基于导通角全速域控制无刷直流电机的仿真研究可编辑Word格式.docx
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基于导通角全速域控制无刷直流电机的仿真研究可编辑Word格式.docx
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体设计方法。
根据无刷直流电动机的数学模型并采用/建立无刷直
流电动机系统仿真模型;
采用和模块实现控制器仿真,仿真结果
证明导通角全速域控制器整体设计思想的可行性。
基于导通角全速域控制无刷直流电动
机方法,使导通角控制?
?
这一崭新的无刷直流电动机驱动方式得到更广泛的应用。
关键词:
无刷直流电动机;
导通角控制;
仿真;
速度控制大连交通大学工学硕十学位论文,,,
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聿匆咽
朋罗年月节日第一章绪论
第一章绪论弟一早三百下匕
.无刷直流电机概述
自年,法拉第发现了电磁感应定律以来,电动机作为机电能量转换的电磁机
械装置,其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。
电动机主要
类型有同步电动机,异步电动机与直流电动机三种,其容量小到几瓦,大致上万瓦。
众
所周知,直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点,但传统的直流电动机均
采用电刷,以机械方法进行换相,因而存在机械摩擦,由此带来了噪声、火花、无线电
干扰以及寿命短等致命弱点,再加上制造成本高及维修困难等缺点,从而大大的限制了
它的应用范围,致使目前工农业生产上,大多采用三相异步电动机。
随着社会生产力的
发展,人们生活水平的提高,需要不断地开发新型电动机。
科学的进步,新技术新材料
的不断涌现,更促进了电动机产品的不断推陈出新【。
针对传统直流电动机的弊病,早在年,就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷,从而诞生了无刷直流电机,简称
的思想。
在世纪年代,有人开始研制以电子换相来代替机械换相的无刷直流电动
机,并取得了一定成果。
但由于当时大功率电力电子器件仅处于初级发展阶段,而无法
推广使用。
年,美国?
哈利森等人首次申请了应用晶体管换相电路代替电动机机
械换相器换相的专利,这就是现代直流无刷电动机的雏形。
但由
于该电动机尚无起动转
矩而不能产品化。
尔后,又经过人们多年努力,借助于霍尔元件来实现换相的直流无刷
电动机终于在年问世,从而开创了直流无刷电动机产品化的新纪元。
年,原
西德卜小公司在汉诺威贸易博览会推出了方波无刷直流电机及其驱
动器,标志着利用电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段。
年..
对方波无刷直流电动机进行了全面系统的总结,成为方波无刷直流电动机研究的经典文
国际上对无刷直流电
献,它标志着方波无刷直流电动机在理论上达到了成熟。
之后,
动机进行了深入的研究,并按照两者永磁体所形成的气隙磁场分布、定子绕组的感应电
动势波形和通入电流的波形不同,分为正弦波永磁无刷电动机和矩形波永磁无刷电动
机。
正弦波永磁无刷直流电动机反电势波形和供电电流波形均为正弦波,其控制需要较
为精密的转子位置信号,位置传感器结构较为复杂,成本较高,但其控制方法灵活,转
矩波动较小,所以一般用于伺服控制系统。
矩形波永磁无刷直流
电动机,或者称为方波
无刷直流电机,其反电势为梯形波,供电电流为方波,控制系统对转子位置信号要求不
高,只需获得若干个转子关键位置的离散信号就可以了,成本较低,加上其结构简单、大连交通大学工学硕士学位论文
