（电机与电器专业论文）稳速微型外转子无刷直流电动机设计和控制研究.pdf

a b s t r a c t t h eb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) i san e wk i n do fi n t e g r a t e de l e c t r i c a l m a c h i n e r y i th a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p i n gw it ht h eh e l po ft h ed e v e l o p m e n t o ft h es i n 9 1 e c h i pf 【l i c r o p r o c e s s o rt e c h n i q u e ，t h ep o w e re l e c t r 。n i ca n d h e c o n t r 0 1t h e o r y ， a n dt h ea p p e a r a n c eo ft h en e wp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l t h em i c r oo u t e rr o t o rb l d c mf o ro f f i c ea u t o m a t i c ( o a ) e q u i p m e n ti su s u a l l y f e db yt r a p e z o i dw a v es u p p l y ，a n di th a v eal o ws p e e d ( b e l o w3 0 0 0 r p m ) ，b u t t h es p e e ds t a b i l il ym u s tb eh i g ha n dt h et o r q u er i p p l em u s tb e1 0 w o nt h eb a s i so ft h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa 兀a l v s i so ft h em i c r o o u t e rr o t o rb l d c m ，t h es t a t i cp e r f o r m a n c ea n dt h ec o n t r o lp r i n c i p l et o s t a b i l i z es p e e du s i n gb o t hp l la n df go ft h isk i n db l d c ma r ei n v e s t i g a t e d i nt h i sd l s s e r t a t i o n a c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o d ， b a s e do nt h e a n a l y s i sa n dd e r i v e de q u a t i o n s ， t h es p e c i a ls of t w a r ei sd e v e l o p e d ，w h i c h i su s e df o rt h ed e s i g no fo u t e rr o t o rb l d c m ap r o t o t y p ei sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e do nt h eb a s i so fl h ee x i s t l n g e q u i p m e n ta n dt e c h n i q u e so fo u rc o r p o r a t i o n s o m es p e c i a lt o p i c so fm a i n e l e c t r o m a g n e t i ct e r mc a l c u l a t i o na r ed i s c u s s e d t h ed e s i g ns o f t w a r ei sm a d e b yv b ， w h i c hi n c l u d eb o t he l e c t r o m a g n e t l cp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o na n d p e r r o f 硼a n c es i m u l a t i o n as a m p l ed e s i g nr e s u l ta n dt h es i m u l a t j o 兀c u r v e s w e r ep r e s e n t e di nt h ed is s e r t a t i o n ，j nw h i c ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n ti s o