直流无刷电机控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)

直流无刷电机控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。 位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。 转子位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机本体转子磁极的位置；其定子固定在电机本体定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号。 转子位置传感器的种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。 在直流无刷电动机系统中安装机械式位置传感器解决了电机转子位置的检测问题。 但是位置传感器的存在增加了系统的成本和体积，降低了系统可靠性，限制了直流无刷电动机的应用范围，对电机的制造工艺也带来了不利的影响。 因此，国内外对直流无刷电动机的无位置运行方式给予高度重视。 无机械式位置传感器转子位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的物理量间接地获得转子位置信息，主要有反电动势检测法、续流二极管工作状态检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。 控制器 控制器是直流无刷电动机正常运行并实现各种调速伺服功 能的指挥中心，它主要完成以下功能： （ 1）对转子位置检测器输出的信号、 PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。 （ 2）产生 PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。 （ 3）对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。 （ 4）实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路。 武汉理工大学网络与继续教育学院毕业设计（论文） 8 直流无刷 永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 表 11 直流无刷 永磁电动机与有刷直流永磁电动机 的比较 项目 直流无刷电动机 有刷直流电动机 换向 借助转自子位置传感器实现电子换向 由电刷和换向器进行机械换向 维护 由于没有电刷和换向器，很少需要维护 需要周期性维护 寿命 比较长 比较短 机械（速度 /力矩） 特性 平（硬）在负载条件下能在所有速度上运行 中等平（中等硬）。 在较高速度上运行时，电刷摩擦增加，有用力矩减小 效率 由于没有电刷压降，所以效率高 中等 输出功率 /外形尺寸之比高 由于电枢绕组设置在与机壳相连的定子上，容易散热。 这种优异的热传导特性允许减小电动机的尺寸，所以输出功率 /外形尺寸之比高 中等 /低。 电枢产生的热量消散在气隙内，这样增加了气隙温度，从而限制了输出功率 /外形尺寸之比 转自惯量 低。 因为永磁体设置在转子上，改善了动态响应 转自惯量高，限制了动态特性 速度范围 比较高。 没有电刷 /换向器给予的机械限制 比较低，存在电刷给予的机械限制 电气噪声 低 电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干扰 制造价格 比较高 低 控制 复杂和价格贵 简单和价格不贵 控制要求 为了使电动机运转必须要有控制器，但同样的控制器可用于变速控制 对于一个固定的速度而言，不需要控制器；有变速要求的时候才需要控制器 直流无刷 电动机的运行特性 机械特性 直流无刷 电动机的机械特性为： 武汉理工大学网络与继续教育学院毕业设计（论文） 9 22 2 2 2S T a s T ee e e tU U r I U U rnTC C C C         （ 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 直流无刷 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。 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 直流无刷电动机的调节特性如 图 14所示。 武汉理工大学网络与继续教育学院毕业设计（论文） 10 图 14 调节特性 调节特性的始动电压和 斜率 分别为： 0 2 2e TTrTUUC  （ 12） 1eK C  （ 13） 从机械特性和调节特性可以看出， 直流无刷 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 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 直流无刷 电动机的重要特点之一。 直流无刷 电动机的应用与研究动向 现阶段 ，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但直流无刷电动机正受到普遍的关注。 自 20世纪 90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋武汉理工大学网络与继续教育学院毕业设计（论文） 11 向于高效率化、小型化及高智能化，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，直流无刷电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，直流无刷电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。 直流无刷电机转子采用永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运 行；对于恒功率运行，直流无刷电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。 由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如数控机床、机器人等应用中，直流无刷电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。 目前直流无刷电机的应用范围已遍及国民经济的各个领域，并日趋广泛，特别是在家用电器、电动汽车、航空航天等领域已得到大量应用。 目前 ， 直流无刷电机的研究主要 集中在以下方面： （ 1）无机械式转子位置传感器控制。 转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部件，不仅增加了系统的成本和复杂性，而且降低系统的可靠性和抗干扰能力，同时还需要占据一定的空间位置。 在很多应用场合，例如空调器和计算机外设都要求直流无刷电动机以无转子位置传感器方式运行。 无转子位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下，利用电机的电压和电流信息获得转子磁极的位置 . 目前比较成熟的无转子位置传感器。