（电机与电器专业论文）dmic永磁无刷直流电动机的弱磁扩速的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ab r u s h l e s sm o t o r ，a si t sn a m es u g g e s t s ， i sam o t o rw i t h o u tb r u s h e s ， s l i pr i n g so rm e c h a n i c a lc o 唧u t a t o r t h eb u r s h l e s sd cm o t o ri se s s e n t i a l l y c o n f i g u r e da sap e r m a n e n tm a g n e tr o t a t i n gp a s tas e to fc u r r e n t c a r r y i n g c o n d u c t o r s i nt h i sr e s p e c ti ti se q u i v a l e n tt oa ni n v e r t e dd cc o m u t a t o r m o t o r c o 唧o n l y ， ab r u s h l e s sd cm o t o risc o m p o s e do fa ni n v e r t e r ，s h a f t s e n s o ra n dap u r es y n c h r o n o u sm a c h i n eo fw h i c ht h eb a c k e m fi su s u a l l y t r a p e z o i d a l t h e r ea r ed i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n sa n da p p l i c a t i o n so fb r u s h l e s s m o t o r s ， s u c ha sr e c o r dp l a y e r s ，v c rp l a y e r s ，d r i v ef a n s ， b l o w e r s ， e l e c t r i c a lt o o l s e l e c t r i cv e h jc l ea n ds oo n w h e ne s p e c i a l l yu s e di ne l e c t r i cv e h i c l e ，i ti sh o p e dt oh a v eaw i d e s p e e dr a n g e b u tt h em a g n e t i cf i e l df o rp mm o t o r si sh a r dt ob ew e a k e n e d ， w h i c ht h e r e f o r ea r i s e sm a n yr e s e a r c h e r s i n t e r e s t sn o w a d a y s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，an e wc o n t r o lm e t h o do fb l d c mi sp r e s e n t e d i no r d e rt og e taw i d es p e e dr a n g e t h es i m u l a t i o nm o d e l so ft h et w o c o n t r 0 1s y s t e m sa r eb u i l tw i t hm a t l a b s i m u li n k f r o mt h es i m u l a t i o n r e s u l t ， i t se a s yt of i n dt h ea d v a n t a g eo ft h i sn e wm e t h o d a n de x p e r i m e n tb a s e do nt h en e wc o n t r o lm e t h o di sc o n d u c t e d b o t h t h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i i 玎e n ta 1 1s h o 唧t h a tt h i sm e t h o di s b e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lm e t h o dw i t h o u ta n yc h a n g i n go ft h em o t o rr o t o r k e ，。舶r d s b l d c id m i cf i e l dw e a k e n i n g i i 浙江大学硕士学位论文 第一章 第一章绪论 本章首先阐述了本课题的研究背景和意义，然后回顾了无刷直流电机的发展，和近年来 无刷直流电动机设计、控制方面的最新进展，回顾了课题相关领域的研究现状。