（电机与电器专业论文）铁路转辙机用无刷直流电动机控制技术研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s l x a c t a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e sc o n t r o lt e c h n o l o g yo fr a t ee a r t hp 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 r 饵l d c m ) i nr a i l w a ys w i t c h r a i l w a ys w i t c hi so n eo f i m p o r t a n tr a i l w a ye l e c t r i c a ls i g n a ld e v i c e s g e n e r a l l y , i ti su s e dt oc h a n g et h es w i t c h o f r a i l w a yt r a c k sa tc r o s s w a y sa n di n d i c a t et h es w i t c h sp o s i t i o n f i r s t , t h ed i s s e r t a t i o n s u m m a r i z e st h e p r o p e r t i e s ，d e v e l o p i n g s t a t ea n d a p p l i c a t i o nf i e l d so f b l d c m , t h e ni t sf u n d m e n t a ls t r u c t u r e ；o p e r a t i o np r i n c i p l ea n d c o n t r o ls t r a t e g yi sa l s op r e s e n t e d o nt h eb a s eo fr o u n d l ya n a l y z i n ga l lk i n d so ft h e d r i v em o t o ri ne l e c t r o m o l i o nt y p er a i l w a ys w i t c h , b l d c mi sp r o p o s e dt or e p l a c e t h ef o r m e r l yt r a d i t i o n a ld cm o t o ri nr a i l w a ys w i t c h s e c o n d ，t h ew h o l ed e s i g n s c h e m ea n dk e y t e c h n o l o g yo f c o n t r o ls y s t e mi sp u tf o r w a r db a s e do na n a l y s eo f t h e t e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dr e q u i r e m e n t s t h e nt h ew h o l es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e di n d e t a i la c c o r d i n gt of i v ec i r c u i tf u n c t i o nm o d u l e sr e s p e c t i v e l y ：m a i np o w e ra n dd r i v e c i r c u i t , p w ma n dl o g i cs y n t h e s i z ec i r c u i t , f o r w a r d & r e v e r s ea u t or e c o g n i z ec i r c u i t , h i g h - f t e q u e n c yd c d cs w i t c h i n g - m o d ep o w e rs u p p l ya n dp r o t e c t i o na g a i n s t l i g h m i n gs t r i k eo fs y s t e m f i n a l l y , ap r o t o t y p ei n s t r u m e n ti sd e v e l o p e d ，t h e e x p e r i m e n t so fs w i t c h i n g - m o d ep o w e rs u p # ya n db l d c m a r ea c c o m p l i s h e da n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n di t sa n a l y s i sa r ea l s op r e s e n t e d i tc 锄b es e e nf t o me x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h a tt h ec o n t r o ls y s t e mr e a