（电机与电器专业论文）基于dsp的盘式无铁心永磁同步电机直接转矩控制调速系统.pdf

a b s t r a c t t h ed i s kt y p ep ms y n c h r o m o t o rh a sh i g hp o w e rd e n s i t ya n de x c e l l e n t d y n a m i cp e r f o r m a n c ea tt h es a l l l eo u t p u tp o w e ro rs h a f t o r q u e c o n s i d e r i n ga b u n d a n t r a r ee a r t hi nc h i n a , r e s e a r c ho nt h i sk i n do fm o t o rs h o w sg r e a tm e a n i n gt ot h e d e v e l o p m e n to f h i 曲p e r f o r m a n c em o t o ra n di t sd r i v i n gs y s t e m t h ea i mo fo u rs t u d yi st od e s i g nas e to f s p e c i a l i z e dd r i v i n gs y s t e mf o rd i s kt y p e p m s mt h a tm a k e sf u l lu s eo fi t sa d v a n t a g ei ns t r u c t u r ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e d i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o di su s e db yt h ed e s i g n e ds y s t e md u et oi t sf a s tt o r q u e r e s p o n s e a l t h o u 曲i ti ss t i l li nas t a g eo f t h e o r e t i c a ls t u d yt oc o n t r o lp m s m w i t l ld t c s t r a t e g y t h i sp a p e rp r o p o s e dt oe x e c u t ed t c o i lac o r e l e s sd i s kt y p ep m s mt og e t v e r yf a s td y n a m i ct o r q u er e s p o n s e s u c hw o r kh a sb e e nd o n eb yn oo n eu n t i lo u r s t u d yb e g i n t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ：f i r s to fa l l ，t h e s 仇1 c t i mc h a r a c t e r so fe o r e l e s sd i s kt y p ep mm o t o ra r ei n t r o d u c e d t h em a t h e m a t i c m o d e lo fp r o t o t y p ei sb u i l ta c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fm a g n e t i cc i r c u i ta n a l y s i sa n d a t t r i b u t e sc a l c u l a t i o n t h e nt h ee m p h a s i si sp u to nt h e o r e t i c a ld i s c u s s i o no fp m s m d t c i ti sm a t h e m a t i c a l l yp r o v e nt h a tt h ei n c r e a s eo fe l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ei na p e r m a n e n tm a g n e tm o t o ri sp r o p o r t i o n a lt ot h ei n c r e a s eo ft h ea n g l eb e t w e e nt h e s t a t o ra n dr o t o rf l u xl i n k a g e s t h e r e f o r e ，t h ef a s tt o r q u er e s p o n s ec a nb eo b t a i n e db y a d j u s t i n gt h er o t a t i n gs p e e do ft h es t a t o rf l u xl i n k a g ea sf a s ta sp o s s i b l e t oi m p r