（电机与电器专业论文）双转式永磁无刷直流电动机的仿真研究与控制.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t m c t a b s t r a c t t h ea v a i l a b i l i t yo fh i g hp e r f o r m a n c em a g n e t s ，l i k es a r a a r i u mc o b a l ta n d n e o d y m i u m - b o r o n - i r o n ，h a sm a d e i tp o s s i b l et oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fb r u s h l e s s d cm o t o r s s i g n i f i c a n t l yd e s i g ne n g i n e e r sn o ws e l e c t i n gp m b l d cm o t o r so v e r c o n v e n t i o n a ld co ri n d u c t i o nm o t o rd r i v e sf o rt h ef o l l o w i n gr e a s o n s ：1 ) t h ea b s e n c e o fb r u s h e sr e s u l t si na ne s s e n t i a l l ym a i n t e n a n c ef r e eo p e r m i o na n de l i m i n a t e st h e u n d e s i r a b l ee f f e c t so fc o m m u t a t i o ns u c ha s s p a r k s ，b r u s h l o s s ，r a d i o f r e q u e n c y i n t e r f e r e n c e ，e t c 2 ) n l el o wi n e r t i a o ft h er o t o re n h a n c e st h e q u a l i t y o ft h e m e c h a n i c a lr e s p o n s eo ft h em o t o l s h o r t e n i n gt h ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nt i m e 3 ) u t i l i z i n gr a r e - e a r t hp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l sw i t hh i g hc o e r c i v ef o r c er e s u l t si n s u b s t a n t i a l l yh i 曲e re f f i c i e n c yt h a nt h e i rc o u n t e r p a r tw i m b r u s h e so ft h es a m es i z e4 ) b e c a u s eo f t h ea b s e n c eo f c o m m u t a t i o ns e g m e n t s ，t h es t a t o rc o n s t r u c t i o ni ss i m p l e b a s i c a l l y ，a b r u s h l e s sd cm o t o rc o n s i s t so fap e r m a n e n t m a g n e t ( a m ) s y n c h r o n o u sm o t o r , a n i n v e r t e ra n da p o s i t i o ns e n s o rm o u n t e d o nt h em o t o rs h a f t t h e i n v e r t e rd r i v es i g n a l sa r es y n c h r o n i z e dw i t ht h ep o s i t i o ns e n s o ro u t p u ts i g n a l ss ot h a t s y n c h r o n i s mb e t w e e n t h es t a t o rw i n d i n gc u r r e n t sa n dt h er o t o rf l u xi se n s u r e df o ra n y s p e e d 1 1 1 ee l e c t r o m a g n e t i cs t r u c t u r eo fad o u b l e - r o t o rp e r m a n e n tm a g n e tb m s h l e s s d cm o t o ri st h es a m ea st h a to fac o n v e n t i o n a lb r n s h l e s sd