电机的发展大体上可以分为四个阶段 1 直流电机 2 交流电机 3 控制电机 4 特种电机、
电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD 等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。[13]
1直流电动机控制的发展历史
常用的控制直流电动机有以下几种:第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组) ，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一) 、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10) 高1000倍，比汞弧变流器(放大倍数1000) 高10倍; 在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。[14]
从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。 随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREG K 6RA24、ABB 公司的PAD/PSD等等
随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的
控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。 随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP 控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET 和IGBT 逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（PWM ）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。[17]
在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进、
2直流电动机控制的研究现
数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC 等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广一阔的应用前景。18
国外主要电气公司如瑞典的ABB 公司、德国的西门子公司、AEG 公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE 公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。
我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。
我国关于数字直流调速系统的研究主要有:综合性最优控制，补偿PID 控制，PID 算法优化，也有的只应用模糊控制技术。[19]
随着新型电力半导体器件的发展，IGBT(绝缘栅双极型晶体管) 具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulse width modulation,简称PWM ）方向发展。[16] 我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。[12 2 直流电机的基本工作原理、
对图2.1所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a ）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd ，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab 和cd 收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b ）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba ，从电刷 B 流出。 此时载流导体ab 和cd 受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。[4] 实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机
2.13.14.19.16.12.17..4
[1] 国家机械工业委员会. 电机原理[M].北京：机械工业出版社，1988.9 [2] 胡双, 马志云. 永磁无刷直流电机系统建模研究[J].电工技术杂志, 2003.8:17～21 [3] 西巴依洛夫，洛奥斯，刘锐乡. 电机的数学摸拟[M].北京：机械工业出版社，1985 [4] 施佩特，许实章，陶醒世. 电机：运行理论导论[M].北京：机械工业出版社，1983.3 [5] 李士勇. 模糊控制·神经控制和智能控制论[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998.9 [6] 罗海福, 毛义梅. 模糊PID 控制器的设计与仿真[J].自动化与仪器仪表, 2001.3:3～6 [7] 陈梅, 杨琳琳, 许正荣. 直流电机的模糊PID 控制[J].自动化技术与应用,2008.2:14～15 [8] 何平，王鸿绪. 模糊控制器的设计及应用[M].北京：科学出版社，1997.1 [9] 佟绍成，王涛，王艳平. 模糊控制系统的设计及稳定性分析[M].