基于PWM技术的无刷直流电机的调速系统综述

1、江苏科技大学 本 科 毕 业 设 计（论文） 学院 电子信息学院 专业 自动化 学生姓名 田旭 班级学号 1140301218 指导教师 魏海峰 二零一五年六月 江苏科技大学本科毕业论文 基于 PWM 技术的无刷直流电机的调速系统 设计 Brushless DC Motor Speed Control System Based On PWM 江苏科技大学 毕业设计（论文）任务书 自动化 1140301218 副教授 学院名称：电子信息学院专业： 学生姓名：田 旭学号： 指导教师：魏海峰职称： 毕业设计(论文)题目： 基于 PWM 技术的无刷直流电机调速系统 一、 毕业设计(论文)内容及要求(包

2、括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的 实验等) 1 提供条件： 无刷直流电机、 PWM 控制技术相关资料， MATLAB 仿真软件 2 设计内容与要求 : (1) 学习无刷直流电机的原理和数学模型； (2) 掌握按 PWM 技术控制无刷直流电机方式； (3) 学习、掌握仿真软件 Matlab/simulink 的使用； (4) 在 Matlab/simulink 中构建按 PWM 技术控制的无刷直流电机仿真模 型，并调试； (5) 撰写论文，通过答辩。 、 完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等） （1）毕业设计论文：一份（不少于 1.5 万字）； （2）外文译文：一篇（不少于 5000

3、 英文单词）； （3）按 PWM 控制的无刷直流电机仿真模型一套； 三、完成日期及进度 2013年3月1日至2013年6月5日，共 13周。 进度安排： 3.13.14：熟悉任务要求，查阅资料，翻译外文资料； 3.153.27：学习、理解无刷直流电机的原理、结构，完成开题报告及外 文资料翻译； 3.284.24：掌握脉宽调制（ PWM ）技术的原理及其应用于各类电路的 控制方法； 4.255.16：学习 Matlab/Simulink 的使用，在 Matlab/Simulink 中构建按 PWM 技术控制的无刷直流电机仿真模型； 5.176.5：撰写毕业论文、答辩。 四、主要参考资料(包括书刊

4、名称、出版年月等)： (1) 王秋秩著 . 微特电机应用技术手册 . 上海科学技术出版社 ,2003. (2) 王兆安, 刘进军. 电力电子技术(第五版) . 机械工业出版社 , 2009. (3) 孙建忠,白凤仙著 . 特种电机及其控制 . 中国水利水电出版社 ,2005. (4) 王爽 ,王志国 . 无刷直流电机换相力矩波动抑制 . 北京航空航天大学 出版社 ,2003. (5) 潘晓晟. MATLAB 电机仿真精华 50例. 电子工业出版社 , 2007. 系(教研室 )主任： (签章) 年 月 日 学院主管领导： (签章) 年 月 日 摘要 无刷直流电机 (BLDCM) 具有调速性能优

5、异、运行性能可靠和维护方便等优点， 相较于有刷直流电机，其采用电子换向取代机械换向，有效地提高了电动机的运行 效率，也使得其成品体积更加的轻巧。但是无刷直流电机也存在转矩脉动、控制器 复杂、成本较高等缺陷，这些缺陷的存在也一定程度上影响了无刷直流电机作为高 效、先进电机在应用上的普及，因此研究如何改善以及解决无刷直流电机存在的问 题便具有更加明显的现实意义。 MATLAB 是一款用于数据分析与计算、 算法开发以及动态系统建立与仿真的数 学软件。最初是由美国 MathWorks公司出品的商用数学软件， 其由 Matlab和Simulink 两个重要组成部分构成，现在更是应用于工程计算、控制设计、

6、信号处理与通讯、 图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 本文通过对无刷直流电机结构以及工作原理的研究与分析，找出导致其具有较 大转矩脉动的原因，并先从理论上得到如何抑制转矩脉动的方法，再通过 Matlab 建立起无刷直流电机的仿真模型，对其仿真结果进行分析与改善，从而有效地抑制 无刷直流电机的转矩脉动。 关键词： 无刷直流电机，转矩脉动，仿真模型 江苏科技大学本科毕8业 设计（论文） Abstract Brushless DC motor (BLDCM) has excellent speed performance, reliable performance and easy ma

7、intenance, etc., compared to a brush DC motor, which uses electronically commutated replace mechanical commutation, effectively improve the operating efficiency of the motor, but also so that the volume of the finished product more compact. But there brushless DC motor torque ripple controller compl

8、exity, high cost and other defects, the presence of these defectsa lso affected to some extent, a brushless DC motor as efficient and advanced motor universal in application, how to improve and therefore research solve the problems of the brushless DC motor will have more obvious practical significa

9、nce. MATLAB is a tool for data analysis and computation, algorithm development, and simulation of dynamic systems to establish and mathematical software. MathWorks was originally developed by the US company produced commercial mathematical software, which consists of Matlab and Simulink are two impo

10、rtant parts, and now it is used in engineering calculations, control design, signal processing and communications, image processing, signal detection, financial modeling design and analysis and other fields. Based on the brushless DC motor structure and working principle of research and analysis to

11、identify the cause of which has a large torque ripple, and theoretically first get how to suppress torque ripples, established through Matlab brushless Simulation Model DC motor, its simulation results are analyzed and improved in order to effectively suppress the torque ripple of the brushless DC m

12、otor Keywords: Brushless DC motor; The torque pulsation; The simulation model 江苏科技大学本科毕9业 设计（论文） 目录 第一章 绪论 11 1.1 研究背景及研究意义 11 1.2 无刷直流电机调速系统的国内外研究现状 1. 2 1.3 本文的主要研究内容及章节安排 1.3 第二章 无刷直流电机的基本原理 14 2.1 无刷直流电机的基本结构 1.4 2.1.1 电机本体 1.4. 1.电动机定子 1.4. 2. 电动机转子 1.5. 2.1.2 位置传感器 1.5. 2.2 无刷直流电机的工作原理及换相过程 1.

