永磁无刷直流电机智能控制器的研究与设计.docx
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永磁无刷直流电机智能控制器的研究与设计
附件：
院（系）：
项目负责人及联系方式：
湖北省第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛
作品申报书
作品名称：
永磁无刷直流电机智能控制器的研究与设计
申报者姓名
（集体名称）：
卢雄、王伟、彭安涛、王瑞朋、王海龙、陈安俊
类别：
√自然科学类学术论文
□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文
□科技发明制作A类
□科技发明制作B类
说明
1．申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。
2．申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。
所有申报者可根据情况填写C表。
3．表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。
4．学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体打印在A4纸上，附于申报书后，字数在8000字左右（文章版面尺寸14.5×22cm）。
5．作品申报书须按要求由各院（系）分团委统一报送。
A2申报者情况（集体项目）
说明：
1．必须由申报者本人按要求填写；
2．申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列；
3．本表中的学籍管理部门签章视为申报者情况的确认。
申报者代表情况
姓名
王瑞朋
性别
男
出生年月
1990.10.8
学校
湖北汽车工业学院
系别、专业、年级
电信学院电信系电子信息工程T10级
学历
本科生
学制
4
入学时间
2010.9
作品名称
永磁无刷直流电机智能控制器的研究与设计
毕业论文题目
永磁无刷直流电机智能控制器的研究与设计
通讯地址
湖北十堰车城西路167号湖北汽车工业学院
邮政编码
442002
办公电话
常住地
通讯地址
湖北汽车工业学院电信学院电信系
邮政编码
442002
住宅电话
其他作者情况
姓名
性别
年龄
学历
所在单位
卢雄
男
本科生
王伟
男
本科生
彭安涛
男
本科生
王海龙
男
本科生
陈安俊
男
本科生
资格认定
学校学籍管理部门意见
以上作者是否为2013年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。
√是□否（部门签章）
年月日
院、系负责人
或导师意见
本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果
√是□否
负责人签名：
年月日
B1．申报作品情况（自然科学类学术论文）
说明：
1．必须由申报者本人填写；
2．作品分类请按作品的学术方向或所涉及的主要学科领域填写；
3．硕士研究生、博士研究生作品不在此列。
作品全称
作
品
分
类
（A）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控
制、工程、交通、建筑等）
B．信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）
C．数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）
D．生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健
康、卫生、食品等）
E．能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化
工、生态、环保等）
作品撰写的目的和基本思路
目前在中国的石油消费中，交通运输业用油增长最为迅速。
大力发展电动车是缓解石油危机的重要途径之一。