控制方便,因此应用范围很广。
大多数情况下,无刷直流电机是指方波型永磁无刷直流
电动机,在本论文中不做特殊说明的地方均指这类电机【】。
近年来,无刷直流电机的概念已由最初的具有电子换相的直流电机发展到泛指
一切具有无刷直流电机外部特性的电子换相电机。
无刷直流电机的发展亦使得电机理论
与大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论以及高性能
材料的结合更加紧密。
如今,无刷直流电机集特种电机、变速结构、检测元件、控制软
件与硬件于一体,形成新一代伺服系统,体现了当今应用科学的许多最新成果,是机电
一体化的高新技术产品。
无刷直流电机集交流电机和直流电机优点于一体,它既具有交
流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电机运行效率高、调
速性能好的特点,同时无励磁损耗。
和有刷直流电动机相比,无刷直流电动机由于革除了滑动接触机构,因而消除了机
械故障的主要根源。
无刷直流电动机的转子与定子的结构与有刷直流电动机相反:
转子
为永磁式,定子为电枢,散热性能较有刷直流电动机好。
由于转子上没有绕组,因此转
子铜损可忽略不计;
又由于转子和主磁场同步旋转,因此铁损极小;
除了轴承旋转产生
摩擦损耗外,转子的损耗很小,因而进一步提高了电动机的效率。
和交流异步电动机相比,无刷直流电动机控制方法简单。
无刷直流电动机无鼠笼式
转子,转动惯量小,在相同的给定转矩下,其响应更加迅速。
无刷直流电动机的转子损
耗较异步电动机小的多,几乎可以忽略不计,因而无刷机的效率更高;
同时避免了由于
转子损耗发热对机体及其它工作部件的影响。
永磁式的转子无刷直流电动机不再需要额
外的励磁电流;
在输出功率相同时,它自身的体积也小,更适用于空间有限的场合【。
目前在工业发达国家,工业自动化领域中的有刷直流电动机已经逐步被无刷直流电
动机所替代。
现在从国外进口的设备中,已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动
机的系统,一些国家如美国、英国、日本、德国等的相关公司已经不再大量生产伺服
驱动用的有刷直流电动机。
.无刷直流电机的应用
近年来,由于永磁材料的性能不断提高及其制造成本的不断下降、微电子技术的迅
猛发展及芯片价格的持续降低、电力电子技术日新月异的发展以及各应用领域对电动机
性能的要求越来越高等因素的影响,极大地促进了无刷直流电机在各个领域的应用【】。
无刷直流电机在工业中的应用
由于异步电动机的结构简单,工作可靠,价格低廉,目前在工业中大多数都采用异
步电动机作为原动力。
随着科学技术的高速发展,各种产品之间的竞争日趋激烈,传统
第一章绪论
的机械制造工业十分注意研究、开发并生产高速度、高精度、高性能的机电一体化新产
品,如数控机床、组合机床,自动化纺织、印刷、包装、冶金、邮政机械,自动化流水
生产线,各种专用设备等。
这一领域使用需求有力的推动驱动控制系统的快速发展,以
满足机械设备高速度、高精度、高性能的要求。
同其他类型电动机相比,直流无刷电动
机有动态相应快、控制性能好、体积小、重量轻、节能等优点,但是直流无刷电动机需
要采用电子换相和价格较贵的稀土永磁材料,因此其相应成本也较高。
随着稀土永磁材
料和电力电子器件价格不断降低、性能不断提高,目前工业中使用直流无刷电动机驱动
控制系统的越来越多。
在数控机床领域,由于无刷直流电机驱动控制系统集有刷电动机
和交流异步电动机驱动控制系统的优点于一体,故采用无刷直流电机的产品越来越多,
已成为该领域的主要发展方向。
在许多工业系统中,往往需要精确定位又要快速动作的
执行机构。
在这些系统中采用无刷直流电机的伺服系统后,不仅提高了产量,而且大大
改善了产品质量。
在现代工业设备中,有许多需要高速运转的设备,如:
高速磨床、高
速搅拌机、高速钻床、高速离心机、高速压缩机等等。
以这些设备中,高速电动机是其
关键的部件之一。
以往通常都采用以高频功率变换器作驱动电源的异步电动机。
但由于
异步电动机受到机械强度、铁损、转子散热问题的困扰,已很难继续提高设备性能。
在
使用无刷直流电机后,上述问题得到了有效的解决或改进,很好的提高了设备的各项指
标。
无刷直流电机在电动车辆中的应用
无刷直流电机在汽车、摩托车、助动车等交通工具中的应用主要为辅助设备部分和
主动力源部分两个方面。
辅助设备方面所需电动机很多,如油泵、刮水器、发动机通风
扇等多种。
目前每辆汽车平均拥有电动机多达多台,最多可达多台,目前多数仍
采用永磁有刷直流电机。
而用无刷直流电机替代永磁有刷直流电机后,具有减小体积和
重量,提高效率、提高出力、消除火花干扰,降低噪声,延长寿命,便于集中控制等优
点,是汽车辅助设备的发展方向。
主动力源电动机是指以它为主要动力来驱动汽车前进
的电动机。
由于石油危机和减少燃油车辆造成的污染问题,电动车辆的研制被称为具有
深远意义的革命性措施。
最早采用的是有刷直流电动机作为驱动电动机。
因为只有直流
电动机的特性才能适合车辆运行的特点。
在电子技术和电子元器件取得突破性进展之
后,交流异步电动机的调速问题得到解决,交流异步电动机作为驱动元件的方案也被电
动车辆采用。
但是最有发展前途的还是无刷直流电动机。
因为它的起动力矩大、过载能
力强、体积小、省电、高效率、长寿命、低噪声、控制方便的特点正适合电动车辆的运
行特性。
无刷直流电机在家用电器中的应用大连交通大学工学硕士学位论文
随着人们生活水平不断提高和生产技术的进步,家用电器日趋普及,如空调、电冰
箱、洗衣机、电视机、电烤箱、洗碗机、高档浴具等,这些电器往往都需要电动机作为
它们的驱动器。
随着家用电器的增加,每个家庭所拥有的电动机数量将不断增加,对它
们的要求也越来越高。
对它们的要求也越来越高。
家用电器中的发展趋势是低噪声、节
能型、智能化,面对这些要求,原来采用的单相异步电动机往往不
能满足要求,这就为
无刷直流电动机在家用电器中应用提供了极好的机遇。
近年来,许多生产厂商在空调压
缩机上采用无刷直流电动机替代变频调速的异步电动机,以提高其运行效率,获得了更
好的节能效果,并进一步降低了噪声。
在高端洗衣机中,无刷直流电机也逐步替代传统
的单相异步电动机;
一般采用低噪声扁平型无刷直流电动机,不带任何机械减速和传动
装置,由无刷直流电动机直接驱动洗衣机滚筒,并采用无级调速,洗衣时低速运转,脱
水时高速运转,故障率很低。
同时,无刷直流电机也使一个老产品?
家用电扇重新被
市场所认可。
家用电扇一直采用单相交流异步电动机,用绕组抽头或串联电感线圈分档
调速,无法实现连续平滑调速。
随着家用空调的不断普及有人认为电风扇将要退出市场。
但是采用无刷直流电机后,使家用电扇拥有了低噪声、可无级变速来实现阵风、自然风、
微风和睡眠风等多种功能,并重新被市场所接受。
无刷直流电机在计算机系统中的应用
电子计算机具有强大的计算和逻辑功能,已成为当前科学研究、
生产管理、过程控
制及信息通讯等方面的强有力工具。
其应用水平的高低和普及程度已成为衡量一个国家
的经济、科学发展的重要标志之一。
各国的高度重视、计算机工业的飞速发展及应用的
快速普及,促使人类进入信息时代。
目前世界各发达国家的信息产业正日新月异向前发
展。
我国也把信息产业作为国家重点发展的高新技术产业之一。
在信息技术领域,计算
机的主要功能可分为信息的采集、传输、处理和存储等几大部分。
计算机外存设备就是
用来存放来自计算机的各种信息数据,一般有磁带存储器、硬磁盘存储器、磁盘存储器
以及光盘存储器等多种类型,他们的主轴电动机均无一例外地采用高档精密无刷直流电
动机。
同时在计算机中,作为降低温升的主要设备?
