直流减速电机（共12篇）
直流减速电机 篇1
0 引言
随着人们生活质量的日益提高, 噪音污染问题越来越得到人们的重视。调查显示, 在很多工业及民用产品中使用带塑料注塑和粉末冶金金属压铸齿轮的直流减速电机的数量相当惊人, 该类电机的特点是转速高、负载大, 其减速齿轮机构在传动中产生的齿轮噪音对人们的工作、生活环境产生了比较严重的影响。因此, 很多用户把直流减速电机的噪音等级大小作为一个重要指标来考核, 对电机生产厂家提出了进一步改善直流减速电机噪音的强烈要求[1,2]。本文以常州宝来电器有限公司生产的NEX6-F00-1-01型直流永磁减速电机为整改实例, 详细分析直流永磁减速电机减速齿轮机构产生较大噪音的原因, 研究降低减速齿轮机构噪音的方法, 并通过实践验证方法的有效性。
1 NEX6-F00-1-01型直流永磁减速电机噪音原始情况分析[2]
1.1 用Mode l8925数位式噪音计测量库存的NEX6-F00-1-01型直流永磁减速电机的实际噪音, 寻找正反转噪音差2 dB以内的电机。通过噪音测试, 在1000台库存电机中找出了3台符合该要求的电机。这三台电机的实测噪音数据如下表1所示。
1.2 分析以上3台电机的零部件质量状况
(1) 测量电机的正反转转速并计算转差率, 测量数据见表2。
(2) 测量电机的0号、1号、2号齿轮公法线变动、齿形误差、齿距误差、齿向误差, 齿面粗糙度, 单位:um。测量数据见表3。
(3) 测量电机的齿轮端面与齿轮箱端面粗糙度Ra, 实测数据见表4。
(4) 测量电机的齿轮轴中心距, 数据见表5
由以上测试可知:直流电机的减速齿轮箱正反转噪音要控制在2dB以内, 电机的正反转速转差必须在5%以内、同时控制好齿轮精度, 对照国家标准需达到GB2363-90的7级精度要求、齿轮箱轴中心距偏离理论中心距在0.02mm以内, 齿轮端面的表面粗糙在1.6um以内, 机壳端面与齿轮接触的表面粗糙度在2.0um以内。
1.3 在噪音良好的3台直流减速电机中任取一台在HSS660X型噪音振动测量分析系统中做频谱分析, 找出齿轮减速箱噪音最大频率点并分析原因[3]。频谱分析测试结果见表6、表7及图2和图3。
由以上测试可知:2号齿轮的大齿轮用非金属材料聚甲醛代替原来的金属齿轮, 有效降低了齿轮箱的整体噪音 (在50dB以下) 。
2 降低直流减速电机噪音的方法
通过对噪音指标符合要求的3台电机进行的测试数据结果分析来看, 要降低NEX6-F00-1-01直流永磁减速电机负载时的噪音, 须做好以下几方面的工作:
(1) 提高齿轮箱齿轮精度, 按GB2363-90的7级精度要求设计、加工、制造0号、1号、2号齿轮和齿轮端面粗糙度。
(2) 控制好电机额定负载下的转速。
(3) 控制好齿轮箱体齿轮轴孔中心距和与齿轮配合的齿轮箱体端面的粗糙度。
(4) 用非金属齿轮代替金属齿轮并验证其强度和寿命。
下面就控制齿轮变形和提高齿轮模具精度作详细分析。
2.1 计算机模拟成型
对于注塑和压铸齿轮来说, 模具的设计、制造与装配以及注塑、压铸过程都会影响齿轮制品的精度, 其中模具的设计精度起到了奠基的作用。现在产品上用的齿轮设计方法原理是进行等距放大得到模具的型腔尺寸, 所以外齿轮廓误差较大, 为了改变热变形引起的齿廓形状误差的影响, 在齿轮改进中采用了反向工程的方法, 以常温下 (30℃) 标准渐开线齿轮形状为基础, 逆向求取到注塑、压铸齿轮材料达到固化临界点时的齿廓曲线, 并在此基础上进行注塑、压铸齿轮模具的设计精度分析, 使齿轮成型后符合理论渐开线。首先在SOLIDWORKS中准确建立注塑齿轮的模型, 然后将其导入ANSYS软件, 进行注塑齿轮的热变形分析, 得出齿轮廓面在特定温度时的形状变化结果, 按此开模, 齿轮渐开线精度高。
2.2 线切割模具齿片外圆和齿廓面全部采用慢走丝 (精度0.005mm) 图, 以前普通线切割 (精度0.025mm) , 齿廓面保证镜面, 保证成型齿轮的中心和外圆的同轴度。
2.3 塑料齿轮模具浇口的设定, 以前一个, 齿轮冷却变形较大, 现在增至三个, 齿轮冷却均匀、变形较小。
为了进一步降低齿轮箱噪音, 同时还进行了以下改进:
(1) 增加齿轮轴的刚度。齿轮轴由原来的2mm改为2.3 m m, 因为齿轮轴在传动负载下的变形会使轮齿面在齿宽方向上接触长度缩短, 造成啮合刚性下降, 由此产生的传动误差也会产生噪音。
(2) 润滑油的选用。用E356油脂 (油脂混合均匀, 齿轮润滑较均匀) 代替原来的白色特种润滑脂 (油脂分离大, 黏附性较差) , 以稳定噪声等级。
3 整改后的直流减速电机噪音性能测试
为了验证上述改进方法的有效性, 常州宝来电器有限公司按照上述整改方法新生产了1000台直流减速电机, 并进行了相关指标的测试, 具体情况如下:
3.1 从1000台直流减速电机生产线上随机抽取3台进行噪音测试, 测试数据见表7。
3.2 从1000台直流减速电机生产线上随机抽取1台进行噪音频谱分析, 测试结果见表8、表9和图4、图5。
从以上测试数据可以看出, 整改后的直流减速电机噪音得到了明显改善, 噪音指标达到了更高的要求。同时, 考虑到2号齿轮改成塑料齿轮后, 齿轮机械强度的降低, 可能会影响到电机的使用寿命, 于是对整改后的电机的2号塑料大齿轮进行了寿命试验考核。即在额定电压12V, 额定负载40N.cm, 额定转速7600rpm下, 连续运转了800小时, 试验结果证明, 齿轮变形和磨损较小, 其寿命达到了设计技术要求。
4 结论
直流减速电机的齿轮传动噪音与齿轮的精度息息相关, 要提高齿轮精度, 首先必须从齿轮的设计与齿轮模具的设计和齿轮的加工工艺入手, 同时, 在齿轮强度允许的条件下大胆采用非金属材料制造齿轮也是降低齿轮整体噪音很有效的手段。其次, 直流电机本身的正反转差异, 齿轮中心距的严格控制, 齿轮轴的刚度强弱, 齿轮润滑油的质量等也是影响齿轮噪音好坏的因素。另外, 齿轮传动噪音有30%以上的原因来自毛刺、磕碰伤等, 因此, 在齿轮箱的装配过程中一定要做好质量控制, 轻拿轻放。
摘要：本文针对直流永磁减速电机减速齿轮机构产生较大噪音的原因, 以常州宝来电器有限公司生产的直流永磁减速电机为试验研究对象, 分析并研究了直流永磁减速电机的齿轮结构、制造材料、加工工艺、刚度强弱等影响齿轮噪音的因素, 提出了降低直流永磁电机减速齿轮机构噪音的有效方法, 通过生产实践验证, 效果良好。
关键词：直流减速电机,噪音,减速齿轮机构
参考文献
[1]陈世坤.电机设计[M].北京:机械工业出版社.1990.
[2]陈永校, 诸自强, 应善成.电机噪音的分析与控制[M].杭州:浙江大学出版社, 1987.
[3]汪庆年, 李红艳, 史风娟等.基于频谱分析的电机噪声源的识别[J].声学技术.2009, 28 (4) :528-531.
