畢業(yè)設(shè)計(jì)51沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)空調(diào)壓縮機(jī)用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)及相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

I 摘 要 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有慣量小、控制簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)良特性，因此在航天、機(jī)器人、 空調(diào) 等許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本課題針對(duì) 空調(diào)壓縮機(jī) ，設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 以及 相應(yīng) 的 控制系統(tǒng)。 針對(duì)空調(diào)用無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)公式及方法， 以及考慮到降低電機(jī)的振動(dòng)和噪音問(wèn)題，設(shè)計(jì)了永磁無(wú)刷直流電機(jī)兩臺(tái)， 普通型 6 極 36 槽和多極少槽型 8 極 9 槽電機(jī)。借助 Ansoft 軟件設(shè)計(jì) ,兩種電機(jī)進(jìn)行比較表明：選擇近似極槽的多極少槽電機(jī)，進(jìn)一步選擇適當(dāng)?shù)臉O弧系數(shù)，能大大降低齒槽轉(zhuǎn)矩 ,但是運(yùn)行效率卻比普通型電機(jī)低很多 .所以，多極少槽電機(jī)在空調(diào)壓 縮機(jī)電機(jī)中暫不可行。 另外，無(wú)傳感器控制技術(shù)是無(wú)刷直流電機(jī)控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文采用 PIC18F4580 芯片對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，詳細(xì)討論了在去掉位置傳感器的情況下無(wú)刷直流電機(jī)如何換相以及速度的提取問(wèn)題，并且進(jìn)行了相應(yīng)的系統(tǒng)硬件。為了提高 BLDCM 的調(diào)速性能，本文采用速度、電流的雙閉環(huán)控制，并給出了其實(shí)現(xiàn)方法。 本課題主要包括五部分：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 簡(jiǎn)介 ，初始數(shù)據(jù)方案設(shè)計(jì)， Ansoft 軟件輔助設(shè)計(jì) ，設(shè)計(jì) PIC 單片機(jī)控制系統(tǒng)， 結(jié)論分析 。通過(guò)這五部，本文完成了 空調(diào)壓縮機(jī) 用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì) 及相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī) ,優(yōu)化設(shè)計(jì) ,多極少槽 ,控制系統(tǒng) II The BLDCM optimization design and the application used in air-condition compressor Abstract Permanent magnet brushless direct current motor(BLDCM) has good characteristic such as small inertia、 easily controlled 、 dynamic function well , therefore it has got extensive use in many field such as aerospace, robot, air-condition compressor control machine tool. The subject aimed at the air-condition , has designed the BLDCM and corresponding control system. Through BLDCM design formula and the method used in the air conditioning, as well as considering reduce motors vibration and the noise, the paper design two permanent magnetism BLDCM, including the 6 pole 36 slot and the multipolar few slot such as 8 pole 9 pole motor. With the aid of the Ansoft software ,design indicate that choosing multipolar few slot motor belong to the approximate pole and slot, further choosing the suitable pole-arc coefficient, can reduce the cogging torque greatly, but the efficiency is actually low compared to common motor. Therefore, the multipolar few slot motor are not feasible temporarily in the air conditioning compressor motor. Sensorless control technology has been a hot research in BLDCM control domain. This paper introduces the control system design for brushless DC motor based on PIC18F4580, discusses in detail the current commutation and motor