双凸极永磁电机的控制研究.pdf

浙江大学硕士学位论文双凸极永磁电机的控制研究姓名：丁文浩申请学位级别：硕士专业：电机与电器指导教师：吴建华2003.3.1摘要双凸缀永磁彀援瓣主要特点跫结构麓单，逶合于蠡动纯露l 造结构静篱擎性褥益予双凸板结构和静止的永磁体文章献控蒂l 游角度描述了双函裰永磁电梳静基本原理，强调了反电势的羹要意义其中，与双凸裰永磁电视设计有关，得到 庶定岔艴移零的充分条件由于双凸极永磁电机的控制特性与无利直流电机相似，样机采用1 2 0 导通策略鉴于位置传感器的不精确和一种现存的无位置传感器方案的移相困难，提出了～种新的无位置传感器方案惦真验证了新方案 的精确性实际可行性由一单片机系统初步诞实) 叠～／r 关镑I 词：双曲极，永磁电吩D S P M ／反电势j 无位鬣传戆器，《园定位转矩jI VA b s t r a c tAn e wt y p eo fd o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r ( D S P M M ) i se x p l o r e di nt h i sd i s s e r t a t i o nt of i n dw h e t h e ri ti ss u i t a b l ef o rc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n sD S P M Mf e a t u r e sas i m p l es t r u c t u r ed u et ot h ed o u b l ys a l i e n ts t r u c t u r ew i t hs t a t i o n a r yp e r m a n e n tm a g n e t s ，w h i c hi sa m e n a b l et oa u t o m a t e dm a n u f a c t u r eT h eb a s i cp r i n c i p l eo f t h eD S P M M si sp r e s e n t e df r o mt h ep o i n to f v i e wo f c o n t r 0 1 ．A m o n gt h e s e ，t h eb a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ( B E M F ) i se m p h a s i z e dH o w e v e r , as e to fs u f f i c i e n tc o n d i t i o n sf o rn oc o g g i n gt o r q u e ，s o m e w h a ta s s o c i a t e dw i t hm o t o rd e s i g n ，i so b t a i n e d ．R e s e a r c hi sb a s e do nap r o t o t y p eD S P M Mt h a ti se m p l o y e di ne l e c t r i cb i c y c l e ．A sar e s u l to f t h es i m i l a r i t yo fc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i C Sb e t w e e nt h eD S P M Ma n db r u s h l e s sd cm o t o r( B L D C M ) ，t h ep r o t o t y p ei sd r i v e ni n1 2 0 - d e g r e e s —c o n d u c t i n gs c h e m e ．O na c c o u n to ft h ei m p r e c i s i o no ft h em e c h a n i c a lp o s i t i o ns e n s o ra n dt h ep h a s e —s h i f tp r o b l e mo fa ne x i s t i n gs e n s o r l e s sm e t h o d ，an o v e ls e n s o r l e s ss t r a t e g yi sp r o p o s e d ．T h ea c c u r a c yo ft h i sn e wm e t h o di sw e l ld e m o n s t r a t e db ys i m u l a t i o nF u r t h e r m o r e ，a l t h o u g hp r i m i t i v e l y ，t h ef e a s i b i l i t yi sp r o v e n b yad r i v e rb a s e do na nM C U ’Ss y s t e mk e y w o r d s ：d o u b l ys a l i e n t ，p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r , D S P M ，E M Es e n s o r l e s s ，b r u s h l e s s ，c o g g i n gt o r q u e1 1 1第一章绪论1 ．1 课题鹜景与选惩意义1S R M ( 湃关磁阻电褫> 在工监庶粥中受尉青潦，函为它稍缭构简擎，遗徐低囊；l 辘{ 奉鏊露；虿黢避蠢，哥获在懑劣懿强填下王{ 筝；诿邃菠瓣广，著量煮稷对较高的转矩，质量比。

有关S R M 结构和标准摊青q 策略方面的储惫可以在文献【l 】中找至n S R M 瓷T 嘉效运褥，一簸鬈工佟予磁稳襄状态这令事蜜簿羧了它翻熬主要疑点：霆有数嚣线蠖释实嚣上黥转短波动{ ≥绒靛绘建立数攀撰型豢采了困滚；而转矩波动则限制了它们的应用范围S R M 又穆为交磁鼹惫橇，鬻V P , M ：癌予它粕嫠鲻了双叠毅瓣络稳，搿默又琳为双凸极电机，即D S M 上世纪9 0 年代，～种新型的带有双曲极结构的永磁电机( D S P M 电视) 出现了f 1 5 j 、㈣、㈣、f 1 碲它继窳了被凸极嘏枫的简单性，耐辩蓑蛋了承磁逸辊豹诸多德轰，懿窝功率密疫、奏效率等英炎，类钕熬耨恶晕在上世纪3 0 年代即已m 飙：只是当时的永磁材料性能太差，无法构建足够的气黢磁场璃嶷，穗±永擞糕糕熬爨现楚D S P M 邀秘褥驭重生耧±瘩磁稼秘躲剩余磁遴寮霾嚣鬻大，翻主D S P M 蠢祝毫援在襞秘上竞诲设诗蒇豢有磁通聚焦教粟，灏戴嘏容易建立愁够强瓣气豫磁场；事突上，气隙磁遥感浚能够轻易豹越过t ．0 T e s l a 在D S P M 电机中，～般激融材料( 线圈、永磁体) 都放置程定子上，这簿转子豹缨褥藏{ # 紫麓攀，赣豫S R M 戆转予～拇。

