（电力电子与电力传动专业论文）太阳能无人飞机动力驱动器的研究.pdf

i j t ej t 业大。学硕士学位论文 a b s i r a c t a b s t r a c t t h ew o r k p r i n c i p l eo f t h em o t o rd r i v i n g a i r s c r e wi sp r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h er e a s o n sa n dt h em e t h o do t e l i m i n a t i o no rs u p p r e s s i o no ft o r q u ep u l s e sp r o d u c e d b y b l d c ma r e a n a l y z e d t h e n t h e p a p e r f o c u s e s0 nt h e d e s i g n o fp e r m s q u a r e w a v em o t o r a l s o t h et h e s i sp r o c e s s e st h eg e n e r a ld e s i g np r o j e c to fc o n t r o l l e r t h ec o n t r o l p r o g r a m w h a t s m o r et h eh 甜d w a r es t r u c t u r e 1 h cc o n t r o l s t r a t e g y i s r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r am a t h e m a t i cm o d e lo ft h em o t o ri sb u i l d e da n de m u l a t m t h r o u g hm a t l a b i h el o w s p e e da n dc o n s t a n t t o r q u e ，h i g h - s p e e da n dc o n s t a n t p o w e r s t a t ei s a n a l y z e da n dr e s e a r c h e d ，a l s ot h es o f t w a r ea p p r o a c ho t 、s i m u l a t i o nt ot i l e d r i v e rh a sb e e nd o n e ，ad i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 i s d e v e l o p e d s u c c e s s f u l l yt oc o n t r o lt h ep e r ms q u a r e w a v eb l d c md r i v i n ga i r s c r e wo fs o l a r p o w e r e du n m a n n e d e n g i n e i ti su s e f u lt ot h ef u r t h e rs t u d y t h e h i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i s a d o p t e d a n dt h er e a l t i m ea n d r e l i a b i l i t y a r ei m p r o v e dg r e a t l y t h es y s t e mw i t hl o w - l o s sa n d h i g h e f f i c i e n c y i s s u i t a b l et b rs o l a rp o w e r e du n m a n n e d e n g i n e ， k e y w o r d s ：i)siperm s q u a r e w a v e b l d c m c o n s t a n t - t o r q u ec o n s t a n t p o w e r p “) c o n t m fd r i v e r 曲北 业人学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 本课题来源于国家8 6 3 项目太阳能无人飞机的研究，主要任务是研制无人 飞机螺旋桨驱动系统。太阳能在航空器上应用的研究，是我国新世纪航空工业 重点发展的一个新领域，太阳能无人飞机成为我国航空工业研究热点，这主要 因为太阳能无人飞机不需要携带大量沉重的能源，可长时间工作，j 1 泛应用于资 源调查、环境检测、交通管理和军事等用途，本次课题主要针对太阳能无人e 机螺旋桨驱动系统进行研究，研究了驱动系统的构成以及控制方式，对提高电 机效率进行了分析研究，并设计了电机，本项目对于我困太阳能无人机的发展 跟踪国际先进水平具有重要的意义。 