（电力电子与电力传动专业论文）永磁无刷直流电机电磁转矩脉动抑制技术的研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 的制动停枫过程，并就存在豹闷题提出了相应的解决搂旗。 本文以严密的理论分析和祥实的实验结果充分验证了所擒出方法静正确性帮香 效牲。 关键谰：无届0 直流电机，转矩脉动，非换相转矩脉动，换桷转矩脉动，p w m 调制 骞法。 l l 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t o r q u er i p p l es u p p r e s s i o nt e c h n i q u e i np e r m a n e n t m a g n e t i c b r u s h l e s sd cm o t o r s a b s t r a c t t h e p e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ，w h i c ha c t u a l l yb e l o n g s t ot h e p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r , h a st r a p e z o i d a le m f ( e l e c t r o m o t i v ef o r c e ) w a v e f o r ma n dr e c t a n g l ec u r r e n tw a v e f o r m b l d c m s y s t e mi so f l o w c o s t ，e a s yc o n t r o l ， s h o r td e v e l o p m e n tp e r i o da n dh i g hr e l i a b i l i t y n o w e d a y s b l d c mi s w i d e l yu s e di n i n d m ；t r yh o w e v e r , t h ep r o b l e m ss u c ha sr o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o no rt h et o r q u er i p p l e s h a v eb e c o m et h eo b s t a c l e sf o rt h eb l d c mt ob eu s e di nh i g hp r e c i s i o nf i e l d si nt h e p a p e r , t o r q u er i p p l es u p p r e s s i o nt e c h n i q u e sh a v eb e e ns t u d i e di nd e t a i la n ds o m en o v e l e f f e c t i v em e a s u r e sh a v eb e e np r o p o s e d f i r s to f a l l ，t h ee f f e c t so nt h et o r q u er i p p l e si n d u c e db yt h ep w m m e t h o d sa r es t u d i e d t h et o r q u e t i p p l e s ，a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n t o p e r a t i o np e t i o d s o ft h em o t o r , a r e c o m p o s e d o ft h ec o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l e sa n dt 1 1 en o n c o m m u t a t i o n t o r q u et i p p l e s a s f a ra st h ec o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l e sa r ec o n c e m e d a l li m p o r t a n tc o n c l u s i o ni sg a i n e d t h a ti s ，t h ec o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l e si nt h o s ep w m m e t h o d s ，i nw h i c ht h eu p c o m i n g p h a s e i s m e d d l e d ，a r el o w e rt h a n t h a ti nt h o s ep w mm e t h o d s ，i nw h i c ht h e n o n - c o m m u t a t i o n p h 船e i sm o d u l a t e da sf o rt