（电机与电器专业论文）无刷直流电机无位置传感器控制及四开关逆变器控制研究.pdf

a b s t r a c t b r u s h l e s sd c ( b l d c ) m o t o rh a sf o u n dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d so f s e r v os y s t e m s ，e l e c t r i c a lv e h i c l e ，r o b o tc o n t r o la n dh o u s e h o l da p p l i a n c ee t c ，d u et oi t s e x t e n s i v es p e e d i n gr a n g e ，h i g hp o w e rd e n s i t y , l i g h te l e c t r o m a g n e t i cp o l l u t i o na n d h i g hr e l i a b i l i t y t of u r t h e ri m p r o v ep e r f o r m a n c eo fb l d cm o t o rd r i v e ，t h et h e s i s m a k e sd e e pi n v e s t i g a t i o n so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ，i n c l u d i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o l ， s e n s o r l e s sc o n t r o la n dn e w t o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fi n v e r t e r t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fs e n s o r l e s sb l d cm o t o rd r i v e ，r e l a t i o n s h i pb e t w e e n l i n eb a c ke m fa n dc o m m u t a t i o ni n s t a n ti sa n a l y z e dt oi m p r o v eo r d i n a r yb a c k e m f m e t h o d ，a n dan o v e lr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nm e t h o dw i t h o u tw 3p h a s ea n g l es h i f ti s p r o p o s e d p o s i t i o nd e t e c t i n gc i r c u i ti si m p r o v e d ，c o m m u t a t i o nr u l e sa r er e - a r r a n g e d a n de r r o rf r o mf i l t e r i n gi sc o m p e n s a t e d i tc a nb ed r a w nf r o ms i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t st h a tt h em e t h o da v o i d st h ee r r o ri n t r o d u c e db yp h a s es h i f t i n go f m e a s u r e ds i g n a l s ，a n di m p r o v ep r e c i s i o na n dr a p i d i t yo fp o s i t i o nd e t e c t i o n r e c e n t l y , c o s tr e d u c t i o no fb l d cm o t o rd r i v eh a sd r a w nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n o fr e s e a r c h e r s f o u r - s w i t c hi n v e r t e rc a nr e d u c ec o s to fd r i v e r sb yr e p l a c i n gp o w e r d e v i c e sw i t hc a p a c i t o r s 。