第4章3无刷直流电机调速系统
无刷直流电机调速系统的控制原理
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无刷直流电机(BLDC)双闭环调速解析
无刷直流电机(BLDC)双闭环调速系统在无刷直流电机双闭环调速系统中，双闭环分别是指速度闭环和电流闭环。
对于PWM 的无刷直流电机控制来说，无论是转速的变化还是由于负载的弯化引起的电枢电流的变化，可控量输出最终只有一个，那就是都必须通过改变PWM的占空比才能实现，因此其速度环和电流环必然为一个串级的系统，其中将速度环做为外环，电流环做为内环。
调节过程如下所述：由给定速度减去反馈速度得到一个转速误差，此转速误差经过PID调节器，输出一个值给电流环做给定电流，再由给定电流减去反馈电流得到一个电流误差，此电流误差经过PID 调节器，输出一个值就是占空比。
在速度环和电流环的调节过程中，PID的输出是可以作为任意量纲(即无量纲，用标幺值来表示；标幺值：英文为per unit，简写为pu，是各物理量及参数的相对单位值,是不带量纲的数值)来输入给下一环节或者执行器的，因此无需去管PID输出的量纲，只要是这个输出值反映了给定值和反馈值的差值变化，能够使这个差值无限趋近于零即可，相当于将输出值模糊化，不用去搞的太清楚，如果你要是一直在这里纠结输出值具体是个什么东西时，那么你就会瞎在这里出不来了。
假如你要控制一个参数，并且这个参数的大小和你给定量和反馈量有着直接的关系(线性关系或者一阶导数关系或者惯性关系等)，那么就可以不做量纲变换。
比如速度环的PID之后的输出就可以直接定义为转矩，因为速度过慢就要提高转矩，速度过快就要减小转矩，PID输出量的意义是调整了这个输出量，就可以直接改变你要最终控制的参数，并且这个输出量你是可以直接来控制的，这种情况下PID输出的含义是你可以自己定的，比如直流电机，速度环输出你可以直接定义为转矩，也可以定义为电流，然后适当的调节PID的各个参数，最终可以落到一个你能直接控制的量上，在这里最终的控制量就是占空比的值，当占空比从0%—100%时对应要写入到寄存器里面的值为0—3750时，那么0—3750就是最终的控制量的范围。
无刷直流电机的PID调速控制系统
无刷直流电机的 PID 调速控制系统
The Speed Control System of Brushless DC Motor
安徽蚌埠学院电子与电气工程学院 丁少云（Ding Shaoyun） 薛达（Xue Da）
随着科技的发展，传统的直流电机在某些功能上已经无法满足实际需要。在此基础上，无刷直流电机被研制出来。但由于 该电机存在了一些非线性、时变性等特点，在实际应用中，为了解决这种情况的影响，我们常采用PID调速控制，其为比例、积 分、微分控制，PID控制器诞生已有70年的历史，是比较成熟的技术。其以结构简单、稳定性高和工作可靠等众多优点而广受青 睐。 关键词: 无刷直流电机；智能控制；PID；Simulink
这样，随着时间的增长，细小的误差也会增大，随后其 将输出的放大误差信号传输给后一级，从而使电路的稳 态误差进一步减小，直至消减为零。因此比例积分控制 器可以使得系统在稳态状态下零稳态误差。积分环节的 调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应 速度，增加系统的超调量。积分常数越大，积分的积累 作用越弱。虽然此时系统在过渡时不会产生振荡，但是 增大积分常数会减慢静态误差的消除过程。在微分控制 系统中，控制器的输出与输入误差信号的变化率成正比。 即为微分关系。
Abstract: With the development of science and technology,the traditional DC motor can’t meet the practicalneeds in some functions.On the basis,brushless DC motor is developed.However,there are some nonlinearity,time varying and so on.In practice,To solve the impact of this situation,we often use