（电力系统及其自动化专业论文）飞轮电池电动机控制与磁悬浮控制的研究.pdf

塞銮塑厶望亟生垃迨塞 a b s t r a c t a b s t r a c t ：f l yw h e e le n e r g ys t o r a g es y s t e m ( f e s s ) i san e wa n de f f i c i e n tb a t t e r y , w h i c hi si n n o c e n tt ot h ee n v i r o n m e n t t h ed r i v em o t o rc o n t r o la n dm a g n e t i cl e v i t a t i o n c o n t r o la r et w ok e yt e c h n i q u e st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ef e s s t h e d i s s e r t a t i o nd e s i g nt h ep e r m a n e n tb r u s h l e s sd cm o t o r sc o n t r o ls y s t e ma n ds i n # e a x i s d e g r e e o f - f r e e d o mb e a t i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s e ad o u b l ec l o s e d l o o ps c h e m e ( c u r r e n tl o o pa n ds p e e dl o o p ) i sa d o p t e di nt h e p e r m a n e n tb m s h l e s sd cm o t o r sc o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mh a r d w a r ei n c l u d e st h e t h r e e p h a s ei n v e r t e r , t h ed r i v i n gc i r c u i t ，t h ep r o t e c t i o nc i r c u i t ，t h ep o s i t i o nd e t e c t i n g c i r c u i t ，t h e c u r r e n td e t e c t i n gc i r c u i ta n dt h ep e r i p h e r yc i r c u i to fd s p t h es y s t e m s o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e dt or e a l i z et h ec o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hi n c l u d e st h em a i n ，a d s a m p l i n g , c u r r e n tr e g u l a t i o n ，s p e e dc a l c u l a t i o n ，s p e e dr e g u l a t i o n a n dc a p t u r e i n t e r r u p t i o ns u b r o u t i n e b yc o m p a r i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t sf r o mt h ed s p b a s e dc o n t r o l s y s t e ma n dt h ea n a l o gc i r c u i tc o n t r o ls y s t e m ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nd s ph a st h ea d v a n t a g e so fh i 曲r e l i a b i l i t y , l o wn o i s e ，e a s i l yu p g r a d i n ga n d r e a l i z i n ga d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e s s i n g e - a x i sd e g r e e o f - f r e e d o mb e a t i n gc o n t r o ls y s t e mu s ean e wt y p eo fh y b r i d m a g n e t i cb e a r i n gm a d eu po fe l e c t r o m a g n e ta n dp e r m a n e n tm a g n e t t h es y s t e m h a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e dt