（电机与电器专业论文）双凸极永磁电机无位置传感器控制系统研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e n e wd s p mm o m rd r i v es y s t e mi sac o m p e t i t i v ec a n d i d a t ei nv a r i a b l e s p e e do p e r a t i o nd r i v ew i t h h i g hp e r f o r m a n c e a t a _ a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s t h er o t o rp o s i t i o ni n f o r m a t i o no fd s p mm o t o r d r i v ei se e n t i a lt od e t e r m i n i n gt h es w i t c h i n gs e q u e n c ea n dt h es p e e do f t h er o t o r i nt h i st h e s i s t h ek e yf e a t u r e so fd i f f e r e n ts o n s o r l e s sc o n t r o ls t r a t e g i e sa ”c o m p a r e da n dt h e a p p l i c a b i l i t yt ot h ed s p mm o t o rd r i v ei sa n a l y z e d a tl a s t , b a c k - e m fm e t h o di ss e l e c t e d t h ec i r c u i to f r o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o na n dt h em a i nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h ec o n t r o ls y s t e ma mp r e s e n t e d t h e c i r c u i to f r o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o ni sc o m p r i s e do fi s o l a t e ds a m p l eo f t h et e r m i n a lv o l t a g e ，t h eb u r e r w o r t h s e c o n d - o r d e rl o wp a s sf i l t e r , z e r o - g r o s s i n gd e t e c t i o na n do p t i c a li s o l a t e dc i r c u i t r y a c c o r d i n gt ot h ee x a c t r o t o rp o s i t i o ns i g n a l s ，t h em p uc a l c u l a t e st h er o t o rs p e e da n dp o s i t i o n , a n dt h e nt h ed d sp r o d u c e st h e r e f e r e n c e dc u r r e n tw a v e b yu s i n gt h ed e v e l o p e dc o n l x o ls y s t e m , t h ed s p mm o t o ro p e r a t e si nt w o - p h a s e o p o m f i o nw i t hs e n s o r l e s sc o n t r 0 1 b e c a u s eo f t h el a c ko f s e l f - s t a r t i n ga b i l i t yf o rt h ed s p mm o t o rc o n t r o l l e db yt h eb a c k - e m fm e t h o d , t h e “t h r e e - s t e ps t a r t i n gt e c h n i q u e i sa n a l y z e da n da d o p t e dt ot h ed s p mm o t o r t h er o t o rp r e - s e t t i n g , a c c e l e r a t i n ga n ds t a t e - c h a n g i n gs t e po ft h r e e s t e ps t a r t i n gt e c h n i q u ei sd i s c u s s e di nd e t a i l b a s eo nt h e i n d e p e