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永磁无刷直流直线电机齿槽力补偿控制研究罗宏浩;周波;吴峻;常文森【期刊名称】《国防科技大学学报》【年(卷),期】2007(029)005【摘要】永磁无刷直流直线电机的齿槽定位力对其低速性能影响很大,而单纯的设计方法不可能完全消除齿槽力的影响,为此,必须在控制系统中对齿槽力进行补偿.针对包含齿槽力模型的理想电机控制系统进行了理论分析,指出通过引入位置反馈环节可以消除齿槽力的不良影响.利用有限元分析方法计算了电机的推力和齿槽力波形,验证了低速条件下推力波动主要由齿槽力引起,并说明可以通过位置反馈来补偿推力波动.最后,提出将一个齿槽力周期分为多个区间,然后分段进行线性补偿的简易控制方法.该方法无需高精度的定位装置和复杂的控制算法即可实现对电机齿槽力的补偿,实验结果表明,所提方法能够有效抑制电机的推力波动.【总页数】5页(P117-121)【作者】罗宏浩;周波;吴峻;常文森【作者单位】国防科技大学,机电工程与自动化学院,湖南,长沙,410073;国防科技大学,机电工程与自动化学院,湖南,长沙,410073;国防科技大学,机电工程与自动化学院,湖南,长沙,410073;国防科技大学,机电工程与自动化学院,湖南,长沙,410073【正文语种】中文【中图分类】TM351;TM359.4【相关文献】1.极弧系数对永磁无刷直流电机齿槽转矩影响的研究 [J], 夏加宽;刘广岩;黄伟2.三相无刷直流电动机分数槽集中绕组槽极数组合规律研究(连载之五)降低永磁无刷直流电动机齿槽转矩的设计措施 [J], 谭建成3.三相无刷直流电动机分类槽集中绕组槽极数组合规律研究(连载之六)降低永磁无刷直流电动机齿槽转矩的设计措施 [J], 谭建成4.微型永磁直线无刷直流电动机齿槽力优化研究 [J], 王书华;汪旭东;许孝卓;曹娟娟5.动磁式永磁无刷直流直线电机的齿槽力最小化 [J], 罗宏浩;吴峻;常文森因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
无刷直流电机PI控制系统的设计及分析杨林;刘曰涛;沈宝民;仲伟正【摘要】Traditional software controllers have such problems as slow running speed, low precision, poor immunity from interference, and high cost. A PI control system of BLDCM is presented based on complex programmable logic device to solve these problems. This system is composed of all hardware and adopts trapezoidal commutation control strategy. It has advantages of high response speed and strong immunity from interference. At the same time, the effect of different PWM modulation modes on armature current and electromagnetic torque of brushless current motor is analyzed, and the H-PWN—L-PWM modulation mode is selected to achieve the desired control effect. Finally, an experimental platform is built. The driver reaches stable state after 25.6 ms at the set speed of 2500 r/min. The results show that the system has good dynamic response performance.%针对传统软件控制方式运行速度慢、精度低、抗干扰能力差、成本高等问题,设计一种以复杂可编程逻辑器件(CPLD,complex programmable logic device)为核心的无刷直流电机PI控制系统.系统采用全硬件电路设计和梯形换向控制的策略,具有高响应速度和抗干扰能力.同时,分析不同脉冲宽度调制(PWM,pulse width modulation)方式对无刷直流电机续流回路和电磁转矩的影响,选取H-PWN—L-PWM的调制方式以达到理想的控制效果.最后搭建实验平台,控制系统在设定转速为2 500 r/min的情况下,经过25.6 ms到达稳定状态,结果表明该系统具有良好的动态响应性能.【期刊名称】《西安工程大学学报》【年(卷),期】2019(033)001【总页数】7页(P81-87)【关键词】无刷直流电机;可编程逻辑器件;PI控制系统;梯形换向控制;脉冲宽度调制【作者】杨林;刘曰涛;沈宝民;仲伟正【作者单位】山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049;山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049;山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049;山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049【正文语种】中文【中图分类】TM330 引言无刷直流电机具有质量轻、体积小、扭矩大、寿命长等优点,在工业控制、医疗器械、家用电器等领域有广阔的应用前景[1]。
