直流无刷电动机及其调速控制
无刷直流电机调速系统的控制原理
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。
此文下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用。
并且，本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Downloaded tips: This document is carefully compiled by the editor. I hope that after you download them, they can help you solve practical problems. The documents can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you!In addition, our shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!无刷直流电机调速系统是一种能够实现精准控制电机转速的技术，它在工业生产和生活中有着广泛的应用。
无刷直流电机(BLDC)双闭环调速解析
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。
无刷直流电机的调速与控制技术
无刷直流电机的调速与控制技术随着科技的发展，电动机在各个领域的应用越来越广泛。
而无刷直流电机作为一种高效、可靠的电机，在许多领域得到了广泛的应用。
无刷直流电机的调速与控制技术是保证电机运行稳定性和提高其性能的重要一环。
一、无刷直流电机的工作原理无刷直流电机是一种基于电磁感应原理工作的电动机。
其核心部件是电机转子上的永磁体，通过感应电流产生的磁场与定子线圈产生的磁场相互作用，从而实现电机的运转。
相比于传统的有刷直流电机，无刷直流电机省去了电刷与换向器件，因此具有更高的效率和更长的寿命。
二、无刷直流电机的调速方法无刷直流电机的调速方法主要包括电压控制调速和电流控制调速两种。
1. 电压控制调速电压控制调速是通过改变电压的大小来控制电机的转速。
在实际应用中，最常见的方式是采用PWM (Pulse Width Modulation) 调制技术。
PWM技术通过调整电压的占空比，使得电机在一个固定的周期内以不同的占空比工作，从而实现不同的转速。
这种方法简单易行，但是对于大功率的无刷直流电机，其调速范围较窄。
2. 电流控制调速电流控制调速是通过改变电机定子线圈的电流来控制电机的转速。
常见的控制方法有开环控制和闭环控制。
开环电流控制是在电机定子线圈中加回馈电阻，通过改变反馈电阻的大小来调整电流。
这种方法结构简单，控制参数易调，但是系统稳定性较差，无法适应负载的变化。
闭环电流控制是在开环控制的基础上加入反馈环节，通过传感器测量电机的电流，并与设定的电流进行比较，通过PID控制算法来调整控制器输出的电压，从而控制电机的转速。
这种方法可以提高系统的稳定性和动态响应性能，适用于对转速精度和系统稳定性要求较高的应用。
三、无刷直流电机的控制技术无刷直流电机的控制技术是实现电机调速的重要手段之一。
根据不同的应用场景和需求，可以选择不同的控制方法。
1. 速度控制速度控制是无刷直流电机最基本的控制方式。
通过改变电机的输入提速，可以控制电机的转速。
1无刷直流电机的速度控制方案
1 无刷直流电机的速度控制方案对无刷直流电机转速的控制即可采用开环控制，也可采用闭环控制。
与开环控制相比，速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比，其性能大大提高；理想空载转速相同时，闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多；当要求的静差率相同时，闭环调速系统的调速范围可以大大提高。
无刷直流电机的速度控制方案如图1所示。
无刷直流电机控制器可采用电机控制专用DSP（如TI公司的TMS320C24X系列、AD公司的ADMCxx系列），也可采用单片机＋无刷直流电机控制专用集成电路的方案。
前者集成度高，电路设计简单，运算速度快，可实现复杂的速度控制算法，但由于DSP的价格高而不适合于小功率低成本的无刷直流电机控制器。
后者虽然运算速度低，但只要采用适当的速度控制算法，依然可以达到较高的控制精度，适合于小功率低成本的无刷直流电机控制器。
闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称PID控制），其输出是输入的比例、积分和微分的函数。
PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型，因此PID调节器得到了广泛的应用。
PID调节器虽然易于使用，但在设计、调试无刷直流电机控制器的过程中应注意：PID调节器易受干扰、采样精度的影响，且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作用。
所以，在不影响控制精度的前提下对PID控制算法加以改进，关系到整个无刷直流电机控制器设计的成败。
2 速度设定值和电机转速的获取为在单片机中实现PID调节，需要得到电机速度设定值（通过A／D变换器）和电机的实际转速，这需要通过精心的设计才能完成。
无刷直流电机的实际转速可通过测量转子位置传感器（通常是霍尔传感器）信号得到，在电机转动过程中，通过霍尔传感器可以得到如图2所示的周期信号。
由图2可知，电机每转一圈，每一相霍尔传感器产生2个周期的方波，且其周期与电机转速成反比，因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。
