（电机与电器专业论文）两向混合励磁无刷电机驱动控制系统研究.pdf

目录 a b s t r a c t t h et w o w a yh y b r i de x c i t e db r u s h l e s sm o t o ri san e wt y p em o t o rd e v e l o p e do nd o u b l y s a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e t ( d s p m ) m o t o ri nr e c e n ty e a r s i tn o to n l yc o m b i n e st h em e r i t so f d s p mm o t o r ( h i g he f f i c i e n c ya n dh i g hp o w e rf a c t o r ) ，b u ta l s oo v e r c o m e st h es h o r t a g et h a t t h eo p e n c i r c u i tf l u xd e n s i t yc a nn o tb er e g u l a t e db yc o n t r o l l i n gt h em a g n i t u d eo rt h e d i r e c t i o no fa x i a lf i e l dw i n d i n gc u r r e n t h e n c e ，t h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o no ft h et w o w a y h y b r i de x c i t e db r u s h l e s sm o t o ri so fb r i g h tf u t u r e i n t h i st h e s i s o nt h eb a s i so ft h ef u n d a m e n t a lo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dt h es t a t i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h et w o w a yh y b r i de x c i t e db r u s h l e s sm o t o r ，af u l l y d i g i t a lc o n t r o l l e rw i t h t h ec o r eo ft m s 3 2 0 f 2 812i sd e s i g n e d ，l a y i n gaf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o ft h i sm a c h i n e t h em a i nf r u i t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w i n g s ： 1 t h es t r u c t u r e ，a p p o r a t i o na n dt h em a t h e m a t i cm o d l eo ft h em o t o ra r ei n t r o d u c e d 2 t h ec o n t r o l i d e ao fd i v i d i n gs e c t i o ni sp r e s e n t e df o rt h ed e m a n do ft h ev a r i a b l es p e e d m o t o rd r i v e ss y s t e m u n d e rt h eb a s i cs p e e d ，t h ec u r r e n tl i m i t i n gm o d u l er e l a t e st h ed y n a m i c r e l a t i o na m o n gs p e e dr e g u l a t i n g ，v o l t a g er e g u l a t i n ga n de x c i t a t i o ne n h a n c i n g ，w h i l ea b o v et h e o n et h er e l a t i o na m o n gt h es p e e dr e g u l a t i n g ，v o l t a g er e g u l a t i n ga n df i e l dw e a k e n i n gi s d e c i d e db yb a c kp ia d j u s t o r t h e r e f o r e ，t h ed y n a m i co p t i m i z a t i o nc o n t r o lo