2022年电动车无刷直流电动机控制方案设计书.docx

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1、精品学习资源电动车无刷直流电动机掌握设计摘要：无刷直流电机掌握系统集电机、逆变电路、检测元件、掌握软件和硬件于一体，具有高牢靠、高效率、寿命长、调速便利等优点，在电动调速领域有着广泛的应用；电动自行车的创造和使用对解决燃油车造成的严峻环境污染和缓解日益突出的能源危机问题有肯定的现实意义；依据工程参数要求，采纳Mcrochip 公司的 PIC16F72 单片机作为掌握芯片，在硬件方面， 进行了微掌握单元电路设计、规律互锁电路设计、转子位置信号采集电路设计、电源电路设计、升压电路设计、系统硬件爱护电路设计、三相全桥逆变电路设计、逆变器驱动电路设计和显示电路设计；采纳开关型霍尔传感器作为电机转子位置

2、传感器，微掌握单元依据转子位置信号向驱动电路传递PWM 脉宽调制 信号、逆变器上下臂驱动信号掌握电机；在软件方面利用汇编语言，采纳模块化编程和结构化编程；依据无刷直流电机的掌握原理，对系统的掌握部分进行了具体分析；设计了系统状态显示面板程序模块；利用数字PI掌握理论实现电机速度的闭环调制，提出了一种电机掌握系统的接线模式自识别功能设计方案，能够自动识别电机的换相角度、霍尔相位和电机输出相位；在系统牢靠性方面:设计了系统的欠压、过流和堵转爱护；本文仍对影响掌握器和单片机系统牢靠性的因素进行了分析，并且给出明白决方案.本文所设计的无刷电机掌握器实现了电动、定速、助力三种工作模式并且在系统出错情形下

3、具有自检功能；爱护功能较完善、硬件结构简洁、成本较低，具有升级空间，便于用户二次开发；关键词 :无刷直流电机； PIC 单片机； 电动自行车； 掌握系统欢迎下载精品学习资源hardware and software controlling part. With its unique advantages of high efficiency, high reliability, good controllability and maintenance-free,it is widely used in many fields.To d evelop the electric-bike will

4、 be helpful to solve the pollution problem caused by the waste gas from the gasoline-automobiles and energy sources problems.The task is to design a Brushless DC Motor BLDCM controls ystem For electric- bike.According to the project,PIC16F72MCU produced by Microchip Company has been selected.T he de

5、sign of hardware including MCU circuit,logic lock circuit,position of the rotor circuit, power circuit, voltage up circuit, hardware protection circuit, electronic commutatorci rcuitan dd isplayc ircuith aveb eenc arriedo ut.Th erea reth reeh allse nsorsfor he position of the rotor, according to the

6、 position of the rotor and pwm pulsewidth modulationcontrolsi gnals,the electronicc ommutator works.The software was designed following the principle of modularization and structured programming and using assembly as the programme languages.The display module is designed.Ty pical PI control strategy

7、 is used to control the speed.Mode identified module can identify the angle of the BLDCM, the position of the rotor and the output of the system automatically. Less voltage protection, current excessive protection and wrong angle protection are designed to reinforce th e system. Also,factors that af

8、fect the reliability of the system are discussed in this paper,and some m ethods are introduced soon after.This controller realizes three work modes-electromotion,stationary speed and assisting work mode.Another self-test mode,which work sunder error,is also designed.This kind of brushless DC motor

9、control system is superior in many fields such as high reliability, simple hardware st欢迎下载精品学习资源Key Words: Electric bike ； Brushless DC Motor ； PIC； Control System目录1 第一章 绪论 51.1 无刷直流电机的现状51.2 电动自行车介绍和进展状况51.3 无刷直流电机掌握器概述81.4 本设计的主要工作92 其次章 无刷电机掌握系统分析102.1 电机的基本原理 102.1.1 稀土永磁无刷直流电机的基本结构102.1.2 电机的基

10、本工作原理 112.1.3 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理122.2 电机的特性分析 142.2.1 电机的运行特性分析 142.2.2 机械特性和调速特性分析 162.2.3 其他特性分析 172.3 直流电动机的 PWM 调速原理 182.4 霍尔传感器 192.4.1 开关型霍尔集成传感器 19欢迎下载精品学习资源3 第三章 无刷直流电机掌握器硬件设计203.1 单片机挑选 203.1.1 单片机挑选依据 203.1.2 PIC 单片机特点 203.1.3 PIC16F72 单片机的功能特性213.1.4 PWM 信号在 PIC 单片机中的处理 223.2 硬件组成 223.3 微

