（电机与电器专业论文）基于dsp的永磁无刷直流电动机转矩脉动抑制方法的研究.pdf

街人学坝f j 学位论文 a b s t r a c t ap 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 rw i t hp e r m a n e n tm a g n e te x c i t a t i o n i n w h i c he l e c t r i c a lc o m m u t a t o ri su s e di n s t e a do fm e c h a n i c a l h a sb e e nu s e di nm a n y f i e l d sb e c a u s eo fs i m p l es t r u c t u r e s m a l ld i m e n s i o na n dh i g he f f i c i e n c y h o w e v e lt h e b i g g e rc o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l eo fb l d c ml e a d st o n o i s ea n dh a r m o n i cw a v e p o l l u t i o n i ts i m u l t a n e o u s l ym a k e ss p e e dp e r f o r m a n c ed e t e r i o r a t i v ea n dr e s t r i c t st h e m o t o r 8a p p l i c a t i o ni nt h ep r e c i s i o nd r i v i n gm o t i o nf i e l d a f t e rt h ec o m p l e t i o no fa b l d c mc o n t r o ls y s t e m a i m i n ga th o wt om i n i m i z et o r q u er i p p l e t h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y l e st h er e a s o n so ft o r q u er i p p l ea n dp u t sf o r w a r dt h em e t h o d so fm i n i m i z i n gt h e t o r q u er i p p l e f i n a l l y t h em e t h o d sa r ev e r i f i e db ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s t h e m a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g f i r s t l y t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dm o t o r sm a t h e m a t i cm o d e la r ei n t r o d u c e d b l d c ma n dd r i v i n g s y s t e m s i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d b yu s i n g m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e t h e ne x p e r i m e n td e v i c eo fc o n t r o ls y s t e mi ss e tu p s e c o n d l y t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e sa n dc o m p a r e st h em a g n i t u d e s o ft h e c o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l eo fb l d c mo nf i v ep w mm o d e sf o rt w op h a s e sc u r r e n t s c o n d u c t i n gm o d e i tc o n c l u d e st h a tt h ep w m m o d et op r o d u c el e a s tc o m m u t a t i o n t o r q u er i p p l ei sp w m o nt y p e h p w m l p w mt y p e st o r q u er i p p l ei sm a x i m u m a n d t h eo t h e r s a r eb e t w e e np w m o na n dh p w r n l p w m e v e n t u a l l yt h ec o r r e c t n e s so f a b o v ec