无刷直流电动机PWM 控制方案

第三章、用EL-DSPMCKIV实现无刷直流电动机PWM 控制方案

实验概述：

本实验是一个无刷直流电动机的PWM控制系统。结构简单，用到的模块也较少。下面给出每个模块的输入与输出量名称及其量值格式

（一）、无刷直流电动机PWM 控制原理简介

无刷直流电动机从结构上讲更接近永磁同步电动机（我们在下一章节中做详细介绍），控制方法也很简单，主要是通过检测转子的位置传感器给出的转子磁极位置信号来确定励磁的方向，从而保证转矩角在90 度附近变化，保证电机工作的高效率。定子换相是通过转子位置信号来控制，转矩的大小则通过PWM的方法控制有效占空比来调控。

我公司提供过两种直流无刷电机，一种以前提供过的57BL-02直流无刷电机的额定电压为24V，额定转速为1600rpm，转子极数为4，也就是2 极对，还有一种是现在提供的57BL-0730N1直流无刷电机，该电机额定转速为3000rpm，转子极数为10，也就是5极对，这两种电机的转子位置都由霍尔传感器提供，同时由此计算出电机的转速，控制程序样例没有电流环。

（二）、系统组成方案及功能模块划分

本实验为开环和闭环实验，通过几个模块信号处理最终用BLDCPWM模块产生IPM 驱动信号来控制直流无刷电机转动。

下图为一个开环控制的系统功能框图，参考占空比信号经由RMP2CNTL 模块处理，变成缓变信号送到PWM产生模块。霍尔传感器的输出脉冲信号，经由DSP的CAP1、CAP2、CAP3端口被DSP获取。通过霍尔提供的转子位置信息HALL3_DRV模块判断转子位置，并将该转子位置信息通过计数器传递给BLDC_3PWM_DRV 模块，该模块通过占空比输入、设定开关频率以及转子的位置信息产生相应的PWM 信号作用于逆变器中的开关管，从而驱动电动机旋转。

（三）、系统测试步骤和方法

进行该系统测试的前提是已经在电脑上安装好版本的软件了，我们提供的软件是在版本下进行调试的，尤其是我们提供的工作环境wks 文件是在此版本下保存的，在不同的版本下并不兼容，所以建议客户安装版本，如果非要在CCS 其他版本下运行该套软件，请客户自行建立工作环境wks文件。另外该系统测试的前提也认为是将DSP的USB仿真驱动也已经安装好了。首先将公司提供的光盘根目录下的mckiv文件夹拷贝到电脑E 盘的根目录下，由于TI 公司的CCS 集成软件是有路径记忆功能的，所以最好是拷贝到E盘。

首先按照以下方法连接好控制器和机组：

1. 将控制器背板上的带单芯插头的灰色大地线插到直流有刷电机机组上。

2. 将 M002 号电缆的10 芯航空插头连接到控制器的背板上。将另一头4 芯航空插头连接到直流无刷电机的5芯插座上。

3. 将M007号霍尔信号电缆一端的9芯航空插头连接到直流无刷电机的9芯航空插座上，另一端9芯航空插头连接到控制器前面DSPCPU板下面的那块接口板INF2上的9芯航空插座上，并将INF2上的JP1拨向左侧，标有“LINE1000”字样。

4. 将连接在磁粉制动器上的M006号负载电缆的4芯卡式插头连接到控制器背板的4芯圆形卡式插座上。

5. 将仿真器连接到DSP28335CPU板上的J8上（右上角14P插座）。

6. 将3芯电源线插入控制器的背板上，并将电源线插在电源接线板上，注意，一定要确保插座板上的大地线是接触良好的。

7. 打开控制器背板上的的红色船形电源开关，如果有电，此开关的指示灯应点亮。同时控制器前面的液晶显示器应显示开机画面，然后停留在菜单画面。

9. 启动CCS软件（CCStudio ）（在此之前应该已经用Setup CCStudio 文件设置好CPU 类型和仿真器类型），如果8 秒之内还没有进入到CCS 软件的操作页面，并且发现DSPCPU 板上的“LED3”指示灯不闪烁，请按DSPCPU 板上的复位键（在LED4灯的右边），直到该指示灯闪烁为止，然后就应该能进入了。注意.软件界面出现后，在界面的右下角出现如下提示：

说明软件没有连接目标CPU，所以此时要用“Debug--Collect”命令来连接目标

CPU，执行完后再界面的右下角会出现如下提示：

说明软件可以正常使用了。最后用“File—Workspace—Load Workspace…”菜单命令打开

E:MCKIV\28335soft\bldc305\DMC\C28\V32X\sys\BLDC3_1_2833x\cfloat\build \ bldc_2833x\Debug”文件夹下的工作环境文件“”文件。

步骤 1、开环启动，寻找最佳换相表测试

此实验用RMP2_CNTL、MOD6_CNT和 BLDCPWM及硬件电路连接来实验直流无刷电机的开环控制，通过实验过程来验证以上几个模块及逆变电路工作是否正常，并分析模块在系统中的作用，关键是通过转子在不同起始位置的不同换相控制表来找到让转矩和转子正交的最佳换相表。图4-1-1和图4-1-2分别给出了此步骤的功能

框图和软件流程图。以下给出步骤1中的控制参数及其调节范围：

仿真测试具体操作方法如下：

1. 将头文件“”中的编译指令BUILDLEVEL设为“LEVEL1”，目前公司配置的直流无刷电机是5 极对的，以前公司配置过2 极对的直流无刷电机，如果电机是2极对的，请打开“”头文件，并修改这一行程序：

