普通民用的市场提供了可能，几十瓦到几百瓦无刷直流电动机开始在医疗器械仪器仪表化工纺织以及家用电器等民用领域初显身手。在年代后，随着电力半导体器件的飞速发展，如,的相继出现，另外微处理器集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的变化，这些开关器件在向高频化智能化大容量化的方向发展，使无刷直流电动机的很重要的传统直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，被广泛地应用于对起动和调速有较高要求的拖动系统中，如电力牵引轧钢机起重设备等。在使用中无刷直流电机相比有刷电机有许多的优点，比如能获得更好的扭矩转速特性高速动态响应高效率长寿命低噪声高转速。另外，更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。由于这些特性，无刷直流电机被广泛的用于日常生活用具汽车工业航空消费电子医学电子工业自动化等装置和仪表。无刷直流电机调速系统的研究现状和未来发展目前国内外无刷直流电机的般控制技术应经比较成熟，但日本和美国具有较先进的无刷直流电机制造与控制技术。特别是日本在民用方面较为突出，而美国则在军工方面更加先进。当前的研究热点主要集中在以下三个方面研究无位置传感器控制技术以提高系统可靠性，并进步缩小电机尺寸与重量从电机设计和控制方法等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制从而提高其伺服，扩大应用范围设计可靠小巧，通用性强的集成化无刷直流电机控制器。无位置传感器控制技术传统的无刷直流电机通过位置传感器来直接检测电机转子的位置。无位置传感器控制技术主要通过电机内易获取的电压或电流信号，经过定的算法处理，得到转子位置信号，也称为转子位置简介检测法。目前检测方法主要有反电势法电感法磁链法续流二极管法观测器估计法智能估计法等。其中反电势法原理简单应用较为广泛。采用无位置传感器控制的无刷直流电机般较难直接起动，因此其起动问题直是研究的热点和难点。利用反电势法检测转子位置的无刷直流电机三段式起动方法已经比较成熟，该方法从电机起动到稳定运行可分为三个阶段定子定位加速和切换。其他无位置传感器控制下的电机起动方法，如预定位起动升频升压同步起动法和短时检测脉冲转子定位法等也都有了定的应用。无刷直流电机控制器无刷电机控制器的发展同电器元件类似，经历了从分立元件控制方法到数字可编程集成电路控制方法的发展历程。般来讲，采用分立元件设计的控制器结构复杂体积庞大可靠性通用性差，不利于批量生产。次，当前无刷直流电机主要采用专用集成电路控制器单片机控制器的方法。目前电机控制集成专用电路较多，对于无刷直流电机来说有公司的无刷直流电机控制芯片公司的无位置传感器控制芯片等等。如果考虑到控制器今后软硬件设计等功能，可以使用单片机等对控制器设计。可以用或语言来编程，灵活性强，具有静态可重复编程和动态在线系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件样通过编程来修改，并能按照用户需求来定义接口功能。单片机和具有丰富的外围接口，单片机般用于简单的电机控制系统，而由于具有强大的计算能力和数据处理能力，通常应用于电机的智能控制系统中。关于转矩波动抑制的问题比较复杂，不在本文讨论的范围内，所以不多加叙述。设计主要内容本文共分为四章，主要针对无刷直流电机的控制方法以及仿真进行研究。第章主要概述了无刷直流电机调速系统的研究背景与发展现状第二章介绍了无刷直流电机的原理，简要介绍了脉宽调制原理和无刷直流电机控制芯片第三章对基于控制技术的无刷直流电机调速系统进行了基本的硬件设计第四章运用仿真设计了个转速单闭环无刷直流电机可逆脉宽调速系统，对其进行仿真，并根据仿真结果分析研究的无刷直流电机的特点。最后对全文进行了总结。第二章无刷直流电动机原理无刷直流电动机的概述无刷直流电动机机属于同步电动机的种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以无刷直流电机并不会产生普通感应电机的频差现象。无刷直流电机中又有单相两相和三相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为广泛的三相无刷直流电机。直流无刷电机的主要由电动机本体位置传感器对于位置传感器检测方法与电子开关线路三部分组成，如图所示图无刷直流电动机工作原理从图可见，直流无刷电动机组件主要由电动机本体位置传感器和电子开关线路三部分构成。其定子绕组般制成多相，转子由永磁材料制成。电动机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它起动装置。其定子绕组般制成多相三相四相五相不等，转子由永久磁钢按定极对数„„组成。定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接。当定子绕组的相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转。位置传感器则将转子磁钢位置信号变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。