无刷直流电机控制系统的设计及仿真.docx

1、无刷直流电机控制系统的设计及仿真1 前言 .- 1 -1.1 无刷直流电机的发展 .- 1 -1.2 无刷直流电机的优越性 .- 1 -1.3 无刷直流电机的应用 .- 2 -1.4 无刷直流电机调速系统的研究现状和未来发展 .- 2 -2 无刷直流电机的原理 .- 4 -2.1 三相无刷直流电动机的基本组成 .- 4 -2.2 无刷直流电机的基本工作过程 .- 5 -2.3 无刷直流电动机本体 .- 6 -2.3.1 电动机定子 .- 6 -2.3.2 电动机转子 .- 7 -2.3.3 有关电机本体设计的问题 .- 8 -3 转子位置检测 .- 8 -3.1 位置传感器检测法 .- 8 -

2、3.2 无位置传感器检测法 .- 10 -4 系统方案设计 .- 12 -4.1 系统设计要求 .- 12 -4.1.1 系统总体框架 .- 12 -4.2 主电路供电方案选择 .- 12 -4.3 无刷直流电机电子换相器 .- 14 -4.3.1 三相半控电路 .- 14 -4.3.2 三相全控电路 .- 15 -4.4 无刷直流电机的基本方程 .- 16 -4.5 逆变电路的选择 .- 18 -4.6 基于 MC33035 的无刷直流电动机调速系统 .- 19 -4.6.1 MC33035 无刷直流电动机控制芯片 .- 19 -4.6.2 基于 MC33035 的无刷直流电动机调速系统设计

3、 .- 20 -5 无刷直流电机调速系统的 MATLAB 仿真 .- 23 -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 .- 25 -5.3 PWM 调制技术 .- 30 -5.3.1 等脉宽 PWM 法 .- 32 -5.3.2 SPWM(Sinusoidal PWM)法 .- 32 -5.4 控制器和控制电平转换及 PWM 发生环节设计 .- 32 -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 .- 34 -5.5.2 可逆调速仿真 .- 36 -6 总结和体会 .- 38 -1无刷直流电机调速控制系统设

4、计 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。它取代了机械电子换向器电刷和换向器直流电动机来实现，是一个标准的机械和机电 一体化产品。不仅具有结构简单，运行可靠，维修方便交流电机和一系列优点与直流 有刷效率高，无励磁损耗和高速性能，以及许多其他功能的发动机。1.1 无刷直流电机的发展直流电动机由于其在运动控制领域的卓越扭矩特性已得到广泛应用，与传统的直 流电动机和机械毛刷，可靠性差的需要，减刑会产生电磁干扰，噪声，火花，无线电 干扰和寿命短的致命弱点，具有较高的生产成本和维修问题的严重影响，如联合直流 电动机控制系统的进一步发展的弊端。随着社会生产力，人民生活水

5、平不断提高的发 展，他们不断开发新类型的电机。科学技术的进步，新兴技术和新材料，同时也进一 步推动电动汽车将继续推出新产品。对于传统的直流电机，只要 30 年早在 20 世纪的上述缺点，人们开始开发一个电 子交流始终以取代无刷直流电动机刷机，并提出相应数量的结果。但是，这只是高功 率处于发展的初级阶段的电子设备，没有找到理想的电子换向元件。使这个运动只能 停留在实验室研究阶段，没有推广。 1955 年，美国四哈里森，谁首先提出了晶体管使 用该电机接替该专利申请的机械换向器，这是现代无刷直流电动机的原型。但是，因 为没有马达的起动转矩，使其不能成为产品。后来，经过多年的艰苦工作的人，终于 由霍尔

