目录
第1章直流电机的原理与驱动 (2)
1.1 让你的DC Motot-Kit迅速转起来——PWM开环实验 (3)
1.1.1 基于EasyARM101开发板 (3)
1.1.2 基于EasyARM615开发板 (4)
1.1.3 基于EasyARM8962开发板 (5)
1.1.4 基于SmartARM2300开发板 (6)
1.2 让你的DC Motot-Kit迅速转起来——PID算法闭环实验 (7)
1.2.1 基于EasyARM101开发板 (7)
1.2.2 基于EasyARM615开发板 (8)
1.2.3 基于EasyARM8962开发板 (10)
1.2.4 基于SmartARM2300开发板 (11)
1.3 直流电机概述 (13)
1.3.1 直流电机的特点、基本工作原理 (13)
1.3.2 直流电机的电器特性 (13)
1.3.3 PWM控制直流电机原理 (15)
1.3.4 PWM驱动的闭环控制 (16)
1.3.5 PWM双极性驱动原理 (17)
1.3.6 PID算法的原理及应用 (20)
Motor-Kit直流电机模块电路原理 (24)
1.4 DC
1.4.1 电路原理图 (24)
1.4.2 接口说明 (24)
1.4.3 H桥驱动 (26)
1.4.4 PWM输入电路 (27)
1.4.5 电流检测电路 (28)
1.4.6 红外测速电路 (28)
1.5 软件说明 (30)
1.5.1 PWM开环程序 (30)
1.5.2 PID算法闭环程序 (37)
1.5.3 数据队列使用说明 (52)
1.5.4 串口通讯协议 (57)
第1章直流电机的原理与驱动
电机是把电能转换成机械能的装置。电机的种类繁多，如果按电源类型分，可分为直流电机和交流电机两大类。常见的直流电机包括有刷电机、无刷电机、步进电机等。直流有刷电机是所有电机的基础，它具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等特点。如果没有特别说明，本文所提到的直流电机均指直流有刷电机。
DC MOTOR-KIT是致远公司推出的一款基于PID算法的直流电机实验板，如图 1.1所示。它外型轻巧，性能优异，可用7根杜邦线连接到广州致远电子有限公司推出的ARM系列开发板上使用，包括群星系列基于Cortex-M3内核的开发板，或 NXP系列基于ARM7内核的开发板。
图 1.1 DC Motor-Kit实物图
1.1 让你的DC Motot-Kit迅速转起来——PWM开环实验
在负载一定的情况下，直流电机的转速和供电电压成正比。本实验使用PWM方波驱动电机，通过改变PWM的占空比来调节电机两端的平均电压，实现粗略的调速。关于PWM 调速的原理，本文1.3节将有详细说明。
1.1.1基于EasyARM101开发板
1．实验原理
本实验使用EasyARM101的单路简易PWM信号来驱动DC Motor-Kit。通过改变PWM 的占空比来调节电机两端的平均电压，实现粗略的调速。实验使用EasyARM101的KEY1和KEY2两个按键来改变PWM的占空比，每按动一次就改变10%；EasyARM101的数码管显示当前的PWM占空比，例如显示“5”表示占空比为50％；LED1和LED2分别表示电机正转和反转；另外还有过流报警的功能，如果电机被堵转，EasyARM101的蜂鸣器就会报警。本实验的电路工作原理和程序说明将在1.4节和1.5节分别详细说明。
2．实验步骤
(1)对EasyARM101进行短路设置；用短路帽分别把JP1的KEY1与PB1、KEY2与PB3、LED2与PB5、MISO与PA4、SCLK与PA2、SSEL与PA3、MOSI与PA5和BUZZ与PB2短接，JP1的其它跳线不能被短路；另外使用杜邦线连接JP1的LED1和J1的PB6。
(2)用短路帽短接电机模块的J3“单”端处，表示使用单路PWM驱动。
(3)用杜邦线连接EasyARM101的J1和电机板的J2相关的引脚，如表 1.1所示。
表 1.1 EasyARM101 PWM开环管脚连接
EasyARM101 J1 电机模块 J2
+5V 5V
PB0 PWMA
PB4 CURRENT
PA0 SPEED1
PA1 SPEED2
GND GND
(4)连接EasyARM101开发板的电源和仿真器。
(5)如果使用CrossStudio软件，把光盘上的相关工程复制到硬盘，编译后用H-JTAG仿真头下载程序到EasyARM101上；如果使用Keil软件，把光盘上的相关工程复制到硬盘，编译后用ULink或ULink2仿真器下载程序到EasyARM101上。
注：两个例子工程分别使用了CrossStudio和Keil默认安装目录下的DriverLib.lib 驱动库文件。如果你的CrossStudio或Keil安装目录不是默认的，请在工程中重新指定库文件的路径。
(6)按一下EasyARM101的复位键，让开发板脱机运行。
(7)按动EasyARM101的KEY1和KEY2键，调节电机的转速；观察数码管的LED1和LED2的显示情况。
注：数码管显示PWM的占空比，即电机的转速档位；LED1表示正转，LED2表示反转。
(8)用手堵住电机不让其转动，聆听蜂鸣器是否报警。
注意：在某些占空比的情况下，堵转时电流仍然不大，不会报警。
1.1.2基于EasyARM615开发板
1．实验原理
本实验使用EasyARM615的两路带死区的互补PWM信号来驱动DC Motor-Kit。通过改变PWM的占空比来调节电机两端的平均电压，实现粗略的调速。实验使用EasyARM615的KEY1和KEY2两个按键来改变占空比，每次按动将改变10%的占空比，实验开始时默认占空比为50%。LED1和LED4分别表示电机正转和反转，另外还有过流报警的功能，如果电机被堵转，EasyARM615的蜂鸣器就会报警。本实验的电路工作原理和程序说明将在1.4节和1.5节分别详细说明。
2．实验步骤。
(1)对EasyARM615进行短路设置；用短路帽分别把JP2的KEY1与PD4、KEY2与PD5、LED1与PD7、LED2与PC5、LED3与PC6、LED4与PC4、BUZZ与PA5短接，其它跳线不能被短路；
(2)用短路帽短接电机模块的J3“双”端处，表示使用双路PWM驱动。
(3)用杜邦线连接EasyARM615的J3、J6和电机板的J2相关的引脚，如表 1.2所示。
表 1.2 EasyARM615 PWM开环管脚连接
EasyARM615 J3和J6 电机模块 J2
+5V 5V
PD0 PWMA
PD1 PWMB
PB4 CURRENT
PA0 SPEED1
PA1 SPEED2
GND GND
(4)连接EasyARM615开发板的电源和仿真器。
(5)如果使用CrossStudio软件，把光盘上的相关工程复制到硬盘，编译后用H-JTAG仿真头下载程序到EasyARM615上；如果使用Keil软件，把光盘上的相关工程复制到硬盘，编译后用ULink或ULink2仿真器下载程序到EasyARM101上。
注：两个例子工程分别使用了CrossStudio和Keil默认安装目录下的DriverLib.lib 驱动库文件。如果你的CrossStudio或Keil安装目录不是默认的，请在工程中重新指定库文件的路径。
(6)按一下EasyARM615的复位键，让开发板脱机运行。
(7)按动EasyARM615的KEY1和KEY2键，调节电机的转速；观察LED1、LED2、LED3和LED4的显示情况。
注：LED2和LED3显示PWM占空比改变情况；LED1表示正转，LED4表示反转。
(8)用手堵住电机不让其转动，聆听蜂鸣器是否报警。
注意：在某些占空比的情况下，堵转时电流仍然不大，不会报警。
1．实验原理
本实验使用EasyARM8962的两路带死区的互补PWM信号来驱动DC Motor-Kit。通过改变PWM的占空比来调节电机两端的平均电压，实现粗略的调速。实验使用EasyARM8962的KEY1和KEY2两个按键来改变占空比，每次按动将改变10%的占空比，实验开始时默认占空比为50%。LED3和LED4分别表示电机正转和反转，另外还有过流报警的功能，如果电机被堵转，EasyARM8962的蜂鸣器就会报警。本实验的电路工作原理和程序说明将在1.4节和1.5节分别详细说明。
2．实验步骤
