双凸极永磁电机无位置传感器控制系统研究-硕士论文_

摘要分类号： 密级： UDC： 学号： 东 南 大 学硕 士 学 位 论 文双凸极永磁电机无位置传感器控制系统研究 研究生姓名： 导师姓名： 教授申请学位级别 工学硕士 学科专业名称 电机与电器 论文提交日期 年 月 日 论文答辩日期 年 月 日学位授予单位 东 南 大 学 学位授予日期 答辩委员会主席 评 阅 人 年 月 日东 南 大 学硕 士 学 位 论 文双凸极永磁电机无位置传感器控制系统研究系 别：电气工程学院专 业： 电机与电器 中国南京二00七年五月摘要双凸极永磁电机（简称DSPM电机）是一种高性能宽调速电动机，正日益受到重视。转子位置是DSPM电机运行控制中的一个重要信息，它不仅是电源开通与关断的时间基准，而且是转速闭环控制中实际转速计算的依据。论文以8/6极定子永磁型DSPM电机的两相运行为基础，详细分析了多种无位置传感器控制方法的原理，比较了它们的各自特点，最终选用了“反电势过零检测法”，设计了位置信号检测电路，主要包括：隔离采样，巴特沃思二阶滤波，过零比较等，最后得到反电势的过零点，经过再一次光电隔离送入到微处理器。在得到准确的位置信号后，经过微处理器计算转速和转子位置，由正弦波发生器产生正弦波参考电流，通过硬件比较和斩波电路，控制功率器件的开通关断，实现DSPM电机的无位置传感器控制下的两相运行。论文还介绍了无位置传感器控制方法常用的起动方法，深入讨论了“三段式”起动技术，对“三段式”起动技术中转子预定位、外同步运行和切换运行进行了详细的分析。基于DSPM电机两相的独立运行，对于“三段式”起动技术中的外同步运行，在传统的外同步方法的基础上，还提出了可以采用间接单相外同步法来实现外同步运行，大大提高了起动的可靠性。最后，设计制作了实验装置，并进行了实验研究，实验结果验证了整个控制系统的可行性和正确性。关键词：DSPM电机，无位置传感器，反电势过零检测法，起动方法，间接单相外同步法VABSTRACTThe new DSPM motor drive system is a competitive candidate in variable-speed operation drive with high performance, attracting more and more attentions. The rotor position information of DSPM motor drive is essential to determining the switching sequence and the speed of the rotor. In this thesis, the key features of different sensorless control strategies are compared and the applicability to the DSPM motor drive is analyzed. At last, back-EMF method is selected. The circuit of rotor position detection and the main hardware and software for the control system are presented. The circuit of rotor position detection is comprised of isolated sample of the terminal voltage, the Butterworth second-order low pass filter, zero-crossing detection and optical isolated circuitry. According to the exact rotor position signals, the MPU calculates the rotor speed and position, and then the DDS produces the referenced current wave. By using the developed control system, the DSPM motor operates in two-phase operation with sensorless control. Because of the lack of self-starting ability for the DSPM motor controlled by the Back-EMF method, the “Three-step Starting Technique” is analyzed and adopted to the DSPM motor. The rotor