（电机与电器专业论文）zwn系列无刷直流电机设计的研究.pdf

a b s 、r a c t 1 h 1sl 1 q o s ibfo c t i s o snt 1 仆od e s i 1 。 i ) cm o t o 卜l 巾fc h fh lh c c o jh v c or n i ) l i l e s e a l c ho fz w ns e rje sb r u s h l e s s nr ( i j e t w it ham o t o rc o m p a n yo f c sisi n c l u d e st h ef o l l o w i n g i i t gp r l l l c 冲i00 f 岍l l s h l e s sd c i i l o f o ra n d t h ec h i p l 、i l i ( i m - 1 9 7 0 i ! i 【。id o ft h ec o m p a n y sbeu s h l e s s i n d le c 【h l l g ie j lh em o t o r sr o t o rm a g n e t i cs t e e i ：t 【、r 1h t lc st 1 1l m o t o rt l f l d e rt h et w od l f ： e r e n t h h l _ ( ) g iv e x 1h et i l el h o dt oc a l c u l a t en ol o a db a c k e 【n c l | o e l a g n e 【l 1lor q u ea n d1n d u c t a h o e ，a n dt h e n w i 【h 【h ew ! i l t l e ( ) iee lt oa p p r o v et h ea c c u r a c y0 f c a c u l ，in n lh e | 1 e i c o 9 9 1r i gt o f f q u ei | _ i lh eb r u s h l e s sd cm e t o t ，a n dt h e s k e w e dh i n ic n t l idle d u c et h ( 、【n tl j iu e l t e 【l ic ( 惜g in gt o r q u ec a l c u l arjn gt h e c o g g ir i g l ( il 月l l c0 ith 【、i l l o r ) 1w ilhd 【。( m i ds k e w e ds 1 0 i ：b ys e c t i o n in g m e t h o d 1 _ 】n i p i f1oc f “1 | l t l h t io n n i li 、r hlsc 1 1 0di f e l l e nli i e t i l mn ic _ m o d e lo fp , i 。d ca n dp r o g r a m e d as i i n t l ih 1 】o i pc rk l l l l l h ym i ia i j j 。_ 【9 1 i h g t i h lse m u l a t i o rp r o c e d u r e l t i c 【t i d e s1 ( id ir l ls l 【t b ( 1 _ ( j fw 0 1k in gb i 。d cu s et h ee n u l a t i o n p r o c ec l u 】。1ol 1 s 1 i i l i ir 【i ( u 7 t 、nl h em nl ( 、r c o m p a r et h er e s u l ta n dt h et e s t t o a p p r ( 1 v p ih eb i c c l 】1 1r i o vo 【 l h ep f o c e d t lr o 小n c p ar 1 i e le l a l l gl l a g ( a l n k iy s 】h c f tef e n nr d e - 、( 1 lh ( l is om 。1 u r e l | ca n a l v s i st oc a c u a t et h e e 1l 、n l i ! l h g l q ec ： s mw o yu t j l i z et h ef o r t r a n s e lje sb l d cm o t o r s lh e s ep a r e , m e t e t e u s em a g n e t e u n d e r h e c0 ( ， c p k【 i c 5u s el h ec a dp r o g r a m et oc a 】c u l a t et h es e r i s eb i d cm o t o f c o m p a r e t h ef e s ulw 1t ht h et e s l ，t oa p p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ep r o g