the PID speed control.It is proportional,integral,differential control.The birth of the PID controller has been 70 years old and is a mature technology.Its advantage include simple structure,high stability and reliability. Key Words: Brushless DC motor; Intelligent; PID;Simulink
直流无刷电机是如何实现调速的？
直流无刷电机是如何实现调速的？
【导读】直流无刷电机是如何实现调速的？这个问题机电公司每隔几天都会遇到，是对无刷电机有使用需求的潜在客户来电咨询的常见问题，所以很有必要为大家讲解一下这方面的知识。
直流无刷电机没有电刷磨损，维护相对简单，较有刷可靠，但需加装驱动（换向）电路。
直流无刷电机的调速方式第一种情况是：主要靠电压来控制，力矩主要由电流来控制，一般会带一个配套的电机驱动器，改变驱动器的输出电压就可以控制电机的速度，如果没有驱动器，想自己直接控制电机的话，需要看电机的功率和工作电流。
如果是小功率的电机可以用电阻调速（不建议使用，方法很简单，串联个电位器即可，不过这种方式会降低效率，所以不提倡），大功率的电机不能使用电阻调速，因为这样需要一个小阻值大功率的电阻（电机工作阻值很小），这种电阻不好找而且这种方案效率太低，最好还是找个配套的驱动器。
直流无刷电机的第二种调速方式：PWM调速，直流电机的PWM调速原理与交流电机调速原理不同，它不是通过调频方式去调节电机的转速，而是通过调节驱动电压脉冲宽度的方式，并与电路中一些相应的储能元件配合，改变了输送到电枢电压的幅值，从而达到改变直流电机转速的目的。
它的调制方式是调幅。
PWM控制有两种方式：
1.使用PWM信号，控制三极管的导通时间，导通的时间越长，那么做功的时间越长，电机的转速就越高
2.使用PWM控制信号控制三极管导通时间，改变控制电压高低来实现
直流有刷电机的优点在于启动力矩大，调速系统结构简单，价格低廉，然而缺点也有很多如噪音大，容易损坏，要换碳刷，所以逐步被直流无刷电机所取代。
电梯门机用无刷直流电机调速系统设计与应用
电梯门机用无刷直流电机调速系统设计与应用一、引言电梯门机是电梯运行中最为重要的部件之一，它的稳定性和可靠性对于电梯的安全运行至关重要。
在电梯门机中，无刷直流电机调速系统是关键技术之一，它可以提高电梯门机的控制精度和效率，保证电梯门机的平稳运行。
本文将详细介绍无刷直流电机调速系统在电梯门机中的设计与应用。
二、无刷直流电机调速系统设计1. 无刷直流电机简介无刷直流电机是一种以永磁体为转子、三相交错绕组为定子的交流异步马达。
它采用了先进的PWM控制技术，可以实现高效率、低噪音、低振动等优点。
2. 无刷直流电机调速系统结构无刷直流电机调速系统主要由控制器、功率放大器和编码器三部分组成。
其中，控制器负责接收输入信号并进行处理；功率放大器则将处理后的信号转换成驱动信号；编码器则用于反馈转子位置信息。
3. 无刷直流电机调速系统工作原理当控制器接收到输入信号后，会根据设定的控制算法计算出电机所需的转速和转矩。
然后，控制器将计算结果传递给功率放大器，功率放大器则将信号转换成驱动电流。
最后，编码器会反馈转子位置信息，并校正控制器的计算结果。
4. 无刷直流电机调速系统参数选择在设计无刷直流电机调速系统时，需要考虑以下几个参数：（1）电机额定功率和额定转速；（2）控制器采样周期和控制算法；（3）功率放大器输出电压和输出电流；（4）编码器分辨率和反馈周期。
三、无刷直流电机调速系统应用1. 电梯门机中的无刷直流电机调速系统在电梯门机中，无刷直流电机调速系统可以实现精准的门扇开启和关闭控制。
通过对门扇运动轨迹进行精确测量，并根据测量结果进行闭环控制，可以保证门扇开启和关闭的平稳性和精确性。
2. 无刷直流电机调速系统在其他领域中的应用除了在电梯门机中应用外，无刷直流电机调速系统还广泛应用于其他领域，如机床、风力发电、电动汽车等。
在这些领域中，无刷直流电机调速系统可以实现高效率、高精度的运动控制。
四、总结无刷直流电机调速系统是一种先进的驱动技术，可以实现高效率、低噪音、低振动等优点。
