无刷直流电动机设计
无刷直流电动机及驱动系统设计
无刷直流电动机及驱动系统设计无刷直流电动机是一种能够将电能转化为机械能的电机，它不仅具有高效率、高功率密度、大扭矩和高转速等优点，同时还能在宽范围内调整转速和控制扭矩。
因此，无刷直流电动机及其驱动系统设计成为了工业应用和个人消费电子产品中常见的一种电机类型。
无刷直流电动机驱动系统由电机本体、功率器件、传感器、微控制器和控制算法等组成。
首先，电机本体是电机的核心部分，包括转子、定子、磁铁和绕组等。
转子是电机的运动部分，由永磁体和轴承支撑。
定子是电机的静止部分，由铁芯和绕组组成。
磁铁是电机的永磁体，产生磁场以与永磁体上的磁场相互作用。
绕组是由导线绕制的线圈，通过流过电流产生磁场。
其次，功率器件是驱动系统的关键部分，用于将电能从电源转化为机械能。
一般采用MOSFET或IGBT等功率器件，以实现高速开关和较高电流能力。
它们能够承受高电压和大电流，并快速切换，使得电机能够根据控制信号调整转速和扭矩。
传感器是驱动系统中用于检测电机位置和转速的重要组成部分。
常见的传感器有霍尔传感器、反电动势传感器和编码器等。
霍尔传感器通过检测磁场强度变化来确定转子的位置，反电动势传感器通过测量绕组中电流变化产生的反电动势来确定电机的转速，编码器则能够提供更准确的位置和速度信息。
微控制器是驱动系统中负责控制电机运行的核心部件。
它包含了控制算法、控制逻辑和通信接口等功能，通过与传感器和功率器件进行交互来实现对电机转速、扭矩和方向的精确控制。
微控制器能够根据输入的控制信号，通过调节电流和电压来控制电机的运行状态。
最后，控制算法是驱动系统的重要组成部分，在实际应用中起到至关重要的作用。
常见的控制算法包括PID控制、电流环控制、速度环控制和位置环控制等。
PID控制通过调整比例、积分和微分控制器的系数来达到稳定控制的效果。
电流环控制通过直接或间接测量电机电流，以控制电机的转矩和速度。
速度环控制通过测量电机转速，并根据所需转速和实际转速之间的差异来调整控制信号。
无刷直流电动机的设计_19_
所以 , 实际上总是要求 Ash略 大 于 2P / 3 电 弧 度。但我 们在 分析 计 算时 , 忽略这个过渡导 图 48 转子位置传感器示意图 通状态 ( 即假设 [ 3] ) 。 ( 2) 理想空载转速 n 0 的计算 根据假设 [ 1 ], 永磁体 转子的磁场在气隙中是 按正 弦 分 布 的。 因 此, 电动机 旋 转时 , 转子 磁 场在电枢绕组中产生的 磁感应电势也是按正弦 规律变化的 , 如图 49 所 图 49 电枢绕组反电势波形 示, 即 e = E m 0 sinXt 在理想空载情况下 , 空载电流等于零, 即 U - $U - E m 0 sin Xt i0 = = 0 r5 考虑到无刷直流电动机电枢绕组的结构与交流 同步电动机电枢绕组的结构相类似, 在磁状态的整 个区间中 , 反电势的平均值应与电源电压相平衡 , 所 以可得到 :
图 47 相电流示意图
At: 为了维持一定的导通顺序和磁状态, 就要求驱动 线路中相应的功率晶体管在按一定顺序导通时 , 能 维持一定的导通时间, 这个导通时间用电角度或电 弧度来表示 , 我们称这个导通时间为功率晶体管的 导通角。对于本例而言, 导通角 At = 2P /3 电弧度 , 如图 47 所示。这里 , 需要强调的是 : 在一相一相依 次导通的情况下, At = Az; 而在其它导通规律时 , 例 如在两相或两相以上的电枢绕组 同时导通的情 况 下, At X Az, 功率晶体管的导通角可能要延续 好几 个磁状态。 转子位置传感器的转子扇形片张角 Ash: 为了保 证上述导通顺序和状态角, 就要求位置传感器的输 出元件 (其输出用来触发功率晶体管 ) 沿圆周 空间 按 180b 电角度配置, 如图 48 所示 ; 同时, 要求 其转微特电机源自2006 年第 7期L
BLDC电动机本体设计及控制原理(详细版)
BLDC电动机本体设计及控制原理(详细版)一、引言直流无刷电动机（Brushless DC Motor，BLDC）是近年来研究与应用领域日益扩大的电机类型。
它具有高效率、高转矩、低噪音、长使用寿命等优点，广泛应用于电动汽车、航空航天、家用电器、微型机器人等领域。
本文主要论述BLDC电动机本体设计及控制原理。
二、BLDC电动机结构及工作原理BLDC电动机主要由转子、定子、传感器、电路控制系统等部分组成。
1. 转子转子是BLDC电动机的核心部分，主要由磁铁和轴组成。
磁铁通常采用强磁性永磁体，由于磁阻较小、磁延迟性小，因此稳定性好，容易控制。
轴材料通常为钢铁材料，既满足强度要求，又具备较高的刚度。
