（电机与电器专业论文）电动座椅用稀土永磁无刷直流电动机驱动系统研究.pdf

两i ：业人学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，an o v e ld r i v es y s t e mu s e di ne l e c t r o m o t i o nc h a i r ，r a r ee a r t h p e r m a n e n tm a g n e t b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm a e h i n e ( r e p mb l d c m ) d r i v e s y s t e m i s p r o p o s e d ，w h i c h i s p r o v i d e db a c k g r o u n db ym i n i s t r y o fn a t i o ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y “s h i w u ”p r o g r a m m i n gm o m e n t o u s c r i t i c a l i t e m 一一r a r e e a r t h a p p l i c a t i o np r o j e c ti t e m d i r e c tc u r r e n tb r u s h l e s ss u p e r i o rr e l i a b i l i t y r a r ee a r t h p e r m a n e n tm a g n e t m a c h i n e s d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) c o m b i n e d w i t hr e p m b l d c m ，w h i c hb u i l du pa d c a d j u s t a b l es p e e ds y s t e m ，a c h i e v et oc o n t r o lm u l t i p l em o t o rs p e e d ，p o s i t i v ea n d n e g m i v er o t a t e ，p r o t e c ta n df a u l te x e m i n eb y at r u es i n g l ec h i p d e s i g na n dp r e s e n ta e l e c t r o m a g n e t i s m s c h e m eo fr e p mb l d c mu s e di ne l e c t r o m o t i o nc h a i rd r i v e s y s t e m s e l e c te l e c t r o n i c a lc o m p o n e n t sa n dc h i p si nt h ed r i v eb o a r db yc o n t r a s tw i t h v a r i a n td r i v em o d e ，d e s i g nt h ed r i v eb o a r dp r i n c i p l ep i c t u r e ，m a k ead r i v eb o a r dp c b a n dd e b u gi t d e s i g nap r i n c i p l ep i c t u r ew i t hd s pc o r e w o r k o u tt h em o t o rc o n t r o l c o d ei n t r o d u c e dp o p u l a rp r o g r a m m em o d l e t e s tt h ep r o g r a m m er e l i a b i l i t ya n d c o n t r o l p e r f o r m a n c eb yl i n k i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7e v m ，p c ，d r i v e b o r a da n dt h e b l d c m t h eb l d c ms w a t c hi sp r e p a r ee x p e r i m e n t k e y w o r d s ：e l e c t r o m o t i o nc h a i r , b l d c m ，r e p m ， d s p , s q u a r e ，p i d ， i p m 2 两j ：业人学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 稀土永磁电机的发展现状及趋势 从1 9 世纪2 0 年代世界上第一台电机永磁体励磁的永磁电机，到7 0 年 代初期出现的新型永磁电机稀土永磁电机，电机行业的发展经历了一种回 归式的发展。