(1)对EasyARM8962进行短路设置；用短路帽分别把JP2的KEY1与PE2、KEY2与PE3、LED1与PF3、LED2与PF2，JP3的LED3与PB6、LED4与PC5、BEEP与PA7短接，其它跳线不能被短路；
(2)用短路帽短接电机模块的J3“双”端处，表示使用双路PWM驱动。
(3)用杜邦线连接EasyARM8962的J3和电机板的J2相关的引脚，如表 1.3所示。
表 1.3 EasyARM8962 PWM开环管脚连接
EasyARM8962 J3 电机模块 J2
+5V 5V
PB0 PWMA
PB1 PWMB
PB4 CURRENT
PA0 SPEED1
PA1 SPEED2
GND GND
(4)连接EasyARM8962开发板的电源和仿真器。
(5)如果使用CrossStudio软件，把光盘上的相关工程复制到硬盘，编译后用H-JTAG仿真头下载程序到EasyARM8962上；如果使用Keil软件，把光盘上的相关工程复制到硬盘，编译后用ULink或ULink2仿真器下载程序到EasyARM101上。
注：两个例子工程分别使用了CrossStudio和Keil默认安装目录下的DriverLib.lib 驱动库文件，请使用最新的驱动库，旧的驱动库不支持Luminary 100脚系列的单片机。另外，如果你的CrossStudio或Keil安装目录不是默认的，请在工程中重新指定库文件的路径。
(6)按一下EasyARM8962的复位键，让开发板脱机运行。
(7)按动EasyARM8962的KEY1和KEY2键，调节电机的转速；观察LED1、LED2、LED3和LED4的显示情况。
注：LED1和LED2显示PWM占空比改变情况；LED3表示正转，LED4表示反转。
(8)用手堵住电机不让其转动，聆听蜂鸣器是否报警。
注意：在某些占空比的情况下，堵转时电流仍然不大，不会报警。
1． 实验原理
本实验使用SmartARM2300的两路软件模拟死区的PWM 信号来驱动DC Motor-Kit 。通过改变PWM 的占空比来调节电机两端的平均电压，实现粗略的调速。实验使用SmartARM2300的KEY1和KEY2两个按键来改变PWM 的占空比，每按动一次就改变10%，LED7和LED8分别表示电机正转和反转。本实验的电路工作原理和程序说明将在1.4节和
1.5节分别详细说明。
2． 实验步骤
(1) 对SmartARM2300进行短路设置：用杜邦线分别把JP1的KEY1与P2.11、KEY2与P2.12短接，JP1的其它跳线不能被短路；另外用杜邦线把JP1的MOSI 、/CS 、SCLK 分别连接到JP3的P0.18、P0.16、P0.15。
(2) 用短路帽短接电机模块的J3“双”端处，表示使用两路PWM 驱动。
(3) 用杜邦线连接SmartARM2300的JP24的相关引脚和电机板的J2相关的引脚，如表
1.4所示，其引线位置如图 1.2所示。
表 1.4 SmartARM2300 PWM 开环管脚连接 SmartAMR2300 JP24 电机模块 J2
P5V 5V
P1.23 PWMA
P1.20 PWMB
P0.8 SPEED1
P0.9 SPEED2
PGND GND
JP24
1P 1.20
326
P 1.23
957P 0.8
P 0.9
11P 5V G N D 1517192123
图 1.2 SmartARM2300 PWM 开环管脚连接位置
(4) 连接SmartARM2300开发板的电源和仿真器。
(5) 把光盘上的相关工程复制到硬盘，用ADS 软件打开，选择在Flash 中调试或者在RAM 中调试。编译后，全速度运行AXD 软件。
(6) 按动SmartARM2300的KEY1和KEY2键，调节电机的转速；观察LED1、LED2、LED7和LED8的显示情况。
注：程序开始运行时，电机停止转动；如果按下Key1键，电机正转，LED1亮；如果连续按下Key1键，电机经历正转加速、反转减速、停止转动，并一直循环（按10下Key1键时，为一个循环）。如果按下Key2键时，情况类似。另外，如果电机正转LED7亮，反转LED8亮。
1.2 让你的DC Motot-Kit迅速转起来——PID算法闭环实验
PID算法即比例-积分-微分的组合算法。本实验使用PID算法，对电机的转速实现闭环控制，使电机在指定的转速下稳定地运行。关于PID算法，本文1.3.6节将详细说明。
1.2.1基于EasyARM101开发板
1．实验原理
在本实验中，由EasyARM101产生单路简易的PWM来驱动电机，并由装在电机上的转盘和红外线检测电路实现测速，根据反馈的转速值，利用PID算法对电机的转速实现闭环控制。另外，EasyARM101通过串口和上位机的《PID直流电机控制》软件通讯，通过此软件可实时地观察电机的转速、设定转速、修改PID参数等，如图 1.3所示。本实验的电路工作原理和程序说明将在1.4节和1.5节分别详细说明。
图 1.3 《PID直流电机控制》上位机软件
2．实验步骤
(1)把光盘中附带的《PID直流电机控制》上位机软件安装到电脑上。
(2)把RS232-TTL转接板和EasyARM101开发板对接，RS232-TTL转接板通过RS232电缆和电脑的COM1口连接。
注：当前的上位机软件只支持COM1口。
(3)按照表 1.5，用杜邦线把直流电机模块的J2口和EasyARM101开发板的J1口相连接，并把电机模块的J3口朝“单”方向短路，最后把EasyARM101 JP1的BUZZ与PB2、LED2与PB5短路，其他不要短路。
表 1.5 EasyARM101和直流电机模块的PID连接
直流电机模块J2EasyARM101 J1
5V +5V
PWMA PB0
PWMB 悬空
CURRENT PB4
SPEED1 PA3
SPEED2 PA4
GND GND
(4)连接EasyARM101开发板的电源和仿真器。
(5)对于CrossStudio软件，把光盘上的相关工程复制到硬盘，由于使用CrossStudio的新函数库DriverLib.lib编译出来的代码量大于LM3S101的最大容量8K，所以如果安装了新库，需把光盘上“Luminary_Stellaris_Driver_Library”整个旧的函数库目录覆盖到“…\Rowley Associates Limited\CrossWorks for ARM 1.6\samples\Luminary_Stellaris_Driver_Library”目录，编译后用H-JTAG仿真头下载程序到EasyARM101上。
对于Keil软件，把光盘上的相关工程复制到硬盘，编译后用ULink或ULink2仿真器下载程序到EasyARM101上，不需更换函数库。
注：两个例子工程分别使用了CrossStudio和Keil默认安装目录下的DriverLib.lib 驱动库文件。如果你的CrossStudio或Keil安装目录不是默认的，请在工程中重新指定库文件的路径。
(6)按一下EasyARM101的复位键，让开发板脱机运行。
(7)打开先前安装的《PID直流电机控制》上位机软件。把转速固定为3000转/分，调节采样周期T、比例常数Kp、积分常数Ti、微分常数Td等参数，观测转速的波动情况。接着把转速设为500转/分，调节参数，观测转速的波动情况。可参考表 1.6调整。
表1.6 EasyARM101 PID参数
PID参数3000转/分500转/分
T 0.1 0.5
Kp 0.5 0.5
Ti 3 3
Td 0.1 0.1
1.2.2基于EasyARM615开发板
1．实验原理
在本实验中，由EasyARM615两路互为带死区的PWM来驱动电机，并由装在电机上的转盘和红外线检测电路实现测速，根据反馈的转速值，利用PID算法对电机的转速实现闭环控制。另外，EasyARM615通过串口和上位机的《PID直流电机控制》软件通讯，通过此软件可实时地观察电机的转速、设定转速、修改PID参数等，如图 1.3所示。本实验的电路工作原理和程序说明将在1.4节和1.5节分别详细说明。
2．实验步骤
(1)把光盘中附带的《PID直流电机控制》上位机软件安装到电脑上。
(2)用串口线将Easy ARM615开发板与电脑的COM1口连接。
注：请注意，当前的上位机软件只支持COM1口。
(3)用短路帽分别把EasyARM615 JP1的PA0与RXD、PA1与TXD，JP2的BUZZ与PA5、LED2与PC5、LED3与PC6短接，其他不能短接。
