永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的研究.doc

西 京 學(xué) 院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究 教學(xué)單位： 機(jī)電工程系 專(zhuān) 業(yè)： 自 動(dòng) 化 學(xué) 號(hào)： 0811060109 姓 名： 劉明昊 指導(dǎo)教師： 閻治安 2012年5月 摘 要 在進(jìn)入80年代后較低價(jià)格的欽鐵硼永磁材料的出現(xiàn)，使永磁同步電動(dòng)機(jī)能夠進(jìn)入普通民用的市場(chǎng)提供了可能，幾十瓦到幾百瓦永磁同步電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、紡織以及家用電器等民用領(lǐng)域初顯身手。永磁同步電動(dòng)機(jī)的最本質(zhì)特征就是沒(méi)有機(jī)械換向結(jié)構(gòu)，取而代之的是邏輯電路和功率開(kāi)關(guān)線路共同組成的電子換相器，它把直流電逆變成交流電并按一定的次序通入電動(dòng)機(jī)的定子繞組中以產(chǎn)生與定子磁場(chǎng)正交的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。在使用中永磁同步電機(jī)相比有刷電機(jī)有許多的優(yōu)點(diǎn)，比如：能獲得更好的扭矩轉(zhuǎn)速特；性高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)；高效率；長(zhǎng)壽命；低噪聲；高轉(zhuǎn)速。本文主要研究了永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本方法，主要內(nèi)容有永磁同步電機(jī)的基本原理，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理和控制方法，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了永磁同步電動(dòng)機(jī)的換相控制，并對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后利用MATLABSimulink面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)永磁同步電機(jī)可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果分析研究永磁同步電動(dòng)機(jī)。關(guān)鍵詞：調(diào)速；PWM控制；永磁同步電動(dòng)機(jī)；仿真AbstractChin-Fe-B permanent magnet materials at lower prices in the 1980s, the permanent magnet synchronous motor can provide the possibility to enter the ordinary civilian market, tens of watts to several hundred watts of permanent magnet synchronous motors in medical devices, instruments instruments, chemicals, textiles and home appliances and other civilian areas debuts.No mechanical change to the structure of the most essential characteristic of permanent magnet synchronous motor is replaced by the electronic commutation logic circuit and the power switching circuit composed of DC reverse into AC power and press a certain sequence which leads to the motor stator winding to produce the stator magnetic field orthogonal rotor field. In the use of permanent magnet synchronous motor compared to the brush motor has many advantages, such as: Can you get better torque speed special; sexual high-speed dynamic response; high efficiency; long life; low noise; high speed. This paper studies the basic method of permanent magnet synchronous motor speed control system, the main content of the basic principle of the permanent magnet synchronous motor, PWM System principles and control methods, on this basis, focuses on the exchange of permanent magnet synchronous motor control, and permanent magnet synchronous motor speed control system design. Last use of MATLAB Simulink simulation technology for the electrical schematic block diagram, design speed of a single closed loop permanent magnet synchronous motor reversible PWM System, its simulation and study of permanent magnet synchronous motor according to the analysis of simulation results.Keywords: speed control；PWM control；permanent magnet synchronous motorI 目 錄1 緒論12 永磁同步電動(dòng)機(jī)原理22.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的概述22.2永磁同步電動(dòng)機(jī)本體32.2.1 電動(dòng)機(jī)定子32.2.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子42.2.3 有關(guān)電動(dòng)機(jī)本體設(shè)計(jì)的問(wèn)題52.3 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)62.3.1 位置傳感器檢測(cè)法62.3.2 無(wú)位置傳感器檢測(cè)法72.4 PWM調(diào)制技術(shù)92.5永磁同步電動(dòng)機(jī)電子換相器122.5.1三相半控電路122.5.2三相全控電路132.6永磁同步電機(jī)的基本方程143 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)183.1主電路供電方案選擇183.2逆變電路的選擇193.3基于MC33035的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)193.3.1 MC33035永磁同步電機(jī)控制芯片193.3.2基于MC33035的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)21 4 永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真244.1 電源、逆變橋和永磁同步電動(dòng)機(jī)模型244.2 換相邏輯控制模塊264.3 控制器和控制電平轉(zhuǎn)換及PWM發(fā)生環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)284.4 系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析304.4.1 起動(dòng)，階躍負(fù)載仿真304.4.2 可逆調(diào)速仿真335 結(jié)論346 致謝35參考文獻(xiàn)36西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 緒論在進(jìn)入80年代后較低價(jià)格的欽鐵硼永磁材料的出現(xiàn)，使永磁同步電動(dòng)機(jī)能夠進(jìn)入普通民用的市場(chǎng)提供了可能，幾十瓦到幾百瓦永磁同步電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、紡織以及家用電器等民用領(lǐng)域初顯身手。