（电机与电器专业论文）双余度无刷直流电机控制技术研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ep r o j e c t t h er e s e 盯c ho fs e r v oc o n 仃o l l e r f o rd u a lr e d l 】n d 锄c yr e a re a r t hp 锄柚e n tb 邝s h l e s sd cm o t o f ( b l d c m ) t h e m a i nf o c u si st od e v e l o pt h et e c h n o l o g ya b o ms e n ，oc o n 仃o l 孤df h u l t t 0 1 e r a n t f o rd u a lr 。d u n d a i l c yb l i ) c m 璐c di nt h ea v i a t i o nr e a l m b e g i 加i i n g 谢t l il l 璩d 蚴d 锄t a lp r o p e r b 髓o fd u a l 帕如n d 如c yb u ) c m ，m e m a 重h 锄a t i cm o d do fd u a l 崩c yb l d c m 锄ds c r v os y s t e mi s 鹤t a b h s h e d n s t l l d i e st h er u l e so fc u r r t 、b a c ke l e c 打o m o t i v ef o r c e 、s p e e d 姐dt o r q u eo fd u a l 帕如n d a n c yb l d c m 柚ds i m u l a t e st h es e r v os y s t 啪o fd u a l幽d 锄c y b l d c mw i t ht r i p l e l o o p sw h i c hi n c l u d p o s i t i o nl o o p ，s p e e dl o o p 锄d c u r r e n tl o o pi nm a t l a b b a 辩t l l e o 硎c a lr e s e 盯c h ，t h et r i p l e 1 0 0 p ss e r v o c o n n d lc i r c u i tw i t hd s p 锄dc p l do fd u a lr c d u n d 锄c yb l d c mi sd e s i g n e df b r e 1 训ca c t i m t i o ns y s t 锄，t h 蛐t h ea l g o f i 岫r o u t i n e 柚ds t r a t e g yo fr e d u n d 姐c y m a n a g 锄e n ta r ep f o p o s e d a f t 盯d 弱s i f 舛n gd i 岱釉t 细l o t ) 审舒o fs e r v os y 吼锄，t h i sd i s s e r t a t i o n 孤a l y z 船t h ep e r f b 皿觚c eo f m o t o ri n n u e n c e db ys o m em a i nf 轧l t 卸dp r c s e n t s t h em e t h o d sf o rm o t o rf 轧l td c t e c t i o n 觚dp r o t e c t i o n t h 姐，t l l ec o n c 印t 、 s e l e c t i o n 、 c o n f i g l l f a t i o n 觚dd e s i g l lo fr c d u n d 孤c ys y s t 咖盯ei n t r o d u c e d 蚰d t h ef c d 啪d 雏c ym a i l a g 锄髓t t e c h n i q u 韶m c h f 如l tp r o t e c t i o n ，f e d u n d a n c y s w i t c h ，锄ds y s t e mr e b u i l ta r ed i s c u s s e d a tl a s t ，ac u r r e n te q u a i i z a t i o nm e t h o d f o r d u a l - r c d 珊d 观c yb l d c mi sp r o p o s e d f o rt h ep r o b l 锄 o ft o f q u e d i s t r i b u t i n gd i s e q u i l i b r i u mb y t h ei n n u e n c eo fd i s c r e p a n c i e si n s y s t e m p 盯锄e t c r s f i i l a l l 弘a 舯t o 咖ei n s t m m e n ti sd e v e i o p c d ，t h ee x p a i n l e n t a