（电机与电器专业论文）新型永磁开关磁链电机的无位置传感器控制.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e tf l u x s w i t c h i n gm o t o r s ( p m f s m ) i san e wt y p eo f d o u b l ys a l i e n tm o t o re x c i t e db yp e r m a n e n tm a g n e t s ，d e v e l o p e db a s e do n t h e r e s e a r c ho fn o v e ld o u b l ys a l i e n tm o t o r sw h i c hi se v o l v e df r o ms w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r t h em o t o rh a sb o t hc o i l sa n dp e r m a n e n tm a g n e t si nt h e s t a t o r , b u tn o ti nt h er o t o r ，s ot h es t r u c t u r ei sv e r ys i m p l ea n dt h ec o s to f m a n u f a c t u r ei sv e r yl o w t h em o t o rc o m b i n e st h em e r i t so fb o t hs w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o ra n dp m m o t o r , s u c ha sh i g ht o r q u ed e n s i t y , h i g he f f i c i e n c y , s i m p l es t r u c t u r e ，r o b u s t n e s s ，f a u l tt o l e r a n c e , e t c ，a n di t sc o n t r o lm e t h o di s s i m i l a rt ot h ec o n v e n t i o n a lb r u s h l e s sd cm o t o r s h o w e v e r , i nap m f s m ，i ti sn o tp o s s i b l et o i n s t a l li n e x p e n s i v eh a l l s e u s o r so nt h es t a t o rt od e t e c tt h er o t o rp o s i t i o n ；o nt h eo t h e rh a n d , i ti sn o t f e a s i b l et oi n s t a l lh a l ls e n s o r so nt h er o t o rs i n c eas l i pr i n gw o u l db en e e d e d w h i c hr e s u l t si nl o wr e l i a b i l i 哆a n dc o m p l e xs t r u c t u r e o p t i c a le n c o d e ri s d o a b l eb u tt o oe x p e n s i v e s os e n s o r l e s sc o n t r o lb e c o m e sac h e a pf e a s i b l e o p t i o n i no r d e rt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fs e n s o r l e s sc o n t r o la n dt h ec o n t r o l s i m i l a r i t yo f p m f s ma n db l d c m ，ag e n e r a ls e n s o r l e s sc o n 仃o l l e ru s i n gt h e a s i cm i a 4 2 5i sd e s i g n e d , a n di ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oac o n v e n t i o n a l b l d c ma n dt w on o v e lp m 匝s m s i nt h ep r o c e s so fm l 4 4 2 5c o n t r o l l e rr e s e a r c h ，i ti sf o u n dt h a ts o m e m o t o r sa r ed i f f i c u l tt os t a r td u et ot h es i g n i f i c a n tc o g g i