直流無刷電動(dòng)機(jī)(畢業(yè)設(shè)計(jì))

1、畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目名稱： 直流無刷電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 題目類型： 輔導(dǎo)教師： 余 仕 求 時(shí) 間： 2014年3月 至 2014年5月 目錄 長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開題報(bào)告錯(cuò)誤!未定義書簽。長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))指導(dǎo)教師評審意見x長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))評閱教師評語xi長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))答辯記錄及成績評定xii摘要viabstractvii1前言 311 無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本組成212 無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理313 電機(jī)的運(yùn)行特性和傳遞函數(shù)72 選題背景113 方案論證 133.1 系統(tǒng)概述133.2 直流無刷電動(dòng)機(jī)的主回路設(shè)計(jì)153.3 單片機(jī)控制方案18

2、3.3.1dsp芯片簡介183.4帶位置傳感器無刷直流電機(jī)213.5方案選定224.1 dsp控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)224.2 系統(tǒng)功率變換器的設(shè)計(jì)234.2.1功率驅(qū)動(dòng)電路234.2.2開關(guān)元件選擇254.3 相電流檢測電路254.4 位置檢測電路274.5 系統(tǒng)保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)284.5.1 過、欠壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)284.5.2 過熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì)294.5.3 過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。5 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)305.1 無刷直流電機(jī)的位置檢測305.2 電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制305.3. 速度反饋計(jì)算315.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)325.4.1整體方案概述325.4.2中斷服務(wù)子程序概述錯(cuò)誤!

3、未定義書簽。6 結(jié)論35參考文獻(xiàn)36致 謝37教授 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：直流無刷電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì)2 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）起止時(shí)間：2014年2月21日 6月10日3 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分）（1）設(shè)計(jì)直流無刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)主電路、控制電路及調(diào)速控制方案。設(shè)計(jì)軟件控制流程。（2）電機(jī)功率約80瓦，帶位置傳感器，轉(zhuǎn)速范圍在600-3000轉(zhuǎn)/分，連續(xù)可調(diào)，誤差不大于5%。（3）電機(jī)運(yùn)行的要求是：運(yùn)行平穩(wěn)，不允許有抖動(dòng)；起動(dòng)有力，快捷。通過電位器或按鍵控制加、減速。4 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)應(yīng)完成的主要內(nèi)容（1）硬件電路設(shè)計(jì)（2）理論設(shè)計(jì)與分析，理論計(jì)算（3）軟件設(shè)計(jì)

4、調(diào)試5 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的目標(biāo)及具體要求 學(xué)生通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，掌握直流無刷電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法，學(xué)會功率器件的使用及電子線路的設(shè)計(jì)；能夠運(yùn)用單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)調(diào)速；運(yùn)用已學(xué)的基本知識和專業(yè)技術(shù)解決實(shí)際問題，掌握軟件設(shè)計(jì)流程，提出可行的方案，鍛煉自學(xué)和動(dòng)手能力；培養(yǎng)鉆研、求實(shí)的科學(xué)作風(fēng)；提高論文寫作水平和英語閱讀理解能力。6 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所需的條件及上機(jī)時(shí)數(shù)要求(1) 微機(jī)、單片機(jī)仿真器(2) 直流無刷電動(dòng)機(jī)；電子器件(3) 上機(jī)機(jī)時(shí)：150任務(wù)書批準(zhǔn)日期 2014 年 3 月 13 日 教研室(系)主任(簽字) 任務(wù)書下達(dá)日期 2014 年 3 月 13 日 指導(dǎo)教師(簽字) 完成任務(wù)日期

5、 2014 年 6 月 10 日 學(xué)生（簽名） 開題報(bào)告日期 2014年3月15日 畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告撰寫內(nèi)容及要求一、 題目來源二、 研究目的和意義三、 閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱四、 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向五、 主要研究內(nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題及解決思路六、 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)所必須具備的工作條件（如工具書、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、某類市場調(diào)研、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件等）及解決的辦法七、 工作的主要階段、進(jìn)度與時(shí)間安排八、 指導(dǎo)教師審查意見注1：格式要求： （1）題目名稱：要求與畢業(yè)設(shè)計(jì)題目名稱一致，小二號，黑體加粗，居中，段前后各空一行。（2）學(xué)生、指導(dǎo)教師和教學(xué)單位署名：學(xué)生、指導(dǎo)教

6、師及所在單位（院系或工作單位）在題目下隔一行，居中，格式：學(xué)生： ， 學(xué)院（系），另起一行居中，格式：指導(dǎo)教師： ，工作單位，署名采用小四號仿宋體。（3）開題報(bào)告正文，撰寫格式按畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的排版格式規(guī)范要求。 注2：題目類型是指“研究論文”、“畢業(yè)設(shè)計(jì)”或“畢業(yè)創(chuàng)作（設(shè)計(jì)）”；題目來源是指題目來源于教師的科研項(xiàng)目、生產(chǎn)/社會實(shí)際或?qū)嶒?yàn)室建設(shè)、其它等。直流無刷電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì)一、題目來源結(jié)合生產(chǎn)，社會實(shí)際。2、 研究目的及意義當(dāng)前，隨著保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲日益高漲，無污染、能源可多樣化配置的新型交通工具引起了人們的普遍關(guān)注，同時(shí)也得到了極大的發(fā)展，電動(dòng)自行車便是其中之一。由于電子控制