11、掌握器电路 243.4 三相全桥逆变电路和驱动电路273.4.1 顶端、底端驱动电路273.4.2 电源电路 293.4.3 振荡倍压电路 303.4.4 硬件爱护电路 303.5 其他 313.5.1 蓄电池检测方案 313.5.2 助力信号检测方案313.5.3 电动自行车面板显示电路32 4 第四章 系统软件设计 334.1 概述 334.2 主程序 34欢迎下载精品学习资源4.3.1 单片机中断资源 354.3.2 定时器资源安排 364.3.3 MOD 键INT 中断 处理模块 364.4 A D 转换 374.5 PWM 脉冲宽度调制 384.6 位置信号和驱动信号的对应关系394

12、.7 欠压爱护、过流爱护和堵转爱护404.7.1 欠压和过流爱护功能 404.7.2 堵转爱护功能 404.8 面板显示模块 414.9 数字 PI 速度调剂 414.9.1 概述 414.9.2 PID 基本原理 424.9.3 位置型 PID 算法程序的设计 424.9.4 数字 PI 速度调剂器设计 434.10 接线模式自识别方案 444.10.1 接线模式自识别功能的作用 444.10.2 接线模式自识别解决方案 444.11 编程留意的问题 474.11.1 数据储备体的挑选 484.11.2 二程序储备体的挑选 48欢迎下载精品学习资源5.1 系统软、硬件部分调试515.1.1

13、系统硬件调试 515.2 掌握器的牢靠性 535.2.1 影响掌握器牢靠性的因素535.2.2 提高掌握器牢靠性的方案535.3 单片机系统牢靠性设计545.3.1 接地技术 545.3.3 抗电磁干扰技术 555.4 试验结果分析与建议555.4.1 试验结果分析 555.4.2 试验结论与建议 56结论 58参考文献 59附录 A 掌握器电路图 60附录 B 掌握器电路板PCB 图纸 61附录 C 掌握器实物图 61附录 D 电动自行车和指示面板实物图62第一章 绪论1.1 无刷直流电机的现状有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽敞而平滑的优良调速性能，在需

14、要调速的应用领域占有重要位置，但机械换向装置的存在，限制了欢迎下载精品学习资源靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能；科学技术的飞速进展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制胜利为制造新型的 无刷直流电动机带来生气；1955 年，美国人首次提出用晶体管换向线路代替机械换向装置，经过反复试验，人们最终找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电动机 的机械换相装置，显现了磁电耦合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机，以后人们发觉电量波形和转子磁场的位置存在着肯定的对应关系，因此又显现了通过 观测电枢绕组中不同电量波形，监测转子位置的无位置传感器的

15、电动机；80 岁月初，无刷直流电机进入了有用阶段，方波和正弦波无刷直流电机先后争论胜利；“无刷直流电机 ”的概念已由最初的具有电子换相器的直流电机进展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机；现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、掌握软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统；无刷直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在:调速便利 可无级调速 ，调速范畴宽， 低速性能好 启动转矩大，启动电流小，运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛；如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等等 .由于无刷直流电机具有这些优点，因此在2004

16、 年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一进展趋势；美、日、英、德在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电机代替有刷电动机的转换；美国福特公司领先把无刷直流电机应用于汽车20 世纪 80 岁月以来，随着微机掌握技术的快速进展，显现了各种称为无位置传感器掌握技术的方法，是当代无刷直流电机掌握争论的热点之一；各国知名半导体公司如Allegro,Philips,Micro Linear,Toshiba等，先后推出了很多无刷直流电机无传感器掌握集成电路.欢迎下载精品学习资源亿；我国生产的微特电机己经占世界60%以上，目前是全球最大的永磁体生产无刷电机的主要原材料 生产供应基地，中国仍将会成