2 0 年代所用的永磁材料是天然磁铁矿石( 凡、q ) ，磁能密度很低， 用它制成的电机体积庞大，不久就被电励磁电机所取代。在那时，永磁电机的 发展似乎停滞不前了。稀土永磁材料的出现及在电机当中的应用，使永磁式电 机焕发了新的活力，加之近年来电力电子器件价格的不断降低，功率不断增强， 使得稀土永磁电机得以迅猛发展。 出于稀土永磁体的高磁能积和高矫顽力( 特别是高内禀矫顽力) ，使得稀土 永磁电机具有体积小、重量轻、效率高、特性好等一系列优点，尤其适合军事 应用领域，因此，其首先应用于新一代航空、航天和航海技术领域。第三代稀 土永磁体钕铁硼d f e b ) 的出现，由于其优越的磁性能和相对较低的价格，展 示出稀土永磁电机民用开发的广阔前景。历经三十多年发展的稀土永磁电机， 在开新月异的材料科学、电力电子技术、自动化技术、计算机技术、信息技术 等领域发展的推动下，在当今显示出以下发展趋势： 1 1 1 军品向民品快速广泛渗透 由于尖端技术自身的特点，决定了其首先应用于军事领域。6 0 年代后期和 7 0 年代，由于稀士钴永磁体价格昂贵，研究开发重点是航空、航天用电机和要 求高性能而价格不是主要因索的高科技领域。在我国航空航天领域当中，驱动 机构逐步由以往的液压式、机械式，逐步被电驱动所取代，而其中电驱动一般 为永磁式电机。例如航空舵机、天线伺服、电磁阀门、帆板驱动及发电机装置 等，都为永磁电机。第三代稀土永磁材料由于磁性能高于其它永磁材料，最重 要的是其价格又低于稀土钴永磁材料( 在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍，而 州i 业人学硕十学位论文第一章绪论 且不含战略物资钴) ，因而引起了国内外磁学界和电机界的极大关注，纷纷 投入大量人力物力进行研究开发。8 0 年代，特别是1 9 8 3 年出现价格相对较低 的钕铁硼永磁体后国内外的研究开发重点转到工业和民用电机上。由于稀土 永磁行业属于朝阳行业，因此其发展十分迅猛，以下是我国稀土永磁材料生产 能力状况统计： 表l 一1 我国稀土永磁材料生产能力状况( 单位：吨) ： 从表中看出，每年稀土永磁材料的产量大约增长2 5 以上，而在国内市场 其价格却以约每年1 0 左右的速度下降。据预测，烧结钕铁硼磁体还会保持2 0 以上的增速，到2 0 0 5 年产量将达到1 5 ，0 0 0 吨，粘结钕铁硼磁体估计增速会 超过2 0 ，到2 0 0 5 年产量将会突破2 ，0 0 0 吨。预计“十五”期间，我国钕铁 硼总产量将达到5 0 ，0 0 0 吨左右，销售总额达到1 5 0 亿元。2 0 1 0 年，我国烧结 钕铁硼磁体产量将达到7 万吨，占全球产量的7 5 ；粘结钕铁硼磁体产量达到 1 力吨，占全球产量的5 0 ：年产值将达到2 6 0 亿元。除了产量上的稳步增加， 我国稀土永磁行业在质量上也有了长足的进展，一些长期依赖进口的高标号永 磁体，国内也可以生产制造。此外，由于国内较低的生产成本及广阔的市场， 国外的钕铁硼制造业将会逐步向内地转移，使得价格会进一步降低。据预测， 全球小电机产量2 0 0 5 年将达到8 0 亿只，目前我国生产小电机产量己占全球总 产量6 0 左右，我国小电机产量增速高于世界5 的增速。其中，小电机当中 大部分都是永磁式电机。而由于永磁电机是稀土永磁的最大用户，因此，稀土 永磁电机的成本也会随着进一步降低，其使用领域会进一步扩大。其已经从在 航空航天飞行器和舰船装置中得到越来越多的应用的精巧的微型稀土永磁伺服 电机到各种大容量、高比功的稀土永磁发电机和稀土永磁电动机，向民用领域 4 州一业大学硕士学位论文第一章绪论 扩展，包括计算机、c d k d v d 、汽车、工业机器人、柔性制造系统、新型医疗 设备、自动化仪表、变速制冷技术、纺织机械、油田矿山等众多的工业部门， 并发展成为了一个拥有相当规模的产业群体。 1 1 2 高功率，超高速，超低速，超微型化 目前，稀土永磁电机的开发和应用进入一个新阶段，借助于m o s f e t 、i g b t 以及i p m 等电力电子器件的不断发展更新以及单片机、专用控制芯片、d s p 控 制器等控制芯片的升级换代，一方面，原有研发成果在国防、工农业和日常生 活等领域获得大量应用，另一方面，正向大功率化( 高功率、高转矩) ，极速化 ( 超高转速，超低转速) 和微型化方向发展。在功率方面，1 0 0 0 k w 以上的永 磁同步电动机已经得到使用目前已知世界上功率最大的异步起动高效稀土永 磁电机，其功率可达1 1 2 0k w ，效率高于9 6 5 ，( 同规格电机效率为9 5 ) ， 功率因数o9 4 ，可以替代比它大1 2 个功率等级的普通电动机。而且，功率密 度也越来越大。在转速方面，电机朝着超高速、超低速两个极端发展。在高速 应用领域，目前已经达到3 0 0 ，0 0 0 r m i n ，在低速应用领域当中，可达到0 1 r h ： 在微型化方面，目前已知的最小的电机，外径只有1 8 m m ，全长2 2 m m 。 