无刷直流电机数字控制系统的研究与设计
无刷直流电动机控制系统
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第一章直流无刷电机的工作原理71.根本工作原理72.无刷直流电动机的组成10第二章无刷直流电机的控制121.无刷直流电机的控制原理122.转子的控制143.速度的控制15第三章电机的反应151.电流测量152. RPM转速测量16第四章硬件设计161. LPC2141的使用方法16小结17电气与信息工程系课程设计评分表错误!未定义书签。
简介直流无刷电机:又称"无换向器电机交一直一交系统〞或"直交系统〞。
是将交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。
无刷直流电动机Brushless Direct CurrentMotor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。
无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最正确选择。
目前，在微小功率畴直流无刷电动机是开展较快的新型电机。
由于各个应用领域需要各自独特的直流无刷电动机，所以直流无刷电动机的类型较多。
大体上有计算机外存储器以及VCD、DVD、CD主轴驱动用扁平式无铁心电机构造，小型通风机用外转子电机构造，家电用多极磁场构造及装式构造，电动自行车用多极、外转子构造等等。
上述直流无刷电动机的电机本身和电路均成一体，使用十分方便，它的产量也非常大。
为了满足大批量、低本钱的市场需要，直流无刷电动机的生产必须要形成规模经济。
因此，直流无刷电动机是一种高投入、高产出的行业。
无刷直流电机(论文设计)
1 绪论无刷直流电机[1]（Brushless DC Motor ,简称BLDCM）用电子换相取代了直流电机的机械换相，把永磁材料做成转子，省去了电刷，因而它具有很强的生命力。
无刷直流电机的驱动电路能比较容易的获得方波，反馈装置简单，功率密度高，输出转矩大，控制结构简单，使得BLDCM的应用比直流电机要广泛得多。
1.1 课题研究目的与意义一个世纪以来，电机作为机电能量转换装置，其应用已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。
众所周知，直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但是传统的直流电机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在机械摩擦，由此带来噪声、电火花、无线电千扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上，大多数采用三相异步电机。
无刷直流电机既具备传统直流电机运行效率高、调速性能好、无励磁损耗的优点，又具有结构简单、运行可靠、维护方便等独特的优势，特别是与传统直流电机相比，无刷直流电机不采用电刷进行换相，因而不存在机械换相带来的诸多缺点，故在许多高科技领域中应用越来越广泛。
在军事装备领域，使用无刷直流电机能更好地满足快响应、高精度的要求。
对常规武器如雷达的天线控制系统、高射武器的自动跟踪系统等，这些随动系统必须具备很高的角速度、角加速度和很高的跟踪精度，快速跟踪和准确定位是两个重要的技术指标，其控制器的好坏直接影响着装备战术技术性能，因此，如何使随动系统具有稳定性好、可靠性高、响应速度快、跟踪精度高等特点成为研究随动系统的关键。
近十年来，用高新技术武装的各种新型武器如战术导弹、隐形飞机、武装直升机等空中武器不断涌现，其目标识别能力、隐蔽程度、目标命中精度均大大提高，这给武器随动系统提出了新的要求。
在民用领域，随着现代电力电子技术、传感器技术、精密机械技术、自动控制技术以及人工智能技术等高新技术的发展，对电动机的要求从过去简单的提供动力发展到精确控制，从而促进了电动机与电子产品紧密结合的机电一体化产品的发展，如激光加工、机器人、数控机床、柔性制造系统等。
高速无刷直流电机控制器开发及关键技术研究
