无刷直流电机控制系统仿真研究
摘 要 随着社会的进步，人们发现有刷直流电动机有很多缺陷，所以人们渐渐发现了无刷直流电动机，它与有刷直流电动机相比，它拥有摩擦力小，成本低，功率高的特点。所以在现在社会无刷直流电动机正在渐渐代替有刷直流电动机的地位。电刷电动机是因为电动机气隙产生磁场，电驱绕组会通过通电产生感应磁场，通过电刷的换路作用，会使他们始终保持垂直，从而使他们产生最大转矩，使驱动电动机不停运转。 在快速发展的现代社会，无刷直流电动机因为拥有精度大，速度快以及其他一系列特点，所以无刷直流电动机更加适合现在的现代化生产，家用电器，工业机器人等设备。本设计是通过无刷直流电机在单片机的适用，使得单片机可以收集到电平信号，并且人们可以采用软件编程来对无刷直流电动机进行控制。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景和发展 1
1.1.1研究背景 1
1.1.2 无刷直流电机的发展 1
1.2无刷直流电机的优越性 2
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
第二章 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
2.4无刷直流电机的基本方程 9
第三章 无刷直流电机调速系统的MATLAB仿真 10
3.1电源、逆变桥和无刷直流电机模型 11
3.2 换相逻辑控制模块 12
3.3 PWM调制技术 16
3.3.1等脉宽PWM法 17
3.3.22SPWM(Sinusoidal PWM)法 17
3.4控制器和控制电平转换及PWM发生环节设计 17
3.5系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 18
3.5.1起动，阶跃负载仿真 18
3.5.2可逆调速仿真 21
结束语 22
致
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
1.1课题研究的背景和发展
1.1.1研究背景
无刷直流电机(Brushless DCMotor，以下简称BLDC)是靠着电力电子技术及新型永磁材料的提高而迅速发展起来的一种新型电机。因其体积小、重量轻、效率高、惯量小以及控制精度高等特点，并且还保留了普通直流电动机完美的机械特性，广泛应用在光驱、智能机器人、电动交通工具及其他领域。伴随着无刷直流电机应用领域的不断加大，需要控制系统的设计简易、控制算法合理、开发周期短。因创建无刷直流电机控制系统的仿真模型，从而有效的节省控制系统的设计时间，并且及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出，利用计算机仿真的优点，人为地改变系统的结构 ，加入不同的扰动以及参数变化，提高考察系统在不同结构以及不同情况下的动、静态的特性。
永磁直流无刷电动机拥有效率高、功率密度大、调速性能好等一系列特点，从而在工业、交通、航空航天、控制领域以及家用电器领域取得广泛应用，虽然我国与国外在电机制造技术方面的差距很小，但控制系统的研究和开发却需要提高力度。从另外一个角度来说，我国的稀土资源尤其丰富，占世界总储量的75%之多，所以发展直流无刷电动机产业对发展我国的经济有特别的意义。
1.1.2 无刷直流电动机的发展史
无刷直流电动机在现在社会的运动领域已经受到了广泛的使用，过去的有刷直流电动机因为摩擦大，成本比较高，寿命比较短这一系列的缺点，随着社会的进步，人们生活水平的不断的提高，所以人们需要更加完美的直流电动机来满足不断提高的需求。随着社会科技的不提进步，以及不断出现的新材料，所以人们对新型的无刷直流电动机的需求得到了满足。
在1970年，当时的人就开始着手研发一个电流可以永久的代替无刷直流电动机的作用，并且把这个想法落实到了实际当中。但是在当时的科技下，所以还是很难找到符合他们设计时候想到的元件。从而，这个想法只能停在当时的实验室的研究阶段，也没有做到推广。在美国的1955年，首次提出使用晶体管来作为无刷直流电机的代替品使用，这个就是现在的无刷直流电动机的最初模型。但是因为当时的科技技术的限制，所以当时没有将其变成真正的产品，时间飞逝，通过数代人的艰苦专研，终于在1962年，通过霍尔元件真正实现了代替过去的无刷直流电动机的梦想。后来时间飞逝，越来越多的好产品相应问世，像MOS管，GTR，接二连三的问世，说明正在建立稳定的基础。最近的40年，因为无刷直流电动机的外部特征以及内部结构都在更新换代，才真正实现了无刷直流电动机的快速发展。