1 2 太阳能无人机的发展概况 太阳能无人飞机的研究在我国还处于起步阶段，美国在太阳能无人飞机发 展中处于世界领先水平，先后已推出4 种型号太阳能无人e 机。 第一j 干七，探索者( p a t h f l jn d er ) 。i9 9 3 年，探索者( p a t h l ir i d e r ) 方案经过 几次修改后被美国“环境研究飞行器与传感器技术”( e r a s 1 ) 项目采纳，其焦点 是研制持续飞行的亚音速无人飞机，机翼长2 9 5 米，太阳能【叮提供7 2 k w 电能， 有6 个螺旋桨驱动电机，重量2 5 2 公斤，电动机功率1 2 5 k w 。 1 9 9 7 年1 0 月2 5 目，探索者( p a lh r i r i d e r ) 太阳能无人飞机开始自然科学 任务，飞行高度达到2 1 3 0 0 米，太阳能备用电池可在日落时提供5 小时的电能， 可以在海洋上飞行监测风暴，提供精确的飓飞预测、农作物、森林生长等情况， 飞机上装有两台测量仪器。 第二代，探索者改进型号( ihr in d e rp 1u s ) 。它是在探索者型号上改进 而成，机翼长3 6 3 米，飞行高度达到2 4 0 0 0 米。机翼卜 电机增加到8 个，电动 机功率为i 5 k w 。 第三代，百人队队长( c e n t u rl o n ) 。19 9 8 年，百人队队长( c e nll j r i ( ) n ) 在 探索者改进型号( p a t h r i d erp 1l j k ) 基硎f 上设t t 而成，机翼长州1 米，飞行 西北r 业人学硕士学位论文 第一章绪论 高度2 4 0 0 0 米，总重约, 5 5 0 公斤，1 l o 二速度在l72 l 英罩d , h i j ，太阳能可提供 3 1 k w 的电能，可向飞机的1 4 台电机利其它电子设备提供能量，持续b 行1 4 到 l5 小时。 第四代，太阳神( h e l jo s ) 。太f l i i b 太阳能无人b 机是美国研制的最新机型， 价值达】5 0 0 万美元，太阳神的机翼长7 j 3 米，太阳能电池可以产生4 0 千瓦的 电力，1 4 台无刷直流电机驱动太阳机翼上全部1 4 个螺旋桨。每个电机功率为 1 5 k w 。被设计用来在大气层中爬高并在高处停留3 个月之久。 2 0 0 1 年8 月13 门，太阳神在美国夏威夷考焚岛海军基地起飞，创造了非火 箭驱动飞行器的飞行f 备度记录：2 9 4 3 2 j 米，这可以是飞行史上一一个真正的里程 碑、一个标志性的成就，尤其是这个高度汜录是由一个无污染的太阳能航空器 创造。 太阳能无人飞机可以提供电信和其它服务，其成奉只是发别一颗卫星的很 d , - 部分。由于太阳神( h e i j o s ) 在离地球较近的上空运行，而不是像卫星要 运行在太空轨道上，太阳神( e im s ) 可以很容易地被降落到地面进辛j ：例行维 护和有效载荷的更换。卜_ 图1 1 是一个美国太阳神无人飞机图片。 刚l _ l 太阳神无人飞机图片 下表示是美国太阳能无人飞机几种型号的一部分技术参数 表1 两北工业人学硕十学位论文第一章绪 论 搪一代 第一代 第代第p 州 型吁探索者探索者改 订人队队比a f 神 机翼长( m ) 2 953 636 i87 5 总电源功率( k w ) 72 l253 14 0 电动机数目( 台) 68 141 4 电机额定功率( k w l l1 51522l5 飞机重量( k e l2 5 2 3 l58 5 57 0 0 飞机巡航速度( m d h ) l7 2 0 i7 2 01 7 2j1 9 1 7 b 机最高时速( n l f d l ) i7 f ) 飞行高度( m )2 4 0 0 ( 】 2 70 0 03 2 】1 ( ) 持续飞行时间( h )1 2 l5 l7 备用电池时间( h )52 一一5 1 3 螺旋桨驱动电机的发展 一个多世纪以来，电动机作为电能转换装置，其应用范围已经普及国民经 济的各个领域以及人们的f 1 常生活中，电动机主要可分为直流电动、异步电动 机和同步电动机，其容量小到几瓦，大至上万千瓦，在所有电动机中，直流电 机的机械特性和调速特性的线性度好，堵转转矩大，控制方法简单，最早的无 人飞机螺旋桨电机也选用的是稀上永磁直流电机，但其不可避免的有刷结构是 它的最大缺点。在工业中大量应用的交流异步电机虽然控制简单，却有着调速 精度不高的问题，交流同步电机则存在着控制复杂，容易失步的缺点。 随着电力电子技术、微电子技术、微机和稀土永磁材料的发展，促进了电 动机产品的不断推陈出新，出现了一种新型无电刷无接触换向的直流电动机， 无换向器直流电动机才真正实现。很快在太阳能无人飞机e 得到应用，目前， 无刷直流电动机的发展已经与大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、 微机、新型控制理论及电机的理论的发展紧密结合，体现出当今应用科学的许 多最新成果。正因为如此，太阳能无人飞机选用稀上永磁无刷直流电机作为螺 旋桨的驱动电机。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文研究的是太阳能无人飞机螺旋桨驱动器，螺旋桨驱动器是飞机上的 关键部件，对无人飞机的正常飞行起着举足轻重的作用，研究它的构成、工作 西北工业大学硕上学位论文第一章绪 论 原理、和控制方式具有重要意义。 