无刷直流电机控制器设计

副教授

1. 毕业设计(论文)题目：

无刷直流电机控制器设计

2. 毕业设计（论文）起止时间2014年3 月3日～2014 年5月30日

3．毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分） (1) 无刷直流电机相关资料 (2) 电力电子技术相关资料 (3) 硬件电路、元器件手册

4．毕业设计(论文)应完成的主要内容

(1) 无刷直流电机工作原理 (2) 无刷直流电机控制电路设计

5．毕业设计(论文)的目标及具体要求 (1) 设计无刷直流电机主硬件电路 (2) 设计无刷直流电机控制电路 (3) 绘制参数测控系统软件框图

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(4) 编写监控程序

6、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求

单片机开发装置和相关元器件 上机200机时

任务书批准日期 2014 年 2 月 20 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 2014 年 2 月 27 日 指导教师(签字) 完成任务日期 2014 年 5 月 30 日 学生（签名）

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生产/社会实际

无刷直流电机利用电子换向代替机械换向，解决了传统直流电机因为电刷摩擦而

2 研究目的和意义

产生的众多问题并因其结构简单、运行可靠、维修方便等优点,使得它的应用越来越广泛[1],如在仪器仪表、家用电气和医疗器械等方面的应用成为研究的热点,因而对电机运行性能的要求也越来越高,因此围绕改善电机性能方面的研究也是多方向的。

早期的电机驱动控制系统多采用专用硬件控制设备，需设计专用的控制芯片及其它硬件电路以满足不同控制对象的需要，这种封闭式结构使电机驱动控制系统的体积大、开发成本高、开发周期长，可靠性、可扩展性和易用性都很差，并且升级困难。随着技术的不断进步，人们对电机驱动控制系统提出了更高的要求，既希望能够根据不同的应用需求，迅速、经济地构建面向客户的控制系统，又希望大幅度降低系统维护费用改变以往封闭式设计模式，使底层生产控制系统的集成更为简便和有效。现代电机驱动控制系统正朝着开放性、实时性和可靠性方向发展。

无刷直流电机大多采用 MCU（单片机）或者 DSP（数字信号处理器）来研制电机控制器，因为一些 MCU 和DSP 中预置了用于电机控制的指令、接口和外设，应用较为方便。但是，在一些特殊的应用领域，例如，在高温、低温和强电磁干扰或者有放射性粒子辐射的太空环境中，MCU 和 DSP 无法正常工作[2]。所以引入了FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。由于FPGA运用了硬件电路软件化设计的理念，使得FPGA设计具有良好的可重复性和修改性。模块的硬件描述语言 (HDL)不拘泥于某一型号FPGA或某一厂商的FPGA，只需要经过简单的设置就可重复利用已有的电路模块，又因为FPGA具有优异的可重复编程的能力，可以很简单的对算法进行修改和升级。从而极

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大地缩短了控制器的设计时间，节约了产品升级换代的成本。FPGA 有从商用到航天等不同级别的芯片，环境适用范围广泛。

无刷直流电机具有以下优点：

1）低噪声：因为没有了机械电刷或滑环式电刷，无刷直流电机消除了除支承、连接以及负载以外的机械噪声 ：

2）高效率：无刷直流电机是目前电机中最高效率的一种电机，这要归功于其利用永磁体长生的恒定、持续的磁场的缘故。在合适的操作条件下永磁无刷直流电机的永磁体具有非常小的去磁系数：

3）无励磁需要：如上所述，无刷直流电机利用永磁体产生恒定磁场，省去了传统电机的电励磁部分：

4）易维护、寿命长：消除了机械电刷和换相器的无刷直流电机比传统直流电机构造简单，更易维护，而且电机寿命更长：

5）控制结构简单：无刷直流电机的转矩正比于电机电流，反馈装置简单，不需要采用绝对位置编码器或旋转变压器，因此较之交流电机更易于控制。正式因为这个原因，目前已有很多半导体厂家生产了适合无刷直流电机控制需要的专用集成电路控制芯片：

目前，无刷直流电机的应用越来越普遍，国内近年来在无刷直流电机的设计和控制方面有很多的研究，但与国外成熟的产品化相比还有很多地方只得提高。

3 阅读的主要参考文献及资料名称

[1] 张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京:机械工业出版社，2008. [2] 胡文静.永磁无刷直流电动机的发展与展望[J].微电机，2002，35(4):37-38. [3] 华建军.基于FPGA永磁同步电机控制器的研究[D]:[硕士论文].江苏:江南大学， 2008.

[4] Ying-Yu Tzhou, Hau-Jean Hsu. FPGA Realization of Space Vector PWM Control IC for Three-phase PWM Inverters [ J] . IEEE Transact ion on Power Electronics, 1997, 12( 6 ). [5] 贡俊，陆国林.无刷直流电机在工业中的应用前景和发展[J].微特电机，2000(5):14-17. [6] Wong C G, Martin A J, and Thomas P, An architecture for asynchronous FPGAs, IEEE International Conference on Proceedings 2003, Tokyo, 2003: 170-177. [7] 田耘,徐文波,张延伟.无线通信FPGA设计[M].北京：电子工业出版社，2008.

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