大连理工电机控制系统研究

1、 网络高等教育本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 题 目：电机控制系统研究学习中心： 龙游电大 层 次： 专科起点本科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2011年 秋 季 学 号： 201106987645 学 生： 鄢斌 指导教师： 王莹 完成日期： 2013 年 8 月 30 日内容摘要目前的世界，能源日益紧张，环境日趋恶化。节能减排，改善人类生存的环境，正成为越来越多人们的共识。低碳已经成为一个世界性的话题，而电能的消耗主要是工作使用，电机占了很大的比重。电能是所有能源种类中最易被人类使用的一种能源，也是很多其它能源所转换的一个对象，因此，对电能的节约，也就是相应的节约了其它类

2、型的一次性能源，比如煤、油、气等非再生能源。随着大功率开关器件集成电路及高性能的磁性材料的进步，采用电子换向原理工作的无刷直流电机取得了长足的发展。无刷直流电机既有直流电机的结构简单，运行可靠，维护方便的一系列优点。又具备交流电机运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，在当今国民经济的各个领域里的应用日益普及。通常我们靠霍尔元件来得到转子的位置，然而传感器有一些缺点，比如增加了成本占空间，附加了传感器电路对温度不稳定，除此之外，它不能用于在一些恶劣的环境中。由于无位置传感器技术能解决上述问题，因此吸引了各国科研工作者研究的兴趣。关键词：无刷直流电机；控制系统；异步电机目 录内容摘要1引

3、言31 电机控制系统介绍41.1 电机控制系统的基本组成选题的目的和意义41.2直流电动机控制的发展历史51.3永磁无刷直流电机的国内外研究概况71.4本课题主要研究内容82 电机调速系统92.1电机控制系统的基本组成92.2 电动机92.3 功率放大与变换装置92.4 控制器103 三相异步电动机原理113.1 概述113.2 三相异步电动机的基本组成113.3 三相异步电动机的工作原理113.4 三相异步电动机的特点113.5 三相异步电动机的主要应用113.6 三项异步电机的定期检修124 总 结14参考文献15引 言本论文以永磁无刷直流电动机的原理、结构为理论墓础，研究永磁无刷电机的系

4、统结构、控制规律，接着分别提出了基于dsp技术的有位置传感器和无位置传感器控制方案。根据方案进行了硬件电路设计，以dsp芯片tms320f240为核心的控制单元，研究了无刷直流电机调速系统，igbt模块以及驱动单元，相电压及电流检测单元，速度给定环节，轴角编码检测单元，主电源、驱动及控制电源回路，故障检测和保护环节，电机姿态显示单元分别进行了阐述。特别是直流无刷电机的原理、控制方案以及以igbt模块的具体应用。1 电机控制系统介绍1.1 电机控制系统的基本组成选题的目的和意义永磁无刷直流电机是一种电子电动机。随着电力电子技术的发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如gtr、mosfet、igb

5、t等相继出现以及高性能永磁材料，如稀土永磁材料的问世，为无刷直流电动机的广泛应用奠定的基础, 它由直流电源经过逆变器、位置检测装置向电动机供电，因而既保持了直流电机的优良特性，又改善了有刷直流电机效率低、耗电多、噪音大、维护困难、使用寿命短等运行状况。电机系统属环保节能型产品，是国家产业政策支持的高新技术项目，正处在产品成长期，具有广阔的市场前景。无刷永磁直流电机正在以其特有的优势不断蓬勃发展。直流无刷电动机有着很多其它电动机无可比拟的优点使得它在很多领域得到了很广泛的应用。1直流无刷电动机在家用电器中的应用。在空调器行业，永磁直流无刷电动机的应用已成为衡量空调技术水准的重要指标之一。目前，变

