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清华大学2012届毕业设计说明书第1页共40页1绪论1.1研究背景一个多世纪以来，电机作为电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。电机的主要类型有同步电机、异步电机与直流电机三种。直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中，但传统的有刷直流电机均以机械换相方法进行换相，存在相对的机械摩擦，因此带来噪声、火花、无线电干扰及寿命等致命弱点，从而大大地限制了它的应用范围。而相比有刷直流电机，无刷直流电机的结构是以电力电子电路取代传统有刷直流电机的电刷，故其既具有有刷直流电机运行效率高、运行性能好等优点，又具有交流电机运行结构简单、运行可靠、维护方便等优点。目前，随着半导体技术的快速进步与永磁材料的新发现，高性能、低成本的永磁无刷直流电机已成为调速领域的领军力量，它具有巨大的开发潜质和广阔的应用前景。1.2无刷直流电机的研究历史及现状永磁无刷直流电机是一种电子电动机。随着电力电子技术的发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现以及高性能永磁材料，如稀土永磁材料的问世，为无刷直流电动机的广泛应用奠定的基础,它由直流电源经过逆变器、位置检测装置向电动机供电，因而既保持了直流电机的优良特性，又改善了有刷直流电机效率低、耗电多、噪音大、维护困难、使用寿命短等运行状况。电机系统属环保节能型产品，是国家产业政策支持的高新技术项目，正处在产品成长期，具有广阔的市场前景。无刷永磁直流电机正在以其特有的优势不断蓬勃发展。国外在无刷直流电动机发展的前期，主要致力于将更加先进的电力电子器件和材料应用于无刷直流电动机以提高它的性能。但无刷直流电动机在低速运行时的转矩波动过大，这是采用优良的电动机设计和先进的器件所无法从根本上取得突破的瓶颈。在八十年代以后，随着磁性材料、电力电子器件和专用控制器的迅速发展，明显改善了无刷直流电动机特性的同时，人们又把对无刷直流电动机研究的目光转移到电子换向、稀土永磁材料以及智能控制三个方面，试图来抑制无刷直流电动机的转矩波动。我国无刷直流电动机的研制工作开始于七十年代初期，主要是为我国自行研制的军事装置和宇航技术发展而配套。由于数量少，由某些科研单位试制就能满足要求。经过清华大学2012届毕业设计说明书第2页共40页二十多年的发展，虽然在新产品开发方面缩短了与国际先进水平的差距，但由于无刷直流电动机是集电动机、微电子、电力电子、控制、计算机等技术于一身的高科技产品，受到我国基础工业落后的制约，因此无论产量、质量、品种及应用于国际先进水平有着较大的差距，目前国内的研制单位虽不少，但形成一定批量的单位却屈指可数，而且其中绝大部分属于低档的无刷电机，产品的市场竞争力不强。1.3无刷直流电动机的发展历程1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。从19世纪40年代研制成功第一台直流电机，经过大约17年的时间，直流电机技术才趋于成熟。随着应用领域的扩大，对直流电机的要求也就越来越高，有接触的机械换向装置限制了有刷直流电机在许多场合中的应用。为了取代有刷直流电机的电刷－换向器结构的机械接触装置，人们曾对此作过长期的探索。1915年，美国人Langnall发明了带控制栅极的汞弧整流器，制成了由直流变交流的逆变装置。20世纪30年代，有人提出用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机，但此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重又复杂而无实用价值。科学技术的迅猛发展，带来了电力半导体技术的飞跃。开关型晶体管的研制成功，为创造新型直流电机——无刷直流电机带来了生机。1955年，美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。它由功率放大部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成，其工作原理是当转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的信号电动势，此信号电动势分别使晶体管轮流导通实现换相。问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷直流电机没有起动转矩；其次，由于信号电动势的前沿陡度不大，晶体管的功耗大。为了克服这些弊病，人们采用了离心装置的换向器，或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动。但前者结构复杂，而后者需要附加的起动脉冲。其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电机的发展开辟了新的途径。20世纪60年代初期，接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世，之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。半导体技术的飞速发展，使人们对1879年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年的努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件（霍尔效应转子位置传感器）清华大学2012届毕业设计说明书第3页共40页来实现换相的无刷直流电机。在20世纪70年代初期，又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的无刷直流电机。1968年，德国人W·Mieslinger提出采用电容移相实现换相的新方法。在此基础上，德国人R·Hanitsch试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机。清华大学2012届毕业设计说明书第4页共40页2无刷直流电机的结构和工作原理永磁无刷直流电动机(BrushlessDCMotor,BLDC)是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、逆变器、位置检测器和控制器组成的自同步电动机系统，其结构原理图如图2.1所示。位置检测器检测转子位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。Us逆变器控制器位置检测器永磁无刷直流电动机图2.1结构原理图2.1无刷直流电机的结构众所周知，有刷直流电机具有旋转的电枢和固定的磁场，因此有刷直流电机必须有一个滑动的接触结构——电刷和换向器，通过它们把电流反馈给旋转着的电枢。