(4)按照表 1.7，用杜邦线把直流电机模块的J2口和EasyARM615开发板的J3、J6口相连接，并把电机模块的J3口朝“双”方向短路。
表 1.7 EasyARM615和直流电机模块的PID连接
直流电机模块J2EasyARM615 J3和J6
5V +5V
PWMA PD0
PWMB PD1
CURRENT PB4
SPEED1 PA3
SPEED2 PA4
GND GND
(5)连接EasyARM615开发板的电源和仿真器。
(6)如果使用CrossStudio软件，把光盘上的相关工程复制到硬盘，编译后用H-JTAG仿真头下载程序到EasyARM615上；如果使用Keil软件，把光盘上的相关工程复制到硬盘，编译后用ULink或ULink2仿真器下载程序到EasyARM615上。
注：两个例子工程分别使用了CrossStudio和Keil默认安装目录下的DriverLib.lib 驱动库文件。如果你的CrossStudio或Keil安装目录不是默认的，请在工程中重新指定库文件的路径。
(7)按一下EasyARM615的复位键，让开发板脱机运行。
(8)打开先前安装的《PID直流电机控制》上位机软件。把转速固定为3000转/分，调节采样周期T、比例常数Kp、积分常数Ti、微分常数Td等参数，观测转速的波动情况。接着把转速设为500转/分，调节参数，观测转速的波动情况。可参考表 1.8调整。
表 1.8 EasyARM615 PID参数
PID参数3000转/分500转/分
T 0.1 0.5
Kp 0.5 0.5
Ti 3 3
Td 0.1 0.1
1.2.3基于EasyARM8962开发板
1．实验原理
在本实验中，由EasyARM8962两路互为带死区的PWM来驱动电机，并由装在电机上的转盘和红外线检测电路实现测速，根据反馈的转速值，利用PID算法对电机的转速实现闭环控制。另外，EasyARM8962通过串口和上位机的《PID直流电机控制》软件通讯，通过此软件可实时地观察电机的转速、设定转速、修改PID参数等，如图 1.3所示。本实验的电路工作原理和程序说明将在1.4节和1.5节分别详细说明。
2．实验步骤
(1)把光盘中附带的《PID直流电机控制》上位机软件安装到电脑上。
(2)用串口线将Easy ARM8962开发板与电脑的COM1口连接。
注：请注意，当前的上位机软件只支持COM1口。
(3)用短路帽分别把EasyARM8962 JP4的PA0与RXD、PA1与TXD，JP3的BEEP与PA7、LED3与PB6、LED4与PC5短接，其他不能短接。
(4)按照表 1.9，用杜邦线把直流电机模块的J2口和EasyARM8962开发板的J3口相连接，并把电机模块的J3口朝“双”方向短路。
表 1.9 EasyARM8962和直流电机模块的PID连接
直流电机模块J2EasyARM8962 J3
5V +5V
PWMA PB0
PWMB PB1
CURRENT PB4
SPEED1 PA3
SPEED2 PA4
GND GND
(5)连接EasyARM8962开发板的电源和仿真器。
(6)如果使用CrossStudio软件，把光盘上的相关工程复制到硬盘，编译后用H-JTAG仿真头下载程序到EasyARM8962上；如果使用Keil软件，把光盘上的相关工程复制到硬盘，编译后用ULink或ULink2仿真器下载程序到EasyARM8962上。
注：两个例子工程分别使用了CrossStudio和Keil默认安装目录下的DriverLib.lib 驱动库文件，请使用最新的驱动库，旧的驱动库不支持Luminary 100脚系列的单片机。另外，如果你的CrossStudio或Keil安装目录不是默认的，请在工程中重新指定库文件的路径。
(7)按一下EasyARM615的复位键，让开发板脱机运行。
(8)打开先前安装的《PID直流电机控制》上位机软件。把转速固定为3000转/分，调节采样周期T、比例常数Kp、积分常数Ti、微分常数Td等参数，观测转速的波动情况。接着把转速设为500转/分，调节参数，观测转速的波动情况。可参考表 1.10调整。
表 1.10 EasyARM8962 PID 参数 PID 参数3000转/分500转/分
T 0.1 0.5
Kp 0.5 0.5
Ti 3 3
Td 0.1 0.1
1.2.4 基于SmartARM2300开发板
1． 实验原理
本实验使用SmartARM2300的两路软件模拟死区的PWM 驱动电机，并利用PID 算法对电机模块的转盘返回的转速实现闭环控制。另外，SmartARM2300通过串口和上位机的《PID 直流电机控制》软件通讯，通过此软件可实时地观察电机的转速、设定转速、修改PID 参数等，如图 1.3所示。本实验的电路工作原理和程序说明将在1.4节和1.5节分别详细说明。
2． 实验步骤
(1) 把光盘中附带的《PID 直流电机控制》上位机软件安装到电脑上。
(2) 用串口线将SmartARM2300开发板与电脑的COM1口连接。
注：请注意，当前的上位机软件只支持COM1口。
(3) 用短路帽分别把SmartARM2300 JP1的RXD0与P0.3、TXD0与P0.2短接，其他不能短接。
(4) 用短路帽短接电机模块的J3“双”端处，表示使用两路PWM 驱动。
(5) 用杜邦线连接SmartARM2300的JP24的相关引脚和电机板的J2相关的引脚，如表
1.11所示，其引线位置如图 1.4所示。
表 1.11 SmartARM2300和直流电机模块的PID 连接
SmartAMR2300 JP24 电机模块 J2
P5V 5V
P1.23 PWMA
P1.20 PWMB
P0.8 SPEED1
P0.9 SPEED2
PGND GND
JP24
1P 1.20
326
P 1.23
957P 0.8
P 0.9
11P 5V G N D 1517192123
图 1.4 SmartARM2300和直流电机模块的PID 连接位置
(6)连接SmartARM2300开发板的电源和仿真器。
(7)把光盘上的相关工程复制到硬盘，用ADS软件打开，选择在Flash中调试或者在RAM中调试。编译后，全速度运行AXD软件。
(8)打开先前安装的《PID直流电机控制》上位机软件。把转速固定为3000转/分，调节采样周期T、比例常数Kp、积分常数Ti、微分常数Td等参数，观测转速的波动情况。接着把转速设为500转/分，调节常数，观测转速的波动情况。当然也可以将电机的转速设为-3000转/分，实现电机的正反转。调整参数时，可参考表 1.12。
表 1.12 SmartARM2300 PID参数
PID参数3000转/分500转/分
T 0.1 0.5
Kp 0.5 0.5
Ti 3 3
Td 0.1 0.1
1.3 直流电机概述
1.3.1直流电机的特点、基本工作原理
1.直流电机的特点
电机是把电能转换成机械能的装置。电机的种类繁多，如果按电源类型分，可分为直流电机和交流电机两大类。常见的直流电机包括有刷电机、无刷电机、步进电机等。直流有刷电机是所有电机的基础，它具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等特点。如果没有特别说明，本文所提到的直流电机均指直流有刷电机。
2.直流电机的基本工作原理
直流电机由永久磁铁、电枢、换相器等组成。如图 1.5和图 1.6所示，上下是两个固定的永久磁铁，上面是N极，下面是S极，磁力线从N到S。两极之间是一段可旋转的导体abcd, 称为电枢。电枢的ab段与cd段分别连接到两个互不接触的半圆形金属片上，这两个金属片称为换向器。
如图 1.5所示，在换向器的AB两端上加上一个上正下负的直流电压，电流由a到b，由c到d。根据左手定则，ab段在自上而下的磁力线作用下，向左移动，cd段向右移动。在这两个力的作用下，abcd电枢开始逆时针旋转，因为换向器和电枢固定在一起，它也跟着转动。
图 1.5 直流电机的旋转原理1
当电枢转过180°时如图 1.6所示，cd段在上方，ab段在下方，电流由d到c,由b到a。根据左手定则，cd段在自上而下的磁力线作用下，向左移动，ab段向右移动, 即电枢继续往逆时针旋转方向旋转。当电枢再转过180°后，变回图 1.5的情况，电机继续重复地转动。
如果把AB两端的电压方向反过来，电枢将顺时针旋转，原理同上。
图 1.6 直流电机的旋转原理2