#define P 10 #define BASE_FREQ 250 将250修改为50

如果是5极对电机则不用修改。然后用“Project--Build”指令重新编译连接程序；

2. 用“File--Load Program”菜单命令加载“”文件到目标板，此时注意观察加载的文件“”是否您刚才编译链接生成的文件，看一下文件的生成时间就知道了，如果所有源文件都没有修改，此时“”的生成时间不会变化；如果想证实源文件编译是否执行，可以在主程序中随便修改一点注释内容，那么编译的时候就肯定会生成新时间的输出文件。

3. 点击“Debug--Real time Mode”选择实时模式，此时出现一个对话框，选择“是（Y）”，再点击“Debug--Run”或者点击左侧运行图标运行程序，此时程序在实时运行模式下运行。

4. 在“Watch window”窗口中左键点击“Build1”标签并在空白处点击右键，选择连续刷新模式“Continuous Refresh”，此时应能观察到“BackTicker”变量在不断变化，说明主程序已经运行。在控制器面板上进行电机选择，选择直流无刷电机正确后，进入状态页面（F1），打开主电源(按钮：电源)。将电机转子转动到任意一个可识别的位置，例如，将轴的安装端面水平，或者将安装销位置朝上，或者给转子贴一个标记，让标记朝上，目的就是要能识别这个位置，然后在下次启动是能让转子相对这个位置转动一个角度，然后设置变量“EnableFlag”为1，此时应能观察到变量“IsrTicker”也在不断变化，说明主中断服务程序已经正常运行，此时如果各电路部分正确，机组连接正确的话，电机应稳定运行。如果电机没有运转，请检查各电缆是否连接可靠，检查INF2电路板上的JP1拨动开关是否拨向左侧，都没有错误的话，检查INF2 上的LED2 是否熄灭，如果熄灭，说明产生了功率保护中断，更换DSPCPU板后实验现象依旧，则可能需要返修。

5. 分别右键点击图形显示窗口“Channel1&2”、“Channel3&4”，选择连续刷新模式“Continuous Refresh”，观察、、

以及的波形，如图4-1-3，图4-1-4 所示。是检测到的转子换相计数器，从0 到5 之间变化，表示的是转子换相对应的霍尔状态，表示的是检测到了换相的信号标志，表示的也是换相标志。记录下此时的“Build1”标签中的变量FirstHallState，这是转子在启动之初的霍尔位置，再记录下“Build1”标签中的，这是电机当前的转速，再记录下[0]~ [5]这个数组的6 个值，这就是换相表。这三部分的变量值记录下来以后，点击“Debug--Halt”，再点击“Debug--Real time Mode”，最后点击“Debug--Reset CPU”和“Debug—Restart”，退出实时运行模式，将转子转动到和刚才的初始位置偏移30度左右的位置，然后点击“Debug--Real time Mode”选择实时模式，此时出现一个对话框，选择“是（Y）”，再点击“Debug--Run”或者点击左侧运行图标运行程序，此时程序在实时运行模式下运行。电机应该运行起来，记录下此时的“Build1”标签中的变量FirstHallState，“Build1”标签中的，再记录下[0]~ [5]这个数组的6个值，然后又退出实时模式，电机停止运行，再次转动转子的初始位置，和刚才第二次的位置相差30度左右，如此循环下去，直到转子6个初始位置都试运行完成，我们会发现，电机在相同的转矩作用下，速度相差较多，其中那个转速最快的换相表就是我们需要的保证转矩和转子正交的换相表，一般情况下，应该是[0]~ [5] 中的数值为“ 451326 ”，最后点击“Debug--Halt”，再点击“Debug--Real time Mode”，最后点击“Debug--ResetCPU”，退出实时运行模式。公司原先配套的直流无刷电机为2 极对的，所以转子机械位置从0 到360 度对应转子电气位置有两个360 度，具体表现就是转子在某一个位置的霍尔位置信号和转子转动180 度后的霍尔位置信号是相同的。现在配置的是5 极对的直流无刷电机，那么

转子转动一圈，会有5 个电气周期，每次手动转的角度就要更小了。

6. 打开“”源文件，找到“float32 DFuncDesired = ;;”这一行，将修改为，编译文件，重新下载“”文件到28335CPU目标板，重复4，5，6 步，找到电机反转时的最佳换相表。一般情况下，应该是[0]~ [5]中的数值为“645132”，这就是电机反转时的最佳换相表。最后点击“Debug--Halt”，再点击“Debug--Real time Mode”，最后点击“Debug--Reset CPU”，退出实时运行模式。

7. 完成 4，5，6，7 步后找到电机正转和反转的最佳换相表后，打开“”源文件，找到“float32 DFuncDesired = ;;”这一行，将修改为，编译文件，重新下载“”文件到28335CPU目标板，让电机运行起来，在“Watch window”窗口中的“Build2”标签中双击DFuncDesired变量右侧的数据，输入要改变的值，观察电机速度的变化，例如输入后回车，观察电机速度的变化，然后改变为后回车观察电机速度的变化。也可以改变转矩的值为负值，例如改为，看电机换向情况。

8. 点击“Debug--Halt”，再点击“Debug--Real time Mode”，最后点击“Debug--ResetCPU”，“Debug—Restart ”，退出实时运行模式，并停止程序运行。