n d e n tc o n t r o lo fe a c hp h a s e i nd s p mm o t o r , an e wa c c e l e r a t i n gm e t h o d , i n d i r e c t - o n e - p h a s e o p e r a t i o n ，i sp r o p o s e d t h i sm e t h o di m p r o v e st h er e l i a b i l i t yo f s t a r t i n gt e c h n i q u eg r e a t l y f i n a l l y , ap r o t o t y p ed r i v es ”t e mi sd e s i g n e da n db u i l t , a n de x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t t h er e s u r s v e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n dc o l t e c t n e s so f t h ed e v e l o p e ds e n s o r l e s sc o n t r o ls y s t e mf o rt h ed s p m m o t o r k e yw o r d s ：d s p mm o t o r , s e n s o r l e s sc o n t r o l ，e m fz e r og r o s s i n gd e t e c t i n gm e t h o d , s t a r t i n g s t r a t e g y , i n d i r e c t - o n e - p h a s eo p e r a t i o 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已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 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。 ：碰 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 从十九世纪初，奥斯特、法拉第先后发现电磁感应现象，提出著名的电磁感应定律开始，电能 经过了近两个世纪的发展，人们为了生产和利用电能，积极致力于电机和电力工业的研究开发，由 不知到知，由初级到高级，电能已经渗透到生产、生活中的每个角落，现代社会最不可缺少的便是 电能。电机，作为现代社会电能与各种能量之间的转换的主要装置，也在两百年里经历了长足的发 展 1 】。电力工业的发展是以电机制造工业的发展作为基础的，发电机把自然界中的各种形式的能量 转换为电能，显然，没有发电机，就没有电能的大规模生产和利用。在工矿企业和农业生产中，以 及我们的日常生活中，需要大量的电动机，实现电能的转化。同时，随着工业企业电气化、自动化、 电脑化的发展，还需要众多的各种容量的精密控制电机，作为整个自动化控制系统工作中的重要元 件。 然而，从二十世纪九十年代以来，全世界都面临着能源危机及环境的恶化，要缓解能源短缺等 矛盾，除了不断开发利用新能源和增加发电能力外，就是研制新的节能设备，提高能源的利用率。 因此随着电力电子技术和现代控制技术的发展，以及新型永磁材料的出现，人们在传统电机的基础 上，研制出了永磁电机( p e r m a n e n t m a g n e t m o t o r ，简称p m 电机) ，开关磁阻电机( s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r ，简称s r 电机) ，永磁无刷直流电机( b r u s h l e s sd cm o t o rw i t hp e r m a n e n tm a g n e t ，简称b l d c 电机) 等新型高性能电机。 稀土永磁材料的出现，将p m 电机的研发和应用推向了新阶段。与电励磁电机相比，p m 电机， 特别是稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高等优点【2 j 。 s r 电机早在一百六十多年前，就已经被提出，但由于受到当时技术水平的限制，电机的性能不 佳，未能引起人们的重视。直到二十世纪七十年代末，s r 电机的发展才出现了新的生机。s r 电机 是一种典型的机电一体化装置，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。其结构简单牢固， 定转子均为凸极结构，定子齿上安放有集中式绕组，转子无绕组和永磁体；调速范围宽，调速性能 优异，且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高。