直流无刷电机驱动技术的研究毕业设计论文(编辑修改稿)

直流无刷电机驱动技术的研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

无刷直流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，即在一个具有恒定磁通密 直流无刷电机驱动技术的研究 8 度分布的磁极下，保证电枢绕组中通过的电流总量恒定 ，以产生恒定转矩，而且转矩只与电枢电流的大小有关。 由于转子的气隙磁通为梯形波，由电机学原理可知，电枢的感应电动势亦为梯形波，大小与转子磁通和转速成正比。 BLDCM 三相电枢绕组的每相电流为 120176。 通电型的交流方波，反电动势为 120176。 梯形波。 只要控制好逆变器各桥臂功率器件的开关时刻就能满足上述要求。 BLDCM 三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。 三相半控电路的特点是简单，一个可控硅控制一相的通断，每个绕组只通电 1/3 的时间，另外 2/3 时间处于断开状态，没有得到充分的利用，在运行过程中 的转矩波动较大。 所以最好采用三相全控式电路，电路如图 所示，在该电路中，电动机的绕组为 Y 联结。 图 22 中 UI 为逆变器， PMM 为永磁电动机本体， PS 为与电动机本体同轴连接的转子位置传感器。 控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后，产生脉宽调制 (PWM)信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电动机气隙中产生跳跃式旋转磁场 [9][11]。 下面以两相导通星形三相六状态无刷直流电动机来说明其工作原理。 无刷直流电动机三相全控电路如图 22 所示： 图 22 无刷直流电动机三相全控电路 当转子永磁磁极位于图 (a)所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过驱动电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管 VT1， VT6 导通，即绕组 直流无刷电机驱动技术的研究 9 A， B 通电， A进 B 出，电枢绕组在空间的合成磁势为 Fa，如图 (a)所示。 此时定、转子磁场相互作用，拖动转子顺时针方向转动。 电流流通路径为：电源正极→ VT1 管→ A 相绕组→ B 相绕组→ VT6 管→电源负极。 当转子转过 60176。 电角，到达 图 23(b)中位置时，位置传感器输出信号，经逻辑变 换后使开关管 VT6 截止、 VT2导通，此时 VT1 仍导通。 这使绕组 A， C 通电， A 进 C 出，电枢绕组在空间合成磁场如图 23(b)中 Fa。 此时定、转子磁场相互作用，使转子继续沿顺时针方向转动，电流的流通路径为：电源正极→ VT1 管→ A 相绕组→ C 相绕组→ VT2 管→电源负极，依此类推。 当转子继续沿顺时针每转过 60176。 电角时，功率开关管的导通逻辑为： VT3VT2→ VT3VT4→ VT5VT4→ VT5VT6→ VT1VT6„则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。 无刷直流电动机工作原理如图 23所示： (a)磁极处于 B 相绕组平面 (b)磁极处于 A相绕组平面 图 23 无刷直流电动机工作原理示意图 在图 23(a)到图 23(b)的 60176。 电角范围内，转子磁场顺时针方向连续转动，而定子合成磁场在空间保持图 23(a)中的 Fa 的位置不动，只有当转子磁场转够 60176。 电角到达图 23(b)中的 Fa 的位置时，定子合成磁场才从图 23(a)中 Fa 位置顺时针跃变至图 23(b)中的 Fa 的位置。 可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转 磁场，每个步进角是 60176。 电角。 直流电动机的 PWM 调速原理 直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法就是调节电枢电压。 改变电枢电压 直流无刷电机驱动技术的研究 10 调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。 为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制（ PWM）技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。 它被越来越广泛的应用在各种功率的调速系统中。 本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调 制(PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。 两端的电压波形。 当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压 1t,SU 秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为 0, tz秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程如下图 24所示： U1 0 T U0 Us t1 t2 0 图 24 输入输出电压波形 电动机电枢绕组两端的电压平均值 0U。 为 UUttt UtU aTS 1112110  （ 21） 式中占空比 a表示在一个周期 T里，开关管 导通的时间与周期的比值， a变化范围为 01之间。 所以当电源电压 Us不变时，电枢的端电压的平均值 U。 取决于占空比的大小，改变 a值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的 .理想空载转速与占空比 a成正比。 直流无刷电机驱动技术的研究 11 第 3 章 无刷直流电机控制器硬件设计 无刷直流电机控制器在控制方式上主要有以专用集成芯片、单片机和 DSP芯片控制三种方式。 以专用集成芯片为核心的控制器，系统结构简单，价格较便宜，但是系统灵活性不足，保护功能有限，以 DSP芯片为核心的控制器，控制精度较高，但是算法较复杂，开发周期长，成本较高，不 易在市场上推广。 本设计使用单片机作为主控芯片可以弥补上述两方案的不足。 无刷直流电动机双闭环调速系统 无刷直流电动机控制系统若只通过 PWM(或 SPWM)改变驱动电路的控制电压来达到调节电动机转速的目的，则称该系统为开环调速系统，即控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。 