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1、精选优质文档-倾情为你奉上 河南科技学院新科学院 2017届本科毕业论文（设计）无刷直流电动机控制系统设计方案学生姓名： 所在系别： 电气工程系 所学专业：电气工程及其自动化 导师姓名： 完成时间： 2017年4月17号 摘 要永磁无刷直流电机是一个及电机与电力电子一体化的新型电机，永磁无刷电动机系统是是通过电机与辅助器共同作用下运行的，利用电力电子功率变换装置的特性代替传统的机械电刷进行转向的控制系统，这与以往的电机有很大的不同。随着电机控制理论、控制理论、数字脉宽调制以及现代控制技术的飞快进步，从而使永磁无刷电机得到了快速的发展，目前永磁无刷直流电机已经普遍存在日常生活当中了，并且被广泛使
2、用。本次设计的重点是,设计电机的硬件设计与软件编程。把无刷直流电动机做为控制系统，其中最重要的组成部分是驱动电机，其次是利用位置传感器测定电机的运转方向；其中位置传感器在代替电刷方面起着重要的作用，单片机做为采集信号的重要元件用来处理反馈过来的信号，通过单片机进行编程控制从而使无刷直流电动机正常运行。 关键词: 永磁无刷直流电动机，电力电子技术，霍尔位置传感器，单片机专心-专注-专业AbstractPermanent magnet brushless DC motor is a new type motor and motor with power electronic integration
3、, permanent magnet brushless motor system is run by both the motor and the auxiliary device under the control of steering system of mechanical brush by using the characteristic of power electronic power converter device to replace the traditional one. This is quite different from the past the motor
4、with motor control theory, control theory, fast progress and modern digital PWM control technology, so that the permanent magnet brushless motor has been the rapid development of the permanent magnet brushless DC motor has been widely exist in daily life, and has been widely used.The focus of this d
5、esign is the design of hardware and software design of the motor. The control system for brushless DC motor, the most important part is the driving motor, followed by determination of motor running direction by position sensor; the position sensor in place of the brush plays an important role for th
6、e signal chip an important component of signal acquisition for processing over the feedback control through the microcontroller programming, so that the normal operation of Brushless DC motor.Keywords:：Permanent，Position sensor-less，Control，Singlechip目 录1 绪论1.1 永磁无刷直流电机的发展历史无刷直流电动机是在有刷电动机的基础上加以改进。有刷