speed withdraw problem without the position sensor, and designs the corresponding software circuit. In order to improve speed control performance of motor, this paper adopts the double-closed-loop control strategy and gives the corresponding implement methods. The subject include five part: BLDCM simple introduction, designing initial data scheme, Ansoft carrying out verification on electromagnetism design , designing PIC monolithic machine controls system. Above five part, this subject have accomplished the air-condition compressor with BLDCM design and control system design. Key Words： BLDCM, optimization design， multipolar few slot, control system 1 目 錄 摘 要 . I Abstract . II 第一章 緒論 . 1 1.1 課題研究的目的和意義 . 1 1.2 空調(diào)用無(wú)刷直流電機(jī)的研究現(xiàn)狀 . 1 1.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有待研究的問(wèn)題 . 1 1.4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主要用途 . 2 1.5 課題研究的背景和意義 . 3 1.6 本文的主要工作及安排 . 3 第二章 永磁無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介 . 4 2.1 無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) . 4 2.2 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理 . 5 2.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 . 6 2.4 無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) . 7 第三章 空調(diào)壓縮機(jī)用無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì) . 9 3.1 電機(jī)設(shè)計(jì)的主要 約束條件 . 9 3.2 電機(jī)的設(shè)計(jì)方案的確定 . 9 3.3 電機(jī)材料的選擇 . 11 3.3.1 永磁體材料 . 12 3.3.2 鐵心材料 . 13 3.3.3 磁路結(jié)構(gòu) . 14 3.4 主要磁路系數(shù)的選擇 . 15 3.4.1 空載漏磁系數(shù) . 15 3.4.2 極弧系數(shù) . 16 3.4.3 氣隙系數(shù) . 17 3.5 無(wú)刷直流電機(jī)主要尺寸的選擇 . 18 3.5.1 電樞直徑和電樞鐵芯長(zhǎng)度 . 18 3.5.2 電磁負(fù)荷的選擇 . 19 3.5.3 定子槽數(shù)和極數(shù)的選擇 . 19 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3.5.4 槽形及沖片尺寸選擇 . 22 3.5.5 氣隙長(zhǎng)度的選擇 . 23 3.6 電機(jī)磁路設(shè)計(jì) . 24 3.6.1 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) . 24 3.6.2 轉(zhuǎn)子有效長(zhǎng)度 . 25 3.6.3 磁鋼尺寸的選擇 . 25 3.7 設(shè)計(jì)流程圖 . 27 3.8 電磁設(shè)計(jì)方案 . 28 第四章 Maxwell 輔助設(shè)計(jì)及分析 . 30 4.1 Maxwell 軟件簡(jiǎn)介 . 30 4.2 樣機(jī)初始規(guī)格 . 31 4.3 電機(jī)優(yōu)化結(jié)果 . 31 4.4 性能分析及討論 . 34 第五章 降低齒槽轉(zhuǎn)矩的分析與討論 . 36 5.1 引言 . 36 5.2 分析步驟 . 37 5.2.1 轉(zhuǎn)矩特性分析 . 37 5.2.2 齒槽轉(zhuǎn)矩的傅立葉分析 . 37 5.2.3 極弧長(zhǎng)度的選擇 . 39 5.3 有限元分析 . 39 5.3.1 有限元分析模型 . 39 5.3.2 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路模型 . 40 5.3.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果及其分析 . 41 5.4 分析結(jié)果討論 . 44 5.5 兩臺(tái)樣機(jī)的比較分析 . 45 5.5.1 兩臺(tái)樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)比較 . 45 5.5.2 兩臺(tái)樣機(jī)計(jì)算結(jié)果比較 . 46 第六章 無(wú)刷直流電機(jī)在空調(diào)壓縮機(jī)中的應(yīng)用 . 47 6.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) . 47 6.2 閉環(huán)調(diào)速方案設(shè)計(jì) . 48 6.2.1 雙閉環(huán)調(diào)速方案 . 48 6.2.2 速度測(cè)量方案 . 49 6.3 系統(tǒng)核心控制器選擇 . 50 6.3.1 PIC 系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 . 