永磁無刷電機

1、-作者xxxx-日期xxxx永磁無刷電機【精品文檔】題目永磁無刷直流電機綜合報告 作 者： 潘高超 學 號： 15120017 班 級： 研15電氣 完成日期： 2016年 5月 2日 摘 要隨著計算機技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，由數(shù)字控制裝置組成的隨動系統(tǒng)應運而生。與傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字隨動系統(tǒng)具有設(shè)計簡單，體積小，修改方便，精度高，可靠性高等優(yōu)點。作為典型的數(shù)字隨動控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，無刷直流電機既具備交流電機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列特點，又具有直流電機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點，故在許多高科技領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用，如機器人、數(shù)控機床、雷達、潛艇和各

2、種軍用武器隨動系統(tǒng)。 本文介紹了永磁無刷直流電機的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并深入研究了基本結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)學模型和控制性能。通過這些介紹，更加深入的了解永磁無刷直流電機的優(yōu)缺點。關(guān)鍵詞:無刷直流電機，基本結(jié)構(gòu)，工作原理，數(shù)學模型 第1章 緒 論1.1引言 在控制系統(tǒng)中，若給定的輸入信號是預先未知且隨時間變化的，并且系統(tǒng)的輸出量隨輸入量的變化而變化，這種系統(tǒng)就稱為隨動系統(tǒng)?？焖俑櫤蜏蚀_定位是隨動系統(tǒng)的兩個重要技術(shù)指標。運動控制通常是指在復雜條件下，將預定的控制方案轉(zhuǎn)變成期望的機械運動。運動控制系統(tǒng)使被控機械運動實現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制等。運動控制技術(shù)及其專用集成電路在雷達天線、慣性導

3、航系統(tǒng)、衛(wèi)星姿態(tài)等技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，是廣大工程技術(shù)人員熱衷研究開發(fā)的新課題。 隨著計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的迅猛發(fā)展，由數(shù)字控制裝置組成的隨動系統(tǒng)即數(shù)字隨動系統(tǒng)應運而生。與傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字隨動系統(tǒng)控制是從計算機接收控制命令，它具有設(shè)計簡單，體積小，修改方便，精度高，可靠性高等優(yōu)點。1.2 無刷直流電機控制的國內(nèi)外現(xiàn)狀 無刷直流電機既具有傳統(tǒng)直流電機的優(yōu)點，如較好的機械特性和調(diào)節(jié)特性，起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強、調(diào)節(jié)方便、動態(tài)特性好等，又具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，故在許多高科技領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用，如激光加工，機器人，數(shù)控機床，大規(guī)模集成電路制造設(shè)

4、備、雷達、潛艇和各種軍用武器隨動系統(tǒng)，以及柔性制造系統(tǒng)等。同時人們對其控制性能要求也不斷提高。(1) 無位置傳感器控制 對轉(zhuǎn)子位置的檢測和換相技術(shù)的研究是無刷直流電動機伺服控制的一個方面，傳統(tǒng)的方法是采用位置傳感器,為了減輕系統(tǒng)的負擔，國外的一些學者提出無位置傳感器法。特別是在1980年，H.Lehuy等人提出廠利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時定子繞組中的感應電動勢進行位置檢測，這就是所謂的“反電動勢法”。1990年，S.Ogasawara提出了續(xù)流二極管法，它通過檢測反向并聯(lián)在驅(qū)動三極管上的二極管的導通狀態(tài)來得出轉(zhuǎn)子的位置。在國內(nèi)也開展了相關(guān)的研究，利用三相反電動勢中的三次諧波分量來檢測位置，這種方法是基于三

5、次諧波信號同轉(zhuǎn)子磁通和負載情況保持有恒定的相位關(guān)系的原理而產(chǎn)生的，它對逆變器開關(guān)造成的噪聲不敏感，因而可精確確定轉(zhuǎn)子的位置。也有采用端電壓檢測法，結(jié)合80C51單片機對無刷直流電機進行控制，實驗結(jié)果表明，低速和高速時檢測位置準確，系統(tǒng)運行良好。但是由于定子反電動勢和電機的轉(zhuǎn)速成正比，所以在電機靜止時反電動勢為零，沒有換相信號，電機不能自起動。為了實現(xiàn)啟動必須外加起動信號，使電動機轉(zhuǎn)子向確定的方向加速，繞組中產(chǎn)生反電動勢，然后再用模擬開關(guān)切換到反電動勢檢測換相的方式。外同步驅(qū)動方式起動是以變頻方式同步拖動電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，需要專門的脈沖分配電路提供各相導通的控制信號，因此起動電路比較復雜。(2) 變

