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永磁无刷直流电机恒功率弱磁控制研究(复合型电机)

永磁无刷直流电机恒功率弱磁控制研究(复合型电机)
永磁无刷直流电机恒功率弱磁控制研究(复合型电机)

浙江大学

硕士学位论文

永磁无刷直流电机恒功率弱磁控制研究

姓名:华强

申请学位级别:硕士

专业:电机与电器

指导教师:贺益康

20040301

摘要Y581222

永磁无刷直流电动机体积小,功率密度高,控制性能好,效率很高,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研发的热点。可以预见,随着永磁材料和电力电子器件的价格的进一步降低,以及无刷直流电机驱动的理论研究和实践应用的不断完善和提高,永磁无刷直流电机及其控制系统将在很多场合有广泛的应用前景。

本文通过大量的文献资料阅读,在对永磁无刷直流电机的发展和现状有了一个整体了解的基础上,针对复合式转子结构永磁无刷直流电机研制了一套弱磁恒功率控制系统,提出一种“双模控制”的控制策略,成功的实现了基速以下恒转矩控制,基速以上弱磁恒功率控制。

本文的主要内容包括:首先介绍了永磁无刷直流电机的应用现状和基本原理,以及永磁无刷直流电机弱磁恒功率控制运行机理和难点;其次,对采用复合式永磁无刷直流电机本体的弱磁控制,详述了其本体结构和接套控制系统,给出了硬件电路和软件编程,提出了相关控制策略;最后,系统成功运行,获得了相关实验数据和波形,验证了控制策略和系统设计的正确性。

关键词:永磁无刷直流电机,弱磁,复合式转子,双模控制

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ABSTRACT

PermanentMagnetBlushlessDirectCurrentMotor(PMBLDCM)hasbeenpaidmoreattentioninthepasttwodecadesbyresearchersinthemotorandcontrolsystemfieldsbecauseofitsexcellentperformance,forexample,smallcubage,greatpowerdensityandhighefficiency.Wecarlforeseethefllrthel"developmentaboutPMBLDCManditscontrolsystemwimthepricedebasedofpermanentmagnetmaterialandmanufactureofrotor.PMBLDCMmayhaveawonderfulforegroundinmanyfields.

Toachievetheflux-weakeningcontrolforaPMBLDCMonthebaseofhybridrotorstructure,thepaperproposesaneffectivecontrolstrategy-_‘、wainmode

control’’:adoptingPWMmethodtoachieveconstant

torqueoperationblowthe

base—speed,andregulatingthephaseangleofcurrentleadingEMFtogaintheequivalentdemagnitigationofarmaturereactionandtoachieveconstantpoweroperationabovethebase-speed.ThecontrolsystemcomposedbyDSP+IPMrealizedthiscontrolstrategysuccessfullyandachievednearlythree-timeflux—weakeningoperationspeedregionwithconstantpower.

Keyword:PMBLDCM,flux—weakening,hybridrotor,twainmodecontrol

II

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1991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1996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。

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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

一般

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

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20世纪80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。20世纪90年代以前主要以PwM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Io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(BI.DCM),另一类是永磁同步电动机系统(PMSM),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

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(SRM)作为车辆电机驱动系统已投入实际使用,法国FIAT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。SRM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SRM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。SRM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SRM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SRM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。

20世纪80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KOVO电技术公司已研制出转速达50000r/min、功率达1.5kW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(PMBLDCM)的发展概况

1.2.1永磁无刷直流电机的发展概况

1831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。1873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。1917年,Boliger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。1948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。1955年,美国D.Harrison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。1968年原联邦德国人Mieslinger提出采用电容移相实现换流的新方法。在此基础上,R.Hanitseh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。

1978年,原联邦德国Mannesmann公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC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。19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁

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(Fe30。).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2.7kJ/m3)、钴钢(最大磁能积约7.2kJ/m3)等多种永磁材料。特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁材料(最大磁能积可达85kJ/m3)和50年代出现的铁氧体永磁材料(最大磁能积可达40kJim3),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(36~160kA/m),铁氧体永磁材料的剩磁密度不高(O.2~O.44T),限制了它们在电机中的应用范围。

20世纪60年代和80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

1967年美国K.J.Stmat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SmC05,产品的最大磁能积超过199kJtm3。1973年出现的磁性能更好的第二代稀土永磁材料,其化学式为Sm2Co。产品的最大磁能积达258.6kJ/m3。1983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(NdFeB)永磁材料,在实验室中的最大磁能积现高达431.3Jim3,商品生产己达397.9J/m3,称为第三代稀土永磁材料。

我国自60年代中期研制成功第一代SmC05,70年代研制成功第二代Sm2Co”永磁体之后,又在1984年7月,继闩美之后,成为世界上第三个能研制生产钕铁硼(NdFeB)永磁材料的国家。NdFcB材料和铁氧体、AlNiCo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,NdFeB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50%左右,市场竞争力强,便于广泛推广应用。目前的发展趋势

