（电机与电器专业论文）永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究.pdf

浙江人学硕十学位论文a b s t r a c l a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r ( p m b l d c m ) ，w h i c hh a sm a n yg o o d p e r f o r m a n c e s ，s u c h a s s i m p l e s t r u c t u r ea n dr e l i a b l er u n n i n g ，i sak i n do f e l e c t r o m e c h a n i c a lp r o d u c t s ，a n di su s e dw i d e l yi nt h ei n d u s t r y c o m m o n l y , p m b l d c mc o n s i s t so fap e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ha l l i n v e r t e ra n dap o s i t i o ns e n s o rm o u n t e do nt h em o t o rs h a f t t h ei n v e r t e rd r i v es i g n a l sa r e s y n c h r o n i z e dw i t ht h ep o s i t i o ns e n s o ro u t p u ts i g n a l ss ot h a ts y n c h r o n i s mb e t w e e nt h e s t a t o rw i n d i n gc u r r e n t sa n dt h er o t o rf l u xi se n s u r e df o ra n ys p e e c l i nt h i sp a p e r , p m b l d c mi t s e l f a n di t sd r i v es y s t e ma r et h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n f i r s t l y , s u m m a r i z e da n da n a l y z e dt h ea d v a n t a g eo fp m b l d c mr e s e a r c h ，h o w p m b l d c mw o r k sa n dh o wt oc o n t r 0 1i t s e c o n d l y ，o nt h eb a s eo fr e s e a r c ho nt h eo w np e r f o r m a n c e sa n dt h ep r i n c i p l eo f p m b l d c m ，f o c u s e do nt h ed e s i g n e do ft h es y s t e mf o rp m b l d c md r i v eb a s e do n s c m p i c l 6 f 8 7 7 a ；t h e ne x p e r i m e n t i z e da n da n a l y e d t 1 1 i r d ly ，e s t a b l i s h e d d y n a m i c s i m u l a t i o nm o d e l so fp m b l d c m b y m a t l a b s i m u l i n k u s i n gt h ep a r a m e t e r s f r o mt h ee x p e r i m e n t ，s i m u l a t e dt h e p m b l d c m t h er e s u l t st e s t i 分t h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo fs i m u l a t i o nm o d e l s ；t h e n k i n d so f f a u l t sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e d f o u r t h l y , d e s i g n i n gas a m p l eo fp m b l d c mu s i n gm a g n e t i cr o a da n a l y t i c a lm e t h o d a n dc a l c u l a t e sm o t o rp a r a m e t e r s ； f i n a l l y , b ye n e r g ym e t h o d ，i n d u c t a n c eo fp h a s ew i n d i n go fp e r m a n e n tm a g n e t b r u s h l e s sd cm o t o ri sd e r i v e d ，c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fs