永磁无刷电机

1、题目永磁无刷直流电机综合报告作者：潘高超学号：15120017班级：研15电气完成日期：2016年5月2日随着计算机技术和现代控制理论的发展，由数字控制装置组成的随动系统应 运而生。与传统的模拟系统相比，数字随动系统具有设计简单，体积小，修改方 便，精度高，可靠性高等优点。作为典型的数字随动控制系统的执行器，无刷直 流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列特点，又具有 直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，故在许多高科 技领域得到了非常广泛的应用，如机器人、数控机床、雷达、潜艇和各种军用武 器随动系统。本文介绍了永磁无刷直流电机的国内外研究现状，并深入研究

2、了基本结构、 工作原理、数学模型和控制性能。通过这些介绍，更加深入的了解永磁无刷直流 电机的优缺点。关键词：无刷直流电机，基本结构，工作原理，数学模型第一章绪论1.1引言在控制系统中，若给定的输入信号是预先未知且随时间变化的，并且系统的 输出量随输入量的变化而变化，这种系统就称为随动系统。快速跟踪和准确定位 是随动系统的两个重要技术指标。运动控制通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案转变成期望的机械运 动。运动控制系统使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制等。运动控制技术及其专用集成电路在雷达天线、惯性导航系统、卫星姿态等技 术领域具有广阔的发展前景，是广大工程技术人员热衷研究

3、开发的新课题。随着计算机技术、现代控制理论的迅猛发展，由数字控制装置组成的随动系 统即数字随动系统应运而生。与传统的模拟系统相比，数字随动系统控制是从计 算机接收控制命令，它具有设计简单，体积小，修改方便，精度高，可靠性高等 优点。1.2无刷直流电机控制的国内外现状无刷直流电机既具有传统直流电机的优点，如较好的机械特性和调节特性， 起动转矩大、过载能力强、调节方便、动态特性好等，又具有交流电动机结构简 单、运行可靠、维护方便等一系列优点，故在许多高科技领域得到了非常广泛的 应用，如激光加工，机器人，数控机床，大规模集成电路制造设备、雷达、潜艇 和各种军用武器随动系统，以及柔性制造系统等。同时人

4、们对其控制性能要求也 不断提高。(1) 无位置传感器控制对转子位置的检测和换相技术的研究是无刷直流电动机伺服控制的一个方 面，传统的方法是采用位置传感器，为了减轻系统的负担，国外的一些学者提出 无位置传感器法。特别是在1980年，H.Lehuy等人提出厂利用转子旋转时定子绕 组中的感应电动势进行位置检测，这就是所谓的“反电动势法”。1990年，S.Ogasawara提出了续流二极管法，它通过检测反向并联在驱动三极管上的二极 管的导通状态来得出转子的位置。在国内也开展了相关的研究，利用三相反电动势中的三次谐波分量来检测位 置，这种方法是基于三次谐波信号同转子磁通和负载情况保持有恒定的相位关系 的

5、原理而产生的，它对逆变器开关造成的噪声不敏感，因而可精确确定转子的位 置。也有采用端电压检测法，结合80C51单片机对无刷直流电机进行控制，实验 结果表明，低速和高速时检测位置准确，系统运行良好。但是由于定子反电动势 和电机的转速成正比，所以在电机静止时反电动势为零， 没有换相信号，电机不 能自起动。为了实现启动必须外加起动信号，使电动机转子向确定的方向加速， 绕组中产生反电动势，然后再用模拟开关切换到反电动势检测换相的方式。外同步驱动方式起动是以变频方式同步拖动电机转子旋转，需要专门的脉冲分配电路提供各相导通的控制信号，因此起动电路比较复杂。(2) 变结构控制为了提高无刷电动机控制系统的性能

6、，人们也在使用某些新型的控制策略。 变结构控制由于具有响应速度快、对控制对象参数变化及外部扰动不灵敏、物理 实现简单等优点，成为研究关注的焦点。变结构开关模式既可以由系统的传递函 数导出，也可根据系统的最大速度、最大加速度等系统参数设计，都会使系统的 位置控制达到较好的控制效果。(3) 模糊控制和神经网络控制在伺服控制系统中，如何在较宽调速范围内提高电流调节特性以及减小力矩 波动一直是伺服系统研究的焦点，模糊控制是近年来研究的热点，它不依赖于被 控对象的精确的数学模型，对系统的动态响应有较好的鲁棒性。PID控制方法可以很好的消除系统的稳态误差，所以人们将两者结合用于无刷直流电机的伺服控 制系统