NdFeB正在逐步取代铸造型AlNiCo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,NdFeB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NdFeBI作温度限定为85℃以下,最高不超过120"(2,当温度高于150。C时,NdFeB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,NdFeB材料中Nd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NdFeB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NdFeB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NdFeB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NdFeB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3700万吨,占世界探明储量的85%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1956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70年代后期,可关断晶闸管(G1’o)、电力晶体管(GTR)及其模块相继实用化。80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(POWERMOSFET)、绝缘门极晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)、静电感应晶闸管(SITH)、MOS晶闸管(MCT)以及MOS晶体管(MGT)等,其性能可大致如图1.1所示。

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GTO到高频

率多功能的SIT,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。PWM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(IntelligentPowerIntegratedCircuit)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。

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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NdFeB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:

Eo≤XdIN

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la=1N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:

Eo=XalN(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

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(fla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

Eo>>Xa1N(1.31

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(PMSM)的弱磁研究已经取得相当的进展,各种针对PMSM恒功率运行要求的电机本体设计与控制

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(IPM)结构以及辅助永磁体结构都取得了相当的成果。比较起来,BLDCM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BLDCM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BLDCM电流为120。平顶波,导通区间电流不象PMSM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。BLDCM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BLDCM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BLDCM难以实现恒功率弱磁控制,以至于PragasenPillay甚至断言BLDCM不适合于恒功率弱磁运行。而直到2002年为止,样机的极限扩速范围也只有1.54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PMSM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Xd/Xq.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la=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一90。,对于永磁无刷电机电流控制角最大可以达到--60。。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PWM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PWM=I时的速度),这一切都与电机本体的设计,控

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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PMBLDCM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。

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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Ⅱ/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“三相六拍一120。方波形”驱动,其某一相的理想反电势波形是具有120。电角度平台的梯形波,并由120。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(IPM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

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图2.2PMBLDCM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90。时相互作用力为最大,而定子电枢产生的磁势是以60。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120。到60。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PWM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?”

14

(2-1)

(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;CM: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Ia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Ia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=60。时基波转矩存在过零点,为减小转矩脉动,限定口≤60。。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,

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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。

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图2.3PMBLDCM相量图

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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dq坐标系下,电机的d、q轴电压方程分别为:

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(2-4)lU口=(Eo。+I,tX,f)ro

其中国=2nf/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

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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的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。 1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体,为了检测电动机转子的极性,在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是:接受电动机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如图一所示: 永磁无刷直流电动机的基本工作原理 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路,逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。 永磁体N-S交替交换,使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波,结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号:101、100、110、010、011、001,通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通,也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上,这样转子每转过一对N-S极,T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下,仅有两相绕组通电,依次改变一种状态,定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度,转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置,转子在新位置上,使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码,新的编码又改变了功率管的导通组合,使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度,如此循环,无刷直流电动机将产生连续转矩,拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的,而不是由逆变器强制换向的,所以也称作自控式同步电动机。 2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置,所以不论转子的起始位置处在何处,电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩,因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直,在铁芯不饱和的情况下,产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比,这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。 电动机的转矩正比于绕组平均电流: Tm=KtIav (N·m) 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度: ELL=Keω (V) 所以电动机绕组中的平均电流为: Iav=(Vm-ELL)/2Ra (A) 其中,Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值,VDC是直流母线电压,δ是调制波的占空比,Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩: Tm=δ·(VDC·Kt/2Ra)-Kt·(Keω/2Ra) Kt、Ke是电动机的结构常数,ω为电动机的角速度(rad/s),所以,在一定的ω时,改变占空比δ,就可以线性地改变电动机的电磁转矩,得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。

直流无刷电机与永磁同步电机区别

无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢,经过磁路设计,可以获得梯形波的气隙磁密,定子绕组多采用集中整距绕组,因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈,必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术,构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波,逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。本质上,无刷直流电机也是一种永磁同步电动机,调速实际也属于变压变频调速范畴。 通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子,在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦,外加的定子电压和电流也应为正弦波,一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式,也需要位置反馈信息,可以采用矢量控制(磁场定向控制)或直接转矩控制的先进控制方式。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念,无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频,从电机理论上讲,无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似,应该归类为交流永磁同步伺服电机;但习惯上被归类为直流电机,因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看,称之为“无刷直流电机”也算是合适的。 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢,经过磁路设计,可以获得梯形波的气隙磁密,定子绕组多采用集中整距绕组,因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈,必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术,构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波, 逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。 本质上,无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机,调速实际也属于变压变频调速范畴。通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子,在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦,外加的定子电压和电流也应为正弦波,一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式,也需要位置反馈信息,可以采用矢量控制(磁场定向控制)或直接转矩控制的先进控制 策略。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。 最后纠正一个概念,“直流变频”实际上是交流变频,只不过控制对象通常称之为“无刷直流电机”。 仅对电机结构而言,二者确实相差不大,个人认为二者的区别主要在于: 1 概念上的区别。无刷直流电机指的是一个系统,准确地说应该叫“无刷直流电机系统”,它强调的是电机和控制器的一体化设计,是一个整体,相互的依存度非常高,电机和控制器不能独立地存在并独立工作,考核的也是他们整体的技术性能。而交流永磁同步电机指的是一台电机,强调的是电机本身就是一台独立的设备,它可以离开控制器或变频器而独立地存在独立地工作。 2 从设计和性能角度上看,“无刷直流电机系统”设计时主要考虑将普通的机械换向变为电子换向后如何还能保持机械换向电机的优点,考核的重点也是系统的直流电机特性,如调速特性等;而交流永磁同步电机设计主要着重电机本身的性能,特别是交流电机的性能,如电压的波形、电机的功率因数、效率功角特性等。 3 从反电势波形看,无刷直流电机多为方波,而交流永磁同步电机反电势波形多为正弦波。 4 从控制角度看无刷直流电机系统基本不用什么算法,只是依据转子位置考虑给那个绕组通电流即可,而交流永磁同步电机如果需要变频调速则需要一定的算法,需要考虑电枢电流的无功和有功等。