6、結(jié)構(gòu)控制 為了提高無刷電動機控制系統(tǒng)的性能，人們也在使用某些新型的控制策略。變結(jié)構(gòu)控制由于具有響應速度快、對控制對象參數(shù)變化及外部擾動不靈敏、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，成為研究關(guān)注的焦點。變結(jié)構(gòu)開關(guān)模式既可以由系統(tǒng)的傳遞函數(shù)導出，也可根據(jù)系統(tǒng)的最大速度、最大加速度等系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計，都會使系統(tǒng)的位置控制達到較好的控制效果。(3) 模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 在伺服控制系統(tǒng)中，如何在較寬調(diào)速范圍內(nèi)提高電流調(diào)節(jié)特性以及減小力矩波動一直是伺服系統(tǒng)研究的焦點，模糊控制是近年來研究的熱點，它不依賴于被控對象的精確的數(shù)學模型，對系統(tǒng)的動態(tài)響應有較好的魯棒性。PID控制方法可以很好的消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，所以人們將兩者結(jié)合

7、用于無刷直流電機的伺服控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)同時兼有兩種方法的優(yōu)點。另一個研究熱點是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID相結(jié)合的控制策略，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學習自適應功能在線調(diào)整PID控制參數(shù)。實踐證明這種控制算法可以達到很好的動、靜態(tài)性能，完全可以用于高精度的定位系統(tǒng)。隨著各種控制算法的出現(xiàn)，對無刷電機控制器的要求也越來越高，微處理器是比較常用的一種控制形式。隨著數(shù)字處理器件(DSP)的發(fā)展,其運算的快速性越來越受到人們的關(guān)注，并且成為無刷直流電機控制應用中最熱門的處理芯片，許多優(yōu)良的控制算法，都可以在其上實現(xiàn)。第2章 永磁無刷直流電機結(jié)構(gòu)原理無刷直流電機主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。電動機本體

8、在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動機相似，但是沒有籠型繞組和其他啟動裝置。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。圖中的電動機本體為三相兩極，三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中對應的功率開關(guān)器件聯(lián)結(jié)，A相、B相、C相繞組分別與功率開關(guān)管，連接，位置傳感器、的跟蹤轉(zhuǎn)子與電機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)結(jié)，用來檢測電動機轉(zhuǎn)子的位置，其輸出端與電子開關(guān)線路中對應的功率開關(guān)器件連接。當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場互相作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(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，從而使定子各繞組按一定次序?qū)?，定?/p>

9、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)線路的導通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機械換向器的換向作用。無刷直流電動機結(jié)構(gòu)原理圖因此，所謂無刷直流電動機，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認為是一臺由電子開關(guān)線路，永磁同步電動機以及位置傳感器三者組成的電動機系統(tǒng)。電機開關(guān)線路是用來控制電機定子上各相繞組通電的順序和時間，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關(guān)系分配給無刷直流電機定子上各繞組，以便使電機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。一般的永磁式直流電動機的

10、定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機氣隙中產(chǎn)生磁場。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應磁場。由于電刷的換向作用，使得這兩個磁場方向在直流電動機的運行過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電動機不停地運轉(zhuǎn)。無刷直流電動機為了實現(xiàn)無電刷換向，首先要求把一般直流電動機的電樞繞組放在定子上，把永久磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動機的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅這樣做還是不行，因為用一般直流電源給定子上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場，它不能與運動中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場相互垂直，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。所以，無刷直流電動機除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動機本體以外，還要由位置傳感器、控制電路以及功率邏

