（电力电子与电力传动专业论文）无刷直流直线电机驱动列车的研究与特性分析.pdf

查堕望三查堂堡主堂笪堕苎 一 a b s t r a c t l i n e a rm o t o rh a sb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e di n t r a n s p o r t a t i o nf i e l db e c a u s e o f s a f e t ya n dd e p e n d a b i l i t yi nr e c e n t y e a r s p e r m a n e n tm a g n e t b r u s h l e s sd cl i n e a rm o t o rh a s d e v e l o p e d m a i n s t r e a mo f d r i v i n g m o t o r t h e s u b j e c t o ft h i s t h e s i si st os t u d yc h a r a c t e r i s t r i so fp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s s d cl i n e a rm o t o ra n dm a j o rw o r k si nt h et h e s i sa r es u m m a r i e da s f o l l o w ： ( 1 ) h a l ls e n s o ri su s e da st h ea c q u i s i t i o no fp o s i t i o ns i n g l e s a n da t 8 9 c 2 0 51 s i n g l e c l i p m i c r o c o n t r o l l e ri su s e da st h e c o n t r o l l e rf o rs y s t e m ( 2 ) a n a l y s i sm a g n e tf i e l d i sr e a l i z e d b y m a x w e l l2 do n f i n i t e - e l e m e n to fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d a n a l y s i s i n d u c t a n c e o f c o i la sw e l la se l e c t r o m a g n e t i cf o r c ew a sc a l c u l a t e db ym e a n so f i t ( 3 ) am a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o nm o d e lf o r d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fb l d c l mi so b t a i n e da n d b y m e a n so f m e a s u r e ，t h ep a r a m e t e r so ft h em o t o ro ni n d u c t a n c eo fc o i li s 0 b t a i n e d ( 4 ) d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fm o t o ri ss i m u l a t e d b y m a x w e l 】2 dt r a n s j n e t k e y w o r d ：p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r l i n e a rm o t o r m a g n e tf i e l da n a l y s i s d e t e c t i n go fp o s i t i o ns i n g l e s f i n i t e - e l e m e n t m e t h o d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c 奎簦墨三鲞兰堡圭兰堡鎏墨一 第一章绪论 。 研究的圉的和意义 随着因民缀济的发展和人民生活水平的提高，人网和产 监不断淘城枣繁结，绘城市交逶黎来了巨大翡压力。梭攥先 进国家的城市交通的发展经验，引入轻轨交通体系，熙摆脱 单纯依靠地面交通陷入困境的一条成功经验。轻轨交通系统 综合了公共汽孳彝各耱抉速交逶工具豹特点，是一静邋合大 城市的电气化铁路系统，其特点是能够在专用的举行轨道上 运行，由单节电动车辆或数节电动车辆组成的短列车。在我 基大中城帮中，轻辕交通系统套羞广瓣熬发展蔻景。 从国外和围内的情况着，目前用于轻轨系统的驱动方式 有两种，种最传统盼旋转电机驱动，另一种是童线电机驱 动。这嚣葶孛驱动方式骞各鑫憨拨势，旋转毫极毙燕线魄祝在 同样的情况下能耗要低1 0 3 0 ，且囊线电机驱幼方式还需 要一条长长的反映轨，使得投资相对增加。