永磁无刷直流电动机004_土木工程

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土木工程: 永磁无刷直流电动机004
时间：2020/10/14 11:31:41  作者：  来源：  查看：0  评论：0
内容摘要： 摘　　要    永磁无刷直流电动机是近些年来发展起来的一种新型电机，其利用电子换相技术代替直流电动机电刷换向的机电一体化产品。它既具有一般直流电动机的运行效率高、起动转矩大、调速范围广和机械特性为线性等优点，又具有交流电动机的结构简单、运行可...
摘　　要
    永磁无刷直流电动机是近些年来发展起来的一种新型电机，其利用电子换相技术代替直流电动机电刷换向的机电一体化产品。它既具有一般直流电动机的运行效率高、起动转矩大、调速范围广和机械特性为线性等优点，又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。
    本课题来源于沈阳工业大学特种电机研究所承担的横向课题，以永磁无刷直流电动机控制器为研究对象，设计了两个无刷直流电动机控制器，对两个控制器进行了分析与比较。论文首先查阅了国内外的永磁无刷直流电动机的研究动态，简单介绍了无刷直流电动机的工作原理，分析并确定了主回路的导通方式，控制器一是以专用芯片MC33035来进行设计，位置反馈元件有霍尔传感器反馈接口和编码器接口，开关器件采用MOSFET管，设计有转速反馈闭环控制、正反转、过电流保护等。另外，此控制器还采用89C52单片机、MAX7219、AD667等来实现数字转速给定和转速显示。控制器二是基于PIC8F4431电动机控制专用芯片，采用全数字PID控制，有转速、电流双反馈，位置反馈采用编码器反馈，开关器件采用IGBT，在PWM输出端有GAL芯片保护，防止上下桥臂直通。在控制器二中，备有两套程序，程序一是没有进行外加给定值采样，采用两两PWM全导通方式，在此情况下，电机的转矩波动明显，程序二中采用PWM导通方式，电机的转矩波动较小，运行性能较好。
通过对两套控制器的实验结果进行的分析和比较，我们得到基于专用芯片的控制器价格低廉但适合对控制性能要求不高的场合，基于PIC的芯片能满足较高性能指标 http://www.16sheji8.cn/
1.2.2 控制算法
    在控制算法上，近些年来在国内外的期刊和国际学术交流会议上关于永磁电机控制算法的文章有很多，不同的算法给系统带来不同的动态性能和稳态性能。
    在对逆变器触发信号的处理的算法上，各种算法有很多，对于PMSM(永磁同步电动机)常用的有直接转矩控制(DTC) [11]、矢量控制[12]、滑模变结构控制、参数自适应控制、模糊控制(Fuzzy control)等。国内的学者如清华大学的在电机控制和电力电子领域颇有建树的李永东教授就关于电机控制发表了不少文章，他在参考资料[13]中用电流控制全数字化来实现，通过实验和仿真得到良好的性能曲线，沈阳工业大学的郭庆鼎教授则采用了神经元算法[14]、滑模变结构控制等，通过仿真，证实了算法有良好的性能。
    对于方波无刷直流电动机，在采用无刷直流电动机控制的高性能机床上，要求先进的控制技术，传统的PID控制方法因其鲁棒性差不具有自适应能力而不能满足高性能伺服系统的需要。文献[15]中提出了采用模糊PI法，仿真和实验结果表明该方法在对象参数固定的情况下，较好地解决了模糊控制的稳态问题(包括稳态抖动和稳态误差)。但使用了PI控制又出现了传统PID控制中出现的老问题——系统参数变化时的鲁棒性问题，文章中采用单神经元虽然其结构简单，但具有良好的调速性能和自适应性能。参考资料[16]以无刷直流电机直接驱动的机床位置伺服系统为对象，设计了模糊控制器，并针对模糊控制存在的稳态精度和稳态抖动问题，研究了论域缩小法、模糊PI法，提出了模糊单神经元智能双模控制法，对比仿真结果证明了方法的有效性和可行性。参考资料[17]中引进了模糊归一化控制策略，在线实时地调整与收敛速度密切相关的学习速率和动量系数，克服了BP网络收敛慢和容易陷入局部最小的缺点，并将改进的BP神经网络PID算法成功应用于无刷直流电动机速度控制中。http://www.16sheji8.cn/
    在众多的参考文献[18-20]中，国外的专家采用了神经网络对电机参数进行在线计算，调整控制器结构，取得了良好的效果。
1.3 本文研究的主要内容
    为了更好的研究无刷直流电动机的控制系统，本文将完成以下工作:
(1) 以MC33035芯片为核心开发一套小型无刷直流电机的控制器，包括驱动板和主电路。在此控制器中，要求有转速反馈、过电流、过电压等保护，此控制器考虑到经济性能采用霍尔传感器反馈，功率开关器件采用MOSFET管。在控制性能要求不高的情况下，此种方案经济实用。
(2) 用PIC单片机或DSP为核心开发一套无刷直流电机控制器。要求：转速与输入电压呈线性关系，转矩与输入电流呈线性关系。此控制器采用编码器反馈，功率开关器件采用IGBT模块，并且有完善的保护功能：过流保护、过压、欠压保护、过热保护、缺相保护、短路保护等。控制器结构采用数字式PID双闭环(电流环和转速环)方案。
(3) 对两套控制器进行比较，分析其各自的优点和不足。
2 无刷直流电动机的结构、工作原理及数学模型
2.1无刷直流电动机的基本组成部分http://www.16sheji8.cn/
    2.1.1 无刷直流电动机结构
    无刷直流电动机是机电一体化产品，其与传统意义上的电机的区别在在于没有换向刷，用电子换向器来代替机械换向装置的电机，其定子绕组结构跟一般的感应电动机的区别不是很大，其主要组成部分包括：电机本体(定子和转子)、转子位置传感器、控制器和逆变器件。具体示意图见图2.1所示。

      图2.1 无刷直流电动机结构图
                              Fig. 2.1 The Structure of BLDC Motor
2.1.2 电动机本体
    无刷直流电机本体在结构上与永磁同步电动机相似，其定子绕组一般为多相(三相、四相、五相不等)，转子由永久磁钢按一定的极对数组成。图2.1中的电动机本体为三相两极结构，三相定子绕组与电子换向线路中相应的功率开关器件连接，在图2.1中A相、B相、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。http://www.16sheji8.cn/
     构成无刷直流电机转子的永久磁钢与永磁有刷电机中所使用的永久磁钢的作用相似，都是在电机的气隙中建立足够的磁场。其不同之处在于，无刷直流电机中永久磁钢装在转子上，而有刷直流电机的磁钢装在定子上。永久磁钢目前多使用稀土永磁材料，如钕铁硼(NdFeB)和衫钻(SmCo)等。由于转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可近似分为正弦波和方波（梯形波）两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势也有两种形式，一种为正弦波形，另一种为方波（梯形波）。习惯上将反电动势为正弦波电动机称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)；而方波（梯形波）电动机在原理和控制方式上基本与直流电动机类似，故称为无刷直流电机(BLDCM)。

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