（电机与电器专业论文）混合励磁双凸极电机励磁控制系统研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t d o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e t ( d s p m ) m o t o ri san o v e lb r u s h l e s sm a c h i n eo fh i g h e f f i c i e n c ya n ds i g n i f i c a n tp o w e ro u t p u t ，w h i c hd e v e l o p e df r o mt h es w i t c h e dr e l u c t a n c e ( s r ) m o t o ri nr e c e n ty e a r s b a s e do nt h ed s p mm a c h i n e ，h y b r i de x c i t e dd o u b l ys a l i e n t ( h e d s l m o t o rn o to n l yc o m b i n e st h em e r i t so fd s p mm o t o r ，b u ta l s oo v e r c o m e st h es h o r t a g et h a tt h e o p e n c i r c u i tf l u xd e n s i t yc a l ln o tb er e g u l a t e d h e n c e t h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o no ft h eh e d s m o t o ri so fb r i g h tf u t u r e i nt h i st h e s i s t h ef u n d a m e n t a lo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dt h es p e e d c o n 仃o ls y s t e mo fh e d sm o t o ra r ea n a l y z e d t h em a i nf r u i t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w i n g s ： f i r s t l y ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dt h er e s e a r c hs i t u a t i o no nt h eh y b r i de x c i t e dm o t o r a r ei n t r o d u c e d 孔eb a s i cs t r u c t u r e ，t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e ，t h es p e e dc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h e f i e l d w e a k e n i n go rs t r e n g t h e nm e n t h o do ft h eh e d sm o t o ra r ee x p l a i n e di nt h i st h e s i s s e c o n d l y ，a f t e ra n a l y s i so ft h em a t h e m a t i cm o d e la n dt h es p e e d a d i u s t i n gs y s t e m ，t h e s p e e dr e g u l a t i o n s i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n gt h em a t l a bs o f t w a r e t h e s i m u l a t i o nm o d e ll a y s 也ef o u n d a t i o n so fa l a l y z i n gt h ed i f f e r e n to p e r a t i n gw a y sa n d s p e e d a d j u s t i n gs y s t e mo ft h eh e d sm o t o r a n dt h e n ，c o n s i d e r i n gi t sf e a t u r e s ，t h ed r i v ea n dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db a s e do na d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 l2 t h es y s t