（电机与电器专业论文）轮式机器人用无刷直流电动机的设计.pdf

轮式机器人用无刷直流电动机的设计 t h e d e s i g i lo fb l d c m f o rw h e e l e dr o b o t a b s t r a c t p 锄啪e m 姐驴c tb 删e s s 曲优tc u 盯c mm o t o “b u ) c m ) h 髂g o o dc h 谨i c t 甜s t i cs u c h 鹅s i i l a l li i l l e m a 、e 勰i l yc o m r o l l c d 、由删cf h n c t i o nw e l l ，m e r e f o 托i th 勰9 0 tc x t e n s i v eu i l lm a n y 五e l d 如c h 够r o s p a c e ，r o b 鸭蛐m e r i c a lc o m r o lm 觚m n et 0 0 1 t h cb l d c mh a v e a l r e a d ys u c c e s s 劬l ya p p l i e dt 01 1 i g h 盯s y s t c mr e q s to c c 鹊i a b r o a d ，粕di i lf e c e my e a r s ，i t a l s oa r o u s ee x t a 【l s i v ea t t e i l t i o nh o m e l 觚d t h es u b j e c ta i m c da tt h ew h c c l e dr o b o t ，h a s d e s i g n e dt l = 曙b l d c ma l l dc o 玎e s p o n d i n gc o n ls y s t e m ， f i r s t ，t h i ss u b j e c ta 加j y z eb l d c mc o m p o s i t i o ns t n l c t 眦，w i l l d i n ga n dc o m p a r e t h r e e - p h a b l d c ms t a rw o r k m gw i t ha i l g l ew o 凼n g ，a c c o r d i i l gt 0b l d c mt w ok i n d s p a t c 锄o p e m t i o l l m u l t i p 0 1 a rf m c t i s l o tc a r r i 鹤o mp a nd e s i 9 1 la ti a s tt l l i sp a nr e 缸w i 也 t h ec i 蚰b i n g ， b l 跏g hm 孤y 恤n e s 甜讪啊武i cc a l c l l l 砒i o n 髟i i n c di i l j 五a ld e s i g ns d l e m e s e c o n d l y f 研i i l l p r o v i i l gn 圮佗l i a b i l n y 锄dc o s t ，t h i ss u b j e c tu m 戤w e u 砌舣p r t 舶d m 戕w e u2 d ：丘i l i t ce l e l n e n tm e t l l o d 锄a l y s i s f tt o 卸m y z e 孤dv e r i 匆t h ed e s i g ns c h e m ei n o r d 盯t oc t l e c k u pw h e t h e rt 1 呛s i i i l l l l a t e dr e s u n 弘啪m e t e ro r 埘mb ei d e n t i c a lw i t l lt l l ed e s i g n s c h e m e f i n a l l y ，1 h i ss u b j e c td e s i g i l e dt h ep i cc o n t r o ls y s t e m 强ds i i i l 讪涮b l d c ms y s t 锄 c o n 加ls y s 蛐c p ua d o p tm ep i c l 6 f 8 7 7m o n o l i 恤cm a c h 硫，i ti sa b l et 0p r o v i d em e o p 劬啪劬c t i o n 面c e 硎o s y s c c ma d o p t 也ci g b ts p e c i a l 鲥de l e c 们d ed r i v ei 1 1 t e 铲a t c c i r c u i ti r 2 1 3 0t oc o n 打o lh o s tc i r c m s y s t 咖s i m l l l a t i o na d o p t 圯m a t l a b s i m u l i n k s o f h v a 地t oc h e c ku pd e s i 驴c dm o t o r 。