pre-setting, accelerating and state-changing step of three-step Starting Technique is discussed in detail. Base on the independent control of each phase in DSPM motor, a new accelerating method, indirect-one-phase operation, is proposed. This method improves the reliability of starting technique greatly.Finally, a prototype drive system is designed and built, and experiments are carried out. The results verify the feasibility and correctness of the developed sensorless control system for the DSPM motor.Key words: DSPM motor, sensorless control, EMF zero crossing detecting method, Starting Strategy, indirect-one-phase operation目录目录摘要IABSTRACTII目录III第1章 绪论11.1 课题背景11.2 DSPM电机的基本结构21.3 DSPM电机的国内外发展状况31.4 电机的控制方法41.4.1 带位置传感器控制方法41.4.2 无位置传感器控制方法51.5 本文研究的主要内容6第2章 DSPM电机调速系统基本理论82.1 DSPM电机四相运行原理82.2 DSPM电机两相运行原理112.3 小结15第3章 无位置传感器控制方法研究163.1 无位置传感器控制方法的比较163.2 反电势过零检测法原理及实现173.2.1 隔离采样与滤波电路183.2.2 过零比较与光电隔离电路203.3 起动方法研究213.3.1 转子预定位213.3.2 外同步运行223.3.2.1 传统外同步运行223.3.2.2 间接单相外同步法233.4 转子位置误差校正253.5 仿真实验结果263.6 小结27第4章 DSPM电机无位置传感器控制方法硬件电路设计284.1 两相控制系统的硬件总体设计284.2 功率变换电路284.3 隔离电路304.4 主控制电路304.4.1 微控制器304.4.2 正弦波发生器314.5 斩波信号产生电路324.6 电流检测电路344.7 位置检测电路354.8 小结36第5章 DSPM电机无位置传感器控制方法软件设计375.1 总控制程序设计375.2 起动阶段程序设计385.2.1 转子预定位385.2.1 外同步运行385.2.1 传统外同步运行385.2.2 间接单相外同步法395.3 参考正弦波参数的计算405.4 AD9854的编程415.5 转速显示子程序435.6 小结44第6章 实验结果与分析456.1 实验平台及设备456.2 DSPM电机发电机运行调试结果466.2.1 电压传感器输出波形476.2.2 位置信号476.2.3 参考电流波形486.3 DSPM电机电动机运行实验结果496.3.1起动过程496.3.1 稳态实验数据506.4 小结52第7章 总结与展望53致谢54参考文献55攻读硕士研究生期间发表论文情况57第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景从十九世纪初，奥斯特、法拉第先后发现电磁感应现象，提出著名的电磁感应定律开始，电能经过了近两个世纪的发展，人们为了生产和利用电能，积极致力于电机和电力工业的研究开发，由不知到知，由初级到高级，电能已经渗透到生产、生活中的每个角落，现代社会最不可缺少的便是电能。电机，作为现代社会电能与各种能量之间的转换的主要装置，也在两百年里经历了长足的发展1。电力工业的发展是以电机制造工业的发展作为基础的，发电机把自然界中的各种形式的能量转换为电能，显然，没有发电机，就没有电能的大规模生产和利用。在工矿企业和农业生产中，以及我们的日常生活中，需要大量的电动机，实现电能的转化。同时，随着工业企业电气化、自动化、电脑化的发展，还需要众多的各种容量的精密控制电机，作为整个自动化控制系统工作中的重要元件。然而，从二十世纪九十年代以来，全世界都面临着能源危机及环境的恶化，要缓解能源短缺等矛盾，除了不断开发利用新能源和增加发电能力外，就是研制新的节能设备，提高能源的利用率。