无刷直流电机工作原理及PWM调速
稀土永磁材料的Hci 比Hcb 大很多，退磁曲线测
量到Hcb 时，被测的稀土永磁体几乎没有退磁；只有
测量到Hci 这一点时，稀土永磁体才退磁了。
华北电力大学 电机教研室
《电机学》
§25-1永磁材料及其特性参数
永磁材料的特性参数
华北电力大学 电机教研室
《电机学》
§25-1永磁材料及其特性参数
永磁材料的特性参数
（6）最大磁能积(BH)max 在B-H 曲线上，每一点都对应一组数值（B，H） 及其乘积BH。在Br 点，H 值为0，故BH 乘积为0； 在Hcb 点B 值为0，故BH乘积也为0。在此两点之间
必定有一点的BH 乘积达到最大，记为(BH)max，并
称它为最大磁能积。永磁材料的最大磁能积代表储存
在它里面的磁能密度。
永磁材料的去磁曲线表示永
磁材料被完全磁化后无外励
磁时的 B—H关系。
华北电力大学 电机教研室
《电机学》
§25-1永磁材料及其特性参数
永磁材料分类 常用的永磁材料有铝镍钴（AlniCo）、钡铁氧体 （Ba-Ferrite）和锶铁氧体（Sr-Ferrite）、钐钴 （SmCo 2∶17 型和SmCo 1∶5 型）和钕铁硼 （NdFeB），这是按发明的先后顺序排列的； 若按年产吨位排列则为：铁氧体、钕铁硼、铝镍 钴、钐钴；若按销售额排列则为：铁氧体和钕铁 硼并列第一，然后是钐钴、铝镍钴。
Wb。
华北电力大学 电机教研室
《电机学》
§25-1永磁材料及其特性参数
永磁材料的特性参数
（2）磁通密度（B）
单位面积（S）上垂直通过的磁通量（Φ）叫做磁 通密度（B），B=Φ/S。 1T=1Wb/m2，1G=1Mx/cm2，1T=10000G
直流无刷电机调速原理
直流无刷电机调速原理直流无刷电机是一种新型的电动机，它具有高效率、低噪音、低振动、长寿命等优点，因此被广泛应用于各种电动设备中。
在实际应用中，直流无刷电机需要根据实际需求进行调速，以满足不同的工作要求。
本文将介绍直流无刷电机的调速原理及其实现方法。
一、直流无刷电机的基本原理直流无刷电机是一种基于电子换向技术的电动机，它的转子上没有传统的电刷和集电环，而是采用永磁体或电磁铁作为转子，靠电子器件对电机的转子进行换向控制。
直流无刷电机的转子和定子之间通过磁场相互作用产生电磁转矩，从而实现电机的转动。
直流无刷电机的工作原理可以分为两个阶段：电子换向和电磁转矩产生。
在电子换向阶段，电机控制器通过检测转子位置信号，控制电子器件对电机的相序进行调整，从而使得电机的磁场方向与转子位置相匹配，实现电子换向。
在电磁转矩产生阶段，电机的转子和定子之间产生的磁场相互作用产生电磁转矩，从而推动电机的转动。
二、直流无刷电机的调速原理直流无刷电机的调速原理主要是通过改变电机的电压和电流来改变电机的转速。
在实际应用中，直流无刷电机的调速方式主要有以下几种：1. 电压调速电压调速是最简单的调速方式，它通过改变电机的电压来改变电机的转速。
当电机的电压降低时，电机的转速也会降低。
因此，通过控制电机的电压，可以实现电机的调速。
电压调速的缺点是效率低，因为电机的功率不变，但电压下降会导致电机的电流增加，从而产生大量的损耗。
2. 电流调速电流调速是通过改变电机的电流来改变电机的转速。
当电机的电流增加时，电机的转速也会增加。
因此，通过控制电机的电流，可以实现电机的调速。
电流调速的优点是效率高，因为电机的功率不变，但电流增加不会产生大量的损耗。
但是，电流调速需要较为复杂的电路控制，因此成本较高。
3. PWM调速PWM调速是一种基于脉冲宽度调制技术的调速方式，它通过改变电机的脉冲宽度来改变电机的平均电压和电流，从而实现电机的调速。
当脉冲宽度增加时，电机的平均电压和电流也会增加，从而实现电机的加速。
无刷直流电动机调速系统设计