6、频空调技术已从异步电机变频控制发展到无刷电动机的变转速控制，即市场上宣传的“直流变频空调”，其压缩机电机和室内、室外风机都采用永磁直流无刷电动机，与采用异步电机的交流变频空调相比，直流变转速空调具有起动功率大、高效节能，抗电压波动能力强等优点。目前直流变转速空调电控系统的技术难点主要包括:压缩机控制系统的换相转矩脉动抑制技术，无位置传感器控制技术，高效率低噪音的室内外风机驱动系统。变频洗衣机是近年来进入居民家庭消费的又一热门产品。目前应用于变频洗衣机的电机类型主要有三相异步电动机，开关磁阻电动机和直流无刷电动机三大类。永磁直流无刷电动机直接驱动洗衣机具有机械传动结构简单、高效节能、洗涤脱水运行

7、噪音低等一系列优点，代表了未来的发展趋势。2直流无刷电动机在计算机外设和办公自动化设备中的应用。3直流无刷电动机在工业中的应用。4直流无刷电动机在汽车、摩托车、自行车等交通工具中的应用。5直流无刷电动机在其他领域中的应用。综上所述，由于永磁直流无刷电动机具有效率高、功率密度大、转动惯量小、调速性能好等一系列优点，己经在工业、交通、航空航天、军工、伺服控制领域以及家用电器领域得到广泛应用，虽然我国和国外在电机制造技术方面的差距不大，但是控制系统的研究和开发却需要加大力度。从另外一个角度来讲，我国的稀土资源特别丰富，占世界总储量的75%，发展永磁直流无刷电动机产业对发展我国的经济有特殊的意义。由于

8、直流无刷电动机固有的特点，常规的控制方法必须有位置传感器，这带来了种种限制。因此，研究无位置传感器直流无刷电动机调速系统也很有必要。1.2 直流电动机控制的发展历史常用的控制直流电动机有以下几种:第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调

9、速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多

10、独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器(放大倍数1000)高10倍;在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。14从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用

11、，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的simoreg k 6ra24、abb公司的pad/psd等等。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的

12、雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变

13、频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，fpga/cpld，dsp控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件mosfet和igbt逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（pwm）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批

14、新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。17在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。1.3 永磁无刷直流电机的国内外研究概况20世纪七十年代以

15、来，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件如gtr、mosfet、igbt等相继问世，加上新型高磁能积永磁材料陆续出现均为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础，随着电机本体及其相关技术的迅速发展，新型电机不断涌现。“无刷直流电动机”的概念己由最初“特指”具有特定电子换向的直流电动机发展到“泛指”一切具备有刷直流电动机外部特性且没有电刷的永磁直流电动机。无刷直流电动机系统按其绕组反电势bemf的波形和电流的波形可分为两大类:方波无刷直流电动机和正弦波无刷直流电动机。由于可以获得更好的节能效果和节省材料，目前日本90%以上的空调器采用永磁无刷直流电机替代异步电机变频调速，

16、我国空调制造厂也开始采用永磁无刷直流电机。对于今后永磁无刷直流电机的发展，会上也有专业人士表示，为了尽可能提高效率，永磁无刷直流电机永磁体采用烧结钕铁硼。我国具有丰富的钕铁硼永磁材料资源，有数据表明，2005年全球钕铁硼永磁材料产量将达到2.3万吨，我国生产1.4万吨，预计2010年全球产量可达到9万吨，我国将生产5万吨。此外，我国永磁无刷直流电机领域近几年还出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的数字信号处理器dsp，集成电路和计算机技术快速发展，这为永磁无刷直流电机应用提供了坚实的基础。因此，空调、洗衣机、电冰箱等家电将可能越来越多采用永磁无刷直流电机。专家们同时也指出，由于我国使用的精密

17、永磁交流伺服驱动控制系统绝大部分依赖进口，据不完全统计，每年进口费用需2亿美元左右，这已经阻碍了永磁无刷直流电机在我国的应用发展，永磁无刷直流电机要想普及亟待解决的问题并不少，还无法很快替代现有产品。自上世纪末起，逐渐形成bldcm的研究热潮，针对其存在转矩波动的问题，各国纷纷推出了自己最新科研成果。其中美国的专家研制出一种新型的bldcm,其转子跟普通的bldcm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。此外还有人利用定子电流谐波的最优权重的设计方法