直流减速电机 篇2
2.掌握交流伺服电动机机械特性及调节特性的测量方法。
三.实验项目1.观察伺服电动机有无“自转”现象。
2.测定交流伺服电动机采用幅值控制时的机械特性和调节特性。
四.实验说明以及操作步骤隔离变压器输出的固定电压(V相调压器的输入电压)UV′N接至交流伺服电机的励磁绕组。
三相调压器输出的线电压Uuw经过开关S(MEL—05)接交流伺服电机的控制绕组。
G为测功机，通过航空插座与MEL—13相连。
1.观察交流伺服电动机有无“自转”现象测功机和交流伺服电机暂不联接(联轴器脱开)，调压器旋钮逆时针调到底，使输出位于最小位置。
合上开关S。
接通交流电源，调节三相调压器，使输出电压增加，此时电机应启动运转，继续升高电压直到控制绕组Uc=127V。
待电机空载运行稳定后，打开开关S，观察电机有无“自转”现象。
将控制电压相位改变180°电角度，观察电动机转向有无改变。
没有自转现象。
煤矿直流架线电机车仿真分析 篇3
摘要：本文对煤矿直流架线电机车进行了仿真，并给出了仿真结果。
关键词：煤矿 直流架线电机车 仿真
0 引言
煤矿直流架线式电机车额定电压一般采用550伏。运力较小、运距较短时，可采用250伏，地面长距离运煤时，经技术经济比较，也可采用750伏。仿真采用ZQ-24型电机，其额定电压为550V，工作于小时制，额定电流50.5A，额定转矩39Kg*m，额定转速600rpm。
1 直流电源的获取
交流电能要以直流电能的形式提供给架线电机车，整流是必须的技术环节。晶闸管、二极管整流器由于功率因数低，谐波污染严重，已经不适于在大功率场合的直接应用。PWM整流器可以在满足直流负载正常工作的同时使交流侧的功率因数为1。如果直流侧负载需要改变电压，如直流电机的变压调速等场合，可以用斩波器将PWM整流器的直流侧电压变成需要的负载所需的电压。在本论文的仿真中，假设PWM整流器的直流侧电压可以保持稳定，以至于可以用一个直流电压源来代替。
2 起动电阻的选择
串电阻起动的目的就是减小起动时的电流冲击。起动时，电机转速为0，电枢反电动势还没有建立，需要在电枢回路中串联一定阻值的电阻，起到分压作用，从而减小电枢电流。所串电阻大小要满足起动电流的要求。选取最大起动电阻为7Ω。如果忽略电枢和励磁电阻，则起动电流为550/7=78.6A，不到额定电流的2倍，是基本可以承受的。
3 控制系统设计
仿真采用ZK7-10的起动控制方法，即双电机先是串联，串电阻起动，再变换成并联。在起动控制中一个关键的问题是控制时间的确定。虽然是顺序控制，可是相邻状态之间的时间间隔都需要合理设计。仿真中所用的状态时间值都是根据减小电枢电流和缩短电机起动时间的原则设计的。使用升压型斩波器改变电机电压，形成调压控制。为了是电机转速能够跟随给定，对电机转速采用闭环控制，控制变量为斩波器的开关占空比。
4 仿真结果
仿真采用串电阻起动的方法，设计起动时间为2秒。2秒之后进行调速，调速过程中负载转矩发生阶跃变化。仿真主要观察电机转速和电枢电流变化情况。
4.1 电机转速波形（见图一） 0~2s是电机的起动阶段。2s之后对电机进行调速，可以看出转速可以很好的跟踪给定值。5s时电机能耗制动，转速也直线下降到0。另一个值得注意的是，两个直流电机的转速基本相同，其大部分时间是重合的，只是在0.8s时有一点差异，这是因为此时其中一个电机被短路掉了。两电机转速相同的条件是他们的参数完全相同。
直流电机的调速方法 篇4
直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电, 通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉;但缺点是效率低、机械特性软, 不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期, 发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来, 随着电力电子技术的迅速发展, 由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统, 它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展, 使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管, 出现了性能更好的直流调速系统。
直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为
式中:Ua——电枢供电电压 (V) ;
Ia——电枢电流 (A) ;
Ф——励磁磁通 (Wb) ;
Ra——电枢回路总电阻 (Ω) ;
Ce——电势系数, , p为电磁对数, a为电枢并联支路数, N为导体数。
由式 (1) 可以看出, 式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量, 只要改变其中一个参量, 就可以改变电动机的转速, 所以直流电动机有三种基本调速方法: (1) 改变电枢回路总电阻Ra; (2) 改变电枢供电电压Ua; (3) 改变励磁磁通Ф。
2 改变电枢电压调速
连续改变电枢供电电压, 可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。如前所述, 改变电枢供电电压的方法有两种, 一种是采用发电机-电动机组供电的调速系统;另一种是采用晶闸管变流器供电的调速系统。下面分别介绍这两种调速系统。
2.1 采用发电机-电动机组调速方法
如图1 (a) 所示, 通过改变发电机励磁电流IF来改变发电机的输出电压Ua, 从而改变电动机的转速n。在不同的电枢电压Ua时, 其得到的机械特性便是一簇完全平行的直线, 如图1 (b) 所示。由于电动机既可以工作在电动机状态, 又可以工作在发电机状态, 所以改变发电机励磁电流的方向, 如图1 (a) 中切换接触器ZC和FC, 就可以使系统很方便地工作在任意四个象限内。
由图可知, 这种调速方法需要两台与调速电动机容量相当的旋转电机和另一台容量小一些的励磁发电机 (LF) , 因而设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打基础、运行噪声大、维护不方便。为克服这些缺点, 50年代开始采用水银整流器 (大容量) 和闸流管这样的静止交流装置来代替上述的旋转变流机组。目前已被更经济、可靠的晶闸管变流装置所取代。
2.2 采用晶闸管变流器供电的调速方法
有晶闸管变流器供电的调速电路如图2 (a) 所示。通过调节触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位, 即可改变整流电压, 从而实现平滑调速。在此调速方法下可得到与发电机-电动机组调速系统类似的调速特性。其开环机械特性示于图2 (b) 中。
图2 (b) 中的每一条机械特性曲线都由两段组成, 在电流连续区特性还比较硬, 改变延迟角a时, 特性呈一簇平行的直线, 它和发电机-电动机组供电时的完全一样。但在电流断续区, 则为非线性的软特性。这是由于晶闸管整流器在具有反电势负载时电流易产生断续造成的。
变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。在此方法中, 由于电动机在任何转速下磁通都不变, 只是改变电动机的供电电压, 因而在额定电流下, 如果不考虑低速下通风恶化的影响 (也就是假定电动机是强迫通风或为封闭自冷式) , 则不论在高速还是低速下, 电动机都能输出额定转矩, 故称这种调速方法为恒转矩调速。这是它的一个极为重要的特点。如果采用反馈控制系统, 调速范围可达50:1~150:1, 甚至更大。
