（电机与电器专业论文）开关混合式电动机系统的研究.pdf

浙江人学颂i j 学位论文 a b s t r a c t an e wt y p eo f m o t o r , c a l l e ds w i t c h e dh y b r i dm o t o r ( s h b m ) ，i sah y b r i d ( s t e p p i n g ) m o t o rw i t l lr o t o rp o s i t i o n c l o s e l o o pc o n t r 0 1 a st h er e p r e s e n t a t i v e o fm o d e r n e l e c t r i c a lm a c h i n e s ，s w i t c h e dh y b r i dm o t o r sc o m b i n et h ee l e c t r i c st e c h n i q u ea n dt h e a d v a n c e dm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o lt e c h n i q u e ，w h i c ha r eu s e df o rl o ws p e e dh i g h p r e c i s i o np o s i t i o na n dh a v et h ea d v a n t a g eo fb e t t e rc o p p e ru t i l i z a t i o n ，t h u s ，s w i t c h e d h y b r i dm o t o r sf i n da p p l i c a t i o n si nm a n yi n d u s t r i a la r e a ss u c ha sp a c k i n gm a c h i n e s ， c o n v e y o rs y s t e m s ，r o b o ta r mm o v e m e n t ，l i f ta n ds t a c km a c h i n et o o l s t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ea p p l i c a t i o no fs w i t c h e dh y b r i dm o t o ri n l o w - s p e e dh i g h p r e c i s i o np o s i t i o n ，a n dh a sd o n ef u r t h e ri n n o v a t i o n a lr e s e a r c ha sw e l l a se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h f i r s t l y , t h ea u t h o rs u m m a r i z e da n da n a l y z e dt h ep r e s e n ta n dt h ep r o s p e c t i v eo f s w i t c h e dh y b r i dm o t o ra n dr e l a t i v et e c h n i q u e sb a s e do nal a r g en u m b e ro fr e f e r e n c e d m a t e r i a l s ，p r e s e n t e dt h es e v e r a la d v a n t a g e so fs h b mc o m p a r e dw i t ho t h e rm i n o r m o t o r s ，f u r t h e rm a d et h es i g n i f i c a n c eo f d e v e l o p i n gt h i sk i n do f s y s t e mc l e a r s e c o n d l y , t h ea u t h o rg i v e sr i s et ot h ei d e ao fan e wi n t e g r a t e dp o s i t i o ns e n s o ri n h y b r i ds t e p p i n gm o t o rp o s i t i o ns e r v os y s t e m t h et h e o r yo ft h i sn e ws e d s o ri s a n a l y z e du s i n gt h em e t h o do fs p e c i f i cp e r m e a n c eo fa i rg a p o nt h i sb a s e ，t h e a c h i e v e m e n to fc o n t i n u o u sr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nb yt