值从加拿大轻轨 系绞使矮墙琵来爱，囊线恕扭更毒其猿到之处。它有以下特 点： ( 1 ) 直线电机驱动属非粘箫驱动，车轮只起承载作用， 不起糙蓍蜓动挥用，邈此聪坡戆力强。 ( 2 ) 由于唐线电机初级扁平，因而这种车辆轮径小， 地板低，车身矮。采糟直线电机驱动，有助于采用低玩板技 术，有韵予乘客上下牟，练短终站对间。 太骧璎工大学骥学位论文 ( 3 ) 由予车轮不驱动，线性电梳车辆可采用可调径商 架，容易实现小转弯半径运行，著减少转弯对轮子翻钢轨的 摩擦损耗和噪音。 ( 4 ) 线谯电祝结构篱萃，敌障少，寿命长，可减少维护 费躅。 表1 1 是加拿大提供的直线电机轻轨驱动系统和旋转电 梳轻辕驱动系统静懿谇参数的魄较。由此霹良餐出，壹线电 机轻轨驱动系统比旋转电机轻轨驱动系统有饕显著的优越 性。无论从轻轨性能还是投资费用来看，詹线电机轻轨驱动 系统都蠢蓉基大静发震蘩途，宅秀我莺今瑶藏露轻鞔交逶翡 发展指明了方向。依上述发展趋势激发本课题对用永磁无刷 直流直线电机驱动的列车进行研究，这将对改善和普及城市 轻软交邋有着积极戆蓰遴意义，篷妊将蠢着广淹麴发震藩 景。 太原理工大学硕士学位论文 表i i 两种电机驱动列车具体参数的比较 项目直线电机车辆旋转电机车辆 爬坡能力( ) 6 93 4 最小转弯半径( j i i ) 1 83 5 地板高度( 1 1 1 ) o 7 81 1 钢轮直径( i l l m )4 6 67 11 车辆最高速度( k m h )9 08 0 最高时速噪音( d b ) 7 58 2 隧道面积对比( )5 0 6 0l o o 维修费用比( )1o o12 6 1 2 直线电机驱动列车的研究现状、原理及特点 直线电机在城市交通方面的应用主要是地面推进和悬浮 系统。由于粘着力和其它机械上的原因，般旋转电机不能 胜任高速运行，而直线电机在高速下运行最为理想。为此， 日、德、美等发达国家提出并开发了高速磁悬浮列车，作为 一种新型的交通工具，磁悬浮列车依靠电磁力将列车悬浮于 轨道上，用直线电机推动前进。磁悬浮列车没有车轮及相应 的传动机构，与地面无机械接触，可以高速、平稳的运行。 这类用途的直线电动机可用于直线感应电机，也可以用作直 线同步电动机还可以用于直流电动机。 查曼篓三奎望鍪主堂笙鲨茎一。 2 置作髹壤及分类 从工作原理上可将磁悬浮列车分为常导电磁铁吸引式 ( 常导黧) 积篷导电磁铁穑斥式( 趱导黧) 两大类。 1 常导戳 常母型是利用直流电磁铁电磁吸引的原理，在列车车体 蘸翻倒转向上浆底帮安装受控窀磁铁。电磁铁逶毫鬣，与位 于其上方的导轨之闻产生电磁引力，当吸力大予重力对，麟 会使列车悬浮。磁悬浮列车用交流线形电动机驱动列车前 逶，稷据驱动方式不蘑霹分为短定予异步宅撬移长定子嗣步 电机。前者的定子绕阻安装在车上，转予铺设程线路上，慝 者正好褶反。短定子磁悬浮列举的牵引和悬浮功率由地面电 嬲遴过接魅受滚设冬供绘。 2 超导型 超导型是在车上安装超导电磁铁，由沿线分布的地面导 孰嚣霰l 瓣驱动绕组提供三籀交流毫，穰震怒导磁俸产生酶强 磁场，当列车运行通过装在地面上的绕缎时，列车超导磁铁 的滏电磁感应作用在地酾绕组中感生出电流，磁感生电流和 超撂磁铁之耀产生了电磁力，该力使翔车懋浮莛”。 1 2 2 发展现状 目前，对磁悬浮列车研究最为成熟的是德国和日本。过去 的3 0 多年，磁惫浮列车的发展之快令人瞻目。随着计簿机技 术、蠹动控割技术籁逮子集袋鼓恭熬发震，磁悬浮秀率静技 太艨理工大学硕士学整论文 术往能将褥到进步的完善。超簿枋辩稻超低温授术静发震 使建造磁悬浮列车的成本可能大幅下降。作为一种安全、快 速、舒适的“绿色交通工具”，随着国际社会对人类赖以生 存的土氇球酶环豫意 囊懿不繇鸯鼙强，磁惫浮列车必将得至l 不甑 的普及1 。 。3 本磷究麓特点及主要内容 1 3 1 本研究的特点 从电机理论的角度上出发，目前用于交通领域驱动系统 的直线电丰凡有直流直线电机、直线同步电机、直线感应电机。 本文提出并磅到了用永磁无剽妻浚壹线电壤驱动豹城枣轻 轨运输系统。由于普通直流电机的换楣作用需要电刷来完 成，但有利直流电机不管是电励磁还怒永磁励磁，其工作行 程郝不宣太长，基毒接触火芯于摭电予设备。如钕铁硼啻圈 直线直流电动机，当该电动机的动圈长度不变时，增加行程 必须增加钕铁硼轴向长度才能保持电机有恒定推力。磁镶越 长，汇聚到电枧内心挫磁通越多，这款妇剧了走心柱截嚣和 心柱根部磁通密度的饱和程度，从而造成漏磁通增加，相对 减少了气除磁密，因藏不宣做得太长。鉴于此，我们把永磁 直线燕滚电机做成永磁无剥直流唐线电动枫3 。在电机本体 上我们采用了与传统永磁无刷直流电机( 定子由电枢绕组构 成，转子豳永久磁钢构成) 不同瓣结褥方式，采震动予上安 装三相绕缎，面定子上安装永久磁钢的结构。这种结构可以 查璺望三盔兰堡主兰垡堡苎 使驱动简单，位置信号检测方便。同时依靠双极性霍尔元件 检测定子和动子磁场相对位置信号，从而节约了霍尔元件的 数量。 与其它直线电机相比，无刷直流直线电机系统具有以下 特点： ( 1 ) 与其它直线电机系统相比，直流直线电机系统的多 相结构较为简单。 ( 2 ) 在其它条件均相同的情况下，直流直线电机系统电 枢线圈电流( 有效值) 为交流逆变器系统电流的2 倍，所以 直线直流电机电枢线圈所需要的导线数量均为直线同步电 机系统的2 倍，这是直线直流电机的缺点所在。 