1.2无刷直流电机的优越性
无刷直流电动机具有响应时间短，他的起动转矩大，他的额定转矩可以提供很高的能量，在一定程度上会减低成本，但是因为电动机气隙会产生磁场，并且电驱绕组通电产生感应磁场，由于电刷的换路作用，使得定子磁场和电驱感应磁场在电动机运行过程永远保持垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停转动。因为其运用范围广，并且功率半导体的开关频率成分的快速发展，可以提高电机的性能，所以要适当调节交换电机在电流中的比例。
其实在现实中，无刷直流电动机也有其不足之处，像成本高，对于小型化的设备来说很复杂，这些不足之处已经达到了影响其发展的程度。现在，电子技术和大规模的生产技术正在快速发展，所以人们需要解决这些问题，来不断提高无刷直流电机的功能。在中国的市场产品，人们可以看出，一些新型的厂家正在研发如何生产高性能的的产品像通用汽车以及防爆电机等，这样可以拓宽人们的产品种类。。
1.3无刷直流电机的应用
在现在社会，无刷直流电动机在各个领域都有涉及，特别在航空航天，自动控制方面以及在自动定位方面都有很明显的作用。在视听设备中也发挥着独一无二的地位，像录音机，摄像机，照相机，投影仪中都是如此。在我国经济快速发展的时代，在软件驱动中的主轴电机，可以使电机在录音机发挥作用，使用了许多直流无刷电机，所以无刷直流电机在现在工业化的工厂中也受到了广泛的使用。
1.4无刷直流电机调速系统的研究现状和未来发展
现在对无刷直流电机的控制中，许多国家在无刷直流电机技术的方面都在日趋成熟，日本和美国是比较好的国家，日本关于无刷直流电动机方面主要在民用以及军事方面比较先进，美国关于无刷直流电动机先进的方面主要表现在研究的方面，并且以下3个方面是最主要的：第一个在传感器的控制技术的研究方面，关于如何提高其可靠性，稳定性，以及性价比。第二个在电机的设计以及其控制方法方面，本章主要为了提高其应有的领域。第三个在提高其内部结构以及外部造型的方面。
无刷直流电动机控制器：他是拥有从过去到现在都在不断的发展的数学可编程控制器，在电路控制的发展中，在一般时候，当人们对控制器进行比较复杂的设计时会带来可靠性差，性价比低等缺点。像比较通用的元器件，就不利于大规模的生产。现在社会已经研究出很多新的芯片像摩托罗拉的电机就是其中的一款，所以现在要比较多的利用硬件对相同的软件进行修改，也可以根据不同的使用者来确定自定义的功能，他们都常出现在智能电机控制系统中，所以其可以不断的得到提高。
关于这个问题的转矩脉动很复杂，不属于本文的范围，所以没有过多的说明。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景和发展 1
1.1.1研究背景 1
1.1.2 无刷直流电机的发展 1
1.2无刷直流电机的优越性 2
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
第二章 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
2.4无刷直流电机的基本方程 9
第三章 无刷直流电机调速系统的MATLAB仿真 10
3.1电源、逆变桥和无刷直流电机模型 11
3.2 换相逻辑控制模块 12
3.3 PWM调制技术 16
3.3.1等脉宽PWM法 17
3.3.22SPWM(Sinusoidal PWM)法 17
3.4控制器和控制电平转换及PWM发生环节设计 17
3.5系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 18
3.5.1起动，阶跃负载仿真 18
3.5.2可逆调速仿真 21
结束语 22
致
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
1.1课题研究的背景和发展
1.1.1研究背景
无刷直流电机(Brushless DCMotor，以下简称BLDC)是靠着电力电子技术及新型永磁材料的提高而迅速发展起来的一种新型电机。因其体积小、重量轻、效率高、惯量小以及控制精度高等特点，并且还保留了普通直流电动机完美的机械特性，广泛应用在光驱、智能机器人、电动交通工具及其他领域。伴随着无刷直流电机应用领域的不断加大，需要控制系统的设计简易、控制算法合理、开发周期短。因创建无刷直流电机控制系统的仿真模型，从而有效的节省控制系统的设计时间，并且及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出，利用计算机仿真的优点，人为地改变系统的结构 ，加入不同的扰动以及参数变化，提高考察系统在不同结构以及不同情况下的动、静态的特性。
