（电机与电器专业论文）永磁直流无刷电机混合驱动方法研究.pdf

上坐兰生坚j 型墨 a b s t r a c t ap e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cn l o t o rw i t h p e r m a n e n tm a g n e te x c i t a t i o n ，i nw h i c h e l e c t r i c a lc o m m u t a t o ri su s e di n s t e a do fm e c h a n i c a lc o n l n n 1 t a t o r ，h a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d s b e c a u s eo fs i m p l e s t r u c t u r e ，s m a l ld i m e n s i o na n dh i g h e f f i c i e n c y h o w e v e r , t h eb i g g e r c o n m m t a t i o nt o r q u e r i p p l eo fb l d c ml e a d s t on o i s ea n dh a r m o n i cw a v ep o l l u t i o n i t s i m u l t a n e o u s l ym a k e ss p e e dp e r f o n n a n c ed e t e r i o r a t i v ea n dr e s t r i c t st i l em o t o r sa p p l i c a t i o ni n t h ep r e c i s i o nd r i v i n gm o t i o nf i e l d a f t e rt h ec o m p l e t i o no fab l d c m c o n t r o ls y s t e m ，a i m i n ga t h o wt om i n i m i z et o r q u er i p p l e ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h er e a s o n so f t o r q u er i p p l ea n dp u t s f o r w a r dt h em e t h o d so fh y b r i dc o n t r o lm e t h o dt om i n i m i z et h et o r q u er i p p l e u s i n gs v p w m w i t ht h eh a l ls i g n a lc a nr e a l i z es i n ec u r r e n td r i v ew h i c hc a l lr e s t r a i nt o r q u er i p p l ew i t h o u tc o s t i n c r e a s ef i n a l l y , t h em e t h o d sa r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t st h em a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o n a r ea st b l l o w i n g ： f i r s t l y , t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dm o t o r sm a t h e m a t i cm o d e la r ei n t r o d u c e d b l d c ma n d d r i v i n gs y s t e ms i m n 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 gm a t l a b s i m u l i n k s o f t w a r et h e n e x p e r i m e n t a ld e v i c eo f c o n t r o ls y s t e mi ss e tn p s e c o n d l y , t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eb l d c mh a r d w a r ep a r tt h es y s t e ma n a i nc i r c u i t ， d r i v em o d u l e ，c u r r e n td e t e c t i o na n dp r o t e c t i o no f o v e l v o l t a g ea r ep a r t i c n l a r l ym e