7、技術(shù)的不斷發(fā)展，使得對大量應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)性能、質(zhì)量的要求越來越高，如：低噪聲、高性能、長壽命、小型化、高效節(jié)能的要求。而無刷直流電動(dòng)機(jī)既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)，同時(shí)克服了有刷直流電機(jī)由于機(jī)械電刷和換向器的存在所帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等弊病，所以以無刷直流電機(jī)作為電動(dòng)馬達(dá)的電動(dòng)自行車產(chǎn)品逐漸受到消費(fèi)者的青睞。鑒于無刷直流電機(jī)的上述優(yōu)點(diǎn)以及無刷直流電機(jī)作為控制對象的電動(dòng)自行車在消費(fèi)市場的巨大潛力，本設(shè)計(jì)試以c51單片機(jī)為主控制芯片，設(shè)計(jì)一款無刷直流電機(jī)控制器。3、 閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱（1）

8、設(shè)計(jì)直流無刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)主電路、控制電路及調(diào)速控制方案。設(shè)計(jì)軟件控制流程。（2）電機(jī)功率約80瓦，帶位置傳感器，轉(zhuǎn)速范圍在600-3000轉(zhuǎn)/分，連續(xù)可調(diào)，誤差不大于5%。（3）電機(jī)運(yùn)行的要求是：運(yùn)行平穩(wěn)，不允許有抖動(dòng)；起動(dòng)有力，快捷。通過電位器或按鍵控制加、減速。1劉剛，王志強(qiáng)，房建成.永磁無刷直流電機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用m.北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2008.2李海濤，儀維，吳筱堅(jiān)等.pic單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)典型模塊m.北京，人民郵電出版社，2007.3三恒星科技.pic單片機(jī)易學(xué)通m.北京，人民郵電出版社，2006.4楊耕，羅應(yīng)立.電機(jī)與運(yùn)行控制系統(tǒng)m.北京，清華大學(xué)出版社，2006.5張俊.匠

9、人手記一個(gè)單片機(jī)工作者的實(shí)踐與思考m.北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2008.6肖玲妮，袁增貴.protel99se印刷電路板設(shè)計(jì)教程m.北京，清華大學(xué)出版社，2006.7謝淵斌.電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)n.電子報(bào)2007年合訂本下冊.8牛海清，謝運(yùn)祥.無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)的發(fā)展d.微電機(jī)-2002年5期.9劉佳峰，謝楊華.直流無刷電機(jī)換相時(shí)機(jī)的調(diào)整eb/ol.電機(jī)技術(shù)-2006年3期.10孫歡慶，李橋梁.mc33035在直流無刷電機(jī)控制中的應(yīng)用eb/ol.電機(jī)技術(shù)-2007年3期.11葛小榮王慶.電動(dòng)自行車控制器mosfet驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)eb/ol.電動(dòng)車情商網(wǎng).2008.4、

10、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向電機(jī)分為直流電機(jī)、同步電機(jī)和異步電機(jī)，在我國三種電機(jī)的生產(chǎn)分工較為明確，無刷直流電機(jī)是三種電機(jī)的集合，是電機(jī)發(fā)展的高層次產(chǎn)品，代表電機(jī)的發(fā)展方向。目前無刷直流電機(jī)研究剛剛起步，主要集中在高等學(xué)校，如浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等，均在進(jìn)行1.5kw以下樣機(jī)的研究試驗(yàn)，清華大學(xué)正在做15kw電機(jī)的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，中科院正在做28kw電機(jī)的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。在企業(yè)中生產(chǎn)高性能、大容量這種電機(jī)的廠家還沒有，只有生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、性能較低、容量在0.2kw以下、用于電動(dòng)自行車電機(jī)的廠家。國際發(fā)達(dá)國家對無刷直流電機(jī)的研制與中國大體相當(dāng)，但像美國、日本在無刷直流電機(jī)控制方面比

11、中國先進(jìn)。針對傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的弊病，早在上世紀(jì)30年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機(jī)械換向的直流無刷電動(dòng)機(jī)。由于直流無刷電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，故在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域應(yīng)用日益普及。5、 主要研究內(nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題及解決思路本課題的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用可靠的方案，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)自行車用無刷直流電機(jī)的控制?；疽笕缦拢?、了解無刷直流電機(jī)的工作原理、控制方式以及無刷直流電機(jī)控制器的軟硬件設(shè)計(jì)方案；2、硬件設(shè)計(jì)的組成部分有電壓檢測電路、電流檢測電路、霍爾位置檢測電路、驅(qū)動(dòng)信號預(yù)處理

12、電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、過流保護(hù)電路等模塊電路組成；3、軟件設(shè)計(jì)則通過由硬件采集到得位置信號、電流信號、剎車信號、過流信號、欠壓信號等，通過單片機(jī)的處理，分別作出換相、同步整流、pwm調(diào)制、剎車、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)等一些相應(yīng)的輸出動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的控制的目的。課題研究的方法：計(jì)劃采用理論分析研究與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的研究方法。首先通過查找資料熟悉并掌握單片機(jī)的基本原理，然后進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)廠家進(jìn)行了解。通過實(shí)踐到廠里進(jìn)行觀察、調(diào)查、自己動(dòng)手等方法來完成無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。課題研究的措施：查找相關(guān)資料了解課題相關(guān)內(nèi)容；設(shè)計(jì)出多個(gè)電路設(shè)計(jì)方案，并對方案進(jìn)行對比分析， 最終確定最終方案，畫