cm o t o r 硼1 ed i f f e r e n c ei s n o t o n l yt h em a g n e tp a r t b u ta l s ot h e w i n d i n gp a r tc a nt u r n t h e d o u b l e r o t o r p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s s d em o t o rc a r lb eu s e di n o p p o s i t e d i m e t i o n - t h r u s t s y s t e m sa p p l y i n gd i r e c t t h r u s td o u b l e - r o t o rm o t o r i no p p o s i t e d i r e c t i o nt h r u s t e r sc a n n o to n l ya v o i dt h ec o m p l e x i t yo fm e c h a n i c a lp a r t sb u ta l s om a k ei te a s yt oc o n t r o lt h e s p e e do f t h e t h r u s t e r i nt h i sp a p e rc o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sw i l lb eu s e dt os t u d yt h e d o u b l e r o t o r p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s s d cm o t o ra n di t st h i v e - c o n t r o l s y s t e m 。 c o n s i d e r i n gt h ed o u b l e - r o t o rp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd em o t o r i sam e m b e ro f p e r m a n e n t m a g n e t b r u s h l e s s - d c m o t o rf a m i l y ，f i r s t l yt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n t r o l s t r a t e g y o ft h ec o n v e n t i o n a l p e r m a n e n tm a g n e tb m s h l e s s d cm o t o r ，t h e nt h e p a r t i c u l a r i t yo f t h ed o u b l e - r o t o rp 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 i sa n a l y z e d k e y w o r d ：d o u b l e r o t o rp 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 ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ； t h r u s ts y s t e m ；p w mc o n t r o l l i - 浙江大学硕士学位论文 第一章 第章绪论 1 1 永磁无刷直流电动机及其控制技术 1 1 1 永磁无刷直流电动机的发展 一个多世纪以来，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。电动机主要类型有同步电动机、异步电 动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大至上万千万。众所周知，直流电动 机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电机均采用电刷，以 机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来噪声、火花、无线电干 扰以及寿命短等致命弱点，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，致使目前工农业生产上，大多数均采用三相异步电动机1 1 】。 随着社会生产力的发展，人们生活水平的提高，需要不断地开发各种新型电 动机。科学技术的进步，新技术新材料的不断涌现，更促进了电动机产品的不断 推陈出新。针对上述传统直流电动机的弊病，早在本世纪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，并取得了一定的成果。 但由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向元器 件。使得这种电动机只能停留在实验室研究阶段，而无法推广使用。