（电机与电器专业论文）永磁无刷直流电机恒功率弱磁控制研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e tb l u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ( p m b l d c m ) h a sb e e n p a i dm o r ea t t e n t i o ni nt h ep a s tt w od e c a d e sb yr e s e a r c h e r si nt h em o t o ra n dc o n t r o l s y s t e mf i e l d sb e c a u s eo f i t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，f o re x a m p l e ，s m a l lc u b a g e ，g r e a t p o w e rd e n s i t ya n dh i g he f f i c i e n c y w ec a r lf o r e s e et h ef l l r t h e l d e v e l o p m e n ta b o u t p m b l d c ma n di t sc o n t r o l s y s t e mw i mt h ep r i c ed e b a s e do fp e r m a n e n tm a g n e t m a t e r i a la n dm a n u f a c t u r eo fr o t o r p m b l d c m m a y h a v eaw o n d e r f u lf o r e g r o u n di n m a n y f i e l d s t oa c h i e v et h e f l u x - w e a k e n i n gc o n t r o l f o rap m b l d c mo nt h eb a s eo f h y b r i dr o t o rs t r u c t u r e ，t h ep a p e rp r o p o s e sa ne f f e c t i v ec o n t r o ls t r a t e g y - _ 、w a i nm o d e c o n t r o l ：a d o p t i n g p w mm e t h o dt o a c h i e v ec o n s t a n t t o r q u eo p e r a t i o nb l o wt h e b a s e s p e e d ，a n dr e g u l a t i n g t h e p h a s ea n g l eo fc u r r e n tl e a d i n ge m ft o g a i n t h e e q u i v a l e n td e m a g n i t i g a t i o n o fa r m a t u r er e a c t i o na n dt oa c h i e v ec o n s t a n t p o w e r o p e r a t i o na b o v et h eb a s e - s p e e d t h ec o n t r o ls y s t e mc o m p o s e db yd s p + i p mr e a l i z e d t h i sc o n t r o l s t r a t e g ys u c c e s s f u l l ya n d a c h i e v e d n e a r l y t h r e e - t i m e f l u x w e a k e n i n g o p e r a t i o ns p e e dr e g i o nw i t h c o n s t a n tp o w e r k e y w o r d ：p m b l d c m ，f l u x w e a k e n i n g ，h y b r i dr o t o r , t w a i nm o d e c o n t r o l i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节车辆电驱动及其驱动电机的发展概况 1 1 1车辆电驱动的兴起和发展 在二十一世纪即将来临的今天，汽车工业已经成为主要发达国家的支柱产 业，据预测，汽车将向小型化、轻型化、环保化方向发展。目前，已有许多发达 国家把电动汽车列为主要攻克的目标。如美国、法国、德国、同本、意大利等各 大汽车集团公司都争相研制开发电动汽车，而且，以上各国政府纷纷颁布法规加 以提倡。我国从1 9 9 1 年起，已将电动汽车的研制开发列入“八五”重点科技攻 近年来，我国正在不断地开发一些高技术、高标准的电动汽车及其系统，如电动 大客车、微型客车、电动轻型客车、中型电动小客车等，在感应电机控制器研制 方面取得了显著进展，在研制开发电动车用镍氢动力电池方面成效显著。 电动车的发展不是一朝一夕的事情，想在短时间内用电动车来替代汽油车 是不可能的，但是电动车的发展是必然的。