一种自动门用无刷直流电机优化设计_图文

1、一种自动门用无刷直流电机优化设计 刘国海, 等中图分类号:TM 36+1 文献标志码:A 文章编号:1001 6848(2009 09 0005 04一种自动门用无刷直流电机优化设计刘国海, 周文娟, 张宏涛, 田 翔(江苏大学电气信息工程学院, 镇江 212013摘 要:无刷直流电机作为自动门的关键部分, 要求功率密度高, 响应速度快, 控制灵活方便, 使用安全可靠, 价格低廉, 然而自动门用无刷直流电机本体设计存在着非线性等问题。因此, 先采用差异进化算法对电机进行了整体设计, 然后采用扰动法进行局部优化, 以节约设计时间, 提高设计效率。采用基于Ansoft 有限元分析软件的电磁场数值计

2、算方法对样机进行分析。仿真结果及试验数据表明, 电机响应速度快, 转速稳定, 符合设计要求。关键词:无刷直流电机; 优化设计; 动态仿真; 实验A D esign Opti m izati o n of Brushless DC M otor used for A uto m atic D oorL I U Guo ha, i ZHOU W en j u an , Z HANG H ong tao , T I A N X iang(Jiangsu U niversity , Zhen jiang 212013, ChinaA bstract :W ith the increasing deve

3、lop m ent of m odern industr y , the auto m atic doors are w i d ely usednowadays . A s the key ele m ent of the auto m atic door syste m, br ush less DC m otor w it h h i g h pow er density , h i g h re liability , fast response ,facility to control and lo w cost is requ ired . S i n ce the design

4、of thebrushless DC m otor is a non li n ear and m ulti variab l e process , t h e ne w g l o ba l opti m al a l g orit h m differential evo l u ti o n is intr oduced to design the m otor w ho lly and t h e perturbation m et h od is adopted to opti m izethe design . Fr o m t h e desi g n process ,the

5、 co mb i n ation o f both m ethods can save the desi g n ti m e and i mprove the desi g n e fficiency . The opti m al desi g n of the br ush less DC m otor w ith the t w o m ethods has been verifi e d by FE M and the si m ulati o n results and experi m ental dates proved that the brushlessDC m oto r

6、 can ach ieve the perfor m ances of high accuracy ,fast response .K eyW ords :B r ush less DC m otor ; Opti m ization design ; Dyna m ic si m ulation; Experi m ent收稿日期:2008 05 29修回日期:2008 06 15基金项目:江苏省自然科学基金项目(BK20070940 引 言永磁无刷直流电动机以其功率密度大、响应速度快、控制灵活方便、使用安全可靠等突出优点成为自动门用的优先选择。准确计算电机参数并进行优化设计, 成为开发高性

7、能自动门用无刷直流电机的重要依据。然而电机本体优化设计是一个复杂、非线性、离散多目标规划问题, 往往设计方案不是最优结果, 所以电机整体设计及局部电机参数优化是非常重要的。目前电机优化设计中最为常用的是遗传算法1 6。本文使用差异进化算法7对电机进行整体设计。该算法源于遗传算法, 但由于不需进行编码和解码操作, 使用上大为简化, 同时它收敛速度快, 对各种非线性函数适应性强, 具有并行运算特性, 尤其适应于多变量复杂问题的寻优。然而, 该方法是基于整体性能而言的, 对于局部的设计要求, 考虑不是太全面, 所以本文在此基础上采用了局部扰动法进行局部寻优。1 基于差异进化算法的永磁无刷直流电机优化

8、模型差异进化算法(DE 思想的核心是一种新的产生新试验变量的机制。一组待优化的设计变量称为一个向量, 在一次迭代过程中产生的向量总称为一个群, 差异进化算法所需的参数很少, 主要有停止条件(目标函数值, 最大迭代数 、控制参数F (步长 以及每组群中的向量个数N P 和向量的取值范围, 其中, 目标函数值由用户指定的计算程序(以选定向量为输入 计算给出。无刷直流电机的优化设计可表述为一个约束微电机2009年第42卷第9期非线性离散混合规划问题, 如式(1:m in f (x g i (x 0, i =1, 2, 3, , m x j a j b j ,j =1, 2, 3, , n(1式中,

