（电机与电器专业论文）永磁无刷直流电机dsp控制及其提高调制频率方法的研究.pdf

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 sh a v et h es a m eg o o dc h a r a c t e r i s t i c so f s p e e d c o n t r o la st r a d i t i o n a ld c m o t o r r e c e n t l y , t h ep o w e r o fb m s h l e s sd cm o t o r si s c o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n g m u l t i - p o l e sa n dh i g hs p e e dr e q u i r e sh i g hq u a l i t yp o w e r c o m p o n e n t s f o r t h ec o n t r o lo f t h eh i 叠p o w e r d e n s i t y b r u s h l e s sd cm o t o r s 。a t p r e s e n t ， t h es w i t c hf r e q u e n c yo f l a r g ec a p a c i t yp o w e rc o m p o n e n t s i sn o th i 曲e n o u g h ，w h i c h l i m i t st h ea p p l i c a t i o no f b r u s h l e s sd cm o t o r si ns o m e w h e r e o nt h eb a s eo f t h i s p o i n t ， t h i sd i s s e r t a t i o nb r i n g sf o r w a r da w a y t oi m p r o v et h em o d u l a t i o nf r e q u e n c y , b yw h i c h t h es y s t e mp w m f r e q u e n c yc a nb et w i c ea sh i g ha st h ep o w e rc o m p o n e n ts w i t c h f r e q u e n c ya d d i t i o n a l l y , t h i sm e t h o dc a l la l s ob ea p p l i e dt ot h en o r m a lc o n d i t i o nt o r e d u c et h ep o w e r c o m p o n e n t h e a ta n ds y s t e mc o s t a f t e rt h ec o m p l e t i o no fab l d cm o t o rc o n t r o ls y s t e m t h ed i s s e r t a t i o nd o e s t h o r o u g hr e s e a r c ha n d d i s c u s s i o no nt h es u b j e c to f i n c r e a s i n gs y s t e mp w mf r e q u e n c y i nb o t h t h e o r ya n dp r a c t i c e ，t h em a i n c o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g ： i i n t r o d u c i n g t h ed e s i g n eo fb l d cm o t o r si nb r i e f t h eb l d cm o t o ri s d e s i g n e d a n da n a l y z e db yam a t l a bp r o g r a m m e 。t h ed e s i g nr e s u l t sa r ea l s o p r o v i d e d 2 t h ec o n t r o ls y s t e mo fb l d cm o t o ri sd e v e l o p e d ，i nw h i c ht h et m s 3 2 0 f 2 4 0 i su s e da st h em c ua n dt h ei r 2 1 3 0a st h ep r e d r i v ec i r c u i t ，t h es o f t w a r ed e s i g no f b l d cn l o t o rc o n t r o li sa l s oi n t r o d u c e di nd e t a i l 3 s e v e r a ld i f f e r e n ts w i t c h i n gm o d e so fp w mu s e di nt h ec o n t r o ls y s t e mo f b l d cm o t o r sa r ei n t r o d u c e d ，b o t ha d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s em o d e sa r e a l s oc o m p a r e da n da n a l y z e d 。