or e a l i z eas t a b l el e v i t a t i o n t h ee x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a t c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cb e a r i n g ，h y b r i d m a g n e t i cb e a r i n gh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，s m a l lc o n t r o lp o w e r , l o wc o s t o f c o n t r o l l e r , e a s y t oa c h i e v ea n ds oo n 。 k e y w o r d s ：f l y w h e e le n e r g ys t o r a g es y s t e m ；p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd c m o t o r s ；d s p ；m a g n e t i cb e a r i n g e 盛窒适厶望亟：翌i 兰迨塞 致谢 本论文的工作是在我的导师范瑜教授的悉心指导下完成的，范瑜教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来范老 师对我的关心和指导。 李国国副教授在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向李老 师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，褚海英、姚保庆等同学对我给予了热情帮助， 在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和身边的朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业。 1 引言 1 i 研究背景与发展现状 2 1 世纪，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，环境和能源问 题已成为全球最重要的话题。当今世界汽车的废气排放和噪声污染已形成严重公 害，另外石油资源也臼盏枯竭。而电动汽车则以电池为动力电源。可实现零排放 和低噪声，适应环保和节能的要求，降低了人们对石油资源的依赖，具有十分广 阔的发展前景。 目静，制约电动汽车发展的关键因素是动力电池不理想【i 】【1 ”，寻找新型高性能 电泡作为电动汽车的动力源，一直是人们关注的热点。电动汽车可能存在的供能 方式主要有：太阳能、化学能、氢能、飞轮储能。目前太阳能电池由于其昂贵的 造价而难以进入实用。化学电池单位质量存储的能量太少，无法保证较长距离的 行驶。如目前广泛应用的铅酸电池，i k g 重仅能姥存4 0 w h 的电能，而l k g 汽油为 1 2 0 0 w h ，一辆普通轿车携带5 0 k g 汽油( 约占其总重的3 呦可行驶7 0 0 k m ，而同样 轿车带4 0 0 k g 铅酸电池( 约占其总重的2 5 ) 只能走1 4 0 k m ，降低了汽车的使用性能 1 3 1 。氢燃料虽然在资源丰富、高能量密度等方面具有无法比拟的优点，但在制取和 储存上的困难使得也难以即刻投入应用。飞轮电池在储能密度、输出功率和使用 寿命上的优越性，以及它的技术发展前景使它成为目自口有可能在经济性上取得突 破而首先投入实用。 飞轮电池又称电动机械电池，是一种机电能量转换与储存装置。它突破了化 学蓄能电池的局限，用物理方法实现储能，是一种新兴绿色能源技术为电动汽车 和其它应用提供了一种无污染的新能源。飞轮储能技术相对于化学储能技术具有 以下优点： ( 1 ) 储能密度高。转子转速大于6 0 0 0 0 r m i n 的飞轮电池，在7 5 放电深度下 产生大于2 0 w h r i b 的比能量( 此值还不是最高的) ，而镍氢电池只有5 6 w h r l b 的比能量，其放电深度一般限制在3 0 4 0 的范围内。 ( 。) 无过充电、过放电问题。化学电池一般不能深度放电，也不能过充电，否 则其寿命会急剧下降；而飞轮电池在深度放电时，其性能完全不受影响，而且在 电力电子器件的协助下，防止过充电非常容易( 实际上是限制转子的最高转速) 。飞 轮电池的寿命主要取决于其电力电子器件的寿命，故一般可达到2 0 年左右。 ( 3 ) 容易测量放电深度，充电时间较短。飞轮电池只要测出转子的转速，就能 塞窆狸厶望亟翌芝堡塞 确切知道其放电深度；而化学电池相对较难。另外飞轮电池的充电一般在几分钟 之内即可完成，而化学电池则需要几个小时，常见的化学电池通常需要七八个小 时。 ( 4 ) 对温度不敏感。化学电池在高温或低温时其性能会急剧下降；而温度的高 低对飞轮电池的性能不会产生太大的影响。 ( 5 ) 对环境友好。化学电池在报废后会对环境产生严重污染，而且回收成本较 高；飞轮电池是一种绿色电池，它不会对环境产生较大的影响，故它在电动汽车 等方面的应用极具潜力。 飞轮电池的发展始于2 0 世纪7 0 年代，当时正处于石油禁运和天然气危机时 期。