o v e t h es t e a d y - s t a t eb e h a v i o r , o u rd e s i g ns u b s t i t u t e ss p a c ev e c t o rp w mf o rt r a d i t i o n a l h y s t e r e s i sp w m i tl e a d st ot h er e d u c t i o no ft o r q u er i p p l ea n ds w i t c h i n gl o s s e so f p o w e rt r a n s i s t o r s f i n a l l gt h es p e e d i n gd r i v i n gs y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d c o m p u t e rs i m u l a t i o n h i 曲p e r f o r m a n c eh a r d w a r e 谢t had s p c o r ei su s e dt om a t c h r e q u i r e m e n t so fs o f t w a r ep r o g r a m m i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a tt h ec o r e l e s s d i s kt y p em o t o rd t cs y s t e mh a se x t r e m e l yf a s tt o r q u er e s p o n s ea n ds a t i s f 2 d n g d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n di t st o r q u er i p p l ei ns t e a d y - s t a t ei sm u c hs m a l l e rt h a n n o r m a ld t c s y s t e m k e yw o r d s ：c o r e l e s sd i s kt y p ep m s m ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，s p a c ev e c t o r m o d u l a t i o n ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茎或其他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。 学位论文作者签名：杀稻 签字日期： 乃，年1 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：杀稻 导师签名：弓秒 签字日期：力p 多年月驴日签字日期：砌， 月o r 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 以旋转电机、各种机电换能器为主要工作元件的机电装置在当今工业社会总 动力能源当中占有8 0 以上的份额“1 ，这些装置对工业生产起到了极其重要的作 用。作为机电能量转换装置当中最普遍也是最重要的一种，旋转电机自其问世以 来就一直是工程技术人员研究的热点。由于材料加工技术和制造工艺的限制，旋 转电机最初应用于工业领域的时候，采用的是径向双边绕组结构，也就是说采用 专门的励磁绕组进行电励磁。后来由于高性能稀土永磁材料的问世以及电力电子 技术的飞速发展，自二十世纪七十年代以来，永磁电机开始成为电机研究发展的 新方向。相比于传统的电励磁电机，永磁电机具有结构简单、外形和尺寸设计灵 活、高效且运行可靠等显著优点。因此在解决了永磁体的价格问题以后，以永磁 同步电机、无刷直流电机为代表，各种各样的永磁电机竞相涌现，这其中也包括 了盘式永磁电机。 1 1 盘式永磁电机发展综述 盘式电机的出现最早可以追溯到1 8 2 1 年，由法拉第发明的世界上第一台电 机就是这种电机。当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石( f e 3 0 4 ) ，磁能密度很低， 导致电机体积庞大；另外由于制造工艺水平的落后，那时候也无法制作出适用于 实际工业生产的电枢绕组，因此盘式永磁电机未能获得进一步的发展，取而代之 的，是电励磁的圆柱式径向磁通电机。径向磁通电机相对来讲制作安装较为简单 方便，运行可靠，自出现以后就成为工业领域的主流电机。而盘式电机则转变为 特种电机，只有在对电机外形有一定要求的特殊场合才会使用。 但是传统的径向磁通电机也存在很多问题。首先，由于定、转子齿槽会引起 “瓶颈”现象，导致了电机冷却困难、铁心利用率低；另外，径向磁通电机效率 不高、转动惯量大、响应速度也比较慢；由于存在齿槽效应，当电机运行时电磁 转矩会存在脉动。传统电机的这些缺陷迫使工程人员不断探索新方法、新技术以 及新型的电机，于是从二十世纪4 0 年代起，盘式电机又重新引起了人们的重视。 