o nt h eb a s eo fa b o v e ，t h es h i f t - c o m b i n em o d u l a t i o n m o d ei s p u tf o r w a r d t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do ft h en e wm o d u l a t i o nm o d ea r e p r e s e n t e d i n d e t a i l e x p e r i m e n t a l r e s u l t s p r o v et h a t t h i sm e t h o di se f f e c t i v ea n d c o i t e c t 4 w h e nt h es h i f t c o m b i n em o d u l a t i o nm o d ei su s e di nt h eb l d cm o t o rc o n t r o l s y s t e m ac o n c a v em a y o c c u ri nt h ep w mw a v e f o r m t h ec a u s eo ft h a ti sd e t a i l e d l y a n a l y z e di nt h ep a p e r a n dt h e c o n c a v ei se l i m i n a t e d b y s o f t w a r ea tl a s t ， k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ，p w mm o d e ，c o n t r o ls y s t e m ，d s p 上海大学硕士学位论文 主要符号表 含义 槽面积 槽有效面积 槽绝缘面积 永磁体提供的每极磁通的截面积 并联支路数 永磁体宽度 永磁体空载工作点宽度假定值 槽底宽 槽宽 定子齿宽 气隙合成磁密幅值 永磁体剩磁 槽契厚度 漏抗系数 定子轭部校正系数 转子轭部校正系数 槽绝缘厚度 绕组直线部分伸出长 定子导线l 直径 定子导线2 直径 定子外径 定子内径 转子外径 气隙中的磁势 定子齿磁势 转子齿磁势 定子轭磁势 转子轭磁势 永磁体磁化方向长度 定子轭计算长度 转子轭计算长度 单位 毫米2 毫米2 毫米2 毫米2 毫米 毫米 毫米 毫米 毫米 特斯拉 特斯拉 毫米 i t i i t i 毫米 m m 毫米 i n r n 毫米 f i l m 毫米 m l t l毫米 m y n 毫米 r a i n 毫米 a c m 安厘米 a c m安厘米 a c m 安厘米 a c m 安厘米 a c m 安厘米 m m 毫米 m m 毫米 m m毫米 v 趴 m 眦 一 一 一 一 一 一 一t t 一 瓜办西山。咖如觑加办影岛函厶凸厶d幽如口西仍厅局膨乃跏鳓即 上海大学硕士学位论文 定子槽口高度 定子槽深 定子齿计算高度 对用于d ，。导线的双边绝缘厚度 对用于d ，导线的双边绝缘厚度 定子齿磁场强度 定子轭磁场强度 转子轭磁场强度 定子绕组线电流 额定相电流 铁心叠压系数 绕组因素 气隙系数 磁路饱和系数 绕组短距因素 绕组分布因素 斜槽因素 磁极极身长度 电枢计算长度 铁心计算长度 定子铁心长度 线圈平均一匝长 定子轭磁路计算长度 转子轭磁路计算长度 线圈端部斜边长 线圈端部平均边长 定子导线的质量 硅钢片质量 相数 每槽导体数 定子导线1 并绕根数 定子导线2 并绕根数 每相绕组串联匝数 极对数 毫米 毫米 毫米 毫米 毫米 安米 安米 安米 安 安 毫米 毫米 毫米 毫米 毫米 毫米 毫米 毫米 毫米 千克 千克 v m m m m m 恤恤h 眦 肼 皿 眦m a a m m m m m m m m m ； ， 眦眦m眦眦舭眦m吣蝇 以如l k b kbk_k厶k靠om虬口 上海大学硕士学位论文 输入功率 输出功率 定子铜耗 机械损耗 机械损耗标么值 额定功率 杂散损耗 杂散损耗标么值 转子铁耗 定子铁耗 电机总损耗 定子槽数 定子电枢电阻 槽满率 定子齿距 定子斜槽距离 转子极距 定子齿体积 定子轭体积 永磁体体积 空载主磁通 气隙长度 第二气隙长度 极距 计算极弧系数 效率 磁导率 空载漏磁系数 见 乩 凡 乩 乩 凡 见 轧 乩 欧姆 毫米 毫米 毫米 毫米3 毫米3 毫米3 韦伯 毫米 毫米 毫米 w w w w w w w w w m m m m m m 屯 m m m 一 一 一 一 一 一m 一 一 鼻只名只只巳q b墨。o屯k丸j晚，吼叩胁 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 永磁无剁直流电机的发展背景及现状 本世纪初，直流电动机的发展已趋予成熟阶段。