e mc o m p o s i t i o ni se x p a t i a t e db ya n a l y z i n g t h eh a r d w a r e s y s t e mi sc o n t r o l l e db yu s i n gt h es p e c i a lc o m p i l e dp l a t f o r mc c s t h es o f t w a r e m a k e st h ev e l o c i t y c o n t r o l l e ds y s t e mb e t t e r f i n a l l y ，e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt ov e r i f yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h es y s t e m d e s i g n t h et e s td a t aa n dw a v e f o r m ss h o wt h a tt h eh e d sm o t o rf i e l dr e g u l a t i n gs y s t e m d e s i g n e db yt h i st h e s i sp o s s e s s e sg o o ds t e a d y - s t a t ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n daw i d e o p e r a t i o nr a n g e t h et e s ta l s os h o w st h ea d w a n t a g e so ft h eh e d sm o t o r k e y w o r d s ：d o u b l ys a l i e n t ，h y b r i de x c i t e dm a c h i n e ，s p e e d a d j u s t i n g ，f i e l dr e g u l a t i n gs y s t e m ， t m $ 3 2 0 f 2 812 东南大学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已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 兰匦盎驽h期：丝刍：竺弘 东南大学学位论文使用授权声明 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。 i v 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 近二十年来，随着微处理器技术、电力电子与微电子技术、现代控制技术发展，以 及新型永磁材料钕铁硼的出现，使永磁电机得到了迅猛的发展。高效率、无刷化和数字 集成化已成为未来一段时期内现代电机设计的和控制的主要发展方向。 现代电机中，采用永磁励磁的永磁电机的发展最为迅速，尤其是随着高性能永磁材 料钕铁硼( n d f e b ) 性价比的不断提高，永磁电机以其体积小、效率高、动态响应快等 优点在越来越多的工业驱动和伺服控制领域得到广泛应用【2 】。特别是在一些对重量、体 积、功率密度以及效率等要求较高的场合，永磁无刷电机已经成为首选机种之一。 双凸极永磁电机( 简称d s p m 电机) 是在开关磁阻电机和永磁无刷直流电机基础上发 展而来的一种永磁无刷电机，定转子呈双凸极结构，永磁体位于定子，转子结构简单， 既无永磁体，也无励磁绕组，具有较低的转动惯量和较快的动态响应。双凸极永磁电机 具有功率密度高、结构简单、可靠性高等优点，在航空航天、风力发电以及电动汽车驱 动等领域得到了初步应用。然而与其他永磁电机一样，由于永磁材料的固有特性，永磁 电机内气隙磁场基本保持恒定，气隙磁场调节困难是双凸极永磁电机最显著的缺点。如 何实现气隙磁场的有效调节与控制一直是永磁电机研究领域的热点和难点之一。 近年来，“混合励磁思想地提出，正是解决这一难题的有效方法。混合励磁，有 时也称组合励磁或复合励磁，是由两种励磁源相互作用，共同实现电磁能量转换，是对 单一励磁( 永磁励磁或电励磁) 概念的有效拓宽与延伸。所谓混合励磁电机，是在保持 电机较高效率的前提下，改变电机的拓扑结构，由两种励磁源共同产生电机主磁场，实 现电机的主磁场调节和控制，改善电机调速、驱动性能或调压特性的一类新型电机。 基于此思想，课题组设计了一种结构新颖的1 2 8 极混合励磁双凸极电机( 简称h e d s 电机) ，h e d s 电机存在两种类型的励磁源，一种是永磁励磁源，另一种是电励磁源，两 种励磁源磁场在气隙中共同作用产生电机内主磁场，转速( 或电压) 调节所需的磁场变 化部分通过调节电励磁绕组电流大小和方向来实现。当电励磁磁场方向与永磁磁场方向 相同时，气隙磁场增强；当电励磁磁场与永磁磁场方向相反，气隙磁场减弱。