1 1 3 设计自动化，制造机械化 由于永磁电机是一个非线性、强耦合的执行装置，因此，传统( 偏重于依 赖设计经验) 的电机设计理论、计算方法和设计参数己不能适应设计研制高性 能电机的要求，近年来，借助于计算机及软件业的发展，在电机设计当中建立 了工程实用的电机c a d 和计算机辅助计算软件包，包括电磁场分析计算，电感 参数计算、动态性能仿真和优化设计等，运用这些现代工具及现代设计方法， 完善和发展了稀土永磁电机设计理论、磁路结构、计算方法、检测技术和制造 工艺。尤其是二维、三维静态及动态有限元分析在电机电磁设计当中的应用， 使得电机设计的结果从经验式的最优发展到了计算化的最优，使得电机设计结 果的优化有据可考，并且大大缩短了开发周期，节省了生产成本。电机设计得 两工业人学硕士学位论文第一章绪论 以精细化、自动化。在制造当中，电机制造专用自动化生产设备的投入也使得 电机的生产制造工艺水平大大提高，减少了在生产过程当中的导致性能不确定 的因素。 1 2 电机控制器及功率变换装置的发展趋势 随着电机控制技术的发展，电动机的控制从简单控制即对电动机进行起 动、制动、正反转控制和顺序控制过渡到复杂控制即对电动机的转速、转角、 转矩、电压、电流等物理量进行控制。简单控制可通过继电器、可编程控制器 和开关元件来实现，而复杂控制则需要单片机或者d s p ( 数字信号处理器) 才 能实现。电机控制总体上是向着数字化、智能化、集成化的方向发展。其经历 了模拟器件单片机d s p 的发展过程，目前所处的是单片机向d s p 过渡 阶段，由于单片机生产制造及使用已经比较成熟，而且各大单片机生产厂商还 不想彻底将其淘汰，还在不断发掘单片机的功能，此外其具有明显的价格优势， 所以，单片机控制依然占主流。但单片机由于其固有的特点，运算速度已经不 可能有量缴上的提高，而d s p 恰好具有运算速度极高这个突出优点，因此，毫 无疑问，数字化是电机控制的发展趋势。随着i c 技术的发展，芯片的集成度越 来越高，体积越来越小，功耗越来越低，运算速度越来越快，因此电机控制就 可能实现一些智能控制策略，使得诸如网络下的实时控制，多电机协同控制等 复杂环境下得以实现。 对于电力电子器件的发展来讲，其经历了从半控到全控阶段，从电流控制 到电压控制( 场控) ，从几k h z 到5 0 0 k h z 以上的开关频率的发展变化，而电动 机的控制也相应的从相控变流转变到脉宽调制和变频技术。第三代功率器件 m o s f e t 、i g b t 、i g c t 等是目前使用最为广泛的功率器件，类似于控制器件 中的单片机的发展阶段。第四代智能功率集成电路己崭露头角，它是电力电子 技术与微电子技术相结合的产物，它将半导体功率器件与驱动电路、逻辑控制 电路、检测和诊断电路、保护电路集成在一块芯片上，使功率器件含有某种智 能功能。 总之，电机控制向着智能化，数字化、集成化、高频化、网络化趋势发展。 6 两一业人学硕十学位论文第一章绪论 l - 3 论文来源及研究意义 1 3 1 研究背景 论文题目为“电动座椅用稀土永磁无刷直流电动机研究”，本论文题目来源 于国家科技部“十五”重大攻关项目稀土应用工程项目之直流无刷高可靠 稀土永磁电机。 1 3 2 研究意义 稀土永磁无刷直流电机是永磁电机当中最有发展潜力的电机，它集高性能 材料、高集成度控制芯片、高制造工艺于一体。是国际上正在大力发展的先进 电机，是机电一体化的高科技产物，在医疗器械、电动汽车、新型家用电器、数 控机床、航空航天等领域具有广泛的应用前景，是未来各类电机驱动系统的主 要发展方向。本项目以具有重大市场潜力的电动座椅驱动系统用电机为应用背 景，瞄准本行业发展的前沿，跨越国外由单相异步电机直流电机无刷 电机发展的中间步骤，进行高性能稀土永磁无刷直流电动机的技术攻关，促进 稀土永磁材料在电机中的大批量应用，提高我国电动座椅驱动系统的技术水平， 进而提高我国家庭、医院、疗养院、养老院、办公设备自动化、交通等领域用 设备的技术水平。 无刷直流电动机具有交流电机的简单结构和普通直流电动机的控制性能， 采用高磁能积的稀土永磁材料制造的电机与新型的功率器件相结合的无刷直流 电动机系统，被公认为是最有发展前途的电机驱动系统，不仅可以满足各类新 型设备驱动等要求而且可以大大提高效率。在一般的工业驱动应用领域，不论 电机设计还是系统设计，提高效率节约能量都应该被放在重要的位置。据报_ i 蓬， 美国5 5 以上的电力是消耗在电动机运行上，因此提高电动机的效率，很有意 义。此外，无刷直流电动机在降低噪声，提高可靠性方面，都具有明显优势。 两i ：业人学硕十学位论文第一章绪论 1 3 3 应用前景分析 目前，在家庭、医院、疗养院、养老院、办公设各自动化、交通等领域， 传统的机械调节式座椅将逐渐被电动座椅所代替。它的突出特点是俯仰、左右 摇摆、水平高低的调整均为电驱动系统实现，具有调节平滑，舒适度高，便于 控制稳定性及精度大大好于机械式及液压式的优点。但是其价格较高，例如美 国h i l l r o m 公司的座椅系列产品，平均价格约为5 万圆人民币，国内也有厂家 生产，但整台价格也仍然在2 万3 万人民币，市场的接受能力依然比较弱。 主要原因是电机及其驱动控制等关键部件均为进口产品，整体的成本压缩空间 不是很大。掘保守估计，目前全国医院、疗养院、养老院、交通等领域使用的 电动座椅和电动座椅达5 0 万套以上，且每年以2 0 3 0 的速度递增，根据不同 应用场合的实际需求，若全面推广应用稀土永磁无刷直流电动机驱动系统，以 每台平均价格8 0 0 元台计，5 0 万台产值达4 亿元。