（电机与电器专业论文）无刷直流电动机直接自控制系统的研究.pdf

河北科技大学学位论文原创性声明 型r li i j i r l i i i i fii j rr l l f f r lifill y 1 7 1 4 4 6 8 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 指导教师签名： 列硒 0 年多只8 b 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 。 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 d ，不保密。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：彩余阜鲁 砂fo 年岁月乡日 指导教师签名： 办饰 砸io 年孓民彩b 舟 徐日 名 撇 朋 椭 苫 佑 年 文 口 论龇 叫 摘要 摘要 无刷直流电动机最大的特点是以位置传感器电子逻辑电路和功率开关电路 共同构成的电子换向器代替机械换向器和电刷构成的换向装置。它既具备了交流电 机运行可靠、结构简单、维护方便等的优点，而且还有直流电机的一些优点，如运 行效率高、噪声低及调速性能好等，体积小、重量轻、寿命长，因此它在国民经济 各部门、军工行业、航空航天、家用电器等方面都得到了广泛的应用。但是，由于 存在转矩脉动，使无刷直流电动机不能应用于高性能的速度控制、高精度位黄控制 以及低噪音等场合。所以考虑从改进控制方法方面提高电机运行性能，以扩大其应 用领域。 直接转矩控制具有控制结构简单、转矩响应速度快、动静态性能良好等诸多优 点，将其引入到无刷直流电动机，在保持无刷直流电动机结构简单等优点的同时提 高了系统的运行性能。迄今为止，直接转矩控制技术在异步电动机和f 弦波永磁同 步电动机上已经被成功应用，但将其引入无刷直流电动机还处在研究阶段，因此， 本文的研究具有理论和现实意义。 本文研究的重点是无刷直流龟动机的直接自控制策略。由于关断相的存在，无 刷直流电动机的直接转矩控制方案难以实现，计算复杂。因此，将直接自控制方案 引入到无刷直流电动机中柬解决关断相的问题。该系统采用了三三导通运行方式， 系统结构较简单，计算量大大减小，实现起来较为容易，电机的运行性能也有所提 高。本文首先介绍了无刷直流电动机的基本构成和工作原理。由于无刷直流电动机 的反电动势波形为梯形波，含有大量的高次谐波，气隙磁场呈非正弦分布，而交、 直轴坐标系变换原理只适用于气隙磁场为正弦分布的电动机，因此，本文采用直接 利用电动机原有相变量的方法建立了无刷直流电动机的数学模型。这种方法使用方 便，计算量小，而且得到的结果较为准确。在理解直接自控制原理的基础上，以 m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件为平台，对整个无刷直流电动机直接自控制系统建立了仿 真模型，并得出仿真结果。通过对定子磁链轨迹、转矩动态响应、反电动势、相电 流、转速与转矩等波形的分析可知，定子磁链的运动轨迹为正六边形；具有快速动 态响应：反电动势波形为梯形波：稳定后系统的运行性能大为提高。通过以上分析 证明了将直接自控制引入无刷直流电动机是可行的。最后还设计了无刷直流电动机 直接自控制策略的实验系统，包括硬件电路设计和软件设计。通过该系统做了相应 的实验，得出并分析了实验结果。将仿真结果和实验结果对应比较，两者基本吻合， 验证无刷直流电动机直接自控制策略的可行性。 河北科技人学硕十学位论文 关键词无刷直流电动机：直接转矩控制；直接自控制；关断相；三三导通运行方 式；直接利用电动机原有相变量的方法；m a t l a b s i m u l i n k ； a b s t r a c t a bs t r a c t t h eg r e a t e s tf e a t u r eo fb r u s h l e s sd cm o t o rw a st h a tu s i n ge l e c t r o n i cc o m m u t a t o r b a s e do np o s i t i o ns e n s o rc o n s t i t u t e db ye l e c t r o n i cl o g i cc i r c u i t sa n dp o w e rs w i t c h i n g c i r c u i t st or e p l a c ec o m m u t a t o rc o n s i s t e do fm e c h a n i c a lc o m m u t a t o ra n db r u s h e s i tn o t o n l yh