无刷直流电机的驱动及控制

无刷直流电机驱动 James P. Johnson, Caterpiller公司 本章的题目是无刷直流电动机及其驱动。无刷直流电动机(BLDC)的运行仿效了有刷并励直流电动机或是永磁直流电动机的运行。通过将原直流电动机的定子、转子内外对调—变成采用包含电枢绕组的交流定子和产生磁场的转子使得该仿效得以可能。正如本章中要进一步讨论的,输入到BLDC定子绕组中的交流电流必须与转子位置同步更变,以便保持磁场定向,或优化定子电流与转子磁通的相互作用,类似于有刷直流电动机中换向器、电刷对绕组的作用。该原理的实际运用只能在开关电子学新发展的今天方可出现。BLDC电机控制是今天世界上发展最快的运动控制技术。可以预见,随着BLDC的优点愈益被大家所熟知且燃油成本持续增加,BLDC必然会进一步广泛运用。 2011-01-30 23.1 BLDC基本原理 在众文献中无刷直流电动机有许多定义。NEMA标准《运动/定位控制电动机和控制》中对“无刷直流电动机”的定义是:“无刷直流电动机是具有永久磁铁转子并具有转轴位置监测来实施电子换向的旋转自同步电机。不论其驱动电子装置是否与电动机集成在一起还是彼此分离,只要满足这一定义均为所指。”

图23.1 无刷直流电机构形 2011-01-31 若干类型的电机和驱动被归类于无刷直流电机,它们包括: 1 永磁同步电机(PMSMs); 2 梯形反电势(back - EMF)表面安装磁铁无刷直流电机; 3 正弦形表面安装磁铁无刷直流电机; 4 内嵌式磁铁无刷直流电机; 5 电机与驱动装置组合式无刷直流电机; 6 轴向磁通无刷直流电机。 图23.1给出了几种较常见的无刷直流电机的构形图。永磁同步电机反电势是正弦形的,其绕组如同其他交流电机一样通常不是满距,或是接近满距的集中式绕组。许多无刷直流电

无刷直流永磁电动机设计流程和实例

无刷直流永磁电动机设计实例 一. 主要技术指标 1. 额定功率:W 30P N = 2. 额定电压:V U N 48=,直流 3. 额定电流:A I N 1< 3. 额定转速:m in /10000r n N = 4. 工作状态:短期运行 5. 设计方式:按方波设计 6. 外形尺寸:m 065.0036.0?φ 二. 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P ' 直流电动机 W P K P N N m i 48.4063 .030 85.0'=?= = η,按陈世坤书。 长期运行 N i P P ?'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ?'' += 'η η431 3. 预取线负荷m A A s /11000'= 4. 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6. 预取长径比(L/D )λ′=2

7.计算电枢内径 m n B A P D N s i i i 233 11037.110000 255.0110008.048 .401.61.6-?=?????=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-?= 8. 气隙长度m 3107.0-?=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-?= 10. 极对数p=1 11. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--?=??='='λ 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-? 12. 极距 m p D i 22 1 102.22 104.114.32--?=??==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-?== 三.定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22 1 10733.06 104.114.3--?=??==π 3. 槽形选择 梯形口扇形槽,见下图。 4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096 .043.155 .010733.0--?=???==δ ,t B 可由 设计者经验得1.43T ,t b 由工艺取m 210295.0-? 5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056 .196.0255 .08.02.222-?=????=≈Φ= δδτ

恒功率调速

恒转矩调速的实质在于电机的轴功率控制 滑环电机无刷无环液阻起动器、磁控(磁饱和)软启动器、高低压电机液 阻起动器与液阻调速器 关键字:电机调速功率控制原理 引言: 电机调速实质的探讨,是关系到近代交流调速发展的重要理论问题。随着近代变频调速矢量控制及直接转矩控制等调速控制理论的提出和实践,很多有关文献和论著都把调速的转矩控制确认为调速的普遍规律,并提出调速的实质和关键在于电磁转矩控制。然而,这种观点尚缺乏理论和实践的证明,值得商榷。 本文根据电机功率转换的普遍原理,提出并证明恒转矩调速的实质在于电机的轴功率控制,转速调节是功率控制的响应,其关键为如何通过电功率控制轴功率。 转矩控制仅适于恒功率调速,它只是电机调速的局部,而不是调速的普遍规律。变频调速所依据的是转矩控制,实际执行的却是功率控制,因此才没有影响到应用的正确性。 一、功率控制与转矩控制 根据机电能量转换原理,凡电动机都可划分为主磁极和电枢两个功能部分。主磁极的作用是建立主磁场,电枢则是与磁场相互作用将电磁功率转换为轴功率。 直流电动机的主磁极和电枢不仅结构鲜明,而且功能独立,无疑符合以上定义。而交流(异步)电动机通常以定子、转子划分构成,需加说明。 根据所述电枢定义,异步机的轴功率产生于转子,因此,异步机真正的电枢是转子。问题在于定子,一方面定子励磁产生主磁场,故定子是主磁极。另一方面,定子又通过电磁感应为电枢(转子)输送电磁功率,却不产生轴功率,因此定子又具有电枢的部分特征,这里我们把它称为伪电枢。定子的这种复合功能,是异步机区别于直流机的主要特征。 从电枢输出角度观察,电动机的轴功率与电磁转矩机械转速的关系为:PM=MΩ (1)

