无刷直流电机的建模与仿真

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无刷直流电机的建模与仿真

作者：秦超龙

来源：《电脑知识与技术》2013年第05期

摘要：该文在分析无刷直流电机（BLDCM）数学模型和工作原理的基础上，利用Matlab 软件的Simulink和PSB模块，搭建无刷直流电机及整个控制系统的仿真模型。该BLDCM控制系统的构建采用双闭环控制方法，其中的电流环采用滞环电流跟踪PWM，速度环采用PI控制。仿真和试验分析结果证明了本文所采用方法的有效性，同时也证明了验证其他电机控制算法合理性的适用性，为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。

关键词：BLDCM控制系统；无刷直流电机；数学模型；MATLAB；电流滞环

中图分类号： TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）05-1172-03

随着现代科技的不断发展，无刷直流电动机应用技术越发成熟，应用领域也越发广泛，用户对无刷直流电动机使用增多的同时，对其控制系统的设计要求也变得越来越高。包括低廉的设计和搭建成本、短的开发周期、合适的控制算法、优良的控制性能等。而科学合理的无刷直流电动机控制系统仿真模型的建立，对控制系统的直观分析、具体设计，快速检验控制算法，降低直流电机控制系统的设计成本，拥有十分重要的意义。

直流无刷电动机利用电子换向原理和高磁性材料，取代了传统的机械换相器和机械电刷，解决了有刷直流电动机换向器可维护性差和较差的可靠性的致命缺点，使得直流电动机的良好控制性能得到维持，直流电动机得到更好的应用。伴随着如今功率集成电路技术和微电子技术的发展，控制领域相继出现了大量无刷直流电动机专用驱动和控制芯片，解决高性能无刷电动机驱动控制问题所提出的解决方案也变得更加丰富和科学，无刷直流电机在控制领域显示出前所未有的广阔应用前景[1]。

通过无刷直流电动机控制系统的仿真模型来检验各种控制算法，优化整个控制系统的方法，可以在短时间内得到能够达到预期效果的控制系统。在对无刷直流电机电流滞环控制和数学模型等分析的基础之上，可以利用Simulink中所提供的各种模块，构建出BLDCM控制系统的仿真模型，从而实现只利用Simulink中的模块建立BLDCM控制系统仿真模型。通过对实例电机的仿真，可以得到各类仿真波形，从而验证了仿真模型的有效性和正确性，数学模型的有效性及控制系统的合理性也得到了验证。

1 无刷直流电机的数学模型

本文采用两相导通三相六状态的无刷直流电动机来分析无刷直流电动机的数学模型[2-3]。

无刷直流电动机的感应电动势为梯形波，电流为方波。考虑到分析的方便、无刷直流电动机的特点，该文直接利用电动机本身的相变量建立物理模型，假定：

直流电动机开环调速系统设计与仿真

东北大学秦皇岛分校控制工程学院自动控制系统课程设计 设计题目：直流电动机开环调速系统 设计与仿真 专业名称自动化 班级学号 学生姓名 指导教师 设计时间2015.7.13~2014.7.24 成绩

目录 1.设计任务书 (3) 2.概述 (4) 2.1前言 (4) 2.2 系统原理 (4) 2.3 simulink框图 (5) 3.元件参数设置 (7) 3.1三相交流电压源设置 (7) 3.2.同步六脉冲触发器 (7) 3.3.三相全控桥整流电路 (8) 3.4.直流电动机设计 (8) 4.仿真结果分析 (9) α=时 (12) 4.2 当30o α=时 (14) 4.3 当60o α=时 (17) 4.4 当90o 4.5励磁电流 (19) 5.结论 (20) 6.参考文献 (22) 7.结束语 (22)