n t i o n e d t h i r d l y , a f t e ri n t r o d u c i n gn o r m a ls v p w m ，w eb r i n gf o r w a r ds v p w mb a s e do nt h eh a l l s i g n a l ：u s i n gt h r e es e p a r a t eh a l ls i g n a l sw ec a l lk e e p9 0a n g l eb e t w e e nf u n d a m e n t a lw a v e m a g n e t i cm o t i v ef o r c eo fs t a t o ra n dt h a to fr o t o r ，t h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ei sm a x i m a l ，a n dt h e t o r q u er i p p l e i sn m i l n a lw ea l s o a n a l y z es y s t e mw o r k i n gs t a t u su n d e rr e g u l a rs p e e d ， a c c e l e r a t i n gs p e e d ，d e c e l e r a t i n gs p e e d f i n a l l y ，a c c o r d i n g t o u p p e rp a r a g r a p h s ，w e i n t r o d u c es o f t w a r e p a r tb a s e d o n t m s 3 2 0 f 2 4 0 p q a a c c o r d i n gt om o d u l a r i z a t i o n ，t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t om a n ys m a l l p a r t sw ee m p h a t i c a l l yi n t r o d u c es y s t e ms t a r t u p ，s p e e dc a l c u l a t i o n ，p o s i t i o nc a l c t d a t i o n ，s i n0 、 c o s0c a l c u l a t i o na n ds v p w mo u t p u t t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t t h i sc o n t r o l t e c h n i q u ec a ne f f e c t i v e l ym i n i m i z et h et o r q u er i p p l eo fb l d ( 1m o t o r k e y w o r d s ：s e l f - c o n t r o l l e dp e r m a n e n tm a g n e t i cm o t o r , m o t o rc o n t r 0 1 s e r v o v e e t o r c o n t r o l v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文足本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与i 司一； - - f 4 - ：自q 其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作r 明确的说明并表示了谢意。 签名：翻丝幽望日期：宣坐勺 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被金阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 妇期：趔生， 翔凡学慨l j 学位论上 第一章绪论 1 1 自控式永磁电动机的发展及分类 早期的调速系统中驱动电机主要为直流电动机或异步电动机。直流电动机 的转速转矩关系基本上为理想线性特性，调速方便、调节范围大。但是，直流 电动机必须使用换向器，不仅使电机的体积较人，生产成本和维护费用都比较 高。异步电动机结构相对简洁、成木低、易维护，并可采用多种方式调速，因 此早期交流调速系统主要出异步电动机作为驱动电机。同步电机通常用作发电 机， i j 于同步电机的转速与频率成，格的比例关系，在l f 弦交流电网供电下， 同步电动机的速度无法调节，只能作为恒速驱动电机运行。随着电力电子技术 的进步和发展，为同步电机的速度谰节创造了条什。1 9 3 4 年文献“首先提出了 用品闸管作为刀：关元件替代直流电动机机械f 乜刷的思想。1 9 5 5 年，美国的 d 1 l a r r is o n 等人首次申请了用品体管换向线路岱代直流电动机机械换向器的 专利，标志着现代永磁无刷直流电动机的诞生。