o n c l u s i o n si sv e r i f i e db ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h i r d l y b a s e d o nt h e i d e a l t r a p e z o i d a l w a v ee m i lt h ei n f l u e n c e t o e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ei sc o n s i d e r e do nc o n d i t i o nt h a tt h ec u r r e n t sd e v i a t ef r o mi d e a l r e c t a n g u l a rc u r r e n t s t h ec o n c l u s i o ni s t h a tt h et o r q u er i p p l ep r o d u c e db yl e a d i n g c o m m u t a t i o ni sl e s st h a nt h a to fl a g g i n gc o m m u t a t i o n t h ed i s s e r t a t i o nf i n d st h em a i n c a u s eo fp r o d u c i n gt h ec o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l eb ym e a n so fa n a l y z i n gt h e c o m m u t a t i o np r o c e s so fb l d c mi nt h e o r y t h ec a u s el i e si nt h ed i s a g r e e m e n to f p e r c e n tv a r i a t i o no f t h es w i t c h o na n ds w i t c h o f f p h a s e sc u r r e n t sa g a pa p p e a r si nt h e m i d d l eo fn o n c o m m u t a t i o np h a s e w h i c hs p i k e sa tl o ws p e e d u d 4 e o rd i p sa t h i g hs p e e d u d 4 e t h e r e f o r e t h ed i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dt w om e t h o d sw h i c ha r e p w mm e t h o df o rs w i t c h o f f 廿h a s ec u r r e n ta n do v e r l a pc o m m u t a t i o nm e t h o d t h e i r p u r p o s el i e s i nm a i n t a i n i n gt h ea g r e e m e n to fp e r c e n tv a r i a t i o no fs w i t c h o i la n d v 翘人学坝l 学位论文 s w i t c h o f fp h a s e sc u r r e n t s a n de l i m i n a t e st h eg a pi nn o n c o m m u t a t i o np h a s ec u r r e n t f o u r t h ly t h ed i s s e r t a t i o nc o n c l u d e st h a tt h et o r q u er i p p l ep r o d u c e db yf e e d i n g s i n u s o i d a lc u r r e n t si sl e s st h a nt h a to fr e c t a n g u l a rc u r r e n t sf o ra b o v e3 6 o fe m f s l o p i n ga n g l ea f t e ra n a l y z i n gt h ei n f l u e n c et ot h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u eo fe m f s l o p i n ga n g l e i ti se f f i c i e n tt or e d u c et o r q u er i p p l eb yu s i n gv o l t a g es p a c ev e c t o r m e t h o d c o n s i d e r e dt h ec o s ta n dp e r f o r m a n c e t h em e t h o dm a k e si tt h a tt h ei n c l u d e d a n g l eb e t w e e nf