东北大学秦皇岛分校控制工程学院 《自动控制系统》课程设计任务书 专业自动化班级姓名 设计题目：直流电动机开环调速系统设计与仿真 一、设计实验条件 地点：实验室 实验设备：PC机 二、设计任务 直流电动机的额定数据为220V，136A，1460r/min，4极， R=0.21 ， a 22 GD=22.5N m；励磁电压为220V，励磁电流为1.5A。采用三相桥式全控整流电路。平波电抗器 L=200mH。 p 设计要求：设计并仿真该晶闸管-电动机（V-M）开环调速系统。观察电动机在全压起动和起动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流变化。 三、设计说明书的内容 1、设计题目与设计任务（设计任务书） 2、前言（绪论）(设计的目的、意义等) 3、主体设计部分 4、参考文献 5、结束语 四、设计时间与设计时间安排 1、设计时间：7月13日～7月24日 2、设计时间安排： 熟悉课题、收集资料：3天（7月13日～7月15日) 具体设计（含上机实验）：6天（7月16日～7月21日) 编写课程设计说明书：2天（7月22日～7月23日) 答辩：1天（7月24日）

对转式永磁无刷直流电机的建模与仿真_李延升

第44卷 2011年 第4期 4月 M ICR OM OTOR S V ol 44.N o 4 A pr 2011 收稿日期:2010-04-07 基金项目:西北工业大学研究生创业种子基金项目 作者简介:李延升(1983),男,博士研究生,研究方向为电机与电器。E-m a i:l liyanchao mm@yahoo .co https://www.wendangku.net/doc/2819230270.html, 窦满峰(1967),男,教授,博导,研究方向为电机与电器。 对转式永磁无刷直流电机的建模与仿真 李延升,窦满峰,雷金莉 (西北工业大学,西安 710072) 摘 要:该文根据对转式与普通永磁无刷直流电机区别,建立了对转永磁无刷直流电机的数学模型,采用M atlab /S i m u li nk 仿真软件建立了电机的仿真模型,并对电机带螺旋桨负载进行仿真分析。仿真结果表明:仿真波形与理论分析基本一致,验证该模型的有效性,为对转式永磁无刷直流电机的控制算法研究提供了工具。关键词:对转式;无刷直流电机;建模;仿真 中图分类号:TM 36+1 文献标志码:A 文章编号:1001-6848(2011)04-0019-04 M odeli ng and Si m ul ati on of the Contra -rotati ng BLDC M otor Control Syste m LI Yansheng ,DOU M anfeng ,LE I Jinli (N ort h w estern P oly technical University ,X i an 710072,China ) Abst ract :Contra -rotati n g per m anentm agnet br ush less DC m otor uses per m anentm agnet as the ou ter rotor , the ar m ature w inding as the i n ner rotor ,both inner and outer rotor i n teracts on the reverse ro tation by m eans of t h e m agne tic force .Based on the ana l y sis of the m athe m atica lm odel o f contra -rotating BLCDM,the mode l of BLDC M w as estab lished by the m odu lar design in M atlab /S i m ulink ,and the si m ulati o n experi m ent w as acco m p li s hed w ith a pr ope ller loads .The si m ulati o n resu lts are consistentw ith t h e theory analysis ,and the m ethod is va li d .The para m eter of th ism ethod is suitable for verif y ing the reasonability o f other contr o l algo -rit h m s and provides a ne w w ay fo r further research o f the con tra -rotati n g BLDC M.K ey w ords :contra -rotati n g ;BLCDM;m odeli n g ;si m u lati o n 0 引 言 对转式无刷直流电机直接驱动对转螺旋桨,在水下航行器中广泛应用 [1] 。它与普通永磁无刷直流 电机比较,除永磁体部分可以旋转,电枢部分也相对静止部分旋转,即电磁转矩驱动两个转子朝相反的方向旋转。以电枢部分为参照系来观察永磁体部分的旋转行为,可以发现对转式永磁无刷直流电机与普通的永磁无刷直流电动机的电流方程、电压平衡方程一致,数学模型中仅仅多了一个运动方程 [2] 。 根据这一思路,本文根据对转永磁无刷直流电机的数学模型,在S i m u li n k 软件中建立仿真模型,并对其进行仿真分析。 1 对转式BLDC M 数学模型 无刷直流电机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电动势和转速等 [3] ,这些物理量的计算与 电机的气隙磁场分布、绕组形式有十分密切的关系。 对于稀土永磁无刷直流电动机,其气隙磁场波形可以为方波也可以为正弦波或梯形波,这与选用电机的磁路结构和永磁体的形状有关。本文研究的对转式永磁无刷直流电机,其气隙磁场波形为方波,绕组中感应电动势为梯形波,采用方波电流驱动。在分析和仿真控制系统时,可直接利用电机原有的相变量来建立数学模型,既方便,又能获得准确结果。 假定永磁无刷直流电机工作在二相导通星形三相六状态下,工作过程中磁路不饱和,不计涡流和磁滞损耗,三相绕组完全对称,那么三相绕组的电压平衡方程式为:U a U b U c =R 000R 000R i a i b i c +L -M 000L -M 00 L -M d i a d t d i b d t d i c d t +e a e b e c (1)