通过调节 电励磁绕组电流的大小和方向，一方面实现了电机磁场弱磁控制，使电机具有宽广的恒 功率调速范围；同时还可以进行增磁控制，满足驱动负载低速、大转矩的要求。混合励 磁电机的磁场调节手段简单、直接，实现了对电机气隙磁场独立调节与控制。 h e d s 电机与永磁电机比较，h e d s 电机具有调节气隙磁场的能力；与电励磁电机相 比，具有较小的电枢反应电抗。h e d s 电机不仅能继承永磁电机的诸多特点，而且具有电 励磁电机气隙磁场平滑可调的优点，较好地解决了永磁电机励磁调节困难以及电励磁电 机效率低的问题，其宽调速特性可以在电动汽车、武器设备伺服驱动等高要求场合应用。 柬南大学硕十学位论立 1 2 混合励磁电机结构类型和国g g # t - 研究概况 合理改变永磁电机结构，引入辅助电励碰绕组，实现气隙磁场灵活调节的“混合励 磁”思想的提出得到国内外电机界学者的普遍认可与关注，同时各国学者对各种混合 励磁电机结构及其控制系统进行了各种探索与研究。 图1 1 为俄罗斯学者、莫斯科航空学院巴拉古诺夫教授在1 9 8 8 年提出的并联磁势 混合励磁同步发电机的结构，定子和普通同步电机相同，转子分为两部分：一部分为永 磁励磁；另一部分为电励磁。该电机既具有永磁发电机的优点，且叉依靠附加的电励磁 绕组，通过调节电励磁绕组的电流的人小和方向，可以在一定范围内调节发电机的电压。 电励磁磁路和永碰体磁路相百独立，磁势相互并联。该发电机由于存在附加气隙，电励 磁回路磁阻较大，所需的电励磁安匝比较大，效率难以提高。国内西北工业大学的李钟 明教授、南京航空航天大学的陈海镇教授等学者对该类型的电机较早的开展了研究，并 对该电机结构进行了优化和改进，窦一平博上完成了博上论文【】”。目前，这种混合励磁 发电机已经在航空电源方面获得初步应用。 图卜1 ，f 联磁势混合励磁同步发电机 同本学者t m i z u n o 博士等提出r 轴向，径向磁路混合励磁h 步发电机1 1 0 ，如图1 2 所示，该电机的定子电枢绕组为通常的三相对称绕组，定子铁心被定子环形电励磁绕组 分成两段。这两段铁心由其外部的背轭( 用于轴向导磁的机壳) 在机械和磁卜实现连接： 转子也分成硝部分：n 极端和s 极端，每极端由i - j 极性水磁极和铁心形成的中间极交错 排列目两端的n 、s 永磁极及中间极也交错排列，转子铁一i i , 及转轴问有一实心导磁套筒 ( 转子背轭) ，般为具有良好导磁性能的电工纯铁做成，用于转子的轴向导磁。 宴。转t 舟片转 图1 之轴向，径向磁路混台劢磁同步发电机 f 美国学者t al i p , , 也对该种类型的混合励磁同步电机进行了深入研究，提出一种 带中间极的轴向磁场转子分割型混合励磁同步电机】。这种轴向磁场混合励磁同步电机 结构如图1 所示，它由二个开槽的嵌有多相电枢绕组的环形定子铁芯，二个盘式转子、 一个电励磁绕组构成。在转子表面交错排列着永磁极和铁心形成的中间极。其工作原理 与图l 一2 所示混合励磁电机相似。 图1 - 2 和图1 - 3 所示的电机，转子永磁极与铁心极交错排列，有时也可称为转子磁 极分割型混合励磁电机。可以看出，电机转子上的永磁体和定子上的电励磁绕组产生的 磁场在气隙中是迭加的，共同作用形成电机的主磁场。与永磁极磁阻相比，铁心极磁阻 小得多，故电励磁磁通过铁心极以及气隙、定转子铁心形成回路。当直流绕组中通入某 一方向的励磁电流时，若使得同一极下，铁心极和永磁极极性相反，则气隙平均磁密减 弱，起到弱磁的效果；若改变励磁电流方向，则同一极下铁心极和永磁极极性相同，气 隙平均碰密增强，起到了增磁的效果。 ( a )( b 圈1 3 轴向磁场转子分割型混台励磁同步电机 沈阳工业大学唐任远教授等在日本和美国学者的提出电机结构的基础上，对该种类 型混合磁路永磁同步发电机进行了结构的优化和改进，对电机的原理、参数设计以及调 压特性进行了研究“；上海大学黄苏融教授与美国学者合作，在与美国t i m k e n 公司合 作研发盘式车轮电机的基础上，提出盘式内转于磁极分割型混合励磁无刷电机；此外， 咒进一步提出了盘式内转子双馈电混合励磁无刷电机，并申请了中国发明专利。 图卜4 为一台混合励磁双凸极永磁电机，在d s p m 电机内加入了电励磁绕组，永磁 体为瓦片状铁氧体，永磁体与电励磁绕组均放置在定子上，转子与开关磁阻电机转子相 同，结构简单。直流线圈产生的磁通与永磁磁通具有相同的路径，二个磁势源为串联磁 势方式，因此控制直流电流的大小和方向可以产生增磁或弱磁效应。它保留了双凸极永 磁电机的优点，励磁绕组安装在定子上，不需要滑环、电刷装置，提高了电机可靠性， 同时具有结构简单、稳固、易于冷却的特点。 东南大学硕十学位论文 予 图1 _ 4 混合励磁双凸极永磁电机 图1 5 为另一种混合励磁双凸极电机【l5 1 ，区别于前面两种混合励磁双凸极电机，在 电机端部放置电励磁绕组，引入轴向电励磁磁场，永磁磁场为径向磁场，两者在气隙中 实现磁场叠加。电励磁轴向磁路不经过磁阻很大的永磁体，提高了电励磁利用效率，同 样实现了用较小的电励磁磁势，获得较大的磁通调节范围。但由于轴向磁路的存在，定 子背轭、转子背轭一般需要采用导磁性能较好的电工纯铁，以提供良好的轴向导磁能力， 结构较为复杂，制造、安装相对困难。 