转子采用永磁体的励磁方式，可以降低电机的故障率。
2. 定子定子是BLDC电动机的外部部分，主要由铁芯和绕组组成。
定子铁芯通常由硅钢片穿插叠压而成，目的是避免铁芯中涡流的损耗。
绕组则由若干个线圈组成，其数量与定子极数有关。
3. 传感器传感器主要包括霍尔元件和编码器。
霍尔元件主要用于检测转子磁极位置，编码器用于检测转子具体位置。
这些传感器输出的信号可以通过控制器计算得到电机的精确位置和转速。
4. 电路控制系统电路控制系统主要由驱动电路和控制器组成。
由于BLDC电机是三相交流电机，因此需要采用三相桥式电路进行驱动。
这种电路可以通过PWM技术实现精确的电机控制。
BLDC电动机的工作原理是依靠磁场作用产生电动力矩，具体而言，是依靠定子电流的旋转磁场作用与永磁体产生相互作用力而产生电动力矩的。
BLDC电机通过不断改变定子电流方向和大小来控制电机的转速和方向。
三、BLDC电动机控制原理1. 电机转速控制为了实现BLDC电动机的精确控制，需要对电机的转速进行控制。
一般采用PID控制算法对电机进行控制。
PID算法通过将实际转速与设定值进行比较，计算出误差，然后根据误差大小来调整控制电压的大小和方向。
这种方法可以有效地降低电机的振动和噪声，提高电机的精度和稳定性。
无刷直流电动机优化设计的方法
无刷直流电动机优化设计的方法摘要：本文论述了无刷直流电动机优化设计的方法，根据产品的运行条件，配合电动机绕线设计，进角控制设计，驱动器通电波形，优化电动机的整体设计，使电动机高效率运行，节省能源。
对降低电动机扭矩脉动，减少电动机的噪声、震动也进行了说明。
关键词：无刷直流电动机效率进角控制脉宽调制技术PWM 扭矩脉动矢量控制前言：无刷直流电动机具有结构简单，输出转矩大，调速范围宽，速度控制精准，效率高等优点，在汽车、工具、自动化设备、智能化电器、航空航天等领域应用广泛。
运行效率是评价电机设计的重要指标，使电机运行在最佳效率，能有效节省能源，减少发热，提高电机的使用寿命。
扭矩脉动对电动机的噪声、震动有不利影响，在对噪声、振动要求高的时候，也需要进行适当抑制，以减少噪声、震动，延长电动机寿命。
1.无刷直流电动机1.1无刷直流电动机的构造（图1）。
无刷直流电机由定子绕组、转子、壳体和驱动器组成。
定子绕组多做成三相对称星形接法，转子上粘有充磁的永磁体，壳体可由金属或热塑性材料成型，驱动器由驱动模块集成电路和电子元器件等构成。
无刷直流电动机的构造（图1）1.2无刷直流电动机的工作原理。
如图2所示，直流电源给开关线路（驱动器）供电，驱动器根据位置传感器反馈的转子极性和位置信号，控制驱动器内的晶体管开关，给电机定子三相绕组提供电源，电流流入三相绕组，与定子铁心共同作用产生磁场，驱动器根据控制信号，控制晶体管的开关时间与顺序，使定子产生旋转磁场，旋转磁场与转子相互作用，从而驱动转子运转。
无刷直流电动机的工作原理（图2）1.效率（图3）电动机效率计算公式为η=(P1/P2)X100%。
P1:电动机输出功率，单位瓦特（W）；P2电动机输入功率，单位瓦特（W）；效率用字母“η”表示。
无刷直流电动机的效率也可表示为η=TXN/9.55X100%。
T：扭矩,单位：牛·米（N·m）；N：转速,单位转/分钟（RPM）。
无刷直流电动机的设计(XV)
；
ｉ
第一步： 作永磁体的去磁曲线 ＝ｏＡ ｆ（ Ｗ ）
磁铁工作图为二坐标系统 。为了便 于计算 ， 纵
第五步 ： 决定 回复直线的起始点 Ｋ
根据 所采 用 的“ 稳磁 ” 法 ， 方 计算 出相 应 的永 磁 体的去磁磁 势， 按一 定 比例 尺在 横 坐标轴 上取 并
出 ． 川按需要凋啦恒流 大小． 至实 现电机的斟 分驯动 就 甚 Ｅ
４软件设计
本驱动器的脉冲分 配部 分由软件来 实现 ． 按照 选定的电
机工作方式（ 通电换相 Ⅲ序 ）庄内存 ｌ Ｍ 【 丽 ． ｔ 互阡辟 一个区域 Ｏ 存储脉冲分配 器的输 出状 态， 按照 电机正 厦转的 要求 按上 反 Ｅ
Ｏ ， Ｑ 段 使之与永磁体的去磁磁势相等。然后 ， 把永 平移后永磁体 的外磁路特性 曲线 ＝ Ａ ｍ 与永 Ｗ） 磁体的去磁 曲线 ＝ ｏ Ａ 相交于 Ｋ点。Ｋ点 ｆ（ Ｗ ） 就是回复直线 的起 始点。当我们采用“ 动稳定” 起 法“ 稳磁” ， 时 只要计算出起 动时 电枢反应 的直轴去 磁磁势 然后便可决定 回复直线的起始点 Ｋ ， 如图 ３ ８所示 。点描绘出来。 第四步： 永磁 体 的外磁 路特 性 曲线 作
（ ）
＝ ＿ 厂
；路和磁路之间相互关系的图形。设计者可以借助磁
铁工作图来调整磁路系统和电路系统的参数 ， 使永 ｉ磁体工作在最佳工作点 附近。因此 ， 磁铁工作 图不