7、直流电动机以其优良的特性和电机的稳定性，在很长的一段时间在占据着重要的地位。但是有刷直流电机系统还有一个致命缺点，那就是有刷电机的可靠性大大降低，从而限制了电机的使用条件，降低了电机的使用频率。为了使有刷电机使用更加完善，经过科学家经过了长期的探索，就在1917科学家年首次提出大胆的设想如果可以利用其他元件代替电刷进行运转，为无刷电机的产生奠定了一定的依据。1955年美国科学家首次提出是否可以解决电刷对电机的摩擦损耗，利用其他元件代替并进行多次试验成功发现了替代品，这一伟大的成果加速了无刷电机的出现。电力电子的快速发展为无刷直流电动机的进步创造了条件，在无刷直流电动机发展的初期，由于电力电子的
8、发展还不成熟造成了电机的可靠性比较差，再加上一些客观原因例如：电力电子技术还不完善，用于事物的条件还不充分加上价格昂贵实用性差、永磁材料没有达到理想的条件和驱动控制技术水平不发达，从而使无刷直流电动机只能在实验研究阶段无法用到实际生活。1970年以后，随着电力电子技术的飞速发展，许多新型半导体功率器件相继产生，例如半控型、全控型等，正因为电力电子有了快速发展为无刷直流电动机的产生奠定了科学的基础。在1978年博览会上，德国的公司首次提出了无刷电机的驱动装置，为无刷电动机的应用提供了科学依据同时为无刷直流电动机的研发迈出巨大的一步。在国际上国外科学家已经对无刷电机有了深刻的了解但我国依旧使用传统
9、的有刷电机对新型电机的研究还知之甚少，但是中国科学家不怕困难刻苦研究。在1987年设备展览会上司首次利用电力电子技术对电机进行驱动，这一重大标志着无刷电机的实现更近了一步。从此开始在这一领域进行了深刻的研究和不停地探讨，为这一领域取得了巨大的成就使第一台永磁无刷直流电动机诞生，并快速投入使用。 1.2 永磁无刷直流电机的介绍无刷直流电动机采用位置传感器取代传统的机械电刷换向器,定子作为电枢，转子采用永磁材料。正因为此特点使无刷直流电机的使用更加的方便，因为没有机械电刷的原因解决了直流电机电刷容易损环的缺点。作为当今最理想的数字控制系统用于调速电机，无刷直流电机创造了新型电机的优势。无刷直流电机
10、具有特点是效率高,转矩速度低,转速精度高等特点，越来越多的被用于到生活中。无刷直流电机本身就具很多性能，不同于传统电机体积比较大运行起来比较笨重。实现了用于各种工作环境的需要，正因为这些特点成为了当今效率最高的调速电机。正因为无刷电机的不断完善，也逐渐的被大多数人所接受，使用的频率也逐渐增大。1.3 无刷直流电动机的应用80年代电机已经处于多样化，各种直流电动机和交流电动机在生活中所占的比重越来越大，但是有刷电机处于主导地位，无刷电机的使用还较少。80年代以来，人们生活水平大幅提高有刷电机已经不能满足生活中的日常需要以及现代工业的快速发展，更加迫切新型电机的使用。电机作为生活的重要部分之一，电
11、机必须完善自身的缺点，而且保持本身原有的优点，结合实际使用情况进一步进行完善。通过对无刷电机的不断创新，在日常生活中无刷电机的使用频率大大提高。不仅仅是生活中在办公领域无刷电机也体显出来了他的特点，办公领域逐渐往高效智能化发展，在军工与航天领域作用也越来越大。 2 永磁无刷直流电动机2.1 永磁无刷直流电机的特点直流无刷电机是集电机和电子一体化的电机。无刷直流电机解决了电机损耗的问题，使电机的使用寿命大大提高，使用范围逐步扩展 。无刷的直流电机大多是采用三相对称的星形接法或三角形接法。无刷直流电机转子是永磁铁，定子是电枢，产生得磁场是永磁场只靠定子与转子是不行的，无法满足电机的正常运行，所以要
12、加上位置传感器对电机进行转向。因为定子与转子的原因无刷电机的磁场是固定的，转子不能在电机内部的恒定磁场相互作用，只能产生单一方向的转矩来驱动转子向着单一的方向运动。2.2永磁无刷直流电机的结构框图根据对无刷电机工作的了解，电机主要是由一下几部分构成，首先通入直流电源经过功率开关组成的逆变电路产生三相交流电，但是只有其中的两相通入到永磁电机当中使电机开始转动，电机的转动信息通过位置传感器进行读取，确定电机的所在位置，再通过位置信号处理来确定电机下一步的运转方向。最终再次传到了功率开关，通往电机内部，就这样周而复始的进行转动。可以把无刷电机看做一条反馈电路，输入的信号对电机造成影响使电机开始运行，