h en o n - c o m m u t a t i o n t o r q u et i p p l e s an o v e l t o r q u er i p p l es u p p r e s s i o ns c h e m e ，p w mo np w m , i sp r o p o s e d i nt h ep r o p o s e dp w m m e t h o d , t h ed i e d ef r e e w h e e l i n gc u r r e n t si nt h ei n a c t i v ep h a s ea r ee l i m i n a t e dc o m p l e t e l y s ot h a tt h e t o r q u er i p p l e s c a u s e d b y t h ec o n v e n t i o n a lp w mm e t h o d si nt h e n o n c o m m u t a t i o ni n t e r v a la r er e d u c e do re l i m i n a t e d s e q u e n t i a l l y , t h ec o m m u t a t i o nt o r q u et i p p l e sa r em a i n l yi n v e s t i g a t e di n t h ep a p e r t h r o u g ht h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ec o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l e sa n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ed cc u r r e n ta n dp h r i s ec u r r e n ti nt h ec o m m u t a t i o ni n t e r v a l ，t w oe f f e c t i v e m e t h o d sa r ep r o p o s e dt or e d u c et h ec o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l e st h et w om e t h o d sa r et h e n e g a t i v ed c c u r r e n te l i m i n a t i o nm e t h o da n dt h ec o m m u t a t i o nc u r r e n tp r e d i c t i o nc o n t r o l m e t h o d , r e s p e c t i v e l y al a r g e a m o u n to fe x p e r i m e n t sa r ei m p l e m e n t e dt ov e r i f yt h e v a l i d a t i o n so ft h ep r o p o s e dm e t h o d st h ea n a l y t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n v i n c eu s 1 l l a tm o r es a t i s f i e dr e s u l t so ft h ec o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l es u p p r e s s i o nc a nb ea c q u i r e d w h i l et h et w op r o p o s e dm e t h o d sa r ec o m b i n e dw i t l lt o g e t h e rt ob eu s e di nt h eb l d c m s y s t e m a sar e s u l t ，as m o o t h c o m m u t a t i o ni sr e a l i z e d t h e p r o p o s e dm e t h o d s s h o wt h eg o o da d a p t a b i l i t yi nt h eb l d c m a p p l i c a t i o ns y s t e m i i i 堑鋈壅量壁主兰婆燕塞 垒墼塑蹩 t h e c o m p e n s a t i o n e x t e n t so ft h ec o m m u t a t i o nc u r r e n ta l ew e l l a n da u t o m a t i c a l l y i m p l e m e n t e db y t h e a l g o r i t h m s o ft h e p r o p o s e dm e t h o d s ，t h e c u r r e n ti nt h e n o n 。