13、出電路原理圖；最后分析存在的問題然后進(jìn)行改進(jìn)，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。直流無刷永磁電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。其定子繞組一般制成多相(三相、四相、五相不等)，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù)(2p=2,4,)組成。三相兩極直流無刷電機(jī)組成三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件聯(lián)結(jié)，a、b、c相繞組分別與功率開關(guān)管v1、v2、v3相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)結(jié)。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各項(xiàng)繞組按一定次序?qū)?/p>

14、，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。6、 工作條件計(jì)算機(jī)一臺相關(guān)器件 圖書館及網(wǎng)絡(luò) 參考資料七、進(jìn)度安排3月15號-3月20號 撰寫開題報(bào)告3月21號-4月7號 完成外文翻譯任務(wù)并購買相關(guān)器件4月8號-4月20號 對課題進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，以求達(dá)到預(yù)期目的。4月21號-5月1號 對設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行測試，修改，達(dá)到老師要求水平。5月2號-5月20號 撰寫畢業(yè)論文5月21號-6月1號 完善論文內(nèi)容。6月2號 進(jìn)行畢業(yè)答辯八、指導(dǎo)教師審查意見長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))指導(dǎo)教師評審意見學(xué)生姓名專業(yè)班級畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目指導(dǎo)

15、教師職 稱評審日期評審參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和組織紀(jì)律，學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識的情況，解決實(shí)際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。評審意見： 指導(dǎo)教師簽名： 評定成績（百分制）：_分（注：此頁不夠，請轉(zhuǎn)反面） 直流無刷長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))評閱教師評語學(xué)生姓名專業(yè)班級畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目評閱教師職 稱評閱日期評閱參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識的情

16、況，解決實(shí)際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。評語：評閱教師簽名： 評定成績（百分制）：_分（注：此頁不夠，請轉(zhuǎn)反面）長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))答辯記錄及成績評定學(xué)生姓名專業(yè)班級畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目答辯時(shí)間 年 月 日 時(shí)答辯地點(diǎn)一、答辯小組組成答辯小組組長：成 員：二、答辯記錄摘要答辯小組提問（分條摘要列舉）學(xué)生回答情況評判三、答辯小組對學(xué)生答辯成績的評定（百分制）：_分 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))最終成績評定(依據(jù)指導(dǎo)教師評分、評閱教師評分、答辯小組評分和學(xué)校關(guān)于畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))評分的相關(guān)規(guī)定)等級(五級制)：_答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽

17、名)： 年 月 日院(系)答辯委員會主任(簽名)： 院(系)(蓋章)xiii電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì)【摘要】本文以永磁方波無刷直流電動(dòng)機(jī)為控制對象，設(shè)計(jì)了一套無刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于單片機(jī)對其外圍器件的控制來實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的相關(guān)控制。本課題是一個(gè)理論性課題，本文的撰寫目的是討論無刷直流電機(jī)的控制方法。本文首先介紹了無刷直流電機(jī)的工作原理及其控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀、無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特性。然后就論述了無刷直流電機(jī)的控制技術(shù)，在分析比較各種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際采用單片機(jī)控制方案。對單片機(jī)做一個(gè)簡單的介紹。在接下來的內(nèi)容中,對系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)論述；接著闡述了無刷直流電

18、機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測方法；接著介紹了算法的軟件實(shí)現(xiàn)、軟件濾波和相移校正、換相點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)；最后詳細(xì)論述了系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)方法。本文所完成的主要工作如下:(1) 無刷直流電機(jī)工作原理論述。(2)系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)。(3)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，功率變換電路的選擇，相關(guān)外圍電路的設(shè)計(jì)。(4)軟件模塊的設(shè)計(jì)及論述。(5)理論設(shè)計(jì)與分析，理論計(jì)算?！娟P(guān)鍵詞】:無刷直流電機(jī) ，反電動(dòng)勢，換相檢測，位置傳感器，單片機(jī)。the control of the brushless dc motor(bldc)【abstract】this thesis designs a speed-variable system for per

19、manent magnet bldcm. based on sunplus high performance 16-bit mcu at89c51 to implement the contro1 for bldcm.the subject research is an academic task. it composes for discussing the method of the control of bldcm. the subject research first expounds the basic component parts, the basic running princ

20、iple, the running characteristic and transfer function of the brushless dc motor (bldcm). then this subject research discusses the control of bldcm and decides to the use of spmc75 to detect the rotor position based on analyzing the advantages and disadvantages of various control methods. afterwards

21、, the method of back-emf zero crossing point and the confirming of commutation point is explained in details. also have a brief introduction to a single-chip. in the following chapter, the hardware design of the digital control system is dissertated in detailsthen discussing the brushless dc motor r

22、otor position detection methodand then introducing the back-emf zero-crossing detection algorithm as well as the principles and software implementation of the algorithmsoftware filtering and phase-shifting amendmentpoints for the software implementationalso discussed in detail a number of software m

23、ethodsis raised by the article software in place of hardware. an important expression of the design concepts and applications.this article completes the prime task is as follows:(1) the research of the bldcm working principle.(2) the design of the digital control systems(3) hardware system design, t

