无刷直流电动机及其控制系统的研究毕业论文(编辑修改稿)

无刷直流电动机及其控制系统的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

此 时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。 电流流通路径为 :电源正极→ 1VT 管→ A相绕组→ B相绕组→ 6VT 管→电源负极。 当转子转过 600电角度，到达图中 23b位置时，位置传感器输 出信号，经过逻辑变换后使 开关管 6VT 截至， 2VT 导通，此时 1VT仍导通。 则绕组 A、 C通电， A进 C出， 电枢绕组在空间合成磁场如图 23b中 aF。 此时定转子磁场相互作用使转子继 续沿顺时针方向转动。 电流流通路径为 :电源正极→ 1VT 管 →A 相绕组 →C 相 绕组 → 2VT 管 → 电源负极，依 次类推。 当转子继续沿顺时针每转过 600电 角度时，功率开关管的导通逻辑 为32VTVT → 43VTVT → 54VTVT → 65VTVT → 16VTVT … ， 则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。 在图 23a到 b的 600电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定子合 成磁场在空间保持图 23a的 aF 的位置不动，只有当转子磁场转够 600电角度到达图 无刷直流电动机及其控制系统的研究 23b中 fF 的位置时，定子合成磁场才从图 23a中 aF 位置顺时针跃变至 fF 的位置。 可见定子电流产生的磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳 跃式旋转磁场，每个步进角为 600电角度。 当转子每转过 600电角度时，逆变器开关管之间进行一次换流，定子通电状态就改变一次。 可见，电机有 6个状态，每一状态都是两两导通，每相绕组中流过电 流的时间相当于电角度 1200。 两两导通、 Y连接 、三相六状态无刷直流电动机的 三相绕组与各开关管导通顺序的关系如表。 表 两两导通 Y连接三相六状态时绕组合开关管导通顺序表 电角度 00 导通 顺序 A B C B C A B VT2 VT3 VT4 VT5 无刷直流电动机的运行特性 机械特性 无刷直流电动机的机械特性为： （ 11） UT开关器件的管压降 Ia电枢电流 Ce电机的电动势常数 每级磁通量 可见无刷直流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。 在不同的供电电压驱动下，可以得 到如 13 图所示机械特性曲线簇。 VT1 VT6 600 1200 1800 2400 3000 3600 无刷直流电动机及其控制系统的研究 图 13 机械特性曲线簇 当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时，管压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。 调节特性 无刷直流电动机的调节特性如图 14 所示。 图 14 调节特性 调节特性的始动电压和斜率分别为： （ 12） （ 13） 从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。 但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。 工作特性 无刷直流电动机及其控制系统的研究 电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图 15 所示。 图 15 工作特性 在输出额定转矩时 ,电机效率高、损耗低是无刷直流电动机的重要特点之一。 无刷直流电动机的转矩脉动 [ 无刷直流电动机中存在的转矩脉动问题使它很难实现更精确的位置控制和更高性能的转速控制，尤其是在直接驱动应用的场合，转矩脉动问题更为突出。 引起转矩脉动的因素很多，主要有以下几个方面： （ 1）齿槽 效应引起的转矩脉动 在无刷直流电动机的任何电枢电流都不存在的情况下，当转子旋转时，由于定子齿槽的存在，定子铁心磁阻的变化而产生的磁阻转矩，就是齿槽转矩。 齿槽转矩是交变的，与转子位置有关，因此它是电动机本身空间和永磁励磁磁场的函数。 在电机制造上，将定子齿槽与永磁体斜一个齿距，或采用合理的分数槽，可以使齿槽转矩减小到额定转矩的百分之一左右。 （ 2）谐波引起的转矩脉动 在无刷直流电动机中，恒定转矩主要是由基波磁链和基波电流相互作用产生的，更高次的同次谐波间产生的恒定转矩可以忽略不计，不同次谐波磁链和电流间不产生脉 动转矩。 但在实际电机中，输入定子绕组中的电流不可能是矩形波，因为电机的电感限制了电流的变化率。 反电动势的波形偏差越大，引起的转矩脉动越大，另外，非理想的磁链波形对转矩脉动也有影响。 （ 3）电流换向引起的转矩脉动 电流换相也是引起转矩脉动的主要原因之一，转矩脉动基本频率是电流频率的 6倍，也就是说，转矩脉动起决定作用的是 6次谐波转矩，主要因为电流在每周期内要进行 6次换相。 平均转矩随换相角而变化，换相角度越大，转矩脉动幅值 无刷直流电动机及其控制系统的研究 越大。 特别，在低速区 BLDC电机的脉动转矩会引起转速波动，将严重影响系统的性能。 第 3 章 无刷直流电机的主电路的工作方式 目前，无刷直流电动机的电机本体大多采用三相对称绕组，由于三相绕组既可以是星形连接，也可以是角形连接，同时功率逆变器又有桥式和非桥式两种。 因此，无刷直流电动机的主电路主要有星形连接三相半桥式、星形连接三相桥式和角形连接三相桥式三种形式。 星形连接三相半桥式主电路 常见的三相半桥主电路如图 所示，图中， A、 B、 C 三相绕组分别与三只功率开关管 VT VT VT3 串联，来自位置检测器的信号 H H H3 控制三只开关管的通断。 在三相主半桥电路中，位置信号有 1/3 周期 为高电平、 2/3周期为低电平，各传感器之间的相位差也是 1/3 周期，如图 所示。 图 三相半桥主电路 无刷直流电动机及其控制系统的研究 图 三相半桥主电路中位置传感器信号 当转子磁极转过图 （ a）所示的位置时， H1为高电平， H H3为低电平，使功率开关 VT1 导通， A 相绕组通电，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子沿顺时针方向转动。 当转子磁极转到图 （ b）所示的位置时， H2为高电平， H H3为低电平，使功率开关 VT2 导通， A 相绕组断电， B 相绕组通电，电磁转矩仍使转子沿顺时针方向转动。 当转子磁极转到图 （ c）所示的位置时， H3为高电平， H H2为低电平，使功率开关 VT3 导通， B 相绕组断电， C 相绕组通电，转子继续沿 顺时针方向旋转，而后重新回到图 （ a）所示的位置。 图 电枢绕组通电与转子磁极的相对位置 这样，定子绕组在位置检测器的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。 在换相过程中，定子各相绕组在气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式的，其旋转磁场在 360176。 电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120176。 电角度。 我们把这 种工作方式叫做单相导通星形三相三状态。 无刷直流电动机及其控制系统的研究 三相半桥主电路虽然结构简单，但电机本体的利用律很低，每相绕组只通电1/3 周期 2/3 周期处于关断状态，绕组没有得到充分利用，在整个运行过程中转矩脉动也比较大。 星形连接三相桥式主电路 图 所示是一种星形连接三相桥式主电路。 图中，上桥臂三个开关管 VTVT VT5 是 P 沟道功率 MOSFET，栅极电位低电平时导通；下桥臂三开关管VT VT VT2 是 N 沟道功率 MOSFET，栅极电位高电平时导通。 这种逆变器电路利用 P 沟道 MOSFET 和 N 沟道 MOSERT 导通规律的 互补性，简化了功率开关管的驱动电路。 位置检测的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。 1．二二导通方式 二二导通方式是指在任一瞬间使两个开关管同时导通。 这种工作方式就是两相导通星形三相六状态方式，下面根据反电动势和电磁转矩的概念来分析其导通规律及特点。 图 星 形连接三相桥式主电路 电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得： （ ） 式中 、 、 ——A、 B、 C 三相绕组的反电动势。 、 、 ——A、 B、 C 三相绕组的电流。 ——转子的机械角速度。 可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。 在一定的转速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩就越大。 