9. 如果继续实验，请转步骤2，否则先关闭控制器的功率部分主电源（在液晶显示状态页面时按下电源按钮），然后关闭软件退出程序，关闭控制电源。

步骤2、在最佳换相表下开环启动并换向测试

通过上一步获得让转矩和转子正交的最佳换相表，在最佳换相表控制下进行换相，观察电机的运转情况，及其换相控制过程。图4-2-1和图4-2-2分别给出了此步骤的功能框图和软件流程图。以下给出步骤2中的控制参数及其调节范围：EnableFlag ：启动控制（0，1）

DfuncDesired ：转矩设定值，-7fffh ~ +7fffh

如果不是从第一步继续实验到这里，请按照前面系统测试和步骤所描述的方法操作，否则请直接进行下面的操作：

1. 将头文件“”中的编译指令BUILDLEVEL 设为“LEVEL2”，然后用“Project--Build”指令重新编译连接程序；

2. 用“File--Load Program”菜单命令加载“”文件到目标板，此时注意观察加载的文件“”是否您刚才编译链接生成的文件，看一下文件的生成时间就知道了，如果所有源文件都没有修改，此时“”的生成时间不会变化；如果想证实源文件编译是否执行，可以在主程序中随便修改一点注释内容，那么编译的时候就肯定会生成新时间的输出文件。

3. 点击“Debug--Real time Mode”选择实时模式，此时出现一个对话框，选择“是（Y）”，再点击“Debug--Run”或者点击左侧运行图标运行程序，此时程序在实时运行模式下运行。

4. 在“Watch window”窗口中左键点击“Build2”标签并在空白处点击右键，选择连续刷新模式“Continuous Refresh”，此时应能观察到“BackTicker”变量在不断变化，说明主程序已经运行。

5. 如果从步骤1 继续实验而来，跳过此步。否则在控制器面板上进行电机选择，选择直流无刷电机正确后，进入状态页面（F1），打开主电源(按钮：电源)。

6. 设置变量“EnableFlag”为1，此时应能观察到变量“IsrTicker”也在不断变化，说明主中断服务程序已经正常运行，此时如果各电路部分正确，机组连接正确的话，电机应稳定运行。观察控制器上液晶显示的速度是否稳定，如果跳动较大，请检查大地线是否连接良好。

7. 分别右键点击图形显示窗口“Channel1&2”、“Channel3&4”，选择连续刷新模式“Continuous Refresh”，观察、的波形，如图4-2-3 所示和图4-2-4 所示。是检测到的转子换相计数器，从0到5之间变化，表示的是转子换相对应的霍尔状态，从图形显示窗口“Channel1&2”中仔细观察对应与换相计数器的霍尔状态表，看是不是第一步我们检测到的最佳换相表，图形显示窗口“Channel3&4”显示的是电机的转速，单位为转每分和，表示的是霍尔换相触发信号。

8. 让电机运行起来，在“Watch window”窗口中的“Build2”标签中双击DFuncDesired变量右侧的数据，输入要改变的值，观察电机速度的变化，例如改变为“”后回车观察电机速度的变化，电机应该换向运行，从图形显示窗口“Channel1&2”中仔细观察对应与换相计数器的霍尔状态表。看是不是第一步我们检测到的反向最佳换相顺序，注意此时是从5到0变化的，所以我们看到的换相顺序有所不同。

9. 点击“Debug--Halt”，再点击“Debug--Real time Mode”，最后点击“Debug--ResetCPU”，“Debug—Restart ”，退出实时运行模式，并停止程序运行。

10.如果继续实验，请转步骤3，否则先关闭控制器的功率部分主电源（在液晶显示状态页面时按下电源按钮），然后关闭软件退出程序，关闭控制电源。

步骤 3、速度闭环系统功能测试

速度闭环PI 调节器的模拟实验所用到的模块框图和程序流程图如图4－3－1 和图4－3－2所示：

如果不是从第二步继续实验到这里，请按照前面系统测试步骤和方法所描述的步骤进行处理，否则请直接按照下面的操作方法进行实验：

1. 将头文件“”中的编译指令BUILDLEVEL 设为“LEVEL3” ，然后用 “Project--Build ”指令重新编译连接程序；

2. 用“File--Load Program”菜单命令加载“”文件到目标板，此时注意观察加载的文件“”是否您刚才编译链接生成的文件，看一下文件的生成时间就知道了，如果所有源文件都没有修改，此时“”的生成时间不会变化；如果想证实源文件编译是否执行，可以在主程序中随便修改一点注释内容，那么编译的时候就肯定会生成新时间的输出文件。

3. 点击“Debug--Real time Mode”选择实时模式，此时出现一个对话框，选择“是（Y）”，再点击“Debug--Run”或者点击左侧运行图标运行程序，此时程序在实时运行模式下运行。

4. 在“Watch window”窗口中左键点击“Build 3”标签并在空白处点击右键，选择连续刷新模式“Continuous Refresh”，此时应能观察到“BackTicker”变量在不断变化，说明主程序已经运行。

5. 如果从步骤2 继续实验而来，跳过此步。在控制器面板上进行电机选择，选择直流无刷电机正确后，进入状态页面（F1），打开主电源(按钮：电源)。如果是单一的直流无刷电机控制器则不需要进行电机选择，进入状态页面后直接打开主电源即可。

6. 设置变量“EnableFlag”为1，此时应能观察到变量“IsrTicker”也在不断变化，说明主中断服务程序已经正常运行，此时如果各电路部分正确，机组连接正确的话，应该稳定在600转每分。