高效、节能、低噪声、无污染、零排 放的新型电动车，是电力电子、特种电机、高效电池、环保技术及整车研制等技 术的综合，属于高新技术产品，它不仅可能改善关项目，而到1 9 9 6 年，科技部 更把其列为“九五”及跨世纪国家重大科技产业工程。城市环境，减少污染，而 且能给人们带来不可估量的巨大变化，给人们带来财富和幸福。但汽车工业发展 有两个不利因素：一是使石油资源过度消耗；二是严重地污染人们生存的自然环 境。众所周知，汽车的排放污染是当今大气最大的污染源，已成为全球性的公害 之一。随着汽车数量的不断增加，大气中的有物质会逐渐增加，特别是汽车排放 成为一种难以控制的流动污染源。当前我国经济发展态势迅猛，汽车年产量和拥 有量也在迅速发展，据悉，中国环境污染居世界首位。因此，发展电动车是势在 必行的。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 电动车驱动电机及其控制技术综述 电动车是一种安全、经济、清洁的绿色交通工具，不仅在能源、环境方面有 其独特的优越性和竞争力，而且能够更方便地采用现代控制技术实现其机电一体 化的目标，因而具有广阔的发展前景。现有电动车大致可以分为以下几个主要部 分：蓄电池、电池管理、充电系统、驱动系统、整车管理系统及车体等。驱动系 统为电动车提供所需的动力，负责将电能转换成机械能。无论何种电动车的驱动 系统，均具有基本相同的结构，都可以分成能源供给子系统、电气驱动子系统、 机械传动子系统三部分，其中电气驱动子系统是电动车的心脏，主要包括电动机、 功率电子元器件及控制部分。其中，电动车驱动系统均具有相同或相似的功能， 电动机的类型对电气驱动系统以及电动车整体性能影响非常大。评价电动车的电 气驱动系统实质上主要就是对不同电动机及其控制方式进行比较和分析。目前正 在应用或开发的电动车电动机主要有直流电动机、感应电动机、永磁无刷电动机、 开关磁阻电动机四类。由这四类电动机所组成的驱动系统，其总体比较如表1 1 所示。 电动机类型 比较内容 直流电动 感应电动机 机 控制方式差 电大小、质量差 动高速运转能力差 机维修性差 效率差 优 一般 少 一般 优( 笼形转子) 优 优 一般 永磁无刷 电动机 优 优 一般 一般 优 一般一般 优优 多多 开关磁阻 电动机 优 一般 优 优 优 一般 一般 较多 综合评价差一般( 坚固)优( 高效) 较优 表1 1电动车电气驱动系统用电动机比较表 下面分别对这几种电气驱动系统进行较为详细地分析和阐述。 量 数 质 件、性元寸制率尺控功 控制装置 浙江大学硕士学位论文 一、直流驱动系统 直流电动机结构简单，具有优良的电磁转矩控制特性，所以直到2 0 世纪8 0 年代中期，它仍是国内外的主要研发对象。而且，目前国内用于电动车的绝大多 数是直流驱动系统。 但普通直流电动机的机械换向结构易产生电火花，不宜在多尘、潮湿、易燃 易爆环境中使用，其换向器维护困难，很难向大容量、高速度发展。此外，电火 花产生的电磁干扰，对高度电子化的电动汽车来说将是致命的。此外，直流电动 机价格高、体积和重量大。随着控制理论和电力电子技术的发展，直流驱动系统 与其它驱动系统相比，已大大处于劣势。因此，目前国外各大公司研制的电动车 电气驱动系统己逐渐淘汰了直流驱动系统。 二、感应电动机驱动系统 感应电机现在普遍应用变频驱动方式，应用于感应电动机的变频控制技术主 要有三种：v f 控制、转差频率控制、矢量控制。2 0 世纪9 0 年代以前主要以p w m 方式实现v f 控制和转差频率控制，但这两种控制技术因转速控制范围小，转矩 特性不理想，而对于需频繁起动、加减速的电动车不太适宜。近几年来，研制的 电动车感应电动机几乎都采用矢量控制技术。矢量控制按其侧重点不同，主要有 两种控制策略：提高驱动系统效率的最大效率控制与简化系统、降低成本的无速 度传感器矢量控制。最大效率控制技术是通过使励磁电流i o 随电动机参数和负 载条件而变化来实现在任何负载条件下都使电动机的损耗最小，效率最大的目 标。矢量控制离不开速度的控制，而无速度传感器是利用电动机电压、电流和电 动机参数来估算出速度，从而无需一般矢量控制中的速度传感器，达到简化系统、 降低成本、提高可靠性的目的。 三、永磁无刷电动机驱动系统 永磁无刷电动机系统可以分为两类，一类是方波驱动的无刷直流电动机系统 ( b i d c m ) ，另一类是永磁同步电动机系统( p m s m ) ，也称之为正弦波驱动的无 刷电动机系统。永磁无刷直流电动机既具备交流电动机的无电刷结构、运行可靠 等优点，又具备直流电动机的调速性能好的优点，且由于无需励磁绕组，可以做 到体积小，功率密度高，控制效率高，故在工业、车辆、家电、计算机及军事等 诸多领域得到广泛应用，尤其在电动车应用领域倍受青睐，是当前电动车电动机 浙江大学硕士学位论文 研发的热点。 与一般电动机的控制系统多为速度控制系统或位置控制系统不同，电动车是 由加速器与控制器共同决定的转矩指令来控制电机。因为转矩由电流决定，所以 实际上构成了一个电流控制系统。应用转矩指令和电动机转速，通过独立增减d 轴电流和q 轴电流进行电流控制，就能使电动机和逆变器的综合损失最小，进而 提高电动车驱动系统的效率。d 轴电流指令为负，就意味着进行弱磁调节，所以， 弱磁控制也是有效的。以上设计不仅考虑了电动机的特性，还考虑了电动机的控 制方法及使用方法，系统结构紧凑、性能稳定，是目前电动车的优选驱动系统。 