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

为了实现电子换向必须有位置信号来控制电路。早期用机电位置传感器获得位置信号，现已逐步用电子式位置传感器或其它方法得到位置信号，最简便的方法是利用电枢绕组的电势信号作为位置信号。

要实现电机转速的控制必须有速度信号。用获得位置信号相近方法取得速度信号，最简单的速度传感器是测频式测速发电机与电子线路相结合。

直流无刷电机的换向电路由驱动及控制两部分组成，这两部分是不容易分开的，尤其小功率用电路往往将两者集成化成为单一专用集成电路。

控制电路用作控制电机的转速、转向、电流(或转矩)以及保护电机的过流、过压、过热等。上述参数容易转成模拟信号，用此来控制较简单，但从发展来看，电机的参数应转换成数字量，通过数字式控制电路来控制电机。当前，控制电路有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成方式。在对电机控制要求不高的场合，专用集成电路组成控制电路是简单实用的方式。采用数字信号处理器组成控制电路是今后发展方向。

直流电源开关电路电动机

位置传感器

图2 无刷直流电机控制回路

图3 无刷直流电机控制原理

二、研究内容

1.无刷直流电机数学模型

无刷直流电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，得到准确的数学模型比较困难，本文采用ADRC 控制器对无刷直流电机进行控制，以满足控制系统对电机模型的不确定性和外部扰动变化具有较强的适应性和鲁棒性的要求。自抗扰控制器是一种无模型的控制器，无模型并非指没有模型，而是指只有一个所有对象都具有的、普遍的、共性的模型。

以三相桥式Y 接电机为例，假设电机采用两个一阶自抗扰控制器实现对电机的内、外环控制, 内环控制电流, 外环控制转速，首先应该建立电机得到数学模型。

无刷电机的驱动电路也是不可忽视的一部分内容，一般采用六臂全桥驱动电路，通过位置传感器获

得电机转子的位置信号，产生换向逻辑，根据换向逻辑，改变六个功率开关的开关顺序控制实现电机的换向控制。

本系统针对三相桥式采用两两导通方式的无刷直流电机，建立其电流模型和转速模型。其次，为了实现对无刷电机的的驱动控制，需要建立无刷直流电机的换向逻辑模块和PWM功能模块。

２.改进PID缺点，设计ADRC控制系统

众所周知，在控制工程中，占据主导地位的仍然是PID控制技术，尽管控制理论的发展已远远不局限于此，PID 控制器在工业过程控制中占据的主导地位也是绝无仅有的。PID 控制技术的广泛应用，得益于它所具有的优点，即靠控制目标与实际行为之间的误差来确定消除此误差的控制策略，即用误差的过去、现在和变化趋势的加权和控制策略。

然而，科学技术的发展对控制精度和速度的要求，以及对环境变化的适应能力的要求越来越高，经典PID慢慢露出其缺点。PID 的缺点:①误差的取法; ②由误差e 提取d e/ d t 的办法; ③“加权和”策略不一定最好; ④积分反馈有许多副作用。

自抗扰控制方法是中科院韩京清研究员于1998 年分析比较PID优缺点的基础上，提出的改进PID 缺点的新的控制方法，克服PID“缺点”的具体办法是: ①安排合适的“过渡过程”; ②合理提取“微分”- “跟踪微分器”( Tracking Differentiator ,TD) ; ③探讨合适的组合方法-“非线性组合”(NF) ; ④探讨“扰动估计”办法-“扩张状态观测器”( Extended State Observer ,ESO) 。

本系统将针对无刷直流电机这一具体对象，分别选取合适的过渡过程，构造扩张状态观测器和快速微分跟踪器，实现非线性反馈，设计两个一阶自抗扰控制器，实现无刷直流电机的内外环控制。

ＡＤＲＣ１ＡＤＲＣ２电流子系统转速子系统

图4无刷直流电机控制系统

３.对PID控制系统基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真建模

这一部分将搭建PID控制系统，调整其控制性能至最优，仿真无刷直流电机的各种特性曲线，目的是用来作为后面部分ADRC控制性能对比。

应该完成的内容包括：电机模型参数确定，选择具体的电机来作为控制对象；PID控制程序编写；simulink中整个控制系统的搭建；控制系统仿真图像输出。对ADRC控制系统基于Simulink仿真建模这一部分是本设计的重点，对照第四部分内容，采用单项变量原则，完成对选定参数的电机的控制，其内容包括：ADRC控制程序的编写；搭建控制系统的Simulink仿真模型；输出控制特性曲线；完成对控制特性的分析工作。

三、研究方案

1.建立无刷直流电机双闭环模型

无刷电动机主要有电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。BLDCM的反电势为梯形波。梯形波反电势意味着定子和转子间的互感是非正弦的。因为dq变换适用于气隙磁场为正弦分布的电动机，因此，将电动机三相方程变换为dq方程是困难的。为便于分析, 以三相桥式Y接电机为例，直接采用电机原有的相变量来建立数学模型。假设电机采用三相对称绕组, 驱动电路的功率器件为理想开关, 电机反电势为梯形波, 忽略续流二极管的电流, 建立电机的状态方程。

（1）电流模型

由直流电机电压平衡关系

00000000

00a a a a b b b b c c c c r o

L M o d r L M dt r L M u i i e u i i e u i i e ????????-????????????????=+-+????????????????????????-?

???????????????????

式中,

a

u 、b

u 、c

u

为定子相绕组电压;

a

i 、b

i 、c

i

为定子相绕组电流; r 为各相电枢绕组电阻; L 、

M 分别为各相绕组自感和互感;

a

e

、

b

e

、

c e

为定子相绕组反电动势。

三相桥式无刷直流电机选择两两导通方式,任意时刻只有两相绕组导通。假设电枢电流为i ,两相电枢绕组的感应电动势为e , 则

12

e e e =+。（e 1为电流流入绕组的感应电动势, e 2 为电流流出绕组的感应

电动势) ,因而得到电流关系模型

.

2()2()s ri e

i L M L M L M u =-

+-

---

式中，

s

u

为两相导通绕组上的电压。

在ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立电流模块的模型为

（２）转速模型

由直流电机的电磁转矩方程为:

em

()/T

a a

b b

c c w

e i e i e i =++

式中, ω为电机的机械角速度。 机械运动方程为:

em L dw Dw J

dt T T =++

式中, D 为粘滞阻尼系数; L T 为负载转矩; J 为转动惯量。以上两个关系可以得出直流电机转速

模型

.