c h e sa l lt h e q u a l i t i e sr e q u i r e db yt h er a i l w a yp o i n ts w i t c h t h em o t o rs t a r t sf a s ta n do p e r a t i n g w e l li nf o r w a r da n dr e v e r s ew o r k i n gc o n d i t i o n , a tt h es a t n et i m e , i th a sh i g h e r e f f i c i e n c ya n dh a sm o r ep o w e r f u lp r o t e c t i o n sa g a i n s te l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r ea n d l i g h t n i n gs t r i k e t h et e c h n o l o g yi su s e dn o to n l yi nt h er a i l w a ys w i t c hb u ta l s oc a n b eu s e di no t h e rd r i v ec o n t r o le q u i p m e n t sa n dh a se x t e n s i v ep r o s p e c t r a i l w a ys w i t c h , b l d c m , s w i t c h i n g - m o d ep o w e rs u p p l y , a g a i n s t l i g h t n i n g - s n 设e 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 黧篡瓮蕉毡艚名：拗i 7学僦文储虢缝挝，艚教师虢趔y 砷年多月洳c 哕年岁月万日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的 学位论文作者签名： 渺- 7 年乡月巧日 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 本章主要介绍了课题的研究背景、意义，说明了系统所采用的无刷直流电动 机的概况，给出了系统的技术指标及要求，并对主要研究的内容进行了概括 1 1 选题背景及意义 从1 8 7 6 年出现在我国大陆上的第一条铁路一吴淞铁路算起，铁路在我国 已有1 0 0 多年的历史f j 】。在推进社会进步和经济发展的过程中，铁路一直扮演着 重要的角色，尤其在未来铁路向着高速、重载的方向发展过程中，其在国民经济 建设中的作用将无可替代。 铁路转辙机是铁路系统中一种重要的电气信号设备，它对提高铁路运输效率 和保证火车行车安全起着至关重要的作用。目前，它主要有三种类型：电动式、 电液式和电空式。其中电动式应用最多，它是以电动机为动力，经减速器变速后 改变铁轨开通方向，当尖轨与基本轨密贴时，能够将道岔锁闭在规定位置，并能 反映道岔位置状态，它具有转换、锁闭和表示道岔位置三种功能。采用电动转辙 机的优点是道岔转换时间短、安全度高，并且便于实现自动控制和远程控制。随 着我国铁路运输量的日益增长，列车通过道岔的速度不断提高，密度不断加大， 道岔转换设备的任何故障，都将影响铁路运输的正常秩序，给生命财产带来严重 损失；加之开通了重载列车和采用了重型钢轨道岔，使得道岔转换设备的工作状 况发生了显著变化，转辙机由小功率逐渐向大功率发展，并且产品已经形成系列 化。根据电动转辙机所使用的电动机类型，它可分为直流电动转辙机和交流电动 转辙机，在我国直流电动转辙机主要有z d 6 、z d 7 以及z d 8 等系列，交流电动 转辙机主要有采用德国西门子技术的s 7 0 0 k 系列 我国自上世纪6 0 年代开始自行研制转辙机，其发展大致可归纳为两个阶段 嘲：从1 9 6 0 年代研制信集闭开始至1 9 8 0 年代为一个阶段，一直围绕开发使用交 流电动机驱动的转辙机，主要代表产品有天津生产的x z d y - 4 型和韶关生产的 d k 2 2 型交流电动转辙机；从1 9 8 0 年代开始，研制开发了直流电动机驱动的转 辙机，主要产品有西安铁路信号厂研制开发的z d z - 1 0 0 1 5 0 型。 欧美和日本在铁路转辙机的研究方面一直领先于我国，研究方向最近着重以 提高其功能和降低寿命周期成本为目标，开发改进型及新式的转辙装置。在锁闭 方式上多采用直接锁闭式；转换方式多用球形螺旋式；为改善轨道维修，国外新 研制了枕木一体化的转辙装置；在实现转辙机小型化、轻量化方面，采用了多种 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 措施，如壳体采用铝铸件；转换控制采用软件实现，取消离合器；使用交流伺服 电动机等嘲 据有关资料统计：建国以来，我国铁路系统中重大、大事故有5 0 以上是 发生在道岔转换设备上。因此，对转辙机的可靠性提出了更高的要求，而电动机 又是电动转辙机的关键部件，其重要性就不言而喻了。当前，我国铁路转辙机驱 动电机普遍采用串激式直流有刷电动机，这种电机利用电刷和换向器进行机械换 向，其结构复杂，并受电炭材料的限制，电刷容易磨损，电机可靠性低、维护性 差、寿命短，极不适应现代化铁路高速运营的要求。