（电力电子与电力传动专业论文）永磁无刷直流电机控制系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) w i t hp e r m a n e n t e x c i t a t i o n ，i n w h i c he l e c t r i c a l c o m m u t a t o ri su s e di n s t e a do fm e c h a n i c a lh a sn o to n l yt h es a m eg o o dc h a r a c t e r i s t i c so f s p e e dc o n t r o l a st r a d i t i o n a ld cm o t o r b u ta l s ot h eg o o dc h a r a c t e r i s t i c so fa cm o t o r b r n s h l e s sd cm o t o r sh a v ef o u n dw i d ea p p l i c a t i o nd u et ot h e i rh i g hp o w e r d e n s i t ya n d e a s e o fc o n t r o lm o r e o v e r ，t h em a c h i n e sh a v eh i g he f f i c i e n c yo v e rw i d e s p e e dr a n g er e c e n t l yi t h a sb e e nq u i c k l yd e v e l o p e d d u et op e r m a n e n tm a g n e tr o t o ra n di t si n h e r e n tr e s t r i c t i o nf o rf l u x w e a k e no p e r a t i o n ， i ti sd i f f i c u l to fb l d c mt oo p e r a t ea b o v et h eb a s es p e e d an o v e li d e a , w h o s ek e r n e li st h e i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h e o r y , i si n t r o d u c e df o rb l d c m f i e l d - w e a k e n i n gs c h e m e i n p r a c t i c e ，i n c r e a s i n gs h a saf i e l d w e a k e n i n ge f f e c ta n dr e s u l t si ni n c r e a s e dm o t o rs p e e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h eo v e r a l lo ft h i sm e t h o di st h ee n h a n c e m e n to f f i e l d w e a k e n i n gp e r f o r m a n c e o fd r i v ea n dar e d u c t i o ni n t o r q u er i p p l ec o m p a r e dt h e c o n v e n t i o n a lm e t h o d t h i sp a p e ri n t r o d u c e sac o n t r o ls y s t e mw h i c hu s e sad s pt oc o n t r o lt h ec o m m u t a t i o n a n ds p e e do fb l d c mt h eb a s i cs t r u c t u r e ，o p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o do ft h i s s y s t e m a r es e tf o r t hi nt h i s p a p e r t h et h o u g h t o fh a r d w a r e d e s i g n a n ds o f t w a r e p r o g r a m m i n gi si n t r o d u c e da sw e l l t h em o d u l a r i z e dd e s i g ni su s e di ns o f t w a r es y s t e mi t m a k e st h es y s t e me a s yt oi m p r o v ea n dd e b u gi na d d i t i o n ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ep r o b l e mo f e l e c t r om a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ( e