【正文】 ...................... 21 4 換 相 與轉(zhuǎn) 矩 脈動(dòng) ..................................................................................................................................... 24 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的定義及引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因 ......................................................................................... 24 換相過(guò)程中的相電流和轉(zhuǎn)矩 ................................................................................................................ 25 電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)換相的影響 ......................................................................................................................... 26 換相對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響 ...................................................................................................................................28 轉(zhuǎn)速對(duì)換相時(shí)間的影響 ......................................................................................................................... 30 換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制 .............................................................................................................................. 31 5 基于 Matlab/Simulink 的仿真分析 ................................................................................. 32 Matlab/Simulink 仿真軟件簡(jiǎn)介 ............................................................................................ 32 基于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法的仿真設(shè)計(jì) ..............................................................................................33 結(jié)果分析 ..................................................................................................................................................... 35 6 結(jié)論 ................................................................................................................................................................ 37 致謝 .....................................................................................................................................................................39 參考文獻(xiàn) ..........................................................................................................................................................40 1 1 緒論 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最初的設(shè)計(jì)思想來(lái)自普通的有刷直流電動(dòng)機(jī)，不同的是將直流電動(dòng)機(jī) 的定、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對(duì) 稱繞組。原直流電動(dòng)機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器所代替。所以無(wú)刷 直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體實(shí)際上是一種永磁同步電機(jī)。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)出力大、控制簡(jiǎn)單、成本低，其調(diào)速性能已能達(dá)到低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于 3%、調(diào)速比大于 1:10000 的水平，因此越來(lái)越多的受到人們的青睞。 選題背景與意義 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，有刷直流電動(dòng)機(jī)從 19 世 紀(jì) 40 年代出現(xiàn)以來(lái)，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)一直在運(yùn)動(dòng)控制 領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，有機(jī)械接觸的電刷 換向器結(jié)構(gòu)一直都是電流電機(jī)的一個(gè)致命 弱點(diǎn)，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場(chǎng)合中的應(yīng)用。為了取代有刷直流電動(dòng)機(jī) 的機(jī)械換向裝置，人們進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展在很大程度上取決于電力電子技術(shù)的進(jìn)步 。 在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 發(fā)展的早期，由于當(dāng)時(shí)大功率開(kāi)關(guān)器件僅處于初級(jí)發(fā)展階段，可靠性差，價(jià)格昂貴，加上 永磁材料和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)水平的制約 ， 使得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)自發(fā)明以后的一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí) 期內(nèi)，性能都不理想，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無(wú)法推廣使用。 