因此研制一种故障率小、可 维护性好、寿命周期长的电机对现有电机进行替代已经势在必行、刻不容缓，本 课题就是在这样一种背景下被提出来的。为了彻底解决这一问题，采用稀土永磁 无刷直流电机替换现有的串激式直流有刷电机。稀土永磁( r a r ee a r t hp e r m a n e n t m a g n e t , r e p m ) 无刷直流电机( b r u s h l e s sd cm o t o r , b l d c m ) 是目前具有新原理、 新工艺、新方法的新型电机，它是一种机电一体化的产品，国内外对它的研究已 较成熟，并已应用在航空航天、家用电器、工业传动等领域，但有关它在铁路转 辙机方面应用的资料很少，许多技术还在研究当中，并且控制器由电子元件构成， 是系统的薄弱环节，所以其研究与开发具有重要的工程实际意义。 可以预见，本课题的开展对于提高转辙机的可靠性、方便日常维护、提高铁 路信号设备的无故障工作时间，促进铁路提速工作的顺利进行、保证铁路的安全 运行等方面也具有重要的社会意义。 1 2 铁路转辙机驱动电机的现状 电动机是电动转辙机的关键部件。最早的铁路电动转辙机使用的是三相交流 异步电机，配电复杂且采用继电控制，直接按照强电进行通断，因而电机电流冲 击大、线路损耗大、功率因数低，造成电力浪费；特别在转辙机出现堵转时，容 易造成电机绕组烧坏，不仅增加了材料成本，而且维护困难。 目前，转辙机驱动电机大多数采用直流串激电动机。众所周知，直流电动机 具有运行效率高和调速性能好等优点，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、火花、无线电干扰、寿命 短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，已严重影响到它的使用和 推广；如现在还大量使用的z d 6 型直流电机，其绝缘性能差，功率小，电枢绕 组在反复作用下容易断线、短路睁1 ；还存在需要定期清扫炭粉、定期更换炭刷等 缺陷，只能依靠信号工在现场经常开盖检查维护，不仅浪费大量的人力、财力， 而且影响行车安全。 2 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 - 1 给出了交流异步电机、有刷直流电机和无刷直流电机各项性能的比较。 从表中可以看出，无刷直流电机有明显的优势，它采用电子换向代替电刷机械换 向，既有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优点。 表卜1 三种电机系统综合性能比较啊 拦 机械过载可控电磁维护 寿命体积效率成本 电心 特性能力性 干扰 性 交流异步电机 软小难小 易 长大低低 有刷直流电机硬大易严重难短较小高较高 无刷直流电机硬大 易小 易 长小 高较高 1 3 无刷直流电机的发展概括 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，其主要类型有：同步电动机、异步电动机和直流电动机三 种。其中，直流电动机自十九世纪四十年代出现以来，在相当长的一段时间里， 以其运行效率高和调速性能好等诸多优点在运动控制领域中占据主导地位。但由 于它采用机械方式进行换向，存在机械摩擦，并由此带来了噪声、火花、无线电 干扰以及寿命短等致命缺点，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。 1 3 1 无刷直流电动机的发展历史 针对传统直流电动机的这些弊端，早在2 0 世纪3 0 年代，就有人开始研制以 电子换向来代替电刷机械换向的无刷直流电动机，但由于当时没有理想的用于电 子换向的功率元器件，使得这种电动机只停留在实验研究阶段，无法推广使用。 直到1 9 5 5 年，美国的d h a r r i s o n 等人首次申请了通过晶闸管换相电路代替有刷 直流电动机机械式电刷结构的专利，现代无刷直流电动机方具雏形【4 】。1 9 6 2 年， 借助于霍尔元件来实现换相的无刷直流电动机终于出现了，但其真正进入实用阶 段是从1 9 7 8 年开始，当时原西德m a n n c s m a m l 公司i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易 博览会上，正式推出m a c 方波无刷直流电动机及其驱动器，标志着方波无刷直 流电动机技术进入实用阶段尤其是1 9 8 6 年h r b o l t o n 在一篇论文中对方波无 3 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 刷直流电动机进行了较为系统的研究和总结，成为方波无刷直流电动机的经典文 献，它标志着方波无刷直流电动机在理论上达到成熟。 1 3 2 无刷直流电动机的国内外研究状况 无刷直流电动机是由一台永磁同步电动机本体，一套电子换向开关电路和一 套转子位置传感器所组成，通常采用永磁体转子，没有励磁损耗；发热的电枢绕 组又通常装在外面的定子上，热阻小、散热容易。因此，无刷直流电动机无换向 火花、电磁噪声小，并且具有体积小、重量轻、维护方便以及高效节能等一系列 优点。 无刷直流电动机的发展在很大程度上依赖于永磁材料、功率电子器件和控制 技术的发展。在永磁材料方面，继2 0 世纪5 0 年代出现铁氧体永磁材料之后，1 9 6 7 年美国道尔顿的i c j s u t i a t 教授发现了第一代稀土永磁r c o 。