24、he power transfer network choice, the inter phase current and the position detection of the electric circuit (4) software module design research.【key words】 brushless dc motor; counter electromotive force; commutation detection; sensor; scm;參考文獻(xiàn)1前言一個(gè)多世紀(jì)以來，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活中。其主

25、要類型有同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)三種。由于傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)均采用電刷以機(jī)械方法進(jìn)行換向，因而存在相對的機(jī)械摩擦，由此帶來了噪聲、火化、無線電干擾以及壽命短等弱點(diǎn)，再加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，從而大大限制了它的應(yīng)用范圍，致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大多數(shù)均采用三相異步電動(dòng)機(jī)。針對上述傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的弊病，早在上世紀(jì)30年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機(jī)械換向的直流無刷電動(dòng)機(jī)。經(jīng)過了幾十年的努力，直至上世紀(jì)60年代初終于實(shí)現(xiàn)了這一愿望。上世紀(jì)70年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導(dǎo)體功率器件，如gtr、mosfet、igbt、ipm等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料的問世，

26、均為直流無刷電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于直流無刷電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，故在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域應(yīng)用日益普及。無刷直流電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，如汽車、工具、工業(yè)工控、自動(dòng)化以及航空航天等等?？偟膩碚f，無刷直流電機(jī)可以分為以下三種主要用途：持續(xù)負(fù)載應(yīng)用：主要是需要一定轉(zhuǎn)速但是對轉(zhuǎn)速精度要求不高的領(lǐng)域，比如風(fēng)扇、抽水機(jī)、吹風(fēng)機(jī)等一類的應(yīng)用，這類應(yīng)用成本較低且多為開環(huán)控制?？勺冐?fù)載應(yīng)用：主要是轉(zhuǎn)速需要在某個(gè)范圍內(nèi)變化的應(yīng)用，對電機(jī)轉(zhuǎn)速特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干

27、機(jī)和壓縮機(jī)就是很好的例子，汽車工業(yè)領(lǐng)域中的油泵控制、電控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等，這類應(yīng)用的系統(tǒng)成本相對更高些。定位應(yīng)用：大多數(shù)工業(yè)控制和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用屬于這個(gè)類別，這類應(yīng)用中往往會完成能量的輸送，所以對轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩有特別的要求，對控制器的要求也較高。測速時(shí)可能會用上光電和一些同步設(shè)備。過程控制、機(jī)械控制和運(yùn)輸控制等很多都屬于這類應(yīng)用。11 無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本組成無刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞在定子上，是靜止的，主要是通過控制電樞電流來控制磁場的變化，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁場始終垂直的磁場。因而無刷直流電動(dòng)機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器、霍爾傳感器（速度控制）、電子開關(guān)線路組成。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖11所示。

28、圖1-1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖11中的位置傳感器主要用來檢測轉(zhuǎn)子的位置，并且反饋給控制電路，控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來控制電樞電流，確保定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場始終垂直。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒有籠型繞組和其他起動(dòng)裝置。定子三相繞組有星形聯(lián)結(jié)方式和三角聯(lián)結(jié)方式，而“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式”最常用。一般而言，電機(jī)的繞組數(shù)量都和永磁極的數(shù)量是不一致的（比如用9繞組6極，而不是6繞組6極），這樣是為了防止定子的齒與轉(zhuǎn)子的磁鋼相吸而對齊，產(chǎn)生類似步進(jìn)電機(jī)的效果，此種情況下轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生很大波動(dòng)。轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù)(2p=2, 4,)組成。圖1-1中的電動(dòng)機(jī)本體為三相兩極。如上

29、圖所示，位置傳感器由三只光電式位置傳感元件組成，空間互成120均勻分布；位置傳感器可以控制功率開關(guān)的導(dǎo)通情況，當(dāng)控制v1導(dǎo)通時(shí)，直流電流流入a項(xiàng)繞組，形成位于a項(xiàng)繞組軸線上的電樞磁勢，與轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到其他位置時(shí)，位置傳感器依次控制v2,v3功率開關(guān)的導(dǎo)通，從而讓定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，持續(xù)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。直流無刷電動(dòng)機(jī)通過直流電源（交流電整流后）供電，然后通過換向電路的逆變作用，給定子中的線圈供電，產(chǎn)生磁場與轉(zhuǎn)子上的永磁體作用，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，位置傳感器通過感應(yīng)轉(zhuǎn)子的位置來反饋給換向電路，控制功率開關(guān)的閉合，調(diào)節(jié)定子磁場，保證轉(zhuǎn)子持續(xù)的旋轉(zhuǎn)。直流無

30、刷電動(dòng)機(jī)基本機(jī)構(gòu)及其之間的相互作用的原理圖如下：圖1-2 無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理框圖直流無刷電動(dòng)機(jī)的電子開關(guān)線路用來控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電的時(shí)間和順序，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個(gè)部分組成。功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定的邏輯分配關(guān)系分配給直流無刷電動(dòng)機(jī)定子上的各相繞組，以便使電動(dòng)機(jī)定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的電磁場。各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來自位置傳感器的信號。但是位置傳感器所產(chǎn)生的信號不能直接用來控制功率邏輯開關(guān)單元，往往需要經(jīng)過一定邏輯處理后才能去控制邏輯開關(guān)單元。12 無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 直流無刷電動(dòng)機(jī)的原理圖如下所示： 圖1-