这些优点，使得s r 电机在各种需 要调速和高效率的场合均得到了广泛的使用，如电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电 力传动系统等各个领域。s r 电机由于其独特的双凸极结构，控制方式与传统的电动机完全不同在 s r 电机驱动系统中，主要包含有电机本体、功率变换器、控制器与位置检测四个部分。s r 电机最 常用的控制方式有两种，即电流斩波控制和角度位置控制。两种控制方式的结合使s r 电机实现较 大转速范围内的平稳运行l j j 。 b l d c 电机是近年来随着微处理器技术的发展、新型电力电子器件等应用的基础上发展起来的 一种新型直流电机。b l d c 电机在电磁结构上和有刷直流电动机一样，但它的电枢绕组放在定子上， 转子上安装永久磁钢，定子采用电子换向代替了有刷电机的电刷和机械换向器。它既保持了普通直 1 东南大学硕士学位论文 流电动机良好的调速性能，又具有结构简单、起动力矩大、调速范围宽、无滑动接触和换向火花等 突出优点f 4 】 随着研究的深入，以上这些电机的缺点也不断地显现出来。对于s r 电机：第一，该电机只有 在绕组电感随转子位置角增大时才给绕组通电以产生正转矩，因而一个极距内可以用来产生转矩的 两个区域只有一个可以利用，大大降低了运行效率和材料的利用率；第二，s r 电机绕组电流中不仅 包含转矩分量，还有励磁分量，因此不仅增大了绕组和功率变换器的伏安容量，还产生额外的附加 损耗；第三，由于绕组电感较大，为了避免出现绕组关断后电流延续到负转矩区，必须提前关断绕 组，这样电机的出力就削弱了。永磁体在转子上的永磁无刷直流电机，转子结构复杂并且结构不够 牢固，转动惯量比较大，在电机高速运行时，永磁体容易发热而冷却困难。 为了克服电机的这些缺点，同时保留它们的优点，美国w i s c o n s i n - m a d i s o n 大学的t a l i p o 教 授等于二十世纪九十年代初首先在s r 电机中嵌入了高性能永磁体，从而产生了双凸极永磁电机 ( d o u b l ys m i e n tp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r ，简称d s p m 电机) ，并引起众多学者的关注。 1 2d s p m 电机的基本结构 d s p m 电机其基本结构与s r 电机相同，即定转子均为凸极结构；定子上装有集中式绕组，径 向相对齿上的绕组串联构成一相；转子上既没有绕组，也没有永磁体，适合高速运行。与s r 电机 的不同之处在于，d s p m 电机定子铁芯中放置了高性能永磁体。为了避免单边磁拉力，定转子沿径 向是对称的，因此d s p m 电机的定转子极数均为偶数。d s p m 电机的相数m 、定子极数西和转子 极数乃之间在满足式( 1 1 ) 关系时，也可以有多种组合，如6 ，4 极、8 6 极、1 2 8 极等等。 图1 - 1 定子永磁型8 6 极d s p m 电机 l z ，z , = ：2 i n ，k z 土2 k ( 1 1 ) 【z ，= ，土 d s p m 电机继承了s r 电机结构简单，制造工序少的优点，同时它在绕组电感随转子位置角增大和 下降的两个区域内均可以通电工作，大大提高了电机的运行效率和材料的利用率 2 第l 章绪论 1 3d s p m 电机的国内外发展状况 1 9 9 2 年，美国著名电机专家t a l i p o 教授等人首先提出了现代双凸极永磁电机的概念，并进行 了大量的理论和实验研究。1 a l i p o 等人先设计了一6 4 极d s p m ，结构如图l - 2 所示，定转子皆 为凸极结构，定子上有集中绕组，转子上无绕组，并且在定子上嵌有永磁体。同时建立了该电机的 数学模型，分析了该电机的电磁特性及工作原理。 除了研究电动机机构以外，t a l i p o 等人还研究了d s p m 电机作为发电机使用的结构，提出了 可作为汽车发电机使用的单相d s p m 电机，结构如图1 - 3 所示例。 图1 - 26 4 极d s p m 电机截面图 图1 - 3 单相d s p m 发电机 除此之外，国内外的其他学者也对d s p m 电机展开了各方面的研究。 罗马尼亚r a d u l e s c um m 等人开发出了一种适合于家用电器的小型d s p m 电机。在1 a l i p o 等 人基础之上，罗马尼亚人i o n b o l d c a 和英国人1 l p d e o d h a r 等，提出并开发了专用于发电的双凸极永 磁电机f r m ( f l u xr e v e r s em a c h i n e ) 。 国内，东南大学的程明教授等率先对d s p m 电机展开了研究，获得了多项国家自然科学基金项 目的资助，取得了一系列的成果，其中包括，提出8 ，6 极d s p m 电机的结构，建立其数学模型并分 析了电气特性：并且首次提出了8 ，6 极d s p m 电机的两相运行方式，可以从理论上完全消除转矩脉 动刀。 华中科技大学詹琮华教授提出了一种单相双凸极永磁电动机，其结构特点克服了电机不能提供 起动转矩的缺点，使之具备了电动功能h j 。 