定子 轴向励磁绕组 黝溉 慕 m 川 j | | | | 髟一荔 鬯 一，| | | l鬟 l “1 日z 眢凶 电枢绕组 图1 - 5 径向轴向混合励磁双凸极电机 南京航空航天大学的严仰光教授课题组提出了并联式h e d s 电机【1 6 】，如图l 一6 6 。 在结构上，定子部分采用与是d s p m 电机和电励磁双凸极电机定子相同的两段定子 构成，共享一个转子，结构较为简单直接，从原理上实现了混合励磁，永磁部分电 机与电励磁部分电机间用气隙或非磁性金属材料隔开一段距离，这样可以减少永磁 体与励磁绕组电流产生的沿着轴向的磁通的交链，减少两部分电机的耦合，从而使 两部分电机磁势建立的磁通互不关联。 4 第一章绪论 永磁部分 电励磁部分 图1 - 6 并列式混合励磁双凸极电机 综上所述，混合励磁电机不仅存在电枢绕组，还有调节磁场的辅助电励磁绕组，与 永磁电机相比，增加了一个可控励磁电流变量，在控制上，可以分别对电枢绕组电流和 励磁绕组电流进行控制，满足不同性能要求。混合励磁电机较好地解决了永磁电机励磁 调节困难以及电励磁电机效率低的问题，其优越技术性能是其它类型电机所不具备的， 因此本项目的研究不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的工程应用价值。 1 3 本文研究的主要内容 h e d s 电机作为一种新型定子永磁型混合励磁电机，系统有丰富的研究内容。本课题 组在国家自然基金项目“混合磁路发电机及电动机驱动控制技术研究( 5 0 3 3 7 0 3 0 ) 的 资助下，对混合励磁双凸极电机进行了深入的研究。本文研究内容主要针对混合励磁双 凸极电机在混合励磁下的特性，侧重于研究h e d s 电机高速运行以及低速运行时电励磁 绕组的调节控制能力，包含其静动态性能，验证h e d s 电机的优越性。具体工作是在已 有的一功率为7 5 0 w 的1 2 8 极h e d s 电机的基础上，对励磁控制系统进行实用化研究设 计。制造出一实用的h e d s 电机励磁系统的控制器，包括软件、硬件两部分，使该h e d s 电机在低速增磁区间，无磁区间，高速弱磁区间之间连续控制。具体研究内容如下： 第一章介绍课题背景，综述国内外混合励磁电机的研究现状，阐明课题研究意义， 并对本论文研究的主要内容作简单介绍。 第二章阐明h e d s 电机基本结构和一般运行原理，对h e d s 电机的数学模型和静 态特性进行了介绍。 第三章研究h e d s 电机励磁系统基本控制策略，包含分区励磁控制，最大弱磁转 速的确定以及在此基础上的仿真研究。 第四章介绍h e d s 电机励磁控制系统的实现，包括硬件和软件的设计。 第五章对h e d s 电机励磁电流不为零下的稳态性能、动态性能进行了较为全面的 研究，验证了励磁控制系统的性能以及h e d s 电机的优越性。 第六章对全文总结 5 东南大学硕士学位论文 第2 章h e d s 电机的基本理论 2 1h e d s 电机的基本结构和工作原理 2 1 1h e d s 电机的基本结构 图2 1 所示为一台三相1 2 8 极h e d s 电机，其定、转子呈双凸极结构，转子上无 绕组、无永磁体，定子采用集中式绕组，空间相对定子齿上的线圈两两相连，两组线圈 串联或并联形成三相电枢绕组。定子轭部嵌入4 块采用高性能钕铁硼( n d f e b ) 材料切 向冲磁的永磁体，与永磁体相邻的定子槽内放置电励磁绕组，永磁磁场和电励磁磁场共 同形成电机气隙主磁场。为提高电励磁的效率，实现较小的电励磁获得较大的磁场调节 能力，电机结构中在永磁体与电励磁绕组之间留有一定尺寸的铁心导磁桥。 图2 1h e d s 电机的基本结构 由图上可以看出，h e d s 电机与d s p m 电机结构上相似，但也有不同于d s p m 电机的结 构特点，主要表现在定子上加入电励磁绕组，以及在电机的永磁体与电励磁绕组之间特 别设置了一定尺寸的导磁桥。这样结构上的变化导致了电机在机械特性和电气特性上都 产生了相应的变化： 1 由于定子齿采用非径向结构，使得各相的空载反电动势不再对称，b 、c 相空 载反电动势相对a 相产生了畸变； 2 导磁桥的存在使定子成为一个整体，有效地增强了定子的机械强度； 3 可以通过励磁电流调节电机的磁场，提高转矩输出特性及调速范围。 利用永磁体漏磁，使导磁桥工作在相对饱和状态，通过饱和导磁桥尺寸的合理选择， 为电励磁绕组提供额外的并联磁分路，达到用较小的直流励磁磁势获得较大气隙磁通调 节范围的目的。 6 第_ 二章h e d s 电机的基本理论 2 1 2h e d s 电机的工作原理 h e d s 电机的结构同d s p m 电机相似，h e d s 电机基本工作原理与d s p m 电机相同， 但由于电励磁绕组的存在，电机的气隙磁场可调，工作原理上又有不同于d s p m 电机的 特点。 当励磁绕组不工作时，永磁体单独作用，类似于d s p m 电机。气隙磁场仅由永磁磁 场产生，除少量永磁漏磁通经导磁桥直接形成回路之外，绝大部分磁通经定、转子和气 隙，形成电机主磁通。当电机由2 - 2 ( a ) 所示位置逆时针旋转时，随着定、转子齿铁心重 叠面积的改变，匝链电枢绕组的主磁通也相应发生变化。