c o m m u t a t i o np h a s ei sw e l lc o n t r o l l e dc o n s t a n t l yi nt h ec o m m u t a t i o ni n t e r v a l t h e p r o p o s e da l g o r i t h m sc a nb ei m b e d d e di na l m o s ta n yc o n t r o ls y s t e m se a s i l yi na d d i t i o n 由ep r o p o s e dm e t h o di sn o ts e n s i t i v et ot h ed i s t u r b a n c e so r 斑e 张蠹a o n so f 搬e 搿。抛f p a r a m e t e r s f i n a l l y , ad s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) b a s e dc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e df o r e x p e r i m e n t a l u s e f u r t h e r m o r e ，ab l d c md r i v es y s t e mu s e di n i n d u s t r i a l s e w i n g m a c h i n ei s s t u d i e d s o m e s p e c i a l t e c h n i c a l p r o b l e m s a l e i n v e s t i g a t e d a n dt h e c o r r e s p o n d i n g r e s o l v e dm e a s l e sa 糟p r e s e n t e d t h ev a l i d i t i e so f t h ep r o p o s e dm e t h o d sa r es t r o n g l ys u p p o s e d b yt h es t r i c tt 1 1 e o r e 6 c a l a n a l y s i sa n dt h el a r g ea m o u n t so f t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd c m o t o r , t o r q u er i p p l e ，n o n c o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l e ， c o m m u t a t i o n t o r q u er l p # e , p w mm e t h o d 。 i v 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 本文是在导师张仲超教授的悉心指导下完成的。三年多来，在课题研究的过程 中，导师不仅从学术上给我指明了研究方向，指导和鼓励我攻克一个又一个难关， 而且生活上得到了导师无微不至的关怀和帮助。写就的每一篇论文，字里行间凝聚 着导师的心血和汗水。导师乐观开阔的人生态度，严谨负责的治学作风，丰富渊博 的良好学识，和蔼可亲的做人风范，必将是我今后人生道路上学习的楷模，必将使 我终生受益。在此，特向导师张仲超老师表示我诚挚的谢意和尊敬。 在论文进行的过程中，得到了胡长生老师，林平老师，陈为群等老师以及王立 乔博士后各方面的热情帮助和大力支持，特向他们表示我深深的谢意。 感谢实验室里黄玉水、张寅孩、任军军、熊宇、李建林、李玉玲、鲍建宇、曾 玉竹、陈丹江、陆涛涛、腾芳华、楼珍丽、李淳等师兄弟的帮助和关心。 感谢本文的评阅老师和答辩委员会老师在百忙中对本文进行审阅、指点。 韦鲲 2 0 0 5 年3 月于求是园 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 随着微电子技术、功率半导体制造技术的发展，电力电子及电力传动学科得到了 前所未有的发展；电力电子及电力传动装置在类型、功率容量、性能以及应用范围等 方面得到了广泛的拓展和提高。近年来随着先进控制理论和方法在电力电子技术领域 的应用，更使电力电子装置在性能方面迈上一个新的台阶。 电力传动是电力电子技术的一个重要的分支。从1 9 世纪就诞生的电力传动技术 可以说是一门传统的学科：然而，它又是一们迅速发展的学科，这是因为电力电子技 术的飞速发展为电力传动注入了新的活力和内容；今天的电力传动系统不只是传统意 义上的电机和机械的组合体，而是涉及到电力电子，微电子集成电路，控制理论和数 字处理技术的一门综合学科。追求电力传动系统的高性能，高效能已经成为现代产品 制造的首要目标。 最初，电力传动系统被分为直流电力传动和交流电力传动。电力传动中核心的部 件就是电动机，2 0 世纪，高性能的调速系统基本都采用直流电动机，这是因为相对于 交流电动机，直流电动机具有优越的调速性能，而大部分不变速传动则采用交流电动 机。