f f e r e db yc u s t o m e r t h es p e e ds t a b i l i z e dc i r c u i ti sd e s i g n e db yu s i n g l b l 8 2 l m ( s a n y o ) t h ed e s i g nk e yp o i n t so ft h ei cp e r i p h e r a lc i r c u jt a f d t h ed e t a j a p p l i c a t j o ns c h e m a l ica r ep r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o n ， t h ep e r f o r m a n c e so ft h ep r o t o t y p ea r et e s t e d ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h e g o o da g r e e m e n tb e t w e e nt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa n dl h et h e o r e t ie a lo n e t h em 。t o ro p e r a t i o 八l o g l cw a v ei sa l s od r a w nb a s e do nt h et e s tw a v e ， l h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eoft h ep r o t ol y p ei ss a t i s f i e dw 1 ht h e r e q u i r e m e 几to ft h ec u s t o m e r ，t h ed e s i g ns c h e m ejsv a l i da n dt h ec a j c u l a t i o n p r e c i s io no ft h es o f t w a r e1sh i g h t h es o f t w a r ei sv a l u a b l ejn t h ed e s i g n o f 1c r oo u t e rr o t o rb ld e m k e y w o r d s ：st a b l es p e e ( jb l d c m ；f ( ；s p e e ( 1s e n s e( f ( tt a c h o m e t e r ) ： p l l r n n i = r o i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：王丝拯日期：堕：! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中幽科学技术信息研究所、困家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，呵以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密沦文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：至丝控 导师签名 茸蜡l f i 期：o rgf r 东南大学工程碗：l 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及选题的意义 我公司以办公设备用微电机为主要产品，其中用于扣。印机和复印机上的微型 外转子无刷直流电动机是支柱产品。该系列无刷直流电机的每个机种均是按客户 整机要求的性能参数定制开发。对于每个客户的要求设计人员都要进行系统的 分析、计算，以便设计出符合要求，令客户满意的产品。即使是对此类电机十分 熟悉的工程师，从电机选型到最终确定电机的主要参数，都要进行大量的工程计 算，才能进行样机的制作。而设计计算的精度高低，对样机制造的成功与否起到 了决定性的作用。 在计算机出现以前，开发人员依据经验公式由手算来进行电机的设计。一台 电机的参数往往需从几个计算方案中比较后选取确定，工作量很大。随着计算机 的普遍应用，人们越来越多地把计算工作交由计算机来完成。因此，很有必要编 制一些软件来实现各类电机的设计计算。但是每种电机都有其特点，而且即使是 同一种电机，大型电机和微型电机的计算也有很大的差别，要编写一个普遍适用 的计算程序，是不现实的。 本课题钭+ 对公司现有的几个机座号的微型外转子无刷直流电动机，在总结运 用一些经验公式的基础上，用v b ( v i s u a lb a s i c ) 编写应用程序，进行此类电机的 主要参数计算和特性仿真，实现电机没计计算的自动化、快速化和可预见化，把 设计者从繁琐的计算中解放出来，从而大大缩短电机的开发周期，提高工作效率， 因此，该程序具有一定的工程应用价值。 本课题还对该类电机的稳速驱动控制进行探讨和分析。 