因此随着电力电子技术和现代控制技术的发展，以及新型永磁材料的出现，人们在传统电机的基础上，研制出了永磁电机（Permanent Magnet Motor，简称PM电机），开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SR电机），永磁无刷直流电机（Brushless DC motor with permanent magnet，简称BLDC电机）等新型高性能电机。稀土永磁材料的出现，将PM电机的研发和应用推向了新阶段。与电励磁电机相比，PM电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠，体积小，质量轻，损耗小，效率高等优点2。SR电机早在一百六十多年前，就已经被提出，但由于受到当时技术水平的限制，电机的性能不佳，未能引起人们的重视。直到二十世纪七十年代末，SR电机的发展才出现了新的生机。SR电机是一种典型的机电一体化装置，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。其结构简单牢固，定转子均为凸极结构，定子齿上安放有集中式绕组，转子无绕组和永磁体；调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高。这些优点，使得SR 电机在各种需要调速和高效率的场合均得到了广泛的使用，如电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等各个领域。SR电机由于其独特的双凸极结构，控制方式与传统的电动机完全不同。在SR电机驱动系统中，主要包含有电机本体、功率变换器、控制器与位置检测四个部分。SR电机最常用的控制方式有两种，即电流斩波控制和角度位置控制，两种控制方式的结合使SR电机实现较大转速范围内的平稳运行3。BLDC电机是近年来随着微处理器技术的发展、新型电力电子器件等应用的基础上发展起来的一种新型直流电机。BLDC电机在电磁结构上和有刷直流电动机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上安装永久磁钢，定子采用电子换向代替了有刷电机的电刷和机械换向器。它既保持了普通直流电动机良好的调速性能，又具有结构简单、起动力矩大、调速范围宽、无滑动接触和换向火花等突出优点4。随着研究的深入，以上这些电机的缺点也不断地显现出来。对于SR电机：第一，该电机只有在绕组电感随转子位置角增大时才给绕组通电以产生正转矩，因而一个极距内可以用来产生转矩的两个区域只有一个可以利用，大大降低了运行效率和材料的利用率；第二，SR电机绕组电流中不仅包含转矩分量，还有励磁分量，因此不仅增大了绕组和功率变换器的伏安容量，还产生额外的附加损耗；第三，由于绕组电感较大，为了避免出现绕组关断后电流延续到负转矩区，必须提前关断绕组，这样电机的出力就削弱了。永磁体在转子上的永磁无刷直流电机，转子结构复杂并且结构不够牢固，转动惯量比较大，在电机高速运行时，永磁体容易发热而冷却困难。为了克服电机的这些缺点，同时保留它们的优点，美国Wisconsin-Madison大学的T.A.Lipo教授等于二十世纪九十年代初首先在SR电机中嵌入了高性能永磁体，从而产生了双凸极永磁电机（Doubly Salient Permanent Magnet Motor，简称DSPM电机），并引起众多学者的关注。1.2 DSPM电机的基本结构DSPM电机其基本结构与SR电机相同，即定转子均为凸极结构；定子上装有集中式绕组，径向相对齿上的绕组串联构成一相；转子上既没有绕组，也没有永磁体，适合高速运行。与SR电机的不同之处在于，DSPM电机定子铁芯中放置了高性能永磁体。为了避免单边磁拉力，定转子沿径向是对称的，因此DSPM电机的定转子极数均为偶数。DSPM电机的相数m、定子极数Zs和转子极数Zr之间在满足式( 11 )关系时，也可以有多种组合，如6/4极、8/6极、12/8极等等。图 11 定子永磁型8/6极DSPM电机( 11 )DSPM电机继承了SR电机结构简单，制造工序少的优点，同时它在绕组电感随转子位置角增大和下降的两个区域内均可以通电工作，大大提高了电机的运行效率和材料的利用率。1.3 DSPM电机的国内外发展状况1992年，美国著名电机专家T.A.Lipo教授等人首先提出了现代双凸极永磁电机的概念，并进行了大量的理论和实验研究。T.A.Lipo等人先设计了一6/4极DSPM，结构如Error! Reference source not found.所示，定转子皆为凸极结构，定子上有集中绕组，转子上无绕组，并且在定子上嵌有永磁体。同时建立了该电机的数学模型，分析了该电机的电磁特性及工作原理。除了研究电动机机构以外，T.A.Lipo等人还研究了DSPM电机作为发电机使用的结构，提出了可作为汽车发电机使用的单相DSPM电机，结构如图 13所示5。图 12 6/4极DSPM电机截面图图 13 单相DSPM发电机除此之外，国内外的其他学者也对DSPM电机展开了各方面的研究。