论文主要对驱动器的两大部分进行研究，一部分是根据太阳能无人飞机的 技术要求设计一种高效率的稀土永磁方波无刷直流电动机作为螺旋桨的驱动电 机。另一部分是运用t i 公司的数字信号处理器i ) s p 芯片，i 1 s 3 2 0 1 。1 ：2 4 0 7 作为 控制核心设计稀土永磁方波无刷直流电动机控制器，控制太阳能无人b 机的螺 旋桨，着重介绍了d s i 及其外围芯片对无刷直流电动机的控制。分析 t m s 3 2 0 i 。f 2 4 0 7 控制电机用的事件管理器的功能。论述p w m 波的形成，以及捕获 单元对霍尔信号的处理，在论文中对驱动电机的动态数学模型和系统模型进行 了仿真。在控制方式上提出了几种策略，对电动机的低速恒转矩和高速恒功率 进行了分析研究。 p u 北t 业大学硕+ 学位沦文 第：。章太阳能无人e 机螺旋浆驱动器工作原理 第二章太阳能无人飞机螺旋桨驱动器工作原理 本章将介绍太阳能无人飞机螺旋桨驱动电机的工作原理，驱动电机由稀土 永磁无刷直流电动机构成，因此本章的主要内容将围绕稀土永磁无刷直流电动 机及其控制来进行介绍。 j 晦每_ 1 瞎i 川。 a * r t 型涮 掣i攀2 14t6 l i 陋，； 雠l i j ，j | t 奄? j m触 t 1 | 、碌 ? 图2 2 稀t 永磁力波无刷直流电动机的截面示意图 两北f 业人学颁士学位 文第章太阳能无人b 机螺旋桨驱动器f 作原理 无刷直流电动机根据7 i 隙磁场波形可分为方波电动机和正弦波电动机，螺旋桨 驰动电机中用的是方波电动机。方波无刷直流电动机的设计思想可以说来源于 普通直流电动机，不同的是把直流i 乜动机的定、转子相互凋换了位置，方波电 动机的转子产生方波形i 隙磁通密度，当定子绕绢采用集中整矩绕组，方波磁 场在定子绕组中感应的电势为梯形波。每相电流为1 2 0 ”通电型的直流方波，三 相对称。只要控制好逆变器各桥臂功率器件的开关时刻就能满足上述要求。普 通直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转- 了位置检测器代替，图23 是无 刷直流电动机的磁通密度曲线、电流曲线和反电势曲线示意图。 乓 瓯 厂 厂 l 1 e h 。 厂“l 1h 】k 1 6“ !皇zi 2 r ej 6 6 。、。1 。1 。一 图2 3 方波气隙磁场、电流与梯形波反电势 2 1 2 稀土永磁方波无刷直流电动机工作原理 稀土永磁无刷直流电机本体的定子绕组一般采用三相或多相绕组，通常采 用三相绕组，控制器即逆变器通常采用三相桥式电路，图2 】就采用的是一个 三栩桥式电路，三相桥式电路构成的三相星形六状态，其优点将在后面介绍。 方波电动机工作原理和有刷直流电动机基本相同，即存个具有恒定磁通 密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定。就可以产生恒定的 转矩，且转矩与电枢电流的大小有关。稀土永磁方波无刷直流电动机的原理模 型如图2 4 所示，电动机定、转予沿表面展开，上边是转子磁极，产生方波形 的气隙磁通密度，下面是定子电枢绕组。其工作原理如下： 定子有三相绕组a 、b 、c 按顺序放最，各占6 0 0 ( 电角度) 相带。当电动机 处于圈“所示位置时，给b 、c 随相绕组通入图示方向糨值相等且恒定的电流 ( a 相不通电) ，这些载流导体在气隙磁场中受电磁力( 左手定则判定) 的作用形 成电磁转矩，转予按图a 所示方向丌始转动。当转予在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，故电磁转矩人小小变。当转到6 0 ”i 乜角 西北 业大学硕士学位论文第二章 太 能无人机螺旋浆驱动器1 ：作原理 度处瞬间，图6 的位置时，如果仍按图a 的通电方式运行，那么当转了转过6 0 0 盟苎7 。 厂 ai t l 常运行时通电方式b 切换前时刻通电方式 c 没有进行切换的通电方式d 切换后时刻通t 乜方式 图2 4 方波水磁无刷直流电动机的原理模型( 横截嘶展开图1 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c 所示，造成总电流下降，电磁转矩减小。在这一位置时应对绕组进行换相，以 图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。这 样每相通入1 2 0 。电角度的方波直流电，依次挟相，使同一磁极下电枢绕组中的电 流始终保持方肉一致，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，使电动机正常运行。 2 1 3 方波无刷直流电机转子位置传感器 转予位置传感器是稀土永磁无刷直流电动机的关键部件，起萧测定转子磁 极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位 置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相，保证电机连续工作，转子位 置传感器也由定子、转子组成，转子和电机本体转子同轴，以跟踪电机本体转 予的位置，定子固定在电机本体定子上，或者端盖上，输出转子位嚣信号，存 这罂主要介绍用的最多的磁敏式位置传感器。 