安徽工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）說明書共45頁第錯誤!未指定書簽。頁裝訂線摘要無刷直流電動機的最本質(zhì)特征就是沒有機械換向結(jié)構(gòu)，取而代之的是邏輯電路和功率開關線路共同組成的電子換相器，它把直流電逆變成交流電并按一定的次序通入電動機的定子繞組中以產(chǎn)生與定子磁場正交的轉(zhuǎn)子磁場。在使用中無刷直流電機相比有刷電機有許多的優(yōu)點，比如：能獲得更好的扭矩轉(zhuǎn)速特；性高速動態(tài)響應；高效率；長壽命；低噪聲；高轉(zhuǎn)速。本文主要研究了無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的基本方法，主要內(nèi)容有無刷直流電機的基本原理，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理和控制方法，在此基礎上重點研究了無刷直流電機的換相控制，并對無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)進行設計。最后利用MATLABSimulink面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真技術，設計了一個轉(zhuǎn)速單閉環(huán)無刷直流電機可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)，對其進行仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果分析研究無刷直流電動機。關鍵詞：調(diào)速，PWM控制，無刷直流電動機，仿真安徽工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）說明書共45頁第錯誤!未指定書簽。頁裝訂線AbstractHavingnomechanicalconverterisBrushlessDCmotoressentialfeature.Thestructureistoreplacedbyalogicandpowerswitchingcircuitcomposedofelectroniccommutator,whichinvertthedirectcurrentintoalternatingcurrentaccordingtocertainreversetheorderofaccessmotorstatorwindingsinordertogeneratetherotormagneticfieldorthogonaltothestatormagneticfield.ComparedtotraditionalDCmotor,BrushlessDCmotorhasmanyadvantages,suchas:accesstobettertorquespeedcharacteristics；ofhigh-speeddynamicresponse；highefficiency；longlife；lownoise；highspeed.ThispapermainlystudiesthebasicmethodofbrushlessDCmotorspeedcontrolsystem,themaincontentsofthispaperareincludingthebasicprinciplesofBrushlessDCmotor,PWMSpeedControlSystemandthecontrolmethod,andbrushlessDCmotorspeedcontrolsystemdesign.Finally,MATLABSimulink-Electric-principle-orientedforthesimulationtechnologyisusedindesignasingleclosedloopbrushlessDCmotorspeedreversiblePWMspeedcontrolsystem,thensimulatethesystem,andanalysethesimulationresultsinordertoresearchthefeatureofBLDCM.Keywords:speedregulation,PWMcontrol,BLDCmotor,simulation目錄安徽工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）說明書共45頁第錯誤!未指定書簽。