L

D w e i w J w J J T =-

+-

在ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下建立转速模块的模型为

（３）换向逻辑模块和PWM功能模块

BLDCM控制系统中, 逆变器的换相时刻是通过BLDCM内部的转子位置信号进行控制的。对应于极对数为6的无刷直流电机, 每经过1 /6电气周期(60°电角度)作为无刷换相时刻。由于BLDCM 控制系统为方波驱动, PWM 调制信号只需为等幅、等宽、等距的信号, 则可以用S函数来生成PWM信号。PWM信号以及逆变器各功率管导通信号产生的模型如图？？？？所示。

２.采用ＰＩＤ控制建模，获取性能曲线

３.设计自抗扰控制器

（1）安排“过渡过程”

安排“过渡过程”主要解决PID控制中误差取法不科学的问题。主要改善三方面问题，第一，决超调与快速性的矛盾；第二，使误差反馈增益和误差微分反馈增益的选取范围扩大；第三，使给定的反馈增益能适应的对象的参数范围大为扩大，即控制器的鲁棒性更强。

根据对象承受的能力，先安排合理的过渡过程)(1t v ，然后取误差e=)(1t v -y ，对于不同阶数的系统，安排过渡过程的方法不尽相同，以一阶对象为例，假设T 是过渡时间，则可以先取过渡过程的速度函数)(1t v ，再求积分，得到过度过程)(1t v 。

（2）跟踪微分器（Tracking Differentiator TD ）

微分器一般是通过采用惯性环节尽可能的快（取小的时间常数）跟踪输入信号的动态特性，通过求解微分信号（即通过积分）来求取近似微分信号。因此把这个动态结构可以称作跟踪微分器（Tracking DifferentiatorTD ），即一边尽可能快的跟踪输入信号，同时给出近似微分信号。这里给出一个一般的例子。

设二阶系统为：

.

12.

2

,u u r x x x ?=???=<=?

上式的“快速最优控制”综合系统可以求出，令

1

1

()()()t t v t x x =-进一步可以得到

.

12.

2

122

sgn(()/(2)

r v t r x x x x x x

?=???=--+

?

式中, x 1 ( t) 是在限制..

1

x

≤r 下,最快地跟踪输入信号v ( t) 。x 1 ( t) 充分接近v ( t ) 时,有x 2 ( t )= .

1()

t x 可做

v ( t) 的近似微分。采用这种微分结构，无论是微分效果还是噪声抑制效果都是比较好的。

经典微分器是尽快的跟踪微分信号，快速微分跟踪器是最快的跟踪微分信号，其一般形式：

12011222(()(),(),,)(1)()()(1)()fh fhan k v t k r k k h k k k hfh x x h x x x x x ?=-??

+=+??+=+??

其中fhan

是一个特殊定义的函数，

r 决定跟踪速度,称做“速度因子”;

h 0

起对噪声的滤波作用,称“滤波因子”参数h 0

的扩大起着很好的

滤波作用，因此我们我们将把参数h 0称作跟踪微分器？？的滤波因子。当然，积分步长的缩小也对抑制噪声放大起很大的作用，但是，当积分步长确定时，扩大滤波因子是增强滤波效果的有效手段。

（3）非光滑反馈

非光滑反馈解决的问题是要在达到最小稳态误差的前提下，不引入其他方面副作用。这是增大反馈增益k 和引入积分反馈来消除稳态误差这两种方式所不能实现的。因为，增大反馈增益k 会引起超调，同时，若误差过大，则执行机构可能提供不了足够的能量来实现。而引入积分则有可能引起控制量饱和、是系统变迟钝、容易产生不良震荡等。 非线性反馈的一般形式：u=-k a

e sign(x)，a>0

这里给一个简单的例子，假设有一阶受控对象 .

(,)x w x t u =+

则将非线性反馈带入原对象得到闭环系统得 .

(,)()

a

x w x t k x sign x =-

假设存在常数

w

，m ，使得函数满足

0(,)a

x

w x t m w <+

则可以得到非线性反馈下，闭环系统的稳态误差与（w0/k)的1/a 次方成正比。所以，根据a 的取值不同情况，可以构成三种不同的反馈形式。当a>1时，反馈u=-k a

e sign(x)处处可微，是光滑的，稳态误差大。a<1时，是非光滑的，稳态误差小。a=0，则稳态误差在有限时间内变成0，是变结构控制，此时，不管w （t ）在

)

(t w <

w 0

范围内怎样变化，只要反馈增益k 超过w 0

，稳态误差都为0，即闭环

系统的稳态特性与外来扰动w （t ）完全独立。

通过非线性变换，将非线性系统转化为线性系统的积分串联结构，从而实现动态系统的反馈线性化。 显然，线性反馈：u=-ke 增益k 反比的方式抑制扰动；非线性反馈：幂次a 的减小，则可以以数量级的方式抑制扰动。

从动态特性方面，非光滑反馈的效率远远比光滑反馈要好，非光滑反馈具有“小误差大增益，大误差小增益”的特点。 （4）扩张状态观测器

所谓扩张状态观测器，是对扰动作用的扩张，即利用状态观测器的思想，把能够影响被控输出的扰动作用扩张成新的状态变量，用特殊的反馈机制来建立能够观测扩张的状态。

考虑系统

.

12.

21,21(,)f t bu y x x x x x x ?=???=+??

=???

若f(x 1,x 2,t)为已知的，则其观测器可以设计为

11.

12101.

2

1,2102(

,)y f t bu e z e z z x x e z ββ?=-??=-???=-+? 若f(x 1,x 2,t)为未知，可以将f(x 1,x 2,t)当做扰动，用“非光滑反馈”效应抑制其作用。令x

3

=

f(x 1,x 2,t)，则有

.

12.

23.

3121(,,)bu g t y x x x x x x x x ?=???=+??=??=

?

设计扩张状态观测器为

11.

121

01.

231102.

31203(,,)(,,)y fal bu fal e z e z z e a z z e a z δδβββ=-???=-

???=-+???=-

??

其中，

被扩张状态

z 3

(t)对“未知扰动”的“实时”作用量α(t)= f(x 1

(t),x 2

(t),t)作出很好的估计。扩张状态观

测器能够很好的跟踪开环系统实时作用量α(t)= f(x 1(t),x 2(t),t)的根本原因，是只要系统满足能观性条件，那么不管系统加速度是什么形式，只要它在起作用，那么其作用必会反映在其输出上，就有可能从

系统输出中提取作用量。

扩张状态观测器（ＥＳＯ）就是从系统输出中提炼出加速度的实时作用量α(t)= f(x 1(t),x 2(t),t)的

一种具体办法。只要参数b 已知，控制量可以取成u=u 0-

z 3

(t)/b ，则有

.

