直流电动机毕业论文

1第 1 章 直流电动机简介1.1 直流电动机的发展近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可设计到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列 产品，形成了一定的生产规模。1.2直 流 电 机 的 结 构直 流 电 机 的 结 构 应 由 定 子 和 转 子 两 大 部 分 组 成 。 直 流 电 机 运 行 时 静 止 不 动 的 部 分 称为 定 子 ， 定 子 的 主 要 作 用 是 产 生 磁 场 ， 由 机 座 、 主 磁 极 、 换 向 极 、 端 盖 、 轴 承 和 电 刷 装置 等 组 成 。 运 行 时 转 动 的 部 分 称 为 转 子 ， 其 主 要 作 用 是 产 生 电 磁 转 矩 和 感 应 电 动 势 ， 是直 流 电 机 进 行 能 量 转 换 的 枢 纽 ， 所 以 通 常 又 称 为 电 枢 ， 由 转 轴 、 电 枢 铁 心 、 电 枢 绕 阻 、换 向 器 和 风 扇 等 组 成 。 21.3 无刷直流电动机的特点无刷直流电动机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁钢。无刷直流电动机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子采用位置传感器实现电子换相来代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相逐次通电产生电流，定子磁场和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩。和有刷直流电动机相比，无刷直流电动机由于取消了电机的滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了励磁损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的。总的说来，除了轴承旋转产生磨损外，转子的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性。1.4 无刷直流电动机的应用由于无刷直流电动机既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，又采用电子换向器替代了传统直流电动机的机械换向装置，克服了电刷和换向器所引、火花、电磁干扰、寿命短等一系列弊病。故在当今国民经济的各个领域的应用日益普及。无刷直流电动机的应用主要有以下几方面：1.定速驱动方面的应用一般工业场合不需要调速的领域以往大多是采用三相或单相交流异步和同步电动机。随着电力电子技术的进步，在功率不大于 10kw 且连续运行的情况下，为了减少体积，节省材料，提高效率和降低能耗，越来越多的电动机正被无刷直流电动机逐步取代，这类应用有自动门、电梯、水泵、风机等。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁电动机外还要增加驱动器，因此目前较少有应用。2.调速驱动方面的应用速度需要任意设定和调节，但控制精度要求不高的调速系统分为两种：一种是开环调速系统，另一种是闭环调速系统(此时的速度反馈器件多采用低分辨率的脉冲编码器或交、直流测速等)。通常采用的电机主要有三种：直流电动机、交流异步电动机和无刷直流电动机。这在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。调速应用领域最初用得最多的是直流电动机，随着交流调速技术特别是电力电子技术和控制技术的发展，交流变频技术获得了广泛应用，变频器和交流电动机迅速渗透到直流调速系统的绝大多数应用领域。近几年来，由于无刷直流电动机体积小、重量小和高效节能等一系列优点，中小功率的交流变频系统正逐步被无刷直流电动机系统所取代，特别是在纺织机械、印刷机械等原来应用变频系统较多的领域，而在一些直接由电池供电的直流电动机应用领域，3则更多的由无刷直流电动机所取代。3.精密控制方面的应用伺服电动机在工业自动化领域的高精度控制中扮演了一个十分重要的角色，应用场合不同，对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同，在实际应用中，伺服电动机有各种不同的控制形式：转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制。无刷直流电动机由于其良好的控制性能，在高速、高精度定位系统中逐步取代了直流电动机与步进电动机，成为其首选的伺服电动机之一。目前，扫描仪、摄影机、CD 唱机驱动、医疗诊断 CT、计算机硬盘驱动及数控车床驱动中等都广泛采用了无刷直流电动机伺服系统用于精密控制。4第2章 无刷直流电动机控制系统结构和运行原理2.1直流电动机的系统结构2.1.1转子位置传感器位置传感器在无刷直流电动机中起着检测转子磁极位置的作用，安装在定子线圈的相应位置上。