lw 伽k 孤dt h e 唧e r i 删r e ：s | 】l t sa 砖a c c o m p l i s h e d t h ea c h i e v 鼬e m so ft h er e s e a r c hh a v e v e r yi m p o r t a n tr e f e r e n c ef o fc o n t i n u a lr e s e 盯c h k e y w o r 出：d u a l 帕如n d 粕c 弘 b m s h l 船sd cm o t 呻( b l d c m ) ， d u n d 姐c y m a n a g e m t ，s e r v oc o n 仃o l ，s i m u l a t i o n n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 稀土永磁无刷直流电机的发展概况 一直以来，有刷直流电机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛 的应用。但由于传统的直流电机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相 对的机械摩擦，并由此带来了噪声、火花，无线电干扰以及寿命短等致命弱点， 再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围。 针对传统直流电动机的弊病，早在2 0 世纪三十年代就有人开始研制以电子 换向代替机械换向的直流无刷电机( b l d c m ) 。经过几十年的努力，终于在六 十年代实现了这一愿望【3 】。 在此以后，又相继出现了新型永磁材料钐钴、钕铁硼，它们具有高剩磁密 度、高矫顽力以及高磁能积等优异磁性能，使永磁电机有了较大发展。但钐和 钴价格昂贵，限制了永磁无刷直流电机的前进步伐。直到八十年代初期，价格 较低的钕铁硼永磁材料研制成功，开创了稀土永磁电机发展的新纪元，并为其 在民品工业中的应用开辟了广阔前景，现已在医疗器械、仪器仪表、化工、纺 织及家用电器等领域日益普及。 进入九十年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型高性能半导 体功率器件，如g t r 、m o s f e t 、i g b t 、m c t 等相继问世，以及微处理器、 大规模集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的变化。这些开关器件 本身向着高频化、大容量、智能化方向发展，并出现集半导体开关、信号处理、 自我保护等功能为一体的智能功率模块( m m ) 和大功率集成电路，使无刷直 流电动机的关键部件之一j 笾变器的成本降低，且向高频化、小型化发展。 同时，永磁材料的性能不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁体的热稳定性和耐 腐蚀性的改善，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟，稀土永磁无刷直流 电机的应用和开发进入一个新阶段【7 】。 随着高性能永磁材料、微电子技术、电力电子技术特别是大功率半导体器 件的快速发展，无刷直流电机正朝着高转矩、高功能化、微型化、高可靠性方 向发展，在众多领域中应用广泛，同时也是新一代航空、航天和航海等军品工 业电机的重要发展方向【4 】，尤其在航空工业的高可靠性、长使用寿命领域，目 前的无刷直流电机还不能完全满足有些指标要求。为进一步提高可靠性，设计 人员将冗余技术引用到电机上，从而设计出了双余度无刷直流电机( d l 】a 1 西北工业大学硕士学位论文 r c d 吼血n c yb l d c m ) 。本文研究的双余度无刷直流电机系统具有以下技术特 点【2 】： 1 ) 全新的双余度方案提高系统的可靠性 电气双余度舵机作动系统由双绕组无刷直流电机与两套控制电路组成，每 一套定子绕组与永磁材奉辜构成的转子相互作用产生电磁转矩，两个通道产生的 电磁转矩在转子上综合后，将机械能输出，电气双余度机电作动系统当任一通 道供电故障时，可由另一通道单独供电，其输出功率最大可为额定功率的7 5 左右。 2 ) 低惯量结构的电机提高系统的快速性 机电作动系统与液压作动系统比较，快速性是必须要重视的性能。因为电 机转子使用了稀土永磁材料，在提高了电机的功率密度基础上进一步减少了电 机的机电时间常数。无刷直流电机具有直流电机特性，它的优点是效率高、起 动性能好、调速性能好；在性能上，还具有起动转矩大、加速度快、动态制动 简便、效率高等优点。 3 ) 数字化控制技术提高系统的综合性能7 随着微电子技术、大规模集成电路制造工艺和计算机技术的发展，高性能 的微处理器( c p u ) 、大规模集成电路( l s i c ) 芯片、可编程控制器件( p u ) ) 、 表面安装器件( s m d ) 等为实现数字化控制提供了硬件基础，不仅使控制电路 体积大大缩小，而且通过控制软件可以实现更加灵活、复杂的控制方法，在不 增加或很少增加硬件设备的前提下，可满足不同场合的需要，充分体现数字控 制高度智能化和柔性的优点。