无刷直流电机调速系统控制策略
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。
无刷直流电机的调速范围
无刷直流电机的调速范围1. 引言无刷直流电机（Brushless DC Motor）是一种高效、可靠、低噪音的电机，广泛应用于工业自动化、电动车辆、无人机等领域。
调速范围是指电机在不同负载条件下能够稳定运行的速度范围。
本文将介绍无刷直流电机的调速原理、调速方式以及调速范围的影响因素。
2. 无刷直流电机的调速原理无刷直流电机由永磁转子和绕组驱动器组成，其调速原理是通过改变绕组驱动器的电压和电流来控制电机的转速。
传统的直流电机是通过换向器实现转速调节，而无刷直流电机则采用了电子换向器（也称为电调）来实现转速调节。
电调通过检测电机转子位置，控制绕组驱动器的相序，从而实现电机的正常运行。
3. 无刷直流电机的调速方式无刷直流电机的调速方式有多种，常见的包括电压调速、PWM调速和闭环调速。
3.1 电压调速电压调速是最简单的调速方式，通过改变绕组驱动器的电压来改变电机的转速。
当电压增加时，电机转速也会增加；当电压减小时，电机转速也会减小。
电压调速适用于负载变化较小的场景，但对于负载变化较大的情况下，电压调速的效果较差。
3.2 PWM调速PWM调速是通过改变绕组驱动器的工作周期来改变电机的转速。
PWM调速的原理是将直流电压转换为脉冲信号，通过改变脉冲信号的占空比来改变电机的平均电压。
当占空比增加时，电机转速也会增加；当占空比减小时，电机转速也会减小。
PWM 调速可以实现较高的转速精度和稳定性。
3.3 闭环调速闭环调速是通过反馈控制来实现电机转速的精确控制。
闭环调速系统包括速度传感器、控制器和绕组驱动器。
速度传感器用于检测电机转速，将转速信号反馈给控制器，控制器根据转速信号调整绕组驱动器的输出，从而实现电机转速的精确控制。
闭环调速可以实现较高的转速精度和稳定性，但成本较高。
4. 无刷直流电机的调速范围影响因素无刷直流电机的调速范围受多种因素影响，包括电机设计参数、电压供应、负载特性等。
4.1 电机设计参数电机设计参数是影响调速范围的重要因素之一。
无刷直流电动机的转矩调速
摘要无刷直流电机是以电子换相来代替机械换相的直流电机，它保持了直流电机的优良特性，具有较好的启动和调速性能，而且它无需机械换向器，结构简单，可以从根本上克服有刷直流电机易于产生火花的弊病，因此在航天、机器人、数控机床、以及医疗器械、仪器仪表、家用电器等方面得到广泛应用。
但是，无刷直流电机运行中存在的转矩脉动问题对实现精确的位置控制和高性能的速度控制存在较大影响。
本文重点研究电机转矩调速技术及其MATLAB 仿真。
文章首先介绍了无刷直流电机的工作原理、导通方式，并通过对数学模型的分析建立了无刷直流电机的MATLAB的PID调速系统模型并调用S-函数进行了仿真，验证了模型的可行性。
关键词：无刷直流电机；转矩调速；MATLAB；PID；S-函数ABSTRACTBrushless DC motor based on electronic commutation instead of mechanical commutation of DC motor, it maintained the excellent characteristics of DC motor, and has a good performance of starting and rotate-speed adjustment, and it need not mechanical commutation, the structure is simple, can fundamentally overcome a brushed DC motor prone to spark the evils, so in space, the robot, NC machine tools, and medical equipment, instruments and meters, household appliances, etc widely used.But, brushless DC motor problems in the operation of the torque ripple of to achieve precise position control and high-performance speed control exist great influence. This paper mainly studies the brushless DC motor(BLDCM) torque speed controlling technology and its MATLAB simulation.This article first of brushless DC motor working principle, conduction mode of mathematical model, and then through the analysis of brushless DC motor established the MATLAB PID speed regulation system model and simulation, which validated the feasibility of the model.Keywords brushless DC motor(BLDCM);rotate-speed; torque speed-controlling; MATLAB; PID;S-function目录1 