直流无刷电机控制实验系统设计与实现

张鑫

摘 要：伴随着社会和科技的发展，在产业的制造与使用中，永磁材料、电力电子技术、传感器技术、现代控制理论以及微型计算机技术都取得了巨大的进展。基于上述相关材料、技术的研发与集成，使得其在直流无刷电动机的应用技术更为完备与成熟，并具有高效率、长寿命、低噪声等优良的速度－转矩性能等优点。在新时期、新情况下，直流无刷电动机以其众多的优势和特点，在工业、家电等行业得到了越来越多的应用，这就对电动机的控制提出了越来越高的要求。本文在已有的科研成果的前提下，针对当前我国在直流无刷电机方面的研发现状，提出了直流无刷电机的发展方向。

关键词：直流无刷电机；发展；现状分析

由于其具有高效率、低噪声、结构紧凑、可靠性高、维修费用低等优点，在各类新能源汽车和各类家用电子产品中得到了广泛应用。本文所设计的 BLDCM控制试验系统是以EV汽车为原型，具有EV汽车的基础性能；并对电动式汽车控制系统中的每一个功能进行了分区、分区的划分，方便了详细的试验方案的实施；同时，本试验所使用的24V的电压，使整个试验系统的直流母线电流不超过2A，从而避免了因大功率而造成的安全隐患和设备的损坏。在软件设计方面，对程序的流程图进行了细致的设计，将各种控制功能以不同的形式包装起来，方便了软硬件的协作调试。该实验平台可以应用于课堂实验，可以应用于课程设计，可以进行创新实验。

一、直流无刷电机

（一）直流无刷电机基本结构

直流无刷电机是同步电机的一种，即电机转子的转速主要受电机定子旋转磁场的速度和周边相应转子极数的影响直流无刷电机是21世纪发展起来的一种新型的机电一体化装备，它的主要组成是由电机本体、传动机构等组成，尤其是在工业生产中，被越来越多的人所采用。至于直流无刷电机，则是将新老两代直流电机的优势相结合，不仅保留了传统直流电机的优势，而且在具体的结构设计上，基本上去掉了碳刷和滑环，达到了无级调速，而且速度范围也相对较宽，这样的话，在使用过程中，其过载能力会得到极大的提高，而且可靠性、稳定性和适应性也会得到很好的改善，最主要的是，在维护和维护过程中，可以方便地进行操作和维护。

（二）直流无刷电机控制技术

对于直流无刷电机的控制技术，从目前的工业应用来看，其发展方向主要是在速度的控制方面，简而言之，就是在整个工作和运转的过程中，其核心仍然是对控制系统中的电动机速度进行检测，加强对功率管的控制，以保护电动机的电路，例如过流保护和过压保护。在现实的工业中，直流无刷电机控制技术可以总结成以下两个部分：①控制器转换应用技术，在初始的发展时期，其基础形态的构建，主要是以模拟控制器为主体。二十一世纪以来，尤其是最近几年，随着数字电动机控制器装置及其有关技术的发展和使用，在工业生产中，对电动机的模拟和控制系统的运行，也更加方便，并且这类技术装置自身具有很强的实用性，成本也相对较低。但是，目前针对该问题的研究还处于起步阶段，主要表现为：传统的仿真电动机控制方法，因受技术条件及投资成本的限制，还不能满足实际应用要求。随着电脑软件技术的迅速发展，在新一波的技术研发上，直流无刷电机也逐渐被现代化的软件程序所代替，而控制系统所采用的就是现代的控制理论。② Handler变换技术。在实际应用中，在对直流无刷电机进行控制的过程中，无论是在控制精度上，还是在控制速度上，都已经不能满足目前工业生产与家用电器中人们的实际需要。而专用集成电路则是适合于那些对控制性能标准不是很高的电机，在这种控制方式下，设计出来的电路在整体上是比较简单的，也更具有实用性。

二、实验系统结构

以目前市场上已有的电动汽车为原型，采用主流的带有霍尔位置传感器的电动机。该系统具有简单的速度调节，前进和倒退，欠压保护，过电压保护，过温度保护，过电流保护，短路保护等功能，并且在适当的程序中，还具有霍尔自修复，电子制动等辅助功能。并对速度，电力，温度，故障等进行了人机界面的显示[1]。电源组件包括6根电源 MOSFET管(M1-M6)，电源组件向马达供给合适功率；电源驱动电路从单片机接受 PWM信号，生成适用于电源 MOS晶体管的半桥电路驱动信号；控制线路以单片机为主，接受各种类型的传感器传送过来的马达的位置（霍尔），电流，电压，温度，速度，方向等信息，通过控制算法进行运算，生成一个可以改变时间的 PWM控制信号，并把对应的指令信号输出到仪器上。