ft h es p e e d ， v o l t a g ea n de x c i t a t i o ni sa c h i e v e d 3 t h es p e e dr e g u l a t i o ns i m u l a t i o nm o d e lo fm o t o r , m a i nc o n t r o l l e ra n df i e l dc u r r e n t c o n t r o l l e ra r ee s t a b l i s h e dw i t ht h eh e l po fs i m u l i n ka n ds i m p o w e r s y s t e m st o o l b o xo fm a t l a b s o f t w a r e t h es t e a d ya n dd y n a m i cs i m u l a t e dr e s u l t sa r eg i v e n ，i n c l u d i n gt h ep h a s ec u r r e n t s ， t h es p e e da n dt h eo u t p u tt o r q u e ，e t c t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h es i m u l a t i o nm o d e la r ev e r i f i e d b yt h es i m u l a t i o ns a m p l e s 4 a c c o r d i n g t ot h er e q u e s to fd i g i t a lc o n t r o l l e ra n dt h et w o - w a yh y b r i de x c i t e d b r u s h l e s sm o t o rc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ed e s i g nm e t h o do fh a r d w a r eo ft h ev a r i a b l e s p e e dd r i v e s y s t e ma r eg i v e n ，i n c l u d i n gt h ep o w e rc o n v e r t e r , c u r r e n ts e n s o ra n dp o s i t i o ns e n s o ra n dt h e p r o t e c to f t h em a i nc i r c u i t 5 o nt h eb a s i so ft h es p e e da n dc u r r e n tc o n t r o l l e r s ，t h ed e s i g nm e t h o do fh a r d w a r eo f t h ev a r i a b l e - s p e e dd r i v es y s t e ma r eg i v e n ，i n c l u d i n gi n i t i a li z a t i o np r o g r a ma n di n t e r r u p t i o n p r o g r a md e s i g n e df o rc u r r e n tc o n t r o la n dv e l o c i t yc o n t r 0 1 6 e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt ov e r i f yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d t h es y s t e md e s i g n t h et e s td a t aa n dw a v e f o r m ss h o wt h a tt h et w o w a yh y b r i de x c i t e db r u s h l e s sm o t o rd r i v e s d e s i g n e db yt h i st h e s i sp o s s e sg o o ds t e a d y s t a t ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：h y b r i de x c i t e d ，m o t o r , d r i v es y s t e m ，t m s 3 2 0 f 2 8 12 n 东南大学学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： e l 期：华 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：囊生导师签名：监日期：业 铀喙 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 国民生产的各个领域都离不开电机的发展，特别是在当今社会能源日益紧缺，生产 活动异常繁荣的今天，高能效电机的研究和发展变得尤其重要。