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子磁极所产生的磁场互相作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁极位置变换成电信号，去控制电子换向线路，从而使定子各相绕组按一定次序通电，使定子相电流随转子位置的变化按一定的次序换向，从而使电动机能够连续工作。位置传感器种类较多且各具特点，目前在无刷直流电动机中常用的位置传感器有以下几种形式。1.电磁式位置传感器电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用的，有开口变压器、磁谐振电路、接近开关等多种类型。在无刷直流电动机中应用较多的是开口变压器。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单和紧凑等优点；但这种传感器信噪比较低，体积较大，同时其输出波形为交流，一般需整流、滤波后方可使用。2.光电式位置传感器这种传感器是利用光电效应制成的，由跟随电动机转子一起旋转的遮光板和固定不动直流电源开关电路电动机位置传感器及光电管等部件组成。它性能较稳定，但存在输出信号信噪比较大、光源灯泡寿命短、使用环境要求高等缺陷。3.磁敏式位置传感器这种传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化而变化的半导体敏感元件。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。这种传感器结构简单、体积小、灵敏度高、寿命长、成本低，但是输出的电势信号比较低，需要用外加电路将信号放大。除上述三大类传感器外，还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位置传感器。但是，这种元件成本较高、体积较大、所配线路复杂，因而在一般无刷直流电动机中很少采用。此外，利用电动机定子绕组的反电动势作为转子磁钢的位置信号，该信号检出后，经数字电路处理，并送给逻辑开关电路去控制无刷直流电动机的换相。由于它省去了位置传感器，使得无刷直流电动机的结构更加紧凑。 52.1.2电子开关电路无刷直流电动机的工作离不开电子开关电路，直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电。开关电路将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定的逻辑代码输出，触发功率开关，从而自动地控制了哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子换向。无刷直流电动机的电子开关电路主要由功率逻辑控制开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑控制开关单元是控制电路的核心，其作用是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上的各相绕组，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。早期的无刷直流电动机的开关电路大多由晶闸管组成，由于其关断要借助于反电动势或电流过零，而且晶闸管的开关频率较低，使得逆变器只能工作在较低频率范围内。随着新型可关断全控型器件的发展，在中小功率的电动机中换向器多由功率MOSFET或IGBT构成，具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。2.2直流电动机的工作原理1.系统基本构成无刷直流电动机主要有电动机本体、电子开关电路、位置传感器三部分组成，其原理如图2.1所示：框图如图2-1 所示。图2-1系统原理框图Fig.2-1Principal picture of system2.1.1电动机本体图2.1 系统原理框图Fig.2.1 Principle diagram of system2.直流电动机的工作原理 电动机本体包括定子和转子两部分，定子绕组一般为多相（二相、三相、四相、五相不等） ；转子由永磁材料按照一定极对数（2p=2,4,）组成，按照其结构分两种：一种是将瓦片状的永磁体贴在转子外表上，称为凸极式；另一种是将永磁体嵌到转子铁心中，称为嵌入式。为了能产生梯形波感应电动势，无刷直流电动机的转子磁钢的形状呈弧形(瓦片型)，磁极下定转子气隙均匀，气隙磁场呈梯形分布3。一 般 永 磁 直 流 电 动 机 的 定 子 由 永 久 磁 钢 组 成 ， 其 主 要 作 用 是 在 电 动 机 气 隙 磁 场 中 产 生 磁 场 ，直流电源 开关电路 电动机位置传感器6其 转 子 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 的 运 行 过 程 中 始 终 保 持 相 互 垂 直 ， 从 而 产 生 最 大 转 矩 驱 动 电 动 机 不 停 地 运 转 。 