（电力电子与电力传动专业论文）基于全桥变换器电励磁双凸极电机调速系统的研究.pdf

塑塞堕全堕盔叁里堡兰堡垒壅一一 a b s t r a c t d o u b l e - s ；a l i e n tm o t o ri sa n e wt y p eo fa cm o t o ra p p e a r e da t1 9 9 0 s p r e s e n t l y d o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h e s a r e m a i n l y c o n c e n t r a t e d o n d e r m a n e n t m a g n e t i c d o u b l e s a ll e n t m o t o r e m b e d d e dr e s e a r c h e s a b o u t e l e c t r o m a g n e t i cd o u b l e s a l i e n tm o t o rh a v e n o tg o n eo ny e t t h i sp a p e rf i r s tb r i e f l yi n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n db a s i co p e r a t i o n p r i n c i p l eo ft h en e we l e c t r o m a g n e t i cd o u b l e - s a l i e n tm o t o r t h e n ，a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r so ft h em o t o r ，d y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e la r es e tu p ，b a s e d o nw h i c hs i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tu s i n gt h es o f t w a r em a t l a b a 1 1k i n d so f t r o u b l es t a t e so ft h em o t o ra r ea n a l y s e d ，m e a n w h i l es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s a r ed o n et op r o v et h ee x a c t n e s s a tl a s t t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s i g n o fh a r d w a r eo ft h ee l e c t r o 。m a g n e t i cd o u b e - s a l i e n tm o t o rs p e e d c o n t r o l i i n g s y s t e mb yf u l l b r i d g ec o n v e r t e r t h er e s u l to ft h ed e b u g g i n go nt h es y s t e m s h o wt h a tt h es y s t e mp o s s e s s e se x c e l l e n tr u n n i n gp e r f o r m a n c ea n dp r o v et h e t h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nt ob er i g h t k e y w o r d s ：d o u b l e s a l i e n tm o t o r ：e l e c t r o m a g n e t i c ：s p e e d c o n t r o l l i n gs y s t e m a n a l y s i sa b o u tt r o u b l es t a t e s i i 壹塞堕窒堕丕查兰堡主堂堡笙茎 一 0 1 双凸极电机的发展 绪论 上个世纪6 0 年代，大功率晶体管投入使用，为开关磁阻电机的研究和发展奠定 了重要的物质基础。