9、f (x 为电机优化的目标函数; g i (x 为约束条件, a j b j ,j =1, 2, 3, , n 为各个变量的取值范围。 由于DE 算法是处理无约束问题的最优化方法, 使用罚函数将式(1 转化为无约束问题。无约束目标函数为:F (x =f(x +ni=1m ax 0, g i (x 2(2无刷直流电机由于结构的特殊性, 在运转时存在脉动转矩, 使得电机在低速区运行时易引起振动和噪声。因此, 在建立无刷直流电机优化目标函数时, 除了要求达到较高的效率、较高的功率因数外, 还必须考虑抑制脉动转矩。转矩脉动与以下两个因素有关系8: 槽数与磁极数量的组合(包括辅助齿槽 。对此, 引入系数

10、C T =2pQ S /N C 来反映齿槽配合对脉动转矩的影响(其中Q S 为定子槽数, p 为极对数, N C 为两者的最小公倍数 。一般系数C T 越大, 则可认为脉动转矩越大。极弧系数。在忽略磁极边缘效应的情况下, 存在一个使得电机脉动转矩最小的极弧系数: pb est =N -k 1N k 1=0, 1, 2, , N, N =N C2p在所选的极弧系数越接近 pbest 时, 脉动转矩将越小。对于极弧系数的选择引入一个奖励系数A a =0 , p - p b est 0 05-A W (1-20 p - pbest ,p - p b est 005(3当优化过程中选取的极弧系数接近

11、pbest 时, 给予目标函数一定奖励, 使得优化向脉动转矩最小的极弧系数方向移动。需要注意的是, A W 不可取得过大, 否则会使函数只对极弧系数寻优而忽略成本和齿槽配合的考虑。考虑电机设计的限制条件, 如效率下限、功率因数下限以及永磁体最大去磁工作点确定后, 无刷直流电机电磁计算中的无约束目标函数为:F (x =k 1cos T +k 2C T +A a +ni=1m ax 0, g i (x 2(4式中, cos T 表示电机有效材料的成本; k 1、k 2代表设计中对于性能和成本的强调程度, 根据设计中对成本和脉动转矩的要求平衡后选取。用差异进化算法, 对一台4对极、50W 无刷直流电

12、机电机进行优化设计。设计要求:额定电压24V, 频率50H z 。应用DE 技术优化设计时, 取长径比(即电机长度与定子内径的比值 、极弧系数 、定子齿磁通密度B g /T、电枢电流密度A /A c m -2、槽数Z 5个参数组成DE 中的一个向量, 即:x =, p , B g , A, Z T设定取值范围X vm i n 、X vmax 为:X vm in =0 1, 0 5, 0 9, 6, 8T X v m ax =1 0, 0 9, 1 6, 10, 16T将最大迭代次数设定为60。限定条件取效率下限、空载转速下限、额定转矩下限、永磁体空载工作点上限、永磁体最大去磁工作点下限、温升上

13、限(即定子电密和导体电流密度的乘积 。图1是基于DE 算法的永磁无刷直流电机优化设计流程。图1 基于DE 算法的永磁无刷直流电机优化设计流程图经电机设计9 10, 本自动门用电机的主要尺寸如表1所示。电机结构如图2所示。2 磁极结构形状和尺寸局部优化因为整体考虑电机的性能, 所以经过上述设计的得到电机模型不一定是最优方案, 局部细节可以再进行优化; 在DE 算法的基础上, 可以再使用扰动法进行局部优化。一种自动门用无刷直流电机优化设计 刘国海, 等表1 电机主要尺寸额定输出功率/W 50定子长度/mm60定子外径/mm56额定电压/V24额定转速r /m i n 3600定子内径/mm27槽数

