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基于d s p 的电励磁双凸极电机调速系统数字控制技术研究 a b s t r a c t d o u b l ys a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cm o t o ri sp o t e n t i a l l yag o o dc a n d i d a t ef o rf u t u r e m o t o r a p p l i c a t i o n s b e c a u s eo fi t s u n i q u e s t r u c t u r ea n d o u t s t a n d i n g e l e c t r i c a i c h a r a c t e r i s t i c s t h en e wm o t o ri sak i n do fb r u s h l e s sm o t o rw i t hm a n yc o m p e t i t i v e a d v a n t a g e s t h i st h e s i s s t u d i e s d o u b l ys a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cm o t o rc o n t r o l s y s t e mf r o mf i v ep e r s p e c t i v e s ：t h eb a s i ct h e o r y , m o d e l i n ga n ds t i m u l a t i o n ，t o r q u e r i p p l ea n a l y s i sa n d t h ed i g i t a lc o n t r o lt e c h n i q u ei m p l e m e n t f i r s t l y , t h i s t h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r e ，s t a t i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo fd o u b l ys a l i e n tm o t o r t h e n t h i st h e s i sa l l a l y z e st h r e ec o n t r 0 1 m o d e sc a r e f u l l ya n dc o m p a r e st h e mt os h o wt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f e a c hm o d e w i t ht h eh e l po f m a t l a b p s b ( p o w e rs y s t e mb l o c k ) t o o l b o x t h et h e s i s i n t r o d u c e san e w w a y t om o d e lt h em o t o ra n dt h es y s t e m m a n yt h e o r i e si nt h i st t l e s i s a r es t i m u l a t e do nt h i sm o d e l t h et o r q u er i p p l eo fd o u b l ys a l l e n te l e c t r o 。m a g n e t i c m o t o ri st h o r o u g h l ys t u d i e d n 蛇t h e s i sa n a l y z e st h er e a s o i l so ft o r q u er i p p l ea n d r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt o r q u er i p p l ea n ds y s t e mp a r a m e t e r s m e a n st om i n i m i z et o r q u e r i p p l ea r ed e v e l o p e d t h el a s tp a r to ft h i st h e s i sd e s c r i b e sad i g i t a li m p l e m e n to f d o u b l ys a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cm o t o rc o n t r 0 1s y r s t e mb a s eo nad i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o rf d s p ) t h et h e s i sg i v e sad e t a i l e dh a r d w a r ea n ds