最后介绍了 本文的研究目标和各章的安排。 1 1 课题的背景及选题的意义 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安 全法规各项要求的车辆。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力 等，解除人们对石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低 谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。研 究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车， 其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约 能源和减少二氧化碳的排量，正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车 工业的一个“热点”。 我国大城市的大气污染已不能忽视，汽车排放是主要污染源之一，我国已有 1 0 个城市被列入全球大气污染最严重的2 0 个城市之中。我国现今人均汽车是每 1 0 0 0 人平均1 0 辆汽车，但石油资源不足，每年已进口几千万吨石油，随着经济 的发展，假如我国人均汽车持有量达到现在全球平均水平每1 0 0 0 人有1 1 0 辆汽车，我国汽车持有量将成1 0 倍地增加，石油进口就成为大问题。因此在我 国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略考 虑。电动汽车的困难是目前蓄电池单位重量储存的能量太少，还因电动车的电池 较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵，至于使用成本，有些试用的电池比 汽车贵，有些电池成本为汽车的1 3 ，这主要取决于电池的寿命及当地的油、 电价格。 被认为是“未来汽车”的电动汽车分为三种：纯电动汽车( b e v ) 、燃料电池 电动汽车( f c v ) 和混合动力电动汽车( h e v ) 。纯电动汽车是指以车载电源蓄电池为 动力，用电机驱动车轮行驶的汽车；燃料电池电动汽车的特点是，将燃料中的化 学能直接转化为电能的能量转化装置，它的特点是能量转化效率高，约是内燃机 的2 3 倍，生成物是水，不污染环境，缺点是造价太高，目前仅燃料电池的价 浙江火学硕士学位论文 第一章 格就要2 5 万美元；混合动力电动汽车是装有两个以上动力源的汽车，最常见 的是在城里用电机驱动，在城外用内燃机驱动。 电动汽车的核心技术在于供电系统和驱动系统。电池领域的研究正日新月 异。在最近，日本庆应大学成功研制出八轮锂电池汽车，据报道该车最高时速可 达3 7 0 公里，是世界上速度最快的电动汽车。电动汽车的电驱动系统主要包括电 动机功率电子单元，同样也是研究热点。目前电动汽车所采用的电驱动系统主要 分为有刷直流电动机系统、感应电动机系统、开关磁阻电动机系统、永磁无刷电 动机驱动系统等。 国内外分析均表明，永磁电机具有转矩密度、功率密度较大的特点，这使得 永磁无刷电动机越来越成为电动汽车电驱动系统的最佳选择。一般地，为满足车 辆低速时大起动转矩、高速时低转矩的要求，电动车辆驱动系统在高速时，应该 具备恒功率运行能力，以保证电机以最小功率定额和体积满足车辆驱动力矩特 性，即低速时具备大转矩以产生大加速度，高速时只需要较小转矩以维持车辆高 速运行且确保驱动电机的安全。充分利用电机的扩速能力，最大限度的减小驱动 电机的额定功率和体积，是降低造价、节省车辆空间的有效措施。 电机的弱磁扩速是基于这样一个事实：当电机转速升高，引起定子反电势增 加，当反电势高于逆变器端部电压时，由于逆变器电压、电流容量限制，逆变器 无法向电机提供电流将能量送入电机，导致了有限的扩速效果。因而，必须在逆 变器容量不变的前提下减弱磁场，实现电机弱磁，以抵消反电势的增长。 但是由于永磁体励磁不可调节，高速所需的弱磁运行具有相当难度。国内外 许多学者对永磁电机恒功率弱磁控制已有相当的研究，其中最显著的成果是永磁 同步电机( p m s m ) 的恒功率弱磁运行，但在永磁无刷直流电机( b l d c m ) 恒功率弱磁 研究上，无论是弱磁机理、分析方法、还是实际样机制作上都相当的欠缺，亟需 进行深入研究。本论文正是在这样的背景下进行了b l d c m 恒功率弱磁的相关研究。 1 2无刷直流电动机的发展状况 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其 x 浙江大学硕士学位论文 第一章 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。为了克服机械式换向器带来的缺点，以电子换向取代 机械式换向器的永磁无刷直流电动机应运而生。 