从1 9 6 7 年开始，英国的l e e d s 大学和n o t t i n g h a m 大学相继对丌 关磁阻电机进行深入的研究，并合作研制了一些样机，其研究结果表明：电动机成本 明显低于同容量的异步电动机，而其单位输出功率和效率都高于同类的异步电动机。 这一结果与传统观念中的同步磁阻电机功率因数、效率低于异步电动机相驳，关键是 现代功率电子技术、微电子学和计算机的发展为开关磁阻电机的综合技术性能提供了 有效的支持，同时也保证了其经济性。1 9 8 0 年，l e e d s 大学的l a wr e n s o n 教授等人 发表了著名论文“变速开关磁阻电机”，标志着开关磁阻电机正式得到国际社会的承 认。目前，开关磁阻电机以其调速性能好，结构简单，效率高，成本低等特点，在迅 猛发展的调速电动机领域争得一席之地，一扫长期以来双凸极磁阻电机效率低的传统 观点，并在许多场合得到应用。 为了充分利用双凸极结构的特点，9 0 年代初，人们将永磁材料嵌入转子( 或定子) 体内，形成所谓的双凸极永磁电机( d s p m ) 。d s p m 电机作为一种应用前景看好的 交流调速系统，是由美国著名电机专家t a l i p o 等人于1 9 9 2 年首先提出的，并进行 了初步的理论和实验研究。此后英国、法国和德国等国也相继开展了d s p m 电机及 其控制系统的研制工作1 2 ”。 近来，我校提出的电励磁双凸极电机是在定子上装入电励磁绕组，励磁转矩大于 磁阻转矩且与电流成正比，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，使该电机的单位体积出力增加。 由于双凸极电机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列 优点，又具备直流电机的运行效率高以及调速性能好等诸多优点，在国民经济的各个 领域有很大的应用前景。 现代电机控制的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、减少成本，另一方面又 不断的有技术指标极其苛刻的特殊应用的系统需求。随着微电子技术和计算机技术的 飞速发展，以及控制理论的完善、仿真工具的目渐成熟，这些都给电机控制带来了很 多发展的契机。 o 2 本文的主要内容 本文的研究采用理论分析、数字仿真和系统实验相结合，主要研究内容包括以下 六个部分： ( i ) 绪论 主要介绍了近代交流调速发展的现状以及双凸极电机的发展和 研究现状。 l 基于全桥变换器电励融双凸极电机调速系统的研究 ( 2 )第一章介绍了电励磁双凸极电机的基本结构以及数学模型和工作原理。 ( 3 )第二章介绍了电励磁双凸极电机的仿真建模。 ( 4 )第三章介绍了电励磁双凸极电机故障运行分析。 ( 5 )第四章介绍了电励磁双凸极电机调速系统的硬件实现。 ( 6 )第五章给出了系统的实验结果以及分析。 2 塑室堕窒堕丕查堂夔主堂堡堡壅一 第一章双凸极电机的基本工作原理 双凸极电机是上世纪9 0 年代发展起来的一种新型交流调速电机，是继开关磁阻 电机之后交流电机及其控制领域又一新的研究方向h 1 。根据国外研究显示，在外形 尺寸基本相同的情况下，双凸极电机的力矩电流比和力矩惯量比均明显高于其它电机 。本章首先介绍了双凸极电机的结构、静态特性以及数学模型，最后在此基础上分 析了电励磁双凸极电机的工作原理和它的控制策略。 1 1 电励磁双凸极电机的结构 图l 一1电励磁双凸极电机截面图 图l 一1 是1 2 8 极电励磁双凸极电机截面图。电机结构与开关磁阻电机类似，定、 转子均为凸极齿槽结构，铁芯均采用硅钢片叠压而成，定子上装有集中电枢绕组和励 磁绕组，转子上无绕组。空间相对的四个定子齿上的绕组串联构成相。定子极弧为 定子齿距的l 2 ，即 厦= 磊 式中，玩为定孑极弧( 机械角) ，p 为电机的极对数，m 为电机的相数。对于1 2 8 极结构电励磁式双凸极电机，p = 2 ，m = 3 定子极弧取兰机械角，这样可以保证 所有极下转子齿与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，这一点可以保证电机静止时无定位力矩。转子极弧稍大于定 子极弧，以保证电流换向【l 】 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互感曲线l 。f 不变的区间( 以a 相为例) ，如图l 一2 所示，这段区间不论电流是正还是负都不输 出转矩。 