无刷直流电动机及其控制系统的研究 图 三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律 图 给出了无刷直流电动机三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的开关管导通规律。 为了使电机获得最大转矩，在二二导通方式下，开关管的导通顺序应为： VT VT2 VT VT3 VT VT4 VT VT5 VT VT6VT VT1。 在这种工作方式下，每个电周期共有六种导通状态，每隔 60176。 电角度工作状态改变一次，每个开关管导通 120176。 电角度。 由此可见，如果忽略换相过程的影响，当梯形波反电动势的平顶宽度大于等于 120176。 电角度时，电机的转矩脉动为 0。 因此，无刷直流电 动机在设计时，应尽量增大磁极的极弧系数，以获得足够宽的磁密分布波形，从而得到平顶部分较宽的反电动势波形。 同时，如果假定电流为平顶波，电机工作在两相导通星形三相六状态方式时，总的电磁转矩是每相电磁转矩的两倍。 如果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，容易根据相量图得出此时合成电磁转矩是每相电磁转矩的 倍的结论。 必须指出，这个结论对于无刷 直流电动机来说并不准确，但可用于逆变器工作方式的定性分析。 2．三三导通方式 三三导通方式是在任一瞬间使三个开关管同时导通，各开关管导通顺序为：VT VT VT3 VT VT VT4 VT VT VT5 VT VT VT6VT VT VT1 VT VT VT2，如图 所示。 由此可见，三三导通方式也有六种导通状态，同时也是每隔 60176。 改变一次导通状态，每改变一次工作状态换相一次，但是每个开关管导通 180176。 ，导通时间增加了。 无刷直流电动机及其控制系统的研究 图 三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律 当 VT VT VT3 导通是，电流的路线为：电源 VT VT3 A 相绕组和 B 相绕组 C 相绕组 VT2 地。 其中 A 相 B 相相当与并联。 如果假定 C相绕组的电流为 I，则 A、 B 相绕组的电流分别为 I/2 ，可以求得电枢绕组产生的总的电磁转矩约为每单相转矩的两倍。 在三三导通方式下，各相绕组不是在反电动势波的平顶部分换相，而是在反电动势的过零点换相。 因此，在电枢电流和转速相同的情况下，三三导通方式下平均电 磁转矩比二二导通方式下要小，同时瞬时电磁转矩还存在脉动。 如果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，则合成电磁转矩是单相电磁转矩的 倍。 比较两种通电方式可见：在二二通电方式下，每个管子均有 60176。 的电角度的不导通时间，不可能发生直通短路故障。 而在三三通电方式下，因每个管子导通时间为 180176。 电角度，一个管子的导通和关断稍有延迟，就会发生直通短路，导致开关器件损坏。 并且，两相导通三相六状态工作方式很好地利用了方波气隙磁场的平顶部分，是电机出力大，转矩平稳性好。 所以两相导通三相六状态工作方式最为常见。 角形连接三 相桥式主电路 图 所示的角形连接三相桥式主电路的开关管也采用功率 MOSFET。 与星形连接一样，角形连接的控制方式也有二二导通和三三导通两种。 无刷直流电动机及其控制系统的研究 图 三角形连接三相桥式主电路 1．二二导通方式 三相角形连接二二导通方式的开关管导通顺序为： VT VT2 VT VT3VT VT4 VT VT5 VT VT6 VT VT1，如图 所示。 图 电枢绕组的反电动势波形及其角形连接二二导通方式的导通规律 当 VT VT2 导通时，电流的路线为：电源 VT1 A 相绕组、 B 相绕组和 C 相绕组 VT2 地。 其中 B 相与 C 相串联，在与 A 并联。 如果 A 相绕组中的电流为 I，则 B、 C 两相绕组中的电流约为 I/2，总电磁转矩约为单相电磁转矩的两倍。 但各相绕组在反电动势的过零点导通，在反电动势平顶波部分关断，瞬时电磁转矩存在脉动。 如果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，则容易得出此时合成电磁转矩约为单相电磁转矩的 倍。 可见，角形连接二二导通方式下无刷直流电动机的工作情况与星形连接三三导通是情况相似。 2． 三三导通方式 无刷直流电动机及其控制系统的研究 三相角形连接三三导通方式的各开关管导通顺序为： VT VT VT3VT VT VT4 VT VT VT5 VT VT VT6 VT VT VT1VT VT VT2，如图 所示。 图。