t h i sw o r kd e s i g n sf o u r - s w i t c hi n v e r t e rf o rt h r e ep h a s eb l d c m o t o r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u r r e n to fp h a s eca n dw o r k i n gm o d eo fm o t o ri s a n a l y z e d c o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt w op h a s ec u r r e n tm e a s u r e m e n ti si m p r o v e d a n o v e lc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do ns i n g l ec u r r e n ts e n s o ri sp r o p o s e da n di m p l e m e n t e df o r f o u r - s w i t c ht h r e ep h a s eb l d cm o t o rd r i v e t h ep r o p o s e dm e t h o da c h i e v e sg o o d p e r f o r m a n c ew i t hr e d u c e dc o s t ，w h i c hp r o v e si ta n e wv a l u a b l er e s e a r c hd i r e c t i o n d e s p i t ei t ss i m p l i c i t ya n dg o o ds t e a d yp e r f o r m a n c e ，t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r c o u l dh a r d l ym e e tt h er e q u i r e m e n to fp r e c i s i o na n df a s tr e s p o n d i n gw h e nu s e di n c o n t r o l l i n gn o n l i n e a rs y s t e m i nt h i sw o r k ，an o v e la p p r o a c ho fc o m p o u n dc o n t r o lf o r b l d cm o t o ru s i n gc e r e b e l l am o d e ln e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e ra n dp i ds t r a t e g yi s p r o p o s e da n dr e s e a r c h e d b a s e do ns t r o n gm a p p i n gc a p a b i l i t yo f n e u r a ln e t w o r k ，t h e p a r a m e t e r so fc o n t r o l l e rc a nb ea d ju s t e do n l i n es ot h a tt h em o t o rs p e e dc a nt r a c k r e f e r e n c ev a l u ev e r yf a s ta n de x a c t l yu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s s i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h a tt h ep r o p o s e di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rh a se x c e l l e n t d y n a m i ca n ds t e a d yp e r f o r m a n c ew i t hv e r ys h o r ts e t t i n gt i m e ，e x t r e m e l yr e d u c e d o v e r s h o t , a n dd r a m a t i c a l l yr e s t r a i n e de f f e c to f1 0 a dd i s t u r b a n t e e l e v a t o rd o o rd r i v ei so n eo fi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n so fb l d cm o t o r as e n s o r l e s s b l d cm o t o rc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e df o ri t i nt h i sw o r k t h es y s t e mb s e s t m s 3 2 0 f 2 812d s pa sc o r ec o n t r o lu n i t ，a n di n c l u d e sp o w e rc i r c u i t s ，d r i v ec i r c u i t s ， i n v e r t e