BLDC直流无刷电机驱动

目 录

第1章 无刷直流电机驱动实验指导···············································································2

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

概述································································································································2 有感驱动速度开环模式实验·························································································3 有感驱动速度闭环模式实验·························································································4 无感驱动速度开环模式实验·························································································6 无感驱动速度闭环模式实验·························································································7

广州

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动控

第1章 无刷直流电机驱动实验指导

无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的,它用位置传感器代替了有刷直流电机的电刷和换向器,因此其内部发生的电磁过程和普通的有刷直流电机类似,无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点,又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。

本实验指导基于富士通FM3微处理器和BLDC-DK615驱动板。 在开始实验之前先详细阅读教材——无刷直流电机的原理与驱动。

1.1 概述

BLDC-DK615是一款无刷电机驱动学习板,支持无刷电机有位置传感器驱动方案(下文简称“有感驱动”),无位置传感器驱动方案(下文简称“无感驱动”)。

2

FSSDC-9B506-EK是一款基于富士通FM3微处理器(Cortex-M3内核)的开发板。

广州

图1.1 BLDC-DK615驱动板接线图

图1.2 FSSDC-9B506-EK开发板布局图

表1.1详细说明了BLDC-DK615与FSSDC-9B506-EK接线关系。

表1.1 BLDC-DK615与FSSDC-9B506-EK接线表

BLDC-DK615

FSSDC-9B506-EK

注:J1为BLDC-DK615控制信号接口,CN6/7为FSSDC-9B506-EK的MCU引脚接口。

1.2 有感驱动速度开环模式实验

有感驱动速度开环模式,电机需要用有位置传感器电机,实验利用位置传感器的信号反馈

位置,根据位置信息对电机进行换向,使电机转动连续平稳。

2. 实验步骤

(1)、断开图1.1中的J5、J6和J7跳线,并用杜邦线将BLDC-DK615的J1与

FSSDC-9B506-EK的CN6/7按表1.1所示的关系连接,确认接线无误后分别给2块板子上电。 (2)、用IAR v6.2打开光盘目录【单片机程序\FM3_ZMC_Hall】下的【ZMC_Hall_Open】工程,并重新编译。

(3)、用AK100仿真器下载程序到FSSDC-9B506-EK的MCU。按复位键程序全速运行,电机恒速运行。

3. 程序解析

有感驱动换相由【MiddleWare\ZLG Motion Control\ZMC_App\BLDC】目录下ZMC_BldcHall.c文件的zmcBldcHallCallback函数实现,部分代码如下:

程序清单1.1 有感驱动换相程序

/**********************************************************************************************

3

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1. 实验原理

此函数为霍尔中断回调函数

**********************************************************************************************/ void zmcBldcHallCallback (void) {

static INT8U ucPreSector = 0xff; static INT8U ucSector = 0; /*

* 自动换相 */

ZMC_BLDC_SEC_HALL(&ucSector);

if (ucSector != ucPreSector) { ZMC_BLDC_PWM_COMMUTATE(GucDir, ucSector); ucPreSector = ucSector;

} }

/* 2次扇区不一致

*/ */ */

/* 换相 /* 记录本次扇区 /* 获取当前扇区

*/

1.3 有感驱动速度闭环模式实验

1. 实验原理

2. 实验步骤

(3)、用AK100仿真器下载程序到FSSDC-9B506-EK的MCU。按复位键程序全速运行,电机恒速运行。

3. 程序解析

有感驱动换相及测速由【MiddleWare\ZLG Motion Control\ZMC_App\BLDC】目录下ZMC_BldcHall.c文件的zmcBldcHallCallback函数实现,部分代码如下:

程序清单1.2 有感驱动换相及测速程序

/********************************************************************************************** 此函数为霍尔中断回调函数

**********************************************************************************************/ void zmcBldcHallCallback (void) {

static INT8U ucSectorCnt = 0; static INT8U ucPreSector = 0xff;

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(2)、用IAR v6.2打开光盘目录【单片机程序\FM3_ZMC_Hall】下的【ZMC_Hall_PID】工程,并重新编译。