在90年代后，隨著電力半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，如GTR, GTO, MOSFET, IGBT的相繼出現(xiàn)，另外微處理器、集成電路技術(shù)的發(fā)展，逆變裝置也發(fā)生了根本性的變化，這些開(kāi)關(guān)器件在向高頻化、智能化、大容量化的方向發(fā)展，使永磁同步電動(dòng)機(jī)的很重要的一傳統(tǒng)直流電機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于對(duì)起動(dòng)和調(diào)速有較高要求的拖動(dòng)系統(tǒng)中，如電力牽引、軋鋼機(jī)、起重設(shè)備等。在使用中永磁同步電動(dòng)機(jī)相比有刷電機(jī)有許多的優(yōu)點(diǎn)，比如：能獲得更好的扭矩轉(zhuǎn)速特性，高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)；高效率；長(zhǎng)壽命；低噪聲；高轉(zhuǎn)速。另外， BLDC更優(yōu)的扭矩和外形尺寸比使得它更適合用于對(duì)電機(jī)自身重量和大小比較敏感的場(chǎng)合。由于這些特性，永磁同步電動(dòng)機(jī)被廣泛的用于日常生活用具、汽車(chē)工業(yè)、航空、消費(fèi)電子、醫(yī)學(xué)電子、工業(yè)自動(dòng)化等裝置和儀表。目前國(guó)內(nèi)外永磁同步電動(dòng)機(jī)的一般控制技術(shù)應(yīng)經(jīng)比較成熟，但日本和美國(guó)具有較先進(jìn)的永磁同步電動(dòng)機(jī)制造與控制技術(shù)。特別是日本在民用方面較為突出，而美國(guó)則在軍工方面更加先進(jìn)。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)主要集中在以下三個(gè)方面：研究無(wú)位置傳感器控制技術(shù)以提高系統(tǒng)可靠性，并進(jìn)一步縮小電機(jī)尺寸與重量；從電機(jī)設(shè)計(jì)和控制方法等方面出發(fā)，研究永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制從而提高其伺服 ，擴(kuò)大應(yīng)用范圍；設(shè)計(jì)可靠小巧，通用性強(qiáng)的集成化永磁同步電動(dòng)機(jī)控制器。但這些技術(shù)尚各自存在局限性，需要進(jìn)一步的研究。本文根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本原理，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理和控制方法，重點(diǎn)研究了永磁同步電動(dòng)機(jī)的換相控制，并對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后利用MATLABSimulink面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)永磁同步電動(dòng)機(jī)可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果分析研究永磁同步電動(dòng)機(jī)。2 永磁同步電動(dòng)機(jī)原理2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的概述永磁同步電動(dòng)機(jī)屬于同步電動(dòng)機(jī)的一種，這就意味著它的定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同頻率的，所以永磁同步電動(dòng)機(jī)并不會(huì)產(chǎn)生普通感應(yīng)電機(jī)的頻差現(xiàn)象。永磁同步電動(dòng)機(jī)中又有單相、兩相和三相電機(jī)的區(qū)別，相類(lèi)型的不同決定其定子線圈繞組的多少。在這里我們將集中討論的是應(yīng)用最為廣泛的三相永磁同步電動(dòng)機(jī)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器（對(duì)于位置傳感器檢測(cè)方法）與電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成，永磁同步電動(dòng)機(jī)工作原理如圖2.1所示。 圖2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)工作原理圖 從圖2.1可見(jiàn)，永磁同步電動(dòng)機(jī)組件主要由電動(dòng)機(jī)本體位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分構(gòu)成。其定子繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒(méi)有籠型繞組和其它起動(dòng)裝置。其定子繞組一般制成多相(三相、四相、五相不等)，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)(2p=2, 4,)組成。定子繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線路中相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件聯(lián)接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。 當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。位置傳感器則將轉(zhuǎn)子磁鋼位置信號(hào)變換成電信號(hào)，去控制電子開(kāi)關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開(kāi)關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。因此平常所說(shuō)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺(tái)由電子開(kāi)關(guān)線路、電動(dòng)機(jī)本體及位置傳感器三部分組成的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。2.2永磁同步電動(dòng)機(jī)本體2.2.1 電動(dòng)機(jī)定子永磁同步電動(dòng)機(jī)定子是由許多硅鋼片經(jīng)過(guò)疊壓和軸向沖壓而成，每個(gè)沖槽內(nèi)都有一定的線圈組成了繞組。從傳統(tǒng)意義上講，永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子和感應(yīng)電機(jī)的定子有點(diǎn)類(lèi)似，不過(guò)在定子繞組的分布上有一定的差別。大多數(shù)的永磁同步電動(dòng)機(jī)定子有三個(gè)呈星行排列的繞組，每個(gè)繞組又由許多內(nèi)部結(jié)合的鋼片按照一定的方式組成，偶數(shù)個(gè)繞組分布在定子的周?chē)M成了偶數(shù)個(gè)磁極。跟傳統(tǒng)有刷直流電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)的繞組分布在定子側(cè)，更有利于散熱。電樞繞組可以Y接或接，如圖2.2所示，但是考慮到系統(tǒng)的性能和成本較多應(yīng)用Y接、三相對(duì)稱(chēng)且無(wú)中性點(diǎn)引出的永磁同步電動(dòng)機(jī)。 圖2.2 兩種繞組形式圖永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組可以分為梯形和正弦兩種繞組，它們的根本區(qū)別在于由于繞組的不同連接方式使它們產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)（EMF）不同，分別呈現(xiàn)梯形和正弦波形，故用此命名。梯形和正弦繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)的波形圖如圖 2.3所示。 