1 3 2 本课题研究的主要内容 本文提出了一种基于永磁无刷直流直线电机原理的城 市轻轨驱动系统列车模型设计方案，并进行了模型设计与制 作。本课题以其为研究对象，主要内容包括： ( 1 ) 采用霍尔元件实现无刷直流直线电机的位置信号检 测，以a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机进行系统控制器的设计，并进行了 软件的编制与调试，搭制了无刷直流直线电机的全桥驱动电 路。 ( 2 ) 用m a x w e l l2 d 进行了气隙磁场的分析、静态电磁 力的仿真计算以及电机自感的计算。 ( 3 ) 用m a x w e l l2 dt r a n s ie n t 进行系统动态过程的仿真， 模拟动态下电机的电磁推力、速度、位移的特性，实验测取 太原理工大学硕士学位论文 了电机的自感并与m a x w e l l2 d 计算的电机自感结果相比较。 ( 4 ) 对永磁无刷直流直线电机驱动列车系统的运行特性 进行了实验分析。 查星堡三奎兰堡主堂篁笙茎 第二章系统总体的设计 2 1 永磁无刷直流电机的概述 稀土永磁无刷直流电动机是随着工业控制技术和电力 电子技术发展而兴起的一种新型电机，具有交流电机的结构 简单、体积小、重量轻、永磁效率高等优点，又具有直流电 机优良的调速特性。它的出现适应了当今工业自动控制总的 发展趋势一一体化、高频化、数字化，富有很强的生命力和 广阔的发展前景。 2 1 1 永磁无刷直流电机的结构 永磁无刷直流电机从运动方式上可分为无刷直流旋转 电机和无刷直流直线电机，对其结构分别介绍如下： 旋转永磁无刷直流电动机是由永磁电动机本体、位置传 感器和电子换相电路三部分组成。其系统框图如图2 1 所示。 电机本体的主要特点是：采用永磁转子，而定子结构类似于 交流感应电机，分为三相或两相绕组，因此，电机本体几乎 雷同于永磁同步电机；位置传感器决定电机的运行性能，同 时也决定着电机驱动电路的结构及复杂程度。 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动所需的机 械能而不需要任何中间转换机构的传动装置。在需要直线运 动的控制场合，直线电机省去了旋转电机需将旋转运动转换 太原理工大学硕士学位论文 为直线运动所需要的机械装置，因此，永磁无刷直流直线电 机和永磁无刷直流旋转电机相比，具有体积小、效率高、可 靠性高等特性。 设想把旋转永磁无刷直流电机沿径向拉开并伸直，把电 机转子的旋转运动转变成直线运动，旋转电机就可变为单边 形永磁无刷直流直线电动机。在结构上无刷直流直线电机也 可看作是由电机本体、位置传感器、驱动电路三部分组成。 但和旋转永磁无刷直流电机不同的是，形成主极磁场的永磁 磁钢可以放在定子上也可以放在动子上，这两种方法各有其 优点，如表2 一l 所示“。 图2 1旋转永磁无刷直流电机的框图 器 太原理工大学硕士学位论文 表2 1 方案优点缺点 无铁心、质量轻位置检测和信号 动子上装配磁钢 定子绕筑接线方便照理复杂 驱动麓单、经置信号动予有铁心 定子上装配磁钢 检测方便质量较羹 2 1 2 永磁无剧直流电机的基本工l 乍原理 无论是无裂壹滚蓰转魄极逐是无掰壹流直线宅就，它弱 的工作原理基本相同。永磁直流电机的永久磁钢的主耍作用 是柱电动机气隙中产生磁场，其电枢绕组通电后产生感应磁 场。透避瞧到抉翡终惩，往褥这蘧个磁场懿方淘在壹流电动 机的运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大的转( 力) 矩而驱动电动机运行。而无刷巅流电机为了实现无刷换相， 必须还要鸯由经置鼹惑器、控锻电路戮及功率逻辑开关共阉 构成的换向装援，使得直流无刷电动机在运行过程中由绕缎 所产生静磁场芹日永久磁钢产生的磁场在空间上保持垂直。即 当绕组的莱一招逶惑，该瞧滚与永久磁销艨产堂麴磁场超互 作用而产生电磁力，驱动转子( 动子) 运动，再由位鬻传感 器将永久磁铜位置信号变换成电信号，去控制电子开关线 路，从恧搜电攫绕缝按一定蹶黟导逶；绕缀提电渡夔磁钢应 置的变换而按一定顺序换相，使得在菜一磁极下电流方向始 终保持不交，这就楚无确甄流电杌换向的实质。 i 0 - 太簸理工大学颞士学接论文 其原理框图如图2 - 2 所示“3 ： 图2 - 2无刷直流电机原理框图 2 。2 永磁无刷蓬流盏线耄视慧体设计 本课题采用永磁无郦赢流赢线电机作为列车的擒进系 统，凌列车模型设计与裁锋中( 裂车模受照片磐墨2 3 黪示) ， 塑制轨道和箱体采用市购品，自行制作加工动子支架、绕制 了绕组线阐、搭制系统控制和驱渤电路图等。下飚分别就电 援本体、较铤露路、驱动患路静汲诗分剐套缨魏下。 2 2 1 电机本体模型的设计 1 电机本体的描述 图2 - 4 是鸯线无利电丰凡本体结构示意圈。电桃本体采用 定予( 纫级) 上安装磁钢，动孑( 次级) 上安装三耀绕组款 方案。采用这种方案可以使驱动简单、位置信号检测方便。 定予部分幽一撵安装在铁轭上鼠极性交替变换的永久磁铁 组成，这l 乍为列车孰遴部分。车体终为电枫的动予部分，包 奎星堡三查兰堕主兰垡丝苎 括电机三相绕组线圈，三相绕组线圈采用星形连接。动子和 定子两侧分别为导磁材料。