6、元件实现无刷直流电动机换意味着在 1962 年来，创造了直流无刷电机产品的时 代。自 20 世纪，电力电子行业快速发展的 70 年代，许多新的高功率高性能电力电子 器件，如 GTR 的，MOS 管，IGBT 的相继出现，特别是高性能永磁材料等作为钐钴的到 来，使无刷直流电动机，因而被广泛应用于更全面，更奠定了坚实的基础。近 40 年来， 随着电动机本体及其相关学科的迅速发展，无刷直流电动机的电子换向直流电动机概 念，发展指的是所有的直流无刷电机与电子交换子的外部特征。无刷直流到从 1978 年 开始实时实际相电机，二十世纪是 80 岁进行了深入的国际研究，先后开发无刷方波和 正弦波无刷直流电机

7、在十年的时间，直流电动机的发展更加迅速。1.2 无刷直流电机的优越性直流电动机具有快速响应，大起动转矩，从零速到额定转速，额定转矩可提供的 性能，但直流电机的优点也是它的缺点，因为 DC 额定负载机密生产性能不断转移的时 刻，电枢与转子磁场须保持恒定 90 度，这将用刷子和换向器。碳刷，换向器，继而引 发电机，碳粉，所以除了元件造成损害的，有限的场合使用。交流无碳刷及整流子，免维护，可靠，应用范围广，但直流电机马达的特点，实现同等性能的必须使用复杂 的控制得以实现。今天，功率半导体开关频率成分的快速发展，加快了许多，提升驱 动电机的性能。微处理器的速度也越来越快，使交流电机控制在一个旋转的两轴

8、直角 坐标系放置，适当控制交流电机在两轴电流分量，类似于直流电动机控制和一个相当 大的直流电动机性能。此外，已经有许多微处理器将控制电机必需的功能使芯片，体 积越来越小，像模拟/数字转换器，脉冲宽度调制。直流无刷电机电子换向控制交流电 机，直流电机特性的直流电机相似，身体上没有失踪的应用之一。事实上，无刷直流电机有自己的缺点，包括成本高，难以控制的小型化的复杂性。 在某些情况下，这些缺点已成为障碍的无刷直流电动机的发展。目前，电子技术，控 制技术和大规模生产技术是生产技术的发展，逐步解决这些问题，因此，无刷直流电 动机的性能和功能，有望进一步提高。从市场的产品可以看到，最近一些制造商正在 致力

9、于开发高速，高性能的通用汽车，并提供绝对编码器，防爆电机，以扩大产品种 类。虽然无刷直流电动机提供了一批技术领先和广泛的应用范围，但我们可以在所有 应用程序，它是最佳的选择，应用程序或不应该谨慎选择。1.3 无刷直流电机的应用现在，无刷直流电机应用扩大，如航空航天和军事领域的炮兵雷达，自动定位， 船舶舵，飞机自动驾驶仪，全自动控制应用等，范围，在信息处理设备，包括信息输 入，存储，加工，输出，传输和其他部门，时间越长，如微型计算机软盘驱动器，硬 盘驱动器，光盘驱动器，复印机，打印机，传真机等，在视听设备，录像机，录音机， 摄像机使用，照相机，光碟，DVD 等，并在同一时间控制其人民的性能要求也

10、不断提高。 今天，在各个领域，如医疗器械，纺织，化工，仪器仪表，电脑驱动器及家电的日益 广泛应用等诸多方面，国民经济的发展。就像电脑的硬盘驱动器和软盘驱动器中的主 轴电机，伺服电机在录音机，使用了大量的直流无刷电机。无刷直流电动机在工厂自 动化设备品种也广泛应用于高速或在伺服系统所需的设备和作为该地区的大部分产品 已成为不可缺少的运动的一部分。在许多应用中，它有望取代刷直流伺服电机。然而， 由于直流有刷低生产成本，控制，以及其他一些优良特性伺服电机，其需求将继续下 去。1.4 无刷直流电机调速系统的研究现状和未来发展在国内和国外的直流无刷电机技术一般控制是比较成熟，而日本和更先进的制造 直流无

