无刷直流电动机控制系统设计方案

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图1-2 无刷电动机位置检测及开关管驱动信号 表1-2 无刷电动机直流通电控制方式开关切换表

1.4 无刷直流电动机的运行特性 1.4.1 机械特性

无刷直流电动机的机械特性为：

(1-1)

ut-开关器件的管压降 ia-电枢电流

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ce-电机的电动势常数 -每级磁通量

可见无刷直流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。在不同的供电电压驱动下，可以得到如1-3图所示机械特性曲线簇。

图1-3 机械特性曲线簇

当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时，管压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。

1.4.2 调节特性

无刷直流电动机的调节特性如图1-4所示。

图1-4 调节特性

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调节特性的始动电压和斜率分别为：

(1-2)

(1-3)

从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。

1.4.3 工作特性

电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图1-5所示。

图1-5 工作特性

在输出额定转矩时，电机效率高、损耗低是无刷直流电动机的重要特点之一。 1.5 无刷直流电动机的应用与研究动向

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的关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都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，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。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

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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。

目前，无刷直流电机的研究主要集中在以下方面： (1)无机械式转子位置传感器控制。

转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部件，不仅增加了系统的成本和复杂性，而且降低系统的可靠性和抗干扰能力，同时还需要占据一定的空间位置。在很多应用场合，例如空调器和计算机外设都要求无刷直流电动机以无转子位置传感器方式运行。

无转子位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下，利用电机的电压和电流信息获得转子磁极的位置.

目前比较成熟的无转子位置传感器运行方式有：

1 反电动势法——包括直接反电动势法、间接反电动势法以及派生出来的反电动势积分法等。

2 定子三次谐波检测法。

3 续流二极管电流通路检测法。[#page#]

但现有方法都存在各自的局限性，仍在不断完善之中。 (1)转矩脉动控制。

存在转矩脉动是无刷直流电动机的固有缺点，特别是随着转速升高，换相导致转矩脉动加剧，并使平均转矩显著下降。减小转矩脉动是提高无刷直流电动机性能的重要方面。

(2)智能控制。

随着信息技术和控制理论的发展，在运动控制领域中，一个新的发展方向就是先进控制理论，尤其是智能控制理论的应用。目前，专家系统、模糊逻辑控制和神经网络控制是三个最主要的理论和方法。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟经验和规则有机地融入到传动控制策略当中，现已成功地应用到许多方面。随着无刷直流电动机应用范围的扩大，智能控制技术将受到更广泛的重视。

第2章 无刷直流电动机控制系统设计方案 2.1 无刷直流电动机系统的组成

无刷直流电动机(brushless dc motor，简称bldcm)是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机