1 9 6 2 年，借助于镌尔元件实现 换相的现代永磁无刷直流电动机问世，由此y r - 仓, j 了现代永磁无删苜流电动机产 品化的新纪元。1 9 7 8 年，原联邦德周m a n n e s m a n n 公司的i n d r n m a t 分部在汉 诺成贸易展览会上i f 式推出其m a c 现代永磁无刷直流电动机及驱动系统，标志 现代永磁无刷直流电动机真正进入实用阶段= 。现代永磁无刷直流电动机实质 上是+ 台自控式永磁无刷同步电动机根据转予化置信号，随时控制定子绕组 电流的丌通与关断，也就意味着同步电动机的转速调节得以实现。 近几十年，稀土水磁材料如钐钴、钕铁硼等的问吐，其矫顽力高、抗去磁 能力强、f l 常规去磁曲线住大范围线性可逆等特点为永磁电机的发展丌辟了广 阔的6 u 景。特别是人们的长期努力：以期望发腱新型无刷电机代管有刷电机的 过程中，稀上永磁材料的发展有着功不可没的作_ j ! | 。 随着近几f 年来电动机本体及其相关技术的迅猛发展，“水磁无刷氨流电动 机”的 c 念已山最初特指“具有电 ，换向的永磁尢刷直流f 乜动机”，延拓全“所 有具备有刷直流电动机外部特性的电r 换向式永磁电动机”。现代永磁无刷直流 淘人学顺卜学位论上 电动机的发展使得传统的电机学科同当代许多新技术的发展密切相关。随着大 功率半导体器件、电力电子技术，微电子技术、数字信号处理技术、现代控制 理论的发展以及高性能永磁材料的不断出现，如今的现代永磁无刷直流电动机 系统已经成为集特种电动机、功率驱动器、光或磁检测元件、控制软件与硬件 f 体的典型的机电一体化产品，体现了当今工程科学领域的许多最新成果。 v i 鳘 卜l 现代自控式永磁无刷电动机原理图 图卜1 所示是现代自控式永磁无刷直流电动机系统典型的原理圈，主要由 电动机本体、位筲传感器和功率逆变器三部分红f 成。随着高性能永磁材料、微 电子技术、自动控制技术和电力电子技术特别是大功率半导体器件的快速发展， 永磁同步电机得到了迅速的发展。山于其调速性能优越，且体积小、重量轻、 效率高、转动惯鼍小、不存在励磁损耗，因此在各个领域具有。阔的应用日口景。 现代自控式永磁删步电机按照其工作原理、驱动电流和控制方式的4 i 例，可分 为具有证弦波反电势的正弦波永磁同步电动机和具有梯形波反电势的永磁无刷 直流电动机。 永磁无刷肖流电机( b r u s h l e s sd cm o t o r 以下简称b l d c m ) ，其电机本体的 反电势( 即激磁电势或空载电势) 设计成梯形波，而逆变器输出方波电压或方波 电流并与f _ 乜机反电势保持适当的相位关系，从而产7 卜有效电磁转矩。在这种 情况f ，转子位置传感器只需要提供转子的若r 个关键位置的离放信号就可以 了。方波电机结构简单、控制方便、成本较低，一般用于埘转矩波动要求不太 高的调速传动。山于其固有的特点，反馈装胃简单、功率密度t 笥、输出转矩大、 控制结构简单，使电机和逆变器各自的潜，j 得到充分的发挥。侄家用消费类产 品( 窄调、冰箱、沈衣机) 和i t 周边产品f 打印机、软驸、硬驰) 中得到广泛 的应用。它具有结构简单、高效、低噪声、高助率密度、启动扭矩人、寿命长 等其它种类电机无法比拟的特性。我圈是稀1 ：人幽，稀i n 磁材料经过这几年 的发展，已经有了定的规模，质量和数据部有较大的提高，价格己不断下降， 这将大大促进b l i ) c ： 业发展。可以预计2 1 世纪b l d c 将成为应用最广泛的电机， 并u 】以取代传统直流电机和交流电机+ 变频调速传统模式，成为l o k w 以下电机 传动的主角。 正弦波永磁同步电动机由于源于同步电动机，国外许多文献习惯称为 p 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 r ( 以下简称p m ) ，其电机本体的反电势 设计成i f 弦形，而逆变器采片js p w m 技术或滞环控制技术等调制 hl f 弦电压或电 流并与l 乜机反f b 势保持适当的相位关系从而产，l - 比较平滑的电磁转矩；在这 种情况f ，位胃传感器需要提供连续的转_ f 妒置信号。i f 弦波水磁同步电动机 的驱动器缔构比较复杂且成本较高( 尤其是位置传感器) ，控制方法灵活，一般 转矩波动较小，凶此往往用于对转矩脉动要求比较f “格的驱动与控制系统中。 事实上， “于受永磁材料的特性、电机磁场模型的准确度及电机制造丁艺 成本等因素的制约，电机反电动势很难没讣成标准的梯形波向绕组电流受逆 变器容量和绕组电感的限制，也往往不足相应f 门标准方波，两者配合，虽然也 能产慢有效电碰转矩，但电磁转勉脉动较大。巨l 此以永磁l 司步电动枧的实际反 电动势波形为基础，以产生恒定电磁转矩为h 标，通过恰当的驱动方式调制出 与之相配的电流波形，是改善永磁无删直流电动机转矩脉动的一条重要途径， 从这个意义上来说， = 述两类永磁j 刊步电动机没有明确的分界线。 1 2 课题的背景和意义 121 电动车用电机 2 l 世纪伊始，世界汽车1 ：业又立i i 在了革命的门槛l 。虽然，汽车工业是推 动社会现代化进稃的重要动力；然咖，汽车d 出的发展也带来了环境污染愈烈 和能源消耗过多两大问题。