7. 分别右键点击图形显示窗口“Channel1&2”、“Channel3&4”，选择连续刷新模式“Continuous Refresh”，观察、的波形。是检测到的转子换相计数器，电机正转时从0到5变化，或者电机反转时从5到0之间变化，表示的是转子换相对应的霍尔状态。图形显示窗口“Channel3&4”显示的是检测到的A相电流，下面显示的是，表示的是检测到的B相电流。在“Watch window”窗口中的“Build3”标签中的变量显示的值是电机的转速，注意和控制器面板上显示的速度进行比较，应该差不多。如图4-3-3和图4-3-4所示。

8. 在“Watch window”窗口中的“Build3”标签中双击SpeedRef变量右侧的数据，输入要改变的值，观察电机速度的变化，例如输入后回车，观察电机速度的变化。在确认电机速度能及时准确的跟随速度给定值变化后，在某一速度下，通过控制器的面板设定不同的负载，观察电机的带负载能力。在控制器面板上按下“菜单”按键，出现菜单页面后按下向下按键，“设定”条目前面的光标闪烁，按下“确定”按键，出现设定页面，“负载”条目前面的光标闪烁，继续按下“确定”按键，利用向上或者向下按键改变负载电流值，首先修改百位的电流值，然后按“shift”按键移动到十位，利用向上或者向下按键改变十位的数据，再按“shift”按键移动到个位，改变数值，最后按“确定”按键。负载是一个500毫安，2牛米的一个磁粉制动器，产生的扭矩为：输入电流值/500*2 牛米。控制器限制电流输入值为0 到300 毫安。例如我们将十位的0变为5后按“确定”键，就是设定负载为50毫安，磁粉制动器产生的转矩= 50/500*2 = 牛米。机组配置的直流无刷电机额定带负载能力为牛米，所以我们输入的负载不要超过50毫安，

带负载实验也不要时间过长，以免损坏电机和功率器件。因为没有电流环，严禁做堵转实验。注意加载后，电机的速度会降低，但是经过速度PI调节后，

很快就回到原来的速度，这样说明速度闭环是成功的。加载后可以明显的看到ImeasA和ImeasB电流峰值增大，去载后电流明显减小。

9. 点击“Debug--Halt”，再点击“Debug--Real time Mode”，最后点击“Debug--ResetCPU”，“Debug—Restart ”，退出实时运行模式。

10.先关闭控制器的功率部分主电源（在液晶显示状态页面时按下电源按钮），然后关闭软件退出程序，再关闭控制器的控制电源。

电动车直流无刷电动机的调速控制

电动车直流无刷电动机的调速控制 作者：黄涛李晶李志刚单位：武汉理工大学信息学院 摘要：对当前无刷电动机在电动车领域的应用做了简单分析，简要介绍了直流无刷电动机的组成和工作原理，提出设计总体方案，详细阐述了驱动电路组成和调速部分的具体实现方法，并且介绍了电路的过流保护功能。 关键词：直流无刷电动机霍尔位置传感器驱动电路调速过流保护 中图分类号:TP332.3 文献标示码: B Timing Control to the Brushless electromotor of Electric-automobile Author: HuangTao LiJing LiZhigang Department: Information College Wuhan University of Technology Abstract：Analyze simply to the application of Brushless electromotor in Electric-automobile field.Take a introduction to the composing and principle of Brushless electromotor.Give a designing blue print and the material method of the driving circuit and timing control circuit.Moreover,introduce the function of over-current protection. Key words: Direct current Brushless electromotor Hall position sensor Driving circuit Timing Control Over-current protection 1.引言 随着当前油价上涨，能源紧张以及人们环保意识的不断加强，具有“节能、环保、轻便灵活”等特点的电动车越来越受到了人们的青睐。目前市场上电动车大多数停留在有刷电动机阶段。有刷电动机采用机械换向，对控制系统的技术要求较低，但是相比无刷电动机，有刷电动机存在着明显的劣势：寿命短，噪声大，效率低，返修率较高，因此电动车采用直流无刷电动机做为驱动系统是一个必然的大趋势。针对这种情况，本文介绍了对电动车直流无刷电动机调速控制的一套切实可行的设计方案，该方案可实现对三相无刷电动机转速进行精确控制。 2. 无刷电动机基本组成和工作原理 2.1 基本组成 直流无刷电动机的结构原理如图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。A相、B相、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连接。本设计主要实现电子开关线路的功能。

永磁无刷直流电动机的基本工作原理

永磁无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如图一所示： 永磁无刷直流电动机的基本工作原理 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。 永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。 电动机的转矩正比于绕组平均电流： Tm=KtIav （N·m） 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度： ELL=Keω （V） 所以电动机绕组中的平均电流为： Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） 其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩： Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra） Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。

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

直流电机原理与控制方法

专业资料 电机简要学习手册 2015-2-3

一、直流电机原理与控制方法 1直流电机简介 直流电机（DM）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能 （直流发电机）的旋转电机。 它是能实现直流电能和机械 能互相转换的电机。当它作电 动机运行时是直流电动机，将 电能转换为机械能；作发电机 运行时是直流发电机，将机械 能转换为电能。 直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。 2 直流电动机基本结构与工作原理 2.1 直流电机结构

如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。 2.2 直流电机工作原理 如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和 cd收到电磁力的作用， 其方向可由左手定则判 定，两段导体受到的力 形成了一个转矩，使得 转子逆时针转动。如果 转子转到如上图（b）所 示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定