Internal Combustion Engine &Parts0引言随着人类工业社会的迅速发展，能源危机是21世纪各个国家所面临的重大危机，也是要实现可持续发展所必须解决的难题。
永磁无刷直流电机的发展历史可以追溯到上世纪四十年代，直到八十年代初期，在钕铁硼稀土这一永磁材料的突破性研究取得了巨大成果，并且加上生产力迅速提升，制造投入减小的影响，永磁无刷直流电机行业迎来了蓬勃发展。
近三十年来，随着科学研究的深入，永磁体性能得到了跃进式的提升，相应的电力电子器件的完善和蓬勃发展也促进了这一行业的迅猛发展。
永磁无刷直流电机控制系统研究方向与现代电力电子技术、现代控制理论、电机集成技术和微机技术等学科密切相关，相辅相成。
科学家们通过对其研究背景、研究意义、结构组成、工作原理、数学模型、硬件电路设计、软件设计等方面的深入研究，使得永磁无刷直流电机在拥有良好调速性能的情况下，机械换向和电刷等历史研究中出现的难点获得了解决，目前永磁无刷直流电机的用途遍布各行各业，小到家用电器，大到航空航天，都有永磁无刷直流电机的身影，发展前景不可估量。
1研究背景与意义从上世纪四十年代至今，永磁无刷直流电机的发展在实际应用上与永磁材料的突破性研究，生产力迅速提升，制造投入减小，电力电子器件的迅猛发展息息相关，在理论研究上与现代电力电子技术、现代控制理论、电机集成技术和微机技术等学科的深入研究息息相关。
由于其所具有的大功率、大转矩、高速度、高性能、微型化和数字化等特点决定了该行业宽广的发展前景，也吸引了不少科研工作者的目光。
目前永磁无刷直流电机在各行各业都得到广泛的应用，小到家用电器，大到航空航天，都有永磁无刷直流电机的身影。
基于上述原因，对永磁无刷直流电机的控制系统进行合理的、科学的、系统的研究探索是非常重要且必要的，这是现代工业发展和机电一体化所提出来的必须进行的挑战，这一研究具有深远的理论意义和实际应用价值，并且会给整个社会和相关行业带来巨大的经济效益。
永磁无刷直流电机控制系统设计1.电机模型的建立：建立电机的数学模型是进行控制系统设计的第一步。
永磁无刷直流电机可以使用动态数学模型来描述其动态特性，常用的模型包括简化的转子动态模型和电动机状态空间模型。
简化的转子动态模型以电机的电磁转矩方程为基础，通过建立电机的电流-转速模型来描述电机的动态响应。
这个模型通常用于低频控制和电机启动阶段的设计。
电动机状态空间模型则是通过将电机的状态变量表示为电流和转速变量，用微分方程的形式描述电机的动态特性。
这个模型适用于高频控制和电机稳态响应分析。
2.控制器设计：经典的控制方法包括比例积分控制器（PI）和比例积分微分控制器（PID）。
比例积分控制器是最简单的控制器，通过调节电流的比例增益和积分时间来控制电机的速度。
这种控制器适用于低精度控制和对动态响应要求不高的应用。
比例积分微分控制器在比例积分控制器的基础上增加了微分项，通过调节微分时间来控制系统的阻尼比，提高系统的稳定性和动态响应。
3.参数调节：在控制器设计中，参数调节和整定是非常重要的环节，主要包括根据系统的要求选择合适的控制器参数，并进行优化。
参数调节可以通过试探法、经验法和优化算法等方法进行。
其中，试探法和经验法是相对简单的方法，通过调整控制器的参数值来达到稳定运行或者较好的控制性能。
优化算法可以通过数学模型和计算机仿真的方式进行，通过优化目标函数和约束条件，得到最合适的控制器参数。
总结起来，永磁无刷直流电机控制系统设计主要包括电机模型的建立、控制器设计和参数调节。
在设计过程中，需要根据系统的要求选择合适的控制器，通过参数调节和优化算法来提高系统的稳定性和动态性能。
无刷直流电机设计与性能分析随着电动汽车的普及和工业自动化的发展，无刷直流电机作为一种高效、精准、可控性强的电机，越来越受到工程师和研究人员的关注。
本文将探讨无刷直流电机的设计原理、性能分析以及相关应用。
一、无刷直流电机的设计原理无刷直流电机是一种利用反电动势将电能转化为机械能的装置。
与传统的直流电机相比，无刷直流电机不需要传统的碳刷和电刷组，可以减少能耗和机械磨损。
其主要部件包括定子、转子和电子调速器。
定子是无刷直流电机的固定部分，由若干个电磁铁组成。
转子则由磁铁和导电线圈构成。
电子调速器是控制整个电机的核心部件，负责接收和处理信号，并驱动转子旋转。
在无刷直流电机的工作过程中，电流通过定子的电磁铁，产生磁场。
电子调速器根据传感器返回的信号，控制定子电磁铁的通电状态，从而产生电磁力。
这个电磁力作用在转子的磁铁上，使转子旋转。
转子的旋转又会产生反电动势，通过电子调速器的处理，控制整个系统的转速和转向。
二、无刷直流电机的性能分析无刷直流电机的性能主要包括转速、转矩和效率。
1. 转速：无刷直流电机的转速取决于电子调速器的驱动信号和负载情况。
通常情况下，当负载较小时，转速较高。
而随着负载的增加，转速会逐渐降低。
2. 转矩：转矩是电机转动时产生的力矩。
无刷直流电机的输出转矩与电流成正比。
当电流增大时，输出转矩也会随之增大。
同时，转矩还受到电机的结构设计和磁铁材料的影响。
3. 效率：无刷直流电机的效率通常指电机的转动效率，即将输入的电能转化为机械功的比例。
高效率的无刷直流电机可以减少能源消耗和热量产生。
三、无刷直流电机的应用无刷直流电机在许多领域具有广泛的应用。
以下是几个典型的应用案例：1. 电动汽车：无刷直流电机作为电动汽车的动力源，具有高效率、低噪音和快速响应的特点。
它可以驱动汽车前进、制动和转向，成为电动汽车领域的关键技术。
2. 工业自动化：无刷直流电机作为工业自动化装置的驱动装置，广泛应用于机器人、传送带、工业机床等设备中。
永磁无刷直流电动机控制系统的研究摘要无刷直流电动机是集材料科学、电力电子技术、微电子技术和电机理论等多学科为一体的机电一体化产品，在诸多领域有着广阔的应用前景。
随着大功率开关器件集成电路及高性能的磁性材料的进步，采用电子换向原理工作的永磁无刷直流电机取得了长足的发展。