頁裝訂線第一章引言1.1無刷直流電機發(fā)展簡介.41.2無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展.51.3本設計的主要內(nèi)容.5第二章無刷直流電機原理2.1無刷直流電機的概述.72.2電動機本體.82.2.1定子92.2.2轉(zhuǎn)子92.2.3有關電機本體設計的問題.102.3轉(zhuǎn)子位置檢測.102.3.1位置傳感器法.112.3.2無位置傳感器法.122.4PWM技術142.5無刷直流電機電子換相器.162.6無刷直流的基本方程.18第三章無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的設計3.1主電路供電方案.223.2主電路形式的選擇.233.3基于MC33035的無刷直流電機控制系統(tǒng).243.3.1MC33035無刷直流電機控制芯片.243.3.2基于MC33035的無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設計方案.26第四章直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真4.1電源、逆變橋和無刷直流電機模型.274.2換相邏輯控制模塊.294.3控制器和控制電平轉(zhuǎn)換及PWM發(fā)生環(huán)節(jié).344.3.1起動，階躍負載仿真.364.3.2可逆調(diào)速仿真.39總結(jié).41參考文獻.42致謝.43第一章引言安徽工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）說明書共45頁第錯誤!未指定書簽。頁裝訂線1.1無刷直流電機發(fā)展簡介目前國內(nèi)外對無刷直流電機的（BrushlessDCMotor,BLDCM）的定義有兩種：一種是認為只有梯形波/方波無刷直流電機才可被稱為無刷直流帶電機，而正弦波無刷直流電機則被稱為永磁同步電機（PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM）；另一種定義認為梯形波/方波無刷直流電機都是無刷直流電機。本論文采用第一種定義，僅認為反電動勢波形為梯形波/方波的無刷直流電機稱為無刷直流電機。電動機作為能量轉(zhuǎn)換裝置，應用于國民經(jīng)濟的各個領域。電動機一般分為交流電機和直流電機。相比較交流電動機，直流電動機具有良好的起動性能和寬廣平滑的調(diào)速特性，因而被廣泛應用于電力機車、無軌電車、軋鋼機、機床和起動設備等需要經(jīng)常起動并調(diào)速的場合。但直流電動機的換向是依靠換向器和電刷進行換流，在頻繁的運轉(zhuǎn)過程中，由于換向器和電刷的摩擦，一方面消耗電刷，使我們不得不定期檢查和更換電刷，耗時耗力；另一方面又產(chǎn)生電火花、電磁干擾，影響附近的電氣設備。針對這種情況，早在上個世紀30年代就有人開始研究無刷直流電動機。1955年，美國D.Hazrison等人首次成功的實現(xiàn)了用晶體管換向線路代替有刷直流電動機機械電刷，這標志著現(xiàn)代無刷直流電機的誕生。在進入20世紀60年代以后，電力電子技術和計算機技術的應用使電機的發(fā)展經(jīng)歷了持久的革命性的變化。作為機電一體化的產(chǎn)品，無刷直流電動機也得以發(fā)展，并開始進入初步的應用階段。無刷直流電動機既具有普通直流電動機調(diào)速性能好的特點，又具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、便于維護的特點，因此得到了一定范圍內(nèi)的初步應用。自20世紀70年代開始，稀土永磁材料的發(fā)展，使無刷直流電動機有了進一步的發(fā)展，但由于永磁材料的價格昂貴，研究開發(fā)重點只能在航空、航天領域用的電動機和要求高性能而價格不是主要因素的高科技領域。在進入80年代后較低價格的欽鐵硼永磁材料的出現(xiàn)，使無刷直流電機能夠進入普通民用的市場提供了可能，幾十瓦到幾百瓦無刷直流電動機開始在醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、紡織以及家用電器等民用領域初顯身手。在90年代后，隨著電力半導體器件的飛速發(fā)展，如GTR,GTO,MOSFET,IGBT的相繼出現(xiàn)，另外微處理器、集成電路技術的發(fā)展，逆變裝置也發(fā)生了根本性的變化，這些開關器件在向高頻化、智能化、大容量化的方向發(fā)展，使無刷直流電動機的很重要的一傳統(tǒng)直流電機具有運行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，被廣泛地應用于對起動和調(diào)速有較高要求的拖動系統(tǒng)中，如電力牽引、軋鋼機、起重設備等。在使用中無刷直流電機相比有刷電機有許多的優(yōu)點，比如：能獲得更好的扭矩轉(zhuǎn)速特；性高速動態(tài)響應；高效率；長壽命；低噪聲；高轉(zhuǎn)速。另外，BLDC更優(yōu)的扭矩和外形尺寸比使得它更適合用于對電機自身重量和大小比較敏感的場合。由于這些特性，無刷直流電機被廣泛的用于日常生活用具、汽車工業(yè)、航空、消費電子、醫(yī)學電子、工業(yè)自動化等裝置和儀表。安徽工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）說明書共45頁第錯誤!未指定書簽。頁裝訂線1.2無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展目前國內(nèi)外無刷直流電機的一般控制技術應經(jīng)比較成熟，但日本和美國具有較先進的無刷直流電機制造與控制技術。特別是日本在民用方面較為突出，而美國則在軍工方面更加先進。