( 磁能积约为 1 9 9 4 驯坍3 ) ，1 9 7 3 年又出现了第二代稀土永磁足c o 。( 磁能积约为 2 5 8 6 j m 3 ) ，在1 9 8 3 年美国匹兹堡举行的国际磁性材料会议上，日本人佐川 真人首次发表了钕铁硼( n d f e b ) 永磁体的开发状况，其( 明) 。取得了惊人的提高， 达到了2 8 0 k j m 3 【8 】。现在n d f e b 磁体的( 船) 。已高达4 6 0 k y m 3 ，比过去最 早磁钢的磁能积提高了上百倍，这些新型永磁材料具有高剩磁密度、高矫顽力以 及高磁能积等优异磁性能，使永磁电机达到了电励磁电机难以达到的高性能。 电力电予器件是无刷直流电机的关键部件，电力电子器件是否可靠工作、是 否易于控制直接关系到无刷直流电动机的性能和成本。近年来，电力电子器件已 由最初的可控硅、功率晶体管发展到m o s f e t 、i g b t 以及m c t 等，不断向着 高频化、易于控制的方向发展，如可控硅和晶体管属于电流型控制器件，门极控 制电路复杂，而m 0 s f e t 、i g b t 和m c t 属于电压控制型器件，大大简化了控 制电路d 2 。另外，驱动电路也从原来的分立器件向集成芯片方向发展，简化了功 率电路的设计和调试工作，如m 公司生产的i r 2 1 3 0 、i r 2 1 3 6 等一系列控制芯片， 集成了前级驱动、过流保护等电路，使得控制电路更为简洁可靠。近年来出现的 智能功率模块( 毋m ) 成为功率器件的热点之一，它集功率开关管、驱动控制、 自我保护等功能于一体，是高度集成化产品，这些器件使得用于电子换向的逆变 器成本进一步降低，并实现了小型化，从而使无刷直流电机的整体性能也得到提 升。 随着微电子技术的迅速发展，各种高性能微处理器的不断推出，b l d c m 的 控制技术也由传统的模拟技术转向微处理器控制的数字技术。数字技术不但使系 统获得高精度、高可靠性，还为新型控制理论( 如矢量控制、直接转矩控制、参 4 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 数自适应控制和滑模变结构控制等) 的应用提供了物质基础【l 印。特别是适用于实 时控制的工业单片机和高速数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , d s p ) 的应 用，大大简化了系统结构，提高了系统性能和设计的灵活性。 目前，无刷直流电动机的发展已经与电力电子器件、专用集成电路、稀土永 磁材料、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合，使b l d c m 的优势得到了更 大的发挥，在各行各业的应用也日益普及。据资料分析，无刷直流电动机的应用 以每年大约1 5 的比例在增长。国际上有电机专家断言：2 1 世纪将是永磁无刷 直流电动机广泛推广应用的世纪，特别是在小型电动机领域，方波无刷直流电动 机将占据主导地位刚。 1 3 3 无刷直流电动机的应用前景 今后，随着永磁材料的性能不断提高及其制造成本价格的不断下降、电力电 子技术日新月异的发展，永磁无刷直流电动机将获得更加广泛的应用，它的功率 覆盖范围早已突破微电机功率界限，从毫瓦级到数千瓦，其主要应用领域概括为 以下几个方面： 在精密电子设备中的应用 由于大多数的电子设备中的电子线路均由直流电源供电，而且要求电机具有 调速、稳定、定位控制等特性。因此，当前大多数精密设备中均采用无刷直流电 机进行驱动控制。例如计算机的硬盘、软盘驱动，c d - r o m 和d v d - r o m 等光 盘驱动，激光打印机棱镜驱动，医用高速牙钻驱动，卫星上的太阳能帆板驱动等 等 在工业自动化控制中的应用 无刷直流电机作为高性能的直流伺服系统，在工业自动化领域的运动控制中 扮演一个十分重要的角色。其中应用得最多的应数高档数控加工设备，已有取代 传统结构的直流和交流电机的趋势。在军工如火炮、雷达等军备控制，工业用机 器人和机械手的驱动中，无刷直流电动机的应用也相当广泛。另外在一些工业加 工设备上也开始推广应用，如工业缝纫机、印刷机械、冶金包装、食品加工机器 等。 在汽车和电动车辆中的应用 现代的汽车的自动化程度越来越高，据美国市场调查分析，在每辆豪华轿车 中，需永磁电动机5 0 多个，一般轿车中也需2 0 3 0 只；电动车作为无污染的未 来交通工具，受到各国工业界的普遍重视。作为电动车动力来源的电机驱动系统 是电动车的核心部分，要求其减小空间和提高出力，要消除火花干扰，降低噪音， 5 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 延长寿命，便于集中控制，这正是无刷直流电动机的特长。 目前，以无刷直流电机为驱动系统的电动车辆的开发，小至电动自行车、电 动摩托车，大至客车以及载重卡车、货车。预计今后的若干年将是以无刷直流电 机驱动的电动车辆的年代。 在医疗设备领域的应用 例如，牙科手术用高速钻、打磨手机，医用电动床、电动座椅、红外激光调 制器用热像仪、测温仪器中都采用永磁无刷直流电动机。国外已有用于人工心脏 驱动的小型无刷血泵，可植入人体内。 在家用电器方面的应用 近年来，人们对生活质量的要求越来越高，许多有高科技含量的家用电器不 断涌现，这就给直流无刷电动机的应用提供了更好的机会。