永磁無刷直流電動機的設(shè)計和仿真研究-答辯PPT

永磁無刷直流電動機的設(shè)計和仿真研究 答辯人 孫曉霞指導(dǎo)老師 吳建華教授 主要內(nèi)容 發(fā)展?fàn)顩r和優(yōu)點控制系統(tǒng)的設(shè)計數(shù)學(xué)模型和仿真模型本體設(shè)計程序結(jié)果分析繞組電感的解析計算 及三相六狀態(tài)下兩兩接通方式下的星形接法和三角形接法下的相電流波形 一發(fā)展?fàn)顩r 1955年 美國D Harrison等人首次申請了應(yīng)用晶體管換向代替電動機機械換向器換向的專利 這就是現(xiàn)代直流無刷電動機的雛形 1978年 MAC經(jīng)典無刷直流電動機及其驅(qū)動器的推出 是電子換向的永磁無刷直流電動機真正進(jìn)入實用階段 20多年以來 隨著永磁新材料 微電子技術(shù) 自動控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)特別是大功率開關(guān)器件的發(fā)展 永磁無刷直流電動機得到了長足的發(fā)展 二優(yōu)點 運行效率高無勵磁損耗調(diào)速性能好結(jié)構(gòu)簡單運行可靠維護方便 三結(jié)構(gòu)及運行原理 圖1永磁無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)原理圖 圖2永磁無刷直流電動機的原理框圖 四控制系統(tǒng)的建立 整個控制系統(tǒng)是實現(xiàn)永磁無刷直流電動機的穩(wěn)定運行的核心環(huán)節(jié) 主要包括開關(guān)主電路 逆變器 驅(qū)動電路和控制電路 本文設(shè)計了以MicrochipTechnology公司的PIC16F877A為核心部件的控制系統(tǒng) 系統(tǒng)總體硬件框圖如下圖 表1構(gòu)成硬件電路的主要元器件 五數(shù)學(xué)模型 為了簡化分析 做出以下假設(shè) 釹鐵硼永久磁鐵的磁導(dǎo)率與空氣的磁導(dǎo)率相同 每相繞組的自感為一常數(shù) 不考慮齒槽效應(yīng)和磁路飽和 忽略磁滯 渦流 集膚效應(yīng)和溫度對參數(shù)的影響 三相定子繞組對稱 Ra Rb Rc La Lb Lc Mab Mbc Mca 轉(zhuǎn)子磁場為方波磁場 頂部寬度大于120o的梯形波 電壓方程電磁轉(zhuǎn)矩方程運動方程 圖3永磁無刷直流電動機的磁場 反電動勢和相電流波形 六仿真模型 在Matlab6 5 Simulink環(huán)境下 在分析數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上 提出了控制系統(tǒng)仿真模型的方法 系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖7所示 圖4PMBLDCM控制系統(tǒng)仿真建模組成框圖 圖5Matlab Simulink中PMBLDCM仿真建模整體控制框圖 七本體設(shè)計程序 采用磁路分析法設(shè)計了一套永磁無刷直流電動機的電磁設(shè)計程序總體方案確定轉(zhuǎn)子激磁結(jié)構(gòu)確定磁路設(shè)計電路設(shè)計和轉(zhuǎn)子位置傳感器設(shè)計 八電感的解析計算 本文運用氣隙系數(shù)來考慮齒槽影響 直接運用能量法求出永磁無刷直流電動機相繞組的電感 給出了具體的電感計算過程和計算結(jié)果 和 式中 八結(jié)果分析 實驗結(jié)果仿真結(jié)果解析計算結(jié)果 1 實驗結(jié)果分析 圖6位置傳感器輸出信號圖7反電動勢波形 圖8相電流的實驗波形表明了此控制系統(tǒng)的正確性和有效性 2 仿真結(jié)果分析 圖9計及電感參數(shù)時轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩 相電流波形 圖10L 0時的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩和相電流波形 3 故障仿真分析 1 A相一個功率管開路的波形 a 