直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2024-10-03 07:47 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的位置信號(hào)，為逆變器提供正確的換相信息。位置檢測(cè)包括有位置傳感器和無(wú)位置傳感器檢測(cè)兩種方式。 轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子磁極的位置；其定子固定在電機(jī)本體定子或端蓋上，以檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置傳感器的種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開關(guān)式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。 在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中安裝機(jī)械式位置傳感器解決了電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)問題。但是位置傳感器的存在增加了系統(tǒng)的成本和體積，降低了系統(tǒng)可靠性，限制了直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍，對(duì)電機(jī)的制造工藝也帶來(lái)了不利的影響。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置運(yùn)行方式給予高度重視。 無(wú)機(jī)械式位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是通過檢測(cè)和計(jì)算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量間接地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，主要有反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)法、定子三次諧波檢測(cè)法和瞬時(shí)電壓方程法等。 控制器 控制器是直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功 能的指揮中心，它主要完成以下功能： （ 1）對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器輸出的信號(hào)、 PWM調(diào)制信號(hào)、正反轉(zhuǎn)和停車信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān)管的斬波信號(hào)和選通信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。 （ 2）產(chǎn)生 PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。 （ 3）對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。 （ 4）實(shí)現(xiàn)短路、過流、過電壓和欠電壓等故障保護(hù)電路。 武漢理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 直流無(wú)刷 永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較 表 11 直流無(wú)刷 永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī) 的比較 項(xiàng)目 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 有刷直流電動(dòng)機(jī) 換向 借助轉(zhuǎn)自子位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換向 由電刷和換向器進(jìn)行機(jī)械換向 維護(hù) 由于沒有電刷和換向器，很少需要維護(hù) 需要周期性維護(hù) 壽命 比較長(zhǎng) 比較短 機(jī)械（速度 /力矩） 特性 平（硬）在負(fù)載條件下能在所有速度上運(yùn)行 中等平（中等硬）。在較高速度上運(yùn)行時(shí)，電刷摩擦增加，有用力矩減小 效率 由于沒有電刷壓降，所以效率高 中等 輸出功率 /外形尺寸之比高 由于電樞繞組設(shè)置在與機(jī)殼相連的定子上，容易散熱。這種優(yōu)異的熱傳導(dǎo)特性允許減小電動(dòng)機(jī)的尺寸，所以輸出功率 /外形尺寸之比高 中等 /低。電樞產(chǎn)生的熱量消散在氣隙內(nèi)，這樣增加了氣隙溫度，從而限制了輸出功率 /外形尺寸之比 轉(zhuǎn)自慣量 低。因?yàn)橛来朋w設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng) 轉(zhuǎn)自慣量高，限制了動(dòng)態(tài)特性 速度范圍 比較高。沒有電刷 /換向器給予的機(jī)械限制 比較低，存在電刷給予的機(jī)械限制 電氣噪聲 低 電刷的電弧將對(duì)附近的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾 制造價(jià)格 比較高 低 控制 復(fù)雜和價(jià)格貴 簡(jiǎn)單和價(jià)格不貴 控制要求 為了使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須要有控制器，但同樣的控制器可用于變速控制 對(duì)于一個(gè)固定的速度而言，不需要控制器；有變速要求的時(shí)候才需要控制器 直流無(wú)刷 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 機(jī)械特性 直流無(wú)刷 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為： 武漢理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 22 2 2 2S T a s T ee e e tU U r I U U rnTC C C C? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? （ 11） UT開關(guān)器件的管壓降 Ia電樞電流 Ce電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù) 每級(jí)磁通量 可見 直流無(wú)刷 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特 性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。在不同的供電電壓驅(qū)動(dòng)下，可以得到如 13圖所示 機(jī)械特性曲線簇。 圖 13 機(jī)械特性曲線簇 當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流過開關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時(shí)，管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示的機(jī)械特性曲線會(huì)偏離直線，向下彎曲。 調(diào)節(jié)特性 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如 圖 14所示。 武漢理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 14 調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和 斜率 分別為： 0 2 2e TTrTUUC ???? （ 12） 1eK C ??? （ 13） 從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出， 直流無(wú)刷 電動(dòng)機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。但不能通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速，因?yàn)橛来朋w的勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)。 工作特性 電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如 圖 15所示 。 圖 15 工作特性 在輸出額定轉(zhuǎn)矩時(shí) ,電機(jī)效率高、損耗低是 直流無(wú)刷 電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)之一。 直流無(wú)刷 電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)向 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，但直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)正受到普遍的關(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)越趨武漢理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 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)，直流無(wú)刷電機(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，直流無(wú)刷電機(jī)高效率的特點(diǎn)更顯示了其巨大的應(yīng)用價(jià)值。 直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵，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，直流無(wú)刷電機(jī)雖然不能直接改變磁通實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但通過控制方法的改進(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，直流無(wú)刷電機(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。目前直流無(wú)刷電機(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 ， 直流無(wú)刷電機(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)都要求直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)以無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運(yùn)行。 無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行實(shí)際上就是要求在不采用機(jī)械傳感器的條件下，利用電機(jī)的電壓和電流信息獲得轉(zhuǎn)子磁極的位置 . 目前比較成熟的無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器
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