1 9 5 5 年， 美国d 哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专 利，这就是现在无刷直流电动机的雏形。但由于该电动机尚无起动转矩而不能产 品化。尔后又经过人们多年努力，借助于霍尔元件来实现换相的无刷直流电动机 终于在1 9 6 2 年问世，从而开创了无刷直流电动机产品化的新纪元。7 0 年代以来， 随着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，以及高性能永磁材料，如钐钴、钕铁硼等的问世， 均为永磁无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。 由于永磁无刷直流电动机既具备感应电动机的结构简单、运行可靠、维护方 便等一系列优点，又具备直流电动机调速性能好以及永磁电动机运行效率高、无 励磁损耗等诸多特点，故在当今国民经济各个领域的应用日益普及。 1 1 2 永磁无刷直流电动机的结构及基本原理 普通永磁无刷直流电动机的结构原理可借用图1 来表示。它主要由电动机本 浙江大学硕士学位论文 第一章 体、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同 步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相( 三 相、四相、五相不等) ，转子由永久磁钢按一定极对数( 2 p = 2 ，4 ，) 组成。 图1 中的电动机本体为三相四极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功 率开关器件连接，图1 中电子开关线路的主要部件是集成电路m c 3 3 0 3 5 以及功 率开关器件“1 。 - l l0 主 h d幽i q 鬻 匿 科w | 了卤 。u b “r l o t m l n 黼卜； l m 如 辔司广 i ii n e k , m 扩 矗 嘲珍 j 群 裂：弗 尊 互o 、 ! 扫 - 域 r i 艇i 妒 霹4 纛，i 嘞引鞋剽， ) 垃 u 。 。! j 蕊翮嚣裂f 弘”r ”1 囝i j 4，l 1 k 。一 = ( i v e c t o r 0 * p e r i o d ( m a x d f f t yc y c l e + 1 ) ) ) y 0 = 0 ： e l s e y 0 = 1 u n u s e da r g ( t i d ) ：8n o tu s e di ns i n g l et a s k i n gm o d e $ i f ( s s i s s a m p l e h i t ( s ，1 ，t i d ) ) i f ( u 0 m a xd u t yc y c l e ) d u t y _ 一c y c l e - l , x d u f l yc y c l e + i ： e l s e d u t k c y c l e i n tt ) f l o o r ( u 0 ) ： ) s s s e t i w o r k v a l u e ( s ，o ，d u t ye y e l e ) ： 1 6 浙江大学硕士学位论文 第二章 2 6 永磁无刷直流电动机调速系统实例 2 6 1 调速系统的硬件电路 表1 ：主要元器件 器件名用途数量 p i c l 6 f 7 3 a 接受输入，产生p w m 波，与上位机通讯，测量并显示转速 l 组成解码器。输入为3 相位置信号、正反转、停机、p w m 、 a t f l 6 v 8 b1 保护信号；输出为6 只m o s f e t 的导通信号 i r 2 1 1 0 组成驱动电路 3 i r f 6 4 0 m o s f e t ，组成功率主回路 6 l m 3 5 8 双放大器，其中一个用来放大母线电流信号 l l m 3 3 9 双比较器，其中一个用来比较母线电流与阀值 1 d c d cc o n v e r t e r一个由+ 4 8 v 变到+ 5 v ，一个由+ 5 v 变到+ 1 5 v2 7 4 h c l 6 4用来驱动一个数码管 4 l g 5 0 2 2 b h双数码管，用来显示转速2 电平转换芯片，提供r s 2 3 2 1 2 v 电平与+ s v 电平之间的 m a x 2 3 2l 转换 为了了解元器件的特性以及如何使用它们，我们必须获得这些器件的资料。 获取器件资料的一个很好的途径就是i n t e m e t ，国内的网站有w w w 2 1 i cc o r n 、 w w w p 8 sc o m 等，另外也可以到芯片供应商的网站上去下载芯片资料，如 w w w t ic o m 、w w w i r f c o m 等，当然也可以用w w w g o o g l e c o r n 中的搜索引擎去搜 索。 驱动控制电路各部分的功能介绍如下： 1 ) 功率主回路 图1 1 功率主回路的拓扑结构 浙江大学硕士学位论文 第二章 功率半导体器件采用i n t e m a t i o n a lr e c t i f i e r 公司的i r f 6 4 0 。其主要参数如下： = 2 0 0 v ，s ( 。、= 0 1 8 q b = 1 8 a 。 