n gt o r q u e i no r d e rt o s o l v et h i sp r o b l e m , m e t h o d so fs k e w i n gr o t o ra n do p t i m i z i n gs l o to p e n i n g a r ea p p l i e dt or e d u c et h ec o g g i n gt o r q u eo fp m f s ma n db l d c m t h e c o g g i n gt o r q u ei sr e d u c e da n dm o t o r sc a ns t a r ts u c c e s s f u l l y m a t l a bs i m u l i n km o d e lo fp m f s mi sd e s i g n e df o rf u r t h e rs t u d y , w h i c hc o n s i d e r st h ef l o a t i n gp h a s ew h e nt h ep m f s mi so p e r a t e di nt h e i l 浙江大学硕士学位论文 b l d cm o d e an o v e ls e n s o r l e s sc o n t r o ls t r a t e g yw i t hi n i t i a lp o s i t i o ne s t i m a t i o ni s d e v e l o p e d , u s i n gt h eu n i q u ew i n d i n gi n d u c t a n c ev a r i a t i o nw i t ht h er o t o r p o s i t i o n t h em e t h o di sv e r i f i e dw i t ht h es i m u l i n km o d e lm e n t i o n e da b o v e k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e tf l u x - s w i t c hm a c h i n e ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，m a t l a bs i m u l i n k , s e n s o r l e s sc o n t r o l 。i n i t i a lr o t o rp o s i t i o n e s t i m a t i o n ，i n d u c t a n c em e a s u r e m e n t 1 1 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 提要：本章介绍了课题的目的和意义；综述了永磁开关磁链电机的研究与发 展；综述了直流无刷电机的无位置传感器控制；最后介绍了本文的主要研究内容 及章节安排。 1 1 课题的目的及意义 电机是人类最主要的机电能量转换装置，它已经深入到人们生产生活的各个 角落。随着永磁材料技术、电力电子技术、计算机仿真辅助分析、微机控制等相 关学科的进步，永磁电机逐渐发展成为一种高效节能高性能的电机，越来越多的 驱动场合从非电机驱动改为电机驱动，例如电动车辆和电动燃油呼吸器。这也是 人类追求与自然界和谐发展、追求环境保护的必然结果。 2 0 世纪7 0 年代以来，现代电力电子技术的发展突飞猛进，许多新型的性能 优越的功率器件开始涌现，如应用广泛的i g b t 和m o s f e t 。这大大方便了永磁 电机的控制电路的设计与制造。 计算机硬件和计算机仿真技术的高速发展使得永磁电机的本体设计和控制 策略设计能够得到快速准确的验证，这大大提高了永磁电机的研究和开发速度。 微机控制技术的越来越成熟，涌现了一大批优秀的控制芯片，促使微机实时 控制技术在工业生产中普及开来。这便使得软件实现永磁电机的控制策略成为可 能。 2 0 世纪6 0 年代后期和7 0 年代，以钐钴( s m c o ) 为代表的稀土永磁体开始 出现，虽然其性能较好但价格昂贵，无法广泛应用，8 0 年代初到9 0 年代，出现 了热稳定性和抗腐蚀能力都很强钕铁硼( n d f e b ) 永磁体，将永磁电机的研究开发 推进到一个崭新的阶段。我国的稀土矿蕴藏量是世界其他国家总和的4 倍左右， 稀土矿和稀土永磁体的年产量都在世界上名列前茅，因此发展永磁电机对我国工 业发展有着重要的实际意义。 永磁开关磁链电机( p e r m a n e n tm a g n e tf l u x s w i t c h i n gm o t o r s ，简称p m f s m ) 是一种由永磁体产生励磁磁场的双凸极电机，它是从开关磁阻电机演变而来的。 浙江大学硕士学位论文 它的电枢绕组与永磁体都安装在定子上，转子只是由导磁冲片叠装而成，加工非 常简单。