1 2 国内外研究现状、发展动态 无刷直流电动机( b r u s h e s sd cm o t o r ，简称b l d c m ) 是近些年来随着新的控 制技术的发展，微处理器技术和高开关频率、低功耗新型电力电子器件的推广应 用，以及低成本、高性能的永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电动机。 与传统的有刷直流电机不同的是，无刷直流电动机的电枢绕组放在定子上，在转 子上安装永磁体，用电子换向代替有刷直流电动机山电刷和换向器实现的机械换 向。它既保持了普通直流电动机优良的凋速性能，又因为采用电子换向，没有了 电刷和换向器的滑动接触，无换向火花，无炭刷和换向器磨损，因此可靠性高、 噪声低、寿命长、州恶劣环境，在航空航天、数控机床、机器人、电动汽车、家 用电器、办公设备等诸多领域都获得了广泛应用。 从电流导通波形看，永磁无刷直流l 乜动机可以分为两类：正弦波型永磁无刷 东南大学工程砸士学位论文第一章绪论 直流电动机和方波型永磁无刷直流电动机。正弦波型永磁无刷直流电动机的反电 势波形和供电电源波形均为正弦波，需要较为精确的转子位罱信号，位置传感器 结构复杂，成本较高，但其控制方法灵活，转矩波动小，通常用于要求较高的伺 服控制系统。方波型永磁无刷直流电动机则是反电势和供电电压均为方波，控制 系统对转子位置信号要求不高，只需获得若干个转子关键位置的离散信号就j 叮以 了，传感器成本较低，电机结构简单，控制方便，因此得到广泛应用。我们通常 所说的无刷直流电动机是方波型的，也可称之为方波电机。一些i c 制造商( 例如： m o t o r o l a ，s a n y o ，t o s h i b a 等) 推出了一系列方波无刷直流电动机的专用控制芯 片，其中s a n y o 更是开发了无位置传感器的控制芯片。无刷直流电动机又有无位 置传感器和有位置传感器之分。无位置传感器无刷直流电动机起动和牵入同步时 有较大抖动，且时间较长。有位置传感器的无刷直流电动机则起动平稳、时间短， 在国内外都已进入大批量生产阶段。 用于办公设备( 激光打印机、静电复印机、扫描仪等) 的微型外转子无刷直流 电动机属于方波型永磁无刷直流电动机。由于它的转速较低( 通常在3 0 0 0 r p m 以 下) ，对转速的稳定度要求高，且转矩脉动要小，而外转子结构有利于转速稳定， 所以通常采用内定予、外转子结构。转子位置由霍尔元件测得，用频率发电机检 测转速，用专用控制芯片组成控制电路来实现对转速的闭环稳定控制。为了获得 稳定的转速，比较好的控制方法是将f g ( f r e q u e n c yg e n e r a t o r ) 与p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) 结合起来控制转速，这方面的专用控制芯片已经十分成熟，：i j 程应 用也没有问题。此类微型无刷直流电机以日本公司的产品居多，一些公司的月产 量已达几十万台，而国内类似的产品还很少见。随着国内办公设备制造商的崛起， 此类电机将有广阔的市场和前景。发展具有自主知识产权的此类电机产品已变得 刻不容缓。 1 3 无刷直流电动机的基本原理 1 3 1 基本组成和工作原理 众所周知，一般的有刷永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，由其在电 动机气隙中建立磁场。电枢绕组放在转子上，通电以后产生反应磁场。通过电刷 和换向器的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行过程中始终保持 9 0 0f 乜角度，从而产生最大的转矩来驱动电动机不停地旋转。 无刷直流电动机采用电子丌关电路取代机械换向器。为了实现换向，首先要 求把电枢绕组放在定子上，把永磁体放在转子上，这与传统的有刷永磁直流电动 机的结构刚好相反。但是仅仅这样还是不够的，没有了f 巳刷的换向作用，将直流 r l = ! _ 源直接加在定了的各相绕组上，只能产生固定磁场，它不能与运动中的转子磁 东南大学t 程顺：卜学位论文第一章绪论 钢所产生的磁场相互作用以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，无刷直 流电动机除了由定子和转子组成电机本体外，还要有位置检测电路、电子换向电 路来共同构成电子换向装置。 图卜i 无刷直流电机的原理框图 如图1 1 无刷直流电机的原理框图所示，由功率逻辑开关单元和位置传感器 信号处理单元两部分组成电子换向电路，用来控制电动机定子上各相绕组通电的 顺序和时间，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的电枢磁场与转 动中的永久磁钢产生的转子磁场在空问上始终保持平均值为( n 2 ) r a d 的夹角。因 此，直流无刷电动机的基本结构可以认为是由电子开关电路、电机本体以及位管 检测电路三者共同组成。 无刷直流电动机的电机本体在结构上和永磁同步电动机相似，但是没有笼型 绕组和其他起动装置。其定子绕组一般为多相( 三相、四相、五相等) 结构，转子 由永久磁钢按一定极对数( p = 1 ，2 ，) 组成。