论文总字数：22739字

摘 要

无刷直流电机(Brushless DC Motor)是现代先进技术相互交融的产物，是随着半导体技术的发展而逐渐走进人们视野的新型电机。相比于其他直流电机，因其在保持良好的起、制动性能的同时，消除了换向器和电刷带来的火花和损耗，在很大程度上降低了噪声，减少了电机内部器件的更换频率，延长了电机的使用寿命，现已在工业、家居、医药等领域有着重要的应用。

本文以2kW,300rpm的无刷直流电机为研究对象，围绕其驱动器的设计进行分析和研究，设计出一款低成本的无刷直流电机的驱动器。

首先，论述无刷直流电机当前的研究背景和研究近况，介绍无刷直流电机的主要构成和运行原理，根据上述分析和讨论，在理想状态下，搭建了无刷直流电机驱动器的基本模型。

其次，根据控制理论和电机技术的基本原理，分别阐述了六步换相电路、PWM调速控制电路、限流保护电路、主功率电路的基本原理和设计方案，分析了其中电路主要参数的计算和选取方法，搭建了实物模型，验证了设计方案的可行性和准确性。

再次，针对无刷直流电机对所需强、弱电电源电压大小的要求，分析了开关电源的工作原理和设计方法，设计了低成本驱动器用开关电源，成功地驱动了主功率模块。

最后，对所搭建的实物模型进行测试，成功驱动了2kW,300rpm的无刷直流电机，并且可以进行调速和正反转，分析了驱动器各模块输入、输出波形，对波形大小和形状进行分析和讨论，提出对电路参数进一步的修改意见，验证了设计的可行性。

关键词：无刷直流电机；六步换相；低成本驱动器

Abstract

Brushless DC Motor (Brushless DC Motor) is a product of the integration of power electronics. It is a new type of motor that gradually enters people's field of vision with the development of semiconductor technology. Compared with other DC motors, Brushless DC motors have good starting and braking performance without loss from commutators and brushes. It reduce noise, reduce the frequency of replacement of internal motor components, and extend the life of the motor. Therefore, it has a wide range of applications in the fields of industry, home furnishing, medicine, etc.

We take the brushless DC motor of 2kW and 300rpm as the research object, analyzes the design of its driver, and designs a low-cost brushless DC motor driver.

First, describe the research background and research status of brushless DC motors. Introduce the main components and operating principles of BLDC motors. Based on the above analysis and discussion, build the model of BLDC motors under ideal conditions.

Second, describe the basic principle and design scheme of the six-step commutation circuit, the PWM speed control circuit, the current limit protection circuit, and the main power circuit respectively. Analyze the calculation and selection methods of the main parameters of the circuit , and build a physical model to verify the feasibility and accuracy of the design scheme.

Again, aiming at the requirements of the required switching power supply voltage for brushless DC motors, analyze the working principle and design a kind of switching power supply. We find that the main power module can be successfully driven.

Finally, test the physical model and find it successfully drive 2kW, 300rpm brushless DC motor, and can be adjusted and forward and reverse. Analyze the input and output waveforms of each module of the driver. Analyze and discuss the waveform’s size and shape, and propose further modifications, and the feasibility of the design was verified.

KEY WORD: Brushless DC motor; six-step commutation; low cost driver.

目录

摘要 III

Abstract 4

第一章 绪论 6

1.1 课题背景及选题意义 6

1.1.1 课题背景 6

1.1.2 选题意义 6

1.2 国内外无刷直流电机研究动态和趋势 7

1.2.1 国内外无刷直流电机研究动态 7

1.2.2 国内外直流电机研究趋势 8

1.3 本文的研究内容 9

第二章 无刷直流电机及驱动系统结构原理 10

2.1 绪论 10

2.2 无刷直流电机的基本结构 10

2.2.1 直流电动机本体 10

2.2.2 转子位置传感器 11

2.2.3 控制器 11

2.3 无刷直流电机基本原理 11

2.3.1 运行方式 11

2.3.2 数学模型 13

第三章 无刷直流电机驱动器控制设计 15

3.1 整体结构 15

3.2 换相电路设计 16

3.3 PWM调速控制电路设计 19

3.4 限流保护电路设计 22

3.5 辅助电源电路设计 24

3.6 主功率电路及其外围设计 25

第四章 实验研究 30

4.1 实验平台 30

4.2 实验波形 30

第五章 总结与展望 36

5.1 本文主要工作 36

5.2 工作展望 36

致谢 37

参考文献 38

绪论

课题背景及选题意义

课题背景

无刷直流电机(Brushless DC Motor)是现代先进技术相互交融的产物，是随着半导体技术的发展而逐渐走进人们视野的新型电机，先进的控制理论、电力电子技术和当代电机技术无一不为无刷直流电机的发展提供重要支撑。

众所周知，直流电动机具有非常优良的起、制动性能，调速范围广，无论处于哪种速度下都可以全功率运行，易于平滑调节，广泛应用于大范围的平滑调速。因为它外特性良好，起、制动转矩大，易于快速启动，就算在低速下也可以输出大转矩，故在需要快速正反向或者调速的领域应用很广。传统的直流电机，如果作为发电机使用，则需将外加直流电流转换为交流电流，如若作为电动机使用，则要将线圈中的交流电动势转换为直流电动势，无论哪种用途都必然要利用换向器和电刷。因此，虽然有刷电机具有变速平稳、可靠性高、价格低廉的优点，但由于电刷和换向器的存在，其缺点显得尤为突出：

1. 碳刷易磨损，损耗大、有噪声，而且更换不方便，需要经常维护；
2. 运行电流大，电机中永磁体磁性容易减退，使用年限缩短。

人们一直以来，希望能够在保证直流电机优良的起、制动性能的同时，尽可能的消除电刷和换向器带来的种种不足。在上个世纪的五、六十年代，电力电子器件的迅猛发展为这种想法提供了机会与可能。经过人们不断尝试，无刷直流电机实现了由电力电子逆变器完成从直流到交流的转换，也即由电子换相取代了有刷电机的机械换相。由于减少了电刷和换向器两个结构，检测转子位置的任务由转子位置传感器来承担。因此可知，无刷直流需要配备相应的控制器，是一种非常典型的机电一体化电机，电机的设计和运行不再是仅仅依靠电与磁，还要有相关控制理论和电子电路知识。

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