a dt h ea d v a n t a g e so fa cm o t o r s ，s u c h 嬲r e l i a b l eo p e r a t i o n ，s i m p l es t r u c t u r e ， c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c ea n ds oo n ，b u ta l s op o s s e s s e dt h ea d v a n t a g e so fd cm o t o r s ，s u c h a s h i 曲r u n n i n ge f f i c i e n c y , l o w n o i s ea n dg o o ds p e e dp e r f o r m a n c e i ta l s oh a dt h e a d v a n t a g e so fs m a l lb u l k ，l i g h tw e i g h ta n dl o n gl i f e ，s oi tw a sw i d e l yu s e di nt h ef i e l do f n a t i o n a le c o n o m i cd e p a r t m e n t s ，m i l i t a r yi n d u s t r y , a v i a t i o na n ds p a c e f l i g h t ，a p p l i a n c e sa n d s oo n h o w e v e r , b r u s h l e s sd cm o t o rc o u l dn o tb e a p p l i e d t ot h ef i e l do f 1 l i 曲- p e r f o r m a n c es p e e dc o n t r o l ，h i g h p r e c i s i o np o s i t i o nc o n t r o la n dl o wn o i s e t h e r e f o r e ， r u n n i n gp e r f o r m a n c eo fb r u s h l e s sd cm o t o r w a si m p r o v e db yi m p r o v i n g c o n t r o l m e t h o d s d i r e c tt o r q u ec o n t r o lh a dl o t so fa d v m a t a g e so fs i m p l ec o n t r o ls t r u c t u r e ，f a s tt o r q u e r e s p o n s e ，e x c e l l e n td y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e i tw a sh o l d i n gt h es i m p l es t r u c t u r e w h i l et h eh i g hp e r f o r m a n c ew a sa c h i e v e dw h i c hd i r e c tt o r q u ec o n t r o lw a sp r o p o s e dt o b r u s h l e s sd cm o t o r u pt on o w , d i r e c tt o r q u ec o n t r o lh a du s e ds u c c e s s f u l l yi n a s y n c h r o n o u sm o t o ra n dp e r m a n e n tm a g r j , e t s y n c h r o n o u sm q t o r b u tn o ti nb r u s h l e s sd i r e c t c u r r e n tm o t o r t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rh a dt h e o r ya n d p r a c t i c a lm e a n i n g t h i sp a p e rw o u l df o c u so nt h es t r a t e g yo fd i r e c ts e l fc o n t r o lo fb r u s h l e s sd cm o t o r b e c a u s eo fo f f - p h a s e ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o lo fb r u s h l e s sd cm o t o rs t r a t e g yw a sd i f f i c u l t t oa c h i e v ea n dc o m p l i c a t e dt oc a l c u l a t i o n t oe l i m i n a t eo f f - p h a s e ，d i r e c ts e l fc o n t r o lw a s i n t r o d u c e di nb r u s h l e s sd cm o t o rs y s t e m s d i r e c ts e l fc o n t r o lo fb r u s h l e s sd cm o t o r s t r a t e g yu s e dt h r e ep h a s ec o n d u c t i o nm o d e ，w h i c hh a ds i m p l ec o m b i n a t i o n , e a s i l y r e a l i z a t i o na n ds m a l l e rc a l c u l a t i o n i ti m p r o v e dt h er u n n i n gp e r f o r m a n c eo fb r u s h l e s sd c m o t o r f i r s to fa l l ，t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fb r u s h l e s sd cm o t o rw e r e i n t r o d u c e d a st h eb a c k - e m fw a st r a p e z o i d a lw a v e ，b r u s h l e s sd cm o t o rc o n t a i n e da l a r g en u m b e ro fh i g h o r d e rh a r m o n i c s ，i t sa i r - g a pm a g n e t i cf i e l dw a sn o n - s i n u s o i d a l d i s t r i b u t i o n h o w e v e r , d - qa x i sc o o r d i n a t es y s t e mt r a n s f o r m a t i o np r i n c i p l eo n l ya p p l i e dt o t h em o t o rw h i c ha i r - g a pm a g n e t i cf i e l dw a ss i n u s o i d a ld i s t r i b u t i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i cm o d e lo fb r u s h l e s sd cm o t o ru s i n gt h eo r i g i n a lp h a s e v a r i a b l e so ft h em o t o rd i r e c t l y , w h i c hw a se a s yt ou s e ，h a ds m a l lc a l c u l a t i o na n da c c u r a t e i i i 河北科技火! 学硕十学位论文 r e s u l t s i nt h eb a s i so fu n d e r s t a n d i n go ft h ep r i n c i p l eo fd i r e c ts e l fc o n t r o l ，s i m u l a t e dt h e w h o l es y s t e mb ym a t l a b s i m u l i n ka n do b t a i n e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ew a v e so ft h e s t a t o rf l u x l i n k a g et r a c e ，t o r q u ed y n a m i cr e s p o n s e ，b a c k - e m f ，p h a s ec u r r e n t ，s p e e da n d t o r q u ew e r ea n a l y z e d t h e ys