（电力电子与电力传动专业论文）大功率永磁无刷直流电机控制技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r ( p m b l d c m ) i sak i n do fm e c h a n i c a la n d e l e c t r o n i cs y s t e mw h i c hi sc o n s i s t i n go f p o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e ra n dp e r m a n e n tm a g n e t m o t o r i ti sw i d e l yu s e da sah i g h - p e r f o r m a n c ed r i v i n gm a c h i n eb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e r e l i a b l eo p e r a t i o na n dc o n v e n i e n tm a i n t e n a n c ew h i c ht h ea c m o t o r sh a v ea n dt h ei n h e r e n ta d v a n t a g e sa sad cm o t o ro fh i g he f f i c i e n c y , l o wm a g n e t e x c i t a t i o nl o s sa n de x c e l l e n ts p e e dc o n t r o l l a b i l i t y s os i n c et h ee n do ft h el a s tc e n t u r yt h e r e s e a r c hu p s u r g eo ft h em o t o ri sf o r m e d t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ea p p l i c a t i o no f s u c hk i n do f t h em o t o ri st h ee m p h a s i so f t h i st h e s i s i nt h i s p a p e r , t h ed e v e l o p m e n th i s t o r y , p r e s e n tr e s e a r c hs t a t u sa n dt r e n do ft h e p m b l d c ma r ef i r s t l yi n t r o d u c e d t h e nt h i sp a p e re x p a t i a t e so nt h es t r u c t u r ea n dt h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h em o t o r f u r t h e r m o r e ，i ti si l l u s t r a t e dw i t hs i x - p h a s ew i n d i n gt o a n a l y z et h a tt h et t o r q u er i p p l eo ft h em o t o rc a nb er e d u c e db yu s i n gp o l y p h a s ew i n d i n g t h em a t h e m a t i cm o d e lo f a s i x p h a s ep m b l d c m i sg i v e n s e c o n d l y , a sf o rt h eh i g h - p o w e rp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r s ，t h ec o n s t r u c ta n dt h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo fm a i nc i r c u i ti ss t u d i e d t h em a i nc i r c u i tc o n s i s t so ft h ec h o p p i n g c i r c u i tw h i c hu s e st h ei g b ta sp o w e rd e v i c ea n dd c t o a ci n v e r t e rw h i c hu s e st h et h y r i s t o r a sp o w e rd e v i c e t h e n ，a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i cm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r , c o n f i g u r a t i o n o fs y s t e mc i r c u i ta n dc o n t r o la l g o r i t h