f h n c t i o ni ns y s t c m c o n c l l l s i o l l ，t l l es u b j e c ti n c l u d ef i 、，ep a n ：a 瑚d y s i so fc o 衄e c t i o no f 谢n d i n gi n b l d c m ，d e s i g n i n g i n i t i a l d a ：c a h e m e ， m a x w e u c 锄) ，i n g o u tv e r i f i c a t i o n o n e l e 咖m a 印c t i s md e s i g i l ，d c s i g l l i n gp i cm o n o l i t l l i cm a c l l i c o n t r o l ss y s l e m ，a p p l y i i l g m a l l l a bc a r f i e so u ts y 咖ms i i l l l l l a t i o n t h m u 曲加ef i v c p a n ，t l l i ss u b j e c t h a v e a o 唧l i s h c d 也cw h l e dr o b o t 、i t hb l d c md c s i 印a n dc 伽n d ls y s t 锄d e s i 印 k e ，啊o r d s ：b l d c m ，w h e e l e dm b o t ，w i n d m 铲c 蚰伽n ，e k c t m m a 驴e t i s md 器i 俨，n n i t e e i e m 蛐tm e t h o d ，s y s t e ms i m u i a t i o n i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：生烫醯日期：竺z ! ! ：兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：王丛：垫 日期： 箜2 ：竺竺 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 1 关于无刷直流电动机应用于轮式机器人研究的意义 进入2 0 世纪9 0 年代以来，由于具有一般功能的传统工业机器人的应用趋向饱和， 而许多高级生产和特种应用则需要具有各种智能的机器人参与，因而促使智能机器人获 得较为迅速的发展。无论从国际或国内的角度来看，复苏和继续发展机器人产业的一条 重要途径就是开发各种智能机器人，以求提高机器人的性能，扩大其功能和应用领域。 轮式移动式机器人与固定基座的机器人相比，具有更大更灵活的工作空间，是继操 作手p l a t o f ) 和步行机( w a i k i n g m a c l l i n c ) 之后机器人技术的一个新的研究目标。轮式 移动式机器人是操作手和步行机的组合体，兼有操作和行走的功能，特别适合远程操作， 可望在太空和地面的许多场合得到应用，成为未来航天技术的一个重要组成部分【”j 。 无刷直流电动机以其优良的驱动性能和控制性能应用于轮式机器人的行进驱动具有一 定的使用价值和科研价值。 1 1 2 课题研究的目的及电机在课题中的应用 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各 个领域，其主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。众所周知，传统的 直流电动机采用电刷的机械方法换向，存在相对的机械磨擦，再加上制造成本高以及维 修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用 三相异步电动机【4 】。 针对上述传统直流电动机的弊病，早在2 0 世纪3 0 年代就有人开始研制以电子换相 代替电刷机械换向的直流无刷电动机。由于直流无刷电动机即具备交流电动机的结构简 单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗 以及调速性能好等诸多特点。故在当今社会各个领域，应用日益广泛。如计算机硬盘驱 动器里的主轴电动机、录像机中的伺服电动机，几乎都运用直流无刷电动机【5 】 本课其中一个重点是对轮式机器人用无刷直流电动机及其控制系统进行研究设计。 轮式机器人用无刷直流电动机的设计 无刷直流电动机保持着有刷直流电动机的优良控制特性，在电磁结构上和有刷直流 电动机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放永久磁钢，无刷直流电动机的电枢 绕组象交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由驱动器接到直流电源上，定子采用位 置传感器实现电子换向代替有刷电机的电刷和换向器，各相逐次通电产生电流，和转子 磁极主磁场相互作用，产生转矩，随着转子的转动，转子位置信号依一定规律变化，从 而改变电枢绕组的通电状态，实现机电能量转换哪】。 无刷直流电动机由于革除了电的滑动机构，因而消除了故障的主要根源，由于转子 上没有绕组，因此就没有电的损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的。总 的来说除了轴承旋转产生摩擦损耗外，转子的损耗很小。 现代的无刷直流电动机，其构造实际上是l 台永磁式步进电动机( 一种永磁式同步 电动机) 。其转子是由永久磁铁组成，定子上存在着多相绕组，如图1 1 所示的是常用 的三相无刷电机的结构系统示意图。 