1.3.2直流电机的电器特性
图 1.7为直流电机的等效电路图。电源E b给电机供电，产生电流I a。电机在运转过程
中等效于电阻R a 和反向电动势E c 串接起来。其中R a 为电枢等效电阻；E c 为电枢旋转时产生的反向电动势，它和转速成正比，转速越快，反向电动势越大。根据图 1.7列出了如下公式：
c a a b E I R E +?= （1-1）
图 1.7 直流电机的等效电路
上面已经说过，反向电动势和转速成正比，具体关系为:
N C E e c ?Φ?= （1-2）
式中C e 是电动势常数，Φ是气隙磁通，它们都是电机的固有常数。
另外，电机的电流I a 和电机的输出转矩T 成正比。具体关系为：
a T I C T ?Φ?= （1-3）
式中C T 是电磁转矩常数，它是电机的固有常数。
把上面三式合拼并整理得到：
T R K E K N a 2b 1????= （1-4）
其中：
Φ
Φ=Φ=T e 2e 1C C 1K C 1
K 式中K1和K2为经整理后的常数。如果以转矩T 为自变量，可得到在不同电源电压下，转矩和转速的关系图，称为T-N 图。如图 1.8所示，给电机加上不同的电压，可以得到一组斜率相同，截距不同的直线。在同一转矩下，电源电压越高，转速越高。当转矩为零时直线与纵轴的交点为某一电源电压下的最大转速，即空载时的转速；当转速为零时，直线与横轴的交点为某一电源电压下的最大转矩，即电机启动瞬间的转矩。
T1N1
N2
N3
T 转矩
图 1.8 T-N 图
1.3.3 PWM 控制直流电机原理
1． PWM 的简介
近年来，随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（Pulse Width Modulation, 简称PWM ）控制方式已
成为主流。这种方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电机控制数字化提供了契机。
2． 直流电机的PWM 驱动
图 1.9是最基本的PWM 驱动电机的电路。当开关管V1的栅极输入高电平时，V1导通，电机电枢绕组两端电压为U s 。在t1秒后，栅极输入变为低电平，V 1截止，电机的自感电流通过D1迅速释放掉，电枢两端电压变为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平，V1重复前面的过程。图 1.10显示了开关管V1的输入和输出的关系。由此得到电机的电枢绕组两端的平均电压U o 为：
s 1s 21s 1o U )T /t (U )t t /()U t (U ?α=?=+?= （1-5）
式中α是占空比。
图 1.9 基本PWM 驱动
无刷直流电机驱动 James P. Johnson, Caterpiller公司 本章的题目是无刷直流电动机及其驱动。无刷直流电动机（BLDC）的运行仿效了有刷并励直流电动机或是永磁直流电动机的运行。通过将原直流电动机的定子、转子内外对调—变成采用包含电枢绕组的交流定子和产生磁场的转子使得该仿效得以可能。正如本章中要进一步讨论的，输入到BLDC定子绕组中的交流电流必须与转子位置同步更变，以便保持磁场定向，或优化定子电流与转子磁通的相互作用，类似于有刷直流电动机中换向器、电刷对绕组的作用。该原理的实际运用只能在开关电子学新发展的今天方可出现。BLDC电机控制是今天世界上发展最快的运动控制技术。可以预见，随着BLDC的优点愈益被大家所熟知且燃油成本持续增加，BLDC必然会进一步广泛运用。 2011-01-30 23.1 BLDC基本原理 在众文献中无刷直流电动机有许多定义。NEMA标准《运动/定位控制电动机和控制》中对“无刷直流电动机”的定义是：“无刷直流电动机是具有永久磁铁转子并具有转轴位置监测来实施电子换向的旋转自同步电机。不论其驱动电子装置是否与电动机集成在一起还是彼此分离，只要满足这一定义均为所指。”
图23.1 无刷直流电机构形 2011-01-31 若干类型的电机和驱动被归类于无刷直流电机，它们包括： 1 永磁同步电机（PMSMs）； 2 梯形反电势(back - EMF)表面安装磁铁无刷直流电机； 3 正弦形表面安装磁铁无刷直流电机； 4 内嵌式磁铁无刷直流电机； 5 电机与驱动装置组合式无刷直流电机； 6 轴向磁通无刷直流电机。 图23.1给出了几种较常见的无刷直流电机的构形图。永磁同步电机反电势是正弦形的，其绕组如同其他交流电机一样通常不是满距，或是接近满距的集中式绕组。许多无刷直流电
直流电机驱动电路设计 一、直流电机驱动电路的设计目标 在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点： 1. 功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电 器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。 如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。 2. 性能：对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。 1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。 2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。 3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。 4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。 5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。 二、三极管-电阻作栅极驱动
1．输入与电平转换部分： 输入信号线由DATA引入，1脚是地线，其余是信号线。注意1脚对地连接了一个2K欧的电阻。当驱动板与单片机分别供电时，这个电阻可以提供信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时，这个电阻可以防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。或者说，相当于把驱动板的地线与单片机的地线隔开，实现“一点接地”。 高速运放KF347（也可以用TL084）的作用是比较器，把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2.7V基准电压比较，转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。KF347的输入电压范围不能接近负电源电压，否则会出错。因此在运放输入端增加了防止电压范围溢出的二极管。输入端的两个电阻一个用来限流，一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。 不能用LM339或其他任何开路输出的比较器代替运放，因为开路输出的高电平状态输出阻抗在1千欧以上，压降较大，后面一级的三极管将无法截止。 2．栅极驱动部分： 后面三极管和电阻，稳压管组成的电路进一步放大信号，驱动场效应管的栅极并利用场效应管本身的栅极电容（大约 1000pF）进行延时，防止H桥上下两臂的场效应管同时导通（“共态导通”）造成电源短路。 当运放输出端为低电平（约为1V至2V,不能完全达到零）时，下面的三极管截止，场效应管导通。上面的三极管导通，场效应管截止,输出为高电平。当运放输出端为高电平（约为VCC-(1V至2V),不能完全达到VCC）时，下面的三极管导通，场效