m i c ，s y s t e mm o d e li sf i n i s h e db a s e do np s i m t h e s y s t e mk e yp a r a m e t e r sa n dc o n t r o lp a r a m e t e r sa r cs t u d i e db ys i m u l a t i o n f i n a l l y , o nt h eb a s eo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，as i x - p h a s ep m b l d c ms y s t e mi s d e v e l o p e do nt h ep l a t f o r mo ft h es i n g l ec h i pp r o c e s s o ra n dc o n d u c tas e r i e so fe x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o nr e s u l tg i v eaf u r t h e rs u p p o r to ft h ec o r r e c t n e s sa n dt h e p r a c t i c a b i l i t yo f t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o rt o r q u er i p p l e s y s t e ms i m u l a t i o ns i n g l ec h i pp r o c e s s o r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 ， 研究成果。尽我所知，除文中已经标明弓l 用的内容外，本论文不包含任何其他个 一一 人或集体已经茂裹或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：7 铉吏彳吼 日期：加哆年仞月莎曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印僻鞠电子皈，允许论文被查阕和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密毗 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：越吏匆心 日期：2 矿哆年f 口月g 日 指导教师签名：；芬勿u 日期：? r 年l o 月i l 曰 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 永磁电力推进系统的发展概述 多年以来，直流电力推进系统在电力推进上处于主导地位，它由蓄电池组供电， 直流电动机驱动螺旋桨，通过调节直流电动机电枢电压和励磁电流来实现转速和转矩 的调节，其调速系统控制简单，调速性能好。但直流电力推进系统中直流电动机具有 电刷和机械换向器，存在自身难以克服的缺点，如结构复杂；体积大、重量重、价格 高、维护困难；电动机运行时有火花，故使用场所会受n i n o n ；由于受到离心力和换 向片之间的耐压限制，所以直流电动机功率极限值及转速极限值有限；直流电力推进 装置存在中间损耗，故在额定工况时效率较低。而随着电力推进向低转速、高转矩方 向发展，直流电动机实现是比较困难的；并存在中、低速时效率较低等问题。 近年来，随着科学技术的迅猛发展，特别是高磁能积、高矫顽力永磁材料的开发 应用，为了解决直流系统所存在的这些问题，许多国家正在开发或已经开发了交流永 磁电力推进系统【“。 与直流电机相比，永磁电机具有以下优点： ( 1 ) 由于采用永磁体代替导电线圈，永磁电机与同容量的直流电机相比体积小、 重量轻，一般来说可以节省4 0 5 0 的体积和4 0 左右的重量。 ( 2 ) 由于采用永磁体代替导电线圈励磁，系统不存在励磁损耗，与直流电机调 速系统相比，整个系统效率大致可以提高2 5 。 ( 3 ) 由于转子没有损耗，可以采用外水冷的技术，从而可以减少冷却噪声和冷 却功率。 ( 4 ) 由于永磁电机利用电子逆变器取代机械换向器，所以设计、制造、维护方 便，可靠性高，而且永磁电机可以采用高电压，理论上讲没有功率极限。 ( 5 ) 永磁电机转子的转动惯量小，有利于提高快速响应。 以永磁电动机为基础的永磁电力推进系统还具有可靠性高、安全性及维修性好、 自动化程度高、通过冗余设计和“降低功率”实现高的利用率等优点，目前，世界各 国都在大力发展永磁电机及其控制系统。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外永磁电力推进系统研究现状 舰船电力推进系统要求电机体积小、重量轻、噪声低、效率高，为提高效率和舰 船的机动性，舰船推进系统逐渐向低转速、高转矩方向发展。传统的直流推进系统出 于结构复杂、功率容量有限，已很难满足现代电力推进的要求。交流永磁电机结构紧 凑，低速工况下效率比常规直流电机高很多，随着电力电子技术、交流调速技术和永 磁材料研究的发展，其应用于舰船电力推进系统具有良好前景，因此近年来法国、德 国、俄罗斯等均对大容量永磁推进系统进行了深入的研究。下面分别简要介绍这些国 家的研制概况。 