永磁无刷直流电机既有直流电机的结构简单，运行可靠。
又具备交流电机运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，在当今国民经济的各个领域里的应用日益普及。
维护方便的一系列优点永磁无刷直流电动机发展简况永磁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同直流电动机在传动应用中占主导地位，但是永磁无刷直流电动机正受到普遍的关注。
自20世纪90年代以来，随着人们生活水平提高和现代化的生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备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，电机必须具备精度高、速度快、效率高等特点，永磁无刷直流电机的应用因此而迅速增长。
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。
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。
一．永磁无刷直流电动机与永磁有刷直流电动机的比较表1-1永磁无刷直流电动机与永磁有刷直流动机的比较二．永磁无刷直流电动机系统的组成及组成框图2.1电机本体无刷直流电动机最初的设计思想还是来自普通的有刷直流电动机，不同的地方是将直流电动机的定子、转子的位置进行了互换，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以及机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。
所以无刷直流电动机的电机本体实际上就是一种永磁同步电机。
由于无刷直流电动机的电机本体是永磁电机，所以无刷直流电动机亦称为永磁无刷直流电动机。
定子的结构、普通同步电动机和感应电动机相同，铁心中嵌有着多相对称绕组。
绕组可以接成星形或三角形，并且分别与逆变器中的各开关管相连接，三相无刷直流电动机最为常见。
2.2逆变器目前，永磁无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路已经有集成的功率模块<PIC）和智能功率模块<IPM），选用这些模块主要是可以提高系统的可靠性。
永磁无刷直流电动机的定子绕组的相数可以有着不同的选择，绕组的连接方式也同样有着星形和角型之分，而逆变器又有着半桥型和全桥型两种。
所以不同的组合使得电动机产生不同的性能和成本。
综合以下三个指标可以有助于我们做出正确的选择：<1）绕组利用率。
与普通直流电动机不同，永磁无刷直流电动机的绕组是断续通电的。
可以适当地提高绕组利用率使得同时通电的导体数增加，从而电阻下降，效率提高。
从这个角度来看的话，三相绕组优胜于四相和五相绕组。
<2）转矩脉动。
永磁无刷直流电动机的输出转矩脉动要比普通直流电动机的转矩脉动大。
一般是相数越多，转矩的脉动越小；采用桥式主电路会比采用非桥式主电路的转矩脉动小。
<3）电路成本。
相数越多，逆变器电路使用的开关就管越多，成本就越高。
桥式主电路所用的开关管相比半桥式要多一倍，成本就要高；多相电动机的逆变器结构较为复杂，成本亦高。
因此，目前主要以星形连接三相桥式主电路应用最为多见。
2.3位置检测器位置检测器的作用主要是用于检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，从而为逆变器提供一个正确的换相信息。
位置检测方式包括有位置传感器和无位置传感器两种检测方式。
转子位置传感器由定子和转子两部分组成，其转子同电机本体同轴，以跟踪电机本体转子磁极的位置；其定子是固定在电机本体定子或端盖上，以便检测和输出转子位置信号。
转子位置传感器的种类主要包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。
在永磁无刷直流电动机系统中安装机械式位置传感器可以解决电机转子位置的检测问题。
但是由于位置传感器的存在增加了其系统的成本和体积，降低了系统可靠性，从而限制了永磁无刷直流电动机的应用范围，对电机的制造工艺亦带来了不利的影响。
因此，国内外对永磁无刷直流电动机在无位置运行方式上给予了高度重视。
无机械式位置传感器转子位置检测主要是通过检测和计算同转子位置有关的物理量来间接地获得转子位置信息，主要有反电动势的检测法、续流二极管工作状态的检测法、定子三次谐波的检测法和瞬时电压方程法等。
2.4控制器控制器是永磁无刷直流电动机正常运行并实现各调速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、正反转和停车信号进行一个逻辑综合，来为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，从而实现电机的正反转以及停车控制。
<2）产生PWM调制信号，使得电机的电压随着给定速度信号来自动变化，从而实现电机开环调速。
<3）对电动机实行速度闭环调节和电流闭环调节，从而使得系统具有良好的动态和静态性能。
<4）实现短路、过流、过电压和欠电压等这样的一个故障保护电路。
2.5永磁无刷直流电动机控制系统组成框图永磁无刷直流电动机控制系统框图,如图2-1所示:图2-1电动机驱动控制框图<1）微控制器其主要功能是按照电动机旋转方向的要求以及霍尔转子位置传感器的三个输出信号，将它们处理成为功率驱动单元的六个功率开关器件所要求的驱动顺序。
微控制器的另一个重要作用就是根据电压、电流和转速等来反馈模拟信号，以及随机发出来的制动信号，经过AD变换以及必要的运算后，借助内置的时钟信号从而产生一个带有上述的各种信息的脉宽调制信号。