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，电子换向线路中的功率开关器件，如晶闸管、晶体管、功率MOSFET或IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等可直接与点数绕组链接。在电机内，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，替代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大部分组成，如图2.2所示。清华大学2012届毕业设计说明书第5页共40页图2.2无刷直流电机组成框图2.1.1电机本体永磁无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机，只不过将直流电动机的定、转子位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。所以永磁无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同，铁心中嵌有多相对称绕组(三相最为常见)，绕组可以结成星形或三角形，并分别与逆变器中的各开关管相连。永磁无刷直流电动机的转子利用永磁体形成主磁极，常见的转子结构有两种形式，如图2.3所示。面贴式结构是在铁心外面粘贴上瓦片形永磁体，具有结构简单制造成本低的特点，但在高速时永磁体易被离心力甩出，所以多用于低速电机。具有这种转子的电机称为面贴式电机(Surface-mountedPermanentMagnetMachine,SMPM)。内埋式结构是将永磁体嵌入铁心里面，能有效避免永磁体失磁，电机气隙较小，多用于对电机动态特性要求较高的场合。具有这种转子的电机称为内埋式电机(InteriorPermanentMagnetMachine,IPM)。由于稀土永磁的磁导率接近于1，与气隙相当，所以虽然面贴式电机在几何结构上呈现为凸极，但在电气特性上却属于隐极电机；内埋式电机几何结构直流无刷电动机电动机本体位置传感器电子开关线路路主定子主转子传感器转子传感器定子功率逻辑开关位置信号处理清华大学2012届毕业设计说明书第6页共40页为隐极，电气特性上属于凸极电机，这一点与普通电机是不相同的。铁心永磁体面面面面面面图2.3永磁无刷直流电动机转子结构型式除了上述基本结构外，还有一种外转子式结构，即带有永磁极的转子在外面，嵌有绕组的定子在里面。电机运行时，外转子旋转。这种结构主要用于电动车的驱动。2.1.2逆变器逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。与一般逆变器不同，永磁无刷直流电动机的逆变器的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，永磁无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，不会产生振荡和失步，这也是永磁无刷直流电动机的重要优点之一。逆变器主电路有桥式和非桥式两种，而电枢绕组既可以结成星形也可以结成角形(封闭形)，因此电枢绕组与逆变器主电路的连接有多种不同的组合，图2.4给出了几种常用的连接方式。其中，图(a)和图(b)是非桥式主电路，电枢绕组只允许单方向通电，属于半控型主电路；其余为桥式主电路，电枢绕组允许双向通电，属于全控型主电路。目前，星形连接三相桥式主电路应用最多。清华大学2012届毕业设计说明书第7页共40页图2.4永磁无刷直流电动机电枢绕组与逆变器的连接逆变器功率开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件。IGBT具有较低的导通压降，而MOSFET具有更快的开关频率。有些主电路已有集成的功率模块(PIC)和智能功率模块(IPM)，选用这些模块可以提高系统的可靠性。2.1.3位置检测器位置检测器的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传感器检测和无位置传感器检测两种方式。转子位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机本体转子磁极的位置；定子固定在电机本体定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号。转子位置传感器的种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、旋转变压器式以及编码器等。无位置传感器位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的的物理量间接地获得转子位置，主要有反电势法，这也是本文所要采用的方法。2.1.4控制器控制器是永磁无刷直流电动机正常运行并实现各种伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：(1)对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号以及其他控制信号进行逻辑综合，为驱动电路提供开关信号，实现电机的正常运行。清华大学2012届毕业设计说明书第8页共40页(2)对电机进行闭环调节，使系统具有较好的动静态性能。(3)实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护功能。2.2无刷直流电动机的基本工作原理永磁无刷直流电机最常用的主电路为星形连接三相桥式主电路（图2.4（c）），这种电路主要有两种导通方式：二二导通方式和三三导通方式。二二导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（60°电角度）换相一次，每次换相一个功率管，桥臂之间左右互换，每个功率管导通120°电角度。三三导通方式是在任一瞬间使三个开关管同时导通，同样每隔60°电角度换相一次，每次换相一个功率管，但换相发生在同一桥臂上下管之间，因而每个功率管导通180°电角度。相比较之下，二二导通方式电机出力大，转矩特性较好，且不会发生开关管直通短路的现象，因此最为常用。其工作原理如图2.5所示。图2.5永磁无刷直流电动机工作原理示意图清华大学2012届毕业设计说明书第9页共40页当转子旋转到图2.5.1所示的位置时，位置检测装置输出的转子位置信号经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关VT1、VT6导通，A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经VT1A相绕组，再从