而对于我嘲同益扩大的汽车市场，这种危机就更明 显，将会给我旧的能源安全和环境保护造成巨大的影响。为此，国家科技部启 动了卜土9 6 3 电动汽车重大专项。 近 年来，主要发展永磁无刷直流电机系统= 。与原有的直流牵引电机系 统相比，具有明显优势，其突出优点足体积小质量轻( 具比质量为 0 5 一1 o k g k w ) 、效率高、基本免维护、调速范嘲广。其研究丌发现状和发展趋 势如f 。 永磁无刷直流电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，由于 具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十j 分广阔，在电动 车辆牵引电机中是强有力的竞争者，已在国内外多种电动车辆中获得应用。 内置式永磁问步电机也称为混合式永磁磁阻电机。恢电机在永磁转矩的 基础j i 迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助r 提高电机的过载能力和功率密 度，瓶h 易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。内置式永磁同步电机驱动系统 的设计理论f 存不断完善和继续深入，咳机结构灵活，设计自i 扫度火，有望得 到高性能，适合，h 作电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动。这螳引起了各 大汽车公司同行们的关注，特别是获得了同本汽耷二公司同行的菏咏。当日0 ，美 国汽车公司同行在新车型设计中主要采用内霄式水磁刊步电机。 表面凸出式永磁同步电机相对内置式永磁同步电机而言，其弱磁调速范 围小，功率密度低。陔结构电机动态响应伙，并可望得到低转矩脉动，适合用 作汽车的电子伺服驱动，如汽车电子动力方向盘的伺服电机。 无位置传感器永磁同步电机驱动系统也是“j 前永磁i 叫步i 乜机驱动系统研 究的一个热点将成为永磁同步电机驱动系统的发展趋势之 具有潜在的竞 争优势。 永磁同步电机驱动系统低速时常采刖矢量控制，高速时f 甘弱磁控制。 z _ 5 t - ，矿在研发的热点课题还确 具有磁场控制能力的永磁同步电机驱动系统 向人 1 ：卜化沧上 车轮电机驱动系统； 动力传动一体化部件( 电机、减速齿轮、传动轴) ； 双馈电异步r 乜机驱动系统 应用场合如l 乜动自行车，深受低中收入人群的喜爱，价格也比较便直。对 于仃些应用场台，运行车速较低，特别适合应用电动乍，如城市环保用清扫车、 旅游景点的交通月j 车、工厂车间之f b j 的j 内运输4 三、高尔夫球场交通车等，这 般场合希望减少燃汕污染，是个很广阔白勺市场。 12 2 纺织及化纤设备配套电机 纺织机械和化纤设备对配套电机除节能的要求外还要求高性能，如高调 速精度，高速运转。化纤设备的应用时景看好。2 0 0 1 年化纤总产量为8 4 1 3 8 月吨，另外每年还要进口3 0 0 万吨屈z - 。年增k 率约2 0 。随着人民，e 活水平 的提高，人们对服装面料的各种要求也越来越商，大部分化纤设备j l 有不断进 行技术创新，4 能满足市场需要。在化纤设备， ：，大量并普遍使_ j 交流永磁同 步电机，如计碴泵电机、摩擦辊电机、导丝错电机、热辊电机等，这类产品传 动系统均采用0 日步电机变频调速系统控制，讽速精度的误差般町以达到小于 0 5 。特别适用于纺织、化纤行业、控制精度高、多电机例步传动系统。在化 纤机械巾锌种纺丝机配套电动机性能要求高，技术难度大。例如涤纶长丝高速 纺丝机、涤伦细丝高速纺丝机、丙纶中速纺丝机、丙纶一步纺丝机、粘胶长丝 连续纺丝机、丙轮中速纺丝机等。其中热辊及配套电机是机电一体化产品，热 辊表面温度根据化纤材料不同，分别为】4 0 。1 5 。c ：2 2 0 1 5 。c 。电机转速 为4 5 0 0 转分：6 0 0 0 转分。变频调速永磁电机，调速精度达到0 j ，要 求自动控温热辊、轴承等关键零部件寿命达3 年以上。 除化纤设备外，在印染、棉纺、织机等机械产品，也需要大量的稀土永磁 电机，“十血”；t j j f j 纺织行业需求见农l 。 订j 。毕埘! i1 ；他论上 纺织机械名所需l b 机 单台机槭j h 姑电机年需求避( 玎) 化纤纺织机6 0 l5 0 0 w 同步l u1 6 2 2 台1 8 印染机随流力矩电机1 0 余台 5 0 细织机3 0 4 0 w 单锭驱动4 0 0 5 2 0 台 4 0 纵布机有流力矩l 乜机 4 8 台5 6 梳棉机低惯最直流电机 】2 无梭纵机变频调速交流电机】台 2 0 表1“十h ”朗叫纺织行、l k 电机需求情况 纺织及化纤设备年需稀土永磁r l 十) t 约2 2 6 】台，其叶f 有相、多的数量靠进 口。有的随主机进l = 】，有的购买电动机进r 。凶此自控式永磁电动机在这个领 域也有厂。阔的发展，问，主要需要解决凋速精度和电机使用寿命的问题。 1 23 交流伺服系统 随着电力| = 乜于技术、微电子技术的迅速发胜和各种新颖控制策略的不断涌 现，在高性能伺服驱动领域，交流伺服系统取代传统的直流伺服系统已是必然 的趋势。