1. 实验结果分析
图6 位置传感器输出信号 图7 反电动势波形
图8 相电流的实验波形
表明了此控制系统的 正确性和有效性 .
2.仿真结果分析
图9 计及电感参数时转速、转矩、 图10 L=0时的转速、转矩和相电
相电流波形
流波形
3. 故障仿真分析
(1) A相一个功率管开路的波形
speed(rad/s)
0.351723
848
0.323893
532
0.323810
956
谐波次数
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 总电感
相绕组自感L （mH） 1.2666 0.1407 0.050664 0.025849 0.015637 0.010468
0.00749468 0.0056293 0.00438 0.0035085 1.53093
3
1
1.19116922 1.19093329
9
9
1.16171735
1.15979059 2
1.32068864
1.13112514 6
1.00862087 7
1.11795241
1.16969963 1.17001420
5
8
1.15982083 1.15919169
9
4
相绕组互感(mH) 空载时 负载时
torque(N.m)
speed(rad/s) 30 20 10 0 0.15 0.2 0.25 0t.o3rque(N.m0.)35 0.4 0.45 0.5 40 20 0 -20 0.15 0.2 0.25 0.c3urrent(A0).35 0.4 0.45 0.5 10
0
-10 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Time(s)
Ra
ia
ea
Lσ
eb
Q1 ib
ec
U
ic
Rc Q2
Lσ Lσ Lσ
Lσ
ia
ea
Lσ
eb
Lσ
Rb Q3 ib
ec
VD4 ic
Rc Q2
ia
ea
Lσ
eb
Lσ
Rb Q3 ib
ec
ic Rc
Q2
（a）AC导通模式 （b）AC导通到BC导通的换向模式 c）BC导通模式 图11 方波永磁无刷直流电动机运行模式图
每相参考 θ 电流
位置计算 W
无刷直 流电动
机
参考速度
Is
速度控制器 W
图4 PMBLDCM控制系统仿真建模组成框图
图5 Matlab/Simulink中PMBLDCM仿真建模整体控制框图
七 本体设计程序
采用磁路分析法设 计了一套永磁无刷直 流电动机的电磁设计 程序
• 总体方案确定
• 转子激磁结构确定
1978年,MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的 推出 ,是电子换向的永磁无刷直流电动机真正进 入实用阶段.
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，永磁无刷直流电动机得到了长足的 发展。
• 运行效率高 • 无励磁损耗 • 调速性能好 • 结构简单 • 运行可靠 • 维护方便
4E 3R

(Is

4E U 3R
t t2
)e
, t2

t

t3
U
0.35
0.4
0.45
0.5
Time(s)
current(A)
a）转速、转矩和相电流波形
C
B
A
40
20
0
-20
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
20
A
0
-20
-40
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
20
0
-20
-40
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Time(s)
b）相电流波形
(3) A相绕组短路的仿真波形
….
二 优点
三 结构及运行原理
T1
T3
T5
E
T4
T6
T2
驱动电路 控制电路
A B C
PS
直流电源
功率开关 位置信号处理
永 磁 电 机
位置传感器
图1永磁无刷直流电动机的结构原 理图
图2永磁无刷直流电动机的原理 框图
四 控制系统的建立
整个控制系统是实现永磁无刷直流电动机的稳定运行的核心环 节.主要包括开关主电路（逆变器）、驱动电路和控制电路。 本文设计了以Microchip Technology公司的PIC16F877A为核心部件 的控制系统。系统总体硬件框图如下图。
根据三相绕组电流 的对称性，可以导出 B相电流一个周期内的 电流波形的解析表达式
2U 2E 3R源自2E 2U 3Rt
e
,0

t

t1
U
2E 2R

(U 2E)(RIs U 2E) 2R(3RIs U 2E)
t t1
e
, t1

t

t2
U
-
-
0.351240 0.351723
192
848
0.350190
305
0.349439
263
-
-
0.321399 0.319727
03
862
0.291903
898
0.290555
167
-
-
0.295616 0.296787
789
64
0.319334
646
0.320675
512
0.351240
192
永磁无刷直流电动机的 设计和仿真研究
答辩人:孙晓霞 指导老师:吴建华教授
主要内容
• 发展状况和优点 • 控制系统的设计 • 数学模型和仿真模型 • 本体设计程序 • 结果分析 • 绕组电感的解析计算,及三相六状态下两两
接通方式下的星形接法和三角形接法下的 相电流波形
一 发展状况
1955年，美国 D·Harrison等人首次申请了应用 晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利， 这就是现代直流无刷电动机的雏形。


e a eb

uc 0 0 R ic M M L ic ec
• 电磁转矩方程
Tem
=
1 w
(eaia
+ebib
+ecic
)=
2EsIs w
• 运动方程
Tem
-TL
-Bw=J
dw dt
ea B
ea
Ia 210o 330o
九 两两导通方式下的星形接法
Q1 U
Q4
VD1 Q3
VD3 Q5
VD5
Ra
ia
Lσ
ea
VD4 Q6
VD6 Q2 VD2
ib
Rb
un
Lσ eb
ic Rc
ec
Lσ ec
两两导通三相六状态星形连接方波永磁无刷直流电动
机的整个运行过程，其运行模式可以分为换相和导通两种 运行模式，六种运行状态，即 AC→BC→BA→CA→CB→AB→AC。由电机运行模式的 周期性，仅以AC导通到BC导通的换相模式和BC导通模式 为例分析永磁无刷直流电动机的运行模式，如图9。
响； • 三相定子绕组对称，Ra=Rb=Rc，La=Lb=Lc，
Mab=Mbc=Mca； • 转子磁场为方波磁场（顶部宽度大于120o的梯
形波）。
• 电压方程
ua R
ub



0
0 R
0 0

i a ib



L M
M L
M M

p
i a ib
0 0
B
-10
0.2
0.25
0.3 curr0e.n3t5(A) 0.4
0.45
0.5
10
-10
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
10
current(A)
C
0 0
-10
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Time(s)
-10
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Time(s)
o 2
H ()2d

和
wm

1 2
Laaia2

Labiaib

1 2
Lbbib2
, M
Lab

1 2
Lsa

(kdp )2 cos( 2 )

3
L Laa Lsa

( kdp )2
式中
Lsa

4 2
o
lef pef
N2
八 结果分析
• 实验结果 • 仿真结果 • 解析计算结果
C
B
A
10
0
-10 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 40 20 0
-20 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 20 0
-20 -40