（电机与电器专业论文）永磁无刷直流电机起动发电系统研究.pdf

垒! ! 坚垒坐 一 a b s t r a c t w 竺盅：= = 篡。篡三。：= = 三翟裟言h = ：毒 i m p o r t a n tp a r to ft h ea i r c r a f ta n da u t o m o b i l ep o w e rs y s t e m i t sm a i n f u n c t i o ni st os t a r tt h e e n g i n ea n dg e n e r a t e e l e c t r i c p o w e ra f t e r t h e e n g i n ei s s t a r t e d t h i s p a p e rd e s c r i b e s t h e p r i n c i p l e s a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep e r m a n e n tm a g n e tb m s h l e s sd cm o t o r ( p m b l d c ) s t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e m a n d d e s i g n s a m o t o r c y c l es t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e m a tf i r s t ，t h eb a s i cs t r u c t u r ea n do p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ep m b l d cs t a r t e r g e n e r a t o r s y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h es t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a t h e m a t i c sm o d e l o ft h em o t o ra r e f o u n d e da n d a n a l y z e d s e c o n d l y , am e t h o d f o rm o d e l i n go fp m b l d ci nt h em a t l a be n v i r o n m e n ti sp r e s e n t e d ， w h i c hi ss u i t a b l ef o ro t h e rm i x e dm o d e ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h e p m b l d c ，as i m u l a t i o nm o d e l o ft h es t a r t e r g e n e r a t o ri sc o n s t r u c t e d t h el a s t p a r t o ft h i s p a p e rd e s c r i b e s t h e m o t o r c y c l e p o w e rs y s t e md e s i g n a n dt h e d e b u g g i n gp r o c e s s 1 1 a e _ t e g _ w a v _ e _ f o r m 蛐a n d y d e m o n s t r a t d t h ec o r r e c t n e s so ft h e t h e o r e t i c a ls m d ya n d d i g i t a ls i m u l a t i o n t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e rh a sr e v e a l e dt h es y s t e m a t i c a ln a t u r eo ft h ep m b l d c s t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e ma n dm u c hm o r er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ns h o u l db ec a r r i e do u ta s s o o na sp o s s i b l e k e yw o r d s s t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e m ，p e r m a n e n tm a g n e tb m s h l e s sd cm o t o r , c o m p u t e r s i m u l a t i o n ，s y s t e md e s i g n i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈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，也不包含为获得东南大学或其它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己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 签名：率导师签名：赴日期：乏掣 0 1 起动发电系统的研究现状 起动发电双功能系统是为了适应e 机、汽车等的电源系统的发展要求而产生的。