无刷直流永磁电动机设计流程和实例

无刷直流永磁电动机设计实例 . 主要技术指标 1. 额定功率: P N 30W 2. 额定电压: U N 48V ,直流 3. 额定电流: I N 1A 3. 额定转速: n N 10000r /min 4. 工作状态:短期运行 5. 设计方式:按方波设计 6. 外形尺寸: 0.036 0.065m . 主要尺寸的确定 1. 预取效率 0.63 、 2. 计算功率 P i 直流电动机 Pi ' K m P N 0.85 30 40.48W ,按陈世坤书 i N 0.63 12 长期运行 P i 132 P N 13 短期运行 P i 1 3 P N 4 3. 预取线负荷 A s ' 11000 A / m 4. 预取气隙磁感应强度 B ' 0.55T 5. 预取计算极弧系数 i 0.8 6. 预取长径比( L/D )λ′=2

7.计算电枢内径 根据计算电枢内径取电枢内径值 D i1 1.4 10 2 m 8. 气隙长度 0.7 10 3 4 m 9. 电枢外径 D 1 2.95 10 2 m 10. 极对数 p=1 11. 计算电枢铁芯长 L D i1 2 1.4 10 2 2.8 10 2 m 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长 L= 2.8 10 2 m 13. 输入永磁体轴向长 L m L 2.8 10 2 m 定子结构 1. 齿数 Z=6 设计者经验得 1.43T , b t 由工艺取 0.295 10 2 m 3 槽形选择 梯形口扇形槽,见下图 D i1 3 i A 6s . B 1P i n N 6.1 40.48 0.8 11000 0.55 2 10000 1.37 10 2 m 4. 预估齿宽 : b t tB B t K Fe 0.733 10 2 0.55 1.43 0.96 0.294 10 2m , B t 可由 12. 极距 D i1 2p 3.14 1.4 10 2 2 2.2 10 2 m 2. 齿距 i1 3.14 1.4 10 2 0.733 10 2m 5. 预 估 轭 高 : h j1 a i B 2lB j1K Fe 2K Fe B j1 2.2 0.8 0.55 0.323 10 2m

无刷直流电机控制系统的设计

1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在,无刷直流电机定义有俩种:一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机,而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体,带转子位置信号,通过电子换相控制的自同步旋转电机”,其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义,把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始,由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展,家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展,电机作为设备的重要组成部分,必须具有精度高、速度快、效率高等优点,因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代,第一台直流电动机研制成功,经过70多年不断的发展,直流电机进入成熟阶段,并且运用广泛。 1955年,美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利,形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初,霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现,标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初,德国人Blaschke提出矢量控制理论,无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高,极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年,在北京举办的德国金属加工设备展览会上,西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器,引起了我国有关学者的注意,自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前,我国无刷直流电机的系列产品越来越多,形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展,无刷直流电机发展的初期,由于大功率开关器件的发展处于初级阶段,性能差,价格贵,而且受永磁材料和驱动控制技术的约束,这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内,都停

A10V恒功率带LS控制、压力切断油泵的恒功率调节

请假大家一个问题:以力士乐A10V泵为例,同时具有LS,PC和恒功率阀,我的问题是如何在试验台上调定恒功率阀的起调压力呢?恒功率阀的第二级弹簧需不需要调节?如何调节? 游勇 这个比较复杂。A10V..DFLR的恒功率控制是用双弹簧来实现,一般在出厂时己调好,功率曲线不能改变。 所需工具较多: 1. 手动溢流阀安装在油泵出口作负载; 2. 流量计及压力表。 步骤如下: 1. 把X口及P口连接; 2. 手动溢流阀全开; 3. 油泵起动; 4. 手动溢流阀加压直至恒功率控制的起点压力; 5. 调整泵体上的恒功率阀,直至流量计显示流量开始发生变化; 6. 完成。 需要检测泵出口流量的变化来判断恒功率阀的调定压力是吧,但是另外一个问题是:流量变化多少才能认定恒功率阀的压力已经调定到指定值了呢?谢谢 补充一下第五步恒功率阀的调节方法。 1、将一级弹簧顺时针向里调节(感觉调到起调压力以上即可)。 2、将溢流阀调至起调压力向上一点。 3、回调一级弹簧至起调压力。 至此一级弹簧调节完毕(在此过程中流量应保持在最大流量) 4、将溢流阀压力向上调节,取出不同的几组P、Q数据(P应大于起调压力)做出P-Q曲线,调节二级弹簧使其尽量接近恒功率曲线。 调节过程较为繁琐,出厂时基本已调节好,若非出现故障一般不要调节。 需要检测泵出口流量的变化来判断恒功率阀的调定压力是吧,但是另外一个问题是:流量变化多少才能认定恒功率 ... 当压力上升到一级弹簧控制的起调压力后流量才会发生变化的。也就是说自下而上调节溢流阀当流量开始减小时的压力即为一级弹簧控制的起调压力! |补充一下第五步恒功率阀的调节方法。 1、将一级弹簧顺时针向里调节(感觉调到起调压力以上即可)。 2、将 ... 通过观测流量的方式可以设定一级弹簧的调定值; 那么对于二级弹簧的调节,如果在试验台上取几点的话,这样耗费的时间是不是会很长?如何根据测的几组PQ数据来调节二级弹簧呢?魏兄能不能在详细描述一下呢?谢谢