第二章 直流电机 2．1 概述 2.1.1 直流电机的工作原理 首先，复习e=B δlv 公式，说明e 正比于B δ。结合图2.1解释v=2πRn/60 （m/s ， n (r/min)）; 机械角速度Ω=v/R=2πn /60 ( r/s); 电角速度ω=p Ω=p2πn/60 (rad/s) （记下来）；导体或线圈。 将直流电机的简单工作原理图结构介绍清楚。包括：N 、S 磁极和A 、B 电刷静止，换向片、线圈（导体）以及电枢逆时针旋转。将其抽象成一个平面图。 假设磁力线进入磁极为正方向，离开磁极的磁通方向为负。得气隙磁密在空间得分布曲线 B δ(θ)(0≤θ=ωt ≤2π)。进而得到导体电势e(ωt)和线圈电势e AB (ωt)。 经过合理的多个线圈均匀分布设计，按照一定规律连接起来就组成电枢绕组，便可以获得近似直流电动势。 工作原理： （1） 发电机：电枢绕组中感应的交变电势，依靠换向器的换向作用，利用静止 的电刷把同一磁极 下导体电势引出，变为直流电势输出。（发电机惯例） （2） 电动机：通过电刷和换向器的共同作用，使得同磁极下的导体边流过的电 流方向不变，导体 受力方向不变，进而产生方向恒定的电磁转矩，使电机连续转动。 结论：（1）电机内部（电刷为界），线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流量。 （2）电机外部（电刷两端），电动机运行外加直流电；发电机运行输出直流电 （3） 从原理上讲，同一台电机既可以作电动机运行又可以作发电机运行，是可逆的。 （4）电动机惯例 发电机惯例 i i u Motor u Generator
2．1．2 直流电机的主要结构部件 定子——起机械支撑，产生磁场的作用 机座、端盖、电刷、 轴承 直流电机结构 气隙——耦合磁场 转子——产生电磁转矩、产生感应电势 电枢铁心和电枢绕组 换向器、转轴、风扇 2．1．3 直流电机的额定值 额定值：指电机正常运行时各物理量的数值。此时亦称电机满载运行。否则为欠载或过载 额定功率：指输出功率W, kW 。 发电机P N =U N I N 电动机P N =ηU N I N 额定电压U N (V)， 额定电流I N (A)， 额定励磁电压U fN (V)， 额定励磁电流I fN (A)， 额定转速n N (r/min)
BLDC SERVO DRIVERS 无刷直流调速驱动器 使用手册1.3 系统上电前请仔细阅读手册 DBLS-01系列 直流无刷电机驱动说明书 一、概述 本控制驱动器为闭环速度型控制器，采用最近型IGBT和MOS功率器，利用直流无刷电机的霍尔信号进行倍频后进行闭环速度控制，控制环节设有PID速度调节器，系统控制稳定可靠，尤其是在低速下总能达到最大转矩，速度控制范围150~6000rpm。 二、特点 1、PID速度、电流双环调节器 2、高性能低价格 3、20KHZ 斩波频率 4、电气刹车功能，使电机反应迅速 5、过载倍数大于2，在低速下转矩总能达到最大 6、具有过压、欠压、过流、过温、霍尔信号非法等故障报警功能 三、电气指标 标准输入电压：24VDC\36VDC\48VDC 三种 最大输入过载保护电流：5A\15A两种 加速时间常数出厂值：0.2秒其他可定制 四、端子接口说明
1、电源输入端 引角序号引角名中文定义 1 V+ 直流+24V输入 2 GND 直流0V输入 2、电机输入端 引角序号引角名中文定义 1 MA 电机A相 2 MB 电机B相 3 MC 电机C相 4 GND 地线 5 HA 霍尔信号A相输入端 6 HB 霍尔信号B相输入端 7 HC 霍尔信号C相输入端 8 +6.25 霍尔信号的电源线 3、控制信号部分 GND：信号地 F/R：正、反转控制，接GND反转，不接正转，正反转切换时，应先关断EN EN：使能控制：EN接地，电机转（联机状态），EN不接，电机不转（脱机状态） BK：刹车控制：当不接地正常工作，当接地时，电机电气刹车，当负载惯量较大时，应采用脉宽信号方式，通过调整脉宽幅值来控制刹车效果。 SV ADJ：外部速度衰减：可以衰减从0~100%，当外部速度指令接6.25V时，通过该电位器可以调速试机 PG：电机速度脉冲输出：当极对数为P时，每转输出6P个脉冲（OC门输入） ALM：报警输出：当电路处于报警状态时，输出低电平（OC门输出） +6.25V：调速电压输出，可用电位器在SV和GND形成连续可调 拔码开关说明：四个档位为OFF时，电机不运行，SW1为ON状态时，电机转速为100%，SW2为ON状态时，电机转速为80%，SW3为ON状态时，电机转速为40%，SW4为ON状态时，电机转速为20%。 4.机械安装：
应用越来越广泛的直流电机，驱动电路设计 Source：电子元件技术| Publishing Date：2009-03-20 中心论题： ?在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑功能和性能等方面的因素 ?分别介绍几种不同的栅极驱动电路并比较其性能优缺点 ?介绍PWM调速的实现算法及硬件电路 ?介绍步进电机的驱动方案 解决方案： ?根据实际电路情况以及要求仔细选择驱动电路 ?使用循环位移算法及模拟电路实现PWM调速 ?对每个电机的相应时刻设定相应的分频比值，同时用一个变量进行计数可实现步进电机的分频调速 直流电机驱动电路的设计目标 在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点： 功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。 性能：对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。 1。输出电流和电压围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。 2。效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。 3。对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。
4。对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。 5。可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。 三极管-电阻作栅极驱动 1．输入与电平转换部分： 输入信号线由DATA引入，1脚是地线，其余是信号线。注意1脚对地连接了一个2K欧的电阻。当驱动板与单片机分别供电时，这个电阻可以提供信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时，这个电阻可以防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。或者说，相当于把驱动板的地线与单片机的地线隔开，实现“一点接地”。 高速运放KF347（也可以用TL084）的作用是比较器，把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2。7V 基准电压比较，转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。KF347的输入电压围不能接近负电源电压，否则会出错。因此在运放输入端增加了防止电压围溢出的二极管。输入端的两个电阻一个用来限流，一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。
第二章直流电机的基本结构和运行分析 直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。将机械能转换为直流电能的电机称为直流发电机；将直流电能转换为机械能的电机称为直流电动机。直流发电机可作为各种直流电源；直流电动机具有宽广的调速范围，较强的过载能力和较大的起动转矩等特点，广泛应用于对起动和调速要求较高的生产机械，如电力机车、内燃机车、工矿机车、城市电车、电梯、轧钢机等的拖动电机。 本章介绍直流电机的工作原理和基本结构；分析直流电机的磁路系统、电路系统和电磁过程；导出感应电势和电磁转矩的一般计算方法；得出直流电机在不同运行状态的各种平衡方程式和运行特性。 第一节直流电机基本工作原理 直流电机是直流发电机和直流电动机的总称。直流电机具有可逆性，既可作直流发电机使用，也可作直流电动机使用。作直流发电机使用时，将机械能转换成直流电能输出；作直流电动机使用时，则将直流电能转换成机械能输出。 一、直流电机的模型结构 图2—1所示为一台直流电机简单模型图。N、S为定子上固定不动的两个主磁极，主磁极可以采用永久磁铁，也可以采用电磁铁，在电磁铁的励磁线圈上通以方向不变的直流电流，便形成一定极性的磁极。 图2-1 直流发电机工作原理