由于这种电机具有十 分宽的调速范围，而且噪声低、效率高，故一经问世，便受到家用电器工业设计 者的青睐，被广泛用于空调器、冰箱、洗衣机等，大大提高了这些家电产品的自 动化程度，如室温自动调温的空调器，可选择衣物种类的洗衣机，根据冷藏物情 况自动选择冷冻温度的电冰箱等。 1 4 论文的研究内容及要求 1 4 1 系统要求及技术指标 铁路转辙机驱动电机使用环境恶劣，长期置于野外，因而有许多性能要求， 如可靠性高、可维护性强、防水、防潮、防盐雾等，并可有效地工作在高温、低 温和污浊空气等环境下。 1 ) 本系统主要性能指标如下： 系统供电电源：1 6 0 v d c ( 1 3 0 2 2 0 v d c ) ；波形：全波整流( 脉动直流) 电机额定功率：1 7 0 w 额定电流：1 9 5 a 额定转矩：2 6 n m 额定转速：7 0 0 r m i n 电机工作制：短时工作9 秒 正反转方法：通过改变直流电源正极接线，电机能可靠正、反转。 2 ) 控制器技术要求： 安装方式：内装式，即控制器安装在电机端部的壳体内； 输入电源指令：三根线( 正转、反转和公共端) ； 6 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 电机接线方式：三相y 型绕组； 保护功能：包括短路、过载及过流保护；控制器保护后，应能输出故障 信号( 除非系统断电) ；具有防“雷击”和抗电磁干扰。 1 4 2 主要研究内容 无刷直流电动机一般包括电机本体、转子位置传感器和控制器三部分。论文 旨在研制铁路转辙机用无刷直流电机控制器，由于铁路转辙机的工作特性是短时 工作( 一次变轨工作时间小于9 秒) ，而且不需要调速，故采用开环控制、纯硬件 设计主电路采用三相逆变桥，导通方式为两相导通，从转子位置传感器给出的 信号与两路p w m 驱动信号、正反转信号以及过流检测信号在逻辑器件中合成 后输出六路驱动信号，决定电机电枢绕组的电流通断，从而达到电子换向的目的。 基于以上分析，本课题要完成以下工作内容： 1 1 控制策略及控制电路的选择 虽然本电机工作在1 6 0 v 或更高的直流电压下，但仍可以采用通常的p w m 斩波进行调压调速，实现恒转矩控制；控制电路采用模拟电路和集成芯片相结合 的方法，以达到电路结构简单、体积小、可靠性高。由于电机起动瞬间直接加的 高压直流电，为了避免起动时的大电流冲击，降低功率器件的电流实际使用值， 需要进行软起动技术的研究。 2 1 控制器的可靠工作研究 由于铁路系统对于信号产品的可靠性要求很高，因此，需要对控制器的过流、 短路保护，强、弱电信号的隔离，可能产生干扰而导致保护误动作的因素，以及 抗电磁干扰等进行研究。 3 ) 宽输入范围、多路输出辅助电源的设计 本系统供电是1 6 0 v 的高压脉动直流，且输入电压变化范围较大，另外，从 控制器的体积、重量考虑，辅助电源电路应尽可能结构简单、工作可靠。 开关电源是一种高效节能电源，其功率器件工作在高频开关状态，减小了损 耗，从而提高了效率；其次，利用体积较小的高频变压器实现与电网的隔离，实 现了电源的体积小、重量轻；辅助电源是控制器设计的较关键的部分，因此，多 路输出、高频隔离d c d c 开关电源的研究也很重要。 钔电机转向自动识别技术 系统进线是三根线：正转f f o r + ) 、反转6 t e v + ) 和公共端( c o m ) 。正常工作 时，只接f o r + 或r e v + 与c o m 两根线，这时，电机应能识别出接入的是其中 的哪根线，并进行相应动作；当出现错误接线，将两根线接在了f o r + 和r e v + 7 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 上时，系统应能进行保护。 5 ) 系统防雷设计 本系统要进行防雷设计的原因有以下几点：转辙机长期放置于野外工作， 更甚的是有些安装在雷电多发区；本系统控制器属于电子设备，所以遭受雷击 的可能性很大；铁路系统对信号设备的防雷要求很严格。所以，系统防雷击技 术研究也是一项重要内容。 8 西北工业大学硕士学位论文第2 章控制系统原理及方案确定 第2 章控制系统原理及方案确定 本章介绍了无刷直流电动机控制系统基本组成及工作原理，给出了基本公式 和运行特性根据公式，分析了无刷直流电机的调速原理和控制方法，结合控制 器的技术性能指标要求，确定了课题的难点和关键技术，给出了控制系统的设计 方案和控制策略 2 1 无刷直流电动机的分析 本文目的是要为铁路转辙机的核心功能设备无刷直流驱动电机设计高 性能的控制系统。相对于普通直流电机，无刷直流电机具有更优越的性能。三相 永磁无刷直流电机由具有三相对称绕组的定子和材料为永磁体的转子组成，根据 其反电势波形的不同，可以分为两种：反电势为梯形波的无刷直流电机f b l d c m ) 和反电势为正弦波的永磁同步电机( p m s m ) 。无刷直流电机一般采用两相导通规 律，即根据转子位置传感器输出的三个位置信号决定三相定子电压的导通和关 断，使流过定子绕组的电流波形为方波；为了减少转矩脉动，永磁同步电机则采 用三相导通规律，即根据转子的当前位置决定三相定子电压的导通和关断，输出 正弦波电流。由于无刷直流电机方波控制较为简单，且在有效材料利用相同情况 下，出力较大，同时具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、调速性能好、 免维护等优点。因此，本系统选用无刷直流电机作为驱动电机。 2 1 1 系统构成 直流无刷电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组 成，其系统构成如图2 1 所示 4 1 。 