在实际中许多需要无级调速的生产机械常常对电动机转速的稳定提出较严格的要求。 当电动机的调速性能要求较高时，必须采用闭坏调速系统。 在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数之间相互影 响，难以进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。 在采用电流截止负反馈和转速负反馈的单闭环调速系统中，一个调节器需完成两种调节任务：正常负载时实现速度调节，过载时进行电流调节。 一般而言，在这种情况下，调节器的动态参数无法保证两种调节过程同时具有良好的动态品质。 如果是多级电机，则可得下式：  xxnCBACBAnCCBBAAnIEPiiieeePieieiePT  1)(e （ 31） 式中， nP 为电机极对数， xE 、 xI 分别为反电动 1m 势和相电流的向量形式。 反电动势 xE 又可写为： 直流无刷电机驱动技术的研究 12 NlrbE 2x  （ 32） 结合以上两个公式可见，反电势与电机的转速成正比。 显然，转矩的大小 eT 与电机中的相电流 I 成正比，改变相电流 I ，相应的也就改变了转矩 eT 的大小，也就改变转子的转速，达到调速的目的。 因此，如何改变无刷直流电动机相电流了成了调速的关键一环。 具体实现是通过调节电动机的电流占空比 (PWM)的方法来达到改变相电流 I 的目的，相应地改变了转矩的大小。 由以上分析，可以确定控制方案如图 31所示： 速 度 调 节 电 流 调 节 P W M 控 制电 流 检 测三 相 逆 变 器 B L D C M 位 置 检 测转 速 运 算+ 转 速 给 定位 置 参 数电 流 反 馈电 流 参 考转 速 反 馈+ 图 31 无刷直流电动机控制系统框图 在转速电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳的过渡过程，其关键是处理好转速控 制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器 ASR 的输出电压作为电流调节器 ACR 的电流给定信号，再用 ACR 的输出电压作为逆变电路的换相控制电压。 由图 31可知，内环即电流调节环调节定子磁场的大小，定子磁场的大小正比于流过定子线圈的电流，控制定子线圈的电流即可控制定子磁场的大小。 外环即速度控制环，将给定的速度信号与经过转子位置检测器后计算的速度信号之差作为速度环的输入，其作用是增加系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动，并具 有良好的动、静态特性。 另外，系统还有一个环路就是位置检测环，获得转子的位置信号，确保电机能正确进行换相。 当定子绕组的某一相导通的时候，该电流与转子永久磁 钢的磁极所产生的磁场相互作用产生转矩，驱动转子旋转，再由位置检测器将转子 直流无刷电机驱动技术的研究 13 位置转换成电信号，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作用。 SPWM 控制技术 随着电力电子技术的发展，脉冲宽度调制 (PWM)技术 已在中小功率电动机的变频调速技术中得到广泛的应用。 但 PWM 波形的谐波分量大，过高的谐波会使电机产生附加损耗和噪音，不利于电机的平稳运行。 正弦波脉宽调制 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)技术是基于正弦波产生脉宽调制信号的方法，其效果与正弦波等效，很好地克服了 PWM 技术的缺陷。 SPWM 控制的基本原理 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不相等的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。 这一结论是 SPWM 控制的重要理论基础。 如图 32(a)所示，将正弦波看成是由 N 个彼此相连的脉冲所组成的波形。 这些脉冲宽度相等，都为π /N，但幅值不等，且脉冲的顶部为曲线，各脉冲的幅值按正弦波规律变化。 如果将上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形状脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲的相应正弦部分面积相等，就有图 32(b)所示的脉冲序列。 像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而与正弦波等效的波形，即为 SPWM 波形。 直流无刷电机驱动技术的研究 14 （ a ）( b )00uuω tω t 图 32 SPWM控制的基本原理图 SPWM 的数学模型 SPWM 法可由模拟电路和数字电路等硬件电路来实现，也可由微控制器，即硬件与软件结合的方法来实现。 用硬件电路实现 SPWM 法，通常是用一个正弦波信号发生器产生可以调频调幅的正弦波 (调制波 )信号，再用一个三角波信号发生器产生幅值不变的三角波（载波）信号，将它们进行比较，由两者的交点来确定逆变器开关的转换，如图 33所示 ： 图 33 三角波载波 SPWM法 直流无刷电机驱动技术的研究 15 无刷直流电动机无位置传感器的检测方法 无位置传感器无刷直流电动机是在有刷直流电机的基础上发展起来的。 正因为有刷直流电机的换向器与电刷 等严重的限制了电机性能的提高和发展潜力，才使得人们想去掉换向器与电刷，在这种情况下，位置传感器的应用被提上了日程。 它大大的解决了因换向器与电刷互相摩擦所带来的电火花、噪声、无线电干扰以及寿命短等问题。 但是它也有自身的缺点，由于位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和尺寸，不利于电机的小型化；旋转时传感器难免有磨损，且不易维护。 同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能。 为了适应无刷电机的发展，无位置传感器无刷直流电动机应运而生，它不直接检测转子磁极位置，与有 刷电机相比，省去了位置传感器，简 化了电动机本体结构，取得了良好效果，并得到了广泛的应用。 在小型和轻载起动条件下，无位置传感器无刷直流电动机成为理想的选择。 目前这种电机被广泛地应用于空调、洗衣机等。 除了在电机上安装霍尔元件、光电码盘等装置直接检测电机转子的位置，还可以通过检测电机的磁链、电流和电压等物理量，再经过相应的处理间接地求得电机的转子位置。 由于不是直接检测电机转子的位置，因此这种通过检测磁链、电流和电压等物理量来得到转子位置的直流电动机也被称为无位置传感器的无刷直流电动机。 以下将介绍几种无位置传感器的检测电动机转子的方法。 反电动势。