绪论 (1)1.1 无刷直流电机技术的发展及现状 (1)1.2 无刷直流电机的技术问题及其解决技术 (3)1.3 论文研究的主要问题 (5)2 无刷直流电机的构成及基本工作原理 (6)2.1 无刷直流电机电路的基本组成环节 (6)2.2 无刷直流电机的导通方式及基本工作原理 (7)2.3 本章小结 (10)3 无刷直流电机的数学模型 (11)3.1 无刷直流电机的数学模型及其基本关系式 (11)3.2 本章小结 (14)4 无刷直流电机的仿真模型及其验证 (15)4.1 仿真软件介绍 (15)4.2 S-函数简介及使用 (16)4.3 仿真建模及实现 (19)4.4 仿真验证及结果记录 (27)4.5 仿真结果分析 (27)4.6 本章小结 (28)结束语 (29)致谢 (30)参考文献 (31)附录 (32)1绪论1.1 无刷直流电机技术的发展及现状1.1.1无刷直流电机的发展及分类无刷直流电机已有四十余年的发展历史，最初是相对于具有机械电刷的传统的直流电机而言的。
无刷直流电动机调速知识讲解
9.1 同步电动机变压变频调速系统的特点及基本类型
同步电动机的定子与三相异步电动机的一样，而转子是磁极，由 直流励磁或永久磁铁励磁，是交流电动机中两大机种之一。同步 电动机因其转速n与供电电源频率f1之间保持严格的同步关系而得 名。只要供电电源的频率f1不变，其转速n就绝对不变。 同步电动机的应用范围也比较广泛，小到电子钟和记录仪表的定 时旋转机构，大到发电机组、空气压缩机、鼓风机等无不利用其 转速恒定的特点。
上述逆变器为1200通电型的六拍逆变器，每一时刻都只有两只功率 管导通，至于哪两只功率管导通则由转子位置检测器发出的信号 来控制。
10
二、控制方式 按照三相星型桥式接法为例说明其工作方法：
1
3
5
A
4
6
2
B C
逆变器为桥式接法、三相绕组为星型接法
1、两两导通方式 逆变器中功率管导通的顺序一般安排为： ..V 1 . .V 2 . .V 3 V 4 V 5 V 6 V 1 ..... 各触发脉冲相互间隔600，任意时刻有2只功率管导通，每只管子导通 时间为1200，各管子之间换流是在相邻桥臂中进行的。
性或容性三种状态下（同步补偿机就工作在容性状态下）。可调节转子
励磁电流改变输入功率因数，使其在 cos 1下运行。
异步电动机靠加大转差率提高转矩，同步电动机靠加大功率角来提高转 矩。（功率角为定子相电流与感应电动势的夹角）。
4
例如，同步电动机的变频启动，转子先加励磁电流，定子绕组输入频率很 低的三相交流电，由于定子（电枢）旋转磁通势的转速很低，可带动转子 开始旋转。将定子频率逐步增加，转子转速随之逐步升高，到达额定转速 时，启动过程结束。
2
1
iAC A
PLC微机控制直流无刷电动机调速系统
一、概述电动机主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种，而直流电动机具有运行效率高和调素性能好等诸多优点得以被广泛运用，但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、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上成本高及维修困难等缺点，大大限制了它的应用范围。
随着社会生产力和科学技术的发展，大功率开关器件、模拟和数字集成、高性能磁性材料技术等取得了很大的进步，又因直流无刷电动机具有寿命长、结构简单、运行可靠、维护方便等特点，在性能上，有启动转矩大、动态制动简便、转速——转矩特性呈线性及效率等优点而得以广泛应用。
（一）直流无刷电动机的基本组成环节及工作原理1、直流无刷电动机的基本组成环节直流无刷电动机的基本组成框图如图1-1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。
图1—1 直流无刷电动机的结构原理图电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼形绕组和其它启动装置，它有永磁的转子和多相定子绕组。
多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接。
位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接，其信号在转子位置译码器中转换成正确的换相顺序信号，控制功率开关器件，使定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。
由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。
因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。
其中转子的永磁钢与永磁有刷电动机中所用的永磁钢的作用相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于直流无刷电动机中永磁钢装在转子上，而直流有刷电动机的磁钢装在定子上。
直流无刷电动机的电子开关线路是用来控制动机定子上各相绕组通电的顺序和时间主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。
功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给流无刷电动机定子上各相绕组，以便电动机产生持续不断的转矩。
直流无刷电动机工作原理与控制方法
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。
直流无刷电机转速控制
