运动控制系统软硬件设计与实验 - 无刷直流电机系统软硬件设计与实验 - 侯耀

研究生专业课程考试答题册

得分:

学 号 2011200781 姓 名 侯耀 考试课程 运动控制系统软硬件设计与实验 考试日期 2012年7月2日

西北工业大学研究生院

无刷直流电机系统软硬件设计与实验

引言

随着电力电子技术、微电子技术、先进控制技术和稀土永磁材料的快速发展，无刷直流电动机得到了迅速地推广。无刷直流电动机具有体积小、重量轻、高效节能、调速方便、结构简单、易于控制、功率密度大以及易于维护等优点，在伺服控制、电动汽车、机器人及家用电器等领域得到了广泛的应用，在许多场合成功地替代了有刷直流电动机。

具有串励直流电机启动特性和并励直流电机调速特性的梯形波/方波无刷直流电机称为无刷直流电机。无刷直流电机由于其具有结构简单、出力大和效率高等特点，已在国防、航空航天、机器人、工业过程控制、精密机床、汽车电子、家用电器和办公自动化等领域中得到了较好的应用。

现代社会中，电能是最常用且最为普遍的二次能源。而电机作为机电能量转换装置，经过一个多世纪的发展，其应用范围已遍及现代社会和国民经济的各个领域和环节。为了适应不同的实际应用，各种类型的电机应运而生，其中包括同步电机、异步电机、直流电机、开关磁阻电机和各种其他类型电机。无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的。20世纪90年代以后，计算机技术与控制理论发展十分迅速，单片机、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）等微处理器得到了空前的发展，指令速度和存储空间都有了质的飞跃，进一步推动了无刷直流电机的发展。此外，一些先进的控制策略和方法，如滑模变结构控制、神经网络控制、模糊控制、自抗扰控制和自适应控制等，不断地被应用到无刷直流电机控制系统中。这些方法在一定程度上提高了无刷直流电机控制系统在转矩波动抑制、转速动态和稳态响应以及系统抗干扰等方面的性能，扩大了无刷直流电机控制系统的应用范围，同时还丰富了相关控制理论的内涵。

近年来，我国中小型电机和微特电机行业发展迅速，表1是2002~2006年我国中小型电机行业产品销售量和收入的不完全统计。其中，由于无刷直流电机具有高效率、长寿命、低噪声以及较好的转速—转矩特性等优点，在汽车、航空、

家用电器、办公自动化等行业内得到了较好的发展。

表1 2002~2006年中小电机销售量和销售收入统计表

年份 产品销售量/104kW 产品收入/万元

2002 3562 698731

2003 6319 1085847

2004 7847 1560933

2005 9702 2182281

2006 10950 2686147

无刷直流电机控制系统是集有刷直流电机和交流异步电机驱动控制系统优点于一身的机电一体化产品。随着稀土永磁材料及电力电子器件性能的提高和价格的降低，无刷直流电机驱动系统在工业中的应用越来越多，已成为工业驱动电机主要发展方向之一。国内外著名的电机制造厂商从提高产品性能和降低成本出发，对工业用无刷直流电机驱动系统进行了大量的研究开发。目前，在民用和军用的机器人和机械臂驱动电机应用中，无刷直流电机所占比例较大，已开始出现替代步进电机和传统直流伺服电机驱动机器人的发展趋势。大功率的无刷直流电机在低速、环境恶劣和有一定调速性能要求的场合也有着很好的应用前景，如无齿轮曳引电梯驱动、抽水蓄能、钢厂轧机传动等，具有调速动态响应快、跟踪误差小、静差率小和调速范围宽等特点。除以上所涉及的应用场合，目前已经实用化的无刷直流电机应用领域还包括医疗器械、纺织机械、印刷机械和数控机床等行业。