r a m e z w xs o i i 】e sbeu s h ie s sr ) ci i i o l o ff 】n i t ee l e m e n ta n a y s is m r i g n e t lcne 】c lar i b y s is 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文l 叫寺别加以标注和致谢的地力外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研i 究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贞献均已在淦文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：凼苤丝日期： 本论文使用授权说明 本人完全_ j ，解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布沦文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：趟氩量导师签名诬封日期 第一章绪论 1 1 课题背景和意义1 1 1 料技纯不蛳进步，人类已经进入了以电气传动为主体的电气化时代。电气 传功的动力米2 】t ij j 要是交流电动机和直流电动机。其中，直流电动机又可细分 为打刷l + i 流b 动机和i 无刷直流电动机。无刷直流电动机以其噪声低、维护方便、 寿命长以及- 两效输“等突出优点而更机l 受到人们的青睐。f l y l t 业在不断进步， 电力电了、控：川支术、新磁性捌判等相关学科的发展，更促进了无刷直流电动 机的进步。随精怖，l 水磁材判磁性能的提高，稀二| = _ 永磁无刷真流电动机的结构 必将更加精巧性能会更加优越，应用也会更加的广泛。与传统有刷直流电动 机相比，稀二 一永撒光删商流电动机用 ：u 予换向取代了原来直流电动机的机械换 凤并将原来的有刷直流f b 动机的定转子颠倒( 转子采用永久磁钢) ，从而将机 械换向器和电刷省去【”1 ，用永磁体取代原绕线式的励磁绕组，因此去除了励磁 线睡i 、粥环以及l 乜刷，使i ：b 机结构得到简化。 在训今返4 、提倡节能环保的时代，无刷直流电动机的发展更是与节能环保 事、峨目、目斗h 关。譬如网内空渊产业需要高效、环保的压缩机，而采用无刷直流 电动机直流变频j b 缩机是固际市场的必然趋势；目前，办公室自动化设备市场 持续成长，f 时办公帑自动化没备都至少需要个具备超低电磁波干扰、消耗最 少电鼠l 一可靠度高的精密微电机，尤其是以无刷直流电动机为主：国内电动自 行车产、眦住迅速发展，各方专家都剥电动自行车的市场l j “景相当看好。但目前 出于电池及l 乜机的效率问题，f n 动自行车国内市场尚未大规模普及，所以研制 高效的无恻直流电动机为加速国内电动自行车的普及化意义重大；在高科技产 业的领域内，尢删强流电动机的市场潜能更是不可估量。从以上可以看出，无 刷直流1 乜动机的需求仍将持续增长。现如今世界各国都竞相投入，加大了对无 刷直流电动机的研发力度，使无刷直流电动机得到了空胁发展。 鉴1 一无柑直流r u 机在固内的发展情况和市场需求不断增加的现状，本论文 将主要围绕小功，私无刷直流电机展丌研究，并结合与浙江某电机有限公司的合 日几j i 坝一，吐陡 作项f ， 发套迁台该f t , t t i 公司z w n 无刷直流系列电机的电机c a d 设计程 序。该电机有艰公司的z w n 系列无刷直流电机具有以下几个特点： 1 ) 小功牢：z w n 系列电机的额定功率小于2 0 0 w ： 2 ) 低乜爪：z w n 系列电机的额定电压小于4 8 v ： 3 ) 结构类似：陔系列电机按电机外径分司以分为3 5 m m 、5 0 m m 、7 0 m m 和 9 0 m m 叫个等级；电机均为4 极6 楷结构，圈11 和图12 分别给出了该 系列1 电机的定子二冲片图和定予绕组接线力式图。 l 菩| 1iz w n 系列【b 机定f 卅r 片睦i剖12z w n 系列l 巳机绕绸连接幽 4 ) z w n 系! i _ | f 电机的转子永磁体可分为烧结永磁体和粘结永磁体两种形 工i = 。图13 是采用4 块经过线切割的烧结永磁体贴在转子表面的转子磁 钢结构，其磁场分布近似为矩形分布( 以下简称矩形充磁式) ，图14 是 聚用整个环形磁j q ：贴在转子表面上的结构，磁环预先充好4 个磁极，出 于受j i i ；菇j _ 艺限制其磁场分布近似j r 弦分布( 以下简称正弦充磁式) 。 这两利形式等有优缺点，磁钢矩形充磁式电机的性能较好，但是在高速 运行删容易r 。! 二磁钢脱落现象：磁俐f i i 充磁式电机虽然性能相列差 些，但是i i i 十转子磁钢是整个一个磁环，因此与转子结合紧密，较适合 用m 高速 董 丁的f 乜机上。 