l o t c o m p a r e dw i t hf e mv a l u e s ， t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa r ew e l l a g r e e s a l lt h i ss h o w st h a tt h em e t h o di sp r e c i s ea n d a v a i l a b l e u s i n g t h i s m e t h o d ，c a l c u l a t e dt h ei n d u c t a n c eo ft h ea b o v es a m p l eo f p m b l d c ma n dm o t o rp e r f o r m a n c e s t h er e s u l t ss h o wt h ea r m a t u r ec u r r e n ti sl o w e ra n d t h es p e e da n dt o r q u ea r el o w e rt o o ，w h e nc o n s i d e r i n gt h ei n d u c t a n c ep a r a m e t e r k e y w o r d ：p m b l d c m ；s i m u l a t i o n ；d e s i g no fm o t o r ；i n d u c t a n c ec a l c u l a t i o n ； p e r f o r m a n c e sc a l c u l a t i o n n 浙江人学硕十学位论文 第章绪论 第一章绪论 摘要：概述了永磁无刷直流电动机的发展概况、性能特点及应用；阐述了目前永 磁无刷直流电动机的设计方法和研究的丰要问题：最后给出了本文研究的丰要内 容。 1 1 永磁无刷直流电动机的发展状况 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经 济的各个领域以及人们的日常生活之中。电动机主要类型有同步电动机、异步电 动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大至上万千瓦。众所周知，直流电动 机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷， 以机械方法进行换向，因而存在机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰 以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制 了它的应用范围，致使目前农业牛产上，大多数均采用二相异步电动机。 随着社会牛产力的发展，人们牛活水平的提高，需要不断地开发各种新型电 动机。科学技术的进步，新技术新材料的不断涌现，更促进了电动机产品的不断 推陈出新。直流电动机以其优良的调速特性在运动控制领域得到了广泛的应用， 但普通的直流电动机由于需要换向器和电刷，可靠性差，需要经常维护，换向时 产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克 服机械换向带来的缺点，以电予换向取代机械换向的无刷电机应运而生。1 9 5 5 年， 美国d h a r r i s o n 等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的 专利，这就是现代直流无刷电动机的雏形。而电了换向的永磁无刷直流电动机真 正进入实用阶段，是在1 9 7 8 年的m a c 经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。 在此以后，国际上对永磁无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成了方波 永磁无刷直流电动机和正弦波永磁无刷直流电动机。2 0 多年以来，随着永磁新材 料、微电了技术、自动控制技术以及电力电予技术特别是大功率开关器件的发展， 永磁无刷直流电动机得到了长足的发展2 1 。 浙江人学硕十学位论文第章绪论 由于永磁直流无刷电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方 便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好 等诸多特点，故在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺 以及家用电器等方面的应用日益普及。如计算机硬盘驱动器和软盘驱动器里的丰 轴电动机、录像机中的伺服电动机，均广泛的运用了永磁直流无刷电动机。 1 2 永磁无刷直流电动机的特性和运行原理 1 2 1 永磁无刷直流电动机的特性 永磁无刷直流电动机除了保持有刷直流电机优越的起动和调速性能外，其最 大的特点是没有换向器和电刷组成的机械接触结构，因而具有寿命长、噪音低、 和电磁干扰小等一系列优点。此外，永磁无刷直流电动机的转速不受机械换向的 限制，可以将它的转速做的很高，现在就已经有转速8 0 0 0 0 r m i n 的产品面世，如 果采用空气轴承或者磁悬浮轴承，它甚至可以在每分钟高达几十万转的速度下运 行。