h ev a r i a t i o no ft h er e l u c t a n c e o fs t e p p i n gm o t o ri sp r o p o s e d t h i sp o s i t i o ns e n s o ro fb u i l t i nt e c h n o l o g ym a k e st h e f o u n d a t i o no fs e l f - s y n c h r o n o u sc l o s e d - l o o pc o n t r o lo fs t e p p i n gm o t o r t h i r d l y , as e to fp r a c t i c a ls h b ms y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c hb a s e do nd s p c o n t r o lt e c h n i q u ea n dp o w e re l e c t r o n i c sc o n v e n i n gt e c h n i q u e t h ed e s i g no ft h i s s y s t e mf u l l yd i s p l a y e dt h ef l e x i b i l i t yo fs h b mi nh i g hp r e c i s i o np o s i t i o na r e a f i n a l l y , e x p e r i m e n t sh a v e b e e nd o n et h i sp r a c t i c a ls y s t e m t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sv a l i d a t e da n dd e e p e n e dt h ec o n c l u s i o n sd r a w nf r o mt h e o r e t i c a lr e s e a r c ht h e c o m p a r eb e t w e e nt h er e s u k sf r o me x p e r i m e n t sa n dt h e o r ya l s o t e s t i f i e dt h e l i 浙江大学硕士学位论文 p r a c t i c a b i l i t yo f t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ： s w i t c h e dh y b r i dm o t o r h y b r i ds t e p p i n gm o t o r d s pc o n t r o lt e c h n i q u e p o s i t i o ns e n s o r 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书面使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：绦珞戽签字日期： 2 锄芏年3 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盘姿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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 绦施律 导师签名 胎铮 签字日期：2 硝年3 月 f 日 签字日期：川7 年，月夕日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位； 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要：开关混合式电动机是在混合式( 步进) 电动机的基础上发展起来的，因此，本章 结合文献综述，比较全面的介绍了当前国际、国内的混合式( 步进) 电动机的发展现状， 介绍了混合式( 步进) 电动机的运行特点，重点分析了混合式( 步进) 电动机驱动技术 的研究现状和发展趋势，从而引出本论文所研究的主要内容和研究意义。 1 1 混合式( 步进) 电动机的发展现状及其特点 i 1 1 小功率混合式( 步进) 电动机 混合式( 步进) 电动机是在混合式低速同步电动机的基础上发展起来的，实 际上他们具有完全类似的结构。只不过低速同步电动机由5 0 h z ( 或6 0 h z ) 的交 流电源真接供电，而步进电动机则通过功率开关管按定的逻辑通电顺序给各相 绕组通电。给步进电动机供电的部件称为驱动器，驱动器实际上也是一种方波或 阶梯波电压供电的逆变器。因此步进电动机系统也是一种变频调速的同步电动机 系统【”。 二相混合式( 步进) 电动机是6 0 年代g e 公司的专利，7 0 年代初，由于在 外设方面的应用，随着计算机工业的迅速发展，以及计算机控制系统的发展而获 得迅速的发展。