吲i4l l 弦充磁式叱机转子 1 2 无刷直流电机的发展概述1 7 q 9 1 2 1 无刷直流电机的特点 永磁体 轴 转子轭 无删l a 流电动机既具有交流电动机运行可靠、结构简单、维护方便等优点 又具有卣流l 乜动机i i j 运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，更 在j 火述肚、u j 拧性、体积小、重量轻、节能、耐受环境和经济性等方面具有其 它r l l f , j i 小具备的优势，所以在当今国民经济的各个领域，如医疗机械、仪器 仪表、化： 、轻纺以及家用电器等方而的应用同益普及。以下将无刷直流电动 j ：t l y - r 其匕小型电机附比能做简单比较，如表1 1 所示： 表i 】死刷直流电动机雨【其它电机的陛能比较 耱警 单相交流异步l u 机有刷直流l 乜机无目4 直流电机 机槭特什 软徊 硬 i 1 括：b 较难较易较易 过技能j 小人人 维护4 l 易 州易 体牡：人较小小 使川厅靠 k短k 散牢 低 中 1 2 2 无刷直流电机的发展 直流i t 动机具有运行效率高和悯速性能好等诸多优点，因此广泛应用于工 农业生产的各个领域。g - t 传统的盥流电动机均采用电刷，以机械的方式进行换 句，因而存在机械摩擦、曝声、火花、无线电二f 扰以及寿命短等致命弱点，使 直流l 电动机的使用场合受剑了限制。另外，换向火花能引起对无线电通讯及控 制设备的f h m 二r 扰，电机的转速也受到机械换向的干扰限制而不能很高。这些 缺点在很i 圭的段州川i i 内都没确得到根本的改善。 生产。力的小目i 发展要求人们在，i - 产生活：i 一一不断去丌发各种先进的新型的电 动机。科学技术的不断j h 进，新型材t l 的不断涌现，都促进了电动机产品的推 陈出新。为弥补传统直流乜动机的种种不足，早在1 9 1 7 年，b o l i g e r 就提出了 用电予整流器代钎确j i l i j - 1 流电机t ! i g 目【械电刷的想法，2 0 世纪3 0 年代，就有人 丌始研制以l 乜于换向来代件i ：h 刷机械换向的无刷直流电动机，并取得了一定成 果i2 ”。但i i i 于“1 1 1 、1 人功率i b 力1 电子器件仅处于发展的初级阶段，没有十分理想 的电j 二换向的元器件，使得这利”b 子换向的r n 动机只能停留在实验室研究阶段， 丽无法摊r 使用。芷l ：到19 5 5 年，美固d 自利森等人首次申请了应用晶体管换 向代替lb 动机机械换器换向的专利，这就是现代无刷直流电动机的雏形。但 山y - 浚电动机尚无起动转矩而不能产- 捕化，而后又经过人们多年的努力，借助 予霍尔元f l 。来实现投向的尤刷直流电动机终于在1 9 6 2 年问世，从而开创了无刷 直流电i ；j j 机产品化的新纪元。在后来自发展中，人们利用了位置传感器和电子 换向线路，又出现了磁l b 猫合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器的无刷直 流f i s - 8 l 。墟后人们发现电势波1 1 ：t r l 转子磁场的位置存在一定的对应关系，因 此又出现了观洲电柑绕绍中不同电势波形来检测转子位置的无位置传感器电动 1 j i i ”i 。无刷直流【= b 动机真n ：步入实用阶段应是从1 9 7 8 年，。 始，当时原西德 m a n n e s m a n ni 机的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易博览会上，正式推出m a c 经典无刷直流f i # j i j l 及萸驱动器。2 0i 韭纪7 0 年代以来，随着电力电子技术 的巴速发展，许多新型的锸吲二能大功率电力l 乜子器件，如g t r 、m o s f e t 、i g b t 等( 1 9 相继出现，以及高性能永磁材料，如钐钴、钕铁硼等的问世，均为无刷直 i 衄人学f _ ! l 。学位论史 流电动机n 发展及r 泛应刚奠定了l 辚宴的基础。 1 2 3 无刷直流电机应用的发展 良好的性能使九川直流f 乜动机的应用| 箍广泛，并已在f l ：多应用场合取代 了传统的其他利- 类的1 乜动机。在十几年的时矧晕，无刷直流电动机在国际上已 经得到了较为充分| 0 发展在一些生产力较为发达的国家罩，无刷直流电动机 将在术来的几年中卣i ? i 掂主导的地位，并将有取代有刷直流电动机、感应电 动机、步进电j 力机等i b 机的趋势。 传统的肖流电机去除其电刷和换旬器，以1 ：n 子换向装置替而代之，使无刷 直流i n 动机在具备有刷茂流电机一h = _ f i l - 的衙提下_ f = j 靠性大大提高。随着无刷直流 电动机的性价比的卟断提高，原来使用有刷直流电动机的场合，已经逐渐被无 刷直流电动机所特代。随着人们列家用电器性能要求的不断提高，家用电器中 效率相刑较低的小j n 率感应电动机! 必将被高性能的无刷直流电动机替代。另外， 感应电机在酬述范川一电动，- j 矩、过载能力以及驱动控制器价格等方面较无刷 商流电动机的_ i 足，电将使无刷直流电动机控制系统取代感应电机控制在变频 控制技术方而的l 导地位：右- 步进电机方而，科学技术的发展，应用要求的不 断提高，都要求俐j j | 壶系统速度更快、定位更精确、分辨率更高。步进电动机由 于其自身结构的特1 i 光法实现这些性能要求。