另外电动车具有环保的特点.为了解决燃油车对环境造成的严重污染问题和缓解日益突出的能源危机，许多国家都在寻找替代燃油机车的交通工具。
相继开发了以天然气、甲醇为燃料的交通工具，相比之下，电动车以零污染、高数率、低噪音的特点被认为是真正的“绿色”交通工具，而电动汽车受到机电、电池的限制，批量进入市场还有一定的难度，电动车却可以得到迅速的发展。
由于电动车具有轻便省力、环保节能、价格适中的特点，因此己经成为很多出行者的交通工具之一。
电机是电动车的关键部件。
为使电动车有良好的使用性能，驱动电机应该具有宽调速范围，高转速和足够大的起动转矩。
此外，由于电动车的驱动电机是车载形式运行的，这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有较好的能量回馈性能。
无刷直流电机具有输出功率大，噪音低，可靠性高,容易维护等一系列优点,在实际中得到了广泛的应用。
尤其在电动车领域，无刷直流电机已经成为动力驱动系统的核心，而作为无刷直流电机的驱动控制部件，则是整个动力控制系统的中枢。
接下来为您介绍的是2012第八届“博创·恩智浦”杯全国大学生嵌入式物联网设计大赛作品“电动车无刷直流电机智能控制系统”。
本系统以恩智浦LPC1769为平台，实现了电动车无刷直流电机的智能控制功能，具体包括平稳起步、限流驱动、无级调速、定速巡航、EBS柔性电磁刹车等智能控制功能；以及过流保护、堵转保护、电池欠压保护等安全保护功能。
通过硬件部分和软件部分的联调测试后，实验结果表明，该系统体积小，重量轻，精度高，输出功率大，调速范围宽，具有良好的启动和运行特性，功能完善，保护措施到位，具有较高的应用和推广价值。
论文首先简要阐述了无刷直流电动机的发展和应用领域等；然后分析了无刷直流电机的基本结构和工作原理，采用速度电流双闭环、PWM脉宽调制技术结合数字增量PID作为系统的控制策略；接着详细叙述了无刷直流电机智能控制系统的设计过程，包括硬件系统和软件系统。
在硬件系统中，设计了以LPCXpressoLPC1769芯片为核心的主控制器，外围电路包括三相功率开关逆变电路、霍尔位置检测电路、电流电压采样电路、人机接口电路、过流和欠压保护电路等；在软件系统中，设计了速度电流双环电机驱动控制程序、转子位置检测程序、电流采样程序、转速估算程序、PWM发生程序、限流驱动程序、过流欠压保护程序、PID调节程序和系统保护程序等主中断服务程序和人机界面程序。
作品的科学性、先进性及独特之处
（1）体积小、重量轻，精度高、速度快、有较高的功率和转矩密度；
（2）调速范围宽，在额定速率范围内（本系统为4200rpm），电动机和驱动控制器都有较高的效率；
（3）有良好的控制性能以及过载能力，以双闭环反馈、数字增量PID与PWM脉宽调制为控制策略；
（4）电机平稳运行，电机输出效率及扭矩的控制精高、噪音小。
（5）功能完善，可以实现电机的平稳起步、电子换相、无级调速、刹车断电、限速、定速巡航和显示等；
（6）具有多重保护措施，具有限流驱动、过流保护、堵转保护、电池欠压保护、节能等，满足安全性要求。
作品的实际应用价值和现实意义
无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动车，是因为它与传统的有刷直流电动机相比具有以下二方面的优势。
（1）寿命长、免维护、可靠性高。
无刷直流电动机克服了有刷电机存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。
因而无刷直流电动机的优势很明显。
（2）效率高、节能。
一般而言，因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗及齿轮箱等的消耗，从而提高了效率，降低了能量耗损。
随着能源危机的加重和环保意识的增强，电动车作为一种绿色环保的交通工具将会越来越得到人们的提倡，加大对大功率电机的研究是社会的发展趋势。
提高电机和驱动控制系统功率密度，减小电机和驱动控制系统的尺寸、减轻重量；进一步提高系统效率，降低制造成本已经成为研发和生产的统一理念。
因而无刷直流电机的应用将会迅速增长，应用于电动汽车、现代化生产、办公自动化、家用电器、工业机器人等设备。