冷却风扇,也使用了无刷
直流电机。
无刷直流电机在医疗器械中的应用
医用无刷直流电机是一个新兴的领域,具有十分良好的发展前景。
一方面在许多传
统电动医疗器械中,原来一般都采用直流有刷电动机的,在原则
上都可以用无刷直流电
动机代替,如用于牙科和耳科中的电动医疗器械,医用高速离心机等。
这些设备用无刷
直流电机替代后具有小尺寸、长寿命、低噪声、高可靠性,能有效提高医院医疗环境。
另一方面,利用无刷直流电机的优良特性,可开发出许多新型电动医疗器件,提高医疗
技术手段,如:
人造心脏。
无刷直流电机在机器人中的应用
机器人是集机械、电子、传感技术、自动控制等多种现代技术于一体的机电一体化
产品。
随着自动生产流水线、柔性生产系统和柔性自动化在工业生产中的大量应用,机
器人发挥着越来越重要的作用。
机器人一般由机械本体、计算机控制系统和伺服驱动系
统等三部分组成。
机器人按预定程序完成相应动作,这些动作大多都是由伺服驱动电机
来完成的,这就要求伺服电机具有机械时间常数小、调速范围宽、力矩波动小、低速运
行平稳、功率体积比和功率重量比大、过载能力强、耐热性好、可靠性高等特点,而这
些要求大部分也是无刷直流电机的技术特点,因此无刷直流电机在机器人领域有着广泛
的应用前景。
综上所述,由于无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维修方
便等特点,又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点,
是新一代电气传动的发展方向之一,推广使用无刷直流电机对节约能源、提高人民工作
生活水平和国民经济有重要作用。
因此,对无刷直流电动机本体及控制方法进行系统深
入的研究有着十分重要的现实意义。
.课题背景及意义
由于无刷直流电机既保持了直流电动机良好的调速性能,也具有交流电动机的结构
简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,故在当今国民经济各个领域,如:
医疗器械、
仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。
自无刷直流电机诞生之日起就受到两方面问题的困扰:
可靠性及精确度偏低、造价
过高。
由于无刷直流电机自身特有的电磁因素、电流换相、齿槽问题、电枢反应、机械
工艺引起的转矩脉动和传感器的存在、电机易受工作条件间的影响,传感器灵敏度等问
题都严重限制了无刷直流电机的可靠性和精确度;
此外由于电子换相电路、数字控制芯
片及传感器的使用都提高了其使用成本尤其是小功率电机及使用空间,这些都严重
制约了无刷直流电机的应用。
目前围绕着以上两个问题不少研究人员都提出了各自的解
决方案,尤其是前一个问题更成为了热点。
采用基于等控制芯片的复杂算法不同
程度提高了无刷直流电动机的精确度,这使得无刷直流电机在航天航空、精密电子仪器
等领域有了广泛的应用。
然而在要求精度不高的情况下,如:
风扇、洗衣机等,这就需
要一种能够尽可能减少成本并更加简单的控制策略,但由于无刷直流电动机目前过高的
提出的导通角控
成本直接限制了其在这方面的应用。
和大连交通大学工学硕士学位论文
制是一种简单可靠的无刷直流电动机数字控制技术,易于专用集成电路设计实
现,能有效降低无刷直流电动机控制成本。
但由于这种控制方式
存在转速控制范围小和
固定负载转矩的缺点,不适用于较大范围转速和负载的调速控制,限制了使用范围。
所
以本课题主要任务是对这种控制方式进行改进,使导通角控制方式具有更大的转速和负
载控制范围。
.本文的主要工作
本文的研究课题为基于导通角全速域控制无刷直流电动机的仿真研究,论文工作主
要包括以下几方面的内容:
通过查阅资料了解总结目前无刷直流电动机控制发展现状及方向。
分析无刷直流电动机的基本结构和工作原理,建立无刷直流电动机的数学模型。
根据研究无刷直流电动机的数学模型,采用/仿真软件建立
无刷直流电动机仿真模型。
在研究分析导通角数字控制无刷直流电动机的原理和存在的不足的基础上,提出
基于导通角全速域控制无刷直流电动机的调速方式,并对此给出控制器的设计方
案,使导通角控制无刷直流电动机在更大的速度和负载转矩范围内有效。
在研究基于导通角全速域控制无刷直流电动机的调速方式和其控制器设计方案
的基础上,建立采用/的控制器仿真模型;
并在无刷直流电
动机仿真模型的基础上完成整个基于导通角全速域控制无刷直流电动机系统的
仿真。
分析仿真实验结果。
本章小结
本章主要介绍了无刷直流电动机的简单概念和无刷直流电动机的应用范围及前景,
初步建立起无刷直流电动机的基本概念;
介绍了基于导通角全速域控制无刷直流电动机
仿真研究的课题意义和主要工作内容。
第二章无刷直流电动机控制原理
.无刷直流电机的基本组成环节及工作原理
..基本组成环节
无刷直流电机的结构如图.所示。
它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关
线路三部分组成。
电动机本体在结构上与永磁同步电机相似,但没有鼠笼绕组和其他启
动装置。
其定子绕组一般制成多相三相、四相、五相不等,转子
由永磁钢按一定极
对数,,,?