无刷直流电动机的运行方式因电动 机本体的绕组型式不同而各异，多数无刷直流电动机的定予绕组是三相绕组，本 文主要针对这种结构的无刷直流电动机来进行分析、研究。 电 源 l 到1 - 2 二相绕卦i 无刷商流l u 动机全控l u 路原理吲 东南大学工程砸1 学位论文第一章绪论 三相绕组无刷直流电动机绕组的连接方式有三相星形连接和三相三角形连 接。三相星形连接有两种运行方式：三相半控电路方式和三相全控电路方式，图 1 2 所示为三相全控电路方式。三相半控电路方式线路比较简单，但是每个绕组 只通电l 3 周期的时间，因此绕组利用率很低，转矩脉动较大。三相全控电路运 行方式的转矩脉动小，绕组利用率高，所以大多数场合都采用三相全控电路方式。 三相全控方式又因同时导通的绕组数的区别而分为两两导通方式( 也称为1 2 0 。导 通方式) 和三三导通方式( 也称为1 8 0 。导通方式) 。下面以两两导通方式来况明三 相星形连接的无刷直流电动机的工作原理。 两两导通方式就是指每一瞬间有两相绕组导通，即有两个不同桥臂的功率管 处于导通状态，每隔1 6 周期( 6 0 。电角度) 换相一次，每次只换相一个功率管，每 个功率管导通1 2 0 。电角度，如图卜2 所示。各功率管的导通顺序依次是v l v 2 、 v 2 v 、v 3 v 4 、v 4 v 5 、v 5 v 6 、v 6 v 1。 ( c ) 蚓卜3 功率管开关顺序及定子磁场旋转示意酬 i 历孑 ，t = 一， ( 0 下面分析其工作原理。当功率管v 1 和v 2 导通时，电流经v l 管，从a 相绕 组流入，c 相绕组流出，再由v 2 管回到电源，如图1 3 ( a 1 所示。这时，两相绕组 中的电流在空问产：生的合成磁场方向为如图1 3 ( b ) 中所示的f a c 的方向，该磁场 与转子磁场相互作用，使转子沿图1 3 ( a ) 箭头方向刚晚时针) 转动。当转子转到如图 1 3 ( c ) 所示位置后，v 1 管关断，v 3 管导通，电流经v 3 管从b 相绕组流入，c 相 绕组流出，再出v 2 管回到电源。这时，两相绕组一一p 的电流在窄问产生的合成磁 场方向为如图i 一3 ( d ) 中所示的f b c 的方向，该磁场与转于磁场相互作用，使转予 雾。露长寥m ， z k 、 歹婚a 义 长忽m n 遘钒 ： 东南大学工程硕士学位论义第一章绪论 继续朝顺时针方向转动，如图i 一3 ( c ) 箭头所示。当转子转到如图1 3 ( e ) 所示位置后， v 2 管关断，v 4 管导通，电流经v 3 管从b 相绕组流入，a 相绕组流出，再由v 4 管回到电源。这时，两相绕组中的电流在空间产生的合成磁场方向为图1 3 f n 中 所示的f b a 的方向，该磁场与转子磁场相互作用，使转子保持朝顺时针方向转动， 如图1 3 f e ) 箭头所示。如此，在v l 、v 2 、v 3 、v 4 、v 5 、v 6 六个管子的循环轮 流导通控制下，每两相依次馈电，转子磁场始终受到定子合成磁场的作用，使得 转子沿顺时针方向连续转动，实现电机的连续旋转。不难看出，在换相的过程中， 定子绕组电流在空间内所形成的合成磁场不是连续的旋转磁场，而是一种跳跃式 的旋转磁场，每个步进角度为6 0 。电角度。 从上述分析可以看出，转子每转过6 0 。电角度，逆变器，| = 关管之间就进行一 次换流，定子的磁状态就改变一次。如果标记v 1 v 2 功率管导通时的状态为状态1 的话，后面依次可以标记为2 、3 、4 、5 、6 。电机总共可分为1 6 六个磁状态， 每一个磁状态都是两相绕组导通，每相绕组中流过电流的时间相当于转子旋转 1 2 0 。电角度的时间，每个开关管的导通角为1 2 0 。电角度，所以这种逆变器称为 1 2 0 。导通型逆变器，这种导通方式习惯上也称之为1 2 0 。导通方式。 1 3 2 运行特性和传递函数 为从控制系统角度分析无刷直流电动机的运行特性，本文对电动机进行如下 合理的简化假设： ( 1 ) 电动机的气隙磁密为理想的1 2 0 。平顶波； ( 2 ) 根据该电动机的特点，忽略电机反应和电感； ( 3 ) 功率丌关的导通压降为恒值d u ； ( 4 ) 各相绕组对称，对应的电路控制单元致，相应的电路电气时间常数忽略 不计； ( 5 ) 忽略轴承的摩擦转矩。 基于以上假定，电动机的电磁转矩r 可由下式表示： i = 巧 ( 卜1 ) 式中。电机的转矩常数( n m a ) ； ，。电机绕组中的电流( a ) 。 电机以u 角速度旋转时，绕组中产生的反电势e ，满足下式： e 。= k f 鲫 ( 卜2 ) 式中k ，电机的反电势常数( v s r a ( 1 ) 。 东南大学工程硕二卜学位论文 第一章绪论 对于一台结构确定的电机，其k 。= k ，因此可以统一用一个电机常数k 来 表示。 电机的电压平衡方程为： u 一u = e 。+ ，吖r 。( 1 3 ) 式中u 电机的供电电压( v ) ； u 功率开关管管压降( v ) ； 月。电机通电相的电阻( q ) 。 将式( 1 一1 ) 和( 卜2 ) 代入( 卜3 ) 并整理得： ：与竽一警 ( 1 _ 4 ) k k z。 