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩和相電流波形 b 相電流波形 2 A相一個功率管短路波形 a 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩和相電流波形 b 相電流波形 3 A相繞組短路的仿真波形 a 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩和相電流波形 b 相電流波形 4 A相繞組開路下的仿真波形 a 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩和相電流波形 b 相電流波形 5 電源電壓突降到25V的仿真結(jié)果 a 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩和相電流波形 b 相電流波形 3 解析計算結(jié)果表2整數(shù)槽下有限元計算結(jié)果表3整數(shù)槽下有限元計算結(jié)果 考慮磁路飽和時 相繞組自感 1 1598mH 相繞組互感 0 365mH 九兩兩導(dǎo)通方式下的星形接法 兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)星形連接方波永磁無刷直流電動機的整個運行過程 其運行模式可以分為換相和導(dǎo)通兩種運行模式 六種運行狀態(tài) 即AC BC BA CA CB AB AC 由電機運行模式的周期性 僅以AC導(dǎo)通到BC導(dǎo)通的換相模式和BC導(dǎo)通模式為例分析永磁無刷直流電動機的運行模式 如圖9 a AC導(dǎo)通模式 b AC導(dǎo)通到BC導(dǎo)通的換向模式c BC導(dǎo)通模式圖11方波永磁無刷直流電動機運行模式圖 根據(jù)三相繞組電流的對稱性 可以導(dǎo)出B相電流一個周期內(nèi)的電流波形的解析表達(dá)式 從圖12和圖13中可以看出 相電流的解析計算波形和仿真波形非常相似 基本接近矩形波 而相電流的下凹是是由換相引起的 圖12解析計算的相電流的波形 圖13相電流的仿真波形 十三角形接法 兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)三角形連接方波永磁無刷直流電動機的整個運行過程 其運行模式可以分為換相和導(dǎo)通兩種運行模式 以功率開關(guān)管導(dǎo)通順序來區(qū)分六種運行狀態(tài) 即12 23 34 45 56 61 12 由電機運行模式的周期性 僅以12導(dǎo)通到23導(dǎo)通的換相模式和23導(dǎo)通模式為例分析永磁無刷直流電動機的運行模式 如圖14 a 12導(dǎo)通模式 b 12導(dǎo)通到23導(dǎo)通的換向模式 c 23導(dǎo)通模式圖14方波永磁無刷直流電動機運行模式圖圖15三角形連接兩兩導(dǎo)通方式下的相電流波形與反電動勢波形 根據(jù)三相繞組電流的對稱性 可以導(dǎo)出B相電流一個周期內(nèi)的電流波形的解析表達(dá)式 從圖16和圖17中可以看出 三角形連接的兩兩導(dǎo)通方式下相電流的解析計算波形和仿真波形非常相似 圖中相電流的上凸和下凹是由于反電動勢出現(xiàn)線形增加或線形減小 圖16解析計算的相電流的波形 圖17相電流的仿真波形 總結(jié)和展望 本文在研究過程中主要成果及結(jié)論總結(jié)如下 設(shè)計了一套以單片機PIC16F877A芯片為核心的永磁無刷直流電動機的控制器 并做了相應(yīng)的實驗 在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立了永磁無刷直流電動機的Matlab Simulink仿真模型 并對其正常運行和故障情況下進(jìn)行了仿真研究 運用磁路分析法 設(shè)計了一套永磁無刷直流電動機的電磁設(shè)計程序 對永磁無刷直流電動機相繞組的電感參數(shù)進(jìn)行了解析計算 與有限元結(jié)果進(jìn)行了對比 推導(dǎo)出永磁無刷直流電動機相繞組的電感計算公式 并用此解析式得到第四章中設(shè)計的永磁無刷直流電動機的相繞組電感 在星形連接的兩兩導(dǎo)通方式下 分析計算得到計及繞