（电力系统及其自动化专业论文）大功率永磁无刷牵引电机及其控制系统研究.pdf

j ! 塞銮塑查兰堡圭兰垡丝兰查塑皇坐壁重型垩! ! 皇垫墨墨笙型墨堑塑壅 键技术难题，如转矩脉动、退磁等问题，寻找改善的办法和 途径。 本文设计了基于a t 8 9 c 5 1 的b l d c m 控制系统，并完成 了b l d c m 控制系统硬件电路的设计，完成r 实验样机的研制。 控制系统中，主电路采用了绕组连接为无中性点星形联结的 全桥拓扑电路结构。为了减小转矩脉动，控制方式采用上下 桥轮流单极性p w m 调制方式进行控制；内环采用p i d 进行电 流闭环控制，外环采用转速环，组成双闭环控制系统。对换 相过程中产生的转矩脉动，采取换向角前移，提高电流的响 应能力。 为了避免因过高的工作温度下过大的冲击电流引起的退 磁问题，本文对永磁电机采用的钕铁硼材料的退磁曲线进行 了分析，在控制系统中采取了对电流峰值进行限幅斩波和对 过大的冲击电流截止的保护电路，并对电机的工作温度进行 监测。 本文还对设计大功率永磁无刷直流电机控制系统的关键 技术：如冷却散热方式及热平衡计算、永磁无刷直流电机及 ! ! 塞奎望盔堂堡圭堂垡堡塞叁垫垩查燮歪! ! 皇! ! 生垫丝基丝型墨堕堕壅 控制系统的电磁兼容等问题进行了探讨和设计。通过对这些 技术的设计和研究，确保控制系统的可靠性和稳定性。并为 设计研究机车牵引用永磁无刷牵引电机的设计奠定一定的技 术基础，并为后续的研究提供必要的理论依据和研究方法。 关键词：永磁无刷直流电机，转矩脉动，退磁，冷却散 热，电磁兼容，a t 8 9 c 5 1 北京交通大学硪士学位论文大功率永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 d e s i g na n da n a l y s i s0 fap e r m a n e n t m a g n e tb r u s h l e s sd ct r a c t i o nm o t o r c o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t p e r m a n e n tm a n e tb r u s h l e s sd cm o t o r s ( b l d c m ) a r e n o v e lm e c h a n o t r o n i c sd e v i c e s g r o w i n gu pr a p i d l y w i t ht h e d e v e l o p m e n to f p o w e r e l e c t r o n i cm o d u l e sa n dp e r m a n e n tm a g n e t m a t e r i a l s t l l e yh a v et h ea d v a n t a g e s o f h i g hp o w e rd e n s i t y , s m a l l s i z e ，l i g h tw e i g h t ，h i g he f f i c i e n c y , h i g ht o r q u ep r o d u c t i o n ，s i m p l e c o m p o s i n gc o n t r o ls y s t e m ，a n dg o o dt i m i n gc h a r a c t e r i s t i c s - a l l o ft h e a d v a n t a g e s l e a dt h eb l d c mt ob e c o m ea ni m p o r t a n t d e v e l o p i n g d i r e c t i o ni nt h ea r e ao f m o t o rs p e e d c o n t r o l i nt r a c t i o nf i e l d ，t h eb l d c m h a sag o o df u t u r e ，e s p e c i a l l y i nt h e c a s eo fe l e c t r i c a l t r a c t i o n e n g i n e b e c a u s eo ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g hp o w e rd e n s i t y a n dh i g he f f i c i e n c y , t h e b l d c m p o s s e s so fa d v a n t a g ec a nn o tb es u b s t i t u t e da n dv e r y 北京交通大学硕士学位论文人功率永磁无刷乖引电机及其控制系统研究 h u g ea p p l i c a t i o n m a r k e t t h et h e s i si n t r o d u c e sa p r o t o t y p e o f3 0 k wb l d c m p u r p o s ea n di t s c o n t r o ls y s t e mf o rt h et r a