无刷直流电动机及驱动系统设计.doc

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1、 湖南工程学院毕业设计（论文）目录摘 要IABSTRACT第1章 无刷直流电动机的发展和研究状况1.1 无刷直流电动机的发展和特点11.2 无刷直流电动机在工业中的应用 21.2.1 我国稀土永磁材料的性能和价格31.2.2 优化电机磁路结构设计和加工制造工艺31.2.3 线路的要求41.3 无刷直流电动机在工业中的应用41.4 无刷直流电动机的发展趋势51.4.1 电力电子技术及微处理技术对无刷直流电动机的影响51.4.2 新材料对无刷直流电动机的促进61.4.3 性能改进和新品种的开发7第2章 无刷直流电动机及驱动系统的结构和原理82.1 无刷直流电动机及驱动系统的基本结构82.1.1 电

2、动机本体82.1.2 位置传感器92.1.3 电子换向电路102.2 无刷直流电动机系统的原理与运行特性102.2.1 无刷直流电动机的工作原理102.2.2 无刷直流电动机系统的组成112.2.3 系统方程式122.2.4 运行特性分析13第3章 无刷直流电动机驱动系统的初步设计173.1 位置传感器的选择173.1.1 霍尔传感器183.1.2 霍尔效应183.1.3 霍尔位置传感器193.1.4 位置传感器的设计203.2 无刷直流电动机的控制技术223.2.1控制电路的选择223.2.2 控制原理223.3 无刷直流电动机驱动器的基本功能243.3.1 电流换向功能243.3.2 调速

3、功能243.4 无刷直流电动机的驱动电路设计253.4.1 驱动电路工作原理253.4.2 驱动实施方案26第4章 无刷直流电动机的电磁计算程序284.1 无刷直流电动机主要尺寸确定方法284.1.1 定子设计294.1.2 转子设计304.1.3 无刷直流电动机相数、级数及槽数的选择304.2 磁路系统设计324.2.1 磁路结构选择与磁场分析324.2.2 磁钢的最佳工作点与稳定方法344.3 电路系统设计364.3.1 电枢绕组和电路形式的选择应考虑的问题364.3.2 电路参数计算374.4 电枢反应384.4.1直流电枢反应384.4.2交流电枢反应394.5电磁计算程序40小节与致

4、谢48参考文献49附录：（A）无刷直流电机总装图附录：（B）定子冲片图无刷直流电动机及驱动系统的设计摘 要：无刷直流电动机是近年迅速兴起的一种新型电机，它广泛应用与工业，农业，以及军事等领域。 无刷直流电动机系统既保持了直流电动机良好的调速控制特性，由具有寿命长、可靠性高、无换向火花及低噪音等优点，又消除了电刷和换向器的机械接触。本文是对无刷直流电动机系统做出深入的剖析与设计。在介绍无刷直流电动机设计中，关于相数、极数、槽数及绕组连接方式的选择方法和应遵从的规律.而且针对直流电动机结构特点和工作性能，在电枢反应理论基础上设计出功率为240w的无刷直流电动机，并对霍尔位置传感器和无刷电动机的控制

5、及驱动做了详细的分析。关键词：无刷直流电动机；霍尔位置传感器；控制；驱动The Design of Brush less DC Motor and its Drive systemAbstract：Brush less DC motor is a new-model electric machine emerging rapidly in recent years. It is to widely used in industry 、agriculture military affair and so on . Apart from good speed regulation characte

6、ristics which DC Motor has, brush less DC drive system not only has some merits Such as long life (longevity), high reliability, no commutation Spark, low to noise and soon but eliminates the mechanical Contact of brush with commutation. This text analyzes and designs brush less DC motor drive syste

7、m detailed. During the design select the number of phase. Pole and slot and indicates the rule followed, depending on the structure features and performance characteristic of DC motor, and design 240w brush less DC motor based on armature reaction, and analyzes detailed Hoer position sensor and the