此时，美国能量研究发展署( e r d a ) 及其后的美国能源部( d o e ) 资助飞轮 系统的应用开发，包括电动汽车的超级飞轮的研究。l e w i s 研究中心在e r d a 的协 助和美国航空航天局( n a s a ) 的资助下专门研究用于真空下的机械轴承和用于复 合车辆的飞轮系统的传动系统。n a s a 同时也资助g o d l a r d 空间飞行中心( g s f c ) 研究适用于飞行器动量飞轮的电磁轴承。8 0 年代，d o e 削减了飞轮储能研究的资 助，但n a s a 继续资助g s f c 研究卫星飞轮系统的电磁轴承，同时还资助了l a n g l e y 研究中心及m a r s h a l l 空问飞行中心关于组合能量储存和姿态控制的动量飞轮构形 的研究。 一些国家把电动汽车的开发重点放在电池上【4 】【5 1 。早在1 9 9 1 年美国政府和工 业界集资2 3 亿美元，用于资助电动汽车电池的研究。同年，美国汽车三巨头( 通 用、福特和克莱斯勒) 在能源部的支持下，还有电力研究协会的参与，共同集资组 成了美国国际先进电池联合会( u s a b c ) ，具体组织电动汽车用电池的研究与丌发 工作。欧盟也在支持飞轮电池的研究项目，英国s h e f i e l d 大学m a s o n 教授领导的 电动汽车飞轮电池设计小组，其设计的飞轮转速达6 0 0 0 0 r m i n 。 近1 0 年来，大批新型复合材料和新技术的诞生和发展，如高强度的碳素纤 维复合材料( 抗拉强度高达8 2 7 g p a ) 、磁悬浮技术和高温超导技术、高速电机发 电机技术以及电力电子技术等，使得飞轮能够储存大量的能量，给飞轮的应用带 来了新的活力。它可应用于国防工业( 如卫星，电磁炮和电热化学枪、作战侦察 车辆等) 、汽车工业( 电动汽车) 、电力行业( 如电力质量和电力负载调节等) 、医 疗和电信业( 作u p s 用) 等。n a s a 的应用有航天器( t - 宙飞船) 、发射装置、飞 行器动力系统、不间断电源( u p s ) 和宇宙漫步者。 我国已经开始对电力系统飞轮储能进行研究，但尚未研制出用于电动车的飞 轮电池。清华大学曾试验了电力调峰的飞轮储能系统，另一项目研制了高强度纤 维复合飞轮，但无电能变换功能。目前，将飞轮电池用于城市公交车、电瓶车和 铁路轨道车等环保要求严格、运行路线规则的中低速车辆的储能电源，在技术上 比较容易实现，而且会带来重大的经济效益与社会效益。 1 2 飞轮储能原理 飞轮电池是一种以动能方式存储能量的机械电池。众所周知，当飞轮以一定 角速度旋转时，它就具有一定的动能，飞轮电池芷是以其动能转换成电能的。飞 轮电池一般是由高速飞轮、电动发电机、轴承支承系统、功率电子变换器、真空 室以及附加设备( 如真空泵、紧急备用轴承) 等组成，是一种积木式的集成系刭6 】【7 l 。 图1 1 通用飞轮电池结构图 f i g 1 。1s t r u c t u r e g r a p h o f g e n e r a l f l y w h e e l b a t t e r y 图1 1 是飞轮电池结构图。飞轮电池在充电时。利用现代功率电子技术，由工 频电网提供的电能，经功率电子变换器驱动电机带动飞轮高速旋转，飞轮就以动 能的形式把能量储存起来，从而完成电能机械能转换的储存能量过程。电机维持 一个恒定的转速，直到接受到一个能量释放的控制信号。当需要给负载供电，即 放电时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经功率变换器输出适用于负 载的电流与电压，从而完成机械能电能转换的释放能量过程。由此，整个飞轮储 能系统实现了电能的输入、储存和输出过程【8 删。 飞轮是一个作定轴转动的旋转体，储存的能量e 可表示为： e = 儿，2( 1 - 1 ) 式中i 为飞轮的转动惯量；彩为飞轮旋转角速度。 t 壅窑适厶翌亟望位途塞 为了提高飞轮电池储能量，有两个途径：一是增加飞轮转子的转动惯量，二 足提高飞轮的旋转速度。前者可用于固定应用场合，后者在对质量有严格要求的 前提下有很好的效果。 1 3 飞轮储能系统主要组件介绍【- o j i l l ( 1 ) 飞轮本体 飞轮本体是飞轮储能系统中的核心部件。飞轮转子材料一般选用超强玻璃纤 维或碳纤维等。转子形状主要采用多层空心圆柱体状和环状，此外还有纺锤状、 伞状、带式变惯量等。飞轮本体的设计力求提高转子的极限角速度，减轻转子重 量，增加储能量。目前，已实现的储能密度 2 0 w h k g 。 ( 2 ) 轴承 轴承是制约飞轮转速的关键因素之一。飞轮的支承方式主要有超导悬浮、电 磁悬浮、永磁悬浮、机械轴承四种。目前，轴承技术主要集中于磁悬浮和超导磁 悬浮轴承系统的研究和开发，同时采用辅以机械轴承系统。 ( 3 ) 电动发电机 飞轮储能系统中有一个既可作为电动机又可作为发电机的电机，它足飞轮储 能系统的核心动力部件。飞轮储能系统的机械能与电能之间的转换是以电动发电 机及其控制为核心来实现的，电动发电机集成为一个部件，在储能时，作为电动 机运行，由外界电能驱动电动机，从而带动飞轮转子加速旋转至设定的某一转速； 当释能时，电机又作为发电机运行，向外输出电能，此时飞轮转速不断下降。