摘要：直流电动机具有良好的运行和控制特性, 长期以来, 直流调速系统一直占据垄断地位。在许多工业部门, 如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。从控制技术的角度来看, 又是近年发展迅速的交流调速系统的基础。目前.直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。本文主要讲的是改变电枢电压调速。
直流无刷电机性能分析 篇5
一、无刷直流电机的意义
人们对环境和能源的日益关注，推动了电动汽车的发展，加速了世界强国在电动汽车领域的竞争。在目前电池技术制约下，如何提高电能效率、提高电动汽车续驶历程，是电动汽车行业关注的焦点。无刷直流电机启动转矩大、调速性能好、效率高、能量密度大、过载能力强、性能稳定、安全可靠，是电动汽车的理想驱动电机。无刷直流电机的产业化生产，对提高电动汽车性能、促进电动汽车行业发展、使我国电动汽车行业赶超世界先进水平具有积极的促进作用。
二、无刷直流电机的先进性
电动车辆主要用于城市交通，车辆大部分时间处于启动、加速、制动的工作状态，因此电机的起动性能、加速性能、低速时的效率、制动时的能量再生能力、电机的过载能力、电机的能量密度、电机可靠性对电动车辆尤为重要，是衡量电动车辆电机的重要指标。目前电动车辆还没有专用电机可选，只能选用通用电机，如直流串激电机、直流并激电机、永磁直流电机、异步电机等。通用电机的负载特性为恒负载特性，而电动车辆特性为变负载特性，两者特性不匹配，影响了电机出力，进而影响了电动车辆性能。另外，通用电机的最大效率点均设计在额定点附近，当负载偏离额定点时，电机效率急剧下降，影响了车辆的续驶里程。开关磁阻电机在低速时具有较大的转矩，但效率偏低，永磁同步电机具有较高的效率，但低速时转矩无法提升。只有无刷直流电机具备了以上电机的所有优点，它具有串激直流电机的低速转矩提升功能、并激直流电机的调速性能、永磁同步电机的高效特性和接近异步电机的可靠性，非常适合电动车辆的需要。现就各种电机技术指标汇总见表1。表1 各种电机技术指标汇总
电机
性 能 直流串激电机 支流并激电机 永磁直流电机 鼠笼异步电机 磁阻开关电机 永磁同步电机 无刷直流电机
起动性能 5 4 4 2 3 4 5
低速性能 5 4 4 3 3 4 5
低速时效率 3 3 4 3 4 5 5
平均效率 3 3 4 4 3 5 5
能量密度 2 2 3 4 4 5 5
过载能力 4 4 4 4 3 5 5
再生能力 3 5 4 3 2 5 5
可靠性 2 2 2 5 5 4 4
制造成本 4 4 4 5 5 4 4
控制器成本 5 5 5 4 4 4 4
合 计 36 36 38 37 37 45 47
从上表看无刷直流电机是最为理想的电动车辆驱动电机，与其它电机相比其主要优点为：①电机外特性好，非常符合电动车辆的负载特性，尤其是电机具有可贵的低速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足车辆的加速要求。②速度范围宽，电机可以在任何转速下全功率运行，这是无刷直流电机的独有特性，这样可以省去汽车的机械变速器，改变内燃车辆的传动模式，进一步提高整车效率。③电机效率高，尤其是在轻载车况下，电机仍能保持较高的效率，这对珍贵的电池能量是很重要的，该种电机可比永磁直流电动机提高效率10％以上，比Y系列电动机提高效率20％以上。④过载能力强，这种电机比Y系列电动机可提高过载能力20％以上，满足车辆的突起堵转需要。⑤再生制动效果好，因电机转子具有很高的永久磁场，在汽车下坡或制动时电机可完全进入发电机状态，给电池充电。⑥电机体积小、重量轻、比功率大、可有效地减轻重量、节省空间。⑦电机无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电机内部，可靠性高。⑧电机控制系统比异步电机简单。
无刷直流电机是在永磁同步电机的基础上发展而来，它比永磁同步电机具有更高的效率和更大的低速转矩，两种电机的外特性见图1。
三、无刷直流电机的现状
试论电动车用直流电机的优化设计 篇6
【关键词】串励直流电机；电磁设计；有限元仿真；优化
1.方案设计
1.1性能待提升的电机的数据
样机的铭牌标示。
额定电压DC-48V；额定功率1kW；额定电流22A；额定转速3500r/min；绝缘等级E级；工作制 s2-30min；1.1.2性能测试根据铭牌标示，对该样机进行带载试验。由试验结果与电机铭牌标识对比可知：（ 1）电机在铭牌标识的额定电流22A时，轴输出功率为870W，不到1000W；如果加载到输出功率为1kW，则电枢电流上升为29A；（2）当给定额定电压及符合额定标定的电流22A 时，发现电机转速只能达到 2940r/min，如若继续加负载，则电机的转速会下降较快。由以上试验结果可知，该电机的实际性能指标与铭牌标示严重不符，因此在此样机的外形尺寸基础上，进行了全新的设计，以期达到提升性能和成本优化的目的。
1.2新电机的设计
1.2.1 设计条件
针对技术条件的要求，在保证电机与外部连接的接口尺寸均保持不變的基础上，运用计算程序，完成了新方案电磁设计。新设计电机铁心的轴向长度可以从90mm缩短至70mm，相比之前电机，体积重量随之可减少约23%；功率从标称1kW提升至1.1kW。
1.2.2 新方案的设计数据
新方案的设计数据如下：主极漏磁系数1.15；气隙磁密/T0.483；极弧系数0.63；机座磁密/T1.287；主极铁心磁密/T0.893；转子轭部磁密/T 1.483/0.988；转子齿部磁密/T1.342；额定电流/A24.5；电机效率/%74.8。
2.有限元仿真
我们利用场分析软件对电机进行了空载、负载状态下的仿真计算，得到了不同运行条件下磁场分布云图，与传统计算程序进行了比较。根据计算结果，两者在磁场参数计算和电路参数计算方面较为符合，验证了计算程序参数优化修正的正确性，取得了较好的效果。
2.1有限元的建模
根据电机的尺寸参数，建立1.1kW串励直流电机的模型，并对各种材料赋予电磁属性；针对气隙部分进行了精密的剖分，以期获得较为精确的结果。
2.2空载运行
在串励直流电机的实际运行中，由于担心电机的“飞速”，串励直流电机一般不允许空载运行。因此空载特性的试验一般无法实现，并且空载特性的计算在传统计算方法里都是假定空载磁通进行运算，而在Ansoft仿真中，可以直接赋予励磁绕组电流，模拟串励直流电机的真实空载磁场分布，此时可得到不考虑电枢反应磁场影响的空载磁场分布情况。
对励磁绕组赋予额定励磁电流，电机转速为3500r/min情况下可以得到磁力线分布图和磁场云图。中图中可看出，在不考虑电枢电流的电枢反应磁场影响时，空载磁路完全对称，绝大部分磁通从主极铁心经气隙、电枢，再经过另一极下的气隙和主极铁心，最后经定子磁轭闭合。只有极少部分不穿过气隙直接经主极间的空气和定子磁轭闭合，不参与机电能量转换，即为漏磁通。根据磁力线分布可以计算得到电机的漏磁系数约为1.053，由于此截面为二维场计算，未计及端部漏磁，故与实际漏磁系数相比应该偏小。从磁场云图可看出，电机内部各磁密分布较为正常：最大磁密位置在主极铁心、机座的结合处（两端的截面突变处），此处机座磁密最大值约为1.6356T，在极间的机座轭部磁密值平均约为1.3292T；以及主极铁心的极弧拐角处（截面突变处），此处最大磁密为1.6791T，在主极矩形铁心内部磁密平均约为1.0499 T；在整个电枢上齿部最大磁密在1.4678T，在1/3齿处磁密约为1.377 8；极弧范围内的轭部磁密最大在1.5745T，极间范围内的轭部磁密最大在1.0751T，转子轭部磁密值平均约为1.1540T。从空载圆周径向气隙磁密分布图中可看到气隙磁密最大值为0.52T，由于转子电枢开槽，磁密有数个凹坑，气隙磁密在靠近主极铁心处最大，远离铁心则渐小。