c t i o n k e yt e c h n i q u e p r o b l e m s f o rt h eb l d c ma r ea n a l y z e d ，s u c ha st o r q u ep u l s a t i o n ， d e m a g n e t i z a t i o n ，a n d t h e a p p r o a c h t o i m p r o v e t h e s y s t e m i s d i s c u s s e d t h et h e s i s d e s i g n s ab l d c mc o n t r o l s y s t e m b a s e do n a t 8 9 c 51 t h eh a r d w a r e f o rt h e s y s t e m i s c o m p l e t e d ，a n e x p e r i m e n ts a m p l e i sd e v e l o p e d m a i ne l e c t r i cc i r c u i ta d o p t sf u l l b r i d g et o p o l o g i c a lc i r c u i ts t r u c t u r ew i t hy c o i lc o u p l i n gw i t h o u t n e u t r a ld o t i no r d e rt or e d u c et h et o r q u er i p p l e ，u pa n dd o w n b r i d g em o n o p o l ep w m m o d u l a t i n gm o d ei s u s e d i n n e rl o o p w i t hp i dc o n t r o l l e ri su s e di nc u r r e n tc l o s e dl o o pc o n t r o l l i n g o u t e r l o o p i sa s p e e d c o n t r o l l o o p ，c o m p o s i n g a d o u b l e c l o s e 1 0 0 p c o n t r o l s y s t e m i n t h i s p a p e r t h ea u t h o r a d o p t e d t h em o v m g t u r n i n ga n g l e a h e a dm e t h o dt om i n i m i z et h e t o r q u er i p p l ep r o d u c e d d u r i n g t h ec o m m u t i n g 北京交通大学硕士学位论文大功率水磁无剃牵引电机及其丰空制系统研究 i no r d e rt oa v o i dt h ed e m a g n e t i z a t i o np r o b l e mb r o u g h tb y t h es t r i k i n gc u r r e n t ，t h i sp a p e ra n a l y s i st h ed e m a g n e t i z a t i o nc u r v e o fn d f e b i nt h ec o n t r o l s y s t e m t h ea u t h o r a d o p t s c u r r e n t c h o p p i n g m e t h o df o rt h ec u r r e n t p e a kv a l u e a n d d e s i g n s a p r o t e c t i o n c i r c u i tt o a g a i n s t t h e h i g hs t r i k i n g c u r r e n ta n dt o i n s p e c t t h ew o r k t e m p e r a t u r e t h i st h e s i sa l s o d e s i g n s t h e k e yt e c h n o l o g i e si n c l u d i n g t h e c o o l i n gm e t h o d ，t h ec a l c u l a t i o n o fh e a tb a l a n c ea n dt h ee m c p r o b l e mo f c o n t r o ls y s t e m t h ed e s i g n i n ga n dr e s e a r c h i n go f t h e t e c h n o l o g i e s a b o v ea s s u r e st h er e l i a b i l i t y a n ds t a b i l i t yo ft h e c o n t r o ls v s t e m ， e s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g n o f b l d c mu s e di nr a i l w a y l o c o m o t i v ea n da l s o p r o v i d e s t h e e s s e n t i a lt h e o r ya n dr e s e a r c hm e t h o d f o rt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h k e y w o r d ：b l d c m ，t o r q u e r i p p l e ，d e m a g n e t i z a t i o n ， r e f r i g e r a t i o n ，e m c ，a t 8 9 c 5 1 ! ! 