尤其是近年以来，新型高性能稀土永磁材料的发展以及制作工艺的进步，解决了 盘式电机铁心加工困难和定、转子存在轴向磁吸力等长期困扰盘式电机发展的问 题，从此盘式电机的研究进入了新的时期。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 首先是盘式直流电机7 0 年代初期获得了广泛的应用，由于它特殊的外形设 计，人们在电车、电动自行车、水泵、吊扇和家用电器等场合开始大量使用这类 电机。接着人们开始注意到这种圆盘式轴向磁场结构表现出的优越性，考虑到当 时异步电机在电力驱动领域的主导地位，包括英国美国在内的众多工业大国竞相 研制盘式异步电机。由于永磁同步电机当时已经表现出极大的发展潜力，因此从 二十世纪7 0 年代末期开始，对于盘式电机的研究主要集中在盘式永磁电机方面。 在随后的十多年时间里，对于这种电机的研究从对其特性的探讨，到制造方法和 可行性的研究，再到制作样机并导出电机的稳态、瞬态参数和特性方程，研究内 容在不断深入。同时这些研究的方向也在不断的扩展，各种各样的盘式永磁电机 纷纷涌现。这些研究进展主要表现在以下方面： ( 1 ) 结构形式趋向于合理化多样化 盘式永磁电机的结构由最初的单定子单转子结构演变为双转子夹中间定子 形式，然后向双定子夹中间转子形式转化，现在正朝着多定子多转子交错结构方 向发展。中间转子结构可使电机获得最小的转动惯量和最优的散热条件；而多气 隙组合式结构可提高电机的转矩重量比，使其能满足大转矩直接驱动的需要。 ( 2 ) 制造工艺越来越先进 对于双定子中间转子结构，最初定子齿部由铁粉和合成树脂压制而成，或者 由硅钢片叠成小齿固定于两端盘之间构成。另一种加工方法是，先将硅钢片卷绕 成饼状，然后在上面铣或钻槽。这些方法复杂、繁琐，而且铁心损耗很大。1 9 8 3 年，瑞士和澳大利亚先后研制出盘式电机定转子铁心加工专用冲卷床，使铁心的 冲槽和卷绕一次成形，从而解决了盘式交流电机生产技术的关键。现在盘式永磁 同步电机定子铁心由双面绝缘的附有粘合剂的硅钢片带料在电脑控制的专用冲 卷机上一次加工成形。这种工艺方法既可提高硅钢片的利用率，又可降低电机的 损耗。 ( 3 ) 电磁场分析计算方法的不断优化 由于盘式永磁同步电机结构特殊，其磁场为三维分布，加上永磁材料、导磁 材料和定子开槽的影响，要准确分析这种电机的磁场比较困难。联邦德国的 h w e b 教授首先将这种电机的磁场简化为各向异性的线性三维平面场，提出了 解析计算法。美国的j d a n g c l o 利用三维有限元对盘式永磁直流电机进行了分 析。罗马尼亚的r m a g u r c a n u 利用三维边界元计算了盘式永磁无刷直流电机的 磁场分布和参数。联邦德国的g h e n n e b e r g e r 采用三维有限元方法，考虑对称 条件，使用1 3 7 0 0 0 个节点，对1 5 k w ，8 极2 4 槽电机进行了计算。美国的 r k r i s h n a n 也曾提出过计算盘式永磁电机磁场的三维有限元方法。 ( 4 ) 控制方法 天津大学硕士学位论文第一章绪论 随着电力电子学和矢量控制理论的发展，盘式永磁同步电机的控制方法也在 不断完善。通过微处理控制器和大功率晶体管p w m 逆变器供电，盘式永磁电机 的电压和电流既可设计为正弦波，也可以设计为梯形波。对于梯形波电流供电， 只需简单的转子位置传感器，控制简单，但电机谐波转矩大。这种电机通常称为 盘式永磁无刷直流电机，如罗马尼亚生产的s f p 系列。对于正弦波电流供电， 虽然需要精确复杂的位置传感器，但性能大为提高，这就是盘式永磁同步电机。 如瑞士i n f r a n o r 公司生产的s e 系列。通过采用矢量控制和p w m 逆变器供 电，这种电机谐波转矩小，运行平稳，动态性能好，具有广阔的发展前景。 目前，我国对盘式永磁电机的研究尚处于起步阶段，国外对这类电机的研究 已远远走在我们前面。为发展我国新一代高性能电机及伺服系统，研究盘式永磁 电机的工作已经势在必行。 1 2 本课题研究的目的及意义 如前所述，盘式电动机具有轴向尺寸短、结构紧凑、重量轻、体积小、功率 密度高等优点，而且其运行时候的动态性能良好，因此在很多特殊的应用场合具 有明显的优越性哪一嘲，是理想的机电一体化组件。本课题研究的目的，就是要通 过分析盘式无铁心永磁电机的结构和性能特点，建立简单而不失准确性的电机数 学模型；在这一模型的基础上，考虑到盘式电机自身优良的动态特性，结合直接 转矩控制方法具有转矩响应快速准确的特点，设计出一套以d s p 为核心的盘式无 铁心电机直接转矩控制数字调速系统，使其具有优良的动静态性能。 为了发展我国新一代高性能伺服电机及伺服系统，改变高性能伺服电机长期 依赖进口的局面，把盘式永磁同步电动机产品化，已成为我国电机行业一项十分 紧迫而艰巨的任务。本课题的研究是对盘式永磁电机驱动系统设计的有益探索， 其研究成果将有助于促进盘式永磁同步电动机的产品化，有助于推动我国电机行 业的发展。 我国的稀土资源丰富，稀土矿的储藏量占全世界总量的8 0 左右，稀土矿石 和稀土永磁的产量都居世界前列。目前，我国对稀土永磁材料和绝大多数稀土永 磁电机的科研水平都达到了国际先进水平，但是对于盘式永磁电机的研究却远远 落后于国际领先水平。