四、开关磁阻电动机驱动系统 目前，开关磁阻电动机( s r m ) 作为车辆电机驱动系统已投入实际使用，法 国f i a t 公司研制的电动车和中国第二汽车制造厂研制的电动客车都曾采用了开 关磁阻电动机。s r m 是没有任何形式的转子导体和永久磁铁的无刷电动机，它的 定子磁极和转子磁极都是凸的。由于s r m 具有集中的定子绕组和脉冲电流，其功 率变换器可以采用更可靠的电路拓扑形式。s r m 具有简单可靠、在较宽转速和转 矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快、成本较低等优点。 但s r m 有转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性特性等缺点，系统 难于建模，一般的线性控制方式不适于s r m 系统。目前主要利用模糊逻辑控制、 神经网络控制等，所以，目前应用还受到限制。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着电力电子技术的发展，交流电动机的控制变得比 较容易了。为此，电动车的电气驱动系统从直流电动机转向交流电动机，特别是 感应电动机具有结构紧凑、可靠性高、成本低的优点，对于电动车来说是特别可 贵的。但永磁电动机除有以上优点夕 ，还在转换效率方面又较感应电动机稍胜一 筹。永磁电动机电气驱动系统以转速更高( 德国k o v o 电技术公司已研制出转速 达5 0 0 0 0 r m i n 、功率达1 5 k w 的无刷电动机) 、用磁更省、可以实现转子轻小 紧凑、低成本化设计而成为研究与应用的热点。但永磁电动机也有制成后难以调 节磁场以控制功率因素和无功功率的缺点，这将成为今后的研究方向。 第二节永磁无刷直流电动机( p m b l d c m ) 的发展概况 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 永磁无刷直流电机的发展概况 1 8 3 1 年，法拉第发现电磁感应定律奠定了现代电机的基本理论基础。据此 理论，十九世纪四十年代，人们研制成功了第一台直流电动机。1 8 7 3 年，有刷 直流电动机正式投入商业应用。自此，有刷直流电动机就以其优良的转矩特性在 运动控制领域得到了广泛的应用，占据了极其重要的地位。但是，由于传统的直 流电动机采用电刷一换向器结构的机械方式进行换向，运行中产生了噪声、火花 和无线电干扰等问题，且电刷寿命短，需经常维护，限制了该类电机在某些特殊 场合的应用。 为了取代有刷直流电动机的那种电刷一换向器机械结构的换向装置，人们曾 对此作过长期的探索。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动机的 机械电刷，从而诞生了永磁无刷直流电机的基本思想。但此种电机由于可靠性差、 效率低、整个装置笨重而又复杂，故无实用意义。1 9 4 8 年，贝尔实验室开关型 晶体管的研制成功，为无刷直流电机带来了生机。1 9 5 5 年，美国d h a r r i s o n 等 人首次申请了采用晶体管换向器代替原来机械换向器的专利，标志着现代无刷直 流电机雏形的诞生。其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了用位 置传感器和电子换向线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电动 机的发展开辟了新的途径。 在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感 器结构的永磁无刷直流电机。1 9 6 8 年原联邦德国人m i e s l i n g e r 提出采用电容移相 实现换流的新方法。在此基础上，r h a n i t s e h 等人试制成功借助数字式环形分配 器和过零鉴别器的组合来实现换流的无附加位置传感器的永磁无刷直流电机。 1 9 7 8 年，原联邦德国m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易展览 会上正式推出其m a c 永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电 机真正进入实用阶段。永磁无刷直流电机的发展从此进入了一个崭新的时期。 1 2 2 永磁无刷直流电机相关材料与器件的发展 一、永磁材料的发展 电机是以气隙磁场为媒介的机电能量转换装置，永磁体的出现使电机励磁 结构发生了根本性的变化。1 9 世纪2 0 年代出现的世界上第一台电机就是由永磁 浙江大学硕士学位论文 体产生励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石( f e 3 0 。) 磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。 随着各种电机的迅速发展和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构 成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢( 最大磁能积约2 7 k j m 3 ) 、 钴钢( 最大磁能积约7 2 k j m 3 ) 等多种永磁材料。特别是2 0 世纪3 0 年代出现的 铝镍钴永磁材料( 最大磁能积可达8 5 k j m 3 ) 和5 0 年代出现的铁氧体永磁材料( 最 大磁能积可达4 0 k j i m 3 ) ，磁性能有了很大提高，各种微型和小型电机又纷纷使用 永磁体励磁。