浙江大学的陈永校教授等人也对d s p m 电机展开了研究，设计了小功率的d s p m 电机比较了 d s p m 电机和s r m 电机磁场分布的不同，指出d s p m 电机的互感影响比s r m 电机大，其效率、功 率密度等指标均比s r m 电机好1 9 】。 南京航空航天大学、西北工业大学等国内其他机构也相继对d s p m 电机展开了研究，并且都取 得了相当不错的成果。 d s p m 电机正受到国内外学者的广泛关注，但目前的研究方向大都集中在电机结构分析设计和 性能分析上，相对的控制策略研究较少。为了进一步提高d s p m 电机的效率，减小转矩脉动，提高 实际应用性，需要对控制器和控制策略的设计进行更加深入地研究。 3 东南大学硕士学位论文 1 4 电机的控制方法 d s p m 电机的控制与s r 电机有类似之处，但由于d s p m 电机在一个导通周期内的正、负半周 绕组都通电，因此也有自身的特点。d s p m 电机不能直接接于工频交流电源或直流电源上运行，而 必须经过功率变换器在特定的转子位置开通和关断电源，达到控制绕组电流大小和方向的目的，使 电机处于正确的运行状态。 由d s p m 电机构成的驱动系统除了电机本体以外，主要包括：功率变换器、微机控制器、驱动 电路、位置传感器和电流传感器等。在d s p m 电机的运行过程中，及时了解转子位置及其与电机磁 链变化之间的关系是给定功率变换器开关信号的前提。获得位置信号的方法主要有两种，含有机械 结构的检测方案和不含机械结构的检测方案，据此可以将d s p m 电机的控制方法分为两种：带位置 传感器控制方法和无位置传感器控制方法。 1 4 1 带位置传感器控制方法 带位置传感器控制方法，指的是在电机定子上安装位置传感器来检测转子在运转过程中的位置， 将转子磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。所用的位置传感器有 多种，如光敏式位置传感器、磁敏式位置传感器、电磁式位置传感器等等“”。 最为常用的是光敏式传感器，由光电脉冲发生器和码盘组成。光电脉冲发生器一般由光耦构成， 码盘的齿槽角度与转子齿槽相对应。当转予未转到一定位置时，光耦中间为空，则光耦后级饱和； 当转子正好转到一定位置时，光耦中间被码盘的齿遮住，光耦后极截止。利用光耦的饱和与截止， 输出与转子位置相对应的高低电平，来指示转子位置。位置传感器的安装方式见 图1 4 ，将码盘固定于电机的转轴上，使其与转子同步旋转。 + 1 5 v+ 1 5 v 图1 - 48 6 极d s p m 电机的位置传感器 带位置传感器控制方法和控制电路都比较简单， 泛的应用。 图1 - 5 位置检测电路 实现容易，并且控制成本较低，获得了比较广 但是带位置传感器自身有着不可避免的缺科1 1 , 1 2 , 执“1 目：增加了电机的体积，妨碍了电机的小 型化发展；对于安装精度的要求高，增加了安装的难度；电机和传感器的控制线路间联接元件 4 第l 章绪论 增多，抗干扰性差；环境因素使得传感器的精度受到影响，输出信号容易受到干扰；给输入轴 带来了静态和动态的摩擦，增大了电机轴的转动惯量：带位置传感器的电机无法适应某些特殊场 合的需要，缩小了电机的使用范围：带位置传感器和无位置传感器相比，增加了系统的成本( 包 括传感器和电子线路) 等等。 以光敏式传感器为例，码盘的机械制造工艺以及安装精度，都会对位置信号的准确性有较大的 影响。在实际应用中，由于机械键槽的配合问题，电机在一段时间的运行后，码盘的位置可能会出 现一定的松动，需要进一步的调整，为电机的长时间运行带了一定的困扰。 可见，虽然带位置传感器控制方法简单、方便，但是，机械式位置传感器不仅增大了电机的体 积与成本，而且增加了电机与控制器之间的连线，降低了系统的可靠性，在一定程度上限制了电机 的应用范围。因此，无位置传感器控制方法日益受到重视。 1 4 2 无位置传感器控制方法 无位置传感器控制方法，指的是无机械位置传感器，不直接在电机的定子上安装位置传感器来 检测转子位置。但是在电机的运行过程中，决定功率变换器件开关的信号仍然是不可缺少的。所以 无位置传感器运行，研究的核心和关键就是架构一个转子位置信号的检测电路，应用先进的计算机 技术和检测技术，从硬件和软件两方面来获得准确的转子位置信号。 无位置传感器控制方法。一般是通过对电机运行时施加的电压，产生的电流、磁场等信号加以 检测和利用，根据电机的特性，判断出电机转子的位置，用于控制功率变换器的开关信号。 目前，国内外在传统无刷直流电机无位置传感器控制技术方面做了大量的研究开发，已经提出 了多种无位置传感器的控制方法，它们大多是通过检测定子电压、电流等容易获取的物理量进行转 子位置角的估算，以获取控制中所需要的位置信号，其中较为成熟的有以下几类 1 6 3 7 , i s a 9 3 0 j ： i 通过检测电机反电动势，来获得位置信号的方法，一般统称为“反电势法”。电机转子受定子 绕组产生的合成磁场的作用，将沿着一定的方向连续转动。电机定子上放有电枢绕组，转子一旦旋 转，就会在空间形成导体切割磁力线的情况。根据电磁感应定律可知，导体切割磁力线会在导体中 产生感应电势。所以。