u n d a m e n t a lw a v em a g n e t i cm o t i v ef o r c eo fs t a t o ra n dt h a to fr o t o r k e e p sa t 9 0 a p p r o x i m a t e l yb a s e do ns i xp o s i t i o ns i g n a l s c o r r e s p o n d i n g l y t h e e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ei sm a x i m u m a n dt h et o r q u er i p p l ei sm i n i m u m k e yw o r d s 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 t o r q u er i p p l e p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n v o l t a g es p a c ev e c t o r v 海人学坝 学位论文 1 绪论 1 1 引言 f 乜动机作为机电能量转换装置 在现代工农业生产和人们的r 常生活中占有 重要的地位 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 但传统的直流电动机均采用电刷和换向器 以机械方法进行换向 从而存在机械 摩擦 由此带来噪声 火花 无线电干扰及寿命短等致命弱点 在很大程度上限 制了它的应用范围 因此人们一直在研究和寻找以交流电动机替代具有机械换向 器和电刷的直流电动机 并且能保留直流电动机的优点 从而满足各种应用领域 的需求 但是由于交流电机本身是一个高阶 非线性 强耦合的多变量系统 其 可控性较差 因此在很长一段时间旱 交流传动控制系统很难获得和直流电动机 调速系统一样的高动念性能 儿 l2 永磁无刷直流电动机的发展 随着科学技术的进步 新技术新材料的不断涌现 促进了电动机产品的不断 推陈出新 针对直流电动机的弊病 2 0 世纪3 0 年代就有人提出了用晶闸管作为 丌关元件替代直流电动机机械电刷的思想 1 9 5 5 年 美国的d h a r r i s o n 等人首 次申请了用晶体管换向线路替代直流电动机机械换向器的专利 这标志着现代无 刷直流电动机的诞生 1 9 6 2 年 借助于霍尔元件实现换相的无刷直流电动机问 世 从而开创了无刷直流电动机产品化的新纪元 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 永磁无刷直流电动机及驱动系统 标志永磁无刷直流电动机真j 下进入实用阶段 近几十年 稀土永磁材料迅猛发展 如钐钴 钕铁硼等的问世 其矫顽力高 抗去磁能力强 且常规去磁盐线在大范围线性可逆等特点为永磁电机的发展丌辟 了广阔的前景 特别是对于人们长期努力 以期发展新型无刷电机代替有刷电机 稀土永磁材料的发展有着功不可没的作用 在无刷电机中 永久磁铁是旋转的 放在转子上 永磁材料的应用解决了有刷电机中的许多缺点 同时 稀土永磁材 料又保证了电机的高性能 i 2 0 世纪后期的电子技术的飞速发展 电力电子器件工艺日臻成熟 出现了 以不能自关断的普通晶闸管为代表的第一代电力电子器件 随着理论研究和工艺 j 海人学坝 学位论文 水平的不断提高 电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展 先后出现 了以电力晶体管 g t r 门极可关断晶闸管 g t o 功率场效应晶体管 m o s f e t 等全控型器件 即第二代电力电子器件 近年来 电力电子器件朝 着复合化 模块化及功率集成的方向发展 主要以绝缘栅双极型晶体管 i g b t 及m o s 控制品闸管 m e t 等丌关器件为代表 在学术研究和产品应用中 功 率m o s f e t 以驱动电路简单 驱动功率小 工作频率高 1 0 0 k h z 以上 为所 有电力电子器件中频率之最 适用于小功率永磁无刷直流电动机功率驱动电路 而绝缘栅双极型晶体管i g b t 集g t r 通态压降小 载流密度大 硎压高和功率 m o s f e t 驱动功率小 开关速度快 输入阻抗高及热稳定性好等优点于一身 因此备受人们青睐 4 随着数字信号处理技术 现代控制理论的发展 很多由分立的模拟器件构成 的电机控制器正逐渐数字化 大多采用8 0 9 6 系列产品单片机束控制 但单片机 的处理能力有限 对于需要处理的数掘量大 实时性和精度要求高的控制系统 单片机待往不能满足要求 近年来 随着高速专用微处理器的出现 主要以美国 德州仪器公司的t m s 3 2 0 f c 2 4 x 型号为代表的电机专用控制芯片 其自身有 p w m 发生器 a d 采样电路及捕获单元等电机控制系统的必要硬件组成部分 同时具有灵活的软件编程 将其应用于永磁无刷直流电动机上 可大大地提高电 机控制器的可靠性 抗干扰能力 又缩短了系统的丌发周期 降低研制费用 6 1 综上所述 永磁无刷直流电动机系统已成为集电机 功率驱动器 检测元件 控制软件与硬件于一体的典型的机电一体化产品 1 3 永磁无刷直流电动机的基本工作原理 