12.

201b y x x x u x ?=???=??

=???

即原来的非线性控制系统变成了积分串联控制系统。 ADRC 的控制结构图如下：

图5 ＡＤＲＣ控制结构图 4.采用simulink 搭建ADRC

控制系统，仿真输出电机特性曲线

图6 ADRC 控制系统仿真结构图

5.仿真结果与传统PID控制性能比较

电动车无刷马达控制器硬件电路详解

电动车无刷马达控制器硬件电路详解 电动车无刷电机是目前最普及的电动车用动力源，无刷电机以其相对有刷电机长寿，免维护的特点得到广泛应用，然而由于其使用直流电而无换向用的电刷，其换向控制相对有刷电机要复杂许多，同时由于电动车负载极不稳定，又使用电池作电源，因此控制器自身的保护及对电机，电源的保护均对控制器提出更多要求。 自电动车用无刷电动机问世以来，其控制器发展分两个阶段：第一阶段为使用专用无刷电动机控制芯片为主组成的纯硬件电路控制器，这种电路较为简单，其中控制芯片的代表是摩托罗拉的MC33035,这个不是这里的主题，所以也不作深入介绍。第二阶段是以MCU为主的控制芯片。这是这篇文章介绍的重点，在MCR版本的设计中，揉和了模拟、数字、大功率MOSFET 驱动等等许多重要应用，结合MCU智能化控制，是一个非常有启迪性的设计。 今以应用最广泛的以PIC16F72为智能控制中心，350W的整机电路为例,整机电路如图1： 整机电路看起来很复杂，我们将其简化成框图再看看：

图2:电路框图 电路大体上可以分成五部分： 一、电源稳压，供应部分； 二、信号输入与预处理部分； 三、智能信号处理，控制部分； 四、驱动控制信号预处理部分； 五、功率驱动开关部分。 下面我们先来看看此电路最核心的部分：PIC16F72组成的单片机智能处理、控制部分，因为其他电路都是为其服务或被其控制，弄清楚这部分，其它电路就比较容易明白。 图3:PIC16F72在控制器中的各引脚应用图 我们先来简单介绍一下PIC16F72的外部资源：该单片机有28个引脚，去掉电源、复位、振

荡器等，共有22个可复用的IO口，其中第13脚是CCP1输出口，可输出最大分辨率达10BIT 的可调PWM信号，另有AN0-AN4共5路AD模数转换输入口，可提供检测外部电路的电压，一个外部中断输入脚，可处理突发事件。内部软件资源我们在软件部分讲解，这里并不需要很关心。 各引脚应用如下： 1：MCLR复位/烧写高压输入两用口 2：模拟量输入口：放大后的电流信号输入口，单片机将此信号进行A-D转换后经过运算来控制PWM的输出，使电流不致过大而烧毁功率管。正常运转时电压应在0-1.5V左右 3：模拟量输入口：电源电压经分压后的输入口，单片机将此信号进行A-D转换后判断电池电压是否过低，如果低则切断输出以保护电池，避免电池因过放电而损坏。正常时电压应在 3V以上 4：模拟量输入口：线性霍尔组成的手柄调速电压输入口，单片机根据此电压高低来控制输出给电机的总功率，从而达到调整速度的目的。 5：模拟/数字量输入口：刹车信号电压输入口。可以使用AD转换器判断，或根据电平高低判断，平时该脚为高电平，当有刹车信号输入时，该脚变成低电平，单片机收到该信号后切断给电机的供电，以减少不必要的损耗。 6：数字量输入口：1+1助力脉冲信号输入口，当骑行者踏动踏板使车前行时，该口会收到齿轮传感器发出的脉冲信号，该信号被单片机接收到后会给电机输出一定功率以帮助骑行者更轻松地往前走。 7：模拟/数字量输入口：由于电机的位置传感器排列方法不同，该口的电平高低决定适合于哪种电机，目前市场上常见的有所谓120°和60°排列的电机。有的控制器还可以根据该口的电压高低来控制起动时电流的大小，以适合不同的力度需求。 8：单片机电源地。 9：单片机外接振荡器输入脚。 10：单片机外接振荡器反馈输出脚。 11：数字输入口：功能开关1 12：数字输入口：功能开关2 13：数字输出口：PWM调制信号输出脚，速度或电流由其输出的脉冲占空比宽度控制。 14：数字输入口：功能开关3 15、16、17：数字输入口：电机转子位置传感器信号输入口，单片机根据其信号变化决定让电机的相应绕组通电，从而使电机始终向需要的方向转动。这个信号上面讲过有120°和60°之分，这个角度实际上是这三个信号的电相位之差，120°就是和三相电一样，每个相位和前面的相位角相差120°。60°就是相差60°。 18：数字输出口：该口控制一个LED指示灯，大部分厂商都将该指示灯用作故障情况显示，当控制器有重大故障时该指示灯闪烁不同的次数表示不同的故障类型以方便生产、维修。 19：单片机电源地。 20：单片机电源正。上限是5.5V。 21：数字输入口：外部中断输入，当电流由于意外原因突然增大而不在控制范围时，该口有低电平脉冲输入。单片机收到此信号时产生中断，关闭电机的输出，从而保护重要器件不致损坏或故障不再扩大。 22：数字输出口：同步续流控制端，当电流比较大时，该口输出低电平，控制其后逻辑电路，使同步续流功能开启。该功能在后面详细讲解。 23--28：数字输出口：是功率管的逻辑开关，单片机根据电机转子位置传感器的信号，由这里输出三相交流信号控制功率MOSFET开关的导通和关闭，使电机正常运转。

无刷直流电机的驱动及控制

无刷直流电机驱动 James P. Johnson, Caterpiller公司 本章的题目是无刷直流电动机及其驱动。无刷直流电动机（BLDC）的运行仿效了有刷并励直流电动机或是永磁直流电动机的运行。通过将原直流电动机的定子、转子内外对调—变成采用包含电枢绕组的交流定子和产生磁场的转子使得该仿效得以可能。正如本章中要进一步讨论的，输入到BLDC定子绕组中的交流电流必须与转子位置同步更变，以便保持磁场定向，或优化定子电流与转子磁通的相互作用，类似于有刷直流电动机中换向器、电刷对绕组的作用。该原理的实际运用只能在开关电子学新发展的今天方可出现。BLDC电机控制是今天世界上发展最快的运动控制技术。可以预见，随着BLDC的优点愈益被大家所熟知且燃油成本持续增加，BLDC必然会进一步广泛运用。 2011-01-30 23.1 BLDC基本原理 在众文献中无刷直流电动机有许多定义。NEMA标准《运动/定位控制电动机和控制》中对“无刷直流电动机”的定义是：“无刷直流电动机是具有永久磁铁转子并具有转轴位置监测来实施电子换向的旋转自同步电机。不论其驱动电子装置是否与电动机集成在一起还是彼此分离，只要满足这一定义均为所指。”