13、 7 2.2.1 无刷直流电机的工作原理 1.8 2.2.2 无刷直流电机的换相过程 2.0 2.3 无刷直流电机的应用 2.1 2.4 本章小结 2.1. 第三章 基于 PWM 技术的无刷直流电机转矩脉动抑制 22 3.1 PWM 控制技术简介 2.2 3.1.1 PWM 控制技术的基本原理 2.2 3.1.2 PWM 控制技术的控制方法 2.3 3.2 Buck 变换器的原理及控制方式 2.4 3.2.1 Buck 变换器的原理 2.4 3.2.2 Buck 变换器的控制方式 2.5 3.3 无刷直流电机转矩脉动的产生 2.5 3.3.1 传导区转矩脉动 2.6 3.3.2 换相区转矩脉动

14、 2.7 3.4 无刷直流电机转矩脉动的抑制 2.9 江苏科技大学本科毕10业 设计（论文） 3.5 本章小结 3.2. 第四章 无刷直流电机的仿真分析 33 4.1 MATLAB 和 SIMULINK 的介绍 3.3 4.2 无刷直流电机的数学模型 3.4 4.2.1 电机本体模块 3.5 4.2.2 转矩计算模块 3.6 4.2.3 速度控制模块 3.7 4.2.4 电流控制模块 3.7 4.2.5 电压逆变模块 3.8 4.3 无刷直流电机的仿真结果 3.8 4.4 本章小结 4.3. 结论 44 致谢 45 参考文献 46 附录 47 10 江苏科技大学本科毕11业 设计（论文） 第一

15、章 绪论 1.1 研究背景及研究意义 对于工厂生产和社会发展而言， 电力拖动都有着举足轻重的地位， 为了满足生产 工艺的需求， 通过控制电机的转矩以及转速来控制电动机的转速以及位置， 这样就可 以形成一个自动化系统， 称之为电力拖动。 因此对于优异电动机的研究与发明必定是 促进生产力发展，社会发展的首要目标。相较于交流电机，直流电机具有效率高、动 态性能优异等不可取代的优势， 对于较为精密的电力拖动而言， 直流电动机必定是发 展的主流。 直流电动机也分为有刷与无刷两种， 相较于有刷直流电机， 无刷直流电机 采用电子换向来取代机械换向，就可以做到无机械摩擦、无电火花、无磨损，免维护 且能够做到更

16、加密封等特点， 而这些特点对于船业严苛的工作环境来说， 无刷直流电 机必定是首要选择。 近些年来，人们开始使用脉宽调制（以下简称 PWM ）来对电机进行控制，而且 迅速发展的电力电子器件和微电子器件都为这种控制方式打下了良好的基础， 现在的 主流即采用全控型的开关元件。 20世纪 50年代，大部分工厂一般采用直流发电机和 直流电动机作为一组并通过水银整流装置来进行调速。而到了 60 年代，随着晶闸管 技术的发展，工厂开始大幅应用以晶闸管为基础的电机调速系统。 变流技术的进步已经极大地促进直流电机的发展。再到脉宽调制 （PWM） 变换器 的发明， 使得无刷直流电机在性能上得到了极大地提高， 当然

17、，在其经济性以及可靠 性上， 都收获了长足的进展， 使电气拖动完成了极大的飞跃。 为了提高系统的性能以 及扩大系统的应用场合， 我们需要使单片机的控制电路更加的集成化和小型化， 而藉 由计算机和通信技术的发展， 我们不仅实现了这一目标， 而且使其成本更加低廉， 可 靠性也大幅提高。当然我们还是要采用直流电气传动来应对那些对调速性能要求较高 的场合。当下的无刷直流电机调速系统发展的主流方向之一即为以 PWM 技术为基 础，通过完善调速系统并使其系统化和标准化， 如此必将使其成为电气传动领域的重 要组成部分 1 。 11 江苏科技大学本科毕12业 设计(论文) 1.2 无刷直流电机调速系统的国内外

18、研究现状 正是由于微电子器件和电力电子器件的飞速进展激发了人们研究无刷直流电机 的热情，并于 1955年取得了突破性成果，美国的 D.Harrison 等人利用晶体管来代替 传统的机械电刷， 从而标志着无刷电机的产生。 1978 年 MAC 经典无刷直流电动机及 其驱动器的推出更是标志着采用电子换向的无刷直流电机真正进入市场实用阶段2。 1983 年高性能永磁材料 铷铁硼为无刷直流电机的应用奠定了坚实的基础 3 。随着 对无刷直流电动机越来越深入的研究， 人们先后发明了正弦波直流无刷电机和方波无 刷电机两大类。而使得无刷直流电动机进入爆发式应用则是因为电力电子器件的高速 发展。自上世纪 70