1 9 1 7 年b o l i g e r 提出了用整流管代替有刷直流电机机械电刷的无刷直流 电机的基本思想 1 9 5 5 年美国的d h a r i s i o n 等人申请用晶体管换向电路代替机械电刷的 专利 1 9 6 2 年借助霍尔元件实现换流的无刷直流电机试制成功 1 9 7 8 年商用无刷直流电机正式推出 1 9 8 6 年 lr b 0 1 t o n 在一篇论文中对无刷直流电机进行了较为系统的 研究，分析了相数、极对数和永磁材料等对无刷直流电机特性的 影响，标志着无刷直流电机在理论上走向成熟。 近年来，国内外许多学者对无刷直流电动机进行了分析和研究取得了一些成 果并发表了许多相关论文，他们对该种电机的运行原理、设计方法、分析手段和 特性仿真以及控制技术等方面做了许多研究工作。以下做一简单的回顾。 1 2 1 无刷直流电动机的设计 在永磁无刷电动机设计中，电枢绕组的相数、极数、槽数、绕组的排列及连 接方式有较多选择自由，不同选择对电机性能有重要影响。无刷直流电动机和永 磁同步电机相似，电枢放置多相绕组，多相绕组由功率电子元件的开关电路供电， 电枢绕组相数可以在较大范围内选择。绕组的相数用的最多的是三相。绕组相数 选择应该考虑到绕组的利用程度、电子开关电路的复杂程度及成本、转矩脉动及 开关元件的应力等。相数越多，绕组的利用程度越低，但开关元件数增加，电路 复杂，成本也增高，转矩脉动会减小。 无刷直流电动机的转速与极数( 通过反电势) 有一定的约束关系。在确定电机 主要尺寸，选择极数时，应综合考虑运行性能和经济指标。考虑极对数与材料利 用率，若气隙磁密及电枢直径不变，随着极数增加，每极磁通减少，使得定子轭 部减少，用铁量减少；同时定子绕组的端部将随极距减小而缩短，同样电流密度 浙江大学硕士学位论文第一章 提高电机性能提供依据，特别是低成本的无刷直流电动机，仿真研究尤为重要。 在永磁无刷直流电动机的性能仿真领域，国内外学者做了很多工作。文【5 】 根据电机的数学模型和运行原理，通过m a t l a b 软件的s i m u l i n k 的p s b 模块，搭建 了电机及整个控制系统的仿真模型。从仿真结果看出，该电机模型及控制系统跟 实验的相符合。 文【6 】在分析无刷直流电机数学模型的基础上，提出了无刷直流电机系统 仿真建模的新方法。在m a t l a b s i m u l i n k 中，建立独立的功能模块，如b l d c m 本体 模块、电流滞环控制模块、速度控制模块等，再进行功能模块的有机整合，搭建 无刷直流电机系统的仿真模型。电机的电感参数是进行特性仿真计算的基础，也 是间接评价电机性能优略的重要依据。电机的电感参数计算可以由磁场分析来完 成，也可以通过磁路计算来获得。磁场分析方法比较复杂，但精度较高：磁路计 算方法相对简单，便于对大量设计方案进行对比研究，尽管精度稍差，但一般仍 可以满足工程计算精度要求。 场路耦合的仿真研究也日趋深入。文献【7 】提出了一种耦合电力电子电路 和控制为一体的电机电磁场有限元时域动态仿真分析方法。建立了一种新的开关 元件特性统一方程。该方法可以在一个拓扑结构下建立场路耦合方程，能自动判 断开关状态，准确性强。用此方法分析无刷直流电机的运行特性计算量较大。 时步有限元方法一根据上一步计算得到的电流，转子位置和电机运行控制 策略决定电路在当前步的导通情况，如此计算下去，得到电机的运行特性。文献 【8 】采用场路耦合时步有限元法对一台采用轮毂式外转子电动机的性能进行了 分析。在永磁体采用等效面电流处理时，文中对不同区域给出了对应的磁场方程 和相应的离散方程。由于场路耦合时步有限元法在计算过程考虑到了电机铁心饱 和、电枢反应和永磁体内涡流等复杂情况，因此更加适合用于研究电机的运行性 能。 1 2 3 无位置传感器的位置检测技术的发展 由于特殊应用场合的要求，对于无位置传感器的控制技术，关键在于速度或 位置的观测与估计，而观测和估计的方法又随着永磁电机的不同类型有所不同。 无刷直流电机的无位置传感器位置检测方法主要有：反电动势法( 包括端电压检 浙江大学硕士学位论文第一章 保证系统稳定性的同时加快了响应速度，解决了传统的变结构控制器设计需要事 先测定扰动量范围的问题。在线调整模糊控制器输出的白适应算法，可以简化模 糊控制器的设计。 模糊p i d 控制的应用5 1 如何在较宽的调速范围内提高电流调节特性及减小转矩波动一直是交流伺 服系统的研究焦点。模糊控制具有不依赖被控对象精确数学模型的优点，对系统 动态响应有较好的鲁棒性，但难以消除系统稳态误差，而p i d 控制方法可以很好 地解决这一不足，将两者结合起来可以同时获得两种方法的优点。 模糊神经网络控制应用6 1 在大误差范围内采用模糊控制器来改善性能、提高快速性，同时在小范围内 采用神经网络控制器，可以达到精确定位的目的。 遗传算法和模糊控制结合n 7 1 遗传算法具有不需要求梯度，能得到全局最优解，算法简单，可并行处理等 优点。而模糊控制器的设计只能依靠设计者的经验和反复调试。把遗传算法优化 隶属度参数后的模糊控制器应用于无刷直流电机伺服系统，从理论上来说是完全 切实可行的。 智能控制是控制理论发展的高级阶段，包括模糊控制，神经网络控制，专家 系统等。智能控制系统具有自学习、自适应等功能，能够解决模型不确定性问题、 非线性控制问题以及其他较复杂的问题。 