三、实验系统硬件设计

（一）供电设计

在实验系统的供电中，主要包含了两个方面，一个是控制部分供电，另一个是功率部分供电，电力部分包含了电动机的电源电压，也就是24伏的直流无刷母线电压，15伏的电力驱动器。试验系统中，直流母线电压是通过一个可调节的开关电源来实现的。其它电压是从24伏特的电压转换得到的，电源部分采用不带隔离的低电压变换器，KEY端子由电气门上的锁定装置所操纵，在电气门上的锁定装置被打开时，电力经限流电阻器R1供给后一级的直流无刷降电压回路，而限流电阻器则用来抑制电力被接通时对后续一级如电解电容器C1等所产生的暂态电流的冲量。

（二）功率部分设计

电源线路包括三个半桥线路，一个相位的电源线路，其他两个相位与之相似，M1为动力 MOSFET上层管件，其漏极与母线供电相连，而源极 U与马达的相线相连，而M2为向下压力管件，其工作在该压力管件中。此外，为了避免母线在大电流下运行时产生的不稳定现象，在母线上引入了大容量的电解电容器，并将其接地[2]。半桥电路的驱动首先要解决上半桥电源管的驱动问题，因为其电源与电动机相线相连，在工作中相线电压会发生波动，从而引起电源电压的波动，为了确保上半桥电源管的导通，可以通过自举电路来实现，在相线电压波动的同时，其门电压也会发生波动，从而确保上半桥电源管的有效断开。该系统的驱动电路可以由三极管构成，也可以由特殊的半桥结构构成。

（三）控制部分设计

控制电路的设计以微处理器为核心，本系统采用STM32F030C8单片机，采用48个插头的矩形平面结构，电源电压3.3 V。控制器的工作原理是，从传感器或检测回路中，接收到加速、方向、温度、电流、电压、霍尔等讯号，之后，再以此为基础，来生成门控驱动讯号及仪器讯号。在该设计中微控制器所使用的管脚、相应的端口、信号名称等，单片机程序的读写采用了负载 SWD的调试方法，使用了4条线路：电源，接地，数字，时钟[3]。电源管门的PWM脉冲由先进的单片机定时电路来实现，上下桥脉冲通过相同的信道进行互补。

四、实验系统软件设计

在此基础上，我们可以对市面上的主要电动汽车的控制方式进行试验，或者是方波的控制方式，或者是正弦波的控制方式，由于方波的控制比较简便，而且易于调试，所以在试验过程中，我们以方波的方式为主。在进行软件代码的编写时，使用状态来对软件的运行阶段进行表征，该程序在 CHECK、 IDLE、 INIT、 RUN、 STOP、 FAULT、EABS_START、EABS_END等状态之间进行转换，并设置了具有更高优先权的操作状态，从而能够介入每个状态的执行，该方法以无限循环为主要结构，通过循环中的条件分支语句来决定每一种状态的跳跃。

结束语

综上所述，以新能源技术为基础，以“新能源汽车”为研究对象，设计了一套与之相适应的车载控制实验系统。此测试体系以市场上的一款电动汽车为样机，自行进行了设计，并对其进行了多种附属功能的控制程序的开发，整体体系按照模块化原则进行了结构明确，成本低廉。在此基础上，结合实验设计，创新能力培养，毕业设计，实验操作等，达到了教育实习的目的。在实验过程中，学生们可以获得更好的训练。但是，他们也发现了一系列的问题，那就是学生在做实验的时候，花费的时间比较长，有些实验项目比较难，因此，接下来还需要对实验项目进行进一步的细化，并从硬件上对实验系统进行扩展，让学生更容易操作。

参考文献

[1]关震.直流无刷电机反向运动控制异常故障分析[J].航空维修与工程,2022(12):53-56.

[2]朱信臣,吴宁,戚道才.直流无刷电机优化控制方法[J].电子与封装,2022,22(05):82-86.

[3]徐鹏,曾俊杰,张伟.直流无刷电机的改进型滑模控制[J].重庆理工大学学报(自然科学),2021,35(11):182-188.