無刷直流電動機控制系統分析畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ：　　 　（）其中，ω為電角速度。當電動機工作在兩兩導通方式時，電磁轉矩有兩相繞組的合成磁極與轉子磁場相互作用可得：　　 （）式中，——電樞電流　　　——轉矩系數由式（）可以得到無刷直流電動機的機械特性為：　　　（）可見無刷直流電動機的機械特性與一般的直流電動機的機械特性表達式相同，機械特性較硬。在不同的供電電壓驅動下，nn01n02n03n040US4US3US2US1US4US3US2US1Tst4Tst3Tst2Tst1Te　機械特性曲線當轉矩較大、轉速較低時，流過開關管和電樞繞組的電流很大，這時管壓降隨著電流增大而增加較快，使加在電樞繞組上的電壓有所減小，向下彎曲。空載轉速可由式（）求出，而堵轉轉矩則為：　（NM） （）式中——堵轉電流。，可以得到調節特性的始動電壓和斜率分別為：　　　　 　（）　　　　　　　　　 　（）n0Te4Te3Te2Te1U04U03U02U01Te1Te2Te3Te4US　調節特性 n=f(Us) Te=C從機械特性和調節特性可以看出，無刷直流電動機與一般直流電動機一樣，具有良好的調速控制性能，可以通過調節電源電壓實現無級調速。但不能通過調節勵磁調速，因為永磁體的勵磁磁場不可調。電樞電流與輸出轉矩的關系、。，比現有的感應電機的效率高20%左右，而且它在很寬的負載范圍內能保持高效率運行。效率高、損耗低是無刷直流電動機的重要優點之一。η， Ia0ηIaTe　工作特性30908070605040η（％）050100150200P2(W)：實驗值－：設計值　120W樣機效率特性3 無刷直流電動機主電路的工作方式目前，無刷直流電動機的電機本體大多采用三相對稱繞組，由于三相繞組既可以是星形連接，也可以是角形連接，同時功率逆變器又有橋式和非橋式兩種。因此，無刷直流電動機的主電路主要有星形連接三相半橋式、星形連接三相橋式和角形連接三相橋式三種形式。，圖中，A、B、C三相繞組分別與三只功率開關管VTVTVT3串聯，來自位置檢測器的信號HHH3控制三只開關管的通斷。在三相主半橋電路中，位置信號有1/3周期為高電平、2/3周期為低電平，各傳感器之間的相位差也是1/3周期。　三相半橋主電路H2H31200ωt240360480H11200ωt2403604801200ωt240360480　三相半橋主電路中位置傳感器信號（a）所示的位置時，H1為高電平，HH3為低電平，使功率開關VT1導通，A相繞組通電，該繞組電流同轉子磁極作用后所產生的轉矩使轉子沿順時針方向轉動。（b）所示的位置時，H2為高電平，HH3為低電平，使功率開關VT2導通，A相繞組斷電，B相繞組通電，電磁轉矩仍使轉子沿順時針方向轉動。（c）所示的位置時，H3為高電平，HH2為低電平，使功率開關VT3導通，B相繞組斷電，C相繞組通電，轉子繼續沿順時針方向旋轉，（a）所示的位置。　電樞繞組通電與轉子磁極的相對位置這樣，定子繞組在位置檢測器的控制下，便一相一相地依次饋電，實現了各相繞組電流的換相。在換相過程中，定子各相繞組在氣隙中所形成的旋轉磁場是跳躍式的，其旋轉磁場在360176。電角度范圍內有三種磁狀態，每種磁狀態持續120176。電角度。我們把這種工作方式叫做單相導通星形三相三狀態。三相半橋主電路雖然結構簡單，但電機本體的利用律很低，每相繞組只通電1/3周期2/3周期處于關斷狀態，繞組沒有得到充分利用，在整個運行過程中轉矩脈動也比較大。圖中，上橋臂三個開關管VTVTVT5是P溝道功率MOSFET，柵極電位低電平時導通；下橋臂三開關管VTVTVT2是N溝道功率MOSFET，柵極電位高電平時導通。這種逆變器電路利用P溝道MOSFET和N溝道MOSERT導通規律的互補性，簡化了功率開關管的驅動電路。位置檢測的三個輸出信號通過邏輯電路控制這些開關管的導通和截止，其控制方式有兩種：二二導通方式和三三導通方式。1．二二導通方式二二導通方式是指在任一瞬間使兩個開關管同時導通。這種工作方式就是兩相導通星形三相六狀態方式，下面根據反電動勢和電磁轉矩的概念來分析其導通規律及特點。　星形連接三相橋式主電路電機的瞬時電磁轉矩可由電樞繞組的電磁功率求得： （）式中、——A、B、C三相繞組的反電動勢。　　、——A、B、C三相繞組的電流。