13、输出的信号同样对电机造成影响，就这样形成了反馈电路。在功率开关的作用下通入到永磁电机之中，但永磁电机的磁场是恒定的磁场。所以需要位置传感器中的霍尔元件进行处理，产生出来的位置信号再输入到功率开关中让电机的运行方向始终沿着某个方向旋转，即使是在恒定磁场下也可以使电机正常运行。永磁电机功率开关直流电源位置传感器位置信号处理图2-1 电机结构框图2.3永磁无刷直流电机的原理无刷直流电机因为定子与转子的原因，需要逆变电路为电机提供信号。在逆电路中一共有六个功率开关，每两个为一组可分为三相，每次接通时只通过其中两个功率开关。当电机开始运行时，输出的电信号经控制电路变换后驱动逆变器进行转向。开始运行时T1
14、、T6 功率开关导通，即A、B两相绕组通电，C相绕组相当于断路，使电流从正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，由T6回到电源的负极，此时定子和转子磁场相互作用，使电机的转子逆时针转动。每60电度角转变了一次功率开关。根据表2-1可知。 表2-1 电机正转 转子位置06060120120180180240240300300360开关管113355622442 A相+- B相-+- C相-+表2-1 电机反转 转子位置36030030024024018018012012060600开关管331155422664 A相-+ B相+-+ C相+- 转子在正常运转中每隔60电角度会转变一次，逆
15、变器开关就发生一次换转换，每隔360电度角为一个周期，功率开关管的导通逻辑顺序为T1、T6T1、T2T3、T2T3、T4T5、T4T5、T6T1、T6只到停止运行，而电枢绕组的导通输出的整流电压Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb。在运转期间，转子始终按照逆时针方向进行运转，因为定子磁场吸引转子永磁铁进行运动所以电机只会顺时针方向连续旋转。定子绕组就进行一次换流的顺序是有一定规律的，只有当转子在转动60电度角时才能发生，由此定子磁状态就会发生一次改变。每360电度角为一个周期，而且每一状态都有两相相互导通，转子每旋转120电度角时相应的每相绕组对应的时间都相等。这种方法只是无刷电机运
16、行的方法之一，还有很多方法让电机运行，在这里就不一一介绍了。图2-2 无刷直流电动机工作原理示意图2.4 永磁无刷电动机的组成模块电机的调节系统包括了逆变电路、驱动和驱动保护模块、位置传感器、周边辅助电路、单片机保护电路等几部分共同组成的。驱动模块作为电路中的主要模块它的作用：是利用电动机正常运行时的旋转方向与霍尔元件转子上的位置传感器共同作用下输出三个脉动信号从而输入驱动单元的六个功率开关器件，按照所要求的驱动顺序运行进行运转。微控制器可以看做一个反馈单元，把转速反馈过来的信息进行重新的处理，处理过后的信号经过微控制迅速发出制动信号。位置传感器模块的作用：在无刷电机中没有电刷与换向器，但是要
17、使电机可以运行位置传感器具有不可小视的作用；通过信号处理可以准确的分析出电机的所在位置以及下一步的运转方向在逻辑开关电路的控制下向从而进行换向，保证电机可以顺利的进行运行。周边辅助、保护电路模块的作用：起到对电机的保护作用防止电机受到一些不稳定因素得影响使电机产生损坏。对过电压过电流和调速信号和制动信号等影响电路的因素称作保护电路。 2.5 无刷电机与有刷电机的区别 无刷电机是依靠有刷电机的发展进一步改进的，无刷电机不仅有自身的特点而且还具有有刷电机的特点。有刷电机因为有机械电刷的原因摩擦力大，会对电机内部容易造成磨损严重损坏电机与电刷；因为有刷电机自身结构的原因电阻使用比较大，电机在长时间运
18、行时产生大量的热量；在无刷电机中永磁体作为热敏元件，在电机使用时会产热，缩短对永磁铁的寿命，使电机性能下降，造成电机性能大幅下降。无刷电机的优点不仅如此，还有很多，通过表2-5体现有刷电机与无刷电机的区别。表2-2 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较项目无刷直流电动机有刷直流电动机换向借助霍尔元件实现电子换向由换向器和电刷进行机械换向寿命时间长时间短 机械特性硬，可以在任何条件下进行中等硬度，电机在高速运行时会产生摩擦，力矩减小效率效率比较高效率不太高输出功率输出功率高输出功率中等 转自惯量低。改善了动态响应转自惯量高速度比较高。没有电刷对电机的摩擦，所以速度较快比较低，电刷对电机造