50 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 3 6.3.2 PIC 系列單片機(jī)優(yōu)勢(shì) . 51 6.4 無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方案的選擇 . 52 6.4.1“反電勢(shì)法” BLDCM 控制原理 . 54 6.4.2“反電勢(shì)法” BLDCM 起動(dòng)方法研究 . 56 6.5 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) . 57 6.5.1 系統(tǒng)功能要求 . 57 6.5.2 系統(tǒng)硬件組成 . 58 6.5.3 系統(tǒng)開(kāi)關(guān)主電路設(shè)計(jì) . 58 6.5.4 電源電路設(shè)計(jì) . 59 6.5.5 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì) . 60 6.5.6 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) . 61 6.5.7 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì) . 62 6.5.8 保護(hù)電路 設(shè)計(jì) . 63 6.6 電機(jī)控制板 . 64 第七章 結(jié)論 . 65 7. 1 論文工作成果 . 65 7. 2 存在的不足和有待完善的工作 . 66 參考文獻(xiàn) . 67 附錄 A 6 極 36 槽電機(jī)設(shè)計(jì)清單 . 71 附錄 B 8 極 9 槽電機(jī)設(shè)計(jì)清單 . 73 附錄 C 無(wú)位置傳感器 BLDCM 控制原理圖 . 75 在學(xué)研究成果 . 76 致 謝 . 77 - 1 - 第一章 緒論 1.1 課題研究的目的和意義 近幾年來(lái)，磁性材料與電力電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得永磁電機(jī)不僅可以獲得高功率密度，也減少了電機(jī)的體積和重量，并且因沒(méi)有同感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流損耗而使效率進(jìn)一步提高。由于永磁電機(jī)具有高效率和高功率因數(shù)，有待取代傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)，成為各種科技產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，例如：空調(diào)、航空、工具機(jī)、機(jī)器人、 OA 機(jī)器及精密紡織等。 由于客戶對(duì)于品質(zhì)的要求日益提高，針對(duì)電機(jī)所 產(chǎn)生的振動(dòng)及噪音問(wèn)題也更為關(guān)注，振動(dòng)和噪音對(duì)于電機(jī)整體的性能影響很大，如效率和轉(zhuǎn)速方面。電機(jī)的振動(dòng)也好似產(chǎn)品功能的一種障礙，更是可靠度及使用壽命的重要指標(biāo)之一。然而造成電機(jī)振動(dòng)噪音的來(lái)源非常多，如加工制造商的不精確而造成的軸彎曲、質(zhì)量不平衡、軸偏心以及電機(jī)本身結(jié)構(gòu)上的諧波磁場(chǎng)、鐵心飽和及長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)造成軸承的磨損等等。 本論文將針對(duì)表面型永磁無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)進(jìn)行各項(xiàng)特性分析比較。 1.2 空調(diào)用無(wú)刷直流電機(jī)的研究現(xiàn)狀 永磁無(wú)刷直流電機(jī)和永磁直流電機(jī)相比，最大的特點(diǎn)就是沒(méi)有換向器和電刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。加之，其轉(zhuǎn)子 采用永磁體勵(lì)磁，沒(méi)有激磁損耗 ； 發(fā)熱的電樞繞組通常裝在外面的定子上，熱阻較小，散熱容易。因此，永磁無(wú)刷直流電機(jī)在保持了普通直流電機(jī)良好的調(diào)速和啟動(dòng)性能的同時(shí)，還具有無(wú)換向火花及無(wú)線電干擾，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。一般認(rèn)為，永磁無(wú)刷直流電機(jī)既具有永磁有刷直流電機(jī)優(yōu)良的機(jī)械特性和控制特性，又克服了有刷電機(jī)的缺點(diǎn)，具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 1.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有待研究的問(wèn)題 (1) 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) ： 目前 ， 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)存在的最重要的問(wèn)題就是存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。由于轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)，使得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用受 到了限制，尤其是在直接驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的場(chǎng)合，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)使得電機(jī)速度控制特性惡化。尤其是用于視沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 -2- 聽(tīng)設(shè)備、空調(diào)中的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，更要求運(yùn)行平穩(wěn)、沒(méi)有噪音。