31、3電機(jī)原理圖主電路是一個(gè)典型的電壓型交-直-交電路。逆變器提供等幅等頻調(diào)制波的對稱交變矩形波，。永磁體n-s交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120的u、v、w方波，各個(gè)功率開關(guān)的導(dǎo)通順序?yàn)関1-v4導(dǎo)通、v1-v6導(dǎo)通、v3-v6導(dǎo)通、v3-v2導(dǎo)通、v5-v2導(dǎo)通、v5-v4導(dǎo)通，也就是說將直流母線電壓依次加在a+b-、a+c-、b+c-、b+a-、c+a-、c+b-上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對n-s極，v1-v6功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng)60電度角，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于60電度角空間位置，轉(zhuǎn)子在新

32、位置上，使位置傳感器u、v、w產(chǎn)生新的信號，新的信號又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進(jìn)60電度角，如此循環(huán)，無刷直流電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。 圖1-4 三相全控橋的六種通電情況示意圖無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間就會產(chǎn)生足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動(dòng)繞組。由于定子磁場軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，這正是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電流-轉(zhuǎn)矩特性。 為了實(shí)現(xiàn)電子換向，必須有位置信號來控制電路。主要通過位置傳

33、感器檢測轉(zhuǎn)子的位置并反饋給控制電路。要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制必須有速度信號。用獲得位置信號相近方法取得速度信號，最簡單的速度傳感器是測頻式測速發(fā)電機(jī)與電子線路相結(jié)合。 直流無刷電機(jī)的換向電路由驅(qū)動(dòng)及控制兩部分組成，驅(qū)動(dòng)電路輸出電功率，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電樞繞組，并受控于控制電路。目前，驅(qū)動(dòng)電路已從線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)成脈寬調(diào)制的開關(guān)狀態(tài)，相應(yīng)電路組成也從晶體管分立電路轉(zhuǎn)成模塊化集成電路?？刂齐娐酚米骺刂齐姍C(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、電流(或轉(zhuǎn)矩)以及保護(hù)電機(jī)的過流、過壓、過熱等。直流無刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(p)影響：n=120f/p在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子

34、旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制(驅(qū)動(dòng)器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說直流無刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。根據(jù)它勵(lì)直流電機(jī)的特性，可知直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞平均電流成正比，電樞的反電動(dòng)勢ea與電動(dòng)機(jī)的角速度成反比，電動(dòng)機(jī)的平均電流ia=（vm-ea）/2ra ,vm為電動(dòng)機(jī)的線間電壓，vm=v&，其中&為調(diào)制波的占空比，ra為每項(xiàng)繞組電壓；從而可以得到直流無刷電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：tm=&(vkt/2ra)-kt(kew/2ra)

35、，其中ke、kt為電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，當(dāng)角速度w一定時(shí)，改變占空比可以線性的改變電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，而調(diào)制波的占空比可以通過一定的控制電路來控制位置傳感器，從而可以控制相應(yīng)定子線圈通電時(shí)間的長短，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩受到的電磁轉(zhuǎn)矩作用的時(shí)間發(fā)生變化，最終得以控制電機(jī)的加速和制動(dòng)過程；角速度w取決于速度指令vc的高低，如果速度指令最大值為+5v，則對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速，+5v以下任何電平即對應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實(shí)現(xiàn)了變速設(shè)定。當(dāng)vc設(shè)定以后，無論是負(fù)載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時(shí)，反饋電壓vfb變小，調(diào)制波的占空比&就會變大，電樞電流變大，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動(dòng)

36、機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時(shí)，&減小，tm減小。發(fā)生減速度，直至實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止。可以說，無刷直流電動(dòng)機(jī)在允許的電網(wǎng)波動(dòng)范圍內(nèi)，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)定轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在1%左右，遠(yuǎn)小于所要求的5%，并可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁來源于永磁體，所以不像異步機(jī)那樣需要從電網(wǎng)吸取勵(lì)磁電流；由于轉(zhuǎn)子中無交變磁通，其轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動(dòng)機(jī)高10%左右。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。旋轉(zhuǎn)

37、磁場在電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)電角度，繞組電流與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)過電角度后，便進(jìn)入第二狀態(tài)，這時(shí)繞組a+b-斷電，而繞組a+c-隨之通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)過了，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過電角度后，便進(jìn)入第三狀態(tài)，這時(shí)繞組a+c-斷電，b+c-通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場也同時(shí)轉(zhuǎn)過了電角度，；它繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過電角度后就恢復(fù)到初始狀態(tài)了。這樣周而復(fù)始，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子便連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。下圖示出了各相繞組導(dǎo)通順序的示意圖： 圖1-5 各相繞組的導(dǎo)通示意圖13 電機(jī)的運(yùn)行特性和傳遞函數(shù)由于直流無刷電動(dòng)機(jī)的精確計(jì)算設(shè)計(jì)到非線性理論和