图23.1 无刷直流电机构形 2011-01-31 若干类型的电机和驱动被归类于无刷直流电机，它们包括： 1 永磁同步电机（PMSMs）； 2 梯形反电势(back - EMF)表面安装磁铁无刷直流电机； 3 正弦形表面安装磁铁无刷直流电机； 4 内嵌式磁铁无刷直流电机； 5 电机与驱动装置组合式无刷直流电机； 6 轴向磁通无刷直流电机。 图23.1给出了几种较常见的无刷直流电机的构形图。永磁同步电机反电势是正弦形的，其绕组如同其他交流电机一样通常不是满距，或是接近满距的集中式绕组。许多无刷直流电

直流无刷电机的控制技术

直流无刷电机的控制技术 摘要围绕直流无刷电机控制运用广泛技术——基于DSP的控制系统进行了系统研究，采取模糊控制策略，设计出上位监控系统，数字化、智能化的控制系统提出方案，实践证明了系统的平稳性和快速性满足要求。 关键词直流无刷电机；DSP控制；模糊控制 0引言 数字信号（Digital Signal Processing ，DSP）是涉及很多学科，它广泛被用于很多学科与技术领域。数字信号处理器称为DSP芯片，适用在数字信号处理运算的微处理器，能够快速的在数字信号处理算法上实现。现今，DSP芯片用于运动上的控制、数控机床的控制、航天航空的控制、电力系统上的操作、自动化仪器的控制等各个领域[1]，该文主要介绍这种基于DSP芯片控制直流无刷电机智能化控制系统的设计。 1 系统结构设计 系统组成由“PC 上位机、电源单元、TMS320LF2407 DSP芯片、无刷直流电机、检测单元、功率驱动模块、通讯接口”等。（见图1） 1.1 DSP芯片的选择 DSP芯片的选择是很重要的，选对了DSP芯片才能设计出其外围电路和其他电路。DSP芯片的选择要根据实际的应用系统进行确定。DSP芯片由于场合不同选择的也就不同，我们要考虑DSP芯片的运算速度、价格、运算精度、功耗、硬件的资源等。我们根据系统要求，选择TI公司TMS320LF2407芯片。 1.2无刷直流电机 该电机采取1500转/分, 无刷直流电机采用1.78A、27V电压进行供电，电机换向电路主要是由控制和驱动组成，直流无刷电机自身属于机电能量转换部分，该部分由电机电枢、永磁、传感器组成。我们把电机的电轴绕组在定子上、把永磁放在转子上，其目的是为了实现换向。无刷直流电机的工作方式是两相导通的星型3相6状态，这样操作方式是因为转子在旋转定子电流中进行不断换相来保证两个磁场电流方向不发生改变，控制3相定子电流通电顺序与大小控制电机旋转的速度。 1.3功率的驱动模块 TOSHIBA公司采用IPM系列智能型模块，IPM主要集成了检测、控制、逻辑、保护电路这样有效提高了稳定性与可靠性。东芝的高速光耦TLP550（F）是

51单片机直流无刷电机控制

基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机 学号：3100501044 班级：电气1002 ：王辉军

摘要 直流无刷电机是同步电机的一种，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。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。直流无刷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。也就是说直流无刷电机能够在额定负载围当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 MCS-51单片机是美国英特尔公司生产的一系列单片机的总称，是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力的微处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入输出接口电路、定时计算器、串行通信口、脉宽调制电路、A/D转换器等电路集成到一块半导体硅片上，这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。 本论文将介绍基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机的设计，它可以实现控制直流无刷电动机的启动、停止、急停、正反转、加减速等功能。 关键词：单片机，直流无刷电动机，控制系统

直流无刷电动机是在直流电动机的基础之上发展而来的，它是步进电动机的一种，继承了直流电动机的启动转矩大、调速性能好等特点克服了需要换向器的缺点在交通工具、家用电器及中小功率工业市场占有重要的地位。直流无刷电动机不仅在电动自行车、电动摩托车、电动汽车上有着广泛的应用，而且在新一代的空调机、洗衣机、电冰箱、吸尘器，空气净化器等家用电器中也有逐步采用的趋势，尤其是随着微电子技术的发展，直流无刷电动机逐渐占有原来异步电动机变频调速的领域，这就使得直流无刷电动机的应用围越来越广。 本设计就是基于MCS-51系列单片机控制直流无刷电动机，利用所学的知识实现单片机控制直流无刷电动机的启动、停止、急停、正反转，加减速等控制，并对直流无刷电动机运行状态进行监视和报警。详细介绍单片机的种类、结构、功能、适用领域和发展历史、未来前景及其直流无刷电动机的工作原理、控制结构等容，既着重单片机的基本知识、功能原理的深入阐述，又理论联系实际详细剖析单片机控制直流无刷电动机的过程。 1．直流无刷电动机的基本组成 直流无刷电动机是在直流电动机的基础上发展而来的，直流无刷电动机继承了直流电动机启动转矩大、调速性能好的优点，克服了直流电动机需要换向器的缺点，在交通工具、家用电器等生活的方方方面面占有重要的地位。 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。 直流无刷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3-1所示为三相两极直流无刷电机结构。 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、

基于TMS320F2812的无刷直流电机控制

基于TMS320F2812的无刷直流电机控制 以前一个项目里有一部分是使用2812控制无刷直流电机，这里分享一下软硬件设计和程序代码： 1.无刷直流电机的结构和换相原理 无刷直流电机的本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他启动装置。其转子采用永磁材料制成，而定子上有多相电枢绕组，绕组相数分为两相、三相、四相和五相，但应用最多的是三相和四相。各相绕组分别与外部的电力电子开关电路中相应的功率开关器件连接，位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。 当定子绕组的某一相通电时，该相电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置变换成电信号去控制电力电子开关电路，从而使定子各相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，这就是直流无刷电动机的换流原理。由于电力电子开关电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。 基于TMS320F2812的无刷直流电机控制系统结构图如图1所示。图1中，直流电源通过开关电路相电动机定子绕组供电，位置传感器采用了霍尔传感器，可不断检测转子当前位置，DSP控制器根据当前位置信息来判断哪一相绕组被接通，进而控制开关管的导通与截止，实现电机的换相。 图1 直流无刷电动机控制系统结构图