综合机电技术的优点，利用数字计算机的机器智 能，向集成、简化和数字化的方向发展，是飞行控制作动系统今后的发展方向。 1 2 国内外双余度无刷直流电机在作动系统中的应用 2 0 世纪7 0 年代中期，美国直升机的液压系统在重要的国际事件中频频出 现故障，促使他们对稀土永磁电力作动器进行研究开发。美国通用电气公司、 维克斯公司和h r 得克斯朗公司为下一代飞行控制舵面研制的电动液压作动器 采用了钕铁硼永磁b l d c m 技术。研制的机电作动器采用高压直流r e p m b l d c m 技术和脉宽调制式功率变换器技术【4 s 1 。 7 0 年代末国外已研制出作为应急舵机用的功率电传舵机电液静压作动器 ”“。9 0 年代，美国的功率电传舵机已接近实际应用水平。1 9 9 1 年1 2 月p a r l ( 凹 b e n a 公司研制的电动液压作动器在c 1 3 0 飞机上完成了空中试飞。1 9 9 4 年， f a 一1 8 副翼上分别进行电动静液作动器和机电作动器的飞行试验。到目前为止， 2 第一章绪论 已进行的飞行试验都取得了成果，已达到或者将达到如下目的田： 1 ) 已证实功率电传作动器可以作为操纵战斗机关键飞行舵面的主要作动手 段，并为多电飞机规划一个根本的电力作动计划； 2 ) 验证了功率电传作动器在高性能的多电飞机上操纵舵面的有效性，确保 机电作动器和电动静液作动器不会成为限制多电飞机发展的因素； 3 ) 通过1 0 0 0 h 的飞行试验证实，功率电传作动器比目前装机使用的液压作 动器可靠性高、维修性更好、更易于保障和寿命周期费用低。 电力作动器以其简单可靠、成本低、易于控制等特性引起了人们的广泛注 意和深入研究，并且得到了广泛的应用。许多无人侦察机中均采用电力作动器， 并向高速小型化方向发展。不少国家已在导弹上采用电动伺服系统，如法国的 马特拉5 5 0 导弹，俄罗斯的某型战术地地导弹等【1 1 。 在美国等发达国家，双余度多余度控制、容错技术也已成功应用在载人航 天、无人机、火控雷达等尖端技术领域的作动系统中，该技术大大提高了控制 系统的可靠性【l 帕1 1 。例如，f a 2 1 8s r a 试飞的电动控制系统( e a c s ) 平尾e h a 有三个主要部件：三重控制器、双重电源平台和二通道作动器。e a c s 系统采 用了复杂的余度管理技术，包括硬件和软件的余度管理，其中要重点解决的问 题是：操作模式、系统载入与复位、故障识别和重新配置、故障记录【2 】。 通过“九五”、“十五”预研以及十一号工程的国产化，我国已在对包括机 电作动器和电动静液作动器在内的功率电传作动器进行原理性研究及原理样机 的研制，取得了一定的成果。但国内生产的同类产品或原理样机在性能方面与 国外仍存在一定的差距。 近几年，国内的北京航空航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学等 科研院校和一些国防研究单位，在余度技术方面进行了一些理论研究和工程应 用【9 h 】，双余度无刷直流电机在大功率、高集成、安全可靠的一体化电动作动 器有了初步的应用，在提高系统可靠性方面发挥了相当大的优势，电机的余度 管理技术、容错技术等相关技术也成为研究的热点。 国外在机载作动器方面目前处于研制试飞阶段，国内的研究尚处于起步阶 段，国内急需跟踪国外该领域的发展并致力于其关键技术的研究和突破。 l - 3 课题研究的内容 本论文主要针对双余度无刷直流电机的控制技术进行研究，实现驱动系统的 双通道工作模式。建立具有良好动态特性的电流、转速和位置三闭环伺服系统， 并对双余度无刷直流电机的余度管理技术进行研究。 3 西北工业大学硕士学位论文 在理论上，通过深入分析双余度无刷直流电机的数学模型，在m a n a b s i 舢 1 i n k 的环境下建立该电机的仿真模型，并对位置、转速闭环伺服进行仿真，分析 电机内部参数对控制性能影响。 在工程上，系统可靠性和控制精度的提高需要从电机设计和控制器设计两个 方面同时入手，本文所研究的双余度无刷直流电机控制器，就是从控制方面通过 余度管理和故障诊断技术进一步提高系统可靠性。 通过理论分析和实际工程设计，本论文研究的主要内容具体包括以下几个 部分： 1 ) 建立双余度无刷直流电机及其伺服控制系统的仿真模型，并对双余度无 刷直流电机的多种运行状态进行仿真； 2 ) 设计双余度无刷直流电机电流、速度和位置伺服控制系统的原理样机， 从硬件电路设计和软件程序设计两个方面入手，建立起一个比较完整的双余度 无刷直流电机伺服控制系统。 3 ) 对双余度无刷直流电机的余度管理技术进行研究，在对电机及其控制系 统故障分析的基础上研究了伺服系统的故障保护技术、余度切换技术和余度重 构技术；然后对双余度无刷直流电机两个通道同时运行时的电流均衡技术进行 了简要分析。 4 ) 通过实验测量，首先对双余度无刷直流电机的机械特性进行了数据分析， 然后分别在位置阶跃和正弦激励信号下，测出了位置伺服系统的动态响应曲线， 对原理样机的设计结果进行了检验，得出了良好的实验波形。 1 4 论文的结构安排 论文完成了双余度无刷直流电机伺服控制器的研制，这其中包括系统总体 方案的设计、硬件电路的设计、系统软件的设计以及系统实验测试。