而国外同类产品的价格约为 1 5 0 0 2 0 0 0 元台，年生产5 0 万台可以节省3 5 6 亿元。在加上节能方面的贡 献，因此，针对电动座椅驱动系统进行技术研发，不仅具有广阔的市场前景， 而且具有明显的社会效益。 1 3 4 市场前景 目前驱动系统有旋转式和直线式两种。旋转式驱动系统采用单相异步电机 驱动直线式驱动系统采用功率器件控制的稀土永磁无刷直流电动机或有刷直 流电动机驱动。国内主要采用旋转式驱动系统该系统采用单相交流电，可靠 性差、安全性差、体积大、重量沉。目前国外主要采用有刷直流电机直线式驱 动系统，该系统采用低压直流电，安全性好、推力大、可直接驱动负载、体积 小、重量轻、结构紧凑。而稀土永磁无刷直流电动机与有刷直流电动机驱动的 直线式驱动系统相比，更具有可靠性高、噪声低、可维护性好、功率密度高、 寿命长等优点，是电动座椅驱动系统用电机的发展方向。三者的性能对比如下 表所示： 8 两一业大学硕十学位论文第一章绪论 表1 2 三类电机性能的比较 性老机过可平嗓电缝寿体效威 一 拭载控毫尸磁修命积 塞右 系境特麓性性千性 性力扰 异步电机敲小难较差较大小舄长文低低 雨罩直流焉大暑较好大严重难短较小高较高 无嗣直瓷爱大暑好小小暑长小自较高 丹麦的电动座椅已广泛采用稀土永磁电机驱动的直线式驱动系统，但仍然 是有刷直流电机。在2 0 0 3 年1 1 月第5 0 届南京国际医疗器械秋季博览会及2 0 0 3 年1 2 月北京国际口腔医疗器械博览会上展出的口腔用治疗座椅驱动电机大部 分为丹麦进口的有刷直流电机，随着我国城镇居民生活水平的提高，电动座椅 在家庭、医院、疗养院、养老院、办公设备自动化、交通等领域的应用正在迅 速普及扩大，无刷电机势必要取代直流电机，因此，发展稀土永磁无刷直流电 机驱动的直线式驱动系统具有广泛的应用前景和市场潜力。 1 4 论文研究的主要内容及完成的工作 稀土永磁无刷直流电动机以其高效率、高转矩、高可靠性、低噪声著称， 而d s p 控制器以其高处理速度、高集成度、高编程空间、低功耗也备受青睐。 将这两种在国际上都极有前景的技术结合起来，综合二者的优势，开发出电动 座椅用稀土永磁无刷直流电动机控制系统，是本文研究的核心内容。 本文共分五章，第一章为绪论部分，主要介绍了稀土永磁电机及控制器的 现状及发展趋势。作者在论文研究过程当中，到北京、上海、南京、西安、兰 州等地进行了充分的市场调研，并根据市场调研情况，结合项目来源，得出了 稀土永磁无刷直流电动机在国内电动座椅应用当中还属空白，其研究具有很大 的经济效益及社会效益。第二章为系统综述，阐述了电动座椅驱动系统的特殊 要求，对比分析了几种目前常用的电动座椅电驱动系统的性能及特点，得出了 9 孵i ：业人学硕十学位论文第一章绪论 采用稀土永磁无刷直流电动机驱动可以满足驱动要求。第三章针对电机原理进 行了阐述。作者在论文研究前期，参与并完成了无刷直流电动机c a d 软件的编 写，通过应用此c a d 软件，设计出了一种电动座椅用稀土永磁无刷直流电动机 的电磁方案。其样机已经由航空6 1 8 所试制成功，准备测试。第四章为控制与 驱动部分。主要将作者完成的驱动电路原理设计、元器件选用、p c b 的制作及 调试、控制电路原理设计、元器件选用及p c b 的绘制等工作有重点的加以阐述； 此外，由于d s p 集成了大量的外部功能模块，节省了外围电路及元器件，要进 行整个的电路设计，就必须非常清楚d s p 的各功能模块，因此，在本章中还有 针对性的介绍了d s p 芯片的某些功能模块。控制软件设计部分安排在第五章， 作者在设计软件时，根据无刷直流电动机控制的特点，采用流行的模块化软件 设计思想，将软件按其功能分成不同的模块，力求程序可读性强、条理清楚。 1 0 硝北，i ：业人学硕十学位论文第一：章系统综述 第二章系统综述 2 1 系统要求及组成 随着科学技术的日益发展，医疗保健行业越来越多的使用自动化设备。自 动化设备的使用，在提高医疗水平，增强治疗效果，提高病人舒适度方面具有 重要的作用。 电动牙科治疗设备就是其中重要的一种自动化治疗设备。牙科用电动座椅 是这个设备当中的关键组成部分之一。其机构简图如下所示： 图( 2 1 ) 电动座椅机构简图 有过看牙经验的人都知道，几年前大部分牙科座椅都是纯机械式的，在需 要调节病人的姿态时，医生需要站起身来，在座椅的背部踩动某个机械踏板或 者扭动某个螺杆，此时可以通过调节座椅升降或者俯仰来调整病人姿态，费时 费力，而且由于机械的因素，座椅的起停升降都很不柔和，出力不均匀，震动 大，病人总感觉到不舒适。因此电动座椅必须从病人和医生双方出发，同时满 足病人的舒适性和医生工作的方便性：其次，由于使用电驱动设备，还要考虑 到整个系统的安全性；此外，对于不同体重的病人，例如很重的病人，座椅主 体是否能合适的实现升降俯仰，就要考虑到整个驱动系统的带载、过载能力， 此外，当然还涉及整个系统的成本问题。 考虑到电动座椅后背的俯仰及整体的升降由两轴驱动即可满足整体要求， 西北i ：业人学硕士学位论文 第二章系统综述 因此，驱动系统采用双电机控制方式，一个电机支持后背的俯仰，另一个电机 支持座椅整体的升降。可见，电机是其中最关键的部件，采用无刷直流电机驱 动，如论文选题涉及项目简介当中所述，其具有体积小、负荷能力大、平稳性 好、噪声低等突出优点，正好适合于电动座椅的要求。