磁敏式传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏 感元件。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应，常采用的磁敏式传感器以霍尔元 件应用范围最广。霍尔式磁敏元件的特性如图2 5 a 所示，具有非常好的线性输 出，霍尔元件是一种半导体器件，它是利用霍尔效应制成的，其基本原理如图 西北业人学硕：l 学位论文第章 太腓能无人e 机螺旋桨驱动器f ：作原理 2 5 b 所示，将矩形半导体薄片置于磁场中，在薄片两侧通以控制电流，则在薄 片的另外两侧就会产生一个电势，霍尔效应所产牛的电势f 与控制电流的关 系如下： e ：坠b f d 式中：月霍尔常数； b 磁通密度； 卜控制电流： 萨磁场方向的薄片厚度。 e i o + n )b l 图2 , 5 霍尔信号特性及原理图 霍尔式位嚣传感器结构简单、体积小、价格低、可靠、因此应用范围很广。 本次论文设计的电机采用霍尔式位置传感器。 2 1 4 无刷直流电动机的绕组导通方式 无刷直流电动机的绕组导通方式可以有以_ 卜- 两种方式，分别进行分析，来 说明为什么本次论文采用两相导通星形三相六状态的导通方式。 i 两相导通三相六状态的导通方式 图2 , 6 = 相桥式逆变器 k 西北工业大学硕士学位论文 第一二章太m 能无人飞机螺旋桨驱动器工作原理 iii 两相导通三相六状态指的是在每一瞬问有两个功率管导通，每相电流为 1 2 0 q 包角度通电型的直流方波，三相对称。只要控制好逆变器各桥臂功率器件 的开关时刻就能满足上述要求。换相次切换一个功率管，每一个功率管导通 1 2 0 0 电角度，如图2 6 。 功率管的导通顺序是7 1 死、乃丁2 、乃舛、t s t 4 、t s f 6 、t i t 6 。当功率管t i 和亚导通时，电流从7 1 1 管流入a 相绕组，再从c 相绕组流出，经砣管回到 电源，假设流入绕组的电流产生的转矩为正，它们的合成转矩如图2 ，7 的甜) ， t c 1 1 b t b 6 j t 图2 7 两相导通j 相六状态转矩示意图 大小为乙= 3 l ，当电动机转过6 0 。后，由t 1 丁2 通电换成? s t 2 通电，这时， 电流从丁3 流入b 相绕组，再从c 相流出，经他回到电源，合成转矩如图b ) ， 大小为瓦。= 3 7 ：，图c ) 为全部合成转矩的方向。 2 三相导通三相六状态的导通方式 三相导通三相六状态是指每- , f _ t l 瞬间均有三只管予同时导电，每隔6 09 换向 次，每个功率管通电18 0 0 ，它们的导通次序是丁1 乃丁2 、丁4 乃丁2 、7 s l 一5f 4 、 乃、7 1 1 巧巧、丁1 弼咒、r l 乃n ，当7 1 17 1 6 丁2 导电时，电流从丁1 管流入a r o r f l 1 0 7 b 一 2 1 t ， r 【j 圈2 8_ 三相导通，_ = 相六状态转矩示意矧 1 ) 。斟 两北川t 大学硕士学位论文第二章太| j 1 1 能无人e 机螺旋桨驱动器l 作原理 相绕组，经b 相和c 相绕组分别从和舵流出，流过b 相和c 相绕组的电 流分别为流过a 相的一半，其合成转矩如下图28 的图a 所示，方向同a 相， 而大小为1 5 t a ，经过6 0 。电角度后，换向到t 17 37 2 通电，这时电流分别从7 1 和7 3 流入，经a 相和b 相绕组，再流入c 相绕组，经丁2 流出，合成转矩如图 b 所示，依次类推，可得到它们的合成转矩矢量图，如图c 所示。 由以上分析可以看出，两相导通三相六状态合成转矩为3 ，：，三相导通三 相六状态合成转矩为1 5 瓦，3 f ， 1 5 瓦，两相导通三相六状态合成转矩比三 相导通六状态大，电机出力较大，因此本文设计采用两相导通i 相六状态。 2 2 稀土永磁方波无刷直流电动机运行特性 对方波电机进行控制，就必须分析方波电动机的电磁转矩、电枢电流和反 电势等特性。下面以两相导通星形三相六状态进行具体分析。 1 电枢绕组感应电势 单根导体在气隙磁场巾感应电势为 e = b a l v ( v ) 式中：b 。气隙磁感应强度；l 导体的有效长度：、r 一导体相对于磁场 的线速度。 v ：塑：2 p r o ( ，1 6 0b 式中：行电机转速( r m i n ) ；驴一电枢内径；r 极矩：p 一极对数。 设电枢绕组每相串联匝数为二，每相绕组的感应电势为 因此可得 e 中= 2 w 中c p ：生竺旦! ( 矿) 6 0 。 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为 西d = b j 口，f l ( w b ) 塑! ! ! ! 些叁竺丝圭兰堡丝兰丝三兰 奎型璧垂! 型! 堡堡篓矍垫量：! 丝：堡堡 式中d 计算极弧系数，则仃 e = ! 甓旦( 叼。一亩言f 叫 每相绕组感应电势 ：坐! 竺监( 矿) 。 1 5 a 。 