因而抑制或消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成為提高無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因主要有：齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，由換相電流引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。目前，各高校以及科研機(jī)構(gòu)提出了各種抑制或削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，這些研究無(wú)法根本上消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。因而，有待于進(jìn)一步的研究。 (2) 無(wú)位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法 ： 無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)中，最常見(jiàn)和應(yīng)用最廣泛的 是反 電動(dòng)勢(shì)法。但該方法是在忽略電樞反應(yīng)的基礎(chǔ)上的進(jìn)行的，在原理上 存在誤差，對(duì)于大功率無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁密的影響更明顯，誤差也就更大。另一方面，電機(jī)在啟動(dòng)和低速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)為零或很小，很難通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)存在啟動(dòng)問(wèn)題。因此，如何克服反電動(dòng)勢(shì)法中電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題，是急需解決的。對(duì)于啟動(dòng)問(wèn)題，一般采用三段式啟動(dòng)方法再切換到無(wú)位置傳感器的 正常運(yùn)行 。 (3) 最佳換向 ： 最佳換向是為了使無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩最大，脈動(dòng)最小，實(shí)現(xiàn)效率最高的基點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換。最佳換相，包括最佳換向邏 輯和最佳換相位置兩個(gè)方面的含義，前者解決如何換向，后者解決什么時(shí)候換向。在最佳換向邏輯的研究中，大多是采用一套固定的有關(guān)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和功率開(kāi)關(guān)管的真值表，而缺乏系統(tǒng)的概括性更強(qiáng)的理論研究。盡管在理想狀態(tài)下的最佳換向邏輯的研究比較透徹，但是在電機(jī)設(shè)計(jì)工作過(guò)程中最佳換向位置的研究還不夠，實(shí)際運(yùn)行的電機(jī)不同于理想電機(jī)，在理想電機(jī)中所忽略掉的次要因素實(shí)際上都會(huì)不同程度地影響最佳換向位置。因此，這就要求研究投入更多的精力。 1.4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主要用途 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是隨著電子技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新型機(jī)電一體化電動(dòng)機(jī)。 它是電子技術(shù)和電動(dòng)機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，由電動(dòng)機(jī)和電子驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。具有與普通直流電動(dòng)機(jī)相似的線性機(jī)械特性和線性轉(zhuǎn)矩、電流特性。關(guān)鍵特征 :需要多相逆變器驅(qū)動(dòng) ；由于沒(méi)有電刷和換向器，即使在很高的轉(zhuǎn)速下，可得到較高的可靠性 ； 有較高的效率 ；低的 EMI； 總系統(tǒng)成本比直流電動(dòng)機(jī)高 ； 可實(shí)施無(wú)傳感器控制。 由于永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 :在計(jì)算機(jī)外設(shè)和辦公室自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用。在家用電器中的應(yīng)用，例如音像設(shè)備、家用洗衣機(jī)、空調(diào)裝置的應(yīng)用。錯(cuò)誤 !未找到引用源。 - 3 - 在汽車、電動(dòng)自行車等交通工具中的應(yīng)用。在醫(yī)用領(lǐng)域中的應(yīng)用，例如高速離心機(jī) 、心臟泵等的應(yīng)用。 此外，在特殊環(huán)境條件下，如潮濕、真空以及有害物質(zhì)的場(chǎng)所，為提高系統(tǒng)的可靠性，采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。其中，軍事和航天領(lǐng)域是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最先得到應(yīng)用的領(lǐng)域。 1.5 課題 研究的 背景和意義 隨著大功率開(kāi)關(guān)器件、集成電路及高性能磁材料的進(jìn)步，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)得到了快速發(fā)展，并成為驅(qū)動(dòng)先進(jìn)制冷系統(tǒng)的發(fā)展方向。但在目前國(guó)內(nèi)的絕大部分變頻空調(diào)中，壓縮機(jī)效率與功率因數(shù)較低，噪聲較大，對(duì)變頻器容量要求高。