图2 电子换相器的工作原理图 图2给出了一个三相无刷直流电机电子换相原理图。图中符号H1、H2和H3表示三个霍尔位置传感器，它们输出电平信号。当电机的转子运行到x-u平面的正半周（图中虚线标出的区间），则H1传感器输出高电平。同理，当电机的转子分别运行到y-v和z-w，平面的正半周（图中虚线标出的区间），则对应的H2和H3分别输出高电平。由图可见，H1、H2和H3输出高电平的区间是互有重叠的，如果将H1、H2和H3的输出电平组合成一个向量[H1 H2 H3]，则可以得到6种有效组合：[001]、[010]、[011]、[100]、[110]和[101]，每种组合覆盖整个圆周的1/6（即60°）。控制器根据这六个状态组合来决定开关电路的哪一相被接通以维持电机的运行，当状态发生变化时，就必须进行相位的切换。对于电机的三相绕组，A、B和C，采用ANC表示直流母线电压施加到A-C绕组之间；CNA则表示直流母线电压施加到C-A绕组之间，其他类似。注意ANC电流从A→C，而CAN电流从C→A，作为直流电机，绕组电流相反意味着受力是相反的，会导致电机反向转动。 图3给出了6种状态组合下对应的通电绕组的情况，例如在状态[001]通电绕组是ANB。如果电机正转，则下一个组合状态为[101]，故应将通电绕组切换为ANC；同理，如果电机反转，则下一个组合状态为[101]，故通电绕组应该切换为CNB，以次类推。表1给出了电机正向旋转时，转子位置传感器输出的状态组合[H1 H2 H3]与下一个导通绕组之间的对应关系。表2给出了电机反转时的情况。

无刷直流电机控制系统的设计

1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。 1955年，美国的D.Harrison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，形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内，都停

直流无刷电机转速控制

一、 直流无刷电机转速控制 1. 模拟PID 控制 1.1 模拟PID 控制原理 在模拟控制系统中，最常用的控制器就是模拟PID 控制器。以下图所示直流电机 控制系统为例，说明PID 控制器控制电机转速的原理。图中)(0t n 为转速设定值，)(t n 为转速反馈值，)()()(0t n t n t e -=为偏差信号，偏差信号通过PID 控制器后产生控制作用作用于直流电机从而控制电机转速到设定值。 常见的模拟PID 控制系统如下图所示。PID 控制器由比例、积分、微分的线性组合构成。控制规律如下： ]) ()(1)([)(0?++=t d i p dt t de T d e T t e K t u ττ * 其中： p K ——控制器的比例系数 i T ——控制器的积分系数 d T ——控制器的微分系数 1) 比例部分 比例部分的数学表达式：)(t e K p 。 比例部分的作用是对偏差信号做出快速反应，一旦控制器检测到偏差，比例部分就 能迅速产生控制作用，且偏差越大，控制作用越强。但仅存在比例控制的系统存在稳态偏差。比例系数越大，响应越快，过渡越快，稳态偏差也越小，但系统也越不稳定，因此比例系数必须选择恰当。 2) 积分部分 积分部分的数学表达式： ?t i p d e T K 0 )(ττ。

从积分部分表达式可以看出，只要系统输出与设定值存在偏差，积分作用就会不断增加，知道偏差为零，因此积分部分可以消除稳态偏差。但积分作用会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数越小，积分作用越强，过渡过程容易产生震荡，但回复时间减小；积分常数越大，积分作用越弱，过渡过程不产生震荡，但回复时间增长。因此应根据具体情况选取积分常数。 3) 微分部分 微分部分的数学表达式： dt t de T K d p ) (。 微分作用能阻值偏差的变化。它根据偏差的变化趋势进行控制。偏差变化越快，微分作用越强，能在偏差变化之前就行控制。微分作用的引入有助于减小超调量，克服振荡；但微分作用对噪声很敏感，导致系统的错误响应，使系统不稳定。 为实现PID 控制器的软件实现，将式*进行适当离散化，即离散PID 。 2. 数字PID 控制 2.1 位置式PID 算法 离散化处理的方法是，以T 为采样周期，对模拟信号进行采样，以k 为采样序列号，进行以下近似： T e e dt t de e T d e kT t k k k j j t 1 )()(-=-≈≈≈∑?ττ 将上式带入式*，得到如下式所示的位置式离散PID 控制规律。 ][1 T e e T e T T e K u k k d k j j i k p k -=-++ =∑ ** 由于位置式PID 要对t 时刻之前的所有输出进行记录，工作量大，对计算机硬件要求高。增量式PID 可避免这些。 2.2 增量式PID 算法 由式**得到 ][2 11 11T e e T e T T e K u k k d k j j i k p k ---=---++ =∑ 将式**与上式相减，得到增量式PID 控制规律如下 211)21()1(---++-++ =-=?k d p k d p k d i p k k k e T T K e T T K e T T T T K u u u *** 一旦得出控制作用的增量，就可递推得出当前控制作用的输出。 2.3 控制器参数整定 1) 离线整定法 步骤 1：将控制器从“自动”模式切换至“手动”模式（此时控制器输出完全由人工控制），人为以阶跃方式增大或减少控制器输出，并记录控制器相关的输入输出动态响应数据。 步骤 2：由阶跃响应数据估计特性参数 K , T ,τ。

电动车无刷电机控制器软件设计详解

电动车无刷电机控制器软件设计详解作者:谢渊斌原作发表在《电子报2007年合订本》下册版权保留，转帖请注明出处本文以MICROCHIP公司所生产的PIC16F72为基础说明软件编程方面所涉及的要点，此文所涉及的源程序均以PIC的汇编语言为例。由于软件不可避免需与硬件相结合，所以此文可能出现硬件电路图或示意图。本文适合在单片机编程方面有一定经验的读者，有些基础知识恕不一一介绍。我们先列一下电动车无刷马达控制器的基本要求：功能性要求：1.电子换相2.无级调速3.刹车断电4.附加功能a.限速b.1+1助力c.EBS柔性电磁刹车d.定速巡航e.其它功能(消除换相噪

