毕业设计51沈阳工业大学空调压缩机用无刷直流电动机进行设计及相应控制系统的设计

I 摘 要 永磁无刷直流电动机具有惯量小、控制简单、动态性能好等优良特性，因此在航天、机器人、 空调 等许多领域得到了广泛应用。本课题针对 空调压缩机 ，设计了无刷直流电动机 以及 相应 的 控制系统。 针对空调用无刷直流电机设计公式及方法， 以及考虑到降低电机的振动和噪音问题，设计了永磁无刷直流电机两台， 普通型 6 极 36 槽和多极少槽型 8 极 9 槽电机。借助 Ansoft 软件设计 ,两种电机进行比较表明：选择近似极槽的多极少槽电机，进一步选择适当的极弧系数，能大大降低齿槽转矩 ,但是运行效率却比普通型电机低很多 .所以，多极少槽电机在空调压 缩机电机中暂不可行。 另外，无传感器控制技术是无刷直流电机控制领域研究的热点。本文采用 PIC18F4580 芯片对无刷直流电动机控制系统进行了设计，详细讨论了在去掉位置传感器的情况下无刷直流电机如何换相以及速度的提取问题，并且进行了相应的系统硬件。为了提高 BLDCM 的调速性能，本文采用速度、电流的双闭环控制，并给出了其实现方法。 本课题主要包括五部分：无刷直流电动机 简介 ，初始数据方案设计， Ansoft 软件辅助设计 ，设计 PIC 单片机控制系统， 结论分析 。通过这五部，本文完成了 空调压缩机 用无刷直流电动机进行设计 及相应控制系统的设计。 关键词：无刷直流电机 ,优化设计 ,多极少槽 ,控制系统 II The BLDCM optimization design and the application used in air-condition compressor Abstract Permanent magnet brushless direct current motor(BLDCM) has good characteristic such as small inertia、 easily controlled 、 dynamic function well , therefore it has got extensive use in many field such as aerospace, robot, air-condition compressor control machine tool. The subject aimed at the air-condition , has designed the BLDCM and corresponding control system. Through BLDCM design formula and the method used in the air conditioning, as well as considering reduce motors vibration and the noise, the paper design two permanent magnetism BLDCM, including the 6 pole 36 slot and the multipolar few slot such as 8 pole 9 pole motor. With the aid of the Ansoft software ,design indicate that choosing multipolar few slot motor belong to the approximate pole and slot, further choosing the suitable pole-arc coefficient, can reduce the cogging torque greatly, but the efficiency is actually low compared to common motor. Therefore, the multipolar few slot motor are not feasible temporarily in the air conditioning compressor motor. Sensorless control technology has been a hot research in BLDCM control domain. This paper introduces the control system design for brushless DC motor based on PIC18F4580, discusses in detail the current commutation and motor speed withdraw problem without the position sensor, and designs the corresponding software circuit. In order to improve speed control performance of motor, this paper adopts the double-closed-loop control strategy and gives