控制方案采用d s p 控制 器控制，简化了控制系统的线路设计，提高了综合性能，降低了整体成本，并 且对于实现诸如位置记忆等智能化的控制，都给出了可实现的硬件条件，此外， 此种驱动系统还可以扩展到诸如汽车、制造业流水线机器人、工业伺服、航空 航天等领域，不仅具有很强的研究价值，还具有很强的市场前景。 系统组成如下图所示： 图( 2 2 ) 电动座椅驱动系统组成图 图( 2 2 ) 左边所示电机为俯仰用电机，右边为升降电机，两个电机及逆变 器( c o n v e y o r ) 为相同配置，由单d s p 控制器控制，但对于两个电机的控制通 过软件独立实现，互不相关。直流电源( d c ) 向d s p 控制器及逆变器供电。 2 2 电动座椅用驱动电机简介 2 2 1 无刷直流电动机工作原理 1 基本原理 北i ：业人学硕十学位论文第二章系统综述 稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、控制器和转子位置 传感器三部分，如下图所示。 图( 2 - 3 ) 无刷直流电动机原理框图 稀土永磁无刷直流电机的组成图如下示： v f 图( 2 。4 ) 稀土永磁无刷直流电机的组成图 图2 - 4 中，v f 为三相桥式逆变器，r e p m m 为稀土永磁无刷直流电机的本体， p s 为与电动机本体同轴连接的转子位置传感器。控制电路对转予位置传感器检 测到的信号与斩波信号进行逻辑变换后产生脉宽调制p w m 信号，经过驱动电 路对其进行放大后送至逆变器各个功率管，驱动主开关电路的各功率开关管按 一定的顺序导通，从而控制电机各相绕组按一定的顺序导通，在电机中产生跳 变的旋转磁场。下面以两相导通星形三相六状态无刷直流电机为例说明其工作 原理。 当转子稀土永磁体位于图2 5 ( a ) 的位置时，转子位置传感器输出电机磁 极信号，经过控制器的逻辑转换、功率放大，驱动功率开关管v 1 、v 6 导通， 西北- i ：业大学硕士学位论文 第二章系统综述 即绕组a 、b 通电，a 进b 出，电枢绕组在空间上合成磁势f a 如图2 5 ( a ) 示， 此时，电机定、转子磁场相互作用，拖动电机转子顺时针方向旋转。此时，电 流流通路径为： 由电源正极c = 功率开关管v 1c = a 相绕组c = 令b 相绕组c = 功率丌关管v 6c = 电源负极。当转子转过6 0 度电角后，到达图2 5 ( b ) 所 示位置，此时，位置传感器的输出信号经逻辑变换、功率放大后，驱动功率开 关管v 6 截止，v 2 导通，而v 1 仍保持导通。则绕组a 、c 导通，a 进c 出， 电枢绕组在空间合成磁势如图2 5 ( b ) f a 所示，此时定转子磁场相互作用使转 子继续沿顺时针方向转动，电流通路为：电源正极c = 今功率管v 1 c = a 相绕组c = 今c 相绕组c = 令功率开关管v 2c = 电源负极。以此类推， 电机每旋转6 0 度电角度，各功率开关管的导通就要发生变化，其顺序为：v 1 v 6 、 v l v 2 、v 3 v 2 、v 3 v 4 、v 5 v 4 、v 5 v 6 、v 1 v 6 等循环不断。而转子磁场始终受 定子台成磁场作用并沿顺时针方向转动。 f a q x 图2 5 ( a ) f f f a o 而在图2 5 ( a ) 到图2 5 ( b ) 的6 0 度电角度区间，虽然转子磁场随转子顺 时针方向连续旋转，而定子合成磁场的空间位置却保持图2 - 5 ( a ) 中f a 不变， 只有当转子到达图2 5 ( b ) 位置时，定子磁场才会发生跳变。可见，定子合成 磁场在空间上并不连续变化，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角为6 0 度电 角度。 1 4 西北i ：业人学硕士学位论文第二章系统综述 当电机每转过6 0 度电角度，逆变器开关管就进行一次换流，定子的磁状态 就耍发生变化，由此可知，稀土永磁无刷直流电机共有六个磁状态，每一状态 都是两相导通，每相绕组流通电流的时间相当于转子旋转1 2 0 度电角度的时间， 故每个功率开关管的导通角为1 2 0 度，称之为1 2 0 度导通型。两相导通星形三 相六状态无刷直流电机的三相绕组与各开关管的导通顺序的关系如表2 1 示。 表2 - l 三相绕组与各开关管的导通顺序的关系 电角度06 0 1 2 0 1 8 02 4 03 0 03 6 0 导通 abc 顺序b cab v l导通 v 2导通 v 3导通 v 4导通 v 5导通 v 6导通导通 2 基本结构： a 电动机本体 稀土永磁电动机的转子上装有稀土永磁体，常用的有三种结构形式：瓦型 永磁体径向磁化，矩形永磁体切向磁化，环形永磁体径向磁化。如下图所示： a 瓦型永磁体径向磁化b 矩形永磁体切向磁化 c 环形永磁体径向磁化 图2 - 6 稀土永磁转子结构型式 1 一紧圈；2 一稀土永磁体：3 一铁芯；4 一转轴 曲北l ：业人学硕士学位论文第二苹系统综述 除了上述基本结构外，还有一种外转予式结构，即带有稀土永磁极的转子 在外，嵌有绕组的定子在内。电机运行时，外转子旋转。这种结构形式主要用 于电动车的驱动。 