浙江理工大学本科毕业设计（论文）

目 录

摘 要 Abstract

第1章 绪论 ............................................................................................................................. 1

1.1课题的背景和意义 ............................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状和发展趋势 ............................................................................................ 1

1.2.1无刷直流电机简介 .................................................................................................. 1 1.2.2无刷直流电机的控制技术 ...................................................................................... 3 1.2.3无刷直流电机控制技术的发展趋势 ...................................................................... 6 1.3本文的研究内容 ................................................................................................................. 7

第2章 控制器硬件电路设计 ........................................................................................ 9

2.1电路的总体结构 ................................................................................................................. 9 2.2各模块解析 ....................................................................................... 错误！未定义书签。

2.2.1三相桥逆变电路 .................................................................................................... 10 2.2.2逆变电路MOS管的驱动电路 ............................................................................. 14 2.2.3逆变电路MOS管的过流保护电路 ..................................................................... 16 2.2.4电源管理 ................................................................................................................ 20 2.2.5 CPLD主控 ............................................................................................................ 24 2.2.6人机接口 ................................................................................................................ 24 2.3 PCB设计 .......................................................................................................................... 29

第3章 控制算法设计 ...................................................................................................... 31

3.1 控制算法 .......................................................................................................................... 31

3.1.1 控制器所要完成的任务 ....................................................................................... 31 3.1.2 控制器任务的实现 ............................................................................................... 32 3.2 Simulink介绍 ................................................................................................................... 34 3.3 Simulink建模 ................................................................................................................... 35

3.3.1 BLDC模型 ............................................................................................................ 35 3.3.2 控制器逆变电路模型 ........................................................................................... 39 3.3.3 控制器控制算法建模 ........................................................................................... 41

3.3.3.1 任务1：电机转速控制 ........................................................................... 41 3.3.3.2 任务2：电机正反转控制 ....................................................................... 42 3.3.3.3 任务3：电机制动控制 ........................................................................... 44 3.3.3.4 任务4：逆变桥MOS管过流保护控制 ................................................ 45 3.3.4 Simulink仿真设置 ................................................................................................ 46 3.4 Simulink仿真分析 ........................................................................................................... 47

3.4.1 Simulink模型验证 ................................................................................................ 48 3.4.2 Simulink模型测试 ................................................................................................ 52

第4章 总结 ......................................................................................................................... 54

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4.1 总结 .................................................................................................................................. 54 4.2 展望 .................................................................................................................................. 54

参考文献 ................................................................................................................................... 55 致 谢......................................................................................................................................... 57

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第1章 绪论

1.1课题的背景和意义

无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上产生发展而来的。直流电机因其良好的转矩特性和快速响应能力而在工业界有广泛的应用，其具有调速性能好、运行效率高等诸多优点。但同时由于直流电机存在电刷、换向器等机械接触部件，使得存在机械磨损，而需经常维护和保养；且会产生噪声、火花和无线电干扰，且不能在有粉尘、易燃易爆物质的环境中工作；再加上直流电机有制造成本较高及维修困难等问题，都限制了它的应用范围。

无刷直流电机（BLDC）作为近年来迅速发展起来的一种新型电机，正是为解决有刷直流电机的种种缺点而出现的。它利用电子换相装置代替机械换相装置，既具有直流电动机的调速性能，且体积小、重量轻、效率高、无励磁损耗等特点，同时又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。因此在国民经济的各个领域，如医疗机械、仪器仪表、化工、纺织以及家用电器和办公自动化等方面都有广泛的应用。

而在对系统提出响应速度快、精度高、控制板体积小、可靠性高等要求下，采用基于单片机等芯片的控制系统一般难以实现这一要求，而基于DSP等芯片的控制系统一般成本又太高。但随着无刷直流电机的各种控制方法正日趋成熟，特别是大规模现场可编程门阵列FPGA、CPLD的出现，为实现这些要求提供了可能，本课题便是基于这一背景而提出的。

1.2 国内外研究现状和发展趋势

1.2.1无刷直流电机简介

无刷直流电机按照工作特性，可以分为两大类： （1）具有直流电机特性的无刷直流电机（BLDC）

反电动势波形和供电电流波形都是矩形波的电机，称为矩形波同步电机，又称无刷直流电机。这类电机由直流电源供电，借助位置传感器来检测转子的位

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置，由所检测出的信号去触发相应的电子换相线路，以实现无接触换相。所以这种无刷电机具有有刷直流电机的各种运行特性。 （2）具有交流电机特性的无刷直流电机（PMSM）

反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电机，称为正弦波同步电机，又称永磁同步电机。这类电机也由直流电源供电，但通过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动同步电机。

两种电机定子绕组都是相同的，不同的是转子磁钢的制造不同，由此带来了两种电机在控制方法和性能方面的差异。

正弦波永磁同步电机相比于方波型无刷直流电机，结构较复杂，使用成本较高。一般需要价格昂贵的光电编码盘来检测转子位置，以提供连续的转子位置信息给控制器。其理论上无转矩脉动，调速比、定位精度高。所以多应用在需要高精度位置控制的场合，当然其控制方式相比于无刷直流电机也要复杂的多。 无刷直流电机电流波形为方波，通过控制逆变器的输出电压，使输出电流和梯形波形反电动势的平顶部分相位一致。电机绕组一般工作于120°导通状态下，控制比较简单，对位置传感器要求低，一个电周期内只需要知道转子的六个位置即可，因此成本也低。所以在对电机定位精度要求不特别高的传动场合，永磁无刷直流电机因其控制简单，效率高，体积小而具有明显的优势[1]3。

但迄今为止，还没有一个公认的统一标准对无刷直流电机进行准确的分类和定义，而一般人们所称的无刷直流电机即指第一种，即具有直流电机特性的矩形波型永磁无刷直流电机（BLDC）。 无刷直流电机的基本结构：

在有刷直流永磁电动机中，定子主要由永磁体磁极、导磁轭和电刷构件组成，转子主要由电枢绕组和换向器所组成。通过换向器与电刷连续依次的开关动作，实现对特定位置的线圈绕组的通电，而获得恒定的电磁转矩，使得电机能够连续旋转。

在无刷直流永磁电机中，电枢绕组被设置在定子上，永磁体磁极被设置在转子上。转子永磁体磁场相对于定子各项电枢绕组的位置，由转子位置传感器所感知。电子换向电路获得这一位置信号后，按照设定的一定逻辑去驱动与电枢绕组相连接的相应的功率晶体管，以驱动相应的绕组。即是，通过电子换向器实现对

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