可见，该类无刷直流电动机有着良好的线性机械特性。 在忽略轴承摩擦转矩时，电机的动力学方程为： t = ，譬+ t ( 1 5 ) 式中，系统转动惯量( k g m 2 ) ； 一负载转矩( n m ) 。 将式( 1 _ 1 ) 、( 卜2 ) 、( 卜3 ) 和式( 卜5 ) 进行拉氏变换，可等效成图卜4 所示的 系统动态结构图。 图l 一4 电机系统传递函数框图 以角速度为输出量，u 一u 为输入量时，电机的传递函数为 研沪蒜2 巫三 ? u l 如一u ls 、r ，j? k ( 1 6 ) 从上式可以看出，在上述简化条件f ，无刷直流电动机为典刑的一阶系统。 6 东南大学工程颁十学位论文第一章绪沱 1 4 本文研究的内容和结构安排 针对微型稳速无刷直流电动机，本文对电机本体及其控制电路进行分析和研 究。首先分析稳速无刷直流电动机的特性，并尝试从理论上推导出其定性分析表 达式；研究稳速电路的工作原理；在总结一些经验计算公式的基础上，用v b 编写 该类型电机的设计计算程序，用以计算电机的主要电磁参数和进行运行性能仿真。 根据实际的客户性能要求，在公司现有系列产品的基础上，用编制的程序进行计 算，确定一套方案，实施改造，制作出满足要求的样机。对样机进行测试，用实 测的数据束验证计算结果的正确性。 本文的研究工作主要有： ( 1 ) 稳速微型无刷直流电动机的特性分析； ( 2 ) 稳速控制原理分析； ( 3 ) 稳速微型无刷直流电动机的电机本体设计； ( 4 ) 稳速微型无刷直流电动机的电磁计算和特性仿真程序设计； ( 5 ) 实际稳速控制电路设计； ( 6 ) 样机试验测量。 东南大学工程颂= l 学位论文 第二章稳速微型无刷直流电动机的特点及拓，制原理 第二章稳速微型无刷直流电动机的特点及控制原理 2 1 稳速微型无刷直流电动机的结构特点 图2 1 是某公司产品的外观图。此类电机的电机 本体与控制线路板常常做在一起，以成套产品的方式 提供给客户。 2 1 1 外转子式 采用外转子式有以下优点： ( 1 ) 可以提供较大的转动惯量，有利于电机的低 速稳定运行； 圈2 1 电机外观 ( 2 ) 磁钢在转子壳内，有足够的面积提供磁通，可以采用价廉的条形橡胶铁氧 体或注塑铁氧体磁钢； ( 3 ) 在内定子上绕线，是外下线，比较容易，便于批量生产。对比内转子电机， 其绕线设备较简单，设备投入少。 2 1 2 控制线路板和电机一体化 图2 2 是外转子电机本体的构造图。其中 定予组件； 转子组件； 滚珠轴承( 2 个) ； 波弹簧； 挡圈； 铭牌。 另外，是控制线路板，与电机本体装在起。 幽2 - 2 。b 机构造蚓 2 1 3 主磁极与f g 磁极一体化 庄批量生，、1 。时，转子磁钢大多采用一体注塑成型。当然，有的是用条形橡 8 东南大学：i 一程硕_ | _ = 学位论文第二章稳速微型无刷直流l u 动机的特点及控制原理 胶磁钢弯曲成型。无论是环形注塑磁钢还是条形橡胶磁钢，在充磁时，均是在 同一磁体上充出主磁极和f g 磁极。一般来说，f g 磁极的极对数要比主磁极的 极对数多得多。图2 3 就是这两种磁钢的充磁示意图。这样的磁钢结构十分简 单，易于实现批量生产。 旺步 橡胶磁钢自 1 ；| r i ， 图2 3 橡胶磁钢和注塑磁钢示意斟 f 2 2 稳速无刷直流电动机的特性分析 在前面的绪论里，基于一些假设条件分析了无刷直流电动机的传递函数。可 以认为，无刷直流电动机的特性益线与有刷直流电动机的特性曲线很相似。在本莲 章，着重分析稳速无刷直流电动机用p w m 方式直接驱动时的特性，并与一般无 刷直流电动机的特性进行对比。首先画出有刷直流电动机的特性曲线。 2 2 1 有刷直流电动机的特性 直流电动机的特性曲线如图2 4 所示 削2 4 一般商流电机的特性曲线 直流电动机的等效电路如阁2 5 所示。 东南大学工程坝二卜学位论文 第二章稳速微型无刷直流l _ i = i 动机的特点及控制原理 一。 t甲一。 图2 5 直流电动机的等效电路幽 基于上面的电路，直流电动机的特性可以用以下公式描述 其中： e 。一感应电势( v ) ； u 。一电源电压( v ) ： r 。一电枢绕组直流电阻( q ) ： 一电机电流( a ) ； e 一电磁转矩( nm ) ； k ，一转矩常数( n - m a 1 ； ，。一空载电流( a ) ； 国 一电枧角速度( r a d s 1 ； 月 一电机转速( r m i n l ： k ，感应电势常数( v s r a d ) 。 从上面的l 个式子可以推出直流电机角速度的表达式为 u h r i 。r ， 1 一一百i 。r r 0 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) f 2 5 、 东南大学丁程顺= 卜学位论文第二章稳速微型无刷直流电动机的特点及控制原理 2 2 2 稳速无刷直流电动机的特性 1 稳速区的电流曲线分析 图2 6 所示是p w m 方式驱动的无刷直流电机的等效电路图。 s +im p w m u 岛。j 变换器 图2 6p w m 驱动无刷直流电机等效电路图 图2 6 中的p w m 变换器部分实际上是由半导体元件组成的，其工作时的开 关损耗很小，为了公式推导方便，可以忽略掉。