因此平常所说的直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是台由电子开关线路电动机本体及位置传感器三部分组成的电动机系统。直流无刷电动机的组成原理框图如图图直流无刷电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用霍尔传感器信号转化为反电动势正负信号。图正转译码逻辑图反转译码逻辑此二图分别为子系统的内部结构，它们实现了将反电动势正负信号译码为逆变桥开关器件控制信号。下面的表到表是这三个逻辑电路的真值表表图电路真值表表图电路真值表表图电路真值表译码后输出的六路信号从上到下分别为逆变桥功率的控制信号，用模块整合为路信号后边的模块。注意到在这两个子系统中三路信号跟此模块中的进行了与逻辑。为信号，为逆变桥三个桥臂的下边器件，二者相与就实现了对逆变桥的受限式单极性控制。与个模块实现了无刷直流电机的可逆调速。模块的设置如下图所示图自上而下，我们不妨定义模块三个输入端分别叫，所实现的功能是如果满足给定条件则输出选择路输出否则选择输出。由上图可看出给定条件是。因为路连接的是即转速偏差信号，当大于时可知电机转速要小于给定转速，所以电机要加速，因此模块选择路信号输出，而路信号连接的是子系统也即正转译码子系统的输出，这正满足了电机需要正向加速运行的要求。反之当小于时亦可推出同样的结论。无刷直流电机的可逆调速便由此得以实现。控制器和控制电平转换及发生环节设计基于无刷直流电机的速度控制系统的控制方法可分为开环控制和闭环控制两大类。常用的控制方法般为双闭环调速，内环为电流环转矩环，外环为速度环电压环。电机正常运行及基速以下运行时，般通过调制改变电枢端的输入电压来实现速度可控制，而电机的基速以上运行常采用相电流提前导通辅助励磁等手段实现的弱磁控制技术来完成。本设计采用了转速单闭环的控制方法转速调节器采用调节器，调节器的传递函数可以直接调用中的传递函数或零极点模块，这些模块是线性的，为了充分反映在饱和和限幅非线性影响下调速系统的工作情况，需要构建考虑饱和和输出限幅的调节器，线性调节器的传递函数为式中比例系数，积分系数，考虑饱和和输出限幅的调节器中比例和积分调节分为两个通道，其中积分调节器的限幅表示调节器的饱和限幅值，而调节器的输出限幅值由饱和模块设定。当调节器用作转速调节器时，在起动中由于开始转速偏差大，调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积分器退饱和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。图调节器结构由于转速给定直接选取的是转速的实际值，而且仿真时间又较为短暂，所以积分系数太小的话根本无法显示出积分环节的效果。基于此原因调节器选取了图示的系数。经调节器计算的速度信号送入后边的控制电平转换及发生环节和转子位置译码子系统中。送入转子位置译码子系统的目的是实现电机的可逆调速，具体原理已在上小节讲述。控制电平转换及发生环节的结构如下图所示。图发生环节是本身的取绝对值函数，这里的作用是将转速调节信号统转换为正值，以为后边计算发生器的占空比提供方便，在这里丢失的转速调节信号的正负信息将被转子位置译码子系统接收。是个，即系统函数，是由语言编制的个将转速信号转换为占空比信号的函数。这里使用的发生器是中的模块，它可以产生占空比方波，频率设置为。对端输入到的信号，其输入方波的占空比将从到均匀变化。当占空比为时，在本系统的条件下电机转速为，此时当是，电机转速近似为开关器件有漏电流，仿真结果中仍有微小的转速。因为电机转速基本跟占空比成正比，我们可得转速信号对应于输入的关系式如下这是个非常简单的函数，用个极易实现。系统的仿真仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。起动，阶跃负载仿真仿真算法采用，仿真参数系统默认，仿真时间秒，给定转速，在秒处加载个大小为的阶跃负载。仿真波形如下图转速响应图定子相电流，反电动势图转矩仿真结果分析由波形可以计算得到最大超调量上升时间调整时间综合各波形可以看出电机起动时电流和转矩都很大，转速在很短的时间内上升至最大值，。由于转速很高，此时电机两相绕组间的合成反电势已经大于线电压母线电流由电机流向电源，电磁转矩变为负值起制动作用，电机运行在制动状态，转子的机械能转化为电源储存的电能，转速开始下降。当合成反电势随转速的下降再次小于线电压时，电流又开始由电源流向绕组，电磁转矩变为正值，电机运行在电动状态。当加载阶跃负载后，相电流出现波动，平均转矩值增加以保持转速不变。其中线电压的尖波是由于换相时续流二极管导通所造成的，从线电压波形上可以看到调制的结果。系统基本达到了无静差调速。此系统基本达到了无静差调速调速，缺点是仅为转速单闭环的控制，无法抑制电源电压的波动。因此在仿真中使用了电压固定的直流电源，没有对电源电压波动的情况进行仿真。可逆调速仿真仿真算法采用，仿真参数系统默认，仿真时间秒，给定转速初始值为，在秒处变为，空载运行。仿真波形如下图转速图定子电流线电压可以看出系统较好的实现了可逆调速。注意到当反转时，定子电流的峰值明显大于正转时的峰值，这是因为电机正向制动采用的是电枢反接制动的缘故。总结本文主要利用对转速单闭环无刷直流脉宽可逆调速