由图 ３ ２的等效 磁路可 知 ， 此， 把漏磁通特性曲线 ＝ （
在图 ３ ８中 ， ＝ （ ） 为空载特性 曲线 ， 它
第六步 ： 作回复直线 ＝ （ Ｗ ） ｇ Ａ 以 Ｋ点为起 始点 ， 回复直 线 ＝ （ Ｗ ） 作 ｇＡ ｍ，
无刷直流永磁电动机设计流程和实例
无刷直流永磁电动机设计实例一. 主要技术指标1. 额定功率：W 30P N =2. 额定电压：V U N 48=,直流3. 额定电流：A I N 1<3. 额定转速：m in /10000r n N =4. 工作状态：短期运行5. 设计方式：按方波设计6. 外形尺寸：m 065.0036.0⨯φ二． 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P '直流电动机 W P K P NNm i 48.4063.03085.0'=⨯==η,按陈世坤书; 长期运行 N i P P ⨯''+='ηη321 短期运行 N i P P ⨯''+='ηη431 3． 预取线负荷m A A s /11000'= 4． 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6． 预取长径比L/D λ′=27．计算电枢内径m n B A P D N s i i i 23311037.110000255.0110008.048.401.61.6-⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-⨯= 8. 气隙长度m 3107.0-⨯=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-⨯= 10. 极对数p=111. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--⨯=⨯⨯='='λ根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-⨯12. 极距 m p D i 221102.22104.114.32--⨯=⨯⨯==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-⨯==三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22110733.06104.114.3--⨯=⨯⨯==π3. 槽形选择梯形口扇形槽,见下图;4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096.043.155.010733.0--⨯=⨯⨯⨯==δ ,t B 可由设计者经验得,t b 由工艺取m 210295.0-⨯5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056.196.0255.08.02.222-⨯=⨯⨯⨯⨯=≈Φ=δδτ1j B 可由设计者经验得,1j h 由工艺取m 210325.0-⨯根据齿宽和轭高作出下图,得到具体槽形尺寸6. 气隙系数 135.1)5()5(2010101=-++=b b t b t K δδδ7．电枢铁心轭部沿磁路计算长度m h ph h D L j ij t i i 2111110064.2)21(2)2(-⨯=+-⨯++=απ8．槽面积2410272.0m S -⨯=电枢铁芯材料确定从数据库中读取电枢冲片材料DW540-50电枢冲片叠片系数96.01=Fe K 电枢冲片材料密度331/1075.7m j ⨯=ρ电枢冲片比损耗kg W p s /16.2)50/10(=四.转子结构1. 转子结构类型:瓦片磁钢径向冲磁2. 永磁体外径m D D i m 211026.12-⨯=-=δ3. 永磁体内径m H D D m m mi 21086.02-⨯=-=4. 永磁体极弧系数8.0=m α5. 紧圈外经D 2=m 21032.1-⨯6. 永磁材料磁化方向截面积24221043.421026.114.3108.28.02m p D L S mm m m ---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==πα7. 永磁材料的选取永磁体材料：钕铁硼 剩磁r B ：矫顽力c H ：796 kA/m 永磁体材料密度m ρ:cm 38. r B 对应的磁通Wb S B m r r 41087676.4-⨯=⋅=φ 9．c H 对应的磁势A D D H F mim c c 3200)2(2=-= 10． 