室奎望壅堂塑主垫论文大功率永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 a a b 6 c c s d p j 、e 占、已f 匕 e 啪 月、1 疗、k h h c i ld 符号说胡 并联支路数； 散热器翼片的截面，单位：平方米 气隙磁通密度幅值，单位：特拉斯 整流滤波电容量，单位：法： 缓冲电路电容值，单位：法； 脉宽调制占空比：0 d s l ； 三相定子电动势，单位：伏特； 星型联结的b l d c m 感应电动势，单位：伏特 b l d c m 单相绕组感应电动势单位：伏特 开关频率单位：赫兹； 三相定子电流，单位：安培； 散热器翼片的高度。单位：米； 矫顽力，单位：千安米 绕组电流有效值，单位：安培 方波电流的幅值，单位：安培； a 北京交通大学硕士学位论文大功率永磁差型空! i 皇垫垦茎丝型墨! ! 型堕 i r n a x ，o j m l i s 3 k d k s k l l 。、k 、k 工、工 c 、上“、 负载电流，单位：安培； 绕组峰值电流，单位：安培； i g b t 关断时集电极电流，单位：安培； 母线上的电流有效值，单位：安培； 二极管流过的电流，单位：安培； 转子与负载的转动惯量，单位：千克每平方米 绕组分布系数； 斜槽系数； 主电路中分布电感，单位：亨； 三相定子自感，单位：亨； 工、三。、工三相定子间互感，单位：亨； 定子铁心长度，单位：米： 电动机转速，单位：转每分： 总导体数； 极对数： 每极每相槽数； 三相定子绕组电阻，单位；欧姆 b k n n n q r 北京交通大学硕士学位论文大功率永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 i g b t 等效电阻，单位：欧姆； 静态热阻，单位：度，瓦； 电容提供电流的时间，单位：秒 电磁转矩，单位牛米： 电枢回路电磁时间常数，单位：秒 负载转矩，单位：牛米 i g b t 平均结温，单位：度； 电力拖动系统机电时间常数，单位：秒 平均电压，单位：伏特； 三相定子电压，单位：伏特 为直流侧供电电压，单位：伏特 主开关电压峰值，单位：伏特； 主开关额定电压。单位：伏特； 转子的线速度，单位：米秒； 翼片的周长，单位：米； i g b t 开启电压，单位：伏特； ( ! o 堆 、 ， w ， 拍 脐 t 乃 i t l d 叻 u 叶 u 蜥 北京交通大学硕士学位论文大功率永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 w w c v 棚 占 蛾 a 九 每相绕组的匝数，单位：匝； 每个线圈的匝数，单位：匝； 峰峰值纹波电压，单位：伏特 电机的机械角度转速，单位：弧度每秒 换向角，单位：弧度： 每极气隙磁通，单位：韦伯； 对流系数，单位；瓦，平方米度 散热器的热传导系数，单位：瓦华氏米 d 北京交通大学硕士学位论文 大功宰永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 1 1 选蠢背景 第一章绪论 永磁无刷直流电动机( b l d c m ) 是近年随着电力电子器件及新型 永磁材料发展而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机。其具有功率 密度离、体积小、重量轻以及效率较高、调速性自2 好、出力大，组成调 速系统结构简单等优点，使永磁无刷直流电动机及其控制系成为调速领 域的一个重要发展方向。 由于永磁无刷电机的高功率密度和高效率，在电动车的使用中表 现出很大的潜力，特别在电力机车的牵引方面，具有很大的前途。随着 铷铁硼永磁材料价格的逐年下降，其价格有与感应电机相竞争的趋势。 因其类似于直流电动机，在控制原理上较感应电机相对来说更容易。 目前，该技术的关键技术难题是，存在转矩脉动和退磁效应。这些 问题除了在电机的电磁设计及结构设计方面要重点研究外，还有望通过 合理有效的控制策略得以改善。目前，退磁问题及转矩脉动仍然是影响 其推广应用的关键技术难题。本论文将对这些问题展开研究和讨论。如 果能找到解决永磁无刷直流电动机退磁问题及转矩脉动的难题，将推动 其在牵引领域的广泛的应用，从而产生巨大的经济效益和社会效益。由 第1 页 垄墨窒望奎兰堡圭堂堡论文大功率永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 此可见，该题目具有一定的理论价值和学术意义。 