K3V川崎交叉恒功率调节系统

现在的挖掘机多为斜盘式变量双液压泵,所谓变量泵就是泵的排量可以改变,它是通过改变斜盘的摆角来改变柱塞的行程从而实现泵排出油液容积的变化。变量泵的优点是在调节范围之内,可以充分利用发动机的功率,达到高效节能的效果,但其结构和制造工艺复杂,成本高,安装调试比较复杂。按照变量方式可分为手动变量、电子油流变量、负压油流变量、压力补偿变量、恒压变量、液压变量等多种方式。现在的挖掘机多采用川崎交叉恒功率调节系统,多为反向流控制,功率控制,工作模式控制(电磁比例减压阀控制)这三种控制方式复合控制。

调节器代码对应的调节方式

调节器内部结构 各种控制都是通过调节伺服活塞来控制斜盘角度,达到调节液压泵流量的效果。大家知道在压强相等的情况下,受力面

积的受到的作用力就大。 调节器就是运用这一原理,通过控制伺服活塞的大小头与液压泵出油口的联通关闭来控制伺服活塞的行程。在伺服活塞大小头腔都有限位螺丝,所以通过调节限位螺丝可以调节伺服活塞最大或最小行程,达到调节液压泵的最大流量或

者最小流量的效果。 向内调整限制伺服活塞最大和最小行程及限制最大流量和最小流量 要谈谈反向流控制,就必须要弄明白反向流是如何产生的。在主控阀中有一条中心油道,当主控阀各阀芯处于中位时(及手柄无操作时)或者阀芯微动时(及手柄微操作时)液压泵的液压油通过中心油道到达主控阀底部溢流阀,经过底部溢流阀的增压产生方向流(注当发动机启动后无动作时液压回路是直通

油箱,液压系统无压力)。 所以方向流控制的功能是减少操作控制阀在中位时,泵的流量,使泵流量随司机操作所属流量变化,改善调速性能,避免了无用能耗。 大家注意方向流控制并非交叉控制,一个泵对应一个主控阀块(一般主控阀都为双阀块)。如果单边手柄动作速度很

恒功率泵工作原理相关讨论

请教:力士乐A10VSO-DFLR(恒压/流量/功率控制)变量泵的控制原理 管理提醒: 本帖被论坛清道夫执行加亮操作(2009-01-08) 图片: 图片:

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为向各位了解力士乐A10VSO…DFLR…恒压/流量/功率控制泵的控制原理,上传4张图片. 我想了解的问题是: 1.功率阀的原理; 2. 恒压/流量/功率控制三种控制功能的转换过程. 说明: 最上面的一张图为总图(网上下载的).图1和图2是按照力士乐另一份彩图资料绘制的. 图1中的A1和图2为清晰起见,图1中的X口我画在了上面(原资料是在侧面的) [ 此贴被论坛清道夫在2008-05-21 13:53重新编辑] 小中大引用推荐编辑只看复制 我的问题已经提出好几天了.无人回帖.可能是我对问题的叙述不很清楚. 最近几天我琢磨了一下,对于功率阀的调节原理,我先试着分析如下.是我个人的理解,请诸位指正.

功率阀相当于一个压力无级可调的(比例)溢流阀,它可无级地改变着进入流量调节器弹簧腔的压力P 通过泵斜盘改变功率阀调压弹簧的压缩量X来实现的(泵斜盘带动拨杆改变功率阀套的位置,进而改变功率阀压缩量X与泵斜盘倾角β成反比. 在泵进入恒功率控制期间,流量调节器控制阀芯的位置也有3个. 压力P H作用在控制阀芯的右端(见图1),以形成一个对抗反力,与作用在控制阀芯左端的泵出口压力P P相在中位(平衡位置),在此状态下,泵的斜盘倾角不变. 功率阀所决定的压力P H与泵压力P P应该是同比例变化(升降)的.并且P H的变化要比P P的变化滞后一点当泵压升高时,P P先将控制阀芯向右推离中位(平衡被破坏),并进入泵变量缸的无杆腔使泵的斜盘倾角β变角β的变小,功率阀调压弹簧的压缩量X则变大,阀的开启压力P H随之升高,升高了的P H又将控制阀芯推回中循环下去,控制阀芯连续的经历由平衡→不平衡→新的平衡的过程(用一位网友的话讲,就是控制阀芯在“中位控制. 当泵压降低时,则会出现相反的过程. 恒功率控制始于起点的调整压力,终于切断点的限位柱(即死档铁). 不知我分析的对不对,请各位点拨. [ 此贴被闫波在2008-02-11 10:35重新编辑] 顶端Posted: 2008-02-09 11:13 | 1 楼 小中大引用推荐编辑只看复制 图片:

变频调速三相异步电动机恒转矩及恒功率特性的控制(精)

2002年第3期(总第112期)2002年9月30日出版 (EXPLOSION-PROOFELECTRICMACHINE) 防爆电机 变频调速三相异步电动机恒转矩及恒功率特性的控制 孙振宇 佳木斯电机股份有限公司,黑龙江佳木斯(154002) 摘要阐述变频调速三相异步电动机在低频(f<50Hz)时的恒转矩特性及高频(f>50Hz)时的恒功率特性的控制。 关键词变频调速恒转矩特性恒功率特性控制ControlCharacteristicsofConstantTorqueandConstantOutputinVariable FrequencyAdju stable SpeedThree PhaseInductionMotors SunZhenyu Abstract Thispapergivesadescriptionofcontrollingtheconstanttorquecharacteristicsatlo wfrequency(lessthan50Hz)andtheconstantoutputcharacteristicsathighfrequency(over50H z)invariable frequencyadjustable speedthree phaseinductionmotors. Keywords Variable frequencyadjustable speed,Constanttorquecharacteristic,Con st antoutputcharacteristic,Control. E1=444f1N1mKw1 在忽略定子阻抗压降的情况下,有 U1E1=444f1N1mKw1f1m (1) 1引言 随着我国工业自动化程度的提高,对电动机的调速性能的要求大大提高,而变频调速电机具有效率高、调速范围广、精度高、调速平滑等优点,是异步电动机较理想的调速方法。本文对交流三相异步电动机变频调速中的恒转矩及恒功率特性的控制进行了简明的阐述。 假设Te max和Te分别代表电源频率为额定频率f1e电动机的最大转矩和额定转矩,而Tf max和Tf e分别代表在某一小于额定频率f1e下电动机的最大转矩和额定转矩,若要保证电动机过载能力不变,则有: Tf maxTe max ==m Tf eTe 而Tmax= 3PU1 22f1R1+ 2

直流无刷电机本体设计要点

电机与拖动基础 课程设计报告 设计题目: 学号: 指导教师: 信息与电气工程学院 二零一六年七月

直流无刷电机本体设计 1. 设计任务 (1) 额定功率 80N P W = (2) 额定电压310N U V ≤ (3) 电动机运行时额定转速 1000/min N n r = (4) 发电机运行时空载转速max 6000/min n r = (5) 最大允许过载倍数 2.5λ= (6) 耐冲击能力21500/m a m s = (7) 机壳外径42D mm ≤ 设计内容: 1. 根据给定的技术指标,计算电机基本尺寸,包括:定子铁心外径、定子铁心内径、铁心长度等。 2. 磁路计算,包括极对选择、磁钢选型、磁钢厚度、气隙长度等方面计算。 3. 定子绕组计算,包括定子绕组形式、定子槽数、绕组节距等计算。 2. 理论与计算过程 2.1 直流无刷电机的基本组成环节 直流无刷电动机的结构原理如图2-1-1所示。它主要由电机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电机本体在结构上与永磁同步电动机相似,但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等),转子由永久磁钢按一定极对数(2p=2,4,……)组成。图中的电机本体为三相电机。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接,位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。 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,再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号,去控制电子开关线路,从而使定子各相绕组按一定次序导通,定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的,因而起到了机械换向器的换向作用。 因此,所谓直流无刷电机,就其基本结构而言,可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图2-1-2所示。

永磁无刷直流电机的特点和应用

用途 永磁直流电机是用永磁体建立磁场的一种直流电机。永磁直流电机广泛应用于各种便携式的电子设备或器具中,如录音机、VCD机、电唱机、电动按摩器及各种玩具,也广泛应用于汽车、摩托车、电动自行车、蓄电池车、船舶、航空、机械等行业,在一些高精尖产品中也有广泛应用,如录像机、复印机、照相机、手机、精密机床、银行点钞机、捆钞机等。在舞台灯光方面,永磁直流电机,特别是小型永磁直流齿轮电机的用量非常大。计算机行业中的打印机、扫描仪、硬盘驱动器、光盘驱动器、刻录机、冷却风扇等都要用到大量的永磁直流电机。 汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、打气泵更是用到各种永磁直流电机。宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机等都用到永磁直流电机、在武器装备中,永磁直流电机广泛应用于导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 在工农业方面,永磁直流电机也广泛用于电气和自动化控制及仪器仪表中。在医用方面,永磁直流电机用处更不小,如医用的各种仪器、手术工具,如开脑手术中的电动锯骨刀,特别是野外手术中的各种仪器基本上都是用的永磁直流电机。在残疾人用品方面,如机械手、残疾车等都用到永磁直流电机。在生活方面,用处更多,连牙刷也用永磁直流电机做成电动牙刷了。永磁直流电机的应用真是举不胜举,可以说是无处不在。 随着时代的发展,永磁直流电机的应用会更多,原先用交流电机的许多场合均被永磁直流电机所替代。特别是出现永磁无刷电机后,永磁直流电机的生产数量在不断地上升。我国每年生产的各种永磁直流电机大达数十亿台以上,生产永磁直流电机的厂家不计其数。

