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无刷直流电动机转矩脉动的抑制及动态仿真
太原理工大学 硕士学位论文 无刷直流电动机转矩脉动的抑制及动态仿真 姓名：刘会飞 申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：王淑红
太原理－［大学硕士研究生学位论文无刷直流电动机转矩脉动的抑制及动态仿真摘要永磁无刷直流电动机（ＰＭ－ＢＬＤＣＭ）是在有刷直流电动机的基础上， 随着功率开关、电机控制技术和微电子技术的发展而出现的一种新型电 机。它采用电子换相来代替机械换向，不但具有直流电动机的起动、调 速性能，而且具有体积小、易于控制、可靠性好、受环境影响小等特点， 因而在航天、机器人、数控机床、医疗器械、仪器仪表和家用电器等许 多工业领域都得到了广泛应用。但是无刷直流电动机运行中所存在的转 矩脉动问题，对实现更精确的位置和更高性能的速度控制有较大影响， 因此本文将对如何减小转矩脉动进行重点研究。 本文对无刷直流电动机进行了详细的分析，从理论和仿真两个方面 对以下几个问题展开了研究和讨论： （１）以三相无刷直流电动机为例，讨论了其组成、导通方式以及工 作原理，利用其数学模型，在ＭＡＴＬＡＢ工具箱Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂｌｏｃｋ下搭 建了仿真模型，并采用双闭环控制策略进行了仿真，验证了其相关理论 的正确性。 （２）研究了反电动势过零检测方法，重点讨论了反电动势法中相电压 和端电压两种检测方案，针对反电动势过零点检测方法和换相点检测方 法中存在的不足，本文用延迟“９０。一口”换相替代了延迟“３０。一口”换相， 实现了更宽范围的准确换相。与此同时，考虑到电机起动时反电动势过１太原理工大学硕士研究生学位论文小的原因，采取了“三段式”起动的方法，从而保证了电动机的准确起 动和稳定运行。 （３）针对三相无刷直流电动机转矩脉动的不同种类，本文提出了相应 的抑制方法。在分析了电磁转矩解析公式的基础上，得出转矩脉动是由 于反电动势和电流的不理想造成的，然后着重对由于电流换相产生的转 矩脉动进行了分析，根据速度大小的不同，提出了高速区和中低速区转 矩脉动的抑制措施，其中ＰＷＭ调制只能用于％＞４吃的中低速区，并且 讨论了五种不同的调制方式对电机换相过程的影响。而重叠换相法却有更宽的适用范围，在％＜４瓯的高速区依然成立，超前换相法由于导通开始时间较难确定，因而实际中用得更多的是滞后换相法。同时由于换相 过程中电流波动的影响，参考电流也必须相应地改变，从而更好地抑制 转矩脉动。 （４）在采用不同控制策略后对无刷直流电动机进行了仿真和分析， 仿真结果表明换相转矩脉动减小了，从而证明了控制策略是有效的。 （５）在利用电磁场计算软件（ＡＮＳｏＦＴ）对无刷直流电动机进行磁 场分析和静态仿真的基础上，将所得参数应用于四相半桥无刷直流电动 机的ＭＡＴＬＡＢ仿真模型，并与所建立的控制模块组合后进行了系统仿真。 仿真结果与理论分析是一致的。关键词：无刷直流电动机，反电动势，换相控制，转矩脉动，ＰＷＭ调制 方式，重叠换相ＩＩ太原理工大学硕十研究生学位论文ＴＨＥＴＯＲＱＵＥＲＩＰＰＬＥ ＳＵＰＰＲＥＳＳｌ０Ｎ ∥’７０≯“―“‘、ｏ ＯＦＡＮＤＤＹＮＡＭＩＣ ＳＩＭＵＬＩ≮ＴＩＯＮＢＲＵＳＨＬＥＳＳ ＤＣ ＭＯＴＯＲＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣｍｏｔｏｒ（ＰＭ―ＢＬＤＣＭ）ｉｓｃｕｒｒｅｎｔａｎｅｗ ｔｙｐｅｔｏｏｆ ｍｏｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｏｎｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔｓｗｉｔｃｈ，ｍｏｔｏｒｍｏｔｏｒ ｄｕｅｔｈｅａｎｄｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｔ ｒｅｐｌａｃｅｓ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ，ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｈａｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｇｏｏｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｔａｒｔｉｎｇ ａｎｄａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄａｓｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＤＣ ｍｏｔｏｒ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｈａｓ ｓｍａｌｌｅｒ ｖｏｌｕｍｅ，ｅａｓｙＳＯ ｏｎｃｏｎｔｒｏｌ，ｇｏｏｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｌｉａｌｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｉｎ ｒｏｕｇｈ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄＢｅｃａｕｓｅ ｏｆａｌｌ ａｂｏｖｅ ｔｈｅｓｅ ｍｅｒｉｔｓ，ｉｔ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｍａｎｙ ｆｉｅｌｄｓ ｓｕｃｈａｓａｖｉａｔｉｏｎ，ｒｏｂｏｔｓ，ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｃｈｉｎｅ，ｍｅｄｉｃａｌ ａｐｐｌｉａｎｃｅ，ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｍｅｔｅｒｓａｎｄｄｏｍｅｓｔｉｃｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｐｐｌｉａｎｃｅ．ＨｏｗｅｖｅｒＢＬＤＣＭ ｈａｓ ｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆｔｏｒｑｕｅ ｐｕｌｓｍｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎｎｏｔｈｉｇｈｅｒａｃｈｉｅｖｅ ａｃｃｕｒａｔｅ 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ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎＢＥＭＦ ｉｓｔｏｏｓｍａｌｌ ａｔ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇｃａｎｏｆ ＢＬＤＣＭ，ｔｈｒｅｅ－ｓｔｅｐｅｘａｃｔｌｙ ａｎｄ ｒｕｎ ｓｔｅａｄｉｌｙ．ｓｔａｒｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ＳＯ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅｓｔａｒｔ（３）Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅａｓｏｎｏｆ ｅａｃｈ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ．ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｌｉｍｉｔ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ．Ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｏｒｑｕｅ ｆｏｒｍｕｌａ，ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｉｓ ｇａｉｎｅｄ ｔｈａｔ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ ｉｓ ｅｎｇｅｎｄｅｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅＢＥＭＦ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｔｈｅｎｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｉｓａｎａｌｙｚｅｄ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｒａｎｇｅｓ ｏｆｔｈｅ ｍｏｔｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ．Ｔｈｅ ＰＷＭＩＶ太原理工大学硕七研究生学位论文ｍｏｄｕｌａｔｅｃａｌｌｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｄ＞４Ｅ，ｉｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｆｉｖｅ ｇｉｖｅｎｏｆｆｅｒｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎｔｙｐｅｓ ｏｆ ａｒｅａ，ｉｔｃｏｕｒｓｅＰＷＭｍｏｄｕｌａｔｅｍｏｄｅ．Ｗｈｉｌｅｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｈａｓ ｗｉｄｅｒｃａｎｓｔｉｌｌ ｍｉｎｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｕｄ＜４Ｅｍ ｉｓｎｏｔ ｅａｓｉｌｙｏｆｆｅｒｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ａｈｅａｄ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｉｓａｈｅａｄ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｕｓｕａｌｌｙ ｓｔｅａｄ ｂｙ 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伏特?秒／弧度（Ｖ?ｓ／ｒａｄ）度（ｏ）ｆ极对数 磁场强度 反电动势 反电动势系数 转子转角 滤波电容 相延迟角ｐ 曰ｅ后口Ｃ口法拉（Ｆ） 度（ｏ）ＩＶ声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。论文作者签名：交！全圣日期：Ｑ五：互！多璺关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：塑ｌ金．圣日期：０６、参、易ｐ导师签名：太原理工大学硕士研究生学位论文第一章绪论１．１无刷直流电动机的发展１８３１年法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。电动机 作为机电能量转换的装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的Ｒ常生活之中。电动机的类型主要有三种：直流电动机，异步电动机（感应电动机）和同步 电动机ＩｌＪ。直流电动机因其运行效率高和调速性能好等诸多优点，在运动控制领域中 得到了广泛的应用。但是传统的直流电动机均采用电刷来进行机械换向，因而带来噪 声，电火花、无线电磁干扰以及寿命短等诸多致命弱点，再加上制造成本高和维修困 难等问题的存在，从而大大地限制了其应用范围的推广１２１。 随着科学技术的不断进步，以及人们生活水平的日益提高，不同种类和功能的电 动机应运而生．针对有刷直流电动机的弊端，早在１９１７年，Ｂｏｌｉｇｅｒ就提出了用整流 管代替传统直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电动机（ＢＬＤｃＭ：ＢｒｕｓｈｌｅｓｓＤｉｒｅｃｔＣｕｎ髓ｔ Ｍｏｔｏｒ）的基本思想。２０世纪３０年代，人们开始研制以电子换相来替代电刷机械换向的无刷直流电动机，取得了一定的成果，但由于器件所限，使得研究 理论未能推广。到了１９５５年，美国Ｄ．Ｈａｒｒｉｓｏｎ等人首次申请了应用晶体管换相代替 电动机机械换向的专利，标志着无刷直流电动机的诞生。此后又经过不懈的努力，借 助于霍尔元件实现换相的无刷直流电动机终于在１９６２年问世，从而开创了无刷直流 电动机产品化的新纪元。１９７８年原联邦ＭＡＮＮＥＳＭＡＮＮ公司ｌｎｄｒａｍｍ分都在汉诺 威贸易博览会上，所推出的ＭＡＣ永磁无刷直流电动机及其驱动系统，成为无刷直流 电动机真正地进入了实用阶段的标志。１９８６年，Ｈ．Ｒ．Ｂｏｌｔｏｎ对无刷直流电动机进行了 全面系统的总结，成为无刷直流电动机的经典文献，标志着无刷直流电动机在理论上 逐渐走向成熟。 按电枢绕组中感应电动势波形的不同无刷直流电动机可分为两种：一种为正弦 波形，称为三相交流永磁同步电动机（又称正弦电机）：一种为梯形波形，称为无刷直 流电动机（又称方波电机）。现代电力电子技术的发展为永磁同步电动机实现无刷控制太原理上大学硕士研究生学位论文打下了峰实的基础，并扩大了其应用领域。正弦电机控制复杂，但定位准确，多用于 工业机器人、数控机床、伺服电机等要求高精度、高动态性能的场合。而无刷直流电动机结构简单、控制方便、成本较低，多用于拖动家电设备、电动车辆、办公自动化 等只要求调速而对性能指标要求不高的场合１３】。近些年来，无刷直流电机在国际上得到了充分的发展和广泛的研究，它的概念也早已由最初的具有电子换相的直流电机发 展到泛指一切具有有刷直流电机外部特征的电子换相电机。 随着电力电子工业的快速发展，许多新型的高性能大功率电力电子器件，如 ＧＴＲ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等相继问世，以及高性能永磁材料，如钐钴、钕铁硼的出现， 均为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。同时由于电力电子技术和集成控 制技术高速发展，以及性能优良，价格低廉的电子元器件的出现为制造无刷直流电动机创造了基本的条件。我国对无刷直流电动机的研究起步较晚，开始于２０世纪７０年代初期，主要集 中在～些科研院所和高等院校，经过多年的努力，目前国内已有无刷直流电动机的系 列产品，并形成了一定的规模。但限于我国元器件水平和相关理论与实践结合的程度 还比较低，尤其在制造工艺和加工设备方面与国际水平差距较大，因此在我国，无刷 直流电动机有待于进一步的研究与开发。１．２无刷直流电动机的特点及其广泛应用由于无刷直流电动机具有许多优良性能，所以世界上许多科研机构和公司都投入 到这一技术领域，从而使无刷直流电动机得到了充分的发展。据美国ＭＴＴ预测公司 的报告，就１９８６年美国市场而言，无刷直流电机的销售量为５．６百万台，在全部电 机中占１６％；１９９１年无刷直流电机的消费量可望达到２６．５百万台，约合６．３亿美元。 在全部控制电机中，无刷直流电机１９８６年占７％，１９９１年将占１６％，增长速度最快。 无刷直流电动机具有调速性能好、控制方法灵活多变、起动转矩大、过载能力强、体 积小、重量轻、无励磁损耗以及寿命长等诸多优点，故其应用范围遍及各个领域１３１。 为了更好地说明它的优越性，现将它与其他电动机的性能比较见表１．１，通过分析可 知，由于无刷直流电动机具有力矩大、调速范围广等优良特性，而且消除了普通直流２太原理工大学硕士研究生学位论文电机的电火花及有刷电机运行不可靠等缺点，因而其应用范围越来越广，下面就从几个主要的方面加以介绍：表１－１几种电机的性能比较Ｔａｂｌｅ １－１ Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆｓｅｖｅｒａｌ ｍｏｔｏｒｓ＼种类可靠性 效率 调速性能 功率密度项目＼本体成本控制器成本 转速范围 效率 转矩转速性能 过载能力永磁有刷永磁无刷 直流电机 好 高 好 高开关磁阻 电机 好变频调速异步 电动机好直流电机差较高好 较低 高 低４０００－－６０００ ７５％一８０％较高 好较高 低 较低＞１５０００较低较好低 较低 低９０００―１５０００ ８５％一９２％较高 较高４０００一１００００９０％一９５％８５％～９３％一般 大好 大 好好好 小较大好易操作性最好好（１）无刷直流电动机在计算机系统中的应用 电子计算机具有强大的计算和逻辑功能，在科学研究，工农业生产以及信息交通 等方面发挥着越来越重要的作用。其应用水平的高低和普及程度已经成为衡量一个国 家经济、科技水平的重要标志之一． 而存储功能作为计算机的主要功能之一，对于计算机的发展有着十分重要影响。 其中计算机外存设备就是用来存储来自计算机的各种数据信息，包括磁带存储器、硬 磁盘存储器、软磁盘存储器和光盘存储器等多种类型。而它们驱动器的主轴电动机全 部采用高档精密的无刷直流电动机ｌｌＪ。例如硬盘驱动器中的电动机，它高速驱动磁盘３太原理ｌ大学硕士研究生学位论文稳定旋转，而位于盘片两侧的磁头在仅离盘片表面０．１～Ｏ｜３微米的距离作高速运行（这 个距离太大就会影响信号的读写强度，从而使数据误码率大大增加），相当于一架喷气式飞机在离地面仅５厘米的高度高速飞行而不与地面碰撞。 （２）无刷直流电动机在家用电器中的应用 随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，高效、节能、低嗓音、智能化、 具有环保功能的“绿色家电”越来越受到人们的青睐。当前，家电行业也已经从初 级的“价格大战”逐步转入“科技大战”，各大厂家为了提高自身的竞争能力，不断 推陈出新，从而大大地促进了无刷直流电动机的推广，打破了异步电动机在家电领 域一统天下的局面１４】。 由于空调技术的不断成熟，空调器也逐步走迸千家万户【５ｌ。无刷直流电动机的 推广应用已成为衡量空调技术水准的重要指标之一，采用无刷直流电动机后将会使 整体体积减小并且重量减轻，这意味着成本的降低，而这些费用的减少可以用来补 偿无刷直流电动机驱动线路的开支，而且提高了效率，因而大大地提高了其竞争能力。变频洗衣机是近年来进入居民家庭消费的又一热门产品，目前应用于洗衣机的 电动机主要有三大类：异步电动机，开关磁阻电动机和无刷直流电动机。而无刷直 流电动机具有结构简单，高效节能的特性，同时采用了模糊控制技术后更提高了其 技术档次，因此国内外对这一类电动机非常看好，它代表了未来发展的趋势。 总之，由于人们生活水平的不断提高，对家用电器的种类和性能的要求也必然 越来越高，所以许多新的产品不断涌现，而原先的老产品也在不断更新，相信这些 都将为无刷直流电动机的发展带来更多的机会。 （３）无刷直流电动机在交通工具中的应用 毋庸置疑，交通工具与人们的生活息息相关，随着人类社会的进步，交通工具 也在不断更新，当前大多数的交通工具都需要其他的能源来支持。然而，能源问题 已经成为摆在人类面前的重要问题之一，同时耗能之后所带来的污染问题也成为人 类生存的重大隐患。因此如何更好的驱动交通工具以及减少使用中所带来的能耗和 污染，成为当今迫切需要解决的问题。这样电动车辆便应运而生，它的研制被称为 是具有深远意义的革命性措施。电动车辆具有无污染、噪声低、能耗低、操作维修４太原理工大学硕士研究生学位论文简单等特点。据有关专家测算，其能量转换和利用率要比耗油汽车高出一倍。总之 它是改善城市环境污染和节能的理想交通工具，因而又被称为“绿色车辆”。无刷直流电动机在汽车、摩托车和助动乍等交通工具中的应用主要分为辅助设 备部分和主要动力源部分两个方面。例如一辆汽车要用到十几个电动机，甚至一些 高级汽车内会有四十多个电动机，采用了无刷直流电动机后，可以消除火花干扰、 降低噪声、延长寿命、便于控制，因而无刷直流电动机被认为是最有发展韵途的电 动机之．一。