19、年代以来，各种电力电子器件层出不穷，发展异常迅速 45 。20 多年以来， 随着永磁新材料、 微电子技术、 自动控制技术以及电力电子技术特别是大 功率开关器件的发展， 无刷电动机得到了长足的发展。 区别于有刷直流电机， 无刷直 流电机采用电子换向电路来代替机械换向器， 因此无刷直流电机具有调速范围宽、 调 速方便以及起动力矩大等优点。 相较于有刷直流电机的脆弱与昂贵， 无刷直流电机更 是在适应环境以及经济性上完全超越前者。 主要具有以下特点 6 ： (1) 与数字化技术、 现代控制理论相结合， 具有较好的可控性， 可实现优化控制， 使电机向智能化方向发展。 (2) 电子线路部分和电动机本体分开

20、，可实现对电机的良好控制。比如可以不改 变电源电压，通过逻辑信号顺序，实现电机的正反转；通过改变逻辑控制部分 PWM 占空比， 实现电机的调速控制； 通过位置传感器可以实现速度闭环控制， 使电机在一 定的速度下稳定运行。 (3) 可工作在恶劣的环境中，如高真空、有腐蚀性气体介质、液体介质、灰尘、 潮湿、易燃易爆，以及不便于检修等场合。 (4) 与电子技术结合，采用电子控制器实现电子换向代替机械换向，不存在电刷 和换向器直接接触而产生磨损和电气火花， 电磁干扰小， 可以高速工作， 运行稳定可 靠，寿命长。 (5) 无刷直流电动机可构成无位置传感器控制系统，在基本保持性能不变的基础 上，做到简化结

21、构，进一步提高可靠性，降低成本，扩展了应用范围。 (6) 电动机在结构上是将定子作为电枢，定子绕组与机壳接触，散热面积大，效 12 江苏科技大学本科毕13业 设计（论文） 果好。永磁体在转子上，转子上无通电绕组，几乎无损耗与发热，效率高。 当然，无刷直流电机并非是完美的， 它仍然具有转矩脉动大、 低速段特性差以及 成本等问题。 因此，目前国内外对于无刷直流电机的研究， 主要集中于抑制转矩脉动、 更加精确地检测无位置传感器的转子位置、 如何解决弱磁调速问题以及相应的控制算 法的研究等问题。 1.3 本文的主要研究内容及章节安排 主要研究内容分为以下几个方面： （1）研究无刷直流电机的基本结构和工

22、作原理，分析其换相过程； （2）研究无刷直流电机产生转矩脉动的原因并找出抑制其脉动的方法； （3）设计由 PWM 控制的无刷直流电机系统，分析存在的问题并运用 Matalab 中的 Simulink 软件对系统进行仿真。 具体安排如下： 第一章首先了解无刷直流电机调速系统的研究背景以及意义， 简要地概述了目前 无刷直流电机调速系统存在的问题。 第二章介绍无刷直流电机的结构和模型。 详细地分析与理解无刷直流电机的工作 原理以及换相过程， 简要介绍无刷直流电机与其他电机的区别并了解无刷直流电机在 当下的应用情况。 第三章简要介绍 PWM 控制技术及 Buck 变换器，详细分析无刷直流电机转矩脉 动

23、的产生原因， 并对其转矩脉动进行理论上的数学计算， 从而有效地理解转矩脉动并 提出抑制转矩脉动的具体方法，也对其进行理论上的研究与计算。 第四章在 Matlab 中建立无刷直流电机的系统仿真模型，对模型中各个模块进行 分析与介绍， 并详细的呈现系统仿真的结果， 从而以实践结果来印证所提出解决方法 的可行性。 最后得出关于仿真的结论并致谢。 13 江苏科技大学本科毕14业 设计（论文） 第二章 无刷直流电机的基本原理 2.1 无刷直流电机的基本结构 无刷直流电机由其相数可分为单相、 双相以及三相直流电机， 本文主要讨论三相 无刷直流电机， 其由电机本体、 位置传感器以及电子开关电路三部分组成，

24、简化框图 如图 2.1。 图 2.1 无刷直流电机简化的组成原理框图 2.1.1 电机本体 电机本体主要包括带有电枢绕组的定子和带有永磁级的转子两个重要组成部分， 下面将分别阐述电动机定子与转子的构成以及相应的作用。 1.电动机定子 电动机定子是电机本体的静止部分， 其主要包括导磁的定子铁芯、 导电的电枢绕 组以及固定铁芯和绕组所用的一些零部件。 通过叠压硅钢片来减少定子损耗且将硅钢 片冲压成环形并带有齿槽， 根据绕组的相数和极对数在槽内嵌放电枢绕组。 在叠装后 的铁心槽内放置槽绝缘和电枢线圈， 然后整形、浸漆，最后把主定子铁心压入机壳内。 定子绕组是电机本体的一个最重要部件。 当电机通电后，

25、 电流经电枢绕组产生磁 动势，该磁动势与转子产生的励磁磁场相互作用从而产生电磁转矩。 当电机带着负载 开始运转后，便在绕组中产生反电动势，吸收电功率，并通过转子输出机械功率，从 而实现了将电能转换成机械能的过程。 为了让电机顺利的实现这一过程， 对电枢绕组 便有了相对严格的要求， 首先它必须能够负荷一定的电流， 才能产生足够的磁动势以 得到足够的转矩，其次它必须满足电机整体结构简单，运行可靠的要求。 电枢绕组由许多线圈连接而成。 每个线圈也叫绕组元件， 由漆包线在绕线模上绕 制而成。 线圈的直线部分放在铁心槽内， 其端接部分有两个出线头， 把各个线圈的出 14 江苏科技大学本科毕15业 设计（

