最新基于PWM技术的无刷直流电机的调速系统设计.docx

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最新基于PWM技术的无刷直流电机的调速系统设计

B.返回数值表达式值的整数部分

38.SQL语言具有两种使用方式，分别称为交互式SQL和________。

C.不依赖于数据库的表D.不能修改的表

C.参照完整性约束D.视图完整性约束

假定名称字段为字符型、宽度为6,那么下面程序段的输出结果是

C.电冰箱D.电视机

【答案】A

return

2计算机

【答案】A

基于PWM技术的无刷直流电机的调速系统

设计

BrushlessDCMotorSpeedControlSystemBasedOnPWM

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

Abstract

BrushlessDCmotor（BLDCM）hasexcellentspeedperformance,reliableperformanceandeasymaintenance,etc.,comparedtoabrushDCmotor,whichuseselectronicallycommutatedreplacemechanicalcommutation,effectivelyimprovetheoperatingefficiencyofthemotor,butalsosothatthevolumeofthefinishedproductmorecompact.ButtherebrushlessDCmotortorqueripplecontrollercomplexity,highcostandotherdefects,thepresenceofthesedefectsalsoaffectedtosomeextent,abrushlessDCmotorasefficientandadvancedmotoruniversalinapplication,howtoimproveandthereforeresearchsolvetheproblemsofthebrushlessDCmotorwillhavemoreobviouspracticalsignificance.

MATLABisatoolfordataanalysisandcomputation,algorithmdevelopment,andsimulationofdynamicsystemstoestablishandmathematicalsoftware.MathWorkswasoriginallydevelopedbytheUScompanyproducedcommercialmathematicalsoftware,whichconsistsofMatlabandSimulinkaretwoimportantparts,andnowitisusedinengineeringcalculations,controldesign,signalprocessingandcommunications,imageprocessing,signaldetection,financialmodelingdesignandanalysisandotherfields.

BasedonthebrushlessDCmotorstructureandworkingprincipleofresearchandanalysistoidentifythecauseofwhichhasalargetorqueripple,andtheoreticallyfirstgethowtosuppresstorqueripples,establishedthroughMatlabbrushlessSimulationModelDCmotor,itssimulationresultsareanalyzedandimprovedinordertoeffectivelysuppressthetorquerippleofthebrushlessDCmotor

Keywords:

BrushlessDCmotor;Thetorquepulsation;Thesimulationmodel

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。

因此对于优异电动机的研究与发明必定是促进生产力发展，社会发展的首要目标。

相较于交流电机，直流电机具有效率高、动态性能优异等不可取代的优势，对于较为精密的电力拖动而言，直流电动机必定是发展的主流。

直流电动机也分为有刷与无刷两种，相较于有刷直流电机，无刷直流电机采用电子换向来取代机械换向，就可以做到无机械摩擦、无电火花、无磨损，免维护且能够做到更加密封等特点，而这些特点对于船业严苛的工作环境来说，无刷直流电机必定是首要选择。

近些年来，人们开始使用脉宽调制（以下简称PWM）来对电机进行控制，而且迅速发展的电力电子器件和微电子器件都为这种控制方式打下了良好的基础，现在的主流即采用全控型的开关元件。

20世纪50年代，大部分工厂一般采用直流发电机和直流电动机作为一组并通过水银整流装置来进行调速。

而到了60年代，随着晶闸管技术的发展，工厂开始大幅应用以晶闸管为基础的电机调速系统。

变流技术的进步已经极大地促进直流电机的发展。

再到脉宽调制（PWM）变换器的发明，使得无刷直流电机在性能上得到了极大地提高，当然，在其经济性以及可靠性上，都收获了长足的进展，使电气拖动完成了极大的飞跃。

为了提高系统的性能以及扩大系统的应用场合，我们需要使单片机的控制电路更加的集成化和小型化，而藉由计算机和通信技术的发展，我们不仅实现了这一目标，而且使其成本更加低廉，可靠性也大幅提高。

当然我们还是要采用直流电气传动来应对那些对调速性能要求较高的场合。

当下的无刷直流电机调速系统发展的主流方向之一即为以PWM技术为基础，通过完善调速系统并使其系统化和标准化，如此必将使其成为电气传动领域的重要组成部分[1]。

1.2无刷直流电机调速系统的国内外研究现状

正是由于微电子器件和电力电子器件的飞速进展激发了人们研究无刷直流电机的热情，并于1955年取得了突破性成果，美国的D.Harrison等人利用晶体管来代替传统的机械电刷，从而标志着无刷电机的产生。