2 ) 驱动电路 驱动电路采用的芯片为i r 2 1 1 0 。i r 2 1 1 0 是美国国际整流器公司( i n t e r n a t i o n a l r e c t i f i e rc o m p a n y ) 利用自身独有的高压集成电路及无闩锁c o m s 技术于1 9 9 0 年前后开发并投放市场至今独家生产的大功率m o s f e t 和i g b t 专用驱动集成 电路。i r 2 1 1 0 的研制成功，使m o s f e t 和i g b t 的驱动电路设计大为简化，加 之它可实现对m o s f e t 和i g b t 的最优驱动，又具有快速完整的保护功能，因 而它的应用可极大地提高控制系统的可靠性并极大缩小控制板的尺寸。下面介绍 i r 2 i1 0 的设计特点和性能 4 1 。 ( 1 ) i r 2 1 1 0 内部应用自举技术来实现同一集成电路可同时输出两个驱动逆 变桥高压侧与低压侧的通道信号，它的内部为自举操作设计了悬浮电源，悬浮电 源保证了i r 2 1 1 0 直接可用于母线电压为一4 一+ 5 0 0 v 的系统中来驱动功率 m o s f e t 或i g b t 。同时器件本身允许驱动信号的电压上升率达5 0 州u s ，故保 证了芯片自身有整形功能，实现了不论其输入信号前后沿的陡度如何，都可保证 加到被驱动m o s f e t 或i g b t 栅极上的驱动信号前后沿很陡，因而可极大地减 少驱动功率器件的开关时间，降低开关损耗。 ( 2 ) i r 2 1 1 0 的功耗很小，故可极大地减少应用它来驱动功率m o s 器件时 栅极驱动电路的电源容量。从而可减少栅极驱动电路的体积和尺寸，当其工作电 源电压为1 5 v 时，其功耗仅为1 6 m w 。 ( 3 ) i r 2 1 1 0 的合理设计，使其输入级电源与输出级电源可应用不同的电压 值，因而保证了其输入与c m o s 或1 r l 电平兼容，而输出具有较宽的驱动电压 范围，它允许的工作电压范围为5 2 0 v 。同时，允许逻辑地与工作地之间有一5 一+ 5 v 的电位差。 ( 4 ) 在i r 2 1 1 0 内部不但集成有独立的逻辑电源与逻辑信号相连接来实现与 用户脉冲形成部分的匹配，而且还集成有滞后和下拉特性的施密特触发器的输入 级，及对每个周期都有上升或下降沿触发的关断逻辑和两个通道上的延时及欠压 封锁单元，这就保证了当电路电压不足时封锁驱动信号，防止被驱动功率m o s 器件退出饱和区进入放大区而损坏。 ( 5 ) i r 2 1 1 0 完善的设计，使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适 的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率m o s 器件的驱动信 号之间有一互锁时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率m o s 器件同 时导通，发生直流电源直通而短路的危险。 ( 6 ) 由于i r 2 1 1 0 是应用无闩锁c m o s 技术制作的，因而决定了其输入输 浙江大学硕士学位论文 第二章 出可承受大于2 a 的反向电流。它的最高工作频率较高，内部对信号的延时极小。 对两个通道来说，其典型开通延时为1 2 0 n s ，而关断延时为9 4 n s ，且两个通道之 间的延时误差不超过1 0 n s ，因而决定了i r 2 1 1 0 可用来实现最高工作频率大于 1 m h z 的门极驱动。 ( 7 ) i r 2 1 1 0 的输出级采用推挽结构来驱动所需驱动的功率m o s f e t 或 i g b t ，因而它可输出最大为2 a 的驱动电流，且开关速度较快，当所驱动的功率 m o s 器件的栅极等效电容为1 0 0 0 p f 时，该开关时间的典型值为2 5 n s 。 3 ) p l d 及外围电路 p l d ( 型号：a t f l 6 v 8 b ) 的输入由三相位置信号a ，b ，c ，正反转控制信 号f b ，电机启停信号s t o p ，p w m 信号以及过流保护信号p r o t e c t 组成：p l d 的输出为m o s f e t 的导通信号。 图1 2 可编程逻辑器件及其外围电路 4 ) 单片机及外围电路 单片机p i c l 6 f 7 3 a 引脚的使用说明： p i n 2 ，3 ，5 被配置为模拟输入，其中p i n 2 为电位器的电压输入，当控制模式为 “l o c a l ”时，单片机将由这个电压来决定p w m 的占空比：当控制模式为“r e m o t e ” 时，p w m 的占空比由上位机给定。 p i n 4 ，6 ，7 为数字输入，其状态由s 2 ，s 3 ，s 4 三个按钮控制。s 4 为控制模式 ( l o c a lo rr e m o t e ) 选择按钮，单片机仅在复位时检测该按钮的状态。s 3 控制电 机的转向，单片机仅在复位时检测该按钮的状态，运行中s 3 状态的改变不影响 电机的转向。在“l o c a l ”模式下，s 2 用于控制电机的起停。p i n 2 1 ，2 2 作为单片 机的输出，将与可编程逻辑器件( 即解码电路) 的输入相连，用于控制电机的正 反转和起停。 