1 3 无刷直流电机的弱磁研究状况 近年来永磁同步电机p m s m 的恒功率弱磁研究取得了很多进展，一方面从电机 本体设计上想办法，一方面研究出更多的控制方法。适合弱磁运行的新电机结构 与控制 x 浙江大学硕士学位论文 第一章 围己达n 4 倍基速。 文【2 2 】中提出，虽然磁阻电机调速范围宽广，但功率密度低，不含磁阻转 矩的永磁电机虽然功率密度高，但调速范围有限，难于实现恒功率运行。本文提 出一种轴向叠片内嵌式永磁体结构的同步电机，电机的转子由一层软磁材料一层 不导磁材料相间地叠压而成。这样，它同时具备永磁转矩和磁阻转矩，在保持高 功率密度地同时，还具备较宽广的恒功率运行区间。由于永磁材料位于直轴磁路 上，这类电机的交轴电感l q 大于直轴电感l d 。文章中作者的样机可以获得5 3 倍 的扩速效果。这类电机本质上更接近于磁阻电机。这类电机功率密度较纯磁阻电 机有所提高，但由于采用了软磁材料，因而它的功率密度仍然不高，体积相对较 大。 在无刷直流电机的弱磁扩速研究方面，最早被提出的方法是调节电流超前反 电势的角度( 即c p a 电流超前角法) 。通过增大电流超前角，可以减小与永磁磁场 交链的定子导体匝数，从而减小了与永磁磁场交链的定子绕组磁链，实现了等效 弱磁。 香港大学的c c c h a r t 教授等，在文【2 3 】中，开发了一种五相二十二极电动 汽车用永磁无刷电动机。这种电机借助变压器反电势抵消旋转反电势，成功实现 了基速以上的宽范围恒功率弱磁运行。此外采用五相二十二极可以通过多极结构 减少轭部铁耗，利用多相设计减少绕组端部用铜。如图卜2 。 r e f * r 吖 图卜2 五相二十二极无刷直流电机 浙江大学的严岚博士，在文1 2 4 中借鉴复合转子结构在永磁同步恒功率中 的成功运用，将这种结构引入永磁无刷直流电机中，如罔卜3 ，并完成了两台不 浙江大学硕士学位论文第一章 同磁阻形式和功率、电压等级的原型样机的研制。针对原有d q 轴法的局限性，提 出了用场路结合法实现对永磁无刷直流电机的弱磁分析。并进一步提出了采用永 磁段、磁阻段双d 轴错角以扩大转速范围的新思想，并在实践中验证了这种双轴 空间错角技术的有效性。 永磁段磁阻段 图1 3 复合转子式 华中科技大学的袁沂辉等，在文【2 5 】中介绍了一种基于瞬时无功功率理论 的永磁无刷直流电动机弱磁调速新策略，通过控制无功分量s 。达到弱磁的效 果。仿真结果表明，与传统的弱磁方法相比，该方法最大的优点是能够提高弱磁 调速范围，减少了转矩脉动。 美国o r kb r i d g e 国家实验室的j s l a w l e r ，在文【2 6 】中通过对无刷直流电 机的超前触发方法( c p a 方法) 进行m a t l a b 仿真，作者发现，超前导通后的无刷 直流电机电流可以分为电动区和回馈区，回馈区抵消了电动区的很大一部分能 量。c p a 方法对电机内电感敏感，达到的扩速范围有限。另外，他们在文 2 7 】 中提出了一种适用于普通面贴式无刷直流电机的双模式新型逆变拓扑结构( 又称 为d m i c 逆变器，d u a l m o d ei n v e r t e rc o n t r 0 1 ) ，文章称可以达到很好的弱磁扩 速效果。通过在逆变器中加入双向反并联晶闸管，抑制开关元件反并联续流二极 管的开通造成的能量回馈，提高了扩速范围。 1 4 本文的研究内容及结构安排 浙江大学硕士学位论文 第二章 l j ； i l ： i ； 悸 j 轰扩歹 麟 冀篓i 馨篓 萋 蠹 二 i 蓦| ! ； = ll 鬻j ? i 蓐 鋈i 囊；囊麓j 一 毳 i ! 囊 头i ；l g ； 未 ；釜蘩 ! ：一 譬；专摹；羹i ! i 聪 ；翼= 鞣攀j 番 l , 1 4 ；三二；i 瓣 錾蠢鞘 。黧i 汗江 茹“印f 兰摹 羊蔑 青i 、 蠹菱粤联 兰；一i新副寥i l 副可l 爸蒲戮零i 矧磁稻鞘蚕攀藏i 用该方法的 电机可稳定工作的转速下 限较低，调速范围比较大。该方法的缺点是实现电路稍复杂。 反电势三次谐波检测法的检测灵敏度很高，使电机的稳定工作转速下限较 低，启动容易，系统的调速范围较大。该方法的实现电路较端电压检测法稍复杂 一些。 绕组电感检测法利用电枢绕组电感检测电机转子位置，这种方法的计算量较 大，绕组电感计算精度受电机参数变化的影响。 状态观测器法即转子位置计算法，是将电机三相电压、电流作坐标变换，在 派克方程的基础上估算出电机转子位置的一种方法。状态观测法一般只适用于感 应电势为正弦波的永磁无刷直流电机，且计算繁琐，对控制器性能要求较高。 1 2 4 无刷直流电机的转矩脉动抑制问题 高性能的运动控制系统要求电机转矩平滑，而无刷直流电机本身所具有较大 的转矩脉动大大影响了它的使用。针对这一问题，人们从电机本体和控制方法两 方面提出了多种转矩脉动控制方法川“1 。 1 2 ，5 现代控制理论的应用 现代控制理论的发展产生了许多先进的控制方法。 浙江大学硕士学位论文 第二章 v d v v 图2 7 基速以下的导通换流情况示意图 按照图2 2 的开关管触发示意图规定的触发顺序，根据电路理论，由图2 7 的分析可以看出，基速以下从a b 向a c 换流时，b 相上桥开关管的反并联续流二 极管会短暂导通，使原来b 相的电机等效电路等效电感内的电流减小到0 。