这种电机结合了永磁电机和开关磁阻电机的优点，转矩密度大、效率高、 鲁棒性强、容错性强， 并且在控制方式上与传统直流无刷电机( b r u s h l e s sd c m o t o r s ，简称b l d c m ) 极为相似。 然而，由于永磁体安装在定子上，不易在定子上安装价格低廉的霍耳传感器 来检测转子位置，若在转子上安装霍耳传感器将需要滑环，可靠性低、结构复杂 没有可行性。光电编码盘虽然可用，但价格过于昂贵。因此，无位置传感器控制 成为一种经济可行的备选方案。本文主要对这种电机的无位置传感器控制进行了 研究。 1 2 开关磁链电机的研究概况 无刷电机( 无机械换向器的电机) 按照转矩产生的机理来划分，可将电机分 成两大类：电磁式和变磁阻式。电磁式电机是通过定转子上的两组磁场的相互作 用而产生的电磁转矩使电机转子运动的；变磁阻式电机是根据磁链以磁阻最小路 径闭合的原理来工作的，当电机工作时，转子会选择磁阻最小的路径，从而产生 的磁阻转矩达到转予转动的目的。 变磁阻式无刷电机的最主要代表就是双凸极结构的开关磁阻电机( s r m ) 。 其他双凸极且转子不含绕组或永磁体的电机都是从开关磁租电机的基础上演变 出来的，这类电机绕组或永磁体只安装在定子上，转子上直接由冲片叠装而成， 制作工艺简单。当然存在一些缺点：转子位置信号的取得方法较为复杂，控制成 本高；电机磁场存在严重的非线性，转矩脉动和噪声较大；调速控制策略较为复 杂。 由于永磁材料的突破性发展，永磁无刷电机成为一种在各种应用场合普及的 电磁式无刷电机。按永磁无刷电机电枢的反电势不同，可分为反电势为正弦波的 无刷交流电机( 也称永磁同步电机，简称b l a c ) 和反电势为方波的直流无刷电 机( 简称b l d c ) 。其中，无刷交流电机控制复杂，可精确控制，主要应用于对 精度和动态响应速度有严格要求的伺服系统。而无刷直流电机控制简单，主要应 为于各种电力拖动的场合。永磁无刷直流电机控制方法相对简单，但是在制造成 本、鲁棒性、可靠性等方面都不如变磁阻式的双凸极无刷电机。 浙江大学硕士学位论文 于是，结合这两种电机的优点的永磁开关磁链电机( p e r m a n e n tm a g n e t f l u x s w i t c hm a c h i n e s ，简称p m f s m ) 应运而生，它既有变磁阻式双凸极无刷电机 结构简单、鲁棒性强、可靠性高的优点，又有无刷直流电机噪声振动小、控制简 单的优点。 s e r a u c h 等人第次提出了永磁开关磁链电机的概念 r a u 5 5 】，提出了应用 于航空设备，是导弹制导系统的电源部分的4 2 、4 6 两种结构的单相永磁开关磁 链发电机，图1 1 所示。 随后e m m a n u e lh o a n g 等人提出了另一种应用于飞机燃油呼吸器用的1 2 1 0 - - - 相永磁开关磁链电机 h o a 9 7 ，该电机转子极数较多，因此适合中低速应用场合。 如图1 2 所示。其基本工作原理如图1 3 所示。 近期 f e i 0 6 提出了两种结构的永磁三相开关磁链电动机可用于中速或较高 速运行( 6 4 与6 5 ) ，结构更加简单，其理论拓扑如图1 4 所示。 q )( b ) 图1 - 1 单相永磁开关磁链发电机的截面图 ( a ) 4 2 结构，( b ) 4 6 结构 浙江大学硕士学位论文 图1 2 新型的三相1 2 1 0 结构开关磁链电机的截面图 图卜3 永磁开关磁链电机的工作原 镪， 图l - 4 原始的三相开关磁链电机截面图 ( a ) 6 4 结构，( b ) 6 5 结构 本文主要研究的对象是 f e i 0 6 提出的6 4 和6 5 结构的p m f s m 。 正 浙江大学硕士学位论文 1 3 永磁直流无刷电机无位置传感器控制技术概述 1 , 3 1 位置传感器的弊端 2 0 世纪5 0 年代出现的永磁无刷直流电动机由于其无换相火花、运行可靠、维 护方便、结构简单、无励磁损耗等众多优点，得到越来越广泛的应用。 传统的永磁无刷直流电动机需要在电机本体上安装位置传感器，用于获得转 子的位置信号，从而给逆变器提供必要的换相脉冲。它的存在给永磁无刷直流电 机的制造和应用带来了很多不便，甚至可以说是缺陷。 ( 1 ) 位置传感器会增加电机的体积、重量和成本，使其机械加工复杂化； ( 2 ) 在某些特殊的工作环境恶劣的场合，例如，密封的空调压缩机中的强 腐蚀性制冷剂中和超高速电机的高温铁芯中，常规的位置传感器根本无法使 用； ( 3 ) 特别是对于极对数较多的电机，传感器的安装精度还会严重影响电机 的运行性能，增加生产的工艺难度； ( 4 ) 位置传感器本身的缺陷会降低电机运行的可靠性，例如，现在应用最 为广泛的霍尔传感器会存在一定程度的磁不敏感区； ( 5 ) 位置传感器的众多引出线也存在着安全隐患。 1 3 2 无位置传感器控制方法的研究现状 为了消除位置传感器所带来的问题，永磁无刷直流电动机的无位置传感器控 制成为了国内外较为热门的研究课题，并针对不同的电机性能和应用场合提出了 很多不同的控制理论和实现方法，他们在本质上可分为反电势检测法和电感法。 ( 1 ) 反电势法 s h e 0 6 ： 通过检测电机绕组的反电动势来获得位置信号的方法，一般统称为“反电 势法”。