11、輯開關(guān)共同構(gòu)成換向裝置，使得無刷直流電動機在運行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永久磁場，在空間始終保持在90°左右的電角度。下面我們以三相星形繞組半控通電方式來說明無刷電機的基本工作原理，如圖所示。當電動機的轉(zhuǎn)子處于圖(a)的位置時，讓導通，電流流入A-A，由左手定則可知，在電磁力的作用下沒,轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖(b)時，關(guān)斷，導通，使電流從繞組 A-A斷開而流入繞組 B-B，在轉(zhuǎn)子磁鋼同B相繞組所產(chǎn)生的電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到(c)時，關(guān)斷，導通，使電流從繞組B-B斷開而流入繞組C-C，在轉(zhuǎn)子磁鋼同C相繞組所產(chǎn)生

12、的電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，回到圖(a)的位置。這樣重復上述操作，實現(xiàn)電機的旋轉(zhuǎn)。定子磁場旋轉(zhuǎn)示意圖無刷直流電機轉(zhuǎn)子采用瓦形磁鋼，進行特殊的磁路設(shè)計，可獲得梯形波的氣隙磁場，定子采用整距集中繞組，由逆變器供給方波電流。BLDC氣隙磁場感應的反電動勢和相電流之間的關(guān)系，如下圖所示，其中，分別為A相的反電動勢和相電流，B為磁通密度。由于BLDC的感應電動勢為梯形波，包含有較多的高次諧波，并且BLDC的電感為非線性。相反電動勢和電流波形本文以兩相導通星形三相六狀態(tài)為例，分析BLDC的數(shù)學模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性。為了便于分析，假定: (a) 三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)

13、子磁場分布皆對稱；(b) 忽略齒槽、換相過程和電樞反應等的影響; (c) 電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布; (d) 磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。則根據(jù)BLDC特性，可建立其電壓、轉(zhuǎn)矩、狀態(tài)方程以及等效的BLDC電路；(1) 電壓方程 BLDC三相定子電壓的平衡方程可以用以下的狀態(tài)方程表示: （2-1），為三相定子電壓; ，為三相定子的反電動勢; ，為三相定子相電流; ，為三相定子自感; ，為三相定子繞組之間的互感; ，為三相定子繞組的相電阻; P為微分算子。由電機的結(jié)構(gòu)決定，在360°電角度內(nèi)，轉(zhuǎn)子的磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，并假定三相繞組對稱，則有: = = L ，= =

14、 = = =M ,= = =R 由于三相對稱的電機中，+ + = 0 ,以及M + M= -M，則式(2-1)可改寫為: （2-2）中點電壓方程為: （2-3）(2) 轉(zhuǎn)矩方程 BLDC的電磁轉(zhuǎn)矩方程可表示為: （2-4）其中，為BLDC的角速度(rad/s)。由(2-4)式可看出，無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電動機相似，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流幅值成正比，所以控制逆變器輸出方波電流的幅值即可控制無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩。為產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，要求定子電流為方波，反電動勢為梯形波，且在每半個周期內(nèi)，方波電流的持續(xù)時間120°電角度，梯形波反電動勢的平頂部分也為120°

15、;電角度，兩者應嚴格同步。由于在任何時刻，定子只有兩相導通，則: 電磁功率可表示為: （2-5）電磁轉(zhuǎn)矩又可表示為: （2-6）BLDC的運動方程可表示為: （2-7）其中，B為阻尼系數(shù)，J為電機的轉(zhuǎn)動慣量，為負載轉(zhuǎn)矩。 (3) 狀態(tài)方程 由(2-2)式的電壓方程，可得BLDC的狀態(tài)方程: （2-8）(4) 等效電路 由BLDC的電壓方程，可以將其等效地表示為下圖所示的等效電路，BLDC的每相由定子繞組電阻R、電感(L-M)及一個反電動勢e串聯(lián)構(gòu)成。無刷直流電機等效電路圖(5) 傳遞函數(shù)無刷直流電機的運行特性和傳統(tǒng)直流電機基本相同，其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以采用直流電機通用的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示: 無