(1)、断开图1.1中的J5、J6和J7跳线,并用杜邦线将BLDC-DK615的J1与

FSSDC-9B506-EK的CN6/7按表1.1所示的关系连接,确认接线无误后分别给2块板子上电。

有感驱动速度闭环模式,电机需要用有位置传感器电机,实验利用位置传感器的信号反馈位置,根据位置信息对电机进行换向,使电机转动连续平稳,并同时利用电机的位置传感器计算电机当前的转速。

动控

static INT8U ucSector = 0; INT32U ulTimeCnt = 0;

ZMC_BLDC_SEC_HALL(&ucSector); /*

* 自动换相 */

if (ucSector != ucPreSector) { ZMC_BLDC_PWM_COMMUTATE(GucDir, ucSector); ucSectorCnt++; } /*

* 速度计算 */

ucSectorCnt = 0;

if (ucSectorCnt >= 3) {

/* 2次扇区不一致

*/ */ */

/* 换相 /* 获取当前扇区

*/

ucPreSector = ucSector; /* 记录本次扇区

动控

/* 换相3次计算1次速度

*/

zmdTimerCurValueCntGet(ZMD_16BIT_TIMER6); zmdTimerResetCnt(ZMD_16BIT_TIMER6);

return; }

if (!ulTimeCnt) {

/* 复位定时器,重新计时 /* 防止除数为0

*/ */

} }

ulTimeCnt = zmdTimerInitValueCntGet(ZMD_16BIT_TIMER6) -

/* 计算速度,电机极对数2 */

GulSpeed = ((zmdTimerClkGet(ZMD_16BIT_TIMER6) * 30) / 2) / ulTimeCnt;

速度PID调节由ZMC_BldcHall.c文件的zmcBldcPwmCallback函数实现,部分代码如下:

程序清单1.3 速度PID调节程序

ZMC_PID_DATA GtPid = ZMC_PID_DATA_DEF; /* PID 结构体变量 此函数为PWM中断回调函数

**********************************************************************************************/ void zmcBldcPwmCallback (void) {

static INT32U ulPwmTick = 0;

if (GucStart != 2) { /* 电机未启动 return;

*/

*/

/**********************************************************************************************

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}

if ( ulPwmTick++ >= (ZMC_BLDC_PID_PERIOD * 20) ) { ulPwmTick = 0;

GtPid.qRef = ZMC_Q16(GulTarSpeed); ZMC_PID(&GtPid, ZMC_Q16(GulSpeed)); ZMC_BLDC_PWM_DUTY(GtPid.qOut); } }

/* PID参考值 /* 设置PWM占空比

*/ */ */

/* PID的PID调节器 /* PID调节周期

*/

1.4 无感驱动速度开环模式实验

1. 实验原理

无感驱动速度开环模式,利用采样电机的反电势,并检测反电势的过零点来判断电机转子的位置,根据电机转子的位置来实现换向,使电机能平稳连续转动。

2. 实验步骤

(1)、短接图1.1中的J5、J6和J7跳线,并用杜邦线将BLDC-DK615的J1与

FSSDC-9B506-EK的CN6/7按表1.1所示的方法连接,确认接线无误后分别给2块板子上电。

(3)、用AK100仿真器下载程序到FSSDC-9B506-EK的MCU。按复位键程序全速运行,电机恒速运行。

3. 程序解析

ZMC_BEMF_DATA GtBemf = ZMC_BEMF_DATA_DEF;

/********************************************************************************************** 此函数为PWM中断回调函数

**********************************************************************************************/ void zmcBldcPwmCallback (void) {

static INT8U ucPreSector = 0xff; static INT8U ucSector = 0;

zmdAdcDataGet(ZMD_ADC0, &GulAdcBemf[0]);

ZMC_BLDC_UPHA_PU(&GtBemf.qVa); ZMC_BLDC_UPHC_PU(&GtBemf.qVc);

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/* 读取A相反向电动势,Q24 /* 读取C相反向电动势,Q24

*/ */ */

ZMC_BLDC_UPHB_PU(&GtBemf.qVb); /* 读取B相反向电动势,Q24

/* 读取反向电动势ADC转换值

*/

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无感驱动换相由【MiddleWare\ZLG Motion Control\ZMC_App\BLDC】目录下ZMC_BldcBemf.c文件的zmcBldcPwmCallback函数实现,部分代码如下:

程序清单1.4 无感驱动换相程序

(2)、用IAR v6.2打开光盘目录【单片机程序\FM3_ZMC_Bemf】下的【ZMC_Bemf_Open】工程,并重新编译。

动控

/*

* 自动换相 */

ZMC_BLDC_SEC_BEMF(GtBemf, &ucSector);

if (ucPreSector != ucSector) {

/* 2次扇区不一致 /* 换相

*/ */ */

/* 根据反向电动势计算换相扇区

*/

ZMC_BLDC_PWM_COMMUTATE(GtBemf.ucCmtDir, ucSector);

ucPreSector = ucSector; /* 记录本次扇区 } }

1.5 无感驱动速度闭环模式实验

1. 实验原理

无感驱动速度闭环模式,利用采样电机的反电势,并检测反电势的过零点来判断电机转子的位置,根据电机转子的位置来实现换向,使电机能平稳连续转动,同时通过计算过零点之间的时间差来换算出电机的转速。

2. 实验步骤

(2)、用IAR v6.2打开光盘目录【单片机程序\FM3_ZMC_Bemf】下的【ZMC_Bemf_PID】工程,并重新编译。

(3)、用AK100仿真器下载程序到FSSDC-9B506-EK的MCU。按复位键程序全速运行,电机恒速运行。

3. 程序解析

ZMC_PID_DATA GtPid = ZMC_PID_DATA_DEF; /* PID 结构体变量 此函数为PWM中断回调函数

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无感驱动换相、测速及速度PID调节由【MiddleWare\ZLG Motion Control\ZMC_App\BLDC】目录下ZMC_BldcBemf.c文件的zmcBldcPwmCallback函数实现,部分代码如下:

程序清单1.5 无感驱动换相、测速及速度PID调节程序

*/

/********************************************************************************************** **********************************************************************************************/ void zmcBldcPwmCallback (void) {

static INT8U ucPreSector = 0xff; static INT8U ucSector = 0; static INT32U ulPwmTick = 0; /*

* 自动换相 */

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(1)、短接图1.1中的J5、J6和J7跳线,并用杜邦线将BLDC-DK615的J1与

FSSDC-9B506-EK的CN6/7按表1.1所示的方法连接,确认接线无误后分别给2块板子上电。

动控

zmdAdcDataGet(ZMD_ADC0, &GulAdcBemf[0]);

ZMC_BLDC_UPHA_PU(&GtBemf.qVa); ZMC_BLDC_UPHB_PU(&GtBemf.qVb);

ZMC_BLDC_SEC_BEMF(GtBemf, &ucSector);

if (ucPreSector != ucSector) {

/* 读取反向电动势ADC转换值 */

/* 读取A相反向电动势,Q24 */ /* 读取B相反向电动势,Q24 */

ZMC_BLDC_UPHC_PU(&GtBemf.qVc); /* 读取C相反向电动势,Q24 */

/* 根据反向电动势计算换相扇区 */ /* 2次扇区不一致 */ / * 换相

*/ */

ZMC_BLDC_PWM_COMMUTATE(GtBemf.ucCmtDir, ucSector);

ucPreSector = ucSector; /* 记录本次扇区 } /*

* 计算速度 */

GtBemf.ulCmtDlyCnt = 0; GulSpeed = 0;

} else {

} /*

* 速度PID调节 */ return; }

if (GtBemf.ulCmtDlyCnt > 200000) {

/* 转速过低

*/

GulSpeed = 50000 / GtBemf.ulAvrgCmtDly; /* 计算转速,电机极对数2

*/

if (!GucStart) { /* 电机未启动

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*/

if ( ulPwmTick++ >= (ZMC_BLDC_PID_PERIOD * 20) ) { /* PID调节周期 ulPwmTick = 0;

GtPid.qRef = ZMC_Q16(GulTarSpeed); /* PID参考值 ZMC_PID(&GtPid, ZMC_Q16(GulSpeed)); ZMC_BLDC_PWM_DUTY(GtPid.qOut); } }