將永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用到壓縮機(jī)中，則可以克服這些缺點(diǎn)，且不受電源頻率限制，壓縮機(jī)的額定轉(zhuǎn)速可以設(shè)計(jì)得較 高，既可以優(yōu)化壓縮機(jī)的運(yùn)行功率，又可以減小壓縮機(jī)的體積。傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方法是采用電子式或機(jī)電式位置傳感器直接測(cè)量，然而傳感器有的分辨率低或運(yùn)行特性不好，有的對(duì)環(huán)境條件很敏感，如振動(dòng)潮濕和溫度變化都會(huì)使性能下降，使得整個(gè)系統(tǒng)的可靠性難以得到保證。由于壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)往往是密封的，連線眾多的位置傳感器會(huì)降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性， 加之 制冷劑的強(qiáng)腐蝕性，常規(guī)的位置傳感器很難正常工作。因此，采用無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有很多的優(yōu)越性。 1.6 本文的主要工作及 安排 (1) 學(xué)習(xí)無(wú)刷直流電機(jī)原理， 學(xué)習(xí)無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)，定子部分，轉(zhuǎn)子部分的設(shè)計(jì)。使用公式流程設(shè)計(jì)兩臺(tái)樣機(jī)，使用 Ansoft 軟件進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行結(jié)果分析。 (2) 無(wú)位置傳感器控制方法的選擇，文章選用了反電動(dòng)勢(shì)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。 (3) 硬件電路設(shè)計(jì)。搭建基于 PIC18F4580 單片機(jī)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 (4) 系統(tǒng)調(diào)試。對(duì)搭建的基于 PIC18F4580 單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，使該系統(tǒng)具有良好的控制性能。 - 4 - 第二章 永磁無(wú)刷直流 電機(jī) 簡(jiǎn)介 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) (BLDCM: Brushless Direct Current Motor)是近幾十年隨著電力電子技術(shù)而迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型電動(dòng)機(jī)，其基本原理就是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)逆變電路的功率開(kāi)關(guān)元件，反映轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)，使電樞繞組依照一定的順序饋電，從而在氣隙中產(chǎn)生步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)永磁式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 1_2。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)依一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換 3-4。 2.1 無(wú)刷 直流 電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種可控制變頻的永磁同步電動(dòng)機(jī)，與永磁同步電動(dòng)機(jī)相比，就是通入的電流為方波而非正弦波 5。就其基本組成結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為 是由直流電源、電力電子換相電路、永磁無(wú)刷直流電機(jī)和磁極位置檢測(cè)電路組成的“電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”，其中電子換相電路又由功率逆變電路和控制器組成?？驁D如圖 2.1 所示： M直 流 電 源 逆 變 橋控 制 器永 磁 無(wú) 刷直 流 電 機(jī)位 置 傳 感 器圖 2.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 Fig. 2.1 BLDCM structure diagram 在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，電樞繞組在定子上，永磁體在轉(zhuǎn)子上。與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子為永磁體，產(chǎn)生氣隙磁通 ； 定子為電樞，由多相繞組組成，結(jié)構(gòu)上與永磁同步 電動(dòng)機(jī)類似 6。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子的結(jié)構(gòu)與普通的同步電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，在鐵心中嵌入多相繞組 (三相、四相、五相不等 )，繞組可接成星形或角形，并分別與逆變器的相應(yīng)功率管相連，以便進(jìn)行合理?yè)Q相。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 - 5 - 在 樣機(jī) 設(shè)計(jì)中，用反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的位置傳感器，這樣使得電機(jī)的成本明顯減小 7。過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路將檢測(cè)到的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)送入處理器，信號(hào)處理后，就形成有序的換相邏輯，觸發(fā)相應(yīng)的功率管使特定的相導(dǎo)通。 