袭鞫鬟 f 直流电源 图1 1 无刷直流电动机结构 f i g 1 1s 咖c t i 聆o f b u ) c m 除此之外，有人已经开发研制了高性能的五相直流无刷电动机嘲。 随着电子技术的进步，电子工业的发展，电子元器件的价格不断下降【9 】，考虑综合 指标之后，无刷直流电机的应用正处于上升趋势，下表【1 0 1 是与其他电机的综合特性比较。 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 表1 1 不同系统性能的比较 t a b 1 1c 伽p a r i s i o no fd i 向r e n ts y m mp e r f o 咖锄c 器 迄鞣嚣蒡謦謦噪声鬈警寿命体积效率成本系统、 特性能力性性 干扰性 ，q ” ” ”+ ” 交流异步电机软小 难较差较大小易长大低低 有刷直流电机硬大易较好大严重难短较小高较高 无刷直流电机 硬大易好小小易长小高较高 1 2 课题国内外研究动态及其发展 1 2 1 轮式机器人的发展方向 由于计算机、人工智能、新材料、微电子和光电等技术日臻成熟，使过去庞大的控 制系统和机械装置变得小巧、灵活随着，这些都为轮式机器人的发展提供了可靠的保证。 未来战场上，以无人智能系统代替部分人员完成作战任务成为不得已的选择。随着作战 装备的革命性进步，“零伤亡”很可能成为一种现实。毋庸置疑，作战系统的无人化代表 了世界军事 装备的发展方向，世界各国也都在积极发展无人作战系统。要使无人作战系统具有实战 价值，就必须小型化。从美军在阿富汗和伊拉克战场我们可以看出，美军所使用的轮式 机器人都为小型军用机器人，其主要原因是小型军用机器人重量轻，机动灵活，结构简 单，可维护性好，此外最重要的原因是造价相对大型机器人低。西方国家，尤其是美国， 其生产技术已经达到一个比较成熟的阶段，并且其产品已经投入实战阶段。 我国在地面轮式机器人的发展较晚，我国研制的p ) ( j - 2 机器人也只是处于试验阶段， 后来由于种种技术原因处于停滞状态。由于国内一段时间内没有相关该产品，有些部门 只有采购国外产品，而这些产品均为七八十年代设计开发，功能落后，操作复杂，由于 是国外生产，一旦出现故障，得不到及时的维修甚至无法维修，造成极大的浪费。我国 幅员辽阔，人口众多，在地面军用轮式机器入方面存在大量的需求，由于国外一些国家 在这些军用产品方面实施严格的技术产品限制，同时国外产品价格相当昂贵，所以国内 只有部分少数地方采用军用机器人。因而，研究并生产轮式机器人将具有重要的意义。 轮式机器人用无刷直流电动机的设计 1 2 2 无刷直流电机的发展历史 有刷直流电机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用。但是，机械 电刷却是有刷直流电机的一个致命的弱点。为此，早在1 9 1 7 年，b o l i g e r 就提出了用整 流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。1 9 5 5 年，美 国d h a f r i s 等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标 志着现代无刷电机的诞生。经过多年努力，在2 0 世纪8 0 年代前后，又试制成功了借助 光敏二极管实现换流的直流无刷电机。在德国n 米斯格林提出采用电容移相换流的方法 基础之上。r 哈尼特司等人试制成功借助数字式环分配器和过零鉴别器组合来实现换流 的无附加位置传感器的直流无刷电机。以后人们发现电量波形和转子磁场的位置存在着 一定的对应关系，因此又出现了观测电枢绕组中不同电量波形监测转子位置的无位置传 感器的电动机】。 无刷直流电机真正进入实用阶段应从1 9 7 8 年开始。8 0 年代在国际上开展了深入的 研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波无刷直流电机，在2 0 多年的时间里，无刷直 流电机在国际上已得到较为充分的发展，在一些较为发达的国家里，无刷直流电机将在 未来的几年中成为主导电机，并逐步取代其它类型的电机2 1 。 无刷直流电机在近2 0 年里得到迅速推广应用的另一个原因，是由于电力电子技术 和集成控制技术高速发展的结果，性能优良、价格低廉的电子元器件为制造无刷直流电 机创造了基本条件【1 2 1 。 无刷直流电动机的最大特点，就是没有换相器和电刷组成的机械接触机械。加之它 通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗；发热的电枢绕组又通常装在外而的定子上，这 样，热阻较小容易散热。无刷直流电动机没有换相火花，没有无线电干扰，因此寿命长， 运行可靠，维护简便。此外，它的转速不受换相的限制。无刷直流电动机的运行特性与 有刷直流电动机极为相似，有着良好的伺服控制性能，因而已经被广泛地应用。 我国无刷电机的研制工作始于7 0 年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。 限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工 设备较国际水准差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平，有待进一 步研究和开发。 一i 一 沈阳工业大学硕士学位论文 为了满足各种要求，国际和国内也在不断地开发各种类型的无刷直流电动机。