用加到电动机绕组上的平均电压 u 。代替式( 2 5 ) 中的可得下面的表达式 一去疋 k 。k k i ? 。 稳速控制时电机的角速度u 是一个定值。将式( 2 6 ) 变形为l 0 的表达式 u 。地_ 蝎i + 鼍t c 若电机电源电流为，。，流过电机绕组的电流为， ，忽略开关损耗，则有 ( 2 - 6 ) r 2 7 、 ”l = u 。，一。_ + 晚协，+ 鲁曩l ， ( 2 _ 8 ) mf 丢“ + 去rf 吾“k+ 得悟 入 。 _ 月 r = 疋一q _ = 叭 降 东南大学： 程硕：卜学位论文 第二章稳速微型无睇4 直流电动机的特点及挎制原理 月。争( 强卅2 盱，0 ) ，丢代恤 ( 2 - 9 ) 两边同除以u 。 ，。：生f 三 6 ，sl k r 2 + 学+ 责幢川。州。 稳态运行时，电磁转矩t 与负载转矩瓦相平衡，即疋：瓦。将式( 2 一l o ) 整理 成关于负载转矩瓦的二次方程标准形式，可得 仁去 瓦+ 掣 粤掣 ( 2 _ 1 1 ) 4 r 。u s 、7 由上式可以看出，电源电流，。用负载转矩瓦表示时是二次曲线。因此，p w m 驱动无刷直流电机稳速控制时的电流特性曲线如图2 7 所示。 圈2 7 稳速无刷直流电机特性曲线 图2 7 中阴影区域是稳速控制运转区域，在此区域内电机的电源电流，。与电 机绕组中流过的电流，。是不同的。，相对于负载转矩正是线性变化的，而电源 电流，。相对于负载转矩t 是以二次曲线变化的。 下而，验旺，。与，。的火小关系在稳速区域是否如图2 7 所描述的致。 东南火学工程顺二卜学位论文 第二章稳速微型无刷直流l b 动机的特点及控制原理 如果 ，则有下面的关系式 每“，篑- 号丁+ 责舡。+ z 盱u ( 吾 + 责忸，：+ 蚝 解此不等式可得 f 瓦u 。一( r 。，。+ k ，m ) l ， 矗 由于睁l u 有 f 三一竺! 二! 堡：生茎! ：竺! 。的结论是正确的。 上面关于，。 ，。的结论可以从物理的角度来解释。下面是其物理意义。 从公式( 2 6 ) 可以看出，直流无刷电动机凋节转速可以通过调节加在电动机绕 组上的电压来实现。p w m 驱动无刷直流电动机等效电路图如图2 6 所示，甑流电 源的电压加在逆变桥上，而施加到电动机绕组上的电压是通过p w m 凋制后的l 乜 压。p w m ：i 哿u 。电压悯制成通断状态，u 、，为通断状态下的等效电压，如图2 8 东南大学t 程砸十学位论文 第二章稳速微型无刷直流l b 动机的特点及控制原理 所示。只要有断的状态存在，则u 。 u 。 达到稳速最大负载转矩时，断的状态结 束，这时有u 。= 。忽略管压降，则 南ux - is = u m i 。成立，当u 。us 鼬， 绕组中电流，。是大于电源电流，。的。 图2 8p w m 调制电压 2 稳速最大负载转矩 现在求电机电流与电源电流大小相同时负载转矩的表达式。将式( 2 1 1 ) 中的 is 黑i m 替换，可得 去 t + 掣 婆娑 ( 2 1 6 ) 4 r ，us 求解此方程可得，当，。与，。达到一致时，对应点的负载转矩为 ，一世眇s “一 k 一r ，i ，、 r 。 ( 2 1 7 ) 现定义稳速控制的稳速最大负载转矩为，将代入式( 2 5 ) ，置换其中的瓦后 变形可得 k 厂p 。一k 。一r ，。) 尺。 ( 2 一1 8 ) 比较式( 2 一1 7 ) 和式( 2 1 8 ) 可知：= 瓦。，即是说电动机的电源电流和电动机 绕组中电流大小一致时对应的转矩瓦。与保持稳速的最大负载转矩巧是相同的， 此点为稳速控制的临界点，此后电动机的转速不再是预期的恒定转速，其特性曲 线与无转速控制时的特性曲线基本一致。 3 稳速区电源电压与电源电流的关系 稳速运行时电源电流表达式为 ，。= 击卜( 乏 ! + c k + 孙 去 十( k l + 凡叫c z 书， 4 j 东南火学： 程倾二卜学位论文第二章稳速微型无刷直流l b 动机的特点及控制原理 可以看出，当负载转矩瓦一定时，。与氓成反比。即 ( 1 ) 电源电压氓增大，。减小； ( 2 ) 电源电压减小，增大。 图2 9 所示是本公司此类电机的测试结果，也汪实了这一结论。从图中可知， 随着电源电压的增加，电源提供的电流逐渐减小。 一艮金j 4 旦i ，q 星一量曼盟点型垦羔一i 一一 一一 豢整! 瑟瑟錾蠹夏= 黝魁!篮避燮鬟 。 e s tv o t 眦3 8 ，c o 甜3 驯。搬。1 l 篮堑一 。+ 船女二j 篓塾；兰一吖譬 ， 童n 够婶曳 ，l ，i? 。致i 囊、 ， t 3 5 3 。l ? ，1 夕， 7 爹公 ，。爹 i 。劳 4 18 v ，。i 澎 一1 。秒 ：彩尹 ，彰 尹 图2 9 稳速无刷直流电动机的实删曲线 以上是论文根据公司现有产品的特性曲线作的个定性分析。如果考虑电机 绕组电感对电机特性的影响，算式中的电阻应换成阻抗。 2 3 稳速控制原理 同一般的无刷赢流电机不同的是，稳速无刷直流电机除了有检测转予位置 的霍尔传感元件，该电机还有频率发电机f g ，用柬反馈转了的转速。