在转子旋转的时候就会在定子绕组中产生感应电势，由于该电势方向与绕组 中电流的方向相反，因此将其称之为反电动势( b a c k e l e c t r o m o t i v e f o r c e ) ，简称为反电势( b a c k e m f 或者b e m f ) 。 根据对反电势的不同处理，又可以具体分为以下几种： 反电势过零检测法。在电机中，绕组的反电势通常是正负交变的，当某相的反电势过零 时，转子直轴与该相绕组轴线重合，因此只要检测到各相反电势的过零点，就可获知转 子的若干个关键位置，从而省去位置传感器。 锁相环技术法。在每个6 0 。激励区间内，锁定不通电绕组的反电势，根据其变化。来获取 位置信息。该方法硬件上需要三分频电路、锁相环电路等，电路结构较为复杂。 反电势逻辑电平积分比较法。反电势逻辑电平积分比较法是将两相的反电势进行过零比 5 东南大学硕士学位论文 较处理，得到逻辑电平后对两路逻辑电平进行积分，由于这两路逻辑电平关系反映了相 位关系，因此可用于确定电机转子磁场位置。 i i 定子三次谐波法。b l d c 电机的反电势波形中包含t - - 次谐波分量。将此分量检测出来并进 行积分，积分值为零( 用过零检测器) 时即得功率器件的开关信号。一种方法是在星形连接的绕组 三个端子并联一组星形连接电阻，两个中性点之间的电压即为三次谐波分量。当电机的中性点没有 引出线或不便引出时，不能用这个办法。于是便采用了另一种办法，它不需要三相绕组的中性点引 线，而是用星形电阻中性点与直流侧的中点之间的电压来获得三次谐波，不过它要用滤波器来消除 高频分量。 电流通路监视法。通过监视逆变器的电流通路来获得转子位置信息，设计一种二极管导通检 测电路来监视逆变器反并联续流二极管是否导通。1 2 0 。导通型无刷直流电机的三相绕组中总有一相 处于断开状态，监视六个续流二极管的导通就可获得六个功率晶体管的开关顺序。只要检测到续流 二极管的导通状态，就可以知道反电势的过零点，并做适当延迟后，依次触发下一状态的功率管。 这种方法实际上是一种变相的反电势法。 数学模型法。一般电机的自感和磁链都随着转子位置变化，可以通过电机的发电运行测量并 储存反电势波形，或者通过有限元计算储存磁链值，再经过实时测量电压和电流，根据电机的数学 模型并忽略互感，计算查表得出转子位置。 v 其它方法。状态观测器法也称为转子位置计算法，它指在获取绕组电压和电流的基础上，通 过坐标变换等方法直接计算转子位置。高频注入法，在电机出线端注入一个三相平衡的高频电压( 或 电流信号) ，利用电机内部固有的或人为的( 如对电机进行改造) 不对称性，使电机产生一个可检测 的磁凸极，通过检测对应的高频电流( 或电压) 响应来获取转子位置和速度信息，该方法也称之为 凸极追踪法。 随着微处理器和数字信号处理技术的发展，无位置传感器控制技术将进一步得到发展与创新， 并在实际控制电路中得到更为广泛的应用。d s p m 电机的无位置传感器控制方法就是以上述各种方 法为基础，并且结合d s p m 电机的自身结构和特性发展而来。 1 5 本文研究的主要内容 d s p m 电机作为一种新型电机，其具有结构简单、功率密度高、控制灵活，容错性好等优点， 具有广泛的应用前景。本文主要讨论d s p m 电机的无位置传感器控制方法 本文以转子斜槽8 6 极d s p m 电机为样机，做以下研究工作： 1 介绍了d s p m 电机调速系统的基本理论，分析电机四相运行原理和静态特性，推导出 其两相运行的可行性，及与四相运行相比较的优势所在。 2 在分析多种无位置传感器控制方法的基础上，提出d s p m 电机无位置传感器控制方法 的原理，以及实现方法，初步设计出该方法下的位置信号检测电路；由于采用了无位 置传感器控制方法，电机失去了自起动的能力，因此对电机的起动方式加以研究，以 6 第1 章绪论 及对于检测到的位置信号需要进一步的误差处理。 3 在进行了一系列控制算法等的仿真基础上，以8 0 c 1 9 6 k c 单片机和a d 9 8 5 4 正弦波发 生器为核一t l , ，设计出了整个电机控制系统的硬件电路，包括功率变换电路、隔离电路、 主控制电路、电流检测电路和位置检测电路五个部分。 4 根据所设计的控制器硬件编写和调试控制软件，采用h s i 中断记录位置信号产生的时 间，以此为据计算电机转速和实际位置，控制a d 9 8 5 4 输出相应的正弦波参考电流， 以及通过液晶屏显示重要的转速信息。 5 实验验证，对电机上电实验，验证控制方法及整个控制系统软硬件的正确性。 7 东南大学硕士学位论文 第2 章d s p m 电机调速系统基本理论 2 1d s p m 电机四相运行原理 本论文的研究对象，8 6 极定子永磁型d s p m 电机，如图1 - 1 所示：定子8 极，转子6 极，定 子中嵌入永磁体。虽然对于d s p m 电机永磁体可以放在定子上也可以放在转子上，但当永磁体在转 子上时，不仅使电机的制造和维护困难，而且会破坏转子的整体性，不利于高速运行。电机在设计 时，通常定子齿顶宽为定子齿距的一半，这样就可以保证在一个极下转子齿与定子齿的重叠角之和 恒等于转子齿顶宽，而与转予位置无关，从而使合成气隙磁导成为一常数，而磁铁工作点将不随转 子位置角的改变而改变；转子齿顶宽稍大于定子极弧，以保证电流换向时有充分的时间。