（４）无刷直流电动机在其他领域中的应用 无刷直流电动机在医疗器械中也发挥着重要的作用。随着科学技术的进步和人们生活的改善，人类对疾病的预防和治疗能力也在日益提高，但是当前仍然有许多问题需要解决，由于无刷直流电动机所固有的诸多优点，必将给医疗器械的发展注入新的活力。此外，无刷直流电动机在某些特殊的情况下，如潮湿以及可燃性物质或有害物 质存在的场合，特别是在现代国防、通讯、机器人、航空航天等高科技领域都有着 十分广阔的应用前景。１．３无刷直流电动机的研究热点无刷直流电动机作为一种非常有发展前途的电机，人们对其也倾入了大量的研究 与关注。目前，对无刷直流电动机的研究主要集中在以下几个方面：１．３．１无位置传感器控制 由于无刷直流电动机是采用电子器件换相的，因此如何进行准确的换相是该类电 机的主要问题之一，传统的方法都是安装位置传感器于定转子上，这么做不仅增加了 成本和复杂性，而且还降低了系统的可靠性和抗干扰能力，同时还会增加体积，这在很多场合成为致命的弱点。无位置传感器控制就是在不安装位置传感器的条件下，通过对其他物理量的测 取，再进行变换。最终确定换相的时刻和位置，文献１６１提出了很多办法，较为成熟的５太原理ｆ大学硕士研究生学位论文有反电动势过零检测法、定子三次谐波检测法、续流二极管通路检测法，每种方法各 有优点，但又都有局限性，有待完善。１．３．２转矩脉动问题如前文所述，电磁转矩脉动是无刷直流电动机的致命弱点，要想提高无刷直流电 动机的性能，进一步解决的问题首先就是消弱或者消除转矩脉动，尤其是视听设备或 高精密场合。对于这一问题，人们从电机本体和电机控制系统两方面出发提出了多种 解决方案。随着电机设计技术和电机控制技术的不断发展，这些方面的研究还会不断深入地进行下去。同时，无刷直流电动机的电磁转矩的准确计算既是一个理论问题，又是一个实际问题。在永磁无刷直流电动机的转矩计算中，一般沿用直流电机转矩计 算的方法。但是在实际系统中，由于无刷直流电动机定子电流所产生电枢反应，对气 隙磁场的分布产生一定的影响，这样就必须用实际气隙磁场的磁感应强度来计算电磁 转矩。然而，由于电流或电压的调制作用，使得注入电机定子绕组的电流相当复杂，因此如何对电磁转矩进行精确计算也是一个需要深入研究的问题【６ｌ。１．３．３控制策略方面无刷直流电动机的控制系统是实现其高性能运行的关键。各种新型控制理论如专 家系统、模糊逻辑控制和神经网络理论的广泛应用，使得各个领域都产生了重大的变 化，无刷直流电动机作为一种有潜力的特种电机，与各种新型的控制理论和控制方法 的结合，必将使无刷直流电动机的整体性能更加优良。１．３．４电磁干扰问题电磁兼容在电子线路应用中己经受到人们的重视。无刷直流电动机是一种“电子 运行电机”，同样有抗干扰和防止对外界干扰的要求。无刷直流电动机控制器是强、 弱电共存的电路，对于采用ＰＷＭ高频调制脉冲的控制器，高的调制频率很容易对控 制器及其他线路产生干扰，故而必须认真处理电机运行过程中的电磁干扰和电磁兼容 问题，另外还应当考虑对地线的干扰。因此对无刷直流电动机的电磁干扰问题的研究， 越来越受到了人们的重视。６太原理工大学硕士研究生学位论文１．４本论文研究的内容和意义及论文结构的安排１．４１本论文研究的内容和意义 电动机作为一种机电一体化的产品，在国民经济中发挥着非常重要的作用，近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，使得无刷直流电动机得到了长足的发展。但是目前国内的研究和国外相比还有较大的差距，研究工作也主要集中在一些科研院所和高等院校，相关理论和实践相结合的程度还比较低。因此本论文结合目前国内外的最新研究成 果，对无刷直流电动机的转矩脉动进行了分析研究，并针对不同类型的转矩脉动提出 了相应的抑制措施；同时，还对电机无位置传感器检测方法进行了研究，以确保电机 能够正确合理的换相。希望能够对国内的永磁无刷直流电动机的研究起到一定的借鉴作用。根据有关报道我国消耗在电动机上的电力占整个电力的６５％以上，而美国也有 ５５％以上的电力消耗在电动机运行上，因此提高电动机的效率，对节约能源具有重要 意义．众所周知，能源问题已经危及到人类的发展，而且我国又是一个能源十分匮乏 的国家，因此寻找新的方法迫在眉睫，无刷直流电动机的发展为解决这一问题提供了新的思路。与此同时，由于我国是稀土永磁大国，稀土的总储备量为世界其他各国总和的四倍左右，具有得天独厚的条件，只要我们倾心研究，把无刷直流电动机的诸多 优点发挥出来，必将在节能、实用等方面创造出新的亮点。１．４．２论文结构的安排 第一章：对无刷直流电动机的发展、应用及研究热点等相关知识进行了综述。 第二章：介绍了无刷直流电动机的组成环节及工作原理，基于其数学模型，搭建 了ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型，并进行了双闭环仿真。 第三章：分析了无刷直流电动机转矩脉动产生的原因及其抑制方法，研究了反电 动势过零检测技术，并对无刷直流电动机应用中所存在的问题提出了解决方案，然后 重点讨论了ＰＷＭ脉宽调制技术在无刷直流电动机中的应用。 第四章；在ＭＡＴＬＡＢ／ＳｉｍｕｌｉＩｌｌ【下对采用各种控制策略后的三相无刷直流电动机７太原理工大学硕士研究生学位论文进行了仿真，并对仿真结果进行了分析。然后又对电流为理想方波，而反电动势的平顶宽度小于１２００电角度的各种情况进行了仿真，并通过采取控制策略减小了此时的转矩脉动。第五章：首先通过ＡＮＳＯＦＴ软件对四相半桥无刷直流电动机进行了磁场分析和 静态的仿真，然后将所获得的参数应用于ＭＡＴＬＡＢ仿真模型，结果表明所作的分析是合理正确的。 第六章：总结全文，提出展望。１．５本章小结本章主要分析概括了无刷直流电动机的发展历史及其特点，并介绍了无刷直流电动机的研究热点问题，最后说明了本课题研究的意义以及研究的主要内容。８太原理工大学硕士研究生学位论文第二章无刷直流电动机的原理及其建模仿真２．１无刷直流电动机的基本组成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，可 以认为是由电力电子开关电路、永磁同步电动机和磁极位置榆测电路ｊ者组成的“电 动机系统”。其中电子换相电路又由功率逆变电路和脉冲生成电路构成，其结构原理 图如图２．１所示。一土．中２．１．１电机本体图２―１无刷直流电动机原理框图Ｆｉｇｕｒｅ ２－１ Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆＢＬＤＣＭ无刷直流电动机是将普通直流电动机的定子与转子进行了互换，其转子为永久磁 铁，产生气隙磁通；定子为电枢，由多相绕组组成。在结构上，它与永磁同步电动机 类似。无刷直流电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同，在铁心中 嵌入多相绕组（三相、四相、五相不等），绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变 器的相应功率管相连，以便进行合理换相。转子多采用钐钴或钕铁硼等高矫顽力、高 剩磁密度的稀土材料。根据磁极中磁性材料所放位置的不同，可以分为表面式磁极、 嵌入式磁极和环形磁极。由于电机本体为永磁电机，所以习惯上把无刷直流电动机也 叫做永磁无刷直流电动机。２．１．２位置传感器由于无刷直流电动机的正常运行需要合理地控制功率开关电路各功率管的导通， 因此获得准确的位置信号至关重要，霍尔检测电路根据电动机转子磁极位置的变化来，《舞相应的位置输出信号，位置信号的每一次翻转都意味着换相时刻的到来，因此控９太原理ｒ人学硕十研究生学位论文制芯片根据电动机转子位置信号的变化进行换相控制，使电动机转子在电磁转矩的作用下按同一方向旋转下去。正确换相有赖于准确的位置检测，位霄检测电路是系统控 制的关键。位詈检测有使用位置传感器和不使用位置传感器两种方法，它们的目的都是为了确定转子的位置，只是实现的途径不同。 位置传感器一般也由定子和转子两部分组成，转子是用来确定电动机本体磁极的 位置，定子的安放是为了检测和输出转子的位置信号。传感器种类较多，且各具特点。 目前在无刷直流电动机中常用的位置感器有以下几种：（１）磁敏式位置传感器，它是 利用某些半导体敏感元件的某些电参数按一定规律随周围磁场的变化而改变的特性制成的，其基本原理为霍尔效应及磁阻效应；（２）电磁式位置传感器，它是利用电磁效应束实现其位置测量作用的，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近丌关等多种类型； （３）光电式位置传感器，它利用光电效应，由装在电动机转子上的码盘和装在定子 上的光电开关（光电检测元件）构成。 除上述三大类位置传感器外，还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位置传感 器。但是这些元件成本较高、体积较大、所配线路复杂，因而在一般无刷直流电动机中很少采用。无位置传感器检测技术的成功运用解决了位置传感器安装难的问题，而且减小了 体积，提高了可靠性，因此受到了国内外的普遍关注。目前较为常用的方法有：反电 动势检测法、续流二极管工作方式检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。 必须注意：通过各种方法所得到的位置信号一般不能直接用柬控制功率管的通断，往往需要经过一定的逻辑处理后才能作用于逻辑控制单元【７ｌ。２．１．３电子换相电路无刷直流电动机的电子换相线路是用来控制电动机定子绕组通电的顺序和导通 的时间。主要由功率开关管和逻辑控制电路组成，功率开关单元是核心部分，其功能 是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上的各相绕组，从而使 电动机产生持续不断的转矩。控制部分是将通过位置检测得到的信号，根据需要转化 成相应的脉冲信号去驱动功率开关管。目前，无刷直流电动机的主丌关一般采用ＩＧＢＴ 或ＭＯＳＦＥＴ等全控型器件，有些主电路已经有了集成功率模块（ＰＩＣ）和智能功率模１０太原理工大学硕士研究生学位论文块（ＩＰＭ），它们的应用可以使整个系统的可靠性大大提高。２．２无刷直流电动机的导通方式及其基本工作原理２．