无刷直流电动机控制系统文献综述

毕业设计文献综述文献综述----无刷直流电动机的设计河南工程学院陈浩关键词无刷电机直流电动机发展史引言：无刷直流电机既有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又能象直流电机那样，运行效率高，无励磁损耗，调速性能好，所以在仪器仪表、化工、轻纺、医疗仪器和家用电器等各个领域特别是在高新技术领域有着日益广泛的应用。由于无刷直流电机是一种特殊的永磁同步电动机，其定子由三相绕组组成，电源通过驱动电路供给定子绕组脉宽调制(PWM)形的方波电流，其转子由瓦型永久磁铁制成并进行特别的磁路处理，以产生梯形波的气隙磁场，从而使转子在合成磁场力的作用下产生转动。因此一般的无刷直流电机都应配备转子磁极位置检测器如霍尔元件或其它检测传感器，要根据转子磁极位置的变化及时对组成驱动电路的三相逆变器换相，同时形成转速反馈环进行转速控制。定子电流则通过主回路的电流传感器检测并反馈构成电流环.一、无刷直流电动机发展历史与趋势无刷直流电动机是在有刷直流电机的基础上发展起来的。1831年法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。，为了取代有刷直流电机的那种电刷——换向器结构的机械装置，人们曾对此做个长期的探索。早在1915年美国人兰格米（Langmill）发明了带控制的栅极的水银整流器制成了直流变交流的逆变装置。科学技术的迅猛发展，带来了半导体技术的飞跃。开关型晶体管的研制成功，为创造新型直流电动机——无刷直流电动机带来了生机。1955年美国D.哈利森（Harrison）等人首次申请用晶体管换向线路替代电动机电刷接触的专利。这就是无刷直流电动机的雏形。经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换向线路来代替有刷直流电动机的机械换向装置，从来为直流电动机的发展开辟了新的途径。六十年代初期，以接近某物而动作的接近开关式位置传感器、毕业设计文献综述电磁谐振式位置传感器和高频和、耦合式位置传感器相继问世。之后有出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。半导体技术的迅速发展，使人们对1879年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生了很大的兴趣。经过多年的努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件来实现换流的无刷直流电动机。随着比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管的出现，七十年代的初期，又试制成功了借助磁敏二极管实现换流的无刷直流电动机。接着还出现了无位置传感器的无刷直流电动机。现在无刷直流电机既有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又能象直流电机那样，运行效率高，无励磁损耗，调速性能好，所以在仪器仪表、化工、轻纺、医疗仪器和家用电器等各个领域特别是在高新技术领域有着日益广泛的应用。三、无刷直流电动机的分类及特点无刷直流电动机，按照它的工作特性，基本上可以分为两大类：1、具有直流电机特性的无刷直流电动机这类电动机由直流电源供电，借助位置传感器来检测主转子的位置，所检测出的信号去触发相应的电子换向线路以实现无接触式换流。很显然，这种无刷直流电动机具有有刷直流电机的各种运行特性。2、具有交流电动机的特性的无刷直流电动机这类电动机也由直流电源供电，但通过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动一般的异步电动机或同步电动机。因此它们具有异步电动机或同步电动机的各种运行特性。严格说来，只有具有直流电动机的特性才能称为“无刷直流电动机”。无刷直流电动机的最大特点，就是没有换向器（整流子）和电刷组成的机械接触结构。加之，它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗；发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，这样，热阻较小散热容易。因此无刷直流电机没有换向火花，没有无线电的干扰，寿命长，运行可靠，维护简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以采用在每分钟高达几十万转的转速中运行。