长期以来，为了扩大电 机的适应范围，提高电机的使用效率，人们一直在研究新型的电机结构和先进的控制方 式，寻找既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电 机运行效率高、调速性能好的优点的传动系统【l 】。 随着新材料和新技术的突破，特别是高性能永磁材料的出现和电子技术、电力电子技 术的发展以及现代控制理论的应用，电机及其驱动技术得到了迅猛的发展，先后出现了 永磁电机、无刷直流电机、双凸极电机等多种结构的电机【2 ，3 】。这些电机采用了永 磁材料励磁，代替传统的电励磁，具有功率密度高、电机体积和重量小、结构简单以及 效率高等优点。且因为采用永久磁钢励磁，可以方便地实现无刷化设计，没有励磁损耗， 因此功率因数高于其他电励磁电机。研究表明，永磁电机在功率密度、转矩惯性比和效 率方面都超过了传统的直流电机和异步电机璺，5 ，砧。然而随着应用领域的不断扩大， 人们发现永磁无刷电机恒定的磁场限制了其使用范围，比如在高速机床主轴驱动以及电 动汽车的驱动中，都要求驱动系统既要在低速时有大力矩，又要在轻载时有足够的高速 度，传统的直流电机的解决方案是将系统的基速设计得较低以满足低速大力矩的要求 ( 恒转矩调速) ，轻载时则通过弱磁升速来达到电机要求的高速度( 恒功率调速) ，但永 磁无刷电机的弱磁升速有一定的困难，尽管可以通过矢量控制的坐标变换和交直轴分解 来增加定子电流的励磁分量达到部分目的，但效果并不理想，主要原因是由于转子上的 永磁体对于外加磁势的磁导率很小，去磁效果不明显，这种方法反而使定子电流与损耗 大大增加、对控制器的容量要求更高。因此，近几年来，人们把越来越多的目光投向混 合励磁电机( h y b r i de x c i t a t i o nm a c h i n e - - h e m ) 的发展。通常来说，混合励磁电机至少 存在两个磁势源，电机气隙磁场的主要部分由永磁体建立，而转速( 或电压) 调节所需 要的磁场变化部分靠辅助的电励磁绕组来实现。与永磁电机比较，混合励磁电机具有调 节气隙磁场的能力；与同步电机相比，具有较小的电枢反应电抗。它综合了永磁电机高 效率、高功率因数和电励磁电机调节磁场方便的优点，同时又克服了两者各自的缺陷， 具有极大的推广应用价值【7 】。 混合励磁电机较好地解决了永磁电机励磁调节困难以及电励磁电机效率低的问题， 在许多工业领域和航空航天、舰船等军事领域具有广阔的应用前景。混合励磁发电机既 可在飞机舰艇和车辆中作为独立的发电系统用，也可并网运行。混合励磁电动机适合于 作节能驱动使用，而其中的宽调速系统可以在电动车辆、机床驱动和武器设备等高要求 场合应用，其优越的技术性能是其它类型电机所不具备的。对于混合励磁电机的研究现 第l 章绪论 阶段主要集中在基本理论和电机结构设计上，对于电机驱动系统的设计并没有大规模地 展开，本论文主要研究了混合励磁电机驱动系统的设计，因此本项目的研究不仪具有重 要的理论意义，而且具有重要的工程应用价值。 1 2 混合励磁双凸极电机的发展历史和研究现状 近二十多年来，由于各种新型永磁材料的出现，特别是八十年代初，日本和美国分 别研制成功了性能优良且价格低廉的第三代稀土永磁材料钕铁硼，有力地推动了永磁电 机的发展。 永磁电机转子上没有绕组，可在恶劣环境下高速运行。定子上没有励磁损耗，因此 效率较高，工作可靠，但永磁磁场调节困难限制了永磁电机的应用领域。因此将永磁与 电励磁有机结合，研究开发综合电励磁电机和永磁电机的优点，又能克服各自缺点的混 合励磁电机，从而最大限度地发挥两者的优势，成为目前十分迫切的研究课题。国内外 学者为之付h 了很大的努力并取得了一些进展。 莫斯科航空学院巴拉古诺夫教授在1 9 8 8 年提出了并联式混合励磁同步发电机的结 构1 8 1 ，如图1 1 所示。该电机的定子和普通同步电机相同，转子分为两部分，一部分 为永磁励磁，另一部分为电励磁。这种混合励磁发电机已经在移动电源方面获得初步应 用。 s 极 励磁绕 支架 转子轴 图1 - 1 混合励磁同步发电机结构图 日本学者t m i z u n o 博士等提出了轴向径向磁路混合励磁同步发电机【9 】，如 图1 2 所示，该电机的定子电枢绕组为通常的三相对称绕组，定予铁心被定了环形 直流励磁绕组分成两段。这两段铁心由其外部的背轭( 用于轴向导磁的机壳) 在机械 和磁路上实现连接；转子也分成两部分：极端和s 极端，每极由同极性永磁和铁 心形成的中间极交错排列且两端的、s 永磁极及中间极也交错排列，转子铁心及 转轴间有一实心导磁套筒( 转子背轭) ，用于转子的轴向导磁。 可以看出，转子上永磁体产生的永磁磁场和定子上的电励磁绕组产生的电励磁磁场 在气隙中迭加，共同形成电机的主磁场。由于电励磁磁场的存在，使得气隙磁场不但可 调，而且调节范围很大。