这样根据磁链上升区和下降区 通入相应的正负极性的电枢电流，保持永磁转矩始终为正，使得电机正常运转。 永磁磁链 ( a ) 永磁磁链上升区；( b ) 永磁磁链下降区 图2 - 2d s p m 电机永磁磁链与电枢电流磁链变化 以a 相为例，绕组磁链随转子位置角0 变化的曲线如图2 3 所示。b 、c 相依次相 差1 5 。机械角度( 1 2 0 。电角度) 。绕组中磁链的变化将在绕组中产生感应电动势，其对应的 反电势e p m 为： p 删= 孥= 缈等 旺， 其中国= d o d r 为电机的机械角速度，混合励磁电机的理想空载反电势波形为方波，如 图2 - 3 反电势波形中的中间实线所示波形。 当励磁绕组工作时，h e d s 电机的气隙磁场可调，永磁体与电励磁绕组共同作用形 成电机的气隙磁场。当电励磁绕组中通入励磁电流，时，电励磁磁势产生的磁场与永磁 体的磁场一样，也将匝链电枢绕组，共同形成电机的主磁场。当电励磁磁势产生的磁场 方向与永磁体磁场方向相同时，电励磁磁势将使主磁场增强，如图2 3 磁链波形虚线所 示；当电励磁绕组中通入反向电流，电励磁磁势与永磁磁场相反，电机的磁场也随之减 弱，如图2 3 磁链波形的点划线所示。不同电励磁电流下的绕组的混合励磁磁链可表示 为： 沙= 9 p m + y 如( 2 2 ) 其中，沙为空载混合励磁磁链，9 e m 为永磁磁链，y 出为励磁电流，厂所对应的电励磁 东南人学硕士学位论文 磁势。相应地，不同励磁电流下，绕组空载混合励磁反电势为： = 等= 缈等 亿3 ， 由图2 3 可见，通过改变电励磁电流的大小和方向，能实现电机气隙磁场的有效调 节与控制。特别的，通过合理选择导磁桥和永磁体的宽度，可以用较小的电励磁磁势实 现较大的磁场调节能力，从而拓宽了h e d s 电机电动运行时的调速范围。 图2 3 混合励磁电机磁链与反电势波形 2 2h e d s 电机的数学模型和静态特性 建立电机数学模型是分析控制策略和仿真的基础，h e d s 电机的数学模型由以下五 个部分组成：磁链方程；定子相绕组电压方程；功率方程；转矩方程；机械运动方程。 1 ) 磁链方程： 与d s p m 电机不同，h e d s 电机除了存在三相电枢绕组磁链外，还存在电励磁绕组 磁链。不考虑电枢绕组之间的相间互感，磁链可表示为： 其中，电感可记为： 虬 既 vc 咐f l 。0 0 0 厶0 00 l 。 l f al f bl f c d + 一 d t 矿朋 yp 劬 驴0 。 o ( 2 4 ) 口 6 c 厂， 。l1j 留 妙 q 一，鼬励“所 第二章h e d s 电机的基本理论 则： d d t 虬 虬 峰| l = ：d = l d t l 。0 0 l 6 oo l 佃l 内 i n i b i c if 0 l 矿 0 l 6 ， l c l 哆 l f c l r 惺 隆 d - l d t y 胛 沙朋6 沙朋。 o h e d s 电机的三相电枢绕组的空载混合励磁反电势可表示为t 卧 d y d l d yp 帕 d t d g p m 。 d t + d l 眵t 百l l 。 d l 6 ，r 百l d l r 百l i lo i + l 三矿 l ， i 厶矿 d if 出 d if d t d if d t ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中，y 胛、缈删、沙胖为a 、b 、c 三相空载永磁磁链；l 矿l 鲈、l 为电枢绕组 与励磁绕组之间的互感；i f 为励磁绕组电流。 电机稳速时，励磁电流保持恒定，则： 这样，混合励磁电机反电势可表示为： 卜 时 i 0 d v 。m o d t = d g p m b + d v d t d l a i ， 百l l 。 d l b t 百l d l 。i ， 百l | ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式( 2 9 ) 表明，通过调节电机的励磁绕组的电流，h e d s 电机的反电势能实现灵活调节与 控制。 2 ) 电压方程 由以上可得到电机的三相电枢绕组的电压方程： 9 、，一、，一、，一 一0 0 一 矿一 矿一 矿一 一 三一 一 +一衍+一衍+一衍 丝 型 丝 矿一 y y 一 l一l一，l一筮出 町百町百吩百 矿 矿 矿 己 三 0 0 一生生生生 一一斫一一如一一衍 丝 炸一 举掣 东南人学硕十学位论文 卟v p + 等咄p 垫型乒型 吨屿i a l p + i v - 手c o + l v ld i - - - l + 。等国+ 百d j d t p m p 国 ( 2 1 0 ) 电机稳透时，认为励磁电流保持恒定，则式( 2 一l o ) n - - j 表不成： u ，= v p 屿d 功i p + i ，d 万l p 国+ 。鲁斛d 驴c 口p m p 国 ( 2 1 1 ) 其中，p 一口，b ，c 与三相电枢绕组对应。u p 、r p 、，矿y 胛分别为p 相绕组的端电压、 电阻、电流、永磁磁链，c o 为转子角速度。 同样可以得到电励磁绕组的电压方程： = 。髟+ 等= 。吩+ 。誓+ 刍。锄百d i p + 鲁) ( 2 1 2 ) 其中，l ，为励磁绕组的自感，其数值基本保持不变，可认为是一常数。