目录1绪论 (1)1.1 直流无刷电动机发展状况 (1)1.2直流无刷电机控制技术的发展 (1)2 直流无刷电动机的工作原理 (3)2.1 直流无刷电动机的结构与原理 (3)2.2三相绕组直流无刷电动机控制主回路的基本类型 (4)2.3直流无刷电动机控制系统中的PWM控制器 (5)3 直流无刷电动机控制系统的数学模型 (6)3. 1直流无刷电动机的基本方程 (8)3. 2直流无刷电动机控制系统的动态数学模型 (11)4 硬件电路 (13)4.1 主电路 (13)4.2换相电路 (15)5 软件部分设计 (17)5. 1软件总体构成 (17)5. 2主程序的设计 (17)5. 3中断子程序的设计 (19)结论 (21)参考文献 (22)致谢 (23)1绪论1.1 直流无刷电动机发展状况电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已经遍及国民经济的各个领域，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。
直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中。
但传统的直流电动机均采用机械电刷的方式进行换向，存在相对的机械摩擦，和由此带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点。
因此，早在1917年，Bulgier就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机(BLDCM: Brushless Direct Current Motor)的基本思想。
1955年，美国D·Harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着无刷直流电机的诞生。
1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正进入了实用阶段。
二十世纪80年代国际上对无刷电机开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电机，在10多年的时间里，无刷直流电机在国际上己得到较为充分的发展。
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12
5. 电流闭环控制
用于对各相绕组电流幅值进行控制 基本原理
根据获得的电流幅值给定值，通过电流调节器获得逆变电压 的给定值，再通过PWM算法获得各个功率器件的开关信号
路
电流
单相通电
电流
两相通电
13
6. 反向旋转控制方法
特点
位置信号的形式不发生变化
VA1 1 2 3 4 5 6 1
0 VA2
➢ 与反馈电流相比较，并进行电流闭环调节
5
2. 系统工作原理
脉宽调制算法
➢ 将电流调节器的输出信号转化为PWM信号
功率驱动电路
➢ 接收PWM信号，产生逆变电压带动电动机 运行
6
3. 电流波形及功率器件的工作状态
• 两相通电方式
绕组通电电流波形
12 3 4 5 61
iA
0
θ
通电逻辑： 每隔60度改变一次通电状态
使 VA2 0
θ θ
能 VB1
译码逻辑
0
信号 VB2
θ
根据位置信号计算出使能信号
0 VC1
θ
0
θ
VA1 HA • HB VA2 HA • HB
VC2 0
θ
HA
VB1 HB • HC
VC1 HC • HA
VB2 HB • HC
VC2 HC • HA
位0
θ
置 HB
信0
θ
号 HC
0 30 90 150 210 270 300 360 θ
2 30-90
A
A
C＇
B＇
N
C＇
0
B A＇
C
5
A
C＇
B＇
S B
A＇
A C＇
N S
B A＇
0
C
B
A＇ 180-240
3
90-120
A
B＇
N
C＇
0S
C
B
A＇
4
A
B＇
C＇
0
C
B
A＇
120-180
N S
VA1 1 2 3 4 5 6 1
0 VA2
θ
0
θ
VB1
0
θ
VB2
0
θ
VC1
0
θ
VC2
0
θ
HA
0
θ
HB
0
θ
桥式驱动电路各功率器件的使能信号（高电平导通）
绕组通电电流波形
iA
0
θ
iB
0
θ
iC
90
210 330 θ
0 30
150
270 360
驱动电路
VA1 US
VB1 VC1
VA2
VB2 VC2使能信号VA10 VA2
θ
0
θ
A
VB1
B
C
0 VB2
θ
0
θ
VC1
0
θ
VC2
360
0 30 90 150 210 270 330 θ
|Vin|转速环输出
来自 2S80 CP16bit
计数方向 信号
A16
A15 … EPROM1
A0
A16
A15 … EPROM1
A0