the corresponding implement methods. The subject include five part: BLDCM simple introduction, designing initial data scheme, Ansoft carrying out verification on electromagnetism design , designing PIC monolithic machine controls system. Above five part, this subject have accomplished the air-condition compressor with BLDCM design and control system design. Key Words： BLDCM, optimization design， multipolar few slot, control system 1 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第一章 绪论 . 1 1.1 课题研究的目的和意义 . 1 1.2 空调用无刷直流电机的研究现状 . 1 1.3 无刷直流电动机有待研究的问题 . 1 1.4 无刷直流电动机的主要用途 . 2 1.5 课题研究的背景和意义 . 3 1.6 本文的主要工作及安排 . 3 第二章 永磁无刷直流电机简介 . 4 2.1 无刷直流电机的基本结构 . 4 2.2 无刷直流电机的工作原理 . 5 2.3 无刷直流电动机的数学模型 . 6 2.4 无刷直流电机技术发展趋势 . 7 第三章 空调压缩机用无刷直流电机设计 . 9 3.1 电机设计的主要 约束条件 . 9 3.2 电机的设计方案的确定 . 9 3.3 电机材料的选择 . 11 3.3.1 永磁体材料 . 12 3.3.2 铁心材料 . 13 3.3.3 磁路结构 . 14 3.4 主要磁路系数的选择 . 15 3.4.1 空载漏磁系数 . 15 3.4.2 极弧系数 . 16 3.4.3 气隙系数 . 17 3.5 无刷直流电机主要尺寸的选择 . 18 3.5.1 电枢直径和电枢铁芯长度 . 18 3.5.2 电磁负荷的选择 . 19 3.5.3 定子槽数和极数的选择 . 19 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3.5.4 槽形及冲片尺寸选择 . 22 3.5.5 气隙长度的选择 . 23 3.6 电机磁路设计 . 24 3.6.1 电机转子结构 . 24 3.6.2 转子有效长度 . 25 3.6.3 磁钢尺寸的选择 . 25 3.7 设计流程图 . 27 3.8 电磁设计方案 . 28 第四章 Maxwell 辅助设计及分析 . 30 4.1 Maxwell 软件简介 . 30 4.2 样机初始规格 . 31 4.3 电机优化结果 . 31 4.4 性能分析及讨论 . 34 第五章 降低齿槽转矩的分析与讨论 . 36 5.1 引言 . 36 5.2 分析步骤 . 37 5.2.1 转矩特性分析 . 37 5.2.2 齿槽转矩的傅立叶分析 . 37 5.2.3 极弧长度的选择 . 39 5.3 有限元分析 . 39 5.3.1 有限元分析模型 . 39 5.3.2 电机的驱动电路模型 . 40 5.3.3 系统仿真结果及其分析 . 41 5.4 分析结果讨论 . 44 5.5 两台样机的比较分析 . 45 5.5.1 两台样机设计参数比较 . 45 5.5.2 两台样机计算结果比较 . 46 第六章 无刷直流电机在空调压缩机中的应用 . 47 6.1 系统总体方案设计 . 47 6.2 闭环调速方案设计 . 48 6.2.1 双闭环调速方案 . 48 6.2.2 速度测量方案 . 49 6.3 系统核心控制器选择 . 50 6.3.1 PIC 系列单片机简介 . 50 错误 !未找到引用源。 3 6.3.2 PIC 系列单片机优势 . 51 6.4 无位置传感器转子位置检测方案的选择 . 52 6.4.1“反电势法” BLDCM 控制原理 . 54 6.4.2“反电势法” BLDCM 起动方法研究 . 56 6.5 系统硬件电路设计 . 57 6.5.1 系统功能要求 . 57 6.5.2 系统硬件组成 . 58 6.5.3 系统开关主电路设计 . 58 6.5.4 电源电路设计 . 59 6.5.5 转子位置检测电路设计 . 60 6.5.6 驱动设计 . 61 6.5.7 电流检测电路设计 . 62 6.5.8 保护电路 设计 . 63 6.6 电机控制板 . 64 第七章 结论 . 65 7. 1 论文工作成果 . 65 7. 2 存在的不足和有待完善的工作 . 66 参考文献 . 67 附录 A 6 极 36 槽电机设计清单 . 71 附录 B 8 极 9 槽电机设计清单 . 73 附录 C 无位置传感器 BLDCM 控制原理图 . 75 在学研究成果 . 76 致 谢 . 