h o w e d ：t h es t a t o rf l u x - l i n k a g et r a c ew a sh e x a g o n t h e s y s t e mh a df a s td y n a m i cr e s p o n s e t h eb a c k e m fw a st r a p e z o i d a lw a v e t h er u n n i n g p e r f o r m a n c ew a sg r e a t l yi m p r o v e d t h ea b o v ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a ti tw a sf e a s i b l e t h a td i r e c ts e l fc o n t r o lw a si n t r o d u c e dt ob r u s h l e s sd cm o t o r f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a l s y s t e mo ft h es t r a t e g yo fd i r e c ts e l fc o n t r o lo fb r u s h l e s sd cm o t o r , i n c l u d i n gh a r d w a r e c i r c u i td e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t sw e r em a d eu s i n gt h i s s y s t e m t h er e s u l t sw e r eo b t a i n e da n da n a l y z e d t h r o u g hc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o n r e s u l t s a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ec o u l ds e e ，t h e yw e r em a t c h e d ，w h i c hv e r i f i e dt h a ti tw a s f e a s i b l et h a td i r e c ts e l fc o n t r o lw a sp r o p o s e dt ob r u s h l e s sd cm o t o r k e y w o r d s b r u s h l e s sd cm o t o r ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；d i r e c ts e l fc o n t r o l ；o f f - p h a s e ； t h r e ep h a s ec o n d u c t i o nm o d e ；u s i n gt h eo r i g i n a lp h a s ev a r i a b l e so ft h em o t o r d i r e c t l y ；m a t l a b s i m u l i n k i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i l l 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义。1 1 1 1无刷直流电动机1 1 1 2 直接转矩控制2 1 2 永磁无刷直流电动机的发展和特点3 1 2 1 永磁无刷直流电动机的发展3 1 2 2 无刷直流电动机的特点4 1 2 3 无刷直流电动机的应用5 1 3 直接转矩控制技术的发展和特点6 1 3 1 直接转矩控制的发展：6 1 3 2 直接转矩控制的特点：7 1 4 国内外研究现状一7 1 4 1 无刷直流电动机的研究现状7 1 4 2 无刷直流电动机直接转矩控制技术的研究现状：8 1 5 本文研究的主要内容：_ 8 第2 章永磁无刷直流电动机的运行原理一1 0 2 1 永磁无刷直流电动机的基本结构一l o 2 1 1电动机本体1 0 2 1 2 逆变器电路1 0 2 1 3 位置检测器1 1 2 2 永磁无刷直流电动机的工作原理1 2 2 2 i 无刷直流电动机的导通方式1 3 2 2 2 无刷直流电动机反电动势1 5 2 2 3 无刷直流电动机的调速1 5 2 2 4 无刷直流电动机的转矩脉动问题1 6 2 3 本章小结1 7 第3 