2.3额定运行仿真
电机运行在额定转速下，并输出额定功率，在此情况下，得到电机的运行电流及各部件磁密云图，从图中可看出绕组线圈由于存在旋转换向，导致线圈电流有较大脉动，并且电流随着电机旋转换向出现正负交替现象。电机的励磁电流值约为26A，由于是串励电机，励磁绕组电流随着线圈电流也会有脉动现象。由于电枢电流的电枢反应，磁力线路发生了扭曲，并且变为逆电枢转向发生扭曲。由于电枢反应磁场使气隙磁场发生了畸变，主极铁心下磁场前半部分被消弱，后半部分被增强。最大磁密位置在主极铁心极弧拐角处，此处主极铁心磁密最大值约为2.1T，考虑到主极铁心材料为1mm的薄钢板，此处已经发生深度饱和，而在主极矩形铁心内部磁密平均约为1.0501T；同时机座内磁场也发生部分增强和部分削弱的情况，机座轭部磁密最大值达到 1.955T，而极间的机座轭部磁密值平均约为1.35T；在整个电枢上，齿部最大磁密在可达到1.75T，在1/3齿处磁密约为1.4128T；极弧范围内的轭部磁密最大在1.8465T，极间范围内的轭部磁密最大在1.2867 T，转子轭部磁密值平均约为1.3540T。根据磁场分布云图可看到，电枢反应磁场使气隙磁场发生了畸变，导致负载时径向磁密曲线发生严重扭曲。
3.结语
（1）比照得到的计算结果，仿真的功率、转速、电流等结果和自行编制的计算程序结果基本接近，验证了计算方法的可靠性；但是在各部分磁路磁密值上还有较大差异，主要是因为常规计算负载时圆周径向气隙磁密分布程序得到的磁密值只是求取一些特定点和线的位置值，有部分求取的是平均值，而场分析软件得到的是整个电机各部分的磁密分布趋势，能精确描绘出磁路的走向，并表示出不同位置，不同运行时间点的磁路参数；同时，场分析软件对于电机所使用材料的特性曲线依赖性较强，对模型的网格划分等要求较高，这些因素对计算结果的准确性都有较大的影响，需要仔细分析。（2）计算程序需要用到的一些参数，如漏磁系数，极弧系数等，可以通过有限元仿真得到较为精确的结果，将仿真值代入计算程序后，可以得到更为准确的磁路计算结果，这些对后续的励磁绕组计算和空载特性计算有很好的校正作用。（3）根据客户要求，应用本程序完成一台串励直流电机性能优化任务，并用场分析软件进行仿真分析，校正处理一些计算中需要的参数，完成新的电磁方案设计。与之前的电机相比，在不降低性能指标的前提下，体积重量有明显降低。 [科]
【参考文献】
直流电机的保养维护 篇7
直流电机包括直流电动机和直流发电机。直流发电机可作为直流电动机和同步电机激磁机的直流电源, 还可以作为电解、电镀、充电等设备的直流电源。用直流发电机做电源供电的质量和可靠性都较高, 因此直流发电机仍在某些场合中采用。直流电动机它具有优良的起动特性和调速特性。因而, 对于起动和调速性能要求较高的生产机械, 如轧钢机、矿井卷扬机、电力机车、大型电铲、大型车床等, 多采用直流电动机拖动。虽然直流电机具有制造工艺复杂、成本高、电刷和换向器之间易产生火花、维护困难等缺点, 但由于它的优点突出, 所以扔得到广泛应用。
直流电机在出厂前要经过多项的试验考核, 将电机在额定工况下的换向调到最好的状态, 各种性能指标均达到国家标准及相关技术文件的要求。直流电机到达现场后运行一端时间后会出现各种故障, 但影响直流电机发生故障的因素很多, 所以电机到达现场投入运行使用后的维护和保养是至关重要的。
2 电机的保养维护方法
2.1 电机的清洁
电机必须保持清洁, 不允许有水、油或其它异物进入电机内部, 应经常用压缩空气清理电机, 吹净电机内部灰尘等, 特别是换向器、连接线和引出线部分。如压缩空气不能吹净换向器表面上的异物时, 可用有酒精等清洗剂的无毛白布擦拭换向器, 并用特制工具清除换向器沟内 (既云母片处) 的异物, 清理工作应经常进行。
2.2 换向器
正常换向器应保持光洁的圆筒形表面, 不允许有擦伤、烧黑的痕迹。当换向器在长时间无火花运转时, 在其表面上产生一层暗褐色的有光泽的坚硬薄膜, 这层薄膜能保护换向器的磨损, 这层薄膜非常重要必须保存。不论在什么情况下, 都不允许用粗砂纸清洁换向器。若换向器表面出现不平或烧焦现象时, 可用00号砂纸研磨, 如换向器表面严重不平或椭圆度过大时, 则须车削换向器。车削后, 如发现云母片凹下换向器表面少于0.5毫米时, 应将云母片下刻。下刻后, 换向片边上要用特种刮刀倒成0.5×45°倒角, 随后用00号砂纸研磨换向器表面。在磨换向器或刻槽过程中须防止切屑和铜末浸入电枢内部, 应将电枢绕组和换向器升高片用纸包起来。全部加工完毕后, 用压缩空气将绕组及换向器吹净。
2.3 电机振动
电机安装时电机底板必须安装在牢固的基础上, 并保证电机与所带机械同心, 使其电机正常运转时不致引起共振。保证直流电机振速不超过2.3mm/s, 其双向振幅不超过0.037mm。应定期检查地脚螺栓等全部紧固件是否拧紧, 各定位销是否打紧, 电机与所带机械的连接处, 并经常测量电机的振动值。
2.4 轴承
应定期检查轴承座中所存储的的润滑油, 使其油位保持在油标的1/2油位线上, 并应保持润滑系统的清洁, 定期从轴承中取油样进行化验, 分析油中所含水分及泥垢, 根据电机运行时间和油的清洁情况确定更换新油时间, 一般运行2500-3000小时更换一次, 更换新油时要全部放出油槽中的存油, 并用汽油洗净轴承后在注入新油。为防止油滴到电机绕组及换向器表面上, 轴承不允许有甩油现象, 必须经常注意轴承油环工作情况是否正常, 还应关注润滑油和轴瓦的温度, 轴瓦温度一般不应超过80℃, 当强迫润滑时, 油温为35℃左右, 启动时不应低于25℃, 还需定期检查轴瓦与轴颈的间隙, 图1表示转速低于1000r/min电机的轴承径向间隙。直线A1适用于较高转速, 直线A2适用于较低转速电机。
2.5 电刷与刷握
刷握在刷架上必须安装牢固, 刷盒底边距换向器表面应保持一致, 电刷与换向器表面接触要良好, 电刷在刷盒中应滑动自如。电机运行一段时间后, 电刷损坏或磨损, 要及时更换新电刷, 替换的电刷与原用电刷牌号相同, 然后用00号砂纸进行研磨电刷, 使电刷接触面与换向器表面吻合。研磨后用压缩空气吹净, 使研磨下来的屑粒不跑入电机内部。
2.6 绝缘电阻
应经常用兆欧表检查电机各绕组对地及相互间绝缘电阻, 使其绝
缘电阻值不小于按此公式 (式中:R:绝缘电阻MΩ;U:额定电压V;P:额定功率k W) 求得数值, 但最小不应低于0.5MΩ, 若低于上述规定之, 应进行干燥处理, 一般将电机安放再封闭炉内, 用电热法亦可用风扇将热风吹过电机, 并须注意打开端盖上的窗口, 热空气温度为90℃, 最高不超过100℃, 或将电机作发电机运转, 电枢、换向极和补偿绕组经闸刀开关电流表和保险丝短路, 此时该电机的机座应接地, 并将串联绕组断开, 现将励磁回路内磁场变阻器调到最大电阻, 并把电机的电刷沿转向前移1-2片, 然后启动原动机, 并以直流电源供电给励磁绕组, 调节励磁电流大小, 使电枢电流约为额定值的60%, 最大不超过额定电流。准确的短路电流值应由电枢绕组最后的温度决定, 以温度计测量, 电枢绕组温度不得超过70℃。
2.7 通风系统
对电机冷却用的空气要干燥清洁, 相对湿度不得超过70%, 不应含有腐蚀性气体, 空气温度不得高于40℃, 不得低于5℃。应经常检查定子温升, 如超过国家标准和技术条件允许值时须立即停车, 检查通风系统。
2.8 电机的保管
电机运到用户后若不立即安装, 应在开箱检查后再装箱保管, 保管的库房温度应不低于5℃, 相对湿度不大于75%, 不得有蒸汽、酸性、碱性气体, 库内应适当通风, 电机入库前应仔细检查电机的防锈漆, 如有锈蚀则应除锈后重新涂以防锈漆。长期存放的电机应定期检查, 防止电机轴伸、轴径、换向器表面、刷盒等重要配合面和精密件锈蚀。长期停止使用的电机应首先检查并消除一切故障, 然后清理电机内部, 用布擦净刷盒、换向器等, 用纸包好换向器。整个电机用帆布盖好, 防止灰尘浸入电机内部。