特点 1、可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速; 2、具有传统直流电机的优点,同时又取消了碳刷、滑环结构; 3、可以低速大功率运行,可以省去减速机直接驱动大的负载; 4、体积小、重量轻、出力大; 5、转矩特性优异,中、低速转矩性能好,启动转矩大,启动电流小; 6、无级调速,调速范围广,过载能力强; 7、软启软停、制动特性好,可省去原有的机械制动或电磁制动装置; 8、效率高,电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗,消除了多级减速耗,综合节电率可达20%~60%。 9、可靠性高,稳定性好,适应性强,维修与保养简单; 10、耐颠簸震动,噪音低,震动小,运转平滑,寿命长; 11、不产生火花,特别适合爆炸性场所,有防爆型; 12、根据需要可选梯形波磁场电机和正弦波磁场电机。

无刷直流永磁电动机设计流程和实例

无刷直流永磁电动机设计实例 一. 主要技术指标 1. 额定功率:W 30P N = 2. 额定电压:V U N 48=,直流 3. 额定电流:A I N 1< 3. 额定转速:m in /10000r n N = 4. 工作状态:短期运行 5. 设计方式:按方波设计 6. 外形尺寸:m 065.0036.0?φ 二. 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P ' 直流电动机 W P K P N N m i 48.4063 .030 85.0'=?= = η,按陈世坤书。 长期运行 N i P P ?'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ?'' += 'η η431 3. 预取线负荷m A A s /11000'= 4. 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6. 预取长径比(L/D )λ′=2

7.计算电枢内径 m n B A P D N s i i i 233 11037.110000 255.0110008.048 .401.61.6-?=?????=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-?= 8. 气隙长度m 3107.0-?=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-?= 10. 极对数p=1 11. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--?=??='='λ 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-? 12. 极距 m p D i 22 1 102.22 104.114.32--?=??==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-?== 三.定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22 1 10733.06 104.114.3--?=??==π 3. 槽形选择 梯形口扇形槽,见下图。 4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096 .043.155 .010733.0--?=???==δ ,t B 可由 设计者经验得1.43T ,t b 由工艺取m 210295.0-? 5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056 .196.0255 .08.02.222-?=????=≈Φ= δδτ

无刷直流永磁电动机原理

二相三相轮流导通星形三相十二状态 无刷直流永磁电动机工作原理 模型仍然采用星形连接的ABC三组线圈进行励磁,图1是星形接法线圈与电子换向器的连接图,由换向器中六个开关晶体管BG1至BG6组成的桥式电路切换通过ABC三个线圈的电流。例如BG1与BG5导通时电流从A线圈流进B线圈流出;如果BG2与BG4与BG6导通时电流从B线圈流进从A线圈与C线圈并联流出。 新的模型由一个六凸极结构的内定子与两极永磁外转子组成,我们将通过这个模型来展示三个线圈电流的切换顺序,图2是六凸极结构的内定子。

图3是凸极上绕上励磁线圈的定子,线圈的绕向见图5 在定子外周有外转子,外转子有一对永磁体磁极,粘贴在外转子磁軛上,外转子可在定子外周自由旋转,见图4

图5是该模型的正视图,用来表演线圈磁场的切换与转子跟随转动的过程,在六个凸极上绕有线圈,由径向相对的凸极线圈组成一个线圈组,图中黄色的是A组线圈、绿色的是B组线圈、红色的是C组线圈,三个线圈组按星形连接,标有ABC三个字母的是三个线圈的输入端。在外转子磁軛内贴有圆弧状永磁体磁极,蓝色的是N极朝轴心、红色的是S极朝轴心。图5右边是内定子磁场方向箭头,在下面的磁场随开关切换流程图中将附在内定子上旋转,代表定子产生的磁场方向。以此图作动画来演示线圈磁场的切换与转子跟随转动的过程。 根据图1的星形接法线圈与电子换向器的连接图与下面动画的截图来说明开关晶体管是如何控制产生旋转的磁场,图中标注的“红色A+、B+、C+”表示相应线圈与电源正极接通,“蓝色A-、B-、C-”表示相应线圈与电源负极接通。 当开关管BG1、BG5、BG6导通时,电流由A组线圈进B组、C组线圈出,形成的磁场方向向下,规定此时的磁场方向为0度、转子旋转角度为0,见图6左。 当开关管BG1与BG5导通时,电流由A组线圈进B组线圈出,形成的磁场方向顺时针转到30度,转子也随之转到30度,见图6中。 当转子转到30度时,开关管BG1、BG3、BG5导通时,电流由A组与C组线圈进B组线圈出,形成的磁场方向顺时针转到60度,转子也随之转到60度,见图6右。

永磁无刷直流电机矢量控制系统实现毕业设计(论文)