这种格局在2 0 世纪7 0 年代末被高效节能的交流传动系统的出现打破。 过去所谓的不变速交流传动中，很多场合实际上是依赖挡板和阀门来调节流量， 而电机本身不变速，这样浪费了许多电能。交流调速系统出现之后代替了这些挡板的 作用，使这些场合的节能达2 0 1 1 1 0 另外，过去采用具有优良调速性能的直流传动系 统的场合被成本低廉，维护方便及效率高的交流传动系统替代以后，收到了良好的社 会效益和经济效益；矢量控制、直接转矩控制等先进控制技术的应用，使交流传动系 统获得了和直流电机系统相仿的调速性能。 直流电动机可以直接通过控制电流对电磁转矩进行灵活的即时控制，因而其调速 性能一直以来被认为是最好的，也是交流电动机调速控制性能追求的目标。传统的直 流电动机采用电刷，以机械方法进行换向，因此存在相对的机械摩擦，由此带来了噪 声、火花以及使用寿命短、维护困难等致命弱点；因此，1 9 6 2 年借助于霍尔元件来实 现电子换相的直流无刷电动机的问世，使得直流电动机脱胎换骨，以新的结构形式迈 入了新的发展阶段。 无刷直流电机既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，又具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，因此，在各 行各业得到了广泛的应用。 本论文以无刷直流电机为研究对象，以相关技术难点为研究重点进行了深入的研 究。本章首先阐述了永磁材料对电动机的发展作出了积极的贡献；然后讨论了永磁无 刷直流电机的工作原理及应用；总结了永磁无刷直流电机的主要应用领域：对无刷直 0 嚣 逐坚盔望壁主鲎壁逢塞j 堕一 流电枫应用的常见按术闷题帮现状遴行了总结分辑，最后，介绍了本文的研究内容墨口 研究成果。 1 。1 电动机与永磁材料 电动机是电力传动系统的核心，是一种踅裴的机电能量转换装黉。电动机技术发 展到今天，出现了各种各样躺性能各界的电规类型，傻总鹳来说，基本上可以归结为 同步电动机，异步电动机和直流电动机这三种癸整。 阔步惑动枫，转孑是永磁铁或饕直流磁铁制成，与旋转磁场以相同速度旋转，其 转速叫简步转速“1 ；闻步转速受到定予电流频率和极对数静决定，且和定子奄滚频率 保持同步旋转；同步电机磁场采用直流励磁时，电机可以在任何功率因数下工作。和 异步窀棍楣跣，两步窀棍具有功率因数离，转子参数可测，效率亵，定转予气踩大， 控制性能好等优点。 异步奄枕也称感应电极，其结构麓单、坚固醚髑，徐捺低廉；运行效率蔑，转动 惯萱小，动态响应快，可以做翔高电压、大容蓬、高转速：和垒数字通厢交频秣结合 可以组戏恒压频比的野环调速系统，能够满足绝大多数的生产要求；矢嶷控制的异步 电梳系统舆有较高的性能，蔟动静特髓完全可以和盔流调逮系统的性能相媲美。异步 电机的缺点楚功率因数低，转子参数受温度影响会变化，产生控制误差，影响控制精 度；不遥合工作予冲击震动较大的场合。 真流电动机控制简单，调速性能好，变流装置简单，具有优良的运行性能；但是 壹流电极结构复杂，成本离，维护困难，尤其是极掇换向爨的存在会喾来诸多不便和 问题。 随善生产爨求的增加和对後良性熊的不断追求，人们一直在寻找各种解决或改良 方法。觚窀梳本体和控制方法着手n o ，力闺在性能方甏使电机其有矗滚逛枫豁调速 性能和同步电机的功率因数，在性价比方面具备异步电机那样简单的结构和耐用性。 近年来永磁材料加工按术静快速发展，辫这种器标静实现提供了先决条件和基 础。永磁材料，顾名思义就是永久性铁磁材料，可以产生恒久的磁场，其磁往基本不 隧对闯变化嚣变化。将永磁材料应爝在宅机中，可以代耱妻滤磁磁，因蕊是一种既节 能又能够减小电机体积的刨新之举。目前永磁寿才料种类甚多，在电车凡中常绡的主要有 铝镍链会金，铁戴体及秘土瘩磁材料。镪镍钴台金永磁专芎料优点是温度系数小，因温 度交化而发生的永磁特性静遥亿也较小；缺点是其本骞矫顽力低，因此在使爝过程中 严格禁止任何铁器接触铝镆钴合金材料，以避免造成永磁体局部退磁而使磁路中磁通 分布发生畸变。铁氧钵永磁檬料是疆蘸应用最广泛的零磁树料之一：矫颇力大，重量 轻，价格便嶷，电阻率高是其优点；僵是翻磁较低，温度系数大及荔碎怒其主要缺点； 胡对予蔑题类永磁专苎料，臻永磁楗料一出现，便以其优异的磁性能成为磁性材料的 主力军。蒹矫顽力高，最大磁能积大，磁往熊远远超过前两类磁性材料。正是因为性 塑釜；泰兰整圭警笙鲨塞 堡鲨 能优舜的稀永磁材料的出现，特别是8 0 年代出现的n d f e b 稀土永磁材料，在保证 较高的磁能积的情况下，萁价格眈一般的稀永磁榜稀有大幅度的下降，从两使得熏 量轻，体积小的永磁电机的广泛出现变成现实1 5 7 1 。 闻步电梳在转子侧有独立的壹流糯磁，小容量同步电辊常焉永久磁铁赫磁。当翊 独立的直流励磁时，可通过调节励磁电流来改变输入功率因数，可以滞后，也可以超 霞，墨功率闲数为l 瓣，龟柩锈撰最小。当，l 、容量懿强步电橡采矮永久磁铁黪磁霹， 常称为永磁同步电机，在这种情况下，转子磁通恒定不变。转子采用永磁体，消除了 同步魄壤在袋鹅壹滚疑磁时使穗兹电鹾毅集电嚣，摆燕夔了在终穆上窥缨护土豹一个累 赘。这使得永磁同步电机本体的效率更高，体积更小，结构更紧凑。 壤据隶磁翅步电瓿运行融转子磁通在定子绕组上感应静反电动势的波形不同可 以将永磁同步电机分为两种：反电动势波形为j 下弦波形的，通常称为永磁同步电机； 反电动势为梯彤波形的，通常称为永磁直流无刷电机。