b 逆变器 虽然电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星型六 状态、三相星型三状态。半导体器件的发展，尤其是功率i c 的发展，使得一片 驱动电路、一个驱动电源就可驱动三相六个晶体管，从而大大简化了外围电路 尤其是驱动电路的设计。使逆变器朝着智能化、高频化、小型化的方向发展。 c 转子位置传感器 转子位置传感器是检测转子磁极相对于定子电枢绕组轴线的位置，并向控 制器提供位置信号的一种装置。根据工作原理的不同，常见的有磁敏式、磁电 式、光电式、机电式、索尼磁性二极管( s m d ) 等。然而，位置传感器的存在， 不但增加了无刷直流电动机总体重量和体积( 特别是在航空航天应用领域中) ， 而且增加了容易发生故障的重要控制环节。因此，最近的热点就是无位置传感 器无刷电机的研究。主要原理是利用无刷直流电动机运行时各相绕组本身存在 的反电势作为转子位置的反馈信号代替原有位置传感器的作用。这也是无刷直 流电机进一步发展的一个趋势吐 2 2 2 无刷直流电动机的优点 稀土永磁无刷直流电动机效率高、性能好、结构简单、散热容易、转速不 受机械换向限制、噪声小、安全可靠、无须维修、寿命长，不仅如此，还有以 下优越性： 1 由于稀土永磁材料的高磁能积，使得电机可以明显降低重量，减小体积，提 高效率。相对于交流异步电机，体积可以减d 、2 0 以上。其与其它类型的电动 机效率的比较如图2 - 7 所示。 2 稀土永磁材料的矫顽力h c 高，剩磁b r 大，因而可产生很大的气隙磁通，大大 缩小了永磁体转子的外径，从而减小转子的转动惯量，降低时嵋j 常数，改善 电机的动态特性。同时，在保持一定气隙磁感应强度的条件下，气隙宽度可以 1 6 硝北i ：业大学硕士学位论文第一二章系统综述 蟊程爨嬲舞鼗煽銎鹈霪鬯蟹篓鬈n 囊鬈星曩黝交流感应马达控制交斑马达控交流马选之重流骂逸。永磁直流无制 图2 7 美国能源部对各种驱动电机的效率比较 选取较大值，这样可以减小由于齿槽效应引起的力矩波动，也可抑制电枢反应 对力矩波动的影响。 3 稀土永磁材料的内禀矫顽力h c i 极高，磁场定向性好，因而容易实现在气隙 中建立近似于矩形波的磁场，电机可设计成方波电机，当与1 2 0 度导通型三相 逆变器相匹配，可实现方波驱动，从而可有效地减小力矩波动，同时提高电机 的出力。而且电枢反应对稀土永磁体的去磁作用较小，故稀土永磁无刷直流电 动机更适合突然反转，堵转驱动等特殊运行场合的性能要求。对于电动座椅， 电机是短时运行，但很可能遇到突然正反转，突然过载的情况，因此，无刷直 流电机的适应性比较好。 4 稀土永磁材料的去磁曲线是线性、可逆的，该特性给稀土永磁无刷直流电动 机的工作点计算带来了方便，简化了磁路设计和磁场分析方法。 5 无刷电机省去了电刷及滑环，简化的电机的结构设计，消除了电刷与滑环之 间摩擦所带来的噪声、电磁干扰、粉尘，提高了电机的使用寿命。因为没有碳 刷与换向器，所以没有维修与保养的需要：由于采用永磁转子，没有激磁损耗的 问题，综合效率高出1 0 2 0 左右( 依据功率大小而定) ，低速转矩更大，启动转矩 可达额定三倍，转速精度可达1 3 0 0 0 ，不受电压与负载变动的影响。电机可以做 成密闭型或防尘防爆型等结构。因此能够完全取代传统有刷直流电机，而且运转 费用更低，没有保养维修的烦恼。图2 8 为无刷直流电动机与有刷直流及欧盟 c e m e d 效率标准。 7 嗍 涨 蓦| 涨 耄砉 懈 僻 埘j 七i ：业人学硕士学位论文第二章系统综述 图2 8 无刷直流电机与有刷直流电机的比较 2 3 电动机的几种主流控制方法 电动机控制主要经历了几个阶段，模拟电路及分离式元件组成的控制电路， 由于其控制电路复杂，稳定性不强，因此，逐步被高级的数字控制方式所取代。 这些高级的数控方式主要采用单片机控制，抑或是d s p 控制。近来随着电子器 件工艺水平的提高，用高集成度模拟芯片专门控制电机又有枯木逢春之势。以 下简要介绍这几种控制方式。 2 3 1 单片机控制 从八十年代开始，微处理器( 单片机) 逐渐流行于电机控制当中。其具有 如下特点： ( 1 ) 电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路复杂，采用微处理 器后，绝大多数控制逻辑可以通过软件实现。 ( 2 ) 可以实现较复杂的控制 微处理器有更强的逻辑功能。运算速度快、精度高、有大容量的存储单元， 因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等。 ( 3 ) 灵活性和适应性强 硝北l ：业人学硕十学位论文 第二章系统综述 微处理器的控制方式是由软件完成的。如果须要修改控制规律，一般不必 改变系统的硬件电路，只须修改程序即可。在系统调试和升级时。可以不 断尝试选择最优参数，非常方便。 ( 4 ) 无零点漂移，控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论被控量的大 或小，都可以保证足够的控制精度。 f 5 ) 可提供人机界面，多机联网工作 单片机有较强的控制功能、低廉的成本。人们在选择电动机的控制器时， 常常是在满足功能的需要的同时，优先选择成本低的控制器。