3、医疗设备
3、医疗设备
在医疗设备领域，高速无刷直流电机控制器可用于实现医疗设备的精密运动， 如电动轮椅、助力装置等，提高设备的稳定性和安全性。
五、未来展望
五、未来展望
随着技术的不断进步和市场需求的变化，高速无刷直流电机控制器未来将面 临更多的挑战和机遇。一方面，控制器将向更高效、更可靠、更智能的方向发展； 另一方面，新的应用场景和关键技术将不断涌现。例如，随着新能源汽车的普及， 高速无刷直流电机控制器将在汽车动力系统中发挥重要作用；随着工业4.0的发 展，
根据具体应用场景和需求，设计电机的功率、电流、电压、转速等参数，并 选择合适的驱动和控制方案。
2、电路实现
2、电路实现
基于原理设计，完成电源电路、驱动电路、保护电路、通信电路等硬件设计， 并考虑EMC/EMI、热设计等因素。
3、软件编写
3、软件编写
根据控制需求，编写适用于不同控制算法的软件程序，实现电机的速度、位 置或扭矩控制，并完善故障诊断和保护功能。
一、高速无刷直流电机控制器概 述
一、高速无刷直流电机控制器概述
高速无刷直流电机（BLDC）是一种采用电子换向装置代替传统机械换向装置 的直流电机。相比传统直流电机，高速无刷直流电机具有更高的转速、更长的寿 命、更低的噪音、更高的效率和更好的可维护性等优点。高速无刷直流电机控制 器作为实现电机控制的关键部件，通过对电机的速度、位置或扭矩进行精确控制， 广泛应用于工业机器人、智能家居、医疗设备等领域。
三、高速永磁无刷直流电机控制 系统的设计
1、控制系统硬件设计
1、控制系统硬件设计
高速永磁无刷直流电机的控制系统主要包括电源模块、控制器、驱动器、位 置传感器和电机等部分。其中，控制器是整个控制系统的核心，它负责接收位置 传感器的信号，根据控制算法计算出相应的控制信号，然后通过驱动器控制电机 的运行。在硬件设计中，需要考虑到电源模块的稳定性、控制器的高速性和可靠 性等因素。
无刷直流电机PI控制系统的设计及分析
无刷直流电机PI控制系统的设计及分析杨林;刘曰涛;沈宝民;仲伟正【摘要】Traditional software controllers have such problems as slow running speed, low precision, poor immunity from interference, and high cost. A PI control system of BLDCM is presented based on complex programmable logic device to solve these problems. This system is composed of all hardware and adopts trapezoidal commutation control strategy. It has advantages of high response speed and strong immunity from interference. At the same time, the effect of different PWM modulation modes on armature current and electromagnetic torque of brushless current motor is analyzed, and the H-PWN—L-PWM modulation mode is selected to achieve the desired control effect. Finally, an experimental platform is built. The driver reaches stable state after 25.6 ms at the set speed of 2500 r/min. The results show that the system has good dynamic response performance.