罗马尼亚Radulescu M.M.等人开发出了一种适合于家用电器的小型DSPM电机。在T.A.Lipo等人基础之上，罗马尼亚人IonBoldea和英国人R.P.Deodhar等，提出并开发了专用于发电的双凸极永磁电机FRM（Flux Reverse Machine）。国内，东南大学的教授等率先对DSPM电机展开了研究，获得了多项国家自然科学基金项目的资助，取得了一系列的成果，其中包括，提出8/6极DSPM电机的结构，建立其数学模型并分析了电气特性；并且首次提出了8/6极DSPM电机的两相运行方式，可以从理论上完全消除转矩脉动6,7。华中科技大学詹琼华教授提出了一种单相双凸极永磁电动机，其结构特点克服了电机不能提供起动转矩的缺点，使之具备了电动功能8。浙江大学的陈永校教授等人也对DSPM电机展开了研究，设计了小功率的DSPM电机，比较了DSPM电机和SRM电机磁场分布的不同，指出DSPM电机的互感影响比SRM电机大，其效率、功率密度等指标均比SRM电机好9。南京航空航天大学、西北工业大学等国内其他机构也相继对DSPM电机展开了研究，并且都取得了相当不错的成果。DSPM电机正受到国内外学者的广泛关注，但目前的研究方向大都集中在电机结构分析设计和性能分析上，相对的控制策略研究较少。为了进一步提高DSPM电机的效率，减小转矩脉动，提高实际应用性，需要对控制器和控制策略的设计进行更加深入地研究。1.4 电机的控制方法DSPM电机的控制与SR电机有类似之处，但由于DSPM电机在一个导通周期内的正、负半周绕组都通电，因此也有自身的特点。DSPM电机不能直接接于工频交流电源或直流电源上运行，而必须经过功率变换器在特定的转子位置开通和关断电源，达到控制绕组电流大小和方向的目的，使电机处于正确的运行状态。由DSPM电机构成的驱动系统除了电机本体以外，主要包括：功率变换器、微机控制器、驱动电路、位置传感器和电流传感器等。在DSPM电机的运行过程中，及时了解转子位置及其与电机磁链变化之间的关系是给定功率变换器开关信号的前提。获得位置信号的方法主要有两种，含有机械结构的检测方案和不含机械结构的检测方案，据此可以将DSPM电机的控制方法分为两种：带位置传感器控制方法和无位置传感器控制方法。1.4.1 带位置传感器控制方法带位置传感器控制方法，指的是在电机定子上安装位置传感器来检测转子在运转过程中的位置，将转子磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。所用的位置传感器有多种，如光敏式位置传感器、磁敏式位置传感器、电磁式位置传感器等等10。最为常用的是光敏式传感器，由光电脉冲发生器和码盘组成。光电脉冲发生器一般由光耦构成，码盘的齿槽角度与转子齿槽相对应。当转子未转到一定位置时，光耦中间为空，则光耦后级饱和；当转子正好转到一定位置时，光耦中间被码盘的齿遮住，光耦后极截止。利用光耦的饱和与截止，输出与转子位置相对应的高低电平，来指示转子位置。位置传感器的安装方式见图 14，将码盘固定于电机的转轴上，使其与转子同步旋转。图 14 8/6极DSPM电机的位置传感器图 15位置检测电路带位置传感器控制方法和控制电路都比较简单，实现容易，并且控制成本较低，获得了比较广泛的应用。但是带位置传感器自身有着不可避免的缺陷11,12,13,14,15：增加了电机的体积，妨碍了电机的小型化发展；对于安装精度的要求高，增加了安装的难度；电机和传感器的控制线路间联接元件增多，抗干扰性差；环境因素使得传感器的精度受到影响，输出信号容易受到干扰；给输入轴带来了静态和动态的摩擦，增大了电机轴的转动惯量；带位置传感器的电机无法适应某些特殊场合的需要，缩小了电机的使用范围；带位置传感器和无位置传感器相比，增加了系统的成本（包括传感器和电子线路）等等。以光敏式传感器为例，码盘的机械制造工艺以及安装精度，都会对位置信号的准确性有较大的影响。在实际应用中，由于机械键槽的配合问题，电机在一段时间的运行后，码盘的位置可能会出现一定的松动，需要进一步的调整，为电机的长时间运行带了一定的困扰。可见，虽然带位置传感器控制方法简单、方便，但是，机械式位置传感器不仅增大了电机的体积与成本，而且增加了电机与控制器之间的连线，降低了系统的可靠性，在一定程度上限制了电机的应用范围。因此，无位置传感器控制方法日益受到重视。1.4.2 无位置传感器控制方法无位置传感器控制方法，指的是无机械位置传感器，不直接在电机的定子上安装位置传感器来检测转子位置。但是在电机的运行过程中，决定功率变换器件开关的信号仍然是不可缺少的。所以无位置传感器运行，研究的核心和关键就是架构一个转子位置信号的检测电路，应用先进的计算机技术和检测技术，从硬件和软件两方面来获得准确的转子位置信号。无位置传感器控制方法，一般是通过对电机运行时施加的电压，产生的电流、磁场等信号加以检测和利用，根据电机的特性，判断出电机转子的位置，用于控制功率变换器的开关信号。