无刷直流电动机控制

For personal use only in study and research; not for commercial use直流无刷电动机工作原理与控制方法序言由于直流无刷电动机既具有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等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。

一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。

其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。

由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。

针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。

经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。

上世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。

三相直流无刷电动机的基本组成直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。

其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,…）组成。

图1所示为三相两极直流无刷电机结构，图1 三相两极直流无刷电机组成三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结，A、B、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联结。

当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各项绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。

无刷直流方波电动机的双闭环控制永磁无刷直流电动机在机械和电力系统方面是一种很引人注目的电动机。

这种机器结构的简单和它的控制特性类似于交流电机，它在商业，军事等其他领域的应用里是非常受欢迎的选择。

在普遍的无刷直流电动机的计划里，时间和空间的分布是按照磁力线的密度来考虑的，但是驱动环节的曲线是相差120度的。

巨大而细微的转矩是度量无刷电动机效率和低速执行的重要准则，它的直接效果就是在大转矩和细微转矩之间造成一种干扰。

一种引人注目的电动机的配置被人认为是方波电动机。

方波电动机来自于它的方波控制，主要在它的方波时空的磁通干扰中产生控制指令。

因此方波永磁电动机有很让人羡慕的前景，特别在机器人和商业服务中得到广泛重视。

这都是在方波永磁电动机产生的时候所不曾想过的。

2. 方波永磁电动机驱动系统方波永磁电动机驱动系统由三个部分组成：转换器，逻辑控制环节（包括速度调节器，时间调节器，和能量逻辑转换控制单元），详述如下下面是硬件执行器和操作的细节2.1 方波永磁电动机带有双结构方波永磁电动机是由六个小结构组成的。

电机额定电流和机械数据是：200v额定电压，18A的额定电流，3.0k的额定功率，1500转每秒的额定转速，0.0388千克没平方厘米。

2.2 IGBT 变换器一个变换器对频率/电压的三个阶段的组成适应IGBT 变换器的选择是非常重要的，其结果是他们中和了各种高介的性能。

变换器被六个IGBT支配着，没个包括60A的IGBT和一个反馈信号。

2.3 能量转换控制逻辑位置反馈信号被用于同时发生的相位变化的检测。

为了这样做，三个位置反馈信号，来源于PT，他们是在PSP环节被加工的，他们也受六个控制逻辑信号的控制来开/关IGBT、在IGBT变换器里。

在BLDCM的控制分布里有两个IGBT 工作在PWM的模式里，并且两个IGBT应该依靠于这样的逻辑控制信号。

虽然直流能量的频率被变换器的供给，依据这样的关系为IGBT提供信号的PWM信号是来源于三角波和触发控制信号Ui越大，U也就越大，所以BLDCM的速度也就越大。

最全直流电机工作原理与控制电路解析（无刷+有刷+伺服+步进）直流电动机是连续的执行器，可将电能转换为（机械）能。

直流电动机通过产生连续的角旋转来实现此目的，该角旋转可用于旋转泵，风扇，压缩机，车轮等。

与传统的旋转直流电动机一样，也可以使用线性电动机，它们能够产生连续的衬套运动。

基本上有三种类型的常规电动机可用：AC 型电动机，（DC）型电动机和步进电动机。

典型的小型直流电动机交流电动机通常用于高功率的单相或多相（工业）应用中，需要恒定的旋转扭矩和速度来控制大负载，例如风扇或泵。

在本（教程）中，我们仅介绍简单的轻型直流电动机和步进电动机，这些电动机用于许多不同类型的（电子），位置控制，微处理器，（PI）C和（机器人）类型的电路中。

基本直流电动机该直流电动机或直流电动机，以给它的完整的标题，是用于产生连续运动和旋转，其速度可以容易地控制，从而使它们适合于应用中使用是速度控制，伺服控制类型的最常用的致动器，和/或需要定位。

直流电动机由两部分组成，“定子”是固定部分，而“转子”是旋转部分。

结果是基本上可以使用三种类型的直流电动机。

有刷（电机）–这种类型的电机通过使（电流）流经换向器和碳刷组件而在绕线转子(旋转的零件)中产生磁场，因此称为“有刷”。

定子(静止部分)的磁场是通过使用绕制的定子励磁绕组或永磁体产生的。

通常，有刷直流电动机便宜，体积小且易于控制。

无刷电动机–这种电动机通过使用附着在其上的永磁体在转子中产生磁场，并通过电子方式实现换向。

它们通常比常规的有刷型直流电动机更小，但价格更高，因为它们在定子中使用“霍尔效应”开关来产生所需的定子磁场旋转顺序，但是它们具有更好的转矩/速度特性，效率更高且使用寿命更长比同等拉丝类型。

