【应用】基于CW32的无刷水泵控制系统，使水泵更加节能、高效

 一、开篇引言

无刷电机是一种新型的电机，其特点是不需要刷子进行转子与定子的电接触。相比于传统电机，无刷电机具有更高的效率、更小的体积和更长的寿命。本文将从工作原理、组成结构和与传统电机的区别三个方面来详细介绍无刷电机的特点。

首先，无刷电机的工作原理是基于电磁感应和电子控制。无刷电机的转子是由永磁体组成，定子则是由线圈组成。当电流通过定子线圈时，会产生一个磁场，这个磁场会与转子永磁体的磁场相互作用，从而使转子开始旋转。在转子旋转的同时，电子控制器会监测转子的位置和速度，并控制定子线圈的电流，从而保证电机的稳定运行。

其次，无刷电机的组成结构也有所不同。传统电机的转子是由电刷和电极组成，而无刷电机的转子则是由永磁体和磁传感器组成。此外，无刷电机还需要电子控制器来控制电流和转子的位置和速度。这些特殊的组成结构使得无刷电机具有更高的效率和更长的寿命。

最后，无刷电机与传统电机的区别在于其效率、体积和寿命。无刷电机的效率比传统电机高出约10%至20%，这是由于无刷电机不需要电刷进行转子与定子的电接触，从而减少了摩擦和能量损失。此外，无刷电机的体积也比传统电机小，这是由于无刷电机的转子不需要电刷，从而减少了转子的体积。最后，无刷电机的寿命也比传统电机长，这是由于无刷电机不需要电刷进行电接触，从而减少了电刷的磨损和寿命。

综上所述，无刷电机具有高效、小巧和长寿命等特点。随着无刷电机技术的不断发展，无刷电机将在越来越多的领域得到应用，如电动汽车、无人机、机器人等。

所以在各个行业运用无刷电机会越来越多，本次会用基于CW32芯片之下开发一款可以应用于大多数场景的一款水泵。现在对于水泵要求越来越高，所以我们改进水泵的工作模式，使水泵工作于最优工作点，降低功耗，就能实现水泵系统的节能，即节约电能和水能，给企业带来效益，同时也能提升竞争力。

在系统中，水泵的运行是靠无刷直流电机来带动的。本课题研究的目的是设计一套基于 CW32 的无位置传感器无刷直流电机控制系统（方波控制模式），既可以改进水泵的工作模式，使水泵工作点最优；又可以使水泵电机结构简单，控制方式更为灵活。以此将整个系统加入各个不同场景中，让CW32低功耗的优点，能让水泵共更加节能，高效。

本文设计一个小型水泵循环控制系统，该系统中带动水泵运行的电机的额定电压是48V，额定功率为500W。控制系统是基于CW32处理器，采用反电势过零检测方法对转子位置进行检测，从而实现对电机的换向控制。水泵控制系统中，采用无位置传感器无刷直流电机来带动水泵运行，不但缩小了水泵体积，而且增强了水泵运行时电机的抗干扰性和稳定可靠性。使水泵工作于最优工作点，尽可能使运行功率降低，改变了水泵一直满功率运行的状况，降低了功耗，实现了水泵系统的节能。

要实现的内容如下：

掌握无刷直流电机的控制原理及方法，设计以CW32为控制核心， 以三相桥式逆变主电路为基础的控制系统。

研究实现水泵恒速模式和恒压模式的控制算法，实现转速，节器的设计。

搭建水泵控制系统测试平台，并测试成功。

将该控制平台应用于大多数水泵应用场景中，控制水泵的运行。

二、无刷电机的原理及其控制电动机原理

1.1左手定则

电磁感应定律表明，当导体内有电流时，它会在周围产生磁场。同时，如果该导体内的电流发生改变，它将产生电磁感应力，即电磁动力学中的电动势。

洛伦兹力定律规定了电荷在磁场中受力的大小和方向。电荷在磁场中的运动会受到垂直于电荷速度和磁场方向的力。

利用左手定则，我们可以更直观地确定这些力的方向。当我们用左手食指指向导体内的电流方向，中指指向磁场方向时，大拇指的方向就是导体内电流所受到的力或者在导体内产生的电动势的方向。