38、數(shù)值解法等諸多復(fù)雜的問題，處理起來相當(dāng)困難，目前的知識水平難以解決，因而才用一些方法進(jìn)行簡化，現(xiàn)做如下假設(shè)：1）直流無刷電動(dòng)機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度沿氣隙按正弦分布； 2）繞組通電時(shí)，該電流所產(chǎn)生的磁通對氣隙磁通的影響忽略不計(jì)；3）控制電路在開關(guān)狀態(tài)下工作，功率晶體管壓降ut為恒值；4）各相繞組對稱，其對應(yīng)的電路單元完全一致，相應(yīng)的電氣時(shí)間常數(shù)忽略不計(jì)； 5）位置傳感器等控制電路的功耗忽略不計(jì)。根據(jù)上述假設(shè)，化簡之后可以得到其電子開關(guān)電路如下：圖1-6半控電路由于轉(zhuǎn)子磁場在氣隙中，是按照正弦規(guī)律分部的，b=bmsin這樣一來，如果在定子某一相（例如b相）繞組中通一持續(xù)的直流量，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為tm

39、=zlbmrisin 其中，z是每相繞組的有效導(dǎo)體數(shù)；l是繞組中導(dǎo)線的有效長度，即磁鐵長度(m)；r是電動(dòng)機(jī)中氣隙的半徑(m)；i是繞組相電流(a)。從上述電磁轉(zhuǎn)矩的公式中可以看出，如果某一項(xiàng)線圈持續(xù)通入直流電的話，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩按照正弦規(guī)律變化，并且其平均值為零；但是定子電樞是三相對稱分布的，并且由位置傳感器控制定子各相電樞線圈依次通電，每相只是通過1/3周期的矩形波電流，電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線上相當(dāng)于1/3周期的一段，且這一段曲線與定子繞組開始通電時(shí)的轉(zhuǎn)子相對位置有關(guān)，下圖所示的電路中列舉了獲取最大平均轉(zhuǎn)矩的情況： 圖1-7三相電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形如上圖所示，=0瞬間選作晶體

40、管開始導(dǎo)通的基準(zhǔn)點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)三相繞組輪流通電時(shí)，所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩如圖所示。若晶體管導(dǎo)通時(shí)間提前或滯后，均將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)值增加，平均值減小。在三相半控電路情況下，當(dāng)o=30時(shí)，電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩過零點(diǎn)如圖所示。這就是說，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到幾個(gè)位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為零，這會在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)死區(qū)（即轉(zhuǎn)子在這些位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)無起動(dòng)力矩）。顯然，當(dāng)o30后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)將出現(xiàn)負(fù)值，其總輸出轉(zhuǎn)矩的平均值更小。因此在三相半控電路情況下，特別是在起動(dòng)時(shí)，o不宜大于30；一般情況下，考慮到傳感器延時(shí)、處理器執(zhí)行時(shí)間、放大器移相等諸多環(huán)節(jié)造成的延時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)奶崆敖牵偸潜M力為把o角調(diào)整到稍大于0, 選擇適當(dāng)?shù)奶崆?/p>

41、角，使得在上述諸因素的影響下，真正能在o=0處實(shí)際換相。這樣，電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩ta最大，可改善電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和效率。輸出轉(zhuǎn)矩的最大平均值ta電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)動(dòng)后，轉(zhuǎn)子磁場切割定子繞組，在各相繞組上c產(chǎn)生出感應(yīng)電動(dòng)勢。當(dāng)其轉(zhuǎn)速n不變時(shí)，該電動(dòng)勢波形也是正弦波，相位同轉(zhuǎn)矩相位一致。由于在本電路中，每相繞組在一個(gè)周期中，只通電2/3，因此，僅在這2/3期間所感生出的反電動(dòng)勢才對外加電壓起平衡作用，而在另外4/3期間由于晶體管開關(guān)不導(dǎo)通，故其感應(yīng)電動(dòng)勢對外加電壓不起作用。對外加電壓而言，三相直流無刷電動(dòng)機(jī)半控電路的反電動(dòng)勢波形如圖所示：圖1-8反電動(dòng)勢波形通過計(jì)算可以得到電樞繞組的感應(yīng)

42、電動(dòng)勢的平均值為：為了便于求出平均反電動(dòng)勢，定義反電動(dòng)系數(shù)和轉(zhuǎn)矩細(xì)數(shù)如下：反電動(dòng)勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)為常數(shù)，其大小同主電路的接法（三相半控或全控電路）以及功率晶體管的換相方式（如兩兩換相或三三換相）有關(guān)。由于假設(shè)各繞組相互對稱，并且相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)忽略不計(jì)，根據(jù)上述三相星型繞組簡化電路可以得到直流無刷電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式為：其中，ea=ken，ta =kti代入電壓平衡方程式中，經(jīng)過整理可以得到直流無刷電動(dòng)機(jī)的幾下特性如下：式中，n是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；u是電源電壓(v)；u是功率管壓降(v)；ta是電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)轉(zhuǎn)矩平均值(nm)；kt是轉(zhuǎn)矩系數(shù)；r是電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻()。 綜上所述，得到直

43、流無刷電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程組為：其中，tl是電動(dòng)機(jī)的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩；gd2足電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪力矩(nm2)，gd2=4gj（j是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量），其所在的方程式為電動(dòng)機(jī)單軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式；上述方程組經(jīng)過拉普拉斯變換后可以得到：從而可以得到直流無刷電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：圖1-9動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖從而求出其傳遞函數(shù)為：其中，ki是電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢傳遞系數(shù)，ki=1/ke；k是轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù)，k=rkekt）；te是電磁時(shí)間常數(shù)，te=rgd2（375kekt）。2 選題背景電動(dòng)機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械力的設(shè)備，其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)軸提供的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩是滿足機(jī)械負(fù)載要求的兩個(gè)生重要的工作指標(biāo)。轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積即為電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)