本人的硕士论文题目主要围绕校基金“十五”重大项目专项：“大 功率永磁无刷直流电动机及控制系统”来展开研究工作的，其研究的成 果将用于铁道工矿车上进行实际考核试验，对永磁无刷直流电动机在电 动车辆、城市轻轨、电力机车上的应用进行理论、技术及其实验研究。 本人在该项目中，在导师指导下。主要要完成基于a t 8 9 c 5 l 的控制系统 的总体方案设计及其3 0 k wb l d c m 控制器样机的研制，并对大功率的 b l d c m 系统的转矩脉动控制方法、退磁问题、热平衡计算及冷却散热 方式、电磁兼容等问题展开讨论和研究。硕士论文将围绕以上科研工作 来进行。 1 2永磁无直瀛电动机圈内外发晨状况 国外自八十年代开始，世界各国主要电气厂商如西德的b o s c h 已 开始生产l k w 1 5 k w l 4 个规格的系列产品，p a p s t 、s i e m e n s 、 i n d k a m a t 厂商，西欧的b b c 、a l s t h o m 公司也都有类似的系列产品。 f i 本安川、三荣等电机公司相继开发出的永磁无刷直流电动机系列产品 取代了交流异步机的矢量控制，而成为数控机床中占主导地位的进给电 机。俄罗斯则研制成功低转速2 “5 0r p m ) 、大功率( 3 5 兆瓦) 的永磁无 刷直流电动机，用于潜艇的驱动。在牵引方面，法国的b b 2 6 0 0 0 、t g v - 2 、 俄罗斯的bj 1 8 3 电力机车等均采用了晶闸管同步牵引电机。日本已将永 磁无刷直流电动机用于电动汽车驱动。 北京交通大学硕士学位论文 大功率永磁无刷牵引电机及萁控制系统研究 “锣能化”的永磁无刷宜流电动机，已进入小功率驱动的工业市 场和家庭。如美国l i t t o n 公司最新推出低噪声永磁无刷直流电动机，在 各种转速下其噪声只有2 4 d b ，广泛应用于计算机外设、录象机、录声 机、泵、轴流风机及医疗设备等。美国g e 公司设计的5 5 w 吊扇电机 产生的风量和1 0 0 w 普通交流电机风扇相同，而温升却减少一半。日本 o r j e n t a l 公司最新开发k b l 型高功能主轴电机带有电磁制动器 的永磁无刷直流电动机，应用于机器入、数控机床和搬运设备等。 1 9 9 0 年在美国波斯顿招开的国际电机会议上，许多学者发表了关 于永磁无刷直流电动机的论文，提出了永磁转予的四种基本构成形式、 磁场分布及各自的性能比较。 国内，永磁无刷直流电动机在微电机中已有定型产品，如西安微电 机研究所生产的z w 系列永磁无刷直流电动机和3 6 2 w g 型永磁高速无 刷直流电机，上海微电机厂生产的z w h 型永磁无刷直流电动机及苏州 电讯电机厂生产的f z w 型永磁无刷直流轴风机等。上述所有产品功率都 在零点几瓦到几十瓦。 在大功率无刷电机的研发方面国内已作了很多工作：9 3 年上海电 机厂研制的1 1 0 k w 永磁同步电动机在上海吴淞自来水厂投入运行，沈 阳工业大学唐任远教授8 0 年后研制成功了4 0 1 6 0 k w 励磁机，中船第 7 1 2 所已研制成功2 0 0 k w 船舶推动用永磁无刷电机。然而大功率无刷电 机技术水平离世界先进水平相差很远：1 9 8 6 年德国西门子公司完成 篇3 -页 北京交通大学碗士学位论文 盔望兰查壁：垄型垩! ! 皇塑丝墨塑型墨竺曼壅 瑞士b b c 公司1 9 8 6 年设计1 5 0 0 k w 永1 1 0 0 k w 永磁推进电机的研制， 磁推进电机，1 9 9 6 年法国的热蒙施耐德公司完成1 8 0 0 k w 、3 0 0 r m 用 于潜艇的永磁推进电机和控制系统【1 1 。美国的n e w p o r t n e w s 造船厂 在研制1 8 6 m w 的无刷直流推进电机【2 1 。 国家“8 6 3 ”计划把电动汽车项目作为汽车工业可持续发展的一个 发展战略，并进行了很大的投入。目前。作为电动汽车驱动的电机类型 有异步电动机、永磁无刷电机和开关磁阻电机( 以下简称s r m ) 。异步 电动机转矩波动较小，但效率较低，特别在低速阶段；s r m 具有结构 坚固、可靠性高，全工作范围内效率商，低启动电流和高启动转矩的优 点，但其转矩波动的难题，是影响其在电动汽车上推广应用的致命因素。 永磁无刷电机具有较高的效率和较高的功率密度，控制较为容易。但同 时存在着制造工艺复杂，存在退磁问题和转矩脉动问题。这些正是制约 永磁无劂直流电动机在电动汽车及其牵引领域应用的关键技术难题。因 此对其展开进行深入的研究是非常必要的。 采用永磁无刷电机驱动系统的国外电动车有：日本丰田公司c u v 4 、e v p i u s 电动轿车，日产公司的p r a i r i ej o y 厢式电动车，中部电 力公司d r e a mm i n i 电动轿车，东京电机大学的2 座电动轿车等。 国家“8 6 3 ”计划将永磁高速无刷直流电动机列为电动汽车驱动电 机之一，已吸引了大批的科研院所及企业对其投入研究。中船七二一所 研制的永磁盘式电机用于电动自行车，并和俄罗斯合作，研制用于潜艇 第4 页 苎曼奎望查鲎堡主堂竺堡苎 ：奎垫皇查燮重型窆! ! 皇垫墨苎丝型墨堕墅塞 的大功率永磁无刷直流电动机。而北京理工大学则研制用于电动大巴的 大功率永磁无刷直流电动机。尽管如此，该电机仍然存在着转矩脉动及 退磁等很多问题，仍然是各国研究的热门课题之一。