o f h n a r ed e s i g no ft h i s s y s t e m ap r o t o t y p eo f t h i sd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi ss e tu p t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r e o b t a i n e do nt h e p r o t o t y p e ，w h i c hp r o v e 廿1 a tt h et h e o d e sa n da n a l y s i sa r ec o r r e c t a sas u p p l e m e n tt ot h et h e s i s t 1 1 ea f f e c t i o no fm u t u a li n d u c t i o no i lt h ec u r r e n t c h a r a c t e r i s t i co f d o u b l ys a l l e n tp e r m a n e n tm a g n e t i cm o t o ri sa l s os t u d i e d k e yw o r d s ：d o u b l ys a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cm o t o r ；s p e e d - - c o n t r o ls y s t e m ；d s p d i g i t a lc o n t r o l ；t o r q u er i p p l e i i 南京航空航天大学硕士学位论文 绪论 o 1 电励磁双凸极电机的发展 历史上最早出现的电机是直流电机，是1 9 世纪8 0 年代以前人们唯一可以使用的 电机。直流电机具有优良的控制性能，并且其调速装置简单，只要调节其输入电压和 励磁电流，即可在很宽的范围实现无级调速。但由于电刷和换向器的存在，直流电机 的单机容量、最高转速及使用场合受到限制，而且其维护工作量也较大。 1 9 世纪末，随着交流电的出现，出现了交流电机。由于交流电机经济实用，在 不调速的电气传动领域，交流电机占主要地位。但是在需要宽范围、高要求的传动领 域，大多采用直流电机，主要是因为交流电机的控制比较复杂，达到与直流电机同样 的控制特性需要采用复杂的控制手段。 于是人们一直试图寻求无机械式换向器的交流电机实现交流传动。本世纪3 0 年 代就有人研制了以电子换相代替电刷机械换向的无刷直流电机。7 0 年代以来，随着 电力电子技术的发展，新型高性能半导体器件的日趋成熟，以及计算机技术、控制技 术的发展，都为交流电机的发展开辟了新的局面，交流电机已逐步取代直流电机。 无刷直流电机是永磁同步电机通过检测转子位置，实现电子开关换向的调速系 统。它由同步电机、逆变器和位置检测器构成，革除了换向器和电刷，结构可靠性得 到提高，能够高速运行，又具有直流电机良好的调速性能，系统效率高，能量转换密 度大，起动转矩也较大。但是，无刷直流电机的结构较复杂，永磁材料的使用限制了 电机的最大功率，价格也昂贵。 在交流调速技术迅猛发展的8 0 年代，国外推出了交流调速的新品种开关磁 阻电动机。开关磁阻电机的结构非常简单，定、转子都是凸极齿槽结构，其转子上无 任何绕组，因此转子上没有铜耗，且转子结构非常坚固，所以特别适合高速运行，其 定子上只有集中绕组，制造工艺简单。因此，开关磁阻电机凭借其结构简单、工作可 靠、制造成本低廉等诸多优点，形成与其它电动机竞争的潜在优势，在许多场合得到 广泛应用。 上世纪9 0 年代，著名电机专家t - a l i p o 等人在对开关磁阻电机深入研究的基础 上，提出在开关磁阻电机定子上( 或转子上) 增加一套简单的励磁装置，如永磁体。 改进后的电机在结构上与原开关磁阻电机类似，仍呈双凸极结构，故称为永磁式双凸 极电机。由于附加了永磁磁场，永磁式双凸极电机在电机磁路、运行原理、力矩控制 特性和系统控制规律等方面与开关磁阻电机比较有较大的区别；在控制上，与无刷直 流电机相近，其性能上与直流电机调速系统相近。 双凸极电机由于全周期内出力，力矩电流比大。国外初步研究表明【4 ，5 1 ，在额定 功率相同、外形尺寸基本一致的情况下，双凸极电机的力矩，电流比是永磁无刷直流 电机的1 7 倍，开关磁阻电机的1 6 倍，同步电机的1 2 倍，感应电机的3 2 倍；力矩 惯量比是永磁无刷直流电机的5 8 倍，开关磁阻电机的1 4 倍，同步电机的3 6 倍， 感应电机的1 0 倍。 基于d s p 的电励磁双凸极电机调速系统数字控制技术研究 永磁式双凸极电机不足之处在于：由于采用了永磁材料，电机高温环境运行能 力降低，削弱了开关磁阻电机原有的高温能力强的优势；不能用作无刷起动发电机 ( 起动发电机在发动机起动时，作为无刷直流电动机工作，起动结束后作为发电机运 行) ，因为励磁磁场由永磁材料提供，发电时调压困难，且无故障灭磁能力。 1 9 9 8 年南京航空航天大学航空电源重点实验室在永磁式双凸极电动机基础上， 提出了一种新型电励磁双凸极无刷直流电机，并申请了国家发明专利。这种新型电机 可作为发电机运行，也可作电动机用。 