目前，国内外在传统无刷直流电机无位置传感器控制技术方面做了大量的研究开发，已经提出了多种无位置传感器的控制方法，它们大多是通过检测定子电压、电流等容易获取的物理量进行转子位置角的估算，以获取控制中所需要的位置信号，其中较为成熟的有以下几类16,17,18,19,20：.通过检测电机反电动势，来获得位置信号的方法，一般统称为“反电势法”。电机转子受定子绕组产生的合成磁场的作用，将沿着一定的方向连续转动。电机定子上放有电枢绕组，转子一旦旋转，就会在空间形成导体切割磁力线的情况。根据电磁感应定律可知，导体切割磁力线会在导体中产生感应电势。所以，在转子旋转的时候就会在定子绕组中产生感应电势，由于该电势方向与绕组中电流的方向相反，因此将其称之为反电动势（Back Electromotive Force），简称为反电势（Back-EMF或者BEMF）。根据对反电势的不同处理，又可以具体分为以下几种： 反电势过零检测法。在电机中，绕组的反电势通常是正负交变的，当某相的反电势过零时，转子直轴与该相绕组轴线重合，因此只要检测到各相反电势的过零点，就可获知转子的若干个关键位置，从而省去位置传感器。 锁相环技术法。在每个60激励区间内，锁定不通电绕组的反电势，根据其变化，来获取位置信息。该方法硬件上需要三分频电路、锁相环电路等，电路结构较为复杂。 反电势逻辑电平积分比较法。反电势逻辑电平积分比较法是将两相的反电势进行过零比较处理，得到逻辑电平后对两路逻辑电平进行积分，由于这两路逻辑电平关系反映了相位关系，因此可用于确定电机转子磁场位置。.定子三次谐波法。BLDC电机的反电势波形中包含了三次谐波分量。将此分量检测出来并进行积分，积分值为零（用过零检测器）时即得功率器件的开关信号。一种方法是在星形连接的绕组三个端子并联一组星形连接电阻，两个中性点之间的电压即为三次谐波分量。当电机的中性点没有引出线或不便引出时，不能用这个办法。于是便采用了另一种办法，它不需要三相绕组的中性点引线，而是用星形电阻中性点与直流侧的中点之间的电压来获得三次谐波，不过它要用滤波器来消除高频分量。III.电流通路监视法。通过监视逆变器的电流通路来获得转子位置信息，设计一种二极管导通检测电路来监视逆变器反并联续流二极管是否导通。120导通型无刷直流电机的三相绕组中总有一相处于断开状态，监视六个续流二极管的导通就可获得六个功率晶体管的开关顺序。只要检测到续流二极管的导通状态，就可以知道反电势的过零点，并做适当延迟后，依次触发下一状态的功率管。这种方法实际上是一种变相的反电势法。.数学模型法。一般电机的自感和磁链都随着转子位置变化，可以通过电机的发电运行测量并储存反电势波形，或者通过有限元计算储存磁链值，再经过实时测量电压和电流，根据电机的数学模型并忽略互感，计算查表得出转子位置。.其它方法。状态观测器法也称为转子位置计算法，它指在获取绕组电压和电流的基础上，通过坐标变换等方法直接计算转子位置。高频注入法，在电机出线端注入一个三相平衡的高频电压（或电流信号），利用电机内部固有的或人为的（如对电机进行改造）不对称性，使电机产生一个可检测的磁凸极，通过检测对应的高频电流（或电压）响应来获取转子位置和速度信息，该方法也称之为凸极追踪法。随着微处理器和数字信号处理技术的发展，无位置传感器控制技术将进一步得到发展与创新，并在实际控制电路中得到更为广泛的应用。DSPM电机的无位置传感器控制方法就是以上述各种方法为基础，并且结合DSPM电机的自身结构和特性发展而来。1.5 本文研究的主要内容DSPM电机作为一种新型电机，其具有结构简单、功率密度高、控制灵活、容错性好等优点，具有广泛的应用前景。本文主要讨论DSPM电机的无位置传感器控制方法。本文以转子斜槽8/6极DSPM电机为样机，做以下研究工作：1. 介绍了DSPM电机调速系统的基本理论，分析电机四相运行原理和静态特性，推导出其两相运行的可行性，及与四相运行相比较的优势所在。2. 在分析多种无位置传感器控制方法的基础上，提出DSPM电机无位置传感器控制方法的原理，以及实现方法，初步设计出该方法下的位置信号检测电路；由于采用了无位置传感器控制方法，电机失去了自起动的能力，因此对电机的起动方式加以研究，以及对于检测到的位置信号需要进一步的误差处理。3. 在进行了一系列控制算法等的仿真基础上，以80C196KC单片机和AD9854正弦波发生器为核心，设计出了整个电机控制系统的硬件电路，包括功率变换电路、隔离电路、主控制电路、电流检测电路和位置检测电路五个部分。4. 根据所设计的控制器硬件编写和调试控制软件，采用HSI中断记录位置信号产生的时间，以此为据计算电机转速和实际位置，控制AD9854输出相应的正弦波参考电流，以及通过液晶屏显示重要的转速信息。5. 实验验证，对电机上电实验，验证控制方法及整个控制系统软硬件的正确性。7第2章 DSPM电机调速系统基本理论第2章 DSPM电机调速系统基本理论2.1 DSPM电机四相运行原理本论文的研究对象，8/6极定子永磁型DSPM电机，如图 11所示：定子8极，转子6极，定子中嵌入永磁体。