3 结论
直流力矩电机闭环调速系统设计 篇8
近年来, 高性交流调速技术发展很快, 交流调速系统正逐步取代直流调速系统, 然而, 直流电机控制系统在理论上和实践中都比较成熟, 它仍然是大多数调速控制执行机构最优先的选择, 特别是现在越来越多的智能化产品出现在市场上, 如小型清洁机器人, 智能玩具等等。为了实现产品的便携性、低成本及对电源的限制, 小型直流电机调速系统更得到广泛的应用。随着科技的发展, PWM结合电力电子元器件成为控制直流电机的主流方法。
以下主要以轮式移动机器人的驱动电机研究对象, 设计直流力矩电动机的闭环调速系统, 使系统实现正反转和在不同档位的转速下运行。
2 调速方案
直流电动机转速基本模型:
采用PWM改变电压控制, 电动机得到的平均电压为:
3 系统控制算法
开环时系统传递函数为:
其中 为开环增益, 为单片机控制量。被控对象可视为一个近似的惯性环节, 这里采用增量式PI控制算法:
系统设计中采用增量式控制算法。
4 系统硬件设计
系统硬件的设计主要包括前向通道、反馈通道、辅助电路三个方面。如图1所示, 在前向通上有单片机控制器单元、光电隔离单元、电动机驱动单元几个部分;反馈通道即为测速单元;辅助电路即人机交互单元。
控制器采用AT89S52单片机, 系统中控制部分为5VDC电源, 电机工作电源为20V, 以免电机运行时对控制电路造成影响, 所以采用两路光电隔离, 隔离器件采用集成的光电隔离元件TLP521-2。为了增加系统的可靠性和协调性, 在设计的直流电动机驱动电路采用集成H桥式电路LMD18200芯片设计。系统采用单极PWM控制的方式, 电机转向由另一信号控制。驱动芯片5脚接PWM控制信号, 3脚接转向控制信号。
测速单元采用自制码盘的方法。在与电机联轴的测速转轮边缘上对称均匀地分布12个小磁铁作为测速的脉冲源, 霍尔传感器固定在电机架上并与小磁铁的相间适当距离。霍尔元件选用A44E, 该器件体积小, 组成电路简单。由于无磁场作用时A44E输出为高电平, 有场作用才输出为低电平, 触发单片机外部中断人机交互单元包括键盘和显示电路。其占用单片机P1.0~P1.5六个口, 前四个为不同转速的给定输入, 后两个为转向输入。显示采用静态显示的方法, 由8255对单片机并口进行扩展, 并采用LED专用驱动芯片4511以节约并口。由于直流力矩电机额定转速低, 显示电路用四片LED即可。
5 系统软件设计
5.1 主程序设计
系统的主程序是所有程序的起始, 也是其它程序的纽带。内容包括相关全局变量、定时器、开中断的初始化, 键值的采集, 速度为零的判断、PID程序的调用等。主程序流程如图2所示。在主程序中判断60秒内有无脉冲输入, 无则转速为零并显示出来。同时计时, 当采样周期到时便读取实测转速, 调用PID子程序 (见图2、3) 。
5.2 PWM波程序设计
PWM波是配合H桥式电路使用的, 由单片机输出PWM脉冲控制信号, 经集成LMD18200驱动直流力矩电动机。
PWM波在本系统中是以软件实现的, 流程图如图3。将PWM波的周期分为500等份, 每份的计时由T0完成。每一次计时高电平计数变量pwm_h减1, P1.6赋“1”。当pwm_h减到零时, P1.6清0, 并对低电平计数变量pwm_l减1。当pwm_l也变为0时, 对两个变量重新赋值, 进入下一个PWM周期。PWM波的控制变量u_h由PID运算得到。
5.3 测速程序设计
由于系统所用的直流力矩电机的最高转速才1300r/min, 用周期法比较适合。具体程序分为计时部分和测速脉冲计算部分。程序流程图如图4, 程序中at为测速时间的计时累积变量, ct为采样周期的计时累积变量。
联轴转盘上有12个小磁铁则ch_cn/12设定脉冲间隔数与转盘一周脉冲数的比即K;程序中设定的计时单位时间为1毫秒, at/100为通过设定脉冲间隔数所用的时间即T。这样实测转值为
e1为当前的给定转速与实测转速的偏差, e0为前次比较的偏差, u_h为控制输出量, dif_u_h为控制增量。
6 结论
系统选择通用的AT89S52单片机为控制器, 设计了光电隔离单元、驱动单元及反馈测速单元、人机交互单元等硬件电路, 完成PID控制、PWM波、测速及人机交互等软件的设计。通过了软硬件的综合调试。系统控制输出超调为10%, 稳态静差为1%, 很好的实现了模拟轮式移动机器人的电动机可带轻型负载完成多档调速及正反转的要求。
摘要：以轮式移动机器人的执行电动机为研究对象, 设计基于单片机的直流力矩电动机闭环调速系统。介绍直流电机的调速方法及控制算法, 给出了系统硬件和软件设计。通过软硬件的综合调试, 完善系统, 满足移动机器人对调速系统的要求。
关键词：直流电机调速,AT89S52,PWM,PID,霍尔测速
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直流电机调速系统的设计 篇9
关键词：单片机AT89S52,直流电机,分级调速,液晶显示屏1602
引言
对于直流电机调速系统来说, 转速是直流电机运行中的一个重要物理量。直流电机调速的稳定性和精确性是衡量直流调速系统稳定性的一个重要参数指标之一, 因而测量直流电机的转速以及对直流电机调速就显得尤为重要。可控性好、精度高的直流电机调速系统也具有很大的现实意义。本文介绍的直流电机调速系统是以单片机为控制核心, 来实现对电机的转速的正反转和加减速的控制, 同时能够显示电机的转速。
1 系统总体设计方案
系统总体设计方案如图1所示, 主要包括:单片机控制、电源电路、显示电路、测速电路、驱动电路、输入电路等模块。整个系统采用AT89S52单片机为控制核心, 主要完成控制运算, 单片机输出控制信号给驱动电路, 实现电机的启动、停止、正反转、分级加减速控制。系统中的输入电路主要用于发出电机的启动、正反转、停止以及分级正反转信号, 测速电路采用转速检测传感器检测电机的转速, 并通过显示电路实时显示电机的当前状况以及实际转速, 而整个系统的功能实现离不开电源电路。
2 系统硬件设计
2.1 驱动电路设计方案
作为电机调速系统来说, 电机的运行离不开电机驱动模块。对于小功率直流电机, 电机驱动模块有各种选择, 鉴于L298N驱动芯片使用简单, 驱动能力也较强, 本系统采用了电机驱动芯片L298N。结合L298N的输入引脚和输出引脚的逻辑关系, 只需要在编写程序时, 依照芯片使用说明, 输入对应的码值, 便能够控制电机进行相应的动作。
2.2 速度采集模块设计方案
直接测量电机转速的方法主要有各种光电传感器和霍尔元件。本系统采用光电编码器测速。光电传感器可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种主要形式[1]。
在用直射式光电转速传感器进行测速时, 光源发出的光通过开孔圆盘和缝隙板被光敏元件接收到, 并将光信号转换成电信号, 因此, 可通过测量光敏元件输出的脉冲频率, 得知被测转速。
2.3 显示电路设计方案
在电机转速控制系统中, 采用1602LCD液晶显示屏显示电机当前运行状态, 该显示器控制方法简单, 功率低、硬件电路简单、超薄轻巧、可对字符进行显示等优点。
2.4 电源电路设计方案
对于一个电路系统来说, 供电电源是必不可少的, 且非常重要的, 供电电源电压值稳定可靠是系统稳定运行的前提条件。本系统直接采用变压器将电网电压降低, 再输入三端稳压器件LM7805, 通过LM7805构成的稳压电路, 输出稳定的5 V电压为整个系统供电。这种稳压电路结构比较简单, 输出电压比较稳定, 能够保证整个系统稳定可靠地运行, 并且整个稳压电路结构小巧, 因此为最优选择[2]。