包括： 无槽电机、盘式无刷直流电动机、无刷直流力矩电动机【”】，无刷直流直线电动机，无刷 直流有限转角电动机，低惯量无刷直流电动机等等。 1 2 3 无刷直流电动机的发展状况及研究方向 近几十年，稀土永磁材料迅速发展，其本征矫顽力高、抗去磁能力强，且常规去磁 曲线在大范围线性可逆等特点为永磁无刷直流电动机的设计开辟了广阔的前景。同时现 代电力电子器件工艺日臻成熟，出现了电力晶体管( g 1 r ) 门极可关断晶闸管( c 汀0 ) ，功 率场效应晶体管( v d m o s ) ，特别是绝缘门极晶体管( i g b d ，m 0 s 可控晶闸管( m c d 的开发成功，使p mb d c m 的功率驱动电路的可靠性和稳定性得到保障，因此p m b d c m 成为国际国内研究的热门课题，数1 0 年经久不衰。 在国内，我国的p m b d c m 在小功率( 几十瓦到几百瓦) 范围内，已从科研转向生 产，如西安微电机研究所研制的4 5 z w l ，5 5 z w l ，7 0 z w l 系列产品，上海交大 研制的卫星上专用的p m b d c m ，上海微电机研究所的无刷直流力矩电动机等，但大功 率低转速的无刷直流电动机的研究方面发展不快，还未形成系列产品。 在国外，p mb d c m 的生产和应用取得很大进展，如日本仓毛电器公司研究出的 k r k 系列产品，西德西门子公司推出的a d 系列产品。在大功率无刷直流电机方面， 工业级的无刷直流电动机及驱动系统已达到7 3 5 9 18 7 5 w 的功率范围，特别是在美国， 一些公司的p mb c d m 产品已占据了不同的应用领域，例如f u n k ，u s a 的产品主要 应用于工厂自动化领域，p a p s t 的产品主要应用于仪器设备领域，k o l l n n o r g 的产 品主要应用于国防和航天领域【1 4 】。 在技术上研究方向主要分为电机本体和电子线路两方面。在本体方面：转子永磁磁钢 材料尺寸及磁钢的排列方式的选择应该合理，在满足各项性能指标的前提下，使电机的 成本尽量低，存在一个优化问题，另外永磁电机的漏磁场情况比较复杂对电机性能也有 一定影响，所以研究永磁电机的漏磁场分布一直是一个研究方向。 转矩波动是p m b d c m 存在的突出问题，特别是在低转速、高精度、调速范围广的 情况下，更要求尽量减少转矩波动，目前国际国内的研究人员正通过各种途径来解决这 个问题，因此减少转矩波动是又一主要研究方向。 轮式机器人用无刷直流电动机的设计 在电子线路方面，用观测电量的方法替代位置传感器的作用是一个必然趋势，如何 对电势或电流进行采样，通过控制线路进行适当处理，使电机按正常的逻辑运行，都是 目前课题的研究任务，向更高一步发展，可以利用计算机发展数字信号，控制电机的运 行，使电机的控制人工智能化，也是研究的主导方向。 1 2 4 国际上无刷直流电动机的最新研究动向 自上世纪末起，逐渐形成p m b d m 的研究热潮，各国研究人员纷纷推出自己最新科 研成果，其中美国的趾吼e dr u b 喇博士及其同事共同研制出一种新型的p m b d c m ，其 转子跟普通的p m b d c m 一样，而其定子却和普通的有刷直流机的转子极为相似，并能 以转子位置传感器及逻辑开关电路，使定子绕组依次换向。其优点为，大大减少了转矩 波动，可在较大范围内自然换向，充分提高了电机体积的利用率。美国的j y h u n g 博 士【”】等人，利用定子电流谐波的最优权重的设计方法，通过电流调节器等装置有效减少 了电磁转矩及齿槽引起的转矩波动【州硼；s u n gj u np a r k 【1 明等人也提出了一种减小转矩脉 动提高电机效率的方法。还有英国的y s c 髓，z o z h u 及d a v i dh o w e r 博士研制成功了 无齿槽的p m b d c m ，其主要作用也是减少转矩波动，提高电机效率【2 0 l 。 针对位置传感器的改善，美国的k e i t h a c o 坛i n e 博士等人研制出一种混合观测装置， 通过固定于定子上的霍尔元件获得信号监测转子位置，以此代替价格不菲的光学编码 器，降低了电机成本，且提高了监测精度。另外，台湾的h g c h e n 及c m l i 锄博士， 通过智能换向调节装置实现了无位置传感器的控制，其主要原理是，监测电机端电压， 通过开关信号发生器对换向位置作粗略估计。然后给出最佳转矩产生特性通过智能自调 系统对换向瞬间进行微调。实验结果表明样机不论稳态还是瞬态均运行良好1 2 l j 。 1 3 无刷直流电动机的改进与发展 首先，应该进一步改进的问题中首先是转矩脉动，大多数为小功率、小尺寸的电动 机。尺寸紧凑，改动更为困难。为了改进性能，利用计算机进行模拟、分析、计算、比 较。研究气隙磁场形状和磁极结构，选择合适的极对数和槽数以及合适的槽口尺寸1 2 2 1 。 为了改进性能，研究人员不断的开发各种无刷直流电动机。如盘式电机、无槽点机、无 刷直流直线电动机、低惯量无刷直流电动机等等田l 。 沈阳工业大学硕士学位论文 其次，目前在无刷直流电动机中常用的位置传感器有霍尔元件、光电管、电磁式位 置传感器和索尼磁性二极管( s m d ) 等。由于位置传感器的存在，不但增加了无刷直流电 动机总体的体积和重量。而且增加了容易发生故障的控制环节为了进一步提高现代无 刷直流电动机总体的性能价格比和运行可靠性，最近研究人员正致力于研究取消位置传 感器，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，参与无刷直流电动机的闭环控制运行瞄l 。 