我国在大功率永磁 无刷直流电动机的研究方面仍处于起步阶段。特别在电力机车牵引领域 应用方面，国内目前基本处于空白。 目前，国内电力机车采用的牵引系统主要有两个方面：直流电机牵 引、交流异步电机矢量控制。永磁无刷直流电动机在该领域应用，还有 待永磁体材料及相关的工艺设计技术的进一步发展、永磁电机的设计及 制造技术、大功率永磁无刷直流电机控制技术的成熟。应该说，在该领 域，b l d c m 具有不可限量的前途。 1 3论文内容安排 本硕士论文是围绕校基金“十五”重大项目专项：“大功率永磁无 刷直流电机”来展开研究工作，拟研制一种用于牵引的3 0 k w 永磁无刷 赢流电动机及其控制系统。本人的主要工作是进行控制系统总体设计及 控制器样机研制。在本论文中，将对大功率永磁无刷直流电机及控制系 统的关键技术及其控制方法展开讨论。涉及的主要问题有：b l d c m 的 工作原理及控制方法、主开关电路及功率元件参数的计算和选型、基于 a t 8 9 c 5 1 控制系统的硬件设计、热平衡计算及冷却散热方式的研究、 第5 -页 j ! 堡奎望查兰墼圭堂堡堡壅 查堡堂查壁至型窆! ! 鱼! ! 墨基笙型薹篓堕窒 b l d c m 控制系统的电磁兼容问题研究以及对b l d c m 转矩脉动及退 磁问题展开豹讨论和采取的措施。具体安排如下： 第二章基于方波控制的b l d c m 系统工作原理在这一章中， 主要介绍永磁无刷直流电机的结构、工作原理：方波控制( b l d c m ) 和正弦波控制( p m s m ) 的概念及控制方法；叙述了永磁电机绕组为星 形连接时电路的工作方式，讨论了双极性p w m 、单极性p w m 及上下 桥臂开关管轮流进行单极性p w m 调制时的工作情况及优缺点，并选择 了上下桥臂开关管轮流进行单极性p w m 调制的方式作为本系统的 p w m 调制方式；设计了转速、电流双闭环的p i d 控制结构；对输出转 矩的最优控制展开了研究和讨论。 第三章3 0 k w 永磁无刷直流牵引电机主电路设计及驱动电路设 计研究本章主要根据该项目的需要，探讨不同功率电路的利弊，对主 电路的拓扑结构进行了选型设计，并对元件的定额和参数进行了计算和 选型；通过对功率回路的分析，设计了r c d 缓冲电路；通过对i g b t 驱 动性能和特性的研究，设计了合适的驱动电路。 第四章基于a t 眇c 5 1b l d c m 控制系统硬件电路设计在第四 章中，根据控制原理和控制系统的结构圈，设计了基于a t 8 9 c 5 1 b l d c m 控制系统硬件电路：阐述了实现各部分功能的硬件电路及控制 方法；还叙述了位置传感器硬件电路和霍尔电流传感器检测电路的设 计。 第6 页 燮通本掌硕士学位豫文大功率永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 第五章变流豁的热平衡计算及冷却散热设计研究对于大功率 变流器的设计，其热平衡计算及其冷却散热研究是其中的一项重要内 容。本章研究了b l d c m 变流器各种功耗的计算方法、i g b t 的动态 热阻以及冷却散热方式和热平衡计算；通过研究，为重载机车牵引永磁 电机控制系统的冷却散热设计提供理论依据和分析方法。 第六章b l d c m 的转矩脉动及退磁问题研究b l d c m 的转矩 波动及退磁问题是该系统的两个关键技术，也是研究的热点问题。本章 主要研究永磁无刷直流电动机关键技术，如影响转矩脉动和退磁的因 素，找到改善和解决的技术和方法。如电机的电磁设计及结构设计方面、 工艺技术、合理有效的控制策略等；在转矩波动的研究方面，本文结合 电机结构的设计和控制方法，对其进行了探讨。通过对电流波形的控制， 以及换向过程中对换向角的提前控制，实现对转矩波动的抑制；退磁问 题的探讨除了永磁体永磁材料的选择和电机的工艺设计外，在控制上还 探讨了可以采取的措施。主要包括：噪音和高次谐波的抑制、工作温度 的检测控制及引起反向退磁磁场的最大冲击电流的限制来避免疲劳退 磁和突然退磁的发生。 第七章b l i ) c m 变流器电磁兼容研究电磁兼容( e m c ) 的设计主 要包含两个内容：e m i 和e m s 。本章通过研究b l d c m 变流器的能量 传递及必要的信号处理过程。以及对含干扰传递途径的b l d c m 交流 器等效换流回路的分析，叙述了干扰电流的发生及其能量等级。通过对 第7 -页 北京交通大学硕士学位论文 大功率永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 系统的电磁环境、耦合途径及敏感设备的分析，对系统进行了电磁兼容 ( e m c ) 的研究和设计。 第八章总结对全文的研究工作进行总结和回顾，介绍研究形成的 成果样机，列举研究工作的创新点。 北京交通大学硕士学位论文 夫功率永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 第二章基于方波控制的b l d c m 系统工作原理 2 1 永磁无嗣赢漉咆动机工作愿理 2 1 1 永磁无焉直流电动机的构成 永磁无刷直流电动机是随着电力电子技术、稀土永磁材料、微处 理技术而发展起来的机电一体化的产物。其结构框图如图2 - 1 所示。它 主要由电机本体、位置传感器、和电子换向器三部分组成。 