3 苎王全堑壅垫墨垒壁堡型鱼堡皇垫塑垄墨竺塑里! 窭一 图1 2 电励磁双凸极电机电感曲线 1 2 电励磁双凸极电机的静态特性与数学模型 1 2 1电励磁双凸极电机的静态特性 双凸极电机的静态特性主要是指静态时磁链、电感以及转矩随转子位置角和电流 变化的特性。由于双凸极电机的磁场分布比较复杂，通常需要通过有限元法进行计算 才能够得到精确的静态特性。电机的磁链、电感以及转矩均为转子位置角和电流的非 线性函数，但它们受转子位置角的影响更为显著，为了初步分析双凸极电机的基本控 制规律，可作一些适当的简化，采用线性模型【1 8 l 。所谓线性模型是假设电机的磁路不 饱和，认为电感与电流无关。 图1 3 为电励磁双凸极电机的等效磁路图，其中g f 和f f 为励磁部分的磁导和磁 动势。g a 、g b 和g 。分别为a 相、b 相和c 相定子齿与转子齿间的气隙磁导，它们都 是转予位置角0 ，的函数。定子槽较深，槽中的气隙磁导可以忽略不计；f 。、f b 和f 。 分别为a 相、b 相和c 相的电枢反应磁势，根据等效磁路图可得电励磁双凸极电机 的静态特性。 图l - 3 电励磁双凸极电机等效磁路图 令电枢反应磁势为零，c = e = c - o ，则励磁发出的磁通为 办= f ，。g o = f ，g ，i i g 。 ( 1 1 ) g - = 瓯+ 瓯+ g c( 1 - - 2 ) 其中， 瓯为励磁外磁路的合成气隙磁导，在不计铁心磁位降的条件下，g 即为定 4 南室堕至堕茎盔堂堡主堂堡堕塞 一一 一一 子与转子之间气隙的磁导，它与转子齿和定予齿的重叠角之和成正比。当定予极弧为 定子齿距的1 2 时，即万1 2 机械角度时，可以保证转子齿与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g 。为一常数，磁铁工作点 将不随转予位置角而改交，励磁绕组不会产生感应电势，电机静止时加励磁无定位力 矩，任一相定子绕组所交链的互感磁链仅与该相磁导成正比n n 。以一相为例，有 矿扫= p 砟= n p ，g ，g 。 其中，p ：口，6 ，c 为各项序号。y 。与护之间呈分段线性关系，如图1 4 所示 图1 4 互感磁链特性 励磁绕组的自感为 ，：孚：翌乎：些学：，：( g ，瓴) ( 1 3 ) i i fl fi f i 。 其中，n ，为励磁绕组匝数。 相绕组的自感为( 以a 相绕组为例) ，n 挣， k t n ，o ? l 。1 g ，m g | 七g b + gc ) 1 i o( i - - 4 ) = n o g o ( g + g 6 + g 。， ：n a 2 学臻掣 相绕组之间的互感为( 以a 相绕组和b 相绕组为例) k ：蟹g b 二生s v 6 =坐型燮，坼蕊g丽bio g gg 一，v 一 9 +c +， 嘶m 警丽g 万b 5 一 苎王全堡銮垫璺皇壁壁型苎堡皇塑塑望墨堑堕塑壅一一 = n 。n b 。可g a 瓦g b 相绕组与励磁绕组的互感为： 。j 牵f 瓦g p n p b 2 十 一生上：鱼! 鱼 一l|以鲁 叫n g 瓯詈 = n p n r ，百g p 瓦g 考虑到电励磁双凸极电机的g 远大于q 相绕组与励磁绕组的互感可由下式近似表示 三，z ；g ， k “0 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 则相绕组自感、相绕组之间的互感、 l “n p n f g p 图1 5 所示为相绕组自感和相绕组与励磁绕组互感曲线。 图1 5相绕组自感和相绕组与励磁绕组互感曲线 ( 曲线l 为互感曲线。曲线2 为自感曲线) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) 6 童壅堕至堕丕查堂堡主堂堡兰苎一 1 2 2 电励磁双凸极电机的数学模型 图1 - - 6 电励磁双凸极电机互感、自感、反电势和相电流的示意图 图l 一6 是电励磁双凸极电机a 相绕组互感、自感、反电势和相电流的示意图， 各相绕组的磁链方程为 【州= f l 】【卅 ( 1 1 0 ) 式中各参量为 【纠= y a j c ，6 妒c v | ，【l 】= 乞0 0 l 6 00 l pl m 0 l 巧 0 l b r l 。l “ l kl j 各相绕组端电压方程为 吲= r i u 】+ 【讣警册百d i l l 其中 【u 1 = u 。 u 。 屯| 【r 1 = r 。 r r 。 