永磁无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机 就其基本组成结构 而言 如图l 1 所示 可以认为是由电动机本体 控制器和磁极位嚣检测电路三 者组成的电动机系统 永磁无刷直流电动机定子多为三相星型绕组 转子多采用 具有高剩余磁感应强度和大矫顽力的钐钴合金 钕铁硼等稀土永磁材料作磁钢 三相定子绕组分别与逆变器主电路的三相引出端相连接 电机中引出的位置传感 器引出线连到控制器中的三个位置检测信号接口 7 海人学付 i j 学位论义 图1 1 永磁无刷直流电动机及控制系统原理图 永磁无刷直漉电动机的基本工作原理是通过位置传感器反馈给控制芯片的 三个位置信号 控制芯片给三相桥式逆变器主电路中相应的功率管发出导通和关 断信号 从而使定子绕组中的两相通电产生电流 即产生定子磁势 在转子上永 磁体磁场的作用下产生电磁转矩 拖动转子旋转 这样 每6 0 电角度位置传感 器检测到转子位置的变化 逆变器功率管按一定规律的导通关断顺序使电机定子 绕组产生步进的定子磁势 从而实现电机的连续旋转运动 j i 入 i 2 x v o i 1 lf 人 叼 1 i f i i 亿 j 力 i i l i 图1 2 理想永磁无刷直流电动机反电势与电流波形 下面以一台理想的梯形波反电势永磁无刷直流电机进行分析 定子绕组采用 集中整距绕组 转子永磁体采用表面贴装式 极对数为1 永磁无刷直流电机是 采用12 0 两两导通方式 即每个功率管导通1 2 0 电角度 除了换相过程 电机 1 拇人学坝 l 学位论史 都是只有两相导通 电流波形近似方波 图1 2 给出了理想的反电势波形和相电 流波形 相应导通的功率管见波形顶部 图l 2 中 当u t 0 时 功率管v t 6 v t l 导通 电流从电机的a 相流进 b 相流出 电机的定子磁势和转子磁势如图1 3 a 所示 u t 在o n 3 的范围内 转予以u 的速度旋转 转子磁势与定子磁势的夹角由1 2 0 变为6 0 当u t n 3 时 电机丌始换相 功率管v t 6 关断 v t 2 导通 电流从电机的a 相流进 c 相流出 电机的定子磁势沿逆时针方向跳跃了6 0 此时定转子磁势的夹角又变 为1 2 0 如图1 3 b 所示 同理可以对以后的四个状态进行分析 其余四个状态 如图1 3 c d e f 所示 经过六个换相导通状念 即一个电周期的时间 电机又重复 t 0 时的运行状态 萄1 3 永磁无刷直流电机定转子磁势空间位置 4 r 海人学倾l 学位论义 1 4 永磁无刷直流电机与永磁同步电机的比较 永磁无刷直流电机其本质是一台永磁同步电动机 在定转子结构等方面永磁 无刷直流电机与永磁同步电机有许多相同之处 两者的转子可以采用相同结构 定子侧馈入交流电流 因此在分析某些问题时可以相互参考各自的方法 但是基 于运行原理的不同 永磁同步电动机的励磁磁场应尽量正弦分布 感应电动势为 币弦波 为了产生恒定电磁转矩 定子电流应为 f 弦波 而永磁无刷直流电动机 的励磁磁场应为矩形分布 并且平顶宽度不应低于1 2 0 电角度 感应电动势为 梯形波 同样为产生恒定电磁转矩 要求其定子电流为矩形波 在转子位置检测方面 永磁同步电动机为了得到正弦的定子电流 参考电流 必须是三相对称的严格 f 弦波 这种 f 弦波是根据转予瞬时位置构成的 因此需 要对转子位黄进行连续检测 需要高分辨率的位景传感器 对于永磁无刷直流电 动机 采用1 2 0 两两导通方式 运行期间只有两相电流导通 即每隔6 0 电角度 电流才进行 次换相 因此只需三个位置传感器每隔6 0 检测一次转子位置 在转矩脉动方面 由于定子齿槽的存在 永磁同步电动机与永磁无刷直流电 动机都存在齿槽转矩 其性质属于磁阻转矩 大小与转子位置有关 对于永磁无 刷直流电动机 由于绕组电感的影响 使得输入定子绕组的相电流不可能是理想 的矩形波 从另一个方面看 电机换相使得电枢定子磁势呈现步进性 导致气隙 合成磁场波动 产生电磁转矩脉动 而永磁同步电机由于采用高分辨率的位置编 码器进行位置检测 同时馈入定子绕组的是正弦波交流电 因此电磁转矩比较平 稳 在应用领域方面 由于永磁同步电动机比永磁无刷直流电动机有较小的转矩 脉动 这使得永磁同步电动机在伺服控制领域有其优越性 目前 电动伺服系统 从其应用领域的特点和自身技术的发展来看 将朝着两个方向发展 一是适于简 易数控机床 办公自动化 家用电器及对性能要求不高的工业运动控制等领域的 简易 低成本永磁同步电动机伺服系统 另一方向是向适用于高精度数控机床 机器人 及航空航天用的高性能全数字化 智能化 柔性化的伺服系统发展 后 一方向更能体现永磁同步电动机的优点 永磁无刷直流电动机以其体积小 重量 轻 结构简单 维护方便 运行可靠 高效节能易于控制等一系列优点 并且一 些新的控制策略 如滑模控制 变结构控制 模糊控制 专家控制等正被尝试着 堡盔兰 堂些堡苎 引入永磁无刷直流电动机控制器中 这为推动高性能的永磁无刷直流电动机向智 能化 柔性化 及全数字化方向发展开辟了道路 它将在电动汽车 家用电器及 工厂自动化等小电机行业中获得更广泛的应用 同时在电动伺服系统的前一个发 展方向上占有一席之地 9 1 1 5 永磁无刷直流电机的转矩脉动分析 在理想情况下 由矩形波气隙磁通和矩形波定子电流相互作用 三相合成产 生恒定的电磁转矩 不会产生转矩脉动 但是 由于永磁体励磁磁场畸变 定子 绕组与励磁磁场空间分布匹配不当 