交流伺服系统中所用的电机j i 要有异步电动机和永磁同步电动机丽大 类。采用矢量控制的异步型伺服电动机，已町获得接近南流伺服系统的机械特 性和宽的调速范阿，但是控制较为复杂，h 对r 乜机参数有较强的依赖性。而由 自控式永磁州步电机构成的永磁同步伺服系统，其外特性完伞玎与直流伺服系 统等效，弓异步电机相比，具有体积小、重遥轻、效率i 荔、转动。f 9 i 量小、控制 相对简睢等优点，因此出自控式永磁同步电彤l ( 包括b l d c m 和p m ) 构成的永磁 伺服系统是交流伺服系统发展的卡要7 ：r 向”。 但是永磁伺服系统中存在的转矩脉动问题，一直是交流伺服应用领域的一 大难题，尤其是在赢接驱动应用场合，转矩脉动问题更为突出，由f 没有减速 机构，电机产1 i 的转矩脉动直接传递到负载，丽负载_ t 扰也直接传到电机轴上二， 这些都使伺服系统的速度位置控制特性极度恶化，因此，研究高性能的转矩控 制策略，消除转矩脉动，提高转矩动念响应，埘提高永磁交流倒服系统的控制 性能，拓宽其应矸j 领域有重要的现实意义。 综上所述，山于永磁无刷直流电动机具仃效率高，功率密度人转动惯量 小凋速性能好等 系列优点，己经花工业、交通、航空航天、军工、伺服控 制领域以及家用电器领域得到广泛应剧，但足其吲有的转矩脉动缺陷，会引起 转速波动、电磁振动和噪声，限制了其住一螳要求商精度位置、速度控制系统 中的应朋。近一十年来永 l 兹无刷直流电动机的转矩脉动抑制技术+ 髓是个研究 较多的课题，吲内外一些核心期刊i ：。直发表这方面的学术论文，但是真矿应 用到实际啦产的火部分是电机本体优化设计方丽的技术，通过控制策略抑制电 磁转矩脉动在实际应用中并不是很多，特别侄h 内这方面的差距较大。因此研 究永磁无刷直流电动机驱动控制技术，并将其实h j 化，具有重要的现实意义。 本文n i 是基于这个出发点，着重研究通过控制策略来减小永磁无刷! 氲流电动机 的转矩脉动以求能进一步拓宽永磁无刷直流r 巳动机的应用范州。 1 3 国内外控制策略的研究现状 1 ，3 1 直流无刷电机无传感器控制策略的研究现状 无刷直流电动机以其功率密度高、转动惯量低、动态性能优良等特点f 获 得越求越广泛的应用。无刷直流电丰l f l 0 运行是通过逆变器功率器件随转子的不 同位置相应地改变其不同的触发组合状念束史现的，因此准确检测转子的位置 并根据转子位臀准时切换功率器件的触发组合状念是控制无刷商流电机萨常运 行的关键。 用位冒传感器来作为转子的位置检测装胃是最直接有效的方法，利用传感 器得到的不同位置信号经过门电路、模拟丌关或专用芯片就t 丌以得到不同的触 发逻辑信号，2 盎；现触发状态的自动切换”，随着微处理器的应用，也可以通过 软件米进行切换。无刷电机常用的位霄传感器有磁电感应式、磁敏式和光电式。 磁| = 乜式位胃传感器既笨重又复杂，所以存方波电机。p 早已被淘汰。磁敏式霍尔 位旨传感器由j i 体积小，简单l ，r 靠的特点而放f “泛应用。光电式如光电码盘因 高精度的特点而广泛应用于伺服系统中。f i _ 叫立置传感器的使用增加了电机的体 积，f 1 需要多根信号线，这给无刷直流电机的微j 姓化带来了闲难，也增加了电 机制造的_ = ：岂要求和成本。 为省去位置传感器，文献 1 0 根抓箨相反电势随转子位旨改变的原理提出 了端电j k 检测法，把三相端电压经低通滤波器延时9 0 。电角度，再经比较电路 得出触发逻辑信i _ - 1 。但浚方法存在着低通滤波器住电机低速时延时不足9 0 0 电 角度的情况，导致触发信号提自u 切换，对f 巳机f 也流、转矩产化较大的影响，严 重时其争会引起r 乜机失步。因此，文献 1 l ：n ：此荩础l 经过补允，低速时，采 取二相端电压两两比较直接得出触发逻辑信 d f t j 力法，在整个运行段，根据不 同的转速，在两个化置检测电路之n _ 1 j 进行切换。随着微处理器晌应用，利用软 件的延时方法l | 以完全简化端电压检测法的位错检测电路。文献 1 2 提出用i 相端电j k 和比较电压间接得到绕组反l 乜势的过零t i ，然后川软件延迟l 1 2 硎期 的时问冉切换触发信号。但由于凸极电机中i 乜枢反应和检测电路滤波器的影响 会导致电机超j u 或滞后换流，因此文献 1 3 x , j 此进行了修难，并取得了良好的 效粜。 “端电压检测法”虽能完成转f 能晋的检测，但出于绕组的反电势证比于 转于的转速，吲此，在低速时就很难检测到反i 乜势而会导致电机灾步。文献 1 4 提：了通过榆测j 功率器件反并联的? 极管的导通与否末判断绕组反电势的过 零点，这种方法相二低速时也能检测到：极管的导通，使电机能在低速f 讵常运 行且有利硎顷利完成启动过程。但是，这种榆测方法需在二极管上并列检测电 路，这对于集成的功率器件很难实现：并且一檄管的导通时刻并1 i 是绕组反电势 的真l r 过零时刻，要消除这误差也还得另加补偿 乜路。文献 15 提出了一种检 测转子位置的新方法，在永磁转子的表面粘9 坫些非磁性的导电材料，利用定 子绕组高频丌关一【：作时非磁性材料【：的涡流效成，使丌路相电压的大小随转子 位置角而变化，从而可通过检测丌路相电压柬判断转r 位置，此方法不依靠反 电势，因此能保证f 邑机在低速时可靠地运行和顺利地起动。