m c ) f o r t h ec o n t r o ls y s t e m t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h ep r o p o s e ds p e e dc o n t r o ls o l u t i o nf o rb l d c m i sf e a s i b l ei th a se x c e l l e n to p e r a t i o np e r f o r m a n c ea sw e l la sh i g hr e l i a b i l i t y , d e b u g g i n g e a s i l y a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e ma l s oh a ss t r o n ge x p a n s i b i l i t y , p o r t a b i l i t ya n dh i g hu s e v a l u e k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r , d s p , p w mi n v e r t e l i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h e o r y , f i e l d w e a k e n i n g ，e m c 独创性声明 本人声明所里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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蠢沂女孳 日期：7 种￥年f 月f o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：乏沂挥 日期：仉加仁年r 月f 。日 指导教师签名，骛k z 铤 日期：d 侔厂月f 0 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 无刷直流电机的特点 无刷直流电机是一种永磁同步电动机，是近年来随着电子技术的迅速发展而发展 起来的一种新型电机。其最大特点是没有换向器( 整流子) 和电刷组成的机械接触结 构。，它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗；发热的电枢绕组又通常装在外面的 定子上，这样热阻较小，散热容易。因此，无刷直流电机没有换向火花，不产生无线 电干扰，寿命长，运行可靠，维护简便。 1 9 世纪2 0 年代，人类发明了第一台电机，是一台永久磁铁励磁的发电机。这一电 机的出现，意味着一个新时代的开始，人类开始步入了电气化时代。但是由于当时的 永磁材料磁能积很低，导致电机体积庞大，所以不久就被电流励磁电机所取代。一直 到2 0 世纪6 0 年代以后，出现了稀土衫钻永磁材料，具有高剩磁、高矫顽力和高磁能积， 制成电机后具有高效节能的优越性能。1 9 8 3 年以前，由于稀土永磁体价格昂贵，研究 开发重点是军工领域等要求商性能而价格不是主要因素的高科技领域。1 9 8 3 年，性能 优异而价格相对低廉的钕铁硼永磁体问世，研究开发重点转移到工业和民用电机上。 稀土永磁的回复线与去磁曲线基本重合，因此特别适合制造永磁电机。稀土永磁 电动机具有效率高、功率因数高、体积小和惯性低等明显优点，日益引起人们的重视。 无刷直流电机( b l d c m ) 是一种自控式变频调速的同步电机控制系统。自控变频 同步电机按变频装覆的分类常分直流式和交流式两类。前者由交一直一交变频器供 电，后者由交一交变频器供电。大功率同步电机均采用与晶闸管交一交变频器或交一 直一交变频器组合构成自控频率同步电机。中小功率同步电机大多采用与晶体管交一 直一交变频器构成自控式变频同步电机。 由于采用电力电子器取代代替机械换向器，b l d c m 与d c m 相比，克服了它的三大 致命缺点：电刷火花、转速低及功率体积比不高。 b l d c m 与感应电动机( i m ) 相比，具有更大的单位能量容量、更高的效率和更好 的控制性能。由于没有笼型转子，所以具有较低的惯性，更快的响应，更高的转矩 惯性比。由于没有转子损耗，也无需定子励磁电流分量，所以具有较高的效率和功率 密度。对于同等容量输出，i f 需要更大功率的整流器和逆变器。由于没有转子发热， 华中科技大学硕士学位论文 也无需考虑转子冷却闯题。尽管i m 系统应用较为普遍和成熟，但由子其非线性本质， 控制系统极为复杂。永磁同步电动机把交流电动机复杂的磁场定向控制转化为转子位 置定向控制，而b l d c m 则进一步将其简化成为离散六状态的转子位置控制，也无需坐 标变换。 与p m s m 相比，b l d c m 也具有明显的优势。由于采用方波电流供电，可以提供更高 的转距重量比，相同条件下输出转距大1 5 9 6 。在电机中产生梯形波的磁场分布和梯形 波的感应电势，要比产生正弦波的磁场分布和正弦变化的电势简单。 p m s m 在幽轴坐标中的转矩为： 正= 1 5 p 吩o + ( l l q ) i a i q 其中，p 为磁极对数，竹为磁链幅值和为定子电流在由轴上的分量，l d 和l 。