永磁无刷直流电动机毕业设计论文(编辑修改稿)

永磁无刷直流电动机毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

83。 32 总体结构设计 32 双闭环调速系仿真结果 33 6 总结与展望 36 参考文献 37 致谢 38 天津科技大学 2020 级本科毕业设计 1 1 绪论 永磁无刷直流电动机 ( 以下 简称 PMBDCM ) 是 近年 来随着信息技术和材料技术的发展而 迅速 发展 起来 的一种 性能优秀的 新型 电动机。 它 将老式电动机中的机械电刷和机械换向器，用一种电子换向器取而代之 ，因此使 PMBDCM 不仅保留了直流电动机的 诸多特点 ， 同时还 具备了 交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等 优点 ， 这就使得 PMBDCM在各个领域中 有着 广泛 的 应用 [1]。 除此之外 ， PMBDCM高能量、高密度、高转矩惯性比 以及 高效率等 长处决定了其具 有广阔的发展 空间 [2]。 永磁无刷直流电动机控制技术的研究 概况 PMBDCM 是一种非常具有代表性的新型机 电一体化产品， 这种产品由定子、转子、位置传 感器和电子开关等组成， 它的成长与材料技术、电子技术、信息技术和检测技术等 研究 的进步密切相关。 而这几项 研究 作为 潜力巨大 的支柱性技术，必然在信息技术快速发展的新世纪，朝着快、新、小和精准、可靠的方向发 展，为 PMBDCM 的高速发展提供必备的技术支持。 近年来，一方面， 随着 电力电子技术 的提高、 功率半导体器件容量增大 和开关速度提高 等 ，都极大 地推动了 PMBDCM 的发展 [3]。 相对来说，电子元器件比较容易做到 高压低流 ，这不仅 能降低传输过程中的 损耗，而且管压降占总的 线电压的比例 也会 下降，可以有效地 增加电动机 系统的 工作 效率。 因此， 高压低流 应该是 未来 PMBDCM的发展方向 之一； 另一方面， 处理器微型化正在高速发展， 高速微处理器和 DSP 等 元件 的 产出 ， 极大的简化了 PMBDCM 的控制系统 ，并显著提高了 电动机 的性能 [46]。 此外，随着控 制理论的不断发展，许多现代控制理论均被用于 PMBDCM的控制，但是其中有些控制理论还不是很成熟，需要进一步研究。 相信通过长时间的研究和发展，将之应用到PMBDCM上，必然会推动 PMBDCM的高速发展。 现如今，对 PMBDCM 一个研究热点是无位置传感器控制的研究。 位置传感器为逆变器提供 转子位置信号以 确 定电动机的换相 ，是 电动机 系统的重要组成部分， 但 同时 位置传感器 的许多缺点也是无法避免的。 比如 ： 增加了 电动机的体积和成本、降 低了系统的可靠性、安装也相对困难等等 [7]。 鉴于这些缺点，国内外的许多研究人员一直在寻找能够替代位置传感器的方法，也就是无位置传感器的控制方法，并取得了成功，许多成品也 已 在许多地方进行了应用。 天津科技大学 2020 级本科毕业设计 2 永磁无刷直流电动机的发展趋势 1831 年，著名的科学家法拉第发现了电磁感应现象，从而 为现代电动机 奠定 了 理论基础 [8]。 我们都知道，无刷直流 电动机 是在 有刷直流 电动机 的基础上成长起来的 ，而在长期 的探索和研究中，其主要方向便是寻找有效的技术或部件将 有刷直流 电动机 中的电刷、 换向器 取而代之。 现如今， 国内外对永磁无刷直流电动机的研究工作主要集中在它的控制 器模型、精确调速 控制 、抑制转矩 脉冲 和位置信号检测等方面。 因此，我认为，对今后 PMBDCM的研究应注重以下几个方面： （ 1） 优化 PMBDCM的控制 方法 ，提高 其 调速性能； （ 2） 向小型化、集成化及控制器全数字化方向发展； （ 3） 开发研究新型的结构和高效的绿色 PWM控制方案； （ 4） 进一步研究和完善对 PMBDCM 测速系统的改进和优化，以及位置信号检测方法和检测方式 [9]。 上文中提到，转子位置检测是电动机中非常重要的部分，因此 对 转子位置的 检测方法 提出 了 从转子 、 定子结构上 做改动 ，如在转 子表面安装非磁性 元件 ，通过检测该 元件 中 由于产生 涡流而 导致 断开相电压 转变 来获得转子位置信号的方法 ； 另有 一种新的检测思路 —利用 智能控制理论，这种 检测方法 通过自适应技术、模糊控制或者神经网络控制来建立被测相的电 压、电流和转子位置之间的关系， 这种 控制方法 虽然省去了精确的 数学模型，但是 在应用中存在很大困难 ，使得该 方法 仍 在研究起始阶段， 且更多的只是仿真 ，实际应用不 常见 [10]。 