a 梯形繞組的反電勢(shì)波形 b正弦繞組的反電勢(shì)波形 圖2.3 梯形和正弦繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)的波形圖可想而知正弦繞組由于波形平滑所以運(yùn)行起來(lái)相對(duì)梯形繞組來(lái)說(shuō)就更平穩(wěn)一些。但是，正弦型繞組由于有更多繞組使得其在銅線的使用上就相對(duì)梯形繞組要多，而且控制方法也比梯形波電動(dòng)機(jī)大大復(fù)雜。所以在對(duì)電機(jī)運(yùn)行精度要求不是非常高的場(chǎng)合，梯形波電機(jī)也即永磁同步電動(dòng)機(jī)是非常合適的選擇。2.2.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是由2至8對(duì)永磁體按照N極和S極交替排列在轉(zhuǎn)子周?chē)鷺?gòu)成的（內(nèi)轉(zhuǎn)子型），如果是外轉(zhuǎn)子型永磁同步電動(dòng)機(jī)那么永磁體就是貼在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁上的。目前轉(zhuǎn)子的永磁體多采用釹鐵硼等高矯頑力、高剩磁感應(yīng)密度的稀土永磁材料制作而成。永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的永久磁鋼跟有刷直流電機(jī)所用的磁鋼相類(lèi)似，均是在電機(jī)氣隙中建立足夠的磁場(chǎng)，只不過(guò)是采用了反裝的形式。常見(jiàn)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有三種形式：(1)表面粘貼式磁極（又稱(chēng)瓦形磁極）。即在鐵心外面粘貼徑向充磁的瓦片形稀土永磁體。在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中若采用瓦片形永磁體徑向勵(lì)磁并取其磁弧寬度大于120電角度，可以產(chǎn)生方波形式的氣隙磁通密度，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子多采用這種結(jié)構(gòu)。(2)嵌入式磁極（又稱(chēng)矩形磁極）。即在鐵心內(nèi)嵌入矩形永磁體，其優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)極距下的磁通由相鄰的兩個(gè)磁極并聯(lián)提供，由于聚磁作用可以提供較大的磁通，但這種結(jié)構(gòu)需要做隔磁處理采用不銹鋼軸。(3)環(huán)形磁極。即在鐵心外套上一個(gè)整體稀土永磁環(huán)，并且通過(guò)特殊方法將環(huán)形磁體徑向充磁為多極。該種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于體積和功率較小的電機(jī)。2.2.3 有關(guān)電動(dòng)機(jī)本體設(shè)計(jì)的問(wèn)題永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子轉(zhuǎn)子合稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)本體。本體結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒(méi)有籠形繞組和其他起動(dòng)裝置，其定子繞組一般制成多相，三相、四相、無(wú)相應(yīng)用居多、無(wú)相以上的電機(jī)比較少見(jiàn)；轉(zhuǎn)子由永磁體以一定的極對(duì)數(shù)組成。電動(dòng)機(jī)本體的設(shè)計(jì)是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，其基本任務(wù)是根據(jù)給定的額定值和基本技術(shù)性能要求，選用合適的材料，確定電動(dòng)機(jī)格部分的尺寸，并計(jì)算其性能，以滿(mǎn)足節(jié)省材料、制造方便、性能良好的要求，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。本體要設(shè)計(jì)的內(nèi)容很多，其中包括電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)以及工藝設(shè)計(jì)等。本文僅對(duì)極對(duì)數(shù)的選擇進(jìn)行簡(jiǎn)要的討論，這對(duì)后面的仿真有較大影響。選擇極對(duì)數(shù)應(yīng)綜合考慮運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。圖2.4為兩極、四極和八極（p=1,2,4）內(nèi)轉(zhuǎn)子型永磁同步電動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2.4 內(nèi)轉(zhuǎn)子型永磁同步電動(dòng)機(jī)本體機(jī)構(gòu)示意圖 一般來(lái)說(shuō)增加極對(duì)數(shù)p，可以減少每極磁通，定子軛及機(jī)座截面積可相應(yīng)減小，從而減少電動(dòng)機(jī)的用鐵量；定子繞組的端接部分將隨極數(shù)的增加而縮短，所以在同樣的電流密度下，繞組的用銅量也減少了；極數(shù)增加后定子繞組電感相應(yīng)減少，這有利于電子器件換相。同時(shí)，當(dāng)極數(shù)增加后，制造工藝也變復(fù)雜；極對(duì)數(shù)增加，考慮到極漏磁不能太大，極弧系數(shù)要減小，從而使電動(dòng)機(jī)原材料利用率變差；增加極數(shù)，在同樣的轉(zhuǎn)速下，電子器件的換相次數(shù)增多，從而增加了換相損耗。當(dāng)電流密度不變時(shí)，定子繞組中的銅耗歲極數(shù)的增加而降低。一般來(lái)說(shuō)電動(dòng)機(jī)效率隨極數(shù)的增加而有所下降。所以要根據(jù)需要合理的選擇電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。2.3 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)由于永磁同步電動(dòng)機(jī)利用永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，所以需要逆變裝置和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)“換相”過(guò)程。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的方法主要分為以下兩大類(lèi)。2.3.1 位置傳感器檢測(cè)法位置傳感器在永磁同步電動(dòng)機(jī)中起著檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置、為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息的作用，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后去控制定子繞組換相。繞組換相。位置傳感器種類(lèi)很多，目前在永磁同步電機(jī)常用的有電磁式位置傳感器、光電式傳感器、磁敏式位置傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器等。電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，有開(kāi)口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開(kāi)關(guān)電路等多種類(lèi)型。它具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境要求小等優(yōu)點(diǎn)，但這種傳感器體積較大，信噪比較低，同時(shí)其輸出波形為交流，一般需要經(jīng)整流、濾波方可使用。光電式位置傳感器是利用光電效應(yīng)，由跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光部分和固定不動(dòng)的光源等部件組成，有絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器之分。它具有定位精度高、價(jià)格便宜、易加工等特點(diǎn)，但對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力較差，輸出信號(hào)需加整形電路處理。磁敏式位置傳感器是利用某些半導(dǎo)體敏感元件的電參數(shù)按一定規(guī)律隨周?chē)艌?chǎng)變化而變化的原理制成。