摘要 电动汽车具有清洁无污染,能源来源多样化,能量效率高等特点,可以解决能源危机和城市交通拥堵等问题。电动车作为国家“十二五规划”重点发展的节能环保项目,获得了广泛应用和发展。无刷直流电机用电子换向装置取代了普通直流电动机的机械换向装置,消除了普通直流电机在换向过程中存在的换向火花,电刷磨损,维护量大,电磁干扰等问题,成为了电动车驱动电机的主流选择。本文将采用基于空间电压矢量脉宽调制技术(SVPWM)的正弦波驱动无刷直流电机的方法来解决方波控制下的无刷直流电机启动抖动明显,动矩脉动大,噪声大等问题。控制系统实现了永磁无刷直流电机在不同负载下低转矩纹波,运动平滑,噪音小,启动迅速,效率高的运行效果。 本文主要研究内容如下: 1.对永磁无刷直流电机数学模型与矢量控制工作原理分析,首先对永磁无刷直流电机本体及数学模型分析,接着对矢量控制坐标变换和空间电压矢量脉宽调制技术的原理和实现进行分析。 2.电动汽车用永磁无刷直流电机矢量控制系统实现,首先分析电动汽车用永磁无刷直流电机矢量控制系统结构,最后将电动汽车用永磁无刷直流电机矢量控制系统用Matlab/Simulink仿真。 关键词:电动汽车,无刷直流电机,矢量控制,SVPWM,Simulink

ABSTRACT Electric Vehicle has no pollution and it can supply with diversify energy sources.Also it’s energy efficient is high.These advantages can solve the problems of global energy crisis increasing and city’s traffic jam. Electric Vehicle is widely developed and applied which is called as a national ‘five years plan’focused on development of energy conservation and environment protection projects.The brushless DC motor with electronic commutator which replaces the normal DC motor mechanical switchback unit emerged,and it eliminates a few problems such as commutation sparks,brush wear,a large amount of maintenance,electromagnetic interference and so on,becoming the mainstream selection of the Electric Vehicle drive motor selection. The paper adopted the sinusoidal current drive based on space vector pulse with modulation(SVPWM) method was proposed to solve the problems of start shaking ,large torque ripple and loud noise of brushless direct current motor under the control of square-wave.The control system enabled BLDCM with different load operating in the condition of the low torque ripple smooth rotation ,low noise and high efficiency . The main studies were as follows: (1)Analyzing the mathematical model of BLDCM and the principle of the vector control.firstly,to analyze the ontology of the BLDCM and mathematical model,then analyze the vector control coordinate transformation and theory of space vector pulse width modulation. (2)Electric vehicles with a permanent magnet brushless dc motor vector control system implementation. Firstly analyze the electric car with a permanent magnet brushless dc motor vector control system structure, finally to the electric car with permanent magnet brushless dc motor vector control system with Matlab/Simulink.

永磁无刷直流电机控制系统分析研究

永磁无刷直流电动机控制系统的研究 摘要 无刷直流电动机是集材料科学、电力电子技术、微电子技术和电机理论等多学科为一体的机电一体化产品,在诸多领域有着广阔的应用前景。 随着大功率开关器件集成电路及高性能的磁性材料的进步,采用电子换向原理工作的永磁无刷直流电机取得了长足的发展。永磁无刷直流电机既有直流电机的结构简单,运行可靠。又具备交流电机运行效率高,无励磁损耗及调速性能好等诸多优点,在当今国民经济的各个领域里的应用日益普及。维护方便的一系列优点 永磁无刷直流电动机发展简况 永磁无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。现阶段,虽然各种交流电动机同直流电动机在传动应用中占主导地位,但是永磁无刷直流电动机正受到普遍的关注。 自20世纪90年代以来,随着人们生活水平提高和现代化的生产、办公自动化的发展,家用电器、工业机器人等设备越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化,作为执行元件的重要组成部分,电机必须具备精度高、速度快、效率高等特点,永磁无刷直流电机的应用因此而迅速增长。现阶段,虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位,但无刷直流电动机正受到普遍

的关注。尤其在节能已成为时代主题的今天,无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。 无刷直流电机转子采用永久磁铁,其产生的气隙磁通保持为常值,因而特别适用于恒转矩运行;对于恒功率运行,无刷直流电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制,但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大,可产生很大的气隙磁通,这样可以大大缩小转子半径,减小转子的转动惯量,因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中,如数控机床、机器人等应用中,无刷直流电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。目前无刷直流电机的应用范围已遍及国民经济的各个领域,并日趋广泛,特别是在家用电器、电动汽车、航空航天等领域已得到大量应用。

直流无刷电机与永磁同步电机区别

直流无刷电机与永磁同 步电机区别 集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#

无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢,经过磁路设计,可以获得梯形波的气隙磁密,定子绕组多采用集中整距绕组,因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈,必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术,构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波,逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。本质上,无刷直流电机也是一种永磁同步电动机,调速实际也属于变压变频调速范畴。 通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子,在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦,外加的定子电压和电流也应为正弦波,一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式,也需要位置反馈信息,可以采用矢量控制(磁场定向控制)或直接转矩控制的先进控制方式。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念,无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频,从电机理论上讲,无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似,应该归类为交流永磁同步伺服电机;但习惯上被归类为直流电机,因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看,称之为“无刷直流电机”也算是合适的。 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢,经过磁路设计,可以获得梯形波的气隙磁密,定子绕组多采用集中整距绕组,因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈,必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术,构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波, 逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。 本质上,无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机,调速实际也属于变压变频调速范畴。通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子,在磁路结构和绕组分

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