学
术
论
文
文
摘
目前，国内外对无刷直流电机（BrushlessDCMotor，BLDCM）的定义一般有两种：
一种定义认为只有梯形波/方波无刷电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波无刷电机则被称为永磁同步电机（permanentmagnetsynchronousmotor,PMSM）;另一种定义认为梯形波/方波无刷电机和正弦波无刷电机都是无刷直流电机。
本设计将采用第一种定义，把具有串励直流电机启动特性和并励直流电机调速特性的梯形波/方波无刷电机称为无刷直流电机。
无刷直流电机由于其具有结构简单、功率大和效率高等特点，已在国防、航空航天、机器人、工业过程控制，精密机床、汽车电子、家用电器和办公自动化等领域中得到了较好的应用。
本章将分别叙述无刷直流电机的发展历史、应用领域、特点及研究现状及其相关技术的发展趋势。
1.1无刷直流电机的发展
现代社会中，电能是最常用且最为普遍的二次能源。
而电机作为机电能量转换装置，经过一个多世纪的发展，其应用范围已遍及现代社会和国民经济的各个领域及环节。
为了适应不同的实际应用，各种类型的电机应运而生，其中包括同步电机、异步电机、直流电机、开关磁阻电机和各种其它类型电机，其容量小到几毫瓦，大到百万千瓦。
相比之下，同步电机具有转矩大、效率和精度高、机械特性硬等优点，但调速困难、容易“失步”等弱点大大限制了它的应用范围；异步电机结构简单、制造方便、运行可靠、价格便宜，但其机械特性软、启动困难、功率因数低、不能经济地实现范围较广的平滑调速，且必须从电网吸取滞后的励磁电流，从而降低电网功率因数；开关磁阻电机转子既无绕组也无永磁体，其结构简单、成本低廉，在低速时具有较大的转矩，控制换相时无上下桥直通等问题，但其噪声和转矩波动相对较大，这在某种程度上限制了该类型电机的推广应用；直流电机具有运行效率高和调速特性能好等诸多优点，被广泛的应用于对启动和调速有较高要求的拖动系统。
目前，小容量的直流电机在自动控制系统中仍然得到广泛应用。
但是，传统直流电机均采用电刷以机械方式换向，因而存在机械摩擦，使得电机寿命缩短，并带来了噪声、火花以及无线电干扰等问题，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而限制了其在某些特殊场合的应用。
无刷直流电机是在有刷直流电机基础上发展起来的。
1831年法拉第发现电磁感应现象，从此奠定了现代电机的理论基础。
19世纪40年代，第一台直流电机研制成功。
1915年，美国人Langmuir发明了控制栅极的水银整流器，并制成了直流变交流的逆变装置。
针对传统直流电机的弊病，20世纪30年代，一些学者开始研制采用电子换相的无刷直流电机，为无刷直流电机的诞生提供了条件。
但由于当时的大功率电子器件还处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换相器件，使得这种可靠性差、效率低下的电机只能停留在实验室阶段，无法推广使用。
1955年，美国的Harrison和Rye首次申请成功用晶体管换相线路代替电机机械电刷换向装置的专利，这就是现代无刷直流电机的雏形，其工作原理是，当转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的感应电势，此电势导致对应晶体管导通，这样就使相应功率绕组轮流馈电，实现了换流。
但该电机存在许多问题，经过反复试验和不断实践，1962年，借助霍尔元件实现电子换相的无刷直流电机问世，开创了无刷直流电机产品化的新纪元。
20世纪70年代初期，出现了比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管。
1978年，联邦德国Mannesmann公司的Indrama分部在汉诺威贸易展览会上正式推出MAC无刷直流电机及其驱动系统。
之后，国际上对无刷直流电机开展了深入的研究，先后研制成梯形波/方波和正弦波无刷直流电机。
它们每相等效电路图相同，并采用转子位置反馈来进行换相控制，从而保证自同步运行且不需启动绕组的永磁电机。
