1。1 研究背景及选题意义

对于 21 世纪最有发展应用前景的电子控制电机来说，无刷直流电机无疑身 居榜首。无刷电机在航天航空领域、导弹卫星等国防军事装备、科学仪器、数 控机床、工业机器人、交通运输、医疗器械、计算机外围设备、办公自动化设 备及家电民用消费产品中应用越来越广泛。

电能是现代社会最熟悉也是使用最普遍的能源，电机是把电能转化成机械 能的一种装置，直流电机便是把直流电能转化成机械能的一种装置，若是把交 流电通过整流方法转化为直流电给直流电机供电，那么直流电机也能把交流电 转化成机械能。与其他类型的电机对比，直流电机具有控制性能与调速性能好、 起动转矩大、运行平稳、效率高等优势，恰是其优良的启动性能和调节性能， 以是直流电机不断扩展应用范围。然而，对有刷直流电机来说，把直流电能接 入电枢绕组，必要通过电刷和换向器来实现电枢电流的换向和转子的磁场变动， 转子磁场与定子磁场彼此作用产生转矩，使电机工作。但是有刷直流电机因机 械换向装置结构的存在使其产生一连串的不足，如电刷摩擦、换向火花、电磁 干扰等会对电机性能产生影响，间接引发电机寿命短、噪声大、故障多等问题， 极大限制了直流电机在生产生活中的使用。无刷直流电机的研发和使用基本解 决了有刷电机的缺陷，同时又保留着直流电机的稳定的机械性和调节性，它的 这些优点决定了无刷直流电机普遍的应用范围，而今永磁无刷电机的生产数量 在不停提升，我国每年出产的永磁无刷直流电机都在数十亿台以上。

1。2 无刷直流电机的发展及研究方向

1。2。1 无刷直流电机发展历程及现状

1。2。2 无刷直流电机未来的研究方向

1。2。3 无刷直流电机的应用

1。3 电机控制器的发展现状

1。4 论文主要内容

无刷直流电机以优良的调速性能和相对简单的结构，被广泛的在各个工业 领域内应用，特别是高精度、高性能、高可靠性和多电机控制的场合例如航空 航天、军工等。本文在详细分析无刷直流电机基本结构和原理的基础上，针对 航空航天等领域对无刷直流电机控制器高速度，高精度、体积小等要求，使用 FPGA 芯片控制硬件电路，按模块化思想，完成双闭环控制系统，并使用 PI 控 制算法实现。本文的具体内容如下:论文网

（1）深入研究无刷直流电机的结构特点和工作原理，通过一定的假设和简 化，建立无刷直流电机的数学模型。分析得出无刷直流电机和有刷直流电机一 样，具有相同的调速特性。

（2）对无刷直流电机控制系统的控制方法进行研究分析，采用电压、电流 双闭环控制，调节器使用 PI 算法。

（3）按照模块化思想，设计系统的 PWM 调制模块、换相模块、调节模块 等功能模块；设计系统的位置检测电路、A/D 转换电路、功率及驱动电路等硬 件电路。通过 Verilog   HDL 语言在 QuartusⅡ软件上对各部分进行设计。

（4）对控制系统在 Modelsim、MATLAB 两种仿真环境下进行仿真验证。

第二章 无刷直流电机的基本原理

2。1 无刷直流电机的基本结构

无刷直流电机的主要结构如图 2-1 所示，由电动机本体、位置传感器和电 子换向电路组成。电机内部装有一个位置传感器，用来检测电机内转子的位置， 它和换相电路相连，代替有刷直流电机的机械换向装置。

图 2-1 无刷直流电机的基本结构

2。1。1 电动机本体

无刷直流电机从原理结构上看，电机本体部分就是一个永磁同步电机：缠 绕多相绕组的定子和放置永磁体或由永磁体制作的转子。在电机本体结构上， 无刷直流电机与有刷直流电机相似，都是由定子和转子组成，不同的是两者的 定子与转子恰好相反，无刷直流电机的转子是永磁体，通常用永磁材料制作， 如氧化体或钕铁硼等，定子上面安装电枢绕组。电级本体结构如图 2-2 所示。