再次，一套良好的无刷直流电动机的电子线路必须满足工作稳定可靠，功耗小、寿 命长、成本低等要求。控制电路中引入单片机后，就可以很方便地进行换相控制和转速 调节，来实现成本最低，总体性能价格比最高【2 5 】 再次，要改进无刷直流电动机的设计和加工制造工艺。电机性能的改进离不开新材 料、新技术的应用。首先是永磁材料性能的提高。要进一步研制和采用磁性能更好，温 度特性更佳，防锈特性更强的稀土材料。在导电材料上，国外已经普遍采用了无氧铜线， 它的电阻率更小，硬度小下线方便，但目前国内应用尚小。此外，绝缘材料、高速运行 时的轴承以及部分结构材料的塑料化等都是很有意义的课题。在加工技术方面首先应该 提到的是充磁技术，应该保证气隙磁场形状，还有加工的一致性、精确度、高效等。 最后，研制新型无刷直流电动机。如智能无刷直流电动机固( s m a nb l d cm o t o r ) ， 它是将电动机、编码器( 传感器) 、功率放大器、电源、可编程控制器、网络管理器等 功能块组合在一起，形成一个整体。智能电机系统中，要求尽量数字化，这样许多硬件 工作都由软件完成。这样的组合能减少7 0 的电子元器件，彼此的连接也省掉了，所有 变换都在一个机体内实现，这样就可以大大减少故障，提高可靠性，降低成本，减少体 积。智能电机的研究，实际上就是将电机技术、电机的控制技术和电子技术相结合的研 究【2 6 1 。 本次课题研究将根据实际情况解决相关问题，力求达到性能指标的要求，对于出现 的相关问题将进行探索性分析，对于没有出现的问题将给予适当的研究和分析。 轮式机器人用无刷直流电动机的设计 2 无刷直流电动机的组成结构及绕组连接分析 2 1 无刷直流电动机的组成 一般无刷直流电动机的结构主要由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成， 如图2 1 所示。无刷直流电动机具有旋转的磁场和固定的电枢，电子开关线路可直接与 电枢绕组相连，位置传感器和电子开关线路则代替了有刷直流电动机的机械换向线路。 图2 1 无刷直流电动机构成框图 f i g 2 1c o m p o s n i d i a 黟弧o f b l d c m ( 1 ) 电动机本体 电机本体主要由主定子和主转子组成，主定子是电动机本体的静止部分，由定子铁 芯和导电的电枢绕组等部分组成【1 5 1 ，铁芯中嵌放对称的定子绕组，绕组一般制成多相( 三 相，四相、五相不等) ，绕组可接成星形或三角形，并分别与电子开关线路中各开关管 相连接。主转子是电动机本体的转动部分，由永久磁钢按一定极对数组成。 电动机的转子的永久磁钢与有刷电动机中所使用的永久磁钢作用相似，均是在电动 机气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于无刷直流电动机中永久磁钢安装在转子上， 而有刷直流电动机的磁钢装在定子上。定子三相绕组的作用是产生反应磁场与转子磁钢 所产生的永磁磁场相互作用，从而推动转子旋转。 目前，无刷直流电动机中多采用钐钴和钕铁硼等高矫顽力、高剩磁密度的稀土永磁 材料，其常见的转子结构有三种形式，如图2 2 所示。图2 2 a 结构是转子铁心外圆粘 贴瓦片形稀土永磁；图2 2 b 结构是在转子铁心中嵌入矩形稀土永磁体。图2 2 a 、b 结 构高速运行的转子外径套有一个0 3 o 8 砌的紧圈，以防止电机工作时离心力将永磁 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 体甩出，同时在盐雾等恶劣环境中也对永磁体起保护作用。图2 2 c 结构是在转子铁心 外套上一个整体粘结稀土磁环，适用于体积和功率较小的稀土永磁无刷直流电动机，该 种结构的转子的制造工艺性好定子结构与普通的同步电动机及异步电动机相同，铁心 中嵌放对称多相绕组，绕组可以是星形或三角形结构，并分别与逆变器中各开关管相连 接。 除了上述基本结构形式外，还有一种外转子式结构。即带有稀土永磁极的转子在外， 嵌有绕组的定子在里。电机运行时，外转予旋转。这种结构形式主要用于电动车的驱动。 a ) 瓦片形径向磁化永磁体b ) 矩形切向磁化永磁体 c ) 环形径向磁化永磁体 l 一紧圈；2 一稀土永磁体；3 一铁心；4 一转轴 图2 2 永磁转子结构型式 f i g 2 2s 仃u 咖t y p eo f 脚印e tr o 时 ( 2 ) 逆变器 逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。它的输出频率受控于转子位置信号。由 于采用这种自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步， 电机和逆变器不会产生振荡和失步，这是无刷直流电动机的重要优点之一。 逆变器主电路有桥式和非桥式两种，如图2 3 所示，其中图2 3 a 、b 为非桥式开关 电路，电枢绕组只允许单方向通电，属于半控型主电路；其它为桥式开关电路，电枢绕 组允许双方向通电，属于全控型主电路。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形六状态( 图2 3 c ) 和三相星形三状态( 图2 3 a ) 。 