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无刷直流电动机实质就是一台用电子换相装置取代机械换相的直流电动机。用由固态逆变器和转子位置传感器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。永磁无刷直流电动机(简称BLDCM)它由永磁电动机本体、转子位置传感器、逆变驱动控制电路组成,一般由直流电源供电。直流电源通过控制器向电动机定子绕组供电,电动机的转子位置由位置传感器发出信号去触发控制器中相应的功率开关元件,使之导通或截止,从而控制电动机的转动。控制器的性能是决定BLDCM性能的重要因数。
自20世纪70年代以来,随着电力电子工业的飞速发展,许多新型的高性能半导体功率器件,如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现;另外,高性能永磁材料,如钐钴、钕铁硼等的问世,均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。同时随着70年代单片机的推出,单片机在控制器中的应用,使无刷直流电动机的性能有了很大提高。
本设计共分5章。第1章为概述;第2章主要介绍了直流无刷电动机的基本原理和结构;第3章介绍了直流无刷电动机的调速原理;第4章介绍了直流无刷电动机的双单片机控制;第5章介绍了软件系统的设计。
1 概述
无刷直流电动机的特点
传统的直流电机以其优良的转矩特性、线性的机械特性、较宽的调速范围和简单的控制电路在运动领域中有着广泛的应用,但机械电刷却是它的致命弱点。无刷直流电动机(BLDCM: Brushless Direct Current Motor)就是为了既要保持有刷直流电动机的特性、又要革除电刷和换向器的目的研究开发的。无刷直流电动机是无机械电刷和换向器(或集电环)的直流电机,又称无换向器直流电机,它以电子换向器代替机械电刷和换向器实现直流电机的换向。无刷直流电动机具有以下特点:
1) 反馈装置简单,功率密度更高,输出转矩更大,控制结构简单,使电机和逆变器潜力得到充分发挥,可工作于高速或超高速。
2) 调速精度高,调速范围广,过载能力强,出力大,转动惯量小,响应速度快,不存在励磁损耗,稳定性好,适应性强,已成为高性能驱动场合的理想伺服电动机。
3) 既具备交流电机的结构简单、运行可靠、寿命较长、维护方便等优点,又具备有刷直流电机的运行效率高等诸多特点,且输出转矩和绕组流过的电流成线性关系。
4) 克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的机械噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊病,降低了制造成本,简化了电机维修,且安全和防爆性好。
5) 转子采用先进的铷铁硼高能材料,无通电绕组,几乎没有损耗和发热,而定子绕组固定在机壳上,散热条件好,热传导系数大。因此在相同的条件下,无刷直流电动机可以设计得体积更小,重量更轻。
6) 与电子电路相结合,利用小功率逻辑控制信号可方便的控制电机的启停、正反转及速度调节,适用于数字控制,易与微处理器,微型计算机接口。
7) 与异步电动机调速系统比较,其控制方法简单,功率变换器不必为电机提供无功功率,并且电机转子无励磁、效率高、低速性能好。
8) 与一般变频调速的同步电动机比较不存在振荡和失步问题,并且提高了动态性能,而与采用矢量控制的同步电动机相比,其控制结构简单,便于工程化。
综上所述,无刷直流电动机既具备交流电动机结构简单,工作可靠、维护方便、寿命长等优点,也具备普通直流电动机运行效率高、转矩大、调速方便、动态性能好等优点,同时克服了普通直流电动机机械换向所引起的电火化干扰,维护难等诸多缺点,它综合了直流电动机和交流电动机的优点,是新一代电气传动的发展方向之一。正是由于无刷直流电动机的诸多优点,使得无刷直流电动机的应用领域越来越广阔,如
在电动汽车行业、武器装备与航空航天领域、医疗器械、仪器仪表、化工、计算机驱动器、办公自动化、机器人、家用电器以及工业自动化等领域得到了广泛的应用。
无刷直流电机控制方法研究与控制技术发展
无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性,且结构简单、运行可靠、易于控制。其应用从最初的军事工业,向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。
直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的,它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、数字技术和各种机械原理为后盾,因此具有很强的生命力。早在1917年,Boliger就提出了用整流管代替有刷直流电动机机械式电刷的无刷直流电动机的基本思想。但直到1955年,,现代无刷直流电动机的诞生。到了1962年,终于试制成功了借助霍尔元件来实现换流的无刷直流电动机。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段,是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。随着比霍尔元件灵敏度高千倍左右的光敏