1970 年以來(lái)，隨著電力半 導(dǎo)體工業(yè) 的 飛速發(fā)展 ， 許多新型 的 全控型半導(dǎo)體功率 器 件 （如 GTR、 MOSFET、 IGBT 等 ） 相繼問(wèn)世，加之高磁能級(jí)永磁材料（如 SmCo、 NdFeB 等）陸續(xù)出現(xiàn)，這些均為無(wú)刷直流 電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因而得到了迅速的發(fā)展 [1]。 無(wú)刷直流電機(jī)是由電動(dòng)機(jī)本體、位置檢測(cè)器、逆變器和控制器組成的自同步電動(dòng)機(jī)系 統(tǒng)或自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)。位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)，控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信 號(hào)進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào) ， 開(kāi)關(guān)信號(hào)以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開(kāi)關(guān) 器件，將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子各相繞組，式電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷 的轉(zhuǎn)矩。由于采用電力電子器件代替機(jī)械換向器，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)克服了有刷直流電動(dòng)機(jī) 的致命缺點(diǎn)。與有刷直流電動(dòng)機(jī)相比，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有以下特點(diǎn)： （ 1）可靠性高，壽命長(zhǎng)。它的 工 作期限主要取決于軸承及其 潤(rùn)滑系統(tǒng)。高性能的 無(wú) 刷直流電動(dòng)機(jī)工作壽命可達(dá)數(shù)十萬(wàn)小時(shí)。而有刷直流電動(dòng)機(jī)壽命一般較短，在高溫環(huán)境下 2 甚至只有幾分鐘。 （ 2）不必經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)和修理。 （ 3）無(wú)電氣接觸火花、無(wú)線電干擾少，可工作于高真空、不良介質(zhì)環(huán)境。 （ 4）可在高轉(zhuǎn)速下工作，專門設(shè)計(jì)的高速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘 10 萬(wàn)轉(zhuǎn)以上。 （ 5）機(jī)械噪聲低。 （ 6）發(fā)熱的繞組安放在定子上 ， 有利于散熱，便于溫度監(jiān)控，易得到更高的功率 密 度。 （ 7）必須與一定的電子換相線 路 配套使用，從而使總體成本增加，但從控制的角 度 看，有更大的使用靈活性。 無(wú)刷直流電機(jī)的研究 現(xiàn)階段，雖然各種交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)正受到普遍關(guān)注。自 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、 辦公自動(dòng)化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來(lái)越趨向于高效率化、小型化及高 智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)， 無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長(zhǎng)。尤其在節(jié)能已成為時(shí)代主題的今天，無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)高效率的特點(diǎn)更顯示了其巨大的應(yīng)用價(jià)值。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用了永磁磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用 于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；對(duì)于恒功率運(yùn)行，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)雖然不能直接改變磁通實(shí)現(xiàn)弱磁控制， 但通過(guò)控制方法的改進(jìn)也可以獲得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矯頑力高、剩磁 大，可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，這樣可以大大縮小轉(zhuǎn)子半徑，減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因而在 要求有良好的靜態(tài)特性和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等應(yīng)用中， 無(wú)刷直流電機(jī)比交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)顯示了更多的優(yōu)越性 。 目前無(wú)刷直流 電機(jī)的 應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，并日趨廣泛，特別是在家用電器、電動(dòng)汽車、航空 航天等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用。 目前，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究主要集中在以下方面： （ 1）無(wú)機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器 控 制。轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為脆弱 的 部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)還需 要占據(jù)一定的空間位置。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，例如空調(diào)器和計(jì)算機(jī)外設(shè)都要求無(wú)刷直流電動(dòng) 3 機(jī)以無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運(yùn)行。 （ 2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制。存在轉(zhuǎn)矩 脈 動(dòng)是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的固有缺點(diǎn)，特別是隨著轉(zhuǎn) 速 升高，換相導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加劇，并使平均轉(zhuǎn)矩顯著下降。