7、，使系统同时兼有两种方法的优点。另一个研究热点是神经网络与 PID相结合的控制策略，禾U用神经网络的自学 习自适应功能在线调整 PID控制参数。实践证明这种控制算法可以达到很好的 动、静态性能，完全可以用于高精度的定位系统。随着各种控制算法的出现，对无刷电机控制器的要求也越来越高，微处理器 是比较常用的一种控制形式。随着数字处理器件 (DSP的发展，其运算的快速性越 来越受到人们的关注，并且成为无刷直流电机控制应用中最热门的处理芯片，许多优良的控制算法，都可以在其上实现。第二章永磁无刷直流电机结构原理2.1无刷直流电机基本结构无刷直流电机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电

8、动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但是没有笼型绕组和其他启动装 置。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等)，转子由永久磁钢按一定 极对数(2p=2,4,.)组成。图中的电动机本体为三相两极，三相定子绕组分别与电 子开关线路中对应的功率开关器件联结，A相、B相、C相绕组分别与功率开关管V，V2，V3连接，位置传感器VR、VP2、VF3的跟踪转子与电机转轴相联结， 用来检测电动机转子的位置，其输出端与电子开关线路中对应的功率开关器件连 接。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场互 相作用而产生转矩，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，去控

9、制电子开关线路，从而使定子各绕组按一定次序导通， 定子相电流随转 子位置的变化而按一定的次序换相。由于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。11% ri无刷直流电动机结构原理图因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路，永磁同步电动机以及位置传感器三者组成的电动机系统。电机开关线路是用来控制电机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心， 其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电机定子上各绕组，以便使电机产生持续不断的转矩。而各相绕组

10、导通的顺序和时间主要取决于来自位 置传感器的信号。2.2无刷直流电机工作原理一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。 由于电刷的换向作用，使得 这两个磁场方向在直流电动机的运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。无刷直流电动机为了实现无电刷换向， 首先要求把 一般直流电动机的电枢绕组放在定子上， 把永久磁钢放在转子上，这与传统直流 永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行，因为用一般直流电源给定子 上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场 相互垂直，以产生单一方

11、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动机本体以外， 还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑 开关共同构成换向装置，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁 场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场， 在空间始终保持在90。左右的电角度。下面我们以三相星形绕组半控通电方式来说明无刷电机的基本工作原理，如图所示。当电动机的转子处于图（a）的位置时，让V导通，电流流入A-A，由左 手定则可知，在电磁力的作用下没，转子沿顺时针方向旋转。当转子磁极转到图（b） 时，关断Vi，导通V2，使电流从绕组 A-A断开而流入绕组 B-B,在转子磁钢 同B相绕组所产生的电磁力Fb

12、的作用下，转子继续沿顺时针方向旋转。当转子 磁极转到（c）时，关断V，导通V，使电流从绕组B-B断开而流入绕组C-C， 在转子磁钢同C相绕组所产生的电磁力Fc的作用下，转子继续沿顺时针方向旋 转，回到图（a）的位置。这样重复上述操作，实现电机的旋转。定子磁场旋转示意图2.3无刷直流电机数学模型无刷直流电机转子采用瓦形磁钢，进行特殊的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，定子采用整距集中绕组，由逆变器供给方波电流。BLDC气隙磁场感应的反电动势和相电流之间的关系，如下图所示，其中ea，ia分别为A相的反电动 势和相电流，B为磁通密度。由于BLDC的感应电动势为梯形波，包含有较多的 高次谐波，并且BL

13、DC的电感为非线性。本文以两相导通星形三相六状态为例，分析BLDC的数学模型及电磁转矩等特性。为了便于分析，假定：(a) 三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称；(b) 忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响；(c) 电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；(d) 磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。则根据BLDC特性，可建立其电压、转矩、状态方程以及等效的BLDC电路;(1) 电压方程BLDC三相定子电压的平衡方程可以用以下的状态方程表示Ua1nRa100 ia1 1gLaLabLacia1 1 1Ub =0Rb0 ibLbaLb1P iLbcP ib一 Uc_00Rc Jc_L

14、caLcbLc_icUa， Ub， Uc为三相定子电压；(2-1)ea , eb, ec为三相定子的反电动势；ia， ib， ic为三相定子相电流；La，Lb，Lc为三相定子自感;abacba ，be，ca ?Lab，Lac，Lba，Lbc，Lca，Lcb为三相定子绕组之间的互感；Ra，Rb，Rc为三相定子绕组的相电阻；P为微分算子。由电机的结构决定，在360电角度内，转子的磁阻不随转子位置的变化而变化，并假定三相绕组对称,则有：La = Lb = Lc = L ，Lab =La 一 Lba = Lbc = LcaLcb =M , Ra = Rb = Rc =R由于三相对称的电机中,ia+ i

15、b +ic= 0以及Mib + Mic= -Mia，则式(2-1)可改写为:UaR0_00 iaL-M0 ibR Jc _ 0L-M0 iaea0L-MPib eJc_ec(2-2)中点电压方程为：(2-3)(2) 转矩方程BLDC的电磁转矩方程可表示为：(吐吐eJc)I干：3)其中，为BLDC的角速度(rad/s)。由(2-4)式可看出，无刷直流电动机的电磁 转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比， 所 以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制无刷直流电动机的转矩。为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方 波电流的持续时间12