之后 此二极管承受负压自动关断。所以图2 2 理想的a 相上桥前6 0 度电角度导通阶 段即a 百阶段，在实际电路中表现为短暂的a b c 阶段和a b 阶段。 t 1 浙江大学硕士学位论文薷二壹 a 相瞬刚功率分量为吒t 。罔29 为仿真分折的超前角为3 9g 度时的电流、 反电势和瞬时功率波形。可以看出在a 相反电势还为币时，a 相电流过零为负，由 于反电势和电流符号相异，能量通过续流二极管回馈到电源。正是基于这一点， 在新嚣! 洲i c 逆变器中才加入晶闸管，利用晶闸管电流过零自动关断的特点，截断 负电流分量。 ：一九 ： fk ， h 。 ；一j 伴卜 硎_ ，一1i id 。 秽一一 i 锄- v ，。 ， ： l ；，“： 、一 ( a ) 堋电源渡形( 负载实验) ( b ) 蝴上桥触发腑中和a 相电流波形( 仿真) 图21 0 负载实验和负载仿真下的a 相电流波形 另外通过观察图2 一l o ，与图2 4 不同，它足在负载条件下的实验和仿真波形， 可以看出电流在开关管关断后迅速减小到o 后，并负向增长。由于开关管关断前的 电流还比较大，从能量的角度分析，希望这个电流可以缓慢的减小，从而有更多的 功率传输到电机侧。由于在开关管关断前电流已经在减小，所以可以调整开关管 的导通时间宽度，让这部分电流自然减小到o 。所以在超前一定角度后可以将开关 管导通宽度改变，奉文中在一定转速后，将开关管从超前1 2 0 度导通型变为超前 1 6 0 度导通型，后文叫以看到这种改变带来的效果。 基于图1 - 4 所示的新的拓扑结构闺2 “是开关兀件控制信号示意图。主开 关元件仍然按照正常超前导通换向，在开通主开关元件的同时送触发脉冲给所 在相的s c r 对于如图超前开始的t 0 时刻，送触发信号给q l 的同时送脉冲给t 1 ， 在6 0 度时，考虑到0 6 0 度内q l 的电流可能减小到o ，从向补发一个脉冲给t 1 。 虚线对应的是1 2 0 度导通延长至1 6 0 度导通方式。其他开关元件的控制类似。 浙江大学硕士学位论文 第二童 d幺 ， ij v j0 j?、 i - ，曩 ， 一 o ； ! 1 ，：。 q 1 0 ： 0 i 2 2 0 ? l - _ 2 4 ii ：1 8 0 | _ 】 ，l： _ l i l 8 ir 口 。30 03 q 。j 36 il 韵 、 n 1 2 0 。q 21 一 i；0 。：_ ! 【2 。nf j q 罩： u i r a 4 ， t 4 。q 5 - ： 7 丁5 _ - ， 。f “蕊l ， ： ， l【ji 1 一 ：1 1 b ： f = ! 图2 1 l控制信号示意图 f 逞1 = 莒吾兰 f i + 鲁f 荔 等为相电压， 屯等为相电流，b 为绕组相电阻，虬等为定子磁链， 浙江大学硕士学位论文第二章 它又可以表示为 刚冬琳1 + 鬻 静葡雾。耕鱼精谨箱￥育算辞w 鼯塑# 抟群瓢，铠妻： 荔 鼋； 冀 一l 薹雾嚣l l l l 萌蒸i i 薹雾霎耄l l i 霪；薹鋈雾| 雾雾| l i 耋薹i l 冀! 霆l 后1 ：寸论了宴验结果回 馈，因而 扩大了恒功率速度范围。 本文的第二章对无刷直流电机及其常用扩速方法做介绍，并对本文使用的方 法详细介绍。第三章主要涉及这种新型d m i c 逆变器的扩速系统的仿真，并讨论 了仿真结果。第四章对上面的 鼋樯埽员疚氖褂玫姆 法详细介绍。第三章主要涉及这种新型dmic逆变器的扩速系统的仿真，并讨论 了仿真结果。第四章对上面的方法进行了实验研究，随后讨论了实验结果。 x 塑蛰型型塑l 墨兰 工( b ) 五( 工( 、 i j 畦ji 争鼍号中悸脚一 ； 卅 孽o | n 节。一 ； 护 秽 口 由于面贴式8 l d c m 为隐极型电机，电感不随空间位置变化，且各相绕组空间 位置对称性，故有： 厶= k = k = k ：厶。：瓦：m ， k 2 k 2 = l ，为定子绕组的相磁链。其中上式中l 为自电感，m 兰 2 莒吾兰 i + 妄f z l 兰量 匿 + 圣 c 。一， 既然有+ 屯+ = o ，那么坛+ 蛾+ 蛾：0 带入上式中有： 览 出 d i b 出 嚷 西 = 雎i 习 莲 一f 言吾主丌i 1 一f 圣1 c z z ， 兵中l s = l m 转矩方程和运动方程分别为： t2 华= ( 导 喜例们z 书 ，警= 一t 浯a ， 其中t e 为电磁转矩，p 为极数，j 为转动惯量，q 为转子机械转速，t t 为负载 转矩，这里忽略阻尼转矩的影响。 电机的总瞬时功率表达式： 乙2 巳+ + q = t ( 2 - 5 ) 浙江大学硕士学位论文 第二章 其中= q ( 2 1 p ) 为转子机械转速。 在d m i c 逆变器拓扑中加入双向晶闸管，可以控制相电流来调整公式2 一l 中的 变压器反电势。从能量角度来看，控制了电机在高速时向电机回馈的能量，从而 提高弱磁范围。 浙江大学硕士学位论文 第三章 第三章d m i c 永磁无刷直流电动机的仿真研究 本章建立了无刷直流电动机的仿真模型，先对各个模块做了简要的说明。然后对一台电 机进行了仿真分析，之后讨论了c p a 方法和3 m i c 方法下的仿真结果。 