章永磁无刷直流电动机的数学模型及其仿真1 8 3 1 无刷直流电动机的数学模型1 8 3 1 1 定子电压方程19 v 一 河北科技火学硕十学位论文 3 1 2 转矩方程19 3 1 3 状态方程和等效电路2 0 3 i 4 反电动势”2 0 3 2 无刷直流电动机的模型仿真2 2 3 2 1 核心模型的建立2 2 3 2 2 反电动势模块2 3 3 2 3 转矩输出模块一2 4 3 3 本章小结2 6 第4 章无刷直流电动机的直接自控制技术2 7 4 1 无刷直流电动机的直接转矩控制技术2 7 4 2 无刷直流电动机的直接自控制技术b l d c m d s c 2 8 4 2 1 三三导通方式与b l d c m d s c 的关系2 8 4 2 2 直接自控制原理2 9 4 2 3b l d c m d s c 的实现- 3 2 4 2 4b l d c m d s c 系统的仿真及分析3 5 4 3 本章小结3 9 第5 章实验系统设计4 0 5 1 硬件总体框架设计4 0 5 2 具体硬件构成：- 4 0 5 2 1 单片机部分一_ 4 0 5 2 2 逆变器主电路4 l 5 2 3a d 电j 珞4 5 5 2 4d a 电路”4 6 5 2 5 光电编码器及接口电路4 6 5 2 6 保护电路4 8 5 3 软件实现5 0 5 4 实验结果及分析5 2 5 5 本章小结5 3 - 5 4 一5 6 学位期间所发表的论文5 9 j - 6 0 v 1 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 无刷直流电动机 电动机在国民经济各领域和同常生活中起着各种各样的作用，主要分为同步电 动机、异步电动机和直流电动机。由于具有线性机械特性良好、起动性优秀、调速 范围较宽以及控制系统简单等特点，传统的直流电动机一直以来被各种驱动装置和 伺服系统所采用。但是，由于其采用电刷一换向器结构这个致命弱点，因而也存在许 多问题，如由于机械摩擦而带来的换向火花、电磁干扰、可靠性不高和寿命短等严 重缺陷，还有如制造成本高及维修困难等缺点，这直接影响到传统直流电机的各种 机械、电气等性能，大大限制了它在很多场合的使用范围【l 】。 无刷直流电动机以电子换向取代了机械换向，它的产生克服了机械换向带来的 各种缺点。它的基本思想是b o l i g e r 在1 9 1 7 年提出的用整流管代替有刷直流电机的 机械电刷。1 9 5 5 年，d h a r r i s o n 等人提出了用晶体管代替机械换向器换向，标志着 现代无刷直流电机的诞生，是现代无刷直流电动机的雏形【2 3 】。 无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，以下简称b l d c m ) 最大的特点是以位置 传感器电子逻辑电路和功率丌关电路共同构成的电子换向器代替机械换向器和 电刷构成的换向装置，实现了机电能量转换，是一种非常典型的机电_ _ 体化产品。 无刷直流电机保留了传统有刷直流电机调速性能优良的优点，克服了机械换向器一电 刷结构的一些缺点，重量轻，体积小，可做成各种高效率、高精度、高转矩、数字 式控制，在相当长时间内在运动控制领域占主导地位，是当今最理想的调速电机【4 5 】。 电力半导体工业的飞速发展和高磁能积永磁材料的陆续出现为无刷直流电动机 广泛应用奠定了基础。在1 9 7 8 年汉诺威贸易博览会上前联邦德国m a n n e s m a n n 公司正式推出的m a c 无刷直流电机及其驱动器，标志着无刷直流电动机走向实用阶 段。无刷直流电机不但具备了交流电机运行可靠、结构简单等优点，而且还有直流 电机的一些优点，如运行效率高、噪声低及调速性能好等。因此它在国民经济各部 门、军工行业、航天、家用电器等方面都得到了广泛的应用。尤其无刷直流电机高 效率的特点在当今节能的时代主题下更具应用价值【6 】。 无刷直流电动机在工业上的普遍应用将显著提高能源的利用水平，改善高污染、 低效率的能源利用情况。我国稀土资源极为丰富，被誉为“稀土王国”，永磁材料和 永磁电机方面也都达到国际水平。目前，无刷直流电机已是大功率开关器件、专用 集成电路、稀土永磁材料、电机理论、新型控制理论及微机理论等多学科技术相结 河北科技人学硕+ 学位论文 合的产物，因而显示了广泛的应用前景和强大的生命力，具有重要的理论意义和实 用价值【7 1 。 1 1 2 直接转矩控韦0 直接转矩控制是一种新型高性能的交流变频调速技术，它继矢量变换控制技术 之后在2 0 世纪8 0 年代中期迅速发展。矢量控制技术的发展使得交流传动技术从理 论上提高了交流调速系统的动、静态性能，使其性能不亚于直流传动。它采用矢量 变换的方法，以转子磁场定向为基础，对交流电机的转矩和磁链完全解耦。