无刷直流电机的建模与仿真

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/2819230270.html, 无刷直流电机的建模与仿真 作者：秦超龙 来源：《电脑知识与技术》2013年第05期 摘要：该文在分析无刷直流电机（BLDCM）数学模型和工作原理的基础上，利用Matlab 软件的Simulink和PSB模块，搭建无刷直流电机及整个控制系统的仿真模型。该BLDCM控制系统的构建采用双闭环控制方法，其中的电流环采用滞环电流跟踪PWM，速度环采用PI控制。仿真和试验分析结果证明了本文所采用方法的有效性，同时也证明了验证其他电机控制算法合理性的适用性，为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。 关键词：BLDCM控制系统；无刷直流电机；数学模型；MATLAB；电流滞环 中图分类号： TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）05-1172-03 随着现代科技的不断发展，无刷直流电动机应用技术越发成熟，应用领域也越发广泛，用户对无刷直流电动机使用增多的同时，对其控制系统的设计要求也变得越来越高。包括低廉的设计和搭建成本、短的开发周期、合适的控制算法、优良的控制性能等。而科学合理的无刷直流电动机控制系统仿真模型的建立，对控制系统的直观分析、具体设计，快速检验控制算法，降低直流电机控制系统的设计成本，拥有十分重要的意义。 直流无刷电动机利用电子换向原理和高磁性材料，取代了传统的机械换相器和机械电刷，解决了有刷直流电动机换向器可维护性差和较差的可靠性的致命缺点，使得直流电动机的良好控制性能得到维持，直流电动机得到更好的应用。伴随着如今功率集成电路技术和微电子技术的发展，控制领域相继出现了大量无刷直流电动机专用驱动和控制芯片，解决高性能无刷电动机驱动控制问题所提出的解决方案也变得更加丰富和科学，无刷直流电机在控制领域显示出前所未有的广阔应用前景[1]。 通过无刷直流电动机控制系统的仿真模型来检验各种控制算法，优化整个控制系统的方法，可以在短时间内得到能够达到预期效果的控制系统。在对无刷直流电机电流滞环控制和数学模型等分析的基础之上，可以利用Simulink中所提供的各种模块，构建出BLDCM控制系统的仿真模型，从而实现只利用Simulink中的模块建立BLDCM控制系统仿真模型。通过对实例电机的仿真，可以得到各类仿真波形，从而验证了仿真模型的有效性和正确性，数学模型的有效性及控制系统的合理性也得到了验证。 1 无刷直流电机的数学模型 本文采用两相导通三相六状态的无刷直流电动机来分析无刷直流电动机的数学模型[2-3]。 无刷直流电动机的感应电动势为梯形波，电流为方波。考虑到分析的方便、无刷直流电动机的特点，该文直接利用电动机本身的相变量建立物理模型，假定：

无刷直流电机数学模型(完整版)