无 刷 直 流电 动 机 为 了 实 现 无 刷 换 相 ， 首 先 要 求 把 一 般 直 流 电 动 机 的 电 枢 绕 组 放 在 定 子 上 ， 把 永 久 磁 钢 放在 转 子 上 ， 这 与 传 统 直 流 永 磁 电 动 机 的 结 构 正 好 相 反 ， 而 且 还 要 由 位 置 传 感 器 、 控 制 电 路 以 及功 率 逻 辑 开 关 共 同 组 成 换 相 装 置 ， 使 得 直 流 无 刷 电 动 机 在 运 行 过 程 中 由 定 子 绕 组 所 产 生 的 磁 场和 转 动 中 的 转 子 磁 钢 产 生 的 永 久 磁 场 ， 在 空 间 中 始 终 保 持 在 90左 右 的 电 角 度 ， 从 而 产 生 转 矩推 动 转 子 旋 转 。在 电 枢 线 圈 中 通 入 直 流 电 流 ， 电 枢 在 磁 场 中 旋 转 ， 换 向 器 和 电 枢 一 起 旋 转 。 电 枢 一 经 转 动 ，由 于 换 向 器 配 合 电 刷 对 电 流 的 换 向 作 用 ， 直 流 电 流 交 替 地 由 线 圈 边 ab， cd 流 入 ， 使 线 圈 边 只要 处 于 N 极 下 ， 其 中 通 过 电 流 的 方 向 总 是 从 电 刷 A 流 入 的 方 向 ， 在 S 极 下 ， 电 流 总 是 从 电 刷 B流 出 的 方 向 。 由 此 保 证 了 每 个 磁 极 线 圈 边 中 的 电 流 始 终 是 一 个 方 向 ， 使 电 动 机 连 续 旋 转 。图2.2 直流电动机基本工作原理图Fig.2.2 The basic working principle of DC motor3.直流调速系统工作原理直流电动机调速系统具有开环调速系统、单闭环调速系统、双闭环调速系统和多闭环调速系统,双闭环调速系统具有控制容易,能在宽范围内平滑调速和快速响应的优点,在直流调速系统中得到广泛得应用。直流电动机双闭环调速系统可以在电机最大允许电流和转矩受限制的情况下,能充分发挥电机的过载能力,在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统以最大的加速度起动,到达稳态转速时,电流降下将使转矩马上与负载平衡,从而进入系统稳态运行。即在起动阶段只有电流负反馈没有转速负反馈。到达稳态时,只让转速负反馈发挥作用,不让电流负反馈发挥作用。2.3 直流电动机的调速方法72.3.1 开环直流调速1.原理直流开环调速系统的电气原理如图 2.3 所示。直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器 L 供电，并通过改变触发器移相控制信号 Uc 调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现直流电动机的调速。该系统的仿真模型如图 2.4 所示。在仿真中为了简化模型，省略了整流变压器和同步变压器，整流器和触发同步使用同一交流电源，直流电动机励磁由直流电源直接供电。图 2.3 直流开环调速系统电气原理Fig.2.3 Open loop speed control system of DC electrical principle图 2.4 移相特性Fig.2.4 Phase shift characteristic22 个参数的理论计算值触发器的控制角（alphadeg 端）通过了移相控制环节（shifter） ，移相控制模块的输入是移相控制信号 Uc（图 2 中 Uc） ，输出是控制角，移相控制信号 Uc 由常数模块设定。移相特性如图 3 所示。移相特性的数学表达式为(1)Ucaamxin90在本模型中取 ， ，所以 。在电动机的负载转矩输inV1Uca6908入端 TL 接入了斜坡（Ramp）和饱和(Satutration)两个串联模块，斜坡模块用于设置负载转矩上升速度和加载的时刻，饱和模块用于限制负载转矩的。3.开环直流调速控制系统组成开环控制系统是根据给定的控制量进行控制，而被控制量在整个控制过程中对控制量不产生任何影响。对于被控制量相对于其预期值可能出现的偏差，开环控制系统不具备修正能力。而直流调速开环控制系统通常是采用调节电枢电压方案，具体实现在 20 世纪 60 年代晶闸管整流器的应用而采用由晶闸管整流器和电动机系统实现开环或闭环控制调速系统。由晶闸管整流器和电动机组实现开环系统结构，晶闸管整流器提供可以调节直流电动机电枢电压实现直流电动机转速输出，而系统的输出量没有反馈给定环节参与控制实现转速的开环控制。2.3.2 双闭环直流调速1.双闭环控制系统（1）闭环直流调速控制系统介绍 闭环控制系统是既有参考输入控制输出量的前向或称顺向控制作用，又有输出量引回到输入端的反向控制作用，形成一个闭环控制形式。通常把输出量引回到输入端与参考输入量进行比较的过程称作反馈，所以闭环控制系统又称反馈控制系统。如果反馈信号与参考输入信号符号相反，称作负反馈；符号相同称作正反馈，自动控制系统中多采用负