r , s i g n a lm e a s u r e m e n tc i r c u i t s ，p r o t e c t i o nc i r c u i t s ，o p t i c a l l yc o u p l e di s o l a t i o n c i r c u i t s ，a n ds oo n t h em a j o rf u n c t i o n s ，s u c ha ss e l f - l e a r n i n go fd o o rw i d t h ，s m o o t h t r a c ko fs p e e dr e f e r e n c ec u r v e ，a n dp r o t e c t i v ea c t i o nw h e nb l o c k e d ，a r et o t a l l y i m p l e m e n t e d w i t hr e d u c e dc o s t ，l o wn o i s e ，a n dh i g ho p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r , r o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nm e t h o d ，f o u r - s w i t c h i n v e r t e r , c e r e b e l l am o d e ln e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e ra n dp i ds t r a t e g y 独创性声明 本人声明所星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，也不包含为获得墨鲞叁鲎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： 锄 签字日期： 瑚1 年宫月3 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘茔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： 签字日期：二0 0 c 1 年g 月弓日 导师签名： 在讫 签字吼中毋胂日 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 随着社会生产力的飞速发展和人们生活水平的不断提高，能源危机成为人类 生存和发展所需要解决的紧迫问题。电机作为机电能量转换装置，被广泛应用于 工业生产和日常生活中。提高电机的运行性能及控制精度，开发节能高效、运行 可靠的电机系统一直是科研人员的研究热点。 电机类型主要包括同步电机、异步电机、直流电机等。它们各有其适用场合 及优缺点。其中，同步电机输出转矩大、控制精度高、机械特性硬，但其调速方 法复杂、容易“失步”，使得应用场合受到限制；异步电机具有价格低廉、运行可 靠、控制方便等优点，但其平滑调速困难、功率因数低、机械特性软，限制了该 类型电机的推广应用；直流电机具有调速性能优越、起动性能好、运行效率高等 优点，在各种驱动装置和伺服系统中具有其特有的优势，但传统直流电机制造成 本高、维修困难，且采用电刷以机械方式换向，存在机械摩擦，并带来了噪声、 火花以及无线电干扰等问题，使得电机寿命缩短，从而限制了应用范围【1 之】。 为了满足不同的应用需求，各种结合了现代电力电子技术的电机不断涌现。 其中，无刷直流电机结构简单、控制方便、出力大、效率高、电磁性能好，在提 高机电产品质量、延长其使用寿命、节能降耗等方面优势明显，已在航空航天、 工业过程控制、精密机床、汽车电子、家用电器及办公自动化等领域中得到了广 泛的应用。 无刷直流电机的设计思想来源于利用电子开关电路代替有刷直流电机的机 械换向器。二十世纪三十年代，就有学者开始研制采用电子元器件换相的无刷直 流电机，但受到电子器件发展水平的限制，研制出的电机可靠性差、效率低下， 无法实用推广。1 9 5 5 年，美国的h a r r i s o ndb 和r y eny 首次申请了用晶体管换 相线路代替电机机械电刷换向装置的专利，这就是现代无刷直流电机的雏形，但 由于电机尚无起动转矩而不能产品化。1 9 6 2 年，科研人员研制成功借助霍尔元 件实现电子换相的无刷直流电机，从而无刷直流电机由实验室阶段走向了产品 化。二十世纪七十年代初期，随着比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管 的研制成功，出现了借助磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。1 9 7 8 年，原联 邦德国m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易展览会上正式推出m a c 无刷直流电机及其驱动系统，这标志着无刷直流电机真正进入广泛应用阶段。此 第一章绪论 后，随着电力电子技术的飞速发展，新型的高性能半导体功率器件的相继出现以 及钐钴、钕铁硼等高性能永磁材料的问世，无刷直流电机正朝着智能化、高频化 和集成化方向迅猛发展。 