摘 要

随着当今社会的不断发展，燃油汽车所带来的城市环境、噪声、空气污染等问题以及全球化石能源不断消耗，这使的人们慢慢开始关注不仅仅发展速度，而是更看重人类可持续发展，这就使得环保、使用可再生能源的新型交通工具得到社会的极大关注。电动车作为新型绿色运输车，在解决危机发挥了重要作用。 然而，虽然交流同步电动机具有良好的运行性能，但其起动性能差，尚未得到广泛应用然而，交流同步电机虽然有良好的的运行性能，但是其启动性能差，因此并没有得到广泛使用；而交流感应电机则是因为其调节性能不佳，和交流同步电机一样，没有收到广泛使用。无刷直流电动因其取消了碳刷、滑环结构，故而具有无机械摩擦、无磨损、无电火花、运行可靠、免维护的优点，而由于是无刷电机，所以不存在机械换向，也就少了一些限制，故而可以进行无级调速，且具备了更宽速度可调范围，过载能力更强的特点。

论文首先通过对本课题即对无刷直流电机发展的背景、意义以及一些具体应用进行说明，对国内外研究现状的阐述，分析了发展无刷直流电机的重要性，对其关键技术以及以后的发展方向进行了的介绍与解释，随后引出了电机的两种重要的驱动方式（正弦波与方波驱动）的发展现状和当今研究的热点问题。最后罗列了本文研究内容。

然后详细分析了无刷直流电机的基本结构，工作原理和主要数学模型，并介绍了不同的接线方式。 详细介绍了无刷直流电机的硬件结构和软件设施的设计。 然后，介绍了直流无刷电驱动的两种驱动模式，即正弦波电流控制模式和方波电流控制模式。最后基于 Matlab/Simulink 仿真软件建立了直流无刷电机驱动系统的仿真模型。

关键词：电动车 无刷直流电机（BLDCM） PWM PIC系列芯片

Abstract

With the continuous development of today's society, fuel vehicles brought about by the city environment, noise, air pollution and other issues and the global consumption of fossil fuels, which makes people slowly began to focus not only the development of speed, but more attention to human Sustainable development, which makes environmental protection, the use of renewable energy sources of new means of transport to the community's great concern. Electric vehicles as a new type of green transport, the solution to the crisis play an important role. However, although the AC synchronous motor has good operating performance, but its start performance is poor, it has not been widely used; and AC induction motor is because of its poor regulation, and AC synchronous motor, did not receive extensive use The Brushless DC electric power because of its abolition of the carbon brush, slip ring structure, and therefore has no mechanical friction, no wear, no spark, reliable operation, maintenance-free advantages, and because it is brushless motor, so there is no mechanical commutation, also It is less limited, so it can be stepless speed regulation, and has a wider range of speed, overload capacity more features.

In this paper, the background, significance and some application of the brushless DC motor are described. The importance of the development of brushless DC motor is analyzed, and the key technology and future development of the brushless DC motor are analyzed. (Sine wave and square wave drive) of the development of the status quo and the hot issues of today 's research. Finally, the contents of this paper are listed.

Then, the basic structure, working principle and main mathematical model of the brushless DC motor are analyzed in detail, and different wiring modes are introduced. The hardware structure of brushless DC motor and the design of software facilities are introduced in detail. Then, the detailed explanation of the two driving modes of DC brushless electric drive, that is, the sine wave current control mode and the square wave current control mode are explained.

Finally, a simulation model of DC brushless motor drive system is established based on Matlab / Simulink simulation software.

Keywords: electric vehicle brushless DC motor (BLDCM) PWM PIC series chip目录

绪论

本章通过介绍国内外电动车中直流无刷电机驱动控制技术的发展状况，分析了有关于正弦波与方波驱动方式下的特点，并且根据此来给出了此论文研究的目的及意义。

1.1研究的目的与意义

1.1.1无刷直流电动机的发展背景

目前，当代社会的高速发展，资源短缺与大气污染问题渐渐开始影响人们的生活。燃油汽车辆给人们带来方便的同时也造成了环境、噪声、空气污染及石油资源的危机，这使得无排污、多种能源配置的新型交通工具开始广泛引起人们的关注。而电能作为人们日常生活中最普遍的第二能源，恰好具备这样的特点，并且随着电能已深入到生产生活的方方面面，也使得电动车具有了节能环保以及便利快捷的特点，并逐渐成为人们日常生活中最常用的一种绿色交通工具。电动汽车主要包括车身，电机，电池，充电器和控制系统5大部分电动机作为电动汽车的动力部件，其性能可以直接决定电动汽车的整体性能 ^[1]。