定子电流换相不可能在瞬 白j 完成以及定子齿 槽的存在 实际的永磁无刷直流电机的一个主要缺点就是存在较大的转矩脉动 分析永磁无刷直流电机转矩脉动的根源 可以分为齿槽转矩和纹波转矩及机械加 工工艺引起的转矩脉动 8 i 齿槽转矩是由于定子铁心齿槽的存在 使得永磁体与对应的电枢表面的气隙 磁导不均匀 从而在电机旋转时 随角度变化的定子磁阻与永磁体产生的磁通相 互作用而产生的 该转矩是交变的 它与转子磁极位置有关 是电动机自身空间 和永磁体励磁磁场分布的函数 在低速轻载运行时 将引起电机的转速波动 从 而产生振动和噪音 2 纹波转矩是由于电流和感应电动势波形的偏差引起的谐波转矩 从反电势角 度看 是出于永磁体磁场的空间分布发生畸变 影响反电势的波形 使得与平顶 宽度为1 2 0 电角度的理想梯形波发生偏差 进而影响电磁转矩的生成 另一方 面 定子电流不是理想矩形波 因为定子绕组存在电感 限制了电流的变化率 定子电流换相时 上升率和下降率不同 从而引起非换相相电流产生 个缺口 引起转矩脉动 3 机械加工工艺引起的转矩脉动主要是由于电机转子的偏心 各相绕组的不对 称性 电机所用材料的不一致性等造成的 1 6 抑制和削弱永磁无刷直流电机转矩脉动的分析 针对永磁无刷直流电动机存在较大转矩脉动这 问题 国内外学者进行了大 量的分析和研究 对于齿槽引起的转矩脉动 通常采用下面的几种方法 1 斜槽法 斜槽能使电机电磁转矩各次谐波的幅值均有所减小 同时也使定位转矩各次 卜海火学埘掣位论文 引入永磁无刷直流电动机控制器巾 这为推动高性能的永磁无刷直流电动机向智 能化 柔性化 及全数字化方向发展玎辟了道路 它将在电动汽车 家用电器及 丁厂自动化等小电机行业中获得更广泛的应用 同时在电动伺服系统的前一个发 展方向上占有一席之地吼 i 5 永磁无刷直流电机的转矩脉动分析 在理想情况下 由矩形波气隙磁通和矩形波定子电流相互作用 三相合成产 生恒定的电磁转矩 不会产生转矩脉动 但是 由于永磁体励磁磁场畸变 定子 绕组与勋磁磁场空间分布匹配不当 定子电流换相不可能在瞬问完成以及定子齿 槽的存在 实际的永磁无刷直流电机的一个主要键点就是存在较大的转矩脉动 分析水磁无刷直流电机转矩脉动的根源 可以分为齿槽转矩和纹波转矩及机械加 工工艺引起的转矩脉动h j 1 齿槽转矩是由于定子铁心齿槽的存在 使得永磁体与对应的电枢表面的气隙 磁导不均匀 从而在电机旋转时 随角度变化的定子磁阻与永磁体产生的磁通相 互作用而产生的 该转矩是交变的 它与转子磁极位置有关 是电动机自身空间 矛u 永磁体励磁磁场分布的函数 在低速轻载运行时 将引起电机的转速波动 从 而产生振动和噪音 2 纹波转矩是山于电流和感应电动势波形的偏差引起的谐波转矩 从反电势角 度看 是由于永磁体磁场的空问分布发生畸变 影响反电势的波形 使得与平顶 宽度为1 2 0 电角度的理想梯形波发生偏差 进而影响电磁转矩的生成 另一方 面 定于电流1 i 是理想矩彤波 因为定子绕组存在电感 限制了电流的变化率 定子电流换相时 上升率和下降率不同 从而引起非换相相电流产生一个缺口 引起转矩脉动 3机械加工工艺引起的转矩脉动主要是由于电机转子的偏心 各相绕组的不对 称性 电机所用材料的不一致性等造成的 16 抑制和削弱永磁无刷直流电机转矩脉动的分析 针对永磁无刷直流电动机存在较大转矩脉动这一问题 国内外学者进行了大 量的分析和研究 对于齿槽引起的转矩脉动 通常采用下面的几种方法 1 0 1 1 斜稽法 斜槽能使电机电磁转矩各次谐波的幅值均有所减小 同时也使定位转矩各次 斜槽能使电机电磁转矩各次谐波的幅值均有所减小 同时也使定位转矩各次 堡盔兰 堂些堡苎 引入永磁无刷直流电动机控制器中 这为推动高性能的永磁无刷直流电动机向智 能化 柔性化 及全数字化方向发展开辟了道路 它将在电动汽车 家用电器及 工厂自动化等小电机行业中获得更广泛的应用 同时在电动伺服系统的前一个发 展方向上占有一席之地 9 1 1 5 永磁无刷直流电机的转矩脉动分析 在理想情况下 由矩形波气隙磁通和矩形波定子电流相互作用 三相合成产 生恒定的电磁转矩 不会产生转矩脉动 但是 由于永磁体励磁磁场畸变 定子 绕组与励磁磁场空间分布匹配不当 定子电流换相不可能在瞬 白j 完成以及定子齿 槽的存在 实际的永磁无刷直流电机的一个主要缺点就是存在较大的转矩脉动 分析永磁无刷直流电机转矩脉动的根源 可以分为齿槽转矩和纹波转矩及机械加 工工艺引起的转矩脉动 8 i 齿槽转矩是由于定子铁心齿槽的存在 使得永磁体与对应的电枢表面的气隙 磁导不均匀 从而在电机旋转时 随角度变化的定子磁阻与永磁体产生的磁通相 互作用而产生的 该转矩是交变的 它与转子磁极位置有关 是电动机自身空间 和永磁体励磁磁场分布的函数 在低速轻载运行时 将引起电机的转速波动 从 而产生振动和噪音 2 纹波转矩是由于电流和感应电动势波形的偏差引起的谐波转矩 从反电势角 度看 是出于永磁体磁场的空间分布发生畸变 影响反电势的波形 使得与平顶 宽度为1 2 0 电角度的理想梯形波发生偏差 进而影响电磁转矩的生成 另一方 面 定子电流不是理想矩形波 因为定子绕组存在电感 限制了电流的变化率 定子电流换相时 上升率和下降率不同 从而引起非换相相电流产生 个缺口 引起转矩脉动 3 机械加工工艺引起的转矩脉动主要是由于电机转子的偏心 各相绕组的不对 称性 电机所用材料的不一致性等造成的 1 6 抑制和削弱永磁无刷直流电机转矩脉动的分析 