角度间隔，在这60o电角度中，上下两个开关管都不导通，这样就不可能发生短路现象。

另外，二二导通三相六状态工作方式恰好可以跟永磁转子的方波气隙磁场对应，产生最大磁力，转矩平稳性好。