德国西门子公司纽伦堡电机厂1 9 8 6 年初研制了一台1 1 0 0 k w ，2 3 0 转分的六相永 磁同步电动机，并做了对比航行试验。在试验中一条船安装永磁同步电动机，另外两 条船安装常规的直流推进电机。试验结果表明，在电机的宽度和高度不变的情况下， 电机的总重量和有效体积减少了4 0 ，系统效率特别是在低速工况下的效率大大提 高。目前德国已首先采用永磁电动机作为潜艇推进电机，1 9 9 8 年西门子研制的 1 7 6 0 k w 永磁同步电动机已装备于新一代u 一2 1 2 潜艇。目前，西门子公司已研制了 5 0 0 0 k w 、1 5 0 转分的永磁电动机【2 】。 英国1 9 9 6 年展出了装有两台2 1 0 0 k w 永磁电动机的“海魂”号轻型隐身护卫舰 设计模型，现在正准备研制1 6 2 4 m w 、1 8 0 转分的横向磁通永磁电动机。 美国于1 9 9 4 年制造了一台3 0 0 0 马力的永磁电机用于试验巡逻舰上，现在正在研 制1 2 5 0 0 马力、1 5 0 转分的永磁电动机为将来2 5 0 0 0 马力永磁推进电动机应用于水面 舰艇全电力推进系统打下基础【3 】。 法国的热蒙施奈德公司于1 9 8 7 年制造了第一台4 0 0 k w 永磁电动机样机，转 速为5 0 0 转分。此后，法国又制造了一台1 3 相1 8 0 0 k w 永磁电动机，接着还设计制 造了一台3 m w 、5 0 0 转分的轴向永磁同步电动机，1 9 9 5 年6 月开始试验。现在，法 国宣称具有1 0 0 0 k w 7 0 0 0 k w 的潜艇用永磁电力推进系统的全套产品。 俄罗斯电气物理装置研究所已研制并正在制造实艇使用的4 1 0 0 k w 的永磁同步电 力推进系统。 瑞士勃罗鲍弗利( b b c ) 公司与德国磁电机公司一起于1 9 8 6 年为瑞典潜艇设计 了一台功率为1 5 0 0 k w 的永磁同步电动机。其运行电压范围为直流2 8 5 6 5 0 v ，其速度 范围可达o 1 8 0 r m i n 4 1 。【6 j 。 华中科技大学硕士学位论文 在国内，永磁电力推进系统的技术研究仅仅是起步阶段，和国外的先进水平相比 仍然有着较大的差距。 在“七五”期间，武汉船用电力推进装置研究所与哈尔滨工业大学合作研制了 7 5 k w 永磁同步推进电机及其控制设备；在“八五”期间，武汉船用电力推进装置研 究所完成了2 5 k w 永磁同步推进电机及其微机控制逆变器系统研制工作：此后，又完 成了5 1 5 k w 电力推进机电一体化技术研究；在“九五”期间，武汉船用电力推进装 置研究所又完成了2 0 0 k w 永磁同步推进系统的研制工作。 1 3 永磁无刷直流电动机的发展和应用 永磁电力推进系统的电动机本体通常由永磁同步电动机构成。永磁同步电动机的 转子采用永久磁铁励磁。由于转子磁场的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布 为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时在定子上产生的反电势波形也有两种。 这两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁 同步电动机调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型 永磁同步电动机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r p m s m ) 调速系统，丽梯 形波( 方波) 永磁同步电动机在原理和控制方法上基本与直流电动机相似故称为无刷 直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r b l d c m ) 或方波无刷电机调速系统【7 】。 1 3 1 永磁无届l 直流电动机的发展概述 随着社会生产力的发展，人们生活水平的提高，需要不断地开发各种新型电动机。 科学技术地进步，新技术新材料地不断涌现，更促进了电动机产品的不断推陈出新。 针对上述传统直流电动机的弊病，早在2 0 世纪3 0 年代，就有人开始研制以电子换向 来代替电刷机械换向的直流无刷电动机，并取得了一定成果。但由于当时大功率电力 电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向的元器件。使得这种电动机 只能停留在实验室研究阶段，而无法推广使用。1 9 5 5 年，美国d 哈利森等人首次申 请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利，这就是现代直流无刷电动机 的雏形【8 。但由于该电动机尚无起动转矩而不能产品化。而后又经过人们多年努力， 借助于霍尔元件来实现换向的直流无刷电动机终于在1 9 6 2 年问世，从而开创了直流 无刷电动机产品化的新纪元。2 0 世纪7 0 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展， 许多新型的高性能大功率电力电子器件，如g t r 、m o s f e t 、i g b t 等相继出现，以 华中科技大学硕士学位论文 及高性能永磁材料，如钐钴( s m c o ) 、钕铁硼( n d f e b ) 等的问世，稀土永磁无刷直 流电动机的应用和开发进入一个新的阶段【9 】。 