19、成摩擦，影响电机转速电噪声低高价格较高较低控制水平灵敏度高，控制性好灵敏度不高，控制性不好控制要求控制器对电机的运转起到了一定作用，可以控制电机的转速不需要控制器，电机的转速由自身的条件所控制，不受控制器的控制3 无刷直流电机硬件设计3.1 控制系统的硬件设计框图经过对无刷电机控制系统的深一步认识，可以汇出电机控制系统的框图。图 3-1为控制系统框图以及各核心的元器件经过相互联系完成电机的硬件组成。首先经过到PIC16F877A为核心的单片机外围电路，接收输入信号产生PWM脉冲信号；输送到隔离电路中，由ATF16V8B组成的组成解码器。将输入进来的PWM信号进行处理，从而控制电机的正反转等，输
20、出为 6个功率信号通入到逆变电路中，逆变电路主要是利用六个IR540n元件组成全控桥式星型电路，与电机连接，将直流转换为交流，为无刷电机提供信号。不仅如此还有一部分信号通过驱动保护模块进行处理，重新输送到了隔离电路之中。最终永磁直流电机通过转子位置检测反馈到了单片机中，形成了一条反馈电路。图3-1 无刷电机控制系统框图3.2 逆变电路逆变器的主要作用是将直流电源转化为交流电源。目前，无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件,无刷直流电动机定子绕组的相数可以有不同的选择，绕组的连接方式也有星形和三角型之分，而逆变器又有半桥型和全桥型两种,这里用星型桥式电路。它的
21、主要组成部分是利用立六个功率元件，每两个元件为一组共同组成三组，形成三项桥式电路。这与传统的逆变器不同的是，它的输出频率是可调控的，不受电机自身的控制，是由转子位置信号进行控制的,是一个“自控式逆变器”。永磁无刷直流电动机电流的输入频率和电机转速始终保持同步，正因为输入频率和电机转速同步的原因，在一定程度上解决了产生异常的原因，确保了电机可以正常运行。 图3-2 功率开关主电路原理图3.2.1 6路MOS管上下桥开通原理图3-3为功率开关上下桥导通原理图，当上下管驱动输入通时，经过IR2130内部结构以及自举电路的影响，输出的高电平与低电平不能同时输出，当下管导通LO输出为高电平，HO输出就为
22、低电平，下路的功率开关就导通通过电阻进入到功率开关的栅极连接，然后与地线连接；上路的功率开关的源极与电容的负极相连，电容的正极与电源相连，当上路的功率开关运行时电容相当于一个电源为功率开关供电，C1的作用就是一个自举电容。当下管截止上管导通时，HO为高电平自举电容通过电阻与功率开关的栅极相连，微功率开关导通提供电源。 图3-3上下桥开关原理3.3 驱动及驱动保护模块3.3.1 光电耦合器6N137做为高速光电耦合处理的6N137芯片，它的重要作用是将驱动电路与主电路隔离。那为什么不能选择一般的处理器，而是选择了6N137芯片？这就与电机的转速快慢有关，电机运行时都是进行高速运转。例如电机每分钟
23、转速达到2000转每分钟时，电机每转一圈所用时长为0.03每秒，而且电机转向的特点每转一圈都要进行六次换向，由此可知电机每一次转向所需的时间为0.005秒；通过每一次转向所需时间可知电机的控制信号频率为200Hz,假如电机内有多个PWM脉冲，此时所要控制的频率成倍增加。由此可知如果选用一般的芯片不能准确高效的对每一个信号进行精确地处理，所以选用6N137芯片。3.3.2 IR2130驱动芯片驱动模块主要组成部分是MOSFET中的IR2130驱动芯片，IR2130驱动芯片中的输入电路电路分别是HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3代表着信号输入端。信号输出端为HOI1、HOI
24、2、HOI3、LOI1、LOI2、LOI3分别连接到逆变电路中的三个上桥端和三个下桥端。IR2130驱动芯片它最大的特点是输入与输出波形完全同步，从而使三相逆变电路中的六个功率元件实现驱动。之所以在驱动以及保护模块中我们选择IR2130芯片来进行驱动和保护。因为IR2130是新型的芯片它具有老式芯片的特点而且在其基础之上加以改进是其体积减小，集成度变高等特点，最重要是实现了对电路进行保护，其中对过电流、欠电压等故障的保护,是通过芯片IR2130中的LTRIP引脚,当产生过流时电流检测单元送来的信号高于内部给定电压，当发生过流时，电流检测单元送来的信号高于内部给定电压，电流比较器迅速翻转，使输出