目前，国内外无刷直流电机的一般控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。国外发达国家对无刷直流电机的研究内容与中国大体相当，但美国和日本具有较先进的无刷直流电机制造与控制技术。特别是日本在民用方面比较突出，而美国则在军工方面更加先进。当前的研究热点主要集中在以下三个方面：1、研究无位置传感器控制技术以提高系统可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量；2、从电机设计和控制方法等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制方法，从而提高其伺服精度，扩大其应用范围；3、设计可靠、小巧、通用性强的集成化无刷直流电机控制器。

无刷直流电机主要由电机本体、功率驱动电路和位置传感器三部分组成，其控制涉及电机技术、电力电子技术、检测与传感器技术和控制理论技术。因此，

新电子技术、新器件、新材料及新控制方法的出现都将进一步推动无刷直流电机的发展和应用。

在无刷直流电动机控制系统中，选择一款性能优越的芯片作CPU将会提升系统的整体性能。本文控制系统采用Microchip公司的dsPIC30F4012作为控制核心，这使得控制系统的可扩展性、灵活性、适应性以及参数的可修改性得到了满足。

一 无刷直流电机结构类型及驱动方式 1.1 无刷直流电机本体结构

无刷直流电机的设计思想来源于利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器。普通有刷直流电机电刷起换向作用，使主磁场和电枢磁场的方向在电机运行过程中始终保持互相垂直，从而产生最大转矩，驱动电机不停运转。无刷直流电机为了实现无机械接触换相，取消了电刷，将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子侧，成为“倒装式直流电机”结构。为了实现对电机转速和转动方向的控制，无刷直流电机必须具有转子位置传感器、控制电路及功率逆变桥共同构成的换相装置。所以无刷直流电机是一种典型的机电一体化产品，其基本结构由电机本体、功率驱动电路及位置传感器三者组成。

与其他类型电机相比，无刷直流电机采用方波励磁形式，提高了永磁材料的利用率，减小了电机体积，增大了电机出力，具有高效率、高可靠性的特点。因此，无刷直流电机在提高机电产品质量、延长其使用寿命、节能降耗等方面具有重要意义。随着新型钕铁硼永磁材料性能的提高和价格的降低，电机的制造成本将不断下降，其优越性将更加明显。

无刷直流电机本体在结构上与永磁同步电机相似，主要由包含电枢绕组的定子和带有永磁极的转子组成。无刷直流电机本体截面示意图如图1所示。

图1 无刷直流电机本体截面示意图

定子

无刷直流电机的定子结构与普通同步电机或感应电机类似。铁心中嵌有单相或多相对称绕组，电枢绕组可以Y接或△接。但考虑到系统的性能和成本，目前应用较多的是电枢绕组Y接、三相对称且无中性点引出的无刷直流电机。另外，传统有刷直流电机电枢绕组在转子侧，而无刷直流电机的电枢绕组在定子侧，更有利于常用的内转子无刷直流电机散热。

绕组形式

无刷直流电机的常用绕组形式有整距集中绕组、整距分布式绕组、短距分布式绕组等。绕组形式的不同将影响到电机的反电势波形，进而影响到电机的性能。

（1）对于整距集中绕组而言，每极下同相绕组的导体处在同一个槽内，气隙磁通密度相同。叠加同相绕组各个导体的反电势得到总的反电势波形，其形状与气隙磁通密度的波形相似，反电势波形平顶宽度等于气隙磁通密度空间分布波形的平顶宽度。整距集中绕组能得到较好的梯形反电势波形。

（2）为了有效地利用定子内表面空间和便于绕组散热，可将每极每相绕组均匀散于定子表面，形成分布式绕组。一般情况下，受各种因素影响，气隙磁通密度的空间分布较难达到理想的方波波形。

（3）采用短距绕组可缩短绕组端接线，节约铜材料。它所产生的基波转矩被削弱的并不多，但有利于削弱转矩谐波。

转子

无刷直流电机的转子由一定极对数的永磁体镶嵌在铁心表面或者嵌入铁心内部构成。目前永磁体多采用钕铁硼等高矫顽力、高剩磁感应密度的稀土永磁材

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