一、 直流无刷电机转速控制1. 模拟PID 控制1.1 模拟PID 控制原理在模拟控制系统中，最常用的控制器就是模拟PID 控制器。
以下图所示直流电机控制系统为例，说明PID 控制器控制电机转速的原理。
图中)(0t n 为转速设定值，)(t n 为转速反馈值，)()()(0t n t n t e -=为偏差信号，偏差信号通过PID 控制器后产生控制作用作用于直流电机从而控制电机转速到设定值。
常见的模拟PID 控制系统如下图所示。
PID 控制器由比例、积分、微分的线性组合构成。
控制规律如下：])()(1)([)(0⎰++=td i p dtt de T d e T t e K t u ττ *其中： p K ——控制器的比例系数 i T ——控制器的积分系数d T ——控制器的微分系数1) 比例部分比例部分的数学表达式：)(t e K p 。
比例部分的作用是对偏差信号做出快速反应，一旦控制器检测到偏差，比例部分就能迅速产生控制作用，且偏差越大，控制作用越强。
但仅存在比例控制的系统存在稳态偏差。
比例系数越大，响应越快，过渡越快，稳态偏差也越小，但系统也越不稳定，因此比例系数必须选择恰当。
2) 积分部分积分部分的数学表达式：⎰tip d e T K 0)(ττ。
从积分部分表达式可以看出，只要系统输出与设定值存在偏差，积分作用就会不断增加，知道偏差为零，因此积分部分可以消除稳态偏差。
但积分作用会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。
积分常数越小，积分作用越强，过渡过程容易产生震荡，但回复时间减小；积分常数越大，积分作用越弱，过渡过程不产生震荡，但回复时间增长。
因此应根据具体情况选取积分常数。
3) 微分部分微分部分的数学表达式： dtt de T K dp )(。
微分作用能阻值偏差的变化。
它根据偏差的变化趋势进行控制。
偏差变化越快，微分作用越强，能在偏差变化之前就行控制。
微分作用的引入有助于减小超调量，克服振荡；但微分作用对噪声很敏感，导致系统的错误响应，使系统不稳定。
无刷直流电机调速控制原理
电子技校电子报/2004年/04月/18日/第013版/无刷直流电机调速控制原理天津潘旗 电动助力车大都使用轮毂电机,即把电机做成轮毂的样子,直接驱动后轮,从而降低成本,且可提高其电能与机械能的转换效率。
现在的电动助力车,一般都采用如下三种电机:高效低速稀土永磁直流无刷电机、高效低速永磁直流有刷电机、高效高速稀土永磁直流有刷电机。
直流电机在转动过程中,绕组中的电流要不断地改变方向,以使转子向一个方向转动。
其中,有刷电机是采用电刷与换相器通过机械接触的方式进行换相的;而无刷电机则是通过霍尔传感器检测出绕组实时运转位置的信号,再通过微处理器或专用芯片对采集的信号进行处理,并实时控制相应的驱动电路对电机绕组进行控制。
由于无刷电机的换相是通过传感器及相关电路进行的,所以这种电机没有电刷与换相器的机械接触与磨损,不需要经常换电刷等易损器件,从而可有效提高电机的使用寿命,减少维修费用。
同时,由于无刷电机没有电刷与换相器之间的摩擦,所以在换相期间没有电火花产生,。
但是,由于无刷电机的电流换相需要专门的电路进行控制,所以整个控制电路将会比较复杂。
通常,电动助力车的无刷电机与车的后轮主轴为一体,其定子安装在主轴上,电机的外壳作为转子,通过钢丝与后轮钢圈连接。
电动助力车的无刷电机三个绕组按三角形方式连接,当给电机加直流电时,其三个绕组中的电流流向变化有三种(如图1所示):1.设第一拍C端悬空,则I C=0,电流从B端流向A端,可得知I B=I A,但极性相反,另有I1=I2。
2.第二拍时A端悬空,电流从C端流向B端。
3.第三拍工作时B端悬空,电流从A端流向C端。
第二拍与第三拍的分析与第一拍类似。
假设按上述顺序对电机进行电流运行方向控制,每经过三个节拍的电流方向就会转换,由于绕组产生的磁场在定子中旋转了一圈(360°),故称为一个循环周期。
由于转子的结构设计所决定:每6个循环周期(18拍),转子旋转一圈,即车轮转动一周。
无刷直流电机控制系统的设计及仿真
目录1 前言............................................................................................................... - 0 -1.1 无刷直流电机的开展......................................................................... - 0 -1.2 无刷直流电机的优越性..................................................................... - 0 -1.3 无刷直流电机的应用......................................................................... - 1 -1.4 无刷直流电机调速系统的研究现状和未来开展............................. - 1 -2 无刷直流电机的原理................................................................................... -3 -2.1 三相无刷直流电动机的根本组成..................................................... - 3 -2.2 无刷直流电机的根本工作过程......................................................... - 