1.2 右手定则

右手定则利用右手建立坐标系，将大拇指指向电流的方向，食指指向磁场的方向，中指指向的即为电动势或力的方向。

右手定则的原理同样基于洛伦兹力定律。对于在磁场中运动的电荷，其所受的力方向与电荷的速度和磁场方向有关，具体地，电荷所受的力垂直于速度和磁场线，方向由右手定则确定。

右手定则对于理解在磁场中运动的电荷和电流的受力方向非常有用。在一些实验或工程应用中，我们需要根据电荷速度和磁场方向来确定磁场对于电荷或导体内电流的影响方向，这时右手定则就显得十分实用。

1.3 右手螺旋定则（即安培定则）

安培定则是一组描述电流和磁场之间相互作用的规律，其中最基本和最著名的定律是“安培环路定理”，也称为“安培定理”或“环路定理”。该定理叙述了当电流通过一段闭合曲线所围成的区域时，在该区域内的磁场强度积分等于通过该曲线内电流的代数和的一半。

安培定则的原理是基于两个基本观测现象：磁场对运动电荷产生洛伦兹力，和在导体中存在自感和互感现象。在电路中，电路中电流之间的相互作用是通过它们所产生的磁场来实现的。这么做的结果是，流过电路的电流会导致周围产生磁场，反过来，周围的磁场也会影响流过电路中的电流。此时，安培定则的各个定律就派上用场了。

安培定则是电学中的基础概念之一，被广泛应用于电路分析、电磁场求解等领域。通过应用安培定则，我们可以计算出磁场强度并预测电路中电流和磁场之间的相互作用。

无刷电机原理

电机的基本原理是利用电磁感应的规律，将电能转化为机械能。当通过一个导体的电流进入磁场时，导体内部的电荷受到磁场力的作用，进而产生受力运动，即受到力矩的作用并具有旋转运动的趋势。电机中的中间永磁体在两侧电磁铁的作用下，以此在中间产生磁场，并在电磁铁中流动的电流的互相作用下，产生的磁场力作用于永磁体上，使其发生旋转，并将电能转化为了机械能。这个过程，就是电动机的驱动原理。

无刷电机是电机中的一种重要形式，常用的是三相二极内转子电机。对于该类型的电机，定子上有三个相互独立的绕组，可以通过星形联结方式和三角联结方式来连接。其中，最为常用的是三相星形联结，而导通方式采用的是二二导通方式。通过这种方式，无刷电机可以实现在电机运转时通过定子产生的磁场来对转子进行驱动。

无刷电机中，三相绕组的连接方式是将每一相的一端与其他相相连，而另一端单独引出一个导线。如果我们分别对A、B 极施加正电压和负电压，则可以通过右手螺旋定则来判断线圈所对应的磁极的极性和方向。根据右手螺旋定则，我们可以找到与电流方向垂直的磁场方向，从而得出磁极所处的位置和极性方向。通过这种方式，我们可以理解到无刷电机中线圈磁极的产生和相互作用原理。

以此类推，可以将其理解为永磁体像吊在毛驴上的胡萝卜一样，不断受到转子旋转产生的磁场力的牵引而旋转。这个旋转的过程实际上是电机将电能转化为机械能的过程。磁场在此过程中起着至关重要的作用，影响着电机的性能特点和工作效率，是电机工作的关键因素之一。

无刷水泵主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器(可有可无)组成。可见，它和直流电机有着很多共同点，定子和转子的结构差不多(原来的定子变为转子，转子变为定子)，绕组的连线也基本相同。但是，结构上它们有一个明显的区别：无刷直流水泵没有直流电机中的换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。这样，电机结构就相对简单，降低了电机的制造和维护成本，但无刷直流水泵不能自动换向(相)，牺牲的代价是电机控制器成本的提高(如同样是三相直流电机，有刷直流电机的驱动桥需要 4 只功率管，而无刷直流电机的驱动桥则需要 6 只功率管)。

无刷直流水泵有以下的特点：

无刷直流水泵的外特性好，能够在低速下输出大转矩，使得它可以提供大的起动转矩；

无刷直流水泵的速度范围宽，任何速度下都可以全功率运行；

无刷直流水泵的效率高、过载能力强，使得它在拖动系统中有出色的表现；

无刷直流水泵的再生制动效果好，由于它的转子是永磁材料，制动时电机可以进入发电机状态；

无刷直流水泵的体积小，功率密度高；

无刷直流水泵无机械换向器，采用全封闭式结构，可以防止尘土进入电机内部，可靠性高；

无刷直流水泵比异步电机的驱动控制简单。