无刷直流电动机直接自控制系统的研究

摘要

无刷直流电动机最大的特点是以位置传感器--电子逻辑电路和功率开关电路共同构成的电子换向器代替机械换向器和电刷构成的换向装置。它既具备了交流电机运行可靠、结构简单、维护方便等的优点,而且还有直流电机的一些优点,如运行效率高、噪声低及调速性能好等,体积小、重量轻、寿命长,因此它在国民经济各部门、军工行业、航空航天、家用电器等方面都得到了广泛的应用。但是,由于存在转矩脉动,使无刷直流电动机不能应用于高性能的速度控制、高精度位置控制以及低噪音等场合。所以考虑从改进控制方法方面提高电机运行性能,以扩大其应用领域。
　　 直接转矩控制具有控制结构简单、转矩响应速度快、动静态性能良好等诸多优点,将其引入到无刷直流电动机,在保持无刷直流电动机结构简单等优点的同时提高了系统的运行性能。迄今为止,直接转矩控制技术在异步电动机和正弦波永磁同步电动机上已经被成功应用,但将其引入无刷直流电动机还处在研究阶段,因此,本文的研究具有理论和现实意义。
　　 本文研究的重点是无刷直流电动机的直接自控制策略。由于关断相的存在,无刷直流电动机的直接转矩控制方案难以实现,计算复杂。因此,将直接自控制方案引入到无刷直流电动机中来解决关断相的问题。该系统采用了三三导通运行方式,系统结构较简单,计算量大大减小,实现起来较为容易,电机的运行性能也有所提高。本文首先介绍了无刷直流电动机的基本构成和工作原理。由于无刷直流电动机的反电动势波形为梯形波,含有大量的高次谐波,气隙磁场呈非正弦分布,而交、直轴坐标系变换原理只适用于气隙磁场为正弦分布的电动机,因此,本文采用直接利用电动机原有相变量的方法建立了无刷直流电动机的数学模型。这种方法使用方便,计算量小,而且得到的结果较为准确。在理解直接自控制原理的基础上,以Matlab/Simulink仿真软件为平台,对整个无刷直流电动机直接自控制系统建立了仿真模型,并得出仿真结果。通过对定子磁链轨迹、转矩动态响应、反电动势、相电流、转速与转矩等波形的分析可知,定子磁链的运动轨迹为正六边形；具有快速动态响应；反电动势波形为梯形波；稳定后系统的运行性能大为提高。通过以上分析证明了将直接自控制引入无刷直流电动机是可行的。最后还设计了无刷直流电动机直接自控制策略的实验系统,包括硬件电路设计和软件设计。通过该系统做了相应的实验,得出并分析了实验结果。将仿真结果和实验结果对应比较,两者基本吻合,验证无刷直流电动机直接自控制策略的可行性。