赢流电动机具有运行效率高， 溺速性铯好等诸多优点，僵由予直流电动祝采并 电刷，隧褫棱方法避行获向，带 来了诸多应用上的不剩斟素，如结构手n 制造工艺复杂，电刷秘换扁器容易发生故 障，需经常检修，而且电刷和换向器之间的接触电阻不稳定，使电动机工作也不 稳定簿。壹流电动税静应稿范酗因此受餐了黻籍隧2 l 3 j 。 永磁无刷直流电动机的本质是永磁嗣步电动枫，“无刷直流电动机”的名称 只是其商业用语。它的发展完全得力于电力电子技术的推动。针对上述传统直流 电动撬鲍馥陷，早在本世纪3 0 年代，裁有入开始研毹以电子换鞠宋代替视械挨 向的秃刷直流电动机，劳取得了定的成果。但是，幽于当时大功率电予器件仅 处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换相元件，使得这种电动机只能停留在 实验象研究除段，褥无法推广使用。1 9 5 5 年荚鋈d 哈利森等人蓠次申请了应爝 晶体麓换楣代替电动机孛凡搬换肉器换向麴专利，这就是无剐直流魄动机的雏形。 但是，这种电动机出于没有起动转矩也不能产品化。而后经过人们多年的努力， 借劲于霍尔元件来实现换稽的无稻直流电动橇终予在1 9 6 2 年问世，觚丽开剖了 无刷藏流电动枧产黯化的掰纪元。7 0 年代以来，随纂电力电子工业的飞速发展， 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 及高馁能永磁材料，如钐链、铵铁镶等静闷苣，均为无帮l 直流电动橇静广泛应用 夔定了坚实的基础。 永磁同步电动机的突出优点在于其结构简啦，损耗小，效率高。在相同功率 黪雩主浇f ，无蓐l 蠢流l 电动季趸比一般壹流电动枧和感应电动撬兹体积小、效率高， 其总 ：6 耗一般约为感应电动机的5 0 - - 6 0 。额定功率在1 0 一1 0 0 k w 的永磁同 步电动机效率约为9 5 一9 7 ，而感应电动机只有9 0 一9 4 ，而且永磁同步电 动瓿效率隧转遽靛漳诋露激小静趋势氇比感应电动襁小f 3 l 。永磁嗣步电动掇兹功 率因数可为1 ，而感应电动机只能是滞后的功率因数，一般四极感应电动机的功 率因数为0 8 o 9 ，目随极对数的增加而降低e “。所以，无刷直流电动机的应用 上海大学硕士学往论文 范露在不断扩大。 在数字伺服控制之初，步进电动机经历了个大发展阶段。然而随繁技术的 发展，出现了要求伺服系统速度更快、定位更精确、分辨率更高的情况，步进电 动橇戆歼环狡制裁无法满足了。瘫于步遴电动祝固有蠡搴特点，郄壤采臻了闭环敬 步迸电动机控制以及细分技术，也无法实现这些要求。从嗣前的情况来褥，步进 电动机的发展正趋于平缓。例如：在数控机床中，目前步避电动机系统只是用于 低挡黪数控辊瘩。嚣毫速度、离精度、麓分辫率、高可靠陡的侵黢系统嚣莱露 l l 环的无刷直流电动机系统 5 】。 近些年来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家 用电器、鼗靛税床、工监橇器入以及精密枫械、办公彦动化设备熬寐越趋向于赢 效化、小型化及高翅能化，传为执行元件豹重要组成部分的控制用电动机必须具 有精度高、速度快，效率高等特点。无刷赢流电动机幽于转子采用永磁材料励磁， 无渤磁损耗，电动穰体积小、重餐轻、结构简单、维护方馁、运行可靠、赢效节 能易于控制等一系列优点，如今已广泛应用于办公自动化设冬、计算机外豳设备、 医疗器械、仪器仪寝、化工轻纺和家用电器等领域。据资料统计，近些年来，无 利直流电动褫每年都以大约1 5 盼眈铡在增加，是电视产晶中增长蕞快的【”。 性能优毋静电机，要鸯好的控制器米驾驭才能体现其性缝。最初的电极控制 都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，集成电路甚至电机控 制专掰集成电路在电视控制中被大量引精。现在市弱上较通掰静控箭器大多采糟 单片机柬控制，应潮较多数是8 0 9 6 系列产品。但单片机的处理能力有限，对于 需要处理的数据量大，实时性和精度要求高的控制系统，单片机往往不能满足要 求。近年来，各种集成诧瓣荤片电帮i 控澍用d s p 的往能褥剃了稷大的改善，集 成化d s p 核、最佳化电机控制器事件繁理器翻单片式a d 设计等诸多因素加在 起，就可提供个单片式数字电机控制方絮。美国德州仪器公司的 t m s 3 2 0 f c 2 4 x 作为第一个数字电视控伟l 器的专用d s p 系列，可支箨电税静转 向、掇令的产生、控铡算法的处理、数据交流和系统贬控等功能。将其应用于无 刷直流电动机上，可大大地提高r 乜：f jl 控制器的可靠性、抗干扰能力，又缩短了系 统静歼发周麓，降低研制赞用。 电力电予技术是电机控制技术发展羽最重要的物簇基础，电力电子技术的迅 猛发展促使了电机控制技术有了突破性的提高。近年来，无刷直流电动机的容量 上海大学硕士学位论文 在不断地增大，对其功率器件也捷出了很高的要求。功率m o s f e t 的特点是开 关频警高，最高可达几露k h z ，但其最大龅不足是运态压簿裹，电流、电压崧 量低。i g b t 正好与之相反，它能满足高功率无刷直流电动机大容量的臻求，但 是其开关频率不高，一定程度上黻制了其应焉。