16、刷直流電機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由無刷直流電機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可求得其傳遞函數(shù)為: （2-9）式中: K1 為電動勢傳遞系數(shù)，為電動勢系數(shù); K2 為轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù)，R為電動機內(nèi)阻，為轉(zhuǎn)矩系數(shù); 為電機時間常數(shù)，G為轉(zhuǎn)子重量，D為轉(zhuǎn)子直徑。第3章 永磁無刷直流電機驅(qū)動及換相無刷直流電機有多種結(jié)構(gòu)，相數(shù)有三相、四相、五相不等。每種電機可分為半橋驅(qū)動和全橋驅(qū)動，全橋驅(qū)動時電機繞組又可分為星形和三角形連接以及不同的電方式(即同時通電的相數(shù))，不同的繞組接法和驅(qū)動方式的選擇將會使電動機產(chǎn)生不同的性能并且成本也不同，主要從以下三個方面來進行分析: (1) 繞組利用率。無刷直流電動機的繞組是斷續(xù)通電的，適當?shù)奶岣呃@組通電利用

17、率將可以使同時通電導體數(shù)增加，使電阻下降,提高效率。從這個角度來看，三相比四相好，四相比五相好，全橋比半橋好。(2) 轉(zhuǎn)矩的波動。無刷直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩波動比普通直流電動機大，因此希望盡量減小轉(zhuǎn)矩波動。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的波動越小，全橋驅(qū)動比半橋驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的波動小。(3) 電路成本。相數(shù)越多，驅(qū)動電路所使用的開關(guān)管越多，成本越高，全橋驅(qū)動比半橋驅(qū)動所使用的開關(guān)管多一倍，因此成本要高。多相電動機的結(jié)構(gòu)復雜，成本也高。綜合上述分析，三相電機星形連接全橋驅(qū)動方式綜合性能最好，應用最多，本系統(tǒng)即是選擇的這種控制方式。全橋式驅(qū)動電路上圖是三相無刷直流電動機星形連接全橋驅(qū)動時的電路原理圖，采用兩相導通三相

18、六狀態(tài)工作方式，在電機運行過程中，霍爾位置傳感器不斷檢測電機當前位置，控制器根據(jù)當前位置信息來判斷下一個電子換向器的導通時序。如下圖是本系統(tǒng)電機正常運行時，電機各相繞組的導通時序和霍爾傳感器輸出信號關(guān)系圖。圖中H1，H2和H3分別表示霍爾位置傳感器的信號，H1的有效期為X軸到u軸的正半周，H2的有效器為V軸到Y(jié)軸的正半周，H3的有效期為W軸到z軸的正半周，假設(shè)有效的霍爾信號的對應為“1”。電機在各個位置的電子換向器的導通狀態(tài)共6種，分別為ANC，BNC，BNA，CNA，CNB和ANB，其中以ANB為例表示電機A相到B相的正導通，其它以此類推。假設(shè)正轉(zhuǎn)(逆時針)過程中，在060°期間，

19、功率開關(guān)管導通狀態(tài)為ANB，此時VT1，VT6導通，在60120°期間，功率開關(guān)管導通狀態(tài)為ANC，此時VT1，VT2導通，其余時間類似，按照下圖所示順序依次導通不同的開關(guān)管對。電子換相器的控制關(guān)鍵在于在檢測到當前位置的同時開通下一個位置導通狀態(tài)的電子開關(guān),經(jīng)分析各當前位置與下一位置電子開關(guān)導通相的對應關(guān)系如表所示，結(jié)合圖，還可以得到相應的三相電機星形連接全橋驅(qū)動的各開關(guān)管通電規(guī)律如下表所示(“+”表示此相端點是電流流入，“”表示此相端點是電流流出)。 電子換向器工作原理 霍爾元件發(fā)生時序圖霍爾位置信號與換相關(guān)系反相正相當前位置（H3,H2,H1）下一位置導通相當前位置（H3,H2,

20、H1）下一位置導通相001BNC001BNA011BNA011CNA010CNA010CNB110CNB110ANB100ANB100ANC101ANC101BNC三相星形連接全橋驅(qū)動的通電規(guī)律通電順序正轉(zhuǎn)（逆時針）反轉(zhuǎn)（順時針）轉(zhuǎn)子位置（電角度）0606012012018018024024030030036036030030024024018018012012060600開關(guān)管1，61，23，23，45，45，63，21，21，65，65，43，4A相+B相+C相+參考文獻1夏長亮,方紅偉. 永磁無刷直流電機及其控制J. 電工技術(shù)學報,2012,v.2703:25-34.2朱俊杰,粟梅,王湘中,陳程,楊龍. 無位置傳感器無刷直流電機閉