7 0 年代中期，德国的b l 公司申请了五相混合式( 步进) 电动机 的专利，发展了运行性能更高的混合式( 步进) 电动机系统，这个时期各个工业 发达国家都建立了混合式( 步进) 电动机规模生产的企业，使得步进电动机很快 成为区别于直流电动机和交流电动机以外的第三大类型的电动机。可是它与低速 同步电动机又是很类似的产品，正因为结构上的类似，有些公司( 如美国的 s l o s y n 公司) 同时生产混合式( 步进) 电动机和混合式低速同步电动机系列 产品【9 】。 我国的混合式( 步进) 电动机系统是8 0 年代从零发展起来的，经过近二十 年的发展，其生产与研制己具备一定的规模。混合式( 步进) 电动机理论研究方 面已比较成熟，发展和形成了比较完善的基础理论和设计方法，其产品设计已采 用步进电动机优化设计技术和步进电动机c a d 技术，产品种类已经系列化，技 术性能指标已接近、达到或超过国外同类产品的水平。因此电动机的发展同国外 的差距不大。而由于我国的电力电子技术和驱动技术比较落后，致使我们的混合 第一章绪论 式( 步进) 电动机驱动器的性能还无法与国外相比。国内许多驱动器生产、研制 单位，太多互相仿制或仿制国外的产品，技术不太成熟，对驱动器的研究及设计 仅仅通过大量的实验来完成，还没有明确的理论方法作为指导思想，因此使得步 进电动机没有运行在最佳状态，驱动器的稳定性和可靠性较差。步进电动机与它 的驱动电源是不可分割的一个整体，抛开驱动器来谈步进电动机的性能是不现实 的，步进电动机伺服系统的运行品质在很大程度上取决于其驱动电源的性能，同 一台步进电动机在不同类型的驱动电源下运行，其性能会相差很大。因此，在步 进电动机伺服系统中，驱动电源控制线路和驱动线路的结构、参量与电机本体的 性能同等重要。一个良好的步进电动机伺服系统必须是综合考虑驱动电源和步进 电动机的最佳方案。根据我国目前的混合式( 步进) 电动机驱动器的发展现状， 为进一步改善步进电动机伺服系统的运行品质，发展、更新驱动电源，应对其进 行系统的研究和开发，寻找一个最优的驱动模式，这对我国微特电机的发展有着 重要的现实意义 4 2 , 4 3 1 。 1 1 2 混合式( 步进) 电动机的特点 众所周知，步进电动机或小容量同步电动机，广泛应用的主要有三种类型： 磁阻( v r ) 式，混合( h b ) 式及永磁( p m ) 式。混合式( 步进) 电动机是在 永磁和变磁阻原理共同作用下运转的。它具有如下一些特点： 1 、混合式( 步进) 电动机的极对数就等于转子齿数，因此，其极对数可以 根据需要在几对极到几百对极范围内变化。对于多极对数的混合式( 步进) 电动 机，采用方波驱动的方式就可以获得较高的分辨率，可作为低速同步电动机运行： 对于少极对数的混合式( 步进) 电动机，可作为具有宽广调速范围的调速电动机 应用。 2 、混合式( 步进) 电动机转子磁钢提供激磁。在相同条件下，混合式( 步 进) 电动机的激磁安匝只有磁阻式电动机的1 2 1 3 ，这大大有利于功率逆变器 的设计和配置，降低其成本，提高可靠性和系统效率。 3 、混合式( 步进) 电动机绕组电感随转子位置变化小，使系统控制简单化， 易于实现最佳运行控制。 4 、混合式( 步进) 电动机在整个运行区域没有明显的振荡，从工作机理来 2 塑坚查兰塑! ：兰丝堡兰 看，易于减小力矩波动。 5 、混合式( 步避) 电动机是轴向充磁磁路，永磁体仅仅是夹在二段转子铁 芯中问的一段，用量很少，易于承受更高磁能积的新型永磁材料，利于电动机行 能的搀高。 混合式( 步进) 电动机低速特性优点明显，优良的性能使混合式( 步迸) 电 动机闭环伺服系统的研究越来越受到重视。可以肯定的来讲，今后的伺服系统的 应用范围将越来越广，无论是在军工方面，还是在工业方面，都将看到混合式( 步 进) 电动机闭环伺服系统的身影。 1 1 - 3 混合式( 步进) 电动机的结构 典型的混合式( 步进) 电动机是定子8 极转子5 0 齿的二相混合式( 步进) 电动机基本系列和定子l o 极转子5 0 齿的五相混合式( 步进) 电动机基本系列。 为了分析的简单化，下面以两相混合式( 步进) 电机为例介绍混合式( 步进) 电 机的踣构。 图1 1 两相混合式( 步进) 电动机横截面幽 如图l - 所示，两相混合式( 步进) 电动机也是由定转子构成，具有双凸极 结构，定子每个极一i = 9 - ，j 、齿，转子上也有很多小齿( 上图为5 0 个) 。混合式( 步 进) 电动机的定子上一般绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串连构成一相绕组： 转子结构很特殊，与其它电动机很不相同，如图l 一2 所示，转子是由环形磁钢和 第一章绪论 两段硅钢片叠压组成，两段硅钢片的齿互相错开半个齿距。当电动机定子某极的 小齿与前半段转子齿对齐时，则定子该极的小齿与后半段转子槽相对齐。环形磁 钢夹在两段转子硅钢片中间，轴向充磁。转子铁芯一段呈n 极性，另一段呈s 极性。 图1 - 2 混合式( 步进) 电机转子的实物模型 多极对数是混合式( 步进) 电动机的特点之一，极对数等于转子齿数。如图 1 1 所示，用于实验的混合式( 步进) 电动机的转子有5 0 个齿，即相当于该电动 机的极对数为5 0 。