无刷直流电机(论文设计).docx

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1、1绪论无刷直流电机Brushless DC Motor ,简称BLDCM）用电子换相取代了直流电机的机 械换相，把永磁材料做成转子，省去了电刷，因而它具有很强的生命力。无刷直流电机的 驱动电路能比拟容易的获得方波，反响装置简单，功率密度高，输出转矩大，控制结构简 单，使得BLDCM的应用比直流电机要广泛得多。1.1 课题研究目的与意义一个世纪以来，电机作为机电能量转换装置，其应用已普及国民经济的各个领域以及 人们的日常生活中。众所周知，直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但是 传统的直流电机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在机械摩擦，由此带来噪声、 电火花、无线电干扰以及寿命短

2、等致命弱点，再加上制造本钱高及维修困难等缺点，从而 大大地限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上，大多数采用三相异步电机。无刷直 流电机既具备传统直流电机运行效率高、调速性能好、无励磁损耗的优点，又具有结构简 单、运行可靠、维护方便等独特的优势，特别是与传统直流电机相比，无刷直流电机不采 用电刷进行换相，因而不存在机械换相带来的诸多缺点，故在许多高科技领域中应用越来 越广泛。在军事装备领域，使用无刷直流电机能更好地满足快响应、高精度的要求。对常规武 器如雷达的天线控制系统、高射武器的自动跟踪系统等，这些随动系统必须具备很高的角 速度、角加速度和很高的跟踪精度，快速跟踪和准确定位是两个重要的技

3、术指标，其控制 器的好坏直接影响着装备战术技术性能，因此，如何使随动系统具有稳定性好、可靠性高、 响应速度快、跟踪精度高等特点成为研究随动系统的关键。近十年来，用高新技术武装的 各种新型武器如战术导弹、隐形飞机、武装直升机等空中武器不断涌现，其目标识别能力、 隐蔽程度、目标命中精度均大大提高，这给武器随动系统提出了新的要求。在民用领域， 随着现代电力电子技术、传感器技术、精密机械技术、自动控制技术以及人工智能技术等 高新技术的开展，对电动机的要求从过去简单的提供动力开展到精确控制，从而促进了电 动机与电子产品紧密结合的机电一体化产品的开展，如激光加工、机器人、数控机床、柔 性制造系统等。在这些

4、高科技领域中，无刷直流电机作为当今效率最高的调速电机之一， 得到了非常广泛的应用。无刷直流电机的调速性能优越、体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、不存在励磁 损耗问题，不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，而且结构简单、运行可 靠、易于控制。随着无刷直流电机的应用范围日益扩大，其应用己经从最初的军事工业， 向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速开展。因此，直流无刷电机的应 用和研究受到了高度的重视，凭其技术优势在许多场合取代了其它种类的电动机，越来越 多地应用于国民经济生活的各个领域中，显示出了广泛的应用前景。因此，对无刷直流电 动机本体及其控制且在控制过程中出现的问题进

5、行系统、深入的研究有着非常重要的理论 和现实意义无刷直流电机控制策略选择的好坏直接关系到控制系统的性能，对于控制系统来说有 三个根本要求:稳、准、快。其中“稳”是最根本的要求，“准”是稳态要求（稳态误差要 小），“快”是动态要求（超调量要小，调节时间要短）。目前在实际生产和应用中，无刷直 流电机的调速控制一般都采用传统的PID控制，PID控制是最早开展起来的控制策略之一, 由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业控制过程中，但无刷直流电机 调速系统是一个多变量、强祸合的非线性系统，随着对无刷直流电机调速性能要求的提高, 采用传统的控制方法已经很难得到令人满意的结果。因此，研制高性能

6、的无刷直流电机控 制器成为一项普遍关注的课题。1.2 国内外研究概况综述1955年，美国D.哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电机机械换向器换向的专 利，这就是现代直流无刷电机的雏形回。此后又经过人们多年的努力，借助霍尔元件来实 现换向的直流无刷电机终于在1962年问世。80年代以来，微电子技术和电力电子技术在 各自开展的根底上相结合产生了高频化全控型器件，从而使电力电子技术的开展进入了一 个新的阶段，新的电力电子器件使电路的控制性能大为改善，使以前难以实现的功能也得 以实现。目前，电力电子装置朝着集成化的方向开展，把驱动、控制、保护电路和功率器 件集成在一起，便构成了功率集成电路，这些使

7、得电机的驱动电路体积更小且设计简化。 电力电子工业的开展，使半导体大功率管的价格不断下降而其性能却不断提高，这些都将 使无刷直流电机的应用更加普及随着科技的开展，无刷直流电机的控制器经历了模拟控制系统、模拟数字混合控制电 路、数字控制系统等阶段。传统的无刷直流电机控制器一般由模拟器件以硬接线的方式构 成。然而模拟元件的物理特性决定了它们具有一些本质上的缺陷，例如元器件的老化和温 漂问题等，由于采用了硬接线，系统升级困难，使它很难满足现代电子系统的设计要求。 因此，数字控制系统应运而生，最初的数字控制系统都是以单片机为主控芯片，单片机的 种类很多，其中以51系列、96系列单片机最为普遍。在单片机

8、控制系统开展的同时，一 些厂家开发出了电机控制专用芯片，如用于无刷直流电机控制的UCC3626,摩托罗拉高性 能微控制器中的智能化外围模块MC33039等。这类芯片价格廉价，执行速度快，但是所能 实现的控制功能简单，难以满足高性能控制场合的需要。从目前的开展趋势来看，以双闭 环控制代表无刷直流电机控制器的开展方向。在过去20多年的时间里，直流无刷电机在国 际上己得到较为充分的开展，控制技术已经比拟成熟。由于无刷直流电机的应用前景广阔， 各国都加快对无刷直流电机新产品开发的速度和占领市场的力度，尤其美国和日本具有较 先进的无刷直流电机制造和控制技术。日本在民用方面比拟突出，而美国那么在军用方面