发动机在投入 运行之前，需要起动机来起动，实现起动的方法有很多种，如液压起动、电起动等。起动机在起动 后就不再起作用，一直以来人们都在寻找一种更高效、更简洁的起动方案。 起动发电系统的基本思路就是让电源系统中的发电机兼作起动电机用。利用电机的可逆原理， 在发动机起动时，电机作为电动机运行，其负载为发动机，电机将电能转换为机械能，带动发动机， 当转速达到某一定值后喷油点火，使发动机进入自行工作状态，这一过程称之为起动过程。起动结 求后，发动机转为原动机，拖动电机，此时电机也相应转为发电机运行，将机械能转换为电能输出 通过整流和调节，得到直流电，向蓄电池充电或供给机载、车载用电设备。 起动发电机是起动发电系统中能量转换的核心部件，其功能直接影响系统的性能及指标。起动 发电机既有一般电机的共性，也有它特殊的地方。首先，电机直接带负载起动，需要很大的起动转 矩，电机起动后，到发动机点火的短暂时间内( 1 0 秒以内) ，仍然要维持一定的负载转速和转矩； 其次，当转为发动机运行时，发出来的交流电要经过整流装置变成直流电来输出。这些都是起动发 电机与一般电机的不同之处，在设计的时候应该重点考虑。 从电机本身的角度来看，可以用作起动发电系统的有很多种，如有刷直流电机、开关磁阻电机、 电励磁同步电机、无刷直流电机等。下面对这些电机作一个简单的比较。 i 有刷直流电机 有刷直流电机作起动发电机用时，与一般的直流电动机和直流发电机略有不同，起动时，以复 励( 串励为主) 直流电动机方式工作，要求有足够的起动转矩和起动电流，起动结束厉，电机的串 励绕组被切除改为并励方式，作发电机运行”。早期的起动发电系统多采用有刷直流电机，其优点 是起动性能良好、控制简单，但由于电刷和换向器的存在，使得这种起动发电系统维护复杂，使用 寿命短；另一方面发电功率和起动功率也受到根人限制”】。 2 开关磁阻电机” 开关磁阻电机( s r m ) 的转子是简单的迭片结构，结构坚固且经济，由于转子没有绕组和磁钢，冈 此可在高速下运行，其定子集中绕组可以预先绕制好再嵌入定子槽，这使得定子装配工艺简单，制 造成本低，冷却方便。由丁开关磁阻电机转子没有绕组和永磁体，转子结构对温度不敏感，电机的 最高运行温度取决于绝缘系统，因此其高温环境的运行能力优良。但开关磁阻电机转矩脉动大，电 机存在严重的非线性，优化控制有一定的难度，电动和发电时均需功率变换器工作，发电的可靠性 有所降低。 3 电励磁同步电机 电励磁交流同步电机作为发电机已经得到了j “泛的应用，即可以用于变频恒速电源，也可以用 1 奎堕查兰堕! 鲎堕堡兰 一 f 直流供电。只要在现有基础上研究其起动方案，就可以将其改造成起动发电系统。这种结构可以 充分利用现有电源装置，对系统改造较小。电励磁交流同步电机静【l 时，无法得到励磁，因而要额 外增加一套辅助起动绕组，起动时，先在辅勘绕组中通以电流，提供励磁，起动完成后退出运行。 这样就要重新设计电机结构，增加了电机体积和重量。 4 无刷直流电机 无刷直流l b 机崩屯子换向器取代了普通直流电机的电刷和换向器的机械换相，拥有普通直流电 机的控制性能和调速性能，没有了由丁机械换相带来的诸多# 制。具有起动方便，能量密度人， 效率高，可以输山高质量的直流电压等优点。 0 2 无刷直流电机的发展及研究现状“2 3 有刷直流电机以其优良的运行特性在运动控制领域得到了广泛的应崩，但利用电刷进行机械换 相是其致命的弱点。早在1 9 1 7 年，b o l i g e r 就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而 诞生了无刷直流电机的思想。1 9 5 5 年，美国的d h a r r i s o m 等人首次申请了用晶体管换相线路代替有 刷直流电机机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电机的诞生。由于该电机起动存在问题，不能产 品化。而后又经过人们很多年的努力，在1 9 6 2 年，借助于霍尔元件来实现换相的无刷直流电机问世 了，从而开创了无刷直流电机产品化的新纪元。 近5 0 年来，由丁电机本体及其相关学科的迅猛发展，无刷直流电机的概念已由摄初的具有电子 换相的直流电机发展到泛指一切具有无刷直流电机外部特性的电子换相电机。无刷直流电机的发展 亦使得电机理论与大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论以及高 性能材料的结合更加紧密。