26、论文） 线头按一定规律连接起来，便得到所需要的绕组。 无刷直流电机的定子绕组可以分为梯形绕组和正弦绕组， 它们分别对应的是绕组 的 Y 型和星型绕组，所体现的反电动势波形如图 2.2 所示。 图 2.2 反电动势波形 2.电动机转子 电动机转子是电机本体的转动部分， 可以产生励磁磁场， 由永磁体、 导磁体和一 些支撑所用的零部件。 由永磁材料和导磁材料制成的永磁体和导磁体是产生磁场的核心。 现代工厂一般 采用铁氧体、汝铁硼以及铝镍站等材料作为无刷直流电机的永磁材料。 转子类型可分为内转子型和外转子型， 其区别在于 2到 8对永磁体是处于转子的 外部还是内嵌于转子的内部，如图 2.3 所示。 图

27、 2.3 内转子与外转子结构 2.1.2 位置传感器 无刷直流电机通过把有刷直流电机的转子电枢放在定子上， 把定子永磁极放在转 子上，从而实现了电子换向取代机械电刷换向。 而要求电枢磁场和转子旋转磁场能够 相互作用产生电磁转矩并实现正反转运行， 就必须确定转子的实时位置， 因此无刷直 流电动机还需要位置传感器才能实现电机的正常运行。 15 江苏科技大学本科毕16业 设计（论文） 位置传感器也由定子和转子组成，位置传感器的定子和电机的定子固定在一起， 而位置传感器的转子则和电机的转子同轴运动， 从而我们可以通过位置传感器的定子 与转子来直接获得电机的定子和转子的位置。 本文主要通过霍尔传感器来介

28、绍位置传感器的作用过程。 霍尔效应： 当通电导体处于磁场中， 由于磁场的作用力使得导体内的电荷会向导 体的一侧聚集， 由于电荷在导体一侧的聚集， 从而使得导体两侧产生电压， 这种现象 就称为霍尔效应。图 2.4 即为霍尔效应的示意图。 一方面，由于定子是电机的静止部分， 我们通过将霍尔传感器嵌入到定子中即可 实时的获得电机定子的位置；另一方面，我们通过安插数个（一般为 3 个）霍尔传感 器在电机转子的旋转路径上， 这样当转子的磁极通过霍尔传感器时， 霍尔传感器就会 输出相应的高低电平，从而可以实时地检测转子位置，实现电子换向。 对于霍尔元件的位置以及配置数目， 其应满足以下两个方面。 第一，霍

29、尔元件一 个周期内的开关状态数量应该对应于电机的磁状态数量； 第二，在电机的一个周期内， 开关状态不重复且平分电角度。 基于这些条件， 一般我们采用三个霍尔元件， 使其在 空间上相互间隔 120 度电角，即两相导通星型三相六状态电机控制。 2.1.3 电子开关电路 目前无刷直流电机的电子开关电路通常采用基于三相全控整流电路原理的全控 开关器件，如图 2.5 所示。 以铁心中的多相绕组为核心 （三相、四相、五相 ）。绕组可以连接到星形或三角形 16 江苏科技大学本科毕17业 设计（论文） 图 2.5 三相全控整流电路 如图中所示三相全控电路的 IGBT 开关管数量是相数的两倍， 每一组上下桥臂连

30、 接一相绕组。 使用这种三相全控电路作为电子开关电路是应注意， 必须防止任意一组 上下桥臂同时导通，因为这会导致电路短路烧毁电源。 通过控制这种全控电路， 即可实现任意时刻都有两相导通， 导通角为 120 度且均 拥有六个状态的电机控制方式。 2.2 无刷直流电机的工作原理及换相过程 本文中采用三相桥式星型全控电机， 因此将以此为基础详细地分析与理解无刷直 流电机的工作原理及换相过程，图 2.6 即为电机的结构图。 图 2.6 无刷直流电机结构图 17 江苏科技大学本科毕18业 设计（论文） 2.2.1 无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机各相电枢绕组的导通与关断是由 IGBT 功率管来控制，

31、 本文采用三 相桥式星型全控电机， 即定子电枢绕组相数为三相且固定， 因此我们可以罗列出电枢 绕组的通断状态， 也就是其具有有限的组合数量。 不同于交流电机可以产生幅值恒定 的定子磁场， 为了使电机正常运行， 无刷直流电机的定子磁场就必须是跳跃式的， 且 这种跳跃式的定子磁场必须保持与转子磁场同步，这样才能够产生恒定的电磁转矩， 拖动负载运行。 由前文叙述可知， 电机通过电磁转矩来拖动负载工作， 查阅文献可知， 我们通过 令定子磁场和转子磁场保持 90 度左右的恒定电角度就可以获得最大的电磁转矩 7 。 基于这个原理， 我们通过位置传感器获得转子的实时位置， 通过多开关电路的控制即 可实现正确

32、的换相过程。 下面我们从电机结构图出发，研究开关电路的工作方式。 首先我们从 VT1 和 VT6 开始，电流 i 经由 VT1、Ra、 La、Ea、Eb、 Lb、Rb、 VT6 回到电源，保持 60度以后关断 VT6 打开 VT2，电流 i 经由回到电源 VT1 、Ra、 La、Ea、Ec、Lc、Rc、VT2 回到电源，保持 60 度以后关断 VT1 打开 VT3 ，电流 i 经由回到电源 VT3、Rb、Lb、Eb、Ec、Lc、Rc、VT2 回到电源，保持 60 度以后关 断 VT2 打开 VT4，电流 i 经由回到电源 VT3 、Rb、Lb、Eb、Ea、La、Ra、VT4 回到 电源，保持