同时也对 双余度无刷直流电机及其伺服系统进行了仿真研究，通过理论上对数学模型的 仿真结果和实验数据的对比，验证了系统的可行性。本文分六个章节，内容安 排如下： 第一章绪论 概述了无刷直流电机的发展状况，并对国内外双余度无刷直流电机在作动 中的应用进行了对比，然后介绍了课题的研究内容和论文的结构安排。 第二章双余度无刷直流电机伺服系统建模仿真 在分析单通道和双通道无刷直流电机驱动机理的基础上，从经典的单通道 无刷直流电机的数学模型出发，在考虑通道之间互感影响的情况下，建立了双 4 第一章绪论 余度无刷直流电机电机的数学模型。在m a n a b s i m m i 玎k 的环境下对电机及其位 置、转速和电流伺服系统进行了仿真，得出了系统理论上的动态响应结果。 第三章双余度无刷直流电机控制系统设计 对双余度无刷直流电机伺服控制系统样机的硬件及软件设计进行了详细的 介绍。按照硬件电路的结构和组成，分别对系统相关电路的原理与实现方法进 行分析，然后从软件设计角度介绍了伺服系统软件开发环境、系统的软件设计 思想和控制算法。 第四章双余度无刷直流电机控制技术研究 对双余度无刷直流电机的余度技术进行了分析和研究，从系统的余度管理 和电流均衡控制技术迸行了介绍，主要是针对系统的故障保护、容错等相关技 术在实际系统中的应用，提出了故障保护、余度切换以及故障重构等实现方法。 第五章实验结果与分析 对伺服系统的原理样机进行了实验验证，从实验目的、实验方法和实验结 果几个方面，首先对双余度无刷直流电机的机械特性进行了测试，检验了电机 的性能；然后对伺服系统进行了位置闭环实验，对位置阶跃和频率响应的结果 对比理论上的仿真结果进行了数据分析。 第六章总结 全面总结了论文所完成的内容，列出了本文的主要特点和关键技术，并对 本课题今后的研究方向进行了展望。 本章小结 本章从无刷直流电机发展概况引出了当前对无刷直流电机的一个研究热点 一一无刷直流电机的双余度设计，然后对比了国内外双余度无刷直流电机在伺 服作动系统中的应用，分析了当前在这个领域霍要研究的问题，从而展开全文， 介绍了课题研究的内容 5 西北工业大学硕士学位论文 第二章双余度无刷直流电机伺服系统建模仿真 2 1 无刷直流电机的工作原理与机械特性 2 1 1 无刷直流电机的驱动机理 无刷直流电机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。它的电枢绕组是 经由电子“换向器”接到直流电源上，可把它视为直流电动机的一种。从供电 逆变器的角度看，它又可属于永磁同步电动机的一种，因为无刷直流电动机转 速变换以及电枢绕组的电流变换是和逆变器的输出频率一致的。但是无刷直流 电动机电枢绕组中流过的电流以方波形式变化，故又称方波电流永磁交流电动 机【捌。 电子换相电路( 逆变器) 图2 - l 稀土永磁无刷直流电机系统图 以三相星形定子绕组为例，如图2 1 所示，三相桥式电子换相电路工作在二 相导通1 2 0 0 三相六状态模式，即每一时刻总有两个功率开关导通，每隔l 6 通 电周期( 6 0 。电角度) 要根据转子位置传感器的信号进行一次换相，每次换相一 个功率管开通另一个则关断，每个功率管均导通1 2 0 0 电角度，三相桥式逆变器 六只功率管的导通顺序是：v 1 、v 2 _ v 2 、v 3 _ v 3 、一v 4 、v 5 _ v 5 、 v 6 寸v 6 、v 1 斗v l 、v 2 ，依次循环。当功率管v l 、v 2 导通时，电流从 v l 管流入a 相绕组，再从c 相绕组流出，经v 2 管回到电源。 本文无刷直流电机采用霍尔饵a 1 1 ) 元件转子位置传感器，三个霍尔元件( 姒、 邱、h c ) 沿圆周均匀分布粘贴与电机端盖上，彼此相差1 2 0 0 电角度，电机的 6 第二章双余度无剥直流电机伺服系统建模仿真 换相主要依据转子位置传感器。表2 1 给出了两相导通星形三相六状态运行的 b l d c m 正反转逻辑关系，按照表中的逻辑换相关系，根据转子位置传感器实 时信号，通过改变三相桥式逆变器功率开关管的导通规律，就可以使得电机合 成转矩矢量按顺时针或逆时针方向旋转，从而实现电机的正，反转。 表2 - l 无刷直流电机正，反转逻辑关系表 顺时针转 逆时针转 h a 哪h c 绕组导通电流方向导通功率管绕组导通电流方向导通功率管 oo 1a+b v iu b + a 吩匕 l0 la+c v v 2 c + a 蜂嵋 l00b+c v z c + b 也v 6 jlob+a 蜉巧 a b v lv 0loc+a 吩 玎 + c v iv 2 0llc 十b ，v ，v b + c 峙屹 在一个3 6 0 。的通电周期内，电机正转方向运行时，转子转过3 6 0 0 电角度， 三个h a l l 传感器h a 、耶、h c 信号与逆变器功率器件( v l v 6 ) 之间的换相 逻辑波形如图2 - 2 所示，而电机三相绕组的相电压( 以、配) 波形和线电 压( 、c oc 乞) 波形如图2 3 所示，电机反转情况可类似推理。 h a 厂 1 h a l _ j 岫广 h c ：；厂一 v 1 广丁 ： v 2 广 ； v 3 ：广 w ；厂_ 垤! 