常見(jiàn)的類(lèi)型有霍爾元件、磁敏電阻和磁敏二極管等。一般說(shuō)來(lái)，它對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，輸出信號(hào)好，成本低廉，但精度不高。霍爾傳感器的應(yīng)用比較廣泛旋轉(zhuǎn)變壓器一般用在多相電機(jī)的控制中，它可以輸出多路位置信號(hào)，滿(mǎn)足多相電機(jī)控制的要求，但安裝不易，價(jià)格較昂貴，普通的三相永磁同步電機(jī)很少用旋轉(zhuǎn)變壓器?；魻杺鞲衅魇且罁?jù)霍爾效應(yīng)原理制成。霍爾效應(yīng)是指當(dāng)通電導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中，由于磁場(chǎng)的作用力使得導(dǎo)體內(nèi)的電荷會(huì)向?qū)w的一側(cè)聚集，當(dāng)薄平板通電導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中時(shí)這種效應(yīng)更為明顯，這樣一側(cè)聚集了電荷的導(dǎo)體會(huì)抵消磁場(chǎng)的這種影響，由于電荷在導(dǎo)體一側(cè)的聚集，從而使得導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，E.H霍爾在 1879 年發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，故以此命名。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理可以制成四端半導(dǎo)體的元件。；兩個(gè)輸出端輸出霍爾電壓，兩個(gè)控制端輸入控制電流。實(shí)用的霍爾片厚度很薄，均在幾微米一下。從霍爾片的結(jié)構(gòu)來(lái)看，它的制作和半導(dǎo)體元件將近。目前，由硅材料制作的霍爾元件制造技術(shù)成熟，適于大批量 ，價(jià)格低，性能隨稍差但應(yīng)用非常廣泛。由砷化鎵制成的霍爾元件性能最好但是價(jià)格高限制了應(yīng)用。當(dāng)霍爾元件在磁場(chǎng)中位置變化時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小和方向也相應(yīng)變化，這樣就起到了反應(yīng)傳感器位置的作用。上述霍爾元件所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)不夠大，在應(yīng)用時(shí)往往要外接放大器，很不方便。隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，霍爾元件和放大電路往往集成在一個(gè)芯片中，構(gòu)成了霍爾集成電路，其結(jié)構(gòu)如圖2.5所示 圖2.5 霍爾集成電路結(jié)構(gòu)圖它通過(guò)簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)。霍爾集成電路按功能分有線性型和開(kāi)關(guān)型兩種。一般永磁同步電機(jī)的位置傳感器宜選用開(kāi)關(guān)型?；魻栐卜旁陔姍C(jī)的固定位置，將霍爾元件安放到電機(jī)的定子是比較復(fù)雜的，因?yàn)槿绻卜艜r(shí)位置沒(méi)有和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相切那么就可能導(dǎo)致霍爾元件的測(cè)量值不能準(zhǔn)確的反應(yīng)轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，鑒于以上原因，為了簡(jiǎn)化霍爾元件的安裝，通常在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝一顆冗余的磁體，這個(gè)磁體專(zhuān)門(mén)用來(lái)感應(yīng)霍爾元件，這樣就能起到和轉(zhuǎn)子磁體感應(yīng)的相同效果，霍爾元件一般按照?qǐng)A周安放在印刷電路板上并配備了調(diào)節(jié)蓋，這樣用戶(hù)就可以根據(jù)磁場(chǎng)的方向非常方便的調(diào)節(jié)霍爾元件的位置以便使它工作在最佳狀態(tài)。 霍爾元件位置的安排上，有 60、120、240等多種形式。2.3.2 無(wú)位置傳感器檢測(cè)法無(wú)位置傳感器控制技術(shù)是永磁同步電動(dòng)機(jī)研究的熱點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)對(duì)此展開(kāi)了相關(guān)研究，并取得了階段性成果。無(wú)位置傳感器控制方式下的永磁同步電動(dòng)機(jī)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在一定程度上克服了位置傳感器安裝不準(zhǔn)確引起的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。發(fā)展無(wú)位置傳感器控制技術(shù)是因?yàn)槲恢脗鞲衅鞯拇嬖谙拗屏擞来磐诫妱?dòng)機(jī)在某些特定場(chǎng)合下的應(yīng)用，這主要體現(xiàn)在：位置傳感器可能使電機(jī)尺寸增大；位置傳感器使電動(dòng)機(jī)與控制系統(tǒng)之間導(dǎo)線增多，使系統(tǒng)容易受外界干擾影響；位置傳感器在高溫、高壓和濕度較大等惡劣工況下運(yùn)行時(shí)靈敏度變差，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性降低；位置傳感器對(duì)安裝精度要求高，機(jī)械安裝偏差引起的換相不準(zhǔn)確直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能。因此無(wú)位置傳感器控制技術(shù)越來(lái)越受到重視，同時(shí)，隨著檢測(cè)手段、控制技術(shù)的發(fā)展以及微控制器性能的提高，無(wú)位置傳感器控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展，部分技術(shù)已經(jīng)實(shí)用化。依據(jù)檢測(cè)原理的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法主要包括反電勢(shì)法、磁鏈法、電感法以及人工智能發(fā)等。在各種無(wú)位置傳感器控制方法中，反電勢(shì)法是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種位置檢測(cè)方法。該方法將檢測(cè)獲得的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)延遲30電角度，得到六個(gè)離散的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制。永磁同步電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)與換相時(shí)刻的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2.6所示。圖2.6 反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)與換相時(shí)刻的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖還有一方面需要考慮：當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比較低的時(shí)候，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)比較小，以致過(guò)零檢測(cè)電路無(wú)法正常檢測(cè)，因而難以實(shí)現(xiàn)電機(jī)自啟動(dòng)。而轉(zhuǎn)子初始位置的確定是永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定啟動(dòng)的基礎(chǔ)，直接影響系統(tǒng)最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最小啟動(dòng)時(shí)間。目前，在無(wú)位置傳感器控制算法中，轉(zhuǎn)子初始位置的估值主要是電感法。電感法通過(guò)給定子繞組注入特殊的短時(shí)脈沖電壓，然后根據(jù)在一定時(shí)間間隔內(nèi)電流響應(yīng)的大小判斷各個(gè)繞組電感差異，由電感差異來(lái)確定電機(jī)初始位置。