北京：科学出版社，2004.4 [10] 汤兵勇，路林吉，王文杰. 模糊控制理论与应用技术[M].北京：清华大学出版社，2002.9 [11] 王晓明. 电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.5 [12] 倪忠远. 直流调速系统[M].北京：机械工业出版社，1996.9 [13] 俞静涛. 直流调速传动：整流和调节技术的实际应用[M]. 北京：煤炭工业出版社，1980 [14] 拉希德，陈建业，杨德刚. 电力电子技术手册[M].北京：机械工业出版社，2004.6 [15] 王少平，田庆安，昌现兰. PWM控制与驱动器使用指南及应用电路：单端控制与驱动器部分[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.6 [16] 张崇巍，张兴.PWM 整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.10 [17] 王兆安，黄俊. 电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2002.1 [18] 李序葆，赵永健. 电力电子器件及其应用[M].北京：机械工业出版社，1996.12 [19] 何希才，
尤克. 最新功率半导体器件应用技术[M].北京：机械工业出版社，1995.3 [20] 曲维本. 光电耦合器的原理及其在电子线路中的应用[M].北京：国防工业出版社 [21] 叶盛祥. 光电位移精密测量技术[M].乌鲁木齐：新疆人民卫生出版社，2003.6 [22] 谢宋和，甘勇. 单片机模糊控制系统设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社,1999
电枢电压控制法总体上可以分为两种, 一种是调节电压, 一种是调节电流。传统的调速系统是用模拟电子电路来实现的, 这种电路虽然响应快, 但是灵活性较差, 维修复杂。单片机作为一种可编程控制器技术上已经比较成熟。通过单片机对普通直流电机进行调速的系统已经存在，单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。
随着科技的发展，人们对控制系统的要求越来越高, 电机调速成了人们研究的课题, 现在对于普通直流电机的调速已经有了一些比较成熟的方法。直流电动机转速的控制方法可分为两类励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通, 其控制功率虽然小, 但低速时受到磁饱和的限制, 高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制, 而且由于励磁线圈电感较大, 动态响应较差, 所以使用较少。
2005年全球微特电机产量为80多亿台，其中我国（包括台湾、香港地区）总产量高达全球的70%，并以每年5%的速度增长。微特电机日益成为广泛应用于自动化、家电、电子信息产业、航空航天和现代军事装备等领域的重要基础元件，数量和
品种发展很快，其中尤以无刷直流电动机的增长最为迅速，近年来正在以每年大约15%的比例增加。作为新型机电一体化产品，无刷直流电动机其鲜明的技术特征得到家电业界的广泛认同，无刷直流电动机在较大的转速范围内可以获得较高的效率，更适合家电的需要，因此其应用面不断扩大，用量也大幅提高，甚至是数以亿台计。随着控制技术的进步，无刷直流电动机的使用领域会不断拓宽，功率等级也会越来越大。技术发展朝高性能、高可靠性、高精度、无刷化、永磁化、机电一体化方向发展。[4]
在技术上研究方向主要分为电机本体和电子线路两方面。在本体方面: 转子永磁磁钢材料尺寸及磁钢的排列方式的选择应该合理, 在满足各项性能指标的前提下, 使电机的成本尽量低, 存在一个优化问题, 另外永磁电机的漏磁场情况比较复杂对电机性能也有一定影响, 所以研究永磁电机的漏磁场分布一直是一个研究方向。
在电子线路方面, 用观测电量的方法替代位置传感器的作用是一个必然趋势, 如何对电势或电流进行采样, 通过控制线路进行适当处理, 使电机按正常的逻辑运行, 都是目前课题的研究任务, 向更高一步发展, 可以利用计算机发展数字信号, 控制电机的运行, 使电机的控制人工智能化, 也是研究的主导方向。[3]
1.3.1永磁材料对电机的促进
电机的未来发展趋势是轻量化、小型化, 而在其中起决定性作用的就是永磁材料。伴随着众多永磁材料的诞生, 如铝镍钴合金、铁氧体、稀土永磁材料和钕铁硼等等, 磁性材料掀起了一场革命。高磁能积的永磁材料, 不再需要体积硕大的激励线圈, 电机的体积和重量将大减小, 电机绕组的线圈也会减少, 电机结构将更加简单。
1.3.2一体化、数字化的发展
电动机本体、位置传感器和开关控制线路在传统的无刷直流电机中是相对独立的。伴随着工艺和控制技术的发展, 这些部分完全可以整合成一个整体, 从而减小了元器件和零件, 提高了可靠性。而 DSP和 FPGA 等数字技术在电机中的应用, 也使得硬件工作可以完全
由软件来完成, 进一步减少了硬件电路, 提高了电机的控制效率。[5]
在自动调速的算法上一般采用PID 算法, 通过目标量与检测量进行比较, 再由算法来调制脉宽。[7]采用单神经元自适应PID 控制算法实现直流电动机转速的PWM 控制，电路简单成本低、制作简单、控制响应快。利用单片机灵活的编程及接口设计可以方便地实现直流电动机的速度设定、反馈及PWM 输出控制，从而实现一种经济实用的直流电动机PWM 控制系统。[8]
本控制系统中，直流电机的转速是待检测的参数，也是反馈检测量，通过霍尔传感器将直流电机转速转化为反馈信号输入单片机，通过PID 算法来控制 PWM（脉冲宽度调制）输出的占空比，进而对直流电机的转速实现闭环控制，使其转速达到预期设定值。[6]