%针对传统软件控制方式运行速度慢、精度低、抗干扰能力差、成本高等问题,设计一种以复杂可编程逻辑器件(CPLD,complex programmable logic device)为核心的无刷直流电机PI控制系统.系统采用全硬件电路设计和梯形换向控制的策略,具有高响应速度和抗干扰能力.同时,分析不同脉冲宽度调制(PWM,pulse width modulation)方式对无刷直流电机续流回路和电磁转矩的影响,选取H-PWN—L-PWM的调制方式以达到理想的控制效果.最后搭建实验平台,控制系统在设定转速为2 500 r/min的情况下,经过25.6 ms到达稳定状态,结果表明该系统具有良好的动态响应性能.【期刊名称】《西安工程大学学报》【年(卷),期】2019(033)001【总页数】7页(P81-87)【关键词】无刷直流电机;可编程逻辑器件;PI控制系统;梯形换向控制;脉冲宽度调制【作者】杨林;刘曰涛;沈宝民;仲伟正【作者单位】山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049;山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049;山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049;山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049【正文语种】中文【中图分类】TM330 引言无刷直流电机具有质量轻、体积小、扭矩大、寿命长等优点,在工业控制、医疗器械、家用电器等领域有广阔的应用前景[1]。
直流无刷电机的控制系统设计方案
直流无刷电机的控制系统设计方案1 引言1.1 题目综述直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，它不仅保留了有刷直流电机良好的调试性能，而且还克服了有刷直流电机机械换相带来的火花、噪声、无线电干扰、寿命短及制造成本高和维修困难等等的缺点。
与其它种类的电机相比它具有鲜明的特征：低噪声、体积小、散热性能好、调试性能好、控制灵活、高效率、长寿命等一系列优点。
基于这么多的优点无刷直流电机有了广泛的应用。
比如电动汽车的核心驱动部件、电动车门、汽车空调、雨刮刷、安全气囊；家用电器中的DVD、VCD、空调和冰箱的压缩机、洗衣机；办公领域的传真机、复印机、碎纸机等；工业领域的纺织机械、医疗、印刷机和数控机床等行业；水下机器人等等诸多应用[1]。
1.2 国内外研究状况目前，国内无刷直流电机的控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。
外国的一些技术和中国的一些技术大体相当，美国和日本的相对比较先进。
当新型功率半导体器件：GTR、MOSFET、IGBT等的出现，以及钕铁硼、钐鈷等高性能永磁材料的出现，都为直流电机的应用奠定了坚实的基础。
近些年来，计算机和控制技术快速发展。
单片机、DSP、FPGA、CPLD等控制器被应用到了直流电机控制系统中，一些先进控制技术也同时被应用了到无刷直流电机控制系统中，这些发展都为直流电机的发展奠定了坚实的基础。
经过这么多年的发展，我国对无刷电机的控制已经有了很大的提高，但是与国外的技术相比还是相差很远，需要继续努力。
所以对无刷直流电机控制系统的研究学习仍是国内的重要研究内容[2]。
1.3 课题设计的主要内容本文以永磁方波无刷直流电机为控制对象，主要学习了电机的位置检测技术、电机的启动方法、调速控制策略等。
选定合适的方案，设计硬件电路并编写程序调试，最终设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。
本课题涉及的技术概括如下：（1）学习直流无刷电机的基本结构、工作原理、数学模型等是学习电机的前提和首要内容。
永磁无刷直流电机调速控制系统的设计研究
Internal Combustion Engine &Parts0引言随着人类工业社会的迅速发展，能源危机是21世纪各个国家所面临的重大危机，也是要实现可持续发展所必须解决的难题。