77 - 1 - 第一章 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 近几年来，磁性材料与电力电子技术的突飞猛进，使得永磁电机不仅可以获得高功率密度，也减少了电机的体积和重量，并且因没有同感应电机转子电流损耗而使效率进一步提高。由于永磁电机具有高效率和高功率因数，有待取代传统感应电机，成为各种科技产品的驱动动力源，例如：空调、航空、工具机、机器人、 OA 机器及精密纺织等。 由于客户对于品质的要求日益提高，针对电机所 产生的振动及噪音问题也更为关注，振动和噪音对于电机整体的性能影响很大，如效率和转速方面。电机的振动也好似产品功能的一种障碍，更是可靠度及使用寿命的重要指标之一。然而造成电机振动噪音的来源非常多，如加工制造商的不精确而造成的轴弯曲、质量不平衡、轴偏心以及电机本身结构上的谐波磁场、铁心饱和及长期运转造成轴承的磨损等等。 本论文将针对表面型永磁无刷直流电机来进行各项特性分析比较。 1.2 空调用无刷直流电机的研究现状 永磁无刷直流电机和永磁直流电机相比，最大的特点就是没有换向器和电刷组成的机械接触结构。加之，其转子 采用永磁体励磁，没有激磁损耗 ； 发热的电枢绕组通常装在外面的定子上，热阻较小，散热容易。因此，永磁无刷直流电机在保持了普通直流电机良好的调速和启动性能的同时，还具有无换向火花及无线电干扰，寿命长，运行可靠，维护简便等优点。一般认为，永磁无刷直流电机既具有永磁有刷直流电机优良的机械特性和控制特性，又克服了有刷电机的缺点，具有更强的竞争力。 1.3 无刷直流电动机有待研究的问题 (1) 转矩脉动 ： 目前 ， 永磁无刷直流电动机存在的最重要的问题就是存在转矩脉动。由于转矩存在脉动，使得无刷直流电动机在交流伺服系统中的应用受 到了限制，尤其是在直接驱动应用的场合，转矩脉动使得电机速度控制特性恶化。尤其是用于视沈阳工业大学硕士学位论文 -2- 听设备、空调中的无刷直流电动机，更要求运行平稳、没有噪音。因而抑制或消除转矩脉动成为提高无刷直流电机系统性能的关键。转矩脉动产生的原因主要有：齿槽效应引起的转矩脉动，谐波引起的转矩脉动，由换相电流引起的转矩脉动。目前，各高校以及科研机构提出了各种抑制或削弱转矩脉动的方法，这些研究无法根本上消除转矩脉动。因而，有待于进一步的研究。 (2) 无位置传感器的转子位置检测方法 ： 无位置传感器转子位置检测技术中，最常见和应用最广泛的 是反 电动势法。但该方法是在忽略电枢反应的基础上的进行的，在原理上 存在误差，对于大功率无刷电动机，电枢反应对气隙磁密的影响更明显，误差也就更大。另一方面，电机在启动和低速时，反电动势为零或很小，很难通过反电动势来检测转子位置，无位置传感器的无刷电动机存在启动问题。因此，如何克服反电动势法中电动机的启动问题，是急需解决的。对于启动问题，一般采用三段式启动方法再切换到无位置传感器的 正常运行 。 (3) 最佳换向 ： 最佳换向是为了使无刷直流电动机的输出转矩最大，脉动最小，实现效率最高的基点能量转换。最佳换相，包括最佳换向逻 辑和最佳换相位置两个方面的含义，前者解决如何换向，后者解决什么时候换向。在最佳换向逻辑的研究中，大多是采用一套固定的有关转子位置信号和功率开关管的真值表，而缺乏系统的概括性更强的理论研究。尽管在理想状态下的最佳换向逻辑的研究比较透彻，但是在电机设计工作过程中最佳换向位置的研究还不够，实际运行的电机不同于理想电机，在理想电机中所忽略掉的次要因素实际上都会不同程度地影响最佳换向位置。因此，这就要求研究投入更多的精力。 1.4 无刷直流电动机的主要用途 无刷直流电动机是随着电子技术发展而出现的新型机电一体化电动机。 它是电子技术和电动机技术结合的产物，由电动机和电子驱动器两部分组成。具有与普通直流电动机相似的线性机械特性和线性转矩、电流特性。关键特征 :需要多相逆变器驱动 ；由于没有电刷和换向器，即使在很高的转速下，可得到较高的可靠性 ； 有较高的效率 ；低的 EMI； 总系统成本比直流电动机高 ； 可实施无传感器控制。 由于永磁无刷直流电动机得到越来越广泛的应用 :在计算机外设和办公室自动化设备中的应用。在家用电器中的应用，例如音像设备、家用洗衣机、空调装置的应用。错误 !未找到引用源。 - 3 - 在汽车、电动自行车等交通工具中的应用。在医用领域中的应用，例如高速离心机 、心脏泵等的应用。 此外，在特殊环境条件下，如潮湿、真空以及有害物质的场所，为提高系统的可靠性，采用无刷直流电动机。其中，军事和航天领域是无刷直流电动机最先得到应用的领域。 1.5 课题 研究的 背景和意义 随着大功率开关器件、集成电路及高性能磁材料的进步，无刷直流电动机得到了快速发展，并成为驱动先进制冷系统的发展方向。但在目前国内的绝大部分变频空调中，压缩机效率与功率因数较低，噪声较大，对变频器容量要求高。将永磁无刷直流电动机应用到压缩机中，则可以克服这些缺点，且不受电源频率限制，压缩机的额定转速可以设计得较 高，既可以优化压缩机的运行功率，又可以减小压缩机的体积。传统的无刷直流电动机获取转子位置信息的方法是采用电子式或机电式位置传感器直接测量，然而传感器有的分辨率低或运行特性不好，有的对环境条件很敏感，如振动潮湿和温度变化都会使性能下降，使得整个系统的可靠性难以得到保证。