p i n l 2 为p w m 输出，与可编程逻辑器件的输入相连，改变p w m 的占空比 可用于调速。p i n l 3 为捕捉1 5 1 的输入，用于接受电机a 相的位置信号，然后由单 浙江大学硕士学位论文 第二章 片机计算出该信号的周期以及电机的转速，最后通过p i n l 4 ，1 6 的同步移位通讯在 四只数码管上显示电机的实时转速。 p i n l 7 ，1 8 为异步通讯口，在“r e m o t e ”模式时将与上位机( p c 机) 进行通 讯，从上位机接收电机的起停以及调速命令，并在上位机上显示电机的状态信息 ( 转速、转向) 以及控制模式。p c 机上的界面如下： 图1 3 上位机程序w i n d o w s 界面 在“r e m o t e ”模式下，点击微调按钮可以改变p w m 的占空比( 整数0 - 1 0 0 对应于占空比o 一1 0 0 ) ；点击“t u r no i l ”按钮可令电机运行。 5 ) 过流保护电路 过流检测环节首先采用锰铜丝串入主回路进行母线电流取样，然后经过一级 阻容滤波送到运放进行放大，再经过一级阻容滤波送往比较器与阀值进行比较， 比较器的输出经光耦隔离送往可编程逻辑器件。 当电流信号超过阀值时，p l d 即封锁m o s f e t 的导通信号。调节阀值电位 器即可调节电流斩波幅值。 6 1 电源 控制和驱动电路需要+ 5 v 和+ 1 5 v 电源，这里使用了d c d c 模块。 2 6 2 单片机及上位机程序设计 单片机程序主要包括以下3 个部分：1 ) c p u 及p e r i p h e r a l 的初始化程序：2 ) 捕捉口、通用同步异步收发器以及定时器1 的中断服务程序；3 ) 电机转速计算 及显示子程序。总体的流程图如下图所示。 浙江大学硕士学位论文 第二章 图1 4 单片机程序的流程图 捕捉口中断服务程序用来检测a 相位置信号相邻两次上升沿之间的时间差 它的流程图如下图所示。 图1 5 捕捉口中断服务程序 定时器1 中断服务程序用于计算和显示转速，接受速度给定并执行用户的 起、停命令。它的流程图如下图所示。 图1 6 定时器1 中断服务程序 上位机程序由v i s u a lc + + 编写而成，与u s a r t 接受中断服务程序相配合实 现以下的通讯功能：1 ) 向单片机下达控制命令，包括电机的启、停以及p w m 誊一争摹凰掣t 曼睾 牵荸墨蓄 浙江大学硕士学位论文第二章 的占空比；2 ) 向下位机查询电机的运行状态( 转向和转速) 以及电机的控制模 式( r e m o t e o r l o c a l ) 。程序中采用了软件定时器。 2 6 3 试验数据 1 额定数据 u n = 4 8 v ，i = 7 6 a ，n = 1 3 0 0 r m i n ，7 j = 2 2 n m ，r = 8 2 o 。 2占空比为1 0 0 时电机的工作特性 表2 ：试验原始数据 l n ( r m i n ) 1 6 7 01 5 5 61 4 9 61 4 6 51 4 2 71 3 8 91 3 5 81 3 3 113 1 5 瓦( n m ) 0 0 1 50 4 2 0o8 1 6l0 2 4l2 5 915 l o17 2 2l9 0 419 9 0 i ( a ) o 、7 820 833 239 747 254 86 1 26 6 569 2 p 2 ( w ) 266 8 41 2 791 5 7 ，l1 8 8 22 1 9 72 4 492 6 542 7 41 r ( )7 0 6 8 68 028 258 3l8 358 3 ，48 328 25 图1 7 是根据表2 中试验数据的标么值绘制而成的。从此图中可以看出；永 磁无刷直流电动机有着类似于他励直流电动机的运行特性；永磁无刷直流电动机 可以在较宽的速度范围内保持超过8 0 的运行效率。需要说明的是由于试验条 件的限制( 测功机作为负载的最大转矩为2 n m ) ，该试验没有做到额定点。 囤1 7 永磁无刷直流电动机的工作特性 浙江太学硕士学位论文第二章 3 电源电压为4 8 v ，负载转矩为l8 n m 时的p w m 调速试验 表3 ：试验原始数据 i n ( r n f i n ) 1 3 4 21 1 3 89 8 28 0 36 2 64 3 6 2 2 38 85 0 l ，( 爿) 63 453 547 64 0 533 125 016 4 11 0o9 0 图1 8 永磁无刷直流电动机的p w m 开环调速试验 2 3 浙征大学硕士学位论文第二章 2 6 4 调速系统的控制线路原理图 图1 9 调速系统的控制线路原理图 2 4 塑查堂塑主兰垡丝茎 墨三主 2 6 5 调速系统的实物图 图2 0 永磁无刷直流电动机与控制线路板 图2 1 永磁无刷直流电动机与控制、显示面板 浙江大学硕士学位论文 第三童 第三章双转式永磁无刷直流电动机的仿真研究与实验 3 1 引言 永磁无刷直流电动机是种由电机本体、功率主回路、转子位置传感器及控 制驱动电路组成的机电一体化产品。对于这种电机的分析与研究，经典的电机理 论、传统的控制系统分析方法不能完全奏效。 永磁无刷直流电动机的主回路中功率开关器件的导通与关断将电机的运行 过程分割成一系列的阶段，永磁无刷直流电动机的稳态运行方式都是由这些阶段 中的一部分按照一定的顺序和一定的频率周期性地重复出现而构成的。