永磁无刷直流(无框)力矩电机brushless DC motor (BLDCM)

news2025/2/25 18:03:54

(无框)力矩电机,全称应该为永磁无刷直流(无框)力矩电机,其显著的特征是:

  • 较大的径长比(diameter-to-length ratio)
  • 较多数目的磁极(magnet poles)

无框架电机是传统电机中用于产生扭矩和速度的部分,但没有轴、轴承、外壳或端盖。 无框电机只有两个部件:转子和定子。 转子通常是内部部件,由带永磁体的旋转钢圆环组件构成,直接安装在机器轴上。 定子是外部部件,齿轮外部环绕钢片和铜绕组,以产生紧密攀附在机器壳体内的电磁力

无框电机通常安装在先进的机器中,具有以下优势:

  • 提升机器性能
    • 直接耦合(无背隙)
    • 更高的系统带宽
    • 提高机器效率
  • 结构更紧凑
    • 机器占用空间更小
    • 单位体积扭矩最高

PM无刷直流电动机的动态建模及其控制方案

这类电机多以无框的形式出现,方便使用者将其集成于相应的机器人关节模组(驱动器)之中!!!

协作机器人无框电机

PM无刷直流电机的建模

定子绕组的耦合电路方程为

无刷直流电机的电压平衡方程 :

电磁转矩由:

具有惯性J、摩擦系数B、负载力矩Tl的简单系统的运动方程为:

与电转子的速度和位置有关

系统以状态空间形式转换为

直流无刷电机系统组成图:

电机运行时。首先通过转子位置传感器检测转子磁极的位置信号,将位置信 号传给控制器,控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号,进 而触发逆变器中的功率开关器件,从而将电源功率传给了电机定子各相绕组,提 供了电机运行所必需的转矩。对于无刷直流电机的组成还有另外一种定义。由于 无刷直流电机最初是从用电子换向器取代直流电机的机械换相发展起来的,从广 义电机的角度看,转子位置传感器和逆变器对应于原直流电机的机械换相装置, 而控制器与原直流电机的部件无法对应,因此,习惯将控制器归到广义电机之外, 而认为无刷直流电机是由电机本体、转子位置传感器和逆变器三部分组成的。但 是无刷直流电机的工作离不开控制系统,控制器已经成为无刷直流电机不可分割 的一部分,从这个意义上讲,控制器更应该划入到广义电机之中。
电机本体
无刷直流电机本体由转子和定子两部分构成。转子采用 由永磁材料制成的永磁体。
电机本体转子结构形状:

大多数无刷直流电机的定子结构与 普通的同步电机一样,多相绕组对称着嵌入到铁心中,绕组有星形和三角形两种 不同接法。

逆变器、 位置传感器、
控制器
控制器是无刷直流电机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心,它主 要完成以下功能:
对转子位置传感器输出的信号、 PWM 波形、正反转和停车信号逻辑综合, 为驱动电路提供开关管的斩波信号和选通信号,实现电机的正反转及停车控制。
产生 PWM 波,使电机的电压随给定速度信号而变化,实现电机开环调速。
对电机进行速度和电流闭环调节,使系统具有较好的动态和静态性能。
实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护功能。
控制器的主要形式有:分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统、基于 专用集成电路的控制系统、数模混合控制系统和全数字控制系统

参考文献:

【1】为什么力矩电机呈现为扁平状?——关于无框力矩电机的一些介绍 - 知乎 (zhihu.com)icon-default.png?t=N7T8https://zhuanlan.zhihu.com/p/90120480

【2】直流无刷电机的建模与辨识

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