由于压缩机的电动机往往是密封的，连线众多的位置传感器会降低电动机运行的可靠性， 加之 制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器很难正常工作。因此，采用无位置传感器无刷直流电动机具有很多的优越性。 1.6 本文的主要工作及 安排 (1) 学习无刷直流电机原理， 学习无刷直流电机设计，定子部分，转子部分的设计。使用公式流程设计两台样机，使用 Ansoft 软件进行优化，进行结果分析。 (2) 无位置传感器控制方法的选择，文章选用了反电动势法检测转子位置。 (3) 硬件电路设计。搭建基于 PIC18F4580 单片机的双闭环控制系统。 (4) 系统调试。对搭建的基于 PIC18F4580 单片机的无刷直流电机控制系统进行调试，使该系统具有良好的控制性能。 - 4 - 第二章 永磁无刷直流 电机 简介 无刷直流电动机 (BLDCM: Brushless Direct Current Motor)是近几十年随着电力电子技术而迅速发展起来的一种新型电动机，其基本原理就是通过驱动电路，驱动逆变电路的功率开关元件，反映转子位置的信号，使电枢绕组依照一定的顺序馈电，从而在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁式转子旋转 1_2。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，实现无刷直流电动机的机电能量转换 3-4。 2.1 无刷 直流 电机的基本结构 无刷直流电动机是一种可控制变频的永磁同步电动机，与永磁同步电动机相比，就是通入的电流为方波而非正弦波 5。就其基本组成结构而言，可以认为 是由直流电源、电力电子换相电路、永磁无刷直流电机和磁极位置检测电路组成的“电动机系统”，其中电子换相电路又由功率逆变电路和控制器组成。框图如图 2.1 所示： M直 流 电 源 逆 变 桥控 制 器永 磁 无 刷直 流 电 机位 置 传 感 器图 2.1 无刷直流电动机结构框图 Fig. 2.1 BLDCM structure diagram 在无刷直流电动机中，电枢绕组在定子上，永磁体在转子上。与传统的直流电动机相比，转子为永磁体，产生气隙磁通 ； 定子为电枢，由多相绕组组成，结构上与永磁同步 电动机类似 6。无刷直流电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同，在铁心中嵌入多相绕组 (三相、四相、五相不等 )，绕组可接成星形或角形，并分别与逆变器的相应功率管相连，以便进行合理换相。 错误 !未找到引用源。 - 5 - 在 样机 设计中，用反电势过零点检测电路来代替传统的位置传感器，这样使得电机的成本明显减小 7。过零点检测电路将检测到的反电势过零点信号送入处理器，信号处理后，就形成有序的换相逻辑，触发相应的功率管使特定的相导通。 2.2 无刷直流电机的工作原理 永磁无刷直流电动机的基本组成 主要由电动机主体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成 8。一般的直流电机由于电刷的换相，使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电动机运转 9。永磁无刷直流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通过的电流总量恒定，以产生恒定转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关 10。 BLDCM 转子的气隙磁通为梯形波，电枢的感应电动势亦为梯形波，大小与转子磁通和转速成正比。 BLDCM 三相电枢绕组的每相电流为 120通电型的交流方波，反电动势为 120梯形波。只要控制好逆变器各桥臂功率器件的开关时刻就能满足上述要求。但是 需要确定 方波电流的通电时刻与感应电动势波形、转子磁极位置有严格的对应关系，否则会产生较大的转矩脉动，使平均转矩减小 11。 永磁无刷直流电动机三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种，三相半控电路的特点是简单，一般采用图 2.2 所示的三相全控式电路结构，在该电路中，电动机的绕组为星型联接。图 2.2 中的主电路是一个典型的电压型交 -直 -交电路，逆变器提供等幅等频调制波的对称交变矩形波。 随着永磁体的 N-S 极交替交换，使位置传感器产 生相位差 120的 U、 V、 W 方波 ,逻辑控制单元通过判断位置传感器信号而产生 PWM 相序来控制 T1、 T2 T6 六个功率开关器件的导通 ,使之工作在两两通电 ， 三相六状态方式 ， 两两通电方式是指每一瞬间有两个功率管导通 ,每隔 60电角度换相一次，每次换相一个功率管，每个功率管每次导通 120电角度。各功率管导通顺序依次为 T1-T4 导通、 T1-T6 导通、T3-T6 导通、 T3-T2 导通、 T5-T2 导通、 T5-T4 导通。也就是说将直流母线电压依次加在 BLDCM 的定子绕组 A+B、 A+C、 B+C、 B+A、 C+A、 C+B 上，在这 种控制方式下，得到理想的相电动势和电流波形。 