所以，目前高速、高精度、高 分辨率、高可靠性j j 伺服系统都以闭环控制的无刷直流电动机系统为首选方案。 1 3 无刷直流电机的发展趋势 永磁无刷商流i b 功机是集水磁木习料技术、微电子技术以及电力电子技术、 电动机技术等于体的种新型电机，同时电是一利r 典型的机电体化产品( 主 要出电动机本体、1 t 钾传感器及电了7 r 关线路组成) 2 4j ，因此随蓿各种相关技 术的i - i 新月异水i _ i _ 无删直流电机必将不断的改进创新。 i ) 新型利制刊电机技术的促进 永磁电机的性能、设计制造特i 和应用范围都与永碱材料的性能密切相关， 所以新型永磁利牡i 的发展对永磁电机的发展起着很大的推进作用。研制和采用 磁性能更好，温度特性更佳，防腐防锈特性更强的稀土材料无疑是提高永磁无 刷直流电动机性能怕关键。另外，导f b 材料、绝缘栩料、新型导磁材判、高速 运行时的轴承以及结构利利的塑料化等均别电机性能的提高有一定的影响。 2 ) b 力电一j 7 技术州水磁无刷肖流电动机的影响 f i j 电子投术l j2 0 眦纪5 0 年代后期诞生以来，发展速度很快，功率器件 的不断更新换代使得驱动电路技术不断成熟完善。近几年来，随着微电子技术 的快速发展，智能功率集成电路得到进步发展和普及，为逆变器实现智能化、 高煳化、小型化等创造了条件，这些都为永磁无刷直流电动机的驱动线路性能 的提高丌4 i f 了道鼢口4 i 。 3 ) 控制策略的发胜划无刷直流电动机的影响 伺删l b 机系缆变蜀。复杂多变并。i j 只有强耦合性，仅仅采用一般的控制方法， 很难达到理想的控制性能婴求。现代控制理沦的发展和应用促使了许多新型的 伺服1 ：n ：4 - j l 控制万法产，卜_ o 随着现代控制理 a 和微电子技术的迅速发展以及在电 机控制：m 0 成功应川，衙p l ：能倒服系统发展的主要方向是无刷直流电动机交流 伺服系统，i 捌此变结构控制、无传感器控制、模糊控制和p i d 相结合的 f u z z y - p i d 控制、神经网络和模糊控制相结合的复合控制、遗传算法和模糊控 制的复合控制都将使无刷直流电动机的系统性能更加优越p ”。 1 4 本文的主要工作 本文的主要工作是刚绕浙l = | _ _ 某电机公司z w n 系列无刷直流f n 机的设计展 丌研究的，存第 , t k 4 t 绍本课题的背景、来源、意义以及无刷直流电机特点和 其发展趋势的基础h 在后续章节分别安排如一f 内容： 第二章主要介缁无删随流乜机的基本组成环节及其工作原理。由于课题所 涉及的陔r n 机公，qz w n 系列电机的控制器是采用m c 3 3 0 3 5 芯片为核心的控制 器，羽此在本文第章也司吲介绍了m c 3 3 0 3 5j i ! ! _ = 片以及基于陔j i ! ：= 片的控制系统 的基术： 作原理。 第三章介缁了1 b 磁场有限元分析的基本原理。应用有限元数值计算的方法， 诤；k 革坝l 学位诡建 列本文所研究的z w n 系列岫+ 弦充磁式和矩形充磁式结构分别进行了空载 磁场、负载融场以及r l t ：l x 反应磁场的磁场h 算：在磁场计算的基础上，对计算 结果进行了后处理分析，给出了计贫电机的空载反电动势、电磁转矩、电感参 数的方法，并刺j b 机空载反电动势汁算值和实验值进行了对比分析，两者基本 。_ 致；同时利用有限元分析力法，利用分段法列定予剁槽式无刷直流电机的自 定位转矩进行了h 钾分w i 。 第川穗给山了_ 尢删直流f 乜机在不i 刊运行状态时的数学模型，并根掘该数学 模型利用m a t l a b 编制了无刷直流, ：l s l j i , l l e j 仿真程序。该仿真程序具有以下几个 特点： ( 1 ) 1 乜机的反f u 动势值可以根据实际电机反电动势波形任意输入，能够适 合各种无刷直流i u 机n 0 仿真。 ( 2 ) 仿真程序所依抓“日数学模型包括电机的正常导通、正常换相、限流导 通以及限流换相4 种币i 4 情况，i u 以对电机的起动过程中的限流情况进行仿真 分析。 利用本文所编 , l j l j 仿其朽! 序，剥本文所研究的一台电机进行了仿真研究， 并对电机电流进行了仍真结果和实测波形的刑比分析，两者基本一致。 第五章中，根据l & i b 帆公- q 合作课题的要求，本文作者在以上章节分析研 究的基硎 上利用f o r t r a n 语言，编制了适合陔电机公司z w n 系列无刷直流 电# 1 1 ：1 9 乜机c a d 设计蕾望序，陔程序具有能够分别计算z w n 系列电机中磁钢正 弦充磁式瓤】i j 臣7 e 充磁式电机趵特点。程序编制前期，采削磁场分析剥由于充磁 方式的1 i 同所导致7 n 程序，某些重要参数的差异进行了电磁场训算分析，同时 列f 影制这些参数h q 因素进行了分析“算并绘制成图表，方便了工厂技术人员 在实际“i 产歧汁i i , j 仳削陔c a d 程序。应用本文所丌发的c a d 设计程序对z w n 系列电机的两台| 【| _ l 型1 也利l 进行了计算。，对比程序的计算结果与电机实测结果， 证明本文所丌发i 勺c a d 程序钓h 算精度可以满足工厂要求，可以应用于实际生 产蹬训。 