11、刷电机及控制技术美国的所有者。特别是，日本已经变得更突出的民用和军事 方面，美国是比较先进的。无刷直流电机目前的研究重点主要在三个方面：1。无传感 器控制技术的开发，提高系统可靠性，降低了电机的体积和重量;2。由电机设计和控制方法，本文研究无刷直流电动机转矩脉动的扩大应用，以增加其服务器范围;3。可 靠性和紧凑的设计，集成的无刷直流电动机控制器的多功能性。无传感器控制技术：传统的无刷直流电动机通过位置传感器直接检测转子位置。 无传感器控制容易获得，主要是通过电机的电压或电流信号经过一定的算法处理，得 到转子位置信号，也被介绍到转子位置检测方法而闻名。目前的检测方法是：电磁场， 归纳法，熔盐法;

12、续流二极管法观察员估计，智能估计方法。电磁场被广泛使用的方法 原理简单。随着传感器控制无刷直流电动机直接起动普遍较为困难，所以一开始就一 直是热点和难点。电磁场的无刷直流电动机转子位置检测启动三阶段方法比较成熟， 对从起动电机稳定运行方式可分为三个阶段：定子位置，加速度和切换。其他传感器 控制的电机起动方法，如前位置开始，日益频繁和提高同步起动法检测和短脉冲转子 定位和法国，也有一定的应用。无刷直流电动机控制器：无刷电机控制器，具有相似的发展已经从电器元件的分 立元件到数字可编程控制电路控制发展过程。在一般情况下，使用复杂的控制器设计， 大，可靠性差，通用性分立元器件，是不利于大规模生产。时间

13、，当前的无刷直流电 动机控制器，专用集成电路，FPGA 和单片机，DSP 控制器方法的主要用途。电机控制 专用集成电路，是目前较无刷直流摩托罗拉的 MC33035 电机是一种直流无刷电机控制 芯片，MicroLinear 公司 ML4425/4428 传感器控制芯片等。如果我们考虑到控制器的硬 件和软件设计等功能以后，您可以使用控制器的设计与 FPGA，单片机，DSP 等。 FPGA 可以利用 VHDL，Verilog 或 C 语言编程，灵活性，可与在线系统的静态和动态重新配 置编程功能重复，使得硬件的功能可以编程为相同的软件修改，并且可以根据用户需 求定义界面功能。 MCU 和 DSP 有丰

14、富的外设接口，微控制器通常用于简单电机控制系 统中，而 DSP 为一个强大的计算和数据处理能力，往往在智能电机控制系统。关于这个问题的转矩脉动比较复杂，不属于本文的范围，所以没有更多的说明。2无刷直流电机的原理2.1 三相无刷直流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构成。 其定子绕组一般为多相（3 相、4 相、5 相不等），转子由永久磁钢按一定极对数 （2p=2,4,）组成。下图所示即为三相两极直流无刷电机结构：图 2.1 三相两极直流无刷电机组成三相定子绕组和电子开关电路，分别在相应的功率开关器件连接的 A，B，C 三相 绕组与电源开关用 V1，

15、V2，V3 的阶段。跟踪转子位置传感器相连，电机轴。当一相电 源定子绕组，转子电流和所产生的扭矩作用的永久磁铁的两极磁场产生的驱动转子旋 转，那么该位置传感器转子磁铁的位置转换成电信号，以控制电子开关电路，使由一 个特定的顺序交替定子绕组，定子相按一定顺序转子换相位置的变化电流。由于电子 开关电路的使用顺序同步与转子角度，起到了扭转机械换向器的作用。无刷直流电机线是用来控制电子开关电机各相序定子绕组和时间的力量，主要是 由逻辑开关单元，位置传感器信号处理单元两部分权力。权力的逻辑控制电路交换的 单位是电源的核心，它的功能是分配给每个阶段之间的逻辑关系电动机定子绕组，使 电机产生的恒转矩。而每相