3 系统软件设计
3.1 系统主程序
系统主程序流程如图2所示。
系统程序由主程序, 中断处理子程序, 按键处理子程序, 电机调速算法子程序和显示子程序等等构成[3,4,5]。
3.2 直流电机速度控制程序设计
本设计采用增量式PID控制对电机转速进行控制, 增量式P2P控制流程如图3。它的原理是将本次采样所得的数据与设定值进行比较得出偏差e (n) , 再对偏差进行PID运算, 通过PID算法对PWM输出的占空比进行调整, 进而实现对加在电机两端电压的调节, 进而控制电机转速[6,7]。
4 结语
经过制作, 设计的系统能够实现设定的功能, 即控制小功率直流电机的启动、停止、正反向转动和分级调速, 并能够通过1602液晶显示屏实时显示电机的当前状态。
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无线直流电机组网控制系统 篇10
在各类机电设备中, 直流电机由于其结构的特殊性使它具有良好的起动、制动和调速性能[1]。直流调速技术已广泛应用于现代工业、航天等各个领域。目前, 无论是教学还是工业生产, 直流电机组网控制系统都是通过电线将主机终端和子机系统连接起来。直流电机组网控制系统实现了主机终端和子机系统的无线连接, 提高系统的可靠性, 也使系统环境更加美观, 2014年已被天力教仪拉胚机公司应用于陶艺教学中, 也可单独购买子机系统将其用于工业制作中。该系统对于研究工业自动化、智能化具有极大的参考意义。
1 系统总体方案
系统总体框图如图1所示, 该系统采用机械调速器或射频信号来控制直流电机工作。在陶艺艺术品制作的教学中, 主机终端可以发送射频命令控制相应的子机系统, 使其按照主机终端设定的命令完成相应的操作。主机终端也可以释放对子机系统的控制, 使其独立的控制。独立工作时, 子机系统是通过机械调速器进行调速。主机终端和子机系统是通过射频进行通信的, 系统扩展非常方便。
主机终端和子机系统采用自带AD转换功能的STM32F103VET6单片机做为主控制器, 主机终端和子机系统的射频传输采用NRF24L01模块, 子机系统独立调速采用机械调速模块, 下面是各个模块的工作原理和工作过程。
2 系统的硬件实现
系统的硬件电路包括主机终端、子机系统两个部分。
2.1 主机终端的硬件设计
主机终端由单片机最小系统、射频收发模块、2.4G功放模块、液晶显示等外围电路构成, 单片机最小系统[2], 是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统, 由单片机、晶振、复位电路和电源构成。
射频模块采用NRF24L01射频收发模块, 是Nordic公司推出的一款工业级内置硬件链路层协议的低成本无线收发器件[3], 该器件采用GFSK调制, 模块通信方便可靠, 空旷条件下通信距离可以达到200~300 m。
液晶显示采用7寸的TFT触摸屏, 能够清楚的显示出电机的转动速度、转动方向以及操作说明等一系列信息。同时主机终端对子机系统的控制操作也是通过在液晶上设定的模拟按键来完成的。液晶显示的主界面上采用6×10的模拟键盘, 用来控制或释放全部子机系统, 还可以选择性控制不同的子机系统。选择电机后进入相应的子界面, 子界面如图2所示。
其中, 电机号表示正在操作的电机是几号电机, 方向表示电机转动的方向, 转速表示电机当前的转速, 按+号可以加速, 按-号可以减速, 按停电机停止工作, 输入框用来输入需要的转速, 输入前先选择转动方向, 数字键盘的+表示正转, -表示反转, 输入完按Ent确定, RET键用来返回主界面。操作说明用以指导用户进行下一步的操作, 使人机交互更加方便。
2.2 子机系统的硬件设计
子机系统由单片机最小系统、NRF24L01射频模块、调速模块、电机驱动模块以及液晶显示模块组成。子机系统和主机终端是通过NRF24L01射频模块进行无线通信的。所以整个系统扩展非常方便, 只需配置一下新增子机系统的地址, 主机终端便可发送控制命令, 完成对新增子机系统的控制。
调速模块的原理是输入电枢电压[4]会随着阻值变化而变化, 使用单片机自带的AD采集功能对机械调速器的输入电压进行采集, 将采集到的电压和转速进行线性化处理, 不同的电压对应不同的转速, 并配合换向开关, 即可用来完成加速、减速、定速、停机、正反转等功能。
3 软件设计
软件设计包括主机终端和子机系统的软件设计, 主机终端的主要功能是通过射频信号选择性的控制不同的子机系统。主机终端发射射频信号时, 为了操作不同的子机系统, 主机终端和子机系统就要定义自己的通信协议, 子机系统只接收与自己通信协议一样的数据。
帧头用一个字节来判断射频指令开始, 这里用*号表示帧头。帧尾用一个字节来判断射频指令发送结束, 用#号表示。密码是2个字节, 这样不容易破译, 用LY表示。数据长度等于电机选择、方向、转速的字节之和, 增加数据长度也是为了确保接收的数据是正确的。电机选择这一项是用来判断控制哪个电机工作。方向是用来控制电机是正转还是反转, 0表示正转, 1表示反转。转速是0~1 000, 表示电机的转速从0~1 000 r/min。例如我们按1号键让1号电机正转, 速度200 r/min, 我们需要发送*LY9000100200#, 其中*代表帧头, LY代表密码, 接下来的9代表数据长度, 0001代表1号电机, 接着的0代表正转, 0200代表转速是200 r/min, #号代表发送结束。
主机终端工作流程是首先各模块初始化, 等待按键按下, 如果按下的是控制某个子机系统加速、减速、停机或释放对子机系统的控制等命令, 则调用相应的代码, 通过射频发送出去, 继续等待按键按下。如果按下的是读取子机系统的状态信息的命令, 则等待子机系统发送回的转速、转动方向等参数信息, 收到子机系统发送回的状态信息后, 将其显示在液晶上。
子机系统工作流程是各模块初始化之后, 若射频模块接收到命令, 首先判断正确与否。如果正确, 若接收到的是加速、减速或是停机等命令, 子机系统就会按照设定的命令完成相应的功能。若接收的命令是让子机系统返回当前的参数信息, 则子机系统将当前的转速、转动方向等参数通过射频发送回主机终端。若接收到的是释放对子机系统的控制命令, 子机系统采用调速器进行调速。
4 结语
本文设计的无线直流电机组网控制系统采用射频无线传输方式, 实现了直流电机的组网控制以及无线控制。无线直流电机组网控制系统为以后各行业更多的智能化提供了应用基础。在以STM32F103VET6为控制核心的基础上, 扩展GPRS、Zigbee等多种无线控制方式控制直流电机。并以直流电机组网控制为核心, 向智能家居、四旋翼等领域发展。
摘要：为了解决直流电机组网控制系统中主机终端和子机系统之间连线过多的问题, 设计了一套基于射频的直流电机组网控制系统。该系统采用低功耗单片机STM32F103VET6为主控制器, 采用射频对子机系统控制, 极大的减小了电线过多的安全隐患;当主机终端释放对子机系统的控制时, 子机系统采用机械调速模块配合换向开关, 完成加速、减速、定速、正反转等功能。每个子机系统之间以及它们与主机系统之间都是相互独立的, 使得整个环境更加清洁美观, 体现自动化、智能化和人性化的特点。
关键词：直流电机,射频,组网
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直流减速电机 篇11
摘 要：无位置传感器无刷直流电机具有启动时间长，传统的电机启动方法容易使得电机失步，带负载启动能力弱等特点。根据无刷直流电机定子铁心的饱和效应，这里采用三段式中的初始位置预定位法进行转子预定位和两步短时脉冲法进行转子加速。该方法能够快速得到转子的位置，并且在不失步的情况下得到初步速度，建立较低的反电动势，进而切换至反电动势控制方式运行。