4 -2.3 无刷直流电动机本体......................................................................... - 5 -2.3.1 电动机定子............................................................................... - 5 -2.3.2 电动机转子............................................................................... - 6 -2.3.3 有关电机本体设计的问题....................................................... - 7 -3 转子位置检测............................................................................................... - 8 -3.1 位置传感器检测法............................................................................. - 8 -3.2 无位置传感器检测法......................................................................... - 9 -4 系统方案设计............................................................................................. - 11 -4.1 系统设计要求................................................................................... - 11 -4.1.1 系统总体框架......................................................................... - 11 -4.2 主电路供电方案选择....................................................................... - 11 -4.3 无刷直流电机电子换相器............................................................... - 13 -4.3.1 三相半控电路......................................................................... - 13 -4.3.2 三相全控电路......................................................................... - 14 -4.4 无刷直流电机的根本方程............................................................... - 15 -4.5 逆变电路的选择............................................................................... - 17 -4.6 基于MC33035的无刷直流电动机调速系统................................... - 18 -4.6.1 MC33035无刷直流电动机控制芯片...................................... - 18 -4.6.2 基于MC33035的无刷直流电动机调速系统设计 ................ - 19 -5 无刷直流电机调速系统的MATLAB仿真................................................... - 22 -5.1 电源、逆变桥和无刷直流电机模型............................................... - 23 -5.2 换相逻辑控制模块........................................................................... - 24 -5.3 PWM调制技术.................................................................................... - 29 -5.3.1 等脉宽PWM法......................................................................... - 31 -5.3.2 SPWM(Sinusoidal PWM)法..................................................... - 31 -5.4 控制器和控制电平转换及PWM发生环节设计............................... - 31 -5.5 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析................................... - 33 -5.5.1 起动，阶跃负载仿真............................................................. - 33 -5.5.2 可逆调速仿真......................................................................... - 35 -6 总结和体会................................................................................................. - 37 -无刷直流电机调速控制系统设计1前言直流无刷电机，无机械刷和换向器的直流电机，也被称为无换向器直流电动机。