如今，无刷直流电机集特种电机、变速结构、检测元件、控制软件与硬 件于一体，形成新一代伺服系统。体现了当今应用科学的许多虽新成果，是机电一体化的高新技术 产物。 无刷直流电机真正进入实用阶段应从1 9 7 8 年开始，当时原西德m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易搏览会上，正式推出m a c 经典无刷直流电机及其驱动器。8 0 年代在国际上开展 r 深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电机。 随着高性能电力电子器件和现代控制技术的发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如g t r 、 m o s f e t 、i g b t 等相继出现，以及高磁能永磁材料，如钕铁硼等的问世为无刷直流电机的广泛应用 奠定了坚实的基础。无刷直流电机不仅具有传统直流电机类似的转矩控制特性，而且还具有结构简 单、起动力矩大、调速范围宽、损耗低、效率高、无滑动接触和换相火花、可靠性高、噪音低和使 用寿命艮等突出优点。无刷直流电机的应用已经在家用电器、航空航天、数控机床、机器人、电动 汽车和计算机外围设备等方面获得了广泛应用。 0 3 永磁无刷直流起动发电系统介绍 考虑到起动发电机的特点，选择永磁无刷直流电机来充当起动发电系统的起动发电机，主要 - 2 - 绪论 有以f 儿点理由： 1 稀士永磁材料具有很高的磁能积，可以明显降低电机的重量、减小电机的体积，而起动发电系 统，特别是应用丁汽车、摩托车上的起动发电系统，由于安装何置和使用方式的缘故，都对重 量和体积有一定的限制。 2 永磁无刷直流电机和直流电机一样具有良好的起动、调速性能，可以输出较人的起动转矩，满 足起动发电系统对起动转矩的要求。 3 常用起动发电系统中的磁电机都是永磁同步电机，其与永磁无刷直流电机的结构相似，可以较 方便的进行改造，使其成为起动发电机。 理论上，永磁无刷直流起动发电系统就是永磁无刷直流电动机和永磁同步发电机的组合。但要 充当起动、发电双功能系统，设计时要兼顾两方面的情况来综合考虑。首先，对于电动机状态来说， 由丁| 没有机械换向器，绕组电流的换相要通过电子变换器来完成，为了测得转子的位置要添加位置 传感器。起动时，低压大电流、大转矩是其难点。其次，发电机状态下，一般使用的都是标准的直 流电压，冈而需要将电机发出的交流电整流成直流电输出，需要配置逆变器和d c - - d c 变换装置。 对于永磁无刷直流起动发电系统，电机起动时使用的电源是电压不可调节的蓄电池。电机起动 时，为了获得足够的起动转矩，直流电压直接加在电机绕组的两端，绕组中瞬间电流很大，对机械 设备也有很人的力矩冲击，这就要求设计时充分考虑到系统的承载能力，特别是对电子变换器的选 择问题。当电机发电时，由于发动机的转速并不是固定不变的，这样就决定了发出来的交流电并不 是恒定的，这样整流出来的电压也就不是标准电压，对于永磁电机来说，不能像传统的电励磁电机 那样通过调节励磁来改变电压，这就需要通过控制在输出端进行调节，达到电压稳定的目的。另外， 同样是由丁永磁体的励磁，一旦绕组内部发生短路，也不能用切断励磁的方法来解决。故还需要一 套机构来使得出现短路时保证电机与发动机可靠脱离”“。 0 4 本课题的意义及论文主要工作 从上面的分析可以看出，基于永磁无刷直流电机的起动发电系统研究具有一定的新颖性，也有 着重要的理论意义和实用价值。 1 在现有的电动汽车、摩托车电源系统中，永磁电机作为发电机得到了广泛应用，它既可以为蓄 电池提供充电电源，又可以为点火系统提供点火能量“。在现有基础上，深入研究这种电机的起动 方案，能将其改造为起动发动双功能系统，省去独立的起动电机，具有很大的实用价值。开发风险 和对整个电源系统的改动都较小，研究周期也较短，不仅可用于新机型的装备，也还可用于老机型 的改造，是一个很有竞争力的方案。 2 起动发电系统在飞轮蓄能、抽水蓄能电站中也有广泛的应用。在飞轮储能过程中，通过电机转 动飞轮，电能变为机械能，这时电机充当电动机用；输电时，飞轮带动电机，再将机械能变成电能， 电机充当发电机用。与起动发电系统的差别就是这里电机充当电动机的时间较长，不再是短时工作。 在设计时要进行额外的考虑。抽水蓄能电站也有类似需求，要求电机既能发电又能电动。这些都类 似丁起动发电系统，完全可以借鉴起动发电系统来实现。 东南大学硕1 学位论文 由此可见，永磁无刷直流电机起动发电系统有着r 阔的应用前景和很人的研究价值，具有重大 的意义，既可以优化现有电动汽车、摩托车的电源系统，又对飞轮蓄能、抽水蓄能电站的电机系统 具有参考价值。 虽然国内外关于起动发电系统的研究已经开展了许多的t 作，但很多问题还没有解决，需要进 一步的研究。本论文围绕着“永磁无刷直流电机起动发电系统”做了一些工作，并针对摩托车用起 动发电系统作了设计，实现了起动功能。主要内容如下： 1 绪论叙述起动发电系统发展的背景和几种起动发电系统的电机方案，介绍永磁式无刷直流电 机的发展和现状，叙述永磁无刷直流起动发电系统的意义和本文的土要工作。 