无刷直流电机控制系统设计

[摘  要]：近年来，随着无刷直流电机研究领域的不断拓宽。无刷直流电机不仅摆脱了外置式位置传感器的诸多缺点，更是具备了直流电机调速性能的原因是其换相用电子代替机械。并且无刷直流电机伴随着电力电子技术和功率半导体技术的发展。无刷直流电机的性能更加优越相对于普通直流电机而言，它体积减小了很多，更加适用于现代化工业的加工与生产，可靠性能与生产效率也大大提高了。
        本文针对无刷直流电动机的无位置传感器在现代化工业领域的生产过程中所存在的技术问题进行研究，理论方面对无刷电动机的结构和性能进行了整体的探讨，实践方面对于转子和转矩所具有的一系列问题进行了改进。
        首先对无刷直流电动机三相半桥式主电路进行了简单的介绍，但反电势过零点检测法比三相半桥式主电路更加成熟，进而通过分析更加成熟的反电势过零点检测法研究出了以检测到反电势过零点后再延迟30°电角度的方法确定换相点。并且对于无刷直流电动机的两种控制方式，着重研究了“三段式”起动法的原理，增加了新研究方法的可行性。
        为了使研究的结果更加形象具体，我们利用Matlab/Simulink搭建了无刷直流电机双闭环控制系统的仿真模型并进行了实验。并且通过上述对于无位置传感器无刷直流电机控制系统的一系列方法进行实验验证，再对比当初预想的结果几乎一模一样。
[关键词]：无刷直流电机；调速设计；系统仿真；三段式启动

1 无刷直流电机的发展

        对于直流电动机整体来说，其应用广泛并且具有非常多的优点，但由于传统直流电动机工作过程中换向器和电刷总是会强迫性接触，导致直流电动机不断产生火花和噪音从而使其磨损程度加大，直流电机的正常工作受影响。随着科学技术的发展和进步,速度调节系统也得到了完善，尤其是三相交流异步电机调速系统在近些年来运用的更加广泛。研究科学表明尽管直流与交流调速系统具有很多相似之处，并且相对于控制直流调速系统来说交流调速系统控制的过程极为复杂，但交流调速系统的维修量却比直流的小很多，这样大大节省了花费在维修上面的时间，从而广受现代科学技术了欢迎。伴随许多新型材料的发展，科学家们研发出了一种无刷直流电动机，它结合了当时被广泛使用的三相交流异步电机和传统的直流电机共同的优点，从而使这种无刷电动机不仅维修简单而且控制方便，深受现代发展生产者的喜爱。
        20世纪初，科研人员为了解决直流电动机在工作过程中换向器和电刷总是会强迫性接触这一问题，研究出了一款新型的无刷直流电机。1995年，随着无刷直流电动机问世，晶体管相代替机械换相成为可能，推动了现代工业的生产发展，而X的D.Harrison等人就是在那个时候申请了专利。1962年，在对无刷直流电动机使用过程中，科研人员发现了更好的机器换相从而对无刷直流电机进行了进一步的改进，这在当时乃至现在都是最主要的换相形式。1978年，原联邦德国的Mannesmann公司在进行对无刷直流电机的改良过程中，发现了反电势为方波的永磁无刷直流电机及其驱动器，可以更好的带动机器的运作，随着这种推动器和方法的推出标志着无刷直流电机开始正式生产并使用。20世纪末，随着新型材料的出现，科学家们将其运用到无刷直流电机中，取到了意料之外的成效，使无刷直流电机的性能再一次得到了升华。现如今无刷直流电机不仅可以加快工业生产，同时在日常生活中也随处可见。

2 无刷直流电机无位置传感器技术的研究意义

        传统的无刷直流电机是运用霍尔元件传感器进行了换相，同时在使用无刷直流电机过程中为了使它能够稳定运作，需要检测转子的位置，由于它对于转子磁极位置的获取还有许多的缺陷，必须要研究出一种新型无刷直流电机。而改良后的无刷直流电机不仅要耐湿耐高温，而且要维修简单不受外界环境的影响，稳定性极强，最重要的一点是要大大节约了成本。当然国内外科学家对于如何实现无刷直流电机的无位置传感器控制进行了研究，做出了许多假设和问题，同样提出了许多方法，每一种假设和方法都进行了验证，当然这些方法都具有相同的本质，通过检测电机在工作过程中的各种物理量间接的找出转子所在的位置从而触发相应开关使电机能够正常工作，还要保证无刷直流电机的换向模式为方波驱动，经过多年数不清的科学家研究过后最终找到最优的方法使无刷直流电机的无位置传感器控制系统得以实现，无刷直流电机的无位置传感器控制系统体积与成本变得更小，性能更加优越，方便了现代化工业生产发展新型材料和机器，具有很好的前景。