针对永磁无刷直流电动机存在较大转矩脉动这 问题 国内外学者进行了大 量的分析和研究 对于齿槽引起的转矩脉动 通常采用下面的几种方法 1 斜槽法 斜槽能使电机电磁转矩各次谐波的幅值均有所减小 同时也使定位转矩各次 海人学坝l 学位论义 谐波的幅值得到衰减 即削弱或消除齿谐波磁场所引起的转矩脉动 因此 定子 采用斜槽或转子采用斜极可以有效的减小由齿槽引起的转矩脉动 2 齿槽配合法 为了减小气隙磁阻的变化 削弱由定子铁心磁阻转矩脉动 可以采用磁性槽 楔合理配合齿槽宽度 相关文献已经证明了合理选择齿槽宽度 控制气隙大小 从而减小气隙磁阻的变化 减小由此产生的转矩脉动 3 奇数槽或分数槽法 斜槽法可以有效的抑制齿槽转矩脉动的同时 也影响永磁无刷壹流电机的气 隙磁密的平顶宽度 从而影响电机的电磁转矩 采用奇数槽或分数槽 使电机定 子槽数和转子极对数之间无公约数 以削弱转子转动时引起的电动机磁场的波 动 减小转矩脉动 4 辅助凹槽法 由谐波平谯法可知 通过辅助凹槽 可增加齿槽转矩脉动的基波次数 次数 越高 幅值越小 因此 采用齿面加辅助凹槽的方法 可以削弱齿槽转矩脉动 由电流和感应电动势波形的偏差而引起的纹波转矩可以通过下面的方法进 行抑甫0 署 肖0 弱 1 反电势波形优化设计法 永磁体磁场的空间分布将直接影响感应电动势的波形 进而影响电磁转矩的 生成 要使反电势波形为理想的梯形波 则要合理设计气隙磁通密度和定子绕组 分布 对于永磁无刷直流电动机 为了使反电势平顶宽度尽可能达到1 2 0 则 采用整距集中绕组 且气隙磁场平顶宽度大于1 2 0 因此 通过合理的设计磁 极形状 极弧宽度 极弧边缘形状及不同的绕组方式可以有效消除转矩脉动 2 谐波消去法 永磁无刷直流电机的定子电流和转子磁场非 f 弦 电磁转矩中含有多次谐波 转矩 从而产生转矩脉动 理想情况下 同次的磁链谐波与电流谐波 3 倍谐波 除外 相互作用产生恒定的转矩 不同次谐波之阳 j 不产生转矩 因此 实际中通 过控制电流的谐波成分 即合理的配合反电势和相电流的谐波成分 则可以消除 电磁转矩脉动中较大的谐波成分 3 直接转矩控制法 两人学坝f 学位论史 由自动控制理论知 要想控制哪个变量 则对这个变量作为控制对象进行反 馈控制 其基本原理是 根据位置和电流信号通过转矩观测器得到转矩反馈信号 再通过转矩控制器实现转矩的闭环控制 直接转矩控制法强调的是对转矩的控制 教果 斟此能较好的抑制各种干扰带来的转矩脉动 直接转矩控制法的关键也是 难点在于如何得到准确的转矩反馈信号 4 电流反馈控制法 理想的永磁无刷直流电机的相电流为方波 因此 抑制转矩脉动最直接的方 法就是通过控制电流的波形 使其接近理想的方波 电流反馈可以从直流侧 也 可扶交流侧进行反馈控制 直流测电流反馈控制主要控制其电流的幅值 只需要 个电流传感器 交流侧电流反馈控制需要根据转子的位置取出相应的相电流 需要陌只电流传感器 对于直流侧电流反馈和交流侧电流反馈控制 可以采用电 流控制p w m 法和电流滞环控制法 两种方法的目的都是希望得到与给定电流相 f 司的波形 使其相电流的上升率和下降率 致 以此消除换相转矩脉动 5 重叠换相法 重叠换相法的基本原理是 当转子位置信号发生跳变 电机开始换相 本应 立即关断的功率管不让它关断 而是延迟一段时间 其目的是使相电流的上升率 和下降率尽量保持一致 1 7 课题背景及意义 永磁无刷直流电动机由于具有调速方便 结构简单 维护方便 易于控制 功率密度高等优点 在计算机外围设备 仪器仪表 伺服系统 变频空调 变频 洗衣机等家用电器中得到了广泛的应用 然而 由于存在较大转矩脉动 必然产 生噪声 造成谐波污染 使电机调速性能变差 限制了它在精密传动系统中的应 用 因此 如何抑制和削弱永磁无刷直流电机的转矩脉动 就成为急需解决的问 题 对于电伺服系统两言 目前越来越多的采用了交流伺服电动机作为其执行机 构 近1 0 年来 随着永磁材料技术及相关技术的快速发展 永磁同步电动机性 能得到了快速的提高 其磁场基本不变 转子磁场位置可由光电编码器或旋转变 j 丘器精确快速的检测出来 适合于磁场定向的矢量控制技术的应用 同时 自控 式永磁无刷直流电机出于具有调速方便 结构简单 易于控制等优点 将成为电 r 海大学倾l 一学位论文 伺服系统的一个发展趋势 针对其存在转矩脉动的缺点 使得系统在控制性能上 即位置控制精度 低速运行平稳等方面变差 因此 研究高性能的转矩控制策略 抑制和削弱转矩脉动 提高整个控制系统的性能是永磁无刷直流电机拓宽其应用 领域的关键 随着生活水平的逐渐提高 对于变频空调等家用电器 许多都是采用永磁无 刷直流电动机 在技术上的要求也越柬越高 现在正朝着转矩脉动小 低噪声 谐波污染小等性能指标的绿色产品迈进 而转矩脉动讵是引起电机振动 噪音的 原因 因此 抑制和削弱转矩脉动 有实际应用价值 综上所述 如果能够抑制或削弱永磁无刷直流电动机电磁转矩脉动这一缺 陷 特别是通过简单而有效的控制策略来实现 从而有效的抑制转速波动 电磁 振动和噪声 使其能够在高精度位置 速度控制系统中得到应用 并将其实用化 具有重要的现实意义 1 8 课题研究内容 抑制或削弱永磁无刷直流电机转矩脉动可以对电机本体进行优化设计和通 过新型的控制策略来实现 本课题主要通过改变控制策略的角度来抑制和削弱电 机的电磁转矩脉动 1利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立永磁无刷直流电机及控制系统的仿真模型 