然而在 实际运行中，转子磁链不能准确观测，电动机参数对系统特性的影响较大，加之所 用矢量旋转变换的复杂性，使实际的控制效果达不到理论分析的结果【8 1 。 1 9 7 7 年，a b p l u n k e r 首先提出了直接控制磁链和转矩的概念，但由于不能检测 定子磁链，实现起来很困难，所以没被广泛关注。1 9 8 3 年，y m u r a i 等提出了基于瞬 时空间矢量理论的空间矢量p w m 法，成功地实现了磁链自控制。s y a m a m u r a 在1 9 8 1 年提出的磁场加速法( 刚) 是“转矩自控制”的理论基础，它指出：在气隙磁链幅值 不变的条件下，调整转差频率，则其他如电流、电压、转矩等状态变量都会随着转 差频率的改变而变化。德国的d e p e n b r o c k 教授结合了之前各个方法的优点，在1 9 8 5 年提出了直接转矩理论：在定子磁链不变的基础上，通过改变零矢量作用时间使定 子磁链在空问的旋转速度随之改变，从而改变瞬时转差频率，最终实现瞬时转矩的 控制【9 1 。 根据定子磁链运动轨迹的不同，直接转矩控制有六边形磁链运动轨迹跟踪控制 方案和圆形磁链运行轨迹跟踪控制方案两种。前者称为直接自控制( d i r e c ts e l f c o n t r o l ，简称d s c ) ，是由德国的d e p e n b r o c k 教授提出的，目前主要使用在大功率 低开关频率场合；后者称为直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称d t c ) 1 0 】，由 日本的t a k a h a s h i 教授提出，在中小功率场合使用较多。直接转矩控制的主要优点是 它不用像空间矢量控制一样需要对转矩和磁链完全解耦，而是直接控制电机的磁链 和转矩，以定子磁链取代转子磁链定向为基础，只确定电机中比较容易测量的定子 电阻，而不用考虑不易确定的转子电阻，使得磁链的估算更简单、精确。此外，直 接转矩控制通过滞环比较器输出转矩和定子磁链的偏差，从而选择使用哪个电压矢 量，这使得它比之前的调速理论计算过程更加简单，控制直接【l l 】。 在国内，目前有很多高校都开始深入地研究直接转矩控制技术及系统，提出了 很多可被广泛采纳的改进方法，使直接转矩控制在理论和实践方面都得到了很大的 发展。而在中国最初引入直接转矩控制的时候，直接转矩控制的不用旋转变换和 b a n g - b a n g 控制受关注较多。计算机技术的快速发展也只是将矢量控制的旋转坐标应 用于g t o 电压型变频器的机车牵引传动领域，而对于d t c 技术和d t c 变频器的静 2 第1 章绪论 念和动态性能，国内各学者和变频器制造商都无法做进一步深入的研究。 1 9 9 5 年，瑞士a b b 公司研制并推出i g b t 脉宽调制变频器a c s 6 0 0 0 ，首次将 d t c 技术应用于通用化变频器上，之后在i g c t 三电平高压变频器上也采用了d t c 技术。 中国经济的飞速发展使得交流调速技术被广泛普及，国家“十五 期间，交流 调速传动被应用于许多大型项目中，如西气东输的大型压缩机传动，高速铁路牵引 传动，风机水泵高压变频节能传动，大型热轧机交流传动，大型船舶电力推进等等。 国外早已经将无速度传感器控制商品化、实用化，而我国变频器大多处在v f 控制水平，国内外产品的实用化水平有着较大的距离【l2 1 。所以，使直接转矩控制技 术商品化、国产化的研究，对我国的经济建设有着重要而现实的意义。 1 2 永磁无刷直流电动机的发展和特点 1 2 1永磁无刷直流电动机的发展 无刷直流电动机的基本思想用整流管代替有刷电动机的机械电刷的思想是 由b o l i g e r 在1 9 1 7 年提出的。美国d h a r r i s o n 等人在1 9 5 5 年提出了用晶体管换向代 替有刷直流电动机的机械电刷，是现代无刷直流电动机的雏形。无刷直流电动机真 j 下进入实用阶段的标志是1 9 7 8 年原联邦德国m a n n e s m a n n 公司推出的m a c 经 典无刷直流电动机及其驱动器。在8 0 年代，国际上对无刷直流电动机掀起了广泛的 研究热潮，方波和正弦波无刷直流电动机就在这个时期应运而生。h r b o l t o n 教授在 1 9 8 6 年编纂出无刷直流电动机的经典文献，它通过全面系统的总结无刷直流电动机 的各种性能特点，指出了其研究领域，使无刷直流电机在理论上日趋成熟完善o1 0 多年的时间使得无刷直流电动机得到充分的发展。在之后的几年内，在一些较发达 的国家里，无刷直流电机将逐步取代其他电机成为主导。 随着电动机本体的飞速发展和相关学科的日趋完善，“无刷直流电动机 的概念 已经不单单指具有电子换向的直流电动机，而是泛指所有具备有刷直流电动机外部 特性的电子换向电机。