減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)式提高無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)性能的重要方面。 （ 3）智能控制。隨著信息技術(shù) 和 控制理論的發(fā)展，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中，一個(gè)新的 發(fā) 展方向就是先進(jìn)控制理論，尤其是智能控制理論的應(yīng)用。目前，專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是三個(gè)最主要的理論和方法。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟 經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則有機(jī)地融入到傳動(dòng)控制策略當(dāng)中，現(xiàn)已成功地應(yīng)用到許多方面 。隨著無(wú)刷直流 電動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，智能控制技術(shù)將受到更廣泛的重視。 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法綜述 位置檢測(cè)器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要組成部分 ， 包括有位置傳感器檢測(cè)和無(wú)位置傳感 器檢測(cè)兩種方式。最常見(jiàn)的位置傳感器是霍爾開(kāi)關(guān)式位置傳感器，目前比較成熟的無(wú)轉(zhuǎn)子 位置傳感器控制方法主要有反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法和定子三次諧波檢測(cè)法等。 在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，常用的位置傳感器主要有以下幾種類型： （ 1）電磁式位置傳感器。利用電磁效應(yīng)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，具有信號(hào)大、工作可靠、 壽命長(zhǎng)、適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)，多用于航空航天領(lǐng)域，但這種傳感器體積較 大，信噪比較低，同時(shí)其輸出波形為交流，一般需經(jīng)整流、濾波方可使用，因而限制了它 在普通條件下的應(yīng)用。 （ 2）磁敏式位置傳感器。由霍爾元件或霍爾集成電路構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、 成本低，是目前在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。 （ 3）光電式位置傳感器。由裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的遮光盤(pán)和固定不動(dòng)的光電開(kāi)關(guān)組成， 遮光盤(pán)上開(kāi)有 180176。 電角度的扇形開(kāi)口，扇形開(kāi)口的數(shù)目等于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的 極對(duì)數(shù)。光電開(kāi)關(guān)通常采用將發(fā)光二極 管和光敏三極管封裝在一起的光斷續(xù)器。 常用的無(wú)位置傳感器位置檢測(cè)方法有： （ 1）反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法。通過(guò)測(cè)量不導(dǎo)通相的端電壓，與電機(jī)的繞組中點(diǎn)電壓進(jìn)行比 較，以得到反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。反電動(dòng)勢(shì)法的缺陷是當(dāng)電機(jī)在靜止或低速運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng) 勢(shì)為 0 或太小，因而無(wú)法利用。 （ 2）續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)法。通過(guò)對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)管加以特殊時(shí)序的斬波控制信 號(hào)，使電機(jī)繞組的續(xù)流電流沿著特定的回路流通。當(dāng)斷開(kāi)相繞組的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零時(shí)，與斷 4 開(kāi)相開(kāi)關(guān)管并聯(lián)的續(xù)流二極管中將流過(guò)續(xù)流電流 ， 通過(guò)對(duì)該續(xù)流二極管導(dǎo)通與否的檢測(cè)就 可以確定出繞組反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，從而得到電機(jī)的轉(zhuǎn)子信號(hào)。這種檢測(cè)方法實(shí)際檢測(cè)的 也是繞組的反電動(dòng)勢(shì) ， 但是檢測(cè)的靈敏度相對(duì)較高 ， 在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的 2%以上有效 ， 起動(dòng) 容易，調(diào)速比大。缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)電路稍復(fù)雜一些。 （ 3）三次諧波檢測(cè)法。對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，繞組反電動(dòng)勢(shì)為梯形波。經(jīng)過(guò) Fourier 級(jí)數(shù)分解，可以發(fā)現(xiàn)除了基波分量以外，還含有較大的三次諧波分量。三次諧波分量的一 個(gè)周期對(duì)應(yīng)基波分量的 120176。 電角度，其相鄰兩次過(guò)零點(diǎn)間隔 60176。 電角度，正好與電機(jī)相 鄰兩次換向的時(shí)間間隔相同 ， 只是相位相差 90176。 電角度 ， 因此 ， 將反電動(dòng)勢(shì)的三次諧波分 量移相 90176。 電角度以后 ， 得到的信號(hào)就可以作為轉(zhuǎn)子位置信號(hào) ， 其每一個(gè)過(guò)零點(diǎn)均對(duì)應(yīng)著 一個(gè)電流的換相點(diǎn) [1]。 （ 4）瞬時(shí)電壓方程法。利用電機(jī)各相瞬時(shí)電壓和電流方程，實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)由靜止到 正常運(yùn)轉(zhuǎn)任意時(shí)刻轉(zhuǎn)子的位置 ， 控制電機(jī)的運(yùn)行 。 該方法不需專門的起動(dòng)線路 ， 電路簡(jiǎn)單， 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。但對(duì)電機(jī)本體的數(shù)學(xué)模型依賴性大，當(dāng)電機(jī)參數(shù)因溫度變化發(fā)生漂移時(shí) ， 容 易造成建模誤差，是控制精確性受到影響；另外，由于在線計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量很大，考慮 到轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，必須采用具有快速運(yùn)算能力的 DSP 和高速 A/D 轉(zhuǎn)換器。這種 方法還適用于正弦波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。 本文研究?jī)?nèi)容