电励磁双凸极电机具有下列特点：( 1 ) 励磁转矩大于磁阻转矩，且与电枢电流和 励磁电流成正比，在电感上升区与下降区分别通以正负电流时，电机均产生正转矩； ( 2 ) 不存在电刷和滑环；( 3 ) 转子结构简单坚固，可高速运行；( 4 ) 发电运行不需 要位置传感器和可控功率变换器，调节励磁电流可实现调压，断开励磁电路灭磁，可 实现电机系统故障保护。 电励磁双凸极电机以其独特的结构和优良的电气性能正成为一种应用前景看好 的新型电机，可望成为一种有竞争力的新型无刷电机。 o 2 数字控制在电气传动领域的应用 现代电气传动领域的控制手段几乎都是电子控制，常用的电子控制方法有两类： 模拟控制和数字控制。模拟控制有其不可克服的缺点：( 1 ) 采用大量的分散组件和电 路板，必然导致成本上升，可靠性下降：( 2 ) 模拟电路中存在人工调试器件，如可调 电位器等，必然使生产效率和控制系统的一致性下降；( 3 ) 由于器件的老化问题及温 漂问题的存在，将导致系统的输出性能下降甚至系统不能正常工作；( 4 ) 产品升级抉 代困难，模拟系统想要升级换代必须对硬件作改动，较麻烦：( 5 ) 模拟控制的监控性 能较差，一旦出现故障，一般只限于声光报警等。 随着信息技术的发展，数字信号处理芯片d s p 芯片的问世，使得数字化控制 在电气控制领域中的应用有了可能性，也成为主要发展趋势之一。d s p 与一般微处理 器的主要区别在于指令处理速度极快、指令功能精简强大，并且其中适合控制领域的 d s p 芯片还有丰富的外围模块，可以提高系统的集成度。总之，有了d s p 这种高速 处理芯片的支持，采用数字化的控制策略不仅可以较好地解决模拟控制的有关问题， 而且还具有模拟控制中很难实现的一些优点。 数字控制的主要优点有： ( 1 ) 控制系统可以采用先进、复杂的控制算法以及智能控制策略，使得调速系 统的智能化程度更高，性能更好。 ( 2 ) 系统控制灵活。数字控制系统的控制方案体现在控制软件上，一旦相关的 硬件资源得到合理的配置，只要通过修改系统的控制软件，就可以提高原有系统的控 制性能，或者根据不同的控制对象，实时地在线改变控制算法，易于标准化。 ( 3 ) 控制系统的可靠性提高。数字控制的高可靠性使整个控制系统的可靠性提 高。 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 4 ) 系统维护方便。微处理器装置容易实现系统监视预警、故障诊断、数据采 集，有利于对可能发生的故障进行分析和处理。 ( 5 ) 数字电路不存在漂移的问题，所以不存在参数变化的影响。 因此对于电励磁双凸极电机这一新型电机，其数字控制技术的研究是非常必要 的。本系统采用的是t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片，是专为电机控制应用而设计的定 点数字信号处理器产品。它的执行速度达2 0 m i p s ，几乎所有的指令都可以在5 0 n s 的单周期内完成，如此高的性能可对控制复杂的电机进行实时控制。同时其功能强大 的外设单元和高性能d s p 内核的结合，可以为各种电机提供高速、有效的控制策略。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片除具有一般d s p 的特点外，还具有电机控制应用所需的许多外设 功能，例如：1 2 路可编程p w m 通道，双1 0 位a d 转换器以及捕获单元，使电励磁 双凸极电机的控制更加方便、灵活。 0 3 课题的研究背景、目的及内容 目前，国际上对双凸极电机的研究主要集中在永磁式双凸极电机。东南大学在国 内最先开展永磁式双凸极调速电机的研究，已取得了较好成果。电励磁双凸极电机研 究除南京航空航天大学航空电源重点实验室外，至今国内外尚未开展。 本课题作为航空科学基金、江苏省“青篮工程”基金、台达科教基金的一部分， 对电励磁双凸极电机调速系统进行了以下几方面的研究： 双凸极电机的结构、静态特性、数学模型和控制模式，电励磁双凸极电机和 永磁双凸极电机的异同点； 基于m a t l a b p s b 的电励磁双凸极电机系统一体化建模和仿真方法； 电励磁双凸极电机系统的输出转矩脉动，重点是各种工作模式下输出转矩脉 动的构成、产生及抑制方法： 基于d s p 芯片的电励磁双凸极电机调速系统的数字控制技术，硬件实现及软 件编程。 本文从理论分析、数字仿真和系统实验这几个方面来进行研究，研究内容主要包 括以下几个部分： ( 1 ) 绪论主要介绍了电励磁双凸极电机的发展，数字控制在现代电气传动中的 应用，以及课题的背景、目的和主要研究内容。 ( 2 ) 第一章双凸极电机的结构、特性及工作原理介绍了双凸极电机的基本 结构，然后分别介绍了电励磁和永磁双凸极电机的静态特性、数学模型，在此基础上 分析了其工作原理，并对这两种电机在结构、特性、工作原理等方面进行了比较。 ( 3 ) 第二章双凸极电机的控制模式及系统建模主要是对双凸极电机单拍、 双拍及半周三种控制模式进行分析比较，并对双凸极电机和开关磁阻电机进行了比 较。本章的另一个内容是以电励磁双凸极电机调速系统为例，研究采用m a t l a b p s b 工具箱进行系统建模的方法。 