研究稀能够有效地撬黼系统调 铡频率豹方法，减小功耗，降低成本，楚当今赢功率无刷羹瀛电动机一个亟待解 决的问题。 期。2 课题来源及背景 永磁无剥直流电动虮的发展趋势就是提赢性毙，溅小体粳，降低成本，这戡 必须爱使电机和控制一体化。为了提高永磁无刷直流电动机的功率密度，常常提 高电穰的额定转速，而且采餍多校结构。多极与高速两个融素就便p w m 调制频 率不得不相应提高，否则难以获褥良好的电机运行性能。 目前大密量的i g b t 的开关频率技术已经经历了很大的飞跃，但在要求特别 高斡场合，菇开关频率还楚无法衽m o s f e t 褶媲美，但是，m o s f e t 功率器件 又有个致命的弱点就是功率不高，无法满足藏功率的要求。这一方面的难题极 大地限制了简功率密度永磁无刷盥流电动机的发展。 针对上述淹题，作者褥出了一释提离无秘蠹流电动桩p w m 调制频率的方法。 阻一台普通豹无刷囊流电动机为对象，在基行开发的控制系统的基础上，通过璎 论分析、实验论证，解决了这一技术难题。 1 3 课题主要研究工作 在无刷童流电动机控制系统酌研发过程中，在提麓p w m 调制频率方翅解决 了不少的技术难点，也积累了一定的经验和教训。主要的研究工作如下： 。介绍了无瓣蠹流电辘的设计特点，使甬m a t l a b 编铡计算祝辅鹤设计程 _ f ；孚，对台2 0 0 w 的无刷敷流电枧进行设计，通过多方案的比较分折，得出一个 较为满意的设计结粱。 2 了解并掌疆d s p 静琢理秘特点，开发了以t m s 3 2 0 f 2 4 0 为主控芯片，以 i r 公司的专用掇极集成电路芯片i r 2 1 3 0 为援心，建立了无删直流电动机豹控制 系统，在本文的研究工作中发挥了关键作用。控制系统原理框图如图1 1 所示。 3 上海犬学颈士学佼论文 3 分轿院较了无秘畿流电韵视控罱系统中的凡稀谲稍方式及箕饶缺点。撬 出了移位组合调制方法，以提毫无刷妻流电动机p w m 调制频率的极眼。该方法 可提高系统的p w m 调制频率，减小功耗，降低成本。通过实验和比较，证明了 该方法的有效性稻可行程。在萄游尚未觅类似静报邋。 4 。由于t m s 3 2 0 f 2 4 0 型d s p 固有的寄存嚣特性，采用移位缀含调制方式蜃， 在无刷直流电机换相时会出现换相凹隧。作者进行了系统的分析，并提融了一种 软件上解决的方法。 图1 - 1 无刷直流电动机控制累统 喜 上海大学颈士学位论文 第二章无刷童流电机的基础理论 2 1 无刷直流电机的维成 无刷直流电动机的组成原理框图如图2 1 所示。无刷直流电动机是种自控 变频的永磁丽步电动机，虢其基本组成结构丽言，可以认为是由电力电子开关遂 变器、永磁燃步电动规和磁极位霍检测电路三者缠戏豹“魄动规系统”。无到巍 流电动机本体定子为集中整距绕组，有星形绕组，封闭式绕组，正交绕组等不同 稀类，箕转予多采糟其有离黍l 余磁感应强度和大矫顽力的钐锫合金、钕铁硼等稀 永磁末砉料搀磁钢【4 】。营遽壹滤电动机的电樾透过魄捌窭换内器与壹淡电源槌 连，电枢本身的电流是交变的，而无刷随流电机用磁极位鹭检测电路和电力电子 开关逆变器取代有利直流电视中电利稻换向器的作搿，睇丽电子换向取代祝械换 囱。出位置捻测器提供电极转予缀掇懿位置信号，在控制嚣中经过逻辑匙理产生 相应的开关状态，以一定的顺序触发逆变器中的功率开关，将电源功率以一定的 逻辑关系分配给电动机定子各栩绕组，保证电枢绕缀中通入的电流空间分布波与 气骧磁感应强凄波的穗对位曩恒定，健电动枧产生持续不鳜的转矩。 ；嘉扁蕊甭磊i 一j 图2 - 1 无刷直流电动机的婀成原理框图 2 2 永磁同步电机的分类 永磁同步电动机调速系统输入频率的控制方式有随静：一种为频率他控式， 另一种为频率自控式酣。采用频率他控式时，同步电动机的供电变频器输出频率 上海大学硕士学位论文 是由转速给定信号决定的。而频率自控式则不然，变频器的频率输出不是由外部 给定的，而是由电机本身的转速决定的，即根据电机磁极位置检测器的输出信号 实现频率自控。频率自控式永磁同步电动机又称“无换向器电动机”。 在永磁无刷直流电机中，为了实现正确的换相，必须准确可靠地检测转子位 置。按照转子位置检测的方法，又可以分为直接式位置检测法和间接式位置检测 法。直接式方法一般有电磁式、磁敏式和光电式等。间接式的方法又称为无位置 传感器方法，通过检测电气参数提取转子位置信号 7 】。 现代电力电子技术的发展为永磁同步电动机实现无刷控制打下了坚实的基 础，由变频器供电的永磁同步电机加上转子位置闭环控制系统后构成自同步永磁 电机，既具有永磁直流电机的优异调速性能，又实现了无刷化，并扩大了其应用 领域。一般情况下，正弦电机采用分布绕组，而且在任意时刻三相都导通，因此， 在这种情况下，用无位置传感器的控制方法就变得很复杂，如利用状态观测器 8 1 ， 扩展卡尔曼滤波器【9 1 等方法对电机转子位置进行估计。此类永磁同步电机虽然控 制复杂，但转矩脉动相对较小，定位准确，所以多用于工业机器人、数控机床用 伺服电机等要求高精度、高动态性能的场合。 具有梯形气隙磁场分布的无刷直流电机，为无位置传感器的控制方法提供了 便利条件。