但此方法需特殊的 电机，剥电机的制造 艺有很高的要求， 如何进一步提高无刷直流f 乜机交流伺服系统的性能，怎样把无位臀传感器 的无刷甑流电机应用到需要高精度、l 活性能伺服系统中，怎样消除丌关控制的 效果对位置伺服系统造成的影响等等，还有什多问题需待解决。1 j 倩随着微电 子技术和现代控制j q ! 论的迅速发展以及在实际控制中的成功运j h ，这螳问题部 会逐步得到解决。 132 永磁同步电机控制策略研究现状 1j u 水磁同步电机采用的控制策略有多种常用的控制方式：v f = 常数； 矢量控制；直接转矩控制“”。 v f - 常数的控制方式。其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性 能小商。比较适合应用在肛l 机、水泵调速场合。县体来说，其控制曲线会随着 负载的变化而变化；转矩响应慢。电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和 逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差等。 矢量控制。也称磁场定向控制。它是七卜年代忉由西德f 1 j 】。t s s c h k c 等人 首先提出以直流电动机和交流电动机比较的力法分析阐述了这一原理。由此丌 创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流【l 动机尽管控 制复杂但同样叮以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。永磁交流电机矢量控 制技术的基木思想是建立在坐标变换及电机的电磁转矩方程l ，通过控制d - q 轴电流经过欠量变换或坐标变换而实现的。其优点在丁不论在低速还是在高速 只要系统给定在浚转速上所需要的电流波形电机电流均能很好的响应所得电 流的交轴分量就是电机旋转所需的转矩分量电机的响应性能卜分优异。 1 9 8 5 年德幽鲁尔大学d c p c n br o c k 教授酋先提出直接转矩控制理论( d i r c c t t o r q u ec o n t r o l 简称d t c ) 。直接转矩控制j 矢鞋控制不同它不是通过控制电 流、磁链等量柬间接控制转矩而是把转矩芒【接作为被控量来控制。 转矩控制的优越性在于：转矩控制足控制定 磁链红本质j 二并不需要转速 信息：控制卜对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好：所引入的定子磁 链观测器能很容易估算出| 亓_ | 步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。 同时由于其丌关速度较慢所研究对象l 乜机的电感又很小敞在l u 机低速时电流 和转矩的脉动卜分明显，闪而制约r 其控制系统的凋速范州。 发展高性能p m g m 伺服系统几个待解决的问题： 以洲s m 作为执行元件构成的p m s m 伺服驱动系统( 含位胃、速度伺服) 凶其 良好的性能自2 0 世纪7 0 年代诞生以来伴随着相关支撑技术的快速发展获得 了很大的发展和广泛的应用( 己具有h 渐成为电伺服驱动系统的卜流，尤其是在 高精度、高性能要求的中小功率伺服领域更足 何一取传统直流倒服系统的趋 势) 。从其应f 日领域的特j 量和p m s m 伺服系统自身技术的发展来看今后p m s m 伺 服系统将向着以下两个方向发展：。个是适厢j ：简易数挖机床、办公自动化设 备、家用电器、计算机外围设备以及对性能要求，f i 商的l 、业运z 山控制等领域的 简易、低成本p m s m 伺服系统：另一个力向则是向适用于高精度数控机床、机器 人、特种加工设各精细进给驱动以及航空、航人用的高性能的伞数7 声化、智能 化、柔性化的p m s m 伺服系统。而后+ 个作为更能允分体现p m s 伺服系统优点 的发展方向也必将是p m s m 伺服系统的重点发发展方向。但是要进步提高p m s m 伺服系统的驱动性能必须作更深入的研究和探索以兜服影响其性能的“几个瓶 颈”问题。 ( 1 ) 发展永磁材料及其加工技术改进嗍s m 结构以克服p m 在使用过程中的 “退磁”问题和兜服其存在齿槽转矩对其转知波动尤其是低速时转矩波动的影 1 1 向。 ( 2 ) 改进包含逆变器( 含驱动电路) 性能一兜服其存在功率丌关关断延时对 其电流跟踪速度减慢和造成注入p m s m 定子电流含有睹波成分从而使其存在转 矩脉动的影响：同时发展高精度的速度及位背榆测器件和实现无传感器检测一 克服凶榆测误差对控制器调节性能的影响。 ( 3 ) 采用先进控制策略一提高控制器性能尤其是其智能水、和自适应能力 以克服包含驱动器、p m s m 及负载在内的“广义被控对象”的不确定性因素对系 统胜能造成的影目内和躲 系统以“硬什形式”存在的构成部件的“缺陷性”， i 问时采用先进的拧制系统实现方式( 如居rd s p 控制) 以从整体上提高系统的 “智能化、数字化”水甲。 