根据对反电势的不同处理方法，反电势法又可以主要分为：反电势过零 检测法、锁相环技术法、定子三次谐波法、续流二极管状态检测法、磁链观测法、 涡流效应法等。 a 反电势过零检测法 i i z 8 5 m a t 9 2 s h e n 0 3 b 】 无刷直流电机电枢绕组的感应反电势是正负交变的，当某相绕组反电势过零 浙江大学硕士学位论文 时，转子d 轴与该相绕组轴线重合，因此如果能检测到各相反电势的过零点，就 能够获得转子的几个关键位置。三相六状态运行的直流无刷电机在任意时刻总有 一相绕组是不导通的，此时该绕组的端电压( 从绕组端部到直流地之间1 或相电压 ( 从绕组端部到中心点之间) 就反映出该相绕组的感应电势。该感应电势由反电势 和电枢反应电势组成。由于无刷直流电机的等效气隙一般较大，电枢反应电势通 常比反电势小得多，因此，一般将非导通绕组的端电压或相电压中反映出来的感 应电势视作反电势。在实际应用场合，绕组中心点往往是不引出的，所以，通常 将非通电绕组的端电压用于无传感器控制。这种方法容易实现，但往往带有很多 噪声信号；而且，续流二极管导通引起的电压脉冲将覆盖掉反电势信号。尤其是 在高速、重载、或者绕组电感很大等情况下，续流二极管导通角度很大，可能使 得反电势无法检测。另一方面，在有些无刷直流电机中电枢反应比较强，使得非 导通相的感应电势包含较大的电枢反应电势成份，这样从端电压中提取反电势就 存在较大的误差。 b 锁相环技术法 p l u 9 0 m i c 9 7 1 在每个6 0 度电角度区间内，锁定不通电绕组的反电动势，根据其变化，来获 取位置信息。积分器对非导通相的相电势作积分，积分时间对应为6 0 度电角度。 在通常的换流条件下，积分是从反电势过零点前3 0 度电角度开始，到过零点后3 0 度电角度为止，因此积分结果为零。那么电路中的一个压控振荡器的输入电压就 保持不变，其输出频率也不变。因为压控振荡器的输出信号是触发一个环形分配 器来决定电机的换流时序，所以电机的换流频率也不变，继续保持正常的换流相 序。这种技术的优点在于：毛刺、干扰可以被积分器及压控振荡器前的r c 网络 有效滤除；环形分配器直接由压控振荡器的输出信号触发，而压控振荡器本身有 很好的抗干扰性，其输出信号不含干扰，因此不会出现误触发；不需要参考电压， 因此不受电机参数离散性的影响。m i c r ol i n e 盯公司的无位置传感器无刷直流电 机专用控制芯片m l 4 4 2 5 4 4 2 6 就是采用锁相环技术。但是该方法也存在一些弊 端，例如会被续流状态的脉冲电压干扰，而且反电势过零点一旦被掩盖未能测得， 将导致积分器无法到零而控制失败。另外，该方法的硬件电路需要有二分频电路、 锁相环电路等，结构较为复杂。 c 定子三次谐波法 j u f 8 7 m o r 9 6 s h e n 0 3 a 浙江大学硕士学位论文 反电势波形中若包含了三次谐波分量，将此分量检测出来并进行积分，积分 为零( 用过零检测器) 时即得功率器件的开关信号。三次谐波最有效的检测方法是 在星形连接的绕组端口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。电机的中性点没有引出线或不便引出时，不能用这种办法。当三次谐 波的幅值小于反电势的幅值，检测不易，特别是低速的情况下，信噪比过低。 d 续流二极管状态检测法 o g a 9 1 】 这种方法是通过监视逆变器里的电流通路来获得转子位置信息，通过设计一 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。三相六状态方 式运行的无刷直流电机三相绕组中总有一相处于断开状态，监视六个续流二极管 的导通状态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，依次触发各个状态的功率 管。这种方法本质上也是反电势法。该方法可以提高电机的调速范围，主要是可 以拓宽电机的转速下限。但是这种方法要求逆变器必须工作在上下功率管轮流处 于p w m 斩波状态，增大了控制难度。另外，对于续流二极管导通的无效信号和 毛刺干扰造成的误导通信号的滤波去除也不易实现。这种方法的转子位置误差也 比较大，反电势系数、绕组电感量不是常数、反电势波形不是标准的梯形波等都 会造成转子位置误差，这就需要一定的补偿措施。正因为以上的种种缺点，所以 这种方法在国内应用并不是很广泛，相对来说技术也不是很成熟，还有很多研究 和改进的工作要做。 e 磁链观测法 对反电势积分即得磁链，所以可以认为磁链观测法是一种特殊得反电势法。 这种方法通过所测得的实时相电流和电压通过状态方程计算出实时的电机磁链， 并通过磁链来获得转子位置信号。这种方法应用与正弦波反电势的无刷交流电机 能够获得较高精度的转子位置信息，因此主要应用于正弦波驱动的无刷交流电 机。 涡流效应法 这种方法采用在永磁转子表面粘贴部分非磁性导电材料，利用定子绕组高频 开关工作时非磁性材料上的涡流效应，使开路相电压的大小随转子位置角而变 化，再通过检测电路检测出开路相电压的变化，从而有效地检测出转子的位置角。 浙江大学硕士学位论文 这种方法完全排除了反电势的利用，能有效克服通常的无位置传感器的无刷直流 电动机在起动和低速运行时，由于反电势过小而带来的运行困难，能够保证起动 和低速运行时可靠地工作。