因此，对于盘式永磁电机的研究，包括对电机本体设计和 驱动系统设计的研究，对于充分发挥我国稀土资源丰富的优势，对于我们研究和 推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对于我国电机制造和电力拖动 行业的发展，都具有重要的理论意义和实用价值。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本课题研究的内容 本课题的主要研究内容，是盘式无铁心永磁电机的直接转矩控制调速系统设 计。为了完成这一任务，必须完成以下一些方面的工作：首先是全面深入地了解 盘式无铁心永磁电机基本结构、磁场分布和磁路特点等内容，并在此基础上建立 电机数学模型。注意突出其和一般永磁同步电机数学模型的不同之处；然后是对 交流调速方法，尤其是对直接转矩控制方法的研究。注意直接转矩控制应用于永 磁同步电机和应用于异步电机时是不同的；最后是对数字化电机控制系统的学 习，这里面要注意对控制过程的离散化处理和一些常用的控制功能模块的编程实 现，如3 2 坐标变换模块、p i 调节模块等等。 本次论文研究的工作安排如下： ( 1 ) 分析盘式无铁心电机的结构和磁路，建立电机数学模型。 ( 2 ) 研究和学习直接转矩控制方法，设计出盘式无铁心电机直接转矩控制 系统。 ( 3 ) 学习掌握数字控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的结构和功能，设计出以d s p 为核心的控制系统组成的硬件部分；实现整个控制软件的d s p 汇编语言编程。 ( 4 ) 对仿真和实验结果进行分析研究，评估盘式无铁心永磁电机直接转矩 控制系统的控制效果。 天津大学硕士学位论文第二章盘式无铁心永磁同步电机的结构及数学模型 第二章盘式无铁心永磁同步电机的结构及数学模型 2 1 盘式无铁心电机的结构分析 盘式永磁同步电机又称为轴向气隙磁场永磁同步电机，其气隙磁场沿电机转 子的轴向分布。一般的盘式永磁电机，其定、转子均为圆盘形，在电机中对等放 置以产生轴向气隙磁场，如图2 1 所示。其电枢绕组安放在定子铁心上，定子铁 心一般由双面绝缘的冷轧硅钢片带料冲制卷绕而成，定子绕组有效导体在空间呈 径向分布。转子为高磁能积的永磁体和强化纤维树脂灌封而成的薄圆盘。盘式定 子铁心的加工是这种电机的制造关键。近年来，采用钢带卷绕的冲卷机床来制造 盘式永磁电机铁心既节省材料，又简化工艺，极大的促进了盘式永磁电机迅速发 展。 图2 - 1 盘式永磁司步电机结构示意图 如前所述，目前所研究的盘式永磁电机的电枢绕组大都包含有铁心，但事实 上铁心的存在往往会导致很多问题，比如：电机质量因为存在铁心而居高不下， 铁心重量约占电机总质量的6 0 左右，而且体积庞大；铁心的存在会引起涡流损 耗和磁滞损耗，这些损耗占电机总损耗的2 0 以上，降低了电机的效率；电机定 子铁心在气隙磁场高次谐波所产生的电磁力波作用下，将会产生周期性的弯曲振 动从而产生电磁噪声，由于其频率处于人耳的听觉高灵敏度区域，即使振动幅度 不大，也会引起强烈的噪声感觉m ；另外，对于将电枢绕组嵌放在铁心槽内的有 齿槽电机来说，在电机运行时，齿槽效应将使电机的转矩产生脉动，降低了电机 7 天律大学硕士学位论文第二章盘式无铁心永磁同步电机的结构及数学模型 稳态运行时的功效。 针对上述缺点，人们开始考虑设计无铁心电机。随着高能积永磁体( 例如 n d f e b ) 的出现，较小体积的永磁材料可以为有着较大气隙的电机提供相当高的 气隙磁场，这为无铁心电机的设计提供了条件。基于这样的背景，无铁心结构的 盘式永磁电机开始成为盘式电机研究的新热点。 本课题研究所采用的样机，是双气隙单定子结构的盘式无铁心永磁同步电动 机，将电枢绕组安放在两块磁钢之间形成双气隙结构。如图2 - 2 所示。 图2 2 盘式无铁心永磁同步电机 这种结构的盘式电机具有很多优点，最主要的是它克服了单转子、单定子结 构盘式电机具有较大的单边磁拉力的缺陷。由于永磁体结构的轴向不对称，单转 子、单定子结构盘式电机的定子和转子之间存在着单边磁拉力，这种磁拉力很大， 对电机轴承损害较大，而且会造成电枢变形而影响电机的性能。双气隙结构的盘 式电机双边的磁拉力相互抵消，因此不存在这一问题。另外，双气隙结构气隙长 度较大，相比于一个较大的单气隙来讲，漏磁通也会比较小。 该样机由电机外壳和直接粘接于外壳的双侧磁钢构成转子，定予电枢绕组放 置在两块磁钢中间，与之形成双气隙结构。只要定予设计合理，制造精确，运行 时作用在两侧转子磁钢上的磁拉力便可以相互平衡，使轴承不受轴向力，延长电 机的使用寿命。磁钢直接粘结到电机外壳上，这样永磁体和外壳之间没有相对运 动，有效的减少了电机的涡流损耗。电枢绕组采用无槽、无铁心结构，由绕组注 塑而成，可以减少由齿槽效应引起的电磁转矩脉动以及由铁心带来的诸多弊端。 而且，采用无铁心绕组的永磁同步电机在运行时不存在磁路饱和问题，绕组电感 基本保持不变，定子绕组的磁通与定子电流成线性关系变化。另外，在一般结构 永磁同步电动机的运行过程中，由于温度、电枢反应等影响使得永磁体的工作点 在电机运行过程中是变化的，也就是说永磁体向外界提供的磁通在电机运行的过 程中是变化的，这一特性将直接影响到电机控制的性能。而对于无铁心永磁同步 天津大学硕士学位论文第二章盘式无铁心永磁同步电机的结构及数学模型 电动机来说，因为其气隙可以设计得较大，从理论上讲只要参数设计合理，则电 枢反应的影响可以忽略，所以无铁心永磁电机中永磁体工作点在电机运行过程中 变化很小。