无刷直流电机的组成及工作原理

无刷直流电机的组成及工作原理 2.1 引言 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。 2.2 无刷直流电机的组成 2.2.1 电动机本体 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。 目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。 2.2.2 电子换相电路 控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。 驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT 模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。 2.2.3 转子位置检测电路

直流电动机控制系统

煤炭工程学院课程设计 题目：直流电动机转速控制系统 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 日期：

摘要 当今社会，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法、PID控制等，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，光耦、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。 电机在各行各业发挥着重要的作用,而电机转速是电机重要的性能指标之一,因而测量电机的转速和电机的调速,使它满足人们的各种需要,更显得重要，而且随着科技的发展,PWM调速成为电机调速的新方式。 随着数字技术的迅速发展，微控制器在社会的各个领域得到了广泛的应用，由于数字系统有着模拟系统所没有的优势，如抗干扰性强、便于和PC机相联、系统易于升级维护。 本设计是以单片机AT89S52和L298控制的直流电机脉宽调制调速系统。利用AT89S52芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及PWM的占空比在LCD上的实时显示。 关键词：直流电机；AT89S52；PWM调速；L298

直流电动机设计方案

直流电动机设计方案 第1章前沿 1.1 课题研究的背景及意义 直流电动机以其良好的起动、制动性能，较宽范围内平滑调速的优点，在许多调速要求较高、要求快速正反向、以蓄电池为电源的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，虽然高性能交流调速技术得到了很快的发展，在某些领域交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流调速系统系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用，比如轧钢机、电气机车等都还有用直流电机；而且从控制规律的角度来看，交流拖动控制系统的控制方式是建立在直流拖动控制系统的基础之上的，从某种意义上说有相似的地方。因此，掌握和了解直流拖动控制系统的控制规律和方法是非常必要的。 从生产机械的要求的角度看，电力拖动控制系统分为调速系统、伺服系统、多电动机同步控制系统、张力控制系统等多种类型。而各种系统大多都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是电力拖动控制系统最基本的系统[1]。 从直流电机在国民生产生活中所占位置的角度来看，直流电机目前依旧应用于工业生产中，并广泛应用于人们的生活中。因此直流电机的控制技术的发展很大程度上影响着国民经济的增长，影响着人们的生产生活水平，因此，对直流电机调速系统的研究还是很有必要的。 1.2 课题发展历程及趋势 在很长的一段时间里直流电动机作为最主要的电力拖动工具，其应用已经渗透到人们的工作、学习、生活的各个方面。早期电动机调速控制器主要由模拟器件构成，由于模拟器件存在的固有缺点，比如存在温漂，零漂电压等，使系统控制精度和可靠性降低。后来，随着可编程控制器比如AT89C51，PLC等和IGBT、GTR等电力电子开关器件，传感器技术等的发展使得直流电机调速系统进入了数字控制的阶段，这使得直流电机调速系

直流电动机转速控制

直流电动机转速控制 王文玺 （北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京） 摘要：通过对直流电动机控制系统的建模，再利用Matlab对建模后的系统进行分析，来加深对自动控制系统的理解。找到系统的输入、输出，理清经历各环节前后的信号变化，找出系统传递函数。 关键词：直流电动机、Matlab、建模、传递函数 1、直流电动机动态数学模型建立 1.1直流电机数字PID闭环速度控制，系统实现无静差控制。 这是一个完整的带PID算法的直流电动机控制系统。目标值为给定的期望值，期望值与被测输出结果形成的反馈做比较，得到误差信号。误差信号经过PID控制环节得到控制信号。继而经历驱动环节得到操作量，驱动量作用与对象即电动机然后得到输出信号即转速。转速通过传感器得到反馈信号。 1.2PID控制环节 1.3被控对象（直流电动机）的统一数学模型 信号类型一次为，输入信号为电压，然后电流、电流、转矩、转速，反馈信号为电压。

各环节的比例函数为： 1.3.1额定励磁条件下，直流电机的电压平衡关系： （Ud为外加电压，E 为感应电势，R a为电枢电阻 ，La为电枢电感，i a为电枢电流。） 拉氏变换后： （ra—L ／R ，为电枢时间常数） 1.3.2直流电机的转矩平衡关系及拉氏变换： （Te 为电磁转矩，Tl 为负载转矩，B为 阻尼系数，J 为转动惯量，w为电机机 械转速，rm=J／B，为机械时间常数） 1.3.3电动机传递函数 可见直流电动机本身就是一个闭环系统，假设电机工作在空载状态，且机械时间常数远大于电枢时间常数，则电机传递函数可近似为： 1.4具体实例 电枢控制直流电动机拖动惯性负载的原理图，涉及的参数有：电压U为输入，转速为输出，R、L为电枢回路电阻、电感，K 是电动机转矩系数，K 是反电动势系数，K 是电动机和负载折合到电动机轴上的黏性摩擦系数，．厂是电动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量。已知：R一2．0 Q，L：==0．5 H ，K = Kb一0．015，Kf一0．2 Nms，J— o．02kg．m 。 ( 取电压U为输入，转速叫为输出，由已知条件和原理图，根据直流电机的运动方程可以求出电动机系统的数学模型为：

直流电机原理与控制方法

电机简要学习手册 2015-2-3

一、直流电机原理与控制方法 1直流电机简介 直流电机（DM）是指能将 直流电能转换成机械能（直流 电动机）或将机械能转换成直 流电能（直流发电机）的旋转 电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。 直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。