电机行程由定子长度而定，整个 行程中磁通方向交替变化。 1 一线圈 4 一导轨 图2 3 列车模型 2 一霍尔传感器电路板 5 一永久磁铁 3 - - 驱动电路板 6 一控制电路板 太藤理王夫学碾士学位论文 圈2 - 4电氟结掏示意萄 2 电机本体的主要尺寸的选择 在电橇本俸的设计过程中，需要确定各部分的尺寸很 多，一般郝是从主要尺寸入手。它与电机的技术性能指标有 着非常密切的关系。 罄先，辱 入电梳静电磁负荷这一概念，所谓电磁受荷是 指电机的电受葡a 和磁负葡鼠电磁负搿是电动机设计的重要 参数。直流无刷电机的电负荷a 是指单位每米长发中导体总 数。 蠢：r o n 再d o ( 2 一1 ) 3 五 一。 式中五：绕缀籀电流( a ) n o ：每搁导体数 ：电机的相数 五：相邻绕缝线霞靛跨距( c m ) 查堕堡三查堂巫主兰焦笙苎一 电机的磁负荷曰是撒气隙磁感廊的最大值。一般来说， 直流无刷电机气隙磁感应强度在空间分布波形如图2 5 所 示。气骤磁感应强度蕊辍篷戈君s 。辫l 篼耀澎磁感应强瀣渡试 看作一个底宽为a 。r 、黼为口。的等效矩彤波，等效原则为两 个波形的每极磁通爨相等，囤2 5 中虚线波形为等效矩形波。 感应电动曩黪方程式巍： r 是。= 蠡d 。p ；x 1 0 4 ( 2 - 2 ) 上a 式中厶：线受导体每匿处农磁场中瓣平甥鸯效长发( m ) 肛：线圈总匝数 a ：每相并联支路对数 v ：线圈鬈钵切划磁力线懿速度( c m s ) 门疋 k 一一一一”勺 图2 5气瞧磁感应强度在空阙分誊波影 电负荷省帮磁负荷层与电机韵主要尺寸的选择赢接相 关，因此必须全匿考虑各方露因素。表2 - 2 绘出了骚测终熬 无刷直流直线电机本体的主要技术参数。 太原理工大学硕士学位论文 表2 2电机本体参数 形式符号参量 相数 3 每组线圈匝数 n43 0 电阻 斤2q 每相并联支路数 日l 相邻绕组中心距 3 0 m m 导体直径 dlo 4 6 f i l m 动子导体有效长度 。6 m m 铁芯直径厉 6 m m 铁芯高度 h ，2 0 m m 磁极高度 卉2 m m 磁极长度 r p 3 0 m m 定子 磁极极距4 5 m m 气隙高度 万 5 m m 3 电机动作原理 a ) 系统运行方式的选择 通常情况下，对于三相永磁无刷直流电机有以下几种运 行方式： 三相三拍运行，一个周期内每相导通1 2 0 。电角度。 二相导通三相六拍运行，个周期每相内导通2 4 0 。 电角度。 太原理工大学硕士学位论文 三相导通三相六拍运行，一个周期内每相导通3 6 0 。电 角度。 三相十二拍运行，一个周期内每相导通3 0 0 。电角度。 本系统选用两相导通三相六拍运行方式，采用这种方式 能最好利用气隙磁场的平顶部分，使电机力矩最大，平稳性 最好。 b ) 动作原理 当动子处于图2 6 ( a ) 所示的位置时，此时给a 、b 两相 线圈通相反方向的电流( 电流方向如图所示) ，产生方向相 反的磁场，定子磁极n 对a 铁心线圈作用产生向右磁推力， 定子磁极s 对a 铁心线圈作用产生向右磁拉力，同时定子磁 极s 极对b 铁心线圈作用产生向右磁推力，定子磁极n 极对 b 铁心线圈作用产生向右磁拉力，c 线圈由于两极同电势，没 有磁力作用，火车沿x 轴正方向行驶( 如反方向行驶，则改 变a 、b 两相线圈通电方向) ，随着动予运动到图2 6 ( b ) 所 示的位置时，绕组开始换流，由a 、b 两相线圈导通变为a 、 c 两相线圈导通。依次类推，由位置传感器提供磁场位置信 号，每隔1 6t ，功率开关切换一次，使火车沿x 轴正方向 连续行驶。 奎垦里三查堂堡主兰垡堡苎 y jl 中0 9 。脚嘲渤 厂丁 厂i r 厂飞 n；， j 7 ( a ) x ccb baa 审o 。c p 嘲审。 厂飞 厂可 厂f 。 nl 、l 7 ( b ) 审瓷幽。9 c p 厂丁 厂百 厂 0 ( c ) 1 7 x 查堕篓三奎堂堡主堂堡丝苎一 ( d ) 一 i cebb8a 蝴 o o 宰c o妇 厂弋 厂_ _ 厂f 。 n l，j 一 ( e ) 1 k ccbbaa 麟脚o g 幽姻优中 厂可 广i inl 。 o ( f ) 隰2 - 6到奄动作原理嘤 1 8 。 x 太潦瑶工大学磺士学袋论文 2 。2 2 系统驱动瞧路的设计 1 系统主电路原理圈 系统主电路原璎隧如甏2 - 7 所示。本系统采掰成熟可靠 的全携驱动电躜，包括工馋电源、三握挢式逆变器、以投电 梳泡枢绕组。该电路集功率变换、驱动为体。由于s l s 6 端的信号怒受单片机的输出信弩控制，所隧在每个功率开关 三极铐之前如一个小功率兰极镑毒句成复合篱，二报管d l d 6 起续流体臻，共潜穗成三稻逆变桥缢成系统功率变换部分。 图2 7系统瓤动电路 2 2 3 系统控制线路的设计 嚣尉盖濂惫瓿它戆运行方式特点决定了冀不簸篱擎静 奎堕堡三查堂堡主鲎垡笙苎一 接到普通直流电源上，必须有专门的驱动控制器。一般讲t 控制方式很大程度上决定了无刷直流电机的运行性能。由于 直线无刷直流电机在工作原理以及运行方式上和旋转无刷 直流电机基本相同，因而，从控制方式上来看，直线无刷直 流电机和旋转无刷直流电机也基本类似。 1 系统的硬件设计 无刷直流电机是伴着数字控制技术而产生和发展起来 的。