伺服电动机–这种电动机基本上是一种有刷直流电动机，带有某种形式的位置反馈控制连接到转子轴。

它们连接到PWM型控制器并由其控制，主要用于位置（控制系统）和无线电控制模型。

普通的直流电动机具有几乎线性的特性，其旋转速度取决于所施加的直流电压，输出转矩则取决于流经电动机绕组的电流。

由於直流無刷電動機既具有交流電動機の結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點，又具備直流電動機の運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好等諸多優點，故在當今國民經濟各領域應用日益普及。

一個多世紀以來，電動機作為機電能量轉換裝置，其應用範圍已遍及國民經濟の各個領域以及人們の日常生活中。

其主要類型有同步電動機、異步電動機和直流電動機三種。

由於傳統の直流電動機均采用電刷以機械方法進行換向，因而存在相對の機械摩擦，由此帶來了噪聲、火化、無線電幹擾以及壽命短等弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，從而大大限制了它の應用範圍，致使目前工農業生產上大多數均采用三相異步電動機。

針對上述傳統直流電動機の弊病，早在上世紀30年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機械換向の直流無刷電動機。

經過了幾十年の努力，直至上世紀60年代初終於實現了這一願望。

上世紀70年代以來，隨著電力電子工業の飛速發展，許多高性能半導體功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相繼出現，以及高性能永磁材料の問世，均為直流無刷電動機の廣泛應用奠定了堅實の基礎。

三相直流無刷電動機の基本組成直流無刷永磁電動機主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關線路三部分組成。

其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等），轉子由永久磁鋼按一定極對數（2p=2,4,…）組成。

圖1所示為三相兩極直流無刷電機結構，圖1 三相兩極直流無刷電機組成三相定子繞組分別與電子開關線路中相應の功率開關器件聯結，A、B、C相繞組分別與功率開關管V1、V2、V3相接。

位置傳感器の跟蹤轉子與電動機轉軸相聯結。

當定子繞組の某一相通電時，該電流與轉子永久磁鋼の磁極所產生の磁場相互作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關線路，從而使定子各項繞組按一定次序導通，定子相電流隨轉子位置の變化而按一定の次序換相。

由於電子開關線路の導通次序是與轉子轉角同步の，因而起到了機械換向器の換向作用。

设计内容与设计要求一.设计内容：1. 介绍无刷直流电动机（BLDCM）的工作原理、调速系统的组成及功能。

2. 分析功率控制器的主电路拓扑形式。

3. 给出三相无刷直流电动机控制系统的框图。

4. 电流调节器的设计。

二、设计要求：1、思路清晰，给出整体设计和电路图。

2、给出具体设计思路和电路。

3、写出设计报告。

主要设计条件1.提供被控电机；2.提供设计要求；3.提供调试用实验室；说明书格式1．课程设计封面；2．任务书；3．说明书目录；4．正文5．总结与体会；6. 参考文献7. 课程设计成绩评分表进度安排1: 课题内容介绍和查找资料；2: 总体电路设计和分电路设计；3: 写设计报告，打印相关图纸；4: 答辩；参考文献1、《电机控制》2、《电力电子技术》3、《特种电机及其控制》4、《电机的DSP控制技术及其应用》5、《电机拖动与控制》6、《特种交流电机及其计算机控制与仿真》3目录简介 (6)第一章直流无刷电机的工作原理 (7)1.基本工作原理 (7)2.无刷直流电动机的组成 (10)第二章无刷直流电机的控制 (11)1.无刷直流电机的控制原理 (11)2.转子的控制 (13)3.速度的控制 (14)第三章电机的反馈 (15)1.电流测量 (15)2. RPM转速测量 (15)第四章硬件设计 (16)1. LPC2141的使用方法 (16)小结 (17)电气与信息工程系课程设计评分表 (18)简介直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”。

是将交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。

无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。

二直流无刷电机工作原理及换向初始化直流无刷电机在结构上与三相永磁同步电动机相同，但控制原理却与直流有刷电动机相同。

直流有刷电机通过有刷换向使每个磁极下电枢导体的电流方向保持不变，从而产生能使电机连续旋转的转矩；直流无刷电机是通过电子换向使转子每个磁极下定子绕组导体电流的方向保持不变而产生能使电机连续旋转的转矩。