关键词：无刷直流电机；转子预定位；两步短时脉冲定位加速法
中图分类号：TM332 文献标识码：A
1 前 言
无刷直流电机因其调速特性好、无换向火花、效率高、寿命长、运行可靠、维护简便等优点得到了广泛的应用[1]。无刷直流电机的类型很多，从有无位置传感器可以分为无位置传感器的无刷直流电机和有位置传感器的无刷直流电机。有位置传感器的无刷直流电机在其启动时无需特殊注意。但是因为无位置传感器的无刷直流电机在体积和生产成本上与有位置传感器的无刷直流电机有着无可比拟的优势，所以无位置无刷直流电机在生产和生活中的应用越来越得到人们的重视，而其如何启动也就顺理成章的成为了人们的研究对象[2]。
在对于无位置传感器无刷直流电机常用的启动方法包括三段式启动法，升频升压同步启动法。其中三段式启动法简单，但是实验调试特别的复杂，要依靠大量的经验施加电压矢量，而且还容易受到负载条件的影响，很容易使得启动失败，甚至发生倒转，存在严重的安全隐患[3]。升频升压发启动比较可靠，但是没有严格的换向信号作为指导，虽然可以携带一定的负载进行启动，但是附加的启动电路增加了电机的尺寸，降低了系统的可靠性，也不是这类电机启动的最佳选择[4]。
本文提出了一种基于结合传统三段式法的转子预定位法和两步短时脉冲加速法，两步即可使得电机顺利启动，最后根据反电动势建立完整的控制系统，整个过程简单易行，大大降低了电机启动失败的概率。
2 短时脉动法的理论基础
本文所研究的无刷直流电机的结构如图1所示，无刷直流电机电机的转子位于整个电机的中心，是由永磁体组成的，而定子则是由缠绕于铁心的线圈而成，结构如图所示。
转子即永磁体有N和S不同的极性，而在外部缠绕在铁芯上的线圈在外部电路的控制作用下产生不同的磁场，两个磁场相互作用，使得转子转动[5]。
计算技术与自动化2016年6月
第35卷第2期王 哲等：无位置传感器无刷直流电机启动系统研究
这里线圈缠绕在铁心上形成定子，当外加磁场作用于线圈时，电感L的值会随着磁场的大小和方向的变化不断的变化。当线圈中通过的电流和转子的磁场保持一致时，电感L减小，当处于垂直状态时，电感L的值最大[6]，如图2所示。电压电流和电感的关系如式2，这就是短脉冲检测的原理。
无刷直流电机的通电线圈处于电机的外侧，即电机的定子，电流通过线圈，线圈存在电感，而作为电机的转子的永磁体对于线圈的电感有着增磁和去磁作用，永磁体（即转子）的N极靠近线圈时，线圈的电感值减小，所以当线圈中存在电流并且转子的N极靠近线圈时，电流会因为线圈电感值的减小而增大。
图3电机的控制原理图，经过简化以后可以得到下图所示：
这样我们能够根据电路中电流的大小判断出转子的位置，也能够根据电流的大小得到换向点。
3 转子定位及加速
3.1 转子预定位法
对于无传感器的无刷直流电机而言，在电机启动之前，转子的初始位置是随即的，也就是未知的，所以得到转子的确切的初始位置对于这类无传感器无刷直流电机的启动是至关重要的。为了简单而准确的定位到转子的初始位置，这里我们采用转子预定位的方法是借鉴三段式启动法的转子预定位法，在电机通电伊始，给电机的任意两项通电一段时间，使定子能够产生一个固定的磁场，如下图a所示。
在磁场力F的作用下，电机转子转动到如图a的位置，但是若电机初始位置正好与F相差180度，如b，这时在理论上产生的电磁转矩为零，所以要进行电机的第二次定位，也就是按电机的旋转方向导通下一次绕组电流，使其产生与原来F相差90度的F方向的磁场力，这样，不论转子的初始位置是在a的位置上还是在b所指的位置上，转子都将转动到F所指的位置[7]。
其实，在实际实验中，我们发现，转子大部分时候是不需要二次定位的。但是我们这里为了防止意外情况的出现，还是采用了更为保守的二次定位。这样谁稍稍延长预定位的时间，但是杜绝了意外的发生。
等到电机的转子到达指定位置后，将在指定位置处左右摆动，处在一个不稳定的状态，最后在摩擦力和磁滞涡流的作用下停止。很多时候为了让转子有足够的时间反应调整位置，所以我们要对电机的通电时间稍微长一点[8]，但是电压不要过大，因为在这个阶段，我们通常不使用PWM来调节电压。
3.2 转子加速
电机的加速过程采用的导通方式为二二导通方式。如下图所示，经过转子预定位，转子到达指定的位置，给电机的绕组依次通电，就可以保证电机转动。但是如何找到电机的换向点，是加速过程的一个关键，过早和过完的换向都会引起电机的失步，严重的可能会导致电机启动失败，造成重大的事故。这里我们采用短脉冲加速法，通过比较电流阈值检测换向点，该方法简单易行，准确度高，且不需要知道电机的准确参数就能够保证电机的正常启动。
根据短脉冲理论，我们可以大致描绘出其脉冲的波形图，进而得到电流波形，大致如下图所示。
在PWM的低电平期间，给出相应的检测脉冲矢量，在短脉冲结束时检测母线电流的大小，根据两次电流值的大小可以确定是否为换向点。通过电机运行电压矢量图可以得到理论上的换向值，当两次取得的电流值大小相等时为最佳换向点。
短脉冲加速法采取的是给一个短时间的短脉冲，这个短脉冲的持续时间既不可过长，因为时间过长会引起电机的转动，亦不宜过短，因为如果短脉冲的时间过短，不容易检测到电流值，很可能会发生检测到的电流值大小相等的情况，使得控制器误以为到了换相时间进行错误的换相。这个短脉冲的持续时间建议值为当前电路的时间常数，但是经实验证明，取值为等效时间常数的短脉冲电压引起电机转动时，应当稍微减小脉冲持续的时间以保证转子不转动。
下面我们以初定位的位置在V1为例，进行分析说明，短脉冲加速法是如何进行重复检测-加速运行的。
若转子经过预定位后的位置为V1，为了取得最大的转矩，所以取呈现90度导通，所以导通的电压矢量应为V32，转子进入I和II区，而此时的检测电压矢量应为V1和V3，相应的检测到电流为I1和I3，这时I1>I3，当转子转到V2的位置时，I1=I3，这时就到达了换向点，可以进行换向操作到V34。但在实际定位加速过程中，加速脉冲过宽可能会淹没最佳换相时刻，造成换相失败，在实际操作中，我们也发现了这一点，每次都很难能检测到最佳换相时刻。为了加速的稳定性，把换相条件设定为I3≥I1，即最佳或滞后换相，这提高了短脉冲加速法的负载适应性，防止检测失误错过换向时间。转子继续在V34的作用下转动，转子处在III和IV区，这时检测电压矢量为V2和V4，相应的检测电流为I2和I4，当转子位于III和IV区时，I2>I4，当转子转动到V3的位置时，I2=I4，相应的，我们也取当I4≥I2时换向到V54，转子进入V和VI象限，依照上述的方法，这样在不同电压矢量的作用下，转子加速到指定的速度。下表给出了短时间脉冲检测电压矢量及换相条件如表：
对照着上表电机进行重复检测-加速运行，加速结束时，电机已经具备较低的转速与反电动势，这是可以根据转子的当前位置切换到反电动势运行。
图8即母线检测到的电流波形图将电流波形局部放大如图9可以看到矢量控制产生的电流和短脉冲产生的电流，通过比较检测脉冲的大小可以得知换向点。
在这里我们首先仅仅使用本文介绍的启动方式对电机进行启动，为了表现明显，我们这里单独使用短脉冲对电机的控制，为的是展示此方法的可行性。因为在实际控制中，启动的过程很短暂，不容易观察到，所以这里我们暂时不切换到反电动势进行控制。
下图为速度波形，可以观察到有电机初定位到切换到短脉冲加速时的位置，因为短脉冲加速会产生震荡，所以单独用这种方法进行电机的控制会速度会产生震荡，这也正是短脉冲加速的局限性所在。
4 实验
这里我们采用的是南京研旭电气生产的57BL52-230，其性能稳定，额定电压为24V，线电阻0.6欧，线电感为0.75Mh。
这里采用基于相电压的反电动势检测电路，为了避免复杂的运算，我们将得到的反电动势延迟90-a。
图11 控制电路
其得到的速度波形图如下图所示，因为转子定位和加速至可以检测到反电动势的过程非常短暂，这里很快就使得转子进入了指定的速度。