1 3 2 永磁无刷赢流电动机的应用 由于无刷直流电机的优异性能，使得世界上许多科研机构和公司都投入到这一技 术领域，使无刷直流电机的技术得到了充分展示，和更加广泛的应用【】。在办公自动 化( 计算机，商务设备) 方面，工厂自动化方面，汽车和家电方面以及国防和航天方 面的应用获得了快速增长。 ( 1 ) 在办公自动化、计算机外部设备及音像处理设备方面的应用 这类设备要求驱动电动机具有稳速、调速、定位等功能，对电磁干扰和低噪声要 求特别高。如计算机软、硬盘驱动器，光盘驱动器，应急驱动器，激光打印机，复印 机，传真枫鼓驱动，v c d 、d v d 装置及微型风扇等。而永磁无刷直流电机刚好能够 满足这些要求，因而被广泛采用。但是这类无刷直流电机属于精密型，尺寸小，加工 精度高，产量大，是技术密集型和高投资类产品，目前仍主要由发达国家提供。这类 产品的年产量均以亿台计，国内来源主要依赖进口或组装件，尚难在此领域取得立足 之地。因此，在这一领域的永磁无刷直流电机将有非常广泛的发展空间。 ( 2 ) 在工业自动化方面的应用 在2 0 世纪8 0 年代以前，由于相关技术发展的限制，直流伺服驱动系统一直在伺 服驱动领域占据主导地位。但是传统的直流电机存在着制造成本高、体积庞大、维护 困难等缺点，使其应用范围受到一定限制，特别是在高性能得中小功率伺服驱动场 合。8 0 年代以来，现代控制理论、电力电子技术、微机控制技术以及大规模集成电路 的发展和应用，尤其是矢量控制技术的不断成熟，交流伺服驱动系统的性能可以和直 流伺服驱动系统相媲美。加上永磁无刷直流电机技术发展的日趋成熟，在一些高性能 伺服驱动场合，交流伺服驱动系统甚至有取代直流伺服的趋势。在数控机床、组合机 床、自动纺织、印刷、包装、冶金、邮政机械、自动化生产流水线和各种专用设备等 都采用无刷直流电动机来满足机械设备的高效率、高精度、高性能的要求。在一般的 轻工机械中一些要求精密控制速度和位置的设备如数控缝纫机、彩扩放大机、高速食 品搅拌机也大多采用永磁无刷电动机。特别是在机器人和机械手的驱动中，无刷直流 电机的应用极多。目前全世界机器人的拥有量超过1 0 0 万台，且每年按2 0 的数度增 长，是永磁无刷直流电机的重要应用领域。总之，在工业应用中，无刷直流电动机在 快速性，可靠性，可控性，体积，重量，节能，效率，耐受环境和经济性等方面具有 4 华中科技大学硕士学位论文 明显优势。特别是近几年来，随着稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比的不断提 高，永磁无刷直流电动机作为中小功率高性能调速电机和伺服电机在工业中的应用越 来越广泛。 ( 3 ) 在电动汽车方面的应用 为了减少燃油车辆造成的环境污染问题，电动车辆的研究被成为具有深远意义的 革命性措施。最早采用的是有刷直流电动机作为驱动电动机。因为只有直流电动机的 特性才能适合车辆运行的特点。在电子技术和电子元器件取得突破性进展之后，交流 异步电动机的调速问题得到解决，交流异步电动机作为驱动元件的方案也被电动车辆 采用，但是最有发展前途的还是永磁无刷直流电动机。因为它的起动力矩大、过载能 力强、体积小、省电、高效率、长寿命、免维修、控制方便的特点正适合电动车辆的 运行特性。目前，日本丰田的r a v 一4 ，本田的p i u s ；日产的a l t r a e v 均采用了永 磁同步电机作为了驱动电动机，并且开始小批量生产【8 l 。 ( 4 ) 在家用电器方面的应用 在家电电机领域，集有刷直流电动机和交流电动机的优点于一体的永磁无刷直流 电动机，正有逐步取代单相异步电机的趋势。在家用电器方面，过去大多采用异步电 动机作为驱动元件，随着家用电器的竞争激烈和性能、质量的提高，对大量应用的电 动机业提出了低噪声、高性能、长寿命、高可靠、小型化、多功能、高效节能的要求。 这样就势必促使了采用无刷直流电动机来代替性能差、效率低的异步电动机。目前国 外在高档的风扇中采用了无刷直流电动机；在新一代的空调机、洗衣机、电冰箱、吸 尘器及热水器等家电中，已出现了逐步采用各种类型的无刷直流电动机的趋势。这些 电机结合了新的控制技术、传感技术和新的电子装备，大大提升了家电的自动化程度， 节省了能量，改善了人们的物质生活水平。 ( 5 ) 在其他领域的应用 医用永磁无刷直流电动机也是一个新兴的领域，美国已经在“心脏泵”这个高科 技技术领域中应用。牙科和耳科用的电动医疗器械，要求小尺寸、高可靠、长寿命、 低噪声、免维护的微型高速电动机，用永磁无刷电动机替代永磁高速有刷电动机应是 v 一个发展方向【l l 】【1 2 】。 由于永磁无刷直流电动机具有直流电动机的优越性能，而且可靠性高，也已经广 泛的应用于航天飞行器中，卫星上太阳能帆板驱动已经逐步采用了永磁无刷真流电动 机。另外，国外的机电一体化的交一直一交永磁推进系统、交一交直接变频同步电机 华中科技大学硕士学位论文 推进系统已经达到实用化阶段，大容量的永磁同步电动机电力推进系统已经成功的应 用于潜艇的电力推进。 总之，永磁无刷直流电动机经过2 0 多年的发展，在技术上已经逐步成熟，在大量 应用中已经显示其优良特性，应用领域几乎可覆盖所有电动机驱动领域，并可以起到 其他类型电动机不能达到的功能。国际上有些专家预言2 l 世纪是无刷直流电机广泛 应用时期，永磁无刷直流电动机的应用领域将不断扩展，这已是必然的结果。 