两相混合式( 步进) 电动机的定予铁芯为单段结构，有8 个 极，极下有小齿，每相邻两极下的齿错开兰电弧度。将定子的8 个极分为两组， z 构成a ，b 两相绕组，a ，b 两相的合成转矩在空间上相差- “2 电弧度，当绕组中 z 的电流交变一个周期后，转子转过一个齿距，也就是7 2 。 1 2 混合式( 步进) 电动机驱动技术概况 开关混合式电动机系统的诞生、发展的历史，就是混合式( 步进) 电动机本 体及其驱动控制技术发展的历史。开关混合式电动机系统的性能，除与电动机本 体的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。同一台混合式( 步进) 电动机，配以不同的电动机驱动器，所组成开关混合式电动机系统的速度和定位 性能便不一样。所以在整个混合式( 步进) 电动机系统发展的过程中，驱动技术 的发展和完善十分重要。近四十年的发展过程中，所提出和应用过的驱动电路种 类繁多。按其若干方面的特点不同分类，可大致归纳如表1 。1 所示 3 3 】。 浙江大学硕士学位论文 表1 1混合式步进电动机驱动器分类 绕组供电方式 主电路结构驱动方式 苴 单管单端 单电压：串联电阻限流( l r ) p w m 恒流斩波；升频升压 极 性 双管双端 高低压；恒流斩波 全h 桥 升频升压( 电流开环桥臂斩波) 双 p w m 恒相流 半桥 升频升压( 电流开环) 极 p w m 恒相流 b u c k 型全 p w m 升频升压( 电流开环) 性p w m 升频升压恒相流 桥或半桥升频升压恒相流 1 2 1单极性驱动电路 混合式( 步进) 电动机，从原理上讲要求其绕组正、反向通电，即双极性供 电。但是在混合式( 步进) 电动机发展的早期，电子技术发展水平有限，为简化 驱动电路的结构，宁愿将磁极绕组采取双线并绕，把一相绕组分成两相，其中之 一正向通电，另一路反向通电，这样在驱动电源为单极性的情况下，也能达到正 反向励磁的目的。 二相的混合式( 步进) 电动机主要是- - $ f l j k 极结构，采取双线并绕以后分成 四相，常叫做四相电动机，确切一点应称为两相四绕组电动机。这种电动机驱动 电源的主电路只要用四只功率开关管就可以了，能最大限度的简化驱动电路，使 可靠性提高和成本降低，因此曾经获得广泛的应用。 双管双端供电的主电路在一定程度上能提高系统的运行性能，但是结构复 杂，与最大程度的简化驱动电路的目的不一致，所以很少应用。 为了实现单极性供电，电动机的绕组需双线并绕，把一相绕组分成二路，每 一时刻只有一路工作，浪费了电动机的有效空间。使电动机在性能指标方面为简 化驱动电路而付出一定的代价。随着电子技术和电子元器件的发展，使得采用双 极性供电也不是复杂的事情，驱动器的成本增加不多，电动机有效空间利用率提 高，便宁愿采用双极性的驱动器。 第一章绪论 1 2 2 双极性驱动电路 在双极性驱动技术中，曾出现过各种各样的驱动电路拓扑结构和驱动方式， 大致分为：基于半桥主回路的升频升压驱动、带有前置斩波器的总流闭环型升频 升压驱动、带有前置斩波器的电流开环型升频升压驱动、具有前置斩波器的恒相 流型升频升压驱动等升频升压驱动电路和全h 桥恒相流驱动电路、半桥恒相流 驱动电路等基于h 桥主回路的恒流斩波驱动电路。 由于升频升压驱动电路有着各种各样的缺点，所以本文主要阐述当前应用最 广泛的两个驱动电路：全h 桥恒相流驱动电路，半桥恒相流驱动电路。 全h 桥恒相流驱动电路： 所谓恒相流驱动就是使功率管工作在开关状态，来调节通向( 步进) 电动机 绕组的平均电流，绕组电流变化表现为恒定值附近有微小波动的平顶波形。在实 际运行中，斩波电路作为恒相流控制是有些明确的限制的。在电机高频运行时， 如果绕组电流不能上升到事先的设定位，斩波过程事实上将不发生。 全h 桥恒相流驱动电路原理图如图1 3 所示，这也是电动机绕组双向供电的 主电路典型结构。 图1 - 3全h 桥驱动的两相混合式步进电动机的模型 全h 轿恒相流驱动的主要优点具有恒转矩输出特性，高频运行性能好，运行 效率高，电机具有较大的带负载和带惯量的能力。因每相都有电流检测及恒流控 制，容易实现过流保护和过载保护，具有较高的可靠性。由于全h 桥不会产生 半桥中各相电流不均匀及b u c k 变换器中l c 滤波延迟问题，故其在所有的驱动 6 浙江大学硕士学位论文 方式中，其突跳频率最高，动态特性也是最好。 体现导通状态及电流控制状态时主电路可能的拓扑结构模式如图卜4 所示 ( 以a 相为例，b 相类似) 。图卜4 a 对应a 相正向导通，控制信号使s 1 、s 4 闭合， 图中箭头标识该模式可能的导电方向( 下同) ，记为模式1 ：图卜4 b 对应a 相正 向导通，但电流己达到或超出设定点后，s 1 关断( 对应上桥臂斩波) ，绕组电流 经续流二极管续流，记为模式2 ，图卜4 d 对应a 相反向导通，控制信号使s 2 、 s 3 闭合，记为模式4 ；图卜4 e 对应a 相反向导通，但电流达到或超出设定点后， s 3 关断，绕组电流经续流二极管续流，记为模式5 ；图卜4 c 、f 对应a 相不导 v ( a ) 模式1 s 2 ( c ) 模式3 ( e ) 模式5 s 4 ( b ) 模式2 v ( d ) 模式4 q 厂 n y 1 、一h - 一 ( 0 模式6 ( g ) 模式7 图1 - 4主电路之可能拓扑结构模式 通。