8、control and drive of rush less DC motor. Keywords：brush less DC motor；Hoer position sensor；control；Drive. 第1章 无刷直流电动机的发展和研究状况无刷直流电动机是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电动机。传统的直流电动机存在换向器，因而存在碳刷磨损和碳刷粉末玷污线圈绝缘及其它零部件问题，由此带来火花、维护困难、寿命短等致命缺陷，但直流电动机的调速性能好，起动性能好，故在调速性能要求高的场合，可用直流电动机。随着电子技术的迅速发展和高能永磁材料的出现，能使直流电动机做得和交流

9、电动机一样结构简单，耐用，而又具有良好的性能。它是现代工业设备、现代科学技术和军事装备中重要的机电元件之一。无刷直流电动机是以法拉第的电磁感应定律为基础，而又以新兴的电子技术、数字电子技术和各种物理原理为后盾。因此它具有很强的生命力。 1.1 无刷直流电动机的发展和特点研究和分析微特电机的应用和发展，人们肯定会得出这样的看法和结论：无刷直流电动机将会持续目前迅速发展的势头，并将在要求高性能的应用领域中逐步取代其他类型的电机，占主导地位。由于无刷直流电动机保持着有刷直流电动机的优良控制特性,在电磁结构上和有刷直流电动机一样,但它的电枢绕组放在定子上,转子上放永久磁钢。无刷直流电动机的电枢绕组相交

10、流电机的绕组一样,采用多相形式,经由驱动器接到直流电源上,定子采用位置传感器实现电子换向代替有刷电机的电刷和换向器,各相逐次通电产生电流,和转子磁极主磁场相互作用,产生转矩。和有刷直流电机相比,无刷直流电动机由于革除了电的滑动接触机构,因而消除了故障的主要根源。由于转子上没有绕组,因此就没有电的损耗。又由于主磁场是恒定的,因此铁损也是极小的(在方波电流驱动时,电枢磁势的轴线是脉动的,会在转子铁心内产生一定的铁损)。总的来说,除了轴承旋转产生摩擦损耗外,转子的损耗很小,因而进一步增加了工作的可靠性。随着电子技术的进步,电子工业的发展,电子元器件的价格不断下降。考虑综合指标(系统性能、重量、能量消

11、耗等)之后,无刷直流电机的应用正处于上升趋势。下表是与其它电机的综合特性比较。 性能系统机械特性过载能力可控性平稳性噪音电磁干扰维修性寿命体积效率成本交流异步电机有刷直流电机无刷直流电机软 硬 硬小 大 大难 易 易较差较好好较大大 小小 严重 小易 难 易长短长大 较小小低高低低 较高较高以上分析可以看出,在工业应用中,无刷直流电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率、耐受环境和经济性等方面具有明显优势。近几年,随着稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比的不断提高,无刷直流电动机作为中小功率高性能调速电机和伺服电机在工业中的应用越来越广泛。1.2 无刷直流电动机的研究和开发进

12、展稀土永磁无刷电动机效率高,性能好,体积小,重量轻,安全可靠,无需维修,寿命长,因而已经被广泛地应用在数控机床、航空航天、计算机外围设备等高科技领域中。现代的无刷直流电动机,其构造实际上是1台永磁式步进电动机(一种永磁式同步电动机)。其转子是由永久磁铁组成,定子上存在着多相绕组,如图1所示的是常用的三相无刷电机的结构系统示意图。除此之外,有人已经开发研制了高性能的五相直流无刷电机,高性能价格比的两相无刷直流电动机。它们使用的都是直流电源,通过如图1所示的闭环控制线路,将直流电源按照给定的顺序轮流地接通各相绕组,使无刷电动机达到给定的运行特性。可见,无刷直流电动机就其基本结构系统而言,主要包括永