永磁无刷直流电机的发展历史可以追溯到上世纪四十年代，直到八十年代初期，在钕铁硼稀土这一永磁材料的突破性研究取得了巨大成果，并且加上生产力迅速提升，制造投入减小的影响，永磁无刷直流电机行业迎来了蓬勃发展。
近三十年来，随着科学研究的深入，永磁体性能得到了跃进式的提升，相应的电力电子器件的完善和蓬勃发展也促进了这一行业的迅猛发展。
永磁无刷直流电机控制系统研究方向与现代电力电子技术、现代控制理论、电机集成技术和微机技术等学科密切相关，相辅相成。
科学家们通过对其研究背景、研究意义、结构组成、工作原理、数学模型、硬件电路设计、软件设计等方面的深入研究，使得永磁无刷直流电机在拥有良好调速性能的情况下，机械换向和电刷等历史研究中出现的难点获得了解决，目前永磁无刷直流电机的用途遍布各行各业，小到家用电器，大到航空航天，都有永磁无刷直流电机的身影，发展前景不可估量。
1研究背景与意义从上世纪四十年代至今，永磁无刷直流电机的发展在实际应用上与永磁材料的突破性研究，生产力迅速提升，制造投入减小，电力电子器件的迅猛发展息息相关，在理论研究上与现代电力电子技术、现代控制理论、电机集成技术和微机技术等学科的深入研究息息相关。
由于其所具有的大功率、大转矩、高速度、高性能、微型化和数字化等特点决定了该行业宽广的发展前景，也吸引了不少科研工作者的目光。
目前永磁无刷直流电机在各行各业都得到广泛的应用，小到家用电器，大到航空航天，都有永磁无刷直流电机的身影。
基于上述原因，对永磁无刷直流电机的控制系统进行合理的、科学的、系统的研究探索是非常重要且必要的，这是现代工业发展和机电一体化所提出来的必须进行的挑战，这一研究具有深远的理论意义和实际应用价值，并且会给整个社会和相关行业带来巨大的经济效益。
一种无位置传感器的直流无刷电机控制系统设计与实现
一种无位置传感器的直流无刷电机控制系统设计与实现传统上把具有梯形波反电势的永磁同步电机称为直流无刷电机。
直流无刷电机的转矩控制需要转子位置信息来实现有效的定子电流控制。
而且，对于转速控制，也需要速度信号，使用位置传感器是直流无刷电机矢量控制的基础，但是，位置传感器的存在也给直流无刷电机的应用带来很多的缺陷与不便：首先，位置传感器会增加电机的体积和成本；其次，连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性，即便是现在应用最多的霍尔传感器，也存在一定程度的磁不敏感区；再次，在某些恶劣的工作环境、例如在密封的空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器根本无法使用；最后，传感器的安装精度还会影响电机的运行性能，增加了生产的工艺难度。
无位置传感器控制技术是近30年来无刷直流电机（BLDCM）研究的一个重要方向。
论述了国内外BLDCM无位置传感器控制的研究现状。
着重介绍了目前应用和研究较多的几种常规方法的基本原理、实现途径、应用场合以及优缺点等，并对它们作了综合分析和比较。
无位置传感器控制就是在没有机械式位置传感器的情况下进行的控制。
此时，作为逆变器开关换向导通时序信号的转子位置信号仍然是必不可少的，只不过不再由位置传感器来提供，而应该由新的位置信号检测措施来代替，即以提高电路和控制的复杂性来降低电机结构的复杂性。
目前，BLDCM无位置传感器控制研究的核心是构架转子位置信号检测电路，从软硬件两方面间接获得可靠的转子位置信号，从而触发导通相应的功率器件，驱动电机运转。
到目前为止，在众多的位置信号检测方法中，应用和研究较多的主要有定子电感法、速度无关位置函数法、反电势法、基波电势换向法和状态观测器法等。
1 基于反电势的转子位置检测方案无刷直流电机（Bushless DC Motor，BLDCM）具有无换向火花、运行可靠、维护方便、结构简单等优点，因而在很多场合得到了广泛应用。
但是传统的BLDCM需要一个附加的位置传感器来控制转子位置，这给其应用带来了很多不利的影响。
基于DSP的直流无刷电机控制
基于DSP的直流无刷电机控制DSP技术（数字信号处理）已经在很多领域得到了广泛的应用，其中之一便是直流无刷电机的控制。
直流无刷电机的控制技术在工业自动化、机器人、电动汽车等领域都有重要的应用价值。