2 第一章介绍永磁无刷直流电机起动发电系统的基本。i _ = 作原理。对起动和发电两种不同的工作 方式进行分析，建立各自的数学模型，并重点推导了起动时的转矩公式和发电时的整流电压和 换相重叠角公式。 3 第二章根据数学模型建立起动发电系统的仿真模型。介绍仿真的概念、现有的仿真方法及其 发展。针对电机的建模问题提出了在m a t l a b 环境f 建立p s b 模型的方法。针对永磁无刷直流 电机起动、发电的不同过程建立不同的仿真模型，给出仿真实例。 4 第三章摩托车用起动发电系统设计与起动实现。概述摩托车起动发电系统的特点，提出由永 磁无刷直流电机充当摩托车起动发电系统的主体，设计了摩托车的起动发电系统。对电机本 体和控制系统进行分析讨论。 5 第四章系统调试。介绍整个系统调试的过程，对遇到的问题进行分析并提出解决方法，给出实 测的数据和波形，进行分析。 6 第五章总结和展望。对全文工作进行总结，提出下一步的研究方向和展望。 第一章永磁无利直流电机起动，发电系统的基本原理 第一章永磁无刷直流电机起动发电系统的基本原理 1 1 引言 永磁无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，其内部发生的电磁过程与普通直流 电机类似，可以用类似丁有刷直流电机的分析方法米进行分析“。永磁无刷直流电机起动发电系统 的工作过程可分为两个阶段来考虑，第一个阶段。由蓄屯池供电，电动机状态运行，电机起动，等 同j 二永磁无刷直流电动机；第二个阶段，起动完成后，由发动机拖动，转为发电机状态运行，向电 气设备供电，相当于永磁同步发电机。 1 2 永磁无刷直流电机的电动机状态 1 2 1 永磁无刷直流电机电枢绕组感应电势方程 开始分析之前，先对正方向作如f 规定： 电枢中磁链正方向与绕组轴线方向一致，正值电流产生正值磁链，即电流、磁链按右手螺旋法 则取正方向。电压正方向与电流正方向符合电动机原则，即从线圈端头往线圈内部看，电压正方向 与电流正方向一致。 对理想的永磁无刷直流电机作如下假设： 1 永磁体住气隙中产生的磁场_ 早- 方波分布，平顶宽度为1 2 0 。电角度； 2 忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗； 3 定子绕组为三相集中绕组，星形连接； 4 忽略电枢绕组电感和功率管开关的过渡过程： 5 电机与1 2 0 。导通型逆变器相匹配，为两相导通三相六状态运行方式。 根据电磁感应定律，磁场中任一导体产生的感应电势为e = b l v 。 其中，b 为气隙磁感应强度，为导体长度，v 为导体相对于磁场的线速度。 v = 专芋= 2 p 丽n ，其中，”为电机转速，d 为电枢内径，p 为极对数，r 为极距。 则p = b l 2 p r 旦6 0 。 设每相绕组的串联匝数为，考虑到中= b a ，：l ，则每相绕组的感应电势为： 肚2 肌差l 2 p r6 n - 竺u _ = 1 5 p d 肿行( 1 - 1 )a 让o ul ，d 其中中为每极磁通，a 为极弧系数。 上式说明绕组感应电势波形取决于电机气隙中磁通d 的分布曲线波形。由上面的假设，这里的 永磁无刷直流电机的气隙磁场理想情况f 为方波，每相绕组的感应电势相应的为梯形波，如图l 一1 查堕生堂堕土兰垡堡二! ! ； 所示。梯形波的波顶宽度随电机极弧系数的不同而不同，可分为波项宽小于1 2 0 。、等丁1 2 0 。、大丁 1 2 0 。三种情况。这里只对波顶宽等于1 2 0 。的情况进行分析。不论是起动过程还是发电过程，感应电 势波形都是一致的，因而这里的分析同样也适用于发电状态。 e ji e 。e he 、7 ，7 、i。 一一一盐!，2 “v - 图1 1 永磁无刷赢流电机感麻电势理想波形图 l - 2 2 永磁无刷直流电机的电压方程和电磁转矩表达式 1 ，2 1 卜一般电机的电压方程和电磁转矩表达式2 根据机电能量转换理论，假设一般化电机的定子有m 个绕组，转子有n 个绕组，磁路是线性的。 电机每个绕组电路的电压方程都是外施电压与绕组血阻匿隆和盛斑虫动蛰的平衡式。感应电动势义 刊摊舷腊篓r i d抛(l0黧篱麓e=n(1-2)dt d t0 0d t “=+= 只j + 三堕+ 丝q f _ 月f + 三堑 厂 遗豹皂埚 其中，“、i 、r 和l 分别为电机的电压、电流、电阻和电感矩阵；0 为机械角位移：q 为机械 角速度：e o 为运动电动势，e n = 兰e 2 i 。 同样根据机电能量转换理论，电机的电磁转矩可以表示为7 _ = 雩芋 。 二= 荔篡2j = l ：戳鸹m + n m 泓+ n 诺。 若电机的磁路为线性，根据= 吃：三窆甲，7 ，l 式可变为乙：言乞乞f ，挚。 驴三，7 嚣r ( 1 - - 3 ) 6 第一章永磁无刷直流电机起动发电系统的基本原理 其中，zl = 上l l厶2 ，一l 1 上l 1 jl l l 。 三2 1上2 2 l 2 m三2 】 jl l 2 。 。 l 。1上肌2 上。l 。“一、三。 + i 、1上卅+ 12 “l 。+ 】。l m + 1 + l 。l 。“。 、a l 上m l 、m 三m “ r 、上。 