基于d s p 的电励磁双凸极电机调速系统数字控制技术研究 ( 4 ) 第三章电励磁双凸极电机转矩脉动的研究对电励磁双凸极电机的三种 转矩脉动：稳态转矩脉动、磁阻转矩脉动以及换相转矩脉动进行了深入的研究，分析 了主要参数对各转矩脉动的影响，并提出减小、消除转矩脉动的方法。 ( 5 ) 第四章d s p 控制系统的设计和实现主要介绍基于d s p 的数字控制电励 磁双凸极电机调速系统，详细介绍了系统硬件电路的功能、参数与实现，以及系统的 软件构成和软件流程。 ( 6 ) 第五章实验结果及分析 介绍了该实验样机中电机的参数以及系统的实 验条件，在此基础上给出了主要实验波形，验证了理论与仿真分析、以及系统软、硬 件设计的正确性。 ( 7 ) 附录永磁双凸极电机绕组互感对输出电流特性的影响分别对功率管开 通、关断区间以及换相时刻绕组互感对永磁双凸极电机电流特性的影响进行了理论和 仿真分析。 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章双凸极电机的结构、特性与工作原理 本章首先介绍了双凸极电机的基本结构，然后分别介绍了电励磁和永磁双凸极的 静态特性、数学模型，并在此基础上研究了其工作原理。 1 1 双凸极电机的结构 双凸极电机在结构上和开关磁阻电机相似，其定转子均为凸极齿槽结构，定转子 铁芯均由硅钢片叠压而成，转子上无绕组，空间相对的定予齿上的绕组串联构成一相。 根据励磁方式的不同，定子上可安装集中励磁绕组或永磁体。图1 - 1 为6 4 极双凸极 电机截面图，其中图( a ) 为电励磁双凸极电机，图( b ) 为永磁双凸极电机。本系统 所用的是一台6 4 极电励磁双凸极电机。 ( a ) 电励磁双凸极电机( b ) 永磁双凸极电机 图1 一l 双凸极电机截面图 双凸极电机的定子极弧为定子齿距的1 2 ，这样可保证所有极下的转子齿和定子 齿的重叠角之和恒等于转子极弧，而与转子位置无关，从而使合成气隙磁导为一常数， 使电机静止时无定位力矩。转子极弧稍大于定子极弧，对于电励磁双凸极电机来说可 以形成一段电感特性曲线不变的区间，对于永磁双凸极电机来说可以形成一段永磁磁 链曲线不变的区间，这段区间反电势为零，可以保证电流换向1 7 , , 4 1 。 1 2 双凸极电机的静态特性和数学模型 由于双凸极电机的结构和磁路饱和效应等影响，电机参数和各个物理量随转子位 置角和电枢电流呈现非线性的变化规律，一般没有明确的表达式，只能用一组曲线来 表示。研究表明，电机参数和各个物理量受转子位置的影响更为显著，为简化研究可 采用线性模型。所谓线性模型即假设电机磁路不饱和，认为电机参数和各个物理量只 和转子位置角有关，而和电枢电流值无关。如无特别说明，以下分析都是基于线性模 型进行的。 1 2 1 双凸极电机的静态特性 基于d s p 的电励磁双凸极电机调速系统数字控制技术研究 同其它电机一样，反映双凸极电机电磁性能的关键参数是电感。线性模型下主要 是研究电感随转子位置变化的线性电感特性。永磁双凸极电机的特性还常用磁链特性 来描述。 图卜2 为双凸极电机的等效磁路图，其中g ，和f ，为励磁装置磁导和虚拟磁动势； g 。，g - 和g 。分别为a 、b 、c 三相定子齿与转子齿之间的气隙磁导，它们都是转子位置 角的函数，可以认为是转子位置角的分段线性函数：g 。为合成气隙磁导，g 。= g 。+ g 。+ g 。 当定子极弧为定子齿距的1 2 时，合成气隙磁导g 。为一常数；f 。、f b 和f 。分别为各相 电枢反应磁势。 图卜2 双凸极电机等效磁路图 求解图卜2 等效磁路即可求出双凸极电机的线性静态特性“”1 。 l 、 电励磁双凸极电机的静态特性 电励磁双凸极电机励磁绕组自感如式( 1 - 1 ) 所示 上，= ，2 ( g r c ) ( 1 一1 ) 其中，n r 为励磁绕组匝数。当电机确定后，g 。、g f 和n f 均为常数，则励磁绕组自感l ， 亦为常数。 相绕组与励磁绕组的互感为( 以下分析涉及到一相时，均以a 相绕组为例) 门 = n n , ( g ii l o ) 导 ( 卜2 ) u ” 其中，n 为相绕组匝数。理想情况下可以认为电励磁双凸极电机的励磁磁导g f 为。， 因此，l “。n n f g 。由于n 和n f 均为常数，所以l f 和g 。成正比，为转子位置角的分段 线性函数。 相绕组的自感为 l 。= n 2 皖( g ，+ 皖+ g 。) “n 2 g 口( 卜3 ) 比较式( 卜2 ) 和( 卜3 ) 可知，相绕组与励磁绕组互感l f 与相绕组自感l 。的比 为励磁绕组匝数与相绕组匝数的比，这个比值为一常数，设为k ，即 驴札地 ( 1 - 4 ) 6 南京航空航天大学硕士学位论文 由式( 卜2 ) ( 1 4 ) 可知，互感l 。，和相绕组自感l 。的大致特性曲线如图13 所示。 l 图卜3 电励磁双凸极电机相绕组自感和相绕组与励磁绕组互感特性曲线 相绕组之间的互感为( 以a 相绕组和b 相绕组为例) k = 2 辫 ( 1 5 ) u ”十u ， 由于理想情况下g r 为m ，由式( 卜5 ) 可知，l 。近似等于o ，即电励磁双凸极电机相 绕组之间的互感可以忽略。 2 、永磁双凸极电机的静态特性 永磁双凸极电机和电励磁双凸极电机的磁路有所不同，主要区别在于永磁双凸极 电机的g r 较小，而电励磁双凸极电机的g ，可近似认为无穷。