显 然，低损耗、高效率的电动发电机是能量高效传递的关键。 ( 4 ) 功率电子变换器 除了采用低损耗、高效率的电动发电机外，飞轮储能系统须配备一个高效的 双向功率电子变换装置一电力转换器。电力转换器是飞轮储能系统的能量转换控 制部分，其能量转换效率对飞轮储能系统的整体效率有直接的影响。电力转换器 通过控制电机，实现电能与机械能的相互转换。输入电能经过电力转换器变换后 供给电机，而输出电能也是经过电力转换器变换( 调频、整流或恒压等) 后获得符合 母系统要求的电能。 ( 5 ) 真空室 真空室的主要作用是提供真空环境以及屏蔽事故传递。同时，真空度对系统 效率是一个直接的决定因素，真空度增加可明显降低风损，但空气的散热功能相 应减弱，转子温升较快，所以必须采取必要的措施以改善散热条件。目前，国际 上真空度一般可达1 0 5 p a 量级。 4 ：e 捡缱能出盘磁五剧直速生d l 金绥 2 飞轮储能用永磁无刷直流电机介绍 2 1 飞轮电机的选取 飞轮储能系统的运行特点以及对飞轮电机的要求主要有7 】【1 2 】i 13 1 ： 1 ) 飞轮电机应具有可逆性，能运行于电动和发电两种工作状态； 2 ) 飞轮的高速旋转要求电机易于高速运行； 3 ) 储能和释能的需要要求电枫能够适应大范围的速度变化； 4 ) 长时间的不问断运行需要电机有较长的稳定使用寿命； 5 ) 长时间的储能运行要求电机的空载损耗不能太大； 6 ) 要求电机有较大的转矩输出能力和功率容量： 7 ) 要求电机运行效率高、调速性能好： 8 1 要求电机结构简单、运行可靠、低维护、重量和体积小等。 根据以上的运行特点和要求，在飞轮电动发电机的选取上有四种电机可供选 择；感应电机、歼关磁阻电机、同步磁阻电机、永磁无刷直流电甜1 4 l ，考虑到飞 轮储能系统的运行特点，从系统结构及降低功耗出发，国内外研究机构或单位一 般均采用稀土永磁无刷直流电机，稀土永磁无刷电机具有调节控制方便、调速范 围宽，转子损耗低、易于实现双向功率转换等优点。在飞轮储能应用中有很大吸 引力1 1 ，】【1 5 吼 无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的一种新型直流电机，而 稀土永磁无刷直流电机是在普通无刷直流电机的基础上发展起来的。稀土永磁无 剩直流电机的运行状态具有可逆性，在电动状态，它就是一台稀土永磁无刷直流 电动机，将电能转换为机械能：在发电状态，它就是一台稀土永磁无刷发电机， 则将机械能转变为电能，两者是可逆的 1 6 - 1 9 1 。 稀土永磁无刷直流电机具有以下优点【1 9 】： i ) 稀土永磁材料的矫顽力高，剩磁大，故可产生很大的气隙磁通，大大缩小了 永磁转子的外径，从而减小转子的转动惯量，降低时间常数，有效地改善电机的 动态特性。 2 ) 稀士永磁材料容易实现在气隙中建立近似于矩形波的磁场，电机可设计成 方波电机，可有效地减少力矩波动，提高电机的出力。 3 ) 由于稀土永磁体磁导率与空气相近，电枢反应磁路磁阻明显增大，因此 可有效地抑制电枢反应，使电机工作稳定，特性优良。 4 ) 稀土永磁无刷直流电机机械特性硬，过载能力强，起动性能好，系统动态 e 立銮丝厶翌亟望垃鲨塞 特性优良。 5 ) 稀土永磁无刷直流电机无励磁损耗，从而提高了电机效率。 6 ) 稀土永磁材料的高磁能积显著地减小了电机的重量和体积【i 3 1 。 总之，稀土永磁无刷直流电机保持了采用传统永磁材料的无刷直流电机的优 点，既具备直流电机的运行效率高、不存在励磁损耗问题及起动性能和调速性能 好的优点，又具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便、散热容易、转速 不受机械换向限制、噪声小等特点，故在许多领域获得了广泛地应用，特别适合 于对性能、体积和重量要求更高的场合 1 6 - 2 1 i 。正是稀土永磁无刷直流电机的这些 优点和特点满足了飞轮储能系统对飞轮电机的要求，能够适应大范围的速度变化， 实现高效率的能量转换，从而使得其成为飞轮电机的理想选择。 2 2 稀土永磁无刷直流电机介绍 2 2 1 无刷直流电机的分类 永磁直流电机由于转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空f 日j 上分为正 弦波和梯形波两种，转子旋转在定子上产生的反电势也分两种：正弦波和梯形波。 习惯上把反电势为正弦波的永磁同步电机称为正弦型永磁同步电机 2 1 1 ( p m s m ) ，而 把反电势为梯形波的永磁同步电机称为永磁无刷直流电机( b l d c m ) 或方波电机 1 7 1 1 8 1 。 方波型永磁无刷直流电动机习惯上称为b m s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ，该电机 反电势( 即激磁电势或空载电势) 波形成梯形波，逆变器输出方波电压或方波电 流并且与电机反电势保持适当的相位关系，从而产生有效电磁转矩，在这种情况 下，位置传感器只需要提供若干个转子的关键位置信号就可以控制电机运行。方 波电机结构简单、控制方便、成本较低，一般用于对转矩波动要求不太高的调速 传动系统。 正弦型永磁无刷直流电动机，由于源于同步电动机，国外许多文献习惯称其 为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 ，简称p m s m 。