1 4 永磁无刷直流电动机相关技术的发展 永磁无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，主要由电动机本体、位置传 感器和电子开关线路组成，它的发展与永磁材料、电力电子技术、计算机控制技术和 检测技术的发展密切相关。而这些技术作为极具发展潜力的新兴技术，必将在新技术 蓬勃发展的2 l 世纪，获得更快、更大的发展，为永磁无刷直流电机技术的高速发展 提供不竭的动力。 ( 1 ) 高性能永磁材料的发展 与传统交、直流电动机相比，永磁无刷直流电动机的结构特点之一就是转子磁极 是由永磁材料组成，因此，永磁材料性能的优劣将直接影响到永磁电动机的磁路尺寸、 电动机本体体积、成本及其功能指标和运行特性等，可以说：永磁材料技术是永磁无 刷直流电动机最为重要的物质基础和支撑技术之一。自9 0 年代以后，钕铁硼永磁材 料得到了大范围的应用，在已制成的永磁无刷直流电机转子永磁材料中几乎占据了一 半以上，从而为高性能永磁无刷直流电动机的大量诞生奠定了坚实的物质基础；同时， 随着微电机制造工艺技术尤其是微细加工技术的快速发展，在减少电动机本体制造成 本及抑制齿槽转矩脉动上取得了令人可喜的成果【l ”。今后，随着作为2 1 世纪新兴技 术之一的“新材料技术”的蓬勃发展，必将进一步加快永磁材料工业发展的速度，一 些更高性价比的永磁材料也将相继问世，从而进一步推动永磁无刷直流电动机朝着高 性能，多品种化方向发展，同时也将使得中、大容量永磁无刷直流电动机进入大范围 实用化阶段，从而大大扩展永磁无刷直流电动机的应用领域。 ( 2 ) 电力电子技术的发展 电力电子器件是现代永磁无刷直流电机发展的支柱，直接决定和影响永磁无刷直 流电机的发展。永磁无刷直流电机本身就是采用大功率电子开关元件组成的逆变器供 电的永磁同步电动机，可以说，除了永磁材料技术外，电力电子技术是永磁无刷直流 6 华中科技大学硕士学位论文 电动机发展最为重要的支撑技术之，其中大功率半导体器件的发展严重制约着永磁 无刷直流电动机的发展水平。 电力电子技术自2 0 世纪5 0 年代后期诞生以来，发展速度很快，其主功率器件经 历了从最初的晶闸管一g t r m o s f e t i g b t ，从而使永磁无刷直流电动机具有更 大的容量和更高的过载能力。特别是7 0 年代后期，各种高速全控型器件先后问世， 使电力电子技术朝着全控化、集成化、高频化和多功能化方向发展，为逆变器实现智 能化、高频化和小型化等创造了条件。在p w m 技术中采用功率场效应晶体管 ( m o s f e t ) t l 绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) ，开关频率可达1 0 k h z 以上，电磁噪声和电 流波形都得到了改善。这些为永磁无刷直流电动机的驱动电路性能的提高开辟了道 路。电力电子技术作为一门极具发展潜力的新兴技术，相信在2 1 世纪必将获得更快 更大的发展，从而为永磁无刷直流电动机技术的高速发展提供强大的动力。 ( 3 ) 计算机及其控制技术的发展 微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为永磁无刷直流 电机系统的成功应用提供了重要的技术手段和保证。微型计算机控制技术自2 0 世纪 6 0 年代后期诞生以来，发展速度十分迅猛，其应用领域几乎成几何级数增长，如今已 成功进入国民经济及社会发展的各个领域，电机控制也不例外。永磁无刷直流电动机 性能的改善和提高，除了与电动机本体及电子驱动电路有关外，更与其控制器密切相 关。自2 0 世纪8 0 年代以来随着微型计算机技术、控制技术、控制理论等的飞速发展， 人们从提高控制器性能这条途径来提高永磁无刷直流电动机的性能，并取得了一些可 喜的成果 1 5 】。特别是进入9 0 年代以后，高速微处理器和d s p 器件的出现，保证了 无刷直流电动机性能的快速提高。此外先进的控制方法例如滑模控制、变结构控制、 模糊控制和专家控制等被相继引入无刷电机控制器，从而推动着永磁无刷直流电动机 朝着高智能化、柔性化、全数字化方向发展，为其进入数字化时代开辟了新纪元。 1 5 课题来源、意义和主要研究内容、 本课题以一台2 0 k w 、6 相永磁无刷直流电机为对象，着重在控制技术方面进行 了较为深入的研究，希望对今后进行大功率永磁无刷直流电力推进系统的研究具有一 定的借鉴作用。主要的研究内容如下： ( 1 ) 分析了永磁无刷直流电动机系统的基本结构和工作原理，并导出六相永磁 无刷直流电动机数学模型。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 根据永磁电力推进系统各组成部分的工作原理，对系统( 包括电机、斩波 电路、逆变电路、控制电路等) 进行建模和仿真。通过仿真来研究系统参数的选取， 控制规律的研究以及控制参数的优化等问题。 ( 3 ) 以s i e m e n sc 1 6 7 单片机为核心，设计完成一套永磁无刷直流电机控制系 统。 ( 4 ) 对系统进行试验分析，记录实际波形，结合理论分析，得出试验结果。 华中科技大学硕士学位论文 2 永磁无刷直流电动机的系统结构、运行原理和数学模型 2 1 永磁无刷直流电机系统的基本结构 永磁无刷直流电动机实质上可看作是一台用电子换相装置取代机械换相的直流电 动机，它由永磁电动机本体、控制器和转子位置检测器等主要部分构成。