图2 1 无刷直流电动机系统构成框图 电动机本体包括定子和转子两部分，定子绕组一般为多相( 三相、四相、五 相不等) ，各绕组分别与外部电子开关线路相连，主逆变电路中的功率开关管受 转子位置传感器信号控制；转子由永久磁钢按照一定极对数( w 1 2 一) 组成， 9 西北工业大学硕士学位论文 第2 章控制系统原理及方案确定 按照其结构分两种：一种是将瓦片状的永磁体贴在转子外表面上，称为凸极式； 另一种是将永磁体嵌入到转子铁芯中，称为嵌入式。为了能产生梯形波感应电动 势，无刷直流电动机的转子磁钢的形状呈弧形( 瓦片型) ，磁极下定子气隙均匀， 气隙磁场呈梯形分布。无刷直流电动机的工作离不开电子开关电路，直流电源通 过主功率逆变电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位 置，然后，控制电路根据转子的位置信号来决定开关管的导通和截止，从而自动 的控制哪相绕组何时通电，哪相绕组何时断电，实现电子换向。 2 1 2 基本工作原理 一般永磁直流电动机的定予由永久磁铜组成，其主要作用是在电动机气隙磁 场中产生磁场，其转子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过程中始终保持相互垂直，从而产生最 大转矩驱动电机不停的运转。无刷直流电动机为了实现无刷换向，首先，要求把 一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与传统直流 永磁电动机的结构正好相反；其次，由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关 电路共同组成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中由定子绕组产生的 跳变磁场和转子磁钢产生的连续磁场，在空间中始终保持在9 0 0 ( 3 0 0 ) 的电角度 范围，从而产生转矩推动转子旋转。 无刷直流电动机按驱动方式可以分为：半桥驱动和全桥驱动；按绕组接法又 可分为：星形连接和三角形连接。不同的绕组接法和驱动方式的选择将会使电动 机产生不同的性能并且成本也不同，主要从以下三个方面进行分析 2 6 1 ： ( 1 ) 绕组利用率 无刷直流电动机的绕组是断续通电的，适当地提高绕组利用率将可使同时通 电的导体数增加，使电阻下降，效率提高。从这个角度看，三相比四相好，四相 比五相好，全桥比半桥好。 ( 2 ) 转矩脉动 无刷直流电动机的输出转矩脉动比普通直流电机大，一般相数越多，转矩脉 动越小，全桥驱动比半桥驱动转矩脉动小。 ( 3 ) 电路成本 相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高。因此，全桥驱动比半 桥驱动成本要高。 综合以上分析，三相无刷直流电动机采用星形连接全桥驱动方式性能最好， 应用也最多，本系统就选择这种控制方式。下面以两相导通星形三相六状态无刷 直流电动机控制系统为例，说明其工作原理【3 】【9 】i 瑚。 1 0 西北工业大学硕士学位论文第2 章控制系统原理及方案确定 图2 - 2 为二相导通星形三相六状态无刷直流电动机控制系统原理框图，主控 单元对转子位置传感器检测的转子位置反馈信号，与外部给定的速度信号进行逻 辑综合后产生控制信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管t 1 t 6 的 门( 栅) 极，从而控制电动机各相绕组按一定顺序导通工作，在电动机气隙中产 生跳跃式旋转磁场，从而使无刷直流电动机按照一定的方向旋转。 主功率逆变电路 图2 - 2 无刷直流电动机控制系统原理框图 图2 3 为一对极的无刷直流电动机工作时的定转子示意图。当转子永磁体位 于图2 3 ( a ) 的位置时，根据转子位置传感器敏感到的磁极位置信号，经过控制 电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管t 1 、t 6 导通，即绕组a 、b 通电， 电流方向a 进b 出，电枢绕组在空间的合成磁势只，此时定转子磁场相互作用 拖动转子顺时针方向转动，电流流通路径为：电源正极专t l 管专a 相绕组专b 相绕组_ t 6 管专电源负极。当转子转过6 0 0 电角度，到达图2 3 ( b ) 所示位置 时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管t 6 截止，t 2 导通，此时t 1 仍导通，绕组a 、c 通电，电流方向a 进c 出，电枢绕组在空间合成磁场如图 2 3 ( b ) 中e 此时定转子相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路 径为：电源正极斗t 1 管一a 相绕组一c 相绕组_ t 2 管专电源负极，依此类推。 当转子继续沿顺时针每转过6 0 0 电角度时，功率开关管的导通逻辑为1 3t 2 专t 4 t 3 一t 5t 4 一t 5t 6 _ t lt 6 ，即转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并 沿顺时针方向连续转动。同理，由此不难推出电动机转子磁场沿逆时针方向连续 转动时各功率开关管的导通逻辑为t 1t 6 哼t 5t 6 _ t 5t 4 专t 3t 4 一t 3i 2 哼 t 1t 2 t 1t 6 。 