电机本体的反电势成正弦 形，逆变器采用s p w m 技术或滞环控制技术等调制出正弦电压或电流并与电机反 电势保持适当的相位关系，从而产生比较平滑的电磁转矩。在这种情况下，位置 传感器需要提供连续的转子位置信号。正弦型永磁无刷直流电机的结构比较复杂 且成本较高( 尤其是位置传感器) ，控制方法灵活，一般转矩波动较小，因此往往 用于对转矩脉动要求比较严格的驱动与控毒4 系统中。 b l d c m 和p m s m 相比，具有更明显的优越性，表现在：反馈装置简单，不 ：e 捡偕能脚丞磁五剧亘洹生扭企纽 需要采用p m s m 中高分辨率的绝对位置编码器或旋转变压器；功率密度更高，输 出转矩更大：控制结构更为简单，能使电机和逆变器各自的潜力得至0 更充分的发 挥。因此，方波型永磁无刷直流电动机的应用和研究受到更为广泛的重视。 本课题的研究对象为方波型永磁无刷直流电动机，文中所提无刷直流电动机 均指方波型永磁无刷直流电动机。 2 2 2 无刷直流电机的基本结构 永磁无刷直流电动机是随着电力电子技术、稀土永磁材料、微处理控制技术 而发展起来的机电一体化的产物。其系统结构图如图2 1 所示，主要由电机本体、 位置传感器、电子换向器三部分组成。 厂一一灏西一一1 电机 图2 1 永磁无刷直流电机系统结构图 f i g 2 1s t n l c t l l r cg r a p ho f b l d c ms y s t e m 2 2 3 无刷直流电机的工作原理 器 永磁无刷直流电动机的工作是通过逆变器功率管按一定的规律导通与关断， 使电机定子电枢绕组产生6 0 0 电角度不断前进的磁势，带动电机转子旋转来实现 的。以电机是三相星形绕组，逆变器是全控桥为例来加以说明。图2 1 中功率变换 器部分为全控桥形式，它由六只功率开关管t l ，t 2 ，t 3 ，t 4 ，t 5 ，t 6 构成功率 逆变器。它的运行原理简述如下： 当转子处于图2 a ( a ) 所示的位置时，功率开关管t 1 ，t 6 导通，电流从a 楣绕 组流入，b 相绕组流出，此时a ，b 两相绕组电流产生的合成电枢磁动势c 与转 子磁势f 之间的夹角为1 2 0 0 电角度，两者互相作用产生电磁转矩，该转矩使转子 顺时针方向旋转。随着转子的转动，转子磁势只与定子磁动势c 之间的夹角逐渐 减少。当转子磁极旋转到定子磁动势c 与转子磁势f ，之间的夹角为6 0 。电角度 时，定子绕组开始换流，由t 1 ，t 6 导通变为t 1 ，t 2 导通，此时定子磁动势e 跳 7 e 盛盆适厶堂亟：翌位迨塞 跃前进6 0 。电角度变成图( b ) 中所示的位置，定子磁动势c 与转子磁势之间的 央角又变成1 2 0 。电角度，依次类推，由位置传感器提供转子位置信号，每隔六分 之一电周期，功率开关切换一次，使电机电流所产生的定子磁动势c 跳跃前进6 0 。电角度，进而使转子旋转起来。各功率管的导通顺序是：t 6 、t l t 1 、t 2 一t 2 、 t 3 一t 3 、t 4 一t 4 、t 5 一t 5 、t 6 一t 6 、t l 。 审“，窜f j f 命 匆“窜。血 c ll l d z t l n 图2 2 三相全控桥的六种通l 乜情况示意图 f i g 2 2s c h e m a t i co f s i xs t a t e so f 3 - p h a s ef u l l c o n t r o lb r i d g e 永磁体转子产生的磁场沿气隙按梯形波分布，电机定予相绕组在梯形波磁场 平顶波以外的部分通电电流为零，从而使转矩波动为零。当然，这一结论是在理 想情况下获得的，实际上，由于磁场边缘效应、齿槽效应和电机制造上的困难， 电机的气隙磁通不可能是完全的平顶宽1 2 0 。的梯形波，再加上电枢绕组的换向过 渡过程等原因，通常使产生的电磁转矩发生某些波动。 f 图2 3 定子磁势向量图 f i g 2 ，3s t a t o rm a g n e t o m o t i v ev e c t o r 与一般直流电动机一样，永磁无刷直流电动机的运行可分为四种情况，即正 转电动、反转电动、正转制动和反转制动。逆变功率管的六个导通组合状态产生 ：捡缱能圈丞磁玉剜直洫生扭企纽 六个定子磁势，每个相差6 0 。( 以一对极为例) ，如图2 3 所示，转子位置分为六 个区间。 当电机正转( 顺时针) 电动时，以产生最大的正的平均电磁转矩为原则，定 子电枢合成磁势只应当顺时针超前转子磁势f 1 2 0 。到6 0 。，即当f 处于区间4 时，定子磁势应为只。，导通功率管t 3 和t 4 ，即当日处于区间5 时，定子磁势应 为e ，导通功率管t 4 和t 5 。具体对应关系见表2 1 和表2 2 。 当电机正转制动时，则以产生最大的负的平均转矩为原则，定子电枢合成磁 势e 应当顺时针滞后转子磁势f ，1 2 0 。到6 0 。，当f 处于区间2 时，定子磁势为 e ，导通管t 4 和t 5 ，当处于区问3 时，定子磁势为c 。，导通管t 5 和t 6 。 依此类推，具体对应关系见表2 - 1 和表2 2 。 同理，当电机反转电动时，定子电枢合成磁势只逆时针超前转子磁势e 1 2 0 。到6 0 。；当电机反转制动时，定子电枢合成磁势只逆时针滞后转子磁势 1 2 0 。