18、，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。英国研究人员研制成功了无齿槽的bldcm,其主要作用也是减少转矩波动，提高电机效率。针对位里传感器的改善，美国人最近研制出一种混合观测装，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，大大降低了电机成本，且提高了监测精度，可谓物美价廉。另外，台湾的研究人员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。1.4 本课题主要研究内容目前，直流无刷电机的控制有带位置传感器、无位置

19、传感器以及智能控制三种。一、带位置传感器控制带位置传感器控制是在直流无刷电动机定子上安装位置传感器来检测转子位置而控制定子绕组换向。所用的位置传感器有电磁式(如磁阻旋转变压器)、光电式(如遮光板)、磁敏式(如霍尔传感器)等，其中霍尔传感器使用最为广泛。二、无位置传感器控制无位置传感器的直流无刷电动机控制法，不直接在直流无刷电动机的定子上安装位置传感器来检测转子位置。它一般采用直接反电势检测、反电势三次谐波法、电流通路监视法、开路相电压检测法、相电感法、反电势逻辑电平积分比较法等方法来间接检测转子的位置。三、智能控制智能控制是控制理论发展的高级阶段，一般包括模糊控制、神经网络控制、专家系统等。智

20、能控制系统具有自学习、自适应、自组织等功能，能够解决模型不确定性问题、非线性控制问题以及其它较复杂的问题。严格来说，bldcm是一个多变量、非线性、强耦合的对象，因此利用智能控制可以取得较满意的控制结果。目前，已有许多较为成熟的智能控制方法应用于直流无刷电动机控制，例如:模糊控制和pid控制相结合的fuzzy-pid控制、模糊控制和神经网络相结合的复合控制、隶属度参数经遗传算法优化的模糊控制、单神经元自适应控制等。2 电机调速系统2.1 电机控制系统的基本组成电机控制系统的基本组成框图如图1.1所示。 图1.1 电机控制系统的组成框图2.2 电动机电动机是电机运动控制系统的控制对象，主要分为以

21、下三类：1.直流电动机-结构复杂，制造成本高，电刷和换向器限制了它的转速与容量。优点：易于控制。2.交流异步电动机-结构简单、制造容易，无需机械换向器，其允许转速与容量均大于直流电动机。3.同步电动机-转速等于同步转速，具有机械特性硬，在恒频电源供电时调速较为困难，变频器的诞生不仅解决了同步电动机的调速，还解决了其起动和失步问题，有效地促进了同步电动机在运动控制中的应用。 2.3 功率放大与变换装置功率放大与变换装置是电机运动控制系统的执行手段，主要由电力电子器件组成。电力电子器件的发展历程：第一代：半控型器件，如scr，方便地应用于相控整流器(acdc)和有源逆变器(dcac) ，但用于无源

22、逆变(dcac)或直流pwm方式调压（dcdc）时，必须增加强迫换流回路，使电路结构复杂。 第二代：全控型器件，如gto、bjt、igbt、mosfet等 。此类器件用于无源逆变(dcac) 和直流调压（dcdc）时，无须强迫换流回路，主回路结构简单。另一个特点是可以大大提高开关频率，用脉宽调制（pwm）技术控制功率器件的开通与关断，可大大提高可控电源的质量。第三代：特点是由单一的器件发展为具有驱动、保护功能的复合功率模块，提高了使用的安全性和可靠性。2.4 控制器1.模拟控制器：模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现，具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，其控制规律体现在硬件电路和

23、所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响。 2.数字控制器：硬件电路标准化程度高、制作成本低、而且不受器件温度漂移的影响。控制规律体现在软件上，修改起来灵活方便。此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制器无法实现的功能。3 三相异步电动机原理3.1 概述三相异步电机是靠同时接入380v三相交流电源（相位差120度）供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机3.2 三相异步电动机的基本组成三相异步电动机的主要结构由以下几部分构成：1、磁路部分1.1、定子铁心1.2、转子铁心2、电