厂了 v6广一 0 0 6 0 01 2 0 01 8 0 02 4 0 03 0 0 03 6 0 0 h a ll 岫：厂_ ； h c 厂 q 厂、i 广一 卜厂h ： 以l 卜1 昂= 二匕：= f 声：= = = = = 工 b 二二 吒l = = ：= ；一二二f ) 图2 2 无刷直流电机换相逻辑波形图2 _ 3 电机三相绕组相电压与线电压波形 无刷直流电机的机械特性和调节特性与有刷直流电机的特性基本近似，因 而，在伺服系统中通常采用脉宽调制( p w m ) 技术对电机转速进行调节。 2 1 2 稀土永磁无刷直流电机的机械特性 稀土永磁无刷直流电机的机械特性公式为川： 肛等一矗= 筹一南乙c 鼻5c 彝s c 冉5c c r 蟋4 。 西北工业大学硕士学位论文 式中，丑一电机转速( f 艋i 1 1 ) ； ( 卜一电源电压( v ) ； 4 卜一开关管的饱和管压降( v ) ； o 每相绕组电流( a ) ； 宁每相绕组电阻( q ) ； c 卜一电势常数； g 一转矩常数； 口，每极磁通( w b ) ； 瓦广一电磁转矩( n 皿) 可见，稀土永磁无刷直流电机的机械特性与有刷直流电机的机械特性表达 式相同，机械特性较硬，如图2 叫a ) 曲线l 所示。 ( a ) 廿 q 4 q 3 q 2 q l 0 钿锄钿幺 ( b ) 图2 _ 4 稀土永磁无刷直流电机机械特性 对于有刷直流电动机，由于参与换向的绕组元件相对较少，因而通常只考虑 电阻对机械特性的影响，忽略或较少考虑电感的作用。但由于方波电动机定子电 枢为多相绕组，而不是单个线圈，因此电感较大。当方波电机采用不同的充磁方 向时，电感和电阻对机械特性的影响是不同的。通常有以下特点： 1 ) 当转子瓦形磁钢采用径向充磁结构时，电枢电感较小，电阻作用较大， 电机具有硬的机械特性，如图2 4 ( a ) 中曲线l 。 2 ) 当电机瓦形磁钢采用切相励激结构形式时，电机电感较大，机械特性较 软，如图2 4 ( a ) 曲线3 。 3 ) 一般情况下，电机的电感和电阻均不应忽略，故机械特性介于上述两者 之间，如图2 4 ( a ) 曲线2 。 不同的供电电压驱动时，对径向充磁的方波电机，可得图2 4 ( b ) 所示的机械 特性曲线簇。图中低速大转矩时产生的弯曲现象，是因此时流过开关管的电流较 大，管压降u 增加较快，使电机电枢绕组上的电压下降，转速进一步降低， 因而杌械特性下弯。 8 第二章双余度无刷直流电机伺服系统建模仿真 2 2 双余度无刷直流电机系统构成 无刷直流电动机调速系统集电磁机构( 电机本体) 、功率电子线路和微处理 器为一体，其中由功率电子器件实现的逆变器是整个系统可靠性的薄弱环节。 对于航空航天等可靠性要求较高的领域，采用单电机往往不能满足要求，为迸 一步提高系统可靠性，可在定子槽中嵌放双重绕组，采用两套电子电路驱动， 构成双通道控制系统，又称为双余度无刷直流电机控制系统。当任意一套发生 故障后，其余的一套仍然能够工作嘲。 双余度无刷直流电机是在定子槽中嵌放两套三相集中绕组，星形接法，两 套绕组互差3 矿电角度，由两套独立的功率电子器件实现三相桥电路驱动，如 图2 5 所示。 图2 5 双余度无刷直流电机驱动系统图 电机采用1 2 0 0 导通的二相导通方式。每套绕组在每个周期有6 个换相状态， 两套绕组有1 2 个换相状态，如表2 - 2 所示。 表2 吨双余度工作时一周期内导通关系 电角度 o o3 0 0 6 0 。9 0 01 2 0 01 5 0 0 通道1 a ，ba 仍a ，c b ，cb c 通道2c ，ba b舳a ，ca cb c 电角度1 8 0 02 l o o2 4 0 。2 7 矿3 0 0 。3 3 0 0 通道1 b 埴雕ac ，ac ，a c 徂c ，b 通道2 b cb ，a 驯ac | 丸o f ac b 表中转子位置是转子磁场的电角位置，a ，b 表示电机的a 相绕组电压为正， b 相绕组电压为负，其余类推。 9 西北工业大学硕士学位论文 2 3 双余度无刷直流电机数学模型建立 双余度无刷直流电机电枢绕组是采用两套隔槽嵌放的定子绕组组成，因此 分析双余度无刷直流电机数学模型时，首先选取其中一个通道进行分析，在此 基础上，建立双余度无刷直流电机的数学模型 2 3 1 单通道无刷直流电机数学模型 e ! = 瞳昙墨壁 + 墨芝茎 啦 + 匿 c ， 气、吃定子绕组电动势( v ) 。 k 、k 、k 、k 、k 、如一每两相绕组间互感( h ) ； i o 第二章双余度无刷直流电机伺服系统建模仿真 啪m 匠兰璐圈 c 心， 医 = i ；习 芝 + 工j m 工 m 互蔓 啦 + 三 c 2 4 ， l ：盟立盥 ( 2 5 ) “ 国 7 西北工业大学硕士学位论文 式中： t | 一t l = j a | 出+ b 丁功负载转矩( n m ) ； ，为转子惯性矩( k g m 2 ) ： 国为机械角速度( r a ) ； 召粘滞系数。 2 3 2 双余度无刷直流电机数学模型 ( 2 7 ) 双余度无刷直流电机是在定子槽中嵌放两套三相集中绕组，星形接法，两 套绕组互差3 0 。电角。