13、磁电动机本体、控制电路和位置传感器三部分组成,其原理方框图如图2所示。由此可见,无刷直流电动机的性能价格比主要由上述三部分决定。永磁电动机本体的性能价格比主要由所选用的永磁材料本身的性能价格比和无刷电动机磁路结构设计和工艺的合理性决定。由于高性能永磁电机所用的稀土永磁材料的成本约占电机总成本的50%左右,因此在永磁电动机磁路结构设计时,如何充分发挥所选用的永磁材料的作用,提高它的利用率成了最重要的问题。其次稀土永磁材料是由磁性粉末压制烧结而成,质脆难以精密加工。稀土永磁材料构成的零件结构越复杂,就越难以加工、粘接和磁化。因此在永磁电机结构设计时,要考虑到永磁材料零件结构形状要便于加工、粘接和磁

14、化。这些对永磁电动机本体的性能价格比都有很大的影响。201.2.1 我国稀土永磁材料的性能和价格我国是稀土大国,资源丰富。稀土永磁材料磁性能优越,用于制造电机可以大幅度地提高电机效率,节约能源,可以大大减少电机的重量,提高电机的运行性能,简化电机结构,提高电机运行的可靠性。这就是无刷电机优越性所在。我国研究的稀土永磁材料在最大磁能积方面已达到国际先进水平,生产能力已超过千吨,目前已能正常批量生产工作温度为120150甚致更高的钕铁硼永久磁铁。防腐技术已经基本解决,成品交货价格大约300元/kg左右,但与国外相比,仍存在较大的差距,主要是我国生产的钕铁硼永磁材料的热稳定性的抗氧化性尚未彻底解决。

15、生产径向磁化磁密均匀分布的高性能磁铁技术还未过关,目前我国只能生产高磁性能的平板块状磁铁和环形轴向磁化的磁铁。而且批量生产的永磁材料产品磁性能还不稳定,分散度大,国家有关职能组织还未制定出有关稀土永磁材料性能指标和测试方法的统一标准,因此永磁材料的质量难以保证,因而影响永磁电机质量的稳定性.71.2.2 优化电机磁路结构设计和加工制造工艺由于永磁电机磁路结构设计对于是否充分利用所选用永磁材料的磁性能和便于永磁材料零件的加工、粘接与充磁,提高永磁电机的性能价格比是至关重要的。因此在设计无刷永磁电机时要充分考虑到上述两点。目前我国永磁材料生产厂家只能提供高磁能积单向磁化的块状磁铁和环形轴向磁化的磁

16、铁。高磁能积单向磁化的块状磁铁在盘式无刷电机磁路结构中既可以得到充分利用,又便于加工、粘接和充磁,从而使盘式无刷电机本体的性能价格比最高24倍。1.2.3 线路的要求无刷直流电动机的控制线路应该包括永磁式步进电动机的平稳起动、变速运行和回馈制动等。要求控制线路本身耗能少效率高。由于永磁步进电动机存在着一个极限起动频率问题,因此电动机开始开环起动的频率不能太高,起动之后,接着是平稳地不失步地快速升频,迅速达到所要求的运行速度,然后自动地进入速度闭环控制的运行状态。运行速度可以人为自动调节,并能实现回馈制动,节约能源。为了提高无刷直流电动机总体的运行效率,目前认为采用脉宽调制的手段(PWM)实现电

17、机恒流控制的方法最有效,效率最高。整个控制功能用单片机来实现成本最低,总体性能价格比最高。1.3 无刷直流电动机在工业中的应用目前在工业先进的国家里,工业自动化领域中的有刷直流电动机已经逐步被无刷直流电动机所替代。现在从国外进口的设备中,已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动机的系统了。这些国家相关的公司(如美国、英国、日本、德国等)已经不再大量生产伺服驱动用的有刷直流电动机了。在一般的工业驱动应用领域,不论电机设计还是系统设计,提高效率节约能量都应该被放在重要的位置。据报道,美国55%以上的电力是消耗在电动机运行上,因此提高电动机的效率,很有意义。在所有类型电机中,无刷直流电动机的损耗最小