t m q 2 z l _ i t a o l 万q = 吾i 7 e n 嶙蝌亿 c ，一a ， 假设忽略电机转轴的扭曲变形，则电磁转矩t 。与转子上承受的外施机械转矩r 、惯性转矩r 和 阻力转矩瓦相平衡，即： 乙钉+ l + 瓦廿挚峨百d o ( 1 - - 5 ) 其中，为转子的转动惯最，r 。为旋转阻力囊鬟 以上即为一般电机的电压方程和电磁转矩表达式，是分析永磁无刷直流电机的基础。 1 2 1 2 永磁无刷直流电机的电压方程和电磁转矩表认式 永磁无刷直流电机相绕组的感应电势为梯形波，定子绕组的电流为由逆变器提供的与感应电势 同相的方波电流，同一相的感应电势和电流波形如图1 2 所示。 图1 - - 2 一相反电势和电流波形图 下面在一般电机的电压方程和电磁转矩表达式的基础上，建立永磁无刷直流电机的电压方程和 电磁转矩表达式。 由式( 1 - - 2 ) ，可以得到永磁无刷直流电机的电压方程为： “= r i + 上要+ e ( 1 6 ) “l 其中，= b 。 “。r 为定子三相电压矩阵，i = ki c 7 为定子三相电流矩阵， 啦言 00 r0 0 r 。 为定子绕组电阻矩阵，e = k 。p 。r 为三相反电势矩阵 i屯州k州k z - 东南大学顾士学位论文 上础 m h ， m 。 m 上孙 m m 。： m 。 上。 为定子绕组电感矩阵，其中，l 。、。为每相定子绕组自感，m 、 m 。、m h 、m m 、m 。、m 为三相定子绕组间互感。 电磁转矩的表达式为： t 。：型芷盟卫立稚妪；嚼椎( 1 - - 7 )。” q 式( 1 - - 6 ) 和式( 1 - - 7 ) 描述了永磁无刷直流电机的电压方程和电磁转矩表达式，但上述方程 相对复杂。在实际应用中，还需要根据具体情况作一些简化。 假设在一个3 6 0 。电角度内，磁路的磁阻不随转子位置发生变化，并且三相绕组对称，则有： r 。= r = r 。= r ，l 册= l 砧= l 比= l ，m 曲= m 。= m b = m 打= m 删= m 曲= m ， 其中，r 为定子每相绕组电阻，三为定子每相绕组自感，肘为定子绕组间互感。 式( 1 6 ) 变为： 材 “c r00 0r0 00r 十 lmm mlm m ml d 。 廊 上 e 日 e c 又由于三相绕组对称，星形连接，故有f 。+ i 6 + i c = 0 ，带入上式可得 “口 蚝 “c roo 0r0 o0月 电磁转矩的表达式仍为 + 三一。0 0l m 00 l 。= 盟警 不考虑换相过程，电磁转矩可以表示为 上 e 口 e c l 一8 ) ( 1 9 ) 乙：婺2 p w 。n l a 一6 0 ：4 p w m i 。f ( 1 - - 1 0 ) 。” q 1 5 a2 n n 棚 。 其中，i a 为绕组电流。 由上式可见，永磁无刷直流电机的电磁转矩表达式与普通直流电机的相同，其大小与磁通和电 流幅值成正比，调节电流幅值就可以控制转矩的大小。 1 3 永磁无刷直流电机的发电机状态 当电机起动完成后，通过控制线路的切换，电机转入发电机状态运行。电机相当于永磁同步发 - 8 一 d 一硪 1j m 0 o 一 塑二主查壁重型皇塑皇塑型垫! 垄生墨堑堕至查堕堡一 电机，与传统的永磁同步电机不同，发出来的二相交流电要通过全波整流桥将其整流成直流电。 电机空载时，定子绕组开路不带负载，切割主磁通产生对称三相感应电势e = 焘 。 此时，定子绕组电流为零，电机端电压u 就是绕组的感应屯势e 。冈为是永磁体励磁，发电机的输 出电压不能像电励磁那样可以通过调整励磁电流来调节，只能通过在输出端添加辅助设备来控制。 下面具体分析发电时电机带负载的运行情况。 l - 3 1 带整流桥负载时的数学模型 一般情况下，起动，发电系统在发电过程中都是通过整流装置向蓄电池或者其他设备提供直流电 的。这里也主要讨论的是经过整流之厉带负载的情况。由于感应电势为梯形波，经过桥式整流后输 出的直流电压纹波较小，需要的输出滤波装置也相对简单。理想情况下，输出电压应该是没有脉动 的。 幽1 3 所示为永磁无刷直流电机和二极管全波整流桥构成的系统，功率管t 片j 来进行电压的调 节，r ，和厶为负载的等效电路。 t 匹_ l d l jl d 3j d 5 i ， 芰薏 雁。盯 -_ d 4 o l d 6 j l d 2 、 图i 一3 永磁无刷直流电机发电状态带负载等效电路图 整流采用的是二极管电路，属于三相不可控全波整流电路。由于二极管没有正向阻断电压的能 力，因而二极管导通一定是其处在正向偏置时。电路中三相六只二极管组成了共阳极连接组和共阴 极连接组，其导通状况完全由绕组感应电势的相对大小来决定。任意时刻，总是电势最高的相绕组 和屯势晟低的相绕组同时导通形成通路，所对应的二二极管相应导通。 采用三相整流桥对电机输出电压进行整流时，三相电流会在电机感应电势的作用下循环导通和 截止，由于绕组电感的存在，电流不可能发生突变，这时就有电机三相绕组同时流过电流的情况出 现，通常用换相重叠角来表示这段换相时间。由下电机换相重叠角的不同，电机的整流输出状态也 是不一样的。当换相重叠角小于6 0 。时，电机丁作过程中会出现两种交替改变的工作状态，即两相 导通状态和三相同时导通状态。