定子中嵌 入了低磁导率的永磁体，对于电枢反应磁通来说，永磁体形成了一个高磁阻路径，当绕组电感在定 子和转子齿中心线重合时达到一个较小值，使电流迅速换向成为可能，同时磁场储能二= l i 减 小，电机的能量转换率高( 接近于1 ) 2 h 。 d s p m 电机在结构上是对称的，因此其参数如永磁磁链等具有周期性，周期吃可以表示为 口，：3 6 0 。 。p ， 式( 2 - 1 ) 中，办转子极数。 根据式( 2 - 1 ) 可知，在8 6 极电机中，易为6 0 。 功率变换电路 ( 2 - 1 ) 陋蹦电机 图2 - 1d s p m 电机四相运行驱动系统结构图 在理想情况下，忽略d s p m 电机的边缘效应和铁芯磁阻等因素，可认为各相绕组在一个周期内 8 第2 章d s p m 电机调速系统基本理论 永磁磁链其值仅与转子位置角有关，而与电流无关。在如图2 - 1 所不的驱动系统中， 通入电流f ，永磁磁通和电枢电流的相互作用在转子上产生转矩r ( 口，f ) ： 聃d = 三，2 嚣+ ，鲁= t + 式( 2 - 2 ) 中 三一相绕组电感； 怖r 一相永磁磁链； 耳= i 等电感变化产生的磁阻转矩；0 - - 转子位置角。 叫 1 兜 一， 五-重歹夕 穴连捌。 0 但) 矿 ，二 l 0 一 当a 相绕组中 ( 2 - 2 ) 图2 - 2 电流、电感和永磁磁链波形 d s p m 电机的电感、永磁磁链等参数都是转子位置角的函数，如图2 - 2 所示( 图中v 。和哪m ， l 。a x 和k 为磁链、电感的最大和最小值) 。因此，要达到控制电机的目的就必须对转子位置角进行 清晰的定义。转子位置角既可以以转子槽中心线与定子极中心线重合为计时起点，也可以以转子极 中心线与定子极中心线重合为计时零点。若以后者来定义位置角，则得到的永磁磁链将与图2 2 相 差1 8 0 。电角度，得到的反电势前半周为负，而后半周为正，与通常的习惯不符。本文采用前者来定 义转子的位置角，同时规定：转子槽中心线沿逆时针超前定子极中心线时，转子位置角0 o 。；否则， 0 0 。 若在永磁磁链沿转子位置上升阶段通入正电流，在永磁磁链沿转子位置下降阶段通入负电流， 那么电机在正负半周产生的转矩均为正转矩。而耳值有正有负，但在通电期间绕组电感很小，由于 永磁体磁阻很大，使得大量电枢反应磁通通过其他极对形成回路，因此无论在定子转予极对齐还是 处于末对齐的状态，绕组电感都十分小，从而z k 远远大于霉，根据式( 2 - 2 ) 可得到一相合成转矩始 终非负。对于8 6 极d s p m 电机来说，各相永磁磁链相位关系如图2 - 3 所示，如果各相绕组通入的 电流相位关系也相应变化，那么总的合成转矩始终是大于零的。当平均转矩大于负载转矩和空载转 矩之和时，在正转矩作用下电机开始旋转。图1 1 的情况下，按照a b c d a 顺序给相应的 绕组馈入正确的正或负电流，使电机产生连续的正转矩，电机将沿反时针方向连续转动；反之，电 机将沿顺时针方向旋转。 9 东南大学硕士学位论文 以上是说，绕组可以产生转矩的两个区，同时都有电流流入，即双拍运行。实际上，也可以只 在产生转矩的一个区中通入电流，这样就实现了单拍运行，此时的控制方法则类似于开关磁阻电机， 从而可以完全避免桥臂的直通。但是，单拍运行不能够充分发挥d s p m 电机两个区都能产生转矩的 特性，转矩小，违背了d s p m 电机设计的初衷，因此实际运行时都是采用双拍运行方式。 d s p m 电机的转矩大小既可以通过控制电流大小或者导通区间来实现，也可以采用单拍或双拍 的运行方式来控制；通过改变电流的极性和导通顺序，就可以简便的改变转矩的方向，因此d s p m 电机可以方便地实现四象限运行，控制十分灵活。 经过一系列的研究发现，采用转子斜槽可以有效地降低电机的转矩脉动率。转子斜槽2 2 0 后，可 以使电机的反电势接近正弦波。图2 4 为d s p m 电机1 4 0 0 r p m 转速时的四相绕组实测反电势波形， 四相反电势相位依次相差9 0 。( 电角度) 。转子斜槽后，电感与位置角的变化关系也接近于正弦规律， 如图2 5 所示为a 相电感，其它三相的电感与a 相依次相差9 0 0 ( 电角度) 。 1 i r l i 弋入 一 、-。 乞。 广 二夕、l 。八 弋廷 图2 - 3 四相永磁磁链波形( 机械角度) ；! 八一 _ 八一 i 。对i 7 i n n ) v ； 一j ；! j i ! i 二 。 ： ：v ：u 一瓜： ：瓜：；： ；：! ! ：v ： 公 篓i 笼2 半 倍， k = e ws i n ( 6 0 - 9 0 。) j 等= e ws_n(60-90。)=了115ev s i n ( 6 0 - 9 0 。) j ，r = j rs i n ( 6 0 ) = l 1 5 7 s 缸( 6 口( 2 - 8 ) 仨 e ，s i n 2 ( 6 印1 1 5 e r i s i n 2 ( 6 口) -忙 c o 0 7 e i s i n 2 ( 6 0 - 9 0 0 ) 1 1 5 e r i s i n 2 ( 6 0 一 _。-i-_-_二_。_。-。_-。-。_。_。_。一 国 9 。