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1、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
2、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ABSTRACTBrushless direct current motor (BLDCM) is the new integrated macaronis motors with more and more focus on its tec
3、hnology 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
4、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 advantag
5、es 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
6、 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 structur
7、e 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 s
8、ensors, 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目目 录录1 绪论绪论.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
9、.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
10、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
11、系统395.1.1 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 结论结论.56 参考文献参考文献.57 翻译部分翻译部分.58 英文原文58 中文译文70 致致 谢谢.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
12、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
13、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
14、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
15、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，随着无刷直第 2 页 流电动机的理论走向成熟。1.2 无刷直流电动机国内外研究现状我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。1987 年，在北京举办的联邦
16、德国金属加工设备展览会上，SIEMENS 和 BOSCH 两公司展出了永磁同步伺服系统和驱动器， 引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。 经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生 产规模。对于正弦波的永磁同步电动机系统，国内目前还没有系列产品生产厂家。国际上对无刷电动机进行了深入的研究，先后研制成功方波无刷电动机和正弦波直流无刷电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称 PMSM)。正弦 波型永磁无刷直流电动机的反电势波形和供电电流波形均为正弦波，其控制需要 较为精密的转子位置信号。位置传感器机构较为复杂，成本较高，但其动作方法 灵活，转矩波动小，一般用于伺服控制系。 从机械特性、过载能力、可控性、效率、成本、维护等方面对交流异步电动 机、有刷直流电动机和无刷直流电动机作了定性比较，结果表明，无刷直流电动 机和其它电动机相比具有高可靠性、高效率和优良的调速性能等诸多优越性，并 且随着新型稀土