鼹种电机定子绕组都是楣同的， 不同的是转予磁钢的制造不问；由此带来了两种电梳在控制方法和性能方面的差异。 与方波型无刷童流电机相比，正弦型永磁同步电机结构较复杂，使用成本较商，需要 提供遴续的转予位簧倍息，一般借助予价格较昂贵的光电编码盘检测转子位甏，一般 工作于1 8 0 0 导通方式下；理论上无转矩脉动，调速比商，定位精度高，所以谯要求高 精度瓣位置控髑场合应翔较有往势，冀控割秘对于秃獬矗滚惫梳要复杂耱多。无禳蠢 流电机电流波彤为方波，通过控制逆变器的输出电流使之和梯形波形反电动势的平顶 鄂分穰位一致，电枫一般工 乍予1 2 0 。浮逶方式下，控剿蕊萃，一令电瘸鬏内只霉要知 道转予的六个位置即可，对位置传感器要求低，因此成本也低。所以在对定位精度要 求不棼别毫款传动领域，隶磁无捌壹流电规嚣其控制麓单，效率毒，体积，j 、露具有明 显的优势。深入探讨永磁无刷寅流电机的相关技术问题正是本文研究的主要内容。 1 2 永磁无刷鱼流电机的工作原理 文献【8 】对永磁无刷真流电机定义为：“永磁无刷直流电机是一种具有定子( 电 抠) 绕组鄹永磁或凸极软磁铁转子静电极。通过一系别由转予位置传感器及译码器控 制的静止开关器件和赢流电源给定予绕组供电。在没有调节器时，电机的转遮与直流 侧的媳压大小戏正比”。 般情况下，三相永磁无利直流电机采用传统的三相半桥式逆变器作为驱动电 源，电机本体一般都安装有转子位置传感器，在逆变器的驱动作用下，电机才可能正 常工作，才能组成一个完整的无嗣直流电视驱动系统。如图1 1 所示。 强该驱动系统中，依靠功率模块的开关作用对电压电流进行控制，达到既控制转 速又控懿转翘的蟊的。电视工作予1 2 0 。寻逶方式下( 每只开关管导逶1 2 0 。毫角度) ， 每时刻只有两相绕组姆通，另相绕组浮空；每隔6 0 。电角度就有一只开关篱关断， 另一只开关管开逶。秃髑壹流瞧聿曩霞嚣转惑黪信号、菠电羲势波影帮惫滚波形关系热 一塑堑盔望垫点堂垡控塞 缝造 圈1 2 所示。 图j 1 永磁无嗣直流电机驱动系统 h a h b k e a ，f a 0 ，f b 0 e c ，c o 【作 开关管 爨l 。2 秃裂壹滚电裁位置簧惑嫠簧母、霞毫动势彝毫瀛渡黟豕意鬟 潮1 2 说弱了无祸鬣流电视的工律舔疆。三槠位置倦蟹褶能溉差1 2 0 。，每一个位 鬻凄号戆上蠢港移下降沿翳戮为按辍瞻戴；疑谱羧稷，就是一摇绕爨惫溅要被美羧， 褥辩舅一褶绕缀簧r 歼逶，第三褶绕箍不参与揆褶；褶疲黼，有一露源来娥予工作状态 蛇舞关管癸被哭蟥，男一只愿来处于关敷状态的开关管蘩渡舅= 避 摄擐爨1 2 ，参与 慕裙豹两露开美管鹭楚予嗣一令褥莺耩，群要么酃在轿臀，要么都在下桥臀。鲡栗 怒上桥臂的两只 开关管进行切抉，那么非羧襁绕缀上对成的处予王 乍状杰蚋开关篱必 然穰予下褥甓；霞之褰然。堇开关警絮灞l 。2 孛辫录蒌方淹涟霄照黪留稳辩，瞧钒匿 转；当猷艇向j 顿序切换时，电牢凡旋转。如上所迷，每隔6 0 0 电角艘就有对开关键进 行凌抉，递交褥输窭煮浚怒滤；众掰焉辩，迁遂交爨辍爨方波要愆餐密燕弦浚彩簿攀 黹容易蜜糯的多，因此，涎利直流电机的简单易用性就体蕊在这照。简蚺的说，风要 捺据三个挺璧簧感嚣蕊整号凌悫缀台，键黠邃穗上缒开关篝王 萋辩罴臻一定黎p w i v t 调锖措施，无莉赢流电税就可阻炎现肩劝、转动、调速的运行。 4 浙江大学博士学位论文 正是由于永磁无刷直流电机这种简单易用的特点，又同时具备永磁同步电机和直 流电机的优点，因此得到了广泛的应用和相当多的关注。 1 3 永磁无刷直流电机的应用及发展 永磁无刷直流电机具有控制简单，效率高，体积小等特点。随着永磁材料加工技 术和电机制造水平的发展及控制技术的发展，永磁无刷直流电机的性能不断得到提 高，广泛的应用于航空航天、机器人、家用电器及工厂自动化等领域。 本文仅列举无刷直流电机的几个典型应用领域，以此来说明不同的使用场合对无 刷直流电机具有不同的技术要求和性能要求。 1 家用电器领域 随着世界范围能源危机的加重和人们对环保问题重视程度的提高，高效、节能、 绿色、环保已经成为人们生活用品尤其是家电发展的方向和标准。在家用电器领域， 如空调、洗衣机、电冰箱等产品中，永磁同步电机或永磁无刷直流电机正逐步的代替 原来使用的异步电机；随着永磁材料的价格走低，永磁无刷直流电机的成本已经不是 问题。家电在采用了永磁无刷直流电机之后，随之带来的低噪音，高效率，小体积， 开发周期短等特点已经成为吸引生产厂家的主要原因。在这些领域，对永磁无刷直流 电机的最重要的要求就是体积小，噪音低，节能，高性价比1 9 1 。 2 信息产品及亦公自动化领域 信息产业是当今的新兴产业，巨大的市场需求为无刷电机的应用提供了巨大的空 间；计算机外围设备如硬盘驱动器用的电机，电源风扇轴电机，v c d 、d v d 、c d 主 轴驱动无刷电机等，虽然这些产品上使用的电机结构不同，但是都无一例外的可归结 为无刷直流电机类型1 1 0 1 这些领域要求电机精度高，转速快，没有无线电干扰，寿 命长。 3 交通工具领域 在交通工具领域，电动汽车和电动自行车是未来交通工具发展的方向之一，目前 各国对电动汽车的研究日新月异：电机驱动是电动车不可缺少的部分之一，而永磁无 刷直流电机在电动车中作为直接驱动器使用的优越性非其他电机可比。