因此，永磁双凸极电机 电枢绕组的自感及电枢绕组之间的互感与电励磁双凸极电机有较大不同。 永磁双凸极电机磁链特性为 g y m = 矽九 ( 卜6 ) u “ 其中，气隙合成磁导g 。仍然为常数，永磁磁通妒。也为常数，所以永磁双凸极电机各 相磁链也和g ，成正比，是转子位置角的分段线性函数。 相绕组的自感为 ：z 鱼睦：鱼二鱼! g ，+ g 。 ( 1 - 7 ) 由于永磁体的磁导率很低，和空气的磁导率相近，而其厚度却比定转子间的气隙大很 多，所以磁导g r 相对g 。可以忽略，大部分的电枢反应磁通都通过定转子重叠部分形 成回路。因此，上式可简化为 厶。2 g o ( q 了- 一g o ) ( 1 - 8 ) u “ 令g 口= 七口。，瓯= 够，可得 基于d s p 的电励磁双凸极电机调速系统数字控制技术研究 小旷半胡2 t 耸等 1 87g ? 其中，a 。为a 相定转子重叠角，b ，为转子极弧。由上式可得当口：- 屏3 - 时，即定转 f， 储鳃畔吼即将惯枷2 旨蚶髓炖l 一= k w z 2 j _ _ z _ , 。自 感最大值，在每个周期内出现两次，都是在定转子齿重叠一半的位置，电感曲线呈- s 鞍形。 相绕组之间的互感为( 以a 相绕组和b 相绕组为例) 小- 2 器 ( 1 - l o ) 由于g r 不能近似认为无穷大，则l 。不能近似等于0 。式中负号表示a 相通入正向电 由式( 卜6 ) ( 卜1 0 ) 可得，永磁双凸极电机相绕组的自感、互感以及永磁磁 链特性曲线，如图卜4 所示。永磁双凸极电机绕组互感不能近似为零对电机性能的影 响将在附录中做进一步的分析。 办a v 詹 图卜4 永磁双凸极电机相绕组自感、互感和永磁磁链特性曲线 1 2 2 双凸极电机的数学模型 双凸极电机和一般交流电机不同，它以脉动磁场进行工作的。由于电机结构和磁 路饱和效应的影响，电机参数和各个物理量随着电枢电流和转子位置的变化规律非常 复杂。但是，双凸极电机的工作原理仍然符合电工理论的基本定律，如能量守恒定律、 磁路定律、电路定律、牛顿运动定律等。以下数学模型的建立正是基于这些基本定律。 双凸极电机的数学模型包括磁链方程、电压方程、功率方程以及转矩方程等。下 面分电励磁双凸极电机和永磁双凸极电机两种情况分别讨论。 l 、电励磁双凸极电机的数学模型 8 南京航空航天大学硕士学位论文 各相绕组的磁链方程为 式中，各参量为 y 】- 少。 y 6 y 。 少， 各相绕组端电压方程为 热m 蝌： u f ， l 】_ 【】= 上】 朋 l 。0 0 l 6 00 l ml m 0 l 0 l l cl # l 自lr ， i _ 吲邓】+ 【】掣邮】掣( i - j 2 a t ) 口f r 。 r 6 r 。 r f 删然p y r p l 掣 端d 1 m 卜 = + 去f ，r 三】兰掣+ ：( i p f 弛i ，b 根据各i 贞的物理葸义，式( 卜1 3 ) 司写成如f 形式 匕2 圪+ t o o + 云( ) ( 1 - 1 4 ) 式中，u 为转子角速度，t 为总的输出转矩，w f s 为磁场储能，p c 。为电机铜耗，p 。 为电机从电源吸收的功率。 圪= 时陋纠 ( 1 一1 5 ) = 去 旺纠 ( 卜1 6 ) r = 三 ，掣d 8 ，】 ( h ，) 2 。1 。 、 以a 相为例，a 相的输出转矩为 瓦= 等嘲等m = 瓦+ 其中，t r a 为磁阻转矩，是a 相绕组通入电流时，随着转子位置的不同，电枢绕组自 感发生变化而产生的转矩分量；为励磁转矩，是a 相绕组通入电流时，随转子位 基于d s p 的电励磁双凸极电机调速系统数字控制技术研究 c 妒，= 三! ，c 三，= ! l 乏a ：b 摹 ，c ，= ； ，c 妒，= 三三 = 【r 】m 嘲掣+ 生粤+ 坐d 型t c l ta t ( 1 2 。 u 0 1r 。1 舯“叫对制。 m 审1 篇篇黼荔锄= 忡仆妒豳掣+ 计望纠+ 丢哇 陋m 转矩表达式为 则a 相的输出转矩为 丁= 三f ，】掣帅】掣 l = 嘉+ ，等 = 死+ l 。 ( 卜2 2 ) ( 1 2 3 ) 其中，t r a 为磁阻转矩，其产生原理与电励磁双凸极电机一样；t 。为永磁转矩，是a 相绕组中通入电流时，随着转子位置的不同，永磁磁链发生变化而产生的转矩。同样， 永磁双凸极电机的总转矩也为各相输出转矩的线性叠加。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 双凸极电机工作原理 双凸极电机和开关磁阻电机一样，都是以脉动磁场进行工作，但由于励磁绕组或 永磁体的存在，工作原理又有较大区别。最主要的不同在于：开关磁阻电机输出转矩 是磁阻转矩，而双凸极电机输出转矩的重要组成部分是由励磁或永磁产生的转矩。 由式( 1 - 1 8 ) 和( 1 - 2 3 ) 可知，永磁和电励磁双凸极电机的磁阻转矩均为 1角r 乙= 毛2 等 ( 卜2 4 ) z“口 可见，磁阻转矩和电流方向无关，只和自感变化率的正负有关，在电感上升区间为正， 下降区间为负。由于电励磁双凸极电机和永磁双凸极电机电感特性不同，磁阻转矩波 形也不同。图卜5 为电励磁双凸极电机的磁阻转矩波形，图1 - 6 为永磁双凸极电机的 磁阻转矩波形。 