第六章作者列水文i ：l ：j , t 0 1 究工作进行了简要的回顾，并总结了本文的主要研 究：l 作和成果。 2 1 概述 第二章无刷直流电机的基本原理 无刷直流电机赴9 b 型的机电一体化产品，其基本构成包括电动机本体、控 制器和转予位赶传感器j ? 个部分。无刷直流电机的运行离不丌控制器的配合， 本文所研究的浙江某j 乜机公司z w n 系列无刷直流电机控制器控制芯片均采用 的m c 3 3 0 3 5j 出h 。本章在介绍无刷直流电机工作基本原理的同时，对基于 m c 3 3 0 3 5 的无刷盥流 日机控制器也做了相应的介绍。 2 2 无刷直流电动机的基本组成环节1 2 i 1 2 2 尢删直流电动机儿确l ，j 靠性高、维护力便、结构简单、性能好、散热容易、 转速4 i 易受机械坝川蜒：川以及峨声小等一系列优点，这和其自身结构有着密不 司分的芙系。无刷阿流f 乜动机的基水组成环= 筒主要包括逆变器( v f ) 、稀土永 磁i b 动机本体( b l d c m ) 以及与转子同轴联接的转子位置检测装置，如图2l 所示。无刷直流电动机定子多为三相星型绕组，转子多采用具有高剩余磁感应 强度硐i 火矫顽力f f j ；t i ! i 合命、钕铁训等稀上永磁材料作磁钢。三相定子绕组分 别与逆变器主i 乜路。小二棚引出端相连接，电机中引出的位簧传感器引出线连到 控制器中的三个位。l 鼙检测信弓接口。 v o e 剐21 稀十永舷无刷直流l 乜动机系统幽 2 3 无刷直流电机工作原理 无刷肖流1 ：b 瑚e l7 向基本：_ 作原理是：通过转子位置传感器反馈给控制芯片 三个位鼢信弓，控制出根圳这三个位簧信号给三相桥式逆变器相应的功率管 发出导通和关i ! j i f ；- j j ，存l h , jl 定子上产生跳跃式的定子磁势，浚定子磁势与转 予磁场相互作刖j 二。搏，从而拖动转子旋转。无刷直流电动= i ! l 按电流导通方 式可分为1 2 0 4 导通力式i ：l l18 0 。导通方式m i 。本文所研究的浙江某电机公司z w n 系列无刷i j ：流电机柠制力式均采j ：闩12 0 。导通方式( 二二导通力式) ，本节以一台 理想的无刷商流电机来简婴酏明以_ 一二导通方式： 作的无刷直流电机的基本工 作原理。陔水碱兀刷卣流电动机采, r l j 集中整距绕绸，转子采用表面磁钢，极数 为2 。不考虑_ _ b 机换棚过程，乜机只有两相导通，电流波形近似方波。如图22 给出了理想情况下反i b 坍波形和相电流波形，相应导通的功率管见波形内部。 u 八ll 1v k i 0 兰i 。v 4i 2 f石 、 l ? e b ，1 7 “6 j | l 立! l r e ( v s ： i 5t i 【2 ，l 幽22 稀r 1 _ ：| ( 儆无刷阿流l 乜动机i ：作原理示意剀 当甜，= 0 i j ，功率钨+ v t 6 、v t l 导通，电枢电流从电机的a 相流进，b 相 流出，电柑l i 1 j 定予磁势和转孑磁势如图23a ) 所示，甜，在o 3 的范围内， 转予以础的速度旋转，转予磁势与定子磁势的夹角出1 2 0 。变为6 0 。当c o t = 昙 j 时，乜机丌始换相，功率管v t 6 关断，v t 2 导通，电流从电机的a 相流进，c 相流出，电机i i ( , j 定子磁势沿逆i f q 钏方向跳跃了6 0 。，此时定转子磁势的夹角又变 为】2 0 。，如图23b ) 所示。以后状念同理可以得到，如图2 3c ) f ) 所示。整 个过程弘一个i 卧q 划，有六个换+ 1 1 导通状态，然后电机又从m t = 0 时丌 始重复的运行；佚念”“i 。 f 蚓2 _ 3无刷随流u 机定转f 磷势空间忙置 2 4 无刷直流电机的控制 尤刷甑流il 捌j gl 足集【b 机本体与控制系统为身的机电体化产品。在无 刷直流电动机发腱的最 | f r 段，- v ：q j 0 ：出片剥霍尔传感器位黄信号的泽码存在着 困难，l i s f ；l a j 具符过流、过热、欠压保护、正反转选择等辅助功能。早期的设 计者般选择川分散n 元件揽模拟l b 路系统来列电机进行控制，但如此一来 使得控制系统体袱垅人舛二l 歧h 、涮试都很复杂。随着科技的进步，电机在 不斩发展，相应控制器也化刁i 惭完善。本文所研究的浙江某电机有限公司z w n 系别无刷氲流, ：l 4 , jl t 制器均恐女于专用无刷直流电机控制j 啬片m c 3 3 0 3 5 的控 制器，以下水小| i 划璀_ _ = fj 占片m c 3 3 0 3 5 的无刷直流电机控制器进行具体的介 绍。 2 4 1m c 3 3 0 3 5 专用j 占片田 ，出片m c 3 3 0 3 5 址m o t o r o l a 公司排出的蒴二代的无刷直流电动机控制器 专用一告片。如果存m c 3 3 0 3 5 外接j 功率丌关管后，就可以方便地控制三相( 全 波或二p 波) 、两川和州棚几刷l 1 流l b 动机，也司以对有刷直流f b 动机进行控制。 m c 3 3 0 3 5 号用芯h 集i ￥、过流、过热、欠压、正反转选择等凿多功能于一身， 系统所阳外围b 踏也 h 简，p ，特别适合对控制器体积要求较高的场合“。 