两相导通状态是由电机感应电势差最大而形成的电流回路，而三相 同时导通的状态则是在换流过程中，绕组中电流由于电感的存在而不能马上消失，而形成了另一个 电流回路，一段时间内三相绕组同时导通。 对于外接三相整流桥的三相永磁无刷直流电机，发电的一个周期可分为6 个工作区间，每一个 区间为6 0 。电角度，而每个区间内，又有两种不同的工作状态：稳态和换流。图1 4 为电机发电状 态f 的远行模式图。 - 9 东南大学硕i | 学位论文 汹c b 导通模式 ( c ) a b 导通模式 ( e ) a c 导通模式 ( g ) b c 导通模式 ( i ) b a 导通模式 ( k ) c a 导通模式 ( b ) c b 导通到a b 导通的换流模式 ( d ) a b 导通到a c 导通的换流模式 对 n z 士f lt ( f ) a c 导通到b c 导通的换流模式 ( h ) b c 导通到b a 导通的换流模式 ( j ) b a 导通到c a 导通的换流模式 ( 1 ) c a 导通到c b 导通的换流模式 图1 4 永磁无刷直流电机发电状态运行模式图 - 1 0 第一苹水磁尢刷直流电剞l 起动发电系统的基本j 泉理 下面首先对个6 0 0 区间内的情况来分析电机的状态方程。 当c b 相导通时，电机运行在换流后的稳定状态。 分析时，将三相屯枢绕组等效为三个电感线圈，4 i 计阻尼绕组，永磁体所产生的感应电势用理 想电压源米表示，建立如图1 5 所示的理想状态电路模型。其中，“。、“。为电机端电压，“。 为中点电压，f 。、f 。为相电流，r 。、l l 为等效的负载电阻和电感，i l 为负载电流。 k d ljk t j 3 j 一 1 虬 三 、 “b 、 l d 4ji d 6j 图1 5 永磁无刷直流电机发电状态理想电路模型 由图1 - - 4c a ) ，不计二极管压降，列出如下方程： d c - - “b = r ，f 。+ 三。生d t = e b - r b i b - l 。i d a b + “。( 卜1 1 ) 驴 掣。吐鲁鸲 i = 一i c 饵c 础z “c 鲁栅一) 一( 邑础 屯e 鲁+ = r l i c + l l 鲁，。 e 。一e = ( r + 2 r 6 ) i 。+ ( 上+ 2 l ) = 式1 1 2 即为两相导通时稳态模式下的状态方程。 在由c b 导通到a b 导通的换流过程中，电机运行在换流模式下。如图l 一4 ( b ) ，电机c 相绕 组趋丁截止，a 相绕组趋于导通，此时电机中存在两个电流网路，即c 、b 相构成的回路和a 、b 相构成的同路。不计二极管压降，列出如下状态方程： 东南大学硕 一学位论文 “。一u = r i l 十l l 。一” 2 r l f + l l “。= e 。一r 。i 。一l 。 = e 6 一r i b l 5 ”。= e 。一r 。i 。一l 1 1 2 z 日+ l c k2 - - i 口一z c 整理后，得到下式 ( e 咄f c _ t d i c 一( e b - r h f - l b = ( 耻彤。也吨卜l 争= i l = + i c i 6 = 一i 。一i 。 ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 式1 1 4 即为三相同时导通换流模式下的状态方程。 以上具体分析了一个6 0 。区间内的工作情况，对于其他的工作区间，只是构成电流回路的相绕 组组合发生了变化，可以采用相同的分析方法来分析。这样就得到发电过程在整个3 6 0 。t 作周期内 的状态方程。对于其他工作区间的情况，这里不再赘述。 1 3 2 整流输出电压和换相重叠角的计算公式。 发电机带三相桥式整流负载运行时，由于电机内绕组电感的存在，相电流不能发生突变，换流 时产生两相甚至三相同时导通的现象，这就是所说的换相重叠，用换相重叠角y 来表示。不同电机 的整流输出电压和换相重叠角的计算公式是不同的，f 面对感应电势为梯形波的永磁无刷直流电机 整流输出电压和换相重叠角的计算公式进行推导。图i - 6 为换相时的电路模型。 图1 6 换相时的电路模型 为方便讨论，假设电机感应电势为梯形波，波项宽度为1 2 0 。，不计绕组电阻，忽略电枢反应 的影响，三。= l b2 三。a 电机带感性负载，输出电流为恒定值，l 。 - 1 2 + + 十 吼一出蛾一班峨一出如一击噍一出 吮i 吼i k t + + t k l 足 冗 第一章永磁无刷直流电机起动发电系统的基本原理 e ，一e ：2 l ，_ _ d i o a t ( 1 一1 5 ) ( 1 1 6 ) 则输出电压为： 盱肾l 等= e 一学= 半( 1 - - 1 7 ) 由此司址，换相期间输出的整 j i c 电压是换相的两相电压的平均值。 由于电机绕组电感的存在，输出整流电压的平均值会有所f 降，称为换相压降，用a u 来表 示。对于二相不控桥式电路，换相压降可以表示为： u = 熹f ( e 一抛= 姜n 鲁d 耐= 昙f 叱也= 昙叱t ( 1 - - 1 8 ) 空载时，整流输出电压为2 e ，则负载时的整流输出电压为：u l = 2 e 一三越。1 l 。