电子换向器 二一j 图2 - 1 永磁无刷直流电机及控制系统结构框图 f i g u r e 2 - 1f r a m eo fb l d c m c o n t r o ls y s t e m s ( 1 ) 电机结构 构成b l d c m 的电机本体由定子和转子两部分组成。本系统中， 定予绕组为三相，且为整距集中式绕组；转子由稀土永磁磁钢按一定极 第9m 也塞至望查兰堡主堂些丝塞 查生兰查堂垄型至! ! 鱼垫墨茎墼型墨竺塑塑 对数组成。考虑本项目作为机车永磁牵引电机的预研项目，提高无刷电 机的能量密度、降低电机的自身重量是本系统进行研究时要考虑的一个 重要因素，气隙磁场应尽可能设计成梯形波。转子结构如图2 - 2 所示， 永磁体采用n 3 5 s h 钕铁硼材料，其磁 导率与空气接近，d 轴与q 轴的磁阻基 本相等，可以消除 由于d 轴与q 轴的 磁阻不相等引起的 磁阻转矩波动【3 】。 在本系统中， 体 图2 2 永磁无刷直流电机转子结构示意图 f i g 2 - 2c o n 埏u r a l i o nd i a g r a mo f b r u s h l e s sm o t o rr o l o r 为三相四极( 两对极) 结构。通常，在额定负载以内，气隙磁场与电枢 电流无关，转矩和电流可以近似为线性关系，因此，有利于设计控制器。 ( 2 ) 电子换向器 电子换向器是由变换器的功率开关器件、位置信号逻辑处理电路及 控制单元构成。主要用来控制电机定子各绕组通电的顺序和时间。无刷 直流电动机本质上是自控同步电动机，电机转子跟随定子旋转磁势运 动，因此，应按一定的顺序给定予各相绕组轮流通电，使之产生旋转的 第1 0 页 北京交通大学碗士学位论文大功率永磁无刷牵引电机及萁控制系统研究 定子磁场。无刷直流电机的三相绕组中通过的电流是1 2 0 0 电角度的方 波，绕组在持续通过恒定电流的时间内产生定子磁场在空间是静止不动 的。而在开关换相期间，随着电流从一相转移到另一相，定子磁场随之 跳跃了一个电角度。而转子磁势则随着转子连续旋转。这两个磁势的瞬 时速度不同，但平均速度相等，保持“同步”。 ( 3 ) 位置传感器 位置传感器在无刷直流电动机中起着检测转予磁极位鹭的作用，为 功率开关电路提供正确的换向信息，即将转子磁极的位置信号转换成电 信号，经位置信号处理电路处理后控制绕组换相。但也可以通过检测电 机相关信息量，经过处理后得到位置信号，实现位置传感器的功能，即 用无位置传感器控制方式取代传统的轴位置传感器。 本系统研究的为轴位置传感器，将在4 2 章节中作详细介绍。 2 1 2 方波控制和正弦波控制的无尉电机的概念 无刷电机包括方波无刷电机和正弦波无刷电机。 方波无刷电机( b r u s h l e s sd c m o t o r b l d c m ) ：反电势的波形为 梯形波。又称：无刷直流电机或矩形波无刷电机。 正弦波无刷电机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r p m s m ) 反电势的波形为正弦波。 第i i页 ! ! 室塞遒杰学硕士学位论文大功事永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 有些资料称反电势为方波的无刷电机为方波无刷直流电机，称反 电势为正弦波的无刷电机为正弦波无刷直流电机。 p m s m 和b l d c m 都是自同步控制运行的电机，线端电压的给定均 以转予位置为基准。p m s m 对转子位置的精度要求较高，相应的位置编 码器成本较高。而b l d c m 通常可以通过霍尔元件或光电元件来检测， 实现电路较为简单，成本较低。 在本系统中，位置信号的检测是通过光电传感器来实现的。在4 2 章节中，将作详细介绍。 p m s m 与b l d c m 虽然结构接近，但运行原理有差别。我们主要讨 论b l d c m 。 2 1 3b l d c m 的运行原理 方波控制的永磁无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发 展起来的，其内部发生的电磁过程与普通直流电动机类似，因此可以采 取类似于有刷直流电动机的分析方法进行分析。 本系统采用瓦形表面贴装结构，极数为两对极。分析时对理想的 b l d c m 作如下假设： 1 ) 永磁体在气隙中产生的磁通密度呈矩形波分布，在空间占9 0 0 ( 电角度) ； 第1 2 页 北京交通大学硕士学位论文大功率永磁无刷牵引电机及其拉制系统研究 2 ) 电枢反应磁场： t t , b ，可以忽略不计； 3 ) 定子电流为三相对称1 2 0 0 ( 电角度) 的矩形波，定子绕组为6 0 0 相带的集中整矩绕组。 在理想情况下，由矩形 波气隙磁通与矩形波定子 电流相互作用，三相合成产 生恒定的电磁转矩，不会产 生转矩纹波。图2 3 为理想 状况下的方波控制永磁无 刷直流电动机气隙磁密和 相电流示意图【4 1 。 采用表面贴装的转子 结构永磁无刷直流电动机 容易得到矩形波分布的磁 密，而且通过调节气隙中永 磁体所跨的角度可方便改 图2 3 理想的b l d c m 气隙磁密、反电势和电流 a ) b8 、1 i r o 曲线b ) i 、e w t 曲线 f i g 2 - 3i d e a lg r a p ho f a i rg a pm a g n e t i cf l u xd e n s i t y , b e m fa n dc u r r e n t a ) c u r v e f o r b6 ，1 i ，0b ) c u r v e f o r i ，e w t 变气隙磁密波形。