3 1 永磁无刷直流电动机的仿真模型 在基速以下，相关的仿真文献较多，有采用转速电流双闭环的p i 控制方法的 1 ，也有采用各种智能控制方法的仿真。鉴于本文的重点在于研究基速以上的不 同逆变器控制方法下的扩速情况，基速以下的仿真不再赘述。 基于上一章所述的无刷直流电机动态数学模型，本文在m a t l a b s i m u l i n k 环 境下建立了仿真模型，能够分析瞬态的电路情况。建立的仿真模型如下图3 - 1 所 不： l h - 图3 一l 仿真模型 下面对图3 - 1 的各个模块做简要的说明： ( 1 ) b l d c m 本体模块 此模块根据b l d c m 数学模型的等效电路而构建，仅考虑普通的面贴式b l d c m 见图32 所示。 浙江大学硕士学位论文第三章 图3 2 无刷直流电机模型 上图中，反电势通过压控电压源送入等效电路。反电势则是通过查表法查出， 简单而易行。模块原理见图3 3 。 图3 3 反电势产生模块 值得说明的是，表的横坐标方向数值范围为o 一2 厢，图中定义的0 为0 的时刻为 a 相反电势过零时刻。此处的反电动势系数k 为相反电动势系数，有别于某些场 合习惯用的线反电动势系数，如果知道的是线反电动势系数，需要除以2 。 ( 2 ) 电压逆变模块 我们采用s i m u l i n k 下s i m p o w e rs y s t e m s 库里的逆变器模块和晶闸管器件来 实现电压逆变模块。传统的逆变器不需要晶闸管器件。逆变器和晶闸管的触发信 号由m 函数编程来实现。通过位置信号判断电机所处的运行阶段，给出相应的触 发信号。通过几个i f - e l s e 函数可以简单的实现此功能。 图31 中的t h e t a i 算及映射模块是用来计算电机所处的位置的。在由转速 积分获得转子位置角0 后，将其映射到0 到2 r e 内，便于查反电势表。这个功能也 是n m 函数实现的，其中用到了m a t l a b 内部的f i x 函数，它的功能是用来取整。 浙江大学硕士学位论文 第三章 ( 3 ) 其他部分说明 利用b i ，d c m 的转矩关系式实现，图3 1 中的转矩计算模块的实现如图3 4 ： 图3 4 转矩计算模块 负载切换子模块利用m 函数实现了在电机达到基速后某时刻按照给定的超前 角切换。电机在基速以下的负载是恒转矩负载，电机在基速以上是恒功率负载。 恒功率负载的具体值a m 函数根据输入的转矩计算得出。 本文的仿真未考虑空载情况，转矩表达式中忽略了空载转矩，如果要做空载 情况的仿真需要考虑如下的空载转矩。 空载转矩t o 可以近似地用下式来表示： 厂t o = 磊一+ 占”，w r 0 li t o i t o m a x , w r = 0 对于某一电机的转子，只有当驱动性质的电磁转矩与制动性质的转矩之差大 于最大静磨擦转矩矗。时，电机的转子才能旋转起来。 图31 中的瞬时功率求解模块是利用第二二章3 节的公式2 4 来实现的，用于观 察= - - n 瞬时功率的变化情况。 基于以上建立的仿真系统，我们对一台参数为：三相1 2 极、3 7 k w 、额定转 速2 6 0 0 r m i l 3 ，等效自电感为7 3 6 h ，相电阻0 1 1 8 q ，反电势系数为0 0 4 5 4 2 ， 额定转矩为1 3 5 6 n m ，额定电压1 8 0 v ，额定电流2 4 5 a ，峰值电流3 0 0 a 的无刷直流电 机进行了研究。 仿真采用变步长的o d e 2 3 t b ( s t i f f t r b d f 2 ) 方法，最大步长限$ 1 j l e5 相对误 差，绝对误差限制为l e 一6 。经过仿真分析，这样的条件下不会由于仿真精度而解出 不符合实际的波形。在其他电机参数下，仿真参数设置可以酌情调整，以尽量减小 仿真时间。 浙扛大学硕士学位论文 第三章 图3 5s c r 及开关管触发信号 图3 - 5 依次是a 相上桥，a 相下桥，b 相上桥和b n 下桥的s c r 及开关管触发信号 波形。图36 是三相反电动势波形。 图36三相反电动势波形 3 2 基于普通逆变器结构的c p a 方法扩速效果分析 在基速以下，d m i c 拓扑中双向晶闸管将永远导通，那么基速以下的运行状况 基本和普通逆变器一样。当然双向晶闸管上会有一定的导通压降，表现为在相同 的外加母线电压和负载下，d m i c 逆变器的额定转速略有下降。基速稳态的相电流 浙江大学硕士学位论文第三童 波形如图3 7 。 图3 7 基速相电流波形 我们先对普通逆变器下的电流超前方法的效果进行了仿真分析。图3 8 为超 前角分别为2 3 度、3 9 9 度、4 5 5 度时普通逆变器下的电流波形。仿真结果表明， 在小超前角时切换，电流波动较小，稳态电路电流峰值小于额定电流，电流波形 仍然类似于基速时。当超前角较大时，电流波形变化，如4 5 5 度时电流近似正弦 波，电流峰值随之也变大。在4 0 度左右时电流峰值逼近额定值，所以限制了扩速 倍数。当超前角再增大时，电流峰值迅速变大，当然扩速倍数也有较大增长。图 3 - 9 为普通逆变器拓扑下扩速效果，电流大小和扩速倍数的基值分别为额定电流 和额定转速。由图3 9 可知，在保持逆变器容量不变条件下，普通逆变器拓扑能 达到的最大扩速倍数约为1 2 7 左右。 