到6 0 。 表2 - 1 四象限运行f a 和b 的对应关系 t a b l e 2 1f aa n df jc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o no f f o u r - q u a d r a n t so p e r a t i o n x 区间1区间2 区间3 区间4区间5区间6 正转电动 f a lf a 2f a 3f a 4 f a 5 f a 6 正转制动 f a 4f a 5f a 6f a lf a 2f a 3 反转电动 f a 4f a 5 f a 6f a lf a 2f a 3 反转制动 f a lf a 2f a 3f “ f a 5f a 6 表2 - 2 导通的i g b t 和定子合成磁势的对应关系 i 定子合成磁势 f a lf a 2f a 3f a 4 f a 5f h 6 i 导通的功率管t 1 , t 6t 1 , t 2 t 2 t 3”t 4t 4 t 5 t 5 ，t 6 由以上分析可知，当永磁无刷直流电动机正转电动时，逆变器功率管的导通 顺序为t 6 - t l t 2 一t 3 一t 4 一t 5 一t 6 ；当永磁无刷直流电动机反转 电动时，逆交器功率管的导通顺序为t l t 6 一t 5 一t 4 一- t 3 一，t 2 一t 1 ： 当永磁无刷直流电动机正转制动时，逆变器功率管的导通顺序为 t 6 一t 1 - t 2 + t 3 一t 4 一t 5 一t 6 ；当永磁无刷直流电动机反转制动时， 逆变器功率管的导通顺序为t l t 6 一t 5 一t 4 一t 3 一他一t l ；反转电 动、正转电动、正转制动和反转制动运行的相电流与反电势关系如图2 4 ( a ) 、( b ) 、 9 盛塞丝厶翌亟：翌位迨塞 ( c ) 、( d ) 所示。 ( a ) 正转电动电动势、电流波形 f ( t 0 ，此时= f ( t 2 ) f ( t 1 ) ；第二种情况为f ( t 2 ) f ( t 1 ) ，f l j g l 对 a = f f f f h + f ( t 2 ) f ( t 1 ) 1 3 6 1 3 9 1 。图3 2 5 所示 是速度计算子程序流程图。 4 1 g 塞銮丝厶堂亟：望位迨塞 图3 2 4 速度计算两种情况 f i g 3 2 4t w oc a s e s o fs p e e dc a l c u l a t i o n d l 姨# 1 载1 e 被i a 除3 数h t f 一 a r 2 指向棚th i g h l 清除减法的借位c 图3 2 5 速度计算稃序框图 f i g 3 2 5f l o wc h a r to f s p e e dc a l c u l a t i o np r o g r a m 謇蜜守 五剧直速坐扭全筮主撞制丞红的进让 ( 2 ) a d 转换中断服务子程序 a d 转换子程序一方面读取速度给定和电流a d 转换的值，一方面调用电流 调节子程序和速度调节子程序。其中断服务子程序流程图如图3 2 6 。 图3 2 6a d 中断服务子f g 序流程图 f i g 3 2 6f l o wc h a r to f a di n t e r r u p ts e r v i c es u b r o u t i n e 对相电流进行采样，获得电流控制器所需的电流反馈信号。对于数字控制系 统，小的电流环采样时间能减少系统的转矩脉动，获得更好的调速性能，提高系 统的稳定性，达到更高的综合性能，僵这需要高速的a i d 转换器和微处理器【3 9 1 。 这里采用的d s p 芯片集成了高速的a d 转换器，且具有高速的数掘处理能力，可 以考虑采用单次均匀采样方式或多次均匀采样方式。考虑到对系统性能的要求， 这里采取后一种采样方式，采样周期确定为5 0 u s ，具体实现方法是在连续的两个 p w m 周期内，完成对相电流的n ( n 为偶数且小于1 0 ) 次采样，每个周期内采样n 2 次，之后经过数字滤波得到最终的电流反馈信号采样值。 该子程序的设计主要考虑参考电压的配置、a d 转换的启动和a d 转换结果 的读取及数字滤波方法等。参考电压由外部电源提供，v r e f h ，引脚接+ 3 ，3 v a 的 模拟电源，v r f f i 引脚接模拟地：启动方式采用软件启动，通过定时器l 周期中 断启动a d 转换；转换结果的读取采取中断方式，当转换结束时，a d c 模块的中 断标志位置位，并向c p u 发出中断申请信号，c p u 响应后在中断服务子程序中读 取转换结果和进行数字滤波【2 2 1 。在这里，数字滤波采用求取多次采样结果平均值 4 3 宝窑迫厶竺亟竺位迨塞 的方法。 实时控制系统的设计采用速度，电流双闭环控制，速度调节是每6 2 5 m s 进行 一次，即1 2 5 0 个p w m 周期。每个p w m 周期为( 5 0 u s ) 。在数字控制系统中，由于 p i d 控制算法的实现采用数字形式，这样在不增加任何硬件的情况下，也方便实现 各种改进的p i d 控制算法，从而大大提高控制系统的性能【3 9 】。为了获得良好的静 动态特性，这里电流环采用的是带有输出限幅的积分分离p i d 控制器算法，速度 环采用带有输出限幅的p i 控制算法【3 8 】【4 3 1 。