當前的研究熱點主要集中在以下三個方面：研究無位置傳感器控制技術以提高系統(tǒng)可靠性，并進一步縮小電機尺寸與重量；從電機設計和控制方法等方面出發(fā)，研究無刷直流電機轉(zhuǎn)矩波動抑制從而提高其伺服，擴大應用范圍；設計可靠小巧，通用性強的集成化無刷直流電機控制器。無位置傳感器控制技術：傳統(tǒng)的無刷直流電機通過位置傳感器來直接檢測電機轉(zhuǎn)子的位置。無位置傳感器控制技術主要通過電機內(nèi)易獲取的電壓或電流信號，經(jīng)過一定的算法處理，得到轉(zhuǎn)子位置信號，也稱為轉(zhuǎn)子位置簡介檢測法。目前檢測方法主要有：反電勢法；電感法；磁鏈法；續(xù)流二極管法；觀測器估計法；智能估計法等。其中反電勢法原理簡單應用較為廣泛。采用無位置傳感器控制的無刷直流電機一般較難直接起動，因此其起動問題一直是研究的熱點和難點。利用反電勢法檢測轉(zhuǎn)子位置的無刷直流電機三段式起動方法已經(jīng)比較成熟，該方法從電機起動到穩(wěn)定運行可分為三個階段：定子定位、加速和切換。其他無位置傳感器控制下的電機起動方法，如預定位起動、升頻升壓同步起動法和短時檢測脈沖轉(zhuǎn)子定位法等也都有了一定的應用。無刷直流電機控制器：無刷電機控制器的發(fā)展同電器元件類似，經(jīng)歷了從分立元件控制方法到數(shù)字可編程集成電路控制方法的發(fā)展歷程。一般來講，采用分立元件設計的控制器結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大、可靠性通用性差，不利于批量生產(chǎn)。一次，當前無刷直流電機主要采用專用集成電路控制器、FPGA、單片機、DSP控制器的方法。目前電機控制集成專用電路較多，對于無刷直流電機來說有Motorola公司的MC33035無刷直流電機控制芯片、MicroLinear公司的ML4425/4428無位置傳感器控制芯片等等。如果考慮到控制器今后軟硬件設計等功能，可以使用FPGA、單片機、DSP等對控制器設計。FPGA可以用VHDL、Verilog或C語言來編程，靈活性強，具有靜態(tài)可重復編程和動態(tài)在線系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改，并能按照用戶需求來定義接口功能。單片機和DSP具有豐富的外圍接口，單片機一般用于簡單的電機控制系統(tǒng)，而DSP由于具有強大的計算能力和數(shù)據(jù)處理能力，通常應用于電機的智能控制系統(tǒng)中。關于轉(zhuǎn)矩波動抑制的問題比較復雜，不在本文討論的范圍內(nèi)，所以不多加敘述。1.3設計主要內(nèi)容本文共分為四章，主要針對無刷直流電機的控制方法以及仿真進行研究。第一章主要概述了無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀；第二章介紹了無刷直流電機的原理，簡要介紹了脈寬調(diào)制原理和無刷直流電機控制芯片安徽工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）說明書共45頁第錯誤!未指定書簽。頁裝訂線MC33035；第三章對基于PWM控制技術的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)進行了基本的硬件設計；第四章運用MATLABSimulink仿真設計了一個轉(zhuǎn)速單閉環(huán)無刷直流電機可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)，對其進行仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果分析研究的無刷直流電機的特點。最后對全文進行了總結(jié)。第二章無刷直流電動機原理2.1無刷直流電動機的概述安徽工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）說明書共45頁第錯誤!未指定書簽。頁裝訂線無刷直流電動機機屬于同步電動機的一種，這就意味著它的定子產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場是同頻率的，所以無刷直流電機并不會產(chǎn)生普通感應電機的頻差現(xiàn)象。無刷直流電機中又有單相、兩相和三相電機的區(qū)別，相類型的不同決定其定子線圈繞組的多少。在這里我們將集中討論的是應用最為廣泛的三相無刷直流電機。直流無刷電機的主要由電動機本體、位置傳感器（對于位置傳感器檢測方法）與電子開關線路三部分組成，如圖2-1所示圖2-1無刷直流電動機工作原理從圖2.1可見，直流無刷電動機組件主要由電動機本體位置傳感器和電子開關線路三部分構(gòu)成。其定子繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成。電動機本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動機相似，但沒有籠型繞組和其它起動裝置。其定子繞組一般制成多相(三相、四相、五相不等)，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù)(2p=2,4,)組成。定子繞組分別與電子開關線路中相應的功率開關器件聯(lián)接。