【文章內(nèi)容簡介】 83。 32 總體結(jié)構(gòu)設計 32 雙閉環(huán)調(diào)速系仿真結(jié)果 33 6 總結(jié)與展望 36 參考文獻 37 致謝 38 天津科技大學 2020 級本科畢業(yè)設計 1 1 緒論 永磁無刷直流電動機 ( 以下 簡稱 PMBDCM ) 是 近年 來隨著信息技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展而 迅速 發(fā)展 起來 的一種 性能優(yōu)秀的 新型 電動機 。它 將老式電動機中的機械電刷和機械換向器，用一種電子換向器取而代之 ，因此使 PMBDCM 不僅保留了直流電動機的 諸多特點 ， 同時還 具備了 交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等 優(yōu)點 ， 這就使得 PMBDCM在各個領(lǐng)域中 有著 廣泛 的 應用 [1]。除此之外 ， PMBDCM高能量、高密度、高轉(zhuǎn)矩慣性比 以及 高效率等 長處決定了其具 有廣闊的發(fā)展 空間 [2]。 永磁無刷直流電動機控制技術(shù)的研究 概況 PMBDCM 是一種非常具有代表性的新型機 電一體化產(chǎn)品， 這種產(chǎn)品由定子、轉(zhuǎn)子、位置傳 感器和電子開關(guān)等組成， 它的成長與材料技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)和檢測技術(shù)等 研究 的進步密切相關(guān)。而這幾項 研究 作為 潛力巨大 的支柱性技術(shù)，必然在信息技術(shù)快速發(fā)展的新世紀，朝著快、新、小和精準、可靠的方向發(fā) 展，為 PMBDCM 的高速發(fā)展提供必備的技術(shù)支持。 近年來，一方面， 隨著 電力電子技術(shù) 的提高、 功率半導體器件容量增大 和開關(guān)速度提高 等 ，都極大 地推動了 PMBDCM 的發(fā)展 [3]。相對來說，電子元器件比較容易做到 高壓低流 ，這不僅 能降低傳輸過程中的 損耗，而且管壓降占總的 線電壓的比例 也會 下降，可以有效地 增加電動機 系統(tǒng)的 工作 效率。因此， 高壓低流 應該是 未來 PMBDCM的發(fā)展方向 之一； 另一方面， 處理器微型化正在高速發(fā)展， 高速微處理器和 DSP 等 元件 的 產(chǎn)出 ， 極大的簡化了 PMBDCM 的控制系統(tǒng) ，并顯著提高了 電動機 的性能 [46]。此外，隨著控 制理論的不斷發(fā)展，許多現(xiàn)代控制理論均被用于 PMBDCM的控制，但是其中有些控制理論還不是很成熟，需要進一步研究。 相信通過長時間的研究和發(fā)展，將之應用到PMBDCM上，必然會推動 PMBDCM的高速發(fā)展 。 現(xiàn)如今，對 PMBDCM 一個研究熱點是無位置傳感器控制的研究 。位置傳感器為逆變器提供 轉(zhuǎn)子位置信號以 確 定電動機的換相 ，是 電動機 系統(tǒng)的重要組成部分， 但 同時 位置傳感器 的許多缺點也是無法避免的 。比如 ： 增加了 電動機的體積和成本、降 低了系統(tǒng)的可靠性、安裝也相對困難等等 [7]。 鑒于這些缺點，國內(nèi)外的許多研究人員一直在尋找能夠替代位置傳感器的方法，也就是無位置傳感器的控制方法，并取得了成功，許多成品也 已 在許多地方進行了應用。 天津科技大學 2020 級本科畢業(yè)設計 2 永磁無刷直流電動機的發(fā)展趨勢 1831 年，著名的科學家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，從而 為現(xiàn)代電動機 奠定 了 理論基礎 [8]。我們都知道，無刷直流 電動機 是在 有刷直流 電動機 的基礎上成長起來的 ，而在長期 的探索和研究中，其主要方向便是尋找有效的技術(shù)或部件將 有刷直流 電動機 中的電刷、 換向器 取而代之。 現(xiàn)如今， 國內(nèi)外對永磁無刷直流電動機的研究工作主要集中在它的控制 器模型、精確調(diào)速 控制 、抑制轉(zhuǎn)矩 脈沖 和位置信號檢測等方面。