5 实验结果分析及说明
经过理论和实验的分析，我们可以看出，转子的二次定位可以方便快捷的得到转子的初始位置，而短脉冲加速过程，可以得到使得转子在不失步的情况下使得转子的转速到达可以检测到反电动势的速度，从理论和实验两方面证明了，采用短脉冲加速技术大大降低了转子的失步的概率，减少了事故的发生。
该方法不仅适用于方波的无刷直流电机 ， 还适用于正弦波的无刷直流电机，即永磁同步电机，并且不必要知道这些电机确切参数。只需要大致的计算检测脉冲所持续的时间再进行调节即可。
参考文献
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直流电机无功补偿问题分析 篇12
某塑料管厂有2条生产线,主要由塑料管成型挤压主机、剪切机、加热器、塑料粒子虹吸机、输送机等组成,此外还有破碎机、水泵、行车等辅助设备。主机直流电机有2台,型号为Z4-280-11,单机额定功率为250kW,额定电压为440V;加热器、塑料粒子虹吸机、输送机总功率为8kW;剪切机、破碎机、水泵、行车额度功率分别为45、11、11、7kW。全厂一期工程总设备容量为590kW,供电变压器容量为800kVA。
2 塑料厂无功补偿措施
该厂采用GGD无功补偿柜,12路控制器、10组电容分2层安装,电容器连接导线为BV-6mm2。电容器型号为BSMJ,额定电压为450V,三角形接法。补偿柜总补偿容量为285kvar(按变压器容量的36%配置),电容器分成2组40kvar、5组30kvar、2组20kvar、1组15kvar。2条生产线正式投用后,补偿电容器全部投入,变压器低压侧功率因数仍只有0.63,未达到目标功率因数。
为达到目标功率因数0.96,先在无功补偿柜内增加4组30kvar电容器,随后在无功补偿柜旁增加2组30kvar电容器,但都未达到目标功率因数,最后增加1个内装6组30kvar电容器的GGD无功补偿柜后,达到了目标功率因数。但是,运行1个月后,连接导线严重发热。将电容器连接导线更换为BV-10mm2后,连接导线温度降低,但是运行1年中,更换了7个已鼓胀电容器。
3 三相全控桥式整流电路的功率因数
该厂功率因数偏低与2台250kW直流电机有关,即与三相全控桥式整流电路的功率因数有关。直流电机通过调压来实现调速,调速装置是一种带负反馈的调压装置。大中型直流电机的调压装置是三相全控桥式整流电路,通过改变晶闸管的触发角来改变整流器输出电压,通过电流电压转速三环负反馈来稳定设定的输出电压。有2套三相全控桥式整流电路的调速装置可改变输出电压极性,实现直流电机正反转。该厂直流电机只有一个转向,故只需1套三相全控整流电路的调速装置。
三相全控桥式整流电路可看成是三相半波共阴极组和共阳极组串联后输出。三相全控桥式整流电路整流输出电压与晶闸管触发角的关系(电感性负载)为:
式中,Ud为整流器输出电压;U2为三相全控桥式整流电路输入相电压。
直流电机所带机械负荷是恒转矩负荷,带动机械负荷消耗的有功功率Pd为:
式中,Id为直流电机工作电流。
该厂调速装置中三相全控桥式整流电路所带负荷为直流电机,属感性负载。该厂整流器输出电压Ud与晶闸管触发角α的关系式为:
输入到三相全控桥式整流电路的视在功率S为:
式中,I2为输入到三相全控桥式整流电路的交流电流。
在三相全控桥式整流电路中,共阴极组晶闸管与共阳极组晶闸管共用供电变压器次级绕组。共阴极组在正半周导通,共阳极组在负半周导通,在电感负载下各导电120°。接在同一相上的2个晶闸管的电流大小相等、方向相反。三相全控桥式整流电路交流侧输入电流I2与直流电机工作电流Id的关系为:
把式(4)代入式(3)得:
把式(2)代入式(1)得:
忽略三相全控桥式整流器损耗,整流器交流输入侧功率因数cosφ为:
由式(7)可知,三相全控桥式整流电路交流输入侧的功率因数与晶闸管的触发角有关,晶闸管的触发角越小则功率因数越高,晶闸管的触发角越大则功率因数越低。三相全控整流桥晶闸管触发角α的触发范围为0≤α≤2π。三相全控桥式整流电路电压比及功率因数与触发角的关系见表1。
他激式直流电机机械特性为:
式中,n为电机转速,r/min;U为电机电枢电压,V;Ra为电枢电阻,Ω;Ia为电枢电流,A。
直流电机的电磁转矩M为:
式中,CM为电机转矩常数。
综上分析可知,三相全控桥式整流电路晶闸管触发角越小,输出直流电压就越高;机械负荷是恒转矩负荷,电机负荷稳定后,电机的电流是恒定的;直流电压越高,电机的转速越高,整流器交流输入侧功率因数也越高,反之越低。
4 主机直流电机调速装置功率因数计算
该厂变电所低压母线线电压为405V,相电压为234V;直流电机整流器交流侧输入电流为350A,2台直流电机总电流为700A;剪切机、破碎机、水泵、塑料粒子虹吸机等交流电机负荷电流为139A,平均功率因数cosφ1=0.80(移相角φ1=37°),消耗的无功功率Q1=59kvar。
该厂主机直流电机工作电压为其额定电压的35%。根据直流电机机械特性曲线方程推断,该厂主机工作转速在额定转速35%以下。因2台直流电机工作在低速状态下,故功率因数较低,为cos74°=0.28。
5 变压器二次侧谐波电流
直流电机的励磁绕组和电枢绕组是大电感线圈,导致三相全控桥式整流电路交流输入侧的交流电流己不是正弦波电流而是周期方波电流。该方波电流用傅里叶级数展开为:
式中,ia为整流器交流侧输入电流瞬时值;Ia为方波电流幅值。
由式(10)可知,变压器二次侧电流含5、7、11、13、17、19次谐波,其中5次和7次谐波占基波电流的34%。在工频情况下,无功补偿电容器的容抗比系统感抗大得多,不会产生谐振。然而谐波电流的存在引起电容器介质损耗增大,温度升高加速电容器绝缘老化,使电容器鼓胀。该厂电容器鼓胀和导线发热由直流调速装置产生的大量5次、7次及以上次谐波电流引起。对于直流电机的无功补偿,采取无源滤波加补偿或有源滤波加补偿是较好的选择,但是该厂采取了装空调降温、换粗导线、更换鼓胀电容器的措施。
6 直流调速与交流变频调速的选择
小型工厂无功补偿均在变压器低压侧进行。如果大功率设备采用直流电机驱动,而直流电机工作在低速状态下,那么交流侧的功率因数会非常低。此时不宜进行无功补偿,必须考虑低功率因数和谐波电流两个因素,以免补偿容量过大,烧毁变压器。
电机调速有直流电机调压调速和交流电机变频调速两种。直流电机调压调速具有过载力强、调速精度高、响应快、调速范围大、可频繁正反转等优势,但投资高、维护难度大。交流电机变频调速不适于经常过载、频繁正反转、大负荷超低速运行,但是投资低、故障小。目前,国内低压变频器都是交-直-交变频器,其主要由三相桥式整流、电容器滤波储能、IGBT三相桥式逆变功能电路组成。变频器三相桥式整流电路功率因数相当于三相全控桥式整流晶闸管触发角为0°时的功率因数,为0.955左右,因此交流电机变频调速的功率因数要比直流电机调速的高得多。直流调速广泛应用在钢铁厂轧钢机,这些大厂基本上都采用高压集中无功补偿,直流电机与交流电机混合在一起,无法显示直流电机交流输入侧低功率因数。而小厂采用低压无功补偿,选择直流电机调速,会出现功率因数偏低现象。
7 结束语
直流调速装置交流输入侧的功率因数与三相全控角触发角相关。直流电机工作转速越高则功率因数越高,工作转速越低则功率因数越低。对直流电机进行无功补偿,首先需考虑直流电机真正的工作转速,然后估算调速装置交流侧功率因数,计算出补偿量,以避免低估补偿量;另外需考滤谐波电流影响,尽量选择有源滤波或无源滤波进行无功补偿。如果直流电机工作在低速状态,功率因数严重偏低,那么就需调整电机功率,增大减速比,使电机工作转速提高,从而提高功率因数。当然,在选择调速装置时,应尽量选交流电机变频调速。
参考文献
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