14、12转子内径/mm12永磁体型号NDFEB8 极数8转子长度/mm66每槽导体数20 图2 无刷直流电机结构局部扰动法是利用某些参数的离散性, 在预估某参数值之后, 取该预估值附近一定范围内的数值进行计算, 在计算的过程中把同样的方法应用于其他电机参数的选取, 经双重循环计算后, 即可获得针对某一电机主要尺寸的最优设计方案。由于电机主要尺寸确定后, 需要优化的电机参数可变化的范围较小, 因此扰动范围不易过大。本电机局部优化的要求是:在保证额定转矩和起动转矩大于要求值、空载转速大于一定值的基础上, 尽量减少永磁体的用量, 同时保证不发生局部失磁。为了不增大电机的体积, 定子轭部及其它尺寸, 如定

15、、转子内、外径等保持不变, 只改变磁极结构, 以极弧系数、磁钢厚度为优化变量, 以空载转速、额定转速、起动转矩、额定转矩为性能指标。经反复迭代计算得到如图3图4所示曲线: 图3 极弧系数与空载转速、额定转速的关系由表1所给的基本尺寸等条件, 可以预估极弧系数大概在0 7左右, 磁钢厚度在4mm 左右。确定了变量的预估值, 下面就采用扰动法确定参变量的最优值。先假设磁钢厚度为4mm, 因为极弧系数的预估值为0 7, 所以选择极弧系数的扰动范围为0 50 9, 步长为0 05, 进行数次迭代, 得到的额定转速、空载转速、额定转矩、起动转矩的变化曲线, 如图5、图6所示。由图3看出, 极弧系数在0

16、5到0 9之间变化时, 空载转速、额定转速呈下降趋势。空载转速变化范围为5312r /mi n 到3534r /mi n ; 额定转速为4479r /mi n 到3025r /mi n 。由图可见, 空载转速及额定转速随极弧系数呈近似线形化的曲线递减变换, 即极弧系数越大, 额定转速、空载转速越小。由图4看出, 极弧系数在0 5到0 9之间变化时, 启动转矩的变化范围是1 01Nm 到1 51Nm, 变化范围比较大, 且起动转矩随极弧系数呈近似线形化的曲线递增变化。额定转矩的变化范围是0 107Nm 到0 158Nm 。因为图4的纵坐标选的比较大, 所以从图上看变化不是太明显, 其实额定转矩随

17、极弧系数呈近似线形化递增变化, 即随着极弧系数变大, 额定转矩也变大。因为约束条件的限制, 所以选择极弧系数为0 7。同样用扰动法对磁钢厚度进行寻优。图5、图6为当磁钢在2mm 到6mm 变化时, 电机的额定转速、空载转速、额定转矩、起动转矩的变化曲线。经分析比较, 将磁钢厚度选为4mm 较合理。所以, 经过以上优化寻优, 本电机的极弧系数选取0 7, 磁钢厚度选取4mm 比较合理。3 仿真结果采用扰动法选取完极弧系数和磁钢厚度后, 利用Ansoft 的Rmxprt 对电机的性能进行了仿真。图7为优化后的电流波形。可见优化的结果还是比较理想的。 图7 A 相电流波形本文利用有限元分析软件Ans

18、o ftM ax w ell 的tran sient 求解器对电机的起动、负载突然变化等瞬态过程进行了仿真计算11, 波形如图8图10所示。由图8可见, 电流波形近似于方波。由图9可以看出, 电机响应速度快, 很快达到额定转速, 且后来转速趋于稳定。本文采用了分数槽绕组、选用粗短型的梨型槽、合理选择永久磁极尺寸的方法来减小转矩脉动。由图10可以看出, 转矩脉动比较小。4 性能测试为了保证设计出的无刷直流电满足性能要求, 对自动门系统进行了测试。实验波形如图11所示。结果表明, 该电机在调速范围、输出转矩等方面都达到了设计要求。图11 实测电流波形5 结 论 本文用DE 算法设计了一台自动门用无

