无刷直流电机的驱动及MATLAB仿真.doc

无刷直流电机的驱动与MATLAB仿真 摘 要：无刷直流电动机的最本质特征就是没有机械换向结构，取而代之的是逻辑电路和功率开关线路共同组成的电子换相器，它把直流电逆变成交流电并按一定的次序通入电动机的定子绕组中以产生与定子磁场正交的转子磁场。在使用中无刷直流电机相比有刷电机有许多的优点，比如：能获得更好的扭矩转速特；性高速动态响应；高效率；长寿命；低噪声；高转速。本文主要研究了无刷直流电机调速系统的基本方法，主要内容有无刷直流电机的基本原理，脉宽调速系统的原理和控制方法，在此基础上重点研究了无刷直流电机的换相控制，并对无刷直流电动机调速系统进行设计。最后利用MATLAB\Simulink——面向电气原理结构图的仿真技术，设计了一个转速单闭环无刷直流电机可逆脉宽调速系统，对其进行仿真，并根据仿真结果分析研究无刷直流电动机。 关键词：调速，PWM控制，无刷直流电动机，仿真 一 引言 目前国内外对无刷直流电机的（Brushless DC Motor,BLDCM）的定义有两种：一种是认为只有梯形波/方波无刷直流电机才可被称为无刷直流带电机，而正弦波无刷直流电机则被称为永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）；另一种定义认为梯形波/方波无刷直流电机都是无刷直流电机。本论文采用第一种定义，仅认为反电动势波形为梯形波/方波的无刷直流电机称为无刷直流电机。 目前国内外无刷直流电机的一般控制技术应经比较成熟，但日本和美国具有较先进的无刷直流电机制造与控制技术。特别是日本在民用方面较为突出，而美国则在军工方面更加先进。当前的研究热点主要集中在以下三个方面：①研究无位置传感器控制技术以提高系统可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量；②从电机设计和控制方法等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制从而提高其伺服 ，扩大应用范围；③设计可靠小巧，通用性强的集成化无刷直流电机控制器。 二 无刷直流电动机原理 2.1 无刷直流电动机概述 无刷直流电动机机属于同步电动机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以无刷直流电机并不会产生普通感应电机的频差现象。直流无刷电机的主要由电动机本体、位置传感器（对于位置传感器检测方法）与电子开关线路三部分组成，如图2-1所示 图2-1 无刷直流电动机工作原理 从图2.1可见，直流无刷电动机组件主要由电动机本体位置传感器和电子开关线路三部分构成。其定子绕组一般制成多相，转子由永磁材料制成。 因此平常所说的直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、电动机本体及位置传感器三部分组成的电动机系统。直流无刷电动机的组成原理框图如图2.2 图2-2 直流无刷电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场。不同之处在于直流无刷电动机中永久磁钢安装在转子上，而普通永磁直流电动机是将磁钢安装在定子上。构成直流无刷电动机的主要部件框图如图2.3所示。 图2-3 2.2有关电机本体设计的问题 无刷直流电机的定子转子合称为电机本体。本体结构上与永磁同步电机相似，但没有笼形绕组和其他起动装置，其定子绕组一般制成多相，转子由永磁体以一定的极对数组成。 电机本体的设计是一个很复杂的过程，其基本任务是根据给定的额定值和基本技术性能要求，选用合适的材料，确定电动机格部分的尺寸，并计算其性能，以满足节省材料、制造方便、性能良好的要求，获得较大的经济效益。本体要设计的内容很多，其中包括电磁设计、结构设计、施工设计以及工艺设计等。 选择极对数应综合考虑运行性能和经济指标。下图为两极、四极和八极（p=1,2,4）内转子型无刷直流电机本体结构示意图。 图2-4 本体机构示意 一般来说增加极对数p，可以减少每极磁通，定子轭及机座截面积可相应减小，从而减少电动机的用铁量；定子绕组的端接部分将随极数的增加而缩短，所以在同样的电流密度下，绕组的用铜量也减少了；极数增加后定子绕组电感相应减少，这有利于电子器件换相。 同时，当极数增加后，制造工艺也变复杂；极对数增加，考虑到极漏磁不能太大，极弧系数要减小，从而使电动机原材料利用率变差；增加极数，在同样的转速下，电子器件的换相次数增多，从而增加了换相损耗。当电流密度不变时，定子绕组中的铜耗岁极数的增加而降低。一般来说电动机效率随极数的增加而有所下降。所以要根据需要合理的选择电动机的极对数。 三 无刷直流电动机调速系统的设计 这一章将根据无刷直流电动机的原理设计了直流无刷电动机控制系统，其原理框图如图3.1所示。 3.1主电路供电方案选择 图3-2所示电网电压一般为三相交流电，逆变桥驱动器件的直流电源通常由交流电网经不可控