2 直流电动机基本结构与工作原理 2.1 直流电机结构 如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。 2.2 直流电机工作原理 如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和 cd收到电磁力的作用， 其方向可由左手定则判 定，两段导体受到的力 形成了一个转矩，使得 转子逆时针转动。如果 转子转到如上图（b）所

示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。 发电机的原理则是电机的逆过程：原动机提供转矩，利用法拉第电磁感应产生直流电流。 如下图，比较清晰的说明了直流电动机的原理。 3直流电机重要特性 如下图，更加清晰的揭示了直流电机电流电压与转速转矩之间的关系。 我们可以得到直流电机的四个基本方程：

直流电机工作原理和有刷直流电机的模型建立

直流电机工作原理和有刷直流电机的模型建立 一、直流电机的基本结构 直流电机可概括地分为静止和转动两大部分。静止部分称为定子；转动部分称为转子。定、转子之间由空气隙分开，如图。 图a所示为直流电机结构，图b所示为直流电机剖面图。 1. 定子部分 定子由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。 (1)主磁极它的作用是产生恒定的主极磁场，由主磁极铁心和套在铁心上的励磁绕组组成。 (2)换向极换向极的作用是消除电机带负载时换向器产生的有害火花，以改善换向。 (3)机座机座的作用有两个，一是作为各磁极间的磁路，这部分称为定子磁轭；二是作为电机的机械支撑。 (4)电刷装置其作用，一是使转子绕组能与外电路接通，使电流经电刷输入电枢或从电枢输出；二是与换向器相配合，获得直流电压。 2. 转子部分

转子是直流电机的重要部件。由于感应电势和电磁转矩都在转子绕组中产生．是机械能与电能相互转换的枢纽，因此称作电枢。电枢主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等。另外转子上还有风扇、转轴和绕组支架等部件。 （1）电枢：铁心电枢铁心的作用有两个，一是作为磁路的一部分，二是将电枢绕组安放在铁心的槽内。 （2）电枢绕组：电枢绕组的作用是产生感应电势和通过电流，使电机实现机电．能量转换它由许多形状完全相同的线圈按一定规律连接而成。每一线圈的两个边分别嵌在包枢铁心的槽里，线圈的这两个边也称为有效线圈边。 （3）换向器：换向器又称整流子，在直流电动机中，是将电刷上的直流电流转换为绕组内的交变电流，以保证同一磁极下电枢导体的电流方向不变，使产生的电磁转矩恒定；在直流发电机中，是将绕组中的交流感应电势转换为电刷上的直流电势，所以换向器是直流电机中的关键部件。 换向器由许多鸽尾形铜片（换向片）组成。 换向片之间用云母片绝缘，电枢绕组每一个线圈 的两端分别接在两个换向片上，换向器的结构如 图1-2所示。 直流电机运行时在电刷与换向器之间往往会 产生火花。微弱的火花对电机运行并无危害，若 换向不良，火花超过一定程度，电刷和换向器就 会烧坏，使电机不能继续运行。 此外，在静止的主磁极与电枢之间，有一空气隙，它的大小和形状对电机的性能影响很大。空气隙的大小随容量不同而不同。空气隙虽小，但由于空气的磁阻较大，因而在电机磁路系统中有着重要的影响。

直流无刷电动机工作原理控制方法

直流无刷电动机工作原 理控制方法 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998

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。

直流电动机控制系统设计

X X X X X学院 题目：直流电动机控制系统 学 院 XXXXXX学院 专 业 自动化 班 级 XX班 姓 名 XXX 学 号 XXXXX 指导老师 XXX 2012年 12 月 25 日 1、 设计题目：直流电动机控制系统 1、前言 近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。 采用传统的调速系统主要有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。另外，由于PWM 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开

关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。 2、系统设计原理 脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需 要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 （1） 式中 Ua——电枢供电电压（V）； Ia ——电枢电流（A）； Ф——励磁磁通（Wb）； Ra——电枢回路总电阻（Ω）； CE——电势系数， ，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。 由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。 3、方案选择及论证 3.1、方案选择 3.1.1、改变电枢回路电阻调速 可以通过改变电枢回路电阻来调速，此时转速特性公式为 n=U-【I(R+Rw)】/KeФ （2）式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。 当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R= (Ra+Rw)增大，电动机转速就降低。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。 这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，

直流电动机的PWM调压调速原理

直流电动机的PWM调压调速原理 直流电动机转速N的表达式为：N=U-IR/Kφ 由上式可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。其中励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制方法。 对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。 线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是：控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功率器件在线性区工作时由于产生热量会消耗大部分电功率，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于微小功率直流电动机的驱动。绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。 在PWM调速时，占空比α是一个重要参数。以下3种方法都可以改变占空比的值。 （1）定宽调频法 这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之改变。 （2）调频调宽法 这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T（或频率）也随之改变。 （3）定频调宽法 这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用得很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统 双极性驱动则是指在一个PWM周期里，作为在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。 双极性驱动电路有两种，一种称为T型，它由两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆控制系统的组合。但由于T型双极性驱动中的开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。 另一种称为H型。 H型双极性驱动 一、显示接口模块 方案一：液晶显示器也是一种常用的显示器件。它的优点是功耗低，寿命长，本身无老化问题，显示信息量大（可以显示字母和数字），在显示字符上没有限制。但价格高，接口电路较为复杂。其只在一些（袖珍型）设备上作为显示之用。