电机数学模型 以二相导通星形三相六状态为例，分析BLDC的数学模型及电磁转矩等特性。为了便于分析，假定： a)三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称； b)忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； c)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； d)磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。 则三相绕组的电压平衡方程可表示为： 错误！未找到引用源。(1) 式中：错误！未找到引用源。为定子相绕组电压(V)；错误！未找到引用源。为定子相绕组电流(A)；错误！未找到引用源。为定子相绕组电动势(V)；L为每相绕组的自感(H)；M为每相绕组间的互感(H)；p为微分算子p=d/dt。 三相绕组为星形连接，且没有中线，则有 错误！未找到引用源。(2) 错误！未找到引用源。(3) 得到最终电压方程： 错误！未找到引用源。(4) e c c 图.无刷直流电机的等效电路 无刷直流电机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比 错误！未找到引用源。(5) 所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可以控制BLDC电机的转矩。为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为120°电角度，梯形波反电动势的平顶部分也为120°

电角度，两者应严格同步。由于在任何时刻，定子只有两相导通，则：电磁功率可表示为： 错误！未找到引用源。(6) 电磁转矩又可表示为： 错误！未找到引用源。(7) 无刷直流电机的运动方程为： 错误！未找到引用源。(8) 其中错误！未找到引用源。为电磁转矩；错误！未找到引用源。为负载转矩；B为阻尼系数；错误！未找到引用源。为电机机械转速；J为电机的转动惯量。 传递函数： 无刷直流电机的运行特性和传统直流电机基本相同，其动态结构图可以采用直流电机通用的动态结构图，如图所示： 图2.无刷直流电机动态结构图 由无刷直流电机动态结构图可求得其传递函数为: 式中： K1为电动势传递系数，错误！未找到引用源。，Ce 为电动势系数； K2为转矩传递函数，错误！未找到引用源。，R 为电动机内阻，Ct 为转矩系数；T m为电机时间常数，错误！未找到引用源。，G 为转子重量，D 为转子直径。基于MATLAB的BLDC系统模型的建立 在Matlab中进行BLDC建模仿真方法的研究已受到广泛关注，已有提出采用节点电流法对电机控制系统进行分析，通过列写m文件，建立BLDC仿真模型，

直流电动机的MATLAB仿真..

第一章课程设计内容及要求 1. 直流电动机的机械特性仿真； 2. 直流电动机的直接起动仿真； 3. 直流电动机电枢串联电阻启动仿真； 4. 直流电动机能耗制动仿真； 5．直流电动机反接制动仿真； 6. 直流电动机改变电枢电压调速仿真； 7. 直流电动机改变励磁电流调速仿真。 要求：编写M文件，在Simulink环境画仿真模型原理图，用二维画图命令画仿真结果图或用示波器观察仿真结果，并加以分析

第二章直流电动机的电力拖动仿真绘制 1）直流电动机的机械特性仿真 clear; U_N=220;P_N=22;I_N=115; n_N=1500;R_a=;R_f=628; Ia_N=I_N-U_N/R_f; C_EPhi_N=(U_N-R_a*Ia_N)/n_N; C_TPhi_N=*C_EPhi_N; Ia=0;Ia_N; n=U_N/C_EPhi_N-R_a/(C_EPhi_N)*Ia; Te=C_TPhi_N*Ia; P1=U_N*Ia+U_N*U_N/R_f; T2_N=9550*P_N/n_N; figure(1); plot(Te,n,'.-'); xlabel('电磁转矩Te/'); ylabel('转矩n/rpm'); ylim([0,1800]); figure(2); plot(Te,n,'rs'); xlabel('电磁转矩Te/'); ylabel('转矩n/rpm');

hold on; R_c=0; for coef=1:;; U=U_N*coef; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat('U=',num2str(U),'V'); s_y=1650*coef; text(50,s_y,str); end figure(3); n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'rs'); xlabel('电磁转矩Te/'); ylabel('转矩n/rpm'); hold on; U=U_N;R_c=; for R_c=0::; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat('R=',num2str(R_c+R_a),'\Omega'); s_y=400*(4-R_c*; text(120,s_y,str);