1978年MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出更是标志着采用电子换向的无刷直流电机真正进入市场实用阶段[2]。

1983年高性能永磁材料----铷铁硼为无刷直流电机的应用奠定了坚实的基础[3]。

随着对无刷直流电动机越来越深入的研究，人们先后发明了正弦波直流无刷电机和方波无刷电机两大类。

而使得无刷直流电动机进入爆发式应用则是因为电力电子器件的高速发展。

自上世纪70年代以来，各种电力电子器件层出不穷，发展异常迅速[4][5]。

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。

区别于有刷直流电机，无刷直流电机采用电子换向电路来代替机械换向器，因此无刷直流电机具有调速范围宽、调速方便以及起动力矩大等优点。

相较于有刷直流电机的脆弱与昂贵，无刷直流电机更是在适应环境以及经济性上完全超越前者。

主要具有以下特点[6]：

（1）与数字化技术、现代控制理论相结合，具有较好的可控性，可实现优化控制，使电机向智能化方向发展。

（2）电子线路部分和电动机本体分开，可实现对电机的良好控制。

比如可以不改变电源电压，通过逻辑信号顺序，实现电机的正反转；通过改变逻辑控制部分PWM占空比，实现电机的调速控制；通过位置传感器可以实现速度闭环控制，使电机在一定的速度下稳定运行。

（3）可工作在恶劣的环境中，如高真空、有腐蚀性气体介质、液体介质、灰尘、潮湿、易燃易爆，以及不便于检修等场合。

（4）与电子技术结合，采用电子控制器实现电子换向代替机械换向，不存在电刷和换向器直接接触而产生磨损和电气火花，电磁干扰小，可以高速工作，运行稳定可靠，寿命长。

（5）无刷直流电动机可构成无位置传感器控制系统，在基本保持性能不变的基础上，做到简化结构，进一步提高可靠性，降低成本，扩展了应用范围。

（6）电动机在结构上是将定子作为电枢，定子绕组与机壳接触，散热面积大，效果好。

永磁体在转子上，转子上无通电绕组，几乎无损耗与发热，效率高。

当然，无刷直流电机并非是完美的，它仍然具有转矩脉动大、低速段特性差以及成本等问题。

因此，目前国内外对于无刷直流电机的研究，主要集中于抑制转矩脉动、更加精确地检测无位置传感器的转子位置、如何解决弱磁调速问题以及相应的控制算法的研究等问题。

1.3本文的主要研究内容及章节安排

主要研究内容分为以下几个方面：

（1）研究无刷直流电机的基本结构和工作原理，分析其换相过程；

（2）研究无刷直流电机产生转矩脉动的原因并找出抑制其脉动的方法；

（3）设计由PWM控制的无刷直流电机系统，分析存在的问题并运用Matalab中的Simulink软件对系统进行仿真。

具体安排如下：

第一章首先了解无刷直流电机调速系统的研究背景以及意义，简要地概述了目前无刷直流电机调速系统存在的问题。

第二章介绍无刷直流电机的结构和模型。

详细地分析与理解无刷直流电机的工作原理以及换相过程，简要介绍无刷直流电机与其他电机的区别并了解无刷直流电机在当下的应用情况。

第三章简要介绍PWM控制技术及Buck变换器，详细分析无刷直流电机转矩脉动的产生原因，并对其转矩脉动进行理论上的数学计算，从而有效地理解转矩脉动并提出抑制转矩脉动的具体方法，也对其进行理论上的研究与计算。

第四章在Matlab中建立无刷直流电机的系统仿真模型，对模型中各个模块进行分析与介绍，并详细的呈现系统仿真的结果，从而以实践结果来印证所提出解决方法的可行性。

最后得出关于仿真的结论并致谢。

第二章无刷直流电机的基本原理

2.1无刷直流电机的基本结构

无刷直流电机由其相数可分为单相、双相以及三相直流电机，本文主要讨论三相无刷直流电机，其由电机本体、位置传感器以及电子开关电路