为相对于转子d 轴和q 轴的定子相电感。 而b l d c m 的转矩为： t 。= k z l t 其中，巧为正比于磁链值的电机常数，一为电流幅值。 由此可见，b l d c m 的转矩控制比p m s m 简单得多。b l d c m 电磁转矩与相电流幅值之 间的线性关系与直流电机相同，使具有交流电机结构优点的b l d c m 同时具有象直流电 机一样简单的线性转矩特性，这才是它被称为无刷“直流”电机的原因。若仅仅依据 没有电刷，定子电流根据转子位置通断或调速特性与直流电机相似就称为无刷直流电 机，那将把一些本质各不相同的电机包括进来，容易在概念上造成混淆。 1 2 无刷直流电机的应用与发展动向 由于自身的诸多优点，b l d c m 在各个领域，特别是方兴未艾的电动汽车( e l e c t r i c v e h i c l e s ，以下简称e v ) 产业中得到了广泛的应用，并且具有良好的发展前景 h i 2 耶】。 汽车是最重要的交通工具，但是石油资源的日益减少以及燃油汽车对对环境的污 染已成为亟待解决的问题。因此，无污染低噪声的e v 的研制和开发热潮已经在全球 兴起。e v 取代燃油汽车是大势所趋，e v 将必然是2 l 世纪汽车工业发展的方向。推广 使用e v ，是一个事关环境与可持续发展的重要问题，积极开发和推广使用“绿色”交 2 华中科技大学硕士学位论文 通工具是此框架下交通变革的必然趋势。 e v s 对其动力装置提出了比通常情况更高更复杂的要求；频繁启动停车，快速提 降速，低速爬坡时输出高转矩，高速经济行驶时输出低转矩：具有高能量密度和高 效率，以尽可能地降低车身的尺寸和重量；既有良好的动态性能，又有高稳态精度， 且易于控制。b l d c m 的诸多优势，如起动转矩大、过载能力强，体积小、省电、高效 率，长寿命、免维修和控制方便，正合适e v 的运行特性，将会成为e v 的首选。目前， 尤其是考虑到e v 短距离行驶里程有限。所以，高效率、高单位能量容量和高转矩重 量比的b l d c m 尤其具有吸引力。东京电力著名的i z a 是一款具有代表性的高性能e v ， 采用的就是b l d c m ，技术水平超过了g m 公司基于i l 【的i m p a c t 。宝马公司的b m we l e 2 型e v 采用的均是b l d c m ，h o n d a 、t o y o t a 和n i s s a n 等公司的e v 也都选择了b l d c m 作 为驱动电动机。 由于无刷直流电机调速范围宽，噪声低，效率高，在空调器、电冰箱、洗衣机、 d v d c d 机驱动等领域得到了大量应用。例如，在空调压缩机中，由于汽缸中充满了氟 氯昂，不能采用会产生火花的有刷直流电机。交流电机成本低，制造工艺简单，但其 节能效果差。直流无刷电机既有普通直流电机良好的调速性能，又从根本上消除了换 向火花和电磁干扰的弊端，噪声低，可靠性高，寿命长，广泛应用于目前市场上的空 调产品之中。 7 0 年代席卷全球的石油危机，促使交流电动机矢量控制技术走出实验室，大规模 地应用到了工业生产中去。当时，国外就有权威人士预言：“交流传动现在取代直流 传动，而无机械换向器电动机未来将会取代其它一切形式的交流传动形式。”从此之 中可以看出无刷直流电动机的广阔应用前景。 交流电动机的坐标变换原理和矢量控制技术在数学模型的高度体现了直流电机 和交流电机的统一性，而以b l d c m 为代表的无机械换向器电机则在物理模型上统一了 交流电机结构上和直流电机性能上的优越性。电力传动自动控制技术从直流传动到交 流传动，再到兼具两者优点的无刷电动机传动，在电磁学基本理论的高度上体现了交 直流电动机传动本质上的统一。 我国稀土资源丰富，储藏量为世界其它各国总和的四倍，有“稀土王国”的美誉， 华中科技大学硕士学位论文 在开发稀土永磁材料方面具有得天独厚的有利条件。稀士矿石和烧结钕硼永磁的产量 都居世界前列，稀土永磁材料和永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。早在 1 9 6 5 年我国就研制成功了永磁式直流无刷稳速电动机，应用于第一颗人造卫星及回收 装置的磁记录仪中。国际上公认2 l 世纪全球稀土永磁的研究中心在中国。因此，充 分发挥我国的优势，大力推广应用稀土永磁电机，对我国的现代化建设具有重要的理 论意义和实用价值。 1 3 国内外研究现状 由于b l d c m 优异的性能、低廉的成本以及简便的控制方法，日益引起人们的广泛 关注。目前，b l d c m 的研究焦点主要集中在如下几个领域： 1 3 1 转矩脉动控制与最佳换向 无刷直流电机中，应该进一步改进的首先是转矩脉动。引起转矩脉动的主要因素 有：齿槽效应引起气隙合成磁场发生畸变，影响电磁转矩；绕组电感的影响使得输入 定子绕组的相电流不可能是理想的矩形波，使反电动势与理想波形的偏差加大；相 电流换相使得电枢磁场呈现步进性，导致气隙合成磁场波动，影响电磁转矩的平稳： 电枢反应影响气隙合成磁场，对于功率较大的无刷直流电机，电枢反应的影响更明 显。 从上述引起转矩脉动的主要因素可以看出，转矩脉动的根本原因在于气隙合成 磁场和定子绕组相电流的波动。因此要减小转矩脉动，就应该采取措施保证气隙合成 磁场和相电流的稳定。