根据电机实际 结构，为简化起见，不考虑电枢电流的变化对电励磁绕组电压的影响，则式( 2 1 2 ) 可变 为： u ，呜p d “缈；：= l r + l ：d 万l + 薹，p 鲁 ( 2 1 3 ) 3 ) 功率方程 若不计铁耗。由电源输入电机的功率为： p i n = v o i b i c 10 玑 玩 u 。 u f ( 2 1 4 ) 将式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 代入，司得式( 2 1 5 ) ： 己= 薹= 薹卜+ 罢哇硼心li p _ ：d l p + l 鲁+ 警，缈l + 母t + 丢哇蝴 由式( 2 1 5 ) 可以看出，由于h e d s 电机中引入了电励磁绕组，存在额外的励磁功率，包 括铜耗r 厂，和电励磁绕组磁场储能云( 吉o e ) 。 4 ) 转矩方程 电机的功率平衡方程式( 2 1 5 ) 可进一步写成： 1 0 圪= 薹 + 警+ c 。+ + 乃川+ + 警 c 2 舶， 式中，为电枢绕组每相的铜耗，为励磁绕组的铜耗，野为电机的电枢绕组的磁 场储能，为电励磁绕组的磁场储能，巧为每相的磁阻转矩，为每相的永磁转矩， 为电励磁转矩。 稳态时励磁电流近似为恒值，因此可认为电励磁绕组的转矩为： t 一 + i p l 够丽d f = i p i ， ( 2 m 、) 电机每相绕组的输出转矩为： 乙= j 1 晖面d l pq - 。万d l v 6 + i p t 面d l p e ) + i r 。等q 等 呜百d 1 l , f p m pq 。等+ j 1 晖2 面d l , 。万d l p 6 + i p l 等) = + 砀+ 0 ( 2 1 8 ) 其中，乃是p 相绕组中通过电流时，随着转子位置的不同，电枢绕组电感发生变化而 产生的磁阻转矩分量；是p 相绕组中通过电流时随着转子位置的变化，该相匝链的 永磁磁链发生变化而产生的转矩分量；是p 相绕组中通过电流时，随着转子位置的 变化，电枢绕组与励磁绕组的互感发生变化而产生的电励磁转矩分量。+ 乃是输出 转矩的主要部分，称为混合励磁转矩。根据转矩分量表达式可以看出：磁阻转矩 。= 三2 万d i - q 甲| 由于电流为平方项，因为在一个周期内，自感变化率正负半周基本对称， 所以平均磁阻转矩转矩为零，但将产生转矩脉动；而永磁转矩，d 驴t 。p m p o 时，电枢绕 a 组中通入正电流；当塑警 o ，电枢绕组中通入负电流，均能产生正向的永磁转矩；对 a 于电励磁转矩乃，由于屯号手始终为正，如果给励磁绕组通入正向的电流，则励磁转 矩分量在一个周期内均为正，因此励磁转矩对电机的输出转矩有所贡献；如果给励磁绕 组通以负的电流，则电机的输出转矩减小，在输出功率恒定的情况下，则可以拓宽电机 的调谏荒闱汶空际卜就县电机的弱磁升速控制。 东南大学硕上学位论文 5 ) 机械运动方程t 对于旋转电机，其机械运动方程为： t ：j 堕+ b o o + t ， d l d e 缈= d t ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 式( 2 1 9 ) 中，t = e 瓦为电机三相合成转矩；- ，为系统转动惯量，即电机转子的转 p m a 动惯量与折算到电机转轴上的负载转动惯量之和，b 为粘滞摩擦系数，为正负载转矩。 综合式( 2 9 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 构成了h e d s 电机的数学 模型方程。混合励磁电机数学模型的建立，结合电机静态特性参数，为下面建立h e d s 电机m a t l a b 仿真模型奠定了基础。 图2 4 为h e d s 电机的静态特性，由图可知：电枢绕组自感以及励磁绕组与电枢绕组 的互感在一个周期内在0 2 0 度区间内增大，2 0 2 5 度区间内基本保持不变，2 5 - 4 5 则下 降。在机械特性上可解释为，电感随着转子齿靠近或者远离定子齿的趋势而变大或减小。 反映在转矩公式以及电压公式为冬和! 等，也就是图2 - 4 ( a ) a 相绕组自感对角度的 d移d廿 变化率，图2 4 ( b ) a 互感对角度的变化率。h e d s 电机的静态特性也直接决定了电机基 本控制方式，即根据转子位置变化的传统的电流双极性控制方式以及根据转速要求分区 间的直流励磁绕组增磁弱磁控制方法。 1 2 第二章h e d s 电机的基本理论 o1 53 0 t h e t a ( m e c h d e g ) 图2 4 ( a ) a 相绕组自感 o 1 2 0 1 0 0 0 8 兽0 0 6 。0 0 4 o 0 2 o o o 4 5 1 53 04 5 t h e t a ( m e c h d e g ) 叫 z 量 、- ， ， 曩 苗 二 。 