但是，铝镍钴永磁材料的矫顽力偏低( 3 6 1 6 0 k a m ) ，铁氧体永 磁材料的剩磁密度不高( o 2 o 4 4 t ) ，限制了它们在电机中的应用范围。 2 0 世纪6 0 年代和8 0 年代，稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料( 二者统称 稀土永磁材料) 相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁 曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入了一个新的 历史时期 1 9 6 7 年美国k j s t m a t 教授发现的钐钴永磁材料为第一代稀土永磁材料， 其化学式可表示成s m c 0 5 ，产品的最大磁能积超过1 9 9 k j t m 3 。1 9 7 3 年出现的磁性 能更好的第二代稀土永磁材料，其化学式为s m 2 c o 。产品的最大磁能积达 2 5 8 6 k j m 3 。1 9 8 3 年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕 铁硼( n d f e b ) 永磁材料，在实验室中的最大磁能积现高达4 3 1 3 j i m 3 ，商品生 产己达3 9 7 9 j m 3 ，称为第三代稀土永磁材料。 我国自6 0 年代中期研制成功第一代s m c 0 5 ，7 0 年代研制成功第二代s m 2 c o ” 永磁体之后，又在1 9 8 4 年7 月，继闩美之后，成为世界上第三个能研制生产钕 铁硼( n d f e b ) 永磁材料的国家。n d f c b 材料和铁氧体、a l n i c o 以及第一、二 代稀土永磁材料相比，在多项经济技术指标上有着显著的优越性，由于它的高磁 能积、高矫顽力保证了永磁无刷直流电机中永磁材料可取为薄片形状，减少了永 磁体用量，降低了成本，更重要的是它的去磁曲线为直线，静态工作点容易控制， 动态工作点也在这条直线上滑动，动态范围宽，材料利用系数好，使得设计良好 的永磁无刷直流电机体积小、重量轻、惯量小、功率大、效率高。同时，n d f e b 永磁体与第一、第二代稀土永磁体相比，不仅磁性能先进，而且原材料更加丰富， 因而价格要便宜5 0 左右，市场竞争力强，便于广泛推广应用。目前的发展趋势 6 浙江大学硕士学位论文 n d f e b 正在逐步取代铸造型a l n i c o 和稀土钐钴永磁，并且随着应用场合的扩展、 产量的扩大、价格的降低，有进一步取代铁氧体永磁材料而占据主导地位趋势。 但是，n d f e b 材料的居里点低，负值磁温度系数较大，随着温度的升高，剩磁 降低较多，热稳定性较差，所以一般n d f e bi 作温度限定为8 5 以下，最高不 超过1 2 0 ( 2 ，当温度高于1 5 0 。c 时，n d f e b 材料的不可逆损失将超过5 ，这个 温度只相当于电机的b 级绝缘材料的温度，故电机设计时应当充分考虑到这一 点。此外，n d f e b 材料中n d 在空气中极易氧化锈蚀，在某些应用场合，需要进 行防锈处理。同时目前n d f e b 价格仍比较高，使得在电机材料成本中，永磁材 料占了很大一部分，不降低n d f e b 材料价格，永磁无刷直流电机的价格也很难 大幅度下降。因此，这几年来，永磁材料研究主要是针对目前n d f e b 材料的缺 点，集中在提高材料的温度稳定性、抗氧化性以及开发低价格的n d f e b 材料几 个方面，以适应电机发展的需要。 我国的稀土资源非常丰富，已探明稀土储量约3 7 0 0 万吨，占世界探明储量 的8 5 以上。因此，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以 稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理 论意义和实用价值。 二、电力电子器件的发展 永磁无刷直流电机的产生和发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步。 自从1 9 5 6 年美国贝尔实验室发明以晶闸管为代表的第一代电力电子器件以来， 到目前为止电力电子器件已经发展到了第四代，特别是7 0 年代后期，可关断晶 闸管( g 1 o ) 、电力晶体管( g t r ) 及其模块相继实用化。8 0 年代以来，微电子 技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的 功率集成器件，从而使电力电子技术跨入了现代电力电子技术的新时代。这一时 期，各种高频化全控型器件如雨后春笋般不断问世，并得到迅速发展，这些器件 有：功率场控晶体管( p o w e rm o s f e t ) 、绝缘门极晶体管( i g t 或i g b t ) 、 静电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 、m o s 晶闸管( m c t ) 以及 m o s 晶体管( m g t ) 等，其性能可大致如图1 1 所示。 浙江大学硕士学位论文 与传统电力电子技术相比，现代电力 电子技术在器件、电路及其控制技术方面 有如下特点：( 1 ) 集成化：几乎所有的全 控型器件都由许多单元胞管并联而成。