r ， i 】= 若不计铁耗，由电源输入绕组的功率为 m i v = m 阱m m 【】百a 1 1 + i l l r 掣【力 = z y j r 【，】+ 丢， i y 陋】掣+ 表d 1 m i l l 吣 根据各项的物理意义，公式( 1 1 2 ) 可写成如下形式 匕= 吃+ 丁+ 鲁( ) i o _ 1 6 j 。 j ， ( 1 一1 2 ) ( 1 一1 3 ) 7 “亡k 。 ， 。 苎王全堑壅堡璺皇墅壁翌些望堕塑塑堕墨堡堕竺墨一 式中，。为转子角速度，t 为总的输出转矩， 为电机从电源吸收的功率 眨。= 汀【r 】【，】 = 丢限阱 转矩表达为 w 6 为磁场储能，p c 。为电机的铜耗，p i , 、 ( 1 一1 4 ) ( 1 1 5 ) 丁= 扣掣【，1 ( 1 - - 1 6 ) 以a 相为例，a 相的输出转矩为 丁书券“- f ，鲁 。卅， = l + 0 其中，t ，为磁阻转矩，是a 相绕组通入电流时，随着转子位置的不同，电枢绕组电 感发生变化而产生的转矩分量；t r 为励磁转矩，是a 相绕组中通入电流时，随着转 子位置的不同，电枢绕组与励磁绕组的互感发生变化而产生的转矩。在不考虑相与相 之间的互感时，可以分别考虑各相的输出转矩，再将它们线性叠加，求出几相输出的 总转矩。 1 3 电励磁双凸极电机的工作原理 l - 3 1电励磁双凸极电机的控制策略 k 易孤o _ 一一 一 f 。jf 爿”j _ a ! ll 捧! 彳” y 卜量爿7 占一 斗“i l 一 吐。业j r ， r 亨7 图l 一6 三相自感及磁阻转矩波形图l 一7 三相互感及励磁转矩波形 由式( 1 一1 7 ) 可以看出，电机输出转矩由两部分组成，一部分为磁阻转矩，另 部分为励磁转矩。图l 一6 所示为三相自感及磁阻转矩波形，可以看出，在自感上 升区闯，即正半周通电将产生电动转矩，如图中斜线阴影部分所示；在电感下降区间， 即负半周通电将产生制动转矩，如图中点阵阴影部分所示；转矩的方向与电流方向无 关。因此要使电机输出的磁阻转矩产生电动转矩，只能采用单拍工作的方式，即对一 相而言，只能在正半周通电，在负半周不通电，且在任意时刻只能由一相通电，因为 8 一 妻室堕窒塾鲞盔堂堡主堂焦笙兰 一一 如果两相同时导电，两相所产生的磁阻转矩大小相等，方向相反，彼此将相互抵消。 图l 一7 所示为三相互感及励磁转矩波形( 图1 6 和图1 7 只是电感、转矩的 示意图并没有实际大小上的关系) 。由图中可以看出，若保持励磁电流不变，在互 感上升区间，即正半周楣绕组通正电，在互感下降区间，即负半周通负电，均产生电 动转矩：并且在任意角度，总有一相互感处于上升区间，而另一项处于互感下降区蒯， 因此可采用双拍工作方式，即两相同时通电，一相通正电，另一相通负电，两相输出 的励磁转矩均为电动转矩。 ：d l i 堡：孽：! 尘! ! 笠坐堡! ：2 盟 ( 1 1 8 ) t d rl 21 i 兰巳 ip d t n 2 p ) p np 2 9d o 一般情况下，励磁绕组的安匝数大于相绕组安匝数，因此一相输出转矩中励磁转 矩大予磁阻转矩。 综上所述，要使磁阻转矩形成电动转矩，只能采用单拍工作方式，而要使励磁转 矩形成电动转矩，却可以采用双拍工作方式，使两相都输出电动转矩；并且在一相输 出转矩中，励磁转矩大于磁阻转矩。因此，电励磁双凸极电机输出转矩的主要部分为 励磁转矩。且在双拍工作方式下，导通两相磁阻转矩相互抵消，因而只要改变相电流 的大小和方向就可改变输出转矩的大小和方向。 1 3 2 电励磁双凸极电机的工作原理 图l 一8 所示为基于全桥变换器电励磁双凸极电机系统框图。a 、b 、c 为电机三 相绕组：主电路采用全桥电路，位置传感器起着检测转子位置的作用，为功率电路提 供正确的换相信号。 图l - - 8 基于全桥变换器电励磁双凸极电机系统框图 9 一苎王全堑銮垫壁皇墅壁型鱼堡坐塑塑堕墨丝盟塑篓一一 电励磁双凸极电机的电感可近似用分段线性曲线表示，如图1 5 所示。图中， 上。( 日) 为p 相自感，为自感最大值，。为自感最小值：l ( 曰) 为p 相绕组与励 磁绕组的互感，。一为互感最大值，三盯。为互感最小值；口为转予位置角a 电动运 行时，【气+ ，+ 】为正向导通区间，8 = 吒+ 时正向主开关开通，相绕组通以正向电 流；口= + 时正向主开关关断。 钆一，一】为负向导通区间，口= 既一时负向主丌 关开通，相绕组通以负向电流，口= 一时负向主开关关断。 电励磁双凸极电机的一相( 以a 相为例) 转矩表达式为 r = 圭2 告“万o l , ”- = + 弓 式中，f 。