仿照公式( 2 2 ) 可以得到热备式双余度无刷直流电机的 电压平衡式【硐 + 1 4m l 加m l 肌m i m l ，d册1 2 0辫2 所 坍f 月册i 肼2 m 所 m 2 7 0 m l 4所l 嬲l ，1 3 0辨2 聃1 2 0l d m 柳所l 蛐 册3 0 柳l 册1 2 0 +( 2 8 ) 式中，下标l 与2 分别表示第1 和第2 余度的电压、电流、电势变量。参 数l 为相绕组电感，鸭o ，码。，蛐与7 0 分别为两相绕组差3 0 。，1 2 0 。，1 5 0 。 与2 7 0 0 电角度的互感。由于两个余度分剐采用三相绕组星形连接，且没有中线， 则有： i + 屯i + l = 0 乇2 + 2 + t 2 = 0 从而联立得： +( 2 9 ) 式中：厶= 乞一m 加 一般方波无刷直流电动机采用集中整距绕组，绕组系数孟0 = l ，每极每相 槽数g = 1 ，驱动电流为1 2 0 。方波。当采用瓦片形磁钢结构时，在一对极的电角 1 2 印和豇即印印，k 彻缈咖缈舢厶鼬蛳砌彬彬即 印即印缈聊印 l=三一hh一一=兰一1ll，旧rj 唧椰脚o o 厶 o l o l o o o o l o k o 厶o o 加唧仰蛐蛳幻坳脚即 第二章双余度无刷直流电机伺服系统建模仿真 度范围内，a 相绕组在定子上的分布及在空间产生的磁感应强度波形如图2 6 所示。 参。静 圜撕q 2 l 盯一相绕组严生的磁感匝强厦坡形 当极对数p = l 时，如果a 相每极绕组产生的磁势为e = 肘，则在气隙中 产生的磁感应强度为 死= 警 ( 2 1 0 ) 式中，矽每极绕组串联匝数， 觞一空气磁导率， 磊气隙宽度( m ) 。 绕组自感磁链为【3 5 】 l = 既白绒一掣竽， ( 2 - 1 1 ) 式中，屹一为电枢半径( m ) ， 毛一电枢长度( m ) 则自感为3 坷； 工：当：型q 坠 ( 2 1 2 ) l2 6 。 任意两相绕组在空间相差1 2 0 。电角度，故a 相绕组交链b 相绕组磁链为 = 既屹 _ 陪一烈三一讣 簧产， 则互感为【3 5 】。 m = 孚一 掣竽 泣 ，32 正 当电机极对数为p 时，每相串联匝数= p ，则( 2 一1 2 ) 、( 2 一1 4 ) 式表 示为： 扛篙擎 眨 2 p 2 4 西北工业大学硕士学位论文 肌七篙擎 协 3 2 口2 五 根据( 2 1 5 ) 、( 2 ，1 6 ) 可得自感三与互感膨的相互关系为 m = 一 ( 2 1 7 ) 理论上讲：b 相绕组与a 相绕组重合时，m = l ，达到最大，当两者相互 垂直时，m = o 。相差1 2 0 。即b 相滞后a 相( 1 + 1 ，3 ) 9 0 。时，互感为自感的 1 ，3 ，且为负。可见，自感与互感在空间随相互间位置角呈线性关系。 m = ( 一警 工 协 设双余度无刷电机采用的双y 型绕组分别为a l 、b l 、c l 和a 2 、b 2 、c 2 ， 由于采用隔槽嵌放式集中绕组，其双余度绕组之间对应相轴线互差3 0 0 ，每一 相与其次对应相互差1 5 0 。，每一相与第三对应相互差9 0 0 ，互感为零，如图2 - 7 所示。如果各相绕组参数对称，则有： 图2 - 7 双余度无刷直流电动机两套绕组轴线之间的位置关系 在同一绕组中的互感 i 肘m i = m i2 膨1 = m l = 吖c 2 膨肛l = 一上3 l 膨一2 口2 = m 口2 2 = 肘j 2 c 2 = m c 2 口2 = m c 2 2 = 肘2 c 2 = 屯3 在对应相绕组之间的互感 射一l 一2 = 射彳2 m = 艇舶j 2 = m 口2 肼= 射c l c 2 = 斯c z c l = 牡，3 在次对应相绕组之间的互感 肘l j 2 鲁m 口2 i = 肘j l c 2 = m c 2 刖= 膨c l 2 = 肘j 2c l 嚣_ 2 工，3 第三对应相绕组之间的互感 m l c 2 = 膨c 2 小= 肘口l 2 盘膨2 口i = m 伽2 = 肘皇2 c l = o 于是( 2 9 ) 式可进一步简化为 1 4 第二章双余度无刷直流电机伺服系统建模仿真 k h l f l 毛： 咕2 k 2 + p 巨 + ( 2 1 9 ) 根据( 2 6 ) 不难得出双余度同时工作时的电磁转矩为： 互= ( 岛1 0 + 岛l 毛- + 巴l + 巳2 屯2 + f k 2 毛2 + k t 2 ) ；嵋墨置i 如舢面咿+ + i 咿+ 刎i + 心矗k 血“缸孟咿+ 1 2 叼+ 如d 咿+ 刎( 2 - 2 0 ) 双余度电机热备式的机械运动方程与单余度电机的模型相同 2 4 双余度无刷直流电机伺服系统仿真 本文研究的双余度无刷直流电机伺服系统为位置、速度、电流三闭环伺服控 制系统，其结构框图如图2 8 所示。 图2 8 双余度刷直流电机伺服系统框图 为更好的分析该伺服系统的动态特性，在m a u a b 的s i m _ i 】1 i n l 【环境下，利用 其中丰富的模块库，在分析系统各个环节数学模型的基础上，建立了双余度无 刷直流电机伺服控制系统仿真模型。 2 4 1 双余度无刷直流电机本体仿真模型 在整个控制系统的仿真模型中，双余度无刷直流电机本体模块是最重要的部 分。根据电机数学模型，主要从电压平衡方程、电磁转矩方程、反电势计算方 。