因此，我 们只要人为地为每个阶段列写方程并且求解，然后再将这些结果按照电机运行过 程中出现的顺序组合起来，就能得到电机稳态运行时的特性。上述分析过程非常 烦琐，m a r l a b 中的s i m u l i k 可以帮我们从中解脱出来，而且它干得比我们更出色， 更节省时间。m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司8 0 年代中期推出的数学软件，它优秀的 数值计算能力和卓越的数据可视化能力使其很快在数学软件中脱颖而出。m a t l a b 已经广泛应用于线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列 分析、动态系统仿真等领域。 双转式永磁无刷直流电动机与普通永磁无刷直流电动机的差别仅仅在于原 来静止不动的定子现在也可以自由地旋转，即有两个转子。根据作用力与反作用 力的原理，两个转子受到的电磁转矩在任意时刻都是大小相等、方向相反的。因 此，两个转子必将沿着相反的方向旋转。由于两个转子的转动惯量以及所带机械 负载的不同，因此它们的转速和所得到的功率一般也不相同。对于普通的永磁无 刷直流电动机，其换向信息来自转子与定子之间的相对位置；而对于双转式永磁 无刷直流电动机，其换向信息来自两个转子之间的相对位置。双转式永磁无刷直 流电动机的数学模型可以参照普通永磁无刷直流电动机的数学模型，只要额外增 加一个运动方程即可，且两个转子运动方程的形式是一样的。 本章的主要内容包括：1 ) 建立了双转式永磁无刷直流电动机的仿真模型并 对该模型进行了一个测试；2 ) 介绍了两种双转式永磁无刷直流电动机位置传感 器的安装策略并对这两种方案进行仿真；3 ) 分析了负载转矩特性对电机稳态运 行速度的影响：4 ) 给出双转式永磁无刷直流电动机有位置传感器控制的系统结 构及实验结果。 浙江大学硕士学位论文第三章 3 2 双转式永磁无刷直流电动机的数学模型 假设双转式永磁无刷直流电动机的磁极转子以逆时针方向为正方向，电枢转 子以顺时针方向为正方向，并用 甜，：分别表示两个转子的角速度，用印，、p ，： 分别表示两个转子的转角，则只要将普通永磁无刷直流电动机数学模型中的( 6 ) 、 ( 7 ) 、( 9 ) 替换为( 1 3 ) 、( 1 4 ) 、( 1 5 ) 即可得到双转式永磁无刷直流电动机的数 学模型。 t = 0 。f 。+ 8 抽z 。+ g 删f 。) n + 甜，2 ) ( 1 3 ) f p 。= k b 兀( o r l + 印：) 如，。+ ，：) 8 h = k l , 兀( 口h + o r 2 ) 如+ ，2 ) ( 1 4 ) 【e 。= 也六( 只。+ p ，：) 妇，。+ ，：) j j i p 2 t o l - b i 。o r l ( 1 5 ) 【t ，2 p c o ，2 = z l 2 一哎，2 其中已。、巧：分别为磁极转子和电枢转子的负载转矩( n m ) ，e 、b ：分别 为两个转子的磨擦系数( n m s r a d ) ， 、j ：分别为两个转子的转动惯量( k g m b 。 3 3 双转式永磁无刷直流电动机的仿真模型 根据双转式永磁无刷直流电动机的数学模型，可以在s i m u l i n k 中非常方便 地建立双转式永磁无刷直流电动机的仿真模型( 图2 2 所示) 。 图2 2 双转式永磁无刷直流电动机的仿真模型 从图中可以看到，该模型主要包括与逆变器的接口、反电势系数、电气部分 以及机械部分。该模型的输入为三相相电压( v ) 和负载转矩( n m ) ：输出为相 电流向量( a ，3 维) 、相反电势向量( v ，3 维) 、转子角度向量( r a d ，2 维) 、 机械速度向量( f f s e c ，2 维) 和电磁转矩( n m ) 。下面依次介绍模型中的四个组 成部分。 浙江大学硕士学位论文 第三章 a ) 与逆变器的接口 在m a t l a b 65 s i m u l i n k 中除了提供基本的b l o c k 之外，还提供了包括 s i m p o w e r s y s t e m s 、d s pb l o c k s e t 等大量的t o o l b o x 。这些t o o l b o x 都是各个领域 专家编写的仿真模块集，使用它们能大大节省应用系统仿真建模的时间。在 s i m p o w e r s y s t e m s 中就包含了大量的仿真电路、电系统的模块，这些模块包括逆 变桥中用到的m o s f e t 、各种电机模型等等。但遗憾的是没有双转式永磁无刷 直流电动机的模型，因此我得自己建一个。为了利用s i m p o w e r s y s t e m s 中现成的 模块，必须加一个如图2 3 所示的逆变器接口。 图2 3 双转式永磁无刷直流电动机的仿真模型( 逆变器接口) 在图2 3 中，v m a 、v m b 用来测量a 相与c 相以及b 相与c 相之间的线电 压“。、u 。：c c s a 、c c s b 为两个电流源，其大小等于f 。、f 6 ：考虑到电流源不 能开路，因此加上r a 、r b 两个阻值很大的电阻。 b ) 反电势系数 每相绕组的反电势等于反电势系数与转子角速度的乘积。反电势系数仅与两 个转子的转角之和有关，其波形与图6 类似。