因此采用单片机为主的数字控制是直流电动机的主要控 制手段之一。 无刷直流电机的运行主要由一系列脉冲来控制的，本系 统采用a t 8 9 c 2 0 5 l 单片机实现永磁无刷直流直线电机的数字 控制，因此，这些脉冲序列由单片机产生。图2 - 8 给出了控 制系统的结构框图”1 。 坐叵h 圈趣揠 图2 8控制系统的结构框图 该系统主要包括无刷直流直线电动机、电动机驱动电 路、a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机控制系统。控制系统主要功能有电机 的换向控制、可逆向控制、驱动控制。控制系统的硬件原理 图框图如图2 9 所示。该系统的核心部件是a t m e l 公司生产 的a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机。虽然它仍是8 位机，但其具有品种齐 奎鉴墨三奎兰鍪主兰簦鎏塞 一 全、兼容悭强、软硬彳率资源丰富等特点，霞魏，应拜l 菲常广 泛。该单片规与5 1 系列指令完全兼容，箍且内置2 k b 的f l a s h r o m 存贮器，大大方便了使用，减少了外部扩展r o m 的麻烦， 仅接磊振藕复位电路虢可戳缝藏疆小系统。该芯嚣篱健了5 1 系列单片机的p o 、p 2 口，仅提供p l 、p 3e l 供用户使用，但 可以满足本系统设计需求。 a t 8 9 c 2 0 5 1 萃片辊懿p 3 0 p 3 3 释为赣入藕翻，采集位 置传感器的信号，p 1 o p 1 5 作为输出口，输出到驱动电路 的上下桥臂功率开关兰极管，由于电机绕组电压为6 v ，电流 小予l a ，戮跫，装矮小臻率三辍管( 8 5 5 0 ) 进行放大藕合， 推动三极管工作。p 3 7 作为正反向功能键。下面介绍一下电 片机控制系统所实现的主要功能。 8 ) 按穗戆控 本系统电枢组采用三相星形联结，驱动回路采用两两导 通方式。熬有六种导通状态。动子每行进1 6 个周期，变换 一穆状态。电瓤正鬻遮行露，导遴状态夔转换逶遭软磐寒实 现。即首先找出两个双极性霍尔传感器h a 、h b 输出位疑信 号与6 只功率管之间的导通关系( 驱动电路如图2 7 ) ，以表 掺形式存放在单片壤豹r o m 中，袭2 - 3 ( 8 ) 给凄了位嚣传感 器输出状态与电机两两换相时之间的对应关系。通过这种方 式，a t 8 9 c 2 0 5 l 翠片机只需彬据来自p 3 口的霍尔传感器输入 状态，麸表中2 3 a ) 褒褥辐激应功率管，著逸过p l 目送糖庭 的控制字，就可控制赢流无刷电机的换相。 b ) 可逆控制 在一般熬煮滚毫飘运行过程中，只要转换磁场豹方巍或 2 l 一 太原理工大学硕士学位论文 转换电枢电压的极性，就可以改变电机的运行方向，但在永 磁直流无刷电机中，磁通量是由永久磁钢产生，无法改变方 向，电源电压反接很不方便，在这种情况下，一般通过控制 电枢绕组的换相次序来改变其运行方向。在本系统中，可逆 控制也是通过软件来完成的，通过传送逆向控制字到p l 口 即可，电机的反向控制字如表2 3 ( b ) 所示。 图2 9 控制系统的硬件原理图框图 s 1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 太原理工大学硕士学位论文 表2 3 ( a ) 换相真值表【正向运行) h a lh a 2h b lh b 2导通的管子控制字 0olov 5 、v 2e d h 1o1ov 3 、v 2f 9 h looov 3 、v 6d b h o001v l 、v 6d e h 01o1v 1 、v 4f 5 h 010ov 5 、v 4e 7 h 表2 3 ( b )换相真值表( 反向运行) h a lh a 2h b lh b 2 导通的管子控制字 o0lo v l 、v 6d e h lo1 0v 1 、v 4f 5 h l00o v 5 、v 4e 7 h o0ol v 5 、v 2e d h oi oi v 3 、v 2f 9 h 010o v 3 、v 6d b h 2 系统软件设计 程序一开始，对霍尔元件信号进行检测，发现非法脉冲 信号，则送低电平到p 3 5 口点亮发光二极管并继续进行检 测，直到正常信号输入后，才被送到信号变换子程序，这个 奎堕里三查堂堡主兰垡丝苎 一一 程序可以通过检测p 3 7 口的方向信号，从相应的表中取出 对应的换相控制字，通过p 1 口输出，以驱动电枢绕组换相。 系统程序流程图如图2 一i 0 “： 2 一10 控制系统程序流程图 查堕望三查兰堡主兰垡笙苎 第三章无刷直流直线电机位 置信号的采样与识别 无刷直流电动机的特点决定着它必须有位置检测。位置 信号检测是组成无刷直流电动机系统的三大部分之一，也是 区别于有刷直流电动机的主要标志。实现位置信号检测的方 案大体上可分为两大类：直接位置检测和间接位置检测，直 接位置检测是利用位置传感器直接获得定子和动子( 转子) 磁场相对位置信息的方法，而间接位置检测是利用电动机的 某些电气参数如电机转子位置函数关系来解算转子位置信 息的方法。两种方案相比之下各有利弊，间接位置检测具有 机械结构简单、抗干扰能力强、可靠性高等优点，但间接位 置检测的技术精度比直接位置检测的略低。