无论从结构 或控制方式上来看，无刷直流电动机与传统的直流电机都有很多相似之处：用装有永 磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，用具有多相绕组的定子取代电枢，用由 固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。这样，就得到 了无刷直流电动机。直流无刷电动机系统一般由控制器、转子位置检测器和电动机本 体三部分组成( 如图2 1 所示) ，控制器一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位 置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子 位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机，实现 机电能量的转换。 n 图2 1 永磁无刷真流电机系统框图 2 1 1 电动机本体 电动机本体通常由永磁无刷直流电动机构成。永磁无刷直流电动机的转子采用永 久磁铁励磁，目前多使用稀土的永磁材料，定子为整矩集中绕组，以产生梯形波磁场 和感应电动势，如通以三相方波交变电流，当电流和感应电动势同相位时，理论上可 产生平稳的电磁转矩 1 6 】。其基本结构如图2 2 所示。 9 华中科技大学硕士学位论文 件 图2 2 永磁无刷直流电动机结构示意图 2 1 2 位置传感器 永磁无刷直流电动机调速系统离不开对转子位置( 或磁场) 的检测和初始定位。 只有检测出转子实际空间位置后，控制系统才能决定变频器的通电方式、控制模式以 及输出电流的频率和相位，以保证电动机的正常工作。 转子位置传感器的种类很多，有电磁式、磁敏式、光电式、接近开关式、正余弦 旋转变压器式以及编码器等。电磁式位置传感器是利用电磁效应来检测转子的位罱 的，有开口交压器、铁磁谐振电路、接近开关电路等多种类型。虽然这种传感器有输 出信号大、工作可靠、寿命长、对环境要求不高的优点，但是由于此类传感器过于笨 重，信噪比较低，因而大大限制了其使用。光电传感器近二三十年来得到了急剧的发 展，它是利用光电效应，由跟随电机转子一起旋转的遮光部分和固定不动的光源等 部件组成，有绝对式和增量式两种。这类编码器由于输出的信号是脉冲信号，很容 易和数字电路匹配，精度可以做到角秒级，输出信号的抗干扰能力较强，但是它对 环境条件敏感，环境状况发生变化的时候，会影响性能和可靠性【l ”。磁敏式传感器是 一种近年来发展相对迅速，越来越被重视的传感器，它是利用某些半导体敏感元件的 电参数按一定的规律随周围磁场变化而变化的原理制成的，基本原理是霍尔效应和 磁阻效应。它的输出也是数字信号，响应快，寿命长，结构简单，适应环境能力强， 成本低廉，但是精度不高。正余弦旋转变压器是种精密控制的微电机。当正余弦 旋转变压器的原方外施单相交流电源激磁时，其副方的两个输出电压分别与转子转 角成正弦和余弦函数关系。这种传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击， 能够长期工作于恶劣工况下，配以合适的数摸转换芯片后，还可以同时锝到模拟转速 信号。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3 控制器 控制器主要完成两个功能，即实现换向逻辑和逆变驱动。通过位置检测出来的信 号，实现定子电枢电流的切换，使得永磁无刷直流电机的转子所受的电磁力保持一致， 产生恒定的转矩，实现机电能量转换。永磁无刷直流电机的供电电源为直流电源，经 过控制器逆变转换成为交流电向电机供电。与一般的逆变器不同，永磁无刷直流电机 的控制器输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变 器”。永磁无刷直流电机由于采用自控式逆变方式，电机输入电流的频率和电机的转 速始终保持同步，电机和控制器不会产生振荡失步，这也是永磁无刷直流电机的重要 优点之，一。 2 2 永磁无刷直流电机的运行原理 无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r - - b l m 或b d c m ) 的设计思想完全来自普 通的有刷直流电动机，不同的是把直流的定、转子相互调换了位置，无刷直流电动机 的转子为永磁结构，产生梯形波的气隙磁密，定子为整距绕组，普通直流电动机的电 刷和机械换向器被逆变器和转予位置检测器代替。运行原理也和有刷直流机基本相 同，即在一个具有恒定磁密分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定。因 此，就可以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。 图2 3 为无刷直流电动机的原理模型( 横截面展开图) ，电机定、转子沿表面展开， 上边是转子磁极，产生气隙磁密，梯形分布，边缘磁密宽度占3 0 。( 电角度) 。下面 是定子电枢绕组，定子有三相绕组a 、b 、c 顺序放置，各占6 0 。( 电角度) 相带。 当电机处于图2 3 ( a ) 所示位置时，给b 、c ( a 相不通电) 两相绕组通入图示方向电流， 幅值相等且恒定，这些载流导体在气隙磁场中受电磁力的作用形成电磁转矩，方向如 图2 3 ( a ) 所示，转子开始按转矩方向转动。