REF D/A (AD669)
REF D/A (AD669)
A相电流 给定
第四章 无刷直流电动机及其控制系统
内容提要
引言 有刷直流电动机的电磁关系 无刷直流电动机系统结构及原理 无刷直流电动机的位置传感器 无刷直流电动机系统的功率驱动电路 无刷直流电动机控制系统及应用
1
4.5 无刷直流电动机控制系统及应用
• 方波无刷直流电动机系统 • 正弦波无刷直流电动机系统
位置信号形式
实际情况 在每相绕组所处位置 的磁密过零点开始， 位置信号延时30度
实际位置信号
1 2 3 4 5 61 HA BrA
0
θ
HB BrB
0
θ
HC BrC
0
30 90 150 210 270 300 60 120 180 240 360
θ
11
VA1 1 2 3 4 5 6 1
0
4. 位置信号及译码逻辑
HC
0 30 90 150 210 270 300 360 θ
15
7. 无刷直流电动机控制系统
速度给定
调速旋钮
速度调节
驱动电路
2E72G A
2E72G SSAC
三相桥电路
三相无刷直流电机
M
2E72G SSAC
电源 供电电路
2E72G SSAC
译码 及电流控制
微控制器
电流采样
位置信号反馈
16
8. 应用实例
θ
0
θ
VB1
0
θ
VB2
原来所处位置的转矩应该变为 0
相反方向
VC1
θ
0
θ
VC2
实现方法
0
θ
HA
相对应的绕组电流方向取反
0
θ
上下桥臂对应的使能信号对调
HB 0
θ
HC
0 30 90 150 210 270 300 36014θ
330-30 N
S
1
B＇
0 C
6
B＇ 0
C 240-330
N S
6. 反向旋转控制方法
9
4. 位置信号及译码逻辑
作用
通过位置信号，并经过译码，产生各功率器件的使能信号
位置信号形式
原则：
在一个周期内产生6处跃变的不重复的位置信号
理想情况：
可以由位置传感器产生六路与所需控制信号相同的位置 信号，直接用于驱动六个功率器件
问题：
需要安装6个位置传感器
10
4. 位置信号及译码逻辑
n
t
位置传感器输出的角度增量 采样间隔
速度调节器（PI调节）
➢ 根据速度误差，计算调节器输出，并作为电流 幅值给定
I* KPn KI ndt
4
iA
0
θ
2. 系统工作原理
iB
0
θ
iC
90
210 330
译码逻辑及电流调节器
0 30
150
270 360
θ
➢ 根据位置信号计算各个功率器件的使能开关状态，并与 电流给定相乘，获得每相绕组的电流给定
应用于高速场合，降低转矩波动对性能的 影响
应用实例
计算机软盘、光盘、硬盘驱动器（单向） 工业生产，高速离心机，铣床 民用，空调，洗衣机，电动自行车 飞机尾翼控制、微型直升机
17
4.5.2 正弦波无刷直流电动机控制系统
转速，电流双闭环结构 电流为三相对称正弦波形，速度由角度计算获得
跟踪型位置 传感器
（交流永磁同步电动机系统）
2
4.5.1 方波无刷直流电动机控制系统
1. 无刷直流电动机控制系统原理图
转速、电流双闭环结构。速度由角度计算获得
位置传感器
速度计算
译码逻辑
速度 给定
速度 调节器
乘法器
电流幅值给定
脉
宽
调
制
算
电流
法
调节器
功 电流检测
率
驱
无刷直流
动
电动机
电
路
3
2. 系统工作原理
速度计算
根据位置信息，计算转速
轴角变换 电路
速度计算
速度 给定
速度调 节器
电流幅值 给定信号
乘法器
三相对称标
准正弦波生 成电路
脉 宽
调
制
电
路 电流调节器
功 电流检测
率
驱
无刷直流
动
电动机
电
路
正弦波无刷直流电动机控制系统结构
18
三相正弦波生成电路
➢位置传感器：旋转变压器+2S80
存储器存储正弦值，角度值作为地址，存储器的输出作为 两相标准 正弦波，再经D/A变换，同时实现电流幅值给定相乘，获得三相电流 给定值
1
2
3
C B BA AC
iB
0
θ
iC
90
210 330 θ
0 30
150
270 360
4
5
6
CB B A AC
下面分析桥式电路各功率器件的 工作状态
7
3. 电流波形及功率器件的工作状态
BA
: Winding/ Coil
U
W
BA
U W
V
V
U
U
AC
W
AC
W
V
V
CB
U
W
CB
V
U W
8V
3. 电流波形及功率器件的工作状态