18、、效率最高。有资料做过对比分析, 对于7.5kW的异步电机系统效率可达86.4%,但是同样容量的无刷直流电动机效率可达92.4%。6随着电子技术的进步,电子工业的发展,电子元器件的价格不断下降。考虑综合指标(系统性能、重量、能量消耗等)之后,无刷直流电机的应用正处上升趋势。无刷直流电动机在工业中应用也越来越广,应用主要体现在以下几个方面：1 调速驱动机械速度需要任意设定和调节,但速度控制精度要求不高的调速系统分为两种,一种是开环调速系统,另一种是闭环调速系统(此时的速度反馈器件多采用低分辨率的脉冲编码器或交、直流测速等)。通常采用的电机主要有三种:直流电机、交流异步电机和无刷直流电机。这在包装

19、机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量的应用。在调速应用领域最初用得最多的是直流电动机,随着交流调速技术特别是控制技术和电力电子技术的发展,交流变频技术获得了广泛应用,变频器和交流电动机迅速渗透到了原来直流调速系统的绝大多数应用领域,一方面是调速特性可以和直流电机系统相似,另一方面是交流电动机比直流电动机有着较大的优势,容量大、可靠性高、干扰小、寿命长。而在一些特种应用领域,也同样出现这种趋势。然而由于无刷直流电机由于体积小、重量轻和高效节能等一系列优点,中小功率的交流变频系统正逐步为无刷直流电机系统所替代,特别是在纺织机械、印刷机械等原来应用变频系统较多的领域,而

20、在一些直接由电池供电的直流电机应用领域,则更多的由无刷直流电机所替代。2 定速驱动机械：在定速控制应用中,功率不大于10kW而且连续运行的场合,为了减少体积,节省材料,提高效率和降低能耗这些因素,越来越多的电机被无刷直流电机逐步代替。而在功率较大的场合,由于一次成本和投资较大,除了永磁材料外还要增加驱动器,还较少有应用。3 精密控制用：伺服电动机在工业自动化领域的运动控制中扮演了一个十分重要的角色,应用场合的不同,对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同,因而在实际应用中,伺服电动机有各种不同的控制形式:转矩控制/电流控制、速度控制和位置控制。高速、高精度定位控制多采用交、直流伺服系统,近年来由于

21、交流伺服技术日趋成熟,已逐步替代直流伺服系统。方波电流驱动的交流伺服电机实际上就是无刷直流电机,国外一般成为BLDC。8对要求具有严格同步转速或恒速的装置,如扫描仪、摄影机之类,则已大多采用带稳速装置的无刷直流电机。1.4 无刷直流电动机的发展趋势无刷直流电动机是一种机电一体化产品,除了传统的电机本体外,还必须带有传感器,以检测定、转子之间相对位置。而且离开了驱动控制电路,它不可能运行。同样的,电子技术和电子元件的发展又进一步推动无刷直流电动机的发展。1.4.1 电力电子技术及微处理技术对无刷直流电动机的影响1 无刷直流电机向高电压、低电流发展相对来说,电子元器件容易做到高电压、低电流,尤其是

22、功率场效应晶体管。在大电流下管压降大,晶体管上损耗也大。另一方面在高电压、低电流情况下,功率晶体管上的管压降为总线电压的比例也小,这样可以进一步提高系统的效率。2 正弦波电流驱动高速微处理器和DSP器件的出现,使得运行速度、处理能力提高很大,而且还有专用的控制芯片出现。随着这些器件的普及和应用的扩大,器件成本大幅度下降。因此性能明显优秀的正弦波电流驱动的电动机会比方波驱动的电动机更受欢迎。德国西门子公司早期开发的1F5系列是方波电流驱动的,现已停止生产,而以正弦波电流驱动的1F6系列代替。当然正弦波电流驱动的电动机需要带有一定精度的位置传感器,成本会更高一些,所以这种代替并不是在任何场合下都可