虽然对于DSPM电机永磁体可以放在定子上也可以放在转子上，但当永磁体在转子上时，不仅使电机的制造和维护困难，而且会破坏转子的整体性，不利于高速运行。电机在设计时，通常定子齿顶宽为定子齿距的一半，这样就可以保证在一个极下转子齿与定子齿的重叠角之和恒等于转子齿顶宽，而与转子位置无关，从而使合成气隙磁导成为一常数，而磁铁工作点将不随转子位置角的改变而改变；转子齿顶宽稍大于定子极弧，以保证电流换向时有充分的时间。定子中嵌入了低磁导率的永磁体，对于电枢反应磁通来说，永磁体形成了一个高磁阻路径，当绕组电感在定子和转子齿中心线重合时达到一个较小值，使电流迅速换向成为可能，同时磁场储能wr=Li2减小，电机的能量转换率高（接近于1）21。DSPM电机在结构上是对称的，因此其参数如永磁磁链等具有周期性，周期可以表示为：( 21 )式( 21 )中，pr转子极数。根据式( 21 )可知，在8/6极电机中，p为60。图 21 DSPM电机四相运行驱动系统结构图在理想情况下，忽略DSPM电机的边缘效应和铁芯磁阻等因素，可认为各相绕组在一个周期内永磁磁链其值仅与转子位置角有关，而与电流无关。在如图 21所示的驱动系统中，当A相绕组中通入电流i，永磁磁通和电枢电流的相互作用在转子上产生一转矩：( 22 )式( 22 )中L 一相绕组电感； pm 一相永磁磁链； 电感变化产生的磁阻转矩； 转子位置角。图 22 电流、电感和永磁磁链波形DSPM电机的电感、永磁磁链等参数都是转子位置角的函数，如图 22所示（图中max和min，Lmax和Lmin为磁链、电感的最大和最小值）。因此，要达到控制电机的目的就必须对转子位置角进行清晰的定义。转子位置角既可以以转子槽中心线与定子极中心线重合为计时起点，也可以以转子极中心线与定子极中心线重合为计时零点。若以后者来定义位置角，则得到的永磁磁链将与图 22相差180电角度，得到的反电势前半周为负，而后半周为正，与通常的习惯不符。本文采用前者来定义转子的位置角，同时规定：转子槽中心线沿逆时针超前定子极中心线时，转子位置角0；否则，0。若在永磁磁链沿转子位置上升阶段通入正电流，在永磁磁链沿转子位置下降阶段通入负电流，那么电机在正负半周产生的转矩均为正转矩。而Tr值有正有负，但在通电期间绕组电感很小，由于永磁体磁阻很大，使得大量电枢反应磁通通过其他极对形成回路，因此无论在定子转子极对齐还是处于未对齐的状态，绕组电感都十分小，从而Tpm远远大于Tr，根据式( 22 )可得到一相合成转矩始终非负。对于8/6极DSPM电机来说，各相永磁磁链相位关系如图 23所示，如果各相绕组通入的电流相位关系也相应变化，那么总的合成转矩始终是大于零的。当平均转矩大于负载转矩和空载转矩之和时，在正转矩作用下电机开始旋转。图 11的情况下，按照ABCDA顺序给相应的绕组馈入正确的正或负电流，使电机产生连续的正转矩，电机将沿反时针方向连续转动；反之，电机将沿顺时针方向旋转。以上是说，绕组可以产生转矩的两个区，同时都有电流流入，即双拍运行。实际上，也可以只在产生转矩的一个区中通入电流，这样就实现了单拍运行，此时的控制方法则类似于开关磁阻电机，从而可以完全避免桥臂的直通。但是，单拍运行不能够充分发挥DSPM电机两个区都能产生转矩的特性，转矩小，违背了DSPM电机设计的初衷，因此实际运行时都是采用双拍运行方式。DSPM电机的转矩大小既可以通过控制电流大小或者导通区间来实现，也可以采用单拍或双拍的运行方式来控制；通过改变电流的极性和导通顺序，就可以简便的改变转矩的方向，因此DSPM电机可以方便地实现四象限运行，控制十分灵活。经过一系列的研究发现，采用转子斜槽可以有效地降低电机的转矩脉动率。转子斜槽22后，可以使电机的反电势接近正弦波。图 24为DSPM电机1400rpm转速时的四相绕组实测反电势波形，四相反电势相位依次相差90（电角度）。转子斜槽后，电感与位置角的变化关系也接近于正弦规律，如图 25所示为A相电感，其它三相的电感与A相依次相差90（电角度）。图 23 四相永磁磁链波形（机械角度） 图 24 实测四相反电势图 25 A相电感与位置角曲线2.2 DSPM电机两相运行原理观察DSPM电机转子斜槽后的特性，可以得出这样的结论：A、B相磁链、反电势和电感呈正弦特性，相差90相位角；C、D相磁链、反电势和电感分别落后A、B两相180。根据以上DSPM电机的基本工作原理，可知，电机通电工作时，A相和C相流过的电流方向始终相反，B相和D相的电流也是始终相反。如此，将A相和C相绕组反向连接，同样的B相和D相绕组也反向连接，当给A相绕组通入正向电流时，相当于同时给C相绕组通入了负向电流，这就实现了两相运行（将A和C相的串联定义为V相，B和D相的串联定义为W相），绕组连接示意图如下图 26。