无刷直流电机调速原理
无刷直流电机调速原理
无刷直流电机调速原理是通过不断改变电机的供电电压或电流来实现转速的调节。
为了方便理解，下面将分为几个步骤来介绍无刷直流电机调速原理。
1. 简介：无刷直流电机由转子和定子组成，通过电枢和永磁体的相互作用产生力矩，从而驱动电机转动。
调速原理是基于PWM（脉冲宽度调制）技术，通过改变电机的供电电压和电流来实现转速的调节。
2. 电机控制：无刷直流电机的控制主要包括位置传感器、电机驱动器和控制器三部分。
位置传感器用于检测转子位置信息，电机驱动器负责控制电流和电压的输出，控制器则根据传感器信号和控制算法确定输出的电流和电压。
3. 脉冲宽度调制：脉冲宽度调制是一种调整输出电压和电流的方法，通过不断调整PWM信号的占空比来改变电机的供电电压和电流。
占空比越大，输出电压和电流越高，电机转速也会相应增加。
4. 控制算法：控制器根据位置传感器的反馈信号，利用控制算法来调整PWM信号的占空比，从而控制电机的转速。
常用的控制算法包括电流环控制和速度环控制，电流环控制主要用于电流反馈控制，速度环控制则主要用于转速的闭环控制。
5. 转速调节：根据系统需求，控制器会调整PWM信号的占空比来改变电机的供电电压和电流，从而改变电机的转速。
当需
要提高转速时，控制器会增大占空比，增加供电电压和电流；当需要降低转速时，控制器会减小占空比，降低供电电压和电流。
综上所述，无刷直流电机调速原理是通过不断改变电机的供电电压和电流来实现转速的调节，利用PWM技术和控制算法来实现电机的精确控制。
直流无刷电动机及其调速控制
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，计算机的硬盘驱动和软盘驱动器器中的主轴电动机、录像机中的伺服电动机等。
2．直流无刷电动机的基本结构和工作原理2.1直流无刷电动机的结构直流无刷电动机的结构示意图如图2-1所示。
无刷直流电机工作原理及PWM调速
磁材料被完全磁化后无外励
磁时的 B—H关系。
华北电力大学 电机教研室
《电机学》
§25-1永磁材料及其特性参数
永磁材料分类 常用的永磁材料有铝镍钴（AlniCo）、钡铁氧体 （Ba-Ferrite）和锶铁氧体（Sr-Ferrite）、钐钴 （SmCo 2∶17 型和SmCo 1∶5 型）和钕铁硼 （NdFeB），这是按发明的先后顺序排列的； 若按年产吨位排列则为：铁氧体、钕铁硼、铝镍 钴、钐钴；若按销售额排列则为：铁氧体和钕铁 硼并列第一，然后是钐钴、铝镍钴。
无刷直流电机的构成
无刷直流电机包括：直流电源，永磁电机，电子换向 电路（逆变器），转子位置检测，电流换向控制。
华北电力大学 电机教研室
《电机学》
§25-2 无刷直流电机的工作原理
永磁电机
表面磁钢结构的永磁电机
内永磁结构的永磁电机
分数槽绕组的永磁电机
华北电力大学 电机教研室
《电机学》
§25-2 无刷直流电机的工作原理
华北电力大学电机教研室电机学无刷直流电机的pwm调速252无刷直流电机的工作原理pwmon模式调制方法示意图华北电力大学电机教研室电机学无刷直流电机的pwm调速252无刷直流电机的工作原理onpwm模式调制方法示意图华北电力大学电机教研室电机学无刷直流电机的pwm调速252无刷直流电机的工作原理pwmonpwm模式调制方法示意图华北电力大学电机教研室电机学无刷直流电机的pwm调速252无刷直流电机的工作原理通过调整pwm的占空比调节加在电机绕组上的电压的大小可以实现像直流电机一样调速性能
华北电力大学 电机教研室
《电机学》
§25-2 无刷直流电机的工作原理
直流无刷电机调速原理
直流无刷电机调速原理引言直流无刷电机（Brushless DC Motor，BLDC）是一种常见的电动机类型，广泛应用于各种领域，包括工业自动化、电动工具、机器人技术和模型飞机等。
为了控制这些电机的速度和运行，了解直流无刷电机的调速原理至关重要。
本文将深入探讨直流无刷电机的调速原理，以及相关的电子控制技术。
第一部分：直流无刷电机基础在探讨调速原理之前，首先需要了解直流无刷电机的基本工作原理。
与传统的有刷直流电机不同，BLDC电机没有碳刷，因此具有更高的效率和可靠性。
它由以下几个关键部件组成：1.永磁体：通常是一个永久磁铁，位于电机的转子（转动部分）中。
这是电机的永久磁场源。
2.绕组：电机的定子（静止部分）上包围着绕组，也称为线圈。
这些绕组通常由铜线绕制，并与电机的电源电路相连。
3.传感器：有些BLDC电机配置了传感器，用于检测转子的位置和速度。
传感器可以是霍尔效应传感器或编码器等。
4.电子控制器：电子控制器是控制电机速度和方向的关键部件。
它根据传感器的反馈信号来决定如何驱动电机。
第二部分：电子控制器的作用电子控制器是直流无刷电机调速的关键。
它的主要功能是根据传感器的反馈信号来确定电机应该如何运行，以达到所需的速度和方向。
以下是电子控制器的工作原理：1.传感器反馈：如果电机配置了传感器，传感器会监测转子的位置和速度。
这些信息通过传感器反馈到电子控制器。
2.控制算法：电子控制器内部包含一个控制算法，它根据传感器反馈信号来计算出正确的控制策略。