但电感中电流或反电势导致正向或反向续流( 对于上下桥臂同时斩波则可能 第一章绪论 为导通状态时发生斩波续流的情形) ，分别记为模式3 、6 ；图卜4 9 对应于模式2 或5 续流结束及不导通状态绕组中无电流的情形，记为模形7 。 图1 - 4 所给出的仅是可能的主电路拓扑结构图，实际的电路运行是在诸如环 分控制信号、给定电流信号、恒频斩波控制等外加控制作用以及器件物理性质( 如 二极管电流不能反向流动) 等内在控制作用下在各模式之间转换的。一旦电流条 件不成立或转换条件成熟时便要进行模式切换。 全h 轿恒相流驱动电路的主要缺点是由于电流上升过快，其低速阻尼性能不 易得到改善，表现为电动机低频运行不平稳，单步运行过冲量大，单步响应特性 差，且每一相绕组需4 只开关管驱动器，成本较高，故在电动机相数较多时很少 采用。 半桥恒相流驱动： 半桥恒相流驱动控制方式最大优点是主回路的开关管只有全h 桥的一半，主 电路简单。故成本可大大降低。当驱动电路采用星形接法时，电动机是二相绕组 串联起来以后接到功放电源两端。每相绕组的端电压大约只有功放电压的一半， 由此系统的高频性能和动态性能不如全h 桥式驱动电路。当采用多边形接法时， 功放端电压直接加到每一相绕组两端，其牵出特性的稳定运行频域比星形接法的 宽，但相电流均匀性不及全h 桥驱动。而且无论星形接法、多边形接法，在半 步运行时，都会产生严重的轻重步现象。低频运行不平稳，振动大。多边形接法 还增加了步距角的不均匀性。图1 5 示出了三相桥恒相流驱动电路的两种连接方 式。 a ) 星形接法 浙江大学硕士学位论文 b ) 多边形接法 图1 - 5半桥恒相流驱动主回路的两种连接方式 对于突跳频率而言，由于半桥恒相流驱动功放桥上没有l c 滤波环节，其动 态性能要优于带b u c k 变换器的驱动电路。但其相电流不均匀引起了较大的转 矩波动。在电机动态运行时相当于存在着额外的干扰故其突跳频率与动态特 性均不如全h 桥恒相流驱动。 总体面言，全h 桥的动态特性与稳定性均优于半桥，但所需开关管多，成本 较高。在所有的驱动方案中，动态特性最好的是全h 桥恒相流驱动。总之，混 合式步进电动机的驱动方案很多，各有其优点与不足，设计时要根据成本、稳定 性与动态特性的要求精心选取。 1 2 3 混合式步进驱动单元的发展趋势 工业自动化程度的高低是衡量工业化水平的标志之一，驱动单元是实现自动 化的执行单元，可以说是一个重要的环节，步进驱动单元以其组成系统简单方便， 成本低，分辨率高，高可靠性，始终处于不可替代的地位。在今天世界各国都在 大力提高工业自动化水平之际，我们有理由相信步进驱动单元，特别是混合式步 进驱动单元将会得到更大的发展。为适应生产要求，混合式步进驱动单元必然向 更高的动态特性和更宽的调速范围方向发展。为简化生产格局，必然要求混合式 驱动单元在满足驱动功率要求及刚度时具有更好的互换性。由于电力电子器件和 微电子器件发展极快，几乎每3 5 年就有一个新的产品升级换代，因此我们要 更紧密地结合微电子技术，电力电子技术去研究发展步进电动机的高性能驱动技 9 第一章绪论 术及驱动理论，使得先进的步迸电动机的驱动技术迅速地得到发展和推广应用。 这些正是本文研制开关混合式电动机系统的目标。 1 3 本文的选题意义与研究内容 1 3 1开关混合式电动机的研究意义及现状 从上文讲述的混合式( 步进) 电动机的一系列特点来看，开关混合式电动机 是一种很有发展前景的电动机，具有系统的研究和开发价值。 开关混合式电动机因其具有运行频率高、动态力矩大、波动小、运转平稳f 低噪声、定位精度高和分辨率高等优点，可以广泛应用于诸如数控装置、机械手、 商业机器、自动化仪器、印刷、服装加工和包装设备、军事设备等机电一体化设 备中。 混合式步进电动机经过近4 0 年的发展形成了两个最基本的系列产品：最早 发展的定子8 极转子5 0 齿的二相混合式步进电动机基本系列和7 0 年代中期开始 发展起来的定子l o 极转子5 0 齿的五相混合式步进电动机基本系列。另外，步进 驱动系统传统的整、半步控制技术的发展已相当成熟，最具典型意义的驱动方式 为p w m 恒流控制，电流开环升频升压控制，以及一种折衷型的升频升压型恒流控 制。”。 目前，开关混合式电动机的研究工作主要集中在电机设计，转子位置检测、 功率变换器电路设计及系统控制策略几个方面e 3 4 , 5 6 。 转子位置检测通常有两种方法：直接位置检测( 采用位置传感器，如霍尔元 件、增量式编码器、绝对式光电码盘、旋变加轴角数字变换等等) 和间接位置检 测( 如端电压法、电流检测法，反电势三次谐波法，相电感法) 。 在开关混合式电动机系统的控制器方面，最初是由数字电路构成，逐渐地发 展，为微处理器所代替。利用微处理器构成的系统具有结构紧凑，控制灵活等特 点，得到了广泛的应用。 开关混合式电动机一般采用双闭环调节，即速度环和电流环调节。速度调节 器是整个调速过程的核心，它的设计方案日益丰富，从p i 、p i d 到智能调节器， 使控制理论的成果在开关混合式电动机系统中得到不断应用，从而获得更优的调 l o 浙江大学硕士学位论文 节器。 