33、60度以后关断 VT3 打开 VT5 ，电流 i 经由回到电源 VT5、Rc、Lc、Ec、 Ea、La、Ra、VT4 回到电源，保持 60度以后关断 VT4 打开 VT6 ，电流 i 经由回到电 源 VT5、Rc、Lc、Ec、Eb、Lb、Rb、VT6 回到电源，保持 60 度以后关断 VT5 打开 VT1 ，电流 i 经由回到电源 VT1、Ra、La、Ea、Eb、Lb、Rb、VT6 回到电源，从而 实现一个循环，即依次打开 VT1 、VT2 、VT3 、 VT4 、VT5 、VT6 实现电机的开关控 制。分析可知，功率管有 6种触发状态，每次只有两只管子导通， 每隔 1/6周期即 60 电角度

34、换相一次，每次换相一个功率管，每一个功率管导通120电角度。由于采用 两两导通方式， 所以每次只有两相导通， 一相截止。 导通相电流大小相等， 方向相反， 非导通相电流为零。非导通相在此期间其反电势有一次过零。 18 江苏科技大学本科毕19业 设计（论文） 图 2.7 反电动势波形图 无刷直流电机的反电势过零法换相控制正是基于这种方法 ，即检测断开相的反电 势信号，当其过零时，转子直轴与该相绕组重合，延时 30电角度依照开通顺序进行 换相。图 2.7 为电机运行时三相绕组的反电动势波形图。理想的反电动势波形为梯形 波，由图中可以发现每一相在每个换相点的前 30（即 /6电） 角度反电动势过零点

35、。 因 此，只要检测到各相反电势的过零点， 即可根据当前的电机转速获得转子的 6 个换相 点。 19 江苏科技大学本科毕20业 设计（论文） 2.2.2 无刷直流电机的换相过程 为了说明的方便，假设无刷直流电机的转子极对数为 1，下面给出转子位置与定 子电枢绕组换相过程。图 2.8 中所示的为定子电枢绕组在一个周期内的换相步骤，其 他的周期类比可得： 图 2.8 三相无刷直流电机的换相过程 与前面所述相对应，开始的时候 A、B相导通，电流由 A 相流入， B相流出，如 图中 a所示，此状态维持 60电角，当转子转过 60电角时，如图中 b 的位置，此时 开始进行换相。 c 图所示是第一次换相后

36、的状态， A、C 两相导通，电流由 A 相流入， 由 C相流出。由 b、c两图可以看出，第一次换相的过程是关断 B 相，开通 C相，A 相保持原来的状态不变。第一次换相后，定子电枢绕组导通状态维持60电角不变， 当转子再转过 60电角开始换相，第二次换相时刻的转子位置如图 d 所示，e 图为第 二次换相后的定子电枢绕组中的电流状态。 以后每次换相都依照此方法， 定子电枢绕 组根据转子的位置依次导通与关断，这样转子就在定子产生的磁场带动下不停地转 动。由图 2.8 中所示的各个状态不难看出，定子电枢绕组每隔 60电角换相一次，每 20 江苏科技大学本科毕21业 设计（论文） 次换相只有一相关断并

37、有一相导通，而且每个电枢绕组在一个周期内导通120电角。 2.3 无刷直流电机的应用 无刷直流电机的应用十分广泛，由于其外形简洁、效率高以及良好的动态响应， 使得其无论是在要求低的电动拖动场合还是在精度要求很高的航海航天方面都拥有 举足轻重的地位，根据其适用场合的区别，我们大致上可以将其分为三个方面。 首先， 对于一些持续负载的机械， 其大多都不需要太高的精度， 当然对转速要求也相 对较低， 例如家中常见的电风扇、 吹风机、吸尘器等家用电器以及用作农业用途的抽 水泵等器械，它们均可以采用无刷直流电机作为它们的动力输出。 说完持续负载的应用， 在可变负载的应用方面， 无刷直流电机更是以其高精度以

38、 及良好的动态响应占得很大比例， 例如民用的洗衣机、 烘干机等设备以及军用的航天 航海陀螺仪等，当然，其工业用途不仅仅于此，在汽车制造和运行方面，它们的发动 机控制， 车内电器控制均需要无刷直流电机来高效地实现。 这些应用对转速和精度均 有较高的要求，需要无刷直流电机采用更加复杂的控制算法才能实现对机器的控制， 包括一些闭环控制。 当然，无刷直流电机作为新型的直流电机， 它不仅仅保留了有刷直流电机高精度， 响应稳定等优点， 也使得其相对于交流电机， 在定位领域有着明显的优势， 例如自动 控制领域， 这类机器通常都拥有复杂的工作环境， 不光是外部，其自身也面临包括启 动、转向、加速、减速、制动等

39、多种问题，这就需要无刷直流电机采用双闭环或者更 加高级的控制算法来实现自动控制。 2.4 本章小结 本章前两节分别详细地介绍了无刷直流电机的结构、 工作原理以及换相过程， 第 三节主要是简单介绍了无刷直流电机的应用领域及前景。 21 江苏科技大学本科毕22业 设计（论文） 第三章 基于 PWM 技术的无刷直流电机转矩脉动抑制 3.1 PWM 控制技术简介 PWM 控制（ Pulse Width Modulation ）就是对脉冲宽度进行调制。通过对同一信 号的一系列脉冲宽度进行调制， 就可以得到等效的波形 （包括形状以及幅值） 。PWM 控制技术在逆变电路的应用最为广泛， 对逆变电路的影响也最