9、更加先进。在我国，无刷直流电机的开展时间较短，但随着技术的日益成熟与完善也得到了迅猛 的开展。我国直流无刷电机的研制工作始于二十世纪70年代初期，主要集中在一些科研院 所和高等院校。限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比拟低，尤其是制 造工艺和加工设备距离国际水准差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水 平，有待进一步的研究和开发。我国的无刷直流电机也已在航模、医疗器械、家用电器、电动车等多个领域得到广泛 应用，并在深圳、长沙、上海等地形成初具规模产业链，在技术上不断推进行业开展。但 是，中国在无刷直流电机产业的开展过程中出现了不少问题，许多情况不容乐观，如产业 结构不合

10、理、产业集中于劳动力密集型产品;技术密集型产品明显落后于兴旺工业国家;生 产要素决定性作用正在削弱;产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏 力大;企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。当今，世界对无刷直流电机的研究热点主要集中在以下三个方面：(1)从电机设计和控制策略等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制方法，提高其 伺服精度，扩大其应用范围；(2)设计可靠、小巧、通用性强的集成化无刷直流电机控制器；(3)研究无位置传感器控制技术以提高系统的可靠性，并进一步缩小电机控制系统的尺 寸与重量。1.3 论文的主要内容本文对无刷直流电机的控制策略和转矩脉动等问题进行研究

11、，内容主要由以下几局部 组成：1)论述了本文的研究目的，内容以及研究意义。12)概述了无刷直流电机的根本结构、工作原理和数学模型。13)介绍了无刷直流电机的控制策略的选择。4)在Matlab/Simulink中建立无刷直流电机模型。15)通过MatIab/Simulink进行仿真，并对实验结果进行详细的分析。6)对全文进行总结分析，得出了论文的结论。2无刷直流电机的数学模型无刷直流电机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三局部组成，不 同类型的结构和驱动方式可以有多种组合。电子换相电路一般由控制局部和驱动局部组成, 而对转子位置的检测可以通过用传感器的方法或无位置传感器技术进行确定

12、。工作时，控 制器根据测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱 动直流电动机运行。2. 1无刷直流电机的根本结构和工作原理2. 1. 1无刷直流电机的根本结构无刷直流电机的设计思想来源于有刷直流电机，但无刷直流电机与有刷永磁直流电机 的结构刚好相反，电枢绕组在定子上，而永磁磁钢在转子上。使用位置检测电路、电子换 相电路来共同构成电子换相装置，使得无刷直流电机在运行过程中定子绕组所产生的电枢 磁场与转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间上始终保持在900左右的电角度，以输 出最大转距，牵引转子及负载旋转。所以，无刷直流电机的根本结构可以认为由电机本体、 电子换相电路

13、以及位置检测电路共同组成如图2-1 o图2-1无刷直流电机系统根本结构图电机本体的主要部件有定子和转子。无刷直流电机的转子磁极采用瓦形磁钢，经专门 的磁路设计，可获得梯形的气隙磁场，定子采用集中整距绕组，因而感应的电动势也是梯 形的。无刷直流电机的内转子式，定子电流导通状态是A相和C相导通，B相关闭。电枢 绕组在定子侧，有利于常用的的内转子无刷直流电机散热。11）定子是电机本体的静止局部，由导磁的定子铁心、电枢绕组、及绝缘材料等局部 组成。其中，定子绕组是电机本体的一个重要局部。当电机接上电源后，电流流入绕组，产 生磁动势，与转子产生的磁场相互作用而产生电磁转矩。当电机带着负载转动起来后，便

14、在绕组中产生反电动势，吸收一定的电功率，并通过转子输出机械功率，从而实现能量从 电功能转换成机械能的过程。12）转子转子式电机的转动局部，是产生励磁磁场的部件，由一定的极对数的永磁体 嵌在铁心外表或嵌入铁心内部构成。目前，永磁体多采用钱铁硼等高矫顽力、高剩磁感应密度的稀土永磁材料制作而成。 就转子结构看，有凸装式、嵌入式和内埋式三种根本形式，前两种统称为外装式结构。外 装式结构可使转子做得直径小、惯量低，特别是将永磁体直接贴接在转轴上，还可以获得低电感，有利于改善动态性能。而内埋式结构机械强度高、磁路气隙小，与外装式结构相 比，更适用于弱磁运行。2.1.1无刷直流电机的的工作原理直流电源通过开

15、关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位 置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而有效地控制哪些绕组通电， 哪些绕组断电，实现电子换向。电子换相电路的作用是将位置传感器的输出信号进行解调、预放大、功率放大，然后 去触发末级功率管，使电枢绕组按照一定的逻辑顺序供电，保证电机的可靠运行。普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋 转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持 相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样的结 构

16、正好和普通直流电动机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通过直流 电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电动机转起来，必须使定子电 枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子 磁场与转子永磁磁场始终保持左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。2. 2建立无刷直流电机的数学模型无刷直流电机由定子三相绕组、永磁转子、逆变器、转子磁极位置检测器等组成。为了便于分析，假定:1)三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对2)忽略齿槽、换相过程和电枢反响等的影响;3)电枢绕组在定子内外表均匀连续分布;4)磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。2. 2. 1电压方程三相绕组的电压平衡方程可表示为:27式子2-1)中:4、山、仁为定子相绕组电压V)la、 lb、 IC为定子相绕组电流