在稳速精 东南大学工程硕士学位论文第二章稳速微型无刷直流电动机的特点及控制原理 度要求较高的控制系统中，较多采用f g 测速和p l l 控制相结合的方法实现稳 速控制。其原理框图如图2 1 0 所示。 圈2 1 0f g 与p l l 相结台控制系统的隙理框幽 基准频率疋由高精度的石英振子或专门的频率发生器提供。在专用控制芯片 中，疋和反馈频率 进行频率和相位的比较，根据比较结果，调整加载到电机上 的电压以稳定电机转速，直到达到预先设定值，此时的疋和 一致，电机保持稳 定运行。一旦负载转矩、电源电压等产生波动，使转子在转动中位置有超前或滞 后，它就会立即反映到工与兀的相位比较结果中，由此调整功率放大器的输出， 维持f 和 一致，使转速始终保持恒定。 现对其中的重要环节：f g 和p l l 的工作原理做一些探讨和说明。 2 3 1f g 测速 检测电机转速的理想方法之一是把转速以频率的形式来计测。我们知道，交 流测速发电机的输出电压幅值与转速是成比例关系的，它的频率与转速也是成比 例的。如果只输出交流测速发电机的频率成分，那就是f g 的输出了。f g 测速是 现在广泛使用的一种方法。 如图2 3 所示，与转予主磁极体化的f g 磁极是f g 的部分，其另一部分 是以印制绕组的形式做在控制板上的。印制线路的节距等于f g 磁极的极距。f g 磁搬在印制绕绸的上方，当转子丌始旋转后，f g 磁极切割印制绕组产生输出 1 东南大学工程坝士学位论文 第二章稳速微型无刷直流l u 动机的特点及控制原掣 电压。下面给出f g 的设计计算公式。 ( 1 ) f g 输出频率与电机转速的关系 f g 频引胁) = 学电动机转斯 例如：若电动机转速为15 0 0r m i n ，f g 的极对数为5 0 对极，则其测得的频 率应为 其中 f ：竺1 5 0 0 ：1 2 5 0 ( 胁) “ 6 0 、 ( 2 ) f g 输出电压幅值e 为各印制绕组的有效边上所产生电压的累加总和。 e = e + e + - + c = n e 一、，一 。：掣：塑掣。0 s ( 倒) d td t 巾。为f g 的有效磁通 棚= 2 万- = f g 极对数 可以看出：eo c ，而厂，正比于电动机转速，也就是说e z 转速。 2 3 2 p l l 控带4 图2 1 l 是最简单的p l l 控制电路，其原理图如图2 1 1 ( a ) 所示，各波形的示 意图如图2 1 l ( b ) 所示。基准振荡器( o s c ) 的信号厂、和f g 测速反馈信号( t g ) 的信 写，。输入到异或门，得到的输出为波形c ，经d a 变换，两信号的相位筹以直流 成分d 检出。 东南大学：i 一程颂二f 一学位论文 第二章稳速微型无刷直流1 u 动帆的特点及控制原理 c 比较输出 碑im ；ml 田i 厂 _ | | l l | | li | l 罔兰厂 厂 厂 厂 厂 广 厂 d 直流成分 o 二二= 二二二二二二二二二二二二二二二二 ( b ) 图2 1 1p l l 基本原理和波形 d p l l 控制在此有两个职能：一是频率比较，二是相位比较。在电机起动和超 速时，f g 反馈频率 与基准频率 不一致，这时要进行频率比较。 当 时，经功率放大，输出直流成分d 为低值，电机减速运行； 当石2 时，即电机反馈频率厶与基准频率 一致，达到预期转速，电机 稳速运行。 在厶2 六时，p l l 控制进行相位比较，其波形如图2 1 1 ( b ) 所示。如果电机 负载加大，造成转子位置滞后，则l ，波形后移， 与厂的相位差变大，d 自硫 成分变大，使p w m 的占空比变大，电机输出转矩加大，使电机能带动较大的负 载，达到一个新的平衡。反之亦然。这时是用相位差来补偿负载波动的影u 吼而 使反馈频率一与基准频率厂、保持同步，办即电机转速维持恒定。 东南大学工程硕：l 学位论文 第二章稳速微型无刷直流电动机的特点及控制原理 2 4 本章小结 本章分析了稳速微型无刷直流电动机在p w m 变换器直接驱动时的运行特性 和结构特点，简要探讨了稳速控制的基本原理，介绍了稳速控制电路中的f g 测 速和p l l 控带0 。 东南大学l 程坝= 卜学位论文 第三章稳速微型无刷直流电动帆奉体| 笠汁 第三章稳速微型无刷直流电动机本体设计 3 1 稳速微型无刷直流电动机样机性能指标的确定 根据客户的具体需要，结合本公司现有的系列产品及制造设备，确定本文所 设计的电机性能指标为： 1 类型 种类 ：外转子无刷直流电动机 构成 ：3 相，l o 极，1 2 槽 转子位置检测：霍尔元件 速度检测 ：f g 测速 速度控制：p l l 控制 2 规格 额定电压：d c2 4 v 1 0 ，d c5 v 5 额定负载转矩 ：0 0 9 8 n 皿( 1 o k 薛c m ) 最大稳速转矩 ：o 1 1 8 n m ( 1 | 2 k 鲒c m ) 以上 额定转速 ：1 5 0 0 r m i n o 1 f g 分辨率：5 0 p r 额定电流 ：1 5 a 以下 工作制：连续 旋转方向 ：c c w ( 从输出轴一端看1 安装姿势 ：输出轴水平 3 特性 最大电流 ：3 5 a 以下( 起动时1 起动时问 ：3 0 0 m s 以下( 加额定负载) 转速变动率：o 2 以_ f 湍升 ：7 0 k 以下f 热电偶法) 噪音 ：4 0 d b 以下( 电机悬挂，空载，距转予面1 m 处测得) 寿命 ：4 2 0 0 小时以h 运行5 分钟，停i r2 分钟1 2 0 东南大学工程砸二卜学位论文 第三章稳速微型无刷直流l 乜动机奉体设计 4 保护机能 异常检测：电机在运转状态下，转速发生异常( 稳定转速的6 2 5 以外时) 持续3 秒，保护机能动作，电机停转。 