２．１无刷直流电动机导通方式一般说来，无刷直流电动机有三种导通方式，即二二导通方式、三三导通方式和０角导通方式【引。以三相无刷直流电动机为例束说明，其等效电路图如图２―２所示。．．．＿ＪＩ．．一＝－码ｌ卜■，ｆ卜 玉丘 ｉ ＪＬ― ｉ ――ＪＬ― ｉ Ｉ卜ｊ Ｂｆ＝１３ 爿’ 占‘ Ｃ１．广ＮＩ卜一五ｌ卜。 ．．．．一１．．一 型ＬＩ１＇Ｉ卜ｊ １飞ｌ睁２．．．．．．．―．ＪＩ．．．一．１卜＿．１图２－２三相无刷直流电动机等效电路图Ｆｉｇｕｒｅ ２－２ Ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ＢＬＤＣＭ所谓二二导通方式是指每一瞬问有两个功率管导通，每隔№周期（６００电角度）换相一次，每次换相一个功率管，不同桥臂之间左右换相，每个功率管导通１２００电角 度。功率管的导通顺序依次为：ＴｌＴ４，ＴｌＴ６，Ｔ３Ｔ６，Ｔ３Ｔ２，Ｔ５Ｔ２，Ｔ５Ｔ４，ＴＩＴ４，在这种通电方式 下，电动机转子的转动转矩是通电的两相电枢绕组所受到的转动转矩的矢量和，是单相绕组转矩的√３倍，即乙＝４３Ｔｏ．电动机运行过程中的转矩矢量合成图见图２－３。ＴａｂＯＴａ 图２－３两相转矩合成图Ｆｉｇｕｒｅ ２－３ Ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆｔｗｏ－－ｐｈａｓｅ ｔｏｒｑｕｅ太原理［大学硕十研究生学位论文所谓三三导通方式是指每一瞬问有三个功率管导通，每隔１／６周期（６００电角度） 换相一次，每次换相是同一桥臂的上下管之问换相，每个功率管导通１８０。电角度。功率管的导通顺序依次为：Ｔ４ＴｌＴ６，ＴＩＴ６Ｔ３，Ｔ６Ｔ３Ｔ２，Ｔ３Ｔ２Ｔ５，Ｔ２Ｔ５Ｔ４，Ｔ５Ｔ４ＴＩ，可见这种方式运转一周期，转子合成驱动转矩与二二方式下是一致的，均为六状态，不过此时的合 成转矩的幅值是单相绕组转矩的１．５倍，这是因为三相电流同时作用的结果。电动机 运行过程中的转矩矢量合成图见图２－４。图２－４三相转矩合成图Ｆｉｇｕｒｅ ２－４ Ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｓ ｔｏｒｑｕｅ所谓口角导通方式指的是导通角介于二二导通方式和三三导通方式。矽为滞后关断角，在要电角度内，有“要一目”为二二导通模式，有口为三三导通模式，当口＝ｏ时，为二二导通六状态模式，当口＝昙时，为三三导通六状态模式，这种导通模式下ｊ每周期共有１２个状态。２．２．２无刷直流电动机的工作原理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。其定子是电枢绕组， 转子是永久磁钢，电枢绕组所产生的磁场与永久磁钢产生的磁场相互作用，驱使电动 机连续转动１９］，但由于外加的直流电源，它只能产生固定磁场，不能驱动转子旋转， 因此无刷直流电动机除了定子和转子之外，还必须有由位置传感装置、控制电路以及 功率丌关共同构成的换相装置，使得无刷直流电动机在运行的过程中定子绕组所产生的磁场与转子所产生的磁场在空间上始终保持兰左右的电角度。１２太原理工大学硕士研究生学位论文为了更好地说明其工作原理，下面就以两相导通三相绕组星形连接的全桥电路１１０ｌ为例进行说明。当无刷直流电动机的转子转到图２―５（ａ）所示的位置时，由转子位置传感器获得的位旨信号，经过逻辑变换后驱动功卒丌天管，使Ｔ。和Ｔ。导通，电流方向＾＾ＩＩ（ｃ）图２－５无刷直流电动机换相原理图Ｆｉｇｕｒｅ ２－５ Ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆＢＬＤＣＭ１３太原理］１人学硕十研究生学位论文为从电源正极流出，经Ｔｌ进入Ａ相绕组，再从Ｂ相绕组流出，经Ｔ４回到电源负极， 此时，Ａ，Ｂ两相绕组通电，两者作用的结果使电动机沿逆时针方向旋转…ｌ。当转子在空间转过６００电角度后，转子位置如图２．５（ｂ）所示，此时由位置传感装置获得的信号再经逻辑变换，然后驱使Ｔｌ和Ｔ６导通，电流从电源正极流出，经Ｔｌ进入Ａ相绕组， 再从Ｃ相绕组流出，经Ｔ６回到电源负极，此时Ａ，Ｃ两相绕组通电，电枢绕组在空间 产生的合成磁场与转子磁场相互作用，驱使电动机继续沿逆时针方向旋转。其他依 次导通的功率管是Ｔ３Ｔ６，Ｔ３Ｔ２，Ｔ５Ｔ２，Ｔ５Ｔ４，ＴｉＴ４，分别对应图２－５（ｃ），２―５（ｄ），２．５（ｅ），２－５（ｆ），２．５（ａ）。这种周期性的运动一直持续下去，电动机也就不停地旋转下去。在每组管子导通的６００电角度内，转子磁场沿逆时针方向连续旋转，而定子的合成磁场在空间保持位置不变，只有当转子转过的角度达到６００电角度后， 定子的合成磁场才发生跳跃，可见，定子电流所产生的磁场在空间上不是连续旋转的 磁场，而是一种跳跃式的旋转磁场，且每一个步进角为６００电角度。转子转过６０。电 角度后，功率开关管将进行一次换流，也就是定子的导通方式改变一次，可见，电动 机运行的一个周期内共有六个磁状态，每一个磁状态两相绕组导通，每相绕组流过的 电流相当于１２０。电角度，三相电流的整体波形图如图２－６所示，ｌ―６为一周期内的六个磁状态。图２－６无刷直流电动机的电流波形Ｆｉｇｕｒｅ ２－６ Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆＢＬＤＣＭ２－３无刷直流电动机的动态数学模型无刷直流电动机的气隙磁场不是正弦波，感应电动势也不是正弦波，因此对它 的分析方法也不同与其他类型的电动机，这里就从电动机本身入手来分析，其中由 于两相导通星形三相六状态的无刷直流电动机应用最广，下面仍以它作为研究对象１４太原理工大学硕士研究生学位论文医］＝匿Ｒ；班Ｏ ｇ］＋［亳兰珏匡］＋匡］＋豳医］＝ｉ。Ｔ；ｏｌ＋［每丢三一臣］＋区］＋医］疋：丝卫型幽ｚ．瓦＝．，罢ｃ２．，，由于三相绕组星形联结，所以‘＋‘＋‘＝０，Ｉ酾Ｍｉｏ＋饩＋恤＝０，故（２一１）式可ｃ２埘（２．３）（２―４’１５太原理工大学硕七研究生学位论文２．４无刷直流电动机的仿真模型２．４．１计算机仿真在电机控制系统中的应用随着大功率半导体器件的出现和电力电子技术的不断进步，应用半导体变流装置供电的电机调速系统得到了迅速的发展，产生了各种各样结构的变流器、各种类型的调速电机和采用各种控制方式的调速系统。如本文所研究的永磁无刷直流电动机是一 种机电一体化产品，它的运行离不开电力电子装置和控制驱动电路。电机调速系统复 杂程度的增加以及电机本身作为一种机电一体化产品，使得经典的电机理论和传统的 控制系统分析方法不能完全适应。而对于一种新型的电机或一种新型的调速控制方法 若仍然采用试制样机进行试探的实验方法必将导致开发和研制成本的增加，研究周期 加长。在这样的情况下采用计算机仿真最为实用，是解决这类工程问题的有力工具。２．４．２对于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的介绍 ＭＡＴＬＡＢ是一个高级的数学分析与运算软件，具有强大的数学运算能力、方便 实用的绘图功能以及简单高效的编程语言。其中的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是一个用来对动态系统 进行建模、仿真和分析的软件包。它可以用来模拟线性与非线性系统，连续与非连续 系统，或者这些混合的系统，是强大的系统仿真工具。同时，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ作为现在仿真 领域的一个首选的重要仿真工具，它有以下优点：１）模型建立的快速性；２）系统仿 真的准确性；３）仿真结果的可示性；４）面向对象的广泛性；５）使用环境的开放性； ６）帮助文件的全面性。仿真时按精度要求，由低到高从欧拉法到龙格库塔法有七种 仿真算法供选择，步长亦可选择。因此使用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行建模与仿真具有直观、方 便等优点。它使得ＭＡＴＬＡＢ的功能得到进一步的扩展，这主要表现在三方面：１）实 现了可视化建模，在ＷＩＮＤＯＷＳ环境下，可以通过简单的鼠标操作建立直观的系统 模型，进行分析仿真：２）实现了多种环境间的文件共享与数据交换，甚至能够与硬 件实时信息交换；３）把理论研究与工程实践有机的结合在一起。总之，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是 一个强有力而且十分重要的仿真工具。１６太原理工大学硕十研究生学位论文２．４．３基于ＭＡＴＬＡＢ无刷直流电动机仿真模型的建立 对于两相导通三相星形六状态的无刷直流电动机，根据其数学模型，整个仿真模 型的组成框图如图２―７所示，在ＭＡＴＬＡＢ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ下建立仿真的整体模犁如图２．８ 所示，仿真模型的建立主要包括以下几个部分：图２－７无刷直流电动机的仿真模型整体框图Ｆｉｇｕｒｅ ２－７ Ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｒａｍｅ ｏｆＢＬＤＣＭ图２－８ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ下无刷直流电动机的仿真模型整体框图Ｆｉｇｕｒｅ ２－８ Ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｒａｍｅ ｏｆＢＬＤＣＭ ｗｉｔｈ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ（１）电压逆变模块 电压逆变模块的关键在于ＰＷＭ脉冲的生成，在该模块中，需要知道转子的位１７太原理Ｔ人学硕十研究生学何论文置以确定相应的ＩＧＢＴ的导通顺序。通过将转子位置信号进行反馈并转换就可以得到 需要的脉冲列，但是精度较低，因此本节采用速度和电流双闭环再产生一组脉冲列， 两种信号相与，从而形成最后需要的脉冲信号。这样不但达到了仿真精度的要求，而 且方法非常简单。 （２）反电动势模块反电动势模型的正确与否直接关系仿真的成败，轻则引起转矩脉动增大，电流波 形不理想，重则造成换相失败，电机失控，因此它的解决至关重要。