无刷直流伺服电机中存在的转矩脉动使得实现更精确的位置控 制和更高性能的速度控制难度很大，尤其是在直接驱动应用的场合，转矩脉动更为 突出。 最佳换向是为了使无刷直流电动机的输出转矩最大，脉动最小，实现效率最高 的机电能量转换。最佳换向包括最佳换向逻辑和最佳换向位置两方面的含义，前者解 决如何换向，后者解决什么时候换向。在最佳换向逻辑的研究中，大多是采用一套固 定的有关转子位置信号和功率开关管的真值表，而缺乏系统的概括性更强的理论研 究。李优新等关于永磁方波无刷直流电机最佳逻辑解析结构的研究在这方面已经迈出 了重要的一步。尽管在理想状态下的最佳换向位置已经研究得较透彻，但是在电机 4 华中科技大学硕士学位论文 实际工作过程中最佳换向位置的研究还不够，实际运行的电机不同于理想电机，在 理想电机中所忽略掉的次要因素实际上都会不同程度地影响最佳换向位置。 1 3 2 无位置传感器的转子位置检测 目前，较为成熟的无位置传感器位置信号检测方法主要有4 类：反电动势法、续 流二极管法、电感法和状态观测法。其中“反电动势法”是最常见和应用最为广泛的 一种。但这种方法的基本原理是建立在忽略电枢反应影响的前提下的，这在原理上就 存在一定误差。尤其是对于大功率无刷直流电机，电枢反应对气隙合成磁场的影响更 明显，使得反电动势过零点与总的感生电动势过零点不重合，误差更大导致检测 出的转子位置误差增大。当电机静止或转速较低时，反电动势为零或很小，很难通过 反电动势过零点检测来得到正确的位置信号，使电机起动困难，且严重影响了电机的 调速范围。因此，研究如何在大功率无刷直流电机中补偿反电动势法造成的转子位置 信号误差，研究如何克服反电动势法中电机起动困难，以及扩大电机调整范围就成 为十分莺要的课题。而这些问题归根结底是要研究在无位置传感器无刷直流电动机中 如何更精确地检测转予位置信号。 近年，随着单片机技术的发展，特别是数字信号处理器的应用和推广。使得位 置检测可以通过i c 芯片配合适当算法的软件而实现。采用d s p 以实现无位置传感器 的位置已成为研究热点和趋势。 1 3 3 弱磁调速 凡事有利有弊，永磁转子有一系列优点，但制约了b l d c m 的弱磁运行，也就限制 了它的应用领域。同时，虽然b l d c m 与p m s m 的转子同为永磁体，但是b l d c m 采用表面安 装形式的转子，而p m s m 具有凸极效应，相比之下，这导致了b l d c m 弱磁调速的能力稍 逊一筹。 实现b l d c m 的弱磁调速运行，国内外学者进行了广泛而深入的研究，并提出了种 种解决方案。但是，目前多数可行的方案需要对电机本身进行改造：不是在定子上增 加辅助励磁绕组，就是需要特殊结构的复合转子。这在解决弱磁调速的问题的同时， 会带来很多新的问题。 香港大学的陈清泉教授提出了一种基于相间解耦结构的5 相2 2 极b l d c m 弱磁调速 华中科技大学硕士学位论文 应用，并且取得了比较满意的实验效果。这种方案的出发思想是利用相绕组电感的储 能作用，作为固定直流侧电压与升高的反电势之问的功率缓冲，用定于电感的感应电 动势来抵消随转速增长的反电势，实现了弱磁调速，并获得了较宽的调速范围。但是 这种方案的实现前提是需要特种磁路的b l d c 啼特殊电路拓扑的功率变换装置。 因此，对于如何实现b l d c m 的弱磁调速，除了对电机本体结构进行深入细致的研究 之外，还需要寻找一些新的、有效的弱磁调速的控制策略。 1 3 4 控制算法 采用数字信号处理器的数字控制电路将是无刷直流电机中控制系统设计的发展 方向。以d s p 芯片为核心的控制系统并不是一个纯硬件的控制电路，它还必须配合软 件系统才能控制无刷直流电机正常工作。这也为控制系统的设计带来更大的灵活性。 软件设计就必然涉及i n 控制算法的研究和应用。无刷直流电动机中速度、电流控制必 须由硬件系统配合具有正确控制算法的软件系统才能得到良好的闭环控制效果。而不 同的控制算法将会直接影响控制效果的好坏。 因此，研究先进的控制算法就成为设计无刷直流电动机控制系统的一个重要方 面。而过去难以在运算较慢的微处理器上实现的复杂的控制算法。现在则可以借助 d s ? 实时高速的运算处理能力得以实现。所以，研究已经较成熟的复杂控制算法在 d s p 上的应用也是一个重要的方面。 1 4 本文所做的主要工作 本文的主要内容包括以下几个方面： 1 系统地总结了b l d c m 控制系统的基本结构和工作原理，并分析了其运行特性： 2 提出一种基于瞬时无功功率理论的弱磁调速控制策略，并应用 d a t l a b 中s i m u l i n k 进行了系统仿真，实现b l d c m 的弱磁运行，拓宽系统的调速范围： 3 设计并制作了系统的驱动部分硬件电路，并编写、调试了系统的控制软件； 4 给出了本系统运行的实验波形，并总结系统调试过程中遇到得一些实际问题以及 相应的解决方法； 5 对本系统进行了电磁兼容分析和设计，提出了一些减小电磁干扰的具体措施和方 法，包括硬件和软件抗干扰设计。 华中科技大学硕士学位论文 2 无刷直流电机的基本原理及数学模型 2 1 无刷直流电机的基本结构 无刷直流电机又名自控式同步电机，实质上可看作是一台用电子抉相装置取代机 械换相的宜流电机。