线电势，即电枢感应电势为 啪铲竽”( ” ( 式2 - i ) 式中：c ：竺垡堕电势常数 i ) d 2 电枢电流 电机在每6 0 。导通状态内有以下电势平衡方程式： u = + 2 屹( 式2 2 ) 式中：l ，一电机额定电压( 功；u 开关管饱和压降( 叼； m 每相电卡【) ( 绕组电流( 爿) ；r 口一电枢绕组每相电阻( f 2 ) ： 因此有： ，。：u 2 a u - e ( a ) ( 式2 - 3 ) “一 z 。 3 电磁转矩 电动机的绕组每次有两相串联导通，冈此电机的合成电磁转矩由两相绕组 的合成磁场与转子永磁场互相作用而产生 i ：型：堡( 。) 式中：m = 百2 7 r n 为电机的角速度，则有 t ：竺! 譬生，l ( 。) ( 式2 - 4 ) m 式中：( 二= 。4 pw f r o e 为电机的转矩时间常数 4 机械特性 出式( 2 一1 ) 和( 式2 - 2 ) 可得电机的转速方：f 早 两北j ：业大学硕士学位论文 第二章太阳能无人飞机螺旋桨驱动器工作原理 。：旦二三垒竺二! 土! j ( ，。n 1( 式2 5 ) ( ? 则皴燃为2 半2 甄u - 2 , a u _ 7 5 q 丽u - 2 a ( 佃m 由表达式可知方波电动机的机械特性和有刷直流电动机的机械特性表达式 相f 司，具有类似直流电动机优良的调速和控制特性。 2 3 稀土永磁无刷直流电动机转矩脉动的抑制分析 转矩脉动是无刷直流电动机运行时的一项卜分熏要的性能指标、定子绕组 具有电感，因此电流不可能在瞬时达到通断，通常高性能的电动机系统的转矩 脉动应小于3 ，造成转矩脉动有许多因素，主要有以下几点：、电磁转矩引 起的转矩脉动。二二、电流换相引起的转矩脉动。三、齿耩引起的转矩脉动。四、 屯枢反应影响。五、谐波引起的转矩脉动。下面进行洋细分析： 1 电磁转矩因素引起的转矩脉动 电磁转矩脉动是定子电流和转子磁场相互作用产生的转矩脉动，它与气隙 磁通的密度分布和电流的波形以及绕组的形式有赢接的关系。下面分析一个磁 状态( 6 0 。电角度) 转矩变化的情况，来洗明电磁转矩引起的转矩脉动。 在图2 9 中，当。等于要时，气隙磁感应强度分布如实线所示，轴线与通电 绕组a ，c 空间轴线重合，是该磁状态的中间位置，这时定转子磁场正交，产，t 最大的电磁转矩。当a 处 7 a l 或a 2 位置时( 口l = 罢，a 2 = 孥) ，气隙磁感应强度 波形分别如虚线和双点划线所示，电枢绕组a ，c 相所产生的空间合成磁场，对 转子磁场产生最大的直轴去磁或增磁电概反应，此时电磁转矩减小。电磁转矩 随着气隙磁场位鼍的变化而变化，不是一个恒定值，从而产生转矩脉动。 西北7 业人学硕l 学位论文第二二蕈太川能无人b 机螺旋桨驱动器l 作原理 lh d 2 j 、1 i 一 ： ff t i 2 ( 。) c b 6 ￥刁r 6 硒石鼠匹对、m r 、h 甸( ；x ；y i 墒两蛹0 两广) n 一。 i 一 。 一、j 。 图2 9 气隙磁场与通电绕组位值关系 2 电流换相引起的转矩脉动 无剧直流电动机每经过一个磁状态( 6 0 。电角度) ，定子绕组中电流就要进 行+ 次换相，每一次换相，电机的电流从一相切换到另一相，由于嵋，f c 的变化 率的不同会对电磁转矩产生影响，有以下三种情况：( 假设是从a 相换相到b 相) 1 f 。与椿的变化率相等，即f 。降为零时，f b 达到稳态值 如图2 1 0 a 所示。 2 i 。降为零，i b 还未达到为态值，如图2 】( ) b 所示。 3 f h 达到为态时，f 。仍未降为零，如图2 1 0 c 所示。 - 。皋 。 0 i ， i 上，一i 立一 、，一 ” ， n “ji 一一二，7 、i 上一 0 ，r - l 刈。- 7n f ， u ；f 。 一。- 。 、v c 】 幽2 1 0 定f 绕组换相示意图 对于情形1 ) ，电机的转矩不变，对在情形2 ) 3 ) 状态引起转矩脉动。 3 齿槽引起的转矩脉动 转子旋转时，由于定子有齿槽，定予铁芯磁阻要发生变化，j 以产：生磁阻 转矩，磁阻转矩是交变的，它与转子的位置有关，从而引起转矩脉动，在电机 制造上，将定子齿槽或永磁体斜一个齿矩，可以减小齿稽转矩。在设计上可用 增大气隙的方法减小转矩脉动。但在电机设计时，也必须综合考虑，因为它们 会互卡h 影响，如斜槽斜极方法对电机气隙磁感应强度平顶宽度有影响，从而又 影响到电磁转矩脉动。 两北：业大学硕十学位论文第一章太1 5 能无人b 机螺旋桨驱动器+ f i 仵原理 4 电枢反应影响 电机负载时电枢磁场埘主磁场产生影响，可称为电枢反应。电概反应与磁 路的饱和程度、转向、电枢绕组连接方式、导通顺序和磁状态角的大小有天。 电枢反应对转矩脉动的影响主要反应在以下两个方面：一是电椒反应使气隙磁 场发生畸变，改变了转子永磁体在空载时的方波气隙磁感应强度分布波形，使 气隙磁场的前端尖部分被加强，后极尖部分被削弱，该畸变的磁场与定子通电 相绕组相互作用，使电磁转矩随定、转子相对位置的变化而脉动。二是在任一 磁状态内，相对静止的电枢反应磁场与连续旋转的转子主极磁场相互作用而产 生的电磁转矩因转子位置的不同而发生变化。 