17、为全球最大的无刷电机生产国；随着汽车工业的快速进展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应商；1.2 电动自行车介绍和进展状况(1) 电动自行车进呈现状目前在中国的石油消费中，交通运输业用油增长最为快速；大力进展电动自行车是缓解石油危机的重要途径之一；另外电动自行车具有环保的特点.为明白决燃油车对环境造成的严峻污染问题和缓解日益突出的能源危机，很多国家都在查找替代燃油机车的交通工具；相继开发了以自然气、甲醇为燃料的交通工具，相比之下，电动车以零污染、高数率、低噪 音的特点被认为是真正的“绿色 ”交通工具，而电动汽车

18、受到机电、电池的限制，批量进入市场仍有肯定的难度，电动自行车却可以得到快速的进展；由于电动自行车具有轻巧省力、环保节能、价格适中的特点，因此己经成为很多出行者的交通工具之一；bsp；很多国家也把电动自行车看作将来交通进展的趋势；自从 1993 年雅马哈公司的PAS 能量帮助系统 进入市场以来，电动自行车在日本已经成为短距离用交通工具的主流；1998 年 6, 7 两个月日本共生产电动自行车 29432 辆，据报道日本电动自行车的需求量在750 万辆，而且每年以 5% 10%速度递增，其中仍有一半需进口 .美国的电动自行车年需求量在 1500 万辆左右，每年以 5% 10%速度递增，大部分依靠进

19、口；欧盟很多国家对电动自行车的年需求量在1000 万辆左右；德国的MSG 公司、 DIAMANT公司、 SAGHS 公司、英国的 ASGHBAGH等公司的电动自行车己投入市场，销路很好，使得德国奔腾、法国标致等大公司也把目标投入到电动自行车这一产品上来.欢迎下载精品学习资源家十大重点科技工程之一，并制定了电动汽车的进展目标；1999 年 5 月国家质量技术监督局发布了电动自行车通用技术条件国家标准，为电动车规模化生产供应了条件；经过2003, 2004 连续两年的快速进展，中国电动自行车行业快速出现出一片繁荣昌盛的景象；2005 年全行业的电动自行车产销量在1200 万辆左右，对比 2004

20、年增长率在 15-20% 左右， 行业中有不少品牌新产生，销售规模在150 亿元左右；至 2005 年，全行业申领电动自行车许可证的企业已经达到了上千家，品种显现近50 个.目前，我国市场上国产电动自行车的品种规格较多，驱动多数用有刷或无刷的轮式直流电机，工作电压为 24V, 36V 或 48V ，功率在 150W-400W 之间；蓄电池一般用的是免爱护铅酸蓄电池，容量为12Ah ，充电时间在3-8 小时左右，充电一次行驶里程约50km 左右；车速低于 20km/h ，爬坡才能在4 度上下；车型有一般型和豪华型，车重约35kg ，载重量越75kg ，百公里耗电量 1kwh 左右，图 1.1 为

21、两款国内生产的电动自行车；图 1.1 为两款国内生产的电动自行车；（ 2）电动自行车的组成部分电动自行车一般由动力部分、传动部分、行车部分、控纵制动部分、电气外表部分组成；动力部分电动自行车的动力部分通常有蓄电池和电机构成，是电动自行车的动力来源；其性能的好坏，直接影响电动自行车的动力性和经济性；传动部分电动自行车传动部分的作用是将动力部分输出的功率传递给驱动轮，促使电动自行车行使；通过变速器或调速器，使电动自行车获得行使所需要的驱动力和速度，并保证电动自欢迎下载精品学习资源行车部分行车部分的作用是使电动自行车构成一个整体，支撑全车的总重量，将传动部分传递到的扭矩转换成促使电自行车行使的牵引力

22、，同时承担吸取和传递路面作用于车轮上的各种反作用力，确保电动自行车正常、安全行使、他主要有车架、前减震器、前后轮、座垫等组成；操纵制动部分操纵制动部分的作用是直接掌握行车方向、行使速度、制动等，以确保电动自行车行使安全，他有车把、制动装置、调速手把等组成；电气外表部分电气外表装置是保证车辆安全行使并反映车辆运动状态的主要装置，他使骑行者能正确、有效地对车辆行使适时地进行掌握；他由数据显示装置、充电器等组成；（ 3）电动自行车的特点作为一种新能源绿色交通工具，电动自行车具有以下特点无污染；电动自行车是以蓄电池发出的电源作为驱动能源，运行过程中无废气排放， 不会对大气造成污染；低噪音、震惊小；电动