在图2 3 ( a ) 到( b ) 的6 0 0 电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而 西北工业大学硕士学位论文 第2 章控制系统原理及方案确定 定子合成磁场在空间保持图2 3 ( a ) 中只的位置不动，只有当转子磁场转过6 0 0 电角度到达图2 - 3 ( b ) 中乃的位置时，定子合成磁势才从图2 - 3c a ) 中只位置 顺时针跃变至( b ) 中的只的位置。可见定子合成磁场在空问不是连续旋转的磁 场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是6 0 0 电角度，步进的机械角与电机 的极对数有关。 a a 0o ( a )( b ) 图2 - 3 无刷直流电动机工作原理示意图 两相导通星形三相六状态无刷直流电动机的三相绕组相电压、【、【，c 与 开关管t 1 t 6 导通顺序的关系如图2 - 4 所示。 电角度 h a h b h c 【，_ ( ，j ( ，c r l r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 图2 - 4b l d c m 各绕组与开关管导通关系图 由上图可以看出，转予每转过6 0 。电角度，逆变器开关管之间就进行一次换 流，电机绕组就进行一次换相，定子磁状态就随之改变一次。因此，电机共有六 1 2 西北工业大学硕士学位论文 第2 章控制系统原理及方案确定 个磁状态，每一状态都有两相绕组导通，每相绕组中流过电流的时间相当于转子 转过1 2 0 0 电角度的时间，每个开关管的导通角为1 2 0 0 ，故该逆变器为1 2 0 。导通 型。 2 1 3 基本公式和运行特性 无刷直流电动机转子材料大多采用稀土永磁材料，如钐钴合金和钕铁硼合金 等。转子磁钢采用瓦型结构，经过特殊磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁场。 定子采用集中整距绕组，由逆变器供给方波电流。其一相绕组感应的反电动势与 供电电流之间的关系如图2 5 所示f 3 1 商岩。 詈竺、1 j 图2 - 5 方波b l d c m 感应电动势及供电电流波形 无刷直流电动机的反电势为梯形波，含有较多的高次谐波，并且电动机的电 感为非线性，故d - q 坐标变换理论已不适用于其数学模型的建立，因为d - q 坐标 变换适用于气隙磁场为正弦分布的电动机。若将电感表示为级数形式并采用多参 考坐标理论，也可以进行这种坐标变换，但运算起来相当繁琐，如果仅取其基波 进行变换，计算结果又误差较大。为了便于定性分析，在对无刷直流电机的基本 方程和数学模型建立之前，进行如下条件的基本假设： 定子绕组为三相y 型接法，三相绕组完全一致对称； 三相感应电动势波形完全一致，并且半波对称； 三相定子绕组的电阻和电感相同； 转子磁钢磁性能一致； 工作过程中磁路不饱和，不计涡流损耗和磁滞损耗，不考虑电枢反应。 以下给出两相导通星型三相六状态的b l d c m 的几个重要特性方程。由于电 动机换相时间很短，换相时电枢绕组电感上的电压降可忽略不计，因而稳态运行 时不考虑电感的影响。 ( 1 ) 电枢绕组感应电势 竹 e = 2 e , = 羔乃以栉= c 旃玎( v ) ( 2 - 1 ) 西北工业大学硕士学位论文第2 章控制系统原理及方案确定 式中：q = 去当乃电势常数； p 极对数5 计算极弧系数； 电枢绕组每相串联匝数； 万电动机转速( d m i n ) ； 九每极方波气隙磁通。 ( 2 ) 电枢电流 在每个导通时间内有以下的电压平衡方程： u 一2 a u = e 十2 l ( 2 - 2 ) 式中：u 电源电压； u 开关管的饱和压降； l 相绕组电流； 相绕组电阻。 故电枢电流 i a ：u - 2 _ a u 一- e ( 4 ) ( 2 - 3 ) 二，4 ( 3 ) 电磁转矩 在任意时刻，电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场与转子永磁场相互作用 而产生： 乙= 警= 鲁( 胁) ( 2 - 4 ) 式中：q = 等电动机角速度。 将式( 2 - 1 ) 代入式( 2 - 4 ) ，则有： r - - w 4 1 0 f y - , o s l o = c r o s l ( m ) ( 2 - 5 ) 式中：c r = 兰转矩常数， ，c ( 4 ) 转速 将( 2 - 1 ) 代入式( 2 - 2 ) 得： ( 2 6 ) 警 西北工业大学硕士学位论文第2 章控制系统原理及方案确定 至载转运为： 铲筹= 互u - 2 蕊a u - 7 5 吒鬲u - 2 a u ( ，m i n ) 2 百2 甄。7 5 吒鬲叫圳 陋d ( 5 ) 机械特性 由式( 2 - 6 ) 可得到稀土永磁无刷直流电动机的机械特性为： 胪署一缶1 l = 筹一去乙c 恤， 珂= 一一二= 一一_ = = _ l l ，m l n ji j 5 ， e o je 西j 4 e ；c c r 西；“ 。 、7 可见，无刷直流电动机的机械特性与有刷直流电动机的机械特性表达式相 同，机械特性较硬。在不同的供电电压驱动下，可得到如图2 - 6 ( a ) 所示的机械特 性曲线簇，其中n o l 、n 。、n 。