随着永磁材料、微电子技术、电力电子技术、检测技术以及自动控制技术特别是绝缘栅双极晶体管（IGBT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）等大功率开关器件的发展，采用电子换相原理工作的无刷直流电机正朝着智能化、高频化和集成化方向迅猛发展。
20世纪90年代以后，计算机技术与控制理论发展十分迅速，单片机、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）等微处理器得到了发展。
此外，一些先进的控制策略和方法，如滑模变结构控制、神经网络控制、模糊控制、自抗扰控制和自适应控制等，这些方法在一定程度上提高了无刷直流电机控制系统在转矩波动抑制、转速动态和稳态响应以及系统抗干扰等方面的性能，扩大了无刷直流电机控制系统的应用范围，同时还丰富了相关控制理论的内涵。
1.2无刷直流电机的应用领域
近年来，我国中小型电机和威特电机行业发展迅速，表1.1是2002～2006年我国中小型电机行业产品销售量和收入的不完全统计。
表1.12002～2006年中小电机销售量和销售收入统计表
年份
2002
2003
2004
2005
2006
产品销售量/10^4kw
3562
6319
7847
9702
10950
产品收入/万元
698731
1085847
1560933
2182281
2686147
其中，由于无刷直流电机具有高效率、长寿命、低噪声以及较好的转速-转矩等优点，得以在汽车、航空、家用电器等行业领域内得到了较好的发展和广泛的应用。
1.2.1汽车领域
汽车作为一种方便快捷的交通工具早已和人们的日常生活息息相关，而电动车，包括小功率的电动自行车、中等功率的电动摩托车、大功率电动汽车，都采用电机作为其驱动机构的核心动力，早期的电动车都采用传统的有刷直流电机和交流异步电机，现今均开始转向大功率高效率的无刷直流电机、永磁同步电机和开关磁阻电机，尤其是在中小功率应用场合和电动轿车中，无刷直流电机占据了主要市场。
同时，无刷直流电机除了作为汽车驱动的核心部件外，还用在汽车空调、雨刮器、电动车门、安全气囊、电动座椅等驱动上。
汽车空调风机用驱动电机一般为恒定负载运行，对系统动态响应要求相对较低。
风机电机及其控制系统和汽车空调性能的好坏有直接关系，参考文献中有作者研究了汽车空调风机驱动用无刷直流电机控制系统的一些关键技术问题。
汽车空调与家用空调的压缩机用电机驱动技术类似，以无刷直流电机驱动的空调压缩机将朝着更节能、更舒适的全直流化变频方向发展。
因此，它必将成为调速技术发展的一个主流方向，在汽车电机驱动的各个环节获得越来越广泛的应用。
1.2.2其他工业上的领域
随着稀土永磁材料及电力电子器件性能的提高和价格的降低，无刷直流电机驱动系统在工业中的应用越来越多，如现在家用电器领域、办公自动化领域、航天领域，已成为工业驱动电机主要发展方向之一。
国内外著名的电机制造厂商从提高产品性能和降低成本出发，对工业用无刷直流电机驱动系统进行了大量的研究开发。
目前，在民用和军用的机器人和机械臂驱动电机应用中，无刷直流电机所占比例较大，已开始出现替代步进电机和传统直流伺服电机驱动机器人的发展趋势。
大功率的无刷直流电机，在低速、环境恶劣和有一定调速性能要求的场合也有着很好的应用前景，如无齿轮曳引机电梯驱动、抽水蓄能、钢厂轧机传动等，具有调速动态响应快、跟踪误差小、静差率小和调速范围宽等特点。
1.3无刷直流电机的发展趋势
无刷直流电机主要由电机本体、功率驱动电路和位置传感器三部分组成，其控制涉及电机技术、电力电子技术、检测与传感器技术和控制理论技术。
因此，新电子技术、新器件、新器件、新材料及新控制方法的出现都将进一步推动无刷直流电机的发展和应用。
1.3.1电力电子及微处理器技术对无刷直流电机发展的影响
（1）小型化与集成化
微机电系统（MEMS）技术的发展将使电机控制系统朝控制电路和传感器高度集成化的方向发展，如将电流、电压、速度等信号融合后再进行反馈，可使无刷直流电机控制系统更加简单而可靠。
另外，由于无刷直流电机采用稀土永磁材料制作转子，转子侧无热源，故电机内部温升值较传统直流电机小很多，使无刷直流电机逆变器控制电路转入电机内部成为可能。