由于采用电子无刷换向代替直流有刷电机的有刷换向，所以交流永磁同步伺服电机又称直流无刷伺服电机。

直流有刷电动机必须正确调整换向电刷的机械位置才能使电机工作正常。

同样，直流无刷电机加电时必须建立正确的初始换向角，才能使直流无刷电机正常工作。

确定初始换向角的过程称为无刷换向的初始化过程。

为了了解换向初始化过程，必须先了解直流无刷电机的控制原理。

1. 直流无刷电机的控制原理1.1 直流有刷电机的工作原理直流有刷电机由定子（产生主磁场）、转子（电枢）和换向装置（换向片和电刷）组成。

直流有刷电机通过有刷换向使主磁极下的电枢导体的电流方向保持不变，从而使产生转矩的方向不变，使电动机的转子能连续旋转。

为了使直流有刷电动机在电枢绕组流过电流时能产生最大转矩，必须正确调整有刷换向装置中电刷的位置。

下面进行较为详细的讨论。

（1）有刷换向装置的作用有刷换向装置由电刷和换向片组成。

直流有刷电机的电枢绕组为环形绕组，主磁极下的每个电枢导体连接到换向片上。

换向片为彼此绝缘，均匀分布在换向器圆周上的金属片组成。

电刷与换向片滑动接触。

电枢电流通过电刷和连接电枢导体的换向片引入电枢绕组。

电枢旋转时，电刷和换向片就象一个活动接头一样始终与主磁极下的导体连接，使主磁极下电枢导体的电流方向不变，产生使电枢连续旋转的转矩。

（2）产生最大转矩的条件产生最大转矩的条件是：一个磁极下的所有电枢导体的电流方向一致。

或者说，电枢导体产生的合成磁场与主磁场垂直。

（3）直流有刷电机的运行直流有刷电机的运行可用四个基本方程式来描述：①转矩平衡方程式：电流I M流过电枢绕组，载流导体在磁场中受力（受力方向用左手法则判断），产生能使电枢连续旋转的转矩T M。

无刷直流电机控制系统的仿真与分析一、本文概述随着科技的不断进步和电机技术的快速发展，无刷直流电机（Brushless Direct Current, BLDC）因其高效、低噪音、长寿命等优点，已广泛应用于电动汽车、无人机、家用电器等众多领域。

然而，无刷直流电机的控制系统设计复杂，涉及电子技术、控制理论、电机学等多个学科领域，因此，对其进行深入研究和仿真分析具有重要意义。

本文旨在探讨无刷直流电机控制系统的基本原理、仿真方法以及性能分析。

将简要介绍无刷直流电机的基本结构和控制原理，包括其电机本体、电子换向器、功率电子电路等关键部分。

将详细介绍无刷直流电机控制系统的仿真建模过程，包括电机模型的建立、控制算法的设计以及仿真环境的搭建。

通过对仿真结果的分析，评估无刷直流电机控制系统的性能，包括动态响应、稳态精度、效率等指标，并提出优化建议。

本文的研究不仅有助于深入理解无刷直流电机控制系统的运行机制和性能特点，还可为实际工程应用提供理论支持和指导。

通过仿真分析，可以预测和优化无刷直流电机控制系统的性能，提高系统的稳定性和可靠性，推动无刷直流电机在更多领域的应用和发展。

二、无刷直流电机控制系统基本原理无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDCM）是一种采用电子换向器替代传统机械换向器的直流电机。

其控制系统主要由电机本体、电子换向器（也称为功率电子电路或逆变器）以及控制器三部分组成。

无刷直流电机控制系统的基本原理，就在于如何准确地控制逆变器的开关状态，从而改变电机内部的电流流向，实现电机的连续旋转。

控制器根据电机的运行状态和用户的输入指令，生成适当的控制信号。

这些控制信号是PWM（脉宽调制）信号，用于控制逆变器的开关状态。

逆变器一般由六个功率开关管（如MOSFET或IGBT）组成，分为三组，每组两个开关管串联，然后三组并联在直流电源上。

每组开关管分别对应电机的一个相（A、B、C），通过控制每组开关管的通断，可以改变电机每相的电流大小和方向。

基于PWM的直流无刷电机控制系统一、本文概述随着科技的快速发展和电机控制技术的不断进步，直流无刷电机（BLDC，Brushless Direct Current Motor）在各个领域的应用越来越广泛。

它们具有高效、低噪音、长寿命等优点，尤其在航空、汽车、家用电器、电动工具以及机器人等领域得到了广泛应用。

而基于脉冲宽度调制（PWM，Pulse Width Modulation）的直流无刷电机控制系统，以其灵活的控制方式、精确的速度调节和优秀的动态响应特性，成为现代电机控制领域的重要研究方向。

本文将对基于PWM的直流无刷电机控制系统进行深入研究。

我们将简要介绍PWM技术的基本原理及其在电机控制中的应用。

接着，我们将重点探讨基于PWM的直流无刷电机控制系统的构成、工作原理以及主要控制策略。

文章还将分析该控制系统的性能特点，包括调速范围、动态响应、稳定性等。

我们将展望基于PWM的直流无刷电机控制系统的未来发展趋势和应用前景。

通过本文的研究，我们期望能够为读者提供一个全面、深入的了解基于PWM的直流无刷电机控制系统的机会，同时为相关领域的工程师和研究者提供有益的参考和启示。

二、直流无刷电机的基本原理直流无刷电机（Brushless Direct Current Motor，简称BLDCM）是一种通过电子换向器替代传统机械换向器的直流电机。