图卜5 电励磁双凸极电机的电感特性图卜6 永磁5 r d 5 极电机的磁链、电感特性 和磁阻转矩波形和磁阻转矩波形 由( 1 - 1 8 ) 可知，电励磁双凸极电机的励磁转矩为 2 协等( 1 - 2 5 ) 由于励磁电流一般不改变方向，所以励磁转矩的正负只和相电流的方向以及电感的变 化率有关。若要输出正的励磁转矩，可在电感上升区间通正电，下降区间通负电；若 要输出负的励磁转矩，可在电感上升区间通负电，下降区间通正电。图卜7 为电感上 升区间通正电、下降区间通负电的情况下，电励磁双凸极三相自感特性和励磁转矩波 形，由图可见，不论在电感上升区间还是下降区间，励磁转矩均为正。 由式( 1 - 2 3 ) 可知，永磁双凸极电机的永磁转矩为 气= 屯孥( i - 2 6 ) 基于d s p 的电励磁双凸极电机调速系统数字控制技术研究 可见，永磁转矩的正负和相电流的方向以及永磁磁链的变化率有关。要输出正的永磁 转矩，在永磁磁链上升区间通正电，下降区间通负电；反之，要输出负的永磁转矩， 只要在永磁磁链上升区间通负电，下降区间通正电。图卜8 为永磁磁链上升区间通正 电、下降区间通负电情况下永磁双凸极电机三相磁链和永磁转矩波形。可见，永磁磁 链上升与下降区间永磁转矩均为正。 ! 簋业 ：lii lil 。 ! 隘醯 1 ill 小u c ! _ 黝_ 1 l： o 图卜8 永磁双凸极电机三相永磁磁链特性 和永磁转矩波形 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章双凸极电机的控制模式与系统建模 本章首先对双凸极电机单拍、双拍及半周控制模式进行了分析，并在控制简单性、 输出转矩大小以及输出转矩脉动这几方面进行了比较；其次对双凸极电机和开关磁阻 电机在电机结构、转矩控制特性及控制模式等方面进行了比较；最后以电励磁双凸极 电机调速系统为例，进行了m a t l a b p s b 工具箱系统建模的研究。 2 1 双凸极电机的控制模式和导通规律 双凸极电机主要有三种控制模式：单拍控制模式、双拍控制模式和类似于开关磁 阻电机的半周控制模式。下面对这几种控制模式分别进行介绍。 2 1 1 单拍控制模式 单拍控制模式任一时刻只有一相绕组导通，但在励磁或永磁磁链的上升和下降区 间内都通电。根据要产生电动转矩还是制动转矩来确定电流的正负，若要生成正的输 出转矩，在磁链上升区通正电，下降区通负电：若要生成负的输出转矩，在磁链上升 区通负电，下降区通正电。图2 1 ( a ) 、( b ) 分别是电励磁双凸极电机和永磁双凸极电 机单拍控制模式下的导通规律。 陕过幺 障隧： ( a ) 电励磁双凸极电机( b ) 永磁双凸极电机 图2 - l 双凸极电机单拍控制模式导通规律 电励磁双凸极电机励磁磁链的上升、下降区间与电感的上升、下降区间相对应， 而永磁双凸极电机永磁磁链的上升、下降区间和电感的上升、下降区间并不完全对应， 因此，这两种电机在同一控制模式下输出转矩并不完全相同，但总的输出转矩总是为 此时工作相的输出转矩。图2 2 为电励磁双凸极电机单拍控制模式各相输出的转矩波 形以及总的输出转矩波形，每一时刻输出转矩是导通相的磁阻转矩和励磁转矩的代数 和，励磁磁链上升区( 即电感上升区) ，输出转矩为励磁转矩叠加正磁阻转矩，下降 区( 即电感下降区) 为励磁转矩叠加负磁阻转矩；图2 3 为永磁双凸极电机单拍控制模 基于d s p 的电励磁双凸极电机调速系统数字控制技术研究 式各相输出的转矩波形以及总的输出转矩波形，每一时刻输出转矩是导通相的永磁转 矩和励磁转矩的代数和，电感上升区输出转矩为励磁转矩叠加正的磁阻转矩，下降区 为励磁转矩上叠加负的磁阻转矩。 夕 辩冬 巨ql 瀑 毒鞘。 ：戚钐沁 l l 酞i l t t i 。 1 吼linii v i - il 图2 - 2 电励磁双凸极电机 单拍控制模式的输出转矩 2 1 2 双拍控制模式 舔豁喜 玲毒群 。缀缀 眵一闱 网鼍产哥晰p 历目鼍p 网 图2 3 永磁双凸极电机 单拍控制模式输出转矩 双拍控制模式在任一时刻总有两相绕组通电，一相通正电，一相通负电。根据要 产生电动转矩还是制动转矩来确定电流的正负，若要生成正的输出转矩，在磁链上升 区通正电，下降区通负电：若要生成负的输出转矩，在磁链上升区通负电，下降区通 正电。图2 - 4 为电励磁双凸极电机双拍控制模式导通规律，图2 5 为永磁双凸极电机 导通规律。 图2 4 电励磁双凸极电机图2 - 5 永磁双凸极电机 双拍控制模式导通规律双拍控制模式导通规律 电励磁双凸极电机电感上升区通正电产生正向励磁转矩和磁阻转矩，下降区通负 电产生正向励磁转矩和负向磁阻转矩，由于一相通正电时总对应有另一相通负电，则 在总输出转矩中，此两相产生的磁阻转矩刚好抵消，总的输出转矩不包括磁阻转矩成 分，为两相励磁转矩之和，是相励磁转矩的两倍，不存在由磁阻转矩引起的转矩脉动。 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 - 6 为电励磁双凸极电机双拍控制模式情况下各相输出的转矩波形以及总的输出 转矩波形。 图2 - 6 电励磁双凸极电机图2 7 永磁双凸极电机 双拍控制模式的输出转矩双拍控制模式输出转矩 对于永磁双凸极电机，由于电感特性的不同，电机通正电的相产生正的永磁转矩， 但是产生的磁阻转矩并不完全为正：同样通负电的相也产生正的永磁转矩，磁阻转矩 也不完全为负。