随着中国经济进入新常态以及政府在面对整个电气系统所制定的新的标准中对其要求是越来越严格，这就要求新一代的设备必须具有更高的性能参数，诸如更加的效率和减少的电磁干扰。无刷直流电动机技术使得这些技术成为可能。 无刷直流电动机，其名称是指没有电刷的结构，无需换向操作，而是应用电子换向，通过有刷直流电机优化和完善。1978年Mannesman公司在展会上展示了一种方波永磁无刷直流电动机及其驱动方式，标志着方波永磁无刷直流电机正式进入实用阶段。在20世纪70年代末期，为了解决永磁同步电机的问题，开发出了正弦波驱动永磁无刷直流电机。 它是一个自控速度控制系统，与同步电机的区别在于无刷直流电机不需要启动绕组; 而无刷直流电机具有更快的动态响应，当负载突然变化的情况下，没有产生振荡和失步。

与此同时，不仅是普通汽车，我国很多大中城市地方政府也相继出台了一些具体政策，来限制甚至禁止燃油摩托车上路，这就给电动车的发展带来了机遇。

而在电动车领域，无刷直流电机的功率较大，对驱动系统的效率和可靠性要求较高，则对电能的使用效率以及提高使用时长就显得十分关键。电动车的焦点在于电机驱动，这便使电机驱动控制技术理所当然成为当今电动车的关键技术。因此本文对于无刷直流电机驱动控制研究具有十分重要的意义。

目前，常用的无刷直流电机控制方法有三种：FOC（也称为矢量频率，磁场矢量方向控制），方波控制（也称为梯形波控制，120°控制，6级换向控制）与正弦波控制。

1.1.2无刷直流电动机的应用

20世纪80年代，无刷直流电机并没有大规模使用，主要是由于昂贵的稀土价格和表现不尽人意的性能，主要用于小功率航空航天等个别军事领域的实验室阶段和。

到了20世纪90年代之后，计算机技术与控制理论发展十分迅速。诸如微控制器，数字信号处理器（DSP），现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）等微处理器的前所未有的发展已经导致命令速度和存储空间的质的飞跃。进一步推动无刷直流电机的发展。

当今生活中，无刷直流电机的应用也是无处不在的：

（1）汽车用无刷直流电机

一辆汽车通常包括数十甚至数百台电机，随着汽车向节能环保的快速发展，汽车中的无刷直流电机具有非常好的应用前景。 除了电机可以驱动为核心部件，还可在汽车空调，雨刷，电动门，安全气囊，电动座椅等驱动上。同时，在纯电动汽车，混合动力汽车等驱动器中，无刷直流电动机也得到了广泛的应用。

（2）航空航天用无刷直流电机

典型应用是机械臂控制，陀螺仪和伺服驱动等，一般要求良好的高速控制精度和动态响应能力，因此相应的系统通过闭环速度反馈控制，以及大部分高级控制算法。

（3）在家用电器中的应用

变频空调的兴起使得无刷直流电机在空调驱动中的市场份额正逐步提高。为了节约成本和提高变频空调压缩机控制系统的稳定性，空调压缩机中宜采用无位置传感器控制方式，实际证明采用无位置传感器控制后，系统体积减小，且效率也有所提高。

（4）在其他工业领域上中的应用

目前，无论民用或者军用机器人和机械臂驱动的应用中，无刷直流电机所占的比重都较以前有大幅提高。

1.1.3无刷直流电动机的研究意义

本课题所研究的方波、正弦波无刷直流电机驱动控制系统，是多项技术的结合，两者都满足电动车对电机驱动控制特性的要求，还具备了很多交流电机所不具备的特点，与此同时，在正弦波驱动系统中，新的智能化SPWM芯片凭借着其自身在成本，复杂度及稳定性方面的优势并改善了传统方法的不足。在方波驱动系统中，为实现控制大功率无刷直流电机的目的，提高系统运行稳定性，还采用不同的电路来。通过进一步分析对比两者的优缺点。

1.2无刷直流电机研究现状与趋势

1.2.1无刷直流电机研究现状

过去，传统的有刷直流电机凭借着启动转矩大，过载能力强以及好的可控性，占据着电机调速的主导地位，但因为其存在碳刷磨损而需要定期更换、运行效率低、占据空间大、防护能力差、能量回馈差的特点及由于受机械换向的影响，使得电机的运行速度受到影响，加上需要频繁的换相，会使换向器与电刷之间相互摩擦，从而存在着噪声大的弊端和电火花等安全隐患。

因而，在刚进入20世纪不久人类第一次提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，诞生了无刷直流电机的基本思想。到20世纪80年代，随着钕铁硼等高性能永磁材料的出现，无刷直流电机得以广泛发展和应用。在90年代后，随着电力半导体器件的飞速发展，如GTR，GTO，MOSFET，IGBT的相继出现，另外微处理器、集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的变化，这些开关器件在向高频化、智能化、大容量化的方向发展^[4]。

国外对于无刷直流电机的研究与应用上已经做了大量的工作，关于控制方面的研究也日趋成熟，在一些领域已经取得了一定的成果，例如对无刷直流电机研究现状的总结^[2]，对比分析了不同电机结构和永磁材料对电机性能的影响^[3]，采用有限分析对电机结构设计进行优化等^[4]。