胃 x 一 一 胃 卅 thet(mec一d e g ) v 图2 4 ( b ) a 相绕组自感对角度的变化率 0 0 8 o 0 6 叫 名0 0 4 言0 0 2 ，、0 童- 0 0 2 芝一0 0 4 口 三一0 0 8 鼍一0 0 8 - 0 1 ；八 - 八 thetv(mechdveg) 图2 - 4 ( c ) 励磁绕组和a 相绕组的互感图2 - 4 ( d ) - 百感对角度的变化率 图2 4h e d s 电机的静态特性 2 3h e d s 电机基本控制模式 根据电机的结构和基本运行原理，h e d s 电机主要有三种控制模式：单拍控制模式、 双拍控制模式以及三相全导通控制模式。下面对这几种控制模式分别进行介绍。 单拍控制模式是指任一时刻只有一相绕组导通，有时也称一相导通三相三状态模 式，在h e d s 电机永磁磁链的上升和下降区间内都通电。根据要产生电动转矩还是制动 转矩来确定电流的正负，若要生成正的输出转矩，在磁链上升区通正电流，下降区通负 电流；若要生成负的输出转矩，在磁链上升区通负电流，下降区通正电流。双拍控制模 式是指在任意时刻总有两相绕组通电，一相通正电流，一相通负电流，有时也称二相导 通三相六状态模式。根据要产生电动转矩还是制动转矩来确定电流的正负，若要生成正 的输出转矩，在磁链上升区通正电流，下降区通负电流；若要生成负的输出转矩，在磁 链上升区通负电流，下降区通正电流。三相全导通模式是指任意时刻，电机三相绕组全 部导通，根据电机磁链的上升或下降区域确定电机各相的通电的正负，有时也称三相导 通三相六状态方式。 三种控制模式中，单拍控制模式较为简单，但转矩出力较小；双拍控制模式最为常 用，转矩出力较大，h e d s 电机和d s p m 电机一般采用该种控制方式。但为了减小电机 的转矩脉动，三相全导通模式也可以应用于h e d s 电机的控制。当然，不同的控制模式 对电机的磁阻转矩的影响也不尽相同，在这里暂不进行讨论。 东南大学硕上学位论文 h e d s 电机采取了双拍控制模式。根据h e d s 电机的特点，反电势基本上为方波， 因此，控制时为提高电机的转矩和出力，宜采用方波电流进行控制，电机实际控制中采 用了斩波方式实现电机的方波电流。 2 4 小结 本章首先介绍了本文研究的主要对象1 2 8 级h e d s 电机的基本结构，分析了h e d s 电机不同于传统d s p m 电机的结构特点；介绍了h e d s 电机的工作原理，给出了电机 的数学模型和静态特性，解释了混合励磁转矩的概念，由此确定了h e d s 电机基本的控 制模式，为以后章节的分析打下基础。 1 4 第三章h e d s 电机励磁系统控制策略和仿真 第3 章h e d s 电机励磁系统控制策略和仿真 3 1h e d s 电机励磁控制策略综述 第二章分析了h e d s 电机基本结构并给出了h e d s 电机的数学模型包含其机械运动方程 等，由h e d s 电机机械运动方程可画出电机自然机械特性： 转矩 0 转速 丁 n ( a ) 转矩一转速曲线；( b ) 转矩一转速曲线 图3 1 混合励磁电机励磁电流为零时的自然机械特性 从图中可以看出，电机的转矩与转速成反比，电机的转速与电压成正比。采用传统 调压调速控制方法，基速以下实行恒转矩运行，基速以上实行恒功率运行，可以得到混 合励磁电机的转矩转速输出特性，如图3 1 ( b ) 所示，其中船。为基速。当实际转速达 到玩时，调压达到极限，电机运行将由恒功率运行区域进入自然机械特性区，输出功率 明显下降。将恒功率区与自然机械特性区的转速拐点称作第二临界转速。由以上分析 可知，不施加电励磁电流的h e d s 电机，其自然机械特性，就是d s p m 电机，存在两 种限制：一是输出转矩限制，恒转矩运行下的输出转矩为额定转矩n ，若负载转矩乃增 大并大于底时，需要增加电枢电流来提高电机的输出转矩，但由于逆变器设计容量和 电机绕组设计限制，电枢电流的增加是有限的；二是最高转速限制，额定恒功率运行下 的最高转速为第二临界转速协，若要求电机转速大于 s ，由图3 1 ( b ) 可以看出，输出转 矩随转速的增加急剧下降，不再保持恒功率运行。 而以上d s p m 电机存在的两项瓶颈，h e d s 电机通过合理引入电励磁绕组使得 h e d s 电机具有气隙磁场可调的特点，转矩以及转速的限制都可以克服。当h e d s 电机 稳速时，认为励磁电流保持恒定，电枢电压方程为： u p = r p l p + l p 鲁+ i p 等c o + i 等斛百d 弘c p r n p 国 ( 3 1 ) 转矩方程为： 东南人学硕士学位论文 = 丢c 等等心等m 。等+ 乞等 = 乞等+ 屯。等+ 吉c 艺等等蝴等) = 乙+ 乙+ 乙 ( 3 2 ) 由h e d s 电机电压与转矩方程可以得出h e d s 电机全区间的基本调速准则： 1 ) 当设定转速在额定转速以下刀 刀妇时，电机实行恒转矩调速方法，转速的调节 完全可以通过调节电压来实现。而是否需要增磁，由负载转矩的大小决定： 若负载转矩小于额定转矩t 刀妇。时，电机实行恒功率调速方法，转速的调节 通过调节电压或协同调节励磁电流来实现，而是否需要弱磁，由设定转速是否大于弱磁 基速来决定： 如图3 2 ，若设定转速小于弱磁基速脬 t 疡时，反电动势饱和，调节电枢电压不能满足恒功调 速的要求，此时保持电枢电压不变，开通负向励磁电流，进行弱磁调节，减小整体反电 动势，在减小总输出转矩的前提下实现高速运行，达到设定转速的要求。 