而且永磁无刷直流电动机由于其结构上的特点，发热的电枢绕组通常装在外 面的定子上，这样热阻较小，散热容易。永磁无刷直流电动机还具备交流电动机 的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，因此永磁无刷直流电动机在当今生产、 牛活各个领域中的应用日益普及。 与同样是无刷结构的变频调速感应电动机相比，永磁无刷直流电动机也有较 多的优越性。交流异步电动机虽然结构简单、运行可靠、价格低廉、结实耐用， 一直是工业与家用动力的丰要来源，但它的力能指标、效率、功率因数却不是很 好。近年来，从节能角度虽然进行了许多努力，f u 改善始终有限。随着新型钕铁 硼永磁材料的出现，性能的完善与价格的下降，永磁无刷直流电动机的应用逐渐 在扩大。实践表明，永磁无刷直流电动机比之异步电动机有以下特点： a )转动惯量较小，响应更快，具有更高的转矩惯量比： b )无需电励磁，具有更高的效率和功率因数： c )永磁转了不发热，发热部分在定了上，散热条件较好，可以相对取高一 些的电磁负荷，体积减小，功率密度增大； 浙江人学硕十学位论文第r 章绪论 d )气隙丰磁通是由转_ 了永磁体产牛的，定予绕组电流与产牛的转矩可设计 成线性关系，控制性能比异步电动机更好。 对于开关磁阻电动机由于它转了上没有任何形式的绕组，只有定予边有集中 绕组，因此结构更加简单可靠，适合高速与超高速运行，而且由于开关磁阻电动 机功率回路单元不存在桥臂内部的换流，从而不存在桥臂直通现象，简化了电路 结构，控制器成本较低。但是开关磁阻电动机的功率密度和效率要低一些，同时 开关磁阻电动机具有严重非线性的特点，且由于开关磁阻电动机的本身工作原理 的原因，这种电机具有内在的较大噪音和转矩脉动。 表l - 1 四种电机的比较 种类 永磁柯刷直流永磁无制直流电开关磁阻电动叟频调速异步 项目 电动机 动机机电动机 结构可靠性置好好好 效率 较高 高 较高 较低 调速性能好好好较好 功率体积比较低高较高低 电机成本高 较高低 较低 控制器成木低 较高较低 表1 1 从结构可靠性、效率、调速性能、功率密度，电机本体的成本和控制器 成本六个方面，将永磁无刷直流电动机与永磁有刷直流电动机、开关磁阻电动机、 变频调速异步电动机比较作一个定性总结。结果表明，永磁无刷直流电动机和其 它电动机相比具有高可靠性，高效率的调速性能等诸多优越性，并且随着新型稀 土永磁材料的性能的提高完善与价格的下降，这种优越性将更加明显 3 】【4 】。 1 2 2 永磁无刷直流电动机的结构 一般永磁无刷直流电动机的结构原理如图1 1 所示。它丰要由电动机本体、位 置传感器和电了开关线路三部分组成( 图1 1 中的电动机本体为二相两极) 。二相 定了绕组分别与电予开关线路中相应的功率开关器件联接，图l ，l 中，a 相、b 相、 c 相绕组分别与功率开关符t l 、t 4 ，t 3 、t 6 、t 5 、t 2 相接，位置传感器的跟踪转 予与电动机转轴相联接1 6 】。 浙江人学硕十学位论文第带绪论 因此，所渭永磁无刷直流电动机，就其摹本结构而言，可以看成由电了开关 线路、电机本体以及位置传感器二者组成的电动机系统( 见图1 2 ) 。永磁无刷直 流电动机具有旋转的磁场和固定的电枢，电子开关线路可直接与电枢绕组相连， 位置传感器和电了开关线路则代替了有刷直流电动机的机械换向线路。 图1 - 1 永磁无刷直流电动机的结构原理图 图1 - 2 永磁无刷直流电动机的原理框图 1 ) 电动机本体 永磁无刷直流电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼形绕组 和其他启动装置。其定了绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转了由永 久磁钢按一定极对数( 2 p = 2 ，4 ，) 组成。 电动机转予的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似， 均是在电动机的气隙中建立丰磁场，其不同之处在于，永磁无刷直流电动机中永 久磁钢装在转了上，而直流有刷电动机的磁钢装在定了上。定了三相绕组的作用 是产牛反应磁场与转了磁钢所产牛的永磁磁场相瓦作用，从而推动转子旋转。 2 ) 位置传感器 浙江人学硕十学位论文第幸绪论 位置传感器和电了开关线路相配合，起到与机械换向相类似的作用，位置传 感器在永磁无刷直流电动机中起着测定转了磁极位置的作用，为逻辑开关电路提 供正确的换向信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换为电信号，然后去控制定 予绕组换向。 位置传感器种类较多，根据工作原理的不同，常见的有光电式、电磁式、磁 敏式以及旋转变压器和光电编码器等。其中光电式位置传感器、霍尔元件位置传 感器的分辨率低，但成本也低；而光电编码器和旋转变压器成本高，但具有高分 辨率。 3 ) 电了开关线路 永磁无刷直流电动机电了开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的 顺序和时间，丰要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处殚单元两个部分组成。 