( 2 ) 高频化；从高电压大电流的g t o 到高频 率多功能的s i t ，其工作频率已从数千赫 到兆赫。( 3 ) 全控化：电力电子器件实现 全控化，也即自关断化是现代电力电子器 件在功能上的重大突破，从而避免了传统 电力电子器件关断是所需要的强迫换流电 p ( w ) 图1 1电力电子器件特性示意图 路。( 4 ) 电路弱电化、控制技术数字化：全控型器件的高频化促进了电力电予电 路的弱电化。p w m 电路、谐振式变换电路以及高频斩波电路这些本来用于弱电 领域的电路而今又成为电力电子电路的主要形式。( 5 ) 多功能化：现代电力电子 器件的品种增多、功能扩大、使用范围拓宽，不但具有开关功能，有的器件还具 有放大、调制、振荡及逻辑运算的功能。( 6 ) 智能化：目前电力电子器件的发展 体现着模块化、复合化、集成化、全控化、大容量化、高频化的发展思路。适应 电子机械高性能、小型化、低成本和高可靠性的要求，在这种发展思路指导下， 结合电力电子器件和微电子技术的最新成果，集驱动、逻辑、控制、检测、自诊 断、保护于一体的智能功率集成电路( i n t e l l i g e n tp o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ) 应运而 生。到目前为止，智能功率集成电路已在许多领域得到广泛的应用，其中之一就 是用于永磁无刷直流电机的驱动和控制。近几年来，永磁无刷直流电机得到迅速 推广应用，特别是在低压应用场合不断扩大的重要原因之一，就是近几年来各国 著名半导体厂商纷纷推出各自不同规格和用途的永磁无刷直流电机专用集成电 路和功率集成电路。 电力电子器件的发展为开发廉价、高效、高性能永磁无刷直流电机系统提供 了可靠的物质保障。这些功能齐全、性能优异、价格低廉的电力电子器件的不断 出现，不仅缓解了永磁无刷直流电机良好控制性能和昂贵成本的矛盾，缩短了应 用系统开发者的开发周期，而且提高了系统可靠性，从而为永磁无刷直流电机的 商业推广应用创造了必要的条件。 妒 矿 铲 舻 旷 铲 浙江大学硕士学位论文 第三节永磁无刷直流电机的恒功率弱磁控制研究状况 永磁无刷直流电机由于采用永磁材料励磁，在带来提高效率和功率密度等优 越性的同时，还伴随有励磁不可调节的缺点。由于永磁无刷直流电机的反电势基 本上和转速成正比，因此当电机端电压随转速升高到逆变器能够输出的最大电压 之后，电机绕组不能再灌入电流，不加特殊控制，电机就不能产生满足车辆机械 特性的驱动要求的转矩，无法在高速下维持恒功率运行。对于方波型永磁无刷直 流电机，由于在导通区域电机反电势基本保持恒定，宽恒功率调速变得更加困难。 永磁无刷直流电机这一缺陷严重限制了它的进一步推广和应用。因此，如何扩展 永磁无刷直流电机的高速范围，扩大其恒功率运行范围，已经成为电机研究中的 一个重要课题，引起了国内外许多学者的兴趣和关注，近几年这方面的文章层出 不穷，华中理工大学尹华杰、林金铭先生等人对此曾对此作过总结。 由于n d f e b 稀土永磁材料矫顽力很高，使得永磁无刷直流电机在相当程度 上已不怕电枢反应的去磁作用，这样，就允许电机流过较大的去磁电流，为电机 的高速弱磁运行提供了可能性。弱磁扩速的本质是利用电机定子绕组电枢反应磁 势，抵消一部分转子励磁磁势，从而削弱气隙合成磁场。分析表明，在不打破逆 变器和电机电流限制，n 的情况下，能获得最大弱磁范围的条件是：直轴电 流为知的直轴电枢反应去磁磁通能够完全消弱永磁磁通( 指基波分量) 。这时电 机在理论上可以在任意的高速下进行弱磁运行，可表达为： e o x d i n 式中，e 。、是电机在单位速度下反电势和直轴电抗。电机能够在宽广的 弱磁范围内输出尽可能大的功率的条件是l a = 1 n 时的直轴电枢反应去磁磁通能 够正好抵消永磁通，或表述为： e o = x a l n ( 1 - 2 ) 由于永磁无刷直流电机磁路结构的特殊性，造成永磁无刷直流电机弱磁调速 实际实现仍有相当难度。原因在于其磁路结构的特殊性，尽管永磁无刷直流电机 有多种多样的转子结构，但无论是并联永磁路转子还是串联永磁路转子，永磁体 总是串联在直轴磁路中，并占去交轴磁路的部分空间。因此，交、直轴磁路的等 效气隙都很大，蜀、五都较电励磁同步电机的小得多，并有，其后果是 9 浙江大学硕士学位论文 建立同样大小的电枢反应气隙磁场条件下，永磁无刷直流电机要求比电励磁同步 电机大得多的电负荷，而在正常的电负荷( f l a 热负荷能力确定) 下，永磁无刷直流 电机的交、直轴电枢反应微乎其微。如果永磁体提供正常的励磁磁场( 由永磁体 的性能及定、转子铁心饱和磁密决定) ，则额定电流产生的直轴电枢反应磁通只 能消弱永磁通的极小部分，用电势关系表述即为 e o x a1 n( 1 3 1 这正是普通永磁无刷直流电机弱磁扩速困难的原因。 由上述分析可以看出，增大肠可以使永磁无刷直流电机满足弱磁扩速方程 ( 1 - 1 ) 和( 1 2 ) ，从而易于弱磁扩速；增大西( 但难以满足温升要求) 或减小匠( 但不 利于充分发挥永磁体高磁能积、永磁无刷直流电机高转矩密度的优点1 也有同样 效果；蜀尽管不影响调速范围，但小一点有利于改善输出转矩特性。基于这样 的思路，国际上已有许多人作过努力，并提出了一些具体的解决方案，各种方案 的具体实现这里不作详细介绍，可参考文献，也得到了一些不错的效果和思路。 