40、为深刻。 当然，近些年 来， PWM 技术在整流电路中也开始应用，并显示了突出的优越性 14。 3.1.1 PWM 控制技术的基本原理 理论基础： 在采样控制理论中， 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环 节上时，环节的输出响应波形基本相同。 图 3.1 各形状单位脉冲 若将各环节输出波形进行傅里叶变换， 则它们仅在高频段有所差异， 在低频段基 本相同 15 其中 a 为矩形脉冲、 b 为三角形脉冲、 c 为正弦脉冲， 是面积均为 1，则当它们作用于一个具有惯性的相同环节时， 它们的形状虽然不同，但 环节输出响应基本相同。 将这三种脉冲输入到典型的 R-L 电路上， 图 3.2 各单位脉

41、冲响应 通过对理论基础的分析， 我们就可以用一系列等幅但不等宽的脉冲来代替典型的 一个正弦半波，进而实现大部分波形的 PWM 变化。 22 江苏科技大学本科毕23业 设计（论文） 图 3.3 PWM 波代替正弦波 如图 3.3所示，我们将正弦半波等分成 N 份，则可以将正弦半波等效成 N 段连 续的脉冲。这些脉冲的宽度都等于 /N但, 幅值不相等，各脉冲的幅值按正弦规律变化。 通过将这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替， 使矩形脉冲的中点和 相应正弦波部分的中点重合，并让它们面积相等 16，从而得到如图 3.3 的波形即为 PWM 波形。 3.1.2 PWM 控制技术的控制方法 P

42、WM 控制技术一般采用计算和调制两种方式，当我们已知正弦波的输出频率、 幅值以及半个周期内的脉冲数，我们就可以计算出 PWM 波形中矩形波的幅值和宽 度，但是这种方式计算十分繁琐， 且需要的已知信息很多， 因此在实际应用中并不常 见。 我们通常采用调制法来实现对波形的 PWM 调制。所谓调制法， 即将希望得到的 波形作为调制信号， 把接受调制的信号作为载波， 通过信号波的调制的到我们想要的 PWM 波形。我们一般采用等腰三角波或者锯齿波作为载波，因为等腰三角波上任一 点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称， 当它与任何一个平缓变化的调制信号波 相交时，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，正好

43、符合 PWM 控制的要求。 23 江苏科技大学本科毕24业 设计（论文） 3.2 Buck 变换器的原理及控制方式 本设计中采用的是对无刷直流电机的控制电路添加前一级 Buck 控制器，并对 Buck 变换器进行 PWM 调制的方法，下面就简单介绍一下有关 Buck 变换器的基本知 识。 3.2.1 Buck 变换器的原理 Buck 变换器也被称为降压斩波电路，从其名字即可得知其用于调节直流电压， 简单来说， Buck 变换器由全控型开关器件 IGBT 、二极管 VD 以及相应的电感和电阻 组成，其具体结构如图 3.4 所示。 图 3.4 降压斩波电路 图中 V 即为全控型开关器件 IGBT

44、， Em 为电路中的反电动势，下面我们通过如 图 3.5 所示的电流波形来简单分析降压斩波电路的工作原理。 图 3.5 电流连续时工作波形 当 t=0 时令 V 导通，则电流 i0从电源 E 出发，流经 V、L、R、Em回到直流电源 E 形成回路， 我们成 V 导通的这段时间为 Ton，在这段时间内， 电压 U0 等于直流电源 电压 E，而电流则因为电感 L 的存在呈指数型上升。 当t=t1时令 V关断，则电流 i0流经L、R、Em并通过二极管 VD 进行续流，我们 24 江苏科技大学本科毕25业 设计(论文) 将 t1 到 T 这段时间称为 Toff，在这段时间内， 电压 U0 为 0，电流

45、也应电感 L 的存在呈 指数型下降，值得一提的是，为了保证电流的连续，电感 L 一般取值较大。 综合来看，在整个周期 T 内，我们可以得到： U0 ton ton toff Eton EE T 3-1) 同样地，我们也可以得到电流 i0 的计算公式： U0 Em 3-2) 3.2.2 Buck 变换器的控制方式 根据对输出电压平均值进行调制方式的不同， Buck 变换器一般有三种控制方式： 1) 保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间 ton，称为脉冲宽度调制，也就是本 设计中采用的调节方式，下文会详细介绍。 2) 保持开关导通时间 ton 不变，改变开关周期 T，称为频率调制或调频型。 3

46、) ton和 T 都可调，使占空比改变，称为混合型。 3.3 无刷直流电机转矩脉动的产生 诚然，无刷直流电机具有许多明显的优势，较于有刷直流电机，它具备高转速、 高效率的特性，较于交流电机，它的动态响应明显更加优异。但除开这些优势，无刷 直流电机也存在一些问题， 首先制作成本是一方面， 但这方面可以根据实际的需要合 理选择， 它主要存在的问题就在于转矩脉动。 要解决如何抑制转矩脉动的问题， 我们 就必须要了解它的产生原因。 无刷直流电机的转矩脉动主要包括电枢反应引起的转矩脉动、 齿槽引起的转矩脉 动、电磁引起的转矩脉动以及传导区和换相区引起的转矩脉动等。 对于前三个转矩脉 动而言， 其主要是电