功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分 配给永磁无刷直流电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。 当定予绕组的某一相导通时，该电流与转予永久磁钢的磁极相百作用产牛转矩， 驱动转了旋转，这时位置传感器检测转了的位置并变换成电信号，该电信号再经 过位置传感器处理单元的处理去控制功率开关单元，从而使各相绕组按照一定的 次序导通。定了相电流随转子的位置变化并按一定的周期换相。由于电予开关线 路的导通次序是与转了转角同步的，因而起到了机械换向器的作用。 根据以上分析，可以得到组成永磁无刷直流电动机各主要部件的框图，如图 1 3 。 永 磁 无 删 直 流 电 动 机 电动机本体 电子开关线路 位置传感器 型 困p 瓜函磊 传感器定子 传感器转子 图1 3 永磁无删直流电动机的组成框图 位置信号处理 浙江人学硕十学位论文第章绪论 1 2 3 永磁无刷直流电动机的工作原理 众所周知，一般的永磁式直流电动机的定了由永久磁钢组成，其辛要的作用 是在电动机气隙中产牛磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向 作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从 而产牛最大转矩而驱动电动机不停地运转。我们都知道，有刷直流电机电枢绕组 中感应的电势和实际通过的电流其实是交变的。在有刷直流电机中，电刷不仅起 着引导电流的作用，而且由于电枢导体在经过电刷所在位置时，其中的电流要改 变方向，所以电刷的位置决定着电机中电流换向的地点。这就是说，有刷直流电 机的电刷起着电枢电流换向位置的检测作用。和无刷直流电动机相比，就不难看 到，其实无刷直流电动机和有刷直流电动机一样，只是有刷直流电动机中加的是 一个机械的逆变器换向器，而无刷直流电动机中则采用电子换向装置电 予逆变器代替机械换向器的作用。尽臀二者构造不同，但它们所起的作用却是完 全相同的，都是为了实现直流电动机的正确换相。 永磁无刷直流电动机为了实现无电刷换相，并为了使结构简单，一般将电枢 绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转予上，这与永磁有刷直流电动机的结构刚好 相反。彳u 仅这样还不行，因为用一般直流电源给定予上各绕组供电，只能产生固 定磁场，它不能与运动中转予磁钢所产牛的永磁磁场相互作用，以产牛单一方向 的转矩来驱动转子转动。所以，无刷直流电动机除了由定、转了组成电动机本体 外，还需要由位置传感器、控制电路以及功- 率逻辑开关共同构成的换向装置，使 得永磁无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢 产牛的永久磁场，在空间尽量保持在9 0 0 左右的电角度。 永磁无刷直流电动机的电枢绕组通常有二种接法，三相非桥式星形接法，三 相桥式星形接法，三相封闭式桥式接法( 绕组为三角形接法) 。在三相桥式中，功 率开关元件的导通方式又可以分为两两导通( 1 2 0 0 导通型) 和三三导通( 1 8 0 0 导 通型) ，其输出的转矩大小不同，t u - 转矩性质相同。 下面就两两导通三相六状态永磁无刷直流电动机运行原理作一简单介绍。如 图1 1 所示。在传统的1 2 0 0 导通方式下，即每个时刻图中的二相上桥和下桥均各 有一个 浙江人学硕十学位论文第审绪论 o 。匝正亚习至正王丑卫 卜+ 一2 “叫 图1 - 4 开关管触发示意图 开关导通，逆变器功率管总共有六种触发组合状态，每种触发状态只有与确定的 转子位置或者反电动势波形相对应才有可能产生最大的平均电磁转矩。因为当两 个磁势向量的夹角为9 0 0 时相互作用力为最大，而定子电枢产牛的磁势是以6 0 0 电 角度在步进的，因此在每一种触发模式下，转予磁势与定予磁势的夹角在1 2 0 0 到 6 0 0 之间变化才能产生最大的平均转矩。图l - 4 是开关符的触发示意图。 1 3 永磁无刷直流电动机的设计 永磁无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机摹本一样，但它的电枢 绕组放在定子上，转了采用永磁材料励磁、简化了结构、提高了性能，使其可靠 性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展 过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼( n d f e b ) 。 钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第二代钕铁硼永磁材 料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能 的方向发展归j 。 目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机【7 】，其定予齿槽与 电枢线圈在空间位置上相瓦垂直，电机中的丰磁通沿电机轴向流通，这种结构提 高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究 浙江大学硕十学位论文第章绪论 开发阶段。 下面为永磁无刷直流电动机的设计方法比较【1 3 】【1 4 】【15 】【1 6 】： 1 )摹与磁路法计算的永磁无刷直流电动机设计 基于传统磁路法的设计，虽然有它一定的局限性，但是，由于其计算简单、 快速的特点，长期以来一直是永磁无刷直流电动机设计中应用最为广泛的设计方 法。 