对于一般的工业用无刷直流电机控制系统，是否将电子电路控制器装入电机内部，还需要综合考虑现场工作条件、系统成本、电路工作可靠性及维修方便性等因素。
（2）控制器全数字化
无刷直流电机性能的改善和提高，除了与电机转子永磁材料及电子驱动电路密切相关外，更与其控制器密切相关。
因此，也可以从提高电机控制器的性能着手来提高无刷直流电机控制系统的整体性能。
高速微控制器及高密度可编程逻辑器件技术的出现，为此提供了可行的方案和可靠的保证。
例如，在一些对控制成本和空间要求严格的应用中，增加位置传感器不太实用或无法接受，而DSP等芯片固有的高速计算能力正可被用来实现无刷直流电机的无位置传感器控制。
许多硬件工作，如传统的PID模拟电路、信号处理电路和逻辑判断电路等都可以由软件来完成，从而，进一步减少了系统硬件电路的体积、提高了系统的可靠性和效率。
另外，一些相对复杂的控制算法也可以通过DSP、CPLD或FPGA等芯片实现，这不但可以提高无刷直流电机控制系统的可靠性，也为其朝接口的通用化和控制的全数字化方向发展，提供了坚实的基础。
控制器的全数字化将使系统的硬件结构更加简化，促进柔性控制算法在电机控制中的应用，同时还易与上层和远程控制系统进行数据传输通信，便于系统故障的监视与诊断。
（3）PWM控制及其高效化
在无刷直流控制系统中，当逆变器采用三相六状态1200两两导通方式时，每个电周期共有六个扇区，每个扇区各占600电角度，每个功率器件在一个电周期内导通1200电角度。
根据功率器件在导通周期内调制方式的不同，无刷直流电机PWM控制方式可以分为半桥调制和全桥调制两种模式。
半桥调制又可分为H-PWM-L-ON、H-ON-L-PWM、ON-PWM和PWM-ON四种，其特点是在每个60度区间内总是一个功率器件保持常开，另外一个功率器件采用PWM控制。
H-PWM-L-PWM全桥控制模式则为在任意一个600区间内，上下桥臂的功率器件同时进行斩波。
其中H-PWM-L-ON和H-ON-L-PWM为单边调制方式，其他三种调制方式则为双边调制方式。
每种调制模式都有自己的优缺点，实际应用时应根据用户对转矩波动、系统效率和无位置传感器控制方式等要求进行合理的选择。
无刷直流电机控制系统采用双极性功率晶体管（BPT）驱动时，驱动电路的开关频率一般在2~5kHz，该频率范围内引起的噪声在人耳声频范围之内，不利于人的身体健康。
同时，在绕组电感不够大时，绕组电流波形不太平滑、波动较大。
采用MOSFET和IGBT之后，开关频率可达几十千赫兹以上。
这样，不论是电磁噪声还是电流波形都能得到改善。
因此，在利用软开关等新技术来降低开关损耗、增加开关寿命，并保证系统效率不变或提高的前提下，提高驱动电路的开关频率可实现无刷直流电机控制系统的绿色化PWM控制。
1.3.2永磁材料对无刷直流电机发展的影响
电机的小型化、轻量化及高效化与磁性材料的发展息息相关。
与传统电励磁电机相比，由钕铁硼制造的永磁电机具有加工简单、体积和质量小等特点。
同等条件下，电机的电枢绕组的匝数也由于磁性材料性能的提高而大大减少。
荷兰的PHILIPS公司以70W微电机作过比较，稀土永磁电机体积仅为电励磁电机的1/4，为铁氧体励磁电机的1/2。
我国是稀土元素矿藏大国，有着丰富的资源优势，稀土产品的产量占世界稀土产品的90%以上。
特别是第3代稀土永磁材料钕铁硼的磁钢性能不断提高，为我国无刷直流电机等永磁电机的大规模生产提供了可靠的基础。
1.3.3先进控制策略应用
现代工业中，对电机性能的要求越来越高，无刷直流电机性能的改善可以通过电机本体优化设计及电力电子装置的控制来实现，也可利用各种先进的控制策略来完成。
无刷直流电机控制系统是典型的非线性、多变量耦合系统，传统的PID控制算法简单、易于实现，但不易满足高精度伺服控制系统的控制要求，很难实现电机的高精度运行。
基于现代控制理论和智能控制理论的非线性控制方法为实现被控系统高质量的动态和稳定性能奠定了基础，在无刷直流电机控制上得到了充分的应用。
模糊控制、神经网络控制、变结构控制、鲁棒控制、参数自适应控制等多种先进控制策略已被用于无刷直流电机的控制。