本文将重点介绍基于DSP的直流无刷电机控制技术。
1. 直流无刷电机基本原理直流无刷电机是利用电磁场力以及交流驱动电流来实现转子的旋转运动。
它由定子和转子两部分组成，定子和转子之间的转矩通过对控制电流的调节来实现。
传统的控制方法是利用PWM（脉冲宽度调制）来控制电流，从而控制电机的转速和转矩。
而基于DSP的直流无刷电机控制技术可以更精准地控制电流，进而实现更高效的电机控制。
DSP技术在直流无刷电机控制中的应用主要包括以下几个方面：（1）电流控制：DSP可以通过精确的采样和控制算法，实现对电机电流的精准调节。
可以根据电机的负载情况和所需转矩，动态调整控制电流，以实现更高效的功率输出和更稳定的运行。
（3）位置控制：基于DSP的直流无刷电机控制技术还可以实现对电机位置的闭环控制。
通过接入位置传感器或者利用编码器来实时监测电机的位置，并结合控制算法来实现更加精准的位置控制。
（4）故障检测和保护：DSP可以实现对电机运行过程中的异常情况的监测和检测，并及时采取措施来保护电机和系统的安全。
可以实现对过载、过流、过温等异常情况的检测和保护。
（1）DSP选择：需要选择性能稳定、控制精度高的DSP芯片，常用的有TI的TMS320系列，ADI的ADSP系列等。
（2）传感器选型：需要根据电机的控制需求，选择合适的位置传感器或者编码器，用于实时采集电机的位置、速度等参数。
（3）控制算法设计：需要设计合适的控制算法，包括电流控制、速度控制、位置控制等。
控制算法的设计需要兼顾性能、稳定性和实时性。
（4）系统架构设计：需要设计合理的系统架构，包括DSP和外围设备（传感器、电机驱动器、电源等）的连接和通信方式。
（5）软件开发：需要根据控制需求，开发相应的控制软件，包括控制算法、通信协议、故障处理等。
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无刷直流电机数字控制系统的研究与设计
摘要：在工业的发展道路上不同时期有着不同的发展，电动机的发展带动了我国许多工业的发展，我们从传统的直流电机慢慢的发展到了无刷直流电机。
无刷直流电机指的是无机械电刷和换向器的直流电机，是随着电力电子技术，电机的控制技术，和高性能永磁材料的发展而出现的一种新型的电动机。
无刷直流电机的研究主要包括电动机自身设计的研究和控制系统的研究，而现在主要应用的是无刷直流电机的数字控制系统，无刷直流电机的控制系统是采用无位置传感器用软件获得转子位置信号的反电势法和相关的预定位开环换相启动法。
无刷直流电机数字控制系统运行效率高，性能好，具有一定的实际意义和广阔的应用。
本文我们主要论述一下无刷直流电机数字控制系统的研究与设计，对数字控制软件系统进行简单的介绍。
【关键词】无刷直流数字控制电机
1 无刷直流电动机的发展
直流电动机的传动系统操作简单，调速性能也比较好。
但是传统的直流电动机采用电刷和换向器利用机械的方法进行换向，因而由于机械运动发生摩擦，从而带来了噪音、火花和一系列的安全隐患。
随着科技的发展，现代直流传统系统的直流电动机发展方向是电动机永磁化和换向的无刷化，无刷电动机就在这样的趋势下发展成为了机电一体化电动机系统。
无刷直流电动机控制系统具有很好的调速性能，目前，无刷电动机正朝着数字化的控制系统发展。
数字化控制系统是采用一种最新型的高速微处理器和专用的数字信号处理器来作为控制单元，简化了硬件电路，更好的解决了模拟控制元部件的老化，从而操作起来更方便、更精准、更迅速，使无刷直流电机得到更好的发展和利用。
2 数字控制系统
随着我国科技的发展与创新，微型处理器和数字信号处理器的应用越来越广泛，从而衍生出了数字控制系统。
早期的数字控制是由硬件电路构成的，数字系统是由信息数字作为载体，辅以一定的数控装置、伺服系统和受控设备所组成。
数字控制系统的运行，是由控制工具对相应的工件进行准确无差别的进行处理，不需要人手动去操作设备进行加工处理某些产品，完全由设定好的程序前来完成，且可以高效的完成产品的加工。
数字控制系统是一种具有实用价值和发展前途的一种操作系统，它可以省去过多的时间，省去不必要的材料浪费，还能降低危险事件的发生。