该方法并不增加电机的体积和接线，是无刷直流电动 机取消位置传感器的一种有效方法。但是该方法改变了电机的结构，给加工带来 了难度。 总的来说，反电势法是目前比较成熟的无刷直流电机无位置传感器控制方 案。但是，这种方法在电机零速和低速时由于反电势无法检测，所以存在缺陷。 ( 2 ) 电感法： 对于凸极电机，包括所有存在凸极效应的电机( 例如内嵌式永磁无刷电机) ， 由于凸极效应的存在，电枢绕组的电感是转子位置角的函数，即可以通过测量绕 组的电感来获取转子位置角的信息。 对于无刷交流( 永磁同步) 电机来说，一般采用注入高频交流信号来实时测 量绕组电感。当用远远高于电机供电电压矢量旋转速度的小幅值旋转矢量注入绕 组时，由于电感变化，其所产生的响应电流旋转矢量是一个围绕转子凸极的椭圆。 磁极凸极处对应的绕组电感最大，当旋转电压矢量经过凸极时其电流响应最小且 滞后电压矢量9 0 度，因此电流矢量的空间轨迹将是一个长轴与凸极方向重合的椭 圆。这样就可以得到高分辨率的转子位置角信号 j a n 9 5 】【q i n 0 4 l i u 0 5 。 对于无刷直流电机的控制方式来说，一般采用高频方波脉冲注入的方式来测 量绕组的电感。在高频条件下，l - u t o n i f c ，其中l 为所测电感，u 为注入方 波脉冲的幅值，t o n 是脉冲宽度，i r e 是绕组内的电流变化量( 也就是在该脉冲内 电流的峰值) 。这样，便可以通过比较各相脉冲的响应电流峰值来比较各相电感 获取换向点的信息 m a t 9 4 。 电感法是一种适用于零速和低速的方法，可以作为反电势法的一种有效补 充。 ( 3 ) 无位置传感器控制策略的启动方式 对于反电势法，由于在零速和低速状态，电机的反电势无法获取。因此，一 般采用通过先给特定的两相供电，强制电机转子定位，然后再通过开环加速的方 法使电机加速至能够测得反电势的转速，最后切换至反电势法控制方式。这种方 法一般成为“三段式”启动方式。 浙江大学硕士学位论文 可以看到，基于反电势的“三段式”启动策略不能使电机平稳启动。 对于电感法，可通过在电机转子静止状态给电机各相一个同样宽度的小脉 冲，通过比较响应电流的大小，响应电流得最大点就是转子磁极对正的绕组。由 于磁路饱和效应，通过判断该相正负脉冲获得的响应电流大小不同判断出转子极 性 t a k 9 6 】 w a r 9 6 w a t s 9 y a m 9 5 t a d 9 6 。 可以看到，电感法可以实现电机的平稳启动。 1 4 本文的主要内容和章节安排 本文研究对象为6 4 和6 5 两种结构新型p m f s m 的无位置传感器控制策略， 制作了通用无位置传感器控制器运行了普通b l d c m 和新型p m f s m ，解决了电 机因为齿槽转矩过大而无法启动的问题，建立了新型p m f s m 的m a t l a bs i m u l i n k 模型，并在该模型基础上提出了一种基于新型p m f s m 特殊双凸极结构的适用于 零速和低速的无位置传感器控制策略作为反电势法无位置传感器控制的有效补 充。全文内容安排如下： 第1 章介绍了课题的目的和意义；综述了开关磁链电机的研究与发展；综 述了直流无刷电机的无位置传感器控制；最后介绍了本文的主要研究内容及章节 安排。 第2 章主要验证了无位置传感器控制方案的可行性以及p m f s m 与传统 b l d c m 在控制方式上的相似性。设计了基于m l 4 4 2 5 反电势锁相环法无位置传 感器控制专用芯片的通用控制器，并使用该控制器成功运行了一台电动三轮车用 的b l d c m 和两台新型p m f s m 。 第3 章主要解决了在m l 9 4 2 5 控制器实验过程中发现的有的电机齿槽转矩 过大启动困难甚至无法启动的问题。作者使用转子斜槽和优化槽开口宽度的方法 分别针对p m f s m 和b l d c m 的齿槽转矩进行优化设计，在不改变电磁性能的情 况下，使电机的齿槽转矩大大减小，并能正常启动。 第4 章为了能够方便地深入研究，在m a t l a bs i m u l i n k 平台建立了新型 p m f s m 的仿真模型，该模型考虑了直流无刷运行时的悬空相电压浮动。 第5 章在第4 章仿真平台的基础上提出了一种基于新型p m f s m 特殊双凸 浙江大学硕士学位论文 极结构的适用于零速和低速的无位置传感器控制策略，作为反电势法无位置传感 器控制的有效补充。 第6 章进行全文总结，并提出了继续深入研究所需要做的工作。 浙江大学硕士学位论文 第二章基于反电势法的通用无位置传感器控制器 提要：本章首先介绍了基于反电势法的通用无位置传感器控制专用芯片 m l 4 4 2 5 的基本工作原理，介绍了作者所设计的基于m l 4 4 2 5 的通用控制器，最后 用该控制器运行了普通b l d c m 和新型p m f s m ，验证了两者在控制上的相似性。 2 i 无位置传感器控制专用芯片1 t i , 4 4 2 5 m i c 9 7 m l 4 4 2 5 控制器具有起动和控制接或y 接无刷直流( b l d c ) 电机的功能，并 且不需要霍尔传感器。