实验题目：无刷直流电机控制电路设计

1. 实验内容与任务（限500字）

1）以无刷直流电机为对象，设计一个实现电机正反转、速度可调、以 PWM 方式控制的无刷直流电机控制系统；
2） 对无刷直流电机霍尔信号进行处理，请自行设计霍尔信号采样和处理方法；通过实验观察定子电流波形，分析不同编码方式对电机运行性能的影响
3）设计提高电机抗外界干扰能力的控制方法，当电机突变负载时，仍然能够将转速控制在指定范围内。

2. 实验过程及要求（限300字）

1） 学习无刷直流电机运行原理和基本控制方法；
2）掌握无刷直流电机霍尔信号的编码和译码原理，推导换向真值表；
3） 选择电流传感器以获取电流信号，根据传感器类型选择放大器类型，设计放大电路。注意
放大电路的输入阻抗和增益；在仿真优化的基础上实现电流信号采集及放大电路；
4） 通过无刷直流电机霍尔信号计算出电机的转速，并将转速信号以数字的形式显示出来；
5） 设计无刷直流电机功率电路结构，制定各单元电路的技术参数指标；
6） 设计无刷直流电机驱动电路结构，制定各单元电路的技术参数指标；
7） 设计转速反馈控制电路，标定 PID 系统参数；
8） 考察转速波动范围。如何达到响应速度快、波动范围小的目标。
9） 撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

3. 相关知识及背景（限150字）

这是一个运用数字和模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要电机学、传感器及检测技术、信号放大、模数信号转换、数据显示、参数设定、反馈控制及参数设定等相关知识与技术方法。并涉及电机控制，硬件及软件设计等工程概念与方法。

4. 教学目的（限100字）

在较为完整的工程项目实现过程中引导学生了解现代无刷直流电机控制方法，实现方法的多样性及根据工程需求比较选择技术方案；引导学生根据需要设计电路、选择元器件，构建测试环境与条件，并通过测试与分析对项目作出技术评价。

5. 实验教学与指导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现无刷直流电机闭环运行、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）学习无刷直流电机的基本运行原理，掌握霍尔原件在无刷直流电机中的作用。
2） 不同电流传感器输出信号的形式、幅度、驱动能力、有效范围、线性度都存在很大的差异，
如何根据电流传感器设计相应的信号调理和放大电路。
3） 掌握无刷直流电机控制芯片 MC33035 的原理和使用方法，设计相应的外围电路。
4） 可以简略地介绍反馈控制的基本原理，要求学生自学实现反馈控制的方法及参数的整定。

5）在电路设计、搭试、调试完成后，根据实验室所能够提供的条件，设计测试方法，搭建可控且较为稳定的测试环境。

6）在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

6. 实验原理及方案

1）系统结构

根据图 1 所示的实验系统结构图完成实验系统的设计。

图 1 系统结构图

2）实现方案

实验系统的实现方案如图 2 的框图所示。

图 2 实现方案框图

首先，选择合适功率和转速的无刷直流电机，了解相应的霍尔元件的电气特性，设计合适霍尔信号译码真值表。

其次，选择合适电流采样方式，选择合适电流传感器输出信号形式（如电流、电压信号），与之相应的信号调理也各不相同。选择适合的无刷直流电机驱动芯片（如 MC33035），设计相应的外围

电路。

在将霍尔信号转化成转速信号，以数字的形式显示，可以采用数码管、字符型 LCD 等形式。
转速控制可以采用键盘设定或者电阻调节的方式以改变 PWM 方式获得。

7. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验需求分析
2） 实现方案论证
3） 理论推导计算
4） 电路设计与参数选择
5） 电路测试方法
6） 实验数据记录
7） 数据处理分析
8） 实验结果总结

8. 考核要求与方法（限300字）

1） 实物验收：功能与性能指标的完成程度（如电机控制的精度），完成时间。
2） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。
3） 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
4） 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。
5） 实验数据：测试数据和测量误差。
6） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

9. 项目特色或创新（可空缺，限 150字）

项目的特色在于：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。

实验案例信息表