1 4 本文研究的主要内容和结构安排 永磁电动机的转矩脉动抑制技术t 要包括永磁电机本休结构的优化殴计和 电机控制策略的改进两大类，本文t 要研究通过新型控制策略来抑制无刷直流 电动机的电磁转矩脉动。在分析p m s m 和b l i ) c m 的控制策略基甜l 卜，提出一种混 合控制策略，利用原有的六个离散位胃信号，舟一i 三导通控制策略的基础上， 融入矢量控制策略，使得电机在运行过稃中定r 的基波磁势与转f 磁势尽量保 持存9 0 序右，来实现近似币弦波r u 流驱动，可以存1 i 增加系统成本的基础上， 较好地抑制电磁转矩脉动。除了第拳的课题意义等内容外本文其余四章的 内容分别安排如下： 第一章主要阐述了永磁无刷直流f u 动机的运行原理，给出了电机的数学模 型，在此基础卜，利用m a t l a b s i m u 】in k 软件建晓了电机及控制系统的仿真模 璎，并n 搭建了整个系统的实验平台，并给出了仿真和实验波形。 第三学介绍基于7 公司的d s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 1 1 q a 的永磁直流无刷 乜机系统的 硬件设计，并对系统主电路、驱动模块、电流榆测、过压保护等作了详细的介 绍，对设计中容易出现的问题进行分机。 第旧章在介绍常规矢量控制的基础l ，捉了种混合控制策略的新方法： 利用雀尔他置传感器的六个位嚣信号，使得l l 乜机存运行过程中定子的基波磁势 与转了磁辨尽蹬保持在9 0 左右从f u 达到最入电磁转* 【! 及最小转矩脉动的目 的。并分析了这种控制策略在匀速、力减速情况f 的工作状态。 第血章在硅于日h 儿章分析的基础上，阐述了任t m s 3 2 0 f 2 4 0 1 q a 上实现本控 制算法的软件编程方法，爿：按照模块化的思想，把软件分成多个模块，并鼋点 介绢了系统启动、转速计算、转子位胃计算、s i n 0 和c o s o 的计算、s v p w 、1 输出 等儿个部分，并给山实验波形验证l r - i - j 行性。 第二章永磁无刷电动机控制策略分析建模与仿真 2 1 引言 永磁无刷豇流电机其有本体结卡句简单、掩制厅经、可靠性高、功率密度大 等优点，已经在许多工、止传动领域“得到心用，但是无刷自流电机存在转矩 脉动，不加以改善，很难实现高性能的位簧、速度控制。方波型无刷氲流电动 机是目前使用较多的一类无刷直流电机，这类电机一般具有梯形波的反电动势， 控制方法采用三柑六状忿1 2 0 0 导通方式，当反 u 动势波彤为具有1 2 0 0 电角平顶 宽度的理想梯形波时，为了产生恒定的电磁转川，要求控制器提供的电流必须 是 2 0 。电角的 里想方波，并且两者的相位必须严格对应。然而在实际虚用场合， 方面，电机的反电动势不可能设计成埋想的梯肜波另一方。丽山于电机绕组 电感的存在，f 色流的上升需要一定的时间，这些因素造成无刷随流i 乜动机换相 时产q 二很大的转矩脉动，迸而j ”生噪声、振动、速度波动等问题，进而影响电 机的实际使用吲此，必须采取一定的措施，改簿或消除换相转矩脉动，以便 拓宽办波犁无刷苴流电动机的应用范。本章将分析方波型无刷直流电动机控 制方式以及产生换相转矩脉动的原因，并给出实验的商流无删 乜流波形，为下 面对电机控制策略的改进做准备。 2 2 无刷电动机的数学模型 永磁直流无刷电动机运行时有两柑l 导通换村1 模式和i 相导通换相模式，d - q 轴下的电机数譬模型不太合适，这单将采用a b c 系卜的数学模型。本文所研究 的电桃定子绕组是三楣对称绕细，为简化分析，作以卜假设： 1 定f 绕组为6 0 0 相带绕组，鼬型连接： 2 忽略齿槽效应，绕组均匀分析，t j 光滑j f 的内衣叫： 3 忽略磁路饱和，1 ：计涡流和磁滞损耗； 不考虑也枢反应： 向，、学坝i 学位沦上 j 转子l 没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作厢。 山此可得定- j 二= i 桐电压平衡方程为： 阡悖 m n 工6 m m 式q ，；“。，h ，“，为定了二二相绕纠电n i r 。tr t r ，为定f 三4 目绕组i 1 l ，f ，为定子三相绕组的相i 乜流 。，厶，为定子三棚绕组的f - 1 感 洲+ | ；j ( 2 1 ) m ，m m h ，mb ? ，m m _ ? 为定- f - 。二，柑| ! ；皂f f i i l j 桶1 i 感 e a ，e b ，e c 为定子各柏绕t 1 1 f f j 反电势 对 二表丽d 5 装式的转予结构，忽略其凸极效应，即忽略气隙沿圆周的磁 阻变化，并且m x 设定子三相绕组对称，则定j ，二j j 日绕组的f 4 冰为同常数，三 相绕组m 的互感也为同常数，两者都与转f 位莆无关，即有： l 。= l 8 = l c = l s m 。 = m 。= m h = m h = m ，。= m m ：m r 。= r 、= r c = r 于是，式( 2 1 ) 可以改写为 阡降 问为定子一- h 绕组为星型连接，儿没囱- 。