现今，使用做多的仍旧是反电动势控制技术，其原理是通过检测反电动势的零点来确定转子磁钢的精确位置，同时控制 PMBDCM的换向。 提高 PMBDCM 的 性能 ，可以通过优化硬件设计和电力电子装置来实现；也可改善各种控制方法来进行提高。 PMBDCM 控制系统是典型的非线性、多变量耦合系统，结合 现代控制理论和智能控制理论的控制 方案 ，如 Fuzzy 控制、神经网络控制 等多种先进控制策略在 PMBDCM 中的应用将 又一次 提高系统的性能 [11]。 尤其，如果 单片机或 DSP 处理速度 能够有保障 ，应 加大 各种控制算法的实用化研究，从而全面推进 PMBDCM 控制系统 朝着微型化 、数字化、 绿色化 和高效节能 等 方向发展。 天津科技大学 2020 级本科毕业设计 3 永磁无刷直流电动机的特点及应用 PMBDCM 的最大特点，就是没有换 向器和电刷组成的机械接触结 构 ； 能够产生热量的电枢绕组通常安装在外壳定子上，使其 散热容易。 因此 PMBDCM不会产生换向火花，没有无线电的干扰，寿命长，运行可靠 [12]。 表 11几种电动机的比较 电动机 项目 开关磁阻 电动机 变频调速异 步电动机 永磁有刷直 流电动机 永磁无刷 直流电动机 结构可靠性 好 好 差 好 效率 较高 较低 较高 高 调速性能 好 较好 好 好 功率 /体积比 较高 低 较低 高 电动机 本体成本 低 较低 高 较高 控制器成本 较低 高 低 较高 通过上述简单的比较，我们可以看出 PMBDCM 较其他 电动机 有着明显的优势 ，其发展空间和应用范围都非常的广阔，下面就将介绍一下 PMBDCM 的几种应用。 在航空航天中的应用 航空航天用 PMBDCM 最具代表性的是 机械臂控制、陀螺仪与舵机驱动等几种应用 ， 这些应用对高速控制和动态响应能力有着非常高的要 ， 因此这些电动机系统 均通过闭环速度反馈 方式 进行控制，且大多 都拥有非常 先进控制 的 算法。 其他 航空航天用 PMBDCM，如高速离心泵和高速摄像枪 等，它们使用到的电动机 转速 能够 达到万转 /分钟 ， 因此 需考虑 到 高速旋转时 对 电动机机械、电气方面的影响以及出现问题时的解决方案。 另外，航空航天 使 用电源的电压等级和频率也与 民用 区别较大，因此 电动机 控制系统还须调整具体的参数来适应这些区别。 在汽车中的应用 在汽车中，永磁无刷直流 电动机 主要应用于车轮驱动、净化器等。 汽车驱动：电动汽车的四个 车轮 分别 用各自 独立的轮式电动机直接 启动 ，并利用 逆变器进行电子换向，这种结构 有利于机车的 高速运行 ，并 且更换轮胎后也会不影响电动机自身工作 [13]。 当今国际上的车辆驱动使用的方案，基本上是采用取消齿轮、直接驱动的外转子式电动机（如图 11），然而 由于 经费 的因天津科技大学 2020 级本科毕业设计 4 素 ，许多汽车生产厂家会 选择 内转子式 PMBDCM。 （ a） 电动轮（带永磁内转子） （ b） 外转子式直流 电动机 图 11 车辆驱动使用的方案 净化器：汽车净化器 相当一部分都是使用 PMBDCM 的带动离心式风叶用以 吸收排出污浊的 空气。 常用 的电动机电路是二相桥式换向驱动电路，这种电机的内 定子绕组可以 绕在铁芯齿上，本体 做成外转子式结构，定子和定子绕组放在转子内部，换向采用 简单且有控制保护功能的专用 集成电路（ ASIC）。 在家用电器中的应用 近年来， 家用电器正朝着节能、低噪声、智能化和高可靠性方向发展 ，其使用的 电子驱动 电动机 的性能也随之在提高。 变频空调的兴起使 PMBDCM 在空调驱动中的 采用率 正逐步提高。 并且 空调压缩机中宜采用无位置传感器控制方式， 这种控制方式不但能 节约成本和提高变频空调压缩机控制系统的稳定性 ，而且使系统体积减小、 系统效率 也有所了 增加。 盘式 PMBDCM在 VCD、 DVD 等家用电器的主轴驱动中也 有应用。 同时，吸尘器、搅拌机、电吹风机、摄像机和家用电风扇等 诸多 家用电器也正在 将先前使用较多的 直流 电动机 、单相异步 电动机 和变压变频（ VVVF）驱动式异步 电动机等用 PMBDCM取代，以提高其工作效率。 