相关文献１１２１提出 了不少解决方案：如有限元法、傅立叶变换法、正弦波去顶法等。本文采用的是分段 线性化的方法。因为通过对无刷直流电动机的分析，不难得出反电动势波形的形状与转子转过的角度有关，而波形的幅值与电角速度的大小成正比。对于三相无刷直流电动机而言，每隔６００电角度换相一次，在６００这一区间内，可以用一段直线来代替相 应的反电动势波形，这种方法简单而且有效，经过六段直线组合后，便形成了平项宽 度为１２００电角度的理想梯形波，如图２－９所示。由于三相反电动势波形互差１２０。电角 度，因此搭建了其中一相的反电动势后，分别移相１２００和２４０。电角度便可生成其它 两相的反电动势，它在ＭＡＴＬＡＢ下的仿真模型如图２．１０所示。图２－９定子每相绕组反电动势波形图Ｆｉｇｕｒｅ ２－９ Ｔｈｅ ＢＥＭＦ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆｅａｃｈ ｓｔａｔｏｒ ｗｉｎｄｉｎｇ则定子每帽绕组反电动势在Ｏ．２丌区间内的函数表达式为： 皇Ｅ。∞ｆＥｍ０ｓ∞ｆ＜三６三５ｍｆ＜堡６ ６ ―５ｚ―ｒ≤ｍｆ＜Ｊｒ ６ ７， ７石Ｆ一６＿Ｅ。∞ｆ＋６Ｅ。（２－５）～ ７一竺Ｅｍ∞ｔ＋６Ｅ．一旦ｓｍｒ＜堕６ ６ＳⅢ＜一 ６％旦口Ｅｍｍ一２ Ｅ＊―ＩＤ―ｒ玉ｍｆ＜２口１８太原理工大学硕士研究生学位论文式中，Ｐ一每相反电动势，ｂ一反电动势的幅值（Ｅ。＝ｔ∞，，ｔ一为反电动势系数）Ｏ－Ｉ，一转子角速度的幅值，国一转子角速度。㈣●ｍ图２．１０无刷直流电动机的反电动势框图Ｆｉｇｕｒｅ ２－１０ ｔｈｅ ＢＥＭＦ ｍｏｄｅｌ ｏｆＢＬＤＣＭ（３）ＢＬＤＣＭ本体模块由电压方程知，电流与逆变电压和反电动势有关，而这两个模块前面已经给出，因此不难得到无刷直流电动机的本体模型如图２。１１所示。图２．１ ｌ无刷直流电动机的本体结构框图Ｆｉｇｕｒｅ ２－１１ Ｔｈｅ ｎｏｕｍｅｎｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｌｏｃｋ ｏｆＢＬＤＣＭ（４）电磁转矩和转速模块的建立 由电磁转矩方程和机械运动方程，可以建立如图２一１２所示的转矩计算模块和转１９太原理工大学硕十研究生学位论文速计算模块，其中求最大值、最小值函数是为了防止在仿真中由于转速过大或者过小 而引起电机仿真的中止。图２．１２无刷直流电动机的转矩转速框图Ｆｉｇｕｒｅ ２－１２ Ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｂｌｏｃｋ ｏｆＢＬＤＣＭ（５）双闭环模块本文所采用的双闭环中，转速闭环采用ＰＩ调节器，输入为参考转速与实际转速 之差，输出为三相电流的参考幅值。通过改变比例常数和积分常数，使输出趋于稳定， 原理图如图２．１３所示。电流闭环采用电流滞环控制，根据事先设定的滞环环宽，产 生相应的脉冲，从而就可以确定同一桥臂上正相或负相的导通。通过改变滞环的环宽， 可以使实际电流跟随参考电流变化，这样最终实现无刷直流电动机的双闭环控制。２．４．４无刷直流电动机仿真模型的验证 （１）仿真结果鼍一图２―１３无刷直流电动机的双闭环控制原理图Ｆｉｇｕｒｅ ２－１３ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｃｌｏｓｅ－ｕｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆＢＬＤＣＭ太原理工大学硕士研究生学位论文由所建立的无刷直流电动机动态模型对其进行仿真，在仿真中，电机参数设詈如 下：额定电压为２００Ｖ：额定转速为２０００ｒ／ｍｉｎ；额定转矩为３Ｎｍ：反电动势系数为Ｏ．４０Ｖｓ／ｒａｄ；定子相绕组电阻为１Ｑ：定了相绕组合成电感为０ ０１Ｈ；转动惯量为Ｏ．００５ｋｇ－ｍ２；极对数为３。仿真时间为０．５ｓ，仂真结果分别如图２－１４，图２一１５，图２一１６和图２．１７所示。．ｇｔ ＶＥ斓簿件’癣图２．１４转矩波形图Ｆｉｇｕｒｅ ２－１４ Ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ图２－１５转速波形图Ｆｉｇｕｒｅ２―１５ Ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｗａｖｅｆｏｒｍ。《＞一拣 锄 ｈ 删 罂《纛 蒋 铆 赵 靶《图２－１６ Ａ相电流波形图Ｆｉｇｕｒｅ ２－１６ Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ图２－１７ Ａ相反电动势波形图Ｆｉｇｕｒｅ ２－１７ ＴｈｅＢＥＭＦｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆＡ（２）结论分析 无刷直流电动机兼有交流电机的结构简单和直流电机易于控制的两大优点，是一 种很有应用前景的电机。本节采用简便易行的方法搭建了无刷直流电动机的动态仿真 模型，并采用速度和电流双闭环的控制策略对其进行了仿真，仿真结果与理论分析基２１太原理工大学硕士研究生学位论文本一致，从而验证了所建模型的有效性，具有～定的理论价值和实际应用价值。２．５本章小结本章分析介绍了无刷直流电动机的组成，工作原理及其导通方式，基于它的数学 模型搭建了ＭＡＴＬＡＢ仿真模型，并进行了双闭环仿真，仿真结果表明了数学模型和仿真模型的正确性。２２太原理工大学硕士研究生学位论文第三章无刷直流电动机转矩脉动的研究３．１无刷直流电动机转矩脉动的研究现状３．１．１方波型无刷直流电动机换相转矩脉动的抑制 三相方波型无刷直流电动机一般都采用１２００电角度的导通方式，每隔６０。电角度 进行一次换相，由于绕组电感的存在以及逆变器母线电压的限制，换相电流不能产生 突变，从而在换相过程中将会产生脉动。根据开通相电流和关断相电流的变化规律，可以分为三种情况来研究：一种是开通相电流上升的速率等于关断相下降的速率，此时非换相相电流保持不 变，将不会产生转矩脉动；另一种是开通相电流上升的速率小于关断相电流下降的速 率，此时非换相相电流将会下凹，从而导致转矩脉动为负；最后一种是开通相电流上 升的速率大于关断相电流下降的速率，此时非换相相电流将会凸起，从而导致转矩脉 动为正。 在反电动势为理想梯形波（平顶宽度大于等于１２０。电角度）的情况下，转矩脉动抑制的常用方法有【１３】： （１）脉冲宽度调制（ＰｗＭ）法由于无刷直流电动机的工作过程是通过改变功率开关管的通断来进行换相的，因 此可以通过调节一个周期内功率管的导通宽度达到调节的目的。对于全桥电路而言， 有“单斩”和“双斩”两种方式，全桥调制方式的损耗是半桥调制方式的二倍，同时 它还降低了系统的效率，给散热带来了困难，因而应用较少；半桥调制方式在不增加 系统损耗的前提下又避免了各功率管受热不均，而且提高了系统的稳定性，因而应用 较多。 （２）重叠换相法 电流波形畸变是换相转矩脉动产生的主要原因，通过改善电流的波形，即对电流 进行优化，从而达到转矩脉动的抑制目的。重叠换相法有超前换相法和滞后换相法两 种，前者是指关断相关断前提前打开开通相，后者是指开通相开通后延迟一段时间关２３太原理＿［大学硕士研究生学位论文断关断相。本论文将对两种方法的适用范围及其优劣加以比较。 （３）电流定频采样与重叠换相结合的方法由于重叠换相的时间难以确定，因而重叠换相法在现实中受到了很大的限制。基于此，文献【ｌ ３】提出了电流定频采样与重叠换相相结合的办法，具体说来就是在整个换 相期『日Ｊ内，在电流采样点根据电流反馈信号对关断相进行控制，即当反馈电流大于规 定值时关断待关断相，当反馈电流小于规定值时开通待关断相。３．１．２非理想反电动势无刷直流电动机转矩脉动的抑制由于受电机磁场模型的准确度，永磁材料的分散性以及制造工艺成本等因素的影 响，即使通过气隙磁场、绕组结构等方面的优化设计，无刷直流电动机反电动势的波 形也很难达到理想梯形波或正弦波。为了消除此时的转矩脉动，往往需要通过设计特 定的电流波形，来弥补反电动势波形的不足。（１）谐波消除法由于无刷直流电动机定子电流和转子磁场的非正弦，使得其相互作用产生的电磁 转矩含有谐波成分，因而将造成转矩的脉动。谐波消除法的原理是：根据电磁转矩脉 动是反电动势和相电流相互作用而产生的，通过在定子相电流中注入特定的谐波成 分，以达到消除电磁转矩纹波的目的。不同次数电流谐波和反电势谐波的结合。会产 生具有相同角频率的谐波转矩分量，其中以角频率为６缈的谐波转矩分量所占比重最 大，也是希望抑制的转矩分量。采用给恒流源通以特定形式补偿电流的方法，产生和 角频率６∞的谐波转矩分量大小相等，相位差１８００的转矩，以抵消或抑制该谐波转矩 分量，可使转矩的脉动量大大减少。文献㈣ｆ２０１对无刷直流电动机的转矩特性进行了深入的研究，分析了由谐波引起的转矩脉动。在无刷直流电动机中，理想条件下，同次的磁场谐波与电流谐波（３倍谐 波除外）相互作用产生恒定的转矩，不同次数谐波之间是不产生转矩的。但在实际情 况下，由于电机的电感限制了电流的变化率，使得输入定子绕组的电流不可能是矩形 波，而往往是梯形波。而且，磁场波形的平顶波也会小于理想时的１２００（基于三相无 刷直流电动机而言），使得不同次数的磁场谐波与电流谐波之间产生了脉动转矩。 实验研究表明：这种方法能够有效地抑制较大的反电动势谐波产生的电磁转矩２４太原理【大学硕十研究生学位论文脉动，但也有缺陷，主要是它属于静态下的开环控制，加上电流调节器带宽的限制， 使得相电流很难完全复现参考波形中的高次谐波。随着伺服系统对响应性能的要求越 来越高，要产生上述最佳谐波电流的难度越来越大，使谐波消除丝的应用受到了限制。 （２）坐标变换法 计算电流补偿值的另一种方法是坐标变换法，通过坐标变换把ａ，ｂ，ｃ三相电流和 反电动势等变量变换到另一系统下，然后在新的坐标系下，根据所要达到的要求，求 出所需电流的数值，最后再通过坐标逆变换求出三相电流的参考值。这样通过选取适当的变换系数就可以达到抑制转矩脉动的目的，但是到目前为止仍未达到一种适合于 任何类型电机的变换，另外通过坐标变换，使得控制系统变得相当复杂，而且由于需 要知道连续转子的位置，使用时需要安装光学编码仪等昂贵设备，从而使系统的成本 大大增加，所以在实际应用中也有很大的局限性【３“。