因此，我認為，對今后 PMBDCM的研究應注重以下幾個方面： （ 1） 優(yōu)化 PMBDCM的控制 方法 ，提高 其 調(diào)速性能； （ 2） 向小型化、集成化及控制器全數(shù)字化方向發(fā)展； （ 3） 開發(fā)研究新型的結(jié)構(gòu)和高效的綠色 PWM控制方案； （ 4） 進一步研究和完善對 PMBDCM 測速系統(tǒng)的改進和優(yōu)化，以及位置信號檢測方法和檢測方式 [9]。 上文中提到，轉(zhuǎn)子位置檢測是電動機中非常重要的部分，因此 對 轉(zhuǎn)子位置的 檢測方法 提出 了 從轉(zhuǎn)子 、 定子結(jié)構(gòu)上 做改動 ，如在轉(zhuǎn) 子表面安裝非磁性 元件 ，通過檢測該 元件 中 由于產(chǎn)生 渦流而 導致 斷開相電壓 轉(zhuǎn)變 來獲得轉(zhuǎn)子位置信號的方法 ； 另有 一種新的檢測思路 —利用 智能控制理論，這種 檢測方法 通過自適應技術(shù)、模糊控制或者神經(jīng)網(wǎng)絡控制來建立被測相的電 壓、電流和轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系， 這種 控制方法 雖然省去了精確的 數(shù)學模型，但是 在應用中存在很大困難 ，使得該 方法 仍 在研究起始階段， 且更多的只是仿真 ，實際應用不 常見 [10]。 現(xiàn)今，使用做多的仍舊是反電動勢控制技術(shù)，其原理是通過檢測反電動勢的零點來確定轉(zhuǎn)子磁鋼的精確位置，同時控制 PMBDCM的換向。 提高 PMBDCM 的 性能 ，可以通過優(yōu)化硬件設計和電力電子裝置來實現(xiàn)；也可改善各種控制方法來進行提高 。 PMBDCM 控制系統(tǒng)是典型的非線性、多變量耦合系統(tǒng)，結(jié)合 現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的控制 方案 ，如 Fuzzy 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制 等多種先進控制策略在 PMBDCM 中的應用將 又一次 提高系統(tǒng)的性能 [11]。 尤其，如果 單片機或 DSP 處理速度 能夠有保障 ，應 加大 各種控制算法的實用化研究，從而全面推進 PMBDCM 控制系統(tǒng) 朝著微型化 、數(shù)字化、 綠色化 和高效節(jié)能 等 方向發(fā)展。 天津科技大學 2020 級本科畢業(yè)設計 3 永磁無刷直流電動機的特點及應用 PMBDCM 的最大特點，就是沒有換 向器和電刷組成的機械接觸結(jié) 構(gòu) ； 能夠產(chǎn)生熱量的電樞繞組通常安裝在外殼定子上，使其 散熱容易。因此 PMBDCM不會產(chǎn)生換向火花，沒有無線電的干擾，壽命長，運行可靠 [12]。 表 11幾種電動機的比較 電動機 項目 開關(guān)磁阻 電動機 變頻調(diào)速異 步電動機 永磁有刷直 流電動機 永磁無刷 直流電動機 結(jié)構(gòu)可靠性 好 好 差 好 效率 較高 較低 較高 高 調(diào)速性能 好 較好 好 好 功率 /體積比 較高 低 較低 高 電動機 本體成本 低 較低 高 較高 控制器成本 較低 高 低 較高 通過上述簡單的比較，我們可以看出 PMBDCM 較其他 電動機 有著明顯的優(yōu)勢 ，其發(fā)展空間和應用范圍都非常的廣闊，下面就將介紹一下 PMBDCM 的幾種應用。 在航空航天中的應用 航空航天用 PMBDCM 最具代表性的是 機械臂控制、陀螺儀與舵機驅(qū)動等幾種應用 ， 這些應用對高速控制和動態(tài)響應能力有著非常高的要 ， 因此這些電動機系統(tǒng) 均通過閉環(huán)速度反饋 方式 進行控制，且大多 都擁有非常 先進控制 的 算法。 其他 航空航天用 PMBDCM，如高速離心泵和高速攝像槍 等，它們使用到的電動機 轉(zhuǎn)速 能夠 達到萬轉(zhuǎn) /分鐘 ， 因此 需考慮 到 高速旋轉(zhuǎn)時 對 電動機機械、電氣方面的影響以及出現(xiàn)問題時的解決方案 。