永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究-答辩PPT

永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究 答辩人 孙晓霞指导老师 吴建华教授 主要内容 发展状况和优点控制系统的设计数学模型和仿真模型本体设计程序结果分析绕组电感的解析计算 及三相六状态下两两接通方式下的星形接法和三角形接法下的相电流波形 一发展状况 1955年 美国D Harrison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 这就是现代直流无刷电动机的雏形 1978年 MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出 是电子换向的永磁无刷直流电动机真正进入实用阶段 20多年以来 随着永磁新材料 微电子技术 自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展 永磁无刷直流电动机得到了长足的发展 二优点 运行效率高无励磁损耗调速性能好结构简单运行可靠维护方便 三结构及运行原理 图1永磁无刷直流电动机的结构原理图 图2永磁无刷直流电动机的原理框图 四控制系统的建立 整个控制系统是实现永磁无刷直流电动机的稳定运行的核心环节 主要包括开关主电路 逆变器 驱动电路和控制电路 本文设计了以MicrochipTechnology公司的PIC16F877A为核心部件的控制系统 系统总体硬件框图如下图 表1构成硬件电路的主要元器件 五数学模型 为了简化分析 做出以下假设 钕铁硼永久磁铁的磁导率与空气的磁导率相同 每相绕组的自感为一常数 不考虑齿槽效应和磁路饱和 忽略磁滞 涡流 集肤效应和温度对参数的影响 三相定子绕组对称 Ra Rb Rc La Lb Lc Mab Mbc Mca 转子磁场为方波磁场 顶部宽度大于120o的梯形波 电压方程电磁转矩方程运动方程 图3永磁无刷直流电动机的磁场 反电动势和相电流波形 六仿真模型 在Matlab6 5 Simulink环境下 在分析数学模型的基础上 提出了控制系统仿真模型的方法 系统设计框图如图7所示 图4PMBLDCM控制系统仿真建模组成框图 图5Matlab Simulink中PMBLDCM仿真建模整体控制框图 七本体设计程序 采用磁路分析法设计了一套永磁无刷直流电动机的电磁设计程序总体方案确定转子激磁结构确定磁路设计电路设计和转子位置传感器设计 八电感的解析计算 本文运用气隙系数来考虑齿槽影响 直接运用能量法求出永磁无刷直流电动机相绕组的电感 给出了具体的电感计算过程和计算结果 和 式中 八结果分析 实验结果仿真结果解析计算结果 1 实验结果分析 图6位置传感器输出信号图7反电动势波形 图8相电流的实验波形表明了此控制系统的正确性和有效性 2 仿真结果分析 图9计及电感参数时转速 转矩 相电流波形 图10L 0时的转速 转矩和相电流波形 3 故障仿真分析 1 A相一个功率管开路的波形 a 转速 转矩和相电流波形 b 相电流波形 2 A相一个功率管短路波形 a 转速 转矩和相电流波形 b 相电流波形 3 A相绕组短路的仿真波形 a 转速 转矩和相电流波形 b 相电流波形 4 A相绕组开路下的仿真波形 a 转速 转矩和相电流波形 b 相电流波形 5 电源电压突降到25V的仿真结果 a 转速 转矩和相电流波形 b 相电流波形 3 解析计算结果表2整数槽下有限元计算结果表3整数槽下有限元计算结果 考虑磁路饱和时 相绕组自感 1 1598mH 相绕组互感 0 365mH 九两两导通方式下的星形接法 两两导通三相六状态星形连接方波永磁无刷直流电动机的整个运行过程 其运行模式可以分为换相和导通两种运行模式 六种运行状态 即AC BC BA CA CB AB AC 由电机运行模式的周期性 仅以AC导通到BC导通的换相模式和BC导通模式为例分析永磁无刷直流电动机的运行模式 如图9 a AC导通模式 b AC导通到BC导通的换向模式c BC导通模式图11方波永磁无刷直流电动机运行模式图 根据三相绕组电流的对称性 可以导出B相电流一个周期内的电流波形的解析表达式 从图12和图13中可以看出 相电流的解析计算波形和仿真波形非常相似 基本接近矩形波 而相电流的下凹是是由换相引起的 图12解析计算的相电流的波形 图13相电流的仿真波形 十三角形接法 两两导通三相六状态三角形连接方波永磁无刷直流电动机的整个运行过程 其运行模式可以分为换相和导通两种运行模式 以功率开关管导通顺序来区分六种运行状态 即12 23 34 45 56 61 12 由电机运行模式的周期性 仅以12导通到23导通的换相模式和23导通模式为例分析永磁无刷直流电动机的运行模式 如图14 a 12导通模式 b 12导通到23导通的换向模式 c 23导通模式图14方波永磁无刷直流电动机运行模式图图15三角形连接两两导通方式下的相电流波形与反电动势波形 根据三相绕组电流的对称性 可以导出B相电流一个周期内的电流波形的解析表达式 从图16和图17中可以看出 三角形连接的两两导通方式下相电流的解析计算波形和仿真波形非常相似 图中相电流的上凸和下凹是由于反电动势出现线形增加或线形减小 图16解析计算的相电流的波形 图17相电流的仿真波形 总结和展望 本文在研究过程中主要成果及结论总结如下 设计了一套以单片机PIC16F877A芯片为核心的永磁无刷直流电动机的控制器 并做了相应的实验 在数学模型的基础上建立了永磁无刷直流电动机的Matlab Simulink仿真模型 并对其正常运行和故障情况下进行了仿真研究 运用磁路分析法 设计了一套永磁无刷直流电动机的电磁设计程序 对永磁无刷直流电动机相绕组的电感参数进行了解析计算 与有限元结果进行了对比 推导出永磁无刷直流电动机相绕组的电感计算公式 并用此解析式得到第四章中设计的永磁无刷直流电动机的相绕组电感 在星形连接的两两导通方式下 分析计算得到计及绕组电感的永磁无刷直流电动机的平均电流稳态电路模型 推导出了在三角形连接的两两导通方式下