永磁无刷直流电机控制系统分析研究

永磁无刷直流电动机控制系统的研究

摘要

无刷直流电动机是集材料科学、电力电子技术、微电子技术和电机理论等多学科为一体的机电一体化产品,在诸多领域有着广阔的应用前景。

随着大功率开关器件集成电路及高性能的磁性材料的进步,采用电子换向原理工作的永磁无刷直流电机取得了长足的发展。永磁无刷直流电机既有直流电机的结构简单,运行可靠。又具备交流电机运行效率高,无励磁损耗及调速性能好等诸多优点,在当今国民经济的各个领域里的应用日益普及。维护方便的一系列优点

永磁无刷直流电动机发展简况

永磁无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。现阶段,虽然各种交流电动机同直流电动机在传动应用中占主导地位,但是永磁无刷直流电动机正受到普遍的关注。

自20世纪90年代以来,随着人们生活水平提高和现代化的生产、办公自动化的发展,家用电器、工业机器人等设备越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化,作为执行元件的重要组成部分,电机必须具备精度高、速度快、效率高等特点,永磁无刷直流电机的应用因此而迅速增长。现阶段,虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位,但无刷直流电动机正受到普遍

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的关注。尤其在节能已成为时代主题的今天,无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。

无刷直流电机转子采用永久磁铁,其产生的气隙磁通保持为常值,因而特别适用于恒转矩运行;对于恒功率运行,无刷直流电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制,但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大,可产生很大的气隙磁通,这样可以大大缩小转子半径,减小转子的转动惯量,因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中,如数控机床、机器人等应用中,无刷直流电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。目前无刷直流电机的应用范围已遍及国民经济的各个领域,并日趋广泛,特别是在家用电器、电动汽车、航空航天等领域已得到大量应用。

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一.永磁无刷直流电动机与永磁有刷直流电动机的比较

表1-1永磁无刷直流电动机与永磁有刷直流动机的比较 工程 换向 维护 寿命 机械<速度/力矩) 特性 永磁电无刷直流电动机 借助转自子位置传感器实现电子换向 由于没有电刷和换向器,很少需要维护 比较长 平<硬)在负载条件下能在所有速度上运行 永磁电有刷直流电动机 由电刷和换向器进行机械换向 需要周期性维护 效率 输出功率/外形尺寸之比高 转自惯量 速度范围 电气噪声 制造价格 控制 控制要求 比较短 中等平<中等硬)。在较高速度上运行时,电刷摩擦增加,有用力矩减小 由于没有电刷压降,所中等 以效率高 由于电枢绕组的设置在中等/低。电枢产生的热与机壳相连的定子上,量消散在气隙内,这样所以容易散热。这种优就增加了气隙温度,从异的热传导特性一定程而限制了输出功率/外形度上允许减小电动机的尺寸之比 尺寸,所以输出功率/外形尺寸之比高 转自惯量低,因为永磁转自惯量高,限制了动体设置在转子上,改善态特性 了动态响应 比较高。没有电刷/换向比较低,存在着电刷给器给予的机械限制 予的机械限制 低 电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干扰 比较高 低 复杂和价格贵 简单和价格不贵 为了使电动机运转必须对于一个固定的速度而要有控制器,但同样的言,不需要控制器;有控制器可用于变速控制 变速要求的时候才需要控制器

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