2.2 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本組成 主要由電動(dòng)機(jī)主體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)電路三部分組成 8。一般的直流電機(jī)由于電刷的換相，使得由永久磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電樞繞組通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中始終保持垂直從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 9。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理和有刷直流電動(dòng)機(jī)基本相同，即在一個(gè)具有恒定磁通密度分布的磁極下，保證電樞繞組中通過(guò)的電流總量恒定，以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩只與電樞電流的大小有關(guān) 10。 BLDCM 轉(zhuǎn)子的氣隙磁通為梯形波，電樞的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)亦為梯形波，大小與轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)速成正比。 BLDCM 三相電樞繞組的每相電流為 120通電型的交流方波，反電動(dòng)勢(shì)為 120梯形波。只要控制好逆變器各橋臂功率器件的開(kāi)關(guān)時(shí)刻就能滿足上述要求。但是 需要確定 方波電流的通電時(shí)刻與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形、轉(zhuǎn)子磁極位置有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，否則會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使平均轉(zhuǎn)矩減小 11。 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)三相繞組主回路基本類型有三相半控和三相全控兩種，三相半控電路的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，一般采用圖 2.2 所示的三相全控式電路結(jié)構(gòu)，在該電路中，電動(dòng)機(jī)的繞組為星型聯(lián)接。圖 2.2 中的主電路是一個(gè)典型的電壓型交 -直 -交電路，逆變器提供等幅等頻調(diào)制波的對(duì)稱交變矩形波。 隨著永磁體的 N-S 極交替交換，使位置傳感器產(chǎn) 生相位差 120的 U、 V、 W 方波 ,邏輯控制單元通過(guò)判斷位置傳感器信號(hào)而產(chǎn)生 PWM 相序來(lái)控制 T1、 T2 T6 六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通 ,使之工作在兩兩通電 ， 三相六狀態(tài)方式 ， 兩兩通電方式是指每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通 ,每隔 60電角度換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每個(gè)功率管每次導(dǎo)通 120電角度。各功率管導(dǎo)通順序依次為 T1-T4 導(dǎo)通、 T1-T6 導(dǎo)通、T3-T6 導(dǎo)通、 T3-T2 導(dǎo)通、 T5-T2 導(dǎo)通、 T5-T4 導(dǎo)通。也就是說(shuō)將直流母線電壓依次加在 BLDCM 的定子繞組 A+B、 A+C、 B+C、 B+A、 C+A、 C+B 上，在這 種控制方式下，得到理想的相電動(dòng)勢(shì)和電流波形。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 -6- 控 制 器T 1T 4T 3 T 5T 2T 6NV NABCZ bZ cZ a位 置 檢 測(cè)圖 2.2 BLDCM 三相全控式結(jié)構(gòu)圖 Fig.2.2 BLDCM three-phase all control structure drawing 2.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 以二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，分析 BLDCM 的數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性。為了便于分析，假定： (1) 三相繞組完全對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)方波，定子電流、 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布皆對(duì)稱； (2) 忽略齒槽、換相過(guò)程和電樞反應(yīng)等的影響； (3) 電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布； (4) 磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗。 則三相繞組的電壓平衡方程可表示為： cbacbacbacbaeeeiiipLMMMLMMMLiiirrruuu000000 (2.1) 其中，au、bu、cu為定子相繞組電壓，ai、bi、ci為定子相繞組電流，ae、be、ce為定子相繞組電動(dòng)勢(shì)， L 為每相繞組的自感， M 為每?jī)上嗬@組間的互感， p 為微分算子 dtdP / 。 