但总的来说，弱磁扩速倍速不是很高，恒功率效果不是很好。永磁无刷直流电机 的弱磁扩速还有必要进一步的探索，反电势正是限制其转速提高的原因，解决了 反电势的束缚，弱磁扩速的效果才能有进一步的提高。 第四节复合式转子永磁无刷直流电机弱磁控制的提出 山上节分析可知，反电势是限制永磁无刷直流电机弱磁扩速性能提高的原 因。增大局可以使永磁无刷直流电机满足弱磁扩速方程( 1 1 ) 和( 1 2 ) ，从而易于 实现弱磁扩速，蜀尽管不影响调速范围，但小一点有利于改善输出转矩特性。 利用电枢反应减弱转予磁钢磁通以减小反电势提高转速，这是弱磁控制的基本思 想。改变电流与反电势的相对位置是永磁无刷直流电机实现弱磁控制的基本手 段。同时，最主要的是要从机电一体化的角度出发，同时从电机设计和逆变器控 制两个方面考虑，既研究优化的电机结构，又研究优化的控制方法，并考虑电机、 逆变器参数问的影响与配合，才能最好地达到扩大永磁无刷赢流电机恒功率运行 范围的目的。到目前为止正弦波通电方式的永磁同步电机( p m s m ) 的弱磁研究 已经取得相当的进展，各种针对p m s m 恒功率运行要求的电机本体设计与控制 浙江大学硕士学位论文 系统层出不穷，其中转子采用永磁段和磁阻段的复合转子结构、内嵌永磁体的 ( i p m ) 结构以及辅助永磁体结构都取得了相当的成果。比较起来，b l d c m 在 恒功率运行的弱磁研究就寂静得多。无论从研究方法还是恒功率扩速范围的效果 来看都不尽如人意。 出现这种情况是由电机本体结构和所采取的控制方式决定的。由于b l d c m 一般采用面贴式永磁体转子结构，等效气隙大、电枢反应弱；其次从通电方式来 看b l d c m 电流为1 2 0 。平顶波，导通区间电流不象p m s m 电流为正弦波形可 以依靠电流变化与电感乘积来产生的变压器电势，有利于在高速时抵消随转速增 加的旋转反电势。b l d c m 为电流方波，即使考虑换相过程电流也并非完全的矩 形而形成的变压器电势，也不足以有效抵消旋转反电势；再则，由于b l d c m 定 子磁势非连续变化，而为步进方式，造成定子电流每个导通区间既有助磁又有去 磁，相当部分去磁效果被助磁所抵消。基于上面的原因，传统的面贴式永磁体 b l d c m 难以实现恒功率弱磁控制，以至于p r a g a s e np i l l a y 甚至断言b l d c m 不 适合于恒功率弱磁运行。而直到2 0 0 2 年为止，样机的极限扩速范围也只有1 5 4 倍。达不到车辆驱动所需的恒功率扩速范围的要求。 在诸多增加p m s m 恒功率速度范围的电机本体改进方案中，永磁加磁阻式 复合转子是一种被学术界接受的有效弱磁结构，将这种复合转子结构推广至永磁 无刷直流电机的弱磁控制研究还鲜见于报导，值得研究。在复合式转子永磁无刷 直流电机研制时，可以通过磁阻段设计保证有一个大的x d x q 这样，在基速以 下时，电机电流控制角很小，交轴分量电流很大，直轴分量电流很小，为l a = o 控制，即直轴分量电流为零的情况。这时磁阻段转子磁阻很大，气隙磁密很小， 因此磁阻段出力很小，几乎不影响电机出力。在基速以上时，应增大电流控制角 以增大直轴去磁电流，对于永磁同步电机电流控制角最大可以达到一9 0 。，对于 永磁无刷电机电流控制角最大可以达到- - 6 0 。这时磁阻段的磁阻减小，气隙磁 密相应增大得很大，磁阻段的出力也相应的增大，并且方向与永磁段转矩相反， 从而实现两段合成转矩与速度成反比，即输出功率恒定。 当然，到底效果如何，复合式转子永磁无刷直流电机能否在基速以下实现 p w m 调速恒转矩运行，基速以上弱磁恒功率运行，并且得到一个较大的弱磁扩 速比( 弱磁最高速度基速p w m = i 时的速度) ，这一切都与电机本体的设计，控 浙江大学硕士学位论文 制系统的拓扑结构，以及合理有效的控制策略密切相关。 第五节本论文内容 正如前文所述，永磁无刷直流电机由于其本身的优越性己经引起了人们的关 注，随着永磁无刷电机基本理论的成熟和社会对于高性能电机的需要，国内外当 前已经形成了一个永磁无刷直流电机的应用高潮。在人们对永磁无刷直流电机的 性能和控制要求越来越高的今天，尤其是在车辆电驱动方面的应用，要求永磁无 刷直流电机不仅在基速下能保持恒转矩输出，还要求在基速以上保持弱磁恒功率 输出，并且得到很宽广的调速范围。这一切都构成了对永磁无刷直流电机的设计 和控制提出更高的要求，对此本文通过对优化设计的复合式转子永磁无刷直流电 机进行了弱磁控制技术研究，结合先进控制方式，设计出了一套较好的机电一体 化的控制系统，进行了实验运行，验证p m b l d c m 的弱磁扩速和恒功率运行性 能。 论文分成六章，总体结构安排如下：第一章主要讲述永磁无刷直流电机的发 展和在车辆电驱动中的应用，提出了使用复合式转子永磁无刷直流电机进行弱磁 控制的想法；第二章主要介绍永磁无刷直流电机的弱磁控制原理，对复合式转子 电机本体设计的要求和对应控制系统的要求；第三章重点介绍了复合式永磁无刷 直流电机弱磁控制系统的硬件设计，包括功率回路，信号处理和系统保护等方面 的一些技术和措施：第四章针对所设计的控制系统，给出了相应的控制策略和控 制流程，阐述了特定控制软件的编写思路，解决了在特定控制策略下遇到的一些 问题；第五章是实验验证和研究，包括一些电机参数的测试，电机双模运行特性 的实验研究，用以反映电机的恒功率弱磁控制特性：最后，第六章对本文所做 工作作回顾和总结，思考已完成的工作情况，并对下一步需要进行的工作进行了 展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章永磁无刷直流电机弱磁控制原理及结构选择 第一节永磁无刷直流电机的工作原理 一般的永磁无刷直流电机具有如图2 1 所示的拓扑结构。