23、使用的。由于高速微处理器、DSP的出现,也更加保证了无刷直流电动机的性能。在一些需要控制成本的应用中,增加位置传感器不太实用或无法接受。然而,DSP固有的计算能力可被用来在无刷电机上实现许多无传感控制。在无刷直流电机中,可以有一种仅需四个电阻从获得的位置、速率、干扰转矩信息中进行分配网络的无传感控制算法。此外,这个算法提供了瞬态位置和速率信息,而不像传统的算法中需要采取过零算法。算法要求大约500条DSP指令(因此程序存储量为500字),在这个20MIPS控制器上执行时间约为13s。低成本DSP为压缩机、洗衣机、风扇、泵机和高压交流驱动中的无传感控制(直流无刷电机)提供了一个独一无二的和最优化

24、方案,低成本的DSP电机控制器的应用已经说明无刷式非传感器控制DC电机的应用前景,一个新型高性能器件已经随着工业驱动设备的要求而推向了市场。3 PWM技术原来在采用双极性功率晶体管时,电路的开关频率一般在(2-5)kHz。这样的频率是在人耳声频范围之内,噪声令人讨厌。同时在绕组电感不够大时,绕组电流波形不够平滑、纹波很大。采用功率场效应晶体管和绝缘栅双极性晶体管之后,开关频率可达10kHz以上。这样,不论是电磁噪声,还是电流波形都得到改善。171.4.2 新材料对无刷电机技术的促进电机的小型轻量高效率和磁性材料的发展息息相关。磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段。发展最早的是铝镍钴,

25、这种磁性材料磁能积低,合金中含钴,价格贵,但温度特性好,所以至今某些场合还是用到它。后来开发出铁氧体磁性材料,这种磁性材料磁能积并不高,但价格低,因此在很长一段时间内占了主导地位。再后来是钐钴合金的开发成功,这种磁性材料一下子突破传统磁能积数值,成倍提高,但是合金元素钐是稀土元素,价格昂贵,合金元素也是比黄金贵几倍的材料,且是战略控制物资,因此大大局限了这种高性能磁性材料的推广应用。1983年日本人发明了钕铁硼(NdFeB),引起了磁性材料的一场大革命。钕铁硼磁性材料磁能积高,不含价格昂贵的合金元素,钴和钕同为稀土元素,但钕价格便宜得多,因此使电机效率的提高和小型化出现了转机。由于有了高磁能积

26、的钕铁硼,从而不需要体积硕大的软磁和激磁绕线包。电机的体积重量因此可以大大减小,加工变得简单。电机的电枢绕组也由于磁性材料性能的提高而使绕组线圈大大减少。31.4.3 性能改进和新品种的开发无刷直流电动机中,应该进一步改进的问题中首先是转矩脉动,尤其是用于视听设备、电影机械、计算机中的无刷直流电动机,更要求运行平稳、没有噪声。在这些应用场合中的电动机,大多为小功率、小尺寸的电动机,尺寸紧凑,改动更为困难。为了改进性能,利用计算机进行模拟、分析、计算、比较,研究气隙磁场形状和磁极结构,选择合适的极对数和槽数以及合适的槽口尺寸。为了满足各种要求,也在不断的开发各种类型的无刷直流电动机。如:无槽电机

27、,定子铁心无齿槽只有磁轭,定子绕组直接放在定子铁心轭上;盘式电机,具有两个轴向的气隙,在小容量的情况下,这种电机容易做到低噪声、低振动、低转矩脉动,高效率、高功率密度。和有刷直流电动机相对应,新品种中还包括:无刷直流力矩电动机、无刷直流直线电动机、无刷直流有限转角电动机、低惯量无刷直流电动机等等20。无刷直流电动机相对于其它类型电动机,还是一种新型电动机。它的驱动、控制更是和电子技术息息相关。从最初用于军事工业开始,随着在工业中的广泛使用,无刷电机正在大踏步地向家电、信息产品等消费品领域迅速发展。第2章 无刷直流电动机及驱动系统结构和原理本章将讨论无刷直流电动机及驱动系统的结构和工作原理，着重