转子轭材料选择由于转子较细,故转轴、磁轭为一体,选用10号钢 11．转子磁轭等效宽度 m D D D D b i mi i e j 22222221033.02102.01086.022---⨯=⨯-⨯=-=-=12．转子磁轭沿磁路方向长度瓦片m pD D b L mii e j j 222221083.0)21(4)(-⨯=-++=απ五、磁路计算1. 漏磁系数2.1=σ2. 气隙磁通δδδταB L B i 926.4==Φ3．空载电枢齿磁密δδδB B K b t B B Fe t t 588.296.010295.010733.022=⨯⨯⨯⨯==-- 4. 空载电枢轭磁密δδδB B L K h B Fe j j 819.28.296.0325..02926.4211=⨯⨯⨯=Φ=5. 空载转子轭磁密δδδσB B L b B j j 198.38.233.02926.42.1222=⨯⨯⨯=Φ= 6. 气隙磁势A B B B K F 462610127.010135.11007.06.1106.1⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=-δδδδδδ7. 定子齿磁势A H H h H F t t t t t 22109.01045.022--⨯=⨯⨯== 8. 定子轭部磁势A H L H F j j j j 211110064.2-⨯== 9. 转子轭部磁势A H L H F j j j j 222221083.0-⨯== 10． 总磁势∑+++=21j j t F F F F F δ 11. 总磁通Wb B m 410926.42.1-⨯⨯=Φ=Φδδσ12.空载特性曲线计算见表;因为表面磁钢永磁电机电动机负载时气隙的合成磁场与空载时差不多;六．电路计算1. 绕组形式及电子开关形式：两相导通星形三相六状态 2. 绕组系数采用单层集中整距绕组,即 第一节距)(31槽==τy 每极每相槽数12pmZq ==m 是相数；p 为极对数 故绕组系数1=w K3. 预取空载转速m in /120000r n =' 4. 每相绕组串联匝数φW '0.7V U 24.8025.700为管子压降，取匝，∆=Φ'∆-='δφαpn UU W i取匝82W =φ5. 电枢总导体数根4922==φmW N6. 实际每槽导体数N s =N/Z=82根7. 实际空载转速0nmin /11742109039.28217.02488.05.725.7400r pW U U n i=⨯⨯⨯⨯-⨯⨯=Φ∆-=-δφα8. 计算绕组端部长度m pD D pDav l i b 211101.42)2)(2.122.1-⨯=+=='ππ 9. 计算电枢绕组每匝平均长度m l L L bav 2108.13)(2-⨯='+= 10． 预估导线截面积2661007086.01101463.04830m a J U P S aN N c-⨯=⨯⨯⨯⨯=''='η 式中26'/1014m A J a⨯=为预取导线电流密度 1=a 为每相绕组支路数 11. 导线选取选择F 级绝缘导线QZY-2 导线计算截面积26210066.04m d S c c -⨯==π导线最大截面积262max max 10092.04m d S c c -⨯==π导线直径md m d c c 3max 310342.01029.0--⨯=⨯=12. 槽满率计算公式选择35.01042max=⨯⋅=-S c s s S S N K π13. 实际导线电流密度26'/1015m A aS U P J c N Na ⨯==η 14. 每相电枢绕组电阻Ω==⨯=Φ-31022)20(62)20(20cavcava S a l W S ma Nl r ρρ式中)/(0157.02)20(m mm ⋅Ω=ρ为导线的电阻率 设电机绕组的工作温度t 为75C 0,则导线工作温度电阻Ω=⨯-+=65.3])20(1[20t a at p t r r 式中00395.0=t p 为导线的电阻温度系数七．电枢反应计算1. 起动电流 A r UU I atst 77.722=∆-=2. 起动时每极直轴电枢反应最大值A K W I F w st sdm 27643==φ 3. 额定工作时的反电动势 V n W pC N ie 5.39152'==δφφα 4. 额定工作时电枢电流 A r EU U I ata 97.022=-∆-=5. 额定工作时最大直轴去磁磁势A K W I F W a adm 3443==φ 6. 