19、刷直流电机。针对采用DE 算法在设计电机时的不足, 本文又采用扰动法进行局部优化、两种方法结合设计出了一台无刷直流电机。同时, 本文通过A soft 有限元分析软件对电机进行了有限元分析。从仿真和实测结果来看, 本台电机的转矩脉动小, 响应速度快, 转速稳定。本台电机同时也具备结构小巧、控制方便、价格低廉等优点, 完全满足自动门的性能要求。参考文献1 Dong J oon S m i . Applicatli on ofVect orOptm i iz ati on Emp l oyi ngM odified Geneti c A l gori th m t o Per manen tM ag

20、netm ot or Desi gn J.I EEETransacti ons on M agnetic , 1997, 33(2:1888 1891.2 Sun J i an z hong . Op ti m i zation Des i gn of Sp eci al Indu cti on M ot orsus i ng I mp roved I n telli gen t S i m u l ated Anneali ng A lgorit hm J .IEEE Transactions on M agn eti c . 2000,34(5:1163 1166.3 J ang Sung

21、 Chug , H yun Kyo J ung , S ong Yop H ahn. A S tudy onCo m pari son of Opti m i zati on Perfor m an ces b et w een I m mun e A lgo ri thm and ot her H euristic A l gorit hm J.I EEE T ransacti on s onM agnetic , 1998, 34(5:2972 2975.4 Sun Ch angzh. i Op ti m i zati on and Taboo Search A l gori thm s

22、f or Desi gn ofUnder w ater Thru sterM ot orJ.S i xt h I n tern ati ona lCon feren ce on I CEM S, 2003,(1:149 152.(下转第36页用M atlab 仿真得到系统的阶越响应曲线, 如图6(b, 可以看到系统经过2次振荡后趋于稳定, 具 有较好的抗扰动性。 图6 数字锁相系统仿真结果4 实验波形本文选用三相六状态的无刷直流电机作为样机, 其额定电压为60V, 额定功率为250W, 额定转速为2400r/mi n 。将所设计的锁相环稳速系统对该无刷直流电机进行实验, 电机系统稳速范围为80

23、0r /mi n 2600r /mi n 。图7为给定频率f r 、反馈频率f v 和调制信号P WM 的实测波形。通道(1 为给定频率f r , 通道(2 为反馈频率f v , 通道(3 为调制信号P WM; 可以看到频率稳定, 给定频率f r 超前于反馈频率f v 一定角度; P WM 信号通过调节占空比来调速, 系统稳定,与理论分析一致。图7 给定频率f r , 反馈频率f v 和输出P WM 的波形5 结 论本文在分析无刷直流电机锁相环驱动系统的基础上, 设计了以单片机和可编程逻辑器件GAL 芯片为核心的稳速驱动控制系统。通过仿真与实验, 系统结构相对简单, 成本低, 转速平稳, 可在

24、短时间内快速起动并能跟随给定信号快速跟踪转速, 有较高的工程实用价值。参考文献1 张琛. 直流无刷电动机原理及应用M.北京:机械工业出版社,2004.2 谷腰欣司. 直流电动机实际应用技巧M.北京:科学出版社, 2006.3 谭建成. 电机控制专用集成电路M.北京:机械工业出版社, 2003.4 李刚. ADuC845单片机原理、开发方法及应用实例M.北京:电子工业出版社,2006.作者简介:邹继明(1967-, 副教授, 研究方向为特种电机驱动控制技术。耿 炎(1982-, 硕士研究生, 研究方向为电力电子与电力传动。(上接第8页5 陈丽, 冯信华. 神经网络在电机设计中的应用J .中小型电机