无论从结构或控制方式上来看，无刷直流电动机与传统的直流电 机都有很多相似之处：用装有永磁体的转子取代有刷直流电机的定子磁极，用具有多 相绕组的定子取代电枢，用由固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械 换向器和电刷。这样，就得到了无刷直流电机。无刷直流电机一般由永磁电动机本体、 逆变器和转子位置传感器组成，见图2 1 。 上 i 喀。啼。略。 j 班，列 f 厂 1 !咄如喀珐 图2 1 无刷直流电机结构原理图 211 电动机本体 电动机本体通常由永磁同步电动机构成。其转子采用永久磁铁励磁，目前多使用 稀土永磁材料。由于转于磁场的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布为正弦波 和梯形波两种。因此，当转子旋转时在定子上产生的反电势波形也有两种。这两种同 步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，对于正弦波b l d c m ，希望在绕组中获得 下弦波形式的反电势，其绕组形式采用短距、分布或分数形式，以尽可能削弱其它次 谐波，从而保留基波。而方波b l d c m 为了获得顶宽为1 2 0 0 的方波或梯形波，定子绕组 采用整距、集中的形式，畈保留磁密中的其它谐波。 2 1 2 转子位置传感器 在无刷直流电机中，位置传感器与电机转轴相联结，起着测定转子磁极位置的作 用，为电子换向线路提供正确的换向信息。 华中科技大学硕士学位论文 目前，b l d c m 系统的位置传感器多为电磁式、光电式和磁敏式。也有少数用正 余弦旋转变压器和编码器等位置传感器的，但这些元件成本较高、体积较大、配套线 路复杂，在一般无刷直流电机中较少采用。 电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置得，有开口变压器、铁磁谐振 电路、接近开关电路等多种类型。它具有输出信号大、工作可靠、寿命长、对环境要 求不高等优点，但这种传感器体积较大，信噪比较低，同时其输出波形为交流，一般 需要经整流、滤波方可使用。 光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电机转子一起旋转得遮光部分和固定 不动的光源等部件组成，有绝对式编码器和增量式编码器之分。它具有定位精度高、 价格便宜、易加工等特点，但对恶劣环境的适应能力较差，输出信号沿需加以整形电 路处理。 磁敏式位置传感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随周围磁场 变化而变化的原理制成。常见的类型有霍尔元件、磁敏电阻和磁敏二极管等。一般说 来，它对环境适应能力较强，输出信号沿好，成本低廉，但精度不高。 2 1 3 逆变器 逆变器的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定的逻辑代 码输出，去触发末级功率开关管。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的， 而受控于转子位置检测信号，是一个“自控式逆变器”。b l d c m 由于采用了自控式逆 变器，电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器输出之间不会产 生振荡和失步。这也是b l d c m 的重要优点之一。 2 1 4 本文所采用电机的额定参数 木文所采用的电机是一台三相稀土永磁无刷直流电机，其三相绕组采用星型无中 性点引出接法，极数2 p = 6 。电机采用内定子、外转子结构，由于合理地选择了斜磁 钢和磁极宽度对槽距的比例，适当地降低了转矩脉动。 单机额定功率昂= 6 k w ，最大功率气。= 2 5 k w ，额定电压l 0 = 1 2 0 v ，额定电流如= 4 8 5 a ，最高转速。= 1 0 0 0 转分，效率r = 9 2 。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 无刷直流电机的工作原理 有刷直流电机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产主的磁场与电枢绕组通电后产 生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电机运转。无刷直流 电机的运行原理和有刷直流电机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极 下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流 的大小有关。 无刷直流电机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相 驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通 电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送 出信号，以改变电枢的通电状态，使得在间一磁极下的导体中的电流方向不变。因此， 就可产生恒定的转矩使无刷直流电机运转起来。 