音，倒车等)安全性要求：1.限流驱动2.过流保护3.堵转保护3.电池欠压保护4.节能和降低温升5.附加功能(防盗锁死，温升限制等)6.附加故障检测功能从上面的要求来看，功能性要求和安全性要求的前三项用专用的无刷马达驱动芯片加上适当的外围电路均不难解决，代表芯片是摩托罗拉的MC33035，早期的控制器方案均用该集成块解决。但后来随着竞争加剧，很多厂商都增加了不少附加功能，一些附加功能用硬件来实现就比较困难，所以使用单片机来做控制的控制器迅速取代了硬件电路芯片。但是硬件控制和软件控制有很大的区别，硬件控制的反应速度仅仅受限于逻辑门的开关速度，而软件的运

行则需要时间。要使软件跟得上电机控制的需求，就必须要求软件在最短的时间内能够正确处理换相，电流限制等各种复杂动作，这就涉及到一个对外部信号的采样频率，采样时机，信号的内部处理判断及处理结果的输出，还有一些抗干扰措施等，这些都是软件设计中需要再三仔细考虑的东西。PIC16F72是一款哈佛结构，精简指令集的MCU，由于其数据总线和指令总线分开，总共35条单字指令，0-20M的时钟速度，所以其运算速度和抗干扰性能都非常出色，2K 字长的FLASH程序空间，22个可用的IO 口，同时又附加了3个定时/计数器，5个8位AD口，1个比较/捕捉/脉宽调制器，8个

(完整版)无刷直流电机经典换相方式

1、引言 你希望在你的新产品中使用无刷伺服电机吗？平时，我们可能也常碰到一些关键词，例如“梯形波式”，“正弦波式”和“矢量控制”。只有当你了解了他们的真正含义，才能在你的新设计中选择正确的产品。 在过去的十年甚至二十年中，伺服电机市场已经从有刷伺服转变成无刷伺服的市场，这主要是由无刷伺服的低维修率和高稳定性所决定的。在这十几年中，驱动部分在电路和系统方面的技术已发展的非常完善。控制方式也已经完全可以实现那些关键词所描述的功能。 大部分的高性能的伺服系统都采用一个内部控制环来控制力矩。这个内部的力矩环通过和外部的速度环和位置环的配合以达到不同的控制效果。外部控制环的设计是与匹配的电机没有关系的，而内部的力矩环的设计则与所匹配的电机的性能息息相关。 有刷电机的力矩控制是非常简单的，因为有刷电机自身可完成换相工作。所输出的力矩是和有刷电机两极输入的直流电压成正比的。力矩也可通过P-I控制回路轻松地得到控制。P-I控制回路的主要功能就是通过检测电机实际电流和控制电流之间的偏差，实时地调整电机的输入电压。 图1 由于无刷电机自身没有换相功能，所以相对应的控制方式就比较复杂。无刷电机有三组线圈，有别于有刷电机的两组线圈。为了获得有效的力矩，无刷电机的三组线圈必须根据转子的实际位置进行相互独立的控制。这种驱动方式就充分地说明了对无刷电机控制的复杂性。 2、无刷电机基础 简单来说，无刷电机主要由旋转的永磁体（转子）和三组均匀分布的线圈（定子）组成，线圈包围着定子被固定在外部。电流流经线圈产生磁场，三组磁场相互叠加形成一个矢量磁场。通过分别控制三组线圈上的电流大小，我们可以使定子产生任意方向和大小的磁场。同时，通过定子和转子磁场之间的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到控制。

两种新型实用直流无刷电机控制器的设计与实现_邱明

控制器中电子换相电路的设计方法有很多。对于有位置传感器的无刷电机，用中小规模数字集成电路和经典的数字电路设计方法即可实现。例如，用可编程 逻辑器件ＣＰＬＤ可在计算机上完成硬件设计、波形 仿真和下载。目前用于无刷电机控制的专用集成 电路种类有很多，如ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司生产的 ＭＣ３３０３５、东芝公司生产的ＴＡ７２４７芯片等。这些专 用芯片对使用电压、工作电流及电机类型都有一 定要求。实践证明使用专用芯片设计控制器在芯 片的选择、驱动电路设计及试验等环节并非省时 省力。在参考和分析了多种专用集成电路工作原 理后，用ＰＩＣ单片机设计出两种有位置传感器的无 刷电机控制器，同时与专用集成电路设计的控制 器进行了对比，得出以下三方面结论： （１）单片机在改变功能和价格上优于专用芯片； （２）软件程序便于加密，有利于知识产权的保护； （３）软件编程灵活，可根据用户需求增加和完善功 能。 有了ＰＩＣ单片机的控制核，只要改变外围驱 动、保护、输出电路，即可对不同功率、不同电压或 内部结构不同的无刷直流电机实现控制。 １控制核心 控制器采用ＰＩＣ１６Ｆ８７７或ＰＩＣ１６Ｆ８７６单片机， 使用的功能和接口有：八路输入（ＰＩＣ１６Ｆ８７６为四 路输入）１０位Ａ／Ｄ转换器，分辨率达十位的ＰＷＭ 脉宽调制输出口ＣＣＰ１，可响应外部逻辑电平变化 时产生中断的端口Ｂ０、Ｂ４、Ｂ５，用于换相输出的端 口Ｃ。核心部分结构如图１和图２所示。 ２高电压大功率控制器工作原理 该控制器是针对大功率高电压无刷直流电机 设计的，电源取自２２０Ｖ交流电压整流滤波后产生 的３００Ｖ左右的直流电压（电机功率范围为５００Ｗ￣ ２０００Ｗ）来对智能功率模块输出部分供电。为简化 硬件电路，降低元器件成本，单片机及相关的控制电路供电部分由一只小变压器降压后提供。低压电源提供五组独立输出，其中一组给单片机供电，完全隔离。另四组提供给功率模块内部驱动电路。整个控制部分所需 两种新型实用直流无刷电机控制器的设计与实现 邱明，张曙明，曲金泽 （北京联合大学实训基地电工电子中心，北京１００１０１） 摘要：直流无刷电动机通过电子换相实现电机运转，与有刷直流（机械换相）电机相比具有噪声低、无电火花干扰、效率高、使用寿命长等优点。所介绍的控制器用ＰＩＣ单片机完成电子换相及调速控制，其中，软件实现转子位置检测、旋转磁场信号输出及电机ＰＷＭ调速。 关键词：直流无刷旋转磁场ＰＷＭ调速智能功率模块 ７７ 《电子技术应用》２００６年第１０期本刊邮箱：ｅｔａ＠ｎｃｓｅ．ｃｏｍ．ｃｎ