目前，国内外对无刷直流电机的定义有差异。有的学者定义梯形波反电势无 刷电机为无刷直流电机，正弦波反电势无刷电机则被称为永磁同步电机：也有的 学者将梯形波反电势无刷电机和正弦波反电势无刷电机统称为无刷直流电机。本 文中无刷直流电机指具有梯形波反电势的无刷电机。 1 2 无刷直流电机结构及特点 无刷直流电机为实现无机械接触换相，用转子位置传感器、控制器及逆变器 共同构成的换相装置代替了电刷和换向片，并将直流电机的电枢绕组和永磁磁钢 倒装，分别安装在定子和转子侧。所以，无刷直流电机是一种典型的机电一体化 产品，其基本结构由电机本体、电子换相电路及位置传感器三者组成，其中电子 换相电路包括控制器、驱动电路及逆变器部分。无刷直流电机基本结构如图1 1 所示。 厂、 直流电源逆变器 。 无刷 7 直流电机 t ) 驱动电路 丁1r 控制器k 一位置传感器l i 皂王麴皇墅i 图1 1 无刷直流电机基本结构图 无刷直流电机保持了直流电机的优点，即优越的起动和调速性能，克服了直 流电机机械换向器和电刷带来的一系列弊端，具有噪音低、电磁干扰小、维护方 便等诸多优点。同时，无刷直流电机采用方波励磁形式，提高了永磁材料的利用 率，减小了电机体积，增大了电机出力，具有高效率、高可靠性的特点。 1 ) 本体结构 无刷直流电机本体在结构上与永磁同步电机相似，主要由包含电枢绕组的定 第一章绪论 子和带有永磁极的转子组成。 无刷直流电机的定子主要包括导磁的定子铁心和导电的电枢绕组。定子铁心 一般由带有齿槽的硅钢环形冲片叠成，并在冲片表面涂绝缘漆或磷化处理以减少 铁心的涡流损耗。有时为了提高机械强度及可靠绝缘，采用环氧树脂对定子进行 灌封。 与同步电机相似，无刷直流电机的定子铁心中嵌有单相或多相对称绕组，电 枢绕组可以星形或者三角形联接，常用绕组形式有整距集中绕组、整距分布式绕 组、短距分布式绕组等。其中，整距集中绕组工艺简单，制造方便，能得到较好 的梯形反电势波形，但因同相绕组的导体集中在同一个槽内，空间利用率低，散 热差。为了有效地利用定子内表面空间、便于绕组散热，可将线圈均匀分散于定 子表面，形成分布式绕组；但受各种因素影响，无刷直流电机采用分布式绕组后 难以得到梯形反电势波形。短距绕组的优点是缩短了绕组端接线，有利于节省材 料、降低成本，但是同样较难得到梯形反电势波形。 无刷直流电机的转子由一定极对数的永磁体镶嵌在铁心表面或者嵌入铁心 内部构成，用以在电机气隙中建立足够的磁场并与定子磁场作用驱动电机转动。 目前，无刷直流电机常用的永磁材料有铝镍钴、铁氧体及稀土永磁材料等。 钕铁硼永磁材料是稀土永磁材料的一种，具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积等优 点，是目前磁性能最好的永磁材料；不足之处是居里温度较低，温度系数较高， 磁性能热稳定性差，易腐蚀，需要特殊的保护涂层。 针对不同的工作环境和应用场合，无刷直流电机有多种转子结构。常见的有 表面粘贴式磁极、嵌入式磁极及环形磁极等。其结构如图1 2 所示。 s n n ( a ) 表面粘贴式磁极转子( b ) 嵌入式磁极转子( c ) 环形磁极转子 图l 2 无刷直流电机转子形式 s 其中，表面粘贴式磁极转子在铁心外表面粘贴径向充磁的瓦片形稀土永磁 体，有时也采用矩形小条拼装成瓦片形磁极，具有结构简单、永磁利用率高及制 第一章绪论 造成本低等优点，被广泛应用于分数槽多极无刷直流电机中。嵌入式磁极转子在 铁心内嵌入矩形永磁体，结构坚固但制作工艺复杂。环形磁极转子在铁心外套上 一个整体稀土永磁环，并且通过特殊方式将环形磁体径向充磁为多极；该种结构 的转子制造工艺相对简单，适用于体积和功率较小的电机。 2 ) 位置传感器 位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置、为逆变器功率器件提 供换相信息的作用。位置传感器种类较多，且各具特点。目前，在无刷直流电机 中应用的位置传感器主要有电磁式、光电式、磁敏式等形式。其中，霍尔位置传 感器是磁敏式位置传感器的一种，体积小，使用方便且价格低廉。因此，在无刷 直流电机控制系统中一般采用霍尔位置传感器作为转予位置检测装置。 3 ) 逆变器 针对不同的应用场合，无刷直流电机存在半桥、c d u m p 、全桥、四开关等 多种逆变器结构。对应绕组星形联接的无刷直流电机，各种逆变器结构示意图如 图1 3 所示。 c a ) 半桥逆变器 ( b ) c d u m p 逆变器 4 第一章绪论 ( c ) 全桥逆变器 一t 。i = d i _ 基 一d 2 c 1 - - 一j l 一 2 f j ar y y n = 砺2=c br 、叩 cr r r n t 3 i = 吕d 3 _ 童心“ c 2 = 一j - 一 ( d ) 四开关逆变器 图1 3 无刷直流电机逆变器结构示意图 各种逆变器结构中，半桥逆变器功率器件少，控制简单，但是绕组利用率低， 转矩波动大；c d u m p 逆变器比半桥逆变器增加了电感和电容，可以实现电机的 四象限运行，但由于本质上仍是单相导通，控制效果有待提高；全桥逆变器提高 了绕组的利用率，减小了转矩波动；四开关逆变器工作原理与全桥逆变器相似， 用两个电容器代替了全桥式的一组功率开关，减小了系统损耗，但增加了控制的 复杂性。 