5 谐波引起的转矩脉动 在方波无刷直流电机中，恒定转矩主要是由基波磁链和綦波电流相互作用 后产生的，更高次的同次谐波问产生的恒定转矩经常被忽略不汁，不同次谐波 磁链和电流问不产生脉动转矩。但在实际电机中，输入定子绕组的电流不可能 是理想的矩形波，电动机的电感限制着电流的变化率。反电动势与理想波形的 偏差越大，引起的转矩脉动越大，另外，非理想磁链波形对转矩脉动也有影响， 当磁链波的水平波顶小于理想的1 2 0 。时，就会户：生转矩脉动；如果磁链波的水 平波顶大于1 2 0 。，而电流仍为理想的1 2 0 。方波，就不会产生脉动转矩。 阿北i i 业大学硕士学位论文 第二章稀十永磁光刷商流电机的殴f 第三章稀土永磁无刷直流电机的设计 上章介绍了螺旋桨驱动器的构成及工作原理，本章在稀土永磁无刷直流电 动机理论研究基础上，结合太阳能无人飞机螺旋桨的工作特点，阐述对设计高 效稀土永磁无刷直流电动机的要求，并对无刷直流电动机进行了设计。 3 1 螺旋桨驱动无刷直流电动机特点 太阳能无人飞机的机翼上安装有大量的太阳能电池帆扳用来吸收电能，为 了获得足够的太阳能，机翼做的很长，如美国太阳能无人飞机太阳神号机翼长 达7 5 米，在每个机翼土二都有7 台电机驱动螺旋桨，因此无人匕机具有很多的电 机驱动器，由于电能十分有限，对于电机的效率就有很高的要求，另外，无人 飞机的飞行要求电动机具有长时间工作的特点，根据这样的要求，设计的电机 参数可定为： 额定功率 额定电压 额定电流 空载转速 1 5 k w 1 1 0 v 】3 6 4 a 3 0 0 0 0 r m i n 3 2 高效稀土永磁无刷直流电动机设计特点 电动机是主要的耗能器件，它带动螺旋桨转动使飞机运行，i 弭此，设计高 效的电动机对节约电能起很明显的作用，设计高效的电动机，要从以下方面考 虑： 1 选择高磁能积的铷铁硼稀土永磁体 铷铁硼永磁体具有最高的磁特性，其磁性能可做到b ，= 1 37 1 ，矫顽力 i l - 9 8 7 k a m ，最大磁能积( 8 奶。、= 3 1 8 k j m5 其退磁曲线呈线性，姻复线与退磁曲 线相一致，采用径向励磁结构的合理设计，可保证电机气隙磁密的方波特性要求。 有助于提高效率。 2 电枢冲片的选择 合理的选择电根冲片对减小电机损耗有很大的关系，电动机损耗问题对于 l i 两北工业丈，。# 硕士学位论文 筇一二章稀_ 永般无j j ：j j 直流j 也机的殴汁 稀土永磁无刷直流电动机高效节能是很重要的。稀土永磁无刷直流电动机的损 耗由以下四部分组成：电气损耗、铁心损耗f 铁耗) 、机械损耗和杂散损耗。 其巾在空载运行或轻载运行时，铁耗对于电机的高效影响严重，铁心损耗又称铁 耗，包含磁滞损耗和涡流损耗两种，因此在设计电机时，应严格控制电机的铁 心损耗。 3 转子磁轭和轴材料的选择 转予的磁轭根据经验可选用钴钢片1 、7 2 2 ，其饱和点高，厚度可选0 2 r a m ，山 于电动机的转速较高，轴的材料可选用硬度较高的3 0 ( ：。圮鼻或l 簖1 8v 9 ( 7 ) 4 选择优良轴承 无刷直流电动机的额定转速在3 0 0 0 0 f f m i n 左右，转速较高，轴承的性能好 坏对于电机的性能有很大的影响，应该选性能优良的高速、磨损小的轴承。 5 绕组铜线的选择 应该选择质量好的绕组铜线，铜线尽量选择横界面大些的，这里采用外形 为方形的导线，这样绕组铜线的电阻小，有利于减少铜耗，可以提高电动机的 电能利用率。并可以使槽满率较小，有利于散热。 6 提高加工工艺 在制造电动机时，制造工艺也应该是重要的一个环节。从理论上计算出的 电机参数，如极弧系数、气隙大小、极距、轴的直径，在工艺t ：应该严格贯彻， 工序必须严格要求，做到与理论值一致，这样没计的电机才能达到要求。材料 的选取要保证质量。性能要与理论设计要求的一致，装配时保证转轴前后严格 同心，保证气隙均匀一致，减少电动机的摩擦。 3 3 方波无刷直流电动机电磁参数计算 l 、主要技术指标及尺寸 序号内容计镡公式及符号计尊结果 1额定功率，n 1 5 k w 2额定电压砜1 1 0 v 3额定转谏3 0 0 0 0 ) m i l l 4额定咆流n136 4 a 5预取效率08 5 6计算功率 ，一：生旦。一 i5 8 8 k w 4 ” 7预墩线征荷 1 2 0 ，f c m 8预墩气隙磁脯麻强 芦。06 5 t 9预取计篦极弧系数 0 8 5 l o预取长径比 i爿= l d 电枢内径p = ，f ! ! ! 3 c m v 口，# 加、 】2计算气隙占 07 r a m 1 3中柑外衽办5 c m 1 4极对数 p l 1 5中。枢铁- c , 眭 l = 五d6 1 6 极矩 ) 47 i a ， 2n 1 7永磁体轴向k= l6 _ m 2 、定予结构 序号内容计算公式及符号计算结聚 1齿麴z6 2齿距 口即 。5 7 册z 7 l 3齿距角 3 6 ( 】。 6 0 。 f4 槽槽低窬 b ，1 5r ，玎 槽赢京 b t no 9 c 卅 形 槽l j 谢6 。o2 ( ，卵 尺 槽身深h ( 1 1 05 8 【- 朋 f j 楠肩深h 00 5c m 槽口深h 100 2 c m 5 气隙系数 * 。= 百嚣等睾曳一 l0 4 5 8 5 6槽面积s 。