*/

*/ */ */

/* PID的PID调节器 /* 设置PWM占空比

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目 录

第1章 无刷直流电机驱动实验指导···············································································2

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

概述································································································································2 有感驱动速度开环模式实验·························································································3 有感驱动速度闭环模式实验·························································································4 无感驱动速度开环模式实验·························································································6 无感驱动速度闭环模式实验·························································································7

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动控

第1章 无刷直流电机驱动实验指导

无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的,它用位置传感器代替了有刷直流电机的电刷和换向器,因此其内部发生的电磁过程和普通的有刷直流电机类似,无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点,又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。

本实验指导基于富士通FM3微处理器和BLDC-DK615驱动板。 在开始实验之前先详细阅读教材——无刷直流电机的原理与驱动。

1.1 概述

BLDC-DK615是一款无刷电机驱动学习板,支持无刷电机有位置传感器驱动方案(下文简称“有感驱动”),无位置传感器驱动方案(下文简称“无感驱动”)。

2

FSSDC-9B506-EK是一款基于富士通FM3微处理器(Cortex-M3内核)的开发板。

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图1.1 BLDC-DK615驱动板接线图

图1.2 FSSDC-9B506-EK开发板布局图

表1.1详细说明了BLDC-DK615与FSSDC-9B506-EK接线关系。

表1.1 BLDC-DK615与FSSDC-9B506-EK接线表

BLDC-DK615

FSSDC-9B506-EK

注:J1为BLDC-DK615控制信号接口,CN6/7为FSSDC-9B506-EK的MCU引脚接口。

1.2 有感驱动速度开环模式实验

有感驱动速度开环模式,电机需要用有位置传感器电机,实验利用位置传感器的信号反馈

位置,根据位置信息对电机进行换向,使电机转动连续平稳。

2. 实验步骤

(1)、断开图1.1中的J5、J6和J7跳线,并用杜邦线将BLDC-DK615的J1与

FSSDC-9B506-EK的CN6/7按表1.1所示的关系连接,确认接线无误后分别给2块板子上电。 (2)、用IAR v6.2打开光盘目录【单片机程序\FM3_ZMC_Hall】下的【ZMC_Hall_Open】工程,并重新编译。

(3)、用AK100仿真器下载程序到FSSDC-9B506-EK的MCU。按复位键程序全速运行,电机恒速运行。

3. 程序解析

有感驱动换相由【MiddleWare\ZLG Motion Control\ZMC_App\BLDC】目录下ZMC_BldcHall.c文件的zmcBldcHallCallback函数实现,部分代码如下:

程序清单1.1 有感驱动换相程序

/**********************************************************************************************

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1. 实验原理

此函数为霍尔中断回调函数

**********************************************************************************************/ void zmcBldcHallCallback (void) {

static INT8U ucPreSector = 0xff; static INT8U ucSector = 0; /*

* 自动换相 */

ZMC_BLDC_SEC_HALL(&ucSector);

if (ucSector != ucPreSector) { ZMC_BLDC_PWM_COMMUTATE(GucDir, ucSector); ucPreSector = ucSector;

} }

/* 2次扇区不一致

*/ */ */

/* 换相 /* 记录本次扇区 /* 获取当前扇区

*/

1.3 有感驱动速度闭环模式实验

1. 实验原理

2. 实验步骤

(3)、用AK100仿真器下载程序到FSSDC-9B506-EK的MCU。按复位键程序全速运行,电机恒速运行。

3. 程序解析

有感驱动换相及测速由【MiddleWare\ZLG Motion Control\ZMC_App\BLDC】目录下ZMC_BldcHall.c文件的zmcBldcHallCallback函数实现,部分代码如下:

程序清单1.2 有感驱动换相及测速程序

/********************************************************************************************** 此函数为霍尔中断回调函数

**********************************************************************************************/ void zmcBldcHallCallback (void) {

static INT8U ucSectorCnt = 0; static INT8U ucPreSector = 0xff;

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(2)、用IAR v6.2打开光盘目录【单片机程序\FM3_ZMC_Hall】下的【ZMC_Hall_PID】工程,并重新编译。