３．１．３转矩闭环控制法 从谐波消除法的工作原理可知，谐波消除法的作用是有限的，由于采用开环控制， 当存在绕组阻抗不对称或所测电流有误差等于扰时，控制精度就会受到影响。为了克 服开环控制方法的缺点，近年来又提出从反馈角度考虑抑制转矩脉动的方法，即以转 矩为控制对象，实现闭环控制以减小转矩脉动。转矩反馈法的基本原理是：根据位置和电流信号通过转矩观测器得到转矩反馈信号，再通过转矩控制器反馈给无刷直流电动机主回路，实现对转矩的控制，从而消除 转矩脉动，相关文献【２ｌ】提出了瞬态转矩控制法，其实质就是转矩闭环控制，该方法不 仅能控制电机的平均转矩，同时也能控制电机的瞬态转矩，较好地抑制了磁场畸变和干扰带来的转矩脉动。转矩闭环的关键在于准确获得反馈信号，按反馈信号获得方式的不同可分为直接 转矩反馈和间接转矩反馈两种。直接转矩反馈一般通过连接在电机输出轴上的力矩传 感器直接测量电机的输出转矩作为反馈信号，但是力矩传感器不仅会影响系统的稳定 性而且比较笨重，同时由于频带较窄，只适用于静态或低速条件下，而响应快、频带 宽的传感器价格十分昂贵，因而限制了它的实际应用。间接转矩反馈是指转矩反馈信 号通过间接测量得到，一般是利用电机的结构参数和一些容易测量的状态变量，如电２５太原理工大学硕士研究生学位论文压、电流、角位移、角速度等，构成转矩观测器，然后进行闭环控制。但是间接闭环控制只对正弦型无刷直流电动机较为适用，对于非正弦的无刷直流电动机，不仅误差较大，而且观测运算复杂，需要高性能的芯片来支持，成本较高。因此转矩闭环法还 有待于进一步的研究【３２】。３．１．４智能控制方面无刷直流电动机的控制一真是个研究热点，因而先进控制理论或智能控制策略的 应用，将会对它性能的改善大有帮助。传统的电机控制策略一般都是基于拉普拉斯变 换的经典控制理论，对应单输入单输出，以ＰＩＤ控制为代表，这是目前电机控制中应 用最为广泛且最为成熟的理论。但是它对负载的适应能力差、抗干扰能力弱且对系统 参数变化敏感等，同时电机系统是多变量、强耦合的复杂系统，有时很难建立其准确 的数学模型，因而这种控制方法具有相当的局限性。 现代控制理论以状态变量为基础，对应多输入、多输出，它的发展为解决经典控 制理论的局限性提供了新的思路。目前应用于无刷直流电动机的控制方法主要有模型参考自适应、滑模变结构、状态观测器等。但是上述两种理论都是需要事先知道被控对象的数学模型，然而实际中很多场 合的模型及其复杂，难于建立其准确的数学模型，有时甚至是无法建模。随着人工 智能的迅速发展，专家系统、模糊控制理论、人工神经元网络等先进方法开始步入 电机控制领域，为无刷直流电动机的优化控制提供了可能，特别是神经网络控制技 术，作为一种大规模并行、分布式信息处理系统，它具有很强的自适应能力、非线 性映射能力、容错能力和无需先验知识的概括能力等特性，因此它可以通过自学习，对系统的各种特性或新出现的情况进行描述，并可以通过自学习和自组织得出相应的控制策略，从而达到对无刷直流电动机优化控制的目的。但是各种方法目前仍然 处于起步阶段，需要从理论到实践的转化，因而有待于进一步完善和发展１２２Ｊ １３．２无刷直流电动机转矩脉动的抑制转矩特性是电动机性能的重要指标之一，主要包括平均转矩和转矩的平稳性。转２６太原理工大学硕士研究生学位论文矩脉动按照其产生机理的不同，可以分为：齿槽转矩和纹波转矩（包括电磁转矩纹波和磁阻转矩纹波），无刷直流电动机对外所呈现出来的转矩脉动是二者之和。一般地，无刷直流电动机转矩脉动可以采取两种方法来抑制：一种是从电机本体设计方面入 手，通过气隙磁场、定转子结构、绕组形式的合理设计柬使反电动势波形接近理想波 形，从而消除齿槽转矩；另一种通过采用控制策略，调整电压或电流的波形束消除纹 波转矩１’３１１。４１。 转矩脉动按其产生的原因，可主要分为以下几种。３．２．１电磁因素引起的转矩脉动电磁转矩脉动是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动。它与气隙 磁通密度的分布，电流的波形和绕组的形式直接相关。对于两相导通星型三相六状态 的无刷直流电动机而言，在极弧宽度增加时，电磁转矩增加，转矩脉动减小，极弧宽 度为１８０。电角度时，转矩脉动为零。然而实际的电机，极弧系数不可能达到ｌ，因此 具体分析时要乘一个修正系数。３．２．２电流换相引起的转矩脉动 星形三相六状态无刷直流电机的运行特点是每６００电角度为一个磁状态，每经过一个磁状态，定子电流将换相一次。当电流换相时，就会对电磁转矩产生一定的影响。 可以通过重叠换相法来抑制，这种方法的关键在于选择合适的重叠换相角，而重叠换 相的时间较难确定，因此实际中需采用电流定频采样与重叠换相技术相结合的方法。 ３．２．３齿槽引起的转矩脉动 齿槽引起的转矩脉动也称为磁阻转矩脉动，是由于定子齿槽的存在，使得在一个 磁状态内，极下磁阻发生变化引起的。齿槽转矩是永磁电机的固有特性，当电机处于 低速轻载运行时，齿槽转矩将会表现的非常明显，从而产生振动和噪音，目前常用的消弱齿槽转矩的方法有：（１）斜槽：消弱齿槽转矩最常用的方法是定子斜槽或转子斜极。通过计算得到斜槽系数，并选取最优的斜槽系数。有关文献ｆ１５】㈣提出了基于有限元计算齿槽转矩的太原理［人学硕十研究生学付论文通用经验公式为：瓦＝∑如ｚ ｓｉｎ（ｉＮ，矽）ｔ＝ｌ（３．１）式中，Ｍ一定子齿数Ｑ。和极数２ｐ的最小公倍数，口一定转子轴线之问的机械角度，Ｋ。―斜槽因子，且有：Ｋ严１呖西（３－２）ＰｓｉｎｑＮｃ，ｒａｓｋ／Ｑ，）其中口。为斜槽的斜距与齿距的比值。但是，这种方法的缺点在于将会减少绕组反电 动势的高次谐波，使绕组反电动势更接近于正弦波。这样对于正弦型无刷直流电动机 而言，有利于减小电磁转矩纹波，但对于方波型无刷直流电动机而言，将会使反电动 势的波形更加偏离理想梯形波从而增大电磁转矩纹波。 （２）分数槽：对于较难采用重叠换相的永磁电机，可以采用分数槽来处理。所谓 分数槽，就是定子槽数与转子级数不是整数倍关系，这样做可以使齿槽转矩的频率增 加，幅值减小，但这种方法对加工工艺的要求较高，同时会引起平均转矩的减小，对 方波型无刷直流电动机反电动势的平顶宽度也有较大影响。 （３）磁极分块移位：由于转子斜极会使成本大大增加，并且加工工艺也会变得复 杂。因而在应用中往往采用磁极分块移位的办法，由通过计算得到磁极极弧系数，然 后再把它优化，最后把几段分块磁钢沿周向错开一定角度安放来近似等效成一个连续 的磁极。通常有两种移位的方法：连续移位和交差移位，前者能够消除的谐波是磁钢 分块数日整数倍以外的所有齿槽转矩谐波成分，后者只能消除齿槽转矩的奇数次谐 波，对偶数次谐波转矩没有影响。这种方法的优点在于：当定子直槽时，既可消除齿 槽转矩，又可增大反电动势的基波数值【切。 （４）其他方法：消除齿槽转矩的方法还有虚拟齿和虚拟槽（即在每极每相槽数很 小的情况下，即使斜过一个齿距，也会对电机产生较大的影响，此时通过虚拟把每极 每相槽数变多，这样再斜过一个茵距，就可以消除齿槽转矩），无槽式绕组（通过采 用高性能的永磁材料如钕铁硼来提供足够的励磁，这样就可以在定子中采用无槽式绕太原理工大学硕士研究生学位论文组，目前有三大类：环形绕组、非重叠集中绕组和杯形绕组），此外，减小定子槽口 宽度和使用磁性槽楔，以及近些年来兴起的电磁场逆问题的研究等都为减小电机转矩脉动提供了帮助。３．２．４电枢反应影响 电枢反应在两个方面对转矩脉动产生影响：一是使气隙磁场发生畸变，从而改变 了空载时永磁体所产生的气隙磁场分布波形，该畸变的磁场与定予通电相绕组相互作 用，使电磁转矩随定、转子相对位置的变化而变化；二是在任一磁状态内，相对静止的电枢反应磁场与连续旋转的转子主极磁场相互作用而产生的电磁转矩因转子位置 的不同而发生变化。为了减小由电枢反应引起的转矩脉动，可以采用瓦形或环形励磁 结构，也可以通过设计电机齿部磁路的饱和程度以使在空载时电机就能达到足够饱和。３．２．５机械工艺引起的转矩脉动 除了以上几种主要的原因外，机械加工和材料的不一致也是引起转矩脉动的重 要原因之一。如工艺误差造成的单边磁拉力、摩擦转矩不均匀、转子位置传感器的 定位不准确、绕组各相电阻电感参数不对称以及各永磁体磁性能不一致等。因此提高加工水平也是减小转矩脉动重要措施【１８１。３．３电流换相引起的转矩脉动为了更深入了解电流换相所引起的无刷直流电动机转矩脉动，有必要采用解析法 来求解出无刷直流电动机的时间与电流，然后再提出相应的控制策略。３．３．１无刷直流电动机换相时间的计算 采用二二导通的无刷直流电动机，除去换相时的重叠换相外，任何时刻就只有两 相导通。假定无刷直流电动机由Ａ相上桥臂换到Ｂ相上桥臂，换相过程中Ｃ相下桥 臂一直导通。并且假定电动机的转动惯量足够大，从而可以忽略电机转矩变化对电机 转速的影响。换相过程中Ａ相正在关断，其电流不断减小，当变为０时我们就认为太原理Ｔ大学硕士研究生学位论文换相过程结束。由于电动机的转动惯量足够大，所以在忽略了转速变化的情况下，并 且以丌始换相时作为时问的起始点，则三相反电动势为：Ｐ口：坝卜丝ｆ） 万ｅｂ＝ｋｃｏｅｃ＝－ｋｏ口（３．３）可解得中点电压为：铲丁Ｉ／ａ－ｔ－Ｚ／ｂ ４－ｆｆｃ一半：―Ｕａ－｝ｋｎ，（１－６０．，ｔ）＠。，。列出电机三相端电压平衡方程如下：上ｏＬＭ 工＾， ０．咯．０―Ｕｄ一２ｋ。０一竺ｆ） ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．ｉ！ Ｌｏ ３＝ｄ一出ｎｒ＿＝＝＿ｈｒ旦ｋ。。ｏ上。。旦％。 。旦ｈｏ１● ｋ８¨ＨＩ ¨ｋ● ．２Ｕａ―ｔ烈２＋竺ｆ） ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．：！！ 一 ３ 一ＵＪ＋女∞（４一竺ｆ）３（３。５）ｏＰ． ，。． ．。Ｌｊ一工＾ｆ结合初始条件：ｉｏ（Ｏ）＝Ｉｏ，乇（ｏ）＝０，ｔ（ｏ）＝一Ｉｏ，可得换相电流为：Ⅷ＝（半＋竺争）∥Ｒ－１）＋等嘲ｅｉ， ＾膏（３．６）为了求得换相时问，令（３－６）左端为零，则可得到一个超越方程。由于换相时间比较短，我们可将ｅ一～ＬＩ，‘进行一阶泰勒级数展开，并取其第一项，有。―百‘：ｌ一当ｒ，截断误差小于―！≮ｆｚ，这样处理后，我们求得换相时间为：２Ｌｕ。