从控制的角度来说，盘式无铁心电机的这些特点改善了电机控制的效 果，使得控制更为精确可靠，而且提高了控制系统的动、静态性能。 经过分析，这种采用双边永磁体、双气隙结构的无铁心电机，气隙磁密比单 边永磁体结构约高出1 0 左右，而且极面下的磁密分布也更加均匀，并可以更 充分的利用永磁材料，这有利于提高电机性能、降低成本和缩小体积。转子旋转 时兼有风扇的作用，这有利于电机的散热。 2 2 盘式无铁心永磁同步电机的气隙磁密计算和数学模型 2 2 1 盘式无铁心永磁同步电机的磁钢结构 根据盘式无铁心永磁电机的结构，实验样机的磁钢必须能够提供足够强度的 轴向正弦波磁场。为实现这二目标，在所选择的永磁材料一定的情况下，就只能 通过选择不同的磁钢结构和排列方式来增加气隙磁通密度并保证所需要的正弦 波形了。磁钢结构和排列方式种类很多，本课题样机采用的是h a l b a c h 型永磁体 阵列。 ( c 】 ( a ) 径向结构( b ) 切向结构( c ) h a i b a c h 阵列 图2 3 传统结构及h a l b a e h 阵列对比 h a l b a c h 型永磁体阵列的基本结构如图2 3 ( c ) 所示，传统设计中永磁体的 排列方式多采用径向或切向结构，如图2 3 ( a ) 、( b ) ，h a l b a c h 型永磁体阵列将 径向和切向阵列结合在一起，合成后的结构使得一侧磁场增强，一侧磁场减弱。 天津大学硕士学位论文第二章盘式无铁心永磁同步电机的结构及数学模型 应用h m b a c h 型永磁体阵列，可以很容易的得到在空间按较理想的正弦分布的磁 场。即使采用每极较少的永磁体段数，也可以很容易地得到和理想h m b a c h 型永 磁体阵列类似的磁场分布。因此只需采用较少段数的h m b a c h 型阵列再配合以简 单的绕组结构，就可以得到理想的正弦分布的磁场，降低了电机制造的成本。 另外，h m b a c h 型永磁体阵列还具有一大特点：阵列的一侧磁场很强，另一侧很 弱。这一特性有助于提高电机气隙中的磁密，对于提高电机的力能密度和缩小电 机体积都十分有利。而且这一特性还在很大程度上减弱了电机轭部的磁通，也就 是说该阵列具有磁自屏蔽特性，可以大大减小电机本体的漏磁现象，减少电机对 外部环境的电磁干扰。另一方面，较小的漏磁对轭部铁心的质量要求也较少，有 助于降低成本，减小电机转子的质量和转动惯量，提高了电机的动态特性。 2 2 2 盘式无铁心永磁同步电机主磁路分析 电机是以电磁感应原理为基础来实现机电能量转换的。严格来说电磁场应该 是电场和磁场的综合，但是在电流频率不高，可动部件的运动速度大大低于光速 的情况下，电磁辐射可以略去不计，因此可以把电场和磁场分开处理。绝大多数 电机以磁场作为耦合场，所以磁场的强弱程度和分布状况不仅关系到电机的参数 和性能，而且还将决定电机的体积和重量，磁场分析和计算对于认识和掌握电机 来说是非常重要的。然而电机的结构形状比较复杂，又有铁磁材料与气隙并存， 很难用麦克斯韦方程直接解析求解，在实际工作中，常把磁场问题简化成磁路问 题来处理。从工程观点来说，准确度已经足够m 。 盘式永磁同步电机的电磁场分布比较复杂，为轴向磁通、呈三维分布。为此 我们从普通的n 、s 交替排列的普通轴向充磁磁钢结构入手，对盘式无铁心永磁 电机的主磁路进行分析，通过磁路分析总结其磁场规律，可以为分析其磁场奠定 基础。电机的主磁路如图2 - 4 所示：主磁通从一个极出发，轴向穿过气隙和与之 相对的另一极，沿圆周经过转子轭，再穿过相邻的磁极和轴向气隙，最后沿转子 轭部闭合。 端 磁 天津大学硕士学位论文第二章盘式无铁心永磁同步电机的结构及数学模型 i+ 每一 硝一 卜+l k z 撕 图2 - 4 盘式无铁心永磁同步电机主磁路示意图 在盘式无铁心永磁电机中，各部分磁密分布是不均匀的，不同半径处的磁路 长度也不相同，磁路尺寸随直径而变化，尤其是主磁通在磁轭中的分布情况也比 较特殊，这都导致磁路计算的复杂性。 对于本文提出的盘式无铁心永磁同步电机( 图2 - 2 所示) ，该电机的主磁路 从一个极出发，轴向穿过气隙、定子绕组，再穿过轴向气隙和相邻的另一磁极， 最后沿转子轭部闭合。电流径向流动的导体在轴向磁场的作用下产生切向的电磁 力。于是电机气隙中产生旋转磁场，带动转子转动，电机得以运行。由于电枢无 槽无铁心，直接由绕组注塑而成，可以在进行磁路或磁场分析时，将其磁性能视 为与空气相同，即本电机的气隙长度较长，外加无铁心结构，使得主磁路一般不 饱和，磁轭中的磁位差可以忽略，同时也可以忽略电枢反映。对于其磁路尺寸随 直径而变化的问题，在磁路分析中，最常用的方法是取平均直径处的磁路作为主 磁路进行分析。 图2 - 5 描述了采用平均直径法计算的主磁路。主磁路同时经由两条磁路而闭 合，一条磁路在极中心处的径向截面处，经由气隙、磁轭和端盖闭合，为径向磁 路，如图2 5 ( a ) 所示；另一条在平均直径处的周向截面处，从一侧永磁体的n 极出发，经过气隙及与之相对的永磁体s 极、磁轭、另一侧永磁体的n 极，最 后再经气隙到达一侧永磁体的s 极、穿过磁轭，返回一侧永磁体的n 极，为周 向磁路，见图2 5 ( b ) 。 