沈阳工业大学硕士学位论文 -6- 控 制 器T 1T 4T 3 T 5T 2T 6NV NABCZ bZ cZ a位 置 检 测图 2.2 BLDCM 三相全控式结构图 Fig.2.2 BLDCM three-phase all control structure drawing 2.3 无刷直流电动机的数学模型 以二相导通星形三相六状态为例，分析 BLDCM 的数学模型及电磁转矩等特性。为了便于分析，假定： (1) 三相绕组完全对称，气隙磁场方波，定子电流、 转子磁场分布皆对称； (2) 忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； (3) 电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； (4) 磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。 则三相绕组的电压平衡方程可表示为： cbacbacbacbaeeeiiipLMMMLMMMLiiirrruuu000000 (2.1) 其中，au、bu、cu为定子相绕组电压，ai、bi、ci为定子相绕组电流，ae、be、ce为定子相绕组电动势， L 为每相绕组的自感， M 为每两相绕组间的互感， p 为微分算子 dtdP / 。 对于三相绕组星形连接，且无中线，则有： 0 cba iii (2.2) 并且有： acb MiMiMi (2.3) 将式 2.1、 2.2 和 2.3 经过整理，得到的电压方程为： 错误 !未找到引用源。 - 7 - cbacbacbacbaeeeiiipLMMMLMMMLiiirrruuu000000 (2.4) 根据电压方程式 2.3 可得到电机的等效电路图，如图 2.4 所示 ： U aU bU ci ai bi crrrL - ML - ML - Me be ae c图 2.3 永磁无刷直流电动机的等效电路 Fig. 2.3 Equivalent Circuit Figure of PM BLDCM 电压方程式 2.4 可写成如下形式： cbacbacbacbaeeeiiirrruuuMLMLMLiiip000000100010001(2.5) 电磁转矩方程为： /)ieieie(T ccbbaaem (2.6) 由式 2.6 可以看出，永磁无刷直流电动机的电磁转矩大小与相绕组的电流和反电动势的幅值成正比，所以控制逆变器 输出方波电流的幅值即可控制无刷直流电动机的转矩。 2.4 无刷直流 电机技术发展趋势 (1) 向高效节能方向发展 ： 高效是指满载时效率高，节能是指综合节能效果。如效率相同，但使用对象不同，节电效果也不同。一般的稀土永磁同步电机，平均节电率高达 10，某些专用稀土永磁同步电机，如油田抽油机用电机，节电率高达 1520。 沈阳工业大学硕士学位论文 -8- 电动机的节能分两个方面。一方面是改革异步电动机的结构，提高效率和其他性能。欧美等工业发达国家，提高电机效率重点放在异步电动机上，英国三相异步电动机的用电量占电动机总用电量的 86。其次是发展永磁 同步电动机，可以取得更高的节电效果。根据我国国情，高性能的稀土永磁材料钕铁硼的产量现已居世界第一位，价格也趋向合理。统计资料表明，中小型永磁同步电动机的效率可提高 5，节电率10，某些专用永磁同步电机节电达 15 20。所以发展永磁同步电动机是电机工业技术发展趋势之一。 (2) 向机电一体化方向发展 ： 要提升传统机电产品的水平，必须紧紧抓住机电一体化这个环节。实现机电一体化的基础，是发展各种机电一体化需用的各种高性能稀土永磁电机，如数控机床用伺服电机，计算机用 VCM 音圈电机。一台 60 把刀加工中心，要配备 30 台伺服电机。变频调速稀土永磁同步电机和无刷直流电机是机电一体化的基础。 (3) 向高性能方向发展 ： 现代化装备向电机工业提出各种各样的高性能要求，如军事装备要求提供给各种高性能信号电机，移动电站，自动化装备用伺服系统及电机，航空航天用高性能、高可靠性永磁电机，化纤设备用高调速精度变频调速同步电动机，数控机床、加工中心、机器人用高调速比稀土永磁伺服电机，计算机用高精度摆动电机及主轴电机等等。 (4) 向专用电机方向发展 ： 电机所驱动的负载千变万化，如全部采用通用型电动机，在某些情况下，技术经济很不合理。因此国外 大力发展专用电机，专用电机约占总产量的 80，通用电机占 20。而我国恰恰相反，专用电机只占 20，通用型电机占 80。专用电机是根据不同负载特性专门 设 计的，如油田用抽油机专用稀土永磁电机，节电率高达 20 ， 这方面的节能潜力很大。电机工作者不仅要研究电机本身，更应当研究所驱动负载的特性，设计出性能先进、运行可靠、价格合理的稀土永磁电机产品。 (5) 向轻型化方向发展 ： 航空航天产品，电动车辆、数控机床、计算机、医疗器械、便携式光机电一体化产品等，都对电机提出体积小、重量轻的严格要求。有些还对产品形状提出要求， 如信息产品提出扁平化，世界上最小的电机已达到 0.8mm，102mm， 用于医疗检测。 - 9 - 第三章