论文总字数：25275字

摘 要

随着现代控制技术和大功率电子器件的发展，电机调速系统在机器人、数控机床以及电动车等多个领域得到了广泛的应用。无刷直流电机在保持传统直流电机优越调速性能的基础上，从结构上完美解决了传统直流电机采用电刷进行机械换向而导致的一系列问题。由于无刷直流电机具有效率高、寿命长、噪声低以及良好的转速-转矩特性等优点，在航空航天、家用电器、办公自动化等领域内得到了较好的发展。

本文首先介绍了无刷直流电机控制系统的相关原理，包括其本体结构、位置传感器工作原理以及驱动方式，在以上原理的基础上建立了无刷直流电机的数学模型，根据该数学模型搭建了基于转速外环和电流内环的双闭环无刷直流电机调速系统。然后介绍了多种无刷直流电机的控制方案，并选择了较为经典的PID控制作为该系统的控制策略，根据无刷直流电机的数学模型整定PID控制器的参数，最终得到基于PID控制器的无刷直流电机双闭环调速系统。最后，通过Simulink仿真验证，该系统性能达到预期指标。

关键词：无刷直流电机，PID控制器，霍尔元件，速度控制

Abstract

The motor control system has been widely used in androids, computer numerical control machine tools, electric vehicles and etc. with the development of modern control technology and high power electronics. Brushless DC motor has solved series problem of traditional DC motor which uses electro-brush to commutate mechanically, and maintained superior speed control performance. Brushless DC motor has got great growth in astronautics, domestic appliances, office automation and other field because of its high efficiency, long operating time, low noise and better speed-torque characteristics.

Firstly, the paper introduces the relevant principle of brushless DC motor, including its structure, position sensor and driving method, based on this principle, the mathematical models of brushless DC motor can be built, and then set up a double-close-loop speed control system with speed feedback as external loop and current feedback as internal loop. Secondly, a bunch of control strategies are recommended in this paper and one of them, the PID controller, is chosen to become the control method of speed control system, the parameters of PID controller are adjusted base on the mathematical models previously, and then the speed control system is finished. Finally, the output of motor is tested in Simulink; it turns out that the performance of speed control system accords with expectation.

KEY WORDS: BLDCM, PID controller, Hall effect sensors, speed control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题背景及研究意义 1

1.2无刷直流电机应用领域 2

1.3研究现状 3

1.3.1转矩波动抑制研究 3

1.3.2控制器改良研究 3

第二章 无刷直流电机基本结构 5

2.1 无刷直流电机本体结构 5

2.2 霍尔位置传感器 5

2.3驱动电路 7

2.3.1半桥式 7

2.3.2全桥式 8

2.3.3其他驱动方式 8

第三章 数学模型建立 11

3.1微分方程模型 11

3.2 传递函数模型 13

3.3 本章小结 15

第四章 无刷直流电机控制系统设计 16

4.1控制策略 16

4.2 无刷直流电机双闭环调速系统设计 17

4.2.1 电流环控制器设计 18

4.2.2 转速环控制器设计 21

4.3 基于MATLAB的无刷直流电机调速系统仿真 22

4.3.1无刷直流电机控制系统仿真模型建立 22

4.4 仿真结果分析 26

4.4.1.电机空载时仿真结果分析 26

4.4.2 带负载时仿真波形分析 32

4.5 本章小结 37

第五章 结束语 38

参考文献 39

致 谢 40

第一章 绪论

1.1课题背景及研究意义

19世纪以来，在电磁感应原理的基础上，电机学理论不断发展，电机即可作为发电机将其与形式的能量转化为电能，又可作为电动机将电能转化为机械能，电机与人们的日常生活和工业生产之间已经有了密不可分的关系。

电力拖动系统是现代工业生产的基石，而直流电机便是电力拖动系统中的核心组件，按照直流电机的机械结构不同，可将其分为有刷直流电机和无刷直流电机两种。

自直流电机问世以来，有刷直流电机便一直在各式各样的动力系统中担任驱动元件，但由于其采用电刷进行机械换相，换相时电刷与换相器之间的机械摩擦容易产生火花和噪音，机械磨损使得电机极易损坏，大大缩短了有刷直流电机的使用寿命，在一些对电机性能要求较高的领域，上述缺点导致有刷直流电机难以得到广泛应用，因此需要研发出新型的高性能电机以满足生产生活需要。