考虑到 负载端为恒流，u = 1 , r ，则 卟z e 一昙越睾 ：丝百( 1 - - 1 9 ) 1 + 3 6 0 l j 观 由上式可见，整流输出电压与感应电势、绕组电感和负载电阻都有关系。 下面对梯形波反电势的换相重叠角进行分析，图1 - - 7 为换相重叠角的示意图。 e jl 乞以 n 攀。( 瓦 l 图1 - 7 换相重叠角y 为了分析的方便，将坐标原点设在如图1 7 所示的位置，因而，在换相期间( y 角内) ，c 相电势为巨= e - 些耐，a 相电势为占。：e 。 则换相期间输出的整流电压为： u ：_ e o + 一e ：e - 6 e o 。t + e ：e 一丝耐( ，砌) 1 3 啦万 l 一。t 【王】 = f堕加 乞， 一 东南大学碗上学位论文 如扣m 肛等y 。 换相期间损失的压降为： u 吡 e 一( e 一等耐小如) = 芸陋h ：= 五3 e r 2 ( 1 - - 2 1 ) 对全波整流来说，一个周j 蛆有6 个这样的换相区i n q ，则一个周期内的电压损失就为 u ：旦x 丝y2 ：兰y 2 ( 1 - 2 2 ) 2 z r2 r e 。2 n 2 。 进一步分析出整流输出时的功率损耗为： p = 呲= 熹一i j ( 1 - - 2 3 ) n 2 9 _ l ：y 2 牟觚( i - - 2 4 ) 靴一萨9 e y 2 = 甬习2 e 面，从中可以得出换相驺角的计算公式为： y ：丝j ! 丝l ( 1 _ 2 5 ) 。31 j r r + 3 r o l 。 这样得到了波项宽度为1 2 0 。的梯形波感应电势的电机整流输出电压和换相重叠角的计算公 式。 结台上面的公式，对整流输出状态下的电机工作方式进行分析： 1 电机空载运行时，输出电流1 。为零，整流输出电压u ，= 2 e ，电压没有损失；电机短路时， 负载电岫= o ，y = 等，则输出整流电哦瑙一等( 封- o ，说明电机短路 时，输出电压为零。可见，整流输出时同样符合通常对空载、短路的理解。 2 一般负载情况下，一相电流从换流点经过y 角度后就会截止，经历三相导通到两相导通的一 个换流过程a 但电流在经过换流点后6 0 ( 3 ) 后其负半周就会导通，当y ：6 0 。，即 = 詈，i r o l f o = 可1 时，三相就会一直导通，从而整流过程中就不存在两相 导通的情况。这时，输出整流电压= z e 一等( 剪= 这黼隋况是不愿看到的， 为了避免发生三相一直导通的情况，y 应该小于6 0 。，即l 。熹r ，当电机绕组电感和负 y 载电阻满足上面的式子时，就不会出现三相一直导通的情况。一般永磁电机的绕组电感都较 第一章永磁尤刷直流电机起动发电系统的基本原理 小，设计时可以控制换相重叠角小于6 0 0 。 1 4 小结 本章对永磁无刷直流起动发电系统的数学模型进行了探讨。建立了电动机和发电机两种运 行方式的状态方程；根据机电能量转换的基本原理，分析了电动机状态下的电磁转矩表达式；对 整流发电方式下的整流电压和换相重替角计算公式进行了推导。 查童奎兰堡主兰焦丝苎 2 1 引言 第二章永磁无刷直流电机仿真模型研究 仿真的基本思想是利用物理的或者数学的模型来类比模仿现实过程，以寻找过程的规律。仿真 的方法可分为三类，即物理仿真、数学仿真和混和仿真。物理仿真是对实际行为和过程的仿真，甲 期的仿真人多属于这一类。物理仿真的优点是直观、形象，但是一般来说比较费时，投资较大，而 且改变系统的结构也比较困难。数学仿真是用数学语言、方法去近似的刻画实际问题，这种刻画的 数学表述就是一个数学模型。它把研究对象( 系统) 的主要特征或输入、输出关系抽象成一种数学 表达式来进行研究。数学仿真的准确性取决于数学模型对实际系统的近似程度。混和仿真就是把物 理模型和数学模型阻及实物联合在一起进行实验的一种方法。 计算机仿真也称计算机模拟，属于数学仿真的一种。计算机的计算速度结合人的思维，使得数 学仿真建立数学模型和求解变得方便、快捷和准确，人人扩展了数学仿真的应用范围。计算机仿真 的全过程可用图2 一l 来表示“1 。 图2 1 计算机仿真过程图”。 计算机仿真可分为以f j l 个步骤： 1 建立描述实际系统的数学模型； 2 经二次模型化建立仿真模型； 3 仿真模型在计算机内运行，根据技术要求修改仿真模型并校验； 4 分析仿真运行结果，为研究、分析、设计和调整所研究的实际系统提供可靠的信息、数据。 计算机仿真作为一种方便实用的分析工具，可以在实现方案之前预先模拟各项设计性能，辅助 进行实际系统的设计，达到事半功倍的效果。近年来，各种仿真软件和仿真算法发展都很快，如 m a t l a b 、p s p l c e 、e w b 等。充分利用这些软件来建立仿真模型，可以大大地提高仿真的效率， 而不用再自行编程。 m a t l a b 是目前国际控制界最为流行的软件，是m a l l l w o r k s 开发的用于系统仿真的交互式软件 系统，提供了强大的科学计算和图形处理功能，在自动控制、计算机技术、信号处理等各个方面都 有广泛的应用。m a t l a b 用于电机特性仿真主要有两种方法，一种是运用状态变量法调用四阶龙 格一库塔函数o d e 4 5 求解；另一种就是使用s i m u l i n k 来画框图进行仿真。