图 26 两相运行绕组连接方式绕组改为两相连接后，就可以在原四相运行的基础上，将控制系统更改为全桥电路，并且由于没有中线，可以有效的避免中性点的偏移。电机控制系统结构仍然保持不变，如图 27所示。而电流检测及位置检测电路，都只需要两路就可以实现对电机的有效控制。图 27 DSPM电机两相控制系统结构图正由于电机斜槽后，反电势呈正弦形，为电机运行施加正弦电枢电流提供了前提。DSPM电机的控制原理要求在永磁磁链对转子位置导数为正时通入正极性电流，在永磁磁链对转子位置导数为负时通入负极性电流。而电机永磁磁链对转子位置的导数，与永磁反电势成正比，因此按照反电势的极性来判断永磁磁链对转子位置的导数的极性，式( 23 )所示：( 23 )因为永磁磁链对转子位置的导数不可以直接观察出，所以这里通过对反电势极性的观察来判断应通入电流的极性，即反电势的正半周通入正极性电流，反电势的负半轴通入负极性电流，所通电流的极性与反电势相同。DSPM电机永磁磁链等具有周期性，一个周期为60，则每隔30一相反电势的极性发生一次变化。V、W相反电势相位相差15机械角，即电角度90，因此实际电机转子每转过15就会出现一次反电势极性的变化。在1.4.1中所介绍的光敏式位置传感器，位置信号输出如下图所示，每相位置信号60为一周期，30极性翻转一次，在码盘安装时将电机作为发电机运行，使位置信号的极性与反电势的极性对应起来，则可以通过位置信号来判断反电势的极性。图 28 光敏式位置传感器位置信号输出波形观察图 29和图 210，可以看出，该电机的空载反电势波形正弦性非常理想，从表 21和表 22的分析可知反电势谐波所占比例很小，几乎可以认为是正弦波。在此种情况下，给电机通入相应的正弦波电流，就可以实现电机转矩脉动的大幅度降低。图 29两相反电势波形（1000rpm）图 210两相反电势波形（1500rpm）表 21 空载反电势谐波分析（1020rpm）V相1020rpmW相1020rpm频率有效值比例频率有效值比例1102.15 Hz68.641 V100.00%1102.35 Hz78.327 V100.00%2204.29 Hz2.0022 V2.92%2204.71 Hz1.5546 V1.99%3306.44 Hz1.8229 V2.66%3307.06 Hz1.2017 V1.53%4408.58 Hz405.39m V0.59%4409.42 Hz35.123m V0.05%5510.73 Hz726.17m V1.06%5511.77 Hz979.71m V1.25%6612.87 Hz116.06m V0.17%6614.12 Hz117.88m V0.15%7715.02 Hz238.22m V0.35%7716.48 Hz345.36m V0.44%8817.16 Hz12.608m V0.02%8818.83 Hz53.701m V0.07%9919.31 Hz71.715m V0.10%9921.19 Hz67.954m V0.09%101.0215k Hz27.952m V0.04%101.0235k Hz35.892m V0.05% 表 22空载反电势谐波分析（1500rpm）V相1500rpmW相1500rpm频率有效值比例频率有效值比例1148.75 Hz99.633 V100.00%1149.03 Hz115.06 V100.00%2297.51 Hz2.9796 V2.99%2298.06 Hz1.6242 V1.41%3446.26 Hz2.5087 V2.52%3447.09 Hz1.5417 V1.34%4595.02 Hz692.12m V0.70%4596.13 Hz96.188m V0.08%5743.77 Hz1.0887 V1.09%5745.16 Hz1.2807 V1.11%6892.53 Hz241.80m V0.24%6894.19 Hz262.54m V0.23%71.0413k Hz216.59m V0.22%71.0432k Hz369.55m V0.32%81.1900k Hz116.43m V0.12%81.1923k Hz153.09m V0.13%91.3388k Hz34.240m V0.03%91.3413k Hz171.46m V0.15%101.4875k Hz37.427m V0.04%101.4903k Hz9.7990m V0.01%根据以上分析，用正弦函数来近似两相反电势，可以得到如下公式( 24 )。同时，由于A相和C相，B相和D相反向串联，自感叠加，可以近似认为V相和W相的自感为常数。参照反电势的相位，为电机绕组通入相应的正弦波电流，如公式( 25 )，转矩也相应的可以近似为公式( 26 )，理论分析得出结论两相运行时，通入正确的正弦波电流，电机转矩输出将没有脉动。但是实际运行中，一则反电势中仍然有少量谐波，并不是实际的正弦波；二则，由于功率开关器件开关频率所限，实际的电枢电流不可能是理想的正弦波，仍然有大量的谐波存在。