但这种类型的无刷直流电机转矩脉动较大，且位置定位不准确，但反 馈装置简单，成本较低，不需要采用正弦波反电势的永磁同步电机中的绝对位置 编码器或旋转变压器，控制更为简便，易于实现，能使电机和逆变器各自的潜力 得到更充分的发挥，多用于拖动家电设备、电动车辆、办公自动化等只要求调速 而对性能指标要求不高的场合。 在本论文中，为了便于研究提高p w m 调制频率的方法，故选用无刷直流电 动机。需要指出的是，在以下的篇幅里所指的无刷直流电动机，都是指有转子位 置传感器的无刷直流电动机。 2 3 无刷直流电机的工作原理 为了清晰地阐述无刷直流电机的工作原理和特点，下面以三相全控桥式电路 为例进彳j 。说明，系统框图见图2 - 2 。控制电路剥转子位置传感器检测的信号进行 逻辑变换后产生脉宽调制p w m 信号，经过驱动电路放大后产生相应的丌关状 上海大学硕士学位论文 态，送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电 机气隙中产生跳跃式旋转磁场。 图2 - 2 无刷直流电机系统图 2 3 1 转子位置传感器的分类 无刷直流电机的驱动根据转子位置的变化控制逆变器开关管的切换，实现定 子电流和反电势的相位上的严格同步。否则，只要相位上的微小差异就会产生转 矩波动。正确换相有赖于准确的位置检测，因此准确地获得转子的位置信号尤为 重要。 转子位置的检测有机械式位置传感器检测和无机械式位置传感器检测两类。 机械式位置传感器又有多种类型：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏 式位置传感器。其中电磁式位置传感器又可分为丌口变压器式、铁磁谐振电路式、 接近开关式等多种类型；磁敏式位置传感器又可分为霍尔元件式或霍尔集成电 路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种类型【4 】。实际使用中，较多采用光电式位置 传感器和霍尔元件式位置传感器。 光电式位置传感器是利用光电效应制成的，由跟随电机转子一起旋转的遮光 板和】固定不动的光源及光电管等部件组成。霍尔元件式位置传感器是利用霍 尔效应产生电压输出而制成的，所感应出来的电压信号与通过霍尔元件的电流 量、磁感应强度以及霍尔元件的灵敏度有关。只要通过霍尔元件的电流或磁感应 强度发生变化，将会导致霍尔传感器的输出电压发生相应的改变，从而确定电机 上海大学硕士学位论文 转子的位置”。 2 3 2 无刷直流电机的换相 以一- 对磁极为例，利用霍尔元件作为转子位置传感器，相应的电机转子位 置及转子位置信号h 。、h b 、h 。如图2 - 3 所示。 h h 图2 - 3 转子位置示意图 三相定子绕组电流正方向为从a 、b 、c 端流入，x 、y 、z 端流出( o 表示 电流流入，o 表示电流流出) ，根据右手定则，三相定子绕组产生的正向磁势f n 、 f b 、f c 如图中所示。假设电机顺时针旋转，在f7 时刻，转予d 轴位于如图中5 - 6 扇区内所示的位置，此时，d 轴与a 相绕组轴线重合，且差1 8 0 。电角度，a 相 反电势e 。为零。在合成磁势f c b 的作用下，转子顺时针旋转3 0 。以后，到t o 时 刻，电机转子d 轴与b 相绕组轴线垂直，b 相反电势为最大值，如图中5 - 6 扇区终点或6 1 扇区起点所示。此时逆变器功率器件触发组合状态应该为v 1 、 v 。导通，其余功率器件均关断，电流从v ，管流入a 相绕组，经a x y b ， 再从b 相绕组流出，经v 6 管回到电源，在合成磁势f a b 的作用下转子继续顺时 针旋转，以减小定子合成磁势和转子磁势之间的夹角。在t ，时刻，d 轴与c 相绕 组轴线重合，c 相反电势p 。为零。转子再顺时针旋转3 0 。后，到t 2 时刻转子d 上海大学硕士学位论文 轴与a 相绕组轴线垂直，此时，霍尔检测电路根据电机转子磁极的位置使输出 信号h 。在f 2 时刻负跳变，控制器根据位置检测信号的跳变进行换相控制，逆变 器功率器件的触发组合状态从v i 、v 6 导通变为v l 、v 2 导通( 见图中1 2 扇区) ， 其余功率管均关断，电流由v l 管流入a 相绕组，经a x z c ，从v 2 管回 到直流电源，在合成磁势f a c 的作用下转子继续旋转。在3 时刻，转子d 轴与b 相绕组轴线相差1 8 0 。电角度，b 相反电势岛为零。在“时刻，d 轴与c 相绕组 轴线垂直。此时，霍尔检测电路根据电机转子磁极的位置使输出信号h b 正跳变， 控制器根据位置检测信号的跳变进行换相控制，逆变器功率器件的触发组合状态 从v 、v 2 导通变为v 2 、v 3 导通( 见图中2 3 扇区) ，其余功率管均关断，电流 由v 3 管流入b 相绕组，经b y z c ，再从v 2 管回到直流电源，在合成磁势 f 。的作用下转子继续旋转。依此类推，霍尔检测电路根据电机转子磁极的位置 改变相应的位置输出信号，位置信号的每一次跳变都意味着相应的换相时刻的到 来，因此，控制芯片根据电机转子位置信号的变化进行换相控制，使电机转子在 电磁转矩的作用下按图中顺时针方向旋转。正确换相有赖于准确的位置检测，位 置检测是系统控制的关键。 由上分析可知，定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃 式旋转磁场，每个步进角是6 0 。