另外，航空航天 使 用電源的電壓等級和頻率也與 民用 區(qū)別較大，因此 電動機 控制系統(tǒng)還須調(diào)整具體的參數(shù)來適應這些區(qū)別。 在汽車中的應用 在汽車中，永磁無刷直流 電動機 主要應用于車輪驅(qū)動、凈化器等。 汽車驅(qū)動：電動汽車的四個 車輪 分別 用各自 獨立的輪式電動機直接 啟動 ，并利用 逆變器進行電子換向，這種結(jié)構(gòu) 有利于機車的 高速運行 ，并 且更換輪胎后也會不影響電動機自身工作 [13]。當今國際上的車輛驅(qū)動使用的方案，基本上是采用取消齒輪、直接驅(qū)動的外轉(zhuǎn)子式電動機（如圖 11），然而 由于 經(jīng)費 的因天津科技大學 2020 級本科畢業(yè)設計 4 素 ，許多汽車生產(chǎn)廠家會 選擇 內(nèi)轉(zhuǎn)子式 PMBDCM。 （ a） 電動輪（帶永磁內(nèi)轉(zhuǎn)子） （ b） 外轉(zhuǎn)子式直流 電動機 圖 11 車輛驅(qū)動使用的方案 凈化器：汽車凈化器 相當一部分都是使用 PMBDCM 的帶動離心式風葉用以 吸收排出污濁的 空氣。常用 的電動機電路是二相橋式換向驅(qū)動電路，這種電機的內(nèi) 定子繞組可以 繞在鐵芯齒上，本體 做成外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，定子和定子繞組放在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，換向采用 簡單且有控制保護功能的專用 集成電路（ ASIC） 。 在家用電器中的應用 近年來， 家用電器正朝著節(jié)能、低噪聲、智能化和高可靠性方向發(fā)展 ，其使用的 電子驅(qū)動 電動機 的性能也隨之在提高 。 變頻空調(diào)的興起使 PMBDCM 在空調(diào)驅(qū)動中的 采用率 正逐步提高。 并且 空調(diào)壓縮機中宜采用無位置傳感器控制方式， 這種控制方式不但能 節(jié)約成本和提高變頻空調(diào)壓縮機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ，而且使系統(tǒng)體積減小、 系統(tǒng)效率 也有所了 增加 。 盤式 PMBDCM在 VCD、 DVD 等家用電器的主軸驅(qū)動中也 有應用 。 同時，吸塵器、攪拌機、電吹風機、攝像機和家用電風扇等 諸多 家用電器也正在 將先前使用較多的 直流 電動機 、單相異步 電動機 和變壓變頻（ VVVF）驅(qū)動式異步 電動機等用 PMBDCM取代，以提高其工作效率。 在精密電子設備和器械中的應用 骨科醫(yī)療器械 ：根據(jù)各種 手術(shù)的需要，要求 電動機的 動力系統(tǒng)能在較寬的范圍 內(nèi) 連續(xù)變速，以適應銑縫、鉆孔、鋸等 技術(shù) 的要求。而現(xiàn)有骨科醫(yī)療器械用驅(qū)動 電動機 是單相交直流串勵 電動機 及電壓調(diào)節(jié)器，其缺點是噪聲大；由于電刷和換相器的存在，致使手術(shù)前 的消毒無法完成 ，給手術(shù) 帶來了極大的影響 ；同時需要定時更換電刷及 電動機 維護。而 PMBDCM 低噪音、寬范圍調(diào)速、體天津科技大學 2020 級本科畢業(yè)設計 5 積小、重量輕等優(yōu)點 卻能有效的改善這些缺點 [14]。 另外 PMBDCM 在計算機硬、 軟盤驅(qū)動、激光打印機、太陽能帆板驅(qū)動 、血液分析儀、醫(yī)護監(jiān)控設備等領(lǐng)域 內(nèi) 正在 逐漸替換 有刷 電動機 。該類PMBDCM 尺寸小、加工精度高，屬于技術(shù)密集型，需求量巨大， 且 目前 其主要來源于 各 發(fā)達國家 。 論文需要做的工作 這一章主要學習和介紹了 PMBDCM 控制技術(shù)的研究概況、發(fā)展趨勢以及在各領(lǐng)域內(nèi)的應用，為本次畢設奠定了理論基礎。 本次畢業(yè)設計，將主要結(jié)合 PMBDCM 的結(jié)構(gòu)和原理，進行以單片機PIC16F877A 芯片 為核心的 PMBDCM 控制系統(tǒng)硬件設計和軟件構(gòu)思，并對 比較熱門的 PMBDCM的無位置傳感器控制技術(shù)重點 進行分析和研究。 