当转子在6 0 。空间电角度内转动时，由于 磁场大小和电枢导体电流基本不变，故电磁转矩大小不变。当转到6 0 。电角度处瞬间， 即图2 - 3 ( b ) 所示位景时，如果仍按图l ( a ) 的通电方式运行，那么当转子转过6 0 。电角 度时，同一磁极下的电枢导体中将有部分导体的电流方向发生改变，如图2 3 ( c ) 所示， 而非同方向，造成总电流下降，电磁转矩减小。因此，在这一位置时需要进行换流， 应以图2 3 ( d ) 所示方式通电，即b 相换到a 相通电，c 相绕组仍按原方向流过电流。 每相通入1 2 0 。电角度的方波交流电，依次换相，使同一磁极下电枢绕组中的电流始 华中科技大学硕士学位论文 终保持方向一致，保证在转子旋转期间，电磁转矩总为一个方向，转矩大小与方波电 流的幅值成正比，消除转矩脉动，使电机正常运行 1 8 。【2 0 】。 ! ，! 一冒 a ，td i ”l ，j 一n 、- ，。，、- 。 一 一b o o o o e e e o o a ) 正常运行时的通电方式c ) 没有进行切换前时刻的通电方式 b ) 切换前时刻的通电方式d ) 切换后时刻的通电方式 图2 3 无刷直流电动机的原理模型 由于气隙磁密为梯形波分布，由电机学原理知道，电枢的感应电动势亦为梯形波， 大小与转予磁通和转速成正比。无刷直流电动机三相电枢绕组的反电动势、电流波形 如图2 4 所示。每相电流为1 2 0 。通电型的交流方波，三相对称。只要控制好逆变器 各桥臂功率元件的开关时刻就能满足上述要求。但是定子方波电流的通电时刻与感应 电动势波形、转子磁极位置有严格的对应关系，不然会产生大的转矩脉动，使乎均转 矩减小。因此，逆变器的控制信号也来自转子位置传感器，根据转子磁极位置，逆变 器依次换相。 华中科技大学硕士学位论文 图2 4 电动势、电流波形及对应关系 其换相关系原理如图2 5 所示。 a 1 主同路原理图 口口。 i 口口 u 门口 _ ： b ) 转子位置检测信号 c ) 定子电流及换相关系 图2 5 转子位置检测信号、定子电流及换相关系 换相顺序为：v l v 2 一v 3 一v 4 一v 5 一v 6 一v 1 。 按此方式通电，电磁转矩与方波电流的幅值成正比，当逆变器的开关时刻和顺序 与转子的位置对应好后，我们只需在外部控制好电流幅值即可。这种电动机的控制比 华中科技大学硕士学位论文 永磁同步电动机简单，逆变器产生方波也要比产生正弦波容易，因此更易于实现，并 且无刷直流电动机的原理和直流电动机类似，更易于接受和普及。 2 3 多套三相绕组的永磁无刷直流电动机 永磁无刷直流电机具有控制简单、启动和调速性能好、转矩动态响应快、运行可 靠性高、维护容易等优点，因此在各行业得到了越来越广泛的应用。无刷直流电机转 子采用永磁材料，定子为整矩集中绕组，以产生梯形波磁场和感应电势，如通以方波 交变电流，当电流和感应电势同相位时，理论上可产生平稳的电磁转矩，但由于定子 电感的存在，实际上电流达不到理想的方波，在换向时刻的叠流现象会造成转矩脉动， 对系统低速性能有一定的影响【2 。目前对无刷电机换向转矩脉动抑制已有不少研究成 果，但主要都是针对小功率系统，利用高频开关管在换流时刻对电机端电压进行补偿 以改善电流换向波形，大容量直流无刷电机控制系统功率管开关频率较低、换流过程 较长，上述策略难以达到很好的效果。因此大容量推进系统可采用多套三相绕组电机， 带来的好处是： ( 1 ) 通过绕组的合理安排，可以大大削弱转矩谐波； ( 2 ) 采用多套三相变频单元供电，可降低对变频单元的功率容量要求； ( 3 ) 少数变频单元故障时，可缺相降功率运行，提高了系统的可靠性和耐故障 能力： ( 4 ) 三相桥式逆变器技术成熟，利于变频单元的模块化结构。 下面我们以六相电机为例，分析采用3 0 。相带的六相定子绕组，将对电机转矩性 能的改善有重要作用。 六相3 0 。相带是把定子每对极下分成1 2 个相带，如图2 6 ( a ) 所示，每个相带占 3 0 。电角度，然后把两个相位上相差1 8 0 。电角度的相带反接串联或关联，即可得到 六相3 0 。相带的定子绕组。然而这六个相绕组不是通常的相位差为6 0 。电角度的对 称六相绕组，而是相当于两组对称的三相绕组，这两组三相绕组之间有3 0 。电角度的 相位移，其电流矢量图如图2 6 所示。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 a ) 相带空间分布b ) 电流矢量图 图2 6 六相3 0 。相带绕组 对于第一套三相绕组，所产生的旋转磁动势可表示为： 1仃 v ( x ，t ) = ，vs i n ( t o ) t v 二x )( 2 1 ) 二丁 而第二套三相绕组与第一套三相绕组空间相差3 0 。电角度，且绕组中的屯流在时间上 也相差3 0 。电角度，故其磁动势可表示为 一t v ( x , t ) = 吾，一vs i n ( 国f 一詈) 一v ( 予x 一詈) 】 ：要，胛i h i ( t o t v 竺石) + ( v 一) 刍 一 上式中的| l 和v 分别为电流时间谐波和磁动势空间谐波的次数。 由式( 2 一1 ) 和( 2 - - 2 ) 对比可知，基波电流产生的基波磁动势，p = v = l ， 两套绕组产生的磁动势完全相同，叠加后基波磁动势增大一倍。