这种电机作为电动机，有很宽的恒功率调节范围。 2 * l 绪论 霰 圈i - 2 轴向径向磁路混合威磁同步发电机 d s p m 电机( 图1 3 ) 足在开关磁阻( 图l - 4 ) 电机基础上发展起来的种新型高效 节能电机，它由| a l i p o 等人于1 9 9 2 年首先提出，并进行了初步的理论分析和实验研 究，研究表明，d s p m 电机有较高的功率密度和效率【1 0 】。 圈1 4 3d s p m 电机截面图 圉i - 4 开关磁阻电机蔷面图 图1 5 为种h e d s ( 混合励磁双凸极) 电机它是在d s p m 电机基础上演变而 来的，保留了d s p m 电机的全部优点【1 1 】。通过控制励磁电流的方向和大小，可以调 节气隙磁场。 图i - sh e d s 电机截面圈 图i - 6 轴向，径向h e d s 电机 图1 - 6 为另种混合励磁电机【1 2 ，区别于前面两种混合励磁电机，在电机端部 放置电励磁绕组，引入轴阿电励磁磁场，水磁磁场为径向磁场，两者在气隙中实现磁场 叠加。电励磁轴向磁路不经过磁阻很大的永磁体，提高了屯励磁利用效率，同样实现了 用较小 3 、 第1 章绪论 的直流励磁磁势，获得较大的磁通调节范围。但由于轴向磁路的存在，定子背轭、转子 背轭一般需要采用导磁性能较好的电工纯铁提供良好的轴向导磁能力，结构较为复杂， 制造、安装困难。 南京航空航天大学的严仰光教授课题组也对混合励磁电机进行了初步研究，提 出了并联式h e d s 电机【1 3 】。在结构上，定子部分采用与d s p m 电机和电励磁双凸 极电机定子相同的两段定子构成，共享一个转子，结构较为简单直接，从原理上实 现了混合励磁，永磁部分电机与电励磁部分电机间用气隙或非磁性金属材料隔开一 段距离，这样可以减少永磁体与励磁绕组电流产生的沿着轴向的磁通的交链，减少 两部分电机的耦合，从而使两部分电机磁势建立的磁通互不关联。 东南大学的程明教授在国内最早对d s p m 电机进行了研究，并取得了一系列丰 硕的成果。h e d s 电机方面，课题组在原来d s p m 电机的基础上研究了又一种新型 h e d s 电机，试制了1 2 8 极的实验样机【1 4 ，1 5 】。 东南大学的胡虔生教授在此基础上又提出了一种新型结构的双向混合励磁双 凸极电机，并试制了1 2 8 极的实验样机【1 2 ，本文将针对该电机做深入研究。 1 3 本文研究的主要内容 两向混合励磁无刷电机作为新型定子永磁电机，对该电机及其驱动系统研究的内容 十分丰富，既可以对电机本体进行深入研究和分析，亦可对其驱动特性以及磁场调节特 性进行研究。两向混合励磁无刷电机是在双凸极永磁电机( d s p m ) 结构的基础上，通 过引入辅助电励磁绕组，实现电机气隙磁场的灵活调节。为保持电机较高效率，两向混 合励磁无刷电机在要求输出大转矩和高速运行时电励磁才起作用。因此本文提出了两向 混合励磁无刷电机分区控制策略，并对其进行了仿真分析。围绕电流控制器和转速控制 器，设计了实用的驱动控制系统硬件电路并编写了软件程序。两向混合励磁无刷电机调 速控制系统设计的关键在于实现各控制区间的平滑过渡。由于时间和本人能力所限，本 文的主要工作围绕两向混合励磁无刷电机工作在电励磁电流为零，亦即电励磁绕组输出 转矩为零的情况下，在这种情况下，两向混合励磁无刷电机的工作原理与双凸极永磁电 机相同，其驱动控制也参照双凸极永磁电机进行。本文的具体内容如下： 第二章分析两向混合励磁无刷电机的结构和工作原理，推导电机的数学模型。 第三章建立两向混合励磁无刷电机调速控制系统的仿真模型，分析电机工作在各种 状态下的工作曲线，确定控制策略的可行性，并为实际的驱动控制系统的设计提供仿真 平台。 第四章研究两向混合励磁无刷电机驱动系统的硬件设计。 第五章介绍了两向混合励磁无刷电机驱动控制系统的软件设计。 第六章对驱动控制系统进行了实验研究，分析了其稳态和动态波形。 第七章对全文总结，总结了研究过程中积累的经验和因本人能力和时间问题遗留下 的问题，为今后的研究工作奠定基础。 4 第2 章两向混合励磁无刷电机的基本工作原理及控制策略 第2 章两向混合励磁无刷电机的基本工作原理及控制策略 两向混合励磁无刷电机是在双凸极永磁电机的基础上发展起来的，它具有两个磁势 源：永磁和电励磁。其中电机气隙磁场的主要部分由永磁体建立，电压调节所需的磁 场变化部分由辅助的电励磁绕组来实现。电机主要工作在电励磁为零，即永磁磁场部分。 只有电机需要工作在大转矩和高速时，电励磁部分才起作用。 2 1 两向混合励磁无刷电机的基本结构 研究电机的运行性能首先要对电机的本体结构有一个宏观的认识。如图2 1 所示， 为两向混合励磁无刷电机的结构示意图【1 2 1 ，其中直流励磁绕组的磁场方向与永磁体 产生的磁场轴线相垂直，电励磁产生轴向磁场，永磁体产生径向磁场，二者的磁路各异， 电励磁磁路不经过磁阻很大的永磁体，从而励磁安匝数较小，用较小的励磁磁势就可以 达到所需的调节磁场的效果，并且电励磁磁场不会导致永磁体的退磁。基于上述的思路， 实验室设计制造了本文所研究的驱动控制系统所对应的1 2 8 极两向混合励磁无刷电机 样机，如图2 2 所示。 