無刷直流電機(jī)(論文設(shè)計(jì))-在線瀏覽
2024-08-06 15:55本頁(yè)面
【正文】 本體、電子換相電路以及位置檢測(cè)電路共同組成[4]如圖21。無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極采用瓦形磁鋼，經(jīng)專門的磁路設(shè)計(jì)，可獲得梯形的氣隙磁場(chǎng)，定子采用集中整距繞組，因而感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)也是梯形的。電樞繞組在定子側(cè)，有利于常用的的內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)散熱。其中，定子繞組是電機(jī)本體的一個(gè)重要部分。當(dāng)電機(jī)帶著負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)起來后，便在繞組中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，吸收一定的電功率，并通過轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械功率，從而實(shí)現(xiàn)能量從電功能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過程。目前，永磁體多采用錢鐵硼等高矯頑力、高剩磁感應(yīng)密度的稀土永磁材料制作而成。外裝式結(jié)構(gòu)可使轉(zhuǎn)子做得直徑小、慣量低，特別是將永磁體直接貼接在轉(zhuǎn)軸上，還可以獲得低電感，有利于改善動(dòng)態(tài)性能。 無刷直流電機(jī)的的工作原理直流電源通過開關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而有效地控制哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實(shí)現(xiàn)電子換向。普通直流電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，而定子產(chǎn)生固定不動(dòng)的磁場(chǎng)。無刷直流電動(dòng)機(jī)為了去掉電刷，將電樞放到定子上去，而轉(zhuǎn)子制成永磁體，這樣的結(jié)構(gòu)正好和普通直流電動(dòng)機(jī)相反；然而，即使這樣改變還不夠，因?yàn)槎ㄗ由系碾姌型ㄟ^直流電后，只能產(chǎn)生不變的磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)依然轉(zhuǎn)不起來。 建立無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型無刷直流電機(jī)由定子三相繞組、永磁轉(zhuǎn)子、逆變器、轉(zhuǎn)子磁極位置檢測(cè)器等組成[5]。 電壓方程三相繞組的電壓平衡方程可表示為： （21）式子（21）中：ua、ub、uc為定子相繞組電壓（V）；ia、ib、ic為定子相繞組電流（A）；ea、eb、ec為定子相繞組電動(dòng)勢(shì)（V）；為每相繞組的自感（H）；為每?jī)上嗬@組間的互感（H）；為微分算子。BLDCM的電磁轉(zhuǎn)矩方程可表示為： （23）由電磁轉(zhuǎn)矩方程可看出，無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電動(dòng)機(jī)相似，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流幅值成正比，所以控制逆變器輸出方波電流的幅值即可控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。電角度，梯形波反電動(dòng)勢(shì)的平頂部分也為120176。所以BLDCM的運(yùn)動(dòng)方程可表示為： （24）式子（34）中：為極對(duì)數(shù)；為電磁轉(zhuǎn)矩；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。3 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng) 無刷直流電機(jī)的調(diào)速控制電機(jī)的速度控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制和閉壞控制兩種。只能用于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度要求不高的簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，而在要求比較高時(shí)，開環(huán)控制就受到很大的局限。閉環(huán)控制有反饋環(huán)節(jié)，通過反饋使系統(tǒng)的精確度提高，響應(yīng)時(shí)間縮短，適合于對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，穩(wěn)定性要求較高的系統(tǒng)。 開環(huán)調(diào)速控制開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器的輸出沒有影響。當(dāng)控制指令發(fā)出后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照指令執(zhí)行，控制對(duì)象的響應(yīng)情況由運(yùn)行人員自行監(jiān)視。在開環(huán)系統(tǒng)中沒有反饋信號(hào)，而電機(jī)在帶載的一瞬間要有一個(gè)做功的過程，也就是建立系統(tǒng)帶載狀態(tài)下的穩(wěn)定狀態(tài)的過程，這部分功需要增大電機(jī)的電流來補(bǔ)償，同時(shí)也會(huì)犧牲一部分動(dòng)能，也就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以產(chǎn)生了靜態(tài)速降。無刷直流電機(jī)的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖31所示功率驅(qū)動(dòng)電路PWM控制器UdcBLDCM圖31 無刷直流電機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)調(diào)速控制閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。PWM三相逆變器電流調(diào)節(jié)器速度調(diào)節(jié)器位置和速度傳感器BLDCMnrefniqefUDC圖32 無刷直流電機(jī)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖圖32中，nref為給定速度，n為反饋速度iqef為速度調(diào)節(jié)器輸出的電流。（3）電流調(diào)節(jié)器的作用a作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，它的作用使電流緊緊跟隨外環(huán)輸出的變化；b對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用；c在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；d當(dāng)電機(jī)過載堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用，一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能，主要是抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)的性能。另外，負(fù)載擾動(dòng)是在電流環(huán)之后產(chǎn)生，因此可以靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。 無刷直流電機(jī)的控制策略在電機(jī)的控制中，不僅要求系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，還要對(duì)指令信號(hào)有很好的跟蹤能力，盡快與指令信號(hào)保持一致。這就要求電機(jī)必須采用較好的控制策略，提高整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性。這幾個(gè)性能指標(biāo)，在同一系統(tǒng)中有可能相互制約。 PID控制特點(diǎn)在電機(jī)控制中有很多控制方法，比如PID調(diào)節(jié)、卡爾曼濾波和模糊控制等?，F(xiàn)在，經(jīng)過幾十年的不斷更新?lián)Q代，PID控制已經(jīng)得到了飛速的發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了模擬PID控制向數(shù)字PID控制的轉(zhuǎn)換[7]。如圖33所示是一種運(yùn)用PID控制器設(shè)計(jì)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)。PID控制原理圖如圖34比例積分微分被控對(duì)象r(t)e(t)u(t)y(t)圖34 PID控制原理圖r(t)是系統(tǒng)設(shè)定的給定值，y(t)是給定系統(tǒng)輸出的真實(shí)值，e(t)是系統(tǒng)給定值與實(shí)際輸出值相減得到的偏差值。(2)通過對(duì)各參數(shù)的適當(dāng)一調(diào)整，可以達(dá)到很好的控制效果。(4)可以根據(jù)不同的需要，針對(duì)自身的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，形成一系列改進(jìn)的算法。當(dāng)有偏差信號(hào)產(chǎn)生，比例控制器就會(huì)開始進(jìn)行調(diào)節(jié)工作，使該偏差信號(hào)逐漸減小。(2)其次是積分環(huán)節(jié)，它的主要作用是使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的偏差累積成為輸出量，并且進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)偏差信號(hào)為零時(shí)輸出量才能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)不變。(3)最后是微分環(huán)節(jié)，它的主要作用是避免系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的偏差信號(hào)不斷波動(dòng)。微分系數(shù)的大小具有控制超前的作用，當(dāng)微分系數(shù)設(shè)置得當(dāng)?shù)臅r(shí)候，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性能夠得到明顯改變。以上是PID控制器三個(gè)參數(shù)的設(shè)定方法，在調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，還要對(duì)控制器的輸出進(jìn)行一些限定，如電源的額定電壓、額定電流、占空比等，因此三個(gè)參數(shù)的設(shè)定需要大量實(shí)驗(yàn)，防止其超出承受范圍。一般在電機(jī)的控制系統(tǒng)中，比較常用的是比例一積分這種控制方式。4 基于MATLAB的無刷直流電機(jī)模型的建立 MATLAB/Simulink的介紹 MATLAB的簡(jiǎn)介MATLAB[8]是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)
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