负载工作点：根据sdm F 和adm F ,可在空载永磁体工作图上作出负载和起动时的特性曲线2、3,求负载特性曲线与永磁体去磁曲线的交点,得负载工作点：负载气隙磁感应强度T B 5872.0=δ 负载气隙磁通Wb 4108925.2-⨯=Φδ负载电枢齿磁感应强度t B = 负载电枢轭磁感应强度j B =7. 额定工作时电磁转矩m N I W pT a iem .0366.04==δφφπα8. 起动电磁转矩 m N I C T st T st .293.0=Φ=δ 八. 性能计算1. 电枢铜损W r I p at a Cu 87.622== 2. 电枢铁损W G B G B f p K p j j t t a Fe 11.4)()50)(50/10(12123.1=+= 式中a K ------铁损工艺系数,取2=a K1j G ------定子轭重kg L h D D G j s j 05816.010])2([43211211=⨯--=-πρt G ------定子齿重kg ZL h b G t t s t 0173.0103=⨯=-ρ3. 轴承摩擦损耗W n G K p N p mp mpn 05.1103=⨯=-Kmp=3,p G 为磁钢重 转子轭重 转轴重 传感器转子重的和 3=mp K 为默认情况,可让用户自己指定kg G G G G r g m p 035.0=++=4. 风损W L n D p N mpb 13.01026332=⨯=-5. 机械损耗和铁损W p p p p mpb mpn Fe 29.5=++='6. 考虑到附加损耗后的机械损耗和铁损 W p p 877.63.1='=系数可选 7. 开关管损耗W U I p a 358.12=∆⨯=∆8. 电机总损耗W p p p p Cu 1.15=++=∆∑9. 输入功率W I U P a N 56.461==10. 输出功率W p P P N 46.311=-=∑ 11. 效率%57.67%1001=⨯=P P N η 12. 摩擦转距m N n p T N.00657.056.90== 13. 额定输出转距 m N T T T em .03.002=-=。
永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究
永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究一、本文概述本文旨在全面探讨永磁无刷直流电动机（Permanent Magnet Brushless DC Motor, PMBLDCM）的设计和仿真研究。
永磁无刷直流电动机作为现代电力驱动系统的关键组件，具有高效率、高功率密度、低噪音和低维护成本等诸多优点，因此在电动汽车、航空航天、家用电器等领域得到了广泛应用。
本文将从理论基础、设计原则、仿真方法、优化策略等多个方面，对永磁无刷直流电动机的设计和仿真进行深入研究。
本文将概述永磁无刷直流电动机的基本工作原理和结构特点，为后续的设计研究和仿真分析奠定理论基础。
接着，重点讨论电动机设计过程中的关键因素，包括绕组设计、磁路设计、热设计以及电磁兼容性设计等，并提出相应的设计原则和优化策略。
在此基础上，本文将探讨基于数值计算的仿真分析方法，包括有限元分析、电路仿真、热仿真等，以评估电动机的性能和可靠性。
本文将总结永磁无刷直流电动机设计和仿真研究的最新进展，展望未来的发展趋势和研究方向。
通过本文的研究，旨在为读者提供一套完整的永磁无刷直流电动机设计和仿真分析框架，为推动该领域的技术进步和应用发展做出贡献。
二、永磁无刷直流电动机的基本原理与特点永磁无刷直流电动机（Permanent Magnet Brushless DC Motor, PMBLDCM）是一种结合了直流电机与无刷电机技术的先进电动机类型。
其基本原理在于利用永久磁铁产生的恒定磁场作为电机的励磁场，并通过电子换向器实现电流的换向，从而实现电机的连续旋转。
这种设计消除了传统直流电机中的机械换向器和电刷，显著提高了电机的运行效率和可靠性。
高效率：由于消除了机械换向器和电刷，减少了能量损失和摩擦，使得PMBLDCM具有更高的运行效率。
高转矩密度：永磁体产生的恒定磁场使得电机在相同体积下能够产生更大的转矩。
良好的调速性能：通过电子换向器，可以实现对电机转速的精确控制，满足各种应用需求。
无刷直流电动机的设计
无刷直流电动机的设计无刷直流电动机（BLDC）是一种基于电子换向器和磁传感器的新型电机，具有高效率、高功率密度、高可靠性、无摩擦等优点，广泛应用于工业、农业、家电和汽车等领域。
本文将介绍无刷直流电动机的设计原理、设计流程和一些关键技术。
一、设计原理无刷直流电动机的工作原理是利用永磁体和电流产生的磁场相互作用，从而产生转矩。