2 )基于有限元法计算的永磁无刷直流电动机设计 摹于磁路法的永磁无刷直流电动机设计虽然计算速度快，但计算精度低，要 得到理想的电机设计结果，唯一的方法就是通过多轮样机的制作，并通过样机实 验不断修正设计计算程序，直到得到满意结果为止，这就大大限制了它在精确设 计中的推广应用。有限元方法是求解电磁场问题的最好方法，由于其计算结果精 确、信息丰富，从它产牛初期就受到了广泛关注，将有限元计算方法溶入电机设 计程序中，使实现永磁无刷直流电动机精确设计的有效于段。 3 ) 永磁无刷直流电动机系统综合设计平台 永磁无刷直流电动机系统综合设计平台是以磁路法作为起点进行样机的最初 设计；基于有限元法计算的电机设计，在磁路法设计的基础上，进一步提高点及 设计、参数计算的精确性，同时更为准确地预估所设计电机的各项性能指标是这 一部分的关键任务。永磁无刷直流电动机系统综合设计平台体现了c a d 及相关技 术系统化、集成化、智能化、商品化的发展趋势，最大限度地帮助永磁无刷直流 电动机的设计开发人员高质、高效地完成永磁无刷直流电及相关任务【1 6 1 。永磁无 刷直流电动机系统综合设计平台作为完整系统的设计软件，必然包括控制系统的 设计。这一部分的丰要工作是按照客户的要求，选择合适的控制理论、控制方法， 采用合适的实现于段，完成控制器设计，用以驱动以上所设计完成的电机本体。 永磁无刷直流电动机是一个真正意义上的机电一体化产品，所谓的“永磁无 刷直流电动机”已不是原来所谓的像异步电机那样单一的电机本体，而是一套包 括电机本体、控制装置在内的完整的运动控制系统。控制系统设计的优劣直接影 响了整个系统的工作性能。 浙江人学硕十学位论文第章绪论 1 4 永磁无刷直流电动机研究的主要问题 1 4 1 永磁无刷直流电动机控制策略的应用 现代控制理论的发展和应用促使了许多新型的电机控制方法的诞牛，目前应 用较多的控制策略有以下几种。 1 ) p m b l d c m 的矢量控制 矢量控制，就是对某一被控量同时实行方向控制和幅度控制。具体到永磁无 刷直流电动机，就是对定了电流实行矢量控制，以获得与直流电机同样的调速性 能。在p m b l d c m 中，励磁磁场与电枢磁通之间空间角度不是固定的，而随着负 载变化而变化。这将引起磁场问复杂的作用关系，因此不能简单通过调节电枢电 流来直接控制电磁转矩。在p m b l d c m 中，输入定子的三相电流为方波时，为产 生平滑的电磁转矩，要求反电动势为梯形波，且两者在相位上应严格同步。对 p m b l d c m 的矢量控制主要就是对这种同步性的控制。也就是说，在正常情况下， 要求电枢感应磁场与永磁体励磁磁场正交，以保证方波电流与梯形波反电动势严 格同步。 2 ) 变结构控制【5 】 2 2 1 变结构控制是一种非线性的控制方法，它利用一定的方法来不断改变控制系 统的结构参数，设计系统的控制律，从而达到控制的目的。变结构控制方法的最 大优点就是它对模型参数以及外部干扰具有很好的适应性，也就是说它的鲁棒性 很好。一般的控制方法，例如p i d 方法，其控制结构参数是固定的，因此它的鲁 棒性是较差的。 变结构控制由于具有响应速度快、对控制对象参数变化及外部扰动不灵敏、 物理实现简单等优点，p m b l d c m 位置伺服方式下的运行大都采用变结构控制。 变结构控制的开关模式即可由系统的传递函数导出，也可根据系统的最大速度、 最大加速度等系统参数来设计，都会使系统的位置控制达到较好的效果。 3 ) 无传感器控制【2 6 】 从控制系统的成本、维护性，可靠性等方面来考虑，无传感器的传动系统对 提高系统的可靠性和对环境的适应性具有更重要的意义。对于无传感器控制技术， 浙江人学硕十学位论文 第。章绪论 关键在于速度位置的观测与估计，而观测和估计的方法又随着永磁电机的不同 类型而有所不同。p m b l d c m 更适于无传感器控制，因为在仟意时刻，定了的三 相绕组只有两相绕组同时有电流，此时，另外一相绕组的感应电动势幅值较小， 杂波较多。因此这种方法很难适用于低速场合，一般的调速范围为1 0 0 0 - - 6 0 0 0r m i n 。 4 ) 智能控制 智能控制是控制理论发展的高级阶段，包括模糊控制、神经网络控制、专家 系统。智能控制系统具有自学习、自适应、自组织功能等，能够解决模型不确定 性问题、非线性控制问题以及其它较复杂的问题。严格来说，p m b l d c m 是一个 多变量、非线性，强耦合的研究对象，利用智能控制可以取得较满意的控制效果。 a ) 模糊控制和p i d 相结合的f u z z y p l d 控制【4 3 j 现有的高性能交流伺服系统大多采用模拟控制。仅做到速度闭环，速度 调节器大部分采用数字p i d 调节器，只不过有些系统对其进行了一定程度的 改进，如变系数等。这对多变量、非线性、强耦合的交流伺服系统来说有局 限性。模糊控制一直是近年来研究的热点，它不依赖于被控对象精确的数学 模型，对系统动态响应有较好的鲁棒性，但难以消除调节终了时系统的稳态 误差，而p i d 控制方法可很好地解决这一不足，若将两者结合起来则系统同 时兼有两种方法的双重优点。 采用f u z z y p i d 复合控制，系统具有f u z z y 和p i d 控制的双重优点，响 应快，速度无超调，调速范围宽，可达l ：1 0 0 0 0 ，定位精度高，在不同的负 载下有较强的鲁棒性。 