16、0。电角度，梯形波反电动势的平顶部分也为120电角度， 两者应严格同步。由于在任何时刻，定子只有两相导通，则：电磁功率可表示为：巳 eaia e)ib OJc EsI s(2-5)电磁转矩又可表示为：Te 二 Pe/二 2Esls/(2-6)BLDC的运动方程可表示为：dTe 二 TlB J( 2-7)dt其中，B为阻尼系数，J为电机的转动惯量，Tl为负载转矩。(3) 状态方程IIa 1a 1Ub0 R 0|ibeb 1一10 0 RlhceBLDC的状态方程:(2-8)由(2-2)式的电压方程，可得叮p ib11L -ML -ML -M等效电路由BLDC的电压方程，可以将其等效地表示为下图所

17、示的等效电路，BLDC的每相由定子绕组电阻R、电感(L-M)及一个反电动势e串联构成。LMLM无刷直流电机等效电路图传递函数无刷直流电机的运行特性和传统直流电机基本相同，其动态结构图可以采用直流电机通用的动态结构图，如下图所示无刷直流电机动态结构图由无刷直流电机动态结构图可求得其传递函数为n7U(s)1 TmS(2-9)式中:K1为电动势传递系数，KiCe为电动势系数；K2为转矩传递函数，K2R为电动机内阻，Ct为转矩系数;Tm为电机时间常数，TmRGD2375CeG，G为转子重量，D为转子直径。第三章永磁无刷直流电机驱动及换相3.1驱动方式无刷直流电机有多种结构，相数有三相、四相、五相不等。

18、每种电机可分为 半桥驱动和全桥驱动，全桥驱动时电机绕组又可分为星形和三角形连接以及不同 的电方式(即同时通电的相数)，不同的绕组接法和驱动方式的选择将会使电动机 产生不同的性能并且成本也不同，主要从以下三个方面来进行分析：(1) 绕组利用率。无刷直流电动机的绕组是断续通电的，适当的提高绕组通电利用率将可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度来看，三相比四相好，四相比五相好，全桥比半桥好。(2) 转矩的波动。无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机大，因 此希望尽量减小转矩波动。一般相数越多，转矩的波动越小，全桥驱动比半桥驱 动转矩的波动小。(3) 电路成本。相数越多，驱动

19、电路所使用的开关管越多，成本越高，全桥 驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂， 成本也咼。综合上述分析，三相电机星形连接全桥驱动方式综合性能最好，应用最多， 本系统即是选择的这种控制方式。3.2驱动原理及换相ABC全桥式驱动电路上图是三相无刷直流电动机星形连接全桥驱动时的电路原理图，采用两相导通三相六状态工作方式，在电机运行过程中，霍尔位置传感器不断检测电机当前 位置，控制器根据当前位置信息来判断下一个电子换向器的导通时序。如下图是本系统电机正常运行时，电机各相绕组的导通时序和霍尔传感器输出信号关系 图。图中H1, H2和H3分别表示霍尔位置传感器的信号，H1

20、的有效期为X轴到 u轴的正半周，H2的有效器为V轴到Y轴的正半周，H3的有效期为 W轴到z轴 的正半周，假设有效的霍尔信号的对应为“ 1”。电机在各个位置的电子换向器 的导通状态共6种，分别为 ANC, BNC, BNA, CNA, CNB和ANB，其中以ANB 为例表示电机A相到B相的正导通，其它以此类推。假设正转（逆时针）过程中， 在060期间，功率开关管导通状态为 ANB,此时VT1, VT6导通，在60120 期间，功率开关管导通状态为 ANC,此时VT1, VT2导通，其余时间类似，按照 下图所示顺序依次导通不同的开关管对。电子换相器的控制关键在于在检测到当 前位置的同时开通下一个位

21、置导通状态的电子开关 ，经分析各当前位置与下一位 置电子开关导通相的对应关系如表所示，结合图，还可以得到相应的三相电机星 形连接全桥驱动的各开关管通电规律如下表所示 （“ +”表示此相端点是电流流入，H1H2“一”表示此相端点是电流流出）。1 1 1 1 1 11iiiiLidHI11 ni iH2 L|1LX旋转方向180360540电子换向器工作原理霍尔元件发生时序图霍尔位置信号与换相关系反相正相当前位置（H3,H2,H1）下一位置导通相当前位置（H3,H2,H1）下一位置导通相001BNC001BNA011BNA011CNA010CNA010CNB110CNB110ANB100ANB100ANC101ANC101BNC三相星形连接全桥驱动的通电规律通电顺序正转（逆时针）反转（顺时针）转子位置（电角度）0606012012018018024024030030036036030030024024018018012012060600开关管1,61,23,23,45, 45,63,21 , 21, 65, 65, 43, 4A相+B相+C相+参