现阶段，随着微处理器及其控制技术的发展，开关混合式电动机的驱动技术 也在迅速发展和提高。如果我们不去研究和发展我们的驱动技术理论，我们将会 永远落在国外同行的后面。与此同时我们还应看到，驱动技术在我国微特电机的 发展过程中起着举足轻重的作用。提高了驱动技术，就可以提高开关混合式电动 机系统的性能，来满足工业控制，工厂自动化等执行机构对其系统提出的高性能 要求。 开关混合式电动机是小容量自同步电动机的一个分支，有着二十余年的研究 历史【l 】。本文的主要目标就是建立一个开关混合式电动机系统，为研究其优化控 制提供基础。 本文的工作立足于新型内置式位置传感器，结合高性能的控制器，分析研制 开关混合式电动机系统，使其系统获得更广泛的应用，进而可推动我国微特电机 的发展。 1 3 2本文完成的主要工作 本文以开关混合式电动机系统为研究对象，结合国内外相关文献和技术资 料，对开关混合式电动机系统的结构及运行机理，电动机的建模，电动机的控制 策略以及控制系统硬、软件的设计等方面进行了较为全面的分析与探讨，并设计 开发了一套实验系统，对样机进行了实测，并进行实验结果分析，取得了相应的 研究成果。 1 、分析了开关混合式电动机系统的结构及工作原理，概述其驱动技术的发 展，明确了研究开关混合式电动机系统的意义。 2 、研究了用于转子位置闭环的内置式位置传感器的原理和结构，并利用变 磁阻步迸电机的原理研制了一套内置式位置传感器。对该位置传感器的反馈信号 进行处理，使得该位置反馈信号即可用于方波驱动方式，又可用于正弦波驱动方 式。 3 、设计了一套采用方波控制方式的两相开关混合式电动机实验系统。文中 详细的讨论了各功能部分的硬件设计方案和软件编程原理及其所依据的控制策 略。 第一章绪论 4 、通过对开关混合式电动机稳态运行特性的分析及实验研究并与理论分析 的结果相比较，验证了分析的正确性。 1 2 浙江大学礤士学位论文 第二章开关混合式电动机系统的结构及其驱动控制原理 摘要：本章从开关混合式电动机的结构、工作原理出发，分析了开关混合式电动机方波 驱动的控制原理。同时说明了开关混合式电动机与永磁凸极同步电动机在工作机理上的 相似性，指出开关混合式电动机驱动控制系统可参考永磁凸极同步电动机的控制策略来 研究、设计。 2 1 两相开关混合式电动机系统的结构 开关混合式电动机是由混合式步进电动机、功率变换器、控制器、前级驱动 及位置传感器五个主要部分构成，如图2 1 所示。 图2 - i开关混合式电动机系统框图 混合式( 步进) 电动机是整个系统能量转换的核心部件，正如它的命名一样， 混合式( 步进) 电动机是在磁阻反应与永磁体共同作用下运行的，这种特殊的结 构使得混合式( 步进) 电动机应用的范围十分广泛，从输出只有微瓦的微型电机 到输出达千瓦的功率电机都可应用混合式( 步进) 电动机，特别是在微小型电机 中的应用。混合式( 步进) 电动机适用于低速高负载，定位精确，快速启动、停 止的系统中。 功率变换器是系统的通道，承担着电功率输入的任务。控制器是整个系统的 大脑，它依据各种检测信号，起决策和指挥作用。前级驱动起到驱动大功率管的 第二章开关混台式电动机系统的结构及其驱动拄制原理 作用。位置传感器负责捕获转子位置信号，是开关混合式电动机系统控制的重要 基础。以上各个部分相辅相成，构成一个有机的整体。 2 2 两相开关混合式电动机的磁链 开关混合式电动机是在永磁和变磁阻原理的共同作用下运转的，它也遵循磁 通总是沿着磁导最大的路径闭合的原则产生电磁转矩的。电磁转矩的方向总是朝 着主磁路磁导最大的方向。 u ab uu ab u 冈冈冈冈 图2 - 2a 相转子的稳定位置 开关混合式电动机的气隙磁动势有两种：一是由永久磁场产生的磁动势f ，； 另一是由定子绕组产生的磁动势f 。在每个具体的磁极下，这两种磁动势有时 相加的，有时又是相减的，随绕组中通入的电流方向变化。在转子磁钢与定子磁 势相互作用下，产生电磁转矩。 当a 相通电时，转孑处于图2 - 2 中所示的位置，此时与n 极段转予铁心相对 的定子a 相极下气隙磁导最大，与s 极段转子铁心相对的定子a 相极下气隙磁 导最小。这就是转子的稳定平衡位置。当外加力矩使转子偏离稳定平衡位置时， 例如转子向逆时针方向转了一个小角度a 0 ，则n 极段定转子齿的相对位置及作 用转矩的方向，如图2 3 所示。 可以看出，开关混合式电动机的稳定平衡位置是：定转子异极性的极下磁导 最大，而同极性的极下磁导最小。绕组的通电状态改变，电动机的稳定平衡位置 也改变，在电磁转矩的作用下，转子将转到新的平衡位置。比如，a 相断电的同 时，给b 相反向通电。b 相磁极呈n 极性，转子转过l 4 齿距，达到b 相磁极 与s 段转子齿轴线重合，与n 段转子齿错开1 2 齿距的位置，即达到其新的稳定 平衡位置。 浙江大学硕士学位论文 图2 - 3转子偏离平衡位置时，n 极转子段定转子齿的相对位置及作用转矩图 开关混合式电动机具有轴向和径向混合的磁系统，定转子双凸结构，所以开 关混合式电动机从本质上说是低速凸极永磁同步电动机。绕组电感参数的特点与 普通电机有区别，以典型结构的二相八极开关混合式电动机为例进行讨论。为清 楚起见，采用最简化的磁网络模型，模型中忽略了定子极间的漏磁、永磁体的漏 磁回路、轴向和径向的磁阻。