b ) 神经网络和模糊控制相结合的复合控制 神经网络即只有非线性映射的能力，可逼近任何线性和非线性模型，又 具有自学习、自收敛性；神经网络控制即可用于线性对象，也可用于非线性 对象，对被控对象无须精确建模，对参数变化有较强的鲁棒性。神经网络一 般和模糊控制相结合，通常有两种结合方式：一种是在大误差范围内采用模 糊控制器来改善性能，提高快速性，同时在小误差范围内采用神经网络控制 器达到精确定位的目的；另一种是利用神经网络来实现模糊控制规则的映射。 浙江人学硕十学位论文第审绪论 模糊控制利用人脑的直觉经验推理出一系列控制规则，无须对被控对象精确 建模，对伺服系统存在的未知因素和参数漂移不敏感，只是定位精度不高， 易发牛超调和振荡，仙在误差大范围内收敛速度比神经网络控制器快。 c ) 遗传算法和模糊控制的结合 遗传算法是一种模仿牛物进化过程的最优化方法，具有不需要求梯度、 能得到全局最优解、算法简单、可并行处理等优点。而模糊控制具有一些局 限性，由于模糊控制器的设计参数很多( 模糊控制规则及规则可信度、输入 输出的比例因了、输入输出变量各模糊子集的隶属度函数) 以及模糊控制 器本身的非线性等原因，至今仍缺乏有效通用的模糊控制器设计和调整方法， 而只能依靠设计者的经验和反复调试。最近出现了一些用遗传算法优化模糊 控制器设计参数的研究成果，并取得了效果。这些成果若应用于交流伺服系 统，即把用遗传算法优化隶属度参数后的模糊控制器应用于p m b l d c m 交流 伺服系统，或这种模糊控制和其它算法相结合应用于交流伺服系统，从理论 上来说，是完全切实可行的。 1 4 2 永磁无刷直流电动机转矩脉动抑制问题 随着永磁无刷直流电动机在交流伺服领域应用范围的扩大，无刷直流伺服电 动机中存在的转矩脉动问题，使其无法实现更精确的位置控制和更高性能的速度 控制，这个问题一直困扰着人们。 按照转矩脉动产生的原因可以分为：电磁因素引起的转矩脉动、电流换相引 起的转矩脉动、齿槽效应引起的转矩脉动、电枢反应和机械：j n - v 引起的转矩脉动。 其中前三者所占的比重较大，对电机性能影响较大【8 】。而对于电磁因素和齿槽效应 引起的转矩脉动丰要采用电机优化设计的方法来抑制，国内外学者进行了大量研 究，经过分析和计算，提出了许多解决措施。 ( 1 ) 斜槽或斜极和辅助凹槽法。定了铁心斜槽或转了斜极是减小转矩脉动的最 常用的方法【9 】。采用齿面加辅助凹槽法是消弱齿槽转矩脉动的另一个方法。 通过有限元得到的计算结果表明：采用辅助凹槽法后，齿槽转矩脉动减小 了8 5 f 10 1 。 浙江人学硕十学位论文第审绪论 转了磁路设计( 磁极的极弧宽度和磁极位置) 。在方波电动机中，使磁极 的极弧宽度尽可能大来减小纹波转矩。对正弦波电机，极弧宽度为1 5 0 0 电角度时，可使六次谐波的纹波转矩最小【8 】。改变磁极间的相对距离也可 以减小齿槽转矩。实验结果表明：该方法也可使齿槽转矩脉动减小8 5 1 1 0 】。 定予磁路设计。虚槽和假齿，与定子斜槽或转予斜极一起使用，将进一步 减小齿槽转矩】。 定子绕组形式。分布绕组，对于正弦波电机，最常用的绕组形式是短距绕 组，这种绕组在降低高次谐波的同时使得平均转矩也有所降低【6 】。对方波 电机，用集中绕组可增大梯形波反电动势波形的波项宽度，另外磁极极弧 和定- 了绕组相电流导通的电角度必须大于或等于1 2 0 0 电角度，才能在理论 上产生平滑的转矩。 增加相数。在方波电机中用增加相数的方法能够有效减小转矩纹波，但主 要缺点是使驱动的电予装置和配线变得复杂一些【7 1 。对于正弦波电机，用 多相绕组可增加转矩纹波的频率和减小转矩纹波的幅度，从而减小转矩纹 波的影响【“。 在定了槽中放置两套电绝缘绕组，其中一套相对于另一套有3 0 0 的相移， 由两个逆变器给这两套绕组供电，两个逆变器产牛的每相电压也同时间隔 3 0 0 。研究表明气隙磁通和转子电流的5 次和7 次谐波急剧减少【1 7 1 ，转- 了电 流的6 次和1 8 次谐波电流将被消除，谐波损耗将在很大程度上减小。 对相电流换向应起的转矩脉动多是从控制理论和策略上加以抑制，抑制由 电流换向引起的转矩脉动的方法丰要有：电流反馈法、滞环电流法【2 0 】、 重叠换向法【2 3 】、p w m 斩波法【2 3 】等。 1 5 本文的研究内容及结构安排 本文的手要研究对象是永磁无刷直流电动机本体及驱动控制系统。在永磁无 刷直流电动机的特有性能与运行原理的基础上，设计了一套基于m i c r o c h i p t e c h n o l o g y 公司牛产的8 位p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机的永磁无刷直流电动机的调速系 ” ” ” ” 们 ( ( ( ( ( ( 浙江人学硕十学位论文第幸绪论 统。利用m a t l a b s i m u l i n k 建立了永磁无刷直流电动机仿真研究模型，通过实验验 证了此模型的正确性，并在永磁无刷直流电动机电动运行模式下对实际可能出现 的故障进行了仿真研究。在永磁无刷直流电动机本体设计的基础上，提出了永磁 无刷直流电动机电感参数的计算及在星形连接的两两导通方式下计及电感参数的 性能计算。推导出了在三角形连接的两两导通方式下，计及绕组电感的相电流解 析式。 本文第一章为全文的绪论部分，首先概述了永磁无刷直流电动机的发展、特 点和运行原理、应用范围、目前研究的丰要问题，及电机本体设计的方法。