为a 相电流，f ，为励磁电流，三。为a 相绕组自感，上q r 为a 相绕组与励磁 绕组之间的互感，t ，为磁阻转矩，t r 为励磁转矩。电机的相转矩由磁阻转矩与励磁转 矩两部分组成。各相磁阻转矩在一个自感周期的平均值为零，因此电机的输出转矩主 要由励磁转矩提供。 f 2 字尹r 9 一 - ；l； i t 了 l ：+ l ! ； 寸。”l ，”；擎盖学 9 _ ；+ ；ir， e ：竖：芦 m 。撑 + r p 圈l 一9电动运行时三相电感曲线和电流波形 设电机逆时针旋转对应正转相序a b c ，电励磁双凸极电机正转电动运行时 电流波形示意图如图l 一9 所示。在电感上升区问通正电，电感下降区间通负电，电 感不变化区间不通电。若电机为正转制动工作，三相电感和电流的关系就变为：在电 感上升区间通负电，电感下降区间通正电，电感不变化区间不通电。若电机为反转电 动或反转制动工作，三相电感和电流的关系与正转电动或正转制动一致，只是电感出 现的相序相反( a c b ) 。 1 0 壹塞堕窒塾鲞盔堂堕主堂壁堡茎一 第二章双凸极电机调速系统的仿真建模 本章针对新型电励磁双凸极电机的特点，对其建立了动态数学模型，然后在此基 础上又利用了m a t l a b 软件中的s i m u l i n k p s b 工具箱，对电励磁双凸极电机采 用了结构化和模块化的建模方法，并且给出了仿真实例。为后面对电励磁双凸极电机 故障运行分析做好了建模准备。 2 1 电机模型的建立 基于理想线性模型的双凸极电机的电感可近似用分段线性曲线表示，如图2 l 所示。图中，曲线1 为相绕组( 以a 相为例) 与励磁绕组互感曲线，曲线2 为相绕 组自感曲线。 图2 1电励磁双凸极电机的电感曲线 电机自感与互感( 以a 相为例) 可近似表示成 l 。( 口) = 工盯( 口) = 乞。+ 女。( 口一口。+ ) l 。 l 一c a ( 口一9 。、) 盯。+ g 可( 矽一氏+ ) ；o 。 l 三旷。一g 可( p p 。一) e 。t e e 孵 + 臼 钆一( 2 - - 1 ) e 。一s es e 啦一 气+ 口 o ) + 反转电动 u p 0 十+ 反转制动 l u ，i 减小( u ， o ) + 表4 一l 是基于全桥变换器电励磁双凸极电机调速系统的转速、电流调节器的输 入、输出端极性表。从表中可以看出，转速调节器的输出作为电流调节器的输入：另 外，系统在正转电动和反转电动这两种电动工作状态下，电流环输出极性剐好相反。 而电流环的输出是与三角波进行交截，产生驱动功率管所需要的p w m 信号。如果电 流环输出与三角波采用同一种方式进行交截( 比如，当电流环输出大于或者等于同一 时刻三角波的幅值时，p w m 信号为高电平；当电流环输出小于同一时刻三角波的幅 值时，p w m 信号为低电平) ，那么必然会使得在某一种电动状态下得不到所需要驱 动功率管的p w m 信号。在这种情况下，就必须使电流环输出与三角波采用不同的交 截方式，以获得正确的p w m 信号。 4 0 南京航空航天人学硕士学位论文 4 5 转速反馈电路 为了实现双凸极电机速度闭环控制，需要对电机的瞬时转速进行实时、快速的检 测。双凸极电机可以利用位置传感器作为速度检测装置。当电机的转子以一定的速度 婊次扫过位置传感器时，位置传感器会输出一定频率的脉冲信号这个脉冲信号实际 上反映了电机转速，只需把位置传感器输出的脉冲信号转换成为控制电路所能够识别 的电压信号，就得到了电机的转速信号。 频压转换集成芯片l m 2 9 1 7 可用于将位置脉冲信号转换为转速模拟信号，其应用 如图4 4 所示。 l m 2 9 1 7 是具有高增益运算放大器比较器的单片频压转换器。输入端为位置传感 器输出的脉冲电压信号厶，当输入信号状态改变时，定时电容器c 线性充电或放电， 其中流入电容器的平均电流为 o = c i + + 厶( 4 - - 1 ) 那么输出电压为 u 向= 芷i 口窖+ r = k c i r u 。厶( 4 - - 2 ) 其中，k 为控制电路电压。应用时，& 、c ，、c ：等参数的选取受到一定的限制， 要适应输入、输出量程范围，并要兼顾动态特性，所以一般只能选择一种综合的折中 方案。 在本系统中的取值，r ，= 4 7 t q ；c l = o 0 1 5 u f ；c 2 = o 0 4 7 u f i h 。 ? 图4 4l m 2 9 1 7 应用示意图 遮昔 l m 2 9 1 7 对电机转向没有鉴别能力，无论电机正转还是反转，l m 2 9 1 7 都只输出 正的电压值。