电角度。当转子每转过6 0 。电角度时，逆变器 开关管之间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次。电机共有6 个磁状态，每 一状态都是两相导通，每相绕组中流过电流的时间相当于转子旋转1 2 0 。电角 度，每个功率器件的导通角为1 2 0 。 2 3 3 无刷直流电动机的电枢反应 电机负载时电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与磁路的饱 和程度、转向、电根绕组联接方式、导通顺序和磁状态角的大小有关。下面仍以 - - - ：n 导通星型三相六状态为例对电枢反应进行分析。 设电机处于a 相和b 相绕组导通时间段，a 相绕组和b 相绕组在空问的合 成磁势c 如图2 4 所示。磁状态角为a 。= 6 06 ，转子j f 顷h , j 针旋转时，对应于该 磁状态的转子边界如图中i 和i i 位置。电枢磁势c 可分为直轴分量c ，一口交轴分 量。当转予磁极轴线处于图( a ) 中i 位置时，电枢磁势直轴c 。对转子主磁 上海大学硕士学位论文 极产生最大去磁作用。当转子磁极轴线旋转到位置i i 时，如图( b ) 所示，电枢 磁势直轴分量c 。对转子主磁极产生最大增磁作用。当转子磁极轴线处于i 和i i 位置的正中间，即转子主磁极与电枢合成磁势只成9 0 。垂直位置时，电枢磁势 直轴分量c 。等于零。可见，在一个磁状态范围内，电枢磁势在刚丌始为最大去 磁，然后逐渐减小，在1 2 磁状态时不去磁不增磁，后半个磁状态逐渐增磁并达 到最大值。增磁或去磁的数值等于电枢合成磁势f 在转子磁极轴线上的投影。 i i f a 口 i i i ( a ) 工i ( b ) i 图2 4 两相绕组的台成磁势 交轴电枢磁势c 。对主磁场的作用是使气隙磁场波形畸变，对于径向激磁方 式，由于永磁体本身的磁阻很大，故交轴电枢磁势引起气隙磁场畸变较小，通常 可不考虑。对于切向激磁方式，由于转子主磁极极靴磁阻很小，故交轴电枢磁势 c 。可导致气隙磁场较大畸变，使气隙磁场前极尖部分磁感应强度加强，后极尖 部分磁感应强度削弱。如果磁路不饱和，则加强部分与削弱部分相等，反之，产 生一定饱和去磁作用。另外，畸变的气隙磁场还将使力矩波动增加0 】。 2 3 4 无刷直流电机的调速 通常，无刷直流电机通过调节输入电机的直流平均电压达到间节转速的目 的。调节方式有两种：一种为p a m 方式，另一种为p w m 方式。在p a m 方式中， 直流电压魄可调，逆变器功率开关器件只负责电机换相控制，通过调节直流电 i 弧的大小调节电机转速。在p w m 方式中，直流电压弘不可调，逆变器功率 上海大学硕士学位论文 开关器件不但负责无刷直流电机的换相控制，而且通过斩波调节电机输入电压的 平均值，从而达到调节转速的目的。当然，逆变器也可采用s p w m 技术或滞环 控制技术等调制出正弦电压并与电机反电动势保持适当的相位关系，产生有效电 磁转矩，但转矩波动往往较大，实际应用中很少采用这种调制方式。 当直流母线电压只有十几伏或几十伏时，多用p a m 调节方式，如牙钻、空 调室内风机用无刷直流电机。当直流母线电压为3 1 0 v 左右时，多用p w m 调节 方式，即通过改变p w m 控制脉冲的占空比来调节输入电机的直流平均电压，如 冰箱、洗衣机、空调室外压缩机等用的无刷直流电机。 2 4 无刷直流电机的数学模型”o i = 专暴耋 陲 + 丢基享 ； + 圣 c ， 上海大学硕士学位论文 l 。= l b = l 。= l ； l 。b = l b 。= l 。= l 。= l b 。= l 。b = m r 。= r b = r 。= r ， 于是，式( 2 1 ) 可以改写成 roo oro oor 阵ib d 上 折 l m m mlm mml h + | l ( 2 2 ) h 皿0 m i b + m i 。= 一m i 。，m i 。+ m i 。= - m i b ，m i 。+ m i b = 一m i 。，代入( 2 2 ) 式 整理后得 ；i；陲 d 上 d t l00 0l0 ool 十 p n p 6 e r ( 2 ，3 ) 其中l = l 。一m 。由此可得无刷直流电机的等效电路及三相全控桥式主电路原理 图如图2 - 5 所示。 幽2 - 5 无刷赢流电机的等效l b 路及主i u 路原理矧 n 图中，u s 为直流母线电压：v i v 6 为功率丌关器件，现在多剧i g b t 或 p - m o s f e t ；v d i v d 6 为续流二极管；u 为电机中性点电爪，即图中n ，点对直 流母线负端电压：电机三相电流与反电动势的i f 方向如图中所示。 一三j 为目 上海大学硕士学位论文 2 5 无刷直流电机的转矩特性和转速特性”o 无刷直流电动机的基本物理量电磁转矩、电枢电流、反电动势和转速等都与 电机的气隙磁场分布、绕组型式有十分密切的关系。下面所讨论的特性，是以转 子磁钢类型为径向激磁结构、均匀气隙、定子绕组为集中整距绕组，导通方式二 相导通星形三相六状态的稀土永磁无刷直流电动机为例子的。 在理想情况下，忽略电枢反应，当定子绕组为星形连接时，无刷直流电机在 任何时刻，定子只有两相导通。