一9 一 轮式机器人用无刷直流电动机的设计 + a ) 兰相半桥主电路 + ”四相半桥主电路 c ) 星接三相全控桥式主电路d ) 角接三相全控桥式主电路 图2 3 逆变器主电路 f i g 2 3m a i nc i r c u i to f i n v e n 日 ( 3 ) 位置检测器 转子位置传感器是检测的位置，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，常见的位置传感器有磁敏式、磁电式、光电式、机电式、接近开关等。本文 所采用的霍尔元件属磁敏式位置传感器，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前，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。其中霍 尔元件的工作原理如下；任何带电质点在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时，都要 受到磁场的作用力，该力称为洛伦兹力。其大小与质点的电荷量、磁感应强度及质点运 动的速度成正比。在图2 4 所示的长方形半导体薄片上加上电场e 后，在没有外加磁场 时，电子沿外电场e 的反方向运动，如图2 4 a 所示。当加以与外电场垂直的的磁场b 时，运动着的电子受到洛伦兹力作用向左偏转了一个角度( 称为霍尔角) ，如图2 4 b 所示。因此，在半导体横向边缘上产生了电荷，由于该电荷积累产生了新的电场，称为 霍尔电场。该电场又影响了元件内部的电场方向，随着半导体横向方向边缘上的电荷积 累不断增加，霍尔电场力也不断增大，它逐渐抵消了洛伦兹力，使电子不再发生偏转， 从而使电流方向又回到平行于半导体侧面方向，达到新的稳定状态，如图2 4 c 所示。 这个霍尔电场的积分，就在元件两侧间显示出电压，称为霍尔电压，这就是所谓的霍尔 效应。 沈阳工业大学硕士学位论文 占占占 666 蛐占 ii e 各 、 6 小髫 砩孛 e 占i 渣占； 知蛄 ， a ) b ) c ) 图2 4 半导体中电子运动的状态图 f i g 2 4s t a t e 丘g l l r eo f e l e c t r m o t i o nj 1 1 辩m i c o n d u 咖r 研究表明，在半导体薄片上产生的霍尔电动势e 可用下式表示 e ：掣 ( 2 1 ) 其中： 矗日为霍尔系数( i n 3 c ) ； 如为控制电流( a ) ： 占为磁感应强度( t ) ； d 为霍尔元件厚度( m ) ； 由于激磁电流不能太大，输出信号很小，为了使用方便，已经采用集成技术，将霍 尔元件和附加电路封装成三端模块。其内部通过简单开环放大器来驱动输出级。霍尔集 成电路有线性型和开关型两种，一般而言，直流无刷电动机的位置传感器宜选用开关型。 ( 4 ) 控制器 控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速功能的指挥中心，它主要完成以 下功能： 对转子位置检测器输出的信号、p w m 调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综 合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停机控制。 产生p w m 调镱4 信号，使电机的电压随给定速度信号变化面变化，实现电机的 轮式机器人用无刷直流电动机的设计 开环调速。 对电动机进行速度闭环和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。 实现短路、过流、过压和欠压等故障保护功能。 控制器的主要形式有：分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统、基于专用集 成电路的控制系统、数模混合控制系统和全数字控制系统。 2 。2 三相星接无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装 置。其定子绕组一般制成多相，转子的永磁体与永磁有刷直流电动机中所使用的永久磁 钢的作用相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于直流无刷电动 机中永久磁钢装在转子上，而有刷直流电动机的磁钢装在定子上。三相定子绕组分别与 电子开关线路中相应的功率开关器件联结，其中电子开关线路的导通次序是与转子转角 同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。位置传感器用以跟踪电动机的转子，是整 个系统重要的组成部分，其作用主要是当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永磁 体所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置 变换成电信号，通过控制器去控制电子开关线路，从而控制电动机各相绕组按一定顺序 工作，在电机气隙中产生磁场。 下面以星形连接三相绕组六状态两相导通的永磁无刷直流电机为例，通过图2 5 、 图2 6 对其工作原理加以说明i 明： 当转子稀土永磁体位于如图2 6 a 所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号， 经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管v 卜v 4 导通，即绕组a 、b 通电， a 进b 出，电枢绕组在空间的合成磁势为，如图2 6 a 所示。