本课题所研制的 无刷直流直线电机选用的是直接位置检测方法。 3 1 位置传感器 位置传感器种类较多，且各具特点。目前在直流无刷电 动机中常用的位置传感器有以下几种形式“。 3 1 1 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作 用的，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型。 太原理工大学硕士学位论文 在_ 馥流无刷电动机中，用的较多的魑开口变压器，开口变愿 器原理胬如图3 - 1 所示。它由定子和跟踪转子缀成，定子一 般枣六个极，它岱之润糍蹑分别为6 0 。，其中三令投绕一次 绕组，并且相互串联后邋以高频电源，另外三个极分别绕二 次绕组w 。、w 。、轷。它们之间分别间隔12 0 。跟踪转予是 一个用裴导磁材料傲或的嚣柱体。隧羞电璐襁转子懿转动， 跟踪转予也跟着旋转，在开口变压器上分别依次感应出电厥 u 。u 。、u 。由予开口变压器结构简单嗣前得到了广泛l 勺应用。 电磁位置传感嚣具鸯竣出傻号大、工住霹嚣、寿会长、 使用环境要求不高、适应性强、结构简单和紧凑等优点；假 这种传感器信嗓皖较低，体积较大，同对输出波形为交流， 一般震经整流、滤波螽方疆使蠲。 3 一l开口变压器原理图 2 6 太擞理工大学硕士学位论文 3 1 2 光照位鬣传惑瓣 这种传感器是利用光电效应制成的，由跟随电动机转子 怒旋转魏遮光叛襄辫定不动豹光源及竞电餐等帮俘缀成。 遮光扳开有l2 0 。电角度的缝隙，缝隙的数目等于赢流无刷电 动机转子磁极的极对数。当缝隙对着光电晶体管时，光电晶 体管上产裳“亮邀滚”羧奎。遮光投撼往光线鼓，只套“碴 电流”输出。遮光伴随转予旋转，光电晶体管随转子转动而 轮流输出“亮电流”或“暗电流”的信号，以此来检测转子 磁辍位置，控髑电动嘏定予绕组轮滚导逶，攥涯囊滚秃到电 机正常运行。 光电晶体管位置传感器性能院较稳定，但存在输出信噪 誊较大、光源灯泡寿愈短、使矮环境要衷比较裹等疑赡。 3 1 3 磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器是指它的某些参数按一定规律随周 围磁场变化的半导体敏感元件。磁敏传感器的种类很多，有 磁阻元# 、磁敏二援镑、磁敏三极管、磁拭元件、方向性磁 电元件、霍尔元件、霍尔集成电路以及利用这些元器件二次 集成的磁电转挨组件。它们其有不同的特性，如图3 - 2 所示。 奎堕垄三盔堂堡主兰垡堡苎 图3 2各种磁敏元件的特性 a ) 霍尔元件b ) 磁敏电阻器 c ) 磁敏二极管 磁敏元件主要工作原理是电流的磁效应，它主要包括霍 尔效应和磁阻效应，先分别介绍如下。 磁阻效应指的是元件的电阻值随磁感应强度而变化的 现象。根据磁阻效应制成的传感器叫做磁敏电阻。 任何带电粒子在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时 都要受到磁场的作用力，该力称为洛伦兹力，其大小可用下 式表示： f = q v b( 3 一1 ) 图3 3 是在一长方形半导体薄上加上电场肠后的情况。 在没有外加磁场时，电子沿外加电场出的向反方向运动，形 成一股沿电场方向的电流，当加以与外电场垂直的磁场占时 运动着的电子受到洛伦兹力的作用将向左边偏移，并在该侧 面形成电荷积累，由于该电荷的积累产生了新的电场，称为 霍尔电场。该电场使电子在受到洛伦兹力的同时还受到与它 相反的电场力的作用。随着半导体横向方向边缘上的电荷积 累不断增加，霍尔电场力也不断增大。它逐渐抵消了洛伦兹 2 8 太原理工大学硕士学位论文 力，使电子不再发生偏移，从而使电子又恢复到原有的方向 无偏移地运动，达到新的稳定状态；然而，与无磁场时不同的 是，在半导体两侧产生了一电场e l l , 这个霍尔电场的积分，就 在元件两侧问显示出电压，称为霍尔电压，这就是所谓的霍 尔效应。 图3 3霍尔效应的原理 虽然位置传感器的种类很多，但根据霍尔效应的原理构 成霍尔效应磁敏传感器，具有结构简单、体积小、安装灵活 方便、易于机电一体化等优点，目前得到越来越广泛的应用。 鉴于此，本系统中选用的霍尔位置传感器作为位置信号的检 测。 3 2 霍尔元件用于位置信号采样 3 2 1 霍尔传感器的分类 按结构分类霍尔传感器按其结构可分为霍尔元件、霍尔 集成电路和霍尔功能组件三大类。 奎垦望三查堂堡主堂焦笙苎 按功能分类霍尔传感器可分为线性型、开关型、锁定型 三种。 ( 1 ) 线性型线性型传感器是由电压调整器、霍尔元件、 差分放大器、输出级等部分组成。输入为线性变化的磁感应 强度，得到与磁感应强度成线性关系的输出电压。可用于磁 场测量、非接触测距、黑色金属检测等。 ( 2 ) 开关型开关型传感器是由电压调整器、霍尔元件、 差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成。输入为磁 感应强度，输出为数字信号。这种开关的导通和截止过程只 和外界磁感应强度的大小有关，而不需要磁场极性的变换。 它的磁滞回线相对于零磁场轴是非对称的。 ( 3 ) 锁定型锁定型传感器同样也是由电压调整器、霍 尔元件、差分放大器、施密特触发器、输出极等五部分组成。 