0 7 7 6 4 c m 二 4 5 5 0 掰7铁心轭部沿磁路长 ，。 一2 必h t2一1 2 ) 8 电冲片材料d 3 1 0 3 5 冲片叠片系 ，0 9 4 枢 冲片材料密卢、 76 5 】妇i ，h 、 列】 p 片比损耗 一 i 2 3 f 妇 3 、转子结构 序号内容计饽公式及符号计算结粜 l l 永磁体外径f ，。= d ，一2 d 28 6 ( 掰 2永碰体内径 d 20 6 c m 3永磁体极弧系数 理。0 8 5 4 紧吲外释 d 29 4 c m - 5永磁体磁化方向截 ，? j ，7 d 。 1 97 0 7 c m 一 、 水 永磁材料钕铁硼 磁 剩磁 8 lt 6矫顽力 h 7 9 6 k a “ 材 内禀矫顽力 h 15 9 2 缸4 m 料 材料密度 p 74 9 ，c 7b 对应的磁通b ? s ；，2 ( 1 2 x1 【j1 w b 8 h 对应的磁2 以i 旦。d w 43 3 j 0 1 a 9转子磁轭材睾斗1 尼2 j o 转子磁轭等效计算b ? = d 。? 1 2 1 0 3 c d 7 l9 6 c o l1 1转子磁轭等效磁路 l 町n刚一半， 4 、磁路计算 序号内容计算公式及符号汁葬结果 l漏磁系数 仃 l2 2气隙磁通m = b i 。? n 2 4 1 04 b ，w b 3电枢齿磁感廊强 ”：一! l l 0 9 b dt e 。 4 电枢轭磁感应强日：! 3 5 9 b d t “2 h k l 5 转子轭磁感应强 。r 并 2 3 3 b j 7 。 6气隙磁势r a 、凡= l6 6 k ；b 。o12 7 口1 0 4 7 l t l 柑黹磁势f a )t ，= 2 h ，h ， l1 6x1 02 ， 8| _ _ i 椒轭磁势r a 、l t ? 、= h jl ij 455xl f i“ 9转子轭磁势r a 、，= h ，2l ，： i ，1 0 + ， l o 总磁势( a ) 艺f = f s + l 。+ f ? 2 十f j 。 l l 总磁通m 。= 砷 2 88 b 1 0 。“* 5 、空载特性计算表 b to303 5o 4( ) 4 5o5( ) 5 5o6 ( ) q k = 2 4 x l f r - nw b728496】o81 2i32j 44 3 ，= 1 0 9 b ， 1 03 303 8 0 4 404 90 5 5( ) 6o6 5 b ，二= 23 3 口。丁o6 908 】09 3 ，0 41 1 61 2 8j 4 西北j i ：业大学硕士学位论文第三章稀土永磁无刷赢流电机的设计 b = l4 5 4 8 5t04 4o5 10 5 8 06 50 7 307 908 7 ，a c m0 4 504 80 ，5 lo 5 3o ，5 7o 60 6 4 1 t ，a e r a3 3 84135o6 27 7 593 51 6 o ，1a c m05 2o 5 6o 5 9 o6 50 7 l0 7 9o 8 8 f ；= o1 2 7 x i o b ； a3 7 24 3 44 9 65 5 86 2 07 1 08 4 4 f = 0 0 】6 ao 5 20 5 7o 5 9o 6 o 6 6o6 9o 7 4 f ，= 0 0 1 9 6 i ，a66 28 4 39 81 2 11 5 ，11 833 i ，3 j i = 0 0 4 5 5 h ，1a23 725 52 6 829 642 375 9】oo f a3 8 14 4 55 0 95 7 3 6 3 97 3 48 8 0 啦= 2 & 8 x 】矿最w b8 4 91 0 o1 1 51 2 91 44】5 。8】7 2 6 、永磁体工作图如图 5 0 0 ( )一4 0 0 03 0 0 02 0 0 0一l0 0 0 7 、空载工作点 图3 1 永磁体一1 ：作图 序号内容符号结粜 i气隙磁感应强度巾删0 s 8 厂 i2气隙磁通 口 8 ( ) i 1 0 “ 3电缸齿磁感应蝎摩b 10 7 7 4 87 1 4中椒轭磁感应强度b ，220 37 j 5 转子轭磁感应强度中。0 7 8 丁 8 、电路计算 序号内寐符号及计算公式结果 l绕拥形式两相导通尼形三相六 2第一挂讧f3 3 每极每相槽数 l 4 绕组系龃k 1 5预取空载转速3 3 0 0 0 r i mi n 幽北下业大学硕士学位论文第一章稀十永磁无刷毅流电机的殴计 6 每相绕组串联【d i 数 “二。纽0 瓮等 2 8 匝 7总导体数 = 2 州h 7 m 16 8 根 8每相导体数 ”、= 善 2 8 根 9实际空载转速 n 。一a ：i 兰塑 310 0 0 r r a i n 1 0计算绕组端部长度7 5 4 c m 1 1缡胡每陋平均长度l ；。= 2 ( ，+ b 1 )2 7 c ，” 1 2 预估导线截面积s ：! 、 i7 聊m 2 0 、r t ，d 13导线计算截面积s 。 l0 9 m m 2 1 4导线标称直径l l5槽满率 k ；! ! 一 4 6 4 t 6 导线电流密度 p 1 1 2 0 a c m 2 7 2 _ 产f i i 1 7 每相绕组电阻 ；旦：! 。_ n 0 17 q + 2 m 。 