由于永磁體的磁阻大，繞組電感小，電感法判斷轉(zhuǎn)子初始位置計(jì)算量大且需要精確測(cè)量電流。另外一種為轉(zhuǎn)子定位法，該方法通過(guò)給某特定項(xiàng)繞組通電，是電機(jī)轉(zhuǎn)子固定到預(yù)定位置，從而將電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有未知轉(zhuǎn)換為已知。轉(zhuǎn)子定位法使用簡(jiǎn)單，但對(duì)整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程而言，啟動(dòng)前轉(zhuǎn)子初始位置未知，電機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)且定位期間電流較大。對(duì)于反電勢(shì)控制方法，啟動(dòng)方法目前主要有：三段式啟動(dòng)法、預(yù)定位啟動(dòng)法，升頻升壓同步啟動(dòng)法、電壓插值啟動(dòng)法。無(wú)位置傳感器控制方法可以簡(jiǎn)化制造節(jié)約成本。另外，除去了霍爾元件的電機(jī)可以安裝在諸如粉塵和油污比較大的工況條件較為惡劣的地方而無(wú)須為保證霍爾的正常工作而定時(shí)進(jìn)行清理，與此同時(shí)，這種免維護(hù)電機(jī)還可以安裝在人很難觸及的地方。2.4 PWM調(diào)制技術(shù)前面已經(jīng)講過(guò)，永磁同步電動(dòng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)系統(tǒng)和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。在定子開(kāi)關(guān)線路這一部分，又可以分為電子邏輯信號(hào)處理部分和功率逆變部分，即主電路部分。主電路是由電力電子器件組成的，擔(dān)負(fù)著電能的變換和調(diào)控任務(wù)。在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的主電路中，電力電子器件以開(kāi)關(guān)方式工作，是損耗減少，從而提高電能的變換效率。電力電子器件以開(kāi)關(guān)方式工作，通過(guò)控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達(dá)到變壓變頻，從而把直流電壓變成交流電壓驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)所謂的PWM控制。由這樣一組開(kāi)關(guān)器件組成的開(kāi)關(guān)功率放大器（逆變器）與工作在線性狀態(tài)的放大器不同，它具有時(shí)滯、諧波與死區(qū)、飽和等非線性特性，使功率電路產(chǎn)生諧波，以及使放大器系統(tǒng)的模型復(fù)雜化。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可控關(guān)斷的即自關(guān)斷電力電子器件，即全控式器件。如大功率晶體管(GTR)、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(power MOSFET),可關(guān)斷晶閘管(GTO) , MOS控制晶閘管(MCT)、絕緣柵門(mén)極控制晶體管(IGBT)等自關(guān)斷器件，采用全控型開(kāi)關(guān)器件很容易實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制，與半控型開(kāi)關(guān)器件晶閘管變流器相比，體積可縮小百分之三十以上，裝置效率高，功率因數(shù)高。同時(shí)由于開(kāi)關(guān)頻率的提高，直流脈沖寬度調(diào)制(PWM-M)調(diào)速控制系統(tǒng)與V-M調(diào)速控制系統(tǒng)相比，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較小，低速性能好，穩(wěn)精度高，系統(tǒng)通頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是以電子換向線路和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置而組成的新型電機(jī)。下面簡(jiǎn)要介紹一下PWM控制技術(shù)的原理。脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation)簡(jiǎn)稱(chēng)PWM，它是通過(guò)功率管開(kāi)關(guān)作用將恒定直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率一定，寬度可調(diào)的方波脈沖電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖電壓的寬度，改變輸出電壓的平均值的一種功率變換技術(shù)。PWM極數(shù)可以激起有效的進(jìn)行諧波抑制，在頻率、效率方面有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，使逆變電路的性能與可靠性得到了明顯的提高。采用PWM方式構(gòu)成的逆變器，器輸入法是為固定不變的直流電壓，可以通過(guò)PWM極數(shù)在同一逆變器中既實(shí)現(xiàn)調(diào)壓又實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。由于這種逆變器，只有一個(gè)可控的功率級(jí)，簡(jiǎn)化了主電路和控制回路的結(jié)構(gòu)，因而體積小、重量輕、可靠性高。又因?yàn)榧{(diào)壓、調(diào)頻于一身，所以調(diào)節(jié)速度快、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)好。此外，PWM技術(shù)還提高了逆變器對(duì)交流電網(wǎng)的功率因數(shù)。采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，如圖2.7所示。這是所有PWM技術(shù)的最根本的理論基礎(chǔ)。圖2.7 沖量等效原理圖PWM調(diào)制原理如圖2.8所示。把每半個(gè)周期內(nèi)，輸出電壓的波形分割成若干個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的寬度為t1，每?jī)蓚€(gè)脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比為 (2.1) 圖2.8 PWM調(diào)制原理此時(shí)，電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率是，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，也同樣可以實(shí)現(xiàn)變頻變壓的效果，所以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比,可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的,而且輸出電壓可以無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)。下面介紹兩種最常用的PWM控制技術(shù)等脈寬PWM法 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓.等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來(lái)的，是PWM法中最為簡(jiǎn)單的一種。它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波，通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻,改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。相對(duì)于PAM法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了輸入端的功率因數(shù)，但同時(shí)也存在輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量。 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的，是目前使用較廣泛的PWM法。如果將一個(gè)正弦波半個(gè)周期劃分N等份，每一份的正弦波形下的面積可用一個(gè)與該面積近似相等的矩形來(lái)代替，于是正弦波所包圍的面積可以用著N個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖面積之和來(lái)等效。