永磁无刷直流电动机控制系统研究

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1、永磁无刷直流电动机控制系统的研究摘要无刷直流电动机是集材料科学、电力电子技术、微电子技术和电机理论等多学科为一体的机电一体化产品，在诸多领域有着广阔的应用前景。随着大功率开关器件集成电路及高性能的磁性材料的进步，采用电子换向原理工作的永磁无刷直流电机取得了长足的发展。永磁无刷直流电机既有直流电机的结构简单，运行可靠。又具备交流电机运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，在当今国民经济的各个领域里的应用日益普及。维护方便的一系列优点永磁无刷直流电动机发展概况永磁无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。现阶段，虽然各种交流电动机同

2、直流电动机在传动应用中占主导地位，但是永磁无刷直流电动机正受到普遍的关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平提高和现代化的生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具备精度高、速度快、效率高等特点，永磁无刷直流电机的应用因此而迅速增长。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，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。无刷直流电机转子采用永久磁铁，其产生的气隙磁通

3、保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，无刷直流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，无刷直流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。目前无刷直流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。一．永磁无刷直流电动机与永磁有刷直

4、流电动机的比较表1-1永磁无刷直流电动机与永磁有刷直流动机的比较项目永磁电无刷直流电动机永磁电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的设置在与机壳相连的定子上，所以容易散热。这种优异的热传导特性一定程度上允许减小电动机的尺寸，所以输出功率/外形尺寸

5、之比高中等/低。电枢产生的热量消散在气隙内，这样就增加了气隙温度，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，存在着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二．永磁无刷直流电动机系统的组成及组成框图2.1电机本体无刷直流

6、电动机最初的设计思想还是来自普通的有刷直流电动机，不同的地方是将直流电动机的定子、转子的位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电动机的电刷以及机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。所以无刷直流电动机的电机本体实际上就是一种永磁同步电机。由于无刷直流电动机的电机本体是永磁电机，所以无刷直流电动机亦称为永磁无刷直流电动机。定子的结构、普通同步电动机和感应电动机相同，铁心中嵌有着多相对称绕组。绕组可以接成星形或三角形，并且分别与逆变器中的各开关管相连接，三相无刷直流电动机最为常见。2.2逆变器目前，永磁

7、无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路已经有集成的功率模块（PIC）和智能功率模块（IPM），选用这些模块主要是可以提高系统的可靠性。永磁无刷直流电动机的定子绕组的相数可以有着不同的选择，绕组的连接方式也同样有着星形和角型之分，而逆变器又有着半桥型和全桥型两种。所以不同的组合使得电动机产生不同的性能和成本。综合以下三个指标可以有助于我们做出正确的选择：（1）绕组利用率。与普通直流电动机不同，永磁无刷直流电动机的绕组是断续通电的。可以适当地提高绕组利用率使得同时通电的导体数增加，从而电阻下降，效率提

8、高。从这个角度来看的话，三相绕组优胜于四相和五相绕组。（2）转矩脉动。永磁无刷直流电动机的输出转矩脉动要比普通直流电动机的转矩脉动大。一般是相数越多，