而基波电流( u = 1 ) 产生的v = - - 5 、+ 7 、一1 7 、+ 1 9 等高次谐波磁动势，两套绕组产生的磁动势互相抵 消。只有v = 一1 1 、+ 1 3 、- - 2 3 、+ 2 5 等高次谐波磁动势存在，然而这些谐波次数较 高，其磁动势幅值已经很小，故对电机影响不大口2 1 。因此，采用六相3 0 。相带绕组， 对减小无刷直流电机的转矩脉动和改善转矩特性具有重要意义。 无刷直流电机的定子绕组由三相改为六相，虽然多用一套三相逆变器，但对于大 功率的电机，并不会增加成本。大功率电机，由于电流大，通常每相电路皆要求多个 晶闸管并联使用。由三相变为六相之后，相电流减小一倍，因而总的晶闸管数量并未 增加，而且由于每条支路并联晶闸管数量的减少，还可以简化均流设施。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 六相永磁无刷直流电机的数学模型 永磁无刷直流电动机的主要特征就是反电势为梯形波，包含有较多的高次谐波， 这意味着定子和转子的互感是正弦的，并且无刷直流电动机的电感为非线性。因此， 在这里采用d 、q 变换理论已不是有效的分析方法，因为d 、q 方程适用于气隙磁场为 正弦分布的电动机。又若将电感表示为级数形式且采用多参考坐标理论，也可进行这 种坐标变换，单运算太繁琐；若仅仅取其基波进行变换，则计算误差大。相反，直接 利用电动机原有的相变量来建立数学模型却比较方便，又能获得较准确的结果】【。 为简化分析，在允许的范围里作如下假设 25 ： ( 1 ) 六相定予绕组为3 0 。相带整矩集中绕组，星形连接。 ( 2 ) 忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子的内表面。 ( 3 ) 忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗。 ( 4 ) 不考虑电枢反映，气隙磁场分布近似梯形波，平顶宽度为1 2 0 。电角度。 ( 5 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用。 由于稀土永磁材料的磁导率很低，转子的磁阻很高，其影响可以忽略不计。 2 4 1 电压方程 由电机学可知，无刷直流电动机定予两组六相绕组电压方程可表示为 l 小 i b i l c l 1 , 4 2 z e 2 1 c 2 + 工2 上日l 2 上c 。 ： 厶2 2 k 2 2 1 e 2 岛m k 1 日2 l 2 8 2 上b 2 k 2 日2 + ( 2 3 ) 式中，u a l 、u b l 、u c l 、u a 2 、u b 2 、u c 2 为六相定子电压；e a l 、e b 卜e c l 、e a 2 、e b 2 、 e c 2 为六相定子反电动势；i a l 、i b l 、i c l 、i a 2 、i b 2 、i c 2 为六相定子电流；假定六相绕组 的电阻相等均为r s ；p 为微分算子；l a l 、l b l 、l c l 、l ml b 2 、l c l 分别为两套三相 绕组的自感：l a l b i 为第一套三相绕组a 相和b 相间的互感，其他亦然。且有 l a l b l = l b l a i ，l a i c i = l c l a l ，l a l a 2 = l a 2 a 】，l a l b 2 = l b 2 a i ，l a l c 2 = l c 2 a 1 ， l b i c l 2 l c i b i ，l b i a 2 = l a 2 b i ，l b i b 2 一- - - - - l b 2 b i ，l b l c 2 2 l c 2 8 1 ，l - c i a 2 2 l a 2 c l ， 印鲫鲫彬彬彬。训。?：彬眵栌 o n 以 j 伽砌助伽伽办 c f c c c知伽办坳伽励 f ， 日 e 日 0鼬厶埘伽伽伽 小 小 圳 刺厶胁助伽胁伽 o o o o 0 r o o o 0 r o o o o r 0 o o o r 0 0 o o r o o o o r o o o o o 华中科技大学硕士学位论文 # = = g 自目= ；= 2 = j _ _ ；= = = _ _ ；= _ 自_ - 日= = _ i l c l b 2 = - - l b 2 c i ，l c m 2 = l c 2 c l ，l a 2 8 2 = l b 2 a 2 ，l a 2 c 2 = l c 2 a 2 ，l b 2 c 2 = l c 2 8 2 。 根据电动机的结构，可以忽略凸极效应，转子的磁阻不随转子位置变化而变 化，并假定定子六相绕组为两组完全对称的三相绕组，空间相差3 0 。电角度，则有： l a i2 l u , 2 k 1 = l a 2 = l b 2 。i c l = l l a i b i = l a j c l 3 l a l c l 。l a 2 8 2 2 l a 2 c 2 2 l a 2 c 2 = m 1 l a i a 2 2 l b l b 2 = l c l c 2 = m 2 l a l b 2 = l b l c 2 = l c l a 2 = 一m 2 l a l c 2 2 l b l a 2 2l c l b 2 2 0 l 为定子绕组的自感，m 1 为同一套定子绕组间的互感，m 2 为两套定子绕组间的 互感。 则式( 2 3 ) 可改写成式( 2 - 4 )