图3 8 超前角分别为2 3 度，3 9 9 度，4 5 5 度时普通逆变器下的电流波形 图3 9 普通逆变器结构下超前角与相电流峰值的关系曲线 3 3 基于d m i c 逆变器结构的扩速效果分析 浙江大学硕士学位论文 第三章 d m i c 逆变器中，电机运行到基速以上仍然按照c p a 的方法进行电流超前控 制，另外在每次触发导通相的开关管时还应该给相应相的晶闸管送触发窄脉冲。 当相电流过零时，晶闸管自动关断。图3 1 0 是d m i c 拓扑下超前5 1 3 度时的a 相触 发脉冲和电流波形。可见类似基速以下的电流波形。图3 1 1 是d m i c 拓扑下超前 5 1 3 度时的转速波形。 图3 1 0 超前5 1 3 度时的a 相触发脉冲和电流波形( d m i c 拓扑) 图3 1 1 转速波形( d m i c 拓扑，超前5 1 3 度) 图31 2d m i c 逆变器和普通逆变器在超前4 5 度时a 相瞬时功率对比 图3 1 2 是d m i c 逆变器和普通逆变器结构下超前4 5 度时a 相瞬时功率对比图， 由图可知在相同超前角下，d m i c 逆变器的a 相瞬时功率中，负功率的成分明显减 少。在恒功率负载下每相的瞬时功率峰值没有普通逆变器那么大，因此相电流可 浙江大学硕士学位论文第三章 以得到抑制，从而允许更大的超前角，达到更大的扩速范围。 图3 1 3d m i c 拓扑下的扩速曲线 超前角度 图3 1 4d m i c 拓扑基速以上电流大小 图3 1 3 和图3 1 4 是d m i c 逆变器结构下，超前角与扩速倍数，相电流峰值的关 系。由图可见d m i c 逆变器结构的电流峰值抑制效果，允许一个更大的电流超前 角从而能获得比较大的扩速倍数。当在电机运行到较高转速时，可以将无刷直流 电机从传统的1 2 0 度导通型切换n 1 6 0 导通型。由图可知切换到两两、三三混合导 通型后有利于扩速范围的提升，对电流有更好的抑制效果。由图31 3 和3 一1 4 所示 仿真结果表明，在保持逆变器容量不变的条件下，这台电机在d m i c 拓扑下其超 前角为9 0 度左右时，可以达n 5 6 倍的扩速效果。 从仿真结果我们可以看到基于d m i c 的无刷直流电机弱磁控制系统比基于普 通逆变器结构的控制方法有更好的扩速效果，且不涉及电机本体的改造，从而降 低了整个电机的成本。 3 4 基速以上恒转矩负载卜i 的扩速效果分析 浙江大学硕士学位论文第三章 f 丽 l + d r 4 c 1 2 0 l i 土地i i q l 相电瀛峰值 图3 1 5 三种控制方式下的超前相电流峰值与扩速倍数曲线 如果在基速以上，仍然保持恒转矩负载，图3 一1 5 是c p a 超前、d m i c 超前1 2 0 度导通方式、d m i c 超前1 2 0 度和1 6 0 度混合导通三种控制方式下的超前相电流 峰值与扩速倍数曲线。三幅图都是在超前角不超过6 0 度情况下，取几个超前角得 到的。如果逆变器最大安全电流允许比额定电流大，那么通过图3 一1 5 可以看出， 在同一扩速倍数下，d m i c 超前1 2 0 度和1 6 0 度混合导通方式比其他两种方法的 相电流要小，有最好的电流抑制效果。 浙江大学硕士学位论文 第四章 将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的 解决方案。下列特性使得t m s 3 2 0 系列成为很多处理应用的理想选择：灵活的指令 集；内在的操作灵活性；高速的运算能力；改进的并行结构；有限的成本。 在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础上，t i 公司提供的t m s 3 2 0 f c 2 x x 系列是一款针对 电气传动领域专门设计的d s p 芯片。在硬件设计上，它通过数据总线与地址总线 相分离，哈佛结构和流水线结构实现高速处理能力，其q b 2 4 x 系列的单指令周期 可达5 0 n s ，此外芯片内部还集成了三个全比较单元，可产生六路互补p w m 输出； 三路简单p w m 输出，三路定时器p w m 输出，双八路1 0 位a d 采样单元，4 路c a p 口( 其中两路输出与q e p 电路输出复用) ，内部集成异步串行通讯接口( s c i ) ， 异步串行外围接口( s p i ) ，上述特点使得t m s 3 2 0 f 2 4 x 系列d s p 非常适合电气传 动领域的需要。 实验程序中充分利用到7 d s p 的p w m 发生单元、多路数字i o 口、c a p 捕获 单元、外部中断单元、q e p 正交捕捉单元和定时器单元等，这些硬件功能的集成 极大简化和方便了系统的设计。 图4 2 是d s p 的外围接线示意图，实验中一共用到了6 个p w m 输出口，2 个q e p 正交编码输入口，3 个c a p 捕获单元输入口，3 个普通i 0 口用于s c r 控制还有1 个外部中断输入口( 用于改变超前角) 和1 个普通i o 输入口( 用于控制电机启动 按钮) 。其中q e p 正交编码是光码盘的输入，为了得到准确的超前位置信号。