在工程應(yīng)用中感興趣的是基波分量，假定矩形脈沖的幅值Vd恒定，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)N也不變，通過(guò)理論分析可知，其基波的幅值V1m與脈寬i有線性關(guān)系，如下式(2.2)上式說(shuō)明，逆變器輸出基波電壓幅值隨調(diào)制脈沖的寬度而變化，只要采取措施，利用控制信號(hào)去調(diào)節(jié)脈寬，即可調(diào)節(jié)基波幅值。半周期內(nèi)的脈沖數(shù)N越多，諧波抑制效果越明顯。在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按正弦波規(guī)律來(lái)安排。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔較小。反之，當(dāng)正弦波值較小時(shí)，脈沖的寬度也最小而脈沖間的間隔則較大。這就是SPWM控制法。2.5永磁同步電動(dòng)機(jī)電子換相器在一般的直流電動(dòng)機(jī)中，電樞繞組元件有某一支路進(jìn)入另一支路式，元件中的電流和電動(dòng)勢(shì)都要改變方向。繞組元件中電動(dòng)勢(shì)方向的改變，是由繞組元件的元件邊在電樞旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，輪流切割定子的N極和S極磁通直接產(chǎn)生，而繞組而繞組元件中電流方向的改變，是由換向器和電刷所組成的機(jī)械整流器（裝置）來(lái)完成。為消除一般直流電動(dòng)機(jī)所存在的一些弊病，人們研發(fā)出的以電子換相代替機(jī)械換向的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)由電動(dòng)機(jī)本體、功率開(kāi)關(guān)主電路及轉(zhuǎn)子磁極位置傳感器等三部分組成的閉環(huán)系統(tǒng)。這里且稱(chēng)為永磁同步電機(jī)的基本系統(tǒng)。把基本系統(tǒng)中的功率開(kāi)關(guān)電路、轉(zhuǎn)子磁極位置傳感器及相關(guān)的電子電路合并在一起稱(chēng)為電機(jī)換向器。其主要功能是確保直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，定子、轉(zhuǎn)子兩磁場(chǎng)始終基本上保持正交，以提高運(yùn)行效能。由于位置傳感器、功率開(kāi)關(guān)在前面一節(jié)已經(jīng)講述，故這里只涉及到永磁同步電機(jī)定子繞組通定子換相器之間的各種連接方法和特點(diǎn)，由于大多數(shù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組為三相繞組，故以三相繞組作為重點(diǎn)講述。2.5.1三相半控電路常見(jiàn)的三相半橋式驅(qū)動(dòng)電路如圖2.9所示。圖中，LA、LB、LC分別是電機(jī)定子A、B、C三相繞組，T1、T2、T3為功率器件，分別于電機(jī)三相繞組相連。來(lái)自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)Ha、Hb、Hc經(jīng)放大后啟動(dòng)功率器件進(jìn)而控制電機(jī)換相。在換相過(guò)程中，定子各相繞組在氣隙中所形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是跳躍的，在一個(gè)周期內(nèi)每相通電120電角度。由此可見(jiàn)，采用三相半橋式驅(qū)動(dòng)方式的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)元件少、成本較低、控制簡(jiǎn)單，但是其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大、電機(jī)繞組利用率低，每個(gè)繞組只通電1/3周期時(shí)間，在運(yùn)行過(guò)程中其轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)較大，Tm/2到Tm而且直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電源線需要引出中性線，而且反轉(zhuǎn)控制相對(duì)困難。因此這種驅(qū)動(dòng)在實(shí)際應(yīng)用中較少采用。 圖2.9 三相半橋式驅(qū)動(dòng)電路2.5.2三相全控電路 圖2.10 全控橋電路圖 圖2.10給出了一種全控橋電路，電動(dòng)機(jī)繞組為Y聯(lián)接。功率器件為6只MOSFET管，起繞組開(kāi)關(guān)之用。他們的導(dǎo)通方式又可分為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種方式。(1)兩兩通電方式是指每一瞬間又兩只功率器件導(dǎo)通，每隔1/6周期換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每次有一個(gè)功率器件換相，每個(gè)功率管導(dǎo)通120電角度。功率管T1和T2導(dǎo)通時(shí)，電流從T1管流入A相繞組，再?gòu)腃相繞組流出經(jīng)T2回到電源。如設(shè)流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，則從繞組流出的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)，它們的合成轉(zhuǎn)矩，其大小為。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)60電角度后，由T1-T2通電換成T2-T3通電，這時(shí)電流從T3流入B相繞組再?gòu)腃相繞組流出，經(jīng)T2回到電源，此時(shí)合成的轉(zhuǎn)矩，其大小同樣為，但合成轉(zhuǎn)矩的方向轉(zhuǎn)過(guò)了60電角度。而后每次換相一個(gè)功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，但大小始終保持不變。 所以，同樣一臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)，每相繞組通過(guò)與三相半控電路同樣的電流時(shí)，采用三相Y連接全控電路，在兩兩換向的情況下，其合成轉(zhuǎn)矩增加了倍。每隔60電角度換向一次，每個(gè)功率管通電120，每個(gè)繞組通電240，其中正相通電和反向通電各120。采用三相全控電路時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比用三相半控時(shí)小得多，僅從0. 87Tm到Tm。(2)三三通電是指每一瞬間均有三只功率管同時(shí)導(dǎo)通，每隔60換向一次，每個(gè)功率管通電180。它們的導(dǎo)通次序是T1T2T3, T2T3T4, T3T4T5, T4T5T6, T6T1T2, TIT2T3。當(dāng)T6T1T2導(dǎo)通時(shí)，電流從T1管流入A相繞組，經(jīng)B相和C相繞組(這時(shí)B和C兩相繞組為并聯(lián))分別從T6和T2流出。這時(shí)流過(guò)B相和C相繞組的電流分別為流過(guò)A相繞組的一半，其合成轉(zhuǎn)矩大小為1.5。經(jīng)過(guò)60電角度后，換向到T1T2T3通電，即先關(guān)斷T6而后導(dǎo)通T3(注意，一定要先關(guān)T6而后通T3，否則就會(huì)出現(xiàn)T6和T3同時(shí)通電，則電源被T3和T6短路，這是絕對(duì)不允許的)。這時(shí)電流分別從T1和T3流入，經(jīng)A相和B相繞組(相當(dāng)于A相和B相并聯(lián))再流入C相繞組，經(jīng)T2流出。其方向與-C相同，轉(zhuǎn)過(guò)了60，大小仍然是1.5 Ta。再經(jīng)過(guò)60電角度后，換向到T1T2T3通電，而后依此類(lèi)推。在這種通電方式里，每瞬間均有三個(gè)功率管通電。每隔60換向一次，每次有一個(gè)功率管換向，每個(gè)功率管通電180。2.6永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本方程以?xún)蓸O三相永磁同步電動(dòng)機(jī)為例來(lái)說(shuō)明數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程。