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。

PID算法在无刷直流电机调速电路中的应用

PID算法在无刷直流电机调速电路中的应用 摘 要：在分析了无刷直流电机闭环速度控制方案的基础上,针对PID算法在无刷直流电机应用中出现的种种问题,给出了相应的解决方法,提出了非线性变速 积分PID算法,成功地解决了在低采样周期时PID算法的积分饱和问题。 直流电机具有良好的调速性能,如无级调速、调速范围宽、低速性能好、高起动转矩、高效率等。无刷直流电机由于采用电子换向,PWM调速,在进一步提高直流电机性能的同时又克服了直流电机机械换向带来的一系列问题,从而大大延长了电机的使用寿命,近年来已广泛应用于家电、汽车、数控机床、机器人等领域。 1、无刷直流电机的速度控制方案 对无刷直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差 率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范围可以大大提高。无刷直流电机的速度控制方案如图1所示。 无刷直流电机控制器可采用电机控制专用DSP（如TI公司的TMS320C24X 系列、AD公司的ADMCxx系列），也可采用单片机＋无刷直流电机控制专用集成电路的方案。前者集成度高，电路设计简单，运算速度快，可实现复杂的速度控制算法，但由于DSP的价格高而不适合于小功率低成本的无刷直流电机控制器。后者虽然运算速度低，但只要采用适当的速度控制算法，依然可以达到较高的控制精度，适合于小功率低成本的无刷直流电机控制器。 摩托罗拉公司的第二代无刷直流电机控制专用集成电路MC33035，集成了转子位置传感器译码器电路、脉宽调制电路（PWM）、功率输出驱动电路、限流电路，可以实现无刷直流电机速度开环系统的全部控制功能。系统中采用了一片MC33035、一片低成本的单片机AT89C2051、串行输入A／D、串行输出D／A 以及由MOSFET型场效应管组成的功率驱动电路，无刷电机控制逻辑和保护由MC33035完成，单片机用来完成转速设定值的获取、转速反馈的实时采样以及速度控制算法的实现。

什么是无刷电机的矢量控制技术

什么是矢量控制？它有什么优点？ 你希望在你的新产品中使用无刷伺服电机吗？平时，我们可能也常碰到一些关键词，例如“梯形波式”，“弦波式”和“矢量控制”。只有当你了解了他们的真正含义，才能在你的新设计中选择正确的产品。 在过去的十年甚至二十年中，伺服电机市场已经从有刷伺服转变成无刷伺服的市场，这主要是由无刷伺服的低维修率和高稳定性所决定的。在这十几年中，驱动部分在电路和系统方面的技术已发展的非常完善。控制方式也已经完全可以实现那些关键词所描述的功能。 大部分的高性能的伺服系统都采用一个内部控制环来控制力矩。这个内部的力矩环通过和外部的速度环和位置环的配合以达到不同的控制效果。外部控制环的设计是与匹配的电机没有关系的，而内部的力矩环的设计则与所匹配的电机的性能息息相关。 有刷电机的力矩控制是非常简单的，因为有刷电机自身可完成换相工作。所输出的力矩是和有刷电机两极输入的直流电压成正比的。力矩也可通过P-I控制回路轻松地得到控制。P-I 控制回路的主要功能就是通过检测电机实际电流和控制电流之间的偏差，实时地调整电机的输入电压。 图一 由于无刷电机自身没有换相功能，所以相对应的控制方式就比较复杂。无刷电机有三组线圈，有别于有刷电机的两组线圈。为了获得有效的力矩，无刷电机的三组线圈必须根据转子的实际位置进行相互独立的控制。这种驱动方式就充分地说明了对无刷电机控制的复杂性。 无刷电机基础 简单来说，无刷电机主要由旋转的永磁体（转子）和三组均匀分布的线圈（定子）组成，线圈包围着定子被固定在外部。电流流经线圈产生磁场，三组磁场相互叠加形成一个矢量磁场。通过分别控制三组线圈上的电流大小，我们可以使定子产生任意方向和大小的磁场。同时，通过定子和转子磁场之间的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到控制。

电动车无刷控制器电机线和霍尔线常规接法

针对目前控制器普通版本和标准版本需要对相序给出常规接法（本公司智能自学习版本无需对相序），?? 无刷电机为3相6拍控制，因此3根霍尔状态对应3根电机线6种输出状态，不同组合有36种接法，其中有6种接法能让电机运转正常，且这6种接法里有3种接法是正转另3种接法是反转。所以我们有必要掌握接线规则。 一：首先我们得让电机正常转起来，通常是霍尔插头直接插上，调整电机线。 以下给出6种规律接法，必定有1种能让电机运转正常 1》电机线蓝色对控制器蓝色电机线绿色对控制器绿色电机线黄色对控制器黄色 2》电机线蓝色对控制器蓝色电机线绿色对控制器黄色电机线黄色对控制器绿色 3》电机线黄色对控制器黄色电机线蓝色对控制器绿色电机线绿色对控制器蓝色 4》电机线绿色对控制器绿色电机线蓝色对控制器黄色电机线黄色对控制器蓝色 5》电机线蓝色对控制器黄色电机线黄色对控制器绿色电机线绿色对控制器蓝色 6》电机线黄色对控制器蓝色电机线蓝色对控制器绿色电机线绿色对控制器黄色 总结以上规律我们可以编出一套顺口溜方便记忆 一般控制器是放在上方的，电机是放在下方的，我们可以这么记忆 1》颜色对颜色 2》蓝对蓝，其它2色对调 3》黄对黄，其它2色对调 4》绿对绿，其它2色对调 5》上蓝对下蓝，其它2色对调 6》上黄对下蓝，其它2色对调 霍尔有正有反，说明该电机是60°相位角，没有正反就是120°相位角。你可按原样放入（可稍稍用502瞬间胶固定）将三个霍尔的正极和负极分别并联后与电机引出线中细的红、黑线相连焊接（注意绝缘）将三个霍尔的信号线分别与电机引出线中细的黄、绿，蓝线相连焊接（注意绝缘）。

