电机数字控制系统集成设计课程报告.doc
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1、Harbin Institute of Technology无刷直流电机数字控制系统集成设计的分析课程名称: 电机数字控制系统的集成设计院 系: 电气工程系 姓 名: 学 号: 指导教师: 杨贵杰 2015年5月11日无刷直流电机数字控制系统集成设计的分析摘要:以方波驱动无刷直流电动机系统为例,分析了无刷直流电的研究概况,工作原理和数字控制系统的集成设计思想、原理、结构特点和驱动控制方法。其中,驱动控制方法主要以目前比较热的无位置传感器控制技术为例进行分析。无位置传感技术主要介绍反电动势检测法,并结合实验室研究内容进行了仿真分析。关键词: 无刷直流电机,研究概况,工作原理,数字控制系统,无位置
2、传感器技术1. 无刷直流电机研究概况无刷直流电动机(Brushless DC Motor)是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来,以其优良的转矩控制特性,在相当一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但其有机械接触的电刷换向器结构一直是直流电动机的一个致命弱点,这降低了系统的可靠性,限制了其在很多场合中的应用。例如在航空上,电刷磨损和换向火花是非常严重的问题,直接影响到维护性和可靠性。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置,人们进行了长期的探索。早在 1917 年,Bolgior 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动机的基本
3、思想。1955 年,美国的 D.Harrison 等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械电刷的专利,标志着现代无刷直流电动机的诞生。无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步。在无刷直流电动机发展的早期,由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段,可靠性差,价格昂贵,加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约,使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时期内,性能都不理想,只能停留在实验室阶段,无法推广使用。1970 年以来,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,加之高磁能永磁材料的陆续出现,均为无刷
4、直流电动机广泛应用奠定了坚定的基础,无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。在 1978 年汉诺威贸易博览会上,前联邦德国的 MANNESMANN 公司正式推出了 MAC 无刷直流电动机及其驱动器,引起了全世界各国的关注,随即在国际上掀起了研制和正式生产无刷直流系统的热潮,这也标志着无刷直流电动机走向实用阶段。我国对于无刷直流电动机的研究起步较晚。1987 年,在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上,SIEMENS 和 BOSCH 两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器,引起了国内有关学者的广泛注意,自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力,目前,国内已有无刷直流电动机的系列产
5、品,形成了一定的生产规模。自 20 世纪 90 年代以来,随着人们生活水平的提高,现代化生产、办公自动化、家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化和高智能化,作为执行元件的重要组成部分,电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点,无刷直流电动机的应用也因此而迅速增长。尤其在节能已成为时代主题的今天,无刷直流电动机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值1。2. 无刷直流电机原理无刷直流电机的控制系统主要由永磁无刷直流电机、逆变器、位置传感器和控制器几部分组成,如图1所示。无刷直流电机转子由永磁钢按一定极对数2p=2、4组成三相定子绕组,分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接,磁极
6、位置传感器跟踪转子与电动机转轴相连接。无刷直流电动机的工作是通过逆变器功率管按一定的规律导通关断,使电机定子电枢产生按60电角度不断前进的磁势,带动电机转子旋转来实现的。下面以图2所示的两相导通星形三相六状态无刷直流电动机为例来说明其工作原理。电机本体的电枢绕组为三相星形连接,极对数为1,位置传感器与电机本体同轴,控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号,驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管,使电机的各相绕组按一定的顺序工作。转子旋转到图3(a)所示的位置时,转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器,使VT1、VT6导通,即A、B两相绕组通电,电流从电源的正极流
7、出,经VT1流入A相绕组,再从B相绕组流出,经VT6回到电源的负极。电驱绕组在空间产生的磁动势Fa如图3(a)所示,此时定转子磁场相互作用,使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过60电角度,到达图3(b)所示位置时,转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器,使VT1、VT2,A、C两相绕组通电,电流从电源的正极流出,经VT1流入A相绕组,再从C相绕组流出,经VT2回到电源的负极。电驱绕组在空间产生的磁动势Fa如图3(b)所示,此时定转子磁场相互作用,使电机的转子继续顺时针转动。图1 无刷直流电机组成图2 三相无刷直流电机系统原理图 (a)磁极处于B相平面 (b)磁极处于A相平面
8、图3 无刷直流电机工作原理图转子在空间每转过 60电角度,逆变器开关就发生一次切换,功率开关管的导通逻辑以次为(VT1、VT6),(VT1、VT2),(VT3、VT2),(VT3、VT4),(VT5、VT4),(VT5、VT6),(VT1、VT6)。在此期间,转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用,沿顺时针方向旋转。在图 3(a)到图 3(b)的 60电角度范围内,转子磁场沿顺时针连续旋转,而定子合成磁场在空间保持图 3(a)中 Fa的位置静止。只有当转子磁场沿顺时针连续旋转 60电角度,到达图3(b)所示的 Fa位置时,定子合成磁场才从图 3(a)的 Fa位置到图 3(b)中的 Fa位置。可见
9、,定子合成磁场在空间不是连续旋转的,而是一种跳跃式旋转磁场,每个步进角是 60电角度。转子每转过 60电角度时,逆变器开关管之间就进行一次换流,定子磁状态就改变一次。可见,电机有六种磁状态,每一状态有两相导通,每相绕组中流过电流的时间相当于转子旋转 120电角度,每个开关管的导通角为 120度,故该逆变器为 120导通型。这种工作方式也就是最常用的两相导通星形三相六状态。无刷直流电动机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电动势和转速等,这些物理量的表达式与电动机气隙磁场、绕组形式有十分密切的关系。对于采用稀土永磁材料的电动机,其气隙磁场一般为方波,其理想波形见 4 所示。对于方波气隙磁场,当定
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