主要由电动机本体、 位置传感器和功率逆变器三部分组成。电机本体由定子和转子两部分组成。与传 统的永磁直流电动机不同，永磁无刷直流电机将电枢绕组放在定子上，永磁体则 放在转子上。同时由位置传感器、逆变器触发逻辑电路和功率逆变器共同构成电 机驱动系统，根据位置传感器检测的电机转子位置信号，供逻辑电路按一定的逻 辑规律触发逆变器功率开关器件，给电机定子绕组供电，保证在运行过程中电机 定子绕组所产生的磁场和转予永磁体所产生的磁场。在空间位置上始终保持相差 2 左右的电角度关系。 图2 1永磁无刷直流电机组成原理图 本文所用电机采用三相星型绕组和“三相六拍一1 2 0 。方波形”驱动，其某 一相的理想反电势波形是具有1 2 0 。电角度平台的梯形波，并由1 2 0 。方波电流 ( 相电流) 供电。其方波电流与梯形波反电动势见图2 2 。 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相 互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将位置信号变换成电信号去 控制电子开关线路( i p m 模块构成的逆变电路) ，从而使定子各相按照一定顺序 依次导通，定子相电流随转子位置的变化而依次换向，由于电子开关电路的导通 次序使与转子转角同步的，因而起到了电刷机械换向的效果。 由于本文采用了“三相六拍”的通电方式，即每个时刻图2 1 中的三相的上 浙江大学硕士学位论文 a i a v b i a v c i a v 8 m l j l 1 i l l i l 爿面一百b 百曰jc jc 否 图2 2 p m b l d c m 相电流和相反电势波形图( 额定速度以下) 桥和下桥均各有一个导通，逆变器功率管总共就有六种触发组合状态，每种触发 状态只有与确定的转予位置或者反电势波形相对应才有可能产生最大的平均电 磁转矩。因为当两个磁势向量的夹角为9 0 。时相互作用力为最大，而定子电枢 产生的磁势是以6 0 。电角度在步进的，因此在每一种触发模式下，转子磁势与 定子磁势的夹角在1 2 0 。到6 0 。之间变化才能产生最大的平均转矩。 第二节永磁无刷直流电机弱磁控制原理 永磁无刷直流电机由于采用永磁材料励磁，在带来提高效率和功率密度等优 越性的同时，随之而来的还有励磁不可调节的缺点。在基速以下电机调速可以通 过p w m 斩波调压调速，通过改变电压占空比改变电机端电压，从而实现电机调 速。但是在基速以上，电压占空比已经达到1 ，不可能再通过调节占空比来改变 电机端电压以实现调速。根据电机学知识可知： e = c 。庐” 1 4 ( 2 - 1 ) 浙江大学硕士学位论文 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 其中：e ：电机相反电势；c 。：电势系数；中：每相磁通；u ：电机相电压；：电 机每相电阻：i ：电机相电流；c m ：转矩系数；m ：转矩。从式( 2 - 1 ) 中可以看 出，当转速n 升高，则反电势e 也提高，从式( 2 2 ) 可知，当e 逐渐升高到接 近u 的时候，则相电流i a 越来越小；再由式( 2 3 ) 可知，i 。减小使得转矩m 减 小，导致电机出力不足。这时为了在高速下仍然能得到一定的电机出力，从上面 的式子可以看出，如果能够减小每相磁通中，降低高速下电机相反电势的值，使 得相电流i a 能够在转速n 很高的时候仍然较大，从而实现电机在高速下运行有较 大的出力，理论上是可以做到基速以上恒功率运行。对于传统的电激磁电机而言， 弱磁控制是较容易实现的，但是对于永磁电机( 如永磁同步电机，永磁无刷直流 电机) 而言，永磁体一旦装在电机里就不能够拆卸下来，而且它所产生的磁场大 小是恒定的，这个时候想要通过弱磁扩速只有利用电机的电枢反应：在高速时， 通过电枢电流在电机中产生一个反向的磁场，部分或者完全抵消永磁场，从而实 现高速下恒功率运行。为了抵消永磁磁场，要求高速下电枢反应磁场方向与永磁 磁场方向相反，则要求电枢电流的d 轴分量尽可能大，同时电机设计需保证有大 的忍，以使得咒幽分量尽可能大。( 相对额定速度下的电机电枢电流希望有尽可 能大的交轴电流以产生一交轴磁链) 。具体到永磁无刷直流电机运行时相电流和 相反电势的波形来说，当电机运行在额定速度以下时，逆变器导通规律正常，相 电流全部作用表现为产生电磁转矩，而不存在去磁分量。为了获得平稳的电磁转 矩，要求相电流波形的相位和相反电势保持一致，如图2 2 所示。此时，应该控 制电枢电流与电枢反电势相角使目= 0 。( 口为电枢电流超前电枢反电势的夹角， 以电流领先为正，如图2 3 所示) 。当电机运行在额定速度以上时，为了利用电 机的电枢反应使电机产生等效去磁，就必须调整电流超前角目，使相电流超前相 反电势，即口 o 。此时虽转矩脉动增大，但直轴电枢反应咒出能抵消永磁磁场， 起到了等效弱磁的作用。由于三相桥式逆变电路供电下无刷直流电机在口= 6 0 。时基波转矩存在过零点，为减小转矩脉动，限定口6 0 。此时相电流和反电 动势波形见图2 4 。