这类简化不会对定性分析的结论有原则性的影响。 定子八个极中，在直径上相对的两个极电磁状态完全相同，可以合并。这样。电 机的每端只有4 条支路，如图2 - 4 所示。图中，a 八 a 。1 和a 。为i 端铁 心段相应极的磁层磁导；a 。：、：、a 。：和：为i i 端铁心段相应极的磁层磁导。 这些磁导参数都是转子位置角的周期函数，以转子齿距为变化周期。a 。为永磁 体内部磁导，e 为永磁体磁势。 图2 4两相八极开关混合式电动机的简化磁网络模型 取定子a 1 极上小齿的中心线为转予位置角的参考坐标以转子小齿中心线 与参考坐标间的夹角表示转子的角位置臼；即当a l 极下定转子齿对齿时o = o 。 不计周期性磁导的二次及以上各次谐波分量，可得 u l b n a u 丑u 袖 b = n a 一 一 第二章开关混合式电动机系统的结构及其驱动控制原理 a 4 i = a o + a 1c o s 0 ，a 。2 = a o a lc o s 0 1 人6 1 = a o + a 1s i n 口，人6 2 = a o 一人ls i n 8 a d = a o 一人lc o s 0 ，a 。2 = a o + 人lc o s 0 2 - 1 人d l = 人。一a 1s i n 8 ，a d 2 = a o + 人1s i n 8j 式中：a 。为一端铁心段一相二个极齿层磁导的平均分量：a 为同上齿层磁导的 基波分量；0 为定子、转子相对位置角( 电角度) 。0 = c o t ；m 为同步角速度。 当定子电流为零，只有转子永磁体励磁时，图2 - 4 简化为直流磁路。若定子 每极绕组匝数为n ，且令v m = ，卅，即将永磁体看做匝数为 0 的等效励磁绕 组，励磁电流为l ，则根据各个极线圈的绕向及连接方式，不难得出定子、转 子问的互感为 m a 。= 2 k 虬人lc o s 9 = 以c o s o l 蚝= m = s i n 0f 2 。2 式中：2 丽a m ：虬= 2 k , n , n a 一。 等效励磁回路的自感为 三。= 2 k m ：a o 2 3 式2 2 的形式与常规同步电动机相同，励磁磁势产生的定子磁链随转角变化 而正负交变。然而从电机内部看则不一样，电机内每个磁极支路磁通都有永磁体 励磁产生的恒定分量，转角改变只是产生了一定程度的幅值调制。可以看出，i 、 i i 两段的气隙磁通方向相反。气隙磁通经过定子铁心组成闭合回路，但真正穿越 定于绕组成为定于绕组磁通的只是一部分。这一部分之所以成为交链定子绕组的 磁通，是因为两段转子齿相差l 2 齿距，使同一定于极下两端磁导不同，相应地 磁通不同，从而迫使一部分磁通穿越绕组从其它路径闭合。 若定子一相绕组通恒定电流= ，f 。= 0 ，则各磁极支路由a 相电流产生的 磁通分量为 浙江人学顼i 二学位论文 谚l 。= ( n i kn i c o s 0 ) a j i ， 九= ( m + k 。n i c o s 0 ) a f 2 ， 谚，= 一t m c 。呲舯 f ：6 d 妒m = k 5 n ic o s o a l 2 ， 一 a 式中：t2 2 a 0 + l a 。 a 相自感为 2 4 上。= 等= ( 唬。+ 疙：，一晚，一统) ，= 4 2 ( i o - 等人k 2 sa 。c 。s 2 臼) 2 5 同样可得。b 相自感 e 8 8 = n 2 ( 4 a o 一2 虹a l + 2 ka 1c o s 2 0 ) 2 - 6 于是，定子a 相与b 相绕组相问互感 m 8 = m 翩= 1 1 1 g b 广a = ( 唬】，+ 唬2 ，一疵1 ，一疵2 。) i = 一2 kn 2 a ls i n 2 0 2 7 综上所述，二相开关混合式电动机的绕组电感可表示如下 4 = l o 一岛c o s 2 0 三8 b = 厶+ l 2c o s 2 0 2 - 8 m a 8 = m8 a = 一l 2 s i n 2 0 式中：l o = n 2 ( 4 a o 一2 ka 1 ) ：l 2 = 2 意，2 a l 。 2 3 两相开关混合式电动机方波驱动的工作原理 图2 - 5 所示为霍尔信号与反电动势之间的关系，列出霍尔信号与对应导通相 之间的逻辑关系如表2 一l 所示( 以正转为恸) 。 第二章开关混合式电动机系统的结构及其驱动控制原璀 h 1 h 2 j ii | | i 刀_ t 、i i 一 、，li 、l ：i i ；il ii l1 1 n l _ i i 卜一 i li ； il ；i 阿一 一 幽2 - 5霍尔信号与反电势之间的关系 如上图所示，位置传感器输出信号超前于感应电势一个角度，这就是常说的 超前角。要实现电动机系统的最佳运行特性，通常要控制这一角度。限于篇幅， 本文采用固定超前角控制。本文取超前角为3 0 。 表2 一l霍尔信号真值表及对应导通相 h 1 i - 1 2 导通相 l1 么b 1o 么b ol彳b 00 爿b 根据以上的逻辑关系，由t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 输出的p w m 控制器控制相应各相的 导通与关断。方波驱动开关混合式电机采用全h 桥方式控制，当采用1 8 0 。