電機(jī)定子繞組為Y接集中整距繞組，轉(zhuǎn)子采用隱極內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，3個(gè)霍爾元件在空間相隔120對(duì)稱(chēng)放置。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，另作如下假設(shè)以簡(jiǎn)化分析過(guò)程：(1) 忽略電機(jī)鐵心飽和，不計(jì)渦流損耗和磁滯損耗；(2) 不計(jì)電樞反應(yīng)，氣息磁場(chǎng)分布近似認(rèn)為是平頂寬度為120電角度的梯形波；(3) 忽略齒槽效應(yīng)，電樞導(dǎo)體連續(xù)均勻分布于電樞表面；(4) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆變電路的功率器件和續(xù)流二極管均具有理想的開(kāi)關(guān)特性?？傻萌嗬@組電壓平衡方程為： (2.2)式中： ua ub uc 定子繞組相電壓(V)ia ib ic定子繞組相電流(A)ea eb ec 定子繞組相電動(dòng)勢(shì)(V)p 微分算子p=L 每相繞組的自感(H)M 每?jī)上嗬@組的互感(H)由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子的位置變化而變化，因此，定子繞組的自感和互感為常數(shù)當(dāng)三相繞組為Y連接，并且沒(méi)有中線時(shí)，則有：ia+ib+ic=0Mib+Mic=-Mia將式式代入式可得電壓方程為： (2.3)電磁轉(zhuǎn)矩為： ( 2.4)式中： 電機(jī)的角速度(rad/s)在通電期間，永磁同步電動(dòng)機(jī)的帶電導(dǎo)體處于相同的磁場(chǎng)下，各相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： (2.5)式中：pm 極對(duì)數(shù) n 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)淖冾l器的直流端看，Y型聯(lián)結(jié)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。由兩相繞組經(jīng)逆變器串聯(lián)組成，所以有 (2.6)因此，電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可化為： (2.7)式中：Id 方波電流的幅值 電機(jī)的角速度， 由式(2.6)可以看出，永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式與普通直流電機(jī)相同，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流的幅值成正比，所以控制逆變器輸出方波電流的幅值即可控制直流無(wú)刷方波電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。另外電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程為： (2.8)進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得 (2.9)式中： 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)子與負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 粘滯阻尼系數(shù)由于本系統(tǒng)采用120型三相逆變器，任一時(shí)刻只有兩相通電，永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出相電壓幅值為，因此，對(duì)于每相繞組有如下動(dòng)態(tài)方程式： (2.10)式中： 電源電壓忽略粘性摩擦，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為： (2.11)由式(2.10)可得： (2.12)對(duì)式(2.9)和式(2.11)兩邊分別進(jìn)行拉式變換后得： (2.13) (2.14)聯(lián)合式(2.13)和式(2.14)，并考慮到，得到永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2.11所示。圖2.11 永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 3 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1主電路供電方案選擇圖3.1所示電網(wǎng)電壓一般為三相交流電，直流電源如圖3.1所示，逆變橋驅(qū)動(dòng)器件的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓，電容同時(shí)對(duì)感性負(fù)載的無(wú)功功率起儲(chǔ)能緩沖作用。 圖3.1 直流電源圖對(duì)于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱(chēng)作“泵升電壓”。電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千微法。在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來(lái)限制泵升電壓，泵升電壓限制電路原理圖如圖3.2所示。這時(shí)，可以采用圖3.2中的鎮(zhèn)流電阻來(lái)消耗掉部分動(dòng)能。分流電路靠開(kāi)關(guān)器件在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通。圖3.2泵升電壓限制電路原理圖本設(shè)計(jì)由于采用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)進(jìn)行電路仿真，Simulink模型庫(kù)中的電力系統(tǒng)模型庫(kù)(Power System Blockset)里提供了直流、交流電源模塊，因此在仿真電路設(shè)計(jì)中，可直接用直流電源代替三相不控整流直流電源。3.2逆變電路的選擇脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM變換器。脈寬調(diào)制變換器是采用脈沖寬度調(diào)制的一種直流斬波器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類(lèi)：可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等幾種電路。本設(shè)計(jì)采用受限單極式控制方式。逆變電路受限單極式控制方式圖如圖3.3所示，當(dāng)在兩兩通電的一個(gè)通電區(qū)間內(nèi)逆變橋有兩個(gè)屬于不同橋臂的一上一下開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，其中上邊的器件處于始終導(dǎo)通的狀態(tài)，而下邊的器件受PWM控制處于周期性導(dǎo)通狀態(tài)。這種控制方式可以減小開(kāi)關(guān)損耗但是當(dāng)電機(jī)電流較小時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象。圖3.3 逆變電路受限單極式控制方式圖3.3基于MC33035的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)3.3.1 MC33035永磁同步電機(jī)控制芯片以前沒(méi)有能夠?qū)τ来磐诫妱?dòng)機(jī)的霍爾傳感器檢測(cè)出的位置信號(hào)進(jìn)行譯碼 以及具備過(guò)流、過(guò)熱、 欠壓、 正反轉(zhuǎn)選擇等輔助功能的專(zhuān)用控制芯片, 因此設(shè)計(jì)者最初采用分立元件組成的龐大的模擬電路來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制, 使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試相當(dāng)復(fù)雜,而且要占用很大面積的電路板。而將控制器內(nèi)嵌到電機(jī)內(nèi)部更是不可能。后來(lái)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們研制出多種永磁同步電機(jī)控制芯片，例如MC33035、TB6537P等等。下面將講述MC33035的基本工作原理和應(yīng)用。MC33035是高性能第二代單片永磁同步電機(jī)控制器，它包含了開(kāi)環(huán)三相或四相控制所需的全部有效功能。