应用在电动车 中时，对电机系统具有高转矩重量比，高效率以及宽广调速范围等要求，这些正是无 刷直流电机所具有的优点1 1 1 1 4 。 4 工业领域 中小型无刷直流电机还应用于工业制造机器领域1 1 5 1 如精密数控机床驱动系统； 工业缝纫机驱动系统。工业缝纫机上使用无刷直流电机直接驱动，使得机械机构紧凑， 成本降低，工作精度提高，采用无刷电机直接驱动已经成为同类产品更新换代的必然。 浙江大学博士学位论文 从以上的典型应用镶域看，永磁无剥蛊滚电机应用范围非掌广泛；不鄹的使用场 合使用不同结构类型的无利直流电机，有不同的性能要求和技术簧求。偿两时看到， 髫藤限于永磁撼料的加工技术，永磁无刷直流电机多集中在中小功率范围，大功率的 永磁电机在技术和制造上还存在着一定的闷题。 很久以来，交流伺服系统真是异步电机的天下，但是随着包括无利赢流电机在 内的永磁丽步奄极按术的发疆及残熟，越来越多的交滚饲服系绞采用永磁网步电机系 统。并步电机虽然经过矢藿控讳4 可以达到或接近宣流俩服系统的性能，健楚对参数敏 感，控刳复杂。两包摆永磁无剥煮漉电机在内的永磁同步电机构成的交、漉伺服系统因 体积小，重量轻，效率高，转动惯量小，控制褶对简单，参数依赖性低箍备受欢逑。 因此，交流伺服系统采用性能优异的永磁同步系列电机是将来发展的重要方向。 瀣对韶懿增长的中小型逛槐带场需求，一方瑟，无刷壹滚电枫具有广阏静发展空 间和机遇；另一方面也面临着挑战，这种挑战来自于对永磁无刷直流电机越来越商的 应用要求和技术燃能的要求。 可以预觅，将来永磁无蒯肖流电机将褥到长足的发惑，其有广阔的应梢前景。根 据星嚣永磁无羁熹滚电槐的应用情况班及离性能镧鼹累绕数发曩受求，永磁秃刷痰滚 电税将朝着智毹仡、高散率仡、裔性黥仡的方弱菠腰琳1 。 1 4 无劂电机常觅的技术蔺遥、研究现状藏研究意义 面对永磁纛嗣真流魄梳广澜的应搿空间，辩它在设计、肯8 造工艺、控翩方法、应 曩l 技术嚣方蕊撼出了更越的要求。聪前，对于惩剐踅流电机还有许多闯题偿褥遴一步 研究。 鄹永磁同步电机靼比，在具澍窝稳定性要求鄹高糟发蓦求的威用场合，无刷囊流 瓷莰瑟予舞势，逮悬爨兔冤裁煮流毫飘熬鸯转短稼旗鞫鼷特聚是羧禚转辍鼗麓，影确 了它在巅性能交流调速系统中的应用t 1 7 j 因此，转矩脉幼抑制拽沭是提商无刷真流 邀爨蛙能艇颡旗戆蓠要翘题。戆嚣垒产过程慰藏零艇莓嚣毽爱靛黢簿要求不簸掇薅， 无俐直流电机的凭传感器技术日菔受到关注。无f 鸯感器检测转子做置可以避一步改善 电规运行性能，降低生产成本和避受熙使用健感器嫠米的其德国鼷；恶经餐传感嚣技 术建近年研究静热点简麟之一。无和壹流电梳箭新篷拓扑方面，裔前多甭传统的兰福 半辑电路作为聪幼主电路：毒人采用c d u m p 结构拓扑主电路馋为无羼4 囊流电机驱 赘”卜，该电路采麓4 只开关管驱舔蠢耩童滚魄辊，稳跨籍该赫释在实际成弼中并 不多。控制方耐，一般的无刷邕流电机系统采用传统的p i d 控制方法；为了更好的掇 舞无剧蠢浚穗挺蘩缝翁稳麓，褥餐燕整潮毽谂蠹麓爨该壤辍系统鞠控裁中来啦糍， 也是个值得探索的方向。 综套来囊，辩予无剥寰滚迤搬，戆潜藏黪篷麓熬点谶酸霭言，最萋要酶蠢嚣令翔 鼷，无倦懑器搜术和转觚脉动柿制技术，这两个翻题也楚爵前在艨肩中簸为紧遥，受 矗 浙江大学博士学位论文 到的关注程度最高的问题。 1 。4 1 无位暨传感器技术 在具体讨论无刷直流电机无位置传感器技术之前，有必要先介绍无刷直流电机的 位置传感器及其作用原理，然后介绍无传感器技术及其技术现状、技术难点。 1 有位置传感器技术 对于有位置传感器无刷电机来说，一般在本体内部安装有三个开关式位置传感 器，用以检测转子位置。转子位置传感器一般安装在定子内侧，其基本原理是该传感 器能够敏感转子磁极的转动，从而输出指示转子位置的方波信号，供无刷电机换相之 用。常用的位置传感器的类型有三种，电磁式位置传感器，光电式位甓传感器和磁敏 式位置传感器( 如霍尔传感器) ，均输出开关信号。为了能够在电机运转的过程中输 出三路相差1 2 0 。电角度，宽度为1 8 0 0 电角度的方波位置信号，位置传感器在定子上应 该按照一定的规则排列。以霍尔位置传感器为例说明，如图1 3 所示。 信 号 处 理 电 路 h a h b h c 永磁转子霍尔传感器 图1 3 位置传感器在空间的排列位置 三个位置传感器排列的空间相隔机械角n 满足关系式：口= 2 州( 3 p 卅) ，式中舳 为转子极对数。当永磁体转子磁极依次转过三个位置传感器时，传感器就会输出方波 信号，经过信号处理电路，从而输出指示转子位置的三相互差1 2 0 。的方波信号。输出 的转子位置信号h a 、h b 、h e 和绕组反电动势、电流关系可参考图1 2 所示。 三种类型的位置传感器具有不同的特点。电磁式位置传感器是利用电磁效应来实 现其位置测量作用的，由定子和跟踪转子两部分组成，定子一般由硅钢片的冲片叠成： 跟踪转子是一个用非导磁材料作成的圆柱体，并在它上面镶上一块1 2 0 。的扇形导磁材 料，安装时将它同电动机转轴相联，其位置对应于某一个磁极；电磁式位置传感器的 特点是输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单和 紧凑；但是信噪比低，体积大，输出为交流，需要整流滤波才可用。