所以在任一时刻，电机的电磁转矩t 。由两相绕 组的合成磁场与转子永磁体相互作用而产生，则 t 。：掣：娶( 2 - 4 )1 ” qq 式中： e 。为每相绕组的感应电势； e 为电枢感应电势： q 为转子的机械角速度； ，。为每相绕组电流； 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通中。为： o j = b j a ，记 ( 2 - 5 ) 式中：b 。为气隙磁感应强度： 口为计算极弧系数： f 为极距； 为导体的有效长度。 e 4 根导体在气隙磁场中的感应电势p 为： e = 8 ，l v = 2 b 。i p t 旦6 0 ( 2 - 6 ) 其中： v 为导体相对于磁场的线速度； p 为电机檄对数； n 为电机转速( r r a i n ) 。 上海大学硕士学位论文 将式( 2 - 6 ) 代入式( 2 7 ) 中，得 设电稿绕组每相串联匝数为，f , 【jr t 枢感应电势为： ( 2 。7 ) 2 ” e 2 2 e m = 2 2 p = 羔岷啦d ，i _ e m d ，l ( 2 8 ) j ) d 式中，e = 考当为电势常数。 将式( 2 - 8 ) 代入式( 2 4 ) ，电磁转矩为： 乙= 警辔。t = g 叫。 ( 2 - 9 ) 其中g ：4 _ l 为转矩鬻数。 由匿2 - 5 可稚，电疆平衡方程为： ，s 2 2 卧2 i r + 2 l d 以i 。 ( 2 一l 在只考虑电祝的稳悉请况下，鄙忽略窀感的影晌，那么上式可以写成 u 5 = 2 e 。+ 2 i o r( 2 1 1 ) 把式( 2 9 ) 代入上式，得： 哆：u i s 一黑( 2 - 1 2 ) c 。国lc o 彩5 出此可见，在稳态1 i 青i ；, r ：l t ，无刷直流电机的机械特性和黝磁电流恒定的直流 电机相类似。电磁转矩大小和电流幅值成f 比，所以控制逆变器输出方波电流的 錾毳蘸值帮可控铡无副袁流电棍载转矩；透过诱嚣电抠宅压硌和定予宅流厶靛可宴 j 姒涧节转凛， 4 上海大学硕士学位论文 第三章无刷直流电机的机辅设计 3 。1 计算机辅助设计程序麓分 隧蓍计算投辅助设计翔诗篱按术敢发屡，接动了电枫没诗与分亳跨软件匏开 发。电机设计不再仅仅依靠以往积累的经验和知识去估计。通过计簿机辅助设计， 我们可以得出电机的各项性能和尺寸数据，以提高设计的水平和效率。 本硷文所述行鲍话簿祝辅赣设蟊蔻在m a t l a b 编铡的环境下避行酶。 m a t l a b f l 3 - 1 4 1 是m a t h w o r k s 公司予1 9 8 2 年推出的一套商性能的数悠讨算和可视化 软件，它集数值计算、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成一个方便的、 界舔友好豁鬻户环境。 籀予m a t l a b 煮如此强大豹功缝，瀣海般瓣工具箨露命令，我钧焉m a t l a b 编 制成永磁无刷直流电动机设计程序。我们把永磁无刷直流电动机设计程序编制成 一个个功能模块，如额定数据和技术指标模块，电机尺寸计算模块，磁路计算横 块、空载工俸点襄反电势计算模块，输出模块等等。每一模块掺定为一令醚文 件，这样不仅使整个设计过程条理清楚，易于阅读，而且计算方便，出错率少。 在设计时，只要调整输入文件中的数掘，就可以得到不同的计算结果，通过分析 比较，采嗣擞佳熬设计方案。 出m a t l a b 缡制的电机校核、设计程序框图如下所示： 蹦3 一i 机辅设计樱序框图 3 2 无刷直流电动枕设计的基本公式n 5 3 3 。2 1 定子设计 电机的主要尺寸指电椴盥径和电枳铁心计算长度。其它尺、扎重量和技术 经济指标都依赖于它。在技术搬标给定的情况下，电极黔主要尺寸在很大程度上 玻凌所选定的电磁受蘅。亳磁负蔚选得大，宅瓿f i 耄尺寸塑霹徽褥小。两电流密 度和线鲰荷常常与电机的发热有直接的关系，两者的数值越大，电机相对的功率 密度越高，电机的散热面积越小，单位面积的散热量的值越大：当单位面积的散 热量的德偏大时，会引起电机过热。 l 、定予疑、荫足寸翡确定 定予轭计算长度 i 。肋，i q ， ，：旦盟砥一 ， 2 ” 。一 l 靠 上海大学硕士学位论文 定子齿计算高度：h ，= h 。： 定子轭磁路计算长度：三，= 兰导豸型 定子齿体积： ，= q ：l ，k 。h ，b 定子轭体积： _ 。= 碰，k 。h ，。( d i h 一 2 、槽满率的计算 槽面积 妒坠掣剑 槽绝缘面积： a ，= c j ( 2 h ，：+ b ：) 槽有效面积 槽满率 3 、绕组尺寸的计算 丝区! ! 虹型：丝! 血塑刖 线圈端部斜边长：l 。= 0 6 2 5 r 。 线圈端部平均长 线圈平均一匝长 4 、定予阻抗的计算 定子电枢电阻： 3 2 2 转子设计 三j = 2 ( d + 三e p ) l 。= 2 ( l ，+ ，) p 。l c n 十 f d ，卜 ，他： 2l l 2j “_ 2 l 了j f j 由于转子上采用了永磁体励磁，所以转子上无励磁绕组，也就无转子槽。永 碱体的安装方式有多种多样，_ f - 面所讨论的是采用表面式径向磁路结构。 上海大学硕士学位论文 转子外径：d ：= d f ，一2 6 2 h 。 