該器件一個(gè)用于良好整流序列的轉(zhuǎn)子譯碼器、可提供傳感器電源的帶溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧妷?、頻率可編程的鋸齒波振蕩器、三個(gè)集電極開(kāi)路的頂部驅(qū)動(dòng)器、以及三個(gè)非常適用于驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET的大電流推挽地步驅(qū)動(dòng)器組成。MC33035控制功能包括開(kāi)環(huán)速度、正向或反向、運(yùn)行使能、及阻尼式制動(dòng)。MC33035設(shè)計(jì)為操作帶60/300或120/240電傳感器相位的永磁同步電機(jī)，并且還能有效地控制有刷直流電機(jī)。MC33035的管腳定義如圖3.4所示圖3.4 MC33035管腳定義圖MC33035內(nèi)部的轉(zhuǎn)子位置譯碼器主要用于監(jiān)控三個(gè)傳感器輸入, 以便系統(tǒng)能夠正確提供高端和低端驅(qū)動(dòng)輸入的正確時(shí)序。傳感器輸入可直接與集電極開(kāi)路型霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)或者光電耦合器相連接。此外，該電路還內(nèi)含上拉電阻，其輸入與門(mén)限典型值為2. 2V的 TT L電平兼容。 用 MC33035系列產(chǎn)品控制的三相電機(jī)可在最常見(jiàn)的四種傳感器相位下工作。MC33035所提供的 60 / 120 選擇可使 MC33035很方便地控制具有 60、120、240或 300的傳感器相位電機(jī)。其三個(gè)傳感器輸入有八種可能的輸入編碼組合，其中六種是有效的轉(zhuǎn)子位置，另外兩種編碼組合無(wú)效。 通過(guò)六個(gè)有效輸入編碼可使譯碼器在使用 60電氣相位的窗口內(nèi)分辨出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。MC33035直流永磁同步電機(jī)控制器的正向/ 反向輸出可通過(guò)翻轉(zhuǎn)定子繞組上的電壓來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。當(dāng)輸入狀態(tài)改變時(shí)，指定的傳感器輸入編碼將從高電平變?yōu)榈碗娖剑瑥亩淖冋鲿r(shí)序，以使電機(jī)改變旋轉(zhuǎn)方向。電機(jī)通/斷控制可由輸出使能來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)該管腳開(kāi)路時(shí)，連接到正電源的內(nèi)置上拉電阻將會(huì)啟動(dòng)頂部和底部驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)序。而當(dāng)該腳接地時(shí)，頂端驅(qū)動(dòng)輸出將關(guān)閉，并將底部驅(qū)動(dòng)強(qiáng)制為低，從而使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。3.3.2基于MC33035的永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)由MC33035構(gòu)成的永磁同步電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)如圖3.5所示。圖中功率開(kāi)關(guān)器件為MOSFET管，在任意給定的一個(gè)轉(zhuǎn)子位置，同時(shí)只有一個(gè)上橋臂和下橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，兩個(gè)導(dǎo)通的管子分屬不同的的圖騰柱。這種開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)形式使得定子繞組的兩端夾于電壓和地之間，從而使電流能雙向流動(dòng)。在電流波形上可能出現(xiàn)尖峰，這種尖峰會(huì)導(dǎo)致限流保護(hù)誤動(dòng)作，因此在電流檢測(cè)管腳處需要外加RC濾波器，以避免這種情況的發(fā)生。圖3.5開(kāi)環(huán)控制電路圖圖3.6閉環(huán)控制電路圖MC33035自身只可用于開(kāi)環(huán)電機(jī)速度控制，對(duì)于閉環(huán)速度控制，MC33035要求輸入一個(gè)正比于電機(jī)速度的電壓，一般這可以通過(guò)轉(zhuǎn)速計(jì)產(chǎn)生的電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋電壓實(shí)現(xiàn)。圖3.6采用的是MC33039，MC33039由MC33035的6.25V參考電平（管腳8）供電。MC33039可以產(chǎn)生所需的反饋電壓，而無(wú)需昂貴的轉(zhuǎn)速計(jì)。被MC33035用作轉(zhuǎn)子位置譯碼的霍爾傳感器輸出信號(hào)同樣可以被MC33039使用。在任何一條傳感器線上，每一個(gè)霍爾傳感器的正和負(fù)跳變，都可以為MC33039產(chǎn)生一個(gè)由一定幅度和持續(xù)時(shí)間的脈沖，其參數(shù)由外部電阻R1和電容C1確定。在MC33039的管腳5出的輸出脈沖串波被MC33035的誤差放大器積分，以產(chǎn)生一個(gè)支流電平，該電平與與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。此與轉(zhuǎn)速成正比的電壓在MC33035電機(jī)控制管腳13處建立PWM參考電平，并閉合成反饋環(huán)路。MC33035輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率MOSFET相橋逆變器。在啟動(dòng)制動(dòng)和當(dāng)電機(jī)改變轉(zhuǎn)向時(shí)可能產(chǎn)生大電流。 4 永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真Matlab是以矩陣為基本編程單元的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它提供了各種矩陣的運(yùn)算與操作， 并有較強(qiáng)的繪圖功能， 是目前國(guó)際上最流行的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。1992年Math Works公司推出了交互式模型輸入仿真環(huán)境Simulink， 它可對(duì)采用方框圖或微分方程描述的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。Simulink中增加了功率系統(tǒng)環(huán)節(jié)庫(kù)(Power System Blockset)，從而可以使其便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子系統(tǒng)的仿真分析。在本章中將對(duì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的控制器進(jìn)行分析研究，著重于永磁同步電機(jī)的換相過(guò)程及其邏輯控制，最后用Matlab/Simulink對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)為永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)，其主要部分為永磁同步電動(dòng)機(jī)模型、逆變橋、轉(zhuǎn)子位置譯碼器、ASR、控制電平轉(zhuǎn)換裝置及PWM波形發(fā)生器及等。其基本工作原理為給定轉(zhuǎn)速（Speed Reference）與轉(zhuǎn)速（Rotor speed）相減較后輸入到ASR（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器）計(jì)算出控制信號(hào)后在輸入到后邊的控制電平轉(zhuǎn)換裝置以產(chǎn)生PWM發(fā)生器的給定信號(hào)，最后PWM波輸入到譯碼器中與霍爾信號(hào)和轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算生成逆變橋的開(kāi)關(guān)器件控制信號(hào)以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的可逆調(diào)速。其中最關(guān)鍵的部分為轉(zhuǎn)子位置譯碼器、ASR和PWM波形發(fā)生器及控制電平轉(zhuǎn)換裝置，下面將重點(diǎn)敘述這幾部分的設(shè)計(jì)原理。4.1 電源、逆變橋和