此时定转子磁场相互作 用拖动转子顺时针方向转动，电流流通路径为：电源正极v 1 管一a 相绕组一b 相绕组 一v 4 管一电源负极。当转子转过6 0 0 电角度。到达图2 6 b 中位置时，位置传感器输出 信号，经逻辑变换后使开关管v 4 截止，v 6 导通，此时v l 仍导通。则绕组a 、c 通电， a 进c 出，电枢绕组在空间合成磁场如图2 6 b 中c 。此时定转子磁场相互作用使转子 继续沿顺时针方向转动。电流流通路经为：电源正极一v l 管一a 相绕组一c 相绕组一 沈阳工业大学硕士学位论文 v 6 管一电源负极，依此类推。当转子继续沿顺时针每转过6 0 0 电角度时，功率开关管的 导通逻辑为v 3 v 6 一v 3 v 2 一v 5 v 2 一v 5 v 4 一v l v 4 ，则转子磁场始终受到定子合成磁场的作 用并沿顺时针方向连续转动。 划啦，吲啦 v 5 i jd 5 a 皇 bjb j 工 e =：ci il ， - i i l 怂 纠地 v 4 jd 4。1 酬d y 1 j【bjl o i i t丁上1 匪垂囹仁= = 二l 匮画圃 图2 5 无刷直流电动机的系统图 f i g 2 5t h es y s t e mf i g u r eo f b l d c m a o a o 图2 6 无刷直流电动机原理示意图 f 培2 6c l p e r a n 彻t 量i e o f y6 9 u 糟o f b l d c m 扪 z o b 转子在空间每转过6 0 0 电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态 就发生一次跃变。可见，电机有六种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时 轮式机器人用无刷直流电动机的设计 间对应于转子旋转1 2 0 0 电角度。我们把无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星 形三相六状态，这是无刷直流电动机的最常用的一种工作方式，也是本文选用的工作方 式，具体应用见后文。 定子合成磁势每隔1 6 周期跳跃前进一步，在此过程中，转子磁极上的永磁磁势却 是随着转子连续旋转的，这两个磁势之间平均速度相等，但瞬时速度却有差别，二者之 间的相对位置是时刻发生变化的，因此，它们相互作用下所产生的转矩除了平均转矩外， 还有脉动分量。 2 3 三相无刷直流电动机的主电路及其工作方式分析 2 3 1 星接三相桥式主电路 图2 7 所示是一种星形连接三相桥式主电路。位置检测器的三个输出信号通过逻辑 电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：三三导通和二二导通方式。 图2 7 星形连接三相桥式主电路 f i g 2 7s t 缸c o 肌e c t i o nt l l 雠p h a b r i d g et y p em a i nc i r c u n ( 1 ) 三三导通方式 三三导通方式是在任一瞬间使三个开关管同时导通，也即逆变器1 8 0 。导通模式。以 0 6 0 0 为例，此时v t 6 ，v t l ，v 亿导通。则电流从a 相流入，分别从b 、c 两相流出， 故电流分布为阶梯波，同时设磁场为理想的方波，以利于分析( 后文同) 。 沈阳工业大学硕士学位论文 zycx b 0 i j l i 舵 l| 1 oz 疗2 z ， i 一 4 一，35 x 凸 。7 b 。 fi 瓢 n 图2 8 三三导通电流、磁场空间分布图 f - 9 2 8c u 册止m a 印甜c 石e i ds p a c ed i s 啊b m i f i g u 璋o f t l l l 一t i l r t u r n e d 啪 当磁场中心线正好与a 相绕组中心线重合时，此时产生的转矩最大，如图2 8 所示。 设每电弧度导体数为生，电枢电流为，m ，导体有效长度为三，设并联支路对数为1 。 由f = 舰可知此时电机产生的力为： = 善乒= 吃三若争印+ ( 吃每上詈暑捌2 = 2 吃”学( 2 2 ) 电机产生的电磁转矩为： 巧。：罢e 。：d 吃。三冬 ( 2 3 ) 但当转子转过的电角度在o o 到6 0 。电角之间时，磁场中心线不再与a 相绕组轴线重 合。由于逆变器是每6 0 0 改变一次导通次序，所以在6 0 。以内，电流分布不变。这时电机 产生的转矩会随着转子的转动而变化，当转过6 0 。时，产生的转矩最小。如图2 9 所示。 此时电机产生的力为： a = 粪，三哦上刍争2 p + 玩等三詈畚咖一巩每三鑫詈啦 ：聃乒譬：华 ( 2 4 ) 轮式机器人用郦0 直流电动机的设计 电机产生的电磁转矩为： 。= 铷圹詈，三孚= 孚 亿s ， 由上述推导可知，采用星接三三导通型逆变器与永磁方波电动机相配合时，产生的 转矩会发生波动，最大转矩是最小转矩的两倍。如图2 1 0 所示，此时电机产生的平均 转矩为耳。，。：三乃。一。 。 j l r 一 瓢 二j 一 般 。 0# 8： 哪蝴到7 l j 图2 9 转过6 0 。