44、械功率值。各種類型的電動(dòng)機(jī)，主要有交流異步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、交直流兩用電動(dòng)機(jī)及微型、特種用途電動(dòng)機(jī)，廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)其他部門的各種機(jī)械設(shè)備、日用電器和自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。據(jù)有關(guān)報(bào)道，我國消耗在電動(dòng)機(jī)的電力占整個(gè)電力的65%以上。直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但普通的直流電動(dòng)機(jī)由于需要機(jī)械換相和電刷，可靠性差，需要經(jīng)常維護(hù)；換相時(shí)產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，影響了直流電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。為了克服機(jī)械換相帶來的缺點(diǎn)，以電子換相取代機(jī)械換相的無刷電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。直流無刷電動(dòng)機(jī)一般由電子換相電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路和電動(dòng)機(jī)本體三部分組成，電子換相電路一

45、般由控制部分和驅(qū)動(dòng)部分組成，而對轉(zhuǎn)子位置的檢測一般用位置傳感器來完成。工作時(shí)，控制器根據(jù)位置傳感器測得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有序的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路中的各個(gè)功率管，進(jìn)行有序換流，以驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)無刷直流電動(dòng)機(jī)用一套電子換向裝置代替了有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置,保留了有刷直流電動(dòng)機(jī)寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能,同時(shí)又克服了有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等一系列缺點(diǎn)。無刷直流電動(dòng)機(jī)還具有高能量密度,高轉(zhuǎn)矩慣性比、高效率等特點(diǎn),在快速性、可控性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面具有明顯的優(yōu)勢,且制造和維修成本大大降低。無刷直流電動(dòng)機(jī)不僅保持了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可

46、靠、易于控制。其應(yīng)用從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域迅速發(fā)展。無刷直流電動(dòng)機(jī)與有刷直流電動(dòng)機(jī)相比,具有以下特點(diǎn):(1)可靠性高、壽命長。無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作期限主要取決于軸承及其潤滑系統(tǒng)。高性能的無刷直流電動(dòng)機(jī)工作壽命可達(dá)數(shù)十萬小時(shí),而有刷直流電動(dòng)機(jī)壽命一般較短,在高溫環(huán)境下甚至只有幾分鐘。(2)無電器接觸火花且無線電干擾少。(3)發(fā)熱的繞組安放在定子上,有利于散熱,便于溫度監(jiān)控,易得到較高功率密度。(4)必須與一定的電子換向線配套使用,從而使總體成本增加。與異步電動(dòng)機(jī)相比,無刷直流電動(dòng)機(jī)具有更大的功率密度、更高的效率和更好的控制性能。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(

47、1)由于采用高性能永磁材料,無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子體積得以減小,可以具有較低的慣性、更快的響應(yīng)速度、更高的轉(zhuǎn)矩/慣量比。(2)由于沒有轉(zhuǎn)子損耗,也無需定子勵(lì)磁電流分量,所以無刷直流電動(dòng)機(jī)具有較高的效率和功率密度,對于同等容量的輸出,異步電機(jī)需要更大功率的整流器和逆變器。(3)盡管異步電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用較為普遍和成熟,但由于其非線形本質(zhì),控制系統(tǒng)極為復(fù)雜。永磁同步電動(dòng)機(jī)把交流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜的磁場定向控制轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子位置定向控制,而無刷直流電動(dòng)機(jī)則進(jìn)一步將其簡化為離散六狀態(tài)的轉(zhuǎn)子位置控制。基于無刷直流電動(dòng)機(jī)以上的優(yōu)點(diǎn),故而無刷直流電動(dòng)機(jī)在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。(1)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指以電能

48、為電源,通過電動(dòng)機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)器及傳感器與控制器進(jìn)行能量變換的動(dòng)力系統(tǒng),是世界主要?jiǎng)恿θ?。永磁無刷電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等微特電機(jī)綜合性能的提高,也使得微特電機(jī)大量進(jìn)入電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為執(zhí)行元件成為必然趨勢,而永磁無刷電動(dòng)機(jī)作為微特電機(jī)中的“佼佼者”,必將在高性能工業(yè)驅(qū)動(dòng)場合獲得廣泛的應(yīng)用。(2)在交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。一個(gè)多世紀(jì)以來,直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一直占主導(dǎo)地位,但是由于傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)均采用機(jī)械方法進(jìn)行換向,帶來不可克服的“機(jī)械磨損、電火花、噪聲、無線電干擾、壽命短”等致命弱點(diǎn),因此,使其應(yīng)用范圍受到了一定限制,尤其是在高性能中、小功率伺服驅(qū)動(dòng)場合。80年代以來,隨著矢量控制技術(shù)的