1 3 无刷直流电机的应用 无刷直流电机动态响应快、跟踪误差小且调速范围宽，在提高机电产品质量、 延长产品的使用寿命、节能降耗等方面具有重要意义。目前，无刷直流电机己广 泛应用于社会生产、生活的各个领域。 1 ) 工业领域 在机械制造、数控机床、印刷纺织等领域，采用无刷直流电机伺服控制系统 第一章绪论 作为执行机构，动作快速、定位精确，保证产品质量的同时提高了生产效率；在 一些大功率场合，要求动力电机能在较恶劣的工作环境下精确可控，无刷直流电 机在该领域也有着较好的应用前景，目前已经应用于钢厂轧机传动系统、大型设 备制造系统、抽水蓄能系统等；在机器人驱动系统中，由于无刷直流电机优良的 起动和调速性能，其已在机器人和机械臂驱动领域中逐渐替代步进电机和传统直 流伺服电机；在航空航天领域，由于应用环境的特殊性，优先考虑占用空间小、 安全系数高的动力系统。无刷直流电机的特殊结构特点及其无位置传感器控制方 式，在航空航天用陀螺仪、磁悬浮飞轮系统中得到了较好的应用。另外，经过特 殊设计的无刷直流电机也用于高速离心泵和高速摄像机系统。 随着钕铁硼永磁材料性能的提高和价格的降低，电机的制造成本将不断下 降，无刷直流电机在工业控制领域的优越性将更加明显。 2 ) 办公自动化领域 现代办公产品要求便捷、快速、运行稳定及低噪音，以无刷直流电机作为执 行机构的机电二体化产品可以满足上述要求。在计算机外设方面，微型无刷直流 电机作为计算机硬盘驱动器、光盘驱动器等设备的主轴电机，不仅结构紧凑、运 行速度快、稳速精度高、使用寿命长，而且噪声低、环境适应性强，并能承受一 定的振动和冲击，提高了系统的可靠性；激光打印机产品采用无刷直流电机驱动 已经有较长的历史，它可以在较大范围内速度精确可控，噪音小、可靠性高，具 有很好的市场竞争力；另外，无刷直流电机在复印机、传真机、录音机和l d 影 碟机、碎纸机等办公设备产品也已有很好的应用。 3 ) 家用电器 家用电器正朝着节能、低噪声、智能化和高可靠性方向发展。采用无刷直流 电机直接驱动的波轮式洗衣机省掉了皮带传动及齿轮减速装置，减小了噪音，并 且宽广的调速范围可以得到多种洗衣方式，以适应不同的洗衣需求；在冰箱压缩 机方面，采用无刷直流直线电机的压缩机运行于无位置传感器控制时，省去偏心 轮传动机构，体积小、能耗低、安装方便；盘式无铁心结构的无刷直流电机已广 泛应用于v c d 、d v d 、c d 机等家用电器的主轴驱动电机；并且，无刷直流电 机在汽车空调、安全气囊、电动车门、电动座椅等汽车车载系统中有很好的应用； 在风机方面，无刷直流电机已成功应用于家用空调风机、电风扇、排气风扇等； 电动自行车多采用多极、外转子结构的无刷直流电机，其技术已较为成熟。 总之，无刷直流电机在现代社会中扮演着重要的角色，随着制作工艺的进步 及控制效果的提升，其应用领域将会更加广泛。 6 第一章绪论 1 4 无刷直流电机的研究现状 1 4 1 智能控制系统 现代工业中对电机控制精度及性能的要求越来越高，在有些无刷直流电机应 用场合，负载参数变化较大，因此常要求电机能在全工况下具备良好的速度调节 特性。传统的p i d 控制算法简单、易于实现，但当系统中存在未知或者变化的动 态量时，p i d 控制很难取得较好的控制效果，不易满足高精度伺服控制系统的要 求。基于现代控制理论和智能控制理论的非线性控制方法为实现被控系统高质量 的动态和稳态性能奠定了基础，随着数字控制技术的发展和d s p 处理速度的提 高，神经网络控制3 、鲁棒控制【8 9 】、模糊控制i o - n 、变结构控制 1 2 - 1 3 1 等各种先 进控制策略被应用于无刷直流电机控制系统中。 小波神经网络是在小波分解的基础上提出的一种前馈神经网络，它具有神经 网络优良的函数逼近能力【1 4 1 。采用小波神经网络建立系统的在线辨识器，为控制 系统提供难以直接得到的实时信息，可进一步提高控制器的控制精度。文献 15 】 提出基于小波神经网络的无刷直流电机调速策略。该方法通过建立三层前馈式神 经网络来实现对电机的速度与电流双闭环控制；然后，采样电机主电路电流、电 压、温度信号及主轴振动信号的奇异点，并利用离散小波变换的时频特性和连续 小波变换检测信号边沿的原理，来实现无刷直流电机运行状态和故障状态的监 测。 自抗扰控制器是基于状态观测及扰动补偿的非线性控制器，其利用跟踪微分 器和扩张状态观测器处理参考输入和系统输出，并通过系统状态误差的非线性组 合以及前馈补偿环节得出系统的控制输入，极大地提高了误差信号的处理效率， 改善了闭环系统的控制性能。文献 1 6 】利用自抗扰控制器内部的扩张状态观测器 估计无刷直流电机系统的内、外扰动，据此将电机等效为由两个非线性系统构成 的串联对象，然后设计两个一阶自抗扰控制器实现对电机的电流、速度环控制。 该系统无需精确的电机参数就可以实现干扰补偿，控制器的设计也不需要建立电 机的精确数学模型，控制系统具有优良的动态性能，对外部扰动变化具有较强的 适应性和鲁棒性。 模糊控制器是一种反映人类智慧思维而无需知道被控对象精确数学模型的 智能控制策略。在系统对算法开销时间有限制等条件下，基于模糊逻辑的非线性 控制方法是无刷直流电机控制的途径之一【1 7 1 。文献【l8 】利用结合自适应策略的模 糊控制方法，实现了转动惯量变化情形下转速的快速跟踪控制。