光电式位置传感 器利用光电效应原理制成，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，其性能较稳定，但是信噪比低，光源灯泡寿命短，使用环境要求高。 磁敏式位置传感器是利用霍尔效应和磁阻原理制成的，这种传感器也是由定子和跟踪 转子组成；目前用于位置检测的磁敏元件有霍尔元件，磁敏电阻，磁敏二极管、晶体 篓坚盔鲎壁主笺焦擅塞 堑垒一 管等；霍尔元件与其他磁敏元件楣比，具有体积小、灵敏度离、输逝功搴大、工 乍可 靠、性能稳定等明显优点。 有位置传感器的无刷襄滚电枧因其控制楚单，系统开发难度低聪褥到了广泛的应 用。但魑，就其应用情况综合来看，有位置传感器无利直流电视存在许多不足。 安装在永磁无剧直滚电椒席体土的开关式位爨传感爨，目前成本已经基本不是主 要的问鞑。主要的问题在于传惑器的工作可靠性，梭测的位置信号鹩准确凌，对环境 的要求，使用寿命以及在小功率电机本体上安装的空间等。电机在不同的使用条件下 对传感嚣暴有不同的使用簧求，当窀枫使用于 较恶劣的工作环壤下时，对转感器的 工作可靠性是一个较大的考验；当电机功率小。要求体积很小时，对传感嚣的体积和 安漩静空阁裁显愿较为暂刻；男外，即使在电机制造水平离和使用的健感器精度较高 的情况下，如栗传感器在电机内安装精度不商甚至裔较大偏差， 起换相对刻趣蓠或 卷滞质，同撑会造成电机电流的畸变以至于性能的急剧下降。 魏簸戳鑫戳鬣蕊感器安装谡爱弓 起挨裰嚣雩刻产生镶蒺，获嚣释羧逛瓤链熊下辫麦 例邋乏说明准确的检测转予位置对提高电机性能的爨要性。 懿露1 4 联暴为三搀转子袋鼹蕊惑嚣簸窭馈譬耱壤瓤疲毫裁势信号鏊乏及攘毫滚信 号之间的关系示意圈。假设b 拥转子位鼹传感器肖安装偏差，滞后理想换捅时间t o 时刻盘瓣趣，酾在t i 聪粼才出璐上拜澄。则可以分辑在船黠闻段内，各耀邀流蜘变 化情况。 气 | t l j i 。 |l 影 t l 1 ； 。 jl 1 1 i l _ t ： i 1 i i l l i ! ! ； l l lll 系 l 1 i 。 l h h t 鸟lk 赞1 , 4转子位鬟梅感器安装镶差萼l 起换稳融赛g 诶夔鳃暴意隧 如阔1 4 所泳，在t o 时袤之前，龟流鼠a 褶流副c 稻，b 稻菇电流，电磁转耀可 塑坚盔兰整主鲎焦垫塞臻控 以表达为 1 = 二( 略& + 毛) = 二甄+ | 毛| )( 1 ，1 ) 甜拶 而在纽时间段内，反电动势e a 从原来的e 持续下降，反电动势饱不变，因此，根据 式( 11 ) ，如粱此期问保持电流不变，则电磁转矩会下降：实际上这种情况是很难发生 豹，当t o 时剿裂寒时，皮泼是换相隧刻，a 相要关甄，b 超要开遴，疆是因受b 耀位 置镗感器输妊信号延迟，潦成a 相仍嘲导通，两嚣楣延迟开通，如果系统为闭环控 制，则在触的时间内控制系统很难及时的作出控制动作和响应，从而因为a 相反电 动势的幅值下降会导致a 相电流在a f 期间瞬间急剧升高( 如图中虑线所示) ，形成一 个尖辣羚；毯然，渡尖躲狰瞧滚：蓬e 稳，g l 起c 稳毫溅波形瑟伲；邃静褒摹凝一曼爨瑗， 会造成电机剧熟冲击，性熊瑟亿，可能会造成电机失步，甚至使驱动器出现瞬闻i 建流。 如图15 所豕即为因转子位置传感器安装出现较大偏麓而引起相电流畸变的实验结果 图。可见，转子位置检测的准确性对电流乃至电机性熊有至关重曩的影响。 国1 5因转子位置安装出现俊美g l 起电滚波形豌交 因藏，裔位置传感嚣秃尉毫流电枫扶毒8 造、装鬣一壹翻使弼各个环节均其寄较离 的技术要求：但是，实际制造和使用的情况往往受到艇产环境、技术条件的制约和影 响，有传感器的无刷直流电机越来越受到生产应用的谶一步发展的挑战，而无刷岚流 遣礁匏无毯黉售感器技零鞭是可敬提蒜霞置检测糖度，涟簸因捉搬姣经置簧感器鬻来 的对空间位溅和使用环境豹敏感性，进一步降低成本，提高可靠憾等优点，近年来得 到了广泛的必注和相当的熬视。 2 无位囊传感嚣技术 永磁无利壹流毫梳的无位置传感器技术的实矮爨去除电机位鬟传感器，通道使用 硬件电路或糟软件的方法梭测电机电压电流等参数从晰得到转子位鬣信息。因为无刷 直流电机一般工作于1 2 0 。肆通方式下，转子旋转一周，只需要知道2 m 。个转子位鼹 点( 帮按穗杰) 帮霹；嚣魏，零l 曩硬锋壤路或者软终方法莛诗转予经霪露，一般也貔 以准确估计这2 个转予位置点为目标进行。 由此可见，无位置传感器技术的要点就是利用简单易行的方法在全速度范围内准 确可靠的估计转子位置的关键点。此处涉及到几个关键技术点；( i ) 简单易行；所采 取夔转子爱鬣倍诗方法必镁是在理旁豹褥释襄技术墓旗之主霹激实溪疆及窖曩突鬻。 鞋l 江大学博士学位论文 全速度范围；指理想的转子位置估计方法度该j 墼电极从静止开始启动到额定速度 范阉内均可以实现对转子位鬣的估计。( i i i ) 位置储计准确；通避前谣对有位置传感器 技术的论述，不难理孵准确的估计换相点( 转予位置) 对电机的运行具有重要的作用。 就目前无利电机无位置估计技术现状而言，这三个方蔼尤其是后疆者霹以算悬该技术 面临的难点问题。 缴观酵蓠无刷直流毫规转孑佼受估计技术，蓖当其冲的是在全速度范围内的转予 位置的检测问题。当前比较成熟而可行的方法多集中于奄梳在中高速区域遂行耐，能 够对转予饿受较准确的估计，聪在电机处予低速、极低速甚至静止状态下时，因为反 电渤势幅值较小或者为零，无法采用常规的方法估计转予位置，因此这是技术领域嚣 临急待鳃决的问题，也是难点问鼷。 