因此，本系统的永磁电动机转子磁路为矩形波。 由于饱和的影响和充磁等及其它一些因素，电动机的气隙磁密波形 并不是理想的矩形波，电动机的电磁转矩中也含有纹波转矩，因此实际 第1 3 页 北京交通大学硕士学位论文大功率永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 设计时需要借助于有限元数值计算等方法对气隙磁密的实际波形进行 分析计算。 与有刷直流电动机一样，当电动机电枢磁动势与永磁体产生的气隙 磁通正交时电动机转矩达最大值，换句话说，只有当电流与反电势相同 时电动机才能得到单位电流转矩的最大值。 2 1 4b l d c m 实时控制模型嘲 达 无刷直流电动机三相定子电压的平衡方程式可用下列状态方程表 e ； = 孳岳量1 【芝 + 笔薹笔 p + e ； c z _ - ， 式中、“口、“c 三相定子电压： p 。、三相定子电动势； 、f c 三相定子电流： l 、岛、k 三相定予自感； 三 日、l m 、工。、目( 、“、。m 三相定子间互感，由电动机 第1 4 页 北京交通人学硬上学位论文人功率永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 结构决定，在一个3 6 0 度电角度内( 机械上为一对磁极距) ，转子的磁 阻不随转予位置变化而变化，并假定三相对称，则有： 工= 扫= 三c = l 8 = l “= 上_ c2 l c , 4 = l b c = l ( ( 2 2 ) 2 3 ) 式中m 为无刷直流电动机定子绕组间互感，则式( 1 - 8 ) 可改写成式 ( 2 4 ) ： 阡雎 ( 2 4 ) 在i + i 8 + f f = 0 ， 因而有 峨+ 脚c = - m i 。，所以式( 2 - 4 ) 经整理可变为 o l m 0 ( 2 5 ) 电磁转矩的表达式为： 跨过空隙传到转子的功率 ( 2 _ 6 ) 乃2 一菇子的机械角速度 = 0 i j + 口8 + e c i c ) 砬， 第1 5 页 1j 日 c p e 口 h。，l + 1，j 8 0 f ，f z 。l p j m m m 工m 晡一一机 + 办 一 h 一动 l = h h k 电 一 一 o o r 称 、，j 口 c p e e l 1j 序 c l=一一 p 1llj m o o 一 m _ o o 。，。l + 1，j 毛k riiiijj。j址 o o 露 0 墨o r o o l i i 1，j 月 口 c “ 材 “ l 北京交通大学硕士学位论文人功率永避无捌牵引电机及其控制系统研究 在通电期间，无刷直流电动机的带电导体处于相同的磁场下，各相 绕组的感应电动势为： e ，= ( p 。n 6 0 ) 中，n ( 2 7 ) 式中n 电动机转速； 。主磁通； p 。极对数； n 总导体数。 从变频器的直流端看，星型联结的无刷直流电动机感应电动势由两 相绕组经逆变器串联组成，所以有： e j = 2 e 。= ( p 。n 3 0 ) m 。 ( 2 _ 8 ) 因此电磁转矩表达式可化为： 乃= ( 2 e 。，d ) 珊= ( p 。n z ) e p 。，d ( 2 9 ) 式中：l a 方波电流的幅值； 脚= 2 n n 6 0 。 转子运动方程为： d c o d t = ( l t l ) j ( 2 1 0 ) 式中 负载转矩； ，转子与负载的转动惯量。 由式( 2 9 ) 可以看出，无刷直流电动机的电磁转矩表达式和普通 直流电动机非常相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，所以 第1 6贞 北京交通大学硕士学位论文大功率永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 控制逆变器输出方波电流幅值即可控制无刷直流电动机的转矩。当送入 1 2 0 度电角度三相方波电流并使之与每相感应电动势( 当转子磁动势相 差9 0 度) 时，无刷直流电动机转矩脉动为零。 2 1 5永磁无刷直流电动机的动态结构田 若忽略永磁无刷直流电动机中互感的影响，有下列关系式： u d o = r i d + 三( 棚d 讲) + e ( 2 1 1 ) e = c 。n ( 2 1 2 ) 疋一瓦= 等i d n ( 2 - 1 3 ) 疋= c 。，d ( 2 1 4 ) ，比= l c 。 c e ：p n o 丌 c 。= 3 0 ce | 耳 式中： 五包括空载转矩在内的负载转矩 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) g d 2 电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮矩 p 无刷直流电动机的极对数 总导体数： 中主磁通： 北京交通大学硕士学位论文火功串永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 另外假设有：瓦= 纠尺电枢回路电磁时间常数 l = j g d 万2 石百r 电力拖动系统机电时间常数。 