——轉子的機械角速度。可見，電磁轉矩取決于反電動勢的大小。在一定的轉速下，如果電流一定，反電動勢越大，轉矩就越大。ωtVT40 30 90 150 210 270 330 390 450 510 570 630 690ωtωtωtVT1VT1VT4VT3VT6VT1VT6VT6VT2VT5VT2VT5　三相繞組的反電動勢波形及其二二導通方式下的導通規律。為了使電機獲得最大轉矩，在二二導通方式下，開關管的導通順序應為：VTVT2VTVT3VTVT4VTVT5VTVT6VTVT1。在這種工作方式下，每個電周期共有六種導通狀態，每隔60176。電角度工作狀態改變一次，每個開關管導通120176。電角度。由此可見，如果忽略換相過程的影響，當梯形波反電動勢的平頂寬度大于等于120176。電角度時，電機的轉矩脈動為0。因此，無刷直流電動機在設計時，應盡量增大磁極的極弧系數，以獲得足夠寬的磁密分布波形，從而得到平頂部分較寬的反電動勢波形。同時，如果假定電流為平頂波，電機工作在兩相導通星形三相六狀態方式時，總的電磁轉矩是每相電磁轉矩的兩倍。如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布，容易根據相量圖得出此時合成電磁轉矩是每相電磁轉矩的倍的結論。必須指出，這個結論對于無刷直流電動機來說并不準確，但可用于逆變器工作方式的定性分析。2．三三導通方式三三導通方式是在任一瞬間使三個開關管同時導通，各開關管導通順序為：VTVTVT3VTVTVT4VTVTVT5VTVTVT6VTVTVT1VTVTVT2。由此可見，三三導通方式也有六種導通狀態，同時也是每隔60176。改變一次導通狀態，每改變一次工作狀態換相一次，但是每個開關管導通180176。，導通時間增加了。ωt0 60　120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720ωtωtωtVT1VT4VT1VT4VT3VT6VT3VT6VT6VT2VT5VT2VT5　三相繞組的反電動勢波形及其三三導通方式下的導通規律當VTVTVT3導通是，電流的路線為：電源VTVT3A相繞組和B相繞組C相繞組VT2地。其中A相B相相當與并聯。如果假定C相繞組的電流為I，則A、B相繞組的電流分別為I/2 ，可以求得電樞繞組產生的總的電磁轉矩約為每單相轉矩的兩倍。在三三導通方式下，各相繞組不是在反電動勢波的平頂部分換相，而是在反電動勢的過零點換相。因此，在電樞電流和轉速相同的情況下，三三導通方式下平均電磁轉矩比二二導通方式下要小，同時瞬時電磁轉矩還存在脈動。如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布。比較兩種通電方式可見：在二二通電方式下，每個管子均有60176。的電角度的不導通時間，不可能發生直通短路故障。而在三三通電方式下，因每個管子導通時間為180176。電角度，一個管子的導通和關斷稍有延遲，就會發生直通短路，導致開關器件損壞。并且，兩相導通三相六狀態工作方式很好地利用了方波氣隙磁場的平頂部分，是電機出力大，轉矩平穩性好。所以兩相導通三相六狀態工作方式最為常見。與星形連接一樣，角形連接的控制方式也有二二導通和三三導通兩種。 三角形連接三相橋式主電路1．二二導通方式三相角形連接二二導通方式的開關管導通順序為：VTVT2VTVT3VTVT4VTVT5VTVT6VTVT1。ωtωtωtωt0 60　120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720VT1VT4VT1VT4VT3VT6VT3VT6VT2VT5VT2VT5　電樞繞組的反電動勢波形及其角形連接二二導通方式的導通規律當VTVT2導通時，電流的路線為：電源VT1A相繞組、B相繞組和C相繞組VT2地。其中B相與C相串聯，在與A并聯。如果A相繞組中的電流為I，則B、C兩相繞組中的電流約為I/2，總電磁轉矩約為單相電磁轉矩的兩倍。但各相繞組在反電動勢的過零點導通，在反電動勢平頂波部分關斷，瞬時電磁轉矩存在脈動。如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布。可見，角形連接二二導通方式下無刷直流電動機的工作情況與星形連接三三導通是情況相似。2．