实际上，随着目的增大，意味着电动机直轴去磁电流的增大， e 一 矽 生心 i l l m 浙江大学硕士学位论文 从而增大直轴去磁电枢反应的作用，实现了电动机的等效弱磁。 l 。e 哦 r h ) c i 厶一 ，蕊 l k d - 图2 3p m b l d c m 相量图 e l b l 尹 。_ - 1r 1 。 。? ? 厂一 1 jf 图2 4额定速度以上永磁无刷直流电机相电流和反电动势 由文献可知，在d q 坐标系下，电机的d 、q 轴电压方程分别为： l u d i q xq l u 口= ( e o 。+ i , t x , f ) r o ( 2 - 4 ) 其中国= 2 n f p ：电机的机械角速度( p 为电机的极对数) ；x 一、x 。：电机在单 位机械角速度下的直、交轴电抗；e 。= e 。：在单位机械角速度下的电机反 电势幅值。其相量图如图2 3 所示。 低速下，电机端电压与速度成正比地变化。当速度增加、端电压达到额定值 1 6 浙江大学硕士学位论文 后，继续升高电机的速度只能由i d 、i q 的调整来实现，这就是“弱磁”运行方 式。如果在“弱磁”运行时，始终维持电机的端电压为额定电压、电流为额定电 流，则可以“弱磁”运行到最高速的条件是： l i m 国( e 。+ ，d x d ) 2 + ，9 2 x q 2 = u m ( 2 - 5 ) 调节电流角。与机械角速度1 0 作相应的变化，在理论上是可以运行到最高速，并 保持输出基本恒定的功率( 接近额定容量) 时，对于永磁无刷直流电机而言，最 极端的情况为 挣“一坼6 0 ：( 2 - 6 ) i 厶= r m nc o s ( - 6 0 。) 调整x d 、x 。，可存在下面关系： l e o 。+ i d x d = 0 卜。麓 q 一 将式( 2 6 ) 代入式( 2 7 ) 中，可得理想弱磁条件下及这时的最大运行速度： i e o 。+ ，卅s i n ( 一6 0 。瑙d = 0 仁。= 而丽u m n 面 p 8 当然，在实际运行在高速的情况下，弱磁可以达到的速度还是低于理论估计 值，这也与j 勺、x 。的实际设计有关，最大速度收到x 。、x 。的综合影响，单 纯的减小x 。，从而扩大x 。x 。的比值，其扩速效果并不十分理想。为了增大电 机凸极率p ，应尽量减少永磁段在直、交轴电感中所占比例这可以通过增大永 磁体厚度的方法来控制。 第三节恒功率弱磁控制用复合式转子永磁无刷直流电机本体结构 美国d a y l o n 大学k j s t r a n t 教授说过：“稀土永磁应用引起了电机的革命。” 第三代稀土永磁n d f e b 材料的广泛应用不但提高了永磁无刷直流电机的性能， 减小体积和重量，提高效率，节约能源和节省原材料，而且推动了新原理、新结 浙江太学硕士学位论文 构的永磁微电机的开发。目前常用的永磁无刷直流电机的定予结构和传统同步电 动机的定子结构相类似，变化最大是它的永磁转子结构，常用永磁无刷直流电机 的转子结构可以如表2 - l 所示： 结构图名称特点 交直轴磁阻、电感相近，转子惯量小。磁钢与 表面安转子铁芯用胶粘接，强度差，为此常用玻璃纤 装式磁钢 维缠绕磁钢后用树脂固化。方波永磁无刷直流 电机中常用该类结构。 普 插入式磁钢 交轴电感、磁导小于直轴，有较大的磁阻力矩 通 可以利用。 结 构 以上两种形式的转子是永磁无刷直流电机中最为常用的。因为一般永磁材料的导电率 较低，谐波磁势在转子上感应的谐波电流较小，但烧结型钕磁钢除外。 变轴磁导，电媒远小于直轴：转子具有较人的 埋入式磁钢 磁阻力矩，机械强度高，适于高速运行。过载 能力大。 以上三种形式的磁钢可径向充磁外还可以切向充磁以产生高磁通密度。这就是“磁通 聚集”技术。 磁钢或者放在磁通轴的非对称位置上或同时利 特 混合结构 用径向和切向充磁的磁钢以产生高磁通密度 种 外转子结构 转子有较大的惯性矩，用在电动车等场合可以 结 j ；i 于直接驱动 构 b 一一fl 线性或平面结 构 可赢接实现往复或平面运动 表2 1 常规永磁无刷直流电机结构形式 然而，首先从电机本体结构来说，就如第一章说述，表2 1 中所示各种永磁 无刷直流电机结构形式几乎都是常规的圆柱体式结构。由于永磁材料磁导率与空 气相同，使得定、转子间等效气隙大、电枢反应弱：其次从运行方式来看b l d c m 1 8 浙江大学硕士学位论文 电流1 2 0 。平顶波，导通区间电流不象p m s m 电流为正弦波形可以依靠电流变 化与电感乘积来产生的变压器电势在高速时抵消随转速增加的旋转反电势。 b l d c m 电流方波，即使考虑换相过程电流也并非完全的矩形而形成的变压器电 势，不足以有效抵消旋转反电势；再则，由于b l d c m 定子磁势非连续变化，而 为步进方式，造成定子电流每个导通区间既有助磁又有去磁，相当部分去磁效果 被助磁所抵消。基于上面的原因，传统的面贴式永磁体b l d c m 难以实现恒功率 弱磁控制，以至于p r a g a s e np i l l a y 甚至断言b l d c m 不适合于恒功率弱磁运行。 而直到2 0 0 2 年为止，实验样机的极限扩速范围也只有1 5 4 倍，这不足以达到车 辆电驱动所需的恒功率扩速范围的要求。 为了解决恒功率弱磁控制达不到实际要求的问题，近年来，有颇多学者进行 了各种方式的尝试。有的采用了混合励磁无刷直流电机结构，其在电机定子里面， 同时集成了两种线圈，一种是普通的定子电枢绕组；另一种是在定子中间位置沿 圆周方向安放的励磁线圈，在励磁线圈中施加正向或反向的可调节