由于电机不同状态下转速反馈极性是不同的，电机正转时转速反馈取负 4 l 一一 茎王全堑壅垫鲎皇壁壁翌苎堡皇塑塑蕉墨竺堕塑茎一 值：反转时，转速反馈则取正值。所以在具体电路中，需要根据电机转向对电机的转 速反馈取不同的值。具体电路如图4 - - 5 所示。图中频压转换电路的输出，经过电机 转向鉴别电路鉴别之后确定转速反馈值u 。的正负极性。 图4 5 转速反馈电路 4 6 电流检测电路及电流反馈电路 双凸极电机要实现低速斩波控制、主开关过流保护及电机热保护，必须对主电路 的电流进行实时监测。一般是测量绕组相电流或主功率开关管上流过的电流，这些电 流波形形状比较复杂，如瞬时变化大、峰值高、波形不规则等。因此要求电流传感器 检测反应快、基本不失真，以达到实时控制的目的，同时要求电气隔离，以避免主电 路影响控制电路。 电机电流检测的传感器目前常用的有采样电阻和霍尔电流传感器两种。本系统采 用磁场平衡式电流传感器( u m 模块) ，它将互感器、磁场放大器、霍尔元件和电 子线路集成在一起，套在被测线路上就可以工作。由于该电流传感器输出为电流信号， 因此在它的输出端需要加一个采样电阻。图4 6 为电流采样检测电路。为了保证较 高的电流检测精度，采样电阻应尽可能的大，但必须满足 (r。+也)+1 o 时，f = 1 ，说明电机要正转运行；当u ， o 时，f - - o ，说明电机要 反转荔篡呆为零时，可通过位置信号 、来判断电机的转向。罔4 2 0 v av b 所示为 转速不为零时，可通过位置信号 、来判断电机的转向刚4 一 r 刁、刀 正反转鉴别电路。正转时，位置信号v a 超前v b ，q 输出为1 ；反转时，v b 超 前v a ，o 输出为0 。 不。 鼢 v b 图4 - - 2 0 正反转鉴别电路 上述三个信号s 、f 、q 共有八种组合，各种组合所对应的逻辑状念如表4 - 3 所 表4 3正反转判别逻辑 sf q 逻辑状态 0o0反转逻辑 0ol反转逻辑 0lo 转逻辑 ol1转逻辑 lo0反转逻辑 lo1正转逻辑 i 1l0反转逻辑 l 11l正转逻辑 利用这些正反转的鉴别电路以及表4 - - 3 正反转判别逻辑，可以适时地判别出电 机当前所处的状态，根据电机的不同状态，而对电机施加正确的逻辑触发信号，保证 电机正常运行。具体电路如图4 一1 6 所示。 4 8 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 一1 6 正反转切换电路 4 1 0 驱动电路 驱动电路主要起隔离放大作用。在开关电路中，特别是高频开关电路中，驱动电 路性能的好坏直接影响功率管开关特性，从而影响整个系统的性能。 为了使驱动电路更为简单可靠，本系统采用t l p 2 5 0 驱动模块。t l p 2 5 0 是 专门针对绝缘栅晶体管i g b t 设计的，其最高电源电压可达3 5 v ，典型开关时 间为o 5 u s 。t l p 2 5 0 内部含有g a a i a s 发光二极管及图腾柱结构，并且最高峰 值电流可达o 5 a ，对于多数i g b t 它可直接驱动，如果需要驱动大功率级的 i g b t ，只须多加两个晶体管。由t l p 2 5 0 组成的驱动电路如图4 1 7 所示，其 中v c c = 1 5 v ，v e e = 5 v 。 4 1 l 小结 图4 一】7 驱动电路 本章主要介绍采用全桥变换器电励磁双凸极电机调速系统的硬件构成。包括主电 路、控制电路和驱动电路的构成与原理，并给出了某些电路参数的取值。本章为进行 后面系统实验莫定了基础。 4 9 一 苎王全堑壅垫墨皇壁堂翌鱼堡皂墼塑垄薹竺堕塑茎 第五章实验结果及分析 经过一年多的研究工作，基于全桥变换器的电励磁双凸极电机系统已成功运行， 并经过了实验验证。为了验证前面所述硬件设计以及理论分析的正确性，本章提供了 位置信号、相绕组电流及电机转速实验波形。 5 1 电机参数及系统实验条件 以1 2 8 结构、3 5 0 w 电励磁双凸极电机为例，构成转速、电流双闭环调速系统， 并进行实验。电机参数如下：定子极对数为6 ，极弧宽度为1 5 0 ，定子外径为1 2 7 m m ， 定子内径为8 6 m m ；转子极对数为4 ，极弧宽度为1 8 0 ，转子内径为2 8 r a m ，转予齿深 1 5 r a m ：每相绕组电阻为o 2 q ；相绕组自感最小值为o 0 7 1 m h ，最大值为o 4 6 4 m h ： 励磁绕组与相绕组互感最小值为0 2 8 m h ，最大值为2 8 9 m h ；额定电压为2 8 v ：相绕 组额定电流为2 0 a ；励磁绕组额定电流为5 a ：额定转速为1 5 0 0 r r a i n 。