因此，通正负电的两相磁阻转矩不能完全抵消，磁阻转矩将引起转矩 脉动，但整个电感周期内的平均输出转矩为通电两相的永磁转矩之和。图2 7 为永磁 双凸极电机双拍控制模式情况下各相输出的转矩波形以及总的输出转矩波形。 2 1 3 半周控制模式 半周控制模式是一种类似于开关磁阻电机的控制模式，只在励磁和永磁磁链的半 周通电，若要生成正的电动转矩，在磁链上升区间通正电，若要生成负的电动转矩， 在磁链下降区通正电。图2 8 为电励磁双凸极电机半周控制模式导通规律，图2 9 为永磁双凸极电机导通规律。 图2 - 8 电励磁双凸极电机图2 - 9 永磁双凸极电机 半周控制模式导通规律半周控制模式导通规律 电励磁双凸极电机由于半周内励磁转矩与磁阻转矩的方向相同，所以其输出转矩 是励磁转矩和磁阻转矩的叠加，不存在磁阻转矩引起的转矩脉动。图2 1 0 为电励磁 1 5 基于d s p 的电励磁双凸极电机调速系统数字控制技术研究 双凸极电机半周控制模式情况下各相输出的转矩波形以及总的输出转矩波形。永磁双 凸极电机半周内既有正的磁阻转矩又有负的磁阻转矩，其输出转矩为永磁转矩与磁阻 转矩的代数和。在电感上升区间，输出转矩为永磁转矩叠加上正的磁阻转矩，下降区 间，输出转矩为永磁转矩叠加上负的磁阻转矩，因此，存在磁阻转矩引起的转矩脉动。 图2 - 11 为永磁双凸极电机半周控制模式情况下各相输出的转矩波形以及总的输出转 矩波形。 彦糕l 多李迤l 帆iit i + t 。l1 ： o 巡；多竽； iit t + t j l 帆l ： 0 、l 多瓮；余 i 帆l llt + t 。i 吒嵋帆 1 一 q碱 图2 一l o 电励磁双凸极电机 半周控制模式的输出转矩 2 1 4 三种控制模式的比较 螽辞皂江i 铲qi 晤艄 ! 巡毒爷警锯 ；! 菇斟l i 粥i 错 ii i l n 秆# 铌罐q 赢够钚私苯碚q 习耸 图2 - 1 1 永磁双凸极电机 半周控制模式输出转矩 ( 1 ) 控制的简单性 从控制的简单性而言，半周控制模式最简单，因为这种控制模式下电机为单极性 供电，只在磁链的上升或下降区间导电，电枢电流为单方向流动，可以选用类似开关 磁阻电机的单极性功率变换器，但是这种半周控制模式没有体现双凸极电机电机单位 体积出力高的优点。而对全周通电的两种控制模式：单拍和双拍控制模式下，电机均 为双极性供电，要采用双极性的功率变换器。单拍和双拍相比较而言，单拍控制模式 相对简单一些，因为同一时刻只有一相导电，不存在相与相之间互相影响的问题。 ( 2 ) 输出转矩的大小 表2 - 1 双凸极电机三种控制模式输出平均转矩 输出平均电机 巡 电励磁双凸极电机永磁双凸极电机 控制模式 单拍控制模式单相励磁转矩t 缸单相永磁转矩t 。 双拍控制模式 两相励磁转矩之和2 t f v两相永磁转矩之和2 t r a p 单相励磁转矩与磁阻转矩 半周控制模式 单相永磁转矩t r a p 之和t 母+ 表2 1 比较了电励磁和永磁双凸极电机三种控制模式下输出平均转矩的大小。永 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 磁双凸极电机由于电感特性比电励磁双凸极电机要复杂一些，所以其输出转矩的情况 也要复杂一些。由于磁链上升区间电感上升和下降区间宽度相等，整个电感周期内正 向的磁阻转矩和负向的磁阻转矩平均值为零。由表可知，电励磁双凸极电机双拍控制 模式输出转矩最大，半周控制模式次之，单拍控制模式输出转矩最小；而对永磁双凸 极电机而言，双拍控制模式输出转矩最大，半周控制模式和单拍控制模式一样大。 ( 3 ) 输出磁阻转矩脉动 输出磁阻转矩脉动由双凸极电机的导通规律决定的。表2 2 所示为永磁和电励磁 双凸极电机三种控制模式下输出磁阻转矩脉动大小，用磁阻转矩脉动的绝对值相对于 输出平均转矩的百分比来衡量。由表可知，在单拍控制模式下，永磁和电励磁双凸极 电机输出转矩脉动相同；在双拍和半周控制模式下，电励磁双凸极电机磁阻转矩脉动 为零，而永磁双凸极电机磁阻转矩脉动却比单拍控制模式增加了一倍。 表2 - 2 双凸极电机三种控制模式输出磁阻转矩脉动 够送 电励磁双凸极电机永磁双凸极电机 苈裂l 单拍控制模式 生1 0 0 量1 0 0 珞即 双抬控制模式o 堡。j 掰 半周控制模式 0 孕x 1 0 0 1 2 2 双凸极电机与开关磁阻电机的比较 双凸极电机是在开关磁阻电机的基础上演化发展起来的，但在电机结构、转矩 控制特性、系统控制规律等方面与开关磁阻电机又存在以下不同点： ( 1 ) 在电机结构方面，双凸极电机与开关磁阻电机结构相似，都是定转子双凸 极结构，但双凸极电机的结构比开关磁阻电机要复杂一些，根据励磁方式的不同，在 定子或转子上装有永磁体或励磁线圈。 ( 2 ) 在输出转矩方面，开关磁阻电机的输出转矩只有磁阻转矩，而双凸极电机 的输出转矩包括磁阻转矩和励磁转矩或永磁转矩，励磁转矩或永磁转矩大于磁阻转 矩。开关磁阻电机只在半个电感周期内输出有效转矩，而双凸极电机可以利用整个电 感周期输出有效转矩。 ( 3 ) 在控制模式方面，双凸极电机和开关磁阻电机均可采用电流斩波控制和角 度控制。开关磁阻电机只能半周工作，在半周控制模式下进行控制，但是双凸极电机 基于d s p 的电励磁双凸极电机调速系统数字控制技术研究 不仅可以类似于开关磁阻电机半周工作，还可以全周工作，可以单拍工作，也可以双 拍工作。