因此，单片 机往往成为优先选择的目标。从最近的统计数字也可以看出，世界上每年 要有2 5 亿片各种单片机投入使用。单片机是目前世界使用量最大的微处理 器【1 0 】。 近年来，新一代的各种各样的单片机不断出现。新型单片机都具有如下特点。 ( 1 )内部增加了很多模块，如p w m 发生模块、比较和捕捉模块、a d 转换 模块、看门狗、串行总线接口等，使新一代的单片机功能大为增强。 ( 2 ) 由于采用了流水线技术，执行指令和提取指令可同时完成，因此，新一 代的单片机比老一代的单片机速度快了一倍以上。 ( 3 )由于采用了同步串行总线，及内部f l a s h 存储器，大大减少了单片机 的外部引脚，因此，单片机的个头也越来越小。此外，采用了休眠省电 工作方式及3 3 v 供电，使得单片机功耗也得以降低。这对于移动设备中 的电动机控制是相当有意义的。例如可以有效提高诸如数码摄像机、笔 记本电脑等的不插电使用时间。 2 3 2 d s p 控制 数字信号处理器是近年来迅猛发展的新一代数字微处理器。随着价格的大 幅度下降，逐渐进入运动控制领域。美国1 r i 公司的c 2 0 0 0 系列，a d 公司的 a d m c 系列，这些都是以d s p 为内核的集成电动机控制嵌入式芯片。其不但具 有高速信号处理能力和数字控制功能，而且还具有电动机控制所必须的外围功 西北： ：业人学硕士学位论文第二章系统综述 能。在电动机控制系统种采用d s p ，不但可以实现诸如矢量控制、直接转矩控 制等控制算法，而且也为现代控制理论及智能控制理论的实现提供了硬件条件， 而这些是单片机所不及的。 2 3 3 高集成度模拟芯片控制 随着i c 技术的发展，模拟器件的集成度也越来越高，性能也越来越好。行 业专用模拟芯片由于其价格低廉，定制方便，因此大量使用在一些对控制性能 要求不是很高的场合。如m i c r ol i n e a r 公司的m l 4 4 2 5 4 4 2 8 无位置传感器无刷 电动机专用控制芯片，安森美公司的3 3 0 系列等。这些芯片满足基本的电动机 调速及控制功能，价格比起数字式芯片又具有一定优势，因此，低端市场很大。 西北，i ：业人学硕士学位论文第三章方波驱动稀土永磁无刷直流电动机 第三章方波驱动稀土永磁无刷直流电动机 无刷电动机是近3 0 年来随着电动机技术及微电子技术的迅速发展而发展 起来的一种新型电动机，它是由电动机本体( 定子和转子) 、位置传感器和电子 换向线路三大部分组成。无刷电动机的工作原理，就是利用反映转子位置的位 置传感器的输出信号，通过电子换向线路去驱动与电枢绕组联接的功率开关器 件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动永磁式 转子旋转。同时，随着电动机转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改 变电根绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向保持不变。 目前，直流无刷电动机已有多种型式，但按其工作特性划分，可分为具有 交流特性( 交流异步电动机特性和同步电动机特性) 和具有直流特性两大类。具 有交流特性的直流无刷电动机是采用控制逆变器的频率来控制电动机的速度 ( 即变频调速控制) ，而具有直流特性的直流无刷电动机与普通直流有刷电动机 相似，具有效率高、起动性能和调速性能好的优点。由于无刷电动机取消了电 刷和换向器间的滑动接触，因此具有寿命长、可靠性高、噪声低、能用于防爆 场所等特点。在性能上，还具有起动转矩大、加速度快、动态制动简便、转速 转矩特性呈线性及效率高等优点。 无刷电动机的电源一般可采用正弦波或梯形波交流电源。以梯形波供电的 无刷电动机所产生的转矩比以正弦波供电时约大1 0 ，但正弦波供电的无刷电 动机转矩波动小且可低速平滑驱动。一般来说，无刷电动机各种基本特性取决 于定子绕组电流波形及其电动势，而当电流波形与对应的相电动势波形重合时， 电动机得到最充分的利用【2 】。 3 1 稀土永磁方波驱动无刷直流电机基本公式及数学模型 稀土永磁无刷直流电机采用径向激磁结构，由于永磁体的取向性好，可以 方便地获得具有较好方波形状的气隙磁场。其理想波形如图3 - 1 所示。 州北t 业大学硕士学位论文第三章方波驱动稀十永磁无刷直流电动机 口i ， 瓦 厂 耳 ll 2 耳 口 il 图3 1 方波气隙磁场 对于方波气隙磁场，当定予绕组采用集中整距绕组，即每极每相槽数q = 1 时，方波磁场在定子绕组中感应的电势为梯形波。对于二相导通星型三相六状 态稀土永磁无刷直流电动机，方波气隙磁感应强度在空间的宽度应大于1 2 0 度， 在定子电枢绕组中感应的梯形波反电势的平顶宽度应大于1 2 0 度电角度。这种 具有方波气隙磁感应强度分布、梯形波反电势的无刷直流电动机称为方波电动 机。方波电动机通常由方波电流驱动，即与1 2 0 度导通型逆变器相匹配，由逆 变器向方波电动机提供三相对称的、宽度为1 2 0 度电角度的方波电流。方波电 流应与电势同相位或位于梯形波反电势的平顶宽度范围内，如图3 2 所示。因 此，为获得梯形波反电势，电枢绕组应设计成集中绕组。 