i i 线，则有 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 匕忆l d 一折 + 0 k l，l1jj o o r o r o t l _ -_tt_-_】j_j ，d “”， 。，l1jfj m m 0 m 、mt m 。，l d 一出 + 0 b 。l1j 0 o 心 o r o ( 2 - 6 ) 测此有：m i , + 慨= 一m i ，m i l , + m i = 一m i r l ，m i q + m i ，= 一m i b ，代入式 阡m | ； i h | ! i 1 t ， 式中l = l 。一m 。 t = ( 巳+ e h i h + e r i c ) c o ， ( 2 - 8 ) 其中m 。为电机的机械角速度。运行方程为 r m j = t i d c m o + b ( 2 9 ) l + ，：u 。为转r 的机械角速度；z 为负载转矩；j 为转子及负找的转动惯 量； 为阻尼系数。 由式( 2 6j 可得无刷直流i 乜动机的电路矧。结构如图2l 所示，图中为 直流母线电压，、为电机三相绕组中点三相f i = l 流和反电动势的i f 方向如图所 不。 v d 【，。j，j一一一 罔21 无刷直流i 电动机的电j i ! 拓扑结构斟 油j 、学坝l “学位论卫 2 3 理想反电势下的换向转矩脉动分析 采用二一i 相六状态1 2 0 。导墟方式控制时，何瞬州有陌个功率管导通，每隔 1 6 周期( 6 0 。电角) 换相一次，每次换棚个功牢管，不刖桥臂之n l j i i 左右换相， 每个功牢管导通l 邝j 刮期( 1 2 0 。电角) 。一个心i u 】内逆变器各个功率管的导通顺 序为瓦巧，一五，疋五，瓦t ，e t ，巧瓦。 在理想梯形波反电动势下，由- f - j 电感的存在，造成f 电流e 升下降需要一 定时| 白j ，从而引起换相转矩脉动”。以6 一l 区叫换相到i 一2 区问为例，换相前， 功率管瓦正导通，a 、b 两相绕组通电，当瓦关断，正丌通时，i 相绕组向卜- 续 流c 相绕组j 1 。通，a 相绕组继续导通，设功率管r 和l 分别进行p w m 斩波调制， | j j 根据图2i 町；出换相时刻三相绕组的电压j 严衔方程为 k 。 ， 2 一 ( 2 一j 0 ) 式中= 。一1 2 ) 为a 相绕组对真流母线中点( 参考地) 之间的端电压 s 为功率管i 的】w m 斩波控制7 r 关函数，当s = 1 表示五jr 通，a 十臼绕组接到母 线电压币端，s 。= 0 表示石关断，a 相绕封l 经续流二极管接触线电砸负端。 = ( s 。一1 2 ) 为c 相绕组别直流母线中t i 之间的端电k ，s 。为助率管疋的 p w m 斩波控制丌关函数，根据p w m 调制方式的小川，s 。和s ，a h 相同也可以不 同。整理后可得一t 相绕组乜流的状态方程为 以，+ 华 “f r ，l + e 监 ( 1 t r i 。l 堕 c l t = k b = k ， ( 2 1 1 ) ，_，_，-|_j 勺巳 l 十 1，j 0 ，l 1，j o o o l o o o ，。l d 一出 + 1j 0 i l 1，j o 0 尺 0 r o r o 0 ，l = i 淘j 、学协! i 化论上 一 其中k ，k 。，丘为简化疗程引入的变培，订 k 。2 ；k 。+ j lv 。一。；巳十；巳+ ；e e2 3 1v “+ ；k ，+ j 1v 。+ 三3 巳+ ；3 。一；3 j jj k ，= j 1v “一j 2v 。一；iv 。+ i 1 巳+ ；一；e ( 2 1 2 ) ( 2 一l ：j ) ( 2 1 4 ) 如粜控制器的p w m 调制频率很高，即载波周期远小于电机绕纽的电气时问 常数l r ，则，j 以忽略绕组电阻，此时一呵确化式( 2 1 1 ) 的j 个常微分方程， 解出一升日绕组电流为 i 。= k ，+ i m l i b2 kb + i ? = k ? 、， l 把式( 2 1 5 ) 代入式( 2 8 ) 可得换1 ：1 7 1 期i h j i 竹电磁转矩为 ( 2 一1 5 ) 驴去( k o e a + k a g + k o g ) + 盥警盟 ( 2 _ 1 6 ) 式中” ，为换相日0 三斗f f 绕组电流的稳态值，x , l 戍16 区f 1 换相到 卜2k m 应有。= ，。，= 一f ，。= 0 。式( 2 1 6 ) 的后f 项代表换十日i u 的电 磁转魁，如果把换相日f 各相电流的稳态值代入i 巾，可得换相i i 的f 乜磁转矩为 k = 墨! 生! ! 鱼盘! 三垦主! = 生! 垒二鱼! 由式( 2 16 ) 和( 2 1 7 ) 可得换相j | 4 | 日j 电磁转矩脉动为 l 。= _ _ 了t k 。e 。十kb c h + k ? e ? 1 q ，l ( 2 一1 7 ) ( 2 一1 8 ) 式可以看出，换相转矩脉动1 jf 巳机绕组参数，换相期帕j 二年1 【反电动势的 幻j 、学i 。学位论上 变化规律，电机的运行转速以及自流斜线电jj l 者i 囟- 关系，是 个复杂的非线性 函数。 参阅蚓2 1 所示的三相反