23、自行车采纳电动机驱动，与用内燃机的摩托相比，运行产生的噪音显著减小，通常要低10-15db ，且运行比较平稳；效率高：摩托车、燃油助力车的效率一般只有30%左右，而电动自行车采纳电动机驱动系统，无空转损头，电池能量的80%以上转化成为动力，而且可以在制动时候进行能量回馈，更加提高了他的能量利用率，其效率可高达到70%到 80%以上；安全、轻巧、易爱护：电动自行车的最高时速限制在20km/h 以内，只能在非机动车道欢迎下载精品学习资源城市城镇是足够了，能让大众普遍接受，而且他体积小、重量轻、整车质量大致在30-35kg ，即使没电时脚踏骑行也不会费劲，蓄电池是免爱护的，电机的故障率也较低， 以上

24、的这些特点使电动自行车成为了当前交通工具市场的一大亮点，市场需求不断扩大，因此其将来的进展潜力很大；（ 4）电动自行车的进展前景电机是电动自行车的关键部件；为使电动自行车有良好的使用性能，驱动电机应当具有宽调速范畴，高转速和足够大的起动转矩；此外，由于电动自行车的驱动电机是车载形式运行的，这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有较好的能量回馈性能；稀土永磁无刷直流电机是近20 年进展起来的一类电机，电力电子技术，微电子技术、微机和稀土永磁材料的进展为无刷直流电机的争论奠定了基础；目前无刷直流电机的进展已 经和大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型掌握理论及电机理论的 进展紧密结

25、合，显示出广泛的应用前景和强大的生命力；与其他电机想比他具有几个明显的优点：永磁无刷直流电机没有电刷、而是利用电子换相,故克服了任何有电刷引起的问题； 永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的热量更简洁发出去；结构也变得简洁，并且节约了空间，使其磁场缺失也得到了削减；他的效率与转速永久保持同步关系，不会发生交步、震荡等现象，在节约能量方面也有明显的优势；近些年来，随着现代电力电子技术、掌握技术和运算机技术的进展，电机的应用技术也得到了进一步的进展，新产品、新技术层出不穷；很多电动车生产厂家都应用了一系列的电动车新技术，大大增强了自身品牌在市场上的影响，也颇受消费者的关注；麦

26、科特集团电助动力公司研制出智能变频电机，变频掌握器和变频高效电机共同组成高效动力系统， 充分利用小电流大扭矩原理，在骑行过程中依据路况和载重情形准时调整输出功率；北京欢迎下载精品学习资源可实现在两个额度电流下的效能转换，既实现高效动力档和高速动力档的转换；莫拉克公司开发出在骑行的同时就能给蓄电池充电的电动车，可以提高电动自行车一次充电续使里程；电动自行车作为自行车史上具有革命性的交通工具，在给人们生活带来便利的同时，也对整个社会的经济产生了积极的影响；价廉物美的电动自行车有着庞大的市场需求；电动自行车在整车设计、驱动系统、电池治理，特别是锂电池、燃料电池等高性能的电池的研制方面不断取得突破；驱

27、动系统的牢靠性与高效率对整个电动自行车系统有着特别重要的作用，不但可以提高整个系统的牢靠性与安全性，促进整车效率，而且可以节约能源和降低自行车的爱护成本，从而推动电动自行车的广泛应用；1.3 无刷直流电机掌握器概述无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简洁无需爱护的优点，因而在高牢靠性的电机调速系统；目前，数字调速系统主要采纳两种掌握方案：一种采纳专用集成电路；这种方案可以降低设备投资，提高装置的牢靠性，但不购敏捷；另一种是以微处理器为掌握核心构成硬件系统；这种方案可以编程掌握，应用范畴广；且敏捷便利；电机掌握器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，

28、他主要完成以下功能：对各种输入信号进行规律综合，为驱动电路供应各种掌握信号：产生PWM 脉宽调制信号，实现电机的调速：对电机进行速度环和电流环调剂；使系统具有较好的动态和静态性能；实现短路、过流、欠压等故障爱护功能；掌握器是电动自行车的驱动系统，他是电动自行车的大脑，其主要作用是在保证电动自行欢迎下载精品学习资源低电动自行车在受到破坏时的损耗程度；目前，市场上常用的电动自行车无刷直流掌握器主要采纳专用集成电路为主控芯片，像MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035 ，其针对无刷电机的掌握要求；将掌握规律集成在芯片内，一般该类掌握器称为模拟式掌握器，其工作原理是用电子装置代替电刷掌握电