c a p 捕获单元用于接入三相霍尔位置信号。 浙江大学硕士学位论文第四章 司的p o w e rm 0 s f e t ：i r f 7 4 0 ，其主要技术参数如下： v m = 4 0 0 v ，r 4 0 度和 4 0 度两种情况下略有不同，所以程序 中除了有正常换向的子程序，超前1 2 0 度换向的子程序，还有4 0 度上下两种1 6 0 导通情况换向的子程序。对照图4 - 1 0 ，图4 1 1 ( a ) 是不超前的1 6 0 度导通型时 的示意图。当要求超前导通时，在霍尔信号获得的基准位置不变情况下，可以按照 不同超前角的要求，移动图4 一1 1 ( a ) 的超前位置，实现电流超前导通，可以发现超 前角在4 0 度上下时，区间内第一次换向位置和第二此换向位置的有相对变化，如 图4 1 1 ( b ) 、( c ) 所示，那么t 2 计数器比较值的计算方法和设置有所不同。 1 2 0 度和1 6 0 度两种超前导通换向程序，也是通过换向状态字查表，查出需要 导通和关断的开关管。查表换向的时刻由如上所述的t 2 中断决定。 浙江大学硕士学位论文第l i ：q 章 图4 - 91 2 0 度导通型的换向规律 i l 一 l 卜廿；! 廿 _ - 厂。一”r 斗 l ili j；i l il 一7 ：了一厂 l 。 r 1l 。 l l l 1 、一1 _ f 广 - - 1 n 以 1 + + ：l | 。6 l 愈 4 d + 士 r 弭叶6 勰 日矿珥 i i5 i ， i3i 2 。 5 图4 一度导通型的换向规律 浙江大学硕士学位论文 第四章 4 4 实验研究 j l _ 区间内第一次换向 且 区间内第二次换向 4 4 1 实验系统介绍 图4 1 1 1 6 0 度导通型的换向说明图 调压器 单相 d m i c 整流 逆变器 滤波 电路 一、一 三相 不控 整流 电路 图4 1 2实验系统图 图4 1 2 是实验系统图，一台实验用的无刷直流电动机与一台永磁同步电动 机由连轴器连接，永磁同步电机工作在发电机状态，作为无刷直流电机的负载。无 刷直流电机的控制系统前面已经详细介绍过了。永磁同步电机发出的三相交流电 经过三相桥式不控整流电路后消耗在可调、可读数的功率变阻器上。 实验中基速以上需要恒功率负载，我们通过电流表的读数和功率电阻的读数 来确定电阻上消耗的功率，来等效获得的。另外由于整流管流过的电流较大，还需 要计及整流管消耗的能量。实验中整流管选用i r 公司的h f a 2 5 t b 6 0 二极管，在改 浙江大学硕士学位论文第四章 变超前角后，通过调整功率电阻的值，配合电流表的读数来获得恒功率负载。 被试电机的参数归纳见表4 - 3 ，如下： 表4 - 3被试电机参数 额定功率 1 0 0 0 w 相数 3 额定电压 2 2 0 v 交流整流 额定转速 2 0 0 0 r m i n 额定电流 4 7 a 额定转矩 4 7 7 n m 极对数 5 相反电动势 0 5 9 9 v m e c h a n i c a l 系数 r a d 相电阻 1 1 2q 相电感 8 9 1 n f i - l 图4 1 3 是控制电路、负载和被测电机及其负载电机的照片。 浙江大学硕士学位论文第四章 图4 1 3 控制电路、负载和电机的照片 我们对表4 - 3 所述的永磁无刷直流电机进行了实验。考虑到这是一台普通电 机，为了能够扩速，需要重新选择一个基速工作点，此点对应了电机新的基速、 额定转矩、额定电压和额定功率。表4 4 为原电机参数和测试时设定的工作参数 列表。 表4 4 电机原参数与实验设定参数对比 额定电压额定 额定转速 额定功率 电流 原参2 6 4 v4 7 a2 0 0 0 r m i n1 0 0 0 w 数 新参 9 4 6 v4 7 a7 0 0 r m i n3 4 0 w 数 浙江大学硕士学位论文 第四章 4 4 2c p a 实验及结果讨论 图4 一1 4 是1 2 0 度超前导通c p a 模式下不同超前角的相电流波形。我们可以 看出，当超前角眈增大时，电流峰值有先减小后增大的趋势，符合第三章的仿真分 析的特点。在超前角4 7 。左右时，如前面分析的续流二极管开始导通，相电流波 形变得连续。当超前角眈大于6 0 度后，电机会停转。 超前角e o = 5 7 。时，电机转速为9 0 7r m i n ，可以看出扩速倍数为1 3 倍。 啪船d0 圣翟抽垤1 a 蝇穗h ； l a ；_ 差f 1月 隔 j 专。f 罐 +，鲁。 f ，l ，ll ，雉i 巨l 咔孽 九 一if；一 毳j i _ i l 1 事i 譬 ? 训 l njl i 蹲籀融l 鱼i 一蜇s 嘲靠一 jz “ 。毒_ t 。、j 琵瑚嚣髓a 鲫 dx辫。霸- 靠错埔篱醴3 3 9 j矗辨。器螂糙 一 ( a ) 馥= 0 。 c p a 龇蚪棚i ， 粗埔b 埔b 螂 ：3 孺i = 浙江大学硕士学位论文 第四章 即9 啦3 睡鬻抽剿d 沁 l 啊l i 。8 爹 l l i 点叠。、 斟 j l i | i 芏鎏 |f i】譬 筘 ： l 手甄i 霹u 赫 旷 ：j|了黑 l f磷。壤嘲嘲蛳 确|；潍麓_ i 嚣 料 l i d , k s 翳 一：漤