盖 ( a ) 径向截面( b ) 周向截面 图2 - 5 盘式电机径向，周向截面 根据以上的电机磁路模型，对采用普通轴向充磁磁钢的盘式无铁心永磁电 机，可以得出 天律大学硕士学位论文第二章盘式无铁心永磁同步电机的结构及数学模型 日d 艿m - 2 日。k ( 2 1 ) 其中，占电机气隙计算总长度，在数值上等于电机双侧气隙长度与电枢 厚度之和； 电机永磁体磁化方向长度，即永磁体的厚度。 由磁通连续性原理，有 2ambm=o如b6(2-2) 式中，盯漏磁系数，定义为总磁通与气隙主磁通之比值； 以永磁体提供的每极磁通面积； 以每极气隙的有效面积。 若电机的极对数为p ，永磁体的内、外径分别为d m ；和d 。，极弧系数和计 算极弧系数分别为口。和q ，则有 = 击膨，慨一瑶) ( 2 _ 3 ) 以= 圭，吠，q ( d ：。一d 二) ( 2 - 4 ) 其中，墨，为气隙磁密分布系数，定义为气隙磁密沿圆周分布曲线所对应的 幅值随半径变化曲线的平均值与最大值之比，它同时考虑了气隙磁密的三维分 布、边缘效应和电枢绕组端部伸长对气隙磁密幅值的影响，真实的反映了气隙磁 密的三维分布情况。对于本文采用的以平均半径处的气隙磁密代替实际气隙磁密 的磁路计算方法，需要引入气隙磁密分布系数足，以保证每极的磁通量保持不 变。气隙磁密分布系数是一个经验常数，其值小于l ，一般在o 8 5 , 4 ) 9 8 范围内。 对于永磁体，其回复线可表示为 b m = 一p r a q h m + br t 2 s ) 对于盘式永磁同步电机，一般来说，在磁路计算中，可取计算极弧系数等于 极弧系数，即 口，= 口f 由( 2 1 ) 一( 2 5 ) ，可以计算出 易2 疆i 2 b 磊 沼6 ) 采用磁路计算的方法，可以近似的认为k ，值为1 。加上前面的结论，对于 钕铁硼这种退磁曲线可以近似线性化处理的永磁材料，气隙磁通密度b 。可以近 天律大学硕士学位论文第二章盘式无铁心永磁同步电机的结构及数学模型 似表示为 耻i ( 2 7 ) 通过把磁场问题简化成磁路问题来加以近似计算处理，可以看出，在选定钕 铁硼作为磁极的永磁材料之后，盘式无铁心永磁同步电机的气隙磁密与电机的漏 磁系数、气隙长度与磁钢厚度的比值密切相关。本次调速系统设计所采用的实验 样机，在其结构设计分析过程中着重对以上二者进行了反复讨论，最终使样机气 隙磁密值达到其可能达到的最大值。 2 2 3 盘式无铁心永磁同步电机的基本电磁关系 在获得了电机的气隙磁通分布之后，可以进一步推导出其主要电磁关系表达 式。图2 - 6 为简化了的盘式无铁心永磁同步电机的样机截面图以及普通n 、s 极 交替排列的轴向充磁磁钢示意图，电机整体为双边永磁体、双气隙结构。为了获 得较大的每极磁通量，磁极形状一般采用扇形或梯形。以钕铁硼永磁材料粘结而 成。 其中，瓯为单侧空气隙长度，为电枢绕组轴向长度，h 。为单边永磁体磁 化方向厚度，磁钢呈圆环状，d 。、d 。，分别为磁钢的外径和内径。而作为轴向 磁场电机，其最主要的尺寸是永磁体外径、内径之间的比例关系。 ( a ) 电机截面及主要尺寸示意图( b ) 普通结构磁钢示意图 图2 - 6 盘式无铁心永磁同步电机截面及磁钢截面图 理想情况下轴向磁场无铁心盘式永磁同步电机的气隙磁场应该是正弦分布 的，故其气隙的磁通可记为 办= 叽s i n ( a t ) ( 2 8 ) 天津大学硕士学位论文第二章盘式无铁心永磁同步电机的结构及数学模型 则每相的电动势为 勺= 1 屯。d 哆磊= 2 巧k 。fc o s ( c 0 t ) ( 2 9 ) 其中，1 每相匝数5 k 。定子绕组系数。 故每相电动势的有效值为 e f = 万2 v l 吒1 西f ( 2 - 1 0 ) 其中，m ，为电机每极的气隙磁通之有效值，在磁路计算中，如前文所述， 其磁路尺寸随直径的变化而变化，故可取平均直径处的磁路进行计算，即 卟q 睁= 螽q 岛晚一现) 式中，口。为计算极弧系数，它定义为计算极弧宽度岛与极距f 的比值；其另 一个含义为气隙的平均磁通密度占。与最大磁通密度以的比值。即 口。；生：生( 2 - 1 2 2 )口t = = 2) f b 5 对于双侧气隙、轴向磁场的盘式无铁心永磁同步电机，其每相输出功率为 p 硎= u i l l r l c o s e f = u 其中，以定子绕组相电压； 定子绕组额定相电流； 玎电机效率； c o s 妒功率因数； 电势系数，一般为o 8 5 , - - 0 9 5 ； 根据式( 2 1 0 ) 一( 2 1 4 ) ，整理可得 p ：鱼塑华磐竖业抑。妒 斗厩、 在平均直径处，考虑平均直径处电动机的线负荷 厶2 翮2 n l i , l 2 j ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 5 ) ，可以得到其输出功率为 = 岛晚一瑶眈+ 巩，) 厂 ( 2 1 6 ) 其中 屯= 盟簧6 型以 1 玩 “ 天津大学硕士学位论文第三章盘式无铁心永磁同步电机的直接转矩控制 第三章盘式无铁心永磁同步电机的直接转矩控制 根据电机的机械运动方程，电机转速的变化和电磁转矩、负载转矩及电机本 身的飞轮力矩有关m 。因此，从电机设计的角度讲，减少飞轮力矩有助于迅速响 应转矩的变化，实现对电机转速的快速调节。根据前一章对盘式无铁心电机结构 及特性的描述可知，它具有转动惯量小，机电时间常数小的特点，因此相比于等 效的传统径向磁场电机，盘式无铁心电机具有更快的转矩响应，调速性能优良。 