所用主要 实验设备如表5 - - 1 所示 岳倡孝 耋圬二步彳 轰s l丰罂空骆甜各袁1 l 主要实验内容包括： ( 1 ) 调试位置信号和电流波形 ( 2 ) 调试转速阶跃响应波形 ( 3 ) 调试发生故障时的各种电流波形 5 2 实验波形 圈5 一l 为正转时a 、b 相位置信号，其中上线为a 相信号波形，下线为b 相信 号波形；图5 2 为正转时b 、c 相位置信号，其中上线为b 相信号波形，下线为c 相 信号波形。由图可见，a 相位置信号超前b 相位置信号，b 相位置信号超前c 相位 置信号。 盘4 7 f 南京航空航天人学硕士学位论文 觇ul ，l 厂乙m 图5 1 a 、b 相位置信号波形 ( 纵轴：5 v d i v , 横轴：5 m s d i v ) | i l i ：ii 翳醒 图5 - - 3a 相电流及下管驱动信号波形 ( 纵轴：5 v d i v 横轴：5 m s d i v ) 虬u h 一 ：九九! |ill + jl jl 垃：嚣：。：篁h 图5 - - 2 b 、c 相位置信号波形 ( 纵轴：5 v d i v ，横轴：5 m s d i v ) 誓| 1j 一| j 毯豁 图5 - - 4a 相电流及下管驱动信号波形 ( 纵轴：5 v d i v ，横轴：5 m s d i v ) 图5 3 上线为a 相上管驱动信号，下线为a 相电流波形；图5 4 上线为a 相 下管驱动信号，下线为a 下电流波形。由图可见，在反电势为正时通正电，反电势 为负时通负电，反电势为零时不通电。电流波形稳态时波形平稳，实验波形与前面的 理论和仿真分析一致。 5 i 基于全桥变换器电励磁双凸极电机调速系统的研究 图5 5 转速阶跃响应波形 ( 纵轴：o 5 v d i v , 横轴：5 s d i v ) 图5 - - 5 为电机在突加阶跃给定时的转速响应波形，可以看到系统有比较好的动、 静态性能。 s 3 小结 经过一年多的研究工作，基于全桥变换器的电励磁双凸极电机调速系统己成功运 行，并经过了实验验证。本章给出的实验波形表明采用电压电流双闭环控制的电励磁 双凸极电机调速系统具有良好的动、静态性能。 5 2 南京航空航天大学硕十学 ，夕墨 总结 本人在一年多来的课题研究过程中，主要做了f 、一些工作： i查阅了许多国内外有关双凸极电机的相关资# ，了解了双凸极电机均发展概 况和研究现状，进一步分析研究了电励磁双凸极电机的基本工作原理和控镀策略。 2 利用m a t l a b 软件的p o w e l s y s t e mb l o c k 鲥1 2 具箱建立了基于全醑变换器 的电励磁双凸极电机模型。解决了双凸极电机系统雉一体化建模和仿真的稠难，从 恧能够方便地对系统的动静态性能进行分析和仿真 3 首次分析了电励磁双凸极电机在发生故障时的各种工作状态，并且琏行了仿 真分析和实验验证。结果表明了电励磁双凸极电机j ，f f 良好的故障运行能力， 4 设计并制作了基于三相金桥变换器电路的电励磁双凸极电机调速系统的试验 装置，对系统进行了调试，结果表明系统具有良好的厦行性能a 5 在硕士研究生学习期间以第一作者发表论文i 篇，篇在“航空电壤航空科 技重点实验室第二届电力电子与运动控制年会”上发农，另一篇将在南京硫空航天 大学学报2 0 0 3 年第二期刊出，还有一篇录入“华办地区第二届电源学术矩会”论 文集。 由于本人水平有限及时间限制，课题中还有许多，r r 待完善和解决的问题： 1 、电机模型有待于进一步深入研究，利用更加接近于实际的非线性电撼电机模 型来取代线性电感电机模型，以提高理论分析与仿囊的准确度。 2 、进一步对正负半周的开关角进行优化，以挺廓电机整体性能。 一一 堇至全堑变堡墨生壁壁型苎堡生垫塑堕墨丝塑竺塑 致谢 在我研究生阶段的两年多来，无论从生活上还是学习上，导师都给了我无微不至 的关怀和孜孜不倦的教导，并在财力和物力上给以大力的支持，为我创造了一个良好 的科研环境。同时，导师严谨认真的治学态度也使我受益匪浅，从导师那里不仅学到 了专业知识和实际工程经验，更重要的是学到了学习的方法和分析问题、解决问题的 能力，这对我今后的学习和生活大有裨益。在此，向导师表示我深深的敬意和诚挚的 谢意。 在课题进行中，也得到了课题组其他同学的帮助和鼓励。本文的完成是与韦海荣、 王川i 云、相蓉、熊宇、魏少华、瞿成明、任立立、曹啡、张毅、张小纪、彭钢、李路 青等同学的帮助分不开的，在此向他们表示衷心的感谢。 