将式( 2 1 0 ) 整理并进行拉氏变换得： u d 0 0 ) 一e ( s ) = r i d 0 ) + r 正，d 0 ) 于是可得电压一电流传递函数为： 益q：j 坐 u d o ( s ) 一e ( s ) 1 + 1 5 将式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 代入式( 2 - 1 2 ) 并进行拉氏变换得： j 。 ) - l a l ( s ) = - s e ( s ) 于是可得电流一电动势传递函数为： 墨嫂：旦 i e ( s ) 一屯( j ) r s 所以永磁无刷直流电动机的动态结构图如图2 - 4 所示a 图2 4 永磁无刷直流电动机动态结构图 f i g 2 4d y n a m i c f r a m eo f b l d c m 第1 8 臾 ) ) ) ) 蠊 侈 如 烈 ( ( ( ( 北京交通夫学硕士学位论文大功率永磁光刷牵引电机及其控制系统研究 2 1 , 6 永磷无曩直汪电动机控麓系攘垮i 勺榧瞳 根据前面的分析，无刷直流电动机的电磁转矩表达式和普通直流电 动机非常相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，所以控制逆 变器输出方波电流幅值即可控制无刷直流电动机的转矩。 实际情况本系统所设计的永磁无刷直流电动机的反电势波形为梯 形波。如果不考虑电枢反应等因素，反电势波形为理想的波形，可以通 过电流闭环控制获得恒定的转矩输出。 为此。根据永磁无刷直流电动机的动态结构图，本系统采用转速环、 电流环双闭环控制结构。其组成框图如图2 5 所示。 s h 速度调节鬻 c r 电城调节器 图2 - 5b l d c m 控制结构框图 f i g u r e2 - 5c o n t r o ls t r u c t u r ef r a m e 图中，a s r 为转速调节器，a c r 为电流调节器。其中，电流闭环为 第1 9 页 韭蔓塑盔兰堡圭兰垒望塞 查兰垩查壁墨! ! 垩! ! 曳垫墨基丝塑蔓篓堡塞 内环控制，转速闭环为外环控制。均采用p i d 控制算法进行控制。p w m 为脉宽调制电路，转速反馈信号由位置信号经运算处理后获得，电流反 馈信号由检测绕组上的电流获得。 2 1 7 s l i ) c m 的转矩输出优控翻 转矩输出最优控制包含两层基本含义：一是同样的电流输出状态下 对应的转矩最大，可以通过转矩电流t e 来衡量：二是同样的电源电压供 电状态下，电机的转矩转速范围最大，可以用恒功率运行范围来衡量。 不考虑凸极效应，电磁转矩最大时所需满足的条件可以通过换向角 ( 即电压矢量和反电势矢量之间的夹角) 确定 6 j ： 庐培q r ) 即换向角的大小直接影响电动机的 电磁转矩，且不同转速时取得最大转 一 目 矩的换向角也是变化的。主 式( 2 2 1 ) 可以认为是仅考虑永 心 磁无刷直流电动机的基波作用时的 结果，所以永磁无刷直流电机的最佳 转矩控制也同样与电机参数相关：转 速越高，换向角则应相应前移。因此， b l d c m 的恒功率运行控制方法主 第2 0 页 ( 2 2 2 ) 图2 - 6b l d c m 的转矩转速特性 f i g 2 - 6c h a r a c t e r i s t i co f t o r q u e v s $ d e e df o rb l d c m 北京交通大学硕士学位论文 人功率永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 要是采用换向角超前控制。 图2 6 给出了方波控制的永磁无刷直流电机的转矩转速特性【4 1 。从 图中可以看出，电流超前角a 的增大可以显著提高电动机的调速范围， 实际相当于一种弱磁控制方式。这主要因为。的增大实际意味着电机直 轴去磁电流的增大，而直轴去磁电枢反应的作用，实现了电动机的弱磁。 以上控制策略通常称为转矩最优控制。在这一方式下，产生同样的 输出转矩所需要的电枢电流最小，从而铜耗最小。在过载状态下，转矩 最优控制优势明显，在额定状态以下时，优势不大【7 1 。由于本系统应用 的对象为机车牵引，电动机常常会处于过载状态，所以最优转矩控制尤 为合适。 2 2 1b l d c m 的绕组联结及换渡过程工作方式 绕组采用星形联结时，有两种联结方式；一是定子绕组采用星形有 中线联结方式，如图2 7 所示；二是定子绕组采用星形联结无中线联结 方式，如图2 - 8 所示。 第2 l 页 北京交通大学硕士学位论文大功串永磁无刷牵引电机及其控制系统研究 图2 7 定子绕组采用星形有中线联结方式 f i g 2 - 7y m i d l i n ec o u p l i n gm o d ef o rs t a t o rc o i l 图2 - 8 定子绕组采用星形无中线联结方式 f i g 2 - 8y n o n - m i d l i n ec o u p l i n gm o d e f o rs t a t o rc o i l 显然，采用定子绕组采用星形无中线联结方式电路结构较为简单本系 统采用的为定子绕组采用星形联结无中线联结方式a 其工作方式如下：