由于这两个算法是实现控制调节的关键 算法，故它们都采用汇编语言编写，以获得高的代码运行效率。有关p i d 控制算 法的内容不再详述，下面只给出上述两种控制算法的流程图，如图3 2 7 ，3 2 8 所 不o ( 3 ： ：始p 1 d _ r e g 】 计算速度误差e ( k ) 匆 【计算p d 输出u ( k ) i u ( k 1 )计算p i d 输l l l u ( k 卜u ( k 1 ) + k ，【e ( k ) e ( k - 1 ) l + 【e ( 蚺e ( k - i ) l + k i e ( k ) | + k d 【e ( k ) 2 e ( k - i ) + e ( k - 2 ) l+ k d i e ( ”2 e ( k - i p - e ( k - 2 ) l 厂、 r 丫1 u ( k 1 限幅处理 上 蠡求p i dr e 面 图3 2 7p i 控制算法流程图 图3 2 8 积分分离p i d 控制算法流程图 f i g 3 2 7h o wc h a r to f p ic o n t r o lh g 3 2 8 h o wc h a r to f p i dc o n t r o lw i t hs e p a r a t e di n t e g r a l 3 4 3 程序设计注意事项 ( 1 ) a d 转换结果的校准 本程序中用到了a d c 转换模块的通道a d c i n 0 和a d c i n i ，分别用于采集 转换速度电位器给定信号和电流信号。由于a d 数据采集的硬件电路存在不可以 避免的零漂，在a d c 转换模块初始化时，必须进行较准。a d c 转换模块的校准 模式为此提供了很大的方便。在校准方式下，a d c i n n 输入引脚没有接到a d 转 换器，且不能对排序器进行操作。接到a d 转换器输入端的信弓由b r ge n a ( 桥 4 4 玉型直逋也扭全数主控制丕统的进让 使能) 和位h i l o ( v r e f h i v r e f l o ) 选择。这两位将v r e f h i 、v r e f l o 或者它们 的中间值送到a d 转换器的输入端，a d c 模块完成一次转换。较准模式可以计算 a d c 模块的零、中点和最大值时的偏移误差。该偏移误差值的= 进制补码被保存 在c a l i b r a t i o n 寄存器。在正常模式下，在a d c 转换结果被保存到寄存器之前， c a l i b r a t i o n 寄存器的值被自动加到a d c 转换结果的输出。 在本课题中，只进行一次最高电压转换的校准，不再进行其它模式的校准。 校准是在主程序开始之前，对硬件检测的时候单独进行的工作，需要单独编写一 段程序来实现。程序的设计比较简单，在必要的初始化结束之后，将a d c 控制器 1 ( a d c t r l l ) 的值计算好就可以进行。本课题在检测的时候，将a d c t r l l 赋值为 0 0 0 a h ，也就是1 0 1 0 b ，b r ge n a 位为0 ，h i ，l o 位为i ，c a l e n a 位为l ， s t e s t e n a 位为0 ，就是检测v r e f h i ，检测结果应该为3 f f h ，如果不是，则由 d s p 自动进行校准m i 。 ( 2 ) 数据格式的定标 由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是一个数字信号处理器，采用定点数进行数值运算， 其操作数采用整型数的最大表示范围取决于d s p 芯片所给定的字长，一般为1 6 位或2 4 位。显然，字长越长，所能表示的数的范围越大，精度也越高。在永磁无 刷直流电动机的控制器的设计中d s p 所要处理的数可能是整数，也可能是小数或 者是混合小数；然而，d s p 在执行算术运算指令时，并不知道当前所要处理的数 据是整数还是小数，更不能指出小数点处于哪一位上。因此，在编程时必须指定 一个数的小数点处于哪一位，这就是定标。通过定标，可以在1 6 位数的不同位置 上确定小数点，从而表示出一个范围大小不同且精度也不同的小数。例如：在q 1 5 中，1 0 8 0 h = 0 1 2 8 9 0 6 2 5 ；在q 0 时，1 0 8 0 h = 4 2 2 4 。即采用所谓的q k 格式表示法， 其原理是将浮点数乘以2 放大之后，再以乘积的整数部分来表示此数值，这种表 示法的数值量化误差会由原来的1 降为2 ，理论上k 值愈大，数值的量化误差愈 小。 在本系统中的p i 运算中，大部分的数据格式使用q 1 2 格式表示，即用4 位表 示整数部分，1 2 位表示小数部分，这种数据格式也被称为4 1 2 f 格式。这种格式的 精度为： 2 一”= 0 0 0 0 2 4 4 1 4 ( 3 - 2 4 ) 在有符号扩展模式下，实际值和它的q 1 2 表示值之间的关系如图3 2 9 所示： 4 5 e 盔窑疆厶望亟：翌位迨塞 3 z7 6 了 8 | 7 9 9 9 7 5 5 3 2 7 6 8 图3 2 9q 1 2 格式与实际值对应关系 f i 9 3 2 9c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o no f r e a lv a l u e a n dq 1 2f o r m a t 由于系统中大部分的驱动控制量都不超过额定值的4 倍，也就是说，不超过 我们所考虑的标么模式的4 倍，所以选择采用这种格式。