论文总字数：15227字

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

1引言 1

2工作原理 1

2.1无刷直流电动机的概述 1

2.2无刷直流电机本体 3

2.3 转子位置检测 4

2.3.1 位置传感器检测法 4

2.3.2 无位置传感器检测法 4

2.4 PWM调制技术 4

2.5无刷直流电机换相器 5

2.6无刷直流电机的基本方程 5

3.调速系统的设计 7

3.1主电路供电方案选择 8

3.2逆变电路的选择 9

3.3基于MC33035的无刷直流电动机调速系统 10

3.3.1无刷直流电动机控制芯片MC33035 10

3.3.2基于MC33035的无刷直流电动机调速系统设计 11

4调速系统在MATLAB里仿真 12

4.1 电源、逆变桥和无刷直流电机模型 12

4.2 换相逻辑控制模块 13

4.3 控制器和控制电平转换及PWM发生环节设计 18

4.4系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 19

4.4.1系统建模与起动，阶跃负载仿真 20

4.4.2 可逆调速仿真 24

5论文总结与未来展望 27

5.1论文总结 27

5.2未来展望 28

参考文献 29

致谢 30

基于MATLAB的无刷直流电机控制系统仿真

陈道勇

，China

Abstract: This thesis mainly focuses on the speed control system of Brushless DC motor, the motor learning operation principle and PWM control method, the speed of the concept, principle and control method, the status quo, and learning and control method of Brushless DC motor, and the design of the brushless DC motor speed control system. And through Simulink to simulate the simulation and experimental simulation of the operation of the motor, and according to the simulation results on the brushless DC motor began to learn and analyze, so as to achieve the brushless DC motor speed law to understand.

Key words: speed regulation; PWM control brushless DC motor; Simulation

1引言

随着电机的使用愈来愈宽广，电机的功能特点选择性话题也日益凸起。随着生活水平的日益改善，人们对电机的要求也越来愈高，开始的普通电机存在这诸多缺点和不足，已经不能跟上世界发展的脚步和满足不了人们的需求，人们开始研究更为先进的电机，于是无刷直流电机被研究出来，它克服了有刷直流电机的诸多不足，不仅节省了时间人力，而且消除了运行时对周围的设备的影响。再加上它本身的尺寸大小和结构简单和一些运行时的优点，比如：效率高；寿命长；噪声低；转速高。在克服了材料成本大的问题之后，已经广泛地应用于很多领域。

直流电动机问世到现在，这百年时间里，人们对直流电动机的制造和设计技术也在不断更新变化。直流电动机的电源也从原始的发电机组变成水银整流器，如今可控硅整流器进一步推动了直流电动机的发展。新材料和新技术以及整流技术的应用，让现在的直流电动机体积变得更小，速度变得更快，性能变得更强大。PWM控制使直流电动机的控制更加方便，也更加稳定。目前许多国外的电气公司都开拓创新，研究出了直流调速装置，这让直流电机的发展和应用进一步提升。单片机产生PWM波并用各种算法控制三极管电路驱动电动机运行的方法在国内外都被深入研究过。

由于具有良好的制动性能，无刷直流电机可广泛应用于调速领域，也可广泛应用于需要调速和正、负调制的电传动领域。对无刷直流电动机的应用和技术背景分析下来，碍于传统调速方式不稳定、不灵活等问题。本论文着重研究了如何利用脉宽调速系统的原理和控制方法和最简单的系统结构克服传统调速问题，使得调速系统得到极大的改善。无刷直流电动机的调速控制选用PWM技术，这种控制方法较为简便，实现功能也较为灵活。传统控制系统受诸多因素影响，运行时不准确也不稳定，操作不当还会导致事故发生。各种技术的应用趋于成熟，无刷直流电动机调速系统已从数字化走向实用化。而随着科技水平的发展，电子技术也将会日益完善，这将使无刷直流电动机的调速控制技术更加可靠，智能。良好的调速特性和简单高效的动态特性告诉我们，直流电动机的调速控制技术非常值得研究，对生产生活也具有重大意义。