无刷直流电机三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电 路的特点是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通电i 3 的时间，另外 2 3 时间处于断开状态，没有得到充分的利用。所以我们采用三相全控式电路，如图2 2 所示。 + 图2 2 三相全控桥两两通电电路 在该电路中，电动机的绕组为y 联结。t 1 、t 2 t 6 为六个功率器件，起绕组的 开关作用。同时我们采用两两导通方式，所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功 率管导通，每隔l 6 周期( 6 0 0 电角度) 换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管 导通1 2 0 0 电角度。各功率管的导通顺序t i t 2 斗t 2 t 3 寸t 3 t 4 一t 4 t 5 哼t 5 t 6 一t 6 t 1 呻 华中科技大学硕士学位论文 t 1 t 2 。当功率管t i t 2 导通时，电流从t 1 管流，u 相绕组，再从c 相绕组流出，经t 2 管回 到电源。 ( a )( b ) 图2 - 3 开关顺序及磁场旋转示意图 图2 3 给出了两种开关状态及磁场旋转示意图。图2 3 ( a ) 为t l 与t 6 导通时的 情况，由于t l 与t 6 持续导通有一段时间，流经a 、b 相绕组的电流也将持续一段时间， 那么如图2 - - 3 ( a ) 所示的电枢磁势e 的方向和幅值也将有一段时间内保持不变。但 是转子是连续旋转的，转子励磁磁势r 也将随之连续旋转，它由起初是圪。所在的位 置逐渐转到所在的位置。而当转予转到蠕：的位置时，由于t 6 已导通1 2 0 0 电角度， t 6 和t 2 在控制信号的作用下要进行换流，由原来的t 6 与t 1 导通变换为t 1 与t 2 导通，见 图2 3 ( b ) 。此时，电枢磁势从图2 3 ( a ) 的位置跳跃式地步进6 0 0 电角度，电枢 磁势e 和励磁磁势e 之间的相位差又恢复到1 2 0 0 电角度，和图2 - - 3 ( a ) 所示的t l 管 开始导通时的情况相同。如此重复进行，每当磁极转动6 0 0 ，通过位置传感器、控制 电路、驱动电路使相应的功率管导通、切断，从而对电机电枢( 定子) 进行一次绕组 切换来改变电枢磁场，使稳定运转使f o * n f o 的相位差声始终在6 0 0s 妒1 2 0 0 的范围 内，其平均值相当于处在正交运行状态，这样在同样的电枢电流下可使转矩最大。依 靠这种旋转电枢磁场和励磁磁场的相互作用，使得电机能够连续地旋转。值得注意的 是磁极每转动6 0 0 电角度，电流从一相转移到另一相，则电枢磁场就在空间上跃进6 0 0 电角度，所以在无刷直流电机中的磁场是一种步进式旋转磁场。 2 3 无刷直流电机的数学模型 b l d c m 的结构多种多样，既有气隙磁场按正弦分布，又有按近似梯形波分布的， 华中科技大学硕士学位论文 塞 = 言昙量 匿 + p 墨兰冬 匿 + 圣 c z 一， 式中：虬、u e 一心电机三相相电压； k 、l 为常数，与转子位置无关。且厶= 厶= 丘= 三，k = k = k = k = k = k = m ( m 为定子绕组间互感) 。令兄= r = 足= r ，则： 刚嘲妻珊 + 纠 z ， 华中科技大学硕士学位论文 i ； = i 昙i 1 i + j m 三 m 三蔓 p 1 + 圣 c z s ， 运动方程为： 警= ( t 一瓦一b 固，j ( 2 - - 4 ) p i = 1 7 三0 一m 1 ( l 三m ，量0m ，h 圣1 i - i r 0 r 。0 ： i - i 圣 ( 2 - - 5 0 0 i i ( l l o 0 r j l j ， p i i = l 一 ) l 口 1 | | 1 l jlm ) j 【k jk jj 图2 4 无刷直流电机电压方程的等效电路 2 4 无刷直流电机的调速方法和机械特l 生 2 4 1 电势和调速方法 无刷直流电机定子绕组相电势幅值由以下式确定 华中科技大学硕士学位论文 e = c a v 2 2 z f n 。= 2 石裔l 嘶= e 锄 ( 2 6 ) 式中e = 2 z 关i 为电势系数；l 为相绕组等效匝数。 o u 若考虑线路损耗及电机内部压降( 己归入是) ，而且，1 2 0 。导通型逆变器的输出 电压幅值为u = 吾，则电机电势e 与外加电压相平衡，u = e + 吾，即 丢：e o 疗+ 丢厶岛 亡( 虬一厶堤) h = - 一 ( 2 7 ) e o 式中见为回路等效电阻，包括电机两相电阻和管压降等效电阻。式( 2 - - 7 ) 表明， 无刷直流电机的转速公式与直流电动机的转速公式十分相似，并可证明，当气隙分布 为方波，电机绕组为接距集中时，无刷直流电机的转速公式与直流电机完全一样。式 ( 2 7 ) 还表明，无刷直流电机的转速调节可通过改变直流电压来实现。 通常，调节方式有脉冲幅值调$ 0 p a m ( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 和脉冲宽 度调制p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 两种。