锁定型传感器实质上也是一种开关型器件，与一般霍尔开关 的差别在于，它是由双磁极激发的，因此，双磁极霍尔锁定 器的磁滞回线相对于零磁场是轴对称的，在交变磁场作用下 输出波形可得到1 ：1 的占空比。 3 2 2 传感器的设计 位置传感器的基本功能是在电动机的每一个周期内产 生与电机逻辑分配状态相对应的开关状态数，以完成电动机 的一个换流全过程。要构成一个霍尔位置传感器必须满足以 下两个条件：( a ) 位置传感器在一个电周期内所产生的开关 状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度应相等。( b ) 一一一 奎堕墨王奎兰鍪圭兰堡造奎 _ _ h _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - m _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 一。 。 位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动 祝豹工捧狡态数糙对应。熟莱经霞传慧嚣输蠢的开关状态能 满足以上条件，那么总可以通过一定的逻辑变换将位置传感 器的开关状态与电动机的换向状态对应起来，进而完成换向 f l7 霍尔位置传感器的设计主要是确定霍尔元件的数目、它 们之间间躐以及安装的位置。 l ，霍尔元馋数星、穗互闻骥懿位嚣豹臻定 本系统采用的是淑极性开关型霍尔传感器，由霍尔元件 i n s b ) 、两个三极管构成且具商两个输出端口。内部框图 及铃形麴爨3 - 4 获示。图3 5 是其在交交磁场下它载输出特 性曲线。在电机运动的一个周期内，当霍尔开关元件感受到 n 极磁场韵作用时，都在图3 - 5 t 。t 。时刻，霍尔传感器输出 端口h a l 羧爨毫邀乎“l ”，竣出满墨h a 2 埝爨羝壤乎“0 ”； 而当其感受到s 极磁场作用时，即在图3 5 t ；t 。时刻，霍 尔传感器输出端溺h a l 输出低电平“0 ”，输出端h a 2 输出高 电平“l ”。在磁场的其它位凝h a l 、h a 2 竭埝出低电平“0 ”。 从霍尔传感器的输出特性衄线可以看出，这种开关电流 电路在电动祝运行的一个周期内即2r ，可以产生三种信号 组合，分别为“1 0 ”、“0 l ”、“0 0 ”状态。走予本系统电孝晁赝 采用两相导通三相六状态运行方式，确定最少需要2 个霍尔 元件才能满足系统需求，僵上述规律仅仅是在理论上考虑了 一个鬟尔传感器能构成多少秽不霹的状态，缝合波形组合法 才能最终确定一个实际的位置传感器需要多少个霍尔元件 及它稍之间韬互襁隔酌位置。 奎堕堡三盔堂堡主堂照笙茎一 把餐尔元件的每个输出端口所产生的波形等分成电动 税所需求豹逻辑敬态分配数，然后季露它稍褶互褥开一定的经 置，倘若最终能产生电机运行所要求的开关状态数，则所用 的霍尔元件数和所取的位置是合理的。 本系统采用2 个相互间隔l r 的霍尔元件h a 、h b 组成位 j 置传感器，从理论上分析蕻波形组合如图3 6 ，表3 1 是鬣 尔元俘输出姣态寞镶表。觚强3 - 6 及表3 一l 中碍看毒，这耱 组合的位鼍传感器能在一个周期内产生六种开关状态，可以 满避电机运行需求。 图3 - 4 藿尔传感器的电路图 奎堕里三奎堂堡主堂垡笙苎一 图3 5 霍尔元件在交变磁场下的输出特性 图3 6 一个周期内的波形组合图 太愿理芏大学联士学拨论文 表3 - 1 输交袄态真经表 弋件输出端 矗8e0 乎趴 列态 loo l0 2lo 1o 310 oo 4oo 0l l 5o l0l 601 oo 2 = 蘸尔传感器安装 在本系统中采用2 个霍尔传感器安装在电机本体的动子 部分，以间隔；f 安鬻在躐电机a 相绕组的中心线；f 处，在 j j 电机运行过程中，传感器随电机动予同步运动，霍尔传感嚣 检瓣定予、动予磁投稿对位置，在宅枢三稽绕缀轮流等遥的 换囱点处为逻辑开关电路提供捩向触发信号，确保电枧正常 运行。 3 。3 实验检测结果 在磺车运行过程中，利用示波纹得至l 双极往霍尔元件检 测的磁场位置信号波形如熙3 7 ： 太原理工大学硕士学位论文 h a l h a2 图3 7 实测霍尔元件检测波形图 上图是一个霍尔元件的两个输出端1 ：3 波形，从图中可以 反映出永磁无刷直流直线电机的气隙磁场基本上是方波，在 一个周期内，霍尔元件的两个输出端口的相位差基本为! r 3 周期。此实验波形验证了本系统霍尔传感器设计的合理性、 可行性。 太原理工大学硕士学位论文 第四章永磁无刷直流直线电机 气隙磁场与力特- 陛分析计算 计算永磁磁极产生的磁场是决定电机推力、速度、电势、 电感及各种性能必不可少的分析，也是电机设计中的一个重 要问题，本章将永磁电机磁场问题简化为二维磁场的问题， 推导出永磁电机气隙磁场的解析计算方法，并借助于美国 a n s 0 f t 公司提供的m a x w e l l2 d 二维电磁场有限元计算软件 计算了静态电机磁场分布及静态电磁推力。 4 1 气隙磁场的解析分析计算 分布电流法是将永磁磁极等效为环绕在体表面的带电 流的空心线圈。用磁化面电流产生的磁场代替永磁磁极的作 用。本节将利用分布电流法对气隙磁场进行解析分析。 4 1 1 永磁体的等效 永磁电机电磁场计算首先要建立永磁体的数学模型。电 流与磁场的基本关系表明，任何磁场都可认为是由分布电流 产生的。