毛，毛，。 。幺， 毛，毛，o 。毛，。 毛。毛，毛，。 。 。 。毛，毛，。毛， 。毛，。 。毛，毛， 毛，。 。毛，玉，。 西北工业大学硕士学位论文 程和机械运动方程等几个方面建立双余度无刷直流电机仿真模型。 1 ) 电压平衡方程仿真模块 依据双余度无刷直流电机电压平衡方程，利用m a l l a b ，s i 枷l i n l 【元件库中的 元件进行等效变换，可得如图2 9 的电机电压平衡方程等效模型。 图中髓1 、u b l 、u c l 、u a 2 、u b 2 、u c 2 分别为两个余度三相绕组的端电压， 鼯l 、c b l 、e c l 、e a 2 、e b 2 、e c 2 为在两个余度三相绕组上产生的反电势，i a l 、 i b l 、i c l 、i a 2 、i b 2 、i c 2 为三相相电流。q l m m tm e 稠栅e n t 模块用于测量流过 电路的电流，相当于实际中的电流表。c o f l 仃o l l e d v o l t a g e s o u r c e 为可控电压源， 用于将一数值信号转换为相同大小的电压源。电阻电感是用m a t l a b 6 5 中 s i m p o w e r s y s t 黜s 下的m u n l a lh l d u c k m c e 实现的，可以根据实际的电机参数值 对模型中的，、三。、惕2 。、砚。等参数进行设置。 图2 - 9 电压平衡方程模块等效仿真模型 2 ) 电磁转矩仿真模块 对于双余度无刷直流电机，两个通道同时工作时的输出电磁转矩为两个通 道的电磁转矩之和，从而可以分别建立两个余度的电磁转矩方程仿真模型，然 后加以综合。其中一个通道电磁转矩计算仿真模型如图2 一l o 所示。 图2 一1 0 电磁转矩计算仿真模型 模块输入为转子位置角觚西e 和一个通道绕组三相电流i a 、i b 、i c ，通过计 算得出该通道电磁转矩t e ，另一个通道仿真模型与之相同，双余度仿真模型为 1 6 第二章双余度无刷直流电机伺服系统建模仿真 二者输出之和。 3 ) 反电势和换向逻辑仿真模块 反电势和换向逻辑模块的仿真已有很多建模方法，如二维有限元时步法3 ”， 分段线性法讲1 等，取得了比较理想的仿真效果，本文采用一种比较实用的正 弦波消顶的方法，即用消去顶部的正弦波来代替梯形波，从而在很大程度上减 小了系统的计算量，仿真效果也比较理想，其仿真模型如图2 一1 1 所示。 图2 1 l 反电势与换向逻辑仿真模型 巴丘= = = ；= i 弋：二二羔：；一 嘎= 孓：三：兰：i j ! ：兰；弋： + b + & “ d ：。厂 ： l：厂_ 。广 ：广，! ：。厂 。， 厂 0 印。l z 口1 5 0 2 4 0 姗。 卿 图2 1 2 反电势与换向模块输出波形 模块输入为转子位置角姐西e ，正反转控制信号为d i r ，转子角速度为， s a n 瑚矗吼、s a t i 】r 嘶o n l 、s a t u m t i o l l 2 饱和环节的上极限值均为0 5 ，下极限值为 5 ，以此削去正弦波的平顶部分，近似的得到反电势的梯形波。k e 、k e l 和 k e 2 为反电势系数，输出信号a a - 为与a 相绕组相连桥臂上下开关管的换 1 7 西北工业大学硕士学位论文 向信号，b + 、b 、c + 、c 依此类同( s i 伊- a l 端) 。龃、e b 、( e a b c 端) 分别为 a 相、b 相、c 相绕组上产生的反电势。 电机正转时的反电势输出和换向信号如图2 - 1 2 所示。 4 ) 机械运动模块仿真模块 对电磁转矩和负载转矩互的差进行积分可得到电机旋转机械角速度， 对国积分可得电机转过角度，乘以极对数p 就得到电机转过的电角度如西e 。图 2 1 3 为机械运动方程模块仿真模型。 图2 1 3 机械运动方程模块仿真模型 在对双余度无刷直流电机电压平衡方程、电磁转矩方程、反电势计算方程 和机械运动方程仿真模块建立的基础上，通过四个模块的有机结合即可构成双 余度无刷直流电机的仿真模型如图2 1 4 所示。 图2 - 1 4 双余度无刷直流电机仿真模型结构图 模型输入量为两个通道定子绕组相电压u a l 、u b l 、u c l 、u a 2 、u b 2 、u c 2 ， 电机转向d i r 和负载转矩t l ，输出量为两个通道定子绕组三相电流i a b c l 和 i a b c 2 ，三相反电势e a b c l 和e a b c 2 ，两个通道h a l l 传感器信号h a l l l 和h a l l 2 ， 转子角速度为o ，转子位置角锄百e 和电磁转矩t c 。 电机本体仿真模型中，两个通道具有各自独立的反电势、转子位置和转矩计 算模型，但其电压平衡方程由于余度间互感的存在而具有相关性，电机的输出 电磁转矩为两个通道输出电磁转矩之和，从而两个通道又具有统一的机械运动 方程。 1 8 第二章双余度无刷直流电机伺服系统建模仿真 2 4 2 机械传动模块仿真模型 机械传动模块主要由减速器和执行机构两部分组成。根据给定的机械传动 比可以求出位置输出量。 传动比：l = 毛毛= 1 7 3 8 n ，幻，f 广- 减速器内部各齿轮传动比。 