(1)、断开图1.1中的J5、J6和J7跳线,并用杜邦线将BLDC-DK615的J1与

FSSDC-9B506-EK的CN6/7按表1.1所示的关系连接,确认接线无误后分别给2块板子上电。

有感驱动速度闭环模式,电机需要用有位置传感器电机,实验利用位置传感器的信号反馈位置,根据位置信息对电机进行换向,使电机转动连续平稳,并同时利用电机的位置传感器计算电机当前的转速。

动控

static INT8U ucSector = 0; INT32U ulTimeCnt = 0;

ZMC_BLDC_SEC_HALL(&ucSector); /*

* 自动换相 */

if (ucSector != ucPreSector) { ZMC_BLDC_PWM_COMMUTATE(GucDir, ucSector); ucSectorCnt++; } /*

* 速度计算 */

ucSectorCnt = 0;

if (ucSectorCnt >= 3) {

/* 2次扇区不一致

*/ */ */

/* 换相 /* 获取当前扇区

*/

ucPreSector = ucSector; /* 记录本次扇区

动控

/* 换相3次计算1次速度

*/

zmdTimerCurValueCntGet(ZMD_16BIT_TIMER6); zmdTimerResetCnt(ZMD_16BIT_TIMER6);

return; }

if (!ulTimeCnt) {

/* 复位定时器,重新计时 /* 防止除数为0

*/ */

} }

ulTimeCnt = zmdTimerInitValueCntGet(ZMD_16BIT_TIMER6) -

/* 计算速度,电机极对数2 */

GulSpeed = ((zmdTimerClkGet(ZMD_16BIT_TIMER6) * 30) / 2) / ulTimeCnt;

速度PID调节由ZMC_BldcHall.c文件的zmcBldcPwmCallback函数实现,部分代码如下:

程序清单1.3 速度PID调节程序

ZMC_PID_DATA GtPid = ZMC_PID_DATA_DEF; /* PID 结构体变量 此函数为PWM中断回调函数

**********************************************************************************************/ void zmcBldcPwmCallback (void) {

static INT32U ulPwmTick = 0;

if (GucStart != 2) { /* 电机未启动 return;

*/

*/

/**********************************************************************************************

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}

if ( ulPwmTick++ >= (ZMC_BLDC_PID_PERIOD * 20) ) { ulPwmTick = 0;

GtPid.qRef = ZMC_Q16(GulTarSpeed); ZMC_PID(&GtPid, ZMC_Q16(GulSpeed)); ZMC_BLDC_PWM_DUTY(GtPid.qOut); } }

/* PID参考值 /* 设置PWM占空比

*/ */ */

/* PID的PID调节器 /* PID调节周期

*/

1.4 无感驱动速度开环模式实验

1. 实验原理

无感驱动速度开环模式,利用采样电机的反电势,并检测反电势的过零点来判断电机转子的位置,根据电机转子的位置来实现换向,使电机能平稳连续转动。

2. 实验步骤

(1)、短接图1.1中的J5、J6和J7跳线,并用杜邦线将BLDC-DK615的J1与

FSSDC-9B506-EK的CN6/7按表1.1所示的方法连接,确认接线无误后分别给2块板子上电。

(3)、用AK100仿真器下载程序到FSSDC-9B506-EK的MCU。按复位键程序全速运行,电机恒速运行。

3. 程序解析

ZMC_BEMF_DATA GtBemf = ZMC_BEMF_DATA_DEF;

/********************************************************************************************** 此函数为PWM中断回调函数

**********************************************************************************************/ void zmcBldcPwmCallback (void) {

static INT8U ucPreSector = 0xff; static INT8U ucSector = 0;

zmdAdcDataGet(ZMD_ADC0, &GulAdcBemf[0]);

ZMC_BLDC_UPHA_PU(&GtBemf.qVa); ZMC_BLDC_UPHC_PU(&GtBemf.qVc);

6

/* 读取A相反向电动势,Q24 /* 读取C相反向电动势,Q24

*/ */ */

ZMC_BLDC_UPHB_PU(&GtBemf.qVb); /* 读取B相反向电动势,Q24

/* 读取反向电动势ADC转换值

*/

广

无感驱动换相由【MiddleWare\ZLG Motion Control\ZMC_App\BLDC】目录下ZMC_BldcBemf.c文件的zmcBldcPwmCallback函数实现,部分代码如下:

程序清单1.4 无感驱动换相程序

(2)、用IAR v6.2打开光盘目录【单片机程序\FM3_ZMC_Bemf】下的【ZMC_Bemf_Open】工程,并重新编译。

动控

/*

* 自动换相 */

ZMC_BLDC_SEC_BEMF(GtBemf, &ucSector);

if (ucPreSector != ucSector) {

/* 2次扇区不一致 /* 换相

*/ */ */

/* 根据反向电动势计算换相扇区

*/

ZMC_BLDC_PWM_COMMUTATE(GtBemf.ucCmtDir, ucSector);

ucPreSector = ucSector; /* 记录本次扇区 } }

1.5 无感驱动速度闭环模式实验

1. 实验原理

无感驱动速度闭环模式,利用采样电机的反电势,并检测反电势的过零点来判断电机转子的位置,根据电机转子的位置来实现换向,使电机能平稳连续转动,同时通过计算过零点之间的时间差来换算出电机的转速。

2. 实验步骤

(2)、用IAR v6.2打开光盘目录【单片机程序\FM3_ZMC_Bemf】下的【ZMC_Bemf_PID】工程,并重新编译。

(3)、用AK100仿真器下载程序到FSSDC-9B506-EK的MCU。按复位键程序全速运行,电机恒速运行。

3. 程序解析

ZMC_PID_DATA GtPid = ZMC_PID_DATA_DEF; /* PID 结构体变量 此函数为PWM中断回调函数

广州

无感驱动换相、测速及速度PID调节由【MiddleWare\ZLG Motion Control\ZMC_App\BLDC】目录下ZMC_BldcBemf.c文件的zmcBldcPwmCallback函数实现,部分代码如下:

程序清单1.5 无感驱动换相、测速及速度PID调节程序

*/

/********************************************************************************************** **********************************************************************************************/ void zmcBldcPwmCallback (void) {

static INT8U ucPreSector = 0xff; static INT8U ucSector = 0; static INT32U ulPwmTick = 0; /*

* 自动换相 */

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(1)、短接图1.1中的J5、J6和J7跳线,并用杜邦线将BLDC-DK615的J1与

FSSDC-9B506-EK的CN6/7按表1.1所示的方法连接,确认接线无误后分别给2块板子上电。

动控

zmdAdcDataGet(ZMD_ADC0, &GulAdcBemf[0]);

ZMC_BLDC_UPHA_PU(&GtBemf.qVa); ZMC_BLDC_UPHB_PU(&GtBemf.qVb);

ZMC_BLDC_SEC_BEMF(GtBemf, &ucSector);

if (ucPreSector != ucSector) {

/* 读取反向电动势ADC转换值 */

/* 读取A相反向电动势,Q24 */ /* 读取B相反向电动势,Q24 */

ZMC_BLDC_UPHC_PU(&GtBemf.qVc); /* 读取C相反向电动势,Q24 */

/* 根据反向电动势计算换相扇区 */ /* 2次扇区不一致 */ / * 换相

*/ */

ZMC_BLDC_PWM_COMMUTATE(GtBemf.ucCmtDir, ucSector);

ucPreSector = ucSector; /* 记录本次扇区 } /*

* 计算速度 */

GtBemf.ulCmtDlyCnt = 0; GulSpeed = 0;

} else {

} /*

* 速度PID调节 */ return; }

if (GtBemf.ulCmtDlyCnt > 200000) {

/* 转速过低

*/

GulSpeed = 50000 / GtBemf.ulAvrgCmtDly; /* 计算转速,电机极对数2

*/

if (!GucStart) { /* 电机未启动

广

*/

if ( ulPwmTick++ >= (ZMC_BLDC_PID_PERIOD * 20) ) { /* PID调节周期 ulPwmTick = 0;

GtPid.qRef = ZMC_Q16(GulTarSpeed); /* PID参考值 ZMC_PID(&GtPid, ZMC_Q16(GulSpeed)); ZMC_BLDC_PWM_DUTY(GtPid.qOut); } }

*/

*/ */ */

/* PID的PID调节器 /* 设置PWM占空比

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