3 2 结构设计 前面分析了稳速微型无刷直流电动机的结构特点，由分析知道这种电机般 采用外转子结构、控制线路和电机一体化、主磁极与f g 磁极在同一磁钢上。现 根据客户要求，对电机的一些部件和整体结构进行设计。 3 2 1 前盖结构 前盖的结构如图3 1 所示。 i 拶 固定定子用孔 潞 图3 1 前盖示意图 前盖是轴承套筒和法兰盘的复合体。用模具压铸成形，经抛光、清洗后装夹 在数控车床上加二【= ，轴承室，采用经一次装夹，两个轴承室一次加： 到位的方法。 这样，加工精度容易保证，而且节省工时。其上用来固定定子铁芯和控制线路板 时螺钉均采用白攻螺钉，螺钉孔均直接铸出，不需要攻丝。但是，螺钉孔的大小 和公差要设计得比较合理= = 4 行，压铸模做好后需要出样，作拧螺钉试验来确认孔 径，螺钉的旋紧力要在要求的范围内，曰j 孑l 不会丌裂。 3 2 2 磁钢 如前所述，转子磁钢大多采用泣塑磁锏或条形橡胶磁钢。图2 3 面山了这硼 东南大学： 程硕：l 学位沦文第三章稳速微型无刷直流l 乜动机本体设计 种磁钢的示意图。 条形橡胶磁钢比注塑磁钢更便宜。但是，条形橡胶磁钢中加入了较多的橡胶， 使得其在充磁后的剩磁磁密没有注塑磁钢的高，磁性能较差。并且，由于主磁极 与f o 磁极在空间上没有分开，所以f g 磁极受主磁极的影响较大，在与主磁极 相交的地方，f g 磁极发生畸变。在旋转测速时，印制线路与f g 磁极切割产生的 电势波形会有干扰信号，从而使电机的稳速效果受到影响，亦即电机的转速波动 增大。而注塑磁钢的f g 磁极与主磁极在空间上有一定的分隔，基本消除了这种 不良影响，电机稳速效果较好。由于价格上有优势，在满足磁性能要求和控制性 能的条件下，往往优先考虑使用条形橡胶磁钢。 3 2 3 转子壳与轴的联接 外转子的转子壳以往是通过一个铝或者铜的轴 套与轴联接在一起。在油压机上将轴套用工装固定 后压入到有滚花的轴一端，然后再压铆到转子壳上。 有了轴套这个中间联接部分，往往由于其同心度或 尺寸公差等不良，而导致铆接后转子壳与轴的同心 度和垂直度不良。 采用如图3 2 所示的方法，在转子壳的中心， 由模具直接拉伸出一个凹陷的孔，在专用工装上将 8 耻h 。f l e 图3 2 转子壳与轴的联接 轴由上向下压入，轴的滚花部分与机壳凹陷部分是过盈配合紧密咬合，足以提 供所需的强度。这样固定后的转子在精度上容易保证，而且由于省去了轴套，节 省了材料和加工二 时，制造成本更低。 3 2 4 定子绕组 为了适应大批量生产，使制造更加容易，方波无刷直流电动机的定子绕组大 都采用集中绕组，在绕线机上按一定的顺序编制程序，可以一次绕制完成。一般 地，绕线时是按一相一相的顺序进行的。以三相绕组为例，可以先绕v 相，绕充 v 相绕纰后，弭绕w 相，弭是u 相，具体绕制方法见图3 3 所示。 ， 东南大学： 程顺士学位论文第三章稳速微型无刷直流电动机奉体改计 u c v 图3 3 定子绕组绕线圈 ( 图中：c u ，c v ，c w 为公共连接线) 3 2 5 线路板 图2 1 所示是典型的稳速微型外 转子无刷直流电动机的外形。可以看 见，电机本体和控制线路是装在一起 的。就电机本体而言，体积很小，但 是控制线路板却占了相当大的面积。 为了进一步缩小体积，给用户节省更 多的空间，小功率无刷直流电动机的 线路板可以做成跟电机本体差不多一 样大小。把位置检测和转速检测线路 图3 4 分割线路板结构 做在一起，信号处理和驱动控制线路做在起，就是悦把一块大的板子分割成_ 曲 块小的，上卜叠放地固定在前盖上，如图3 4 所示。 3 2 6 霍尔元件 目前使用的霍尔元件有两种，种是有引脚的，一种是微型贴片状的。有引 脚型的霍尔元什需要先将其引脚剪切至适当长度，雨在整形机上将各引脚按安装 东南大学工程顺士学位论义 第三章稳速微型无刷直流| _ i 王动机本体设计 位置要求的顺序排列整理好，才+ 能插装到线路板上，而微型贴片状的霍尔元件可 以直接由贴片机贴装在线路板上。两种形状的霍尔元件的安装结构见图3 5 所示。 幽3 5 两种霍尔的安装状态 插装在线路板上的引脚型霍尔元件在电机组装过程中很容易被弄倒伏或歪曲 而导致不能准确检测转子的位置，电机往往会出现有死点等不良现象。因此，宜 采用高灵敏的微型贴片状的霍尔元件贴装的方式。 3 3 电磁参数计算程序 3 3 1 电磁参数专题计算程序 本文的所有计算公式均是属于： 。程计算，是一些经验公式，计算出来的结果 基本上能满足精度要求，但不一定是完善的、准确无误的。下面就几个性能参数 的计算给出工程计算方程式。 l 考虑绕组电感耐电机转速的计算公式 在前面章中，给出了无刷直流电机的转速表达式 坠二墅生上7 k f k lk | ? 。 山于空载电流，。是电机空载时