m c 3 3 0 3 5 控制芯门采4 取极性模拟： 艺制造，所以能够在一些恶劣的工业 环境条 1 ：下仍保证较好帆稳定性。芯片内部含有转子位置译码器可以保证其正 确的换流州序，井1 l 挺供了剥传感器泪度进行补偿的参考电平，同时其内部还 确一个煳牢词编删i 1 9 粥p , i i 驶- i l i 荡器、一个醭差信号放大器、一个脉冲调制比较 器、三个集i b 极 ：路坝端驱动输出和三个非常适用于驱动功率场效应管 ( m o s f b t ) 的人l u 流削腾柱式底部输h 1 器。此外，m c 3 3 0 3 5 还具有欠电压锁 定功能刊h 迁惟柏：1 选时h j 延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及l a 部热关 断等特性”i 。m c 3 3 0 3 5 业型。小b 机控制功能包括丌环速度、丁f 向或反向、以及 运行使能等 j ”1 。 m c 3 3 0 3 5 为2 4 管j j tj x , v , f , j 茸寸m 料! s l u i ，其管脚排列示意图如图24 所示， 其各管脚功能定义见表2 12 4 2 2 3 3 2 2 42 1 52 0 6 1 9 7 8 8 1 7 91 6 1 0 1 5 ”1 4 121 3 蚓2 4m c 3 3 0 3 5 管脚排列整l 表21m c 3 3 0 3 51 3 - 管脚定义 管脚编号 功能定义 l ，2 ，2 4 ：个集l u 极开路顶端驱动输山，川 驱动外部上端功率开关管 l l 向反向输入，川丁改变电机转向 4 ，5 ，6 二个传感器输入，川丁控制整流时序 7输出使能、高电平有效 此输山为振荡器定州【b 容提供充i b 源，并为误麓放人器捉供参考电 8 压，也可以向传感器提供电源 q 电流检测同向输入，通常此管脚连接到电流检删上端 1 0振荡器引脚 l i 蠼若信号放人器同向输入 12 误差信号放人器反向输入 13 误芹放人器输f j p w m 输入 1 4 故稚输山端 15l h 流检洲反向输入端 陔管胜j 丁为控制电路提供一个分离晌接地点，并可以作为参考返回 6 剑i u 螈地 17 , i - 电 | l ；! ，扫二1 0 v 3 0 v 的范刖内，控制器均可以止常一制。 腻部驱动输出的高端l 岜爪是由该管脚提供的，它7 向r 作范围从 18 1 0 v - 3 0 v 这_ 二个蚓腾式底部驱动输出被设计用 。 1 9 ，2 ( ) ，2 】 直接驱动外部底部功率开关管 l 七管脚f i j 电气状态_ ：】 巩定控制电路是i ：作在6 0 度( 高l 也平：状态) 还 2 2 是12 0 度( 低1 也平状态) 的传感器电气i ，目忙输入状态f 2 3 输f 吏能，该管脚为低删允许电机运行为高明电机停f e 运行 当输入状奄发生改变时，m c 3 3 0 3 5 无刷直流电机控制器的i f 向反向输出就 起作用，通过删转定子绕组上的f n 压来改变电机转向，此时指定的传感器输入 编码将发生高、低j 乜平mj | ! | 转按，从而改变了换流时序使电机旋转方向发生改 变。 ：占”m c 3 3 0 3 5 内部醴有高性能、全补偿的溟差放大器。若为闭环速度控 制，则垓放人器的直流电压增益为8 0 d b ，增茄带宽为06 m h z ，输入共模电压 范圈从地到。( 典型值为62 5 v ) ，5 - j 。得到良好的性能；若作为开环速度控制 使月_ ；| | i j ，可将述度改定电压从其同相输入端1 1 脚输入，则此时放大器成为电压 跟随器。 芯 m c 3 3 0 3 5 的输出使能端控制电机的通，断电。当此管艄! 开路时，连接 到矿电源的内簧上拉电阻将会启动项部和底部的驱动输出日j 序，同时保证其输 入与、w r 典型值为22 v 的t t lf l = i z 兼容；若此管脚接地，则顶端的驱动输出 将火闭，并使底部的驰动均强制为低，从而使电机停转。 m c 3 3 0 3 5 内部的振荡器震荡周期是用外接定时元件c ，和r ，来设定的。在 每个周 i j 中，m 越准r l l 。( 8 脚) 通过r ，向c ，充电，然后g 上的电荷通过 内部，! 体管束迅述放 n 从而形成锯齿波振荡信号。垓信号与误差放大器的输出 信号比较而后产生脉宽渊制( p w m ) 信写，用来控制三个下桥臂的驱动。如果 想改变电机的转速，只需要改变输出脉冲宽度以改变电机绕组的电压平均值， 从而就达到控制的引n 。 在限流方而，m c 3 3 0 3 5 外接逆变桥经过电阳疋接地列电流采样，与电流限 流的墼准喳进行比较。在振荡器锯齿波上升时问内，若采样电流过大，则比较 器翻转，强制将驱动输出关习 从而达到限制电流的目的；在振荡器锯齿波下降 时问内，1 | ! | ! 发器重新脊。位后使驱动输出丌通。为了避免由于换相尖峰脉冲引起 的电流检测误动作，在9 管剧输入前设置r c 低通滤波器来进行滤波。采样电 流，。与采样电殂r ，z l e l j 关系为： 吃= 基准电压i 。 ：苍片m c 3 3 0 3 5 的三个上桥臂驱动输出( 1 、2 、2 4 脚) 是集电极开路n p n 招体管，f 贩入电流能力为5 0 m a ，耐压为4 0 v ，可以用来驱动外接逆变器桥上 臂自n p n 功率管和p 沟道m o s f e t 功率管。