其主要特点有：1）高效率：其效率比同容量异步电动机提高5%-12%。2）功率因子高：无刷直流电动机无需从电网吸取激磁电流，功率因子接近1。3）启动转矩大，启动电流小：无刷直流电动机的机械特性和调节特性与他激直流电动机枢控时相应特性类似，所以它的启动转矩大，启动电流小，调速范围宽.毕业设计文献综述4）电动机出力高：该电动机在体积和最高工作转速相同时，较异步电动机输出功率提高30%。5）适应性强：电源电压偏离额定值+10%或-15%，环境温度相差40K以及负载转矩从0-100%额定转矩波动时，无刷直流电动机的实际转速与设定转速的稳态偏差，不大于设定转速的±1%。6）无刷直流电动机是一种自控式调速系统，它无需像普通同步电动机那样需要启动绕组；在负载突变时，不会产生振荡和失步。8）无刷直流电动机适合长期低速运转、频繁启动的场合，这是变频调速器拖动Y系列电动机不可能实现的。四、无刷直流电动机系统的组成无刷直流电动机基本上有二种方案。其中一种方案：由受控制的变换器和同步电动机并用，它由变换器、同步电动机、转子位置传感器和逻辑电路组成。同步电动机是指多相(三、四、五相等)电枢绕组定子和永磁体转子。定子可采用与传统直流电机转子非常相似的方式绕成，绕组原应接于换向器升高片的位置现由晶体管开关所代替，应用转子位置传感器和相关的逻辑电路，开关可依次接通和关断，以仿效换向器的作用，并在定子内产生了跳跃式的磁场，使永磁转子跟着旋转。故无刷直流电动机和传统直流电动机有相同的工作原理。无刷直流电动机的简图如下图所示。图I无刷直流电动机的简图1无刷直流电动机（BLDCM）由电动机本体和驱动器构成，是一种典型的机电一体化产品。2电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机转子由钕铁硼等永磁材料构成。在定转子形成的气隙中产生N-S极相间的方波磁场，所以也把这种电动机称为“方波电动机”。为了使电动机绕组准确换向，在电动机内装有位置传感器，毕业设计文献综述作为转子极性的位置信号。3驱动器组成：a.控制中枢的单片机；b电子换向的由IGBT或MOSFET构成的逆变桥；c.电压型交—直—交主电路的整流、滤波单元；d.人机接口的键盘和数字显示单元；e.控制、驱动电源的开关电源。五、无刷直流电动机运行特性分析传统直流电动机的速度在基速以下调节时(降低电压)，有恒定转矩。建立在永磁无刷电机基础上的变速驱动系统往往要求具备上述性能.显然通过控制电枢电流即通过控制器设置定子电流以及控制直流电源电压，可以实现恒磁通控制。为了更好地发挥无刷直流电动机的调速性能，希望实现在基速以上的恒功率调速，但无刷直流电动机靠永磁体来产生激磁，其激磁很难调节，通过理论分析，可以通过磁场削弱电枢反应，即通过削磁多少来达到，这就必须通过提前整流，即将相电流的导通区域提前，利用绕组的自感电动势去削弱旋转磁势以削弱磁场来达到对无刷直流电机进行调速的目的。所以无刷直流电机具有与直流电机相类似的去行特性。结束语参考文献[1]叶金虎、徐思海、张颉民、崔海大、施民生编著无刷直流电动机北京.科学技术出版社1991[2]赵清、胡鹏程编著电动机北京.电子工业出版社1996[3]周文俊主编.电气设备实用手册.北京:中国水利水电出版社,1999[4]刘祖润、胡俊达编著毕业设计指导.北京:机械工业出版社,1996[6]曹承志主编.电机拖动与控制.北京:机械工业出版社,2002[7]贾大义，艾高烈.常用电机原理与设计.中国轻工业出版社，1996[8].1RadimVisinka.Lowcost3-phaseACmotorcontrolsystembasedonMC68HC908MR24,MotorolasemiconductorapplicationnoteAN1664.1999[9]张联．直流无刷电动机原理及应用．机械工业出版社，2001[10]王季鞍．无刷电机的现在和将来LJ3微特电视，1998l[11]张一鸣．无刷直流电机的电抠反应及其削弱方法．微电机，1999[1]．[12]张琛．无刷直流电动机原理及应用[M工机械工业出版1992[13]谭建成—电机控制专用集成电路：[u]北京；机械工业出版社L997[14]晓弘．靳方义.侯景阳．杨新华．永磁无刷直流方波电机控制特性及其交流伺服系统控制策略．[15]W．莱愚略特．电气传动控制．科学出版杜，1986毕业设计文献综述毕业设计文献综述毕业设计文献综述