系统在被控对象 精确数学模型未知的情况下，直接利用描述系统的模糊语言规则完成对给定输入 第一章绪论 的跟踪；并根据电机转速偏差，通过自适应控制率对模糊逻辑控制器的参数进行 在线实时调整，加速自适应进程。文献对系统性能进行了仿真与实验验证，结果 表明在速度给定值、电机参数及负载变化的情况下，控制系统速度响应快，跟踪 能力强，控制精度高，自适应能力良好。 滑模变结构控制的大优点是其滑动模态对系统的干扰和摄动具有很好的 自适应性，其高速切换特性对于电机负载变化和绕组换相引起的电流波动具有较 好的抑制功能。电机驱动是滑模控制理论得到广泛应用的领域之一。文献 1 9 1 充 分考虑了电机的电气特性，把换相引起的相电流变化当作外界对电机的干扰，并 在此基础上构造了基于扩张状态观测器的无刷直流电机滑模变结构控制系统。系 统用扩张状态观测器观测负载转矩，得到电机模型中内扰和外扰的实时控制量； 然后利用滑模变结构控制器对各种扰动不敏感的特性，来抑制外在干扰对电机运 行性能的影响，使得电机的控制精度得到了提高。 随着自动控制理论的不断发展及微控制器处理速度的不断提高，无刷直流电 机智能控制系统的研究将更加深入，从而全面推进无刷直流电机控制系统朝小型 化、轻量化、智能化和高效节能的方向发展。 1 4 2 齿槽转矩波动抑制 由于定子齿槽的存在，不同位置磁路的磁阻存在差异，气隙磁场在空间分布 上出现锯齿形波动，进而造成无刷直流电机反电势波形产生畸变，引起转矩波动， 称之为齿槽转矩波动。在变速驱动中，当转矩波动频率与定子或转子的机械共振 频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大，会对电机性能产生很大影响。 齿槽转矩的存在同样影响了无刷直流电机在速度控制系统中的低速性能和位置 控制系统中的定位精度。 抑制齿槽转矩波动是无刷直流电机设计时需要解决的难题之一。众多研究人 员从理论研究及工程实践的角度，对电机本体进行了合理的性能优化和结构设 计，提出了很多抑制齿槽转矩波动的策略1 2 2 。 1 ) 斜槽法和斜极法 定子斜槽法和转子斜极法是应用最广泛的抑制电机齿槽转矩波动的方法，主 要应用于定子槽数较多且轴向较长的电机。将定子槽沿轴向扭斜一个定子槽距， 可有效地消除由齿槽引起的转矩波动，还有改善定子绕组分布情况的功能。若电 机制造时定子斜槽加工困难，可考虑转子磁极相对于定子斜一个齿距。对于表面 粘贴式磁极结构，可以直接采用磁极扭斜的工艺。斜槽或斜极使电机的定子结构 复杂，互感和杂散损耗增大，会引起绕组反电势的正弦化，从而增大电磁转矩纹 第一章绪论 波，并在一定程度上降低电机的输出转矩。 2 ) 磁性槽楔法 从削弱齿槽转矩和方便下线两方面考虑，使用磁性槽楔不失为抑制磁导变化 的经典方法之一。即在电机的定子槽口上涂压一层磁性槽泥，固化后形成具有一 定导磁性能的槽楔。磁性槽楔减小了定子槽开口对无刷直流电机气隙磁场的影 响，使定、转子间气隙磁导分布更加均匀，从而可减小由于齿槽引起的转矩波动。 然而由于槽楔材料的导磁性能不是很好，且磁性槽楔增大了漏磁，对于转矩波动 的削弱程度仍有待于进一步提高。 3 ) 减小槽口宽度 齿槽转矩本质上是由永磁磁钢产生的磁通与由于定子开槽引起的磁阻变化 相互作用而产生的。针对定子槽，另一种经典的抑制齿槽转矩波动的方法为减小 齿槽的开口宽度。减小槽口宽度可以减小气隙磁导的谐波分量，从而起到削弱齿 槽转矩的作用。但是，减小槽口宽度会增加电机的漏抗，增大电机的时间常数， 减小其产生的平均转矩，最终影响电机出力。而且，由于生产过程中嵌线工艺受 限，通常对电机最小槽口宽度有一定限制，不能任意减小。减小开口槽的进一步 形式，就是在一些特殊场合采用无槽定子结构，即定子槽不开口，槽口材料与齿 部材料相同。因槽口的导磁性能较好，所以无槽结构比磁性槽楔能更有效地抑制 齿槽转矩波动。 4 ) 辅助槽法与辅助齿法 辅助槽法或辅助齿法是在电机铁心有效表面设置辅助槽或辅助齿以提高齿 槽转矩波动的基波频率的方法。辅助槽或辅助齿也称为虚拟槽或虚拟齿。在每极 每相槽数较小的无刷直流电机中，绕线槽口相对较宽。为消除齿槽转矩，斜槽一 个齿距会导致平均电磁转矩的显著下降，并且绕组漏感增加。对应这类电机，在 定子齿上均匀地开一些空的浅槽，可以增加齿槽转矩的波动频率，相应地减小它 的幅值。也可以在定子槽中加一些空齿，这对齿槽转矩的影响类似于虚槽的作用。 5 ) 分数槽法 分数槽是指电机每极每相槽数为分数，将定子齿和转子各磁极相互错开。当 转子磁钢数定时，定子采用分数槽会增大定子槽数和转子极数的最小公倍数， 可提高齿槽转矩基波的频率，使齿槽转矩波动明显减小。但是，采用分数槽后， 各极下绕组分布不对称而使电机的有效转矩分量部分相互抵消，从而降低电机平 9 第一章绪论 均转矩。无刷直流电机要求各相绕组产生的转矩对称，分数槽使得电机的设计复 杂化。 6 ) 改变极弧宽和磁极位置 由于齿槽转矩是磁极的边缘部分与定子齿相互作用产生的，全部的齿槽转矩 是每个磁极端所受拉力之和，那么选择合适的永磁体极宽和极弧可有效消除齿槽 转矩的正弦基波成分，抑制齿槽转矩波动。同样，齿槽转矩与磁极旋转相关，设 置磁极偏差合适的槽距，从而改变磁极间的相对距离，就能减小齿槽转矩。合理 选择磁极宽度和调整磁极偏差，可大幅降低齿槽转矩波动。 