47、机固有的一些问题， 我们只能通过改善其制作方式以达到抑制转 矩脉动的作用，本文只做一些简单的介绍。 电枢反应及电磁引起的转矩脉动一般是由电机的制作导致的， 它会使电机的反电 动势的平顶宽度小于 120 度甚至没有产生梯形波。 除此之外，电机的位置检测部分以 25 江苏科技大学本科毕26业 设计（论文） 及电子换向部分若是精度不够也会导致转矩脉动， 为了解决此类转矩脉动， 我们可以 采取优化电机设计，提高控制精度，转矩反馈等方法。 齿槽引起的转矩脉动是因为定子齿槽的存在， 它是无刷直流电机的必然特性， 特 别是电机在低速转动时， 齿槽转矩脉动表现的更为明显， 我们可以通过以下几种方式 来抑制和削

48、弱齿槽转矩： 1、斜槽：通过采用定子斜槽或者是转子斜极来抑制转矩脉动，我们可以通过计 算来获得最佳的斜槽系数 13 。但是这种方法会明显的影响电机的反电动势， 是其由梯 形波偏向于正弦波，因此它多被应用于定子槽数较多的场合。 2、分数槽：通过复杂的制作方式使得定子槽数和转子级数呈分数关系，这样就 可以大幅减小齿槽转矩的幅值， 但是明显地，它会使反电动势梯形波的平顶宽度减小。 3、磁极分块移位：通过将分块磁钢按一定角度安放可以获得一种类似于交流电 机的连续磁场， 这一角度则需要计算磁极的级弧系数， 当然，它也会使得电机的制作 成本大大增加。 对于以上的转矩脉动， 其基本上都是由于无刷直流电机的固

49、有特性或者是制作方 式所引起的， 人们可以根据需要具体的选择， 因为在实际实现的过程中， 对转矩脉动 的削弱，也是对电机整体性能的削弱。 下面我们主要讨论传导区转矩脉动以及换相区转矩脉动，以下仍以图 2.6 为例。 3.3.1 传导区转矩脉动 电磁转矩： Te eaia ebib ecic（3-3） Te m m ：电机机械角速度 ia、 ib、 ic：各相电流 ea、 eb、 ec ：各相反电动势 由于三相控制方式的相似性，我们可以列举其中一组作为考量，我们取 VT1 和 VT6 这一组，电流 i 流经 VT1、Ra、La、Ea、Eb、 Lb、Rb、VT6 回到电源，分析我 们可知电流在 A

50、 相和 B 相之间相等，反电动势三相大小相等，则我们计算可得 电磁转矩： EI E I E 0 2E Te I （3-4） 26 江苏科技大学本科毕27业 设计（论文） 即为电磁转矩在传导区只与相电流大小成正比， 那么我们通过在主路上设置一个 采样电阻获得采样电流 is 即可实现控制。过去我们采用 PWM-ON 型控制方式 8，即 各功率管在其工作时前 60度采用 PWM 调制，后 60度保持恒通，如图 3.6 所示。 图 3.6 PWM-ON 型控制方式 分析可知，当 VT1 在 PWM 调制中断开而 VT6 保持恒通，即上半桥调制时，电 流会经 VT6 与 VD4 进行续流，从而导致 is

51、为零，无法对电机进行控制； 同理，当 VT2 在 PWM 调制中断开而 VT1 保持恒通， 即下半桥调制时， 电流会经 VT1 与 VD5 进行 续流，从而导致 is 为零，无法有效地对电机进行控制。因此，我们必须消除这类传导 区转矩脉动才能对无刷直流电机进行有效地控制。 3.3.2 换相区转矩脉动 由于各相电感的存在， 电流的升降均需要一定的时间， 这就不可避免的导致了换 相时的转矩脉动，下面我们以 6-1区换相至 1-2 区为例具体的分析转矩脉动。 前文已经具体的介绍了电流走向，接下来便用数学来分析转矩脉动。 Vka R 0 0 ia 0 R 0 ibd dt 0 0 R ic t L 0

52、 0 ia 0 L 0 ib 0 0 L ic ea eb ec VNN0 VNN0 (3-5) Vdc：直流母线电压 L ：单相自感减去双相互感 Vka：A 相对地偏电压 Vkc：C 相对地偏电压 VNN0 ：中点与参考地点间电压 27 江苏科技大学本科毕28业 设计（论文） 基于三相全控电路的特点，求解这个方程可以得到 3-6) 11 VNN0 Vka Vkc Vdc NN03 ka kc2 dc 当 PWM 调制频率较高时，可以得到 ea Em eb ecEm 从而可以求解出 14 21 iaVkaVkcVdcEm 3363 1112 VkaVkcVdcEm 3333 ib ic L i

53、a0 L ib0 3-7) 13Vka 23Vkc 61Vdc 32 Em 3363 3 L ic0 ia0、ib0、ic0 ：换相前稳态值 且有 ia0 I0、ib0I 0、ic0 0 b0 2E I2Et1 Te 2EmmI032EmmLt2VkaVkc21Vdc4Em 3-8) 由前文可知： Te0 2EmI0 3-9) 且有当 VT2 打开时 2E t 1 Te 23Emm Lt 2Vka Vkc 21Vdc 4Em 3-10) Te 23Emm Lt Vdc 4Em 3-11) 当 VT2 关断时 3-12) Te 32Emm Lt 4Em 其他换相区同理也可得到相似结果。 通过查阅