1 j h + = 半( ：- 9 ) 1 4 第2 章d s p m 电机调速系统基本理论 2 3 小结 d s p m 电机是一种新型电机，在确定控制方法之前，对电机本体的研究非常重要。本章主要分 析了转子斜槽8 6 极d s p m 电机的静态特性及工作原理，并且介绍了四相运行和两相运行的两种运 行状态。其中两相运行方式的可以大大降低电机输出转矩的脉动，提高了电机的运行性能。 1 5 东南大学硕士学位论文 第3 章无位置传感器控制方法研究 3 1 无位置传感器控制方法的比较 在第l 章提到了多种无位置传感器的控制方法，但是它们实现的基础都是b l d c 电机或是其它 非d s p m 电机，并且各自都有一定的局限性和适用性，在此并不一定都可以应用到d s p m 电机上， 以下对各方法进行分析和比较，选择出适合d s p m 电机实现的方法： i 定子三次谐波法：该方法的基础是b l d c 电机的三相运行，因为其反电势波形为典型的梯形 波，它包含了基波及高次谐波分量，其中三次谐波分量所占比例仅次于基波，与基波分量比达到 2 2 2 2 1 m l 。通过对电枢三相相电压的叠加，就可以获得反电势的3 次谐波及3 的奇数倍次谐波。从 中提取3 次谐波分量，并进行积分，积分值为0 时即得功率开关期间的换相时刻, 2 4 , 2 习。但是本文 所涉及的8 6 极d s p m 电机是运行在四相或两相方式下的，从表2 - 1 及表2 - 2 中可知，8 6 极d s p m 电机采取转子斜槽后，反电势波形接近正弦波，各次谐波分量都非常小，无法单独检测出，因此该 方法对于本文的研究对象完全不可用。 电流通路监视法：该方法仍然是基于b l d c 电机的普通三相运行，同一时刻有两相分别导通 上下桥臂，而另一相不通电流，监视不导通相的二极管状态来确定转子位置。该方法对电机反电势 信号有特殊要求，反电势信号必须为梯形波【2 6 】。本文所研究的d s p m 电机，由于采用了转子斜槽， 反电势呈正弦波，并且d s p m 电机在永磁磁链沿转子位置的上升和下降阶段均通电，在两相运行中， 两相绕组各自形成回路，因此不存在不导通的一相，该方法也没有可实现的基础。 i 擞学模型法：根据d s p m 电机绕组通电后的端电压方程式( 3 一1 ) ，式中端电压和绕组电流可 以时时检测到，绕组的内阻也可以测量出，而绕组的自感可以事先测得或者通过有限元计算而得， 如此可以计算出此时刻的永磁反电势，当该值由正过渡为负时，即得到关键的转子位置信息。 式中： = = + 等咄+ l p 鲁+ 鲁 +lpupr p i p + e pr p i p o j = r , 鲁- - p + 净， 2 2 + 孑娟，云+ 孑i + ( 3 。1 ) 吗p 。鲁， 咋，相绕组外加电压； p 相绕组电流； 王，。p 相合成磁链； 等称作变压器电势； 吃p 相绕组内阻5 p 相绕组反电势； 甲。p 相永磁磁链； = ! 孑m 永磁反电势 ( 3 - 2 ) 该方法需要高速运行和具有强大计算功能的m p u ，用于时时计算反电势，除此之外由于所建立 1 6 第3 章无位置传感器控制方法研究 的数学模型忽略了互感，并且自感数据是通过有限元分析计算而得，与实际值有一定差距，因此该 方法精度不高。转子位置的准确性很难保证，将影响到电机的稳定运行，严重可能会造成电机失步。 i v 状态观测器法，同样需要高速运算。对m p u 要求较高。高频注入法虽然得到的位置信号没 有移相，位置精确，并且在电机起动及低速时也可以精确的检测出转子位置，但该方法的数学模型 复杂，并且需要提供高频电源，之后对信号进行滤波，位置计算也更为复杂，实现成本高，目前国 内外真正实现该方法的实例也不多，这里也不宜采用 2 7 , 2 s , 2 9 1 。 在1 4 2 节中所提出的无位置传感器控制方法中，还剩下反电势法可以使用。其中，锁相环技 术法是仍然观察不导通相绕组的反电势变化，而d s p m 电机无论是两相还是四相运行，在永磁磁链 沿转子位置的上升和下降阶段均通电，不存在不导通相该方法也剔除。 而反电势逻辑电平积分比较法，对于反电势正弦波电机也不适用。该方法是对于反电势为梯形 波的三相电机，不导通的两路反电势进行过零比较处理，得到逻辑电平后对两路逻辑电平进行积分， 两路电平积分值得数量关系反映了相位关系，由此确定电机转子磁场的位置。 综上所述8 6 极d s p m 电机宜采用反电势过零比较法，实现无位置传感器控制方法。 3 2 反电势过零检测法原理及实现 由第2 章分析可知，d s p m 电机的两相运行原理可以简单的概括为，给两相绕组施加与反电势 同频率同相位的正弦波电流，因此需要检测出反电势的相位与频率决定正弦波电流参数。 8 6 极斜槽d s p m 电机的反电势成正弦波形，很难准确的检测出每一点的确切相位，但是可以 通过几个关键位置的采样来还原反电势。如果将反电势与零点比较，就可以得到在过零点处转折的 方波。 v 相 w 相 - ： ii li ! 、 li i 一 o9 0 弋 2 7 0 lo ir t i l l i i 哮 l i i 、 ll 图3 一l 两相反电势与过零信号( 正弦波示意反电势，方波示意经过零比较后的信号) 从图3 - i 中可以看出，两相反电势可以有四个过零点。