2工作原理

2.1无刷直流电动机的概述

随着时代的发展，人们对生活的品质要求也越来越高，机器运转替代人进行行工作，普通直流电机的诸多不足与缺点不仅越来越影响这生产，而且由于电刷的消耗，浪费人力物力。研究出一种更为先进的电机成为人们亟待解决的问题，因此，无刷直流电机的发展就引起了人们的高度重视，在经历了多年的发展，无刷直流电机终于问世，解决了之前的缺点与不足。下面将详细介绍无刷直流电机。

直流无刷电机的主要由电动机本体、位置传感器与电子开关线路三部分组成，如图2-1所示。

图2-1无刷直流电机工作原理

从图2-1可以得知定子和转子是无刷直流电机本体的组成部分，再加上位置传感器和电子开关线路简单的阐释了无刷直流电机运行原理。

电机的组成结构框图如图2-2所示

图2-2 无刷直流电机运行原理

主要部件框图如图2-3所示。

图2-3主要部件框图

2.2无刷直流电机本体

如图2-4所示，电枢绕组有Y或△两种接发，每种接法都有各自的优点与缺点，都有各自的应用范围，然而考虑到系统的复杂和成本的代价，本次设计就采用Y形连接、三相对称且无中性点引出的无刷直流电机，这样既适合学生的能力，又能满足仿真的条件。

图2-4 绕组形式

不同绕组方式所引起的波形也不同（EMF），两种绕组产生的反电动势的波形如图2- 5所示。

a) 梯形波 b)正弦波

图2-5反电动势波形

当然，转子在电机中也时非常重要的一个组成部分，能够产生励磁磁场，它是由三部分组成：永磁体，导磁体和支撑部件。目前使用较多的转子结构有三种：表面粘贴式磁极；嵌入式磁极；环形磁极。

2.3 转子位置检测

转子位置检测的方法主要分为位置传感器检测法和无位置传感器检测法两大类。

2.3.1 位置传感器检测法

位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置、为逻辑开关电路提供正确的换相信息的作用，位置传感器种类很多，常用的有电磁式位置传感器、光电式传感器等。位置传感器有它的局限性，体积较大，信噪比较低和对恶劣环境的适应能力较差。

2.3.2 无位置传感器检测法

无位置传感器对无刷直流电机的控制是非常有效的，并且无位置传感器非常实用，比起位置传感器，有着很多优点与优越性，耐高温高压抗恶劣天气。

目前国内外对无位置传感器控制方法的研究十分火热，到目前为止，研究已经取得了不错的成果。无位置控制方法有很多种，其中研究成果最大的并且使用最多的是反电动势法。简而言之，该方法的原理本质就是，它将获取到的反电势过零点信号向后延迟30°，得到六个离散的转子位置信号，提供换相信息，实现无刷直流电机的无位置传感器控制。直流电机反电势过零点与换相时刻的关系如图2-6所示，反电动势A，B，C相位互差120°换相点滞后对应的反电动势过零点30°。

图2-6反电动势控制原理

2.4 PWM调制技术

PWM中文意思是脉冲宽度调制。用它来完成本次设计具有很多优势：经济性好，只需要三个三极管和四个二极管就能完成电路；“噪声”小；占用空间小，无论在仿真还是实物制作中，它的电路都不需要大面积占用空间。因此，我对此技术进行了深入的研究。

占空比是PWM的一个重要参数，它是指在PWM脉冲中一个周期内高电位占整个周期的比率。利用面积等效原理，想要改变脉冲输出的幅值只需要按照一定比例改变脉冲的宽度。无刷直流电动机的调速就是通过改变PWM波的占空比来实现的，而且这种调速方法具有一个很大的优势，就是它可以连续不断的改变模拟信号的值，受外界的影响干扰比较小。因而PWM技术也被大量应用于功率转换、功率控制和通信等。

2.5无刷直流电机换相器

如图2-7所示，那展现的是一种全控桥电路。并且他们的导通有两种方式。

(1)两两通电两只功率管一起导通，每隔60°换相一次，每个功率管导通120°

(2)三三通电三只功率管一起导通，每隔60°换相一次，每个功率管通电180°。

图2-7无刷直流电机换相器

2.6无刷直流电机的基本方程

以下是无刷直流电机的数学模型的建立过程。取用Y接的定子绕组，采用隐极内转子结构的转子，3个霍尔元件对称放置。在此结构可得三相绕组电压平衡方程为：

(2-1)

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