49、不斷成熟,極大推動(dòng)了交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,使得交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能可以與直流伺服系統(tǒng)媲美,特別是自永磁無刷電動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的日趨成熟,在一些高性能伺服驅(qū)動(dòng)場合更有取代直流伺服的趨勢。這樣便為永磁無刷電動(dòng)機(jī)贏得了又一廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。(3)在光機(jī)電一體化中的應(yīng)用。光機(jī)電一體化技術(shù)和信息技術(shù)作為20世紀(jì)末誕生的“高新技術(shù)”必將在到來的新世紀(jì)里獲得更加快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。這樣對作為這兩大技術(shù)(含其產(chǎn)業(yè))的基礎(chǔ)元件之一的微特電機(jī)必將迎來又一個(gè)快速發(fā)展的春天,而作為微特電機(jī)中的永磁無刷電動(dòng)機(jī)成為新世紀(jì)的一大朝陽產(chǎn)品也就理所當(dāng)然。直流無刷電動(dòng)機(jī)力矩大,調(diào)速范圍寬,不產(chǎn)生電刷粉塵和電火花,摩擦力矩小故其

50、性能優(yōu)越,但阻礙其普及應(yīng)用的主要因素是價(jià)格,它的電子控制和換相部分價(jià)格較高,所以研究一種實(shí)用且控制更加簡捷、靈活的直流無刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是十分必要的。特別是隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,污染嚴(yán)重、能源緊張等矛盾日益尖銳,人們對電動(dòng)汽車的呼聲也日益高漲。于是電動(dòng)汽車專用電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為了研究的焦點(diǎn),國外電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)際應(yīng)用的交流電機(jī)主要有鼠籠異步電機(jī)和永磁同步機(jī),但目前認(rèn)為最適合用于電動(dòng)汽車的電機(jī)是多相永磁無刷直流電機(jī),所以對無刷直流電動(dòng)機(jī)控制的研究是十分有必要的。自二十世紀(jì)九十年代以后，人類更加關(guān)注環(huán)境保護(hù)，節(jié)約能源及國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)

51、、自動(dòng)控制技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)及人工智能技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，以機(jī)械為主體的工業(yè)、民用產(chǎn)品不斷采用高新技術(shù)，并向自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。相應(yīng)對電動(dòng)機(jī)的要求從過去簡單的啟動(dòng)控制、提供動(dòng)力，發(fā)展到要求對轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩等精確控制，以使驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)達(dá)到預(yù)定的技術(shù)性能，從而促進(jìn)了電動(dòng)機(jī)與電子產(chǎn)品結(jié)合成密不可分的機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展。而永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)就是這種產(chǎn)品的典型之一。我國無刷直流電機(jī)的研制工作始于二十世紀(jì)70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我國元器件水平及相關(guān)理論與實(shí)踐相結(jié)合的程度還比較低，尤其是制造工藝和加工設(shè)備距離國際水準(zhǔn)差距較大，所以目前我國無刷電機(jī)綜合水平仍低于國際水平

52、，有待進(jìn)一步的研究和開發(fā)3 方案論證3.1 系統(tǒng)概述在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。目前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)主要采用兩種控制方案：一種采用專用集成電路。這種方案可以降低設(shè)備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便。因而采用后一種控制方式，采用單片機(jī)作為主控芯片，用編程的方法來模擬無刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)是使用靈活，通過修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無刷電機(jī)，增加系統(tǒng)功能方便，通常將此類控制器稱為數(shù)字式控制器?？衫L出無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖:圖3-1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖微控制器（單片機(jī)）主要功

53、能是根據(jù)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的要求和來自霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個(gè)輸出信號，將它們處理成功率驅(qū)動(dòng)單元的六個(gè)功率開關(guān)器件所要求的驅(qū)動(dòng)順序。微控制器的另一個(gè)重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號，以及隨機(jī)發(fā)出的制動(dòng)信號，經(jīng)過ad變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時(shí)鐘信號產(chǎn)生一個(gè)帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號。功率驅(qū)動(dòng)單元主要包括功率開關(guān)器件組成的三相全橋逆變電路和自舉電路。自舉電路由分立器件構(gòu)成的，也可以采用專門的集成模塊等高性能驅(qū)動(dòng)集成電路。位置傳感器在無刷直流電動(dòng)機(jī)中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息。周邊輔助、保護(hù)電路主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過電流保護(hù)電路、調(diào)速

54、信號和制動(dòng)信號等輸入電路。3.2 直流無刷電動(dòng)機(jī)的主回路設(shè)計(jì)了解直流無刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，首先必須了解其定子繞組與電子換向器之間的各種連接方法；由于定子繞組為三相繞組的直流無刷電動(dòng)機(jī)在實(shí)際生活中最為常用，因此在此著重加以討論。1.三相半控電路常見的三相半控電路如圖32所示。圖32 三相半控電路圖32中，l1、l2、l3為電動(dòng)機(jī)a、b、c三相繞組；vf1、vf2、vf3為3個(gè)大功率mosfet管，主要起開關(guān)作用；h1、h2、h3為來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號。在三相半控電路中，要求位置傳感器的輸出信號1/3周期為高電平，2/3周期為低電平，并要求各傳感器之間的相位差也是1/3周期，如圖33所示。 圖33 三相半控電路中的位置傳感器的信號波形和一般的直流電動(dòng)機(jī)一樣，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，由于其轉(zhuǎn)速很低，故轉(zhuǎn)子磁通切割定子繞組所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢很小，因而可能產(chǎn)生較大的電流。另外，三相半控電路雖然結(jié)構(gòu)簡單，但電動(dòng)機(jī)本體的利用率很低，每個(gè)繞組只通電1/