基于自抗扰控制(ADRC)的无刷直流电机控制与仿真

一、研究意义 1.研究意义 由于无刷直流电机在四旋翼飞行器控制中的关键作用以及在生产实践中日益广泛的应用，设计快速且平稳的控制系统成为首要任务。目前, 基于现代控制理论的高性能异步电机调速方法主要是依靠精确的数学模型加上传统的P ID控制。PID控制实际应用效果较好，但又无法避免对负载变化的适应能力差、抗干扰能力弱和受系统参数变化影响等弱点，而且交流调速系统具有非线性、强耦合、多变量及纯滞后等特性, 很难用精确的数学模型描述, 这就使得基于精确数学模型的传统控制方法面临严重的挑战。另外, 经典P ID控制需要根据运行工况的不同而调节控制器参数, 无刷直流电机又具有数学模型复杂，非线性等特点，这给现场调试增加了难度。 2.国内外研究状况及发展 （1）无刷直流电机基本控制方法 无刷直流电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。无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机，又称无换向器电机。 直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，无刷电机的转子上装有永磁体，定子上是电枢，与有刷电机正好是相反的。它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部，电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(V1～V6)分为上臂(V1、V3、V5)/下臂(V2、V4、V6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。电机驱动电路如图？所示。 图1 无刷直流电机的控制电路

无刷直流电机仿真教程

基于MATLAB／SIMULINK的无刷直流电动机系统仿真 0引言 无刷直流电机（Brushless DC Motor，以下简称BLDCM），是随着电力电子技术和永磁材料的发展而逐渐成熟起来的一种新型电机。为了有效的减少控制系统的设计时间，验算各种控制算法，优化整个控制系统，有必要建立BLDCM 控制系统仿真模型。本文在BLDCM数学模型的基础上，利用MATLAB的SIMULINK和S-FUNCTION建立BLDCM的仿真模型，并通过仿真结果验证其有效性。 1无刷直流电机仿真模型 本文在MATLAB的SIMULINK的环境下，利用其丰富的模块库，在分析BLDCM数学模型的基础上，建立BLDCM控制系统仿真模型，系统结构框图如图1所示。

图1 无刷直流电机控制原理框图 以图1为基础，按照模块化建模的思想搭建的系统的仿真模型如图2所示。整个控制系统主要包括电动机本体模块、逆变器模块、电流滞环控制模块、速度控制模块等。 图2 无刷直流电机控制系统仿真模型框图 1.1电动机本体模块 在整个控制系统的仿真模型中，BLDCM本体模块是最重要的部分，该模块根据BLDCM电压方程求取BLDCM三相相电流，而要获得三相相电流信号i a，i b，

i c必须首先求得三相反电动势信号e a，e b，e c，整个电动机本体模块的结果如下图3所示。电机本体模块包括反动电势求取模块，中性点求取模块，转矩计算模块和位置检测模块。 图3 电机本体模块 1.反电势求取模块 本文直接采用了SIMULINK中的Lookup Table模块，运用分段线性化的思想，直观的实现了梯形波反电动势的模拟，具体实现如图4所示。

直流无刷电机反电动势过零检测方法汇总

直流无刷电机反电动势过零检测方法汇总 Modified by JACK on the afternoon of December 26, 2020

直流无刷电机反电动势过零检测方法 一般的永磁无刷直流电机是由三相逆变桥来驱动的，根据转子位置的不同，为了产生最大的平均转矩，在一个电角度周期中，具有6个换相状态。在任意一个时间段中，电机三相中都只有两相导通，每相的导通时间间隔为120°电角度。例如，当A相和B相已经持续60°电角度时，C相不导通。这个换相状态将持续60°电角度，而从B相不导通，到C相开始导通的过程，称为换相。换相的时刻取决于转子的位置，也可以通过判断不导通相过零点的时刻来决定。通过判断不导通相反电动势过零点，是最为常用也最为适合的无位置传感器控制方法。 反电动势过零点的检测方法是，通过测量不导通相的端电压，与电机的绕组中点电压进行比较，以得到反电动势的过零点。但对于小电枢电感的永磁无刷直流电机，在许多情况下，绕组中点电压难以获取，并且需要使用电阻分压和进行低通滤波，这样会导致反电动势信号大幅地衰减，与电机的速度不成比例，信噪比太低，另外也会给过零点带来更大的相移。 与上面的方法相比，更为常用的是虚拟中点电压法。假设A相和B相导通，则A和B两相电流大小相等，方向相反，C相电流为零，则根据永磁无刷直流电机数学模型有