这通常是一个闭环反馈系统，允许电机动态调整以维持所需的运行状态。
3.功率驱动：根据控制算法的输出，电子控制器将电源中的电能转化为适当的电流和电压，供电给电机的绕组。
这就是电机开始旋转的过程。
4.相序控制：BLDC电机通常有三相绕组，控制器需要准确确定哪一相应该通电，以使电机旋转。
这是通过改变相序来实现的，以推动电机的转子。
第三部分：电机调速原理现在，让我们深入研究直流无刷电机的调速原理。
直流无刷电机驱动器有哪几种调速方式
直流无刷电机驱动器有哪几种调速方式直流无刷电机驱动器要使电机旋转起来，首先驱动部就必须依据霍尔元件感应到的电机转子所在的位置，然后按照电机定子绕组决定开启(或关闭)换流器中功率晶体管的顺序。
1、PWM（占空比）调速方式PWM（占空比）调速方式通过改变等效输出电压来调节电机转速。
PWM（占空比）调速具有响应快的特点，但转速受负载变化有一定变化，在堵转电流不超过配置的峰值负载电流的情况下，堵转扭矩与PWM（占空比）成近似正比，这可表现为当将电机调节为低速转动时，直流无刷电机扭矩较小。
2、速度闭环控制调速方式速度闭环控制调速方式使用PID调节算法来对电机进行稳速控制。
稳速算法支持速度闭环控制调速和时间位置闭环控制调速。
前者直接对直流无刷电机转速进行调节，具有超调量小和在高速时调速平稳的特点，但在低速时，可能出现调速不均匀问题，后者通过计算直流无刷电机随时间改变应该转动的位置来对电机转动位置进行控制，从而间接对电机进行了稳速控制，此方式可满足多台驱动器对多个电机转动位置进行同步控制的要求以及越低速稳速控制的要求，但转速调节有一定超调，东昊无刷驱动器支持闭环调速加速度配置，对于使用速度闭环控制算法，可将加速配置大一些，以使稳速响应更快，而对于使用时间-位置闭环控制算法，加速度配置过大则可能导致超调严重或切换电机转动方向过程不平稳。
3、位置闭环控制调速方式位置闭环控制调速方式使用PID调节算法来对电机转动位置进行控制，当给定目标位置后，驱动器会根据配置的加速加速度，减速加速度和峰值速度，自动计算电机运行过程中当前转动位置的目标实时速度并进行控制，从而使电机按照配置的速度和加速度参数准确地转动到目标位置，在对直流无刷电机位置进行调控过程中，驱动器也能同时估算出直流无刷电机转动到目标位置所需要的时间。
4、力矩控制调速方式力矩控制调速方式，通过调节输出电流大小来改变电机的扭矩。
直流无刷电机通常工作在堵转状态。
力矩控制方式输出的电流可在配置的峰值负载电流范围内任意调节。
直流无刷电机调速原理
直流无刷电机调速原理直流无刷电机调速原理直流无刷电机是一种通过电力信号控制电流方向、大小和时间，实现转子运转的一种电机。
它具有高效率、低噪音、长寿命、可靠性强等特点，在家电、电动工具、机器人、电动车辆等众多领域得到广泛应用。
而对于无刷电机调速，是实现无刷电机工作效率提高的关键。
无刷电机调速原理中，我们需要先了解电机转子的工作原理。
以磁铁为例，我们常常看到不同磁极的磁力互相吸引或排斥，这是因为磁铁有南北极的磁场。
而在直流无刷电机中，转子被镶嵌着若干个永磁体，形成了转子磁场。
定子则是一组固定的电线圈，通过电力信号使得其产生不断变化的磁场，与转子磁场相互作用，使转子旋转。
调速时，可以调整电源电压或控制电流大小，从而改变电机的转速。
但是，这种方法存在许多问题，如容易损坏电机、存在能量浪费等问题。
而直流无刷电机调速使用的则是PWM（Pulse Width Modulation）技术。
这是一种使得电压和电流断断续续的调节方法，其原理是在特定时间间隔内，让电压和电流交替进行开关，从而通过调整开关时间长度控制电机的电流大小和方向，使其转速发生变化。
通过调整PWM 信号的占空比（开空时间与一个周期时间的比值），可以控制电机的转速。
具体实现时，需要使用电机驱动电路进行PWM信号的产生和输出。
无刷电机调速的优点是精度高，能够实现稳定的恒速工作，能有效减少噪音和电机寿命损耗。
同时，在电机负载变化较大时，也能够保证电机的速度和扭矩稳定。
通过使用无刷电机调速，可以实现多种应用的要求，提高电机工作效率和稳定性，为人们的生产和生活带来便利。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
机的硬盘驱动和软盘驱动器器中的主轴电动机、录像机中的伺服电动机等。
2．直流无刷电动机的基本结构和工作原理
2.1直流无刷电动机的结构
直流无刷电动机的结构
示意图如图2-1所示。
无刷直流电动机由它是
由电动机本体、位置检测器、
逆变器和控制器组成。
无刷
直流电动机最初的设计思想
来自普通的有刷直流电动
图2-1 无刷直流电机机构示意图
机，不同的是将直流电动机
的定子、转子位置进行了互换，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。
原直流电
动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。
所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。
由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机。
目前，无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路已有集成的功率模块（PIC）和智能功率模块（IPM），选用这些模块可以提高系统的可靠性。
位置检测器的作用是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。
位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。