睚彤辨h i 一 f # ! 曩h + ； i l l l l l l l l l 。i，孵够粤驻 _ 一j ， 亡： i 川” 习 一 豹彩z 筋么二 扎w 隰-洚诩 一1 一 i l 7 i 刎 、h黝 i - h 【 il i ii l 霞 奠 缓盼鼢疆ji l 且舢u 。隧礤：卅缓 i z l l l l l l l l j，0 0 ，弼 _ l ：一翻睦誊班习p 。 ( a ) 电机轴向剖示图( b ) 电机a a 截面结构示意图 1 定子纯铁2 定子硅钢片3 电枢绕组4 永磁体 5 一机壳 6 一径向气隙7 侧面导磁件8 轴向直流励磁绕组9 轴向气隙 l o 一轴承 1 1 转子纯铁1 2 转子硅钢片 l3 转轴 图2 - 1 两向混合励磁无刷电机结构示意图 径向磁通的主要通路：永磁体n 极一定子轭部一定子齿一径向气隙一转子齿一转子 轭部一转子齿一径向气隙一定子齿一定子轭部一永磁体s 极；轴向磁通的主要通路：电 励磁磁极n 极( 或s 极，取决于励磁电流方向) 一励磁磁极极靴一定子外轭一定子内轭 一定子齿一径向气隙一转子齿一转子外轭一转子内轭一轴向气隙一导磁磁极一侧面导 磁钢板一电励磁磁极s 极( 或n 极) 。 s 第2 章两向混合励磁无刷电机的基本工作原理及控制策略 基于上述的思路，实验室设计制造了本文所研究的驱动控制系统所对应的两向混合 励磁无刷电机样机。 两向混合励磁无刷电机综合了双凸极永磁电机和电励磁双凸极电机的结构特点，在 双凸极永磁电机的定子上增加了轴向直流励磁绕组( 8 ) ，当轴向励磁绕组中的磁通和永 磁磁通方向相同时，气隙合成磁通增加，起到了增磁的效果；当励磁绕组中通过的电流 为零时，励磁绕组产生的磁通为零，气隙中仅有永磁磁通；当励磁绕组中产生的磁通与 永磁磁通方向相反时，气隙中的磁通为永磁磁通减去电励磁磁通，气隙中的合成磁通减 少，起到了弱磁的效果。这样既克服了双凸极永磁电机恒功率调速范围小和电励磁双凸 极电机励磁损耗较大的缺点，同时又具有两种电机的优点：制造简单，结构稳定，易冷 却，气隙磁场调节方便，具有很宽的调速范围，即使在高速情况下也可以较好地实现恒 功率调速。 2 2 两向混合励磁无刷电机的静态特性和数学模型 2 2 1 两向混合励磁无刷电机的静态特性 转子位置角是影响双凸极电机静态特性的重要因素，因此需对其有明确的规定。本 文定义：定予极中一t l , 线与转予槽中心线相重合时转予位置角为o 。【1 6 1 ，转予槽中心线 沿逆时针超前定子极中心线时，转子位置角值为正，即0 0 ，反之为负，即0 0 。转子 极距角可表示为 见：丝 ( 2 一1 ) p r 式( 2 - - 1 ) 中，p 。为转子极距角，p r 为转子极数，在1 2 8 极双凸极电机中，以= 4 5 。 由于电机的结构和磁路饱和效应等影响，电机的主要参数如磁链、电感、转矩等是 转子位置角和电流的非线性函数，一般没有明确的表达式，只能用一组曲线来表示【1 7 1 ， 如图2 - 2 所示。图( a ) 为空载、励磁电流为零时的永磁磁链曲线，图( b ) 为励磁电流 为零，a 相分别通以- - 3 a 、- - 2 a 、一i a 、1 a 、2 a 、3 a 不同电流时的自感( 相绕组自感， 以下同) 变化曲线，图( c ) 为空载，励磁电流分别为一3 a 、一2 a 、一1 a 、1 a 、2 a 、 3 a 时的互感( 励磁绕组与相绕组之间的互感，以下同) 变化曲线。由图中可以看出， 它们受转子位置的影响十分明显，为寻求两向混合励磁无刷电机的基本控制规律，做一 些适当的简化，采用线性模型。所谓线性模型即假设电机磁路不饱和，认为电机的永磁 磁链、相绕组自感、相绕组与励磁绕组之间的互感只和转子位置角有关，而和电枢电流、 励磁电流无关，由此简化得到的分段线性永磁磁链、电感曲线如图2 3 所示。在转子位 置角0 - - 0 。时，定子极中心线与转子槽中心线相重合，定、转子之间的气隙最大，使 定子凸极与转子槽之间的磁阻最大，磁通最小，由于转子槽宽大于定子极弧，只要0 5 。， 定子凸极与转子凹槽就完全重合，磁阻恒为最小，于是形成一段不随转了位置变化的最 小永磁磁链、相电感常数区。在5 。0 2 0 。区间内，定子凸极与转子凸极开始重叠，随 6 第2 章两向混合励磁无刷电机的基本工作原理及控制策略 着e 的增大，定子凸极与转子凸极之间的气隙不断减小，磁阻也在不断减小，气隙磁通 却在不断地增加，于是永磁磁链、相电感也随着线性上升。当秒= 2 0 。时，定子凸极与转 子凸极完全重合，永磁磁链、相电感达到最大值。由于转子极弧大于定子极弧，因而在 2 0 。5 口 2 5 。的定子凸极与转子凸极完全重合区间内，存在一段磁阻恒为最小、不随 转子位置变化的最大永磁磁链、相电感常数区。之后，永磁磁链、相电感又开始线性下 降，直到最小值。于是就有了图2 4 所示的永磁磁链、相电感的变化规律。如无特别说 明，以下分析都是基于该线性模型进行的。 ( a ) 永磁磁链变化曲线( b ) 自感变化曲线 ( c ) 互感变化曲 图2 - 2 两向混合励磁无刷电机的永磁磁链、电感非线性特性曲线 j 转子位置角9c 。) j 线 转子位置角8 ( ，) + l ( a ) 永磁磁链变化曲线 ( b ) 自感变化曲线( c ) 互感变化曲线 图2 - 3 两向混合励磁无刷电机的永磁磁链、电感线性特性曲线 由图2 - 3 可知，永磁磁链、自感、互感随转子位置具有相同的变化规律，很容易得 到各自的特性方程。以永磁磁链为例，按图2 - 4 所示的永磁磁链随转子位置角变化的示 意图，得到其线性方程为： j 甲。佃0 p 只或戗口 。，绕组中通入正电 流，产生正的励磁转矩；在互感下降区，丝盖d o 盟 0 【c ) 0 0 ) 来达到增大电机输出转矩的目的，负载转矩减去永磁输出转矩的差值乃一巧 由电励磁提供，电机运行在增磁方式下。 2 、当要求转速疗 刀时，电机实行恒功率调速，转速的调节通过调节电压或调节 励磁电流( i ， 0 ) 来实现。 当刀 体时，可在维持电枢端电压为最大的前提下， 通过弱磁( o ) 来实现升速，电机运行在弱磁方式下。此时，电机的输出转矩减小。 采取分段恒功率调速的方法，可以拓宽两向混合励磁无刷电机的恒功率调速范围。这也 是两向混合励磁无刷电机较之永磁双凸极电机的优点之所在。 2 , 4 2 两向混合励磁无刷电机的分区控制策略 由2 4 1 节对两向混合励磁无刷电机调速性能的分析可知，为了增大两向混合励磁 无刷电机的效率，减小励磁损耗，希望电机主要运行在永磁方式下，只有在需要弱磁升 速或者增大输出转矩的情况下，才加入合适的励磁电流，为此提出了分区控制策略 2 1 】。 分区控制策略的基本思想如图2 6 所示： 丁 丁m 舀 0 再1 挎n唿 以l 他x 刀 图2 - 6 两向混合励磁无刷电机转矩一转速调节特性 对两向混合励磁无刷电机的控制分成四个区域进行，即低速标准调速区( f ，= 0 ， 刀 o ，刀 疗) ，高速标准调速区( ，= o ，玎 ， 撑 0 ) 和弱磁调速区( f ， o ，对应 增磁调速区) 、弱磁运行( f ， o ，对应高速弱磁调速区) 三种运行方式。因此系统需要 设置两个控制器，一是电枢电压( 电流) 控制器( 称其为主控制器) ，仍采用传统的转 速、电流双环控制方式，对于主控制器的设计将在2 5 节中重点阐述；另一个是励磁电 流控制器，由速度判断来选择增磁励磁电流给定通道或弱磁励磁电流给定通道，用于调 节励磁电流以达到增磁或弱磁的目的。 分区控制策略的控制系统原理框图如图2 - 7 所示，从图中可以看出，主控制器和励 磁电流控制器通过电流分配限幅模块和反电势联系在一起，系统靠这种关联能从调压自 1 4 第2 章两向混合励磁无刷电机的基本工作原理及控制策略 动转天调谲歪弱丽谣甭历丽为了使主控制电路不失去调节作用，选择永磁恒功率 运行方式下的最高转速( 即第二临界转速) 的8 5 作为弱磁基速的的数值。 磁 圈 图2 7 两向混合励磁无刷电机调速系统原理框图 下面根据电机调速的四个区域分别分析控制系统的实现方法。 1 、低速标准调速区o h b j ( 。，2u ，以 o ，捍 瓦，电枢电流不能超过额定电流， 需要增磁工作以满足负载转矩，励磁电流调节器经速度反馈判断后接通增磁电流给定。 双拍运行情况下( 电机两相电枢绕组同时通电) ，当电枢绕组通入额定电流如时， 由合成转矩公式 + 乙) 斗鲁蚴p 。等 亿 可得： 。= 睁鲁肛等h h 儿 协2 。， 其中：t u = 2 i ! 茅为额定转矩，k = 2 凡i d l 矿p 旷，由此可见，励磁电流。与输出 转矩丁成线性关系，与转矩差值p 一瓦) 成正比。 在低速调速区( 即转速低于电机的额定转速时) ，当电动转矩不能带动负载转矩时， 第2 章两向混合励磁无刷电机的基本工作原理及控制策略 电枢电流增加，增大到电枢电流的额定值后，增磁励磁电流开始增加，以满足负载要求。 随着励磁电流的增加，电机转矩开始上升，同时转速增加，直到电机达到平衡状态。 3 、高速标准调速区b j f c ( 。，。u ，h 刀 刀，) 在高速标准调速区，转速小于弱磁基速，无需弱磁控制，仅通过调节电枢电流即可 实现恒功率控制。 由恒功率调速定义可得【2 2 】： 最= 乙缈= 勘盖 2 - 2 1 ) 由此可得 z ：3 0 p s ( 2 2 2 ) ” 翮f 其中：r 为额定功率( w ) ；k 为最大输出转矩( n m ) ；刀，为实际转速( r p m ) 。 4 、高速弱磁调速区c f e d ( i i 刀，) 在高速弱磁调速区，转速大于弱磁基速，励磁电流控制器接通弱磁励磁电流给定通 道，系统开始弱磁调速。 电机稳定运行时，励磁电流近似为恒值，由式( 2 - 8 ) 可得，导通相的反电动势： p ，：+ 吒：( 竺竺+ 2 i 生) 缈 )r(2-23 p ，鄙朋托2 1 严苗) 缈 ) 由上式可知，反电动势与转速成正比，在转速上升的同时，减小励磁电流( 增大反 向励磁电流) ，则可保持反电势恒定。当转速为选定的弱磁基速时，此时的反电势可表 示为： 驴鲁蛳 ( 2 - 2 4 ) 其中国肿为选定的弱磁基速。 保持弱磁调速时的反电势等于弱磁基速时的反电势，可得： 一a 阳p r n p d 8 删。