根据上述方程，将不导通相的端电压与所计算的虚拟中点电压进行比较，也可以获得反电动势的过零点。这种方法十分简单，实现也比较方便。但是，由于无刷直流电机按一定频率进行PWM斩波控制，其计算出的虚拟中点电压也会随着PWM的高低电平而发生相同频率的在电源和地电平之间的变化。这样，就会带来极大的共模电平和高频噪声，会影响反电动势过零点检测的精确性。同样，和中点比较法一样，这种方法也必须要对绕组端电压进行分压和低通滤波。 这样，在一个PWM周期中，电枢绕组相电流就必然存在断续状态。速度提高时，电枢绕组中会产生峰峰值极大、频率很高的反电动势。由于以上特点，一些普遍采用的BLDC无位置传感器的控制方法均不适合。现有的无位置传感器的控制方法，如端电压检测法和转子位置估计法等，将很难得到良好的控制效果，其理由如下所述： 首先，无刷直流电机要求在电机转速提高的过程中，采用现有的端电压与中点电压比较的方法，要对三相绕组进行分压阻容滤波，计算出不导通相反电动势的过零点，再延后一定时间进行换相。但是，这样得到的反电动势过零点会因为无刷直流电机转速提高而产生过大的相移，导致当检测到反电动势过零点后，真正的换相点已经过去，从而造成换相失误。另外，现有的转子位置估

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。

无刷直流电机的数学模型

2.2 无刷直流电机的数学模型 在本文中，以两极三相无刷直流电机为例来说明其数学建立模型的过程。电机定子绕组为Y 型联接，转子采用内转子结构，3个霍尔元件在空间相互间隔120°对称放置。在此结构基础上，假设电机的磁路不饱和，不计涡流损耗、磁滞损耗及电枢反应；忽略齿槽效应；驱动系统中，整流逆变电路的功率管和续流二极管均为理想开关器件错误！未找到引用源。。 2.2.1 定子电压方程 由以上的假设条件，无刷直流电机每相绕组的相电压由电阻压降和绕组感应电势两部分组成，其定子电压平衡方程为 ???? ? ?????+????????????????????+????????????????????=??????????c b a c b a c cb ca bc b ba ac ab a c b a c b a c b a e e e i i i L L L L L L L L L dt d i i i R 0 0R 000R U U U (2-1) 式(2-1)中，a e 、b e 、c e 为各相定子反电动势，a i 、b i 、c i 为各相定子电流，a U ， b U ， c U 为定子各相电压，a R ，b R ，c R 为定子各相绕组电阻，a L ，b L ，c L 为定子各相绕组自感，ab L ，ac L ，ba L ，bc L ，ca L ，cb L 为定子间各相绕组的互感，由于无刷直流电机的转子为永磁体。假设无刷直流电机三相绕组对称，忽略磁阻间的影响，则可以认为定子各相绕组间互感为常数，即s c b a L L L L ===， R R R R c b a ===，M L L L L L L cb ca bc ba ac ab ======。则式(2-1)改写为 ???? ??????+????????????????? ???+????????????????????=??????????c b a c b a s s s c b a c b a e e e i i i L M M M L M M M L dt d i i i R 0 0R 000R U U U (2-2) 由0i i i c b a =++，0Mi Mi Mi c b a =++，代入式(2-2)，整理可得 ?? ?? ??????+????????????????????+????????????????????=??????????c b a c b a c b a c b a e e e i i i L 000L 000L dt d i i i R 0 0R 000R U U U (2-3) 式(2-3)中M L L s -=。图2-3虚线框部分所示即为电子电枢部分等效电路。 2.2.2 反电势动方程 在物理学当中，在磁场中单根导体切割磁力线运动产生的电动势e 为 Blv e = (2-4) 其中，B 、l 分别为磁场强度和导体在磁场中运动有效长度，v 为导体在垂直于