从电机绕组传感的反电势电压信号，利用锁相环( p l l ) 即 可确定正确的换向时序，这技术可以在宽转速范围内使三相无刷电机换向，并且 对p w m 噪声和电机缓冲电路的干扰不敏感。 m l 4 4 2 5 利用p 州控制回路，限制电机的工作电流。m l 4 4 2 5 电路能保证没有 穿透电流干扰而直接驱动外部功率m o s f e t 。“三段式”起动程序的定时由三个可 供选择的定时电容器来确定，这就能够适应大范围变化参数的电机和负载。 m l 4 4 2 5 的主要性能如下： i ) 可独立工作； 2 ) 通过i c 控制电机的起动和停止： 3 ) 机载起动时序为定位一升速一切换； 4 ) 获专利的反电势换向技术为最短的“自转”时间提供了无抖动转矩； 5 ) 具有机载速度控制环； 6 ) 用于换向的锁相环p l l 可对p w m 产生的尖峰脉冲噪声的抗干扰创造条件， 其作用与噪声传感过零技术相似； 7 ) p w m 控制可得到最高效率； 8 ) m o s f e t 直接驱动1 2 v 电机：驱动高压电机需要用i r 、i x y s 、h a r r i s 、p o w e r i n t e g r a t i o n 、s i l i c o n i x 等公司生产的i c 缓冲器或分立元件的缓冲器， 本文采用了i r 2 1 3 0 。 m l 4 4 2 5 有二种封装型式，其引脚排列如图2 - 1 所示。它们的内部功能方框 图如图2 2 ( 以2 8 引脚为例) 所示。本文使用的是窄型芯片。 浙江大学硕士学位论文 霉l 喜嚣；l 喜。l 莲薯霉善 e = jl 蕊。磊。纛焉篇篇三盘三盘三撬篡i 善g 窖i 耋l 著妻妻篝蓦誊2 ( 幻窄型2 8 脚( b ) 方形3 翻印 图2 - 18 , 4 4 2 5 集成电路两种封装型式 钿 t 目 q 图2 - 2m l 4 4 2 5 电机控制器内部功能框图 m l 4 4 2 5 为无传感器型速度控制的三相直流无刷电动机提供了全部电路。控 制器的功能包括：起动电路、反电动势换向控制、脉宽调制p w m 的速度控制、 固定的停歇时间电流限制、制动、欠压保护。 起动电路先把电机定位在已知位置，随后开环加速电机，直到产生一个能被 检测到的足够大的反电势信号。通过内部电路构成的一个锁相环路，反电势取样 电路可控制换向时序。换向控制电路又输出一个速度反馈( s p e e d f b ) 信号，用于 浙江大学硕士学位论文 速度控制回路。速度控制回路由一个误差放大器和p w m 比较器组成，它产生 一个p w m 占空比调节速度。电机电流由一个固定停歇时间p w m 关闭比较器来 限制，它受控于外部传感电阻器。 换向控制、p w m 速度控制和电流限制共同结合，产生输出驱动器信号。六 路输出驱动器用于提供选通信号给外部三相桥式功率级，按直流无刷电机的电压 和电流要求进行测量。其它功能包括：制动功能和欠压保护电路。一旦m l 4 4 2 5 供电v d o 变为欠压时，可关闭输出驱动器。 三相直流无刷电机需要电子换向以实现旋转式运动。电子换向则需要三相全 桥式功率开关轮流导通和截止来实现。为了实现旋转需要，必须只在一个方向上 产生电磁转矩，因此换向是由转子的位置决定的。因此m l 4 4 2 5 中的电子换向是 根据转子位置信息按恰当的时序，通过接通某相中的下管和另一相的上管来完成 的。 上管和下管的导通，共有6 个组合( 6 种开关状态) ，它们构成了一个完整的 换向循环周期。这6 种组合在图2 - 6 和表2 - 1 中予以说明，并用状态a 、b 、c 、 d 、e 、f 分别作标记。该时序已编程在m i a - 4 2 5 换向状态机器中。换向状态机 器的时钟脉冲是由压控振荡器( v c o ) 来提供的。 。：卜斗卜+ 叫：卜+ _ 叫： 黼l j ：l u ：l ：u 稍一 ：广1：r t 1 ik - _ iii k 删州_ 一 i q 乙| | | 瓣峨删ii 璩 ii ；阳；ii 删 ii ii i ii l iliii 图2 - 6 输出换向时序的定时波形 ( 循环周期1 - 完整的换向；循环周期2 ：按5 0 p w m 占空比换向) 浙江大学硕士学位论文 状态输出输入取样 l a l bl ch ah bh c 复位 0 f f0 no f f0 no f fo nn f a a c 相o f fo f f0 no no f fo f f f bb b c 相 0 f fo f fo no f fo no f ff b a b a 相 o n o f f0 f fo f fo n o f ff b c c a 相o n0 f f 0 f f0 f f0 f fo n f bb c b 相o f fo no f fo f f0 f fo nf b a a b 相 o f f0 no f f o n0 f fo f ff b c 表2 - 1m l 4 4 2 5 的6 种换向状态功能 2 2 通用无位置传感器控制器的设计 在三相桥式逆变器中有六个功率开关器件，因此，需要六个驱动器，而每个 驱动器又需要一路独立的电源，这给系统设计带来了不便，而且系统较为庞大。 