等缈= 鲁 协2 5 ， j d 8d e ” 可得励磁电流给定值为： 。= 鲁睁t ( 2 矧 c 2 弱磁调速时调速系统的控制过程可描述如下：反电势p i 调节器累积反电势反馈值 p ，与弱磁基速反电势e 譬的负偏差，产生弱磁励磁电流给定值赡。，通过负反馈保证反电 势反馈值等于弱磁基速反电势。当转速小于弱磁基速时，励磁电流给定值为0 。当转速 上升至弱磁基速以上，反电势反馈值e ，大于弱磁基速反电势e 。，弱磁励磁电流给定值 开始负向增加，进行弱磁调速。 1 6 第2 章两向混合励磁无刷电机的基本工作原理及控制策略 2 5 主控制器设计 由以上对电机控制策略的分析可知，两向混合励磁无刷电机由于励磁绕组的加入可 增大电机的调速范围，但电机的基本和主要运行方式仍为永磁方式( 即励磁绕组输入电 流为零的方式) ，此时两向混合励磁无刷电机的工作原理实际上即与双凸极永磁电机的 工作原理相同，其控制方法与双凸极永磁电机在本质上是类似的。本文研究的主要内容 为电机运行在标准运行方式下的驱动调速。 由电机的自然机械特性 2 3 】： 乙= 毛告+ 恕 ( 2 - 2 7 ) p = k l u p + 岛缈 ( 2 - 2 8 ) 其中：毛= 百mf 们) 争口，屯= 毒r 训秒) 争p ，毛和屯均与缈无关。 可知：电机的转矩和转速成反比，而功率与转速成线性关系；且由于毛是负值，随 着转速的上升，转矩和功率将下降。对于一定结构的两向混合励磁无刷电动机，控制其 外加电源电压以、开关角气、即可调节相电流峰值的大小和有效值，达到转速和转 矩调节的目的。其控制方法分为基速以下的电流斩波控制和基速以上的角度位置控制两 个阶段分别表述【2 4 】。基速的定义可表述为：对给定的两向混合励磁无刷电动机，控 制其电励磁绕组输入电流为零，在最高外施电压和允许的最人磁链与最大电流条件下， 存在一个临界角速度，它是电动机能得到最大转矩的最高角速度。这一临界角速度称为 “基速”。显然，基速亦即混合励磁无刷电动机能得到最大电磁功率的最低角速度。 l 、低速时的电流斩波控制( c c c ) 在基速以下时，由于旋转电动势引起的压降小，电感上升的时间长，电抗较小，绕 组加压后电流上升很快，并且坊西的值相当大，为避免过大的电流脉冲峰值，因此对 电流进行斩波限幅，以实现恒转矩运行。此时，绕组开关的开通角和关断角固定，由于 斩波使得电流值只能在上下限幅值之内，从而实现对转矩的控制。 2 、高速时的角度位置控制( a p c ) 当转速在基速以上时，由于反电势和电抗均较大，绕组电流上升缓慢，甚至尚未达 到稳定值之前又要关断，因此在每个导通区内电流无法再保持恒定，需要通过调节导通 角皖。来控制输出转矩，实现恒功率运行。这种控制方式称作角度位置控制( a p c ) ，又 称为单脉冲控制。 本课题中，主要研究了电机运行在基速以下时的驱动控制，因此，本文研究的重点 就放在了低速时的电流斩波控制的实现上。当两向混合励磁无刷电机作为伺服电机使用 时，它应该具有伺服系统所要求的性能，即在任何t 作条件下都应该既具有高的精确度 即规定的转矩、速度或位置精度，又具有好的瞬态响应，即过渡过程短、超调量小，因 此本文选择了闭环控制方式，闭环控制具有自动修正被控制量出现偏离的能力，抗干扰 1 7 第2 章两向混含励磁无刷电机的基本工作原理及控制策略 能力强。这样，调速系统设计的核心问题就是基于电流斩波控制的闭环调速系统的调节 器的设计。 整个控制系统主要包括转速控制器、转矩控制器、电流控制器。由于转矩是转子位 置、电枢电流和励磁电流等的函数，一般情况下，无法直接得到电机的输出转矩。通过 大量的仿真分析，发现在开关角固定的情况下，输出转矩和电枢电流近似为线性关系。 因此直接将转速控制器和转矩控制器合而为一，通过转速控制器直接得到参考电流信号 1 2 5 】。因此调速系统调节器的设计就集中在转速和电流控制器的设计上，控制器设计 的好坏将直接影响系统的性能，控制器设计得不好，会导致系统的性能变差，甚至出现 振荡；好的控制器使系统的性能良好，并且能够改善系统的固有缺陷【2 6 】。 目前广泛使用的反馈控制策略有多种形式，大体上可以分为三类： l 传统控制策略。包括p i d 反馈控制、解耦控制、s m i t h 预估控制算法等，它们在 控制对象模糊确定、不变化且为线性等情况下使用时具有明显的控制效果。其中p i d 算 法包含了动态控制过程中的过去、现在和将来的信息，具有较强的鲁棒性，与其他新型 控制思想相结合，形成了许多有价值的控制策略。是交流伺服电动机驱动系统中最基本 的控制形式，控制应用极为广泛，据统计其在工业过程控制中采用的比例超过了9 5 。 2 现代控制策略。包括自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制、预见控制等，当 控制对象具有时变、非线性以及运行环境改变和干扰等特点时，采用现代控制策略才能 得到满意的控制结果。 3 智能控制策略。包括模糊逻辑控制、神经网络和专家控制等，它们不依赖或不完 全依赖于控制对象的数学模型，是对复杂的系统进行控制的有效方法：它们模仿人脑的 结构，继承了人脑思维的逻辑功能，能够对控制对象环境与任务复杂的伺服系统进行有 效的控制。 