三相无刷直流电机系统结构及工作原理

三相无刷直流电机系统结构及工作原理

图2.3 直流无刷电动机的原理框图位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器【3】。 2.4基本工作原理 众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度。 2.5无刷直流电机参数 本系统采用的无刷电机参数 ·额定功率：100W ·额定电压：24V（DC） ·额定转速：3000r/min ·额定转矩：0.23N?m ·最大转矩：0.46N?m ·定位转矩：0.01N?m ·额定电流：4.0A

无刷直流电机控制系统的Proteus仿真

无刷直流电机控制系统的Proteus仿真-机械制造论文 无刷直流电机控制系统的Proteus仿真 王家豪潘玉民 （华北科技学院电子信息工程学院，河北三河101601） 【摘要】基于Proteus软件仿真平台，提出了一种对无刷直流电机(BLDCM)控制系统实现了转速闭环控制的方案。该系统以AT89S52单片机为核心，采用IR2101芯片驱动及AD1674实现速度，并利用数码动态显示转速，通过增量式PID调节对无刷直流电机实现转速闭环稳定控制。仿真结果表明该系统具有可控调速、显示直观等特点。 关键词无刷直流电机(BLDCM)；Proteus；增量式PID；闭环控制 ０引言 无刷直流电机（BLDCM）既有直流有刷电机的特性，又有交流电机无刷的优点，在快速性、可控性、可靠性、输出转矩、结构、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，近年来得到迅速推广[1]。BLDCM是一种用电子换向取代机械换向的新一代电动机，与传统的直流电动机相比，它具有过载能力强，低电压特性好，启动电流小等优点。近年来在工业运用方面大有取代传统直流电动机的趋势，所以研究无刷直流电机的驱动控制技术具有重要的实际应用价值。 本设计采用增量式PID控制策略控制无刷电动机，并在Proteus平台上进行转速闭环系统仿真。搭建了无刷直流电动机转速控制系统的仿真模型，基于80C51控制核心，采用keil C51软件编写C程序。 1系统硬件组成 控制系统的硬件组成如图1所示。采用Atmel公司的AT89S52单片机为系统

控制核心、IR2101驱动的MOSFET三相桥式逆变器、无刷直流电机、A/D转换转速检测、闭环PID控制、按键检测、档位和转速显示等部分组成。 2控制系统核心及外围电路 系统核心AT89S52单片机最小系统及按键电路如图2所示。 AT89S52芯片是8位单片机，具有廉价、实用及运算快等优点，它有两个定时器，两个外部中断接口，24个I/O口，一个串行口。 单片机首先进行初始化，将显示部分（转速显示、档位显示）送显“0”然后通过中断对按键进行检测当检测到启动键按下时，系统启动，控制核心输出初始控制码，与此同时通过AD转换器读取当前的实时转速，一方面用于显示，另一方面将当前转速与设定转速送入PID控制环节然后输出下一时刻的控制码。 在本次设计中使用80C51的外部中断接口0（INT0）作按键检测（见图3），通过四个与门，当有任何一个按键按下去时tap端都会出现低电平引发中断。