磁介质经过外磁场磁化后具有磁化强度版在介质 体内和表面形成束缚电流，对于被均匀磁化的永磁体，磁化 体内部各点上的的大小和方向都相同，永磁体内的等效电 3 6 奎蓬垄三奎兰篓主兰竺鎏茎一 密度为零，而在平行于膨的永磁体侧磷上存在一膳等效箍电 流。所以对羚爨褥言，强4 - 1 ( a ) 承磁体可照霉4 一l ( b ) 环 绕体表面的带电流的定心线圈来等效。其面电流密度为 f f s = m x 拉 ( 4 一1 ) 式中力为永磁体侧面处单位法向。 一 图4 1 ( a )永磁体图4 - 1 ( b )永磁体的等效 瓣予爨有线性去磁特馁鲍永磁体，露奄流密度为 五：h c ：墨( 4 2 ) 城 武中鼠：磁甓二强度矫簇力( a m )薪：剩余磁感发应强( i ) 由予稀土永磁材料磁母率略大1 ，通常取舭7 = 0 ，7 5 里+ 0 2 矾来校正，因此我们把永磁体等效为一个面电 嚣， 流密度为肫7 的空心线圈，并使整个气隙中的磁导率为总， 这为我们以下分析提供了便利“。图4 - 2 为气隙磁场计算示 意强。 太暴瑗王大学颂学使论文 x 图4 - 2气隙磁场计算示意图 图4 2 巾尺曩“符号钓意义务：管为裰距t 为磁极宽度， 参为气黢高度，h 为磁极高度。 4 + 2 算法源瑾 永磁电机理想空载时，气隙磁场是由永磁体激励产生的。 如上所逑，永磁俸霹用环绕体表爵鲍带毫流静空心线整来等 效，等效磁化电流置于两平彳亍铁磁平西之间且只在平行于彤的 永磁体侧面上分布着面电流。可假设磁极在z 方向的长度为 无穷丈，掰戳可霞￥方囱0 一h 范围肉静磁纯毫流来簿效，在 y 方向取单元电流为 d y = h c 7 d h( 4 3 ) 由于f e = o 。，所叛两铁磁平箍为椽量等磁位鬣，线窀流位 于两乎彳亍铁磁平面之间，此时服像和镜像对两平面来回反射 ( 如图4 3 ) ，可得无限多个镜像，一组像用i 表示，另一组 嗣l l 表示。校据翔颧，崮予对称关系，圈4 3 率原豫霖镜像 太原理工大学硕士学位论文 所形成的磁场应与两铁磁边界面垂直，因此平行铁磁平面之 间的磁场可作为均匀介质= 。中原像和镜像电流所产生的 磁场来计算，若单元电流位于( x 。，h ) 处，线电流在任一一 点( x ，y ) 所生的磁位为”“” 儿= - 卷肌7 砌1 n c h 2 石等s 2 厅等 ( 4 - 4 ) a z l l = - - 4 u 万oh c 锄l n c h 2 万等- c o 跏等 ( 4 _ 5 ) 总的向量磁位为： a ：= a ：! + a ：i i = 一鲁蹦d h l n m 石孚一s 石学n 孚一s 石孚】 yl j 和，e 一一 i2 艿劢 7、 ：丰2 产竽蚵 m ) 、 j t o ，、 土oi 2 6 1 一i ：1 1 ( 4 6 ) x l 图4 3边界为二平行的铁磁平面时的电流镜像 奎堕望三奎兰堡主堂垡笙奎 一 磁感强度则为 d b 。= 一兰 4 b s i n w 2 ( y 一舢 u + s i n 要( y 一们 c ， c 石孚一s 善( y 卅协孚一s 吾( 川) h c d h + 妫要( x x o ) d c 矗口竺五 万 c o s 罢( y 一 ) d ( 47 ) 1h c ld h ( 4 8 ) 磁化面电流可看作是在y 方向0 一h 长度的积分，所以位于 x = x 。处的磁化面电流在气隙任一一点( x ，y ) 产生的磁感应强 度为： 8 。文x ，力= f d b 8 ，文x ，y 、= f d b y 则有该磁极在( x ，y ) 点产生的磁感应强度为 毋( x ) = 尻。( x = j 。) 一夙。( f x 。+ t ) b ，t 订= by8 t x = x j by 。0 x = x ，+ t 1 同理，由第i + 1 个磁极产生的磁感应强度为 ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) ( 4 一l1 ) ( 4 12 ) b ，( x ) = 尻，( x = x i ) 一夙- ( x = x i t + “)( 4 一l3 ) 生咿 一喵 蝾葶 一曲 争 蝣 奎垦堡三盔堂堡主堂垡笙茎 t y ，( j ，) = 毋，( j = 肖。十， ) 一毋，( j = 肖一+ j t + f ，) ( 4 14 ) 则由n + 1 个磁极在( x ，y ) 点产生的磁感应强度 b ( x ) = e ( x ) ( 4 15 ) b ( y ) = e ( y ) 4 2 电机静态磁场的数值计算 ( 4 16 ) 近年来随着计算机辅助设计的发展，磁场计算的数值计 算方法日益所到人们重视。电机电磁场数值分析主要采用有 限元法、边界元法和有限差分法。目前应用最有效、应用最 广泛的是有限元，它与其它方法相比有以下突出优点： ( 1 ) 系数矩阵对称、正定且具有稀疏性，因而目前普遍 采用不完全乔累斯基分解共轭梯度法( i c c g ) 结合非零元素 压缩存贮解有限方程，可大量节约计算机内存和c p u 的计算 时间。 ( 2 ) 处理第二类边界条件和内部媒质交界条件非常方 便，对于第二类齐次边界条件和不具备面电流密度媒质交界 条件可不做任何处理。对于由于多种材料组成、内部具有较 多媒质分界面的电机电磁场来