输出线速度：v = 畎1 7 3 8 6 0 ) + 2 5 = n 4 1 7 2 ( 1 加以) 则执行机构位置输出信号为s = 肛5 志肛，机械传动模型仿真模型 如图2 1 5 所示。 图2 1 5 机械传动模块仿真模型 2 4 3p w m 波形发生器仿真模型 p w m 波形发生器模块是利用p w m 斩波原理，通过输入三角波和基准值的 比较确定输出脉冲波形，其仿真模型如图2 1 6 所示。 圆一 r e p t 删n a b a u e n o 图2 1 6p w m 波形发生器仿真模型 通过分析双余度无刷直流电机伺服系统中关键环节的数学模型，在m a n a b 的s i 删曲l l 【环境下，利用其中丰富的模块库，建立了该伺服控制系统的仿真模 型，如图2 1 7 所示。 双余度无刷直流电机伺服控制系统可以实现位置、转速和电流三闭环控制， 三闭环调节器均采用经典的p d 调节，调节结果通过p w m 波生成器，以产生 载波信号给两个通道的三相桥式逆变器，从而实现对伺服系统的各个环节的控 制。其中p d 调节器后面的饱和环节s a t u r a t i l 、s 砷瑚l i o n 2 、s 砷珊t i o l l 3 主 要作用是对调节器的调节范围进行限制。 1 9 西北工业大学硕士学位论文 图2 - 1 7 双余度无刷直流电机伺服系统仿真模型 2 5 双余度无刷直流电机仿真结果分析 2 5 1 电机本体仿真结果 根据双余度无刷直流电机的仿真模型，在m a t l a b s i m l l l i i l l 【的仿真环境下进 行了电机工作状态仿真。其中电机参数设置为：额定电压阢= 2 7 v ，额定转矩 死= 0 1 n m ，定子相绕组电阻，= o 3 q ，绕组自感为工= o 1 0 8 m h ，转动惯量， = o 5 6 吕m 2 ，额定转速= 7 5 0 0 r i 血，极对数p = 2 ，粘滞摩擦系数口= o 0 0 2 n m s ，反电势系数疋= o 0 1 8 5 v m d ，s 。 为了验证双余度无刷直流电机本体仿真模型的动、静态特性，电机带额定 负载死= o 1 n m 起动，系统采用开环控制，在给定占空比为1 0 0 状态下，得 到电机输出转速雄、l 通道电磁转矩，a 相反电势晶和a 相电流厶波形图， 如图2 1 8 所示。 由仿真波形可以看出，电机在起动后，随着转速的提高，反电势的幅值也 迅速增大，从而使得相绕组电流幅值减小，输出电磁转矩也减小，在2 0 i n s 的 时间内达到稳定状态；电机输出电磁转矩存在脉动状态，这主要是无刷直流电 机的换向所引起的；由于双余度无刷直流电机两个通道的相绕组存在3 0 0 的位 置角，通道2 每相的反电势和相电流滞后通道1 一小段时间，两者蝠值相同。 仿真结果基本与理论上双余度无刷直流电机的工作原理一致。 第二章双余度无刷直流电机伺服系统建模仿真 t ( tc l j 图2 1 8 双余度无刷直流电机本体仿真波形图 2 5 2 伺服系统在位置阶跃信号下的仿真结果 在双余度无刷直流电机三闭环伺服系统中，位置给定采用1 2 v + 1 2 v 范围 内的电压量信号。为检验伺服系统在位置阶跃信号下的动态特性，首先给定 + l o v 的位置信号，使得电机以最大的速度运行，到达指定位置后，在鲍s 时 刻，突然给定1 0 v 的位置信号，使电机反向，得到伺服系统的位置、转速和其 中一个通道电流响应曲线如图2 1 9 所示。 1 0 6 e 善。 畸 口i23 “) 位置盆定曲缝 n ) 位量应馥 一 r ! i _ 山山一 l 一一 c ) 转置帕曲娃i d 垃电疆一直缝 图2 - 1 9 伺服系统位置阶跃响应曲线 由仿真波形可以看出，在位置阶跃信号下，电机首先以最大转速起动，即 将到达指定位置时随着调节器的调节，转速逐渐下降；当执行机构到达指定位 置时，转速尚未减小到零，从而产生了超调量；反转过程与正转过程的位置、 西北工业大学硕士学位论文 转速和电流响应曲线基本相同。 2 5 3 伺服系统的频率响应仿真结果 双余度无刷直流电机伺服系统的频率响应是指位置给定为幅值为l v 的正 弦波信号，在不同频率的正弦波信号下，系统的响应曲线，这主要是检验电机 在频繁的正反转工作状态下对整个伺服系统性能的影响。一般来说，随着正弦 波频率的升高，伺服系统位置响应的失真越大。 为检验伺服系统的频率响应，将位置给定信号分别设定为l h z 、2 h z 和3 h z 的正弦波信号，可以得到伺服系统的位置、转速和其中一个通道的母线电流响 应曲线如图2 2 0 、2 2 1 和2 2 2 所示。 图2 - 2 0 伺服系统在l h z 正弦位置信号下的响应曲线 图2 - 2 l 伺服系统在2 h z 正弦位置信号下的响应曲线 第二章双余度无刷直流电机伺服系统建模仿真 c ，转逮一应曲娃td 母墟电漉缱 图2 - 2 2 伺服系统在3 h z 正弦位置信号下的响应曲线 由仿真波形可以看出，在l h z 的位置给定信号下，系统的位置响应曲线与 给定曲线基本一致，只是有稍微的滞后，电机的转速和电流变化也呈现正相关 性；随着位置给定信号频率的增加，位置响应曲线的失真程度也越来越大，这 与理论分析的结果相符合。 本章小结 在分析单通道和双通道