在电机设计时，针对不同的应用需求，合理组合以上各种方法，可最大程度 降低无刷直流电机齿槽转矩波动，优化无刷直流电机性能。 1 4 3 换相转矩波动抑制 换相转矩波动是指电机换相暂态过程中，由于绕组续流导致母线电流变化引 起的转矩波动。影响转矩波动大小的因素涉及到相电流、反电势、电机转速及负 载等因素。国内外众多学者已对换相转矩波动抑制技术展开了相关研究，并取得 了阶段性成果1 3 3 - 4 1 j 。 文献【4 2 】从换相时刻的角度出发，对换相时刻、反电势、电机转速与转矩波 动之间的关系进行了分析。文献【4 3 】分析了换相转矩波动与电机绕组电流、换相 时相绕组感生电势瞬时值、换相位置角、绕组参数的关系，并通过数值计算说明 了各因素对换相转矩波动的影响程度，为研究换相转矩波动的抑制措施提供了理 论依据。文献【4 4 】针对换相时总电流下降的事实，采用提前导通开通相绕组的方 法，在换相的开始时刻采用重叠换相的方法，来保证回路中总电流的幅值不变。 文献 4 5 】、 4 6 对电机的相电压和相电流进行f o u r i e r 级数分解，推导出具有基波 和高次谐波分量形式的转矩模型，并通过调节绕组的导通相位对转矩谐波做相应 补偿，达到消除转矩谐波的目的；该方法控制精度较高，但是计算量比较大，对 处理器的要求较高。文献 4 7 】提出一种在换相期间使用模拟电路来间接控制非换 相相电流的方法，即高速时降低关断相电流的下降速率，使其与开通相电流的上 升速率相当，间接保持非换相相电流不变；低速时则直接对非换相相电流进行控 制，从而达到消除换相转矩波动的目的。由于控制系统的硬件是通过模拟器件实 现的，而应用上述电流控制方法只需添加少量的硬件，所以整个控制系统结构简 单，性能可靠，具有实用价值。文献 4 8 】通过检测无刷直流电机在换相期间的直 流母线电流，对换相电流进行预测，确保在换相期间关断相的电流下降速率和开 通相的电流上升速率相等，从而保证了换相期间非换相相电流的恒定；同时结合 l o 第章绪论 直流母线上负电流消除措施，有效地减小了换相电流的波动，达到抑制换相转矩 波动的目的。文献 4 9 1 计算换相时开通相电流上升速率与关断相电流下降速率产 生的偏差，采用模糊电流滞环控制器进行调节，实现回路总电流幅值不变，达到 抑制换相转矩波动的目的；该策略提高了无刷直流电机换相电流的控制精度，缩 短了调节时间。 一 也有的控制策略不区分转矩波动的来源，对其进行综合控制，以达到抑制转 矩波动的目的。文献【5 0 】针对电动汽车对驱动系统的要求，以转矩和转速为输入， 在全转速范围构建b p 神经网络来映射得到电流最优超前相角，进而实现转矩角 控制。该研究使得电机速度与转矩响应均得到调节，有益于提高电动汽车在低速 情况下的出力及在高速情况下拓展恒功率范围。 总之，转矩波动抑制需要综合考虑电机应用场合、性能要求及控制成本等。 同时，现有的转矩波动抑制方法均是针对电机结构及控制方案提出的一些改善或 补偿方法，并没有从根本上消除转矩波动，因而对转矩波动抑制的研究还有待于 进一步深入。 1 4 4 无位置传感器控制 无位置传感器控制方式下的无刷直流电机具有可靠性高、抗干扰能力强等优 点，同时能在一定程度上克服位置传感器安装不准确引起的换相转矩波动。目前 已研究出多种转子位置检测方法 5 1 - 5 6 】。 1 ) 反电势法 1 9 8 5 年，l i z u k ak 等人对反电势检测转子位置的方法进行了较为全面的分 析，设计并实现了通过检测电机相反电势再移相l r 6 电角度的无刷直流电机无位 置传感器控制方法，即反电势法，这是无刷直流电机控制技术的一个重大飞跃。 在各种无位置传感器控制方法中，反电势法是目前技术最成熟、应用最广泛的一 种转子位置检测方法。随后，众多学者对利用反电势检测转子位置的控制策略进 行了深入研究，并衍生出一系列基于反电势的控制方法1 5 。 文献 5 8 1 在分析无刷直流电机换相及间接检测原理的基础上，改进了传统反 电势法的检测电路，对反电势相移进行了补偿，消除了电机中性点电压与阻容滤 波对反电势检测电路的影响。文献 5 9 1 针对c d u m p 变换器供电的无刷直流电机， 利用电机非导通相反电势逻辑电平积分值的比例关系反映相位关系，从而检测电 机的转子磁场位置。由于该方法只需检测非导通相反电势的极性，对改善低速性 能有利。文献 6 0 1 通过比较电机断开相绕组端电压与逆变器直流环中点电压的关 系，直接检测断开相绕组的反电势过零点，从而获得转子位置信息，并在此基础 第一章绪论 上实现采用一相反电势检测电路获得六个离散的绕组换相信号的方法，该方法适 用于速度变化不太显著的场合。 2 ) 续流二极管法 o g a s a w a r as 提出从电流角度检测反电势过零点的续流二极管法【6 l 】。该方法 通过检测反向并联在逆变器功率器件上的续流二极管的导通状态来得出转子的 位置【6 2 1 。续流二极管法灵敏度较好，但由于检测电路较为复杂，一定程度上增加 了系统的成本。 3 ) 磁链法 文献【6 3 】提出了基于定子磁链估计的位置检测方法。不同于反电势法，该方 法检测相电压、线电流信号并计算得出各相定子绕组的磁链，再根据磁链得到转 子的位置信号【6 4 1 。磁链法位置检测误差较小、调速范围广，但是计算量大，在低 速运行时容易产生累计误差，且受电机参数变化影响较大。 