组成。
图.中的电动机本体为三相两极。
三相定子绕组分别
与电子开关线路中相应的功率开关器件联接。
在图.中,相、相、相绕组分别
与功率开关管、、相接。
位置传感器的跟踪转子与电动机转轴联结【。
电动机
电子开关线路
位置传感器
图.无刷直流电动机的结构原理图.
当定子绕组的某一相通电时,该电流与转子永磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而
产生力矩,驱动转子旋转,再由位置传感器将转子磁钢位置变成电信号,去控制电子开
关线路,从而使定子各相绕组按一定顺序导通,定子相电流随转子位置的变化而按一定
的次序换相。
由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的,因而起到了机械换向
器的换向作用。
因此,所谓无刷直流电动机,就其基本结构而言,可以认为是一台
电子开关线路、
永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统。
其原理框图如图.所示。
大连交通大学工学硕士学位论文
图.无刷直流电动机的原理框图.
...
电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似,均是在
电动机的气隙中中建立足够的磁场,其不同之处在于,无刷直流电动机中永久磁钢装在
转子上,而直流有刷电动机的磁钢装在定子上。
无刷直流电机电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间,
主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。
功率逻辑开关单元
是控制电路的核心,其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电机定子上
各相绕组,以便使电动机产生持续不断的转矩。
而各相绕组导通的顺序和时间主要取决
于来自位置传感器的信号。
但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来去控制逻辑开
关单元。
综上所述,组成无刷直流电机各主要部件的框图,如图.
所示。
图.无刷直流电动机的组成框图....
..基本工作原理
众所周知,一般的永磁式直流电动机的定子由永磁钢组成,其主要的作用是在电动
机气隙中产生磁场。
其电枢绕组通电后产生反应磁场。
由于电刷的换向作用,使得这两
个磁场的方向在直流电动机运行过程中始终保持相互垂直,从而产生最大转矩而驱动电
动机不停地运转。
无刷直流电动机为了实现无电刷换向,首先要求把一般直流电动机的
电枢绕组放在定子上,把永磁磁钢放在转子上,这与传统直流永磁电动机的结构刚好相
反。
但仅这样做还是不行的,因为用一般直流电源给定子上各绕组供电,只能产生固定
磁场,它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用,以产生单一方向的转矩来
驱动转子运转。
所以,无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外,还要
有由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换向装置,使得无刷直流电动
机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场,在空间始
终保持在/左右的点角度。
为了更加清晰的阐述这种无刷直流电机的工作原理和特点,下面就以三相星形联结
绕组半控桥电路为例,来加以简要说明。
图.为三相无刷直流电动机半控桥电路原理
图。
此处采用光电器件作为位置传感器,以三只功率晶体管、和构成功率逻辑
单元。
在图.中,三只光电器件卜、的安装位置个相差。
均匀分布在电
动机一端。
借助安装在电动机轴上的旋转遮光板亦称截光器的作用,使得从光源射
来的光线依次照射在各个光电器件上,并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转
子磁极的位置。
图.所示的转子位置和图.所示的位置相对应。
图.三相绕组无刷直流电动机.
..由于此时光电器件被光照射,从而使功率晶体管呈导通状态,电流流入绕
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组’,该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子磁极转到图.所示的位
置时,直接装在转子轴上的旋转遮光板亦跟着同步转动,并遮住而使受光照射,
从而使晶体管截至、晶体管导通,电流从绕组.,断开而流入绕组.’,使得
转
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