，＝面丽３ＬＭＩＵ ｄ＋２ｋ∞＋３ＩＢＲ（３－７）结论：由（３．７）可见，换相时间与电机的电流、转速、电阻、电感以及反电动势系数有关。太原理工大学硕士研究生学位论文３．３２无刷直流电动机换相电流的计算假设换相时问为ｒ，则稳定运行的时间为÷一ｆ，推导过程中分别设冒时间起点。 ｊ∞（１）换相区电流的确定 永磁无刷直流电动机工作时，定子绕组按一定顺序换流，由于各相绕组存在电感， 阻碍电流的瞬时变化，每经过一个磁状态，电枢绕组中的电流从某一相切换到另一相 时将引起电机转矩的脉动。抑制由电流换相引起的转矩脉动的方法有：ＰＷＭ斩波法、 重叠换相法、滞环电流法、电流反馈法等。 以Ａ，Ｃ相到Ｂ，Ｃ相换相为例，忽略电机电枢电阻，结合无刷直流电动机的电压方 程得：“铷一％和～Ｌ，ｄｄｆｉｂ‘＋％一Ｌ，，ｄ出／ｃｌｃ＝％小相等：Ｅ＝Ｅ＝匠＝既，又由‘＋‘＋‘＝０。代入方程可得：协。，”“料［荔裂惹］＠，，甜ｌ－一（。Ｕ攀ａ＋高２Ｅ＝）ｔ／到３Ｌｕ＋Ｉｏ式中，，ｏ一电流稳态值。㈤㈨（１）换相时‘与‘的变化率大小相等，即ｉｏ从，。变到。与屯从。变到Ｉｏ的时间相等，如图３－１（ａ），由屯也）＝０可得换相时间为：ｔ。＝３Ｌｕｌｏ／（ｕｄ＋２瓦），同理 ｉｂ（ｔ。）＝ｌｏ，有：“＝３ｋｌｏ／［２（ｕｄ―Ｅ）】，令二者相等得％＝４Ｅ＝。３１太原理工大学硕士研究生学位论文（２）换相时‘还未降为０，ｉｂ已达到稳态值Ｉｏ，如图３－１（ｂ），可得换相时间为，＾＝３ｋＩｏ／［２（ｕｄ一已）】，此时‘（“）＝（％一４厶）１０，【２（％～厶）】，由ｉｏ（ｔ６）＞０，得Ｕａ＞４Ｅ＝?关断相０灯１开通相ｉｔｂｔｚ．芙断相。｜＞＜ｆｂ，一 ＼开通相ｔａｔ■犷关断相开通相１非换相相＼：／非换相相――――――二―――。、ｊ―――一 非换相相（ｃ）｝ｑ ｉｔｂｆ（ａ）【ｂ）图３－１换相时刻三相电流变化规律种类图Ｆｉｇｕｒｅ３?ｌ Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｉａｎ ｏｆｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｍｏｍｅｎｔ（３）换相时‘已降为０，‘还未达到稳态值，０，如图３―１（ｃ），可得换相时间为 ｆ。＝３ＬＭ，ｏ／（ｕ“＋２Ｅ。），此时‘（ｆ。）＝２（ｕｄ―Ｅ）Ｊｏ／（ｕｄ＋２已），又由‘（ｆ。）＜１０得Ｕｄ＜４Ｅｍ。根据转矩公式及电流和反电动势问的关系有： ｔ＝－２Ｌ‘／ｃａ我们已经知道非换相时：疋＝２Ｅ。Ｊｏ，口（３－１１）（３－１２）３．３．３对脉动转矩的分析 为了便于研究，首先我们定义转矩脉动【８１为：Ｉ＝（乙一ｋ）／巧×１００％时的平均电磁转矩。 对比分析我们不难得到以下结论：（３．１３）式中，Ｉ一转矩脉动率，丁纛一最大电磁转矩，Ｌ。一最小电磁转矩，ｒ，一额定运行３２太原理工大学硕士研究生学位论文（１）当Ｕ。＝４Ｅ。时，换相过程中转矩保持恒定，无脉动，与普通直流电动机相似 （２）当Ｕ。＞４Ｅ。时，换相过程中转矩脉动为：ｒ＝（Ｕ。，一４Ｅ。，）／［２（ＵＪ―Ｅ。，）】，将 引起电磁转矩增加；（３）当Ｕａ＜４乜时，换相过程中转矩脉动为：ｒｒ＝（ｕＪ一４Ｅ）“％＋２瓦），将引起电磁转矩减小。山以上分析可见，因换相引起的转矩脉动‘ｊ反电动势成于比，与稳态电流没有夫系。而反电动势与转速直接相关（Ｅ，＝ｋｘｎ，ｋ为常数），在低速或者堵转的情况下，乜ｚ ０，转矩脉动ｃ＝５０％，随着转速的升高，换相时间有所下降；在转速很高时，Ｕ。ｚ２玩，‘＝－５０％。随着转速的继续升高，换相时间快速增加。在Ｕｄ＝４以时，换相时间最短，且转矩脉动为０。３．３．４无刷直流电动机转矩脉动的抑制方法 在前面分析的基础上，下面将提出几种控制策略来减小转矩脉动，主要包括以下几种。 （１）ＰＷＭ调制方式对换相转矩脉动的影响①ＰｗＭ调制技术的基本原理ｆ２４】 ＰＷＭ控制指开关频率不变，通过改变占空比来实现对输出电压的控制。通俗地 说，ＰＷＭ控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行 调制，来等效地获得所需要的波形。它利用了采样控制理论中的一个很重要的结论， 即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即 指窄脉冲的面积；而效果基本相同，指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出 波形用傅立叶变换分析，则在低频段非常相似，仅仅在高频段略有差异． ＰＷＭ波形可以分为等幅ＰＷＭ波和不等幅ＰＷＭ波，由直流电源产生的ＰＷＭ波 一般都是等幅ＰＷＭ波。ＰＷＭ的控制方式有两种：单极性控制方式和双极性控制方 式。这里以正弦半波为例说明ＰＷＭ控制的原理，如图３．２所示。图３．２（ａ）中把正太原理工大学硕士研究生学位论文弦半波分成，ｌ等分，就可以把正弦半波看成是由厅个彼此相连的脉冲序列组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于衫玎，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线， 各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅但不等宽的 矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相 应正弦部分面积（冲量）相等，就得到图３－２（ｂ）所示的脉冲序列。这样就形成了ＰＷＭ波形。同时可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。因此，图３．２ 中ＰＷＭ波形和正弦半波是等效的，即输出响应波形基本相同。■１ＩｌＩ寸． ，． ＾Ｍ¨ＨＮＭ¨“ＮＭ¨ＨＮⅪ４。． ― ―图．；― 图 ． ． 图嘞 ；． ― 图 ；． ― ―圈． ． 。．阳¨ｎⅣＮＭ州¨ｕＨＮＭ¨～。图３－２用ＰＷＭ波代替正弦半波Ｆｉｇｕｒｅ ３－２ ＴｈｅＰＷＭｗａｖｅ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆｈａｌｆｓｉｎｅ ｗａｖｅ②ＰＷＭ调制方式的种类及其比较 在三相星形六状态二二导通方式下，根据ＰＷＭ作用的时间和管子导通的不同， 可以分为以下六种情况来研究如图３．３所示［２５１（２６ｌ：３．３（ａ）为在每个管子导通的１２００ 期间，前６０。恒通，后６０。采用ＰＷＭ调制：３－３（ｂ）为在每个管子导通的１２０。期间， 前６００采用ＰＷＭ调制，后６００恒通；３．３（ｃ）为在每个管子导通的１２００期间，全部采 用ＰＷＭ调制：３－３（ｄ）为上桥臂管子导通的１２０。期间采用ＰＷＭ恒通，下桥臂管子 导通的１２０６期间采用恒通方式；３―３（ｅ）为上桥臂管予导通的１２００期间采用恒通方太原理工大学硕士研究生学位论文ｌ嘲１１１ｌ●。。＿●＿――．ｌ唧『ｌｉ｜ｌ“．一！｝！！Ｉ咖ｆ旷＿１Ｉ ＩＩ一１ ７’Ｉ西Ｊ ｌ。ｌｆ『釉Ｉ．Ｉ唧椰―］‘咖Ⅱｆ：’■！！ｔ训？ｌ¨¨Ｈ¨一舢：西ｆｌ■］唧１．４ｌ佣哪叫：。 ｆⅡｌｎｌｉｌＬ．．！ｌＩｏ：西ｌＩｍｆ ｌ－６Ｉ埘””¨ｌ＿４Ｉ ｌ＿６Ｉ ３石Ｉ”Ｉ∞Ｉ¨甜ｆＣａ）ｏｎ－ｐｗｍ型调制方式 （ａ）ｏｎ－ｐｗｍｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ＩＩ―（ｂ）ｐｗｍ－ｏｎ型调制方式 （ｂ）ｐｗｍ－ｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｈⅢｆＩＩ｜一ＩｌｌＩＩＩＩＩＩＩｌ［１ｌｌｌｌｌｌＩｏｉｌ‘蒯Ｉｍｏｄｅｌ● ｌＩＩｌ咖唧㈣ＩＩｌＩ０３Ｉ―咖硎！’！训？国Ｊ肌Ⅱ『 Ｔ盯帅ｌ Ｉｌ１ＯＭ‰Ｉｌ－４帅ⅢＩｆＩＩⅢｍｔ ５－２咖硼ｉ『ＩＩＴＩＩ ｝：‘ＩｌｌＩ面ＩＩＩＩ－６ ３．６Ｉ３．２Ｉ“１４ｌ１．６ｌ“ｉ＾２ Ｉ”Ｉ５－４（ｃ）ｗｈｏｌｅ－ｐｗｍ型调制方式 （ｃ）ｗｈｏｌｅ－ｐｗｍｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ（ｄ）Ｈ―ｐｗｍ―Ｌ＿ｏｎ型调制方式 （ｄ）Ｈ．＿ｐｗｍ－Ｌ‘：ｏｎｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ－ －ＩＩ’ＩＩ ｌＩ－Ｉ‘?ｌ。Ｉ ＩＩ Ｉ●Ｉ一Ｉ●Ｉ｜Ⅱ｜＿ＩＩＩ『ｌＩＩＩＩＩＩ删ＩｌｌｌｌＩｒ―一ｌ Ｊ ＩＩ刎 ｌ玉Ｊ厂］―１Ｉ厂＿１―１ ＿一ｉ．Ｉ．１一删！！！删？！ Ｊｔ㈧：ｌＩｌ Ｉ：！ Ｉｏ‘：面ｌＩ ｍ，！Ｊｌ－６Ｉ广州…ｉ；讲函ｌ． 。 ．Ｉ卜＿Ｊ两ｌＩｉＩＩＩ ∞ｔＨ Ｉ １．６ｌ撕Ｉ如Ｉ＂Ｉ ＨＨｌｉ“Ｉ姐Ｉ”Ｉ“（ｅ）Ｈ＿ｏｎ－Ｌ＿ｐｗｍ型调制方式 （ｅ）Ｈ ｏｎ－Ｌ ｐｗｍ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ（ｆ）ｗｈｏｌｅ－ｏｎ型调制方式 （ｆ）ｗｈｏｌｅ－ｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅ图３―３无刷直流电动机的ｐｗｍ调制方式Ｆｉｇｕｒｅ ３－３ Ｔｈｅ ｐｗｒａｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｏｆＢＬＤＣＭ３５太原理工大学硕士研究生学位论文区１＝匿墨ｌＥ］＋［；丢兰］导医］＋［｜！］＋医］％％２ｃ，－－４，一％＝ｉ。Ｔｑ＋［专丢兰］詈匡］＋匡］十［圣］ｃｓ，?ｓ，其中，％＝（蜀－１／２）Ｕａ，是Ａ相绕组对直流电源中点的电压，Ｓｏ是开关量，Ｓｏ＝ｌ表示功率管Ｔｌ导通，只＝０表示功率管ＴＩ关断，Ａ相绕组通过Ｔｌ接到电源正端， Ｕｋ＝（≮一ｌ／２）ｕｄ，Ｓｃ是开关量，Ｓｃ＝ｌ表示功率管Ｔ６导通，￡＝Ｏ表示功率管Ｔ６ 关断，Ｃ相绕组通过Ｔ６接到电源负端， ‰为电机的中性点与直流电源的中点之间的电势差。改变墨，足的数值，可以得到不同的调制方式，由（３一１５）式不难求出：太原理ｒ人学硕十研究生学位论文以＝（‰十粤一（，∥３＋（ｅａ＋ｅｂ＋ｅｅ）／３联立则得到三相绕组电流的状态方程为：。（３―１６）―１―００工Ｍｏ『【ｄ一由０％０旦ｏ。。