感谢父母多年的养育之恩! 感谢女友建玲的支持和关爱! 谨以此文献给关心我的老师、家人、同学和朋友们。 最后向审阅此文的专家、教授致以深切的谢意。 杨振浩 二零零三年二月 5 4 壹室堕至堕鲞查堂堕主堂堕堡塞 一_ 一一。 在校期间研究成果 1 杨振浩，周波“电励磁双凸极电机调速系统的原理与实现”南京航空航天大学 学报，2 0 0 3 年n o 2 刊出。 2 杨振浩，韦海荣，周波“基于理想线性模型的电励磁双凸极电机模型与仿真验证” 航空电源航空科技重点实验室第二届电力电子与运动控制年会，2 0 0 1 年。 3 杨振浩，周波“电励磁双凸极电机调速系统的研究”录入华东地区第二届电源 技术研讨会及江苏省第五届电源学术年会论文集，2 0 0 2 年。 在校期间获奖情况 1 相蓉，杨振浩，任立立，张小纪“新型电磁式双凸极电机调速系统研究”获南 京航空航天大学第五届大学生学术科技作品( 论文) 竞赛一等奖，2 0 0 3 年。 2 2 0 0 1 年度优秀硕士研究生 3 2 0 0 2 年度台达特别奖学金 5 5 一 苎至全堡壅垫墨皇墅燮型些堡皇堡塑堕墨笙盟竺壅一一 参考文献 f11y l i a o ，t a l i p o ，“an e wd o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e t m o t o rf o ra d j u s t a b l e s p e e d d r i v e s ”p r o c e e d o f e l e c t r i cm a c h i n e sa n dp o w e rs y s t e m s ，1 9 9 4 ，p p 2 5 9 2 7 0 2 】y l i a o ，f l i a n g ，t a l i p o ，“an o v e lp e r m a n e n tm a g n e tm o t o rw i t hd o u b l y s a l i e n ts t r u c t u r e ”，p o r c e e d o f l a s 9 2 ，1 9 9 2 ，p p 3 0 8 3 1 4 f 3 1 fb l a a b j e r g ，l c h r i s t e n s e n ，p o r a s m u s s e n ，“n e wa d v a n c ec o n t r o lm e t h o d sf o r d o u b hs a l l e n tp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r ”，i e e e ，1 9 9 5 ，p p 2 2 2 - 2 3 0 【4 c h e n g ，m ，c h a u ，k t ，a n dc h a n ，c c ，1 9 9 8 ，“an e wd o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n t m a g n e tm o t o r ”，p r o c e e d i n g s o fi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo np o w e re l e c t r o n i c s d r i v e r sa n d e n e r g ys y s t e m s f o ri n d u s t r i a lg r o w t h ，p p 2 - 7 【5 】c h e n g ，m ，c h a u ，k t ，a n dc h a r t ，c c ，1 9 9 9 ，“s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so f an e w d o u b l y s a l i e n tp e r m a n e n t m a g n e tm o t o r ”，p r o c e e d i n g so f i e e ei n t e r n a t i o n a le l e c t r i c m a c h i n e sa n dd r i v e sc o n f e m n c e ，p p 2 2 4 4 6 】c h e n g ，m ，c h a u ，k t ，a n dc h a n ，c c ，1 9 9 9 ，“p e r f o r m