直流电机无刷驱动器

一绪论1.1研究背景、现状及意义自1835年世界上第一台应用电动机问世以来，电动机作为机电能转换装置，其应用范围已遍及国民经济生活的各个领域。

电动机主要有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大到上万千瓦。

由于直流电动机具有非常优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的起动转矩、简单的控制电路等优点，一直被广泛地应用在各种驱动装置和伺服系统中，但由于直流电动机采用电刷和换相器换相，存在机械摩擦，从而产生电火花、噪音、电磁干扰等问题;另外，由于机械换相器的存在，使传统直流电动机的制造相对复杂，成本较高，维护困难。

这些问题的存在，限制了直流电动机的进一步应用。

长期以来，人们一直在寻找一种不用电刷和换相器的直流电动机。

20世纪30年代，已经有学者开始研究以电子换相取代机械换相的无刷直流电动机，但由于当时大功率电子器件处于初级发展阶段，使这种电动机只能停留在实验室研究阶段，无法推广应用。

1955年美国D.哈里森等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，宣告现代无刷直流电动机的诞生。

1962年，借助于霍尔元件之利，实现了换相的无刷直流电动机。

1978年，原西德曼内斯曼公司在汉诺威贸易博览会上推出了MA C方波无刷直流电动机（Brushless DC Motor，简称BLDCM）及其驱动器，标志着利用电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段。

无刷直流电动机利用电子换相器取代了机械电刷和机械换相器，使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，所以无刷直流电动机一经问世就以极快的速度发展和普及。

1986年，H.R.博尔顿对方波无刷直流电动机进行了全面系统的总结，成为方波无刷直流电动机研究的经典文献，它标志着方波无刷直流电动机在理论上达到了成熟。

按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波永磁无刷直流电动机(BLDCM)和正弦波型永磁无刷直流电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM)。

正弦波型永磁无刷直流电动机用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。

PMSM的反电势波形和供电电流波形均为正弦波，其控制需要较为精密的转子位置信号，故位置传感器结构较为复杂，成本较高，但其控制方法灵活，转矩波动较小，一般用于伺服控制系统。

而方波永磁无刷直流电动机(通常，方波型永磁无刷直流电动机可称为无刷直流电动机)则是用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷。

BLDCM的反电势为梯形波，供电电流为方波，控制系统对转子位置信号的要求不高，只需获得若干个离散的转子关键位置信号。

在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单。

因此，BLDCM的应用较PMSM要广泛得多。

由于无刷直流电动机既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、调速性能好的特点，且生产成本相对较低。

因此，从工业领域到家电、信息产品等消费品领域，无刷直流电动机正得到越来越广泛的应用，并具有十分巨大的发展潜力。

而我国对无刷直流电机的研究起步较晚，加上制造工艺和加工设备方面相对较落后，故目前我国无刷直流电机的整体水平低于国际水平，尤其在数字化控制方面，远不如国际水平。

并且，无刷直流电动机是近年来随着微处理器技术、新型电力电子器件、新型控制理论的发展，以及低成本、高磁能积的永磁材料的出现而发展起来的，相对于其它类型电动机来说还是一种新型电动机，对其设计、控制方法等方面的研究仍处于不断地探索之中。

所以，对无刷直流电动机本体设计及其控制方法进行系统、深入地研究有着十分重要的理论和现实意义。

1.2无刷直流电动机的发展趋势首先，电力电子器件的发展是影响直流无刷电机发展的一个重要因素，随着电力电子器件向着大电流、高电压的方向发展以及正弦波PWM电流驱动技术、新的控制方式和控制策略的发展，决定了电机也向着大功率、高性能的方向发展;其次，永磁电动机性能的改进离不开高性能材料的应用，随着电力电子技术、高性能材料的发展、高性能微处理的出现以及控制技术的发展，为直流无刷电动机不断发展、改进提供了必要条件。

直流无刷电动机是一种机电一体化产品，除了电动机本体外，还必须带有位置传感器，以检测定、转子之间相对位置。

而且，离开了驱动控制电路直流无刷电动机不可能运行。

所以直流无刷电机的性能的提高也正朝着以下几个方向发展:(1)智能直流无刷电动机( Smart BLDC Motor)的研制所谓智能电动机就是将电动机、编码器(传感器)、功率放大器、电源、可编程控制器、网络管理器等功能块组合在一起，形成一个整体。

这样的组合带来一系列优点:可靠性提高;成本降低;体积减少;系统性能提高。

实际上，智能电机的研究，就是将电机技术、电机的控制技术和电子技术相结合的研究。

(2)性能改进和新品种的开发对于直流无刷电动机，应该进一步改进的问题中首先是转矩脉动，尤其是用于视听设备、电影机械、计算机中的直流无刷电动机，更要求运行平稳，没有噪声。

这些应用场合中的电动机，大多为小功率、小尺寸的电动机，尺寸紧凑，改动更为困难。

为了解决这个问题，可以利用计算机进行模拟、分析、计算、比较;通过研究气隙磁场形状和磁极结构，选择合适的极对数和槽数以及合适的槽口尺寸。

(3)高效、节能电动机的研究研究、开发高效、节能电动机一直是个重要课题。

尤其是直流无刷电动机的应用越来越普及，在数瓦至数千瓦这个功率段里用得最多。

日本近些年来推出的分割铁芯结构的直流无刷电动机达到了卓越的效果。

如松下公司推出的MINASHYDER的两个系列的电机——超小型高效、节能系列和高效通用系列，容量就是数瓦至数千瓦。

以750W的电机为例，和标准的二相电机相比，在同样的输出功率情况下，超小型系列的体积只有13%大小，重量只有25%;通用系列的体积只有标准二相电机的60%，重量只有50% 。