根据上述分析，作出h e d s 电机转矩转速调节曲线，并可将电机简单分为几个运行 区间：基速以下且负载转矩大于额定转矩时的增磁调速区a b h j ；基速以下且负载转矩小 于额定转矩时的低速永磁区b g o h ；在额定转速以上，弱磁基准速度以下的高速永磁区 b c f g ；高速弱磁调速区c d e f 。 r 死 氏 0 b a s eg f n f m a xn 图3 2 不同励磁电流下转矩转速调节特性曲线 从图中可知，h e d s 电机具有四个不同的工作区间，但从励磁电流的角度看，h e d s 1 6 第三苹h e d s 电机励磁系统控制策略和仿真 电机在低速永磁区和高速永磁区的励磁电流均为零，于是又可将电机分成常态运行 ( i r = o ) 、增磁运行( ， o ，对应低速增磁调速区) 、弱磁运行( i ， n ，。当电机转速达到设定转速并稳定运行时， 励磁电流保持稳定，由h e d s 电压公式可得永磁感应电动势和电励磁感应电势： 萨百d g p m p 褂，等州鲁“，等) 国 ( 3 1 1 ) 由上式可以看出，反电势e 与转速成正比，随着转速升高，反电势达到饱和值，由 于电枢电压不能再继续上升，速度很难继续升高。但若随着转速的升高，同时通入负向 励磁电流，则可以抵消转速升高带来的影响，让总反电势基本保持不变，这样可以让转 速升高。设弱磁基速为彩，基于此种弱磁调速思想可求得励磁电流与转速的关系： 百d l p m p 国+ 0 生d o 缈= 盟d o ( 3 1 2 ) d e j j 1 1 、。 移项得： 1 - 鲁( 等- 1 ) 万d z v f ( 3 1 3 ) 可见，负向励磁电流与转速成正比，在通以负向弱磁电流时，保持电枢电压不变并 限定电枢电流幅值，随着转速的升高，负向励磁电流不断增大，转速继续升高，直到满 足转谏理求电机扶到平衔状杰。 3 2 2 1 两种弱磁控制策略分析 由上述分析可得到两种弱磁电流控制方法，第一种控制思想源于式( 3 1 3 ) 得到的 励磁电流表达式，此方法保持励磁电流为固定值不变，电枢电流由转速调节器给定，通 过调节电枢电流达到所需转速。为便于分析设h e d s 电机反电势的有效值表达式可近似 为直流电机的表达式p = c。当电机运行在基速时，此时 ，将代,on h e d se = e e - - c , o n 入可得c e o l , l = c e 西聆，即用额定转速时的反电势值作为标准值。又由公式可知，由励 磁电流产生的反电势勺2 0 弓手c o ，这里假设二箸是一个常数，这样勺可用e 刀的形式 表示出来，p ，= ek ，1 ，n ，结合弱磁控制中心思想即保持弱磁后反电势与弱磁前额定转 速时的反电势相等，同时认为额定转速下电机磁通约等于h e d s 电机永磁磁通，这样可 得c e ( 中朋- k 厂，r ) 刀= e m h = e d p p , n n ，两边约去e 得：( 中朋一k ，) 刀= c i ) p r a g l ，由 此可得，：( n - n n ) 0 p , ，这与式( 3 1 3 ) 基本吻合。 。 k f n 第二种弱磁控制方法则保持电枢绕组电流幅值不变，励磁电流通过p i 调节器给定， 这样各电流给定值不用考虑各变量对系统的影响，因电枢电流额定值6 a 已知而励磁电 流通过p i 调节实现系统稳定，其p i 控制器与无励磁区间的速度调节器原理类似，也采 用增量式p i 算法，r ( 尼) = ，( 后- 1 ) + k p p 。( 尼) + k i a e 。( 尼) ，具体步骤是：在进入高速弱磁控 制时，当反馈转速n f l , 瓦) 即( i g l ) ，所需转速小于设定转速时 ( 刀 死区控制 逻辑 c a p x3 j ej e 、l s a r a m f l a s h j看门狗电路 、r 6 4 k x l 6 1 8 k x l 6 ： ： s c i 乇：4 i o 图4 - 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的功能结构图 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 模块有很多功能组件，其中本系统涉及到的主要功能组件介绍： 1 ) 事件管理器。事件管理器( e v ) 模块为控制系统的开发提供了强大的功能。 t m s 3 2 0f 2 8 1 2 包括两个事件管理模块：e v a 和e v b 。每个事件管理器模块都包括 通用定时器( g p ) 、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲倍频电路( q e p ) 。以事件管 理器e v a 为例加以说明： 两个1 6 位通用定时器t 1 、t 2 可用于产生采样周期，为捕捉单元、q e p 单元和p w m 电路操作提供时基，也可作为比较单元产生c m p p w m 输出和软件定时的时基。每一定 时器备有6 种工作模式，各带一个比较逻辑单元，当计数器值与比较寄存器值相等时， 比较匹配发生，产生相应动作。 捕捉单元用于高速i o 的自动管理，它监视