例如，对电流和速度值 进行定标时需将电流和速度值乘以常数k = 4 0 9 6 额定值，相乘后得到的值为电流 和速度q 1 2 格式标么值。当然，也可以用其他格式。用 一8 ，8 范围来表示， 保证软件能够正常处理在静态和动态过程中的每个驱动控制量。 因为在用d s p 实现时，所有的数据都足定长的，运算也都是定点运算，因而 会产生有限字长效应。所产生的误差主要包括：数模转换引起的量化误差、系数 误差引起的误差以及运算过程中的舍入误差。在用定点d s p 时，产生的误差是不 能避免的，但是可以通过一些方法来减小误差。如：可以用两个存储单元来存储 一个数，运算时，使用双字运算；可以根据需要将调节器的系数都用双字来表示， 也可以只将一部分的系数用双字表示，视需要而定。 整自由廛星淫撞剑丞红退让 4 单自由度悬浮控制系统设计 4 1 磁悬浮技术简介 飞轮电池储能的一个特点是，在相当长的待机时间里，飞轮仍不停地高速旋 转。因此，要保存飞轮的旋转功能，消除轴承的摩擦损耗( 这也是延长轴承寿命所 必须的) 是实现高效飞轮电池的关键。对轴承支承系统的要求是，承受重载，损耗 少，寿命长，维护方便等。采用传统的机械轴承来支承飞轮转子等旋转部件，轴 承的摩擦系数较大，然而由于其结构简单紧凑、坚固，一般可以作紧急状态时的 备用轴承。 近几年来，以超高速磁悬浮列车为代表，采用磁力将物体悬浮的技术己趋于 实用阶段，对旋转体来说，替代过去的机械轴承，实现非接触的磁悬浮轴承，由 于它具有无接触、无摩擦、振动小、无需润滑、工作寿命长、密封结构简单，并 可使旋转机械的振动特性得到显著改善等一系列优点，受到人f f 】的重视，尤其是 对于以航空航天和机械工业应用为背景，已经进入实用化研究阶段【4 5 】【4 6 1 。 磁悬浮轴承按照其肘位移的控制形式可以分为主动磁轴承( a c t i v em a g n e t i c b e a r i n g ，a m b ) 和被动磁轴承( p a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g ，p m b ) 。 在磁悬浮领域中， 应用最为广泛的就是主动磁轴承1 4 7 】1 4 8 】。在飞轮电池储能装置中也不例外，采用主 动磁轴承支承大大降低了摩擦损耗。然而，采用主动磁轴承因其体积大、控制功 率高、临界转速低、成本甜4 9 1 ，因而很难适应于超高速运行以及小型、超小型的 结构中。采用高温超导磁轴承，目前技术尚未成熟，而且需要复杂的制冷装置【5 0 】， 不利于装置的小型化。因此以上两种轴承支承方式都不是很理想。 近年来，稀土永磁材料发展较快，出现了许多高性能的永磁材料，如钕铁硼 永磁、衫钴永磁等。可以采用永磁体制成刚度大、对称性好的磁轴承，称之为被 动磁轴承或永磁轴承【5 ”。然而仅采用永磁轴承是不可能获得稳定平衡的，至少需 要在一个方向上必须采用机械轴承或主动磁轴承才能使之稳定1 5 2 1 。基于上述种种 考虑，将永磁轴承和电磁轴承的稳定作用结合起来，构成一种具有最小能耗的磁 轴承支承系统，在支承系统中永磁轴承将大大减轻系统负荷，从而可以减小主动 磁轴承的功率损耗。可以预计，这种被动磁轴承与主动磁轴承混合控制的轴承系 统是未来的发展趋势之一，可以很好地应用于高速旋转机构的轴承制造中i 1 。本 文以轴向单自由度电磁一永磁混合磁轴承为例，分析其机械结构与控制方案。 4 7 盛銮堑厶翌亟：主芷监童 4 2 两种磁轴承机械结构与原理比较 4 2 1 电磁轴承原理 磁轴承系统一般由转子、可控电磁铁、数字控制器、位移传感器、功率放大 器等部分组成。刚性的转子模型一共包括六个自由度：三个平动x ，y 和z 以及 绕这些轴的转动。绕转子中心轴z 的转动由电机控制，剩下的五个自由度由磁轴 承支承。从轴承角度来看，包括上下四个径向磁轴承及一个轴向磁轴承。上下四 个径向轴承限制主轴的径向四个自由度( 径向水平方向、径向垂直方向的平动以及 在水平面和轴向垂直面内的转动) ，轴向电磁轴承限制主轴的轴向位移。 在不考虑耦合的情况下，磁轴承在五个自由度上的工作原理类似并且相互独 立，可以对五个自由度分别进行独立的反馈控制。图4 1 给出了传统单自由度电磁 轴承控制系统示意图唧1 。 图中，x r c f 为给定的参考位置信号，u 。、u o 分别为控制电压和偏置电压，通过 功率放大器输出电流i 。、1 0 。m g 为飞轮转予重力，f 1 和f 2 分别为电磁铁1 和电磁 铁2 对转子的电磁吸力。 卜f 面了妒1 ” i = 二二二一一i - l - e p 兰竺竺查兰 l! 竺竺! ftf l 府 u 卜n 转， l 。g1 fi 巳 峪r 丽赢f 卜f 面可 图4 1 单自由度电磁轴承控制系统示意图 f i g 4 1s c h e m a t i c o f o n e d e g r e e - o f - f r e e d o m e l e c t r o m a g n e t i c b e a r i n g c o n t r o