搭建基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 控制芯片的永磁无刷直流电动机控制系统的实验平 台 2 从理想反电势和定子电流波形出发 对影响转矩脉动的因素 如五种p w m 调制方式 换相角 换相超前滞后角等对转矩脉动的影响进行理论推导和 仿真分析 3分析永磁无刷直流电机的整个换相过程 得出换相区域开通相和关断相电 流的变化率不一致是引起换相转矩脉动的主要原因 为削弱换相转矩脉动 提出了关断相p w m 法和重叠换相法 4 分析了反电势斜坡角大小对转矩脉动的影响 提出一种基于位置传感器的 六个离散信号的自控式电压空间矢量 s v p w m 的控制方法 分析该种方 法的控制环节 转子位置的估计及电压空间矢量与转子磁势间的夹角的合 理选择等 达到转矩脉动最小和转矩电流比最大的目的 l 二海人学坝i 学位论立 27 y 磁无刷直流电动机控制系统的建模与仿真及实验平台的搭建 随着计算机技术的迅猛发展 计算机仿真技术在众多领域得到了普遍的应 2 2 永磁无刷直流电动机的数学模型 i 耄丢主 差 参笨 l c1 j 芝i l i c j 圣1 十嘭i c 纠 o 海大学坝f j 学位论史 e i 1 f 乏1 f 妻兰乏 鲁 乏 圣 匿i c z z 即 v i i b m i c 一m i a m i c m i a 一m i b m i a m i b 一m i c i 1 i i f 车 上 吖 三 m 上呈m 丢 圣1 蓍i c z s 图2 1 永磁无刷直流电机的定子三相绕组的等效电路 2 3 永磁无刷直流电机的转矩和转速特眭 永磁无刷直流电动机电磁转矩为 海人学坝j 学位论文 乙 二 8 i e s i 日 e c i c 2 4 埘m 运行方程为 k 正 等恤 2 5 式中 u 为转子的机械角速度 t i 为负载转矩 j 为转子及负载的转动惯量 b 为阻尼系数 在理想情况下 忽略电枢反应 永磁无刷直流电机的反电势为理想的1 2 0 电角度的梯形波 相电流为正负各1 2 0 电角度的方波电流 并且反电势波形与 相电流波形严格同步 永磁无刷直流电机在任何时刻只有两相导通 所以在任一 时刻 电机的电磁转矩t 由两相绕组的合成磁场与转子永磁体相互作用而产 生 则 疋 丝 丝 2 6 c n l 出m0 9 m 同时 电机的定子绕组回路电压方程为 d i u d2 2 8 2 嘏 2 l m 百 式中 e i 为定子导通相的反电势和相电流的瞬时值 e 1 分别为定子绕组反电势和相电流的幅值 假设理想的永磁无刷直流电机气隙磁感应强度对应的每极磁通中 为 s b 5 口 式中 b 为气隙磁感应强度 o 为计算极弧系数 t 为极距 1 为导体的有效长度 单根导体在气隙磁场中的感应电势e 为 铲玩f v 2 吼i p r 蠢 式中 v 为导体相对于磁场的线速度 p 为电机极对数 2 2 7 2 8 2 9 卜海人学倒 l 学位论立 n 为电机转速 r m i n 将式 2 8 代入式 2 9 中 得 p 2 p 生 5 o6 眙 设定予绕组每相串联匝数为w 则电机定子绕组感应电势为 2 1 0 弘2 e 2 撇 羔肿舻e 咖 2 1 1 式中 c 2 丽2 p w 为电势常数 将式 2 1 1 代入式 2 6 得电磁转矩为 t e n 4 x p w 氆 6 i c 固5 i 式中 c 4 p w 为转矩常数 础 2 1 2 在只考虑电机的稳态情况下 即忽略电感的影响 式 2 7 可写成 u d 2 e 2 i r 2 1 3 将式 2 1 1 代入上式并整理得 旦l 一三竺 2 1 4 c 中5e 中5 对于永磁无刷直流电机来说 气隙磁场主要取决于转子永磁体产生的磁场 电枢反应一般认为很小 而气隙磁密可以认为恒定 因此 从式 2 1 2 可以看 出 电磁转矩大小和定子电流幅值成正比 这与他励直流电机励磁恒定时转矩正 比于电枢电流是一样的 所以控制馈给电机的逆变器输出方波电流的幅值即可控 制永磁无刷直流电机的转矩 这说明永磁无刷直流电动机的转矩具有良好的可控 性 而且理想的永磁无刷直流电机输出的转矩是平滑稳定的 从式 2 1 4 可以 看出 通过调节加在定子绕组上的电压u d 和定子电流i 就可实现调节转速 i 2 4 永磁无刷直流电机及控制系统仿真模型的建立 2 4 1m a t l a b s i m u l i n k 简介 m a t l a b 语言是目前非常流行的一种用于工程计算的高级语言 与 海人学坝 i 学位论史 b a s i c f o r t r a n 和c 语言相比 编程效率高 语言简单 尤其在矩阵运算 方面 显得特别简捷和方便 m a t l a b 用于电机特性仿真的方法有两种 一种 是运用状态变量法调用四阶龙格一库塔函数o d e 4 5 求解 另一种是使用 s i m u l i n k 画框图仿真法 两者相比 前一种方法更具通用性和灵活性 因为 无论何种电机 只要写出其状态方程 再调用o d e 4 5 函数即可仿真 s i m u l i n k 画框图仿真最大的特点是非常直观 直接面向 方框图 在s i m u l i n k 界面 下 可以直接用鼠标 画 出所需要的控制系统模型 然后利用s i m u l i n k 提 供的功能米对系统进行仿真或线性化分析 