控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，主要用于实现电机的正反转及停车控制、电机开环调速以及实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路。
2.2直流无刷电动机的工作原理
普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。
为了使直流
电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断的改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。
无刷直流机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通电动机相反。
然而即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直流电以后，只能产生不变的磁场电动机依然转不起来。
为了使电动机的转子转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90o左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。
在换相的过程中，定子各项绕组在工作气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式运动。
这种旋转磁场在一周有三种状态，每种状态持续120o。
它们跟踪转子，并与转子的磁场相互作用，能够产生推动转子继续转动的转矩。
下面以三相定子绕组接成星形为例说明其驱动原理。
图2-2为无刷直流电动机
图2-2 无刷直流电动机组成原理图
组成原理图。
驱动电路开关管的控制原理可用图2-3加以说明。
（图中假设转子
只有一对磁极，定子绕组A、B、C三相对称，按每极每相60o相带分布）。
（a）A相正向通电，B相反向通电（b）转过60o
（c）继续旋转（d）A相正向通电，C相反向通电转过60o
（e）B相正向通电，C相反向通电（f）转过60o
（g）B相正向通电，A相反向通电（h）转过60o
图2-3 无刷直流机转子位置与换相的关系
假设当转子处于图2-3（a）位置时为0o ，相带A′、B、C′在N级下，相带A、B'、C在S级下，这时A相正向通电，B相反向通电，C相不通电，各相通电波形见图1-3，产生的定子磁场与转子磁场相互作用，使转子逆时针恒速转动。
当转过60o角后，转子位置如图（b）所示。
这时如果转子继续转下去就进入图（c）所示的位置，这样就会使同一磁极下的电枢绕组中有部分导体的电流方向不一致，它们互相抵消，削弱磁场，使电磁转矩减小。
因此，为了避免出现这样的结果，当转子转到图（b）的位置时，就必须换相，使B相断电，C相反相通电。
转子继续旋转，转过60o角后到图（d）所示位置。
根据上面讲的道理必须要进行换相，即A相断电，B相正相通电，（e）所示。
转子再转过60o角，如图（f）所示位置，再进行换相，使C相断电，A相反向通电，如图（g）所示。
这样如此下去，转子每转过60o角就换相一次，相电流按图所示的顺序进行断电和通电，电动机就会平稳地旋转下去。
3．直流无刷电动机的的运行特性和及基于DSP 控制器调速原理
设转子永久磁铁所产生的磁场在电动机气隙中是按正弦分布，转子转角为θ时，θsin m B B =。
当定子绕组某相通过直流电流时，电动机产生的转矩为：
θsin rI LB Z T m D a = (1)
式中,D Z 为相导体数；
L 为导体的有效长度；
m B 为气隙磁通最大值；
r 为气隙半径；
I 为定子绕组相电流。
无刷直流机的电压平衡方程式为：
IR E U U a +=∆- (2)
n K E e a = (3)
I K T T a = (4)
则可写出机械特性方程式为: n n T K K R K U U n a T
e e ∆-=-∆-=0)(……………………………（5） 式中，n 为电动机转速，min /r ；
U 为直流电源电压，V ；
U ∆为功率晶体管压降，V ；
a T 为电动机转矩平均值，M N •；
R 为电动机内阻，Ω；
e K 、T K 分别为电势系数、转矩系数。
和直流电动机一样，当U变化时即改变
n，电动机可以进行无级调速。
但实际
的无刷直流机调速系统是由电子换向线路和转子位置检测器代替传统直流电动机的机械换向装置而组成的，把检测到的端电压信号送到DSP，计算出电动机的转速，再与给定的转速比较，输出PWM信号，控制开关管的通断，从而控制电动机电流（电压）大小，是电动机的转速变化。
其调速原理是通过电子开关把交变的方波电流送入定子绕组，由开关频率的变化引起电动机转速的变化。
其控制系统原理框图如图3-1。
图3-1 系统控制框图
4．直流无刷电动机及其调速系统的特点
（1）稀土永磁方波同步电动机通入逆变器供给的、与电动势同相的120°方波电流，就组成了无刷直流电动机。
它比正弦波电动机出力大，且理论上无电磁转矩脉动现象。
（2）无刷直流电动机调速原理和一般直流电动机相同，组成的调速系统类
似，并且可以借鉴传统伺服系统的设计经验，因此，容易被人们接受和普及，更适合我国的国情。
（3）无刷直流电动机比正弦波永磁电动机控制简单，逆变器产生方波比正弦波容易，转子只需要带A、B、C三个敏感元件的磁极位置检测器即可，因此大大降低了其控制系统的成本。
（4）实验证明，由无刷直流电动机组成的伺服系统，具有转矩平滑、响应快、控制精度高的特点，故适用于数控机床及机器人等伺服驱动，以及对动、静态性能要求较高的电力拖动领域。