第二 章设计了一套以m i c r o c h i p t e c h n o l o g y 公司生产的8 位单片机p i c l 6 f 8 7 7 a 芯片为 核心的永磁无刷直流电动机的硬件系统。并给出了此单片机的软件设计；对其进 行实验研究。第三章建立m a t l a b s i m u l i n k 下的永磁无刷直流电动机系统仿真模型； 在其电动运行模式下，对各种故障进行仿真研究；第四章用磁路分析法设计了一 套永磁无刷直流电动机的电磁设计程序。第五章推导出永磁无刷直流电动机相绕 组的电感计算公式，并用此解析式得到第四章中设计的永磁无刷直流电动机的相 绕组电感：在星形连接的两两导通方式下，分析计算得到计及绕组电感的永磁无 刷直流电动机的平均电流稳态电路模型。推导出了在二角形连接的两两导通方式 下，计及绕组电感的相电流解析式。 浙江人学硕十学位论文第：幸永磁无刷直流电动机的拧制系统的开发 第二章永磁无刷直流电动机的控制系统的开发 摘要：丰要概述了永磁无刷直流电动机控制系统的软硬件设计。设计了一套以 m i c r o c h i p t e c h n o l o g y 公司牛产的8 位单片机p i c l 6 f 8 7 7 a 芯片为核心的控制系统， 并给出了此单片机的软件设计。 2 1 控制系统的硬件设计 整个控制系统是实现永磁无刷直流电动机的稳定运行的核心环节。主要包括 开关辛电路( 逆变器) 、驱动电路和控制电路，如图1 1 所示。 本文设计了以m i c r o c h i pt e c h n o l o g y 公司的p i c l 6 f 8 7 7 a 为核心部件的控制系 统。系统总体硬件框图如图2 1 。 叫转子伊置检测及转速计算| + 一 p i c 永磁无 1 6 f 8 7 7 a 一觚黝蝴hm 豁o s 刚牲卜 刷直流电 动机 q 蕊踹一 图2 1 永磁无刷直流电动机控制系统框图 表2 - 1构成硬件电路的土要元器件 器件名用途数晕 p l c l6 f 8 7 7 a 接受输入，产生p w m 波，与上位机通讯 l a ：r f l 6 v 8 b 组成解码器。输入为3 相位置信号、正反、停机、p w m 、保护 1 信号；输出为6 只m o s f e t 的导通信号 6 n 1 3 7 逻辑门输出光电耦合器，将驱动信号和土电路信号隔离 6 i r 2 1 3 0 组成过流欠压保护电路 1 稳压电源 提供+ 5 v 、+ 1 5 v 直流电压 l l r 5 4 0 n m o s f e t ，组成功率土电路 6 浙江人学硕十学位论文第：申永磁无刷立流电动机的拧制系统的开发 构成永磁无刷直流电动机调速系统的硬件电路的丰要元器件如表2 1 所示。 2 1 1 驱动及驱动保护模块 在本文设计的控制系统中，p 1 c 输出的p w m 脉冲信号首先经过6 n 1 3 7 快速 光耦进行光电隔离，在通过i r 2 1 3 0 专用驱动集成电路实现驱动，其电路如图3 2 所示。m o s f e t 专用驱动集成电路i r 2 1 3 0 ，为六路输入电路输出电路，且输入输 出波形完全跟随，为三相逆变桥的二个桥臂六个功率元件实现驱动。同时为系统 出现过流故障时，故障信号传送到i r 2 1 3 0 的i t p i r 脚，直接封锁i r 2 1 3 0 ，使其输 出六个脉冲信号都为低电平，六个功率元件都关断。 i r 2 1 3 0 时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 rc o m p a n y ) 生产的六路 集成芯片，具有集成度高、速度快、过流过压欠压保护、封锁和指示网络、调试 方便等特点。其驱动信号延时为纳秒级，开关频率高达2 0 k h z ，且价格便宜、体 积小、外围走线简便，对于缩小控制器体积、提高可靠性具有显著的优势，使中 小型永磁无刷直流电动机驱动电路的理想选择。 图2 2 隔离驱动电路图 浙江大学硕十学位论文 第：幸永磁无刷立流电动机的拧制系统的开发 2 1 2 单片机p i c l 6 f 8 7 7 a 及外围电路 m i c r o c h i p t e c h n o l o g y 公司推出的8 位p i c 系列单片机，采用精简指令集 ( r i s c ) 、哈佛总线结构、二级流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、 低功耗、高速度、体积小、功能强和简单易学等特点。 p i c 系列单片机产品可以分为初级产、中级产品和高级产品三大系列。 p i c l 6 f 8 7 7 a 属于中级产品，其采用的是1 4 位的r i s c 指令系统，在保持低价 的前提下增加了a d 、内部e f p r o m 存储器、比较输出、捕捉输入、p w m 输出、 1 2 c 和s p i 接i = 1 、异步串行通信( u s a r t ) 接i = 1 、模拟电压比较器、l c d 驱动、 f l a s h 程序存储器等许多功能。p i c 系列单片机具有以下几大特点：开发容易， 周期短，高速，低功耗，低价实用。 单片机p i c l 6 f 8 7 7 a 引脚的使用说明及外围电路：p i n 3 3 、3 4 、3 5 被配置为模 拟输入，即r b o 、r b l 、r b 2 ，外加了上拉电阻；p i n l 9 、2 0 、2 1 、2 2 、2 7 、2 8 为 p w m 波输出，即其p o r t d 端口；p i n l 接入一个发光二极管，显示上电功能。 ，下 酗幸器。再董一 虹 几譬赫猡。终旺嬲篡习1 l 一 rhm p t ，1 2 ，魁：呻皓篷璧r ”爹, a n 2v r 罐冀薹 i f 图2 - - 3 单片机器件及其外阐电路 浙江人学硕十学位论文第j 章永磁无刷立流电动机的拧制系统的开发 多“p 蓝 一 t 盏氲 f 一一一一 一；一 ! 一一 一0 i 二二二i _ _ _ j _ = 二_ = ：z：i 二差告瓣一一篙一_ = 三一 图2 - 4 系统的控制线路原理图 2 2 控制系统的软件设计 永磁无刷直流电动机控制系统的软件丰要实现永磁无刷直流电动机位置的检 测，转速的计算，电流与转速的调节，p w m 信号的生成以及故障信号的处理等功 能。由以上可以看到无刷直流电动机控制系统软件丰要包括位置检测，转速调节， 电流调节，p w m 波牛成等几部分组成。 2 2 1 软件整体控制结构 图2 - 5 为总的软件流程图。首先初始化系统，配置所要用的寄存器，定义并 初始化变量，初始化a d c 模块，定义事件竹；殚器模块，开肩a d c 中断。配置完 寄存器后，读取启动时刻的位置值，根据位置值来调用换相了程序。 位置信号一旦发牛变化，进入中断了程序，读取位置值和捕获值，根据位置 值进行换相导通及p w m 调制。 浙江人学硕十学位论文第二幸永磁无刷立流电动机的控制系统的开发 2 2 2 位置信号的处理 图2 - 5 主程序及其中断服务子程序流程图 表2 - 2换相表 换相状态宁位置信号正转反转 r b 0 ( a )r b l ( b )r b 2 ( c ) 导通的管子号通的管子 lo0l q 6 、q i q 4 、0 5 2010 q 4 、0 5 q 1 、q 6 01l q 5 、q 6q 5 、q 6 410o q 2 、q 30 2 、q 3 5lo1 q i 、q 20 3 、0 4 6l10 q 3 、q 4q 1 、q 2 一旦进入中断，通过r b 0 、r b l 、r b 2 口读取位置信号，此时的信号值是一 个二位二进制数。根据电枢转予与磁极转子的相对位置信号( a 、b 、c ) 的状态， 组成换相状态字，找出三个相对位置信号与六个功率符导通之间的关系，以表格 浙江人学硕十学位论文第：章永磁无刷立流电动机的拧制系统的开发 形式存放在c p u 里。 上位机程序由汇编语言编写而成，与中断服务程序相配合实现以下的通讯功 能：a ) 向单片机下达控制命令，包括电机的肩、停；b ) 向下位机查询电机的运 行状态( 转向和转速) 以及电机的控制模式。程序中采用了软件定时器。 p i c l 6 f 8 7 7 汇编程序构成结构框图，如图2 - 6 所示。为了提高程序的可读性， 在程序的最开头给出了整个程序的总说明；接着用列表伪指令指定微控制器型号 和文件输出格式；然后用i n c l u d e 伪指令读入m p l a b 提供的定义文件 p 1 6 f 8 7 7 i n c ；再对片内r a m 常用资源进行定义；最后是主程序和予程序基本结 构【2 7 】。 程序说明 指定微控制器掣号和文件 输出格式 用i n c l u d e 伪指令读入 m p l a b 提供的定义文件 i定义片内常用资源 0 i主干罕序和子稃序基本结构 图2 - 6p 1 c 1 6 f 8 7 7 汇编程序构成结构图 2 3 实验分析 实验样机的丰要参数为： ( 1 ) 额定电压3 6 v ： ( 2 ) 额定电流5 7 a ： ( 3 ) 额定转速2 0 8 r m i n ； ( 4 ) 额定功率2 0 4 w ： ( 5 ) 极对数8 。 浙江人学硕十拳位论文 第幸永磁无刷立流电动机的拧制系统的开发 2 3 1 实验波形 实验测得的位置传感器的输出信号，如图2 7 所示为永磁无刷直流电动机的两 个相对位置信号的波形。 r _ 1r 5 一。”1 一 i 图2 7 位置传感器输出信号图2 - 8反电动势波形 图2 8 所示为永磁无刷直流电动机的反电动势波形，与理论上的反电动势波为 梯形波十分接近，但由于电机本身磁极较多和磁极边缘为圆弧的问题使得反电动 势的平顶部分较窄。 实验测得的相电流波形如图2 - 9 。 图2 9 相电流的实验波形 从图中可以看到相电流波形基本为矩形波，与原理上相电流为矩形波相符， f u 纹波很多。原因可能为( 1 ) 实际的反电动势往往受电机的结构、电枢反应等多 种因素的影响，而非理想的梯形波；( 2 ) 实际的电路器件也存在一定的误差；( 3 ) 交流电源本身存在许多干扰( 直流电源是交流电通过逆变器得到的) ；等许多因素 的影响。 浙江人学硕十学位论文第：章永磁无刷直流电动机的拧制系统的开发 2 3 2 电机参数测试 根据r = u i ，采用直流电压电流法得到永磁无刷直流电动机的两相绕组电 阻，接线图如下图所示。 j 一4 一? 月 嘭呋 1一i 表2 - 3 实验原始数据及计算的r 值 数据个数 l ( a )u ( v )r ( = u i ) ( q ) l0 9 2 511 0 2 0 21 2 51 3 81 0 3 1 1 51 6 41 0 3 1 42 2 52 4 81 0 3 4 52 731 0 2 3 6 3 3 8 1 0 2 l ，i ，均电阻r l 。 1 0 2 7 直流电机电枢回路电感系数的测量方法有【2 5 】： a 1 工频交流法； b ) 可控硅电源供电时录取电动机电流及电压波形