以直流电机理论为基础，为了克服传统有刷直流电机机械结构上的弊端，电刷这一产生机械摩擦的元件必须被去除，由此萌生出了设计无刷直流电机的概念。上个世纪初，虽然已经有针对采用电子换相的无刷直流电机的研究，但受限于电力电子器件的制造技术水平，当时的无刷直流电机可靠性差且效率低下，无刷直流电机还处于理论研究阶段，电机无法投入实际应用中。五十年代中叶，美国人哈里森成功申请了将电刷换相装置用晶体管换相电路替换的专利，现代无刷直流电机的雏形由此诞生。广大电机学科从业者们经过反复尝试和实验后，六十年代初，终于制造出了利用霍尔元件产生电子换相信号的无刷直流电机，无刷直流电机不仅解决了电刷机械磨损的问题，还继承了有刷直流电机控制电路简单，调速范围宽，机械特性好等优点。在此之后，随着研究的深入与技术的进步，无刷直流电机逐渐被投入实际生产应用中。随着电力电子器件制造技术的高速发展，大量高性能的半导体功率器件问世，与此同时，材料科学的进步，使高性能稀土永磁材料能够应用于无刷直流电机中，无刷直流电机的制造技术逐渐趋于成熟，其应用领域也得到了极大地拓展。

要想深入研究无刷直流电机的控制系统，首先需要学习电机学的相关知识，掌握无刷直流电机运行时的等效电路，根据等效电路计算出电机的各种输出量的计算方法，从而得到无刷直流电机的数学模型。其次还要掌握自动控制原理的相关知识，设计性能良好的控制系统，并对控制系统进行优化以实现对无刷直流电机的精确控制。最后，随着计算机技术的发展，控制技术越来越出智能化，智能化的控制系统虽然设计环节复杂，但是其控制精度高，且可开发性强。综上所述，无刷直流电机的控制系统是一个集电机理论、运动控制理论和计算机技术为一体的机电一体化系统，对无刷直流电机控制系统的研究不仅具有理论意义，而且还有很高的实用价值。

1.2无刷直流电机应用领域

技术进步推动生产力发展，人们的生活水平随生产力发展而提高，生活水平得以保障后国家便开始重视环境保护和节能减排，因此现代家用电器正朝着节能、无声和智能化方向发展，也因此无刷直流电机的应用领域扩展至家用电器行业，作为对家用电器的驱动电机投入使用。在千千万万户家庭中，既有保鲜功能又有制冷功能冰箱是家中必备家电，其制冷功能给人们的日常生活带来了舒适和便利，其制冷功能实现的核心，便是以无刷直流电机为核心驱动元件的压缩机。无刷直流电机及其控制技术尚未发展成熟之前，压缩机电机一般采用异步电机，但其功率因数和效率都比较低，即使采用变频技术加以改善，对压缩机的整机性能提高也不大。和异步电机相比，无刷直流电机具有明显的优点：①无刷直流电机转速与供电电源频率之间无限制关系，设计时，可提高驱动电机的转速额定值，增大了压缩机的容量，无刷直流电机本体结构中节省了电刷中所占用的空间，减小了压缩机的体积；②功率因数较高，带负载运行时无功损耗少，不仅降低了压缩机电机对逆变器的容量要求，还满足了现代社会对家用电器节能和环保的要求。在实际应用中，压缩机电机所处环境一般是密闭的，如果使用有位置传感器的无刷直流电机作为压缩机电机有两大弊端，其一是位置传感器会占用压缩机的部分空间，这使得无刷直流电机损失了其占用空间小的优势；其二是在低温或高温等环境条件下，位置传感器极易损坏，降低了压缩机电机的运行可靠性。因此，为了降低成本并提高压缩机电机的运行稳定性，可利用反电动势法获取无刷直流电机的换相信号，从而实现无刷直流电机的无传感器控制，减小其占用空间的同时提高其工作效率。

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