文档介绍：无刷直流电动机控制系统设计
第1章概述 1
无刷直流电动机的发展概况 1
无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 2
无刷直流电动机的结构及基本工作原理 3
无刷直流电动机的运行特性 6
无刷直流电动机的应用与研究动向 8
第2章无刷直流电动机控制系统设计方案 10
无刷直流电动机系统的组成 10
无刷直流电动机控制系统设计方案 12
第3章无刷直流电动机硬件设计 15
逆变主电路设计 15
门阵列可编程器件GAL16V8 27
传感器选择 28
周边保护电路 30
电源电路 32
第4章无刷直流电动机软件设计 33
直流无刷电机控制器程序的设计概况 33
系统各部分功能在软件中的实现 33
软件流程图 34
结束语 36
致谢 37
参考文献 38
附录1 39
第1章概述
无刷直流电动机的发展概况
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,这一渊源关系从其名称中就可以看出来。有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来,以其优良的转矩控制特性,在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是,有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点,它降低了系统的可靠性,限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置,人们进行了长期的探索。早在1917年,Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷,从而诞生了无刷直流电机的基本思想。
无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。在1978年汉诺威贸易博览会上,前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了 MAC无刷直流电动机及其驱动器,引起了世界各国的关注,随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮,这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。
随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入,无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。1986年,,指出了无刷直流电动机的研究领域,成为无刷直流电动机的经典文献,标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。
我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。1987年,在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上,SIEMENS和***两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器,引起了国内有关学者的广泛注意,自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力,目前,国内已有无刷直流电动机的系列
产品,形成了一定的生产规模。
无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较
表1-1 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较
项目
无刷直流电动机
有刷直流电动机
换向
借助转自子位置传感器实现电子换向
由电刷和换向器进行机械换向
维护
由于没有电刷和换向器,很少需要维护
需要周期性维护
寿命
比较长
比较短
机械(速度/力矩)
平(硬)在负载条件下能在所有速度上运行
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
特性
效率
由于没有电刷压降,所以效率高
中等
输出功率/外形尺寸之比高
由于电枢绕组设置在与机壳相连的定子上,容易散热。这种优异的热传导特性允许减小电动机的尺寸,所以输出功率/外形尺寸之比高
中等/低。电枢产生的热量消散在气隙内,这样增加了气隙温度,从而限制了输出功率/外形尺寸之比
转自惯量
低。因为永磁体设置在转子上,改善了动态响应
转自惯量高,限制了动态特性
速度范围
比较高。没有电刷/换向器给予的机械限制
比较低,存在电刷给予的机械限制
电气噪声
低
电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干扰
制造价格
比较高
低
控制
复杂和价格贵
简单和价格不贵
控制要求
为了使电动机运转必须要有控制器,但同样的控制器可用于变速控制
对于一个固定的速度而言,不需要控制器;有变速要求的时候才需要控制器
无刷直流电动机的结构及基本工作原理
电机本体的电枢绕组为三相星型连接,位置传感器与电机转子同轴,控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号,控制动信号经驱动电路隔
离放大后控制逆变器的功率开关管,使电机的各相绕组按一定的顺序工作。
图1-1 无刷直流电动机工作原理示意图
如图1-1所示,当转子旋转(顺时针)到图a所示的位置时,转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器,使T1、T6 导通,即A、B两相绕组通电,电流从电源的正极流出,经T1流入A相绕组,再从B相绕组流出,经T6回到电源的负极,此时定转子磁场相互作用,