摘 要
无刷直流电动机是新型机电一体化电机，其鲜明的特征和使用技术越来越受到关注，已成为微特电机明显的发展趋势。采用综述的方法介绍了无刷直流电动机控制技术的研究意义，总结了国内外无刷直流电动机控制技术的研究现状和研究成果，随着控制理论和控制技术的发展，无刷直流电动机在调速范围、转矩脉动、系统鲁棒性等性能方面都在不断提高。
永磁无刷直流电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，故在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。
本文在对永磁无刷直流电动机控制系统的发展及应用综述的基础上，详细的介绍了无刷直流电动机的结构和工作原理，给出了其数学模型，其中包括：电压方程，反电动势，转矩方程，机械特性，调节特性，工作特性，然后介绍了无刷直流电动机主电路工作方式，详细的阐述了位置传感器方法，包括有位置传感器和无位置传感器，最后阐述了无刷直流电动机的控制方法。
关键词：PID控制 ；PWM控制 ；有位置传感器控制 ；无位置传感器 ；智能控制
ABSTRACT
Brushless direct current motor (BLDCM) is the new integrated macaronis motors with more and more focus on its technology characteristic and practical application. It also has become the development tendency of small and special electrical machinery. The significance of the control technology research of brushless direct current motor is introduced in the article. The present condition and research achievement on the control technology of brushless DC motor both at home and abroad are summarized .With the improvement of the control theory and technology, the performance of robustness of system, torque ripple, and speed range have all been improved.
The Permanent Magnet Brushless DC Motor has many advantages by its characteristics such as fast response ,easiness to control ,reliability ,smaller volume ,lighter weight ,energy saving ,high efficiency ,high adaptability in rough environment and low cost etc .Because of all above these merits ,it has been used more and more in lots of field including the medical machine ,instruments and meters ,chemical industry ,spinning industry and home electrical machines.
In this paper, the permanent magnet brushless DC motor control system for the development and application reviewed on the basis of detailed introduction of a brushless DC motor of the structure and working principle, given its mathematical models, including: voltage equation, Anti-electromotive force, torque equation, mechanical properties and regulating characteristics, work characteristics, and then introduced the main circuit brushless DC motor work, described in detail the position sensors, including a position sensor and a position sensor, the last on the brushless DC motor control method.
Keywords：PID control ;PWM control ;Sensor control ;Sensorless control ;intelligent control
目 录
1 绪论 .................................................................................................................................1
1.1无刷直流电动机发展 ............................................................................................1 1.2无刷直流电动机国内外研究现状 ........................................................................2 1.3无刷直流电动机的应用 ........................................................................................3
1.3.1在汽车中的应用 ..........................................................................................3 1.3.2在电动自动车中的应用 ..............................................................................4 1.3.3在电起动摩托车中的应用 ..........................................................................4 1.3.4在家用电器中的应用 ..................................................................................5 1.3.5在工业自动化设备领域的应用 ..................................................................5 1.3.6在精密电子设备和器械中的应用 ..............................................................5 1.3.7其它领域的应用 ..........................................................................................6 1.4无刷直流电动机的特点 ........................................................................................6 2 无刷直流电动机系统 .....................................................................................................8
2.1无刷直流电动机的组成 ........................................................................................8 2.2无刷直流电动机的基本工作原理 ...................................................................... 11 2.3无刷直流电动机的数学模型 ..............................................................................13
2.3.1电压方程 ....................................................................................................14 2.3.2反电动势 ....................................................................................................15 2.3.3转矩方程 ....................................................................................................15 2.4无刷直流电动机的运行特性 ..............................................................................16
2.4.1机械特性 ....................................................................................................16 2.4.2调节特性 ....................................................................................................17 2.4.3工作特性 ....................................................................................................17
3 无刷直流电动机主电路的工作方式 ...........................................................................19
3.1星形连接三相半桥式主电路 ..............................................................................19 3.2星形连接三相桥式主电路 ..................................................................................20 3.3角形连接三相桥式主电路 ..................................................................................23 4 无刷直流电动机转子位置信号检测 ...........................................................................25
4.1转子位置传感器 ..................................................................................................25
4.1.1电磁式位置传感器 ....................................................................................25 4.1.2磁敏式位置传感器 ....................................................................................26 4.1.3光电式位置传感器 ....................................................................................27 4.2无位置传感器检测 ..............................................................................................29
4.2.1常用的无位置传感器位置检测方法 ........................................................29 4.2.2反电动势过零检测法 ................................................................................30 4.2.3定子三次谐波检测法 ................................................................................34
5 无刷直流电动机的控制原理及其控制方法 ...............................................................39
5.1直流调速系统 ......................................................................................................39
5.1.1单闭环直流调速 ........................................................................................39 5.1.2双闭环直流调速 ........................................................................................40 5.2数字控制系统中PID控制算法的实现 .............................................................41 5.3 PWM调制方式 ...................................................................................................44 5.4正反转运行控制PWM .......................................................................................48 5.5无刷直流电动机的控制方法 ..............................................................................51
5.5.1带位置传感器的无刷直流电动机控制 ....................................................51 5.5.2无位置传感器的无刷直流电动机控制 ....................................................52 5.5.3智能控制 ....................................................................................................53
6 结论 ...............................................................................................................................56 参考文献 ...........................................................................................................................57 翻译部分 ...........................................................................................................................58
英文原文 ....................................................................................................................58 中文译文 ....................................................................................................................70 致 谢 ...............................................................................................................................81
中国矿业大学2008届本科生毕业设计 第 1 页
1 绪论
众所周至，交流同步电机具有良好的运行性能，但其启动性能差；交流感应电动机具有结构简单、运行可靠的特点，变量其调节性能差；直流电动机因其具有良好的调节性能和启动性能而被产业界广泛的应用。但是，对于有刷直流电动机而言，由于存在电刷/换向器的机械接触机构，导致造价高，并产生了换向火花、电磁干扰、寿命短和可靠必等问题，从而又限止了它的使用范围。
1.1无刷直流电动机发展
一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大至上万千瓦。直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷，以机械方式方法进行换向，因而存在机械磨擦，由此带有噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上，大多数均采用三机异步电动机。
随着社会生产力的发展，人们生活水平的提高，需要不断地开发各种新型电动机。科学技术的进步，新技术新材料的不断涌现，更促进了电动机产品的不断推陈出新。针对上述传统直流电动机的弊病，早在20世纪30年代，就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的直流无刷电动机，并取得了一定成果。但由于当时大功率电力电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向的元器件。使得这种电动机只能停留在实验室研究阶段，而无法推广使用。1955年，美国D·哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利，这就是现代直流无刷电动机的雏形。但由于该电动机尚无起动转矩而不能产品化。而后又经过人们多年努力，借助于霍尔元件来实现换向的直流无刷电动机终于在1962年问世，从而开创了直流无刷电动机产品化的新纪元。1970年以来，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁永磁材料（如SmCo、NdFeB等）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础，无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这也标志着无刷直流电机走向实用阶段。
随着人们对无刷直流电动机特征了解的日益深人，无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。1986年，H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域，成为无刷直流电机的经典文献，随着无刷直流电动机的理论走向成熟。