为空载转速，n - - f 1 式( 2 7 ) 求出；、乃：、乙，为 对应的堵转转矩，表达式为厕： 乙= l = c r 半。一) 式中 l 堵转电流( a ) 图中低速大转矩时产生的弯曲现象，是由于此时流过开关管的电流较大， 管压降a u 增加较快，使电机电枢绕组上的电压下降，转速进一步降低，机械特 性下弯。 ( 8 ) 改变电枢电压时的机械特性曲线( b ) 调节特性一= ，( i = c 图2 - 6 无刷直流电机的运行特性 ( 6 ) 调节特性 图2 - 6 c 0 ) 所示为无刷直流电动机的调节特性。根据式( 2 - 3 ) 、( 2 - 5 ) 和式( 2 - 6 ) 可 分别求得调节特性的始动电压砜和斜率k 为： 西北工业大学硕士学位论文第2 章控制系统原理及方案确定 u o = 2 g r o 西t “j + 2 u 置：1 _ e 西j ( 7 ) 工作特性 电枢电流与输出转矩的关系、电机效率与输 出转矩的关系如图2 7 所示。 从效率特性可以看出，稀土永磁无刷电机 的高效率段较宽，当输出转矩正在一定范围变 化时，仍可得到较高效率。主要原因在于这类 电机的主磁通受电枢反应的影响较小，故当电 动机负载增加时，其电枢电流的增加相对较 小，最高效率点下降较倒3 1 。 ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 2 2 无刷直流电动机的调速原理与控制方法 2 2 18 1 d g m 的调速方法 如果忽略开关管导通时的饱和压降，由式( 2 呦可得直流无刷电机的转速公式 为： n ：u 了- 2 - 1 a t o ( d r a i n ) ( z - 1 2 ) c o 。 从式( 2 1 2 ) 可知，b l d c m 转速，l 的控制方法可以分为三种1 0 】： ( 1 ) 改变电枢回路电阻，d 改变电枢回路电阻调速一般是在电枢回路中串接附加电阻。虽然该方法要求 的设备简单，设计安装方便，但电动机的机械特性软，稳定性差，效率低，调速 范围窄，只能进行有级调速。 ( 2 ) 改变励磁磁通的调速 可以调节电机的超前触发角，实现等效的弱磁调速。但只能减弱磁通，使电 动机从额定转速向上变速，属恒功率调速范畴。采用弱磁调速，在电机高速运转 时电枢电流去磁作用增大，使转速特性交得不稳定。这种方法动态响应较慢，虽 能无级平滑调速，但调速范围小。 ( 3 ) 调节加在电枢两端的电源电压u 改变电枢电压是从额定电压往下降低电压，使电动机从额定转速向下变速， 1 6 西北工业大学硕士学位论文 第2 章控制系统原理及方案确定 只是改变了空载转速刀。，而转速降不受影响，即机械特性的硬度不变，属恒转 矩调速方法。其特点是动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统。 改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用；弱磁调速范围不大，往 往与调压调速配合使用；因此，无级调速系统一般以调压调速为主。调压调速有 三种方法：旋转变流机组、静止变流装置、p w m ( 脉宽调制) 变换器。 旋转变流机组 旋转变流机组用交流电动机拖动直流发电机g 实现交一直变换，直流发电 机g 再给需要调速的直流电动机m 供电。调节发电机的励磁电流可改变其输出 电压，从而调节直流电动机的转速。这样的调速系统简称g - m 系统，国际上统 称w a r d - l e o n a r d 系统。这是最早的调压调速系统。为了供给直流发电机和电动 机励磁电流，通常专门设置一台直流励磁发电机g e ，g - m 系统具有很好的调速 性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行时噪音大、维护不方便。 晶闸管变流装置 采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称v - m 系统，其调速性能、可 靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。但其四象限可逆 运行电路复杂、功率因数低、输出电压脉动大、电流断续时电机存在机械特性软 的缺点。 p w m ( 脉宽调制) 装置 通过开关管的通断将直流电源进行p w m 斩波，从而改变加在电枢两端的电 压平均值，以调节电动机的转速。在直流调速系统中采用p w m 调速方法具有较 大的优越性：使主电路简单，导通损耗小；开关频率高，电流容易连续，谐 波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；系 统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强、效率高。 综合体积、效率和成本等的考虑，决定采用p w m 调速方式。 2 2 2p 删调速原理 图2 8 是利用开关管对无刷直流电动机进行p w m 调速控制的原理示意图和 驱动及输出电压波形。 在图2 - 8 ( a ) 中，当开关管m o s f e t 的栅极输入高电平时，开关管导通，电 枢绕组两端加载电源电压( ，。t ，秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电 枢两端的电压为0 。t 2 秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管重复以前的动作， 如此反复。这