因此电机的转矩脉动仍然是存在的，只是相对于四相运行时有大幅度的降低。( 24 )( 25 )( 26 )继续观察图 29和图 210可以发现，由于电机制造工艺所限，V相和W相的反电势幅值并不相同，有较大差异，如果两相绕组中通入同幅值的正弦波电流，根据公式( 26 )势必会增大电机转矩的脉动，因此在实际控制中，根据两相反电势幅值的比例给两相绕组中通入幅值不等的正弦波电流。V相与W相空载反电势幅值之比约为1:1.15，根据公式( 24 )至( 26 )，可以推出如下算式，调整所施电流的幅值，以降低转矩脉动：( 27 )( 28 )( 29 )2.3 小结DSPM电机是一种新型电机，在确定控制方法之前，对电机本体的研究非常重要。本章主要分析了转子斜槽8/6极DSPM电机的静态特性及工作原理，并且介绍了四相运行和两相运行的两种运行状态。其中两相运行方式的可以大大降低电机输出转矩的脉动，提高了电机的运行性能。57第3章 无位置传感器控制方法研究第3章 无位置传感器控制方法研究3.1 无位置传感器控制方法的比较在第1章提到了多种无位置传感器的控制方法，但是它们实现的基础都是BLDC电机或是其它非DSPM电机，并且各自都有一定的局限性和适用性，在此并不一定都可以应用到DSPM电机上，以下对各方法进行分析和比较，选择出适合DSPM电机实现的方法：I.定子三次谐波法：该方法的基础是BLDC电机的三相运行，因为其反电势波形为典型的梯形波，它包含了基波及高次谐波分量，其中三次谐波分量所占比例仅次于基波，与基波分量比达到22.22%22。通过对电枢三相相电压的叠加，就可以获得反电势的3次谐波及3的奇数倍次谐波。从中提取3次谐波分量，并进行积分，积分值为0时即得功率开关期间的换相时刻23,24,25。但是本文所涉及的8/6极DSPM电机是运行在四相或两相方式下的，从表 21及表 22中可知，8/6极DSPM电机采取转子斜槽后，反电势波形接近正弦波，各次谐波分量都非常小，无法单独检测出，因此该方法对于本文的研究对象完全不可用。II.电流通路监视法：该方法仍然是基于BLDC电机的普通三相运行，同一时刻有两相分别导通上下桥臂，而另一相不通电流，监视不导通相的二极管状态来确定转子位置。该方法对电机反电势信号有特殊要求，反电势信号必须为梯形波26。本文所研究的DSPM电机，由于采用了转子斜槽，反电势呈正弦波，并且DSPM电机在永磁磁链沿转子位置的上升和下降阶段均通电，在两相运行中，两相绕组各自形成回路，因此不存在不导通的一相，该方法也没有可实现的基础。III.数学模型法：根据DSPM电机绕组通电后的端电压方程式( 31 )，式中端电压和绕组电流可以时时检测到，绕组的内阻也可以测量出，而绕组的自感可以事先测得或者通过有限元计算而得，如此可以计算出此时刻的永磁反电势，当该值由正过渡为负时，即得到关键的转子位置信息。( 31 ) ( 32 )式中： 相绕组外加电压； 相绕组内阻； 相绕组电流； 相绕组反电势； 相合成磁链； 相永磁磁链； 称作变压器电势； 永磁反电势该方法需要高速运行和具有强大计算功能的MPU，用于时时计算反电势，除此之外由于所建立的数学模型忽略了互感，并且自感数据是通过有限元分析计算而得，与实际值有一定差距，因此该方法精度不高。转子位置的准确性很难保证，将影响到电机的稳定运行，严重可能会造成电机失步。IV.状态观测器法，同样需要高速运算，对MPU要求较高。高频注入法虽然得到的位置信号没有移相，位置精确，并且在电机起动及低速时也可以精确的检测出转子位置，但该方法的数学模型复杂，并且需要提供高频电源，之后对信号进行滤波，位置计算也更为复杂，实现成本高，目前国内外真正实现该方法的实例也不多，这里也不宜采用27,28,29。在1.4.2节中所提出的无位置传感器控制方法中，还剩下反电势法可以使用。其中，锁相环技术法是仍然观察不导通相绕组的反电势变化，而DSPM电机无论是两相还是四相运行，在永磁磁链沿转子位置的上升和下降阶段均通电，不存在不导通相该方法也剔除。而反电势逻辑电平积分比较法，对于反电势正弦波电机也不适用。该方法是对于反电势为梯形波的三相电机，不导通的两路反电势进行过零比较处理，得到逻辑电平后对两路逻辑电平进行积分，两路电平积分值得数量关系反映了相位关系，由此确定电机转子磁场的位置。综上所述8/6极DSPM电机宜采用反电势过零比较法，实现无位置传感器控制方法。3.2 反电势过零检测法原理及实现由第2章分析可知，DSPM电机的两相运行原理可以简单的概括为，给两相绕组施加与反电势同频率同相位的正弦波电流，因此需要检测出反电势的相位与频率决定正弦波电流参数。8/6极斜槽DSPM电机的反电势成正弦波形，很难准确的检测出每一点的确切相位，但是可以通过几个关键位置的采样来还原反电势。如果将反电势与零点比较，就可以得到在过零点处转折的方波。图 31 两相反电势与过零信号（正弦波示意反电势，方波示意经过零