25、都为低电平保护功率管。同理若发生电源欠压时从而保护功率管。发生故障后，IR2130内将保持信号输出故障从而处在闭锁状态，直到故障清除才能正常运行。正因为具有这么多的特点是作为中小型无刷电机驱动电路的首选。3.3.3 硬件电路图本文设计的控制电路中，是通过上一单片机输出的六个脉冲信号首先进入六个6N137快速光电耦合器把驱动电路与主电路分隔开，经过快速处理从而输出脉冲信号从而驱动电路，输出的脉冲信号经过ATF16V8B解码器将输入的脉冲信号通过已经设定的好的位置信号进行处理，再通过 IR2130 专用驱动集成电路实现驱动，输出到六个MOSFET的导通信号进入驱动保护模块进行信号分处理，并且输入与
26、输出波形完全跟随，为三相逆变桥的三个桥臂六个功率元件实现驱动。输出信号三个与上桥臂相连，三个与下桥臂的功率元件相连，确保输出的信号可以正常运行。同时为系统出现过流故障时，故障信号传送到 IR2130 的 ITPIR 脚，直接封锁 IR2130，使其输出六个脉冲信号都为低电平，六个功率元件都关断。过这些元件的相互作用是整个驱动保护模块正常运行。根据图3-3为驱动及驱动保护模块。 图3-4 驱动及驱动保护模块3.4 单片机外围电路 3.4.1 PIC16F877A芯片的内部结构PIC16F877芯片最大的特点是周期短、高速、低功耗和低价，实可以重复烧录，大大降低了损耗，是用于教学与研究的不二之选。
27、同时内部包括了多个模板其中主要包括串口通信模块、数据传送模块、比较模块、脉宽调制模块和A/D转换器模块。PIC16F877芯片一共具有四十根接脚。其中Pin11与Pin32(VDD)的引脚连接电源正极，Pin12 与Pin31(VSS)为与地线连接的，RA0引脚为外部中断输入端；虽然说每条引脚的作用并不固定甚至具有两到三种，也是选择PIC16F877单片机的原因。例如Pin1作为第一支接脚可以对整个控制系统进行重置，起到了复位的作用，但是这一功能只能对低电平有效，同时作为整个编程电压的输入端。上述只是对PIC16F877的个别引脚进行了了解，剩余的引脚也有它各自的作用。这些引脚可以作为输入、输
28、出的接脚，通过这些接脚可以与周边电路进行电路进行信号的传输。PIC16F877芯片之所以划分到了8位的单片机，因为此单片机是以8个接脚为一组，每个接脚都是一个输入与输出的端口。命名为PORTB(RB0RB7)、PORTC(RC0RC7)、PORTD(RD0RD7)等。在这次的硬件电路中就是使用了其中的一组端口中的前六个引脚作为输出端口，就是PORTD(RD0RD5)做为信号的输出的端口输入到驱动模块中。剩余的接口特性说明如下：在PIC16F877中的有一组引脚比较特别就是RA组的引脚其中只有有6个位引脚分别为RA0、RA1、RA2、RA3、RA4、RA5，每个接脚可作为数字输入端口。当系统复位
29、后，自动成为模拟输入状态，可读取模拟输入。PIN13做为振荡电路的输入端口与、PIN14为输出端口，组成振荡电路将电信号转变为一定频率的交流信号。这些都只是对该芯片的了解，下文才是用到了实际电路中。图3-5 单片机16F877A3.4.2 外围电路图设计如下图3-6是外围设计电路图，其中包含了三大基础电路包括了晶振电路、复位电路、主电路组成的。其中Pin1这个外接脚接入一个二极管，用来显示单片机的运行状态；以单片机为核心的主电路其中Pin33、34、35为输入端口在单片机内产生PWM 波，与上位机通讯 。Pin19、20、21、22、27、28这六个引脚做为输出信号与驱动电路连接；经过PIC1
30、6F877芯片内部模块处理，为驱动模块输出PWM波;由Pin13、Pin14两个引脚组成的振荡电路；Pin33、34、35这是三个引脚为整个单片机的输入信号，但每个引脚都要加入上拉电阻起到了限流的作用。Pin11、32两个引脚为单片机提供电压，Pin12、31和地线相连。最后,通过对单片机各各引脚的了解与实际电路相结合完成了以单片机16F877A为核心的外围电路。 图3-6 外围电路图设计3.5 总硬件电路图 通过以上几个模块的分析设计，对无刷直流电机的硬件设计应该有了深刻的了解。首先进入单片机为主的外围电路对信号进项处理分析，再通过驱动及驱动保护模块对电机进行保护和驱动，最后输入到逆变电路中