其基本原理主要基于电磁感应和电子换向技术。

电磁感应：直流无刷电机内部通常包含定子（stator）和转子（rotor）两部分。

定子通常由多个电磁铁组成，而转子则带有永磁体。

当定子上的电磁铁通电时，会产生磁场，与转子上的永磁体相互作用，从而驱动转子旋转。

这就是电磁感应的基本原理。

电子换向：与传统的直流电机使用机械换向器不同，直流无刷电机使用电子换向器。

电子换向器通常由微处理器和功率电子开关（如MOSFET或IGBT）组成。

微处理器根据电机的运行状态和位置传感器（如霍尔传感器）的反馈信号，控制功率电子开关的通断，从而实现电磁铁的电流方向的改变。

无刷直流电动机的控制方法无刷直流电动机的控制方法主要有以下三种：
1、方波控制。

通过霍尔传感器或者无感估算算法获得电机转子的位置，然后根据转子的位置在360°的电气周期内进行6次换向。

方波控制的位置精度是电气60°，适用于对电机转动性能要求不高的场合。

2、正弦波控制。

使用SVPWM波，输出的是3相正弦波电压，电机相电流为正弦波电流。

正弦波控制相比方波控制，其转矩波动较小，电流谐波少。

3、FOC控制。

FOC控制可以认为是正弦波控制的升级版本，实现了电流矢量的控制，也即实现了电机定子磁场的矢量控制。

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。

无刷直流电动机控制系统设计方案摘要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。

自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、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,电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点,无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。

本设计是把无刷直流电动机作为电动自行车控制系统的驱动电机,以PIC16F72单片机为控制电路，单片机采集比较电平及电机霍尔反馈信号，通过软件编程控制无刷直流电动机。

关键词无刷直流电动机单片机霍尔位置传感器AbstractBrushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of. At this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under common concern。

Since the 1990s，as people's living standards improve and modernize production, the development of office automation, household appliances， industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency，small size and high intelligence, as the implementation of components An important component of the motor must have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application is also growing rapidly.This design is the brushless DC motor as the electric bicycle motor—driven control system, PIC16F72 microcontroller for control circuit, SCM collection and comparison—level electrical signal Hall feedback， software programming through brushless DC motor control . Key words bldcm the single chip processor hall position sensor 摘要 (I)Abstract (II)第1章概述 (1)1。

直流无刷电机控制实验系统设计与实现摘要：伴随着社会和科技的发展，在产业的制造与使用中，永磁材料、电力电子技术、传感器技术、现代控制理论以及微型计算机技术都取得了巨大的进展。

基于上述相关材料、技术的研发与集成，使得其在直流无刷电动机的应用技术更为完备与成熟，并具有高效率、长寿命、低噪声等优良的速度－转矩性能等优点。

在新时期、新情况下，直流无刷电动机以其众多的优势和特点，在工业、家电等行业得到了越来越多的应用，这就对电动机的控制提出了越来越高的要求。

本文在已有的科研成果的前提下，针对当前我国在直流无刷电机方面的研发现状，提出了直流无刷电机的发展方向。

关键词：直流无刷电机；发展；现状分析由于其具有高效率、低噪声、结构紧凑、可靠性高、维修费用低等优点，在各类新能源汽车和各类家用电子产品中得到了广泛应用。

本文所设计的 BLDCM控制试验系统是以EV汽车为原型，具有EV汽车的基础性能；并对电动式汽车控制系统中的每一个功能进行了分区、分区的划分，方便了详细的试验方案的实施；同时，本试验所使用的24V的电压，使整个试验系统的直流母线电流不超过2A，从而避免了因大功率而造成的安全隐患和设备的损坏。

在软件设计方面，对程序的流程图进行了细致的设计，将各种控制功能以不同的形式包装起来，方便了软硬件的协作调试。

该实验平台可以应用于课堂实验，可以应用于课程设计，可以进行创新实验。

一、直流无刷电机（一）直流无刷电机基本结构直流无刷电机是同步电机的一种，即电机转子的转速主要受电机定子旋转磁场的速度和周边相应转子极数的影响直流无刷电机是21世纪发展起来的一种新型的机电一体化装备，它的主要组成是由电机本体、传动机构等组成，尤其是在工业生产中，被越来越多的人所采用。

至于直流无刷电机，则是将新老两代直流电机的优势相结合，不仅保留了传统直流电机的优势，而且在具体的结构设计上，基本上去掉了碳刷和滑环，达到了无级调速，而且速度范围也相对较宽，这样的话，在使用过程中，其过载能力会得到极大的提高，而且可靠性、稳定性和适应性也会得到很好的改善，最主要的是，在维护和维护过程中，可以方便地进行操作和维护。