两向混合励磁无刷电机是一个具有强烈非线性的系统，其转矩与绕组电流、导通角 之间无明显的函数关系。考虑到本文处于调速控制系统的初步研究阶段，本人的时间和 能力有限，本文采取了应用最为广泛的p i d 控制作为闭环控制的反馈环节，更加适合 h e d s 电机的反馈算法有待于进一步的研究。 常规线性p i d 控制器的控制规律在时域中可表示为 2 6 ，2 7 】： tj ，o 、 “( f ) = k e e ( t ) + k , e ( t ) d t + 吒掣 ( 2 - 2 9 ) o “l 式( 2 2 9 ) 中k 。、毛、彪分别为控制器的比例参数、积分参数和微分参数，它们直 接决定了系统的稳态和动静态性能。增大k 。能够提高系统的响应速度，减小稳态偏差， 但太大的k 。又会导致过大的超调量，甚至造成系统的振荡，使系统的稳定性变差；积分 参数七主要用于消除静差，其值越大，积分作用越强，系统的静差越小，反之，积分作 用越弱，静差越大。但是，积分作用存在饱和现象，因此大的七，值会使系统过渡过程变 长；拓参数能反映偏差信号的变化趋势，并在偏差信号变得太大之前引入一个早期的修 正量，抑制超调，减小调节时间，但它的引入又会使响应速度变慢。 1 8 第2 章两向混合励磁无刷电机的基本工作原理及控制策略 2 5 1 转速控制器 转速控制器的主要功能是根据当前转速以及转速误差信，g - 通过调节算法计算出参 考电流的信号。为了确定控制器的类型，首先研究转速误差和转矩的关系 2 8 1 电机的转矩方程为： t ：乃+ 曰国+ ，掣 ( 2 3 0 ) 。 蹦 丁：电机的电磁转矩 ：负载转矩 口：转矩摩擦系数 ，：转动惯量 当系统工作在稳态时， t = 瓦+ b e n ( 2 3 1 ) 否则，转矩的变化量和转速的变化量相当： a t ：b a g o + ，塑 班 假设采样周期为z ，如果采样周期足够小，则可以认为在相邻两次采样之间， 变的，上式可简化为： ， a t = = - 缈 2 ： ( 2 - 3 2 ) 转速是不 ( 2 3 3 ) 其中，d 衍c o = 竽 由于参考电流和参考转矩成正比关系，因此转速控制器可以用一个比例调节器实 现，但如果只用比例调节，难以消除稳态误差，所以最终采用比例积分调节器实现，形 式如下： a t = ( k 。+ 垒) 国 ( 2 - 3 4 ) 这样，就可以通过调节比例、积分系数来改变系统闭环极点的位置，调整系统响应的超 调量、上升时间、静态误差等指标，从而提高转速控制器的性能。 由于微处理器是离散的系统，积分在离散系统中是通过累加实现的。实验发现，当 微处理器实现大数据，比如转速的累加时，很容易出现数据溢出，因此考虑用增量式的 p i 调节来实现。增量式p i 调节原理如下 2 7 】： 令转速控制器的第k 次输出为及助，则及助和撇+ 1 ) 的表达式分别为： 丁( 后) = 后，p ( 后) + 后，p ( ，) ( 2 - 3 0 ) k + l 丁( 后+ 1 ) = 七p p ( 七+ 1 ) + 七，p ( f ) j - - o 令两式相减，得 丁( 七+ 1 ) 一r ( 七) = k p 【p ( 后+ 1 ) 一p ( 后) 】+ 后，p ( 七+ 1 ) 1 9 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 第2 章两向混合励磁无刷电机的基本工作原理及控制策略 其中，p ( 七) = 刀。一甩( 七) 为第k 次的转速误差，p ( 七+ 1 ) = 刀- n ( k + 1 ) 为第k + l 的转速 误差，把两次误差表达式代入上式，得增量式p i 调节器的表达式如下： 丁( 后+ 1 ) = 丁( 七) + 七p 【刀( 七) 一珂( 七+ 1 ) 】+ 毛i n 一刀( 七+ 1 ) 】 ( 2 - 3 3 ) 2 5 2 电流控制器 电流斩波的措施有很多种 2 9 ，3 0 1 ： l 、限制电流的上下幅值： 在一个控制周期内，给定电流的最大值和最小值不变。当电枢绕组中的实际电流大 于设定的最大值时，关断相对应的功率器件。当续流电流衰减到设定的最小值时，开通 相对应的功率器件，如此反复。 2 、功率器件的开关时间恒定 在这种方式下，电流设定为一恒值，检测绕组实际电流的时间也恒定。当绕组中的 实际电流大于设定值时，关断相应的功率器件，否则，当绕组中的实际电流小于设定值 时，开通相应的功率器件。电流上升或下降的多少取决于绕组的电感、反电动势、转速 等因素，因此电流的上下限并不一致。 3 、 功率器件的开关时间恒定的条件下限制电流的上下幅值 给定电流的最大值和最小值不变，定周期地检测实际电流，当实际电流大于设定电 流的最大值时，关断相应的功率器件；当实际电流小于设定电流的最小值时，开通相应 的功率器件，否则，功率器件维持前一次状态不变。 以上几种方式，一般固定正负半周的开关角。实际中，如果用软件生成i g b t 的门 极控制信号，则电流控制是在定时器中断函数中