它的转子由一个或多个永磁体组成，通过电流换向器控制电流的方向，从而实现转子的旋转。
无刷直流电动机通常采用三相设计，每相之间的换向角为120度。
二、设计流程1.确定电机的额定功率和转速。
根据设计要求，确定电机的额定功率和转速。
这些参数将决定电机的尺寸、材料和冷却方式等。
2.选择永磁材料和磁路设计。
根据电机的运行环境和功率需求，选择合适的永磁材料。
同时，设计磁路以确保磁通密度的均匀分布和最小的磁路损耗。
3.设计定子绕组和绝缘系统。
根据电机的功率和电压要求，设计定子绕组。
同时，设计合适的绝缘系统以确保电机的安全性和可靠性。
4.确定电流换向器的拓扑和控制策略。
选择合适的电流换向器拓扑（如半桥、全桥等）以及控制策略（如PWM控制、电流环控制等），以实现电机的换向操作。
5.进行磁场分析和电磁设计。
通过磁场分析软件，进行电磁设计。
通过磁场分析，可以得到电机的特性曲线、转矩和功率密度等指标。
6.进行结构设计和热分析。
根据电机的尺寸和电机的工作环境，进行结构设计和热分析。
结构设计要考虑机械强度、制造成本等因素，热分析要考虑散热方式和绝缘系统。
7.制造和测试。
根据设计图纸进行电机的制造。
制造完成后，进行测试，通过测试结果对电机的设计进行修正和优化。
三、关键技术1.电磁设计技术。
电磁设计是无刷直流电动机设计的核心技术，它涉及到永磁体选材、磁路参数计算、磁场分析等方面。
2.电流换向器设计技术。
电流换向器是控制无刷直流电动机运行的关键部件，它的设计直接影响到电机的性能。
目前常用的换向器有半桥、全桥等拓扑，选择合适的拓扑和控制策略对电机的效率和稳定性有重要影响。
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无刷直流电动机硬件设计3.1 逆变主电路设计3.1.1 功率开关主电路图3-1 功率开关主电路原理图逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。
与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。
由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。
3.1.2 逆变开关元件选择和计算MOSFET在1960年由贝尔实验室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla 首次实验成功，这种元件的操作原理和1947年萧克莱（William Shockley）等人发明的双载子晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因为制造成本低廉与使用面积较小、高整合度的优势，在大型积体电路（Large-Scale Integrated Circuits, LSI）或是超大型积体电路（Very Large-Scale Integrated Circuits, VLSI）的领域里，重要性远超过BJT。
近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升，除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上，也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用MOSFET来实现。
表3-1对IGBT、GTR、GTO 和电力MOSFET的优缺点的比较器件优点缺点IGBT 开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTOGTR 耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低 开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强 电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电 力 MOSFET 开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW 的电力电子装置通过上述的比较，我选择MOSFET 。
电枢额定电流I aH =8.5A ，因为每个控制元件导通120o ,所以控制元件的峰值电流可以由以下方程算出。
2/3018.52Idt ππ=⎰，通过计算可得I=25.5A ， 额定电压U H =36V ，峰值电压应有一个百分之40的余量所以U M =U H *1.4=36*1.4=50.4V通过以上计算，可得出选择的MOSFET 峰值电流为25A,峰值电压为50V 。