16、绕组的顺序和时间依赖于从转子位置传感器信号。不过， 按位置传感器产生的信号经过一定的逻辑去控制电源开关通过。总之，对直流无刷电 机的主要部件组成，如图 2.2 所示。电机本体无刷直流电机主定子主转子位置传感器传感定子传感转子电子开关电路功率逻辑开关位置信号处理直流电源开关电源电动机位置传感器图2.2 无刷直流电机的组成框图总结告诉我们，通常称为无刷直流电机的基本结构，可以被看作是由电子开关， 电机位置传感器的身体和运动系统三部分组成的电路。简化的组成框图如图 2.3 所示。图 2.3 无刷直流电机简化的组成原理框图2.2 无刷直流电机的基本工作过程转子位置图 2.1 和图 2.4（一）对应的位

17、置显示。此时光电子器件是因为 VP1 的光 线，使 V1 的是功率晶体管导通状态，电流流入绕组机管局，转子磁极绕组与从转子的 磁图三箭头极方向产生转矩电流的作用，旋转。当转子磁极图 2.4（b）所示的位置， 直接旋转式转子轴也跟着由同步遮光板转动，病毒 VP1 和 VP2 的照射覆盖离开，这样， 在晶体管 V1 和 V2 的铅晶体管通，从绕组的绕组 BB 心跳过流入，机管局，使转子磁极 旋转朝着箭头方向的电流。当转子磁极图 2.4（c）所示的位置，然后旋转图案已经覆 盖病毒 VP2，VP3 的是如此的照射下，在晶体管产生的 V2 和 V3 的导通晶体管，在绕组 CC 的电流流过，然后继续以顺时

18、针方向驱动转子磁极，并返回到图 2.4（d）职称。因 此，随着转子的旋转位置传感器芯片领域，在定子绕组位置传感器病毒 VP1，VP2 基因， 下一个阶段一个阶段的控制，美联储将在瞭望为了实现相绕组电流换向。在减刑过程 中，每个阶段的工作中内的空气旋转磁场形成的差距是定子绕组的飞跃。这旋转 360度电角度磁场，磁场内有三个状态，磁状态持续每个角度 120 度。每相绕组电流和转 子磁场之间的关系如图 2.4。图 2.4（a）是第一个状态，对于绕组机管局由人造纤维 生产电力法。显然，转子绕组电流和磁场相互作用，转子顺时针方向旋转;转身 120 度 电角度后，进入第二个状态，然后缠绕机管局的权力，和

19、BB以及电源，即在定子产生 的磁场蜿蜒 120 度的大转弯，如图 2.4 所示（b）所示，电机定子顺时针方向旋转;分 120 度电角度，我们进入第三国，然后缠绕 BB 的权力，CC 的电力，产生的磁场由定子 绕组已转向 120 度电角度，如图 2.4（c）所示，它继续推动转子匝 120 后恢复到初始 状态功率度顺时针角度。图 2.5 显示了每个绕组的相图的顺序传导。(a) (b) (c) (d) 图 2.4 开关顺序及定子磁场旋转示意图图 2.5 各相绕组的导通示意图2.3 无刷直流电动机本体2.3.1 电动机定子无刷直流电动机通过定子是由许多硅层和轴向冲压，红槽都有一些绕组的线圈形 式。从传

20、统意义上讲，无刷直流电动机定子感应电动机定子和有些类似，但在定子绕 组分布有所不同。无刷直流电动机的定子绕组有三种大多数行是明星，每个绕组和许 多钢构件按照内部整合，具有一定的方式，一个约一磁极偶数形成了定子绕组均匀分 布。直流有刷与无刷直流比绕组在电机定子一侧传统电机，更利于散热。 电枢绕组可直接连接或，如图 2.6 所示，但考虑到系统的性能和成本 获得更多的应用，也 没有中性点对称的三相无刷直流电动机的线索。图 2.6 绕组形式无刷直流电动机定子绕组可分为梯形和正弦绕组两种，它们的根本区别在于不同 的绕组连接以使它们产生的反电动势（EMF）的不同，梯形和正弦波人出席，所以使用 这个名字。梯