1.4电动车发展现状和发展前景
1.4.1电动车发展现状
目前在中国的石油消费中，交通运输业用油增长最为迅速。
大力发展电动车是缓解石油危机的重要途径之一。
另外电动车具有环保的特点.为了解决燃油车对环境造成的严重污染问题和缓解日益突出的能源危机，许多国家都在寻找替代燃油机车的交通工具。
相继开发了以天然气、甲醇为燃料的交通工具，相比之下，电动车以零污染、高数率、低噪音的特点被认为是真正的“绿色”交通工具，而电动汽车受到机电、电池的限制，批量进入市场还有一定的难度，电动车却可以得到迅速的发展。
由于电动车具有轻便省力、环保节能、价格适中的特点，因此己经成为很多出行者的交通工具之一。
许多国家也把电动车看作未来交通发展的趋势。
自从1993年雅马哈公司的PAS（能量辅助系统）进入市场以来，电动车在日本已经成为短距离用交通工具的主流。
1998年6,7两个月日本共生产电动车29432辆，据报道日本电动车的需求量在750万辆，而且每年以5%～10%速度递增，其中还有一半需进口.美国的电动车年需求量在1500万辆左右，每年以5%～10%速度递增，大部分依赖进口。
欧盟许多国家对电动车的年需求量在1000万辆左右。
德国的MSG公司、DIAMANT公司、SAGHS公司、英国的ASGHBAGH等公司的电动车已投入市场，销路很好，使得德国奔驰、法国标致等大公司也把目标投入到电动车这一产品上来。
从70年代起，我国电动车辆的研究开发便一直在进行之中，到1993年，已被确定为国家十大重点科技工程之一，并制定了电动汽车的发展目标。
1999年5月国家质量技术监督局发布了《电动自行车通用技术条件》国家标准，为电动车规模化生产提供了条件。
经过2003,2004连续两年的快速发展，中国电动车行业迅速呈现出一片欣欣向荣的景象。
2005年全行业的电动车产销量在1200万辆左右，对比2004年增长率在15-20%左右，行业中有不少品牌新诞生，销售规模在150亿元左右。
至2005年，全行业申领电动车许可证的企业已经达到了上千家，品种出现近50个.
目前，我国市场上国产电动车的品种规格较多，驱动多数用有刷或无刷的轮式直流电机，工作电压为24V,36V或48V，功率在150W-1000W之间;蓄电池一般用的是免维护铅酸蓄电池，容量为12Ah，充电时间在3-8小时左右，充电一次行驶里程约50km左右；车速低于20km/h，爬坡能力在4度上下；车型有普通型和豪华型，车重约35kg，载重量越75kg，百公里耗电量1kwh左右。
1.4.2电动车发展前景
电机是电动车的关键部件。
为使电动车有良好的使用性能，驱动电机应该具有宽调速范围，高转速和足够大的起动转矩。
此外，由于电动车的驱动电机是车载形式运行的，这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有较好的能量回馈性能。
稀土永磁无刷直流电机是近20年发展起来的一类电机，电力电子技术，微电子技术、微机和稀土永磁材料的发展为无刷直流电机的研究奠定了基础。
目前无刷直流电机的发展已经和大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合，显示出广泛的应用前景和强大的生命力。
与其他电机想比他具有几个明显的优点：
①永磁无刷直流电机没有电刷、而是利用电子换相,故克服了任何有电刷引起的问题。
②永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的热量更容易发出去；结构也变得简单，并且节省了空间，使其磁场损失也得到了减少。
③他的效率与转速永远保持同步关系，不会发生交步、震荡等现象，在节约能量方面也有明显的优势。
近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。
许多电动车生产厂家都应用了一系列的电动车新技术，大大增强了自身品牌在市场上的影响，也颇受消费者的关注。
麦科特集团电助动力公司研制出智能变频电机，变频控制器和变频高效电机
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