二：以上接法能让电机运转正常，但不一定是正转，如果你要调成正转可将电机线A相C相对调，霍尔线A相B相对调。 无刷电机相角的判断 无刷电机的相角是无刷电机的相位代数角的简称，指无刷电机各线圈在一个通电周期里面线圈内部电流方向改变的角度。电动车用无刷电机常见的相位代数角有120°与60°两种。 □观察霍耳元件安装空间位置判断无刷电机的相角 120°和60°两种相角电机的霍耳元件安装空间位置不一样。 □测量霍耳真值信号判断无刷电机的相角 在此需要先说明一下的是什么叫无刷电机的磁拉力角.无刷电机的磁钢数量一般是 12片、16片或18片,其对应的定子槽数是36槽、48槽或54槽。电机在静止状态时，转子磁钢的磁力线有沿磁阻最小方向行走的特性，因此转子磁钢所停顿的位置恰好为定子槽凸极的位置。磁钢不会停在定子槽心的位置，这样转子与定子的相对位置只有36种、48种或54种这有限的几个位置。因此无刷电机的最小磁拉力角就是360/36°、360/48°或360/54°。

对直流无刷电机的pid控制

PID闭环速度调节器采用比例积分微分控制 闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称PID控制），其输出是输入的比例、积分和微分的函数。PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型，因此PID 调节器得到了广泛的应用。 PID调节器虽然易于使用，但在设计、调试无刷直流电机控制器的过程中应注意：PID调节器易受干扰、采样精度的影响，且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作用。所以，在不影响控制精度的前提下对PID控制算法加以改进，关系到整个无刷直流电机控制器设计的成败。 2速度设定值和电机转速的获取 为在单片机中实现PID调节，需要得到电机速度设定值（通过A／D变换器）和电机的实际转速，这需要通过精心的设计才能完成。 无刷直流电机的实际转速可通过测量转子位置传感器（通常是霍尔传感器）信号得到，在电机转动过程中，通过霍尔传感器可以得到如图2所示的周期信号。 由图2可知，电机每转一圈，每一相霍尔传感器产生2个周期的方波，且其周期与电机转速成反比，因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短一次速度采样的时间，可测得任意一相霍尔传感器的一个正脉冲的宽度，则电机的实际转速为：但由于利用霍尔传感器信号测速，所以测量电机转速时的采样周期是变化的，低速时采样周期要长些，这影响了PID 调节器的输出，导致电机低速时的动态特性变差。解决的办法是将三相霍尔传感器信号相“与”，产生3倍于一相霍尔传感器信号频率的倍频信号，这样可缩短一次速度采样的时间，但得增加额外的硬件开销。直接利用霍尔传感器信号测速虽然方便易行，但这种测速方法对霍尔传感器在电机定子圆周上的定位有较严格的要求，当霍尔传感器在电机定子圆周上定位有误差时，相邻2个正脉冲的宽度不一致，会导致较大的测速误差，影响PID调节器的调节性能。若对测速精度要求较高时，可采用增量式光电码盘，但同样会增加了电路的复杂性和硬件的开销。 电机速度设定值可以通过一定范围内的电压来表示。系统中采用了串行A／D（如ADS7818）来实现速度设定值的采样。但在电机调速的过程中，电机控制器的功率输出部分会对A／D模拟输入电压产生干扰，进行抗干扰处理。 3非线性变速积分的PID算法 （1）PID算法的数字实现 离散形式的PID表达式为： 其中：KP，KI，KD分别为调节器的比例、积分和微分系数；E（k），E（k－1）分别为第k 次和k－1次时的期望偏差值；P（k）为第k次时调节器的输出。 比例环节的作用是对信号的偏差瞬间做出反应，KP越大，控制作用越强，但过大的KP会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。积分环节的作用虽然可以消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量，甚至使系统出现等幅振荡，减小KI可以降低系统的超调量，但会减慢系统的响应过程。微分环节的作用是阻止偏差的变化，有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，但其对干扰敏感，不利于系统的鲁棒性。 （2）经典PID算法的积分饱和现象 当电机转速的设定值突然改变，或电机的转速发生突变时，会引起偏差的阶跃，使｜E（k）｜增大，PID的输出P（k）将急剧增加或减小，以至于超过控制量的上下限Pmax，此时的实际控制量只能限制在Pmax，电机的转速M（k）虽然不断上升，但由于控制量受到限制，其增长的速度减慢，偏差E（k）将比正常情况下持续更长的时间保持在较大的偏差值，从而使得PID 算式中的积分项不断地得到累积。当电机转速超过设定值后，开始出现负的偏差，但由于积分项已有相当大的累积值，还要经过相当一段时间后控制量才能脱离饱和区，这就是正向积分饱和，反向积分饱和与此类似。解决的办法：一是缩短PID的采样周期（这一点单片机往往达不到），

DSP无刷直流电动机驱动控制程序

2.4 无刷直流电动机驱动控制程序 //########################################################################## ###/// //无刷电机控制源程序 //TMS320F2812 // //########################################################################## ### //===================================================================== //头文件调用 //===================================================================== #include "DSP28_Device.h" #include "math.h" #include "float.h" //===================================================================== //常量附值 //===================================================================== #define Idc_max 3000 //电流给定最大值 #define Idc_min 0 //电流给定最小值 //===================================================================== //标志位 //===================================================================== char Iab_Data=0; struct Flag_Bits { // bits description

无刷直流电机控制系统的设计(一)

1 引言 无刷直流电机最本质的特征就是没有机械换向器与电刷所构成的机械接触式换 向机构。现在,无刷直流电机定义有俩种:一种就是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机,而正弦波直流电机则被认为就是永磁同步电机。另一种就是方波/梯形波直流电机与正弦波直流电机都就是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体,带转子位置信号,通过电子换相控制的自同步旋转电机”,其换相电路可以就是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义,把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始,由于人们生活水平的不断提高与现代化生产、办公自动化的发展,家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展,电机作为设备的重要组成部分,必须具有精度高、速度快、效率高等优点,因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1、1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机就是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代,第一台直流电动机研制成功,经过70多年不断的发展,直流电机进入成熟阶段,并且运用广泛。 1955年,美国的D、Harrison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,形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初,霍尔元件等位置传感器与电子换向线路的发现,标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初,德国人Blaschke提出矢量控制理论,无刷直流电机的性能控制水 平得到进一步的提高,极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年,在北京举办的德国金属加工设备展览会上,西门子与博世两公司展出了永磁自同步伺服系统与驱动器,引起了我国有关学者的注意,自此我国开始了研制与开发电机控制系统与驱动的热潮。目前,我国无刷直流电机的系列产品越来越多,形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展,无刷直流电机发展的初期,由于大功率开关器件的发展处于初级阶段,性能差,价格贵,而且受永磁材料与驱动 控制技术的约束,这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内,都停留在实验阶段,无法推广到实际中使用,1970年以后,半导体的快速发展,许多新型的全控型半导体功率