21、形和正弦绕组反电势产生由图 2.7 所示的波形。本文认为正弦永磁同步 电机是电机绕组。图 2.7 a) 梯形绕组的反电势波形 b)正弦绕组的反电势波 形可想而知顺利正弦波清盘它，并作为一个相对比较适合的梯形线圈数目稳定运行。 然而，正弦绕组线圈作出更多的梯子上的铜绕组线更相对的使用，以及控制方法也大 大高于梯形波电机复杂。因此，电机的运行速度非常高的精度不高的场合，梯形波无 刷直流电动机这是一个非常合适的选择。2.3.2 电动机转子无刷直流电机转子与 N 极和围绕着的转子（内转子式）的组成根据 S 极交替 2-8 永久磁铁对，如果外转子式永磁无刷直流电机是连接到转子墙壁上。当前转子钕铁硼 永磁

22、多采用高矫顽力，高剩磁感应强度稀土永磁材料生产。永磁无刷直流电机转子刷 直流电动机类似用磁石，创造了在电机气隙磁场足够，只是在反安装的形式。转子结 构，有三种常见形式：（1）表面胶极点（也称为 W 形磁极已知），在外面的瓦形稀土永磁径向磁化核心粘贴。如果电机设计过程中采用径向瓦形磁体的磁激发弧宽度和取 120 多个，电度， 可产生气隙磁通密度的方波形式，减少了转矩脉动。多转子无刷直流电动机采用这种 结构。（2）嵌入式极点（也被称为矩形柱），是嵌在一个长方形的永久磁铁的核心，其 优势是非常下，从两极由邻居提供并行通量的聚合物可提供磁效应更大的流量，但这 种结构需要进行一次磁化不锈钢轴。（3）圆形

23、磁场核心，是一个整体，外套稀土永磁环和一个多极径向磁化环形磁铁 的特殊方法。这种对转子制造工艺结构是相对较小的尺寸和电机功率简单。2.3.3 有关电机本体设计的问题定子和转子无刷直流电机本体的统称。车身结构和永磁同步电动机相似，但没有 其他笼绕组和起动装置，定子绕组一般制成多相，三相，四相没有相应的较自由以不 超过一台电机，是比较少见;由永磁转子，形成了极对若干人。电动机本体的设计是一个非常复杂的过程，其基本任务是根据给定的等级和基本 技术性能要求，选择合适的材料，确定了电网电机零件尺寸，并计算其性能，以满足 在材料的储蓄，制造方便，性能良好的要求，获得更大的经济效益。本体设计了许多 内容，包

24、括电磁设计，结构设计，施工设计和工艺设计。本文只对极的讨论，这背后 的模拟有很大的影响数选择简要介绍。极数的选择应考虑性能和经济指标。下图显示的两极，四极，八极和（p 值 =1,2,4）在无刷直流电机转子体结构图。图 2.8 本体机构示意一般在 P 极对数的增加，可以减少每极，定子轭和基地横截面积通量可以相应降 低，从而减少了电机铁量;终止定子绕组的一部分，将增加与减少极数，因此，相同的 电流密度，降低绕组铜量;的极点在定子绕组电感相应减少，数量增加有利于电子设备 减刑。此外，当极数的增加，制造过程的复杂性已经改变，极数的增加，考虑到漏磁不 能过于极端，极弧系数下降，使电机原材料的利用率下降;增加极数相同，速度，电子 设备在减刑数量增加，从而增加了减刑的损失。当电流密度为常数，铜消费在大多数年份定子绕组的数量增加。通用汽车与极数增加了效率。因此，合理选择根据电机的 极对的需要。3