０上￡＾，ＫＫ 口６（３。１７）１● ● ｌ一ｒ．●，。 ．●， 。Ｌ。旦％。ｂ．０，＿‘ ＪＫｃ。旦％ ，．●旷¨Ⅳｉ＂卜Ｊ０Ｏ，＿●－ １＿Ｊｏ上ｏ １●．，ｐＨｕｉｗⅡ＿ｎ¨ｒＪ其中Ｋ。，Ｋ。，Ｋ。是为了表示方便而引入的变量，且Ｋ。＝；（―２％一ｕ。＋－誓－＋２ｅ．－％一ｅｃ） ％＝；（吒一％一％一巳＋２ｅｂ－－ｅｃ） 疋＝；（吒＋２％＋誓％一％＋２ｕ率一般很高，因而以下的讨论可以忽略电枢电阻。则（３．１７）式变为：（３．１８）由于无刷直流电动机的电枢电阻很小，对电机的影响也很小，并且ＰＷＭ载波频制＝冲协㈨在求解电流之前，首先对所引入的变量进行一下讨论。由于假定反电动势的平顶宽度大于等于１２０４电角度，当反电动势的乎顶宽度等Ｔ＇１２０。电角度时，在换相时刻，Ａ，Ｃ两相的反电动势位于平项部分，巳＝瓦（瓦为反电动势的幅值），ｅｅ＝一疋保持不变，而Ｂ相则以一定的斜率上升，ｅｂ＝粤，～玩，这时对应的Ｋ。，乜，Ｋ。变成（３―２０），当反电动势的平顶宽度大于－１２０。电角度时，且超过１２０。电角度的部分大 于等于换相所持续的时问，这样在换相时刻，Ａ，Ｂ，Ｃ三相的反电动势位于平顶部分，奄ｅａ＝Ｅｍｔ ｅｂ＝一Ｅｍ?ｅｃ＝一Ｅ。，这赋对盔构Ｋ４，Ｘｈ，Ｘｃ变战（３．２１）。３７太原理Ｔ大学硕十研究生学侍论文Ｋ。：；（一２ｕｂ一％＋粤＋４Ｅｍ一堡ｆ）ｊ Ｚ石Ｋｂ：Ｉ（ｕ，ｏ一％一Ｕｄ一２Ｅｍ＋堕ｆ）Ｊ（３．２０）万耻Ｖ。＋２Ｕ。＋孚一２Ｅ一睾ｆ） 蚝＝；（－２吒一％＋誓＋４‰）Ｋｂ＝；（ｕｈ―ｕｋ一【，ｄ一２Ｅ。）Ｊ（３．２１）蜒＝扛＋２Ｕ。＋粤一ｚ既）对比（３．２０）和（３．２１）两式，它们的区别仅仅在于（３．２０）中含有带时间ｔ的 项，而（３．２１）中没有。可是当积分后电流项中含有ｆ２项，而换相时间很短，因此可以忽略（３．２０）中含有带时间ｆ的项，此时对应的三相绕组电流为：‘＝瓦１（２ｕｎ帆一警一４聃‰ｉ６＝ｉ手一（一Ｕｂ＋ｕ拓＋ｕｄ＋２Ｅ）ｆ＋厶ｏ３ＬＭ（３－２２）‘＝击（－％一２％一≥＋２Ｅ）ｆ＋Ｌ式中，Ｉｏ。，Ｉｂ。，，ｆｏ是Ａ，Ｂ，Ｃ三相电流的初始值，对应于从功率管ＴＩ和Ｔ４换相到功率 管ＴＩ和Ｔ６，有，。ｏ＝Ｉｏ，Ｉｂｏ＝－Ｉｏ，，。ｏ＝０，代入（３－２２）式得：乇＝击（２％＋％一誓一４‰＂，ｏ屯２瓦１（一‰＋％＋％＋２玩）ｆ一，ｏ（３－２３）‘＝瓦１（帆一２％一警＋２础＋。把（３．２３）代入（２―３）可得换相期间的电磁转矩为：ｔ：２Ｅ，ｆｌ＿＿＿Ａ＿ｏ＋：善盖～（４ｕｂ＋２ｕｋ―ｕｄ一８Ｅｒａ）ｆ０９（３．２４）３Ｌｕｆ＿ｏ太原理工大学硕士研究生学位论文从（３－２４）司见抉相期ｌ司的转矩脉动由两部分组成，前一部分是稳态分量，后一部分是脉动分量。因此换相转矩脉动的大小为：母南（４Ｕｋｏ＋２Ｕｔｃ－Ｕａ－８Ｅｍ），（３－２５）下面就对不同的调制方式进行讨论： 由于是对两个功率管分别进行调制，而每一个功率管只有丌断两个状态，因此共 有四种情况：∞ａ卅，Ｓｃ。１“驴毒∽－４Ｅ．）ｔ；（３－２６）②＆＝１，墨＝０，△ｔ＝考卫¨瓦）ｆ；ｊＬＭ∞’Ｆ ’Ｆ’Ｆ（３－２７）③咒＝ｏ’Ｓｃ－１，△疋２责≥卜％一４Ｅ）ｒ：（３－２８）④沪雌－ｏ，母每（－２Ｕａ－４Ｅ，．）ｆ；（３－２９）在以上四种情况中，第一种情况下，当虬＞４Ｅ时，转矩脉动为正，可以进行 ＰＷＭ调制，当Ｕｄ＝４Ｅ，时，转矩脉动为０，当％＜４玩时，转矩脉动为负，ＰＷＭ失效，此时采用恒通有利于减小转矩脉动；而后三种情况所产生的转矩脉动恒负，因 此不论是ＰＷＭ信号为有效电平“１”，还是无效电平“０”，转矩脉动依然存在，此时 ＰＷＭ无效，为了减小转矩的脉动，换相区间应该采取恒通方式．设Ｄ为ＰＷＭ调制波的占空比，在满足以＞４已的情况下，我们可以通过对ＰＷＭ占空比调节来使一个周期内平均转矩为零，由于只有当Ｓｏ＝１，Ｓ。＝ｌ时转矩脉动为 正，这样与其他三种情况配合使用就能达到抑制转矩脉动的目的，下面分三种情况具体讨论：（ａ）当墨＝１，肇＝０时，有：太原理【大学硕士研究生学位论文瓦２Ｅ历ｍ（Ｕａ－４‰）ｌＸＤ＋３２ｋＥ”珊（＿４‰弘×（１－－Ｄ）＝。，解之得：Ｄ：堡（３－３０）Ｕａ（ｂ）当咒＝０，疋＝Ｉ时，有：等以也）ｆＸＤ＋３２ｋＥ，．国（－Ｕａ－４Ｅ。，），×（１－－Ｄ）砘解勰Ｄ：！丝±！生２２Ｕｄ（３．３Ｉ）（ｃ）当８０＝０，疋＝Ｏ时，有：ｊ２％Ｅｒａ∞（Ｕａ一４Ｂ）ｔ×Ｄ＋Ａ瓦＝主篝（－２％一４Ｅ）ｆ×（１－－Ｄ）＝ｏ，解之得：Ｄ：＝―（２Ｕａ＋―４Ｅ．）（３－３２、３％从上面的分析可以看出，对应不同的调制方式所采用的占空比也是不一样的，因 此，再仿真或者实际中，应当具体分析和对待。（２）滞环电流法在常用的电流控制方法中，还经常用到电流滞环法。其基本原理是：在电流环中， 采用ＨＣＲ（电流滞环调节器），通过比较参考电流和实际电流，使得换相时能够给出 适合的触发信号。实际电流的幅值和滞环的宽度决定了ＨＣＲ控制信号的输出。当实 际电流小于滞环宽度的下限时，相应ＩＧＢＴ器件导通；随着电流的上升，达到滞环宽 度的上限时，相应ＩＧＢＴ器件关断，使电流下降。实际电流可以足相电流，也可以是 逆变器的输入电流。电流滞环法的特点是：应用简单、快速性好、具有限流能力。 电流滞环控制方法可分三种情况：由上升相电流控制的ＨＣＲ，由非换相电流控 制的ＨＣＲ和由四相相电流独立控制的ＨＣＲ。比较这三种方法抑制换相转矩脉动效果 的实验证明：后两种情况的换相转矩特性相同，对换相转矩脉动具有较前者更好的抑制效果，适用于低速。４０太原理工大学硕士研究生学位论文文献‘２７１所采用的滞环电流控制方法，主要是采用速度环和电流环的双闭环控制， 速度环中带有自适应控制器，根据电动机的实时转速给出相应的参考电流幅值，电流 环负责给ｍ瑚想参考电流，保证电流上升和下降的斜率一致，以此消除换相转矩脉动。 由于自适应控制器的作用，电流滞环法抑制换相转矩脉动不仅适用于低速，在高速时 也可取得令人满意的效果ｆ２８１。（３）重叠换相法与电流定频采样相结合的方法电流反馈法、电流滞环法虽然解决了低速换相的转矩脉动问题，但通常在高速时 效果不理想。现今，在高速段，抑制换相转矩脉动较成熟的方法是重叠换相法，主要包括两种：一种是超前换相法；一种是滞后换相法。其基本原理是：换相时，本应立 即关断的功率开关器件并不是立即关断，而是延长了一个时间间隔，或将本不应开通 的开关器件提前导通。文献Ｉ习中分析了重叠换相的适用范围，超前换相适用的范围是： ２瓯＜Ｕａ＜４Ｅ，即电动机运行在中高速区，此时开通相电流的上升速率小于关断相 电流的下降速率，采用超前换相后可以减小凹下的最大转矩脉动；滞后换相的适用范围是：％＞４吒，即电动机运行在低速区，此时开通相电流的上升速率大于关断相电流的下降速率，采用滞后换相后可以减小凸起的最大转矩脉动【２９ｌ。 传统的重叠换相法中，重叠时间需预先确定，但选取合适的重叠时间较为困难， 且不能从最大程度上减小转矩脉动。因此，在常规重叠换相法的基础上，引入定频采 样电流调节技术，形成了采用ＰＷＭ控制的重叠换相法。基本原理是：通过预先设定 的ＰＷＭ开关状态，在恒定的采样频率下进行电流调节，保持Ｌ＋厶＝ｔ＝Ｉ（三相 绕组两相导通ａ相与ｂ相换相为例），与交流侧电流反馈控制方法类似，控制ＰＷＭ信 号所对应的逆变器的开关状态，只要ＰＷＭ的开关频率足够高，就可将换相过程非 换相相电流脉动抑制在较小的范围，对应的换相转矩脉动也得到了抑制。在ＰＷＭ控 制的重叠换相法中，重叠时间无需事先确定，可由电流调节过程自动调节，重叠区的 大小与逆变器输入电压％和电机参数（如定子绕组自感上、互感肘电枢电流ｉ及反电 势ｅ等）有关。实验表明：非换相电流在不同的速度段都得到了控制，脉动较小，换相性能较高【３０ｌ。４１太原理Ｅ大学硕士研究生学位论文３．４无刷直流电动机的转子位置检测方法３．４．１无刷直流电动机的换相方法 换相的成功依赖于转子位置的正确检测，转予位置传感器常用的有电磁式位置传感器，磁敏式位置传感器，光电式位置传感器等。现在得到更多研究的是无位置传感 器控制，利用反电动势检测转子位置是目前最常用的无位置传感器方法。下面就对这种方法加以分析［ｚ３］ｉ３３１。 （１）用端电压法检测反电动势过零点仍以两相导通三相绕组星形连接的全桥电路为例进行说明，由三相绕组的电压平衡方程可得：‰ ‰ ％＝肪 肪 肪＋“ 加 加＋气＋‰ ‰ ‰ （３．３３）｜Ｉ＋＋％＋＝＋叱ｉ心一出啦百＋巳十现选取其中的一个磁状态为例来进行分析，设Ａ相上桥臂和Ｂ相下桥臂对应导 通，则有Ａ，Ｂ两相电流大小相等，方向相反，而Ｃ相的电流为０，且在ｃ相过Ｏ时 Ａ．Ｂ两相反电动势大小相等，方向相反，代入（３．３３）可得：１ｚｆ。＝去（Ⅳ。＋“６），Ⅳ。＝巳＋‰上（３―３４）则Ｃ相反电动势过０检测方程为：巳＝虬一妻（‰＋％）上（３．３５）同理可以得到其他两相的反电动势过零检测方程，这样就得到了下面一组检测方程（３―３６），巳ＩＩ 甜 一∽＋‰％ｌｌ 甜一∽ ＋砟●一２●一２●一２（３．３６）巳＝Ⅳ一∽＋‰４２太原理工大学硕士研究生学位论文由于系统采用ＰＷＭ调制方式，所以实际应用中将端电压甜。，％，Ⅳ。经过电阻分压后滤波得到枪测信号“。，“。虬。。检测电路如图３－４所示，此时检测电路的Ｏ卢与直流电源的负极相连，则（３－３６）式可变为（３―３７）。Ｐ。＝”。一ｉ１（‰＋“。‰＝‰一ｉ１（Ⅳ。＋”。。ｃｏ（３―３７）２１，Ｈｃｏ―ｉ（“ｍ＋‰由（３．３７）式可见：只要将三相端电压进行分压后再合理组合，就得到了各相反 电动势的变化规律，从而就能得到反电动势的过零点，进而为正确换相提供依据。当 然，采用不同的变换还能得到反电动势的其他检测方程组，这里就不一一介绍了。ＯＯ图３－４端电压检测电路Ｆｉｇｕｒｅ３－４ Ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆｔｅｎｌｌｉｎａｌ ｖｏｌｔａｇｅ图３－５相电压检测电路Ｆｉｇｕｒｅ３―５ Ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆｐｈ∞ｅ ｖｏｌｔａｇｅ（２）用相电压检测反电动势的过零点如果将图３４中检测电路的中性点与直流电源的负极断开，就得到如图３．５所示 的电路图，根据对称性原理，有Ｕ。ａ“。，因此检测电路的输入电压为相电压，我们 将这一检测电路称为基于相电压的反电动势