三个下桥臂驱动输出( 1 9 、2 0 、 2 1 脚) 是推挽输忆电流能力为l o o m a ，可以直接驱动n p n 晶体管和n 沟道 功率m o s f e 7 r 。r 侧驱动输出的电源i ，广由18 脚印独引入，与供给电机的电源 分丌。h 。j m 0 s f e t 栅漏极电压不大于2 0 v ，所以在1 8 管脚处接了个1 8 v 的稳压二极管进行讣 位，使电压稳定在18 v 左右。如果出现基准电压或是芯片 f 乜压，不足刊，则欠电压保护乜路将发生作用而关猁驱动输出，从而保证j 占片 内部全部：r 作正t # 和向下侧驱动提供足够的驱动电压。如果出现故障信号，它 的集电极丌路n p n 晶体管吸入能力为1 6 m a ，司直接驱动l e d 作故障显示。 ：出片m c 3 3 0 3 5 可以很方便靠其所提供的6 0 。1 2 0 。选择来控制具有6 0 。、 1 2 0 。传感器i ：1 7 1 乜机。传感器的输入有八种可能的编码组合，其中有六种是有效 的转于何错1 而另外两利一编码绸合无效。通过六个有效输入编码可使译码器分辨 出电机转了的似科，表22 所示为其三相六步换相真值表： 表22 二相八步救相真值表 m c 3 3 0 35 输输m 应 2 1 1 二：| ：f r 位能i b 流榆测 一臂驱动 底部驱动 s as 8s cs as 【 s c 1 1b t c ta b b b c b f ) f )【( ) 0l000 01 l 】 i 】 0l ( ) l0 0 l11( )i 0 0l 1o0 00 ll l0l0l0 0 【) 】0101100( ) l ) ( )i j001l0】0 1 ( ) ( )1 ( 0( 101l00 0 【( )l ( )f 】101100l0 110n】0 0 】 101 0 o 【) 1 1 001 l 001 ( 0) 0i【)10】010 01 0 ( ) 0on1 0 0 xxx10 0 0 10 0 0 2 4 2 基于m c 3 3 0 3 5 的控制系统m h 2 4 基于m c 3 3 0 3 5 的无刷直流电机控制系统的结构原理图如图25 所示，系统 控制器结构分为时序控制、故障检测、故障保护、隔离以及驰动等部分。 转予位置检 测信号 故障 保护 控制 逆变桥 酬25 控制系统结构原理蚓 具体l ：作过秸如图26 所示三相位置检测信号( s 。、s 。、s 。) 从电机转子 位置检测器送入：出jm c 3 3 0 3 9 ，芯片m c 3 3 0 3 9 内部的译码电路将此信号结合 正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号经过运 蚓26 无刷直流l 乜动制l 拄制棘理 算后，产生三相控相j 逆变器上f 桥臀丌关器件导通、关断的6 路原始控制信 号。其中，三相f 桥丌关信号还要按无刷曾硫电机调速机理进行脉宽悯制处理。 处理后的三州桥p w m 控制信号( a 。，日。，c 8 ) 和三相上桥控制信号( a ， 占，c ) 经过驱动电路整形、放大后，施加到逆变器上、下桥臂的6 个开关 管上，使其产川 使电机m 常运行所需要的三相方波电流。另外，送x m c 3 3 0 3 9 的转子位镯检测信号还经f v 转换得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信 号。改信号通过简蹲的阻容同络滤波后形成转速反馈信号，利用m c 3 3 0 3 5 中 的瞑差放大器即ij 掏成一个简单的p 删节器，实现电机转速的闭环控制，以提 高电机的机械特性硬度。 本文所研究的浙江某电机有琨公司z w n 系列永磁无刷直流电动机的控制 器就是綦于芯片m c 3 3 0 3 5 的控制系统，其1 乜路原理图如图2 7 所示。 | i 受 i 急 1 习 ：蔓一 1 e i ” 一 一坠一 i l。i ： _ 。外r 巩 l 。 ；i 。卜叫 i 一 1i 翌 ：二i l i i 一 弱 h ! “；厂 i 。 。一i 门 丫fi 厂 呵 ” 。【= 1 麓出i 厂 川 1 1 圳圳劓” 谁 三每d h ” ； 厂 i ! 目 釜27 基丁m c 3 3 0 3 5 的控制器原理幽 该控制系统l u 路- 巾涉及到了较多的外围器件，器件的选择与确定对电路的 性能十分重要。如倒27 所示，r 1 ，c l 构成了个单稳态的电路，这两个元件 的选择要根据电机l - 自极数和电机的最高转速来确定。设电机的最高转速为 5 0 0 0 1 m i n ，也就址8 3 , s ，则此| ；_ 1 每秒输出的脉冲数为8 3 1 2 = 9 9 6 个( m c 3 3 0 3 9 的5 心拍俞l i 州承泔- 数为电动机每一转12 个脉卅，) ，即其频率约为1 0 0 0 h z ，周期约 为1 i l l s ，所以i j ) ( 疋时i 几件参数为r 1 = 1 m q ，c 1 = 7 5 0 p f ，单稳态电路产生脉冲 宽度为9 5 0 u s ：r 2 ，c 2 构成另外一个单稳态电路，这个单稳态电路是利用电容 c 2 的充放：日束j 、：- k g ；! 