1 8 工作温度电阻 ，一j ：“1 1 - i j 一2 0 ) 。， o 1 9 4 q 9 、电枢反应 序号内容计算公式及反应 结粜 l启动电流f ；二l u2 1 4l 爿 2r 2 寤动时直轴电枢反 f 。，= 姜! 几w 。m ，“、 4 9 1 9 0 5 应最大值 3桶定工作肘反出势e = ( ，母。 、 0 41 6 i 4 额定工作电枢电流 ，。= 生岩 1 36 5 爿 l 5额定工作最大直轴 r 。：毒。w 。 2 f 55 爿 6负气隙磁感应强b #05 57 负载气隙磁通o 79 f n4 w h 载 定于齿磁撼应 口 07 7 t i i 定于轭磁感应 口 2 0 2 97 1 7额定t 作时电磁转i 。= ( ? o f ?0 2 3 3 2 n m 1 0 、性能计算 序嚼内容计算结果及符号结果 l电枢铜耗p 。= 2x ，二，、3 5 2 2 2 电枢铁耗 7 57 7 w k n ，- - 嘉1 i ”“r “l 3轴承磨擦损耗p 。j = k “jn ， 、02 45 4 w 4风损p 。= 2 ) ：) 7 ：f 州( ) 18 06 7 w 商北i ：业大学硕士学位论文第三章稀土水磁无刷直流电机的设训 5机械损耗和铁耗p = 1 2 + p 。| 。+ h 。， 18 09 8 6开关管损耗p = 2 i f j1 0 6 7 w 7 总损耗 z p = ，( + 13 p + 2 7 9 8 9 w 8额定输入功率p r 引u f ，1 5 0 1 5 w 9| 颥定输出功率 = n p1 ：2 】6 l 1 0 电动机效率月：盟xio o 8 】4 设计的无刷直流电动机的主要参数为 每相绕组电阻r = 0i7 q 电势系数e = i 2 p 中。= 3 5 1 1 0 1 ) 口 转矩系数o ：竺m ；：3 , 3 1 。1 0 一z ? r c i z 转子惯性矩j = s d ；l ，1 0 9 8 = 1 7 1 0 。n m j 式中l 为考虑位置传感器转子的等效长度取，= 9 1 0 ：m 机电时间常数_ = j 专乏= o 0 5 1 = 5 m “。 两北i l q k 人学硕士学位论文第四章系统硬什电路设计 第四章系统硬件电路设计 前一章主要介绍了太阳能无人飞机动力驱动器所用到的稀土永磁无刷直流 电动机即电机本体没计，本章将介绍控制器的硬件设计，主要包括以下几个方 面：数字信号处理器f m s 3 2 0 1 。f 2 4 0 7 电路、隔离电路、驱动电路、电流互感器电 路、键盘及显示电路。 4 1 数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字信号处理( d i g i t a ls j g f l c l ip f o c e s s n g ) 是门涉及许多学科而又广 泛应用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的 飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年 时间罩，数字信号处理已经在各个领域得到极为广泛的应用，i ) s i ，( d js g i t a l s jg n a l ) f o c e s s o f ) 实际h 也是一种单片机，它同样是将中央处理单元、控制单 元和外围处理设备集成到一块芯片上，d s p 最早是针对数字信号处理，特别是语 音、图像信号的处理而开发的，这类信号处理的算法复杂，要求d s p 必须具有 强大快速的运算能力。因此i ) s p 有别于普通的单片机。它采用了多鲴总线技术 实现并行运行机制，从而提高r 运算速度，也提供了非常灵活的指令系统。最 近这些年来，各种集成化的单片d s i ，的性能不断的改进，相应的软件和丌发工 具口臻完善，价格迅速下降，使得i ) s p 在控制领域的应用成为可能。 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优 点： 1 接口方便。d s i 系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相 互兼容的，与这样的系统接口以实现某科t 功能要比模拟系统与这些系统接口要 容易得多； 2 编程方便。i ) 卵系统中的可编程i ) s i ，芯片可使设计人员在开发过程叶 灵 活方便地对软件进行修改和升级： ：3 稳定性好。d s i ，系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较 小，可靠性高； d 精度高。j6 位数字系统可以达到1 0 。的精度； 蹬北r 业大学硕士学位论文第四章系统硬件电路世计 5 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，丽数字系 统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； 在数字信号处理器领域中，德州仪器( 7 1 1j ) 公司的产品及其配套技术与开 发工具最有强大的竞争力，其中t m s 3 2 0 1 。f 2 4 0 7 是7 1 1 i