在两个主磁极N 、S 之间装有一个可以转动的、由铁磁材料制成的圆柱体，圆柱体表面嵌有一线圈（称为电枢绕组），线圈首末两端分别连接到两个弧形钢片（称为换向片）上。换向片之间用绝缘材料构成一整体，称为换向器，它固定在转轴上（但与转轴绝缘），随转轴一起转动，整个转动部分称为电枢。为了接通电枢内电路和外电路，在定子上装有两个固定不动的电刷A 和B ，并压在换向器上，与其滑动接触。 二、直流发电机的工作原理 1.感应电势的产生 当直流发电机的电枢被原动机拖动，并以恒速ｖ逆时针方向旋转时，如图2－2(a)所示，线圈两个有效边ab 和cd 将切割磁力线，而感应产生电势ｅ。其方向用右手定则确定，导体ab 位于N 极下，导体cd 位于S 极下，产生电势方向分别为b →a ，d →c 。若接通外电路，电流从换向片1→A →负载→B →换向片2。电流从电刷A 流出，具有正极性，用“＋”表示；从电刷B 流入，具有负极性，用“一”表示。 当电枢转到90o 时，线圈有效边ab 和cd 转到N 、S 极之间的几何中心线上，此处磁密为零，故这一瞬时感应电势为零。 当电枢转到180o 时，导体ab 和cd 及换向片1、2位置互换，如图2-1(b)所示。导体加位于S 极下，导体cd 位于Ｎ极下，线圈两个有效边产生的感应电势方向分别为a →b ，c →d ，电势方向恰与开始瞬时相反。外电路中流过的电流从换向片2→A →负载→B →换向片1。由此可见，电刷A(B)始终与转到N(S)极下的有效边所连接的换向片接触，故电刷极性始终不变A 为“＋”，B 为“―”。 由以上分析可知，线圈内部为一交变电势，但电刷引出的电势方向始终不变，为一单方向的直流电势。 2.电势的波形 根据电磁感应定律，每根导体产生的感应电势ｅ为： Lv B e X = （V ） （2-1） 式中x B ——导体所在位置的磁通密度（T ）； L ——导体切割磁力线的有效长度（ｍ）； v ——导体切割磁力线的线速度（ｍ/ｓ）。 要想知道电势的波形，先得找出磁密的波形，前已设电枢以恒速v 旋转，v=常数，L 在电机中不变，则x B e ∝，即导体电势随时间的变化规律与气隙磁密的分布规律相同。设想将
永磁无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如图一所示： 永磁无刷直流电动机的基本工作原理 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。 永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。 电动机的转矩正比于绕组平均电流： Tm=KtIav （N·m） 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度： ELL=Keω （V） 所以电动机绕组中的平均电流为： Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） 其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩： Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra） Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。
无刷直流电机的组成及工作原理 2.1 引言 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。 2.2 无刷直流电机的组成 2.2.1 电动机本体 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。 目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。 2.2.2 电子换相电路 控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。 驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT 模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。 2.2.3 转子位置检测电路
无刷直流电机工作原理详解 日期: 2014-05-28 / 作者: admin / 分类: 技术文章 1. 简介 本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如： 能获得更好的扭矩转速特性； 高速动态响应； 高效率； 长寿命； 低噪声； 高转速。 另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为 广泛的3相BLDC。 2.1 定子 BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图2.1.1。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每 个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。
BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图2.1.2和图 2.1.3所示。
三相无刷直流电机系统结构及工作原理
图2.3 直流无刷电动机的原理框图位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器【3】。 2.4基本工作原理 众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度。 2.5无刷直流电机参数 本系统采用的无刷电机参数 ·额定功率：100W ·额定电压：24V（DC） ·额定转速：3000r/min ·额定转矩：0.23N?m ·最大转矩：0.46N?m ·定位转矩：0.01N?m ·额定电流：4.0A
1.检测霍尔传感器的值可以判断出转子的位置，再使能相应的上下桥臂，则能驱动电机运动；若要让电机持续转动，则必须再次检测传感器值及使能相应的上下桥臂。这里采用的是将霍尔传感器输出的三根线相边的IO口配置成外部中断，并且为边沿触发，在中断函数中加入传感器检测与上下桥臂切换程序，如此电机就能持续运转了。 2.上桥臂的控制采用IO口置高低电平来控制上桥臂的通断，下桥臂则使用单片机内部集成的三路PWM波来控制，通过控制PWM波的占空比，可以实现对电机的调速了。实际测得，占空比与电机的速度成正比例关系，在PWM波频率为20KHz时，占空比增加1%，速度增加60rpm，并在占空比为53%时达到额定转速3000rpm（空载）。 3.速度测量则采用如下公式： 电机每转一圈，霍尔值改变6次x5个周期=30次，记录边沿触发的中断次数N/30=电机转过的圈数,设运转时间为t(s)则电机转速v=N/30/t*60 rpm。即动转时间为2s时，霍尔值改变次数即为速度值，单位rpm。 4.调速：给定速度，由电机驱动板自动由当前速度平滑过渡到给定速度。实际测试发现，速度变化量很大时，电机会有突然加速或减速时的冲击；因此，调速应有一个缓冲的过程。即加速或减速应以小步进缓慢增加或减少占空比来让速度渐渐达到最终值。 #include "stm32f10x.h" #include "driver_motor.h" #define PWM_PERIOD_T 400 #define U_Up_On GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_13 #define U_Up_Off GPIOB->BRR = GPIO_Pin_13 #define U_Dn_On GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_8 #define U_Dn_Off GPIOA->BRR = GPIO_Pin_8 #define V_Up_On GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_14 #define V_Up_Off GPIOB->BRR = GPIO_Pin_14 #define V_Dn_On GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_9 #define V_Dn_Off GPIOA->BRR = GPIO_Pin_9 #define W_Up_On GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_15 #define W_Up_Off GPIOB->BRR = GPIO_Pin_15 #define W_Dn_On GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_10 #define W_Dn_Off GPIOA->BRR = GPIO_Pin_10 #define SU_HOR GPIOA->IDR & GPIO_Pin_15 #define SV_HOR GPIOA->IDR & GPIO_Pin_12 #define SW_HOR GPIOA->IDR & GPIO_Pin_11 //u8 Motor_Dir=0; //u8 Motor_EN=0;