齿波的。确定锯齿波频率的原则是既要能抑制杂波的干 扰，又要不影【i h 功半管| ( _ 】效率，其一股频率为5 k h z 2 0 k h z 。此处电磁二f - t ) e 不 严重，频率过高会使功率管的热损耗较大且效率降低，所以这罩选择了r 2 = 1 0 k ， c 2 = 00 2 ，使其频率在6 k h z 附近；r 3 ，c 3 构成一个低通滤波电路，作用是把 方波i = l 一的直流成分】：| 3 ( 出来。电容c 3 的取值较为关键，为防止动各响应延时较小， 总的来其耿值应墩尽量小一些，但过小的话会影响耿出的直流波形平稳性下降： r 5 、r 6 、r l2 、r 13 、r 1 4 、r 15 这六个电阻主要是用来分压，给i r f 9 5 4 0 的栅 极与渊极之削加一导通所需要的负电压；r 2 1 主要是为了检测电流而设置的， 其作用很关键，b i ；l l 值要尽量的小，因为 _ 巳机满功率工作的时候流过的电流会 很大，所以发热1 1 4 j 情况不i t j 以刁j 考虑：r 8 、r 9 这两个电阻是用来分压的，电阻 值比r 2 1 大很多，以保证让电流壤大限度的流过r 2 1 ；c 5 用柬滤波，c 6 则是 用术执行。：占片的故蟑暂时锁定功能；r 1 0 、r 1 1 、r 1 6 、r 1 7 、r i8 均是缓冲电阻， 用来保护l j 历效应管：r 1 9 用束拉低使能控制端，r 2 0 是电位器电阻，用以提供 电机速度控制所需要的输入电压；r 2 2 为分压电阻，用来提高电位器悯速的灵 敏度：v d l 、v d 2 、v d 3 这三个一极管起保护作用，以限制这三个脚的最低电 压不会低于一07 v ，07 v 是二娥管导通时的廿三降；二极管v d 4 ，做单向导通用， 以限制电r 1 0 的消耗功率：发) g - 极管v d 6 作故障指示用。 一套良好的尤刷直流电动机的电子线路必须工作稳定可靠，功率损耗小、 使用寿命长并雕刊j 查成本不高。目酌，采用脉宽渊制的手段( p w m ) 实现电机 恒流_ i f i ! ；1 5 1j f = 】q 万法比较有效，效率也相剥比较高，从而提高了无刷直流电动机的 总体的运行效率。 i ! f l j i j 电路中引入m c 3 3 0 3 5 、m c 3 3 0 3 9 之后，可以对电路方 便地进行换朴i 控制和i 速度峒节，达到了提高电机性能的目的。 2 5 本章小结 水章躬t 介宝；： 兀刷直流电动机的基本工作原理；结合课题内容，对无刷自 流电机控制专_ | i ；j 芯片m c 3 3 0 3 5 做了简要的介绍，并给出了基于泼芯片控制器的 结构和控制原删。 3 i 概述 第三章无刷直流电机的磁场分析 基1 二磁场数f l i - i 算的电机分析是目前世界上受nj 一泛重视和深入研究的一 利。力法。从2 0l | | ：皇d7 0 年代中期开始，随着计算机性能的提高和各利新的计算 方法f f q d - ；n f i ! | 现，在1 ：u 机分析中出现了一个崭新的研究领域一一电机电磁场数 值计算分析方法。它的出现为特殊结构和特殊材制电机的设计、电磁参数的计 算、运行e | _ ：能的分析 w 了新的途径。乜机l a 电磁场的数值计算方法种类很多， 主要包括微分万羁! 法( 有限元法和有限差分法) 和积分方程法( 体积分方程法 f 1 j 出界秽5 分方程浊) 。其中有艰元法占有绝对主要的地位，应j - i j 范围最为广泛f 1 ， 剧此本文剥电机的磁场分析采用有限元法。 本文所研究的浙n ：菜1 乜机有限公司z w n 系列无刷宜流电机采用分数槽绕 绷( 4 极6 梢结构) ，司1 电机转子磁钢既确采用矩形充磁方式的又有采用正弦 充磁力式的，i 乜机的漏磁系数、极弧系数等参数用解析的方法都很难确定，而 借助于有限元分析软件司以很方便地解决这些问题。本章在介绍有限元分析的 基本知以的基础r ，采用了二一维有限元分析软件刑浙江某电机有限公司z w n 系列无刷直流电机进行了分析研究。 3 2 有限元法基本原理1 1 i 磁场的经业描述是麦克斯韦方程绸，l ：l 闩二位函数比场量更容易建立边界 条俐，川此电机的 n 磁场分析一股采用位函数表示。位函数包括磁矢位a 和磁 标位i 拍- 1 ：使刚磁矢位i - _ 以很方便地绘出磁力线分布并求出磁通，所以目前 二维电磁场计算火都采用磁矢位。 电机的1 乜磁场大致分两类：不考虑涡流效应的静磁场( 简称磁场) 和考虑 涡流效应的f b t 4 t 场( 常称涡流场) ，水文的对象为前者。电机中分析的最多的是 垂直于电机轴的平行平面场，这h _ 电流密度和磁矢位只有z 轴方向的分量。对 于稳态情况，平历域q 二的电磁场问题可以表示成如下边值问题 n 未f 。掣 + 晏f 。掣 ： o x o x io y 、。= jj r i ：a = a 1 r 、，掣：- ， 曲， ( 31 ) 式叶。 1 一儆刚牢，1 1 ，为磁导率； a 是磁久位，因为在二维场分析范围内只有z 轴分量，所以可以 写成标量形式； ，一一滁电流密度； h ，