通电方 浙江大学坝1 1 学位论文 式时，在电机运行的任一瞬间有四个功率管导通，每个1 4 周期( 9 0 。电角度) 换 相一次。如图2 - 6 所示，以正转( 顺时针) 为例，各功率管导通顺序是s l ，s 4 一s 5 ，s 8 ： s l ，s 4 一s 6 ，s 7 ；5 ；2 ，s 3 s 5 ，s 8 ：s 2 ，s 3 s 6 ，s 7 。 ，图2 - 6全h 桥驱动的两相开关混合式电动机的模型 当功率管s 1 和s 4 导通时，电流正向流过a 相绕组，当功率管s 5 和s 8 导通 时，电流正向流过b 相绕组，如图2 7 所示由此可见，在电动机这种换相的情况 a 1 ， y j l 舀 ，巧 aa 、b 两相正向导通时合成转矩 b 合成转矩久量图 图2 7台成转矩矢量图 下，合成转矩增加了乏倍。每隔9 0 。电角度换相一次，每个功率管通电1 8 0 。电角 度，每个绕组通电3 6 0 。电角度，其中正向通电和反向通电各1 8 0 。电角度。 第二章开关混合式电动机系统的结构及驱动拧制原理 2 4 本章小结 本章在介绍完两相丌关混合式电动机的结构与运行机理后，推导出两，p h r l - - 关 混合式电动机的数学模型，找出电机定子电流与转子永磁体产生磁键和电磁转矩 的关系式，对方波驱动开关混合式电动机的控制方式进行了分析；同时证明了) t 关混合式电动机与永磁凸极同步电动机在作用机理上的相似性。开关混合式电动 机伺服系统可以参考凸极永磁同步电动机的控制策略来研究、设计。 第三章开关混合式电动机位置传感器的原理分析与研翻 第三章开关混合式电动机位置传感器的原理分析与研制 摘要：本章采用了一种利用磁阻式步进电动机磁阻变化实现转子位置检测的方法，利用 气隙比磁导法分析了这种传感器的工作原理。本章给出了这种内置集成位置传感器的设 计方案和理论依据。 位置传感器是转子位置及速度的提供者，它及时地把定转子间的实际相对位 置反馈给控制部分，使转子位置与绕组通电的相序很好地配合起来。它也是实现 最佳超前角控制的依据。 目前，大多数开关混合式电动机的控制器都采用直接位置传感器，例如光电 码盘，霍尔效应传感器等。直接位置传感器的价格比较昂贵，往往要占小功率开 关混合式电动机系统总成本的较大一部分；同时，直接位置传感器与电机的机械 连接及直接位置传感器和控制器的电连接都使得系统的可靠性降低。而且，由开 关混合式电动机的结构可知，它易于改变相数和分辨率，因此，市场提供的直接 位置传感器规格也不一定都能满足开关混合式电动机系统的要求。自从1 9 8 5 年 ppa c a r n l e y 提出通过监测s r m 相绕组电流实现位置检测的方法以来，对非直 接位置传感驱动系统的研究发展飞速。近年来国外发展的有关无位置传感器的位 置信号检测方法主要有一下几种：反电势法，瞬间电压方程法( b l d c ) ，调制解 调法以及电感法( s r m ) 。以上这些波形检测技术工作于电机的特定时刻，不能获 得连续的转子位置信息“”1 。 鉴于上述原因，本文设计了一种新颖的连续转予位置检测技术。磁阻式步进 电机的电感是转子位置的周期函数，通过在电机主极上缠绕电感线圈检测磁阻式 步进电机的磁阻变化，从中提取出基波信号作为转子位置反馈信号构成闭环驱动 系统，解决了开环的失步、震荡问题，改善了系统动态品质，降低系统成本和体 积，这对理论和应用都具有重要的意义。 3 1 开关混合式电动机位置传感器的结构设计与理论分析 由于磁阻式步进电动机的双凸极结构决定了其电感及电感变化率随转子位 置变化而变化。在定予极与转子极对齐位置，电感值最大：在定子稽与转予极对 齐位置，电感值最小，在这两个位置之间相电感连续变化。本文所要探讨的这种 用于开关混合式电动机位置闭环控制系统中的新型内置式位置传感器就是利用 2 1 浙旺大学坝 学位论立 磁阻式步进电动机的这个特点研制而成的。 本文设计的内置式位置传感器实质上是一台与主电机同轴的磁阻式步进电 动机。通过对磁阻式步进电动机定子线圈电感的变化进行检测，来获得转子的当 前位置。 3 1 1集成位置传感器的结构 集成位置传感器位于开关混合式电动机内部，结构如图3 1 所示。从图3 1 可看出新型电动机的结构是在正常的电动机定转子之外加叠了一段定转子，其定 传感器 永磁体 定子 转子 铝环 图3 - 1电机及传感器结构分布幽 子上绕以检测电感线圈用于产生转子位置信号。从结构上看，加叠的一段定转子 类似于单段二相变磁阻步进电动机。集成位置传感器定转子硅钢片与开关混合式 电动机的定转子硅钢片完全相同，集成位置传感器定子齿与开关混合式电动机定 子齿对齐，集成位置传感器转子齿与丌关混合式电动机转子某一段的齿对齐，因 而集成位置传感器定转子齿层结构与开关混合式电动机某一段完全相同。由于只 是加叠一段定转子，所以易于制造且易于保证相位关系。与传统的外配直接位置 传感器如光电码盘相比，成本低，易于使用，无运行中的位置漂移，简化了系统 结构： 第三章开关混合式电动机位置传感器的原理分析与研制 图3 - 2传感器定子绕组结构分布图 系统中，传感器定子8 极，采用与混合式步进电动机相同的定子硅钢片，定 子极上绕检测线圈，如图3 2 所示，给出了传感器线圈的连接方式。对极检测线