1 引言 长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域，高开关频率、全控型第二代电力半导体器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的发展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。为适应小型直流电机的使用需求，各半导体厂商推出了直流电机控制专用集成电路，构成基于微处理器控制的直流电机伺服系统。但是，专用集成电路构成的直流电机驱动器的输出功率有限，不适合大功率直流电机驱动需求。因此采用N沟道增强型场效应管构建H桥，实现大功率直流电机驱动控制。该驱动电路能够满足各种类型直流电机需求，并具有快速、精确、高效、低功耗等特点，可直接与微处理器接口，可应用PWM技术实现直流电机调速控制。 2 直流电机驱动控制电路总体结构 直流电机驱动控制电路分为光电隔离电路、电机驱动逻辑电路、驱动信号放大电路、电荷泵电路、H桥功率驱动电路等四部分，其电路框图如图一 由图可以看出，电机驱动控制电路的外围接口简单。其主要控制信号有电机运转方向信号Dir电机调速信号PWM及电机制动信号Brake，Vcc为驱动逻辑电路部分提供电源，Vm为电机电源电压，M+、M-为直流电机接口。 在大功率驱动系统中，将驱动回路与控制回路电气隔离，减少驱动控制电路对外部控制电路的干扰。隔离后的控制信号经电机驱动逻辑电路产生电机逻辑控制信号，分别控制H桥的上下臂。由于H桥由大功率N沟道增强型场效应管构成，不能由电机逻辑控制信号直接驱动，必须经驱动信号放大电路和电荷泵电路对控制信号进行放大，然后驱动H桥功率驱动电路来驱动直流电机。 3 H桥功率驱动原理 直流电机驱动使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路方便地实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。H桥功率驱动原理图如图2所示。
1 引言 直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便、调速范围广，过载能力强，可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转，能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求，因此在工业控制领域，直流电机得到了广泛的应用。 许多半导体公司推出了直流电机专用驱动芯片，但这些芯片多数只适合小功率直流电机，对于大功率直流电机的驱动，其集成芯片价格昂贵。基于此，本文详细分析和探讨了较大功率直流电机驱动电路设计中可能出现的各种问题，有针对性设计和实现了一款基于25D60-24A 的直流电机驱动电路。该电路驱动功率大，抗干扰能力强，具有广泛的应用前景。 2 H 桥功率驱动电路的设计 在直流电机中，可以采用GTR 集电极输出型和射极输出性驱动电路实现电机的驱动，但是它们都属于不可逆变速控制，其电流不能反向，无制动能力，也不能反向驱动，电机只能单方向旋转，因此这种驱动电路受到了很大的限制。对于可逆变速控制， H 桥型互补对称式驱动电路使用最为广泛。可逆驱动允许电流反向，可以实现直流电机的四象限运行，有效实现电机的正、反转控制。而电机速度的控制主要有三种，调节电枢电压、减弱励磁磁通、改变电枢回路电阻。三种方法各有优缺点，改变电枢回路电阻只能实现有级调速，减弱磁通虽然能实现平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。因此在直流调速系统中，都是以变压调速为主，通过PWM(Pulse Width Mo dulation)信号占空比的调节改变电枢电压的大小，从而实现电机的平滑调速。 2.1 H 桥驱动原理 要控制电机的正反转，需要给电机提供正反向电压，这就需要四路开关去控制电机两个输入端的电压。当开关S1 和S4 闭合时，电流从电机左端流向电机的右端，电机沿一个方向旋转;当开关S2 和S3 闭合时，电流从电机右端流向电机左端，电机沿另一个方向旋转， H 桥驱动原理等效电路图如图1 所示。
基于MC33035的无刷直流电机驱动控制系统设计 摘要 随着社会的发展和人民的生活水平提高，人们对交通工具的需求也在不断发展和提高。电动自行车作为一种“绿色产品”已经在全国各省市悄然兴起，进入千家万户，成为人们，特别是中老年人和女士们理想的交通工具，受到广大使用者的喜爱。 MC33035的典型控制功能包括PWM开环速度控制、使能控制(起动或停止) 、正反转控制和能耗制动控制。此芯片具有过流保护、欠压保护、欠流保护、又因此芯片低成本、高智能化、从而简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。 设计的直流无刷电机控制器是采用 MC33035 芯片控制的，以本次设计结果表明，MC33035的典型控制功能带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。电动自行车作为一种新型交通工具已经在社会上引起很大的影响并受到广大使用者的喜爱。 关键词：电动自行车，无刷直流电机，MC33035，位置传感器
THE BRUSHLESS DC MOTOR DRIVE SYSTEM DESIGN BASED ON MC33035 CHIP ABSTRACT With the rapid development of technology, new energy technologies in recent years have been widely used. For example, the small size, light weight, high efficiency, low noise, large capacity and high reliability features such as permanent magnet brushless DC motor-driven bike. MC33035 Typical control functions include open loop PWM speed control so that it can control (start or stop), reversing control and braking control. This chip is overcurrent protection, undervoltage protection, under current protection, and therefore chip cost, high intelligence, which simplifies the system structure, lower system costs, increase system performance to meet the needs of more applications. The design of the brushless DC motor controller is controlled by MC33035 chip to this design results show that, MC33035 typical time delay control with an optional latch-by-week shutdown mode current limiting characteristics, and internal thermal shutdown characteristics. Electric bicycles as a mode of transportation has caused a great impact on society and loved by the majority of users. KEY WORDS: electric-bicycle, brushless DC motor, MC33035, position sensors