转子轭计算高度= 旦尝 转子轭磁路计算长度：- ：= 三堕掣 转子极距 t d ) ， t = _ 二 z 口 对于无刷直流电动机，减少极弧系数有利于减少漏磁，但会引起每极磁通量 降低，而磁通量的降低又会导致匝数增加，一般情况下取0 8 左右为佳。对于一 定的极弧系数，采用较少的极数使极间距离增加，漏磁显著减少。但极数太少， 对电机的效率和运行平稳性都不利。 每极磁通的截面积： a ，= bl 。 永磁体体积：吃= 2 p l bh 上海大学硕士学位论文 3 2 3 磁路计算 电机磁路所经过的路径包括五个部分：定子齿，定子轭，气隙，转子齿和转 子轭。 气隙中的磁势乓：丛趔 o 定子齿磁势： f i = h 。- h 定子轭磁势： f j = c 1 h ，l c l 定子轭部校f 系数。 转子齿磁势： 由于转子无齿，所以f ：= 0 。 转子轭磁势： f j ：= c ：h ，l ，：； c ：转子轭部校正系数。 根据磁路的基尔霍夫第二定律：沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁位 降的代数和。所以： f = 2 + f ，+ f j + f ：+ ：) 空载主磁通 气隙磁密 3 2 4 性能计算 线电流 空载反电势 机械损耗： 定子铜耗： 杂散损耗 0 0 ：生! 竺! 生 o 0 ， 。 2 尺s e 。= 08 2 7 4 4 4 x 、2 p n n k 女丸6 0 哆，= 哆f ? 一。只 只，2 rs f j 只= p 一3 巧瑚。25 m 与缩 卟”一可厂一+ 1 r 上海大学硕士学位论文 其中转子齿部体积 。转子轭部体积； p r r r 转子齿部铁耗； 弓。转子轭部铁耗。 定子铁耗 = 学+ 其中己。定子齿部铁耗； 只。定子轭部铁耗。 输入功率：p l = ，u 。 电机总损耗： 尸= 只+ 只，+ 只。+ + 片。 输出功率 效率 只= 日一p 只 玎= o 口 3 2 5 其他参数计算 铁心计算长度 三。= k 。l 。 硅钢片的质量： ? 7 n = 7 8 l 。( d ，+ 5 ) 2 1 0 “ 铜的臆 ：堕些掣些趔尘 。e 隙系数分两种，定子丌槽而使气隙增加带来的影响k 。，和转子丌槽使气隙 增加而带来的影响k 。二。因为永磁无刷直流电机无转子槽，所以，气隙系数 弘b 2 南，式中t t t = t i ( 4 4 5 + 0 7 5 b i t ) 。 绕组主要受短距因素、分布因素和斜槽因素三个方面综合作用。如果电村l 采 上海大学硕士学位论文 用集中整距绕组，又没有斜槽，则k 。，= k 。= k 。= i 。 那么，绕组因素为：k 咖= k d ，k ，k = 1 3 32 0 0 w 无刷直流电机的设计 该无刷直流电机的电根绕组采用三相星型连接，通电方式为二相导通六状 态。定子槽槽型为平底槽，并且无斜槽，绕组类型采用常规的双层绕组。转子采 用表面式径向磁路结构，永磁体材料为钕铁硼，极弧系数为0 7 5 。电机的径向结 构示意图和电枢绕组接线示意图如下所示： l 、电机的性能要求： ( 1 ) 额定电压 ( 2 ) 额定转速 v = 1 6 0 0 r p m ( 3 ) 额定功率p n = 2 0 0 w ( 4 ) 额定效率 ( 5 ) 极对数 打= 0 _ 8 8 口= j 图3 - 32 0 0 w 无刷直流电机径向结构示意幽 上海大学硕士学位论文 2 、多方案的选择 图3 - 4 电枢绕组绕线示意图 通过计算机辅助程序的计算，表3 - 1 列出了一些方案 方案一方案二方案三方案四 定子外径( m m ) 9 09 09 09 2 定子内径( m m ) 4 84 6 4 84 8 电枢长度( m m ) 3 33 33 43 0 气隙长度( m m ) o 504o705 转子内径( m m ) 1 51 51 51 5 并联支路数 1l ll 每槽导体数 4 64 64 63 6 并绕根数 4 4 44 定子导线裸线直径( m m )0 4 2 0 4 204 20 4 7 槽满率( ) 6 9 96 99 6 9 96 72 磁钢厚度( m m ) 3 53 8264o 蚓 ，； 上海大学硕士学位论文 每相空载电枢反电势( v )2 2o 2 1 42 1 o 2 06 每相电枢电阻( o h m ) 0 6 5 90 6 6 30 6 6 80 3 9 6 电流密度( a m m 2 ) 2 6 44 4 35 4 l7 0 1 输入功率( w ) 7 011 1 791 4 4 02 2 8 7 输出功率( w ) 6 5 4 1 0 6 81 2 8 12 0 2 0 铜耗( w )2 88 01 2 o18 _ 8 效率( ) 9 3 2 2 19 0 5 5 3 8 8 9 7 98 8 3 3 6 对比以上方案可见，方案四具有比较好的输入输出功率，效率也基本能够达 到设计的要求。槽满率和电流密度都适中，这样能充分利用材料，但也不会引起 电机过热。 3 、设计中的一些规律 电磁计算的目的是在最大的电流密度和最大的磁密的限制下进行合理计算， 用最少的体积产生一定的功率。 在电机的设计中，由于有些参数比较关键，如磁钢厚度、定子内径、每槽导 体数等，他们的细微调整，会引起性能参数的变化。在