29、机线圈电流换向，依据电机内的位置传感器霍尔传感器 信号，打算换相的次序和时间，从而打算电机的转向和转速；该掌握系统的缺点是智能性差，爱护措施有限，系统升级空间小；本文采纳单片机做为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的掌握规律，其特点是使用敏捷，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能便利，如电机缺相爱护、堵转爱护、添加力矩传感器等等，可依据不同结构的电机进行掌握的优化以达到良好的匹配，通常将此类掌握器称为数字式掌握器；近几年 ，国外一些大公司纷纷推出较 MCU 性能更加优越的 DSP数字信号处理器 芯片电机掌握器，如 ADI 公司的 ADMC3xx 系列， TI 公司的 TMS32

30、0C24 系列及 Motorola 公司的DSP56F8xx 系列，都是由一个以 DSP 为基础的内核，配以电机掌握所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使体积缩小，结构紧凑，使用便利，牢靠性提高；但是这些专用芯片价格昂贵，外围电路设计复杂，在广大的民用市场无法大规模推广应用；无刷电机掌握方法主要分为有位置传感器掌握和无位置传感器掌握两种；在有位置传感器的掌握方法中， 现今，由于霍尔传感器性价比高，安装便利，被广泛应用作为无刷直流电机的位置传感 器；当前，国内外对无刷直流电机无位置传感器的掌握方法主要有反电势法、定子三次谐波法、续流二极管检测法、脉冲检测法神经网络掌握法等；但是由于无位置传感器

31、掌握方法在低速时无法实现精确的速度调制，所以现阶段在电动车领域只是处于争论阶段，无法欢迎下载精品学习资源1.4 本设计的主要工作本论文对无刷直流电机的掌握原理进行了具体分析，依据无刷直流电机特性，针对电动自行车的掌握需求，进行了无刷直流电机掌握系统的设计；技术指标如下:系统正常工作电压36V ；最低工作电压 31V ；最大工作电流 10A ；最大输出功率 360W.(1) 硬件部分硬件部分以 PIC16F72 单片机作为掌握芯片，逆变器由6 个 MOSFET 管组成；通过微掌握单元电路、逆变器驱动电路等电路模块的设计，实现了电机的智能掌握以及欠压爱护、过流爱护、堵转爱护等爱护功能，牢靠的对电动

32、车电机和电池进行爱护，确保电动车使用及安全；(2) 软件部分在软件方面利用汇编语言，采纳模块化编程和结构化编程.实现了信号的采集及处理，实现了电动自行车的电动、定速和助力三种工作模式并且在系统出错情形下具有自检功能；利用数字 PI 掌握理论实现电机速度的闭环调制；具体设计 如下 :选用 PICI6P72 单片机作为主控芯片；采纳开关型霍尔传感器作为电机转子位置传感器；通过对 PIC 单片机编程，实现电动车电动、定速和助力三种工作模式；通过硬件电路和软件编程，实现系统自检、欠压、过流、堵转爱护功能；通过软硬件设计，实现电动自行车外表盘显示掌握；利用 PI 掌握理论实现电机速度的闭环调制；提出一

33、种软件电机接线模式自识别设计方案.欢迎下载精品学习资源用户二次开发 .设计中，利用 PIC 开发环境完成软件编写和调试；利用规律分析仪和示波器等完成硬件调试；借助于电动自行车实体，对软硬件参数进行测试，实现结构优化.其次章 无刷电机掌握系统分析直流电机具有响应快速、起动转矩较大，以及从零转速至额定转速具备可供应额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，由于直流电机要产生额定负载下恒定转矩，就电枢磁场与转子磁场须恒爱护90，这就需要碳刷及整流子.碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制；沟通电机没有碳刷及整流子，免爱护、牢固、应用广，但特性上