1 乒习 号挚￥当翻龇 3 3 1 基本公式 图3 - 2 梯形波反电势与方波电流 以下是以二相导通星型三相六状态为例，无刷直流电动机的电磁转矩、电 西北i 。：业人学硕士学位论文第三章方波驱动稀土永磁无刷直流电动机 枢电流和反电势等的计算方程。 1 电枢绕组感应电势 单根导体在气隙磁场中感应电势为 e = b6 l v( v ) 式中bs 为气隙磁感应强度； l 为导体的有效长度： v 为导体相对于磁场的线速度。 v = 等n = 2 p r 蠢( m s )垆丽舻丽 其中月为电机转速( r m i n ) ： d 为点数内径： r 为极距： p 为极对数。 设电枢绕组每相串联匝数为w + ，则每项绕组的感应电势为 d = 2 w e e( v ) 将式( 3 - 2 ) 代入式( 3 - 3 ) 得 p = b c l 2 p f 云 ( v ) 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为 西d = b j 口，上( w b ) 式中a ，为计算极弧系数，则有 8 2 2 p c 6 蕊 ”) ，z 将式( 3 - 6 ) 代入式( 3 - 3 ) 得每相绕组感应电势 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 历：j l 矾m 矾 ( v )( 3 7 ) 1 5 c a 西北i ：业人学硕士学位论文第三章方波驱动稀土永磁无刷赢流电动机 则线f e 势，即电枢感应电势为 e = 2 廓= 兰生如矾= g 中矾(v)(3-8) 2 2 廓2 盖啪矾2 矾( ”) 式中 g = 素乞冲一为电势常数。 2 电枢电流 在每个导通时间内有以下电压平衡方程式 式中u 为电源电压 u 一2 e = e + 2 厶r a a u 为开关管的饱和管压降； 厶为每相绕组电流 h 为每相绕组电阻。 由上式得 3 电磁转矩 ( 3 9 ) 厶：u - 2 = _ a u - e(a)(3-10) 厶2 f 在任一时刻，电机的电磁转矩z k 由两相绕组的合成磁场与转子永磁场相 互作用而产生，则 = 百2 e i = 等 式中 n = 等为电机的角速度。则有 两北1 ：业人学硕士学位论文第三章方波驱动稀土永磁无刷直流电动机 ；当w 癍& i d 疋。= 羔塑毛一= c 椰也 ( n m )( 3 - 1 2 ) z 删 式中c ，：竺为转矩常数。 露瑾t 4 转速 将式( 3 - 8 ) 代入式( 3 - 9 ) 得 u 2 u 2 h r a 肛1 矿 空载转速为 舻u c - 勘2 u2 甄u - 2 & u 咀s 篙洲胁州， m 2 c 勘2 享磊。7 j 而u 巾川。1 4 i ) 岱 表3 - 1 稀土永磁方波电动机与普通无刷直流电动机公式对照表 物理量方披电动机普遇无刷直流电动机 星 相电贽幅值e 。 最咖 0 1 0 4 s p w 鼬 形 ，一2 t 蚶- 2 9 。 挫r l 8 2 7 譬 = 平均电枢电矩0 2 r 相 l 熟枞。0 6 0 7 鼍挚一2 彬) _ 1 6 5 5 e m ，、 平均电磁转矩孔 状 态 空载转速n o ，c u - 2 u 5 t 8 5 研u 蕊- - 2 孽。蕊h u“”户峨 从上表中，可以得到以下结论： 在单位电流条件下，方波电动机的出力比用传统无刷直流电动机的出力约 大5 ，由于电动座椅对于出力要求比较高，负载变化比较大，因此，方波驱 动无刷直流电机非常适合于电动座椅。 曲北：i ：业火学硕七学位论文第三章方波驱动稀土永磁无刷直流电动机 3 3 2 数学模型 卧讣雌珧 + | | 限 p 微分算子p = d d t 对于方波电动机，上式中三相方波电流和三相梯形波反电势如图所示，由于转 篓 l _ r 一- 一 卜 警：_ ：愆董：i 囊：一j 蔼_ ；i ：? ： 卜i 。：+ 、毫誊l i = - ：隧婆誊! ：u 薹豢、：一；：i i ：蠢斌蠢 ，o ：+ 卜、= 1 、：o 一 n | m j _ l 一。：i 。：、i ：，毫南n ， _ _ 。- 蔓 i ：! 鼍孙! 一篡：麓! 1 t z 掣警 。：- = ：一毫；。：躲? o ? j 鬈一，冀：鹾i | = 1 - - _ ：i 一 ：一。：o 一- 融 - ：= ： 一卜7 i ，? n譬0 j1 蠢一一 1 o - 1 i = i ”l卜? 羹j l _ “o 隧 i ： ? 净h j a 孝誊j 目 “ 1 ：i _ = ，：+ 1 _ l 爨卜囊，： ! ；| ：= 曩j 誊：；蔫邕：j ：= i i ：小o ? 髟，：。 一r 。：，、： 。： 曼：j 毫薯受：塑 i n ：_ _ 一瓤：- - = 。_ 0 薹j j 芬! 一薹_ - _ ：_ - i ：誊鬻叠譬i 。 _ t j- i ：= ：= 1t _ = ：0 ；懿荽善i ：- 游。= ： 3 ：_ ：譬_ = _ 鎏- ；鬻攀：_ l ；寒r 薯o j 溺浚誉攀：参：鬟誊参登j 嚣麟萋希甏誊 j ；攀；鬻i ! 豢；蒌羲豢瓣麓攀i l ：= 。： + 。 图3 3 方波电动机电流和反电势的理想波形 婀北i ：业人学硕士学位论文第三章方波驱动稀士永磁无刷真流电动机 子磁阻不随转子位置变化而变化，因而定子绕组的自感和互感为常数。 当三相绕组为y 形联接时，且没有中线，则有 i 。+ +