i r 2 1 3 0 是美国国际整流器公司( i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r ) 生产的功率m o s 器 件( 或i g b t ) 栅极驱动集成电路，它能输出六路驱动信号，并且由于内部设有自 举式悬浮电路，因此只用一路电源，使系统设计极为简化，图2 - 7 。因此，本文 采用了此款芯片来驱动i g b t 逆变器。 日m 。嚣 a 嘲 h w i v o cv 2 j；埘； l 用粉m 0 1 2 a byi 翮y i ， 日四 r _ 一斗 稿 ； 1 i v 一! 少 i v ta ，l l | lq 柚 一手p 删 图2 7i r 2 1 3 0 的自举工作方式 m l 4 4 2 5 的p 通道输出驱动为射随型并允许5 m a 的下拉电流以加速关断，n 通道输出驱动为图腾柱型。而i r 2 1 3 0 是用于m o s 功率器件驱动的专用集成电路， 浙江大学硕士学位论文 它和m l 4 4 2 5 的工作电源电压相同，因此系统中仅需一个输入级电源，并且i r 2 1 3 0 可对同一桥臂上高端和低端m o s f e t 的驱动信号产生互锁延时以有效地保护功率 元件，而且其输入电平与t t l 或c m o s 电平兼容，可方便地嵌入m l 4 4 2 5 系统。另 外，由于m l 4 4 2 5 的p 通道输出信号为反相输出，因此在驱动i g b t 前必须经反相 处理。 这样，控制系统就主要由两部分组成，m l 4 4 2 5 和i r 2 1 3 0 ，它们分别进行电 机启动及换向控制和i g b t 逆变器的驱动。系统原理图如图2 - 8 所示。 图2 8 基于m i _ a 4 2 5 和i r 2 1 3 0 的通用无位置传感器控制器原理图 2 3 通用无位置传感器控制器实验 根据上述原理图，作者实际制作了控制器与逆变器封装一体的通用无位置传 感器控制器，其内部元件组成如图2 - 9 所示，并应用该控制器运行了b l d c m 与 浙江大学硕士学位论文 p m f s m ，实验装置如图2 1 0 所示。实验表明p m f s m 与b l d c m 运行方式相似。 图2 - 9m l 4 4 2 5 控制器实物图 图2 - 1 0b l d c m 与p m f s m 运行实验装置图 浙江大学硕士学位论文 2 3 1 控制器运行传统b l d c m 实验 本文所设计的控制器能够使电动三轮车用4 8 v 、5 0 0 w 规格的1 2 槽1 4 极b l d c m 正常运行，但是电机存在启动困难的问题，这是由齿槽转矩过大引起的，这个问 题在下一章中进行解决。该电机在4 8 v 电压下空载运行的稳态转速为1 3 7 1 r p m ， 空载电流为1 a ，相电压与相电流波形如图2 1 1 所示；在0 2 8 n m 的负载下的转 速为1 3 1 8 r p m ，电流为1 4 a ，如图2 一1 2 。 图2 1 l 电动三轮车用4 8 v 、5 0 0 w 规格的b l d c m 空载波形 图2 一1 2 电动三轮车用4 8 v 、5 0 0 w 规格的b l d c m 加0 2 8 n m 负载波形 浙江大学硕士学位论文 2 3 2 控制器运行p m f s m 实验 利用控制器6 5 结构p m f s m 样机能够正常运行，作者对电机的稳态性能进行 了实验，图2 - 1 3 是6 5 结构样机在空载时候的端电压和相电流实测波形，母线 电压为3 0 v ，稳态转速为5 6 0 0 r p m 。电机在外加负载为0 0 4 2 n m 时，转速为 3 6 0 0 r p m ，电机的端电压和相电流实测波形如图2 1 4 。 图2 1 36 5 结构p m f s m 空载实测波形，( 3 0 v 5 6 0 0 r p m ) 图2 1 46 5 结构p m f s m 在0 0 4 2 n m 负载时的实测波形( 3 0 v 3 6 0 0 r p m ) 浙江大学硕士学位论文 6 4 结构p m f s m 样机由于齿槽转矩过大，使用控制器无法正常启动， 这个问题将在下一章中进行解决。 从以上实验可以看到，p i d f s m 和b l d c m 在运行方式上有着很大的相似性。换 言之，再正常运行阶段，二者都可以用反电势法进行无位置传感器控制。 2 4 本章总结 本章首先介绍了无位置传感器控制专用芯片m l 4 4 2 5 的工作原理，并且设计 了由i r 2 1 3 0 驱动i g b t 逆变器、m l 4 4 2 5 速度电流双闭环控制电机的控制器系统， 并使用控制器成功运行了电动三轮车用b l d c m 和新型p m f s m ，验证了新型 p m f s m 与b l d c m 在控制方式上的相似性。本章还发现电机的齿槽转矩过大会 导致电机启动困难甚至无法启动，这个问题将在第3 章中进行研究解决。 浙江大学硕士学位论文 第三章面向减小永磁电机齿槽转矩的优化设计 提要：上一章中发现永磁电机的齿槽转矩过大会影响电机的正常启动，本章 首先通过改变槽开口宽度对普通b l d c m 的齿槽转矩进行了抑制，使得电机能够正 常启动；然后通过转子斜槽的方法，减小了6 4 结构p m f s m 的齿槽转矩，使得电 机能够正常启动。 