34、如要达到相当于直流电机的性能须用复杂掌握技术才能实现；现今半导体进展快速，功率组件切换频率加快很多， 提升了驱动电机的性能；微处理机速度亦越来越快，可实现将沟通电机掌握置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当掌握沟通电机在两轴电流重量，可达到类似沟通电机的掌握并有与直流电机相当的性能；无刷直流电机即是以电子方式掌握沟通电机换相，得到类似直流电机特性且结构上优于直流电机的一种电机；2.1 电机的基本原理2.1.1 稀土永磁无刷直流电机的基本结构稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机基体、开关电路、位置传感器三部分，如图 2.1 所示；欢迎下载精品学习资源(1) 电机基体稀土永磁电动机基体是由带有

35、电枢绕组的定子和永磁转子组成；常用的有三种结构形式: 转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体；转子铁心中嵌入矩形板状稀土永磁体:转子外套上一个 整体粘结稀土磁环的环形永磁体；仍有一种外转子式结构，即带有稀土永磁极的转子在外，嵌有绕组的定子在里；电机运行时，外转子旋转；(2) 开关电路开关电路由逆变器和驱动电路组成；逆变器主电路有桥式图 2.2a和非桥式 图 2.2b两种；电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态图 2.2a；驱动电路将掌握电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通与关断的驱动信号；图 2 2 桥式 a与非桥式b逆变电路(3) 转子位置传感器转子

36、位置传感器是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置，向掌握器供应位置信号的一种装置；它由定、转子组成，其转子与电动机同轴，以跟踪电机本体转子位置；其定子固定于电机本体定子或端盖，以感应和输出转子位置信号；2.1.2 电机的基本工作原理一般永磁直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙中产生磁场，其转子一电枢绕组通电后产生反应磁场，由于电刷的换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机的运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩驱动电动机不停地运转；直欢迎下载精品学习资源永久磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构正好相反，而且仍要由位置传感 器、掌握电路以及功率规律开关共同组成

37、换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中由定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场，在空间中始终保持在90；左右的电角度，从而产生转矩推动转子旋转.无刷 直 流 电动机按驱动方式可以分为半桥驱动和全桥驱动，按绕组接法又可分为星形连接和角形连接；不同的绕组接法和驱动方式的选 择将会使电动机产生不同的性能并且成本也不同，主要从以下三个方面来进行分析:(1) 绕组利用率开关电路由逆变器和驱动电路组成.逆变器主电路有桥式 图 2.2a和非桥式 图 2.2b两种；电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态图 2.2a o 驱动电路将掌握电路的输出信号进行功率放大，并向各

38、开关管送去能使其饱和导通与关断的驱动信号；(2) 转矩的波动无刷直流电动机的输出转矩波动比一般直流电动机大，因此期望尽量减小转矩波动；一般相数越多，转矩的波动越小，全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小；(3) 电路成本相数越多 ，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高，全桥驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高；多相电动机的结构复杂，成本也高；综合上述分析，三相电机 星形连接全桥驱动方式综合性能最好，应用最多，本系统即是挑选的这种掌握方式，下面 介绍三相无刷直流电动机星形连接全桥驱动的基本原理；2.1.3 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转

39、子极数的影响，在转子极数固定欢迎下载精品学习资源部分和掌握部分，如图2.3 所示；电源部分供应三相电源给电机，掌握部分就依据需求转换电源频率；电源部分可以直接以直流电输入或者以沟通电输入，假如是以沟通电输入就 需先经转换器 converter 转成直流电；不论是直流电输入或是沟通电输入，送入电机线圈前须先将直流电压由逆变器inverter 转成三相电压来驱动电机；逆变器一般由六个功率晶体管，分为上桥臂和下桥臂，连接电机作为掌握流经电机线圈的开关；掌握部分就供应PWM 脉冲宽度调制信号打算功率晶体管开关频率及逆变器换相的时机；对于无刷直流电机，当负载变动时，一般期望速度可以稳固于设定值而不会有太

40、大的变动，所以电机内部装有霍尔传感器 hall-sensor ，作为速度的闭回路掌握，同时也作为相序掌握的依据；电机转动由霍尔传感器感应到的电机转子所在位置，打算开启或关闭逆变器中功率晶体管的次序来掌握，如图2.4 所示，逆变器中的AH, BH, CH 上桥臂功率晶体管 及 AL, BL,CL 下桥臂功率晶体管，使电流依序流经电机线圈，产生顺向或逆向旋转磁场，并与转子磁铁产生的磁场相互作用，使电机顺向或逆向转动；当电机转子转动到霍尔传感器感应出 另一组信号的位置时，掌握部又再开启下一组功率晶体管，如此循环，电机就可以实现转动.功率晶体管的开启方法举例如下:AH, BL 一组 AH, CL 一组