无刷直流电动机的迅猛发展促进了电机理论和大功率开关器 件、微处理技术、现代控制理论与高性能材料、模拟和数字专用集成电路等各种学 科更好地交叉融合在一起。现今的无刷直流电动机是集特种电机、检测元件、变速 机构、控制软件与硬件于一体的新一代伺服系统，是各种学科最新研究成果的融合， 是机电一体化的高新技术产物。 今后，无刷直流电动机仍然会不断改进、不断发展、不断完善。 1 2 1 1性能改进和新产品的开发 无刷直流电动机的转矩脉动问题是影响电机性能的主要原因，需要进一步的改 进，从而提高电机的性能。一方面可从软件着手通过计算机的模拟、比较、分析、 3 河北科技人学硕十学位论文 计算，改进系统性能；另一方面可以改善磁极结构、气隙磁场形状、槽口尺寸等减 小电机的转矩脉动。 随着科技的发展和人们生活水平的提高，对无刷直流电动机的要求也越来越高， 因此，各种类型的无刷直流电动机不断地被研发生产，如无刷直流直线电动机、无 刷直流力矩电动机等等。 1 2 1 2 新材料、新技术的应用和加工工艺的改进 高性能材料尤其是永磁材料性能的提高促进了无刷直流电动机的发展和改进， 大大提高了无刷直流电动机的性能。由于具有良好的磁性能及温度特性、优秀的防 腐防锈特性和低廉的价格，稀土材料越来越多地被研制并应用于无刷直流电动机中。 此外还有很多值得研究的课题，如导电材料、新型导磁材料、绝缘材料、以及结构 材料的塑料化等等。 加工技术方面的改进包括了加工的一致性、高效性、精确性以及充磁技术的提 高。 1 2 1 3 智能无刷直流电动机的研制 智能电动机就是将电动机、电源、功率放大器、编码器( 传感器) 、控制器、网 络管理器等功能模块集合在一起，组成一个整体。它的优点如下： ( 1 )成本低、体积小由于各种功能的模块化使得元器件及连线大大减少，因 此体积也随之大为减小，成本相应降低。 ( 2 )可靠性提高智能无刷直流电动机减少了大量的电子元器件以及彼此的连 接，这样就大大减少了模拟电路带来的故障和连接时连线引起的各种干扰信号带来 。 的故障。 ( 3 )系统性能提高模块化的结构使信号更容易传输、变换和处理，所以可以 保证系统性能的提高。 ( 4 ) 数字化智能电机系统的数字化使得硬件电路大大减少，改为由软件完成， 这样做可以使系统的可靠性和效率得到提高。 1 2 1 4 高效、节能的无刷直流电动机 由于无刷直流电动机的广泛应用和当今节能的时代主题，高效、节能的无刷直 流电动机的研发成为重要趋势，主要用于数瓦至数千瓦的功率段里。近几年，同本 研发并推出了分割铁芯结构的无刷直流电机，效果卓越。最具代表性的有松下公司 推出的m 1 n a s h y d e r 的超小型高效、节能系列和通用高效系列电机。 1 2 2 无刷直流电动机的特点 无刷直流电机主要有以下优点【1 3 】： 1 ) 效率高由于无刷直流电机的转子是永磁体，它可以提供恒定的磁场而不需 4 第1 章绪论 要消耗能量，因此有文献认为无刷直流电机是所有电机中效率最高的一种电机。 2 ) 噪音小、维护方便与有刷直流电机相比，由于采用电子器件换向，不会产 生各种因为电刷的机械换向引起的问题，如噪音、火花、干扰等，不必经常进行维 护和修理，且维护方便。 3 ) 功率密度高钕铁硼等高性能永磁材料可提高电机的功率密度，加之电机的 发热主要在定子上，有益于电机散热。电机的转予没有绕组，则体积也可相应地减 小。 4 ) 控制简单无刷直流电动机将交流电动机复杂的磁场定向控制转化为离散 六状态的转子位置控制，无需坐标变换。若忽略电机定子绕组的电阻，控制系统较 容易实现。由此，无刷直流电动机产品被世界上许多功率半导体公司生产。由于研 发出无刷直流电机的专用集成控制芯片，控制系统的可靠性大大提高，其成本也随 之大为减少。 然而，无刷直流电机也存在一些缺点： 1 ) 价格昂贵由于生产工艺等原因的制约以及我国高性能永磁材料的稀缺，这 就在很大程度上增加了电机的成本。 2 ) 转子去磁由于控制不当，无刷直流电机定子电流产生的磁势和高温可令转 子永磁体去磁。 1 2 3 无刷直流电动机的应用 无刷直流电动机以其自身的诸多优点正不断扩大其应用领域，其应用范围为以 下几个主要方面： 1 ) 航天航空和现代军事领域无刷直流电动机越来越广泛地应用在航天航空 和现代军事领域，如雷达和火炮的自动定位、飞机的自动驾驶、舰船方向舵的自动 操作等。 2 ) 家用电器领域近些年，随着科技的发展和人们生活水平的提高，家用电器 产品越来越朝着高效、节能、智能化、环保、低噪声的绿色家电的趋势发展。无刷 直流电动机作为新型的机电一体化产品，其技术与经济性能优势已得到广泛认可， 正逐渐取代了原来的异步电动机。在成本不很高的条件下，无刷直流电动机可获得 较高的运行效率和较低的噪声，具有较大的调速范围，特别适合在家用电器中推广 应用。 