在精密电子设备和器械中的应用 骨科医疗器械 ：根据各种 手术的需要，要求 电动机的 动力系统能在较宽的范围 内 连续变速，以适应铣缝、钻孔、锯等 技术 的要求。 而现有骨科医疗器械用驱动 电动机 是单相交直流串励 电动机 及电压调节器，其缺点是噪声大；由于电刷和换相器的存在，致使手术前 的消毒无法完成 ，给手术 带来了极大的影响 ；同时需要定时更换电刷及 电动机 维护。 而 PMBDCM 低噪音、宽范围调速、体天津科技大学 2020 级本科毕业设计 5 积小、重量轻等优点 却能有效的改善这些缺点 [14]。 另外 PMBDCM 在计算机硬、 软盘驱动、激光打印机、太阳能帆板驱动 、血液分析仪、医护监控设备等领域 内 正在 逐渐替换 有刷 电动机。 该类PMBDCM 尺寸小、加工精度高，属于技术密集型，需求量巨大， 且 目前 其主要来源于 各 发达国家。 论文需要做的工作 这一章主要学习和介绍了 PMBDCM 控制技术的研究概况、发展趋势以及在各领域内的应用，为本次毕设奠定了理论基础。 本次毕业设计，将主要结合 PMBDCM 的结构和原理，进行以单片机PIC16F877A 芯片 为核心的 PMBDCM 控制系统硬件设计和软件构思，并对 比较热门的 PMBDCM的无位置传感器控制技术重点 进行分析和研究。 从本章第三节介绍的诸多应用中 我们可以看出， PMBDCM 的应用范围是非常广阔的，从 “上天 ”到 “入地 ”，大到火箭小到手术刀，其应用遍布人民的生活。 当然， PMBDCM 的应用不仅仅限于这些，其良好的发展前景和优越的性能决定PMBDCM会在以后有更多、更全面的应用。 天津科技大学 2020 级本科毕业设计 6 2 永磁无刷直流 电动机 的结构和原理 PMBDCM 由于缺少 换向器和电刷组成的机械接触结构，因而 使 PMBDCM拥有 寿命长、噪音低、和电磁干扰小等 众多 优点， 并且在此基础上 还 保持了有刷直流 电动机 优越的起动和调速性能。 此外， PMBDCM 的转速不受机械换向的影响 ， 其转速限制就非常小 ， 目前 就已制造出转速 在 80000r/min 的 电机 ，如果采用空气 轴承或者磁悬浮轴承，它甚至可以以每分钟高达几十万转的速度下运行 [1516]。 永磁无刷直流电动机的结构 常见的 PMBDCM 的结构如图 21 所示。 其主要结构有电动机 M（ 三相两极 ）、位置传感器和 逆变器 三部分组成。 三项定子绕组 A 相、 B 相、 C 相 分别与电子开关线路中 功率开关 T T T T T T2 相联接， 位置传感器 与 电动机转轴 同轴 相接 [17]。 图 21 PMBDCM 的结构原理图 因此， PMBDCM 的基本结构可以视为由逆变器、电动机 M 以及位置传感器三者组成（图 22）。 PMBDCM 具有旋转的磁场和固定的电枢，逆变器可直接与电枢绕组相连，位置传感器和逆变器则替换了有刷电动机的机械换向。 天津科技大学 2020 级本科毕业设计 7 图 22PMBDCM 基本结构 电动机本体 PMBDCM 电机 结构与永磁同步 电动机 颇为相似 ， 电机结构主要包括转子和定子；定子绕组采用交流绕组形式，基本 为多相绕组（三相、四相、五相 等）；转子上装配永磁体， 常见结构形式有三种（ 图 23）。 图 (a)和图 (b)结构的转子外径 有一个固定圈， 防止 永磁体在电动机高速转动时被甩出 ，同时在恶劣的 工作环境中永磁体 也有 保护作用。 固定圈 通常用不导磁不锈钢 的材料。 图 (c)结构是套一个整体 粘贴性 永磁体环 在转子 铁芯上 ， 该结构适合 体积和功率较小的 结构 ，且 转子的制造工艺性较好。 除了上述基本结构形式外，还有一种外转子式结构，这种结构形式主要用于电动车的驱动。 （ a）矩形切向磁化 (b) 瓦形径向磁化 （ c）环形径向磁化 图 23 转子结构形式 位置传感器 位置传感器是 PMBDCM 的 重要器件 ， 其主要作用是跟踪转子的位置。 传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接， 它将转子位置 的 变 化转换为 电信号， 传输给逆变器 ， 而逆变器则控制 定子各相绕组 的 导通顺序。 天津科技大学 2020 级本科毕业设计 8 位置传感。