微型外转子无刷直流电机及其控制

论文摘要

无传感器无刷直流电机因具有体积小、重量轻、效率高及可靠性好等优点,已经广泛应用于航模领域。航模上用的无刷直流电机因其结构的不同又可分为外转子无刷直流电机和内转子无刷直流电机,本文设计了一种可用于遥控飞机模型的微型外转子永磁无刷直流电动机,并设计了对应的控制器。首先,本文从永磁材料、磁体结构、充磁方式、极槽安排、绕组分布等方面分析了外转子永磁无刷直流电机的设计要求,根据电机经典磁路设计方法及公式计算了电机的各项参数。同时,为了验证电机设计参数的合理性,建立了电机的有限元仿真模型,利用有限元法获得了样机的静态特性及基本性能,对电机转矩、气隙磁场等参数进行了仿真计算。其次,开发了一套基于Atmega88单片机的无位置传感器无刷直流电动机控制器,设计了基于反电势过零检测方法的硬件控制电路,详细介绍了系统外围电路,功率电路和反电势检测电路等主要组成部分;软件部分首先论述了整体设计并给出了主程序流程图,然后分别介绍了调速脉冲检测,电机自启动,无传感器运行等主要子程序的流程。最后,对电机及其控制系统进行空转、带桨以及逐步加载等实验,根据实验结果分析电机各项性能,实验证明,整套系统运行稳定可靠,性能良好,调试方便,为后续的研究工作提供了基础和借鉴。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 无刷直流电机的发展
• 1.1.2 无刷直流电机的应用
• 1.2 无刷直流电机的基本原理
• 1.3 无刷直流电机的控制方法
• 1.3.1 有位置传感器无刷直流电机的控制方法
• 1.3.2 无位置传感器无刷直流电机的控制方法
• 1.3.3 控制方法的选择
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 外转子无刷直流电机的结构设计
• 2.1 概述
• 2.2 航模用外转子无刷直流电机的性能指标
• 2.3 外转子无刷直流电机的本体设计
• 2.3.1 永磁材料的选择
• 2.3.2 磁体结构和充磁方式的选择
• 2.3.2.1 磁体结构的选择
• 2.3.2.2 磁体充磁方式的选择
• 2.3.3 电机的相数选择和极槽安排
• 2.3.3.1 电机的相数选择
• 2.3.3.2 极数的选择
• 2.3.3.3 槽数的选择
• 2.3.3.4 电机的极槽配合
• 2.3.4 电机的绕组连接形式
• 2.3.5 电机的设计程序
• 2.3.5.1 主要尺寸与电磁负荷的关系
• 2.3.5.2 主要尺寸计算
• 2.3.5.3 定子结构确定
• 2.3.5.4 转子磁钢尺寸计算
• 2.3.5.5 磁路计算
• 2.3.5.6 电路计算
• 2.3.6 外转子电机的安装结构
• 2.4 本章小节
• 第三章 电机的有限元分析
• 3.1 电机的磁场建模
• 3.1.1 电机的尺寸与模型建立
• 3.1.2 电机的网格剖分
• 3.2 电机空载磁场的计算
• 3.2.1 空载磁场的有限元模型
• 3.2.2 空载时的磁场计算
• 3.2.3 齿槽转矩的计算
• 3.3 电机负载磁场的计算
• 3.3.1 负载磁场的有限元模型
• 3.3.2 负载电流对气隙磁场的影响
• 3.4 电机主要设计参数对电机性能的影响
• 3.4.1 气隙长度对电机性能的影响
• 3.4.2 磁钢尺寸对电机性能的影响
• 3.4.2.1 磁钢高度对电机性能的影响
• 3.4.2.2 磁钢宽度对电机性能的影响
• 3.4.3 定子尺寸对电机性能的影响
• 3.4.3.1 定子齿宽对电机性能的影响
• 3.4.3.2 定子轭对电机性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 无刷直流电机的控制系统设计
• 4.1 反电势法的控制原理和反电势过零点的检测分析
• 4.1.1 反电势过零法的控制原理
• 4.1.1.1 三相无刷直流电机的数学模型
• 4.1.1.2 反电势过零法的控制原理
• 4.1.2 反电势过零的检测方法
• 4.2 控制系统硬件设计
• 4.2.1 系统总体要求
• 4.2.2 Atmega88 简介
• 4.2.3 系统外围电路
• 4.2.3.1 电源设计
• 4.2.3.2 时钟及仿真电路
• 4.2.4 功率电路
• 4.2.5 反电动势检测电路
• 4.3 系统软件设计
• 4.3.1 主程序流程
• 4.3.2 处理器复位和初始化程序
• 4.3.3 外部中断程序
• 4.3.4 电机自启动子程序
• 4.3.5 电机的无传感器运行
• 4.4 本章小结
• 第五章 电机及其控制系统的实验结果和分析
• 5.1 实验系统组成
• 5.2 电机空载运行实验
• 5.2.1 电机空载启动波形
• 5.2.2 电机空载全速时的波形
• 5.2.3 电机空载调速时波形
• 5.3 电机带桨运行实验
• 5.3.1 电机带桨启动波形
• 5.3.2 电机带桨全速时的波形
• 5.3.3 电机带桨调速时波形
• 5.4 电机负载实验与电机性能曲线
• 5.5 本章小节
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间研究成果及发表的学术论文