两者对比，前种方法更 具有通用性和灵活性，无论何种电机只要写出状态方程，再调用函数就可以求解；而后一种方法更 第一章永磁无昴4 直流电机仿真模型研究 加的直观，对仿真的进行过程了解更全而。 1 9 9 8 年，m a t l a b 5 2 中开始提供电气系统模块库p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ( p s b ) 。p s b 提供了 七大类上百种电气元件的模型，包括半导体开关元件和多种电机的模型。但p s b 模型与s i m u l i n k 模型有很大的医别，它主要是针对电力系统设计分析的，很多模型并不适用于电气传动及其控制系 统的分析。例如，它提供的同步电机模型的输入量是输入电机的机械功率，而非转矩和转速。 实际上，p s b 对屯路的仿真还是用s i m u l i n k 的方法来进行的。当p s b 模型建立完成后，m a t l a b 自动进行预处理，把模型中的屯路转化为相应的状态方程，并变为s 1 m u l n k 能处理的结构。首先 由p s b 的内部程序p o w e r 2 s y s 进行电路拓扑分析和电气参数的获取，分配结点号，把电路划分为线性 和非线性的两部分，p s b 中另一个内部程序c i r c 2 s s l j 对其线性部分建立状态空间模型，并进行初始化 和稳态计算，然后再n p o w e r 2 s y s 对非线性部分进行建模。当顶处理结束厉，m a t l a b 就调用 s i m u l i n k 开始仿真”。 在p s b 中建立自己的电机模型的关键是解决p s b 与s i 埘l i n k 之间的信号传递问题。p s b 提供了两 类模块可以进行这两个系统之间的信号传递：一类是电压、电流测量模块，可以将p s b 中的电压、电 流信号转换为s i m u l i n k 信号：另一类是受控电压源、电流源，可将s i n l i n k 转换为p s b 中的电路信 号。如图2 2 所示，这两类模块在s i 删l i n k 和p s b 之间起到了桥梁的作用，通过它们，就可以将p s b 与s i 姗l i n k 连接到一起”。 ，、厂、 一勰卜j si m u l i n kp s b 图2 2s i m u l i n k 与p s b 的连接 本章的工作就是在m a t l a b 6 5 的软件平台上，利用s i m u l i n l ( 和p s b 工具箱构造永磁无届4 直流电机 的模型，进行起动和发电两个过程的仿真，对永磁无刷直流电机起动发电系统的性能从仿真的角 度给以初步的分析。 2 2 永磁无刷直流电机电动机状态的仿真 2 2 1仿真模型 根据上一章所建立的数学模型，由m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱建立永磁无刷直流电机的系 统仿真模型。图2 - - 3 给出了永磁无刷直流电机做电动机运行时的仿真模型，图2 - - 4 为整个系统仿 真模块图，借此来分析起动过程的性能。主要包括电机模块、反电势模块等。 - 1 7 东南大学碗十学位论文 2 2 2 模块简介 图2 3 系统模块图 1 电动机模块 根据前面得到的数学模型，将其化为状态方群如下 d d t 1 _ oo l m 0 二一0 三一m 0o l 三一m “d “c r0 0r 00 p 口 e c “月 “ 该方程可以用m a t l a 8 语言编程来求解，也可以用s i m u l i n k 模块米实现。这里用后一种方 法来模拟该方程。建立如图2 - - 4 所示的电机模块图。 图2 4 电机模块图 2 反电势模块 由前面的分析可知，理想的永磁无刷直流电机的反电势是梯形波，实际的波形为近似的梯形波。 这里用理想的梯形波米模拟反电势波形，利用s i m u i 。i n k 中的l o o k u pt a b l e 模块设计了相位、频率 和幅值都可以调：霄的反电势模块，如图2 - - 5 所示，图2 6 为其产生的反电势波形图。 1 8 一 )一2( k，、，j 旷=u 第二章永磁无刷直流电机仿真模型研究 图2 5 反电势模块图 3 输入、输出接口模块 图2 6 反电势波形图 这里的输入主要是三相绕组的电压，因为无刷直流电机的输入是根据转子的位置不同而不断变 化的，所有这里用m a t l a b 函数来实现，根据输入的位置信号决定输入电压信号。s 1 m u l i n k 提 供了丰富的输出接口，包括工作空间( w o r k s p a c e ) 、示波器、图形显示记录器、频谱分析器以及文 件输出等。为了进行下一步的仿真结果处理，这里利用示波器实时观测，并把相关数据输出到工作 空间，以便其他程序的分析调用。 2 2 3 仿真结果分析 利用上面建立起来的系统仿真模型，结合所设计的永磁无刷直流电机参数，对系统进行仿真 并分析其输出结果。仿真算法选用变步长的四阶r u n g e k u t t a 算法，仿真时间0 2 s 。仿真参数：u 1 2 v 、r = 0 0 3 6 8 d 、l = 4 0 5 6