從本章第三節(jié)介紹的諸多應用中 我們可以看出， PMBDCM 的應用范圍是非常廣闊的，從 “上天 ”到 “入地 ”，大到火箭小到手術(shù)刀，其應用遍布人民的生活。當然， PMBDCM 的應用不僅僅限于這些，其良好的發(fā)展前景和優(yōu)越的性能決定PMBDCM會在以后有更多、更全面的應用。 天津科技大學 2020 級本科畢業(yè)設計 6 2 永磁無刷直流 電動機 的結(jié)構(gòu)和原理 PMBDCM 由于缺少 換向器和電刷組成的機械接觸結(jié)構(gòu)，因而 使 PMBDCM擁有 壽命長、噪音低、和電磁干擾小等 眾多 優(yōu)點， 并且在此基礎上 還 保持了有刷直流 電動機 優(yōu)越的起動和調(diào)速性能。此外， PMBDCM 的轉(zhuǎn)速不受機械換向的影響 ， 其轉(zhuǎn)速限制就非常小 ， 目前 就已制造出轉(zhuǎn)速 在 80000r/min 的 電機 ，如果采用空氣 軸承或者磁懸浮軸承，它甚至可以以每分鐘高達幾十萬轉(zhuǎn)的速度下運行 [1516]。 永磁無刷直流電動機的結(jié)構(gòu) 常見的 PMBDCM 的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。其主要結(jié)構(gòu)有電動機 M（ 三相兩極 ）、位置傳感器和 逆變器 三部分組成。三項定子繞組 A 相、 B 相、 C 相 分別與電子開關(guān)線路中 功率開關(guān) T T T T T T2 相聯(lián)接， 位置傳感器 與 電動機轉(zhuǎn)軸 同軸 相接 [17]。 圖 21 PMBDCM 的結(jié)構(gòu)原理圖 因此， PMBDCM 的基本結(jié)構(gòu)可以視為由逆變器、電動機 M 以及位置傳感器三者組成（圖 22）。 PMBDCM 具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞，逆變器可直接與電樞繞組相連，位置傳感器和逆變器則替換了有刷電動機的機械換向。 天津科技大學 2020 級本科畢業(yè)設計 7 圖 22PMBDCM 基本結(jié)構(gòu) 電動機本體 PMBDCM 電機 結(jié)構(gòu)與永磁同步 電動機 頗為相似 ， 電機結(jié)構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)子和定子；定子繞組采用交流繞組形式，基本 為多相繞組（三相、四相、五相 等）；轉(zhuǎn)子上裝配永磁體， 常見結(jié)構(gòu)形式有三種（ 圖 23） 。 圖 (a)和圖 (b)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子外徑 有一個固定圈， 防止 永磁體在電動機高速轉(zhuǎn)動時被甩出 ，同時在惡劣的 工作環(huán)境中永磁體 也有 保護作用。 固定圈 通常用不導磁不銹鋼 的材料 。圖 (c)結(jié)構(gòu)是套一個整體 粘貼性 永磁體環(huán) 在轉(zhuǎn)子 鐵芯上 ， 該結(jié)構(gòu)適合 體積和功率較小的 結(jié)構(gòu) ，且 轉(zhuǎn)子的制造工藝性較好。除了上述基本結(jié)構(gòu)形式外，還有一種外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式主要用于電動車的驅(qū)動 。 （ a）矩形切向磁化 (b) 瓦形徑向磁化 （ c）環(huán)形徑向磁化 圖 23 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式 位置傳感器 位置傳感器是 PMBDCM 的 重要器件 ， 其主要作用是跟蹤轉(zhuǎn)子的位置。 傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接， 它將轉(zhuǎn)子位置 的 變 化轉(zhuǎn)換為 電信號， 傳輸給逆變器 ， 而逆變器則控制 定子各相繞組 的 導通順序 。 天津科技大學 2020 級本科畢業(yè)設計 8 位置傳感