直流有刷电机与直流无刷电机的对比

直流有刷电机与直流无 刷电机的对比 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】

无刷直流电机与有刷直流电机的对比直流有刷电机和无刷电机的区别是是否配置有常用的电刷换向器。有刷直流电机的换向一直是通过石墨电刷与安装在转子上的环形换向器相接触来实现的。 而直流无刷电机则通过霍尔传感器把转子位置反馈回到控制电路，使其能够获知电机相位换向的准确时间。大多数无刷电机生产商生产的电机都具有三个霍尔效应定位传感器。由于无刷电机没有电刷，故也没有相关接口，因此更干净，噪声更小，事实上无需维护，寿命更长。 直流无刷是基于交流调速原理基础上制造出来的，性能方面既有直流电机的启动转矩大，转速稳定调速方便，又有交流电机的结构简单没有易损件（没有直流电机的碳刷）价格方面因为需要专门的驱动故价格要比普通直流电机高3~4倍左右。不过调速方面因为直流无刷电机大部分都自带驱动电路（可以调速，当然也有恒速的）所以驱动起来只要给他接上额定电压后，输入调速PWM信号就可以了。这点无需再添加专门的驱动电路，另外直流无刷电机因为有霍尔元件做反馈，所以转速几乎是稳定恒速的。 一、无刷电机与有刷电机的性能比较 1、摩擦大、损耗大 有些朋友在用有刷电机的时候经常碰到这个问题，那就是使用电机一段时间后，需要打开电机来清理电机的碳刷，费时费力，维护强度不亚于一次家庭大扫除。 2、发热大、寿命短 由于有刷电机的结构原因，电刷和换向器的接触电阻较大，容易发热，而永磁体是热敏元件，如果温度太高，磁钢是会退磁的，使电机性能下降，影响有刷电机的寿命。 3、效率低、输出功率小 上面说到的有刷电机发热问题，很大程度是因为电流做功在电机的内阻上了，所以

电动车用无刷直流电动机的调速控制

中图分类号:T M 383 4+1 文献标识码:A 文章编号:1001 6848(2006)07 0088 02 电动车用无刷直流电动机的调速控制 黄 涛 李 晶 (武汉理工大学信息学院,武汉 430070) 摘 要:对当前无刷直流电动机在电动车中的应用做了简单分析,详细阐述了其驱动电路和调整部分的实现方案以及过流保护等功能。 关键词:无刷直流电动机;霍尔位置传感器;驱动电路;调速;过流保护;电动助力车;应用 收稿日期:2005 08 29 1 概 述 当给无刷直流电动机定子绕组通电时,该电流与转子永磁体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位置变换成方波信号,通过控制电路去控制开关线路的通断,从而使定子各相绕组按一定顺序导通,定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的,因而起到了机械换相器的换相作用。因此,所谓无刷直流电动机,就其结构而言,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 。 2 设计方案 本设计应用于控制电动自行车和电动摩托车的无刷直流电动机。最大输出功率700W,采用48V 蓄电池供电,空载转速可达700转/分钟。功率最大时(通常为爬坡时),流过M OSFET 管的电流最高可达20A,因此对M OSFET 管的电流承受能力有一定的要求。本设计中选择IRF540N,其击穿电压为100V,最大可承受电流为33A,可以满足设计要求。为了保护MOSFET 管,延长使用寿命,当电流达到设计的最高电流值时采取过流保护。整个电路以时序逻辑控制为主,对时序的准确性要求相当高。设计方案流程图如图1所示。 3 实现方法 由固定在无刷电动机内的霍尔位置传感器输出霍尔信号,即转子位置信号。信号波形如图2所示。以三相无刷电动机为例, 各相信号是占空比为图1 电动车 用无刷直流电机设计流程 图2 三相霍尔信号波形 50%的方波,相互之间相位差为120!。由三相霍 尔信号A 、B 、C 组成的一组编码(先后顺序分别为:101、100、110、010、011、001),经过译码电路及74LS38选择出每个编码所对应时刻时驱动电路中导通的功率管,从而为电动机提供工作电流。驱动电路如图3所示。经74LS38输出的信号通过光电隔离进入驱动电路,光耦全部采用正相接法。对于三相霍尔信号A 、B 、C 各种不同的组合,例如当A 、B 、C 为101时,经74LS138译码器和74LS38与非门输出,到达1、2路光耦输入端为高电平,3、4、5、6路光耦输入端为低电平。由图3所示电路可知,1路和2路光耦分别对应的M OS FET 管M 1、M2导通,通过A 相和C 相对无刷直流电动机提供供电回路。同理,当霍尔信号A 、B 、C 为其它状态值时,亦可通过译码电路及74LS38与非门选择相应的光耦,使输入端为高电平,对应的M OSFET 管轮流导通,如此不断循环换相,从而驱动电动机旋转。 ? 88? 微电机 2006年 第39卷 第7期(总第154期)

无刷直流电动机的发展现状

. .. 无刷直流电动机的发展现状 无刷直流电动机的发展现状：无刷电动机的诞生标志是1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。 直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。 无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可*、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。 在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。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直流电动机（BLDCM）和正弦波直流电动机（PMSM），BLDCM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；而PMSM则是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。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，因而BLDCM的应用较PMSM要广泛的多。 无刷直流电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。