在p a m 方式中，直流母线电压虬可调， 逆变器功率开关器件只负责电机换相控制，通过调节直流母线电压以的大小调节电 机转速。在p w m 方式中，直流母线电压以不可调，逆变器功率开关器件不但负责无刷 直流电机的换相控制，而且通过斩波调节电机输入电压的平均值，从而达到调节转速 的目的。另外，逆变器也可采用s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术 或滞环控制技术等调制出正弦电压并与电机反电动势保持适当的相位关系，产生有效 电磁转矩，但转矩波动往往较大，实际应用中采用这种调制方式的不多。 当直流母线电压只有十几伏或几十伏时，多用pa l i i 调节方式，如牙钻、空调室内 风机用无刷直流电机。当直流母线电压为上百伏时，多用p 删调节方式，即通过改变 p w m 控制脉冲的占空比来调节输入电机的直流平均电压，如电动汽车、洗衣机、空调 室外压缩机等用的无刷直流电机。本系统是通过调节逆变器功率器件的p w m 触发信号 的占空比来改变输入电机的的平均电压而实现调速的。 13 华中科技大学硕士学位论文 2 4 2 电磁转矩 无刷直流电机的电磁转矩可由电机电磁功率和角速度q 求得 7 1 ：兰：f 丝二生堡姿 。 qq 将式( 2 6 ) ，( 2 - 7 ) 代入上式，得 t = 2 n , 2 4 3 机械特性 将式( 2 9 ) 代入式( 2 7 ) 可得 n = 旦一r z 。t 2 c , o2 c , 0 2 n , 。= 皋一赤4 c 。n 1 疋 o 2 c o o 。 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) 由此可知，无刷直流电机的转矩和机械特性公式与直流电动机十分相似。 14 华中科技大学硕士学位论文 3 无刷直流电机弱磁调速策略仿真研究 3 1 引言 在很多应用领域，要求b l d c m 具有很宽的调速范围。例如在电动汽车驱动中，为 了低速对满足起动、爬坡、加速等方面的需要，电机必须有足够大的力矩，而为了达 到较高的车速，又需要通过弱磁控制来提高电机转速，同时要保持功率恒定，以提高 电机的使用效率。因此实现b l d c m 的基速以上运行具有重要的现实意义【3 1 吲。基速以上： 定子电压不变，电磁转矩下降，输出功率保持恒定，如图3 1 所示。 电压 功率 转矩 转速 基速 图3 一i 恒转矩与恒功率运行 b l d c m 相绕组反电势与运行速度成正比。对不可控整流电压源逆变器供电的调速 系统，限制转速的进一步上升的外在原因是在直流侧电压为有限值。转速上升时，反 电势随之上升导致各相绕组开通时电流上升速度减慢。而且电机转速越高，相绕组 每次的电流导通时间越短，电流上升过程所占的比例则相对增大，严重时逆变器输出 电流能力减小，电机转矩随之下降，即逆变器进入电流饱和状态。所以，反电势限制 了电机输出功率和转矩的能力。 具有独立励磁绕组的直流电动机的弱磁控制，是直接地削弱气隙磁场，目的就是 为了削弱反电势的这种抑制作用。异步电动机的“弱磁”控制在进行坐标变换以后， 本质上与直流电动机是相同的，控制的是定子电流的励磁分量。永磁同步电动机的等 效“弱磁”，则是利用定子电流的d 轴分量简单地削弱永磁转子产生的磁场，其转子坐 华中科技大学硕士学位论文 标系( d q 轴系) 中的定子磁链方程为： 妒d = k i d + 矿 = ( 3 一1 ) ( 3 2 ) 其中，矿为永磁转予在定子上的耦合磁链， 厶，厶为电机的直、交轴电感， ，为定子电流矢量的直、交轴分量。 这里，0 与缈7 方向相反，起去磁作用。 内嵌式永磁同步电机中，交流电抗大于直流电抗，弱磁运行时可以利用磁阻转矩， 因而具有较高的的恒功率运行速度范围。而b l d c m 的永磁体一般采用表面贴装，磁阻 率接近于空气，总是串联在电机的直轴磁路上，等效气隙较大，直轴电抗很小，基本 上不存在磁阻转矩，因而无法象直流电动机一样获得较为满意的“弱磁”效果。 随着转速的升高，定子绕组的复阻抗相应增大，对电流建立的阻碍作用增强，而 电枢电流“弱磁”作用所依赖的直轴电感的大小，并不随转速增长而增强。这种利用 直轴电枢反应的去磁效应的方法，、需要定予电流的直轴分量要达到数倍于额定电流的 幅值才会有比较明显的效果。采用新型永磁材料( 如衫钻磁钢) 转子具有较高的矫顽 力，允许在一定范围内，定子电流超出额定值而不必考虑去磁影响，但是为了防止过 大的电流对永磁体造成永久性的退磁损坏，防止过电流对电动机和功率器件的损坏， 电流的幅值必须加以一定的限制。 为适应“弱磁”运行的要求，需要具有特种结构永磁转子的电机，例如采用一个 永磁转子和一个磁阻转子的复合永磁转予“弱磁”方案，以增大直轴电抗，从而增强 弱磁效果，较大幅度地提高系统的调速范围，但是这种方法也带来了严重的缺点：转 矩密度降低，铁磁损耗随转速几何级数增大，导致高速铁磁损耗很大；同时，永磁体 直接暴露在电枢之下，极易使其产生不可恢复的退磁损坏。改变转子结构还不可避 免地会影响基速以下运行的转矩控制性能，难以兼顾恒转矩和恒功率运行的要求。 复合永磁转子“弱磁”效果的获得，是以低转矩密度、高铁磁损耗和永磁转子退 磁风险为代价的。因此，寻找一种能够较为完美地满足“弱磁”控制要求的新型永磁 华中科技大学硕士学位论文 转子结构，是电机研究与设计领域中一个重要的研究课题。 