54、资料可知，当 Vdc 大于 4Em 时，电机处于低速运转状态且转矩脉动随着 PWM 调制波占空比的减小而减小； 而当Vdc小于 4Em时，电机则处于高速运转状态且 28 江苏科技大学本科毕29业 设计（论文） 在其整个换相期间转矩脉动将减小 9 3.4 无刷直流电机转矩脉动的抑制 通过 3.3 对于转矩脉动的介绍，我们了解到传统控制方式 PWM-ON 的不足，因 为它既会引起传导区的转矩脉动， 也会加剧换相区的转矩脉动， 那么首先就需要对传 统方式进行改良，为此设计出一种基于 Buck 变换器的 PWM 控制方式，下文将详细 介绍。 首先图 3.7即为基于 Buck 变换器的改良型无刷直流电机

55、控制电路，我们将基于 此图进行分析。 图 3.7 新型无刷直流电机控制电路 从图中我们可以看出， 我们即在原有的基础上添加前一级 Buck 变换器，通过调 节 Buck 变换器的占空比来调节母线电流，从而实现控制的目的，这样我们就可以将 PWM-ON 控制方式中前 60度PWM 调制后 60度恒通改变为一直恒通，如图 3.8所示。 29 江苏科技大学本科毕30业 设计（论文） 图 3.8 功率管导通情况 通过添加 Buck 变换器，我们可以发现，它不仅可以完全消除了传导区的转矩脉 动，同时也消除了换相区中开关断开的部分，使得转矩脉动得到进一步减小。当然， 通过添加 Buck 变换器可以在一定程

56、度上减小无刷直流电动机在换相区的转矩脉动， 但我们仍需要采取一定方式使换相区的转矩脉动得到有效地抑制。 我们可以采用一种重叠换相的方法来抑制换相区的转矩脉动， 下面将进行具体介 绍。 首先我们仍以 6-1 区换相至 1-2 区为例，当采用 Buck 变换器进行调制后，各相 电流则可以简化为： i icVdcE 76 dc32 m Lt 3-11) c0 通过对 ia 和ib电流的斜率分析，我们令其斜率相等，则可以得到 Vdc 4Em，根据 这一发现，我们就可以将 ia 和ib 的电流相关性分为三种情况，首先即斜率相等， Vdc 4Em，如图 3.9 所示。 30 江苏科技大学本科毕31业 设计

57、（论文） 图 3.9 斜率相等时换相电流 然后当 ia的下降速率高于 ib的上升速率时，即 Vdc 4Em，如图 3.10 所示 i 最后 ia的下降速率低于 ib的上升速率时，即 Vdc 4Em，如图 3.11 所示 31 江苏科技大学本科毕32业 设计（论文） 图 3.11 下降斜率小于上升斜率时电流 分析电流示意图可得， 当下降斜率和上升斜率不等时， 就会引起较大的转矩脉动， 那么我们就可以采取重叠换相法来抑制转矩脉动， 即当上升斜率大于下降斜率时， 我 们可以提前关断相应开关，使下降电流在时间上能够与上升电流同步完成，同样的， 当上升斜率小于下降斜率时， 我们可以提前打开相应开关， 也

58、使下降电流在时间上与 上升电流同步完成，这样就可以大幅的抑制和削弱转矩脉动。 3.5 本章小结 本章首先简要介绍了电机固有的一些转矩脉动原因， 接着详细地阐述了传导区以 及换相区的转矩脉动， 针对这两种转矩脉动分别提出应对方法， 并做具体分析， 为下 一章的仿真实现提供理论基础。 32 江苏科技大学本科毕33业 设计（论文） 第四章 无刷直流电机的仿真分析 4.1 MATLAB 和 SIMULINK 的介绍 MATLAB 是矩阵实验室的简称。它可以提供符号计算，可视化建模仿真，文字 处理和实时控制等功能，当然，它还具备优异的数值计算能力。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与以

59、往的数学形式十分相似 因此使用 MATLAB 来解决问题要简洁得多。 具体来说， MATLAB 具有以下的语言特 点： 1、语言简洁，使用灵活，库函数十分丰富； 2、运算符丰富且具有结构化的控制语句； 3、语法限制不严格，使用更加的灵活； 4、程序的可移植性，图形的可视化相当的优异； 5、具有十分强大的工具箱，包括功能性工具箱以及学科性工具箱，前者主要用 于扩充符号计算、 文字处理和硬件交互等功能， 而后者则主要应用于较为尖端的领域， 由专家编写而成； 6、源程序的开放性，用户可以修改源程序并可以添加自己的算法进入 MATLAB ，并可以随时调用； 7、MATLAB 的程序执行速度与其他相似软

60、件相比较慢，这是因为 MATLAB 程 序相较于其他仿真软件没有编译预处理等环节。 MATLAB 作为一款性能优异，仿真功能强大的软件，其最重要的仿真部分，就 是由基于 MATLAB 的 SIMULINK 来实现的。 SIMULINK 是 MATLAB 软件下的附加软件包， 用于对一个动态系统进行初步建 模、中期的仿真以及最后的动态响应分析。 它可以支持连续的动态系统、 离散的动态 系统或是两者都具备的混合动态系统，它也可以支持多采样速率的仿真模型。 SIMULINK 中具有大量的仿真模块，可以用于系统建模仿真，并可以随时的调 节系统参数以获得最佳的系统动态响应。 SIMULINK 的主要使用