后电流、磁场空间分布图 f - g 2 9a f t e r6 0 0c i 硼咄m a 鲫e 血n e l ds p a c ed i s 蛐嘣伽f i g l i 佗 j t b “ 卜卜卜卜卜t _ o - 疗2 l j 3 ， l 序5 j ，j 2x 图2 1 0 力矩示意图 f i g 2 1 0t 0 r q l i ef i g u 他 ( 2 ) 二二导通方式 二二导通方式是在任一瞬间使二个开关管同时导通，也即逆变器1 2 0 0 导通模式。二 二导通型逆变器也是按照一定的次序依次触发各开关管。每隔6 0 。换向一次。只是每个 开关管的导通持续时间为1 2 0 。而不是1 8 0 0 。所以每个导通状态电机只有两相绕组导通。 这里同样以o 一6 0 。为例，此时v t l ，v t 6 导通，电流由v t l 从a 相流入，从b 相 再经过v t 6 流出。则电流和磁场分布图如图2 1 l 所示 沈阳工业大学硕士学位论文 zaycxb oo q o i l 1 i b 一一4 豳7l b - a 2 h 7 图2 1 1 二二导通电流、磁场空间分布图 f i g 2 1 lc 帆峨删唧c t i cf i e l ds p a d i s 砸b l n i f i g u 北o f t w o - t w on i m e d - 0 n 同样假设每电弧度导体数为兰，电枢相电流为。，导体有效长度为三，设并联 支路对数为1 ，则有： = 缸加聃办刍等咖啦上学 ( 2 6 ) 1 1二。掣 oo 电机的电磁转矩为： 互伽：罢毋。；碱：工学 ( 2 7 ) 电机运行时，磁场发生移动，电机仍为6 0 。换流方式，在6 0 。以内，电流分布保持不 变。当电机转过6 0 。电角度时，此时电流和磁场分布如图2 1 2 所示。 由此可知，在6 0 。电角度内，大小恒定的电流交链大小恒定的磁场，所以电机产生 的力大小恒定，电磁转矩也恒定。 轮式机器人用无刷直流电动机的设计 l i i| ；j 。* ，；2 “j 3 4 4 1 7 3 ，_ 疗2 7 k d l2 7 i ，3 7 图2 1 2 转过6 0 。后电流、磁场空间分布图 f i 辱2 1 2 a 缸r 6 0 。c u 嬲嵋蚴蜘鲥cn e l ds p a c e d i s 埘b u n o n f i g u 陀 当转子转过6 0 。电角度时，开关顺序发生改变，变为v t l ，v t 2 导通，仍采j h j 前述 分析方法，导通后产生的力仍为毋。：尉，2 2 工：吃j 。上掣，所以当不考虑开关元件换 流的过渡过程时，采用星接二二导通型逆变器可以使方波电机输出为恒转矩。 ( 3 ) 两种运行方式的比较 考虑星接不同运行方式下电机的出力相同，我们假定两种方式运行时电机转矩相等 则有：耳：。= 。，r 。工学= 耳，。= ；耳，。= 三。l ，工学，从而得到。：= ；，m 。星 接三三导通发热功率b 。：，。2 r + ( 每) ：r + 仁 ) z r = 寻，。2 r ；二二导通发热功率 耳趋= 。2 r + ：2 r = 2 牡2 r 。因此b 趋= 2 ( 三j 埘) 2 r = 詈，r 2 r = ；。”。 由此可见，采用逆变器二二导通方式，在产生同样转矩时，电机损耗小于逆变器三 三导通方式( 在电机侧母线电流相同时，二二导通方式产生的平均转矩大于三三导通产 生的平均转矩) 。而且采用二二导通型逆变器控制，电机理论上可以实现恒转矩。所以 星接二二导通型逆变器对方波电机的控制优于三三导通型逆变器控制。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 2 角接三相桥式主电路 图2 1 3 所示是角形连接三相桥式主电路。位置检测器的三个输出信号通过逻辑电 路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式也同样有两种：二二导通和三三导通方式 图2 1 3 角形连接三相桥式主电路 f 追2 1 3t d 锄g l ec 锄e c t i o n 1 嗽p h 够eb r i d g et y p em a i nc i r c u n ( 1 ) 二二导通方式 在绕组角形连接方式下，由于其与星形连接方式不同，其电流流通方式也不同，因 此作为位置传感器的霍尔元件的安放位置也有所不同。按照霍尔元件安放位置与星形连 接二二导通方式时安放位置的差异，角接二二导通方式又可分为霍尔元件位置超前3 0 0 电角度安放和霍尔元件位置不变两种方式。设每电弧度导体数为兰，导体有效长度为 z 7 矽 三，设并联之路数为1 。 1 ) 霍尔元件超前3 0 0 安放 以o 一6 0 。为例，此时v t 6 和v t l 导通，电流的线路为：电源正端一v t l 一a 相绕组、 c 相绕组和b 相绕组一v t 6 一地。电流分布为阶梯波。v t l 和v t 6 导通时刻电流、磁场空 间分布如图2 1 4 所示。设电枢非串联相电流为，a 柳，电机侧母线电流，。，= 妄，。，o 。 轮式机器人用无刷直流电动机的设计 电机产生的力为： 一；| ；矾：一= 吃孕三刍裂锄+ 蛾出茄詈咖帆等三 刍弘p 一巩字工刍裂咖= 吾吼上等咆k z z ”警眨s ， 电机产生的转矩为： 瓦捌。= 詈f a 一= 三碱厶聊工警= 三啤k 一工警 ( z 。) z a y c xb i o i o i q i l i i n。 比 b 。 序 2 。n。 1 “凸5 ，3 2 7 鼬 0 图2 1 4 二二导通霍尔元件超前3 0 。安放电流、磁场分布图 f i g 2 1 4b e f o 佗3 0 0c u 删，m