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五相无刷直流电动机的建模与仿真
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2013-01-06
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五相无刷直流电动机的建模与仿真,本文就是从系统角度出发,将带中线的电机模型电路化,使其更直观与普遍;归纳了电机转子位置榆测和开荧管逻辑控制规律,并在MatLab/Simuiink平台下,建立了永磁无刷直流电机系统模型。系统模型各功能模块相对独立,主要由电路元件搭建,并可根据实际要求方便地进行修改和扩展。
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永磁无刷直流电机的建模
摘要
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。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。
本文就是从系统角度出发,将带中线的电机模型电路化,使其更直观与普遍;归
纳了电机转子位置榆测和开荧管逻辑控制规律,并在MatLab/Simuiink平台下,建
立了永磁无刷直流电机系统模型。系统模型各功能模块相对独立,主要由电路元件搭
建,并可根据实际要求方便地进行修改和扩展。
关键词 无刷直流电机 系统模型 MatLab/Simuiink软件
1 引言
随着无刷直流电机在伺服系统、电动汽车、机器人技术及家用电器等领域越来
越广泛的应用,人们对电机及其系统的运行分析和优化设计也越来越关注。借助建模
与仿真技术,人们可以研究、分析整个电机系统的各类定量关系,提取设计、分析和
调试电机及其驱动系统所需的信息、数据和资料。无刷直流电机的建模,现在主要采
用定点电压方程;而与电机本体密切配合的外围硬件(包括转子位置检测和开关管触发
逻辑)模型却较少提及。
电动机主要分为同步电动机、异步电动机和直流电动机三种,其中直流电动机具
有运行效率高,调速性能好等优点,但传统的直流电机均采用电刷,采用机械换向因
而会产生摩擦,由此带来噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弱点,而且成本高,
大大限制了它的使用范围。无刷直流电动机以电子换向代替机械换向,因此克服了这
一弱点,而且它既具备交流电动机的结构简单,运行可靠,维护方便等一系列优点,
又具备直流电机的运行效率高,无励磁损耗以及调速性能好等一系列优点。现在广泛
应用于电梯、变频空调、电动汽车、洗衣机等。
基于以上无刷直流电动机的特点,太阳能电动车一般都选用永磁无刷直流电动机。
本文主要对永磁无刷直流电动机控制系统进行建模仿真,以更好地研究永磁无刷电动
机的特性。
1.2 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)
特性
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
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
对于一个固定的速度而
言,不需要控制器;有
1
控制器可用于变速控制 变速要求的时候才需要
控制器
2 永磁无刷直流电动机的结构及基本工作原理
2.1 无刷直流电动机的结构
永磁无刷直流电机的基本结构如图 1 和图 2 所示所示,可看成由电子开关线路、
电机本体和位置传感器三部分组成。
图 1 三相无刷直流电机主电路
图 2 永磁无刷直流电机的原理框图
电机本体由定子和转子组成。定子的铁心中嵌有单相或多相对称绕组,电枢绕组
可以 Y 接获△接。但考虑到系统的性能和成本,目前应用较多的是电枢绕组 Y 接、三
相对称且无中性点引出的无刷直流电机。另外,传统有刷直流电机电枢绕组在转子侧,
而无刷直流电机的电枢绕组在定子侧,更有利于常用的内转子无刷直流电机散热。电
流电机的转子由一定极对数的永磁体镶嵌在铁心表面或者嵌入铁心内部构成。在电机
设计过程中采用瓦片形永磁体径向励磁并取其极弧宽度大于 120°电角度,可以产生方
波形式的气隙磁通密度,减小扭矩波动。
位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置、为逻辑开关电路提供正确
换相信息的作用,即将转子磁极的位置信号转换成电信号,然后去控制定子绕组换相,
使电机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按一定次序换相,通过气隙形成步进式
旋转磁场,驱动永磁转子连续不断地旋转。目前在无刷直流电机中应用的位置传感器
2
主要有电磁式、光电式、磁敏式等。霍尔传感器为磁敏式位置传感器一种,其体积小,
使用方便且价格低廉。因此,在无刷直流电机控制系统中一般采用霍尔位置传感器作
为转子位置检测转置。
永磁无刷直流电机一般采用全桥式驱动电路,如图 1 所示,常见的导通方式有两
两导通方式和三三导通方式。这里采用两两导通电路,因此每一时刻电机都有两相导
通,第三相悬空,各相的导通顺序与时间由位置传感器获得的转子位置信号决定。定
子合成磁场是一种步进式旋转磁场,每个步进角是 60°电角度。转子每转过 60°电角
度时,逆变桥就进行一次换流,定子磁状态就改变一次。因此电机有六个磁状态,每
一状态都是两两导通,每相绕组中连续流过电流的时间对应于转子旋转 120°电角度所
需的时间。每一时刻都有一个上桥臂功率器件导通,使相应的绕组获得正向电流产生
转矩;同时又有一个下桥臂功率器件导通,使另一相绕组获得反相电流产生转矩,因
此相应时刻的合成转矩是两相绕组通电产生的转矩之和。
2.2无刷直流电动机转矩分析
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
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。
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资源评论
- yilishade2014-12-20是三相的,不是五相得,仿真部分内容比较少
- num402301012013-12-13根本就不是五相的 ,是三相的,作为三相电机的话内容也一般
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