三三導通方式三相角形連接三三導通方式的各開關管導通順序為：VTVTVT3VTVTVT4VTVTVT5VTVTVT6VTVTVT1VTVTVT2。ωtωtωtωt0 60　120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720VT1VT4VT1VT4VT3VT6VT3VT6VT2VT5VT2VT5VT6　電樞繞組的反電動勢波形及其角形連接三三導通方式的導通規律當VTVTVT3導通時，電流的路徑為：電源VTVT3A相繞組B相繞組VT2地。A、B兩相繞組并聯，流經A、B兩相的電流大小相同。因此，總的電磁轉矩為單相電磁轉矩的兩倍。如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布，容易得出此時合成電磁轉矩為單相電磁轉矩的倍。所以角形連接三三導通方式下無刷直流電動機的工作情況與星形連接二二導通時情況相似。所不同的是，在星形連接二二通電方式下，兩通電繞組為串聯；而三角形連接三三通電時，兩相繞組為并聯。4 無刷直流電動機轉子位置信號檢測位置傳感器在無刷直流電動機中起著測定轉子磁極位置的作用，為邏輯開關電路提供正確的換相信息，即將轉子磁極的位置信號換成電信號，然后去控制定子繞組換相。位置傳感器種類較多，且各具特點。目前在無刷直流電動機中常用的位置傳感器有以下幾種。［6］電磁式位置傳感器是利用電磁效應來實現其位置測量作用的，有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關等多種類型。在無刷直流電動機中，用的較多的是開口變壓器。　電磁式位置傳感器，它由定子和跟蹤轉子兩部分組成．定子一般由硅鋼片的沖片疊成，或用高頻鐵氧材料壓鑄而成，一般有六個極，它們之間的間隔分別為60176。，其中三個極繞上一次繞組，并相互串聯以高頻電流（一般的頻率為幾千赫到幾十千赫），另外三個極分別繞上而次繞組WA、WB、WC。它們之間分別相隔120176。跟蹤轉子是一個用非導磁材料作成的圓柱體，并在它上面鑲上一塊120176。的扇形材料，如圖4－1中涂黑的扇形片所示。在安裝時將它同電動機轉軸相聯，其位置對應于某一個磁極。，一次繞組所產生的高頻磁通通過跟蹤轉子上的導磁材料耦合到繞組WB上，故在WB上產生感應電壓UB，而在另外兩相二次繞組WA、WC上由于無耦合回路同一次繞組相聯，其感應電壓UA、UC基本上為零。隨著電動機轉子的轉動，跟蹤轉子的導磁扇形片也跟著旋轉，使之逐步離開繞組WB而向繞組WC靠近（假定為逆時針旋轉），從而使其二次電壓UB下降， UC上升。就這樣，隨著電動機轉子運動，在開口變壓器上分別依次感應出電壓UB、UC、UA。由于開口變壓器結構簡單可靠，目前得到了廣泛的應用。扇形導磁片的角度一般大于120176。電角度，常采用130176。電角度左右。在三相全控電路中，為了換相譯碼器的需要，扇形導磁片的個數應同無刷直流電動機的極對數相等。由于振蕩電源的頻率高達幾千赫，故變壓器的鐵心往往采用鐵氧體材料，對頻率較低的鐵心，可以采用其他軟磁材料電磁式位置傳感器具有輸出信號大、工作可靠、壽命長、適應性強、對環境要求不高等優點，多用于航空航天領域，但這種傳感器體積較大，信噪比較低，同時，其輸出波形為交流，一般需整流、濾波方可使用，因而限制了它在普通條件下的應用。常見的磁敏式位置傳感器是由霍爾元件或霍爾集成電路構成的，世界上第一臺無刷直流電動機就使用了霍爾元件式位置傳感器。霍爾元件式位置傳感器由于機構簡單、性能可靠、成本低、是目前在無刷直流電動機上應用最多的一種位置傳感器。霍爾效應原理是在長方形半導體薄片上通過電流IH，當將半導體薄片置于外磁場中，并使其與外磁場垂直時，則在與電流IH和磁感應強度B構成的平面相垂直的方向會產生一個電動勢EH，稱其為霍爾電動勢，其大小為：　 （）式中　——霍爾元件的靈敏度系數霍爾元件所產生的電動勢很低，在應用時往往需要外接放大器，很不方便。隨著半導體技術的發展，將霍爾集成電路有開關型和線性型。通常采用開關型霍爾集成電路作為位置傳感器元件。為了簡明起見，我們把開關型霍爾集成電路叫做霍爾開關，其外形象一只普通晶體管。　霍爾開關應用電路原理圖使用霍爾開關構成位置傳感器通常有兩種方法。第一種方式是將霍爾開關粘貼于電機端蓋內表面，在靠近霍爾開關與之有一定間隙處，安裝著與電機軸同軸的永磁體，