31、对电机进行控制使电机可以正常运行，通过几个模块的相互联系共同组成了硬件电路。附录图一为总的硬件电路图。4 系统的软件设计4.1 A/D转化模块作为软件设计的第一个重要内容A/D转化具有重要的作用，A/D转化模块是在单片机芯片中不可缺少的一部分，因为单片机是无法读取模拟信号的只能读取数字信号，所以在程序之初需要一个A/D转换器。转化器的主要目的是在单片机内部进行转化，把输入的模拟信号再转化为数字信号。图4-2为A/D转换程序框图，其基本内容如下首先开始输入模拟信号，经过AD初始化启动AD转化模块，当转化结束时输出转化结果；转换没有结束始终进行转换，直到输出结果，再次输入到AD初始化。图4-1 A
32、D转换程序框图4.2 软件设计流图 已经对无刷直流电机的硬件设计电路已经有深刻了解，但是想要电机正常运行只靠硬件设计是不行的，还需要对内部进行软件设计。只有通过硬件与软件的结合才能使电机正常运行,就以上的问题下面就开始对系统进行软件设计与分析。无刷直流电机软件控制系统是由多个部分组成的。其中包括了位置信号处理、PWM脉冲信号的生成转速调节、电流调节、故障信号的处理等系统，最重要模块应该是是位置信号的处理，是因为在恒定磁场的作用下，位置信号处理就代替着传统的机械电刷使电机进行转向运动，在位置信号的处理下保证了电机可以正常运行。图4-1为软件设计的框图，当主程序开始运行时首先系统初始化开始然后以及
33、定义初始化变量，然后进行变量的初始化在定义捕捉单元进行信号处理，通过初始化ADC模块将模拟转化成数字信号通入到定义事件管理器模块，开启ADC中断，等待信号是否可以中断这些信号的处理，以上的这些过程都需要在初始化系统中完成。只有当上述内容设置正常运行时才能确程序可以正常机运行。其中最重要的环节是定义事件管理器其中包含了配置寄存器，它关系到电机下一步进行转向的问题，因为其内部具有所需的位置值，通过读取初始的位置值从而确定位置的转向的子程序，让电机正常运行。 图4-2 软件流程图4.2 中断流程框图中断控制系统的主要是用来判断电机电刷的转向情况，以及下一步电机的运转方向。在等待中断的过程中，当前位置
34、信号发生变化时中断开始，从而进入中断，在中断系统中首先进行保护现场的位置信号，然后再读取所在的位置信号，通过在配置寄存器中的位置信息进行处理用来判断导向的方向，通过对PWM调制，最后恢复现场中断返回。然后再进入到等待中断中等待中断，就这样周而复始的进行位置的判断与导向。进入中断现场保护读取位置信号换向判断 PWM调制恢复现场中断返回等待中断 图4-3 中断电路流程图4.4 处理位置传感器的检测信号根据上文可知，PIC16F877A 芯片是通过电机反馈过来的位置信号来调制输出的PWM脉冲信号，所以对位置信号的检测和处理对于电动机的控制系统设计是非常重要的一个环节。然而位置信号的信号源是储存在配置
35、寄存器上的，对每一个运转顺序进行编程，用不同的信号表示电机的位置信号以及转向方向。在图4-3中一旦发生中断，就需要从新判断转子位置这时就需要通过PIN33、34、35这三个端口来进行读取，可以把电机看作三相（A、B、C）的导通状态，我们可以将其设置成一个三位二进制数，一共可以分为六种情况。同时，我们还需要这三个相对位置信号与六个功率管之间的导通关系从而控制电机的转向，将他们的关系绘制成表4-1。以表格的方式存放在CPU。 表4-1 换向表换向状态位置信号状态导通功率开关导通功率开关H1H2H3正转正转反转1001ABQ1、Q6Q3、Q42011ACQ1、Q2Q3、Q23010BCQ3、Q2Q1
36、、Q24110BAQ3、Q4Q1、Q65100CAQ5、Q4Q5、Q66101CBQ5、Q6Q5、Q45 无刷直流电机的仿真5.1数学模型永磁无刷直流电机的数学模型主要是通过了电动机本身的参数计算出来的，同过本身的计算，可以更快更准确的获取数据。 假设在一般的情况下，当磁路处在非饱和的状态下，涡流和磁滞损耗都比不考虑，绕组完全对称，则电压的平衡方程为： 式中 Ua、Ub、Ub 定子相绕组电压（ V ） ; ia、ib、ic定子相绕组电流（ A ）； ea、eb、ec 定子相绕组电动势（ V ）； 当三相绕组为Y连接是，没有中线，则 ia+ib+ic =0 (5.1)并且 Mia+Mib= -M