3.2 逆变开关管驱动电路设计3.2.1 IR2110功能介绍(1) IR2110的特点有：输出驱动隔离电压可达500V ；芯片自身的门输入驱动范围为10~20V ；输入端带施密特触发电器；可实现两路分立的驱动输出，可驱动高压高频器件，如IGBT 、功率MOSFET 等，且工作频率高可达500KHz ，开通、关断延迟小，分别为120ns 和94ns ；逻辑电源的输入范围（脚9）5~15V ，可方便的与TTL ，CMOS 电平相匹配。
(2) IR2110 主要功能及技术参数IR2110 采用CMOS 工艺制作,逻辑电源电压范围为5 V～20 V ,适应TTL 或CMOS 逻辑信号输入,具有独立的高端和低端2 个输出通道。
由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上,容许逻辑电路参考地(USS) 与功率电路参考地(COM) 之间有- 5 V和+ 5 V 的偏移量,并且能屏蔽小于50 ns 的脉冲,这样有较理想的抗噪声效果。
采用CMOS 施密特触发输入,以提高电路抗干扰能力。
IR2110 浮置电源采用自举电路,其高端工作电压可达500 V ,工作频率可达到500 kHz。
两路通道均带有滞后欠压锁定功能。
其推荐典型工作参数如表3-2所示。
表3-2 IR2110 工作参数参数最小值/ V 最大值/ VVB VS + 10 VS + 20VS - 4 500HO VS VBVCC 10 20LO 0 VCCVDD VCC + 4. 5 VCC + 20VSS - 5 + 5HIN ,SD ,LIN VSS VDD(3)IR2110内部功能如图3-2所示：图3-2 IR2110内部框图LO （引脚1） :低端输出COM（引脚2） :公共端Vcc（引脚3） :低端固定电源电压Nc （引脚4） :空端Vs （引脚5） :高端浮置电源偏移电压VB (引脚6) :高端浮置电源电压HO （引脚7） :高端输出Nc （引脚8） :空端VDD（引脚9） :逻辑电源电压HIN（引脚10）:逻辑高端输入SD （引脚11）:关断LIN（引脚12）:逻辑低端输入Vss（引脚13）:逻辑电路地电位端，其值可以为0VNc （引脚14）:空端功能概述IR2110驱动器将逻辑输入信号送到相应的低阻抗输出。
高端输出HO和低端基准输出LO分别以浮置电位VBS和固定电位Vcc为基准。
逻辑电路为两路输出提供相应的控制脉冲。
HO和LO输出分别与HIN和LIN输入同相位。
当SD输入高电平时两路均关闭。
当VDD 低于欠电压阀值时，欠电压UV检测电路关闭两路输出。
同样，当VBS低于规定的欠电压点时，欠电压检测电路也会使高端输出中断。
逻辑输入采用带有0.1VDD滞后的施密特触发电路，以提高抗扰能力。
高抗噪声平移位电路将逻辑信号送到输出驱动级。
低端延时电路可简化控制脉冲定时要求，两路输出的传播延时匹配的。
当Vs 为500V或接近500V时，高端功率MOSFET关断。
输出驱动MOSFET接成源极跟随器，另一只输出驱动MOSFET接成共源极电路，高端的脉冲发生器驱动HV电平转化器并触发RS闩锁置位或复位。
由于每个高电压DMOS电平转换器仅在很狭窄的脉冲持续期内才导通，所以功率很低。
3.2.2 自举电路原理图3-3 驱动电路以一相为例，如图3-3所示，当下管导通上管截止时，IR2110LO输出为高，HO为低，隔离二极管导通，自举电容C8充电，三极管C极电压近似等于电源正极电压；当下管截止上管导通时，隔离二极管D2截止，自居电容C8储存的电荷给三极管C极供电，IR211HO为高，三极管导通，驱动MOSFET管栅极，使上管保持导通。
3.3 单片机的选择目前，市场上有很多无刷电机专用控制芯片，大部分电动车生产厂商采用Motorola公司的MC3303无刷电机专用控制芯片，它具有无刷直流电机控制系统所需要的基本功能。
本设计采用PIC16F72单片机作为主控芯片，不仅可以实现专用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易实现系统扩展，通过软硬件设计，实现多功能的电机控制。
单片机选择依据：(1)性能因素。
通过对该系统分析，8位单片机可以满足系统控制精度的要求。
由于整个系统有多种模拟参数需要转换成数字量，因此选用的单片机应该有多通道A/D转换模块。
在无刷电机控制中，脉宽调制PWM ( PulseWidth Modulation)技术广泛应用，因此所选单片机应具有脉宽调制输出端口。
(2)安全因素。