开关磁阻电机的控制参数主要是电流幅值以及开关角，而电励磁双凸极电机 还有一个控制变量励磁电流。因此，双凸极电机在控制上更加灵活。 ( 4 ) 开关磁阻电机的电流为单方向，一般选择单极性的功率变换器；双凸极电机 电流可以在半周控制模式下单方向流动，也可以单拍或双拍控制模式下是双向流动， 所以可以象开关磁阻电机一样选择单极性功率变换器，也可以象无刷直流电机一样选 择双极性功率变换器。 2 3 双凸极电机系统的p s b 建模 2 3 1m a t l a b p s b 建模简介 电感特性的非线性使双凸极电机的建模与仿真难以采用传统的电机系统建模和 仿真方法。传统的电机系统建模和仿真一般采用两种方法：一种是用s i m u l i n k 进行 侧重于整个控制系统的仿真。该方法根据各环节的微分方程导出传递函数，组成系统 的结构框图进行仿真。s i m u l i n k 不能直接进行电路仿真，无法涉及系统的电路特性， 而逆变器是双凸极电机系统的一个重要环节，设计时往往需要分析逆变器功率管等电 路特殊点的电压与电流波形。显然，单纯采用s i m u l i n k 软件不利于对电机与功率变 换电路进行一体化的建模与仿真。 另一种是用p s p i c e 进行侧重于电路的仿真，由于p s p i c e 是传统的电路仿真软件， 其模型库包括一些基本的电路元件，利用各种电路元件搭建系统模型，可以对系统的 工作过程进行直流、交流、暂态等分析。但p s p i c e 中没有电机模型，要用等效电路 模型代替，而双凸极电机的非线性电感特性使其难以找到等效电路模型来代替。 m a t l a b 软件从5 2 版本开始推出电气系统模块库( p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ，简 称p s b ) ，利用它可以解决双凸极电机系统建模与仿真的困难。p s b 以s i m u l i n k 为运 行环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件 和系统仿真模型。”1 。p s b 模块和s i m u l i n k 模块的结合可以实现电气系统和控制系 统的混合仿真。下面以电励磁双凸极电机系统为例，介绍如何利用s i m u l i n k p s b 工 具箱建立双凸极电机系统的仿真模型，以解决双凸极电机系统难以一体化建模和仿真 的困难。 2 3 2 电励磁双凸极电机系统p s b 建模 电励磁双凸极电机系统由电励磁双凸极电机本体、位置传感器、功率变换器、控 制及驱动电路构成，如图2 一1 2 所示。其中a 、b 、c 为电机三相绕组；功率变换器采 用分裂电容式三相半桥电路；控制及驱动电路由速度调节器、三相电流调节器、转子 位置检测及驱动电路等构成。 南京航空航天大学硕士学位论文 功串变换器 控 制 发 驯 动 电 路 图2 1 2 基于分裂电容式半桥电路的电励磁双凸极电机系统框图 根据系统各部分功能的不同，采用模块化和功能化方法将双凸极电机系统至上而 下，按模块分别建模，系统模型结构如图2 - 1 3 所示。各功能模块相对独立，可在其 它仿真中直接调用，只要对相应的输入输出端1 2 做适当的定义即可。 图2 1 3 电励磁双凸极电机系统模型结构图 图2 1 4 双凸极电机调速系统在s i m u l i n k p s b 系统下的模型 基于d s p 的电励磁双凸极电机调速系统数字控制技术研究 双凸极电机本体作为电机子系统，采用s i m u l i n k 模块及s i m u l i n k p s b 工具箱构 建；分裂电容式主电路作为功率变换器子系统，采用p s b 工具箱构建：控制及驱动电 路作为控制器子系统，采用s i m u l i n k 模块构建。应用接口模块进行端口设计，可将 几个部分连接起来构成电励磁双凸极电机系统模型，如图2 - 1 4 所示。下面对各子系 统的建模分别说明。 l 、双凸极电机子系统的建模 图2 1 5 双凸极电机模型子系统 系统建模的关键和难点在于双凸极电机的建模，本文先根据电机的基本方程( 即 电机的数学模型) 建立双凸极电机的模型。电励磁双凸极电机建模所需的方程包括电 压方程、转矩方程和机械运动方程等，因此可根据这几个方程分别建立子模块：根据 三相电压方程建立三相绕组子模块，根据励磁电压方程建立励磁绕组子模块，根据三 相输出转矩方程和机械运动方程建立运动子模块。此外，根据三相所需位置信号的处 理建立位置信号处理予模块，将这些子模块组合起来就是电机子系统的模型，如图 2 - 1 5 所示。其中a 、b 、c 为三相绕组与变换器主电路相连的三端口，g n d 为与分 裂电容中点相连的三相绕组公共端，t h e t a 为转子位置角。 电机模型子系统的下一级予系统各个子模块的建立是根据电压方程、转矩方程和 机械运动方程等，如式( 卜1 2 ) 、( 卜1 7 ) 所示，在s i 删l i n k 中采用现有的积分、微分、 加、减、乘、除或自编函数搭建各模块的s i m u l i n k 模型，加上必要的p s b 模块以及 信号转换模块，即可构成各模块的p s b 模型。为简化分析，做了如下假设：( 1 ) 主电 路电源电压和励磁电