37、i (5.2)将（5.1）和（5.2）带入电压方程可以得到电磁转矩。 根据电压方程可以得到电机的等效的电路图，如图5-1图5-1 无刷电机的的等效电路图 电磁转矩方程为：Tem=(eaia+ebib+ebib)= （5-3）5.2 PI调节器的建模和特性的研究5.2.1 PI调节器的传递函数PI调节器的传递函数为： WN(S)= (5-3)式中，KP为比例系数；T为积分系数。 WN(S)=KP（1+） (5-4)虽然两个都是PI调节的传递函数，但是在仿真中不同的公式所建立的传递函数是不同的，它的效果也不同，我们就以这两个传递函数为例构建相应的模型。由公式（5-3）可知如果想建立IP调节器其中包
38、括了两个重要模块，这两个模块分别为放大模块与传递模块，作为IP调节器放大倍数KP 输入模块，有了输入模块还需要传递模块设置积分时间常数，经过两个元件进行产生信号，然后对两个脉冲进行信号综合产生可调的输入信号，通过输入输出的波形用来显示在偏差信号的影响。表5-1 PI调节器模块 图5-1 PI调节器传递函数仿真图5-2 Pulse Generator的参数设置图5-3 Pulse Generator的参数设置设置调制KP=2，Ti=0.06，调节显示器的幅值为10，调节脉冲输入信号的周期为3s,脉冲宽度为0.6s，调节器输出幅值为10，脉冲信号为3s,脉冲幅值设为1。在输入波形为+1时（t=0到
39、0.06s）,因为KP=2，所以在2开始初在积分作用下生长；在输入脉冲为0时（0.06s到1.5s）调节器输出在20保持不变；当脉冲为-1时（1.5s到2.1s)输出下降，在2.1s时输入脉冲为0，调节器不变。调节器的输出脉冲最大为20，最小为0。当经过限幅时最大的幅值为10。 图5-4 PI调节器输入脉冲 图5-5 PI输出波形图 图5-6 限幅后的输出波形5.2.2 带积分限幅的PI调节器以上是对PI调节器的传递函数，下面开始介绍带积分的限幅的调节器，是由公式（5-4）构建的。其中最重要的就是积分模块，可以限制积分输出最大值。下图是带积分限幅的PI模型。其中有三个调节放大倍数Kp，分别为K
40、p=2、Ki=1、Ki=1/Ti。设置幅值为15，其余的参数和上文一样。在模型中进行仿真，得到以下显示的图形。 图5-7 带积分限幅的PI调节器 图5-8 Integrator参数图5-9 调节器输入脉冲波形图5-10 放大器输出脉冲波形图5-11 饱和后的输出波形图 图5-12 限幅后的输出波形根据以上四张图可知，当输入的限幅设定为15时，输出的限幅值经过调节器调节后的值为10，输出的值要小于输入的值。当1.5s后输入波形为负值时，输出的限幅值开始下降，并且延迟了0.1s，这0.1s相当于输出限幅的退饱和迟延。与不带积分的调节器相比可以减少系统的退饱和超调。通过以上两节相互比较可以得到当输入
41、波形相同时，两个PI调节器输出的波形不相同。带积分的PI 调节器更加的准确，所以选用后者。 5.3 电机调速系统仿真模型下图5-13为电机调速系统仿真模型，电机仿真波形一般有两种，一种为正弦波而另一种为方波，因为经济方面的原因我们选择方波为波形图。在仿真的模型中包括了很多模块，有逆变模块、驱动模块、电机模块组成等。控制模块主要有以下这几部分组成包括了转速给定、转速调节、PWM脉宽调制、controller模块组成 。在转速调节器与脉宽调节器共同作用下输出脉宽，从而对电机进行调节。电机在运行时需要位置检测器，检测转子位置通过位置检测配置三相导通。下图5-14为controller模块结构，首先设
42、置电机转子位置thetam，根据电机原理可以知道电机的运动周期为360且60电度角为一个单元，分为六个脉冲信号，第一个个脉冲信号为/3并且依次增加/3。然后输入到模块中进行运行，与PWM信号进行运算，经过计算产生信号从gate输出，通入到功率开关当中进行驱动。 5-13为电机调速系统仿真模型 5-14 controller模块结构 表 5-2 电机调速系统参数永磁电机定子绕组Rs=4.765励磁磁通0.1848Wb定子电感Ls=0.0085H励磁宽120转动惯量J=0.0058kg.m2极对数P=2转矩给定TL=3N.m转速调节器比例系数KP=10.7积分系数 Ki=0.15放大器G=1/10仿真计算Ode23tb 根据表5-2可知电机的各个参数从而对电机进行设定，当电机开始运动时，设定初始转速为r/min,在s后设定的转速为r/min, 5总结本文对无刷直流电机的原理、硬件电路和软件设计有了足够的认识。在原理上对电机如何在没有电刷和换向器的条件下怎么进行运转等问题进行了说