24、路部分2.1定子绕组2.2转子绕组3、机械部分：机座、端子、轴和轴承等。3.3 三相异步电动机的工作原理 电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。三相异步电机是感应电机，定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场。通电启动后，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，即旋转磁场与转子存在相对转速，并与磁场相互作用产生电磁转矩，使转子

25、转起来，实现能量变换。 3.4 三相异步电动机的特点 优点：与单相异步电动机相比，三相异步电机结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜。缺点：功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。3.5 三相异步电动机的主要应用 三相异步电机功率大，主要制成大型电机。它一般用于有三相电源的大型工业设备中。首先说明一点的是，三相异步电机只用于电动机，极少用作发电机，都是同步电机用来发电。对于1kw以下的小功率三相异步电机，不仅可以作三相运行，而且也可以作单相运行。3.6 三项异步电机的定期检修为了避免和减少三相异步电动机突然损坏事故，三相异步电动机需要定期保养和检修。如遇有电动机过热和定

26、子绕组绝缘太低时，须立即进行检修。三相异步电动机的检修方法是：将电动机进行解体，对各零件先进行清理，再对它们作表观检查，是否有异常。然后对关键部位的尺寸进行测量，对电机绕组作电气检查。 1、机械检查。检查电机的外壳和端盖是否有裂缝现象，如有裂缝应进行焊接和更换。检查转子由一侧到另一侧的轴向游隙，测量时将长500600mm的塞尺，塞入定、转子之间，按4个或8个等分位置来测量气隙，然后取其平均值。表1列出了三相异步电动机气隙大小的参考数值，该数值系指两边尺寸的总和。如平均值与参考值偏差较大，则应检查转轴是否弯曲，装配工艺是否妥当。另外用手拨动转子，看是否能转动，如转不动看是否有异物卡住，轴承是否良

27、好。然后根据情况更换轴承、轴套。测量检查叶轮的上、下外止口和与它们相配合的环及电机内径的尺寸，这两个配合间隙是否在检修标准规定的范围内，超差时需更换零件或采取其它措施（如：堆焊、镶套）使配合间隙达到规定要求。否则将影响电机的性能、轴向平衡力等。观察检查定、转子的表观情况，尤其要注意焊缝处有无异常情况。2、电气检查。直流电阻检查：三相电阻的不平衡度不得超过2%。绝缘电阻检查：三相异步电动机绕组的绝缘电阻一般能达到100m以上。如低于5m时需分析原因，绝缘是否受潮，或绕组因绝缘不好而接地等，如经电桥实验检测三相电阻平衡无问题，则纯属绝缘受潮，需进行干燥处理，如定子三相电阻不平衡，则需对电机线圈三相

28、分别做对地耐压实验及匝间实验，查出接地点。多采用f级绝缘。漆包线，槽绝缘、槽楔、绝缘套管、引接线及浸渍漆等均需采用h级绝缘的材料。75kw以下的定子绕组更换大多采用b级绝缘。漆包线，槽绝缘、槽楔、绝缘套管、引接线及浸渍漆等均需采用b级绝缘的材料。电机更换绕组的原则是：按原样修复，尤其是线圈匝数不可随意变动，匝数变化将明显影响电机的主要性能，线径则只要接近原总面积即可，绕组形式、线圈跨距也不要变动。 3、总装和检查性试验。在完成定、转子的修理后，备好合格的轴承、轴套、密封圈等即可进行总装。装配完成后用手转动转子，转动应均匀、灵活，转子应有一定的轴向窜动量，其窜动量应在检修标准规定的范围内：完成总装后再检查一下直流电阻和绝缘电阻等，认为电气性能正常后，将三相异步电动机做耐压实验，最后进行试运转观察其电流、转速、振动等有无异常。4 总 结本论文以电动机的原理、结构为理论墓础，研究电机的系统结构、控制规律，接着分别提出了