无刷直流电机转子位置检测的新方法

无刷直流电机转子位置检测的新方法 作者：山东大学陈瑜黄玉王兴华 要 摘要：介绍了无刷直流电机无位置传感器转子位置检测的一种新方法。该方法利用非导通相反电势逻辑电平经逻辑处理后得到一脉冲列，采用PLL锁相技术将脉冲列倍频，通过倍频电路计数器的计数值可以精确检测转子位置。利用数字比较技术将计数值与锁存器中的预置数值比较，可以精确控制绕组电流的最佳换向时刻。通过调节锁存器中的预置值可以方便地调节换向角，非常适用于无刷直流电机的各种控制算法。同时该方法克服了外同步起动过程中易产生的振荡和失步现象。通过实验证明该方法是正确的、有效的。 关键词：无刷电机；无位置传感器；检测 1引言 无刷直流电机运行时需要采用位置传感器检测转子磁场位置信号，以控制逆变器功率管的换流，实现电机的自同步运行。传统的位置传感器是采用电子式或机电式传感器件直接测量，如霍尔效应器件（HED）、光学编码器、旋转变压器等。然而，这些传感器有以下缺点： ①分辨率低或运行特性不好，有的对环境条件很敏感，如振动、潮湿和温度变化都会使性能下降。 ②增加了电气连接数目，给抗干扰设计带来一定困难。 ③占用电机结构空间，限制了电机的小型化。 因此，无刷直流电机的无位置传感器化技术近年来日益受到人们的关注，国内外研究人员在这方面进行了积极的研究，提出了诸多方法，主要可分为反电势法、电感法、磁链法、旋转坐标系法、观测器法、卡尔曼滤波器法等［1～4］。反电势法简单、可靠，得到了广泛应用，其它方法由于计算复杂、对参数的鲁棒性差等原因应用较少。但反电势法的缺点是： ①低速时反电势小，难以得到有效转子位置信号，系统低速性能差。 ②需用低通滤波器去掉端电压中高频噪声并移相30°以满足换流要求，对滤波器要求较高，同时滤波器容易产生移相误差，而且移相误差大小与速度有关，难以补偿［5］。 ③对换相角调节困难，无法控制换相角γ（超前或滞后）的大小。 ④若采用外同步脉冲起动，当驱动信号由外同步脉冲驱动向内同步脉冲驱动切换时，由于切换点的相位误差易产生振荡甚至失步［6］。 针对以上问题，本文提出了一种新型转子位置检测的方法，以三相6拍运行的无刷直

直流电机起动仿真

5.2 基于MATLAB的电机起动仿真 在上节直流电机参数测试的基础上，本节作了基于MATLAB/Simulink的直流电机起动仿真研究[46-47]，得到了电机起动过程中的电动机电流、电动机角速度、电枢电压和电磁转矩波形并分析了其仿真结果，为实物测试提供了简便经济的预测和验证。 5.2.1 电机起动仿真模型的建立 自MATLAB从5.3版本中新增进了电力系统工具箱（Power System Blockset）发展至今，MATLAB在电力系统仿真中的应用越来越广泛。电力系统工具箱是一个基于图形编程的电力系统仿真工具箱。主要是由加拿大的HydroQuebec和International公司共同开发的，其功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真，它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，使用者不需要自己编程而只需将仿真的电力系统图搭建在工作窗口中，MATLAB自动将其变化成状态方程描述的系统形式，便可以在SIMULINK下进行仿真研究了。 图5.4 电机起动仿真模型 电力系统工具箱包含的模块有：Electrical Sources（电源库）、Elements（元件库）、Power Electronics（电力电子元件库）、Machines（电机库）、Connectors （连接器库）、Measurements（测量仪器库）、Extra Library（附加元件库）、Demos （示例库）、Powergui（图形用户界面graphical user interface），在此基于MATLAB 对电机起动进行SIMULINK仿真。 搭建的电机起动仿真模型主要由直流电压源（DC V oltage Source）、理想开关（Ideal Switch）、电机起动器（Motor Starter）、直流电机（DC machine）、串联RLC支路（Series RLC Branch）、电压表（V oltage Measurement）、信号分解模块（Demux）和示波器（Scope）等模块构成。仿真模型如图5.4所示。 仿真系统中励磁电压Ef由一个直流电压源提供，电枢绕组电动势E由另一个直流电压源经一个由计时器（Timer）控制的理想开关（Ideal Switch）提供。采用电枢回路串电阻三级起动，电机起动器由搭建并封装的子系统（Motor

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

无刷直流电机控制系统的设计及仿真毕业设计

目录 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 (9) 3.1 位置传感器检测法 (9) 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 (13) 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 (19) 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 (21) 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 (24) 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 (34) 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)

无刷直流电机的工作原理(带霍尔传感器)

无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机的控制结构 无刷直流电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响： N=120．f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说无刷直流电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 无刷直流驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。无刷直流电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。

（图一） 无刷直流电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如 下（图二） inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL 一组， 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则