开题报告

电气工程及自动化

基于反电动势法的无刷直流电机控制系统的建模与仿真

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

无刷直流电机发展历程

20世纪30年代，一些学者开始研制采用电子换向的无刷直流电机，为无刷直流电机的诞生提供了条件。但是由于当时的大功率电子器件还处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向器件，是的这种可靠性差、效率地下的点击只能提留在实验室阶段，无法推广使用。1955，美国的Harrison和Rye首次成功用晶体管换向线路代替电机机械电刷换向装置的专利，这就是现代无刷直流电机的雏形。其后经过反复不断实验和不断实践，借助霍尔元件实现电子换向的无刷电机终于在1962年问世，从而开创了无刷直流电机产品化的新纪元。随着电力电子工业的发展，许多新型的高性能半导体功率元件相继出现，为无刷直流电机的发展奠定了坚实的基础。1978年德国Mannesmann公司推出MAC无刷直流电机及其驱动系统，这标志着无刷直流电机正在进入实用阶段。20世纪90年代以后，计算机技术与控制理论发展十分迅速，单片机，数字信号处理器（DSP），现场可编程门阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）等微处理器得到了空前的发展，指令速度和存储空间都有了质的飞跃，进一步推动了无刷直流电机的发展。此外，一些先进的控制策略和方法，如滑模变结构控制、模糊控制、质抗扰控制和自适应控制等，不断的被应用到无刷直流电机控制系统中。这些方法在一定程度上提高了无刷直流电机控制系统在转矩波动抑制、转速动态和稳态响应以及系统抗干扰等方面的性能，扩大了直流无刷电机控制系统的应用范围，同时还丰富了相关控制理论的内涵。

无刷直流电机研究现状

目前，国内外无刷直流电机的一般控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。国外发达国家对无刷电机的研究内容与中国大体相当，但美国与日本具有较先进的无刷直流电机制造与控制技术。特别是日本在民用方面比较突出，而美国在军工方面更加先进。当前的研究热点主要集中在以下三个方面：1：研究无位置传感器控制技术以提高系统的可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量；2：从电机设计和控制方法等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制方法，从而提高其伺服精度，扩大其应用范围；3：设计可靠、小巧、通用性强的集成化无刷直流电机控制器。

无位置传感控制技术主要通过电机内容易获取的电压或电流等信号，经过一定的算法处理，得到转子的位置信号，也称为转子位置间接检测法。转子位置间接检测法包括：反电动势法、电感法、磁链法、续流二极管法、变电机结构法、观测器估计法、智能估计法。

转矩波动抑制研究是无刷直流电机控制系统中重要的课题。同其他电机一样，无刷直流电机的设计不可能完全避免齿槽效应、涡流效应等现象，因此齿槽转矩在无刷直流电机转矩波动抑制中需要考虑，通常可采用斜槽和分数槽的方法对其进行抑制，效果较好。引起无刷直流电机转矩波动的原因很复杂，针对不同的情况可采用相应的控制方法，各种方法都有自己的优缺点和适用场合。同时，现有的转矩波动研究方法均是针对电机结构及控制方案提出的一些改善或补偿方法，并没有从根本上消除转矩波动，因而对于转矩波动抑制的研究还有待于进一步深入。

无刷直流电机控制器的发展同电器元件类似，经历了从分立元件控制方式到数字可编程集成电路控制方式的发展历程。一般采用分立电子元器件设计的无刷直流电机控制器结构复杂、体积较大，相应的可靠性和通用性也较差，不利于批量生产。因此，对无刷直流电机的控制，当前主要采用专用集成电路（ASIC）控制器、FPGA、单片机和DSP控制器等方式。

反电动势法

在各种无位置传感器控制方法中，反电动势法是目前技术最成熟、应用最广泛的一种未知检测方法。该方法将检测获得的反电动势过零信号延迟30°电角度，得到6个离散的转子位置信号，为逻辑开关电路提供正确的换向信息，进而实现无刷直流电机的无位置传感器控制。

目前，反电动势法的关键是如何检测反电动势过零点，国内外众多学者对反电动势法进行了深入研究，已提出了端电压检测法、反电势积分法、反电势三次谐波法、续流二级管法以及线反电势法等多种检测方式。

无刷直流电机控制系统仿真

电机控制系统的研究对硬件条件和实验水平要求较高，有些实验可能造成电机和实验设备损坏，这在一定程度上增加了研究成本，也给直接实验带来很大困难，引入计算机仿真技术可以有效缓解上述矛盾。计算机仿真技术在现代化电机控制系统中的应用，能促进研究人员更加方便的设计和分析控制系统，对加快产品的研发速度和降低科研成本都具有重要意义。目前常用的电机控制系统仿真软件有MATLAB/Simulink、ASCL、SPICE、Saber等，其中Simulink应用较为广泛。Simulink具有专门的电机控制系统仿真工具包，其示例模型（demos）涵盖几乎所有常用的交、直流驱动系统类型，包括矢量控制、直接转矩控制等高性能电机控制策略的建模。另外，Simulink友好的用户界面、简单的操作方法和基于MATLAB的强大数据分析功能也为其应用创造了有力条件。

由于无刷直流电机具有高效率、长寿命、低噪声以及较好的转速-转矩特性等优点，在汽车、航空、家用电器等行业内等到了较好的发展。由此研究无刷直流电机控制系统就具有了实际意义。此外，该课题有助于学生对电机结构工作原理的进一步了解，尤其是直流无刷电机。通过该课题，有助于掌握电机仿真软件，为以后从事这方面工作奠定基础。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：

1、掌握基于反电动势法的无刷直流电机控制系统工作原理，并分析其驱动方式和控制策略。

2、掌握无刷直流电机控制系统的拓扑结构、系统构成和工作原理，并对基于反电动势法的无刷直流电机控制系统进行建模与仿真。

3、应用前沿电力电子技术和先进控制理论，完成无刷直流电机的闭环控制与性能分析。

4、综合掌握电气工程学科领域前沿的电力电子技术，及电力传动控制方面的基础理论和相关技术。

三、研究步骤、方法及措施：

到图书馆查阅与课题相关的一些文献资料，掌握无刷直流电机控制系统的主要内容（工作原理、拓扑结构、系统构成等）。

通过自主学习掌握Matlab仿真软件，并基于反电动势法的无刷直流电机控制系统进行建模与仿真。

针对该课题查找最新工程实例，并对其进行分析，掌握这项技术

整理资料，完成论文设计

四、参考文献

[1]

刘增磊，程小华.无刷直流电动机发展与现状[J]，防爆电机，2025年第三期第42卷.[2]

夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京：科学出版社，2025.[3]

BYOUNG-KUK

LEE,Advanced

Simulation

Model

for

Brushless

DC

Motor

Drives

[J],Texas

A&M

University,2025.[4]

张琛.直流无刷电机原理及应用[M]，第2版.北京：机械工业出版社，2025

[5]

张葛祥，李娜.MATLAB仿真技术与应用[M]，北京：清华大学出版社，2025

[6]

王永.“反电势法”无刷直流电机控制系统研究[D]，硕士学位论文.南京：东南大学电气系，2025

[7]

王瑞光.无刷直流电机无位置传感器控制的研究[D]，硕士学位论文.哈尔滨：哈尔滨工业大学机械系，2025