电机的发展大体上可以分为四个阶段 1 直流电机 2 交流电机 3 控制电机 4 特种电机、
电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD 等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。[13]
1直流电动机控制的发展历史
常用的控制直流电动机有以下几种:第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组) ，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一) 、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10) 高1000倍，比汞弧变流器(放大倍数1000) 高10倍; 在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。[14]
从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。 随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREG K 6RA24、ABB 公司的PAD/PSD等等
随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的
控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。 随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP 控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET 和IGBT 逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（PWM ）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。[17]
在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进、
2直流电动机控制的研究现
数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC 等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广一阔的应用前景。18
国外主要电气公司如瑞典的ABB 公司、德国的西门子公司、AEG 公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE 公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。
我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。
我国关于数字直流调速系统的研究主要有:综合性最优控制，补偿PID 控制，PID 算法优化，也有的只应用模糊控制技术。[19]
随着新型电力半导体器件的发展，IGBT(绝缘栅双极型晶体管) 具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulse width modulation,简称PWM ）方向发展。[16] 我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。[12 2 直流电机的基本工作原理、
对图2.1所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a ）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd ，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab 和cd 收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b ）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba ，从电刷 B 流出。 此时载流导体ab 和cd 受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。[4] 实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机
2.13.14.19.16.12.17..4
[1] 国家机械工业委员会. 电机原理[M].北京：机械工业出版社，1988.9 [2] 胡双, 马志云. 永磁无刷直流电机系统建模研究[J].电工技术杂志, 2003.8:17～21 [3] 西巴依洛夫，洛奥斯，刘锐乡. 电机的数学摸拟[M].北京：机械工业出版社，1985 [4] 施佩特，许实章，陶醒世. 电机：运行理论导论[M].北京：机械工业出版社，1983.3 [5] 李士勇. 模糊控制·神经控制和智能控制论[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998.9 [6] 罗海福, 毛义梅. 模糊PID 控制器的设计与仿真[J].自动化与仪器仪表, 2001.3:3～6 [7] 陈梅, 杨琳琳, 许正荣. 直流电机的模糊PID 控制[J].自动化技术与应用,2008.2:14～15 [8] 何平，王鸿绪. 模糊控制器的设计及应用[M].北京：科学出版社，1997.1 [9] 佟绍成，王涛，王艳平. 模糊控制系统的设计及稳定性分析[M].