这样无论多么复杂的系统 相当容易 日 直观地完成模型的输入和仿真计算 仿真过程中和结束后都有示波器供查看 分析 12 图2 2 电机及控制系统仿真模型 2 4 2 系统构成 永磁无刷直流电动机控制系统实际上由三部分组成 电机本体 逆变器 驱 动控制器 本系统中 直流电源通过电压源型三相桥式p w m 逆变器向电机供电 只要根据位置检测信号触发导通对应的开关器件 就可获得与感应电势同相位的 电流 从而驱动电机运转 根据系统各部分功能的不同 采用模块化的方法将整个系统分成几个功能模 块分别建模 因此 各部分模块相对独立 它们之间存在输入输出的接口配合 整个系统的模型如图2 2 所示 4 i 二海人学坝l 学位论文 丢 兰 f 叭 喜吖 叭三 叭l 兰0m 1 e u b 芝e b l 一 i i i l c z t s d 出e o 专阢 正一眠 2 1 6 图2 3 电规仿真模型 转矩与转速模块 由电磁转矩方程式 2 4 可得转矩输出的仿真模块 如图2 4 左半部分所示 三相相电流与相应的反电动势系数相乘 求和后便得到永磁无刷 直流电机的电磁转矩 转速模块则由电机的运动状态方程式通过加 减 乘 积 分等模块很容易的搭建出来 如图2 4 右半部分所示 海大学坝i 学位论文 u d 图2 4 转矩与转速模块 3 n d i n g a d n d i n g b d n d i n g c 图2 5 逆变器模块 2 4 4 驱动控制模块 对于本文所采用的带有位置传感器的电机控制系统 逆变器的可靠换相是根 据位置传感器的转子位置信号进行控制的 永磁无刷直流电机调速系统一般采用 双闭环控制 其中外环是速度环 内环是电流环 速度给定信号与速度反馈信号 比较后 送入速度调节器 速度调节器的输出与电流反馈信号比较后 送入电流 滞环比较器或通过电流调节器 由于电流滞环比较器具有控制简单 性能良好的 特点 所以它是目前采用得较多的电流控制器 再根据位置传感器的换相逻辑信 号 输出相应的触发脉冲 控制功率器件的导通与关断 本章主要从验证所建电 机模犁的正确性 得到电机的原始特性考虑 因此 这里利用开环控制再加限流 的控制方法 6 j 海大学烦 l 学位论文 2 45 逆变器模块 逆变器模块用p s b 提供的3 对m o s f e t 功率开关器件 各自反并续流二极 管 构成三相逆变桥 如图2 5 所示 驱动控制模块根据永磁无刷直流电机的运 行原理 通过转子旋转的角度 在换相时刻触发功率器件的导通和关断 产生方 波电流 2 5 控制系统的硬件构成 永磁无刷直流电机控制系统是由电机本体 位置检测电路和驱动控制电路构 成 如图2 6 所示 逆变器主电路采用通用的三相桥式拓扑结构 对于小功率永 磁无刷直流电机控制系统 其功率器件通常采用m o s 管 因为m o s 管是电压 型控制器件 驱动电路简单 并且m o s f e t 为多数载流子器件 无少数载流子 存储效应 因而丌关速度快 本文中功率开关管型号为i r f 2 8 0 7 的m o s 管 位 置检测采用霍尔位置传感器 安装在电机内部 主控芯片为t m s 3 2 0 f 2 4 0 驱动 控制芯片为i r 2 1 3 0 相电流检测为霍尔电流传感器 图2 6 控制系统硬件构成 2 51t m s 3 2 0 f 2 4 0 控制芯片 本文中控制芯片采用美国t i 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 4 0 型号的d s p 芯片 该 芯片是专为满足复杂的电机数字控制的工业需求而设计的一款芯片 它集d s p 的高速信号处理能力和适用于电机控制的先进外围设备于一体 从而使控制系统 的硬件电路简单可靠 软件编程方便 系统整体性能得以提高 上海人学f j 学位论文 数据r a ml 程序r o m f l a s h 稃序 数据总线 t m s 3 2 0 f c 2 4 0 持 寸i 些 童耍兰 生攀蓉邕黼 器 i 兰 竺竺 i 左移移位器 3 2 位算术逻辑单元 3 2 位累加器 丘移移位器 07 8 4 辅助寄存器 8 级硬件堆拽 重复指令集 2 个状态寄存器 外 设 总 线 3 个定时器 9 个比较寄存器 1 2 个p 州输m 死区控制 际雨翮 i 获单元及两j l 竺塑竺些呈i a d 转换器 看门狗定时器 s p i 串口 s c i 串口 i o u 图2 7t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片的内部结构 t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片的内部结构如图2 7 所示 相比于采用单片机作为永磁无 刷直流电动机控制器 它有如下一些改进和自身的特点 州 1 芯片采用哈佛结构 具有独立的程序和数据空间 即有两个相互独立的程 序存储器和数据存储器 因此 提高了运行速度和灵活性 2 采用流水线结构 以减少指令执行时间 从而增强了处理器的处理能力 t m s 3 2 0 f 2 4 0 的流水线深度为4 级 即可同时处理四个指令 每条指令处 于流水线的不同阶段 3 专用的硬件乘法器 许多复杂系统的控制算法包含有大量的乘和累加 在 通用的微处理器中 乘法指令是由一系列加法来实现的 故需多个指令周 期来完成 而在t m s 3 2 0 f 2 4 0 中 由于具有专用的硬件