b l d c m 实现基速以上运行控制的另一个思路是寻找新的控制方法，本文介绍了 一种基于瞬时无功功率理论的b l d c m 弱磁调速策略，并使用m a u a b 中的s i m u l i n k 模块进行了仿真。仿真结果表明，该方法能够提高电机的弱磁调速能力。 3 2 瞬时无功功率理论m 】【柏】 瞬时无功功率理论是日本学者赤木泰文( h a h 西) 等人于8 0 年代初提出的， 其核心是关于瞬时无功功率的定义。设三相电路的瞬时电压跟瞬时电流分别为e 。、e 。、 e 。和、t 。考虑到电机定子三相绕组在结构上的对称性，可以忽略电压和电流 中的零序分量。将它们分别变换到两相正交的的d q 坐标系上，可得两相瞬时电压 、e ，和两相瞬时电流、如下： 睁信( ：肌- 1 2 剖- i 2 i i 盱凰肌- 1 2 旃- 1 2 ：州 l c 个j 轴 力 ，q 轴 !j 山d轴 图3 2 电压一电流一功率三维坐标系 ( 3 3 ) ( 3 4 ) l7 华中科技大学硕士学位论文 e 和电流矢量i ： e=ed+eq=ez仍(3-5) i=ia+td=i吼(3-6) 式中，e 、i 为矢量e 、i 的模。 三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流分别定义为矢量i 在矢量e 及其法线 上的投影。即 f 。= i e o s 妒 ( 3 7 ) = i s i n ( 3 8 ) 式中= 统一旃。如图3 2 所示，d - g s 为相互垂直的右手坐标系，可定义瞬时 有功功率p 和瞬时无功功率s 分别为： p = 8 d i d + e 。i q ( 3 9 ) 5 = g gx 十2 d x i g = 一e g i d + e d 。i q ( 3 1 0 ) 写成矩阵形式，得： ( 垆羔。挑 ( 3 - - 1 1 ) 根据上面几式可求得p 、s 对于三相电压和电流的表达式 p=巳+ebib+巳(3-12) s = 去 ( 一巳) + ( 巳一巳) + ( 巳一巳) ( 3 1 3 ) v j 从式( 3 1 2 ) 可以看出，三相电路的瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。 d 、q 相的瞬时无功电流、( 瞬时有功电流0 、0 ) 分别为三相电路瞬时无 功电流( 瞬时有功电流) 在d 、q 轴上的投影，即 2 归以2 e d 2 孺e a p 3 1 4 18 华中科技大学硕士学位论文 i 。= i p s i n = 了e c t 旷_ ；需e q i p s i n b , p = 了，一万 ia,=i，sin=詈t。孺eqi s i n 4 , s = t = 币5 ( 3 一1 5 ) ( 3 1 6 ) i = - i t c 。s 晚。了l e d ，；2 孺- - e d 5( 3 一1 7 ) d 、q 相的瞬时无功功率毛、s q ( 瞬时有功功率岛、见) 分别为其相的瞬时电压 和瞬时无功电流( 瞬时有功电流) 的乘积，即 p d - c d l 圹南p ( 3 - - 1 8 ) 旷o 2 毒p 。1 鲫 驴屯t = 格s 吨 s ：p f ：盘s ( 3 - - 2 1 ) 驴2 菘5 经过对上面几式的分析我们可以发现三相瞬时有功功率为d 相和q 相瞬时有功功 率之和，同时我们也可以看出d 相和q 相瞬时无功功率总是大小相等，方向相反，即 瞬时无功功率是在d 相和q 相之间传递，而不是消耗在负载上的功率t 这一性质和传 统的无功功率概念非常相似。 三相电路各相的瞬时无功电流0 、t 、名( 瞬时有功电流0 、k 、0 ) 是两相 电路瞬时无功电流、j 。，( 瞬时有功电流、。) 通过d q 反变换所得到的结果，即 件厉 l j 1 0 13 22 i 3 2 9 ( 3 2 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 1 0 13 ( 3 - - 2 3 ) 22 1 0 j 1 压 2 传统理论中的有功功率、无功功率、有功电流、无功电流都是在平均值或向量的 意义上定义的，它们只适用于电压、电流均为正弦波的情况。而瞬时无功功率理论中 的概念都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任 意过渡情况。瞬时无功功率理论中的概念在形式上和传统理论相似，可以看作传统理 论的推广跟延伸。也就是说，瞬时无功功率理论包容了传统的无功功率理论，比传统 理论有更大的使用范围。 3 3 弱磁调速策略 如果e 和i 分别为电机反电动势和定子电流，则p 和j 分别代表电机瞬时的有功分 量和无功分量。己知电机转矩丁和速度，p 也可定义为： p = t ( 3 - - 2 4 ) 另外，反电动势e 是电机转速和转子位置的函数，可表示为： e=cof(臼)(3-25) 其中f ( o ) 是与转子位置相关的定予磁链，把式( 3 - - 2 4 ) 、( 3 - - 2 5 ) 代入式( 3 - - 1 1 ) ，消去珊，可得： ( 曲 = 限量) ( ： ( 3 - - 2 6 ) 因此，电枢电流直交轴分t i a 、i q 可通过r 和5 ，来进行控制，由式( 3 - - 2 6 ) 通 过矩阵变换得到： ：) = 去匕f 。慨j t s 1 ( 3 - - 2 7 ) 式中a = 刀