直流电机工作原理和有刷直流电机的模型建立

直流电机工作原理与有刷直流电机得模型建立 一、直流电机得基本结构 直流电机可概括地分为静止与转动两大部分。静止部分称为定子；转动部分称为转子.定、转子之间由空气隙分开,如图。 图a所示为直流电机结构，图b所示为直流电机剖面图。 １、定子部分 定子由主磁极、换向极、机座与电刷装置等组成。 (1)主磁极它得作用就是产生恒定得主极磁场,由主磁极铁心与套在铁心上得励磁绕组组成。 (2)换向极换向极得作用就是消除电机带负载时换向器产生得有害火花,以改善换向。 （3）机座机座得作用有两个，一就是作为各磁极间得磁路，这部分称为定子磁轭;二就是作为电机得机械支撑。 (4）电刷装置其作用,一就是使转子绕组能与外电路接通，使电流经电刷输入电枢或从电枢输出;二就是与换向器相配合，获得直流电压。 2、转子部分

转子就是直流电机得重要部件。由于感应电势与电磁转矩都在转子绕组中产生.就是机械能与电能相互转换得枢纽，因此称作电枢。电枢主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等.另外转子上还有风扇、转轴与绕组支架等部件. (1）电枢:铁心电枢铁心得作用有两个，一就是作为磁路得一部分，二就是将电枢绕组安放在铁心得槽内. （２）电枢绕组：电枢绕组得作用就是产生感应电势与通过电流，使电机实现机电.能量转换它由许多形状完全相同得线圈按一定规律连接而成。每一线圈得两个边分别嵌在包枢铁心得槽里，线圈得这两个边也称为有效线圈边。 （3）换向器:换向器又称整流子,在直流电动机中，就是将电刷上得直流电流转换为绕组内得交变电流,以保证同一磁极下电枢导体得电流方向不变，使产生得电磁转矩恒定；在直流发电机中，就是将绕组中得交流感应电势转换为电刷上得直流电势，所以换向器就是直流电机中得关键部件. 换向器由许多鸽尾形铜片（换向片)组成。换 向片之间用云母片绝缘，电枢绕组每一个线圈得 两端分别接在两个换向片上,换向器得结构如图 1-２所示. 直流电机运行时在电刷与换向器之间往往会 产生火花。微弱得火花对电机运行并无危害,若换 向不良,火花超过一定程度，电刷与换向器就会烧 坏,使电机不能继续运行。 此外，在静止得主磁极与电枢之间,有一空气隙，它得大小与形状对电机得性能影响很大.空气隙得大小随容量不同而不同。空气隙虽小，但由于空气得磁阻较大，因而在电机磁路系统中有着重要得影响。 二、直流电机得基本工作原理

直流无刷电动机工作原理与控制方法

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。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。 图2为三相直流无刷电动机半控桥电路原理图。此处采用光电器件作为位置传感器，以三只功率晶体管V1、V2和V3构成功率逻辑单元。

自制“教学用直流电动机演示装置”-精选教育文档

自制“教学用直流电动机演示装置” 0 前言 随着新课程改革的深入实施及中学素质教育全面贯彻，全面实施以培养学生的创新精神和实践能力为重点的素质教育已成 为教育界的共识[1-3]。在教学过程中以学生为主体，充分突出学生主体作用，发挥老主导作用，教师使用自制的演示装置不仅能够实现学生自主学习、师生互动，提高教学效率，而且能让同学们在学习知识的过程中激发学生的创新热情，提高科学素养[4-5]。该演示装置制作目的主要针对学生对电动机原理及结构有关知识的内容抽象、实践能力差、理论掌握难等问题而制作的一个简易演示装置，该装置具有构造简单、取材方便、制作简单、操作方便、易携带、实验效果明显等优点，它不仅能够让中学生很好地理解直流电动机的原理及结构，而且能够激发学生的好奇心、培养学生的创新意识，因此该演示装置能够很好地用于中学课堂教学中。 1 装置的设计原理 直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分为并励、串励和复励3种。直流电动机是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，简易的直流电动机主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕

组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子，它是将电能转变为机械能的一种机器。图1为简单的直流电动机的结构图，电动机结构中固定部分称为定子，由两个不同极性的永磁体构成，旋转部分称为转子，由线圈构成，电刷和转换器用来控制线圈向同一方向转动，图2给出了直流电动机工作的原理图。从图2中可以看出，电刷和和转换器来控制线圈转动在制作上比较麻烦及演示其原理时效果不明显，我们在设计的时对这部分进行了重新设计，图1中两个不同极性的磁铁被一个U形磁铁替代，设计的实物图和操作方法在下面的部分给出。 2 装置的实物图及操作方法 自制“教学用直流电动机演示装置”的实物图如图3所示，包括：U形磁铁，矩形线圈，装置支架，电池组、开关、导线组成。在图3中，我们重新设计了图1中电刷和和转换器组合，利用一半导电一半不导电的支架来代替于电刷，借助惯性可实现连续旋转，利用一个U形磁铁替代图1中两个不同极性的磁铁，我们利用铜线缠绕自制了一个简易矩形线圈。该装置制作简单，所用的材料容易获得，因此它不仅能够让学生很好地理解直流电动机的原理及结构，而且可以激发学生的创新热情，让学生自己动手制作，从而锻炼学生的实践能力。在操作中，首先闭合开关，用力轻轻拨动线圈，让线圈会开始转动，观察实验现象，然后分别改变电流的方向和磁场方向及同时改变电流和磁场方向，再观察实验现象，通过实验现象分析得出电动机的电流方向和磁场方