利用s i m u l i n k 中基本b l o c k 的组合 可以得到图2 4 所示的模型。 c 图2 4 双转式永磁无刷直流电动机的仿真模型( 反电势系数) 封 量 浙江大学硕士学位论文第三章 该模型首先由两个转子的转角算出转角之和，然后将转角之和折算到j t 到+ n 之间，最后再查表得到梯形波。图中的常数k 为整个双转式永磁无刷电动机模 型的参数。 c ) 电气部分 将( 5 ) 式稍作变化可以得到： 卜l p 够一c 卜8 m q “( 1 6 ) f 。) + 三。p 0 6 一f 。卜p w , - - e 。 将( 3 ) 式代入( 1 6 ) 式消去f 。得： j 3 w p i 。+ 3 i r 。2 “扩“b 一2 e n 托6 + e e( 1 7 ) f 3 l 。p t 6 + 3 i b r = 叫+ 2 u k + p 。一2 e 6 十巳 其中“。= “甜一甜明，“如= u h u 删。 根据( 3 ) 、( 8 ) 、( 1 4 ) 和( 1 7 ) 式可以建立如图2 5 所示电气部分的仿真模 图2 5 双转式永磁无刷直流电动机的仿真模型( 电气部分) 在图2 5 中，l 、m 为整个模型的参数，f c n a 、f c n b 分别表示了( 1 7 ) 式等 号右边的部分。需要特别说明的是，直接采用( 5 ) 式建立模型也是可以的，只 是相对应的逆变器接口电路要稍作修改。 d ) 机械部分 根据( 1 5 ) 式可以建立如图2 6 所示机械部分的仿真模型： o o r r 1 1 = 甜 州 ” “ 一 一 册 h “ “ ，j、l 淅江大学硕士学位论文 第三章 图2 6 双转式永磁无刷直流电动机的仿真模型( 机械部分) 图2 6 中j 、p 和b 为整个模型的参数，且都是2 维向量；t h e t a 和w r 也是2 维向量；t h e t a 不是机械角度，而是电角度；j 代表转动惯量的倒数。 需要说明的是，我们也可以用c 语言或m a t l a b 语言写s - f u n c t i o n 来实现上述 各模型的功能。关于s - f u n c l t i o n 后文会涉及到。 3 4 测试双转式永磁无刷直流电动机的仿真模型 上一小节已经介绍了双转式永磁无刷直流电动机仿真模型的建立过程。为了 方便地使用该模型，我们可以利用s i m u l i k 中的封装功能将该模型封装起来，如 图2 7 中的b l d c m o t o r 所示，双击该图标就会出现模型参数的编辑窗口，在该 窗口中可以任意修改模型的参数，这些参数被列于表4 中。 表4 ：模型参数及实验值 模型参数试验值1试验值2试验值3试验值4 r e s i s t a n c er f o h m ) 04 6 4 0 4 6 404 6 40 4 6 4 s e l f i n d u c t a n c e l ( 固 15 e 315 e 315 e 315e 3 m u t u a li n d u c t a n c em )oo0oo o0 0 b a c k e 伍c 。n s t a n tk0 6o606o8 1 1 00 e - 3 l 1 0o e 3 1 1 32 e 一3 m o m e n to fi n e r t i a 1 j ( k g m 2 ) 20 e 3 1 1 5o e 一3 】1 1 50 e 一3 】1 1 50 e 一3 】 f r i c t i o n a lc o e f f i c i e n tb ( n m s r a d ) 【0 0 50 1 】 0 10 1 1 00 0 0 l o0 1 p a r i so f p o l e sp555 5 可以设计一个如图2 7 所示的简单系统来测试双转式永磁无刷直流电动机的 仿真模型，从图中我们可以看到，两个转子上都不加负载，并且仅给a 、b 两相 通电( 1 0 v d c ) 。 一3 0 浙江大学硕士学位论文 第三章 e 图2 7 双转式永磁无刷直流电动机的测试模型 在仿真之前，我们可以先预测一下结果。从图6 中a 相绕组反电势的相位 我们可以判定磁极与绕组的初始相对位置如图2 8 所示。a 、b 两相通电后，磁 极的n 极应该转到图中虚线所表示的位置，即两个转子转过的角度之和应等于 5 , d 6 。 图2 8 磁极与绕组的初始相对位置 仿真后的结果如图2 9 、图3 0 所示，其中图2 9 对应于表4 中的试验僮1 ，图 3 0 对应于表4 中的试验值2 。 图2 9 转子转角的波形 分析图2 9 、图3 0 - a 的转子转角波形我们可以判定，上升较快的那条曲线应 该对应于转动惯量较小的转子；图中两个转子转角稳态值相加的结果约为5 州6 ， 证实了我们前面的预测；另外还有个现象值得研究，即两个转子转角的稳态僮与 模型参数b 密切相关，从图3 0 - a 中可以看到，当两个转子的b 相同时，其最终 转过的角度是一样的。 浙江大学硕士学位论文 第三章 2 15 刁 璺 一 1 在 暑05 d 2 口 1 口 0 1 0 2 0 一a 哦i 一。一j j ；一! 艘淤誓二二r 二二王二。i i l 扩。 一一一一一i f 图3 0 a 转子转角的波形 一加 r 、 f 嵴如口 图3 0 b 电流波形 图3 0 c 转子转速的波形 图3 0 b 的电流波形也值得我们分析，为什么a 相电流在初始阶段会有一个 下凹呢? 