3 1b l d c m 槽开口的优化设计 注：本节为某横向科研瑷目的一部分，i 妥进行电动三轮车甬b l d c h 本体的优化设计 作者b 经完成该项目， 永磁电机的齿槽转矩是由永磁体和电枢铁心齿槽结构之间的相互作用产生 的。它表现为在电机绕组未馈入电流的情况下，电机转子总是趋于停在某些稳定 位置，这种趋势将会造成电机运行时的转矩波动、振动和噪声。因此，齿槽转矩 的存在可能严重影响电机的运行性能。齿槽转矩过大时甚至会造成电机无法正常 启动，这是上一章中出现的亟待解决的问题。 很多有效的方法可以用来减小齿槽转矩，诸如：定子铁心斜槽、转子永磁体 斜极、转子永磁体分块、虚拟齿槽、闭口槽结构、不对称结构铁心等等。而这些 方法或多或少地增加了生产加工的难度。于是，在不刻意改变电机结构的情况下， 如何减小齿槽转矩成为电机设计者所关心的问题。 以永磁无刷直流电机来说，可以认为齿槽转矩是由转子的每个磁极中心与对 应的定子铁心槽开口之间产生的不平衡力矩叠加所形成的。而每个不平衡力的大 小很大程度上取决于槽开口的宽度。 本节将基于单个槽开口和一个磁极中心产生的齿槽拉力的移相叠加模型，采 用有限元分析软件i n f o l y t i c a m a g n e = t ，对永磁电机的齿槽转矩与槽开口宽度的关 系进行了分析，并发现在特定槽开口宽度下叠加的转矩会发生互相抵消并出现周 期畸变的情况，这样便能使整体转矩最小化。最后，基于分析结果，作者优化了 电动三轮车用1 2 槽1 4 极面贴式永磁无刷直流电机，验证了结论的正确性。 首先介绍移相叠加齿槽转矩模型： 浙江大学硕士学位论文 近似地，可以将旋转电机展开成如图3 - 1 所示的直线式模型。把相邻的一对 n 、s 极的中心( 即q 轴轴线) 称作磁极中心，则任意一个磁极中心的y 方向受 力是单边磁拉力分量，本文暂不作讨论，而x 方向所受的切向力即为齿槽转矩分 量，将每个磁极中心x 方向所受力矩叠加起来便可近似为电机整体的齿槽转矩。 图3 11 4 极1 2 槽面贴式永磁电机展开模型 对于一个磁极中心水平移过一个槽开口时所受的x 方向力可建立如图3 - 2 模 型进行有限元仿真分析。 i 厂、瓣毓八、 图3 2 一个磁极中心经过一个槽开口的模型 设如图3 - 2 所示磁极中心正对槽开口中心位置为x 轴原点。由对称性可知， 此时磁极中心所受x 方向的力为零。在x 轴方向上平移磁极，经过有限元仿真分 析，得到如图3 3 的切向力波形。 图3 3 中可以看到，当磁极中心离开槽开口时，切向力迅速下降。因此，通 过改变槽开口宽度可以改变波形峰部的宽度，而这将成为改变叠加效果的关键。 v t t l ，l 。 浙江大学硕士学位论文 1 5 0明 a 向 力 ( n ) 弋位移量( 1 l n ) 1 3- 2- 1 i v 3 5 0 - 1 0 0 图3 3 切向平移一对磁极时磁极中心所受切向力 对于任意一个p 极j 槽的永磁电机，设一个磁极中心的受力周期为一个3 6 0 度周期，那么每个槽距所占据的周期口= 3 6 0 。p s ，0 决定了力矩叠加时的相 位移动，也决定了齿槽转矩的周期为p 和s 的最小公倍数。 当槽数j 是极数p 的整数倍时，叠加时的相位移动将是0 的整数倍。以2 极 6 槽电机为例，其口= 3 6 0 。x 2 6 = 1 2 0 ，其可能的叠加波形如图3 4 。 l 、4 橹2 、滑孔湘 八 八人 vvv 扩1 2 扩赳0 3 6 疗 图3 _ 4 2 p 6 s 永磁电机1 至6 槽开口力矩叠加 此类电机的齿槽转矩只能由单槽开口模型完全重复叠加。因此，此类电机的 齿槽转矩较大。 当s p 为分数时，也就时我们通常所说的分数槽电机，叠加时的相位移动将 不是护的整数倍。于是，单槽开口模型的力矩波形在叠加时可能出现正向峰部与 2 2 浙江大学硕士学位论文 反向峰部相抵消，这将大大减小叠加合成后的齿槽转矩。 以4 极6 槽电机为例，每个槽距所占周期0 = 3 6 0 。x 4 6 = 2 4 0 。，那么，两 个槽开口的力矩波形将有4 8 0 。，也就是1 2 0 9 的相移。在特定槽开口下，其可能出 现的叠加波形如图3 5 。 1 0h 卜7， 、 。 j ， 、， 仄一 z 一 一 ； 、 j 、 - ， - 7 0h 3 耐矿1 2 0 2 4 0 k 啪一一2 嘲3 嘲 图3 - 5 4 p 6 s 永磁电机1 至6 槽开1 2 1 力矩叠加 o 8i r a 厂厂八 vvv - o 。8 奴 2 t o 3 6 do 1 酊 图3 - 64 p 6 s 永磁电机叠加合成后的齿槽转矩 可见，这样的叠加能使多个特定磁极中心在所对应的槽开口受力互相削弱， 得到较小的齿槽转矩，如图3 - 6 。因此，分数槽电机的齿槽转矩会比普通整数槽 电机小。 比较图3 - 5 和图3 6 就可以发现，叠加后的力矩周期变短，称为周期畸变。 可以看到，如果更进一步优化槽开口的大小，调整叠加位置，有可能使图3 - 6 的 合成转矩波形在一个周期内继续发生周期畸变，产生更小的齿槽转矩。 浙江大学硕士学位论文 在齿槽转矩的移相叠加理论的指导下，应用有限元分析软件 i n f o l y t i