北京：科学出版社，2004.4 [10] 汤兵勇，路林吉，王文杰. 模糊控制理论与应用技术[M].北京：清华大学出版社，2002.9 [11] 王晓明. 电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.5 [12] 倪忠远. 直流调速系统[M].北京：机械工业出版社，1996.9 [13] 俞静涛. 直流调速传动：整流和调节技术的实际应用[M]. 北京：煤炭工业出版社，1980 [14] 拉希德，陈建业，杨德刚. 电力电子技术手册[M].北京：机械工业出版社，2004.6 [15] 王少平，田庆安，昌现兰. PWM控制与驱动器使用指南及应用电路：单端控制与驱动器部分[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.6 [16] 张崇巍，张兴.PWM 整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.10 [17] 王兆安，黄俊. 电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2002.1 [18] 李序葆，赵永健. 电力电子器件及其应用[M].北京：机械工业出版社，1996.12 [19] 何希才，
尤克. 最新功率半导体器件应用技术[M].北京：机械工业出版社，1995.3 [20] 曲维本. 光电耦合器的原理及其在电子线路中的应用[M].北京：国防工业出版社 [21] 叶盛祥. 光电位移精密测量技术[M].乌鲁木齐：新疆人民卫生出版社，2003.6 [22] 谢宋和，甘勇. 单片机模糊控制系统设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社,1999
电枢电压控制法总体上可以分为两种, 一种是调节电压, 一种是调节电流。传统的调速系统是用模拟电子电路来实现的, 这种电路虽然响应快, 但是灵活性较差, 维修复杂。单片机作为一种可编程控制器技术上已经比较成熟。通过单片机对普通直流电机进行调速的系统已经存在，单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。
随着科技的发展，人们对控制系统的要求越来越高, 电机调速成了人们研究的课题, 现在对于普通直流电机的调速已经有了一些比较成熟的方法。直流电动机转速的控制方法可分为两类励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通, 其控制功率虽然小, 但低速时受到磁饱和的限制, 高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制, 而且由于励磁线圈电感较大, 动态响应较差, 所以使用较少。
2005年全球微特电机产量为80多亿台，其中我国（包括台湾、香港地区）总产量高达全球的70%，并以每年5%的速度增长。微特电机日益成为广泛应用于自动化、家电、电子信息产业、航空航天和现代军事装备等领域的重要基础元件，数量和
品种发展很快，其中尤以无刷直流电动机的增长最为迅速，近年来正在以每年大约15%的比例增加。作为新型机电一体化产品，无刷直流电动机其鲜明的技术特征得到家电业界的广泛认同，无刷直流电动机在较大的转速范围内可以获得较高的效率，更适合家电的需要，因此其应用面不断扩大，用量也大幅提高，甚至是数以亿台计。随着控制技术的进步，无刷直流电动机的使用领域会不断拓宽，功率等级也会越来越大。技术发展朝高性能、高可靠性、高精度、无刷化、永磁化、机电一体化方向发展。[4]
在技术上研究方向主要分为电机本体和电子线路两方面。在本体方面: 转子永磁磁钢材料尺寸及磁钢的排列方式的选择应该合理, 在满足各项性能指标的前提下, 使电机的成本尽量低, 存在一个优化问题, 另外永磁电机的漏磁场情况比较复杂对电机性能也有一定影响, 所以研究永磁电机的漏磁场分布一直是一个研究方向。
在电子线路方面, 用观测电量的方法替代位置传感器的作用是一个必然趋势, 如何对电势或电流进行采样, 通过控制线路进行适当处理, 使电机按正常的逻辑运行, 都是目前课题的研究任务, 向更高一步发展, 可以利用计算机发展数字信号, 控制电机的运行, 使电机的控制人工智能化, 也是研究的主导方向。[3]
1.3.1永磁材料对电机的促进
电机的未来发展趋势是轻量化、小型化, 而在其中起决定性作用的就是永磁材料。伴随着众多永磁材料的诞生, 如铝镍钴合金、铁氧体、稀土永磁材料和钕铁硼等等, 磁性材料掀起了一场革命。高磁能积的永磁材料, 不再需要体积硕大的激励线圈, 电机的体积和重量将大减小, 电机绕组的线圈也会减少, 电机结构将更加简单。
1.3.2一体化、数字化的发展
电动机本体、位置传感器和开关控制线路在传统的无刷直流电机中是相对独立的。伴随着工艺和控制技术的发展, 这些部分完全可以整合成一个整体, 从而减小了元器件和零件, 提高了可靠性。而 DSP和 FPGA 等数字技术在电机中的应用, 也使得硬件工作可以完全
由软件来完成, 进一步减少了硬件电路, 提高了电机的控制效率。[5]
在自动调速的算法上一般采用PID 算法, 通过目标量与检测量进行比较, 再由算法来调制脉宽。[7]采用单神经元自适应PID 控制算法实现直流电动机转速的PWM 控制，电路简单成本低、制作简单、控制响应快。利用单片机灵活的编程及接口设计可以方便地实现直流电动机的速度设定、反馈及PWM 输出控制，从而实现一种经济实用的直流电动机PWM 控制系统。[8]
本控制系统中，直流电机的转速是待检测的参数，也是反馈检测量，通过霍尔传感器将直流电机转速转化为反馈信号输入单片机，通过PID 算法来控制 PWM（脉冲宽度调制）输出的占空比，进而对直流电机的转速实现闭环控制，使其转速达到预期设定值。[6]