<2）功率驱动单元主要有功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和自举电路。
自举电路是有分立器件而构成的，当然也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路。
<3）位置传感器位置传感器在永磁无刷直流电动机中起到测定转子磁极位置的作用，同时为逻辑开关电路提供正确的换相信息。
<4）周边辅助、保护电路主要包电流采样电路、电压比较电路、过电流保护电路、调速信号和制动信号等输入电路。
三．永磁无刷直流电动机的结构及基本工作原理3.1永磁无刷直流电动机转矩分析电机本体的电枢绕组是三相星型连接，其位置传感器与电机转子同轴，控制电路通过对位置信号进行逻辑变换后从而产生控制信号，控制动信号再经驱动电路隔离放大后来控制逆变器的功率开关管，从而使电机的各相绕组按照一定的顺序工作。
图3-1 无刷直流电动机工作原理示意图如图3-1所示，当转子旋转<顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使得T1、T6 导通，A、B两相绕组得电，电流从电源的正极流出，经过T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源负极，此时定转子磁场产生相互作用，使得电机的转子顺时针转动。
当转子在空间转过60度时，到达图b所示位置，转子位置传感器输出的信号经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使得T1、T2导通，即A、C两相绕组得电，电流从电源的正极流出，经过T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源的负极。
此时定转子磁场产生相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。
转子在空间每转过60度时，逆变器开关就会发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。
在此期间，转子一直受到顺时针方向的电磁转矩的作用，沿着顺时针方向连续旋转。
转子在空间每转过60度，定子绕组就会进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就会发生一次跃变。
所以，电机有6种磁状态，每一种状态都有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120度。
永磁无刷直流电动机的这种工作方式就叫两相导通星型三相六状态，这亦是永磁无刷直流电动机最为常用的一种工作方式。
3.2永磁无刷直流电动机与输出开关管换流信永磁无刷直流电动机的位置是通过三个在空间上相隔120度的霍尔位置传感器进行检测，如果位于霍尔传感器位置上的磁场的极性发生变化时，那么这时传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各相差120度，因此在这三个检测元件的输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图3-2所示，以信号A为例，A相位置宽度为180角：在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，<此时下部可供导通的管子为T4、 T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度—120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2<T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度—180度时，由于每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断<T1=0），T2仍然导通<B相开始进入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通<防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。
其他时间段的开关管导通情况与此类似。
理论上来说，只要保证这三个位置传感器在空间上互差120度，开关管的换流时刻是可以推算出来的。
然而，将控制电路简化，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点<r0=00）上.如是在r0=00的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻<即该相反电势相位30度位置）恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。
同理可知，其他开关管的导通时刻亦可以按照此方法确定。
本次测试选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压UH=36V,电枢额定电流IaH =8.5A,电枢峰值电流IaP15A,额定转速nH=350r/min,额定功率PH=250W。
图3-2 永磁无刷电动机位置检测及开关管驱动信号表3-2 永磁无刷电动机直流通电控制方式开关切换表四．永磁无刷直流电动机的运行特性4.1机械特性永磁无刷直流电动机的机械特性：22222S T a s T e e e e t U U rI U U r n T C C C C δδδφφφ---==-U T -开关器件的管压降I a -电枢电流Ce-电机的电动势常数-每级磁通量可见永磁无刷直流电动机的机械特性和一般直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。