另一方面，从电机控制的角度来看，通过迅速、准确的控制电机的电磁转矩 也可以实现理想的电机调速，对转速的调节实质上是对转矩的调节。电机调速系 统根据电机种类不同可以分为直流调速和交流调速。直流调速因为控制简单和良 好的转矩控制特性，其调速效果在相当长的时期内一直优于交流调速。但是1 9 世纪6 0 年代以后，特别是7 0 年代以来，随着电力电子技术和控制技术的飞速发 展，交流调速理论( 尤其是变频调速理论) 获得了突破性进展。致使交流调速性 能能够和直流调速相媲美、相竞争。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的 时代。 直接转矩控制技术( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 就是在8 0 年代中期提出的一种 先进的交流控制技术。其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢 量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型p w m 逆变器的 开关状态直接控制转矩。控制结构简单，便于实现全数字化，它最大的优点就是 转矩响应非常快。目前这一方法应用于异步电机调速已经开发出了工业化产品 ( 如a b b 公司的a c s 6 0 0 型逆变器) ，而在永磁同步电机应用方面还处于理论研 究阶段。 考虑到盘式无铁心电机和直接转矩控制快速的转矩响应特性，我们希望能够 设计出盘式无铁心永磁电机的直接转矩控制调速系统，将二者的优点结合起来， 实现转矩响应速度地大幅度提高。 3 1 交流调速系统发展概述 如前所述，按照控制对象的类型来区分，电机调速系统可以分为直流调速系 统和交流调速系统。由于直流电机比交流电机具有更好的控制性能，在2 0 世纪 的大部分年代里，直流调速一直占据着电气传动的主导领域“”“4 。这是因为， 天津大学硕士学位论文第三章盘式无铁心永磁同步电机的直接转矩控制 根据直流电机的电磁转矩表达式： c = 以妃 ( 3 1 ) 其中置，为电机的转矩常数，由电机结构决定；为励磁磁通，单位为w b ； l 为电枢电流，单位是a 。可以看出上式中两个可控参量矿和j 。是互相独立的， 可以非常方便的加以调节，这种机理使得直流电动机具有良好的转矩控制特性， 所以直流调速系统控制简单，调速性能好。相比之下交流电机虽然结构简单，但 它是一个非线性、强耦合、多变量的控制对象，调速控制复杂，实现高精度控制 较为困难，这主要表现在以下三个方面： ( 1 ) 交流电机转矩控制困难 交流电机是一个多输入多输出( m i m o ) 、非线性、强耦合且时变的被控对 象。对象的复杂性直接带来了转矩控制的困难，这可以从异步电机的转矩公式中 看到。异步电机的转矩公式如下： = k 。九j ，o a o $ 以 ( 3 2 ) 式中，置。转矩系数； 妒。气隙磁通； 只转子的功率因数角； t a n 啡= 睹，r , ，其中石，和胄，分别是转子绕组的感抗和电阻； s 转差率，s = ( 吃一n ) n , ，其中一为电机的同步转速，以为电机的实 际转速。 转矩控制的困难体现在以下几点： 1 九是由定子电流和转子电流共同产生的； 2 。和，是两个相互耦合的变量，且，对于一般的鼠笼型异步电机是无法 测量的，更无法直接控制； 3 以是与转速相关的时变量( 与s 有关) ，且当电机运行时转子电阻r ，随 温度变化而变化，也随之变化； 除此以外，式( 3 2 ) 是由异步电机稳态的等值电路推导出来，式中的z 只 是平均转矩的概念。对平均转矩的控制已经十分困难，更何况瞬时转矩。 ( 2 ) 调速装置中器件的发展阶段限制 调速装置中两大组成部件是变频器和控制器。变频器中的主要部件是大功率 电力电子器件，在近五十年来功率电子器件更新换代达五代之多，以适应高质量 变频调速的需要。控制器中的主要部件是微处理器，在近二十年来其速度提高了 数倍，以适应复杂交流调速算法的需要。但是这些器件相关的发展成果也是经过 相当长的时间才取得，在此之前交流调速困难重重。 ( 3 ) 调速系统精度和成本的限制 天津大学硕士学位论文第三章盘式无铁心永磁同步电机的直接转矩控制 针对如此复杂的控制对象，新的控制方法，新的器件构成的新的调速系统， 很难一步达到已经成熟的直流调速系统所具有的精度，因而需要反复的大量的研 制工作，并接受各种长期的、各种工况的考验。这其中不仅需要大量的时间，而 且需要大量的资金，这在很大程度上限制了交流调速的发展。 鉴于上述原因，交流调速的应用和发展在电气传动开始阶段表现得非常缓 慢，而直流调速在电气传动领域的统治地位持续了近一百年的时间。这种状况一 直持续至l j 2 0 世纪7 0 年代，得益于众多工程技术和理论的研究成果，交流电机终于 有机会打破原来的格局，并且表现出取代直流电机电气传动领域统治地位的趋 势。这些研究成果主要包括以下一些方面： ( 1 ) 电力电子技术的突破 电力电子技术的开端可以定位在2 0 世纪5 0 年代末期，第一个晶闸管就诞生于 那个年代。近几十年来这一技术经历了飞速发展的过程：从半控器件到全控器件； 从电流控制到电压控制；开关频率从低频到高频；从单个器件到模块化、集成化， 从小公率到大功率，功率器件也先后经历了s c r ，g t o ，g t r ，m o s f e t ，i g b t ， 口m 等许多种类，每一种新的功率器件的出现都推动着新一代功率变换装置的诞 生，使变频器的性能、价格、体积逐渐优化。 ( 2 ) 微机及数字信号处理技术的发展 控制器中起决定作用的是微处理器。为了实现新型的较复杂的控制策略，处 理器的运算速度和存储容量是关键。中央处理单元c p u 迅速发展：从8 位到1 6 位， 从1 6 位到3 2 位；指令执行时间从微秒级提高到纳秒级。从7 0 年代到9 0 年代，i n t o r 公司的m c s 系列单片机的运算速度在十年内提高了2 0 倍；t i 公司的t m s 3 2 0 系列 数字信号处理器( d s p ) 的运算速度在六年内提高了5 倍。最新的高级专用集成 电路，竟然能包含一个特定的控制系统。由此而来的新一代控制器推动着交流调 速系统向着更高更成熟的方向迅速发展。 ( 3 ) 现代控制理论的应用及交流调速原理的发展和成熟 在调速系统硬件日新月异飞速发展的同时，交流电动机控制技术也取得了突 破性进展。由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，因此对它的转矩控 制比直流电动机要困难得多。针对这一问题，在2 0 世纪7 0 年代初期，美国和德国 的学者各自提出了矢量控制( v e c t o rc o n t r 0 1 ) 技术，又称为磁场定向控制( f i e l d o r i e n t e dc o n t r 0 1 ) ，从而在理论上解决了交流电动机的转矩控制问题。矢量控制 的基本思想，是应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定 向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对 交流电机的磁链和电流分别控制的目的。这样就可以将一台三相异步电动机等效 为直流电动机来控制，因而获得了与直流调速系统同样优良的静、动态性能，开 天津大学硕士学位论文第三章盘式无铁心永磁同步电机的直接转矩控制 创了交流调速与直流调速相竞争的时代。 8 0 年代初，欧美学者开始重视变结构控制的研究。变结构控制是一种综合方 法，它在系统状态达到相空间的切换平面时切换控制，使切换面成为相空间中的 一个吸引子，强迫系统在切换面上做滑动模态运动。该方法对摄动和干扰具有一 定的鲁棒性。 8 0 年代德国和日本的学者分别提出了直接转矩控制技术，该方法用空间矢量 的分析方法，直接在定子坐标系下进行交流电机的转矩计算和控制，采用定子磁 场定向，借助于离散的两点式调节( b a n d b a n d 控制) 产生p w m 信号，直接对逆 变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。与矢量控制不同，直 接转矩控制省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理。它的控制思想 新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，目前正受到各 国学者的重视。 另外要指出的是，近年来智能控制的多种控制策略，如自适应控制、模糊控 制、神经元与神经网络控制、模糊神经网络控制等，也被引入交流调速系统中。 从矢量控制的转子磁链观测模型、铁损补偿，到直接转矩控制的定子磁链观测模 型，到变结构控制的削弱抖振现象，都在尝试引进智能控制技术，以改进其他控 制方法的不足，达到更好的控制效果。 总之，从7 0 年代至今，在交流调速领域己经有多项技术发展到成熟阶段， 甚至是实用化阶段。随着现代控制理论的发展，各种新的控制策略还在不断涌现， 这也为今后的发展展现出更为广阔的前景。可以预见，今后交流调速系统的可靠 性会越来越高，价格也会逐渐降低，最终取代直流调速。 3 2 交流电机的直接转矩控制 目前在学术界，一般认为直接转矩控制是由德国鲁尔大学的m d e p a n b r o c k 教授和日本的i t a k a h a s h i 于1 9 8 5 年首先分别提出的。对于磁链圆形的直接转矩控 制来说，其基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本 恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电机的瞬时输入电压来控制电机 定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输 出的目的。相比于矢量控制，直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制 电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒 性好等优点。图3 1 为典型的圆形磁链直接转矩控制系统结构图。 天津大学硕士学位论文第三章盘式无铁心永磁同步电机的直接转矩控制 图3 - 1d t c 系统结构框图 直接转矩控制最初提出是应用于异步电机，经过近二十年的发展，这一方法 被不断改进，它所存在的主要问题也已经被逐渐解决，在工业中的实际应用也已 经初见成效。现在，随着同步