即在一个周期内会出现四个高低电平的 跳变，表示v 相反电势的0 。、9 0 。、1 8 0 。和2 7 0 。因此可以通过反电势的过零检测法得到反电 1 7 东南大学硕士学位论文 势关键的几个相位信息，以此作为控制电机的位置信号。从本质上来说，在实际控制系统中所需要 的恰恰正是反电势的相位信息，或者说是电机内磁链的相位信息，带位置传感器控制方法是通过转 子位置与实际所需相位信息之间的函数关系来表征这些量。因此反电势过零检测法得到的相位信息， 更为本质。 对于像无刷直流电机之类的三相电机而言，由于三相绕组回路各自不独立，绕组中的反电势无 法直接获得，通常要使用相电压法或者是端电压法来获取反电势信号。而d s p m 电机中，各绕组的 回路是独立的，因此只需直接检测绕组的两端电压就可以直接得到反电势信号，只要知道反电势的 过零点就可以控制所施电流的极性。 但是，一旦给电机的电枢绕组通电，电机旋转起来，电机绕组两端检测到的就不再是单纯的永 磁反电势了，而是一系列的脉冲电源信号，这是由于电流斩波控制造成的。在d s p m 电机的运行过 程中，为了避免上下桥臂的直通，绕组所施电源总是在换向点提前关断，而延迟开通。并且在两相 运行中，绕组中的电流为和反电势同频同相的正弦波电流，因此在反电势过零点处电流也为零。在 功率开关器件换相前后上下桥臂均关断的时间内，根据式( 3 1 ) 可知此时端电压就是反电势，而根据 前面的分析可知，反电势的过零点就出现这段时间内，因此端电压的过零点也即是反电势的过零点。 3 2 1 隔离采样与滤波电路 d s p m 电机在两相运行状态下，绕组在开通过程和关断时刻端电压都非常大。本系统采用全桥 功率变换电路，如图2 7 所示。由于系统的电源是由三相工频交流电经整流后得到的宣流电压，在 考虑电网波动为l o 情况下，可知绕组端电压最大为5 1 3 v ，而一般比较器件的电源电压为：i ：1 5 v ， 因此不能直接对绕组的端电压进行滤波等处理。同时绕组的端电压为强电信号，而比较器件的供电 电源为弱电信号，如果不加隔离将强电信号输入到弱电电路中可能导致两种信号源的地信号短路， 由于存在较高的电压差，弱电电路中的地可能会出现不正常地高压，将提供弱电电源的开关电源击 穿，因此这里应通过隔离电路采集端电压信号。本系统选用霍尔电压传感器来测量端电压，实现了 强弱电之间的隔离。 根据d s p m 电机的机械特性，一般采用电流斩波控制( c c c ) 。由于采用了斩波控制，使得端 电压信号中含有大量的斩波信号；同时绕组换相时，电流的变化产生电抗电势，反电势波形将出现 尖峰脉冲，当与电势反向的尖峰电压幅值较大时，可能使电势整形后出现过零点。因此第二步，也 是最关键的一步，就是滤波处理，一方面要滤除干扰信号，以防止在过零比较时，出现多个零点信 号，这些信号将导致转速计算和转予位置判断的出错，从而影响参考波形的给定，使电机无法正常 工作；另一方面由于模拟滤波电路中使用的电容电感等器件，会造成信号的移相和衰减，而数字滤 波需要占用大量的内存空间进行计算，对微处理器有较高的要求，增加了系统的成本。因此，仍然 选择模拟滤波器来实现主要的滤波功能，但需要对滤波器的类型进行详细的分析，以选择最适用的 一种滤波器，并且在程序中进行相位的补偿等操作。 本文所研究的d s p m 电机，采用传统的光敏式位置传感器时，可控的调速范围在1 0 0 r p m 1 8 第3 章无位置传感器控制方法研究 6 1 0 0 r p m 间，可靠运行的转速在3 6 0 0 r p m 之内，则反电势的频率范围为1 0 h z 6 1 0 h z 。考虑到电流 波形的跟踪效果，希望功率开关器件的开关频率尽量高，但实际无法达到，而一般采用的功率开关 器件，开关频率额定为1 5 k h z ，最高可以达到2 0 k h z ，实际运行时斩波频率一般至少3 k h z 以上，最 高超过1 0 k h z ，因此应该选用低通滤波器来滤除斩波信号。 常规所用的滤波器有三种，巴特沃思滤波器，切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器。 巴特沃思滤波器，幅频响应在通带中具有最大的平坦度，但从通带到阻带衰减较慢。切比雪夫 滤波器，幅值在通带内具有一定的波动，但是在阻带内有非常理想的衰减特性，选择性能好。贝塞 尔滤波器，着重于相频响应，相移与频率基本成正比，即群时延基本是肯定的，可得失真较小的波 形。但是，贝塞尔滤波器在阻带内的衰减相对较小，不可以彻底滤除高频噪声，因此无法达到过零 检测的滤波要求，所以这里不予以讨论口“。 经分析比较，最终选择二阶低通巴特沃思滤波器来实现系统所需滤波要求，设计参数如下： ( 1 ) 截止频率。f 1 5 0 h z ； ( 2 ) 通带内最大衰减。i - - 3 d b ： ( 3 ) 阻带边界频率疗= 3 0 0 0 h z ； ( 4 ) 阻带内最小衰减 a , , , , i 。= - 5 0 d b 。 图3 - 2 隔离采样与二阶低通滤波器电路 通常，在截止频率处通带内的最大衰减为- 3 d 8 ，但考虑巴特沃思滤波器在阻带内的衰减较慢， 因此将截止频率