电子产品的安全性是一个非常重要的环节，作为控制系统的核心，单片机的安全性必须达到系统要求。
(3)价格因素。
考虑到该设计要与市场接轨，因此价格问题尤为重要，要选择一个性价比较高的单片机，包括单片机的单片价格和开发系统的造价。
3.3.1 PIC单片机特点：PIC (Periphery Interface Chip)系列单片机是美国Microchip公司生产的产品。
PIC单片机以其独特的硬件系统和指令系统的设计，逐渐被广大工程设计人员接受Microchip公司是一家集开发、研制和生产为一体的专业单片机芯片制造商，其产品综合应用系统设计的思路，具有很强的技术特色。
产品采用全新的流水线结构，单字节指令体系，嵌入Flash以及10位A/D转换器。
使之具有卓越的性能，代表着单片机发展新的潮流。
PIC系列单片机具有高，中，低3个档次，可以满足不同用户开发的需求，适合在各个领域中的应用。
PIC系列单片机具有如下特点:(1)单片机种类丰富PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。
就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。
(2)哈佛总线结构如图3-4所示，PIC系列单片机在普林斯顿体系结构和哈佛体系结构的基础上采用独特的哈佛总线结构，彻底将芯片内部的数据总线和指令总线分离，为采用不同的字节宽度，有效扩展指令的字长奠定了技术基础。
图3-4 PIC系列单片机哈佛总线结构(3) RISC技术RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精简指令集计算机。
RISC 技术并非只是简单地去减少指令，而是着眼于如何改善计算机的结构，更加简单合理地提高计算机的运算速度。
PICF877单片机指令集系统只有35条指令，全部采用单字节指令，而且除4条判断转移指令发生间跳外，均为单周期指令，执行速度较高。
(4)指令特色PIC系列单片机的指令系统具有寻址方式简单和代码压缩率高等优点。
(5)功耗低由于PIC系列单片机采用CMOS结构，使其功率消耗极低。
(6)驱动能力强PIC系列单片机I/O端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动多达20-25mA的负载，既能够高电平直接驱动发光二极管LED、光电耦合器、小型继电器等，也可以低电平直接驱动，这样可以大大简化控制电路。
(7)同步串行数据传送方式可以满足主控/从动和主控总线要求。
(8)应用平台界面友好，开发方便Microchip公司为用户提供了周全的技术方案，不管是对初学者还是后续的应用开发，都提供了完善的硬件和软件支持，包括各种档次的硬件仿真器和编程器。
(9)程序存储器版本齐全Microchip公司提供的产品是一个单片机系列，可供选择的存储器类别和产品封装工艺的形式较多，为产品的不同试验阶段和不同应用场合可提供一个全方位的选择内容和不同的性能档次。
3.3.2 PIC16F72单片机管脚排列及功能定义图3-5 PIC16F72单片机管脚图（1）MCLR:清除（复位）输入。
其中MCLR为低电平时，对芯片复位；该管脚的电压不能超过VDD，否则会进入测试方式。
（2）RA0-RA5：双向可编程，亦可作为并行口。
电池欠压信号：电池电压经分压后接单片机管脚3。
转把复位信号：由单片机的第4脚读入刹车信号：刹车信号由单片机的第5脚读入。
（3）OSC1、OSC2：为振荡器晶振。
（4）RC0-RC7：数字I/O（5）RB0-RB7：数字I/O（6）VDD：+5V电压输入3.3.3 PIC16F72单片机的功能特性(1)功能部件特性·带8位AID转换输入·高驱动电流，I/O脚可直接驱动数码管(LED)显示每个I/O引脚最大灌电流25mA;每个I/O引脚最大拉电流25mA·双向可独立编程设置I/O引脚·8位定时器/计数器TMRO，带8位预分频·有1路捕捉输入/比较输出/PWM输出(CCP)·16位定时器/计数器TMR 1，睡眠中仍可计数·8位定时器/计数器 TMR2,带有8位的周期寄存器及预分频器和后分频器(2)微控制器特性·内置上电复位电路(POR)·上电定时器，保障工作电压的稳定建立·振荡定时器，保障振荡的稳定建立·断电复位锁定，即当芯片电源电压下降到某一值以后时，使芯片保持复位，当电源电压恢复正常后恢复运行·内置自振式(RC振荡)看门狗·程序保密位，可防程序代码的非法拷贝·掉电保护电路·在线串行编程3.3.4 PWM信号在PIC单片机中的处理改变直流电动机转速的方法分为励磁控制法(控制磁通)与电枢电压控制法(改变电枢端电压)。