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无刷直流电机的本体建模及其驱动系统仿真研究.docx


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第一章无刷直流电机驱动系统研究
无刷直流电机简介
无刷直流电动机(BLDC Brushless Direct Current Motor)是近几十年 来随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电动机, 它以法拉第的 电磁感应定律为基础,而又以新兴的电力电子技术技术、 数字电子技术和各种 物理原理为后盾,具有很强的生命力。
无刷直流电机的最大特点是没有换向器和电刷组成的机械接触机构。因 此,无刷直流电机没有换向火花,寿命长,运行可靠,维护方便。永磁无刷直 流电机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠和维护方便等一系列优点,又 具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗及调速性能好、起动转矩较大等特 点,在电动汽车领域得到了广泛的应用 电机本体
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无刷直流电机的基本结构
有刷直流电机具有旋转电枢和固定的磁场, 因此有刷直流电机必须有一个 滑动的接触机构-电刷和换向器,通过它们把电流传给旋转着的电枢。无刷直 流电机却与有刷直流电机相反,它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样, 电子 换相线路中的功率开关器件可直接与电枢绕组连接。 在电机中,装有一个转子
位置传感器,用来检测转子在运行过程中的位置。它与电子换相线路一起, 代
替了有刷直流电机的机械换向装置。 综上所述,无刷直流电机有电机本体、转 子位置传感器和电子换相线路三部分组成,如图 1-1所示。
图1-1无刷直流电机组成框图
电动机本体的主要部件有安装电枢绕组的定子和带有永磁体的转子。 它们
首先必须满足电磁方面的要求,保证在工作气隙中产生足够的磁通, 电枢绕组 允许通过一定的电流,以便产生一定的电磁转矩;其次要满足机械方面的要求, 保证机械结构牢固和稳定,能传递一定的转矩,并能够经受住一定环境条件的 考验。止匕外,还要考虑节约材料,结构简单、紧凑,运行可靠和温升不超过规 定的范围。图1 -2给出了无刷直流电机的结构示意图。
图1-2无刷直流电机结构示意图
1-转轴2-机壳3-定子铁芯
4 -磁钢5 -轴承
2)转子位置检测器
位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用, 安装在定子
线圈的相应位置上。当定子绕组的某一相通电时,该电流与转子磁极所产生的 磁场互相作用而产生转矩,驱动转子旋转,再由位置传感器将转子磁极位置变 换成电信号去控制电子换相线路, 从而使定子各相绕组按一定次序通电, 使定 子相电流随转子位置的变化按一定的次序换相, 从而使电机能够连续工作。位
置传感器的种类很多,且各具特点。
3)电子换相电路
电子换相电路和位置传感器相配合,起到与机械换向类似的作用。所以, 电子换相电路也是无刷直流电机实现无刷换相的两个重要组成部分之一。
电子换相线路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调、 预放大、功率 放大、然后去触发末级功率晶体管, 使电枢绕组按一定的逻辑程序通电, 保证 电机的可靠运行。
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总的来说,无刷直流电机的基本工作原理是借助转子位置传感器测得的位 置信号,通过驱动电路,驱动逆变电路的功率开关元件, 使电枢绕组依一定顺 序馈电,从而在气隙中产生步进式旋转磁场, 拖动永磁转子旋转。随着转子的 转动,转子位置信号依一定规律变化, 从而改变电枢绕组的通电状态,实现无 刷直流电机的机电能量转换。
图1-3 无刷直流电机工作原理框图
无刷直流电机有多相结构,可分为半桥驱动和全桥驱动,全桥驱动又分成 星形和角形连接以及不同的通电方式。目前三相星形全桥驱动方式以绕组利用 率高、转矩的波动较小和电路成本较低的优势而使用最多, 在本文的设计中使
用该种驱动方式,下面主要针对该种驱动方式加以介绍。图 1-4是三相无刷 直流电机星形全桥驱动方式的电路原理图。
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图1-4三相星形连接全桥驱动电路
图中VT1--VT6为六个MOSFET率管,起绕组开关作用。多数情况下,无 刷直流电机的转子位置信号通过传感器发送到控制器, 控制器根据相关的位置 信息采用一定的控制策略输出一定规律的控制信号。 这个控制信号经驱动电路 后实现对六只功率管的“开关”控制,从而完成“逆变”过程。
换相控制
无刷直流电机采用三路霍尔传感器确定转子位置。在每一个电角度周期
内,三路霍尔位置信号可以组成 6种编码状态,分别:是101、100、110、010、 011、001。据此,我们可以按一定次序导通对应的功率管, 从而驱动电机旋转。 当需要反向旋转时,只需要更换一下换相控制表就能实现。
本文采用的是两两通电方式来实现换相控制。所谓两两通电方式是指每
一个瞬间有两个功率管导通,每隔 1/6周期(600电角度)换相一次,每次 换相一个功率管,每个功率管导通 120 0电

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