3 ) 交通工具领域无刷直流电动机在交通工具领域最主要的应用是作为汽车 的动力驱动。由于具有无污染、低能耗、低噪音、操作维修简易等诸多优点，电动 车辆成为未来交通工具的主要发展方向。目前各国都非常重视电动汽车的研发和应 用，而采用高效、高出力、高可靠性的无刷直流电动机都将是最好的方案。直流无 5 河北科技人学硕+ 学位论文 刷电动机在高级轿车中也大量使用。汽车用小型无刷直流电动机主要用于汽车起动 机、水箱散热器、电动助力转向装置、驱动动力控制、稳定性控制、电喷射装置、 巡行装置、中央闭锁装置、电动后视镜、电动天窗、自动升降天线、自动自仃灯、玻 璃升降器、椅座调整器、空调器、刮水器、吸尘器、座椅按摩器、车速罩程表等非 动力系统中。此外，在电动自行车、摩托车等交通工具中也得到了很广泛的应用。 4 ) 信息产品及办公自动化领域无刷直流电动机广泛地应用于电子装置的信 息输入、存储、处理、输出、传递等多个环节中，如计算机中的硬件驱动器、软件 驱动器、光盘驱动器、传真机、打印机、复印机等等，他们的驱动器主轴全都采用 高档精密的无刷直流电动机。 5 ) 其他领域此外，无刷直流电动机在机器人、现代化农业、医疗器械等高科 技领域都有广泛应用前景。如由于手术的需要，要求骨科医疗器械的动力系统具备 较宽的调速范围，用来满足铣缝、钻孔、锯等各种场合的需求，驱动采用无刷直流 电机，可具有调速范围宽、噪音低、体积小等许多优点【1 4 1 5 】。 1 3 直接转矩控制技术的发展和特点 1 3 1直接转矩控制的发展 m d e p e n b r o c k 和i t a k a h a s h i 两位教授在1 9 8 5 年提出的直接转矩控制技术只是 针对异步电动机【l6 】，然而发展到现在2 0 多年来，在同步电机、发电系统等领域均 使用了该调速方法。1 9 9 7 年澳大利亚新南威尔士大学与南京航空航天大学合作，将 直接转矩控制技术应用于正弦波永磁同步电机上【1 8 】。到2 0 0 5 年国外才丌始在无刷直 流电动机领域引入直接转矩控制技术【l9 1 。但这项研究力刚刚开始，还有很多问题需 要解决，很多相关理论需要完善。 直接转矩控制未来还有很多发展空间，可总结为以下几个方向： 1 ) 应用于永磁电机的控制直接转矩控制技术主要的应用领域是交流异步感 应电机，今后，人们将开始更多地研究它们在永磁无刷直流电动机和永磁同步电机 的控制中的应用。 2 ) 控制手段的全数字化直接转矩控制对处理的实时性和快速性要求很高，在 结构上特别适合于全数字化。符合这种需求的芯片如d s p ，它可以提高系统的可靠 性和快速响应性，便于故障的监视、诊断和保护，也可高效快速地实现复杂的控制 规律。 3 ) 现代控制技术的实用化应用现代控制理论中的各种控制方案可以很大程 度上提高系统的动态性能和鲁棒性。直接转矩控制与模糊控制、神经网络控制、变 结构控制等智能控制相结合形成新的直接转矩控制方法，是直接转矩控制的未来， 将对直接转矩控制产生深远的影响。 6 第1 章绪论 4 】丌关速度的高频化直接转矩控制向着高频化方向发展可以进一步的降低 转矩脉动，提高系统的控制性能【2 0 - 2 3 。 1 3 2 直接转矩控制的特点 直接转矩控制技术与传统的矢量控制相比，其控制思想有着本质的不同，其主 要特点有以下几点【2 4 】： 1 1 直接转矩控制技术直接在定子静止坐标系中进行运算，控制电机的转矩和磁 链，建立的数学模型更加直观、简单。它省去了矢量控制复杂旋转坐标系中的坐标 变换和计算，不需要对定子电流进行分解和设定，也不需要对电机的转矩和磁链进 行解耦。直接转矩控制技术很大程度地简化了运算处理过程，使系统实现过程更为 简洁，提高了控制运算速度，简化了控制系统结构。它所用的信号处理起来也更加 简单，可使观察者直接明确地判断出电机的物理过程。 2 ) 直接转矩控制技术相对矢量控制，对电机参数的依赖程度更小。直接转矩控 制技术是以定子磁场定向为基础，在实现过程中只需要知道电机的定子电阻。而传 统的矢量控制是以转子磁场定向为基础，需要同时知道电机转子的电阻和电感才能 观测转子磁链。所以，相比之下，直接转矩控制技术较矢量控制受电机参数的影响 更小。 3 1 直接转矩控制技术通过空间电压矢量对电机的数学模型进行分析和对其各 物理量进行控制，并借助磁链和转矩滞环比较器产生p w m 信号，最优地控制逆变 器开关管的通断状态。 4 1 直接转矩控制技术直接控制电机的转矩，这使它具有很好的动静态性能。 1 4国内外研究现状 1 4 1无刷直流电动机的研究现状 一 近些年来，由于无刷直流电动机性能优异、成本低廉、控制简便等特点，国内 外学者的研究越来越多，根据对同类产品的分析及各种技术文献的检索，目前，无 刷直流电动机的研究主要为以下几点： 1 1 转矩脉动无刷直流电动