警露掰惑瓿袋矮玉强藿簧黪爨袋术孵，襄葫对不可畿象毫转感器邀掇畿糗 l l | | 戮转 子位鬣而变稃那么容易，需要采淑特剐的措施先翔稍转予位置，然后浮遥相应的相绕 疑使其麴希望嚣方囊开始旋转，遮蕊涉及到对静也状态下转予袋爨浆售诗润磁。般 采取羽方法怒给奄祝绕缀中注入较微弱鹃商凝交流信号，出于该鬻频交滚信号与转予 速度无关，因此，通过检测绕媳端电压并经过处疆，可以嗣来检测低速或静止狡态下 静转予像鬟，遮释清况多薅子热辗转予像鹫麴检测m “h ；赋予骢投遣枫，镳谤方法 的类型从定稚虞上显褥趸少一整，爻笈杂一些 其有代袭健的如，文献【4 2 】采取 砖惫褪绕缝注入瓣雾搴电流然轰溺救窀辩滴靛方法梭爨勰戆转予位麓；文漱1 4 3 】蘩取 特殊的p w m 策略的方法估计低速时的永磁转予像翟；蕊文献【4 4 】通避检测奄濂脉 动褥到反逢动努瓣方法褥爨转予经萋，辩篷摄毫瓤靼戆缀邀援臻遮矮。 以上提到的梭测静止或低逮下的转予位置龅方法寿其潮毒的缺点；如懑频交溅电 浚注入瓣方法螫设计单雯鲢硬传邀潞积谈号处理逝鼹藏穆痔；袁颧售号逐碍憝弓| 越转 矩歇动期谐波损糕；嚣 4 3 】掰爆方法因聚取了修正蜘p w m 方法限制了逛规的调逮 藏围；【4 4 】所爝静方法对电流袋榉电路鞠精凌以及控制计算能力器求较密。雯终， 潋上方法都被弱予检测转子静连续位羹，曼适合锼耀在歪弦登永磁电祝串；两对方渡 型无刷激流奄梳求说，出于其特殊盼工体方式，封号二那些使用在溅弦型永磁电机上用 采蘩诗静止转予馕譬羲方法胃酸使糙；懿是繇些方法蓑被爝在无剃电穰低速辩转予鬣 _ 置信计上，不但黢褥更加复杂，鞭且逐眷特殊鳆朗题嚣要解决。攀实上，对于方波型 秃露塞浚逛较，瓣英王佟予1 2 0 。学遵方式瓣特殊拣，赣爨麓寒羲，在爨这下戆专门煎 转予位鼹估计方法不多，关于遮方面的文献报道媳少；大移数文献或者方法多集中在 i 霞过对联凑的储计方法进行改遴，姨焉扩展其镶遗范强，因此这寅嚣铱然窍银多工作 可傲。 至予中懑遗赋阕的转子位攫髂计方法是发震b 较戏熟的，随麓远见年微电子技本 静发展，这类方法逮过帮茯速瀚运算黎制器裰绪合，往褥箕话计准确凌氇大为提高： 以下主凝介绍几毋申常用的转子位鼹估计技术。 1 ) 反遣韵势法 浙江大学博士学位论文 这是目前应用最广泛也是最成熟的方法之一。其原理基础是转子旋转时，会在定 子绕组上感应反电动势，该反电动势的相位反映转子位置信息，通过检测反电动势信 号间接得到转子位置信号。实际设计中，依靠检测浮空相的端电压得到反电动势过零 点，在过零点之后3 0 。电角度即为换相时刻。检测方法如图1 6 所示。 图16 依靠检测端电压检测转子位置 这种方法本身是建立在忽略电枢反应的基础之上的，对于大功率无刷直流电机， 电枢反应对气隙合成磁场的影响比较明显，使得反电动势过零点与总的感应电动势过 零点不重合，误差加大，会导致检测得到的转子位置误差增大。即使对于小功率的无 刷直流电机，在较低速下甚至静止的情况下，因反电动势幅值较小或者为零，很难通 过检测端电压的方法来估计转子位置，此时基于采取反电动势的检测方法就会受到限 制k 2 3 1 。另外，由于有电容滤波作用，使得检测信号有滞后，需要采取补偿措施。实 际应用中有各种各样的改进措施被提出1 2 4 1 这些措施可以从一定程度上扩展采用这 种方法时电机的低速范围。 2 ) 续流二极管法 续流二极管方法的原理基于电机工作于1 2 0 。导通方式下时，通过检测反并联在浮 空相开关管上的续流二极管的电流状态来判断转子位置1 2 5 1 。因为当无刷电机工作于 1 2 0 0 导通方式下时，由于p w m 调制以及反电动势的作用会引起浮空相端电压高出直 流母线电压或者低于零电压，因此会使相应的上桥臂二极管或下桥臂二极管导通，从 而在浮空相流过电流；该二极管的导通时刻与转子位置相对应。 续流二极管方法的本质还是基于反电动势的，该方法能够弥补反电动势检测法在 低速下的不足，能够检测更低的速度范围。随着功率器件集成化的趋势越来越明显， 该方法越来越受到挑战，因为它需要单独检测出与每只开关管并联的二极管的状态， 因此，用分立功率器件搭建起来的驱动桥才可以满足，如果是集成功率器件，该方法 无法实施。此外，该方法还对p w m 调制措施具有一定的要求；速度较低时，会因反 电动势幅值较小带来位置估计误差增大的问题：最不方便的是该方法需要六个互相隔 离的电源给比较电路，因此，该方法实现起来具有一定的复杂性。 3 ) 电感法 该方法的原理基于凸极永磁转子旋转时，定子电感是转子位置和相电流的函数， 定子绕组电感会随着转子位置的变化而变化，检测定子绕组的电感变化估计转子的位 堑望盔堂堕主燮焦造塞 一一一羔i l ：一 置信感z 捌。经避合适的设计，该方法可以达到较裹的检测精度；但燕该方法实现难 度较大，在电机运行过程中，需要对定子绕缢电感刁i 停静进行检测和计算如果抛开 这些缺点，该方法最大的优势在予能够检测电机在低速运行时甚至静止状态下时的转 子位麓；在诧基础之上，衍生出许多其蚀方法，比絮对予凸极无剧毖流电虮采用在定 子绕组中注入微弱的高频交流信号，通过对湍电压的检测处理得副转子位置1 2 7 1 。 4 ) 磁链观测法 永磁窀梳某相电枢绕组哥以被表达为如下关系式： y ：r f