28、介绍位置传感器的选择以及电枢绕组和电子换向电路的组合方式，和换流方式的无刷直流电动机。2.1 无刷直流电动机及驱动系统的基本结构 众所周知，有刷直流电动机具有旋转的电枢和固定的磁场。因此，有刷直流电动机必须有一个滑动的接触机构电刷和换向器，通过它们把电流馈给旋转着的电枢。无刷直流电动机却与前者刚好相反，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样，电子换向线路中的功率开关元件，如晶体管或可控硅等直接与电枢绕组连接。电动机内还装有一个位置传感器，它与电子换向线路一起代替了有刷直流电动机的机械换向装置。综上所诉，无刷直流电动机及驱动系统是由电动机本体和驱动器构成，是一种典型的机电一体化产品。图I 无刷直流电

29、动机的结构简图驱动器组成： a. 作为控制中枢的单片机； b作为电子换向的由IGBT或MOSFET构成的逆变桥；c.作为电压型交直交主电路的整流、滤波单元；d.作为人机接口的键盘和数字显示单元;e .作为控制、驱动电源的开关电源。2.1.1 电动机本体电动机的本体主要是有主定子和主转子构成. 主定子是电动机本体的静止部分。它是由导磁的定子铁芯、导电的电枢组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、绝缘槽锲、引出线及环氧树脂等。主转子示电动机的本体转动部分，是产生激磁磁场的部件。它是由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是产生磁场的核心，系由永磁材料和导

30、磁材料组成。无刷直流电动机采用的永磁材料由下例几种：铝镍钴5、铝镍钴5结晶取向、铝镍钴8、铝镍钴8结晶取向、铁氧体及高磁能级的稀土钴永磁材料等。导磁材料一般用10号钢或者工业用电工纯铁等。机械支撑零部件主要是指转轴、轴套和压圈等，它们起固定永磁体和导磁作用。转轴由不导磁材料组成。它们首先必须满足电磁方面的要求，保证在工作气隙中能够产生足够的磁通。电枢绕组允许通过一定的电流，以便产生一定的电磁转矩。其次就是要满足机械方面的要求，保证机械结构牢固和稳定，能传送一定的转矩，并能够经受一定环境的考验。此外，还要考虑到节约材料、结构简单、紧凑、运行可靠和稳升不超过规定的范围。电动机的定子绕组多做成三相对

31、称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机转子由钕铁硼永磁材料构成。在定转子形成的气隙中产生N-S极相间的方波磁场，所以也把这种电动机称为“方波电动机”。为了使电动机绕组准确换向，在电动机内装有位置传感器，作为转子极性的位置信号。2.1.2 位置传感器检测主转子位置的位置传感器是实现无接触换向的一个极其重要的一个组成部件，因此，它是无刷直流电动机的一个关键部分。目前在无刷直流电动机中常用的位置传感器有霍尔元件、光电管、电磁式位置传感器和索尼磁性二极管(SMD)等。位置传感器可分为接触式和无接触式两种。接触式传感器出现的较早，它的结构简单，紧凑，用于比较简单的场合。它和有刷直流电动机相比较，无

32、疑是一种创新，因它把有刷直流电动机的大电流直接接触（电源通过电刷、换向器的接触而加到电枢绕组中去）该为小电流接触，然后通过放大而把电源加到电枢绕组中去。但是，这种结构仍然存在机械接触，当电动机连续工作几千小时后，传感器的闭合次数十分频繁，可高达109次之多。这显然比触头所允许的闭合次数大好几个数量级。当强烈震动，高真空及腐蚀性介质中工作时，运行不可靠，甚至有危险，不能维修，在有些自动控制系统、飞行器、核动力装置和能源装备等不宜采用。无接触式位置传感器则能弥补上述不足。因此本次毕业设计则采用霍尔位置传感器来检测主转子的位置。1 位置传感器的结构 位置传感器核电动机的本体一样，也是静止部分和运动部分组成，即位置传感器的定子和位置传感器的转子，位置传感器的种类很多，这里先以较常用的磁