有刷直流马达驱动电路MX612 有刷直流马达驱动电路 MX612 概述 该产品为电池供电的玩具、低压或者电池供电的运动控制应用提供了一种集成的有刷直流马达驱动解决方案。电路内部集成了采用N沟和P沟功率MOSFET设计的H桥驱动电路，适合于驱动有刷直流马达或者驱动步进马达的一个绕组。该电路具备较宽的工作电压范围（从2V到10V），最大持续输出电流达到1.2A，最大峰值输出电流达到2.5A。 该驱动电路内置过热保护电路。通过驱动电路的负载电流远大于电路的最大持续电流时，受封装散热能力限制，电路内部芯片的结温将会迅速升高，一旦超过设定值(典型值150℃)，内部电路将立即关断输出功率管，切断负载电流，避免温度持续升高造成塑料封装冒烟、起火等安全隐患。内置的温度迟滞电路，确保电路恢复到安全温度后，才允许重新对电路进行控制。 特性 ●低待机电流(小于0.1uA)； ●低静态工作电流； ●集成的H桥驱动电路； ●内置防共态导通电路； ●低导通内阻的功率MOSFET管； ●内置带迟滞效应的过热保护电路(TSD)； ●抗静电等级：3KV (HBM)。 典型应用 ● 2-6节AA/AAA干电池供电的玩具马达驱动； ● 2-6节镍-氢/镍-镉充电电池供电的玩具马达驱动； ● 1-2节锂电池供电的马达驱动
引脚排列 引脚定义 功能框图
注：D A JA T A表示电路工作的环境温度，θJA为封装的热阻。150℃表示电路的最高工作结温。 (2)、电路功耗的计算方法: P =I2*R 其中P为电路功耗，I为持续输出电流，R为电路的导通内阻。电路功耗P必须小于最大功耗P D (3)、人体模型，100pF电容通过1.5KΩ 电阻放电。 注：(1)、逻辑控制电源VCC与功率电源VDD内部完全独立，可分别供电。当逻辑控制电源VCC掉电之后，电路将进入待机模式。 (2)、持续输出电流测试条件为：电路贴装在PCB上测试，SOP8封装的测试PCB板尺寸为25mm*15mm。
无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机的控制结构 无刷直流电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响： N=120．f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说无刷直流电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 无刷直流驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。无刷直流电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
（图一） 无刷直流电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如 下（图二） inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL 一组， 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则
直流无刷电机的工作原理 直流无刷电机的优越性 直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电 枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会 产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及 整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技 术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处 理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制 交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。 此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，PWM)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。 直流无刷电机的控制结构 直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转 子极数(P)影响： N=120．f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直 流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子 的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电 机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图(1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需 求转换输入电源频率。
2.4 无刷直流电动机驱动控制程序 //########################################################################## ###/// //无刷电机控制源程序 //TMS320F2812 // //########################################################################## ### //===================================================================== //头文件调用 //===================================================================== #include "DSP28_Device.h" #include "math.h" #include "float.h" //===================================================================== //常量附值 //===================================================================== #define Idc_max 3000 //电流给定最大值 #define Idc_min 0 //电流给定最小值 //===================================================================== //标志位 //===================================================================== char Iab_Data=0; struct Flag_Bits { // bits description