永磁直流无刷电动机拥有效率高、功率密度大、调速性能好等一系列特点，从而在工业、交通、航空航天、控制领域以及家用电器领域取得广泛应用，虽然我国与国外在电机制造技术方面的差距很小，但控制系统的研究和开发却需要提高力度。从另外一个角度来说，我国的稀土资源尤其丰富，占世界总储量的75%之多，所以发展直流无刷电动机产业对发展我国的经济有特别的意义。
1.1.2 无刷直流电动机的发展史
无刷直流电动机在现在社会的运动领域已经受到了广泛的使用，过去的有刷直流电动机因为摩擦大，成本比较高，寿命比较短这一系列的缺点，随着社会的进步，人们生活水平的不断的提高，所以人们需要更加完美的直流电动机来满足不断提高的需求。随着社会科技的不提进步，以及不断出现的新材料，所以人们对新型的无刷直流电动机的需求得到了满足。
在1970年，当时的人就开始着手研发一个电流可以永久的代替无刷直流电动机的作用，并且把这个想法落实到了实际当中。但是在当时的科技下，所以还是很难找到符合他们设计时候想到的元件。从而，这个想法只能停在当时的实验室的研究阶段，也没有做到推广。在美国的1955年，首次提出使用晶体管来作为无刷直流电机的代替品使用，这个就是现在的无刷直流电动机的最初模型。但是因为当时的科技技术的限制，所以当时没有将其变成真正的产品，时间飞逝，通过数代人的艰苦专研，终于在1962年，通过霍尔元件真正实现了代替过去的无刷直流电动机的梦想。后来时间飞逝，越来越多的好产品相应问世，像MOS管，GTR，接二连三的问世，说明正在建立稳定的基础。最近的40年，因为无刷直流电动机的外部特征以及内部结构都在更新换代，才真正实现了无刷直流电动机的快速发展。
1.2无刷直流电机的优越性
无刷直流电动机具有响应时间短，他的起动转矩大，他的额定转矩可以提供很高的能量，在一定程度上会减低成本，但是因为电动机气隙会产生磁场，并且电驱绕组通电产生感应磁场，由于电刷的换路作用，使得定子磁场和电驱感应磁场在电动机运行过程永远保持垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停转动。因为其运用范围广，并且功率半导体的开关频率成分的快速发展，可以提高电机的性能，所以要适当调节交换电机在电流中的比例。
其实在现实中，无刷直流电动机也有其不足之处，像成本高，对于小型化的设备来说很复杂，这些不足之处已经达到了影响其发展的程度。现在，电子技术和大规模的生产技术正在快速发展，所以人们需要解决这些问题，来不断提高无刷直流电机的功能。在中国的市场产品，人们可以看出，一些新型的厂家正在研发如何生产高性能的的产品像通用汽车以及防爆电机等，这样可以拓宽人们的产品种类。。
1.3无刷直流电机的应用
在现在社会，无刷直流电动机在各个领域都有涉及，特别在航空航天，自动控制方面以及在自动定位方面都有很明显的作用。在视听设备中也发挥着独一无二的地位，像录音机，摄像机，照相机，投影仪中都是如此。在我国经济快速发展的时代，在软件驱动中的主轴电机，可以使电机在录音机发挥作用，使用了许多直流无刷电机，所以无刷直流电机在现在工业化的工厂中也受到了广泛的使用。
1.4无刷直流电机调速系统的研究现状和未来发展
现在对无刷直流电机的控制中，许多国家在无刷直流电机技术的方面都在日趋成熟，日本和美国是比较好的国家，日本关于无刷直流电动机方面主要在民用以及军事方面比较先进，美国关于无刷直流电动机先进的方面主要表现在研究的方面，并且以下3个方面是最主要的：第一个在传感器的控制技术的研究方面，关于如何提高其可靠性，稳定性，以及性价比。第二个在电机的设计以及其控制方法方面，本章主要为了提高其应有的领域。第三个在提高其内部结构以及外部造型的方面。
无刷直流电动机控制器：他是拥有从过去到现在都在不断的发展的数学可编程控制器，在电路控制的发展中，在一般时候，当人们对控制器进行比较复杂的设计时会带来可靠性差，性价比低等缺点。像比较通用的元器件，就不利于大规模的生产。现在社会已经研究出很多新的芯片像摩托罗拉的电机就是其中的一款，所以现在要比较多的利用硬件对相同的软件进行修改，也可以根据不同的使用者来确定自定义的功能，他们都常出现在智能电机控制系统中，所以其可以不断的得到提高。
关于这个问题的转矩脉动很复杂，不属于本文的范围，所以没有过多的说明。
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