文献【l 弼鲶懑了D S P M 媳机的详纲的结构方程D S P M 电机通常会被立即联想到S R M ，闲为它们之间在气隙磁场的结构上暌显静奖骰转子及定予滟绫黧在嚣释奄税孛京是～筷一样尽管有这壁类毅，但是这两种电机的基本工作原理却是根本不同的D S P M 电机戚该更适当的归擞予无霉《_ 囊潺彀橇( B L D C M ) 家族，露不是S R M 家羧事实主，黠予D S P M 邀橇，在大多数遮律条箨下，滋隧转矩只蔗～个寄生酌艨动的转矩，对电魂的转簸本课题受嗣象照热蕊金盎助，批礁等5 0 2 7 7 0 3 3 赣赛浚煮赏熬蕊程畿蘑嚣转交只避永磁{ 搴磁通辍定予绕缀憩流稷互露臻的结果，就像柱矮他永磁电机中一样或许D S P M 电机和旋转磁体的承磁电机之间的主要区别在于，D S P M 电机遂气鹾} 蔽场的变纯楚交予疆导戆交魏蔼不是磁嚣靛麓转隶磁髂瀚罐逶努力虢默定子极和转子极对齐的位置走；既然对齐的程度感转予位置的函数，那么转予位置就决定了气隙磁场的分布定子线圈交链了一个脉动的磁通，从丽将感应出～个交交懿爱电魂势建予线塑交筵懿磁逶靛方逡隶涎不变，只是程～个最大穰( 当完全对齐) 和一个最小值( 当完全不对齐) 之间震荡。

对应的殿电动势在理想情况下是一个方波对予设计寇褪懿效率来谖禳重要戆～熹是；努矮控裁添磁懑主要器因鸯两个：第一，因为这个漏磁遇的存在，对予给定的永磁体体积，就减小了有用的粼分；第二，猩不对齐的位嚣上电枢绕组也交链了漏磁通，从丽减小了对齐时与不蹲齐霹懿交链罐逶量麴蓑黪孬这个磁逶差壹接露应惑疰毫基在～般的控制策略下，D S P M 电机在同一时间肖两相投入工作，其中之一把定、转子摭向对齐位置；另一贝U 推离对齐经受也难是因为这样，幽鸯惑变貔引起静磁銎转廷届乎效蒸瀵这耱工彳睾熏理藏孛了转愆波凌，焉这跫许多骚凸极逛机的一个爨大的缺点不过，一个不可忽视的脉动转矩仍然会由于互感的变她和磁遵、电流波形的嚣理想两存在箕毽影噙憩极睦麓戆戮蓑还有开感舞、换流受帮关溺爱，邕裁蕊，相电路何时激活、何时糗向和何时关断理想的开庸角对应于定、转子极开始愆合时；理想的换向对刻则发生在完全黧食的对候：薅理想的关闭角怼应于定、转子霰结素熏台跨S R M 中逶誊戆霰法蹙，在速建裙蠢涟增燕时，挺葑开癌藏耱关闭角：在D S P M 电机情况下，还要提前换向角以便有足够的时间让电流达到期望的水平，使电流、发电动势之阕的耜整编差最小。

但是这个超黄量是速蹙馥毫滚懿交数，需要窦藏躬获取、动态靛镯整，实蠛起来跪较复杂可见，骢动系统对双凸极电机的性能有很大的影响；而功率黛换器对驱动系统的性能又有很大的影蹶，其残本在系绫总成本中占寄较大毙重以S R M 为铡，霹蔻基拜发了多静功率交换器，应焉予不闻静场合S ．v l l b s a 《e 等人霹几释璁型功率变换器拓扑结构进行了比较‘2 “C ．P l o o l c k 等人提出具有最小开关数的劝2率变换器拓扑结构形式‘2 “文献【2 2 】分析了每相单开关的M O S F E T 功率变换器文献[ 2 3 】设计了每相仅需一个开关管的电阻释放、电容转储型功率变换器文献『2 4 ] 则在带泄放电阻的功率变换器基础上，提出了一种适用于低压应用场合的功率变换器形式，通过对绕组储能的分阶段泄放提高功率变换器的运行效率这些对于设计D S P M 电机的功率变换器有很大的参考意义然而，D S P M 电机在本质上还是一种脉动转矩电机，就像V R M 一样i 25 】不过，功率电子器件和快速数字硬件的出现，加上非线性、自适应控制理论的不断完善，使我们得以有能力重新审视这些问题文献[ 2 ] 报道了一种反馈线性化速度控制器。

但是由于它每个时刻只使用一相，因此需要非常高的磁通变化率，从而经常导致电压饱和，以及表现出对模型中不可避免的不确定性的过高的灵敏度文献【3 】提供了一种简化的计算参考电流的方法，以实现电流跟踪，使转矩脉动最小文献[ 4 】则建议使用c o n t o u r 函数来解决同样的问题在文献[ 5 ] 中，计算了用来产生持续转矩的额定电流，在约束条件( 在“临界的”转子位置下，每相贡献总转矩的一半) 下使电流的峰值和坡度变小文献【6 ] 虽然声称实现零转矩波动，但实际上要求非常特殊( 或理想) 的电机结构；文章也没有提到有关激励源的限制文献[ 7 】从能量角度考虑，把控制目标定为使相电流的峰值最小，不过要求在两相都有重合的角度范围内转矩呈线性变化在文献[ 8 】中，s p l i n e 函数被用来建模电机的转矩函数，其中参数用自适应规则估算得到这个方法使得求转矩函数的反函数变得容易了文献[ 9 】则建议了一种全新的换流策略，同时，用比例积分( P I ) 控制器来最小化转矩脉动其中使用了一个很容易求反的磁通函数来计算参考相电流文献[ 1 0 】则在一个完整的模。