(4)新材料、新技术的应用和加工工艺的改进电动机性能的改进离不开高性能材料的应用，首先应该提及的是永磁材料性能的提高。

研制和采用磁性能更好，温度特性更佳、防锈防腐特性更强、价格更便宜的稀土材料是一个关键。

在导电材料上，国外已经普遍采用了无氧铜线，它的电阻率更小，更可贵的是硬度小，易弯曲，下线方便。

但目前国内应用尚少，应该加速推广应用。

另外，绝缘材料，高速运行时的轴承以及部分结构材料的塑料化等都是很有意义的课题。

在加工技术方面首先应该提到的是充磁技术，应该保证气隙磁场形状，保证性能。

其它的还有加工的一致性，精确度，高效等等。

直流无刷电动机虽然已经发展到相当成熟的阶段，有着优越的性能，但是相对于其它类型电动机还是一种新型电动机。

直流无刷电动机是机电一体化产品，是多学科技术相结合的产物。

它的驱动、控制更是和电子技术息息相关。

因此，进行直流无刷电机系统的研究对于我国工业现代化建设有着重要的意义。

(5)先进控制技术的应用随着变结构控制、无传感器控制、模糊控制和PID相结合的Fuzzy-PID控制、神经网络和模糊控制相结合的复合控制、遗传算法和模糊控制的复合控制等先进控制技术的不断发展和应用，将促使直流无刷电动机控制系统性能的性能不断提高。

1.3 无刷直流电机的主要研究内容本课题是自选研究课题，旨在研制一套基于ARM LM3S811的无位置传感器无刷直流电机控制调速系统，通过检测无刷直流电机运行时各相绕组的反电动势过零点，来间接确定转子的实际位置。

研究的主要内容如下：(1)研究直流无刷电动机的运行原理和控制方式，针对控制对象——具有梯形波反电动势的无刷电机选择合适的控制方案。

(2)设计直流无刷电机控制器的硬件电路，包括电源电路、功率电路、电流检测电路、电压检测电路、位置检测电路、电流斩波电路、驱动电路、ARM 外围电路、以及显示电路等。

(3)根据直流无刷电机的控制策略，完成控制系统的软件设计。

实现数据采集及显示；跟踪转子位置，输出相通断信号至功率变换器决定对应的开关器件的开断；根据转子位置信号计算速度值；进行转速环和电流环PID 调节；实现电机正反转运行等。

(4)通过实验，验证硬件电路的可行性，根据控制要求修改软件设计，提高控制性能。

二、无刷直流电机的工作原理和数学模型2.1 BLDCM 的组成BLDCM 主要由三部分组成：电动机本体；电子换相电路；位置检测电路。

其组成原理框图如图2-1所示。

图2-1无刷直流电动机的组成原理框图2.1.1电动机本体本课题采用的是，新西达的KV 值为 1400的外转子电机——XXD2212。

其结构及绕组绕法如图2-2、2-3所示。

图2-2XXD2212电机结构图2-3 XXD2212电机绕组绕法2.1.2电子换相电路XXD2122遵循AB AC BC BACA CB AB的顺序进行通电换相(若需电机反转，反序通电即可)。

在无刷直流电动机中，电子换相电路用来控制电动机定子上各相绕组通断的顺序和时间，其中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逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组，从而使电动机输出持续不断的转矩。

由于三相桥式换相电路中功率器件的使用效率高，可以与各种绕组连接形式的电动机配合使用。

本文中采用三相桥式换相电路。

如图2-4所示为三相桥式电路与电动机连接的示意图。

图2-4三相桥式换相电路2.1.3 位置检测电路本文采用的是反电动势过零点检测法，其基本原理：在忽略电机电枢反应影响的前提下，当无刷直流电机稳态运行时，任何时刻其三相绕组只有两相导通，每相绕组分别导通0120电角度，通过检测非导通相的反电动势过零点，依次得到转子的6个关键位置，以此轮流触发6个MOSFET管，驱动电动机的正常运行。

反电动势过零点检测法的关键是找准过零点时刻。

如图2-5所示为三相反相电动势检测电路。

图2-5 三相反相电动势检测电路2.2BLDCM的工作原理BLDCM的基本工作原理是借助反映转子位置信号，通过驱动电路驱动换相控制的功率开关元件，使电枢绕组依照一定的顺序通电，在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动转子旋转。

随着转子的转动，转子位置信号依一定规律变化，从而改变电枢绕组的通电状态，实现无刷直流电机的机电能量转换。

无刷直流电机的工作原理示意图如图2-6所示。

图2-6无刷直流电机的工作原理示意图当转子为位于图2-7(a)所示的位置时，电机处于第一个导通状态，控制电路根据转子位置检测电路信号进行逻辑编码，产生驱动信号，使换相电路中VT1,VT6导通，A相绕组正向导通，B相绕组反向导通。

转子磁动势Fm和定子合成磁动势Fa的空间位置如图2-7(a)所示，转子产生顺时针方向的电磁转矩，转子沿顺时针方向转动，电流流向为:电源正极VT1管A相绕组B相绕组VT6管电源负极。