對(duì)于三相繞組星形連接，且無(wú)中線，則有： 0 cba iii (2.2) 并且有： acb MiMiMi (2.3) 將式 2.1、 2.2 和 2.3 經(jīng)過(guò)整理，得到的電壓方程為： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 - 7 - cbacbacbacbaeeeiiipLMMMLMMMLiiirrruuu000000 (2.4) 根據(jù)電壓方程式 2.3 可得到電機(jī)的等效電路圖，如圖 2.4 所示 ： U aU bU ci ai bi crrrL - ML - ML - Me be ae c圖 2.3 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的等效電路 Fig. 2.3 Equivalent Circuit Figure of PM BLDCM 電壓方程式 2.4 可寫成如下形式： cbacbacbacbaeeeiiirrruuuMLMLMLiiip000000100010001(2.5) 電磁轉(zhuǎn)矩方程為： /)ieieie(T ccbbaaem (2.6) 由式 2.6 可以看出，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩大小與相繞組的電流和反電動(dòng)勢(shì)的幅值成正比，所以控制逆變器 輸出方波電流的幅值即可控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。 2.4 無(wú)刷直流 電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) (1) 向高效節(jié)能方向發(fā)展 ： 高效是指滿載時(shí)效率高，節(jié)能是指綜合節(jié)能效果。如效率相同，但使用對(duì)象不同，節(jié)電效果也不同。一般的稀土永磁同步電機(jī)，平均節(jié)電率高達(dá) 10，某些專用稀土永磁同步電機(jī)，如油田抽油機(jī)用電機(jī)，節(jié)電率高達(dá) 1520。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 -8- 電動(dòng)機(jī)的節(jié)能分兩個(gè)方面。一方面是改革異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高效率和其他性能。歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，提高電機(jī)效率重點(diǎn)放在異步電動(dòng)機(jī)上，英國(guó)三相異步電動(dòng)機(jī)的用電量占電動(dòng)機(jī)總用電量的 86。其次是發(fā)展永磁 同步電動(dòng)機(jī)，可以取得更高的節(jié)電效果。根據(jù)我國(guó)國(guó)情，高性能的稀土永磁材料釹鐵硼的產(chǎn)量現(xiàn)已居世界第一位，價(jià)格也趨向合理。統(tǒng)計(jì)資料表明，中小型永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率可提高 5，節(jié)電率10，某些專用永磁同步電機(jī)節(jié)電達(dá) 15 20。所以發(fā)展永磁同步電動(dòng)機(jī)是電機(jī)工業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。 (2) 向機(jī)電一體化方向發(fā)展 ： 要提升傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品的水平，必須緊緊抓住機(jī)電一體化這個(gè)環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，是發(fā)展各種機(jī)電一體化需用的各種高性能稀土永磁電機(jī)，如數(shù)控機(jī)床用伺服電機(jī)，計(jì)算機(jī)用 VCM 音圈電機(jī)。一臺(tái) 60 把刀加工中心，要配備 30 臺(tái)伺服電機(jī)。變頻調(diào)速稀土永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。 (3) 向高性能方向發(fā)展 ： 現(xiàn)代化裝備向電機(jī)工業(yè)提出各種各樣的高性能要求，如軍事裝備要求提供給各種高性能信號(hào)電機(jī)，移動(dòng)電站，自動(dòng)化裝備用伺服系統(tǒng)及電機(jī)，航空航天用高性能、高可靠性永磁電機(jī)，化纖設(shè)備用高調(diào)速精度變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)，數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人用高調(diào)速比稀土永磁伺服電機(jī)，計(jì)算機(jī)用高精度擺動(dòng)電機(jī)及主軸電機(jī)等等。 (4) 向?qū)Ｓ秒姍C(jī)方向發(fā)展 ： 電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載千變?nèi)f化，如全部采用通用型電動(dòng)機(jī)，在某些情況下，技術(shù)經(jīng)濟(jì)很不合理。因此國(guó)外 大力發(fā)展專用電機(jī)，專用電機(jī)約占總產(chǎn)量的 80，通用電機(jī)占 20。而我國(guó)恰恰相反，專用電機(jī)只占 20，通用型電機(jī)占 80。專用電機(jī)是根據(jù)不同負(fù)載特性專門 設(shè) 計(jì)的，如油田用抽油機(jī)專用稀土永磁電機(jī)，節(jié)電率高達(dá) 20 ， 這方面的節(jié)能潛力很大。電機(jī)工作者不僅要研究電機(jī)本身，更應(yīng)當(dāng)研究所驅(qū)動(dòng)負(fù)載的特性，設(shè)計(jì)出性能先進(jìn)、運(yùn)行可靠、價(jià)格合理的稀土永磁電機(jī)產(chǎn)品。 (5) 向輕型化方向發(fā)展 ： 航空航天產(chǎn)品，電動(dòng)車輛、數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療器械、便攜式光機(jī)電一體化產(chǎn)品等，都對(duì)電機(jī)提出體積小、重量輕的嚴(yán)格要求。有些還對(duì)產(chǎn)品形狀提出要求， 如信息產(chǎn)品提出扁平化，世界上最小的電機(jī)已達(dá)到 0.8mm，102mm， 用于醫(yī)療檢測(cè)。 - 9 - 第三章