数字控制系统的发展与研究在对日后的工业上具有很大的价值，这一点在无刷直流电机的发展上也做到了更好的体现。
3 无刷直流电动机的构成
无刷直流电动机的构成主要有三个部分，这三个部分分别是电子换向线路、电动机和位置传感器，实际上就是用电子换向的方式代替了机械的换向，同时它还具有直流电机的调速性能。
无刷直流电机在铁心中安装了对称多相绕组，而绕组分为角型结构和星型结构。
无刷直流电动机转子的材料通常是永磁材料，因为永磁体的形状不同，磁路的结构也不同，同时气隙磁场波形也是不同的。
4 无刷直流电动机的工作原理
无刷直流电动机工作时，上电之后在电流和磁场的作用下，转子开始旋转。
然后通过传感器把旋转的动能变成电信号，从而达到用电控制线路的效果，让每一个线路都能按照一定顺序进行转动，由于转子位置的不断变化从而按照一定顺序发生换相。
5 无刷直流电动机全数字控制系统概述
无刷直流电动机的数字控制系统，主要是利用数字信号处理作为控制核心，该技术可以顺利让无刷直流电动机与控制系统顺利搭建。
在这个技术之中，通常会有两环的设置，外环一般
为速度环，让旋转速度可以有一个固定值，从而产生稳定的速度，实现一种稳态无差异，同时也能够对一些负面的现象起到抵抗的作用，让整个系统起到一种较高的精准度，让电动机能够获得最大电流。
另外一种内环属于电流环，其作用是让电流在一定的数值上进行变化，在保证这电动机获得最大电流的同时，提高了系统的整体性能。
在全数字控制系统中，速度和电流调节器功能都是由数字信号处理作为核心的，利用这个系统，既能够省去模拟组件的时间，也能够提高主电路的稳定性，其中主电路中，三相交流电是最为主要的电路，是由二极管组成的模块，变成直流电压，其作用是减少直流脉动，在进行电路输出的时候进行保护。
无刷直流电机的调速系统要求非常高，在数字控制系统下才能很好的完成这一要求。
而我们采用普通的PID控制技术是很难得到这样令人满意的结果的，数字控制系统是一种可以利用其非线性和变动结构产生一定的参数从而提高整个无刷电机调速系统。
神经网络控制是一种比较先进的研究控制系统，神经网络与我们传统的PID相结合就形成了一种智能的PID 控制系统，为了实现无刷直流电机智能控制，系统的软件要实现的功能包括位置检测，换相逻辑的控制和速度闭环调节模块，我们把它分为主程序和中断程序，主程序的工作就是主要控制系统的初始化和各终端程序的响应。
我们系统在启动后首先初始化，同时对各种中断更能的选择去设置。
完成后，系统调用启动程序，从而使系统进入正常的工作状态，我们系统的运行状态可以由键盘来进行对其控制和调节，我们用数码管加以显示，以便实时显示系统运行状态。
我们通过上述对无刷直流电机的调速系统以及神经网络系统的实验，从而来对无刷直流电机数字控制系统进行硬件的设计。
6 总结
我们通过对神经元PID控制的无刷直流电机的调速系统对无刷直流电机的数字控制系统进行研究与设计，通过对神经元自适应PID控制器在无刷直流电机控制系统中的应用进行了分析与研究，我们设计了相应的数字控制系统，从而得到结论无刷直流电机数字控制系统具
有很好的灵活性与精准性，有助于更好的操作与应用，在应用中具有很好的实用价值，方便了工人们的操作，提高了工作的效率，在日后更好的发展中将会作为一种重要的系统来应用于无刷直流电动机的控制，数字控制系统的发展与实用在日后将具有重大的价值。
参考文献
[1]邱文彬.无刷直流电机无位置传感器数字控制系统研究[D].重庆大学，2006.
[2]殷云华.基于DSP的无刷直流电机控制系统设计和仿真研究[D].中北大学，2007.
[3]丁祥.永磁无刷直流电机直接转矩控制系统的设计研究[D].湖南大学，2009.
[4]谢俊.基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计与仿真研究[D].武汉理工大学，2010.
[5]龚金国.基于DSP的无刷直流电机数字控制系统的研究与设计[D].西安理工大学，2005. 作者单位
沈阳飞机工业（集团）有限公司工艺研究所辽宁省沈阳市110850
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