41、 BH, C L 一组BH, AL一组CH, AL一组 CH, BL 一组，但不能使 AH, AL或 BH, BL 或 CH, CL ，即同相上下桥臂同时导通 .此外，由于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叉时间要将零件的响应时间考虑进去，否就当上臂或下臂 尚未完全关闭，下臂 或上臂 就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁；设电机转子位置传感器采集的位置信号为 Ha, Hb, Hc ，分别对应于逆变器的A 相、 B 相、 C 相，就当前位置与下一位置电子开关导通相的对应关系如表2.1 所示；在电机转动时，掌握部分会依据系统设定的速度打算功率管的导通时间；如系统要

42、求加欢迎下载精品学习资源PWM 脉宽调制信号掌握；图 2 3 三相无刷直流电机工作原理图 2 4 逆变器原理图2.2 电机的特性分析2.2.1 电机的运行特性分析电动机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械，因此我们最关怀的是它的转矩、转速，以及转矩和转速随电压、负载变化的规律；据此，电动机的运行特性可分为: 起动特性、电动运行特性、机械特性及调速特性；对于无刷直流电机，其电势平稳方程式为:式中 U 一 一电源电压 V ；E 一 一 电 枢 绕 组 反 电势 V ；一 一 平 均电 枢 电 流A ；一 一 电枢 绕 组 的 平均电阻 ；一 一 功 率 器 件的 饱和管压降 V.对于不同的电枢

43、绕组形式和换向线路形式，电枢反电势均可表示为:式中 n 一一电动机转速 r min ；Ke 一一反电势系数 V r/min ；由式 2.1、2.2 可知欢迎下载精品学习资源式中 T- 电磁转矩（ Nm）； Tl- 输出转矩（ Nm）T；-（ Nm）这里 T=Kt- 转矩系数 N m A ；在转速变动情形下，就有式中系数： J 一一转动部分的转动惯量；-转子的机械角加速度；下面从这些基本公式动身，来争论无刷直流电动机的各种运行特性；起动特性由式 2.1、 2.5、2.6 可知，电动机在起动时，由于反电势为零，因此电枢电流即起动电流 为其值可为正常工作电枢电流的几倍到十几倍；所以起动电磁转矩很大，

44、电动机可以很快起动，并能带负载直接起动；随着转子的加速，反电势E 增加，电磁转矩降低，加速力矩也减小，最终进入正常工作状态；2 电动机运行特性在电动运行状态下， 6 只开关管任意时刻只有2 只开关管导通，分别属于上桥臂和下桥臂；欢迎下载精品学习资源由图 25 的运行等效电路图可得，在电动运行时AH 管和 CL 管导通时通电回路的回路电压方程如下：式中一一相电势，电动运行时最大幅值在电动运行时，换相前电路电流为零，换相后 0；由于 R 很小，可以忽视，故在电路接通后过渡过程终止前，i 正向增加，电路工作在吸取电功率状态，吸取的电功率为：对 AH 管和 CL 管进行脉宽调制，转变占空比，就可掌握电

45、流i 的平均值，从而掌握平均转矩；2.2.2 机械特性和调速特性分析机械特性是指外加电源电压恒定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系；由式2 1、2 2、23 可知，式 2 12 等号右边的第哪一项常数当不计 AU 的变化和电枢反应的影响时 ；所以电磁转矩随着转速的减小而线性增加；当速度为零时，即为起动电磁转矩；当式2.11右边两项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即为抱负空载转速；实际上，由于电动机损耗中可变部分及电枢反应的影响，输出转矩稍稍偏离直线变化；又由于功率晶体管的饱和管压降随着集电极电流的变化而变化，在基极电流不变时，功率晶体管的饱和压降和集电极电流之间成正比的关系；所以，随着转速的减小，电动机的反电势也减小，电枢电流增加， U 增大，到肯定值以后，增加较快；所以其机械特性是在接近堵转即转速很低 时，加快下跌；欢迎下载精品学习资源反电势增加，电流减小，电磁转矩也减小；当电磁转矩和负载转矩平稳时，电机就爱护在一个较高的转速下运行；假如负载不变，提高外加直流电压，就