4 ) 电感法 电感法是利用电机转子位置的改变引起电枢绕组中电感发生变化来判断转 子位置的方法，比较适用于低速和静止时转子位置的检测【6 5 1 。该方法弥补了反电 势法和磁链法必须依靠转子磁场的运动判断转子位置、电机不能自起动的缺点。 但电感法需要对绕组进行实时检测，对软、硬件都有很高的要求，较多适用于具 有凸极效应的无刷直流电机。 5 ) 智能方法 依靠智能控制方法，可以构建电机电压、电流、磁链等与转子位置之间的映 射，并通过其强大的泛化能力来实现无位置传感器控制1 6 6 - 6 9 1 。文献 7 0 】以电机相 电压、电流作为输入，功率开关的导通状态作为输出构建神经网络，并通过离线 和在线相结合的方法对网络进行训练，实现了无刷直流电机无位置传感器直接电 流控制。 以上各种无位置传感器控制方法有各自的适应场合及自身局限性，针对不同 的性能要求可采用不同的控制方法。随着无刷直流电机应用范围的拓展，无位置 传感器控制策略的研究将会更加深入。 1 4 5 电机结构优化研究 为满足某些应用场合对电机性能的特殊要求，电机结构优化与新型电机开发 1 2 第一章绪论 也成为科研人员的研究热点 7 1 - 7 2 j 。 为实现无位置传感器控制，文献【7 3 】在表面粘贴式转子无刷直流电机中添加 一个辅助短路转子绕组以获取电机转子位置信号，文献【7 4 】在转子表面安装非磁 性材料，通过检测该材料涡流反应造成的断开相电压变化来获得转子位置信号。 为实现无刷直流电机的弱磁控制，文献 7 5 1 提出由永磁段和磁阻段构成的无 刷直流电机复合转子结构。该文通过建立场路结合的状态空间模型将磁场与通电 模式相结合，准确模拟了最小分析区间中转子每个位置的磁状态，解决了高速时 无功电流增加带来磁路饱和的非线性问题，为准确预测复合转子无刷直流电机的 弱磁性能提供了有效的处理方法。 为满足电磁弹射器对电机推力及其输出功率的要求，文献 7 6 】提出了一种大 推力的动磁式无刷直流直线电机模型。在对磁极端部与定子齿槽相互作用形成的 三种齿槽力分量进行频谱分析的基础上，得出了产生齿槽力的主要原因是电机推 力的二次谐波这一结论，并在此基础上提出了优化磁极宽度以减小齿槽力的方 法。使电机采用定子开槽式结构的情况下避免了齿槽定位力大的弊端。 为满足某些具有免维护要求的特殊需要，文献 7 7 1 对被动式磁力轴承永磁环 以及无刷直流电机的气隙、永磁体的径向厚度和轴向长度进行优化设计，研制了 采用被动式磁力轴承的新型无刷直流电机；该电机转子可实现磁悬浮而不需要进 行悬浮力控制，永磁转子轴向位移产生的轴向力及被动式轴承可保持电机转子的 轴向稳定性。 另外，为满足其它特殊场合的需要，研究人员还开发了轴向磁场盘式无刷直 流电机、低惯量无刷直流电机、无铁心式无刷直流电机、无刷直流力矩电机、无 刷直流有限转角电机、无刷直流平面电机和无刷直流球形电机等新型无刷直流电 机。随着新的应用需求的出现，对无刷直流电机结构优化及设计的研究将会更加 深入。 1 5 本文研究的主要内容 本文对提高无刷直流电机性能进行了深入研究，论文的研究得到了国家杰出 青年科学基金( 5 0 8 2 5 7 0 1 ) 、天津市科技攻关计划重大项目( 0 5 z h g c g x 0 0 1 0 0 ) 与天津市应用基础研究重点项目( 0 4 3 8 0 2 0 1 1 ) 的资助。研究的主要内容归纳如 下： ( 1 ) 基于线反电势的无刷直流电机无位置传感器控制策略研究。无刷直流 电机一般靠安装在电机内部的位置传感器检测转子位置，这在一定程度上增加了 电机的成本并降低了系统的可靠性。在某些对抗干扰要求高或对电机体积有严格 第一章绪论 限制的场合，无刷直流电机需要运行于无位置传感器控制方式。为提高无刷直流 电机位置检测的准确度和快速性并简化硬件电路，本文重点分析线反电势与换相 时刻对应关系，并在此基础上提出基于线反电势的无刷直流电机无位置传感器控 制策略。首先，考虑各种换相暂态过程来分析线反电势变化情况，总结出其变化 规律并提出新的线反电势检测公式，通过检测两路线电压值来计算得到三路线反 电势；然后，重新安排换相条件及采用超前导通的策略来补偿由于滤波引起的误 差，进而给出电机换相时刻。系统结构简单，算法易于实现。仿真和实验结果显 示该策略能够准确的检测出电机转子位置，避免了传统反电势法在移相过程中带 来的误差。 ( 2 ) 四开关逆变器无刷直流电机单电流传感器控制策略研究。随着无刷直 流电机的广泛应用，对其控制系统成本的要求越来越高。在维持无刷直流电机高 性能的同时降低系统成本成为当前学者研究的热点问题之一。针对无刷直流电机 的四开关逆变器拓扑结构，提出四开关逆变器无刷直流电机单电流传感器控制策 略。对有电机c 相绕组参与的四种工作模式，本文通过检测c 相电流来实现对 开通相的间接控制；为避免非对称电压矢量问题，研究了新的策略来控制要保持 c 相绕组电流为零的两种工作模式。首先，分析电机c 相电流与电机工作子模式 的关系，总结出不同工作子模式下各相电流的变化规律；然后，采用单电流传感 器设计了控制算法，实现了基于四开关逆变器的无刷直流电机的双闭环控制。控 制器结构简单，算法易于实现。该策略在新型逆变器拓扑结构基础上，进一步节 省了成本，同时保证了电机的性能。 ( 3 ) 无刷直流电机的小脑模型神经网络与p i d 复合控制策略研究。传统的 p i d 控制算法