因为在电流的凹陷处转子速度已经上升到使得两相的反电势之和接近 甚至大于电源电压。 3 5 双转式永磁无刷直流电动机的位置传感器 位置传感器是无刷直流电动机的重要组成部分，其作用是检测转子的位置 从而为逆变器提供正确的换向信息。 三一岳jjnu ：s，j1pds 浙江大学硕士学位论文 第三章 图3 1 双转式永磁无刷直流电动机的位置传感器 图3 l 中的左图为一普通无刷直流电动机的示意图，其中内环表示转子( 贴 有磁钢，共有一对极，用n 、s 来表示) ，外环表示定子，定子上有三相对称的 绕组，a 相轴已在图中示出。若按照图中所示的位置安装3 只霍尔位置传感器， 并假设转子沿逆时针从图示。为0 的位置开始旋转，则产生的三相位置信号如图 3 2 中的u 、v 、w 所示。根据u 、v 、w 三相位置信号组合状态的不同可以将定子 圆周3 6 0 。的范围等分成6 个区域，如0 0 1 对应于区域( o o ，3 0 0 ) u ( 3 3 0 0 ，3 6 0 0 ) ，1 0 1 对应于区域( 3 0 0 ，9 0 。) ，1 0 0 对应于区域( 9 0 0 ，1 5 0 0 ) 等等。 图3 2 位置信号波形图( 一) 无刷直流电动机一般采用1 2 0 。导通方式，为了产生逆时针旋转的定子绕组 磁场，参照图3 3 可以按下述规律给定子绕组通电：( c + b ) 一( b a + ) 一( a + c ) 一 ( c b + ) 一( b + a ) 一( a c + ) 。从这里可以看到，在绕组磁场旋转一周的过程中，定 子绕组将经过6 次换流。 无刷直流电动机在本质上讲也是一种同步电机，其转子将与定子绕组磁场同 步旋转，且转子从一个区域转到另一个区域的时刻就是定子绕组换流的时刻。由 此可见，当转子所处的区域确定后，与之相对应的应该通电的两相绕组也随之被 确定下来，确定这种关系的依据就是为了得到最大的平均电磁转矩，也就是应该 使定子绕组磁场超前于转子n 极大约9 0 。如起动时转子n 极处于0 。的位置， 应该导通合成磁势位于9 0 。的两相绕组，即为( c + b 一) ，如图3 3 所示。 浙江大学硕士学位论文 第三章 图3 3 起动时的定子绕组磁势 上述普通永磁无刷直流电动机位置传感器的安装原理也可以直接应用到双 转式永磁无刷直流电动机上，即在其嵌有三相绕组的转子上安装3 只霍尔位置传 感器。由于位置传感器随着转子在旋转，所以必须通过2 只滑环给霍尔位置传感 器提供+ 5 v 电源，再通过3 只滑环将三相位置信号引出来。这种方案( 方案a ) 虽然使得电机的结构变得复杂，但是其控制方法却等同于普通的无刷直流电动 机，稍后将介绍这种方案的仿真。 我们最终需要得到的是电枢转子与磁极转子的相对位置，方案a 采用了直 接的方法，那么能不能间接地得到昵? 回答是肯定的。只要我们知道了两个转子 分别相对于静止部分的位置，就不难推算出它们的相对位置。为了使这种相对位 置的误差不至于太大，方案b 采用了1 2 只霍尔位置传感器，如图3 1 中的右图 所示。图中外环表示电枢转子，内环表示磁极转子，中环表示电机的静止部分， 其中6 只以实心小圆表示的位置传感器用于检测电枢转子的位置，另6 只以空心 小圆表示的位置传感器用于检测磁极转子的位置。当然为了检测电枢转子的位 置，还必须在电枢转子上安装一对辅助的磁极，其相对于a 相轴的位置已在图 中示出。我们假设磁极转子沿逆时针从图示0 为0 的位置开始旋转，电枢转子沿 顺时针开始旋转，且两个转子旋转的速度一样，则1 2 只位置传感器输出的信号 如图3 4 所示。 a l b2 c3 u4 v5 w 6 ii 制i | l | l 一l | f 1 09 01 8 02 7 03 6 00 图3 4 位置信号波形图( 二) 根据图中a 、b 、c 、u 、v 、w ( 或1 、2 、3 、4 、5 、6 ) 六个位置信号组合状 态的不同可以将定子圆周3 6 0 。的范围等分成1 2 个区域，如1 0 1 0 0 1 对应于区域 ( o 。，3 0 。) ，1 0 1 1 0 1 对应于区域( 3 0 。，6 0 。) 等等。由于每个转子可能处于1 2 个区域中 浙江大学硕士学位论文第三章 的任意一个，因此两个转子的相对位置可以用1 2 乘1 2 即1 4 4 种状态中的一个来 表示。有了两个转子的相对位置，就不难根据平均电磁转矩最大的原则推算出在 任意状态下应通电的绕组。 3 6 双转式永磁无刷直流电动机有位置传感器控制的仿真 双转式永磁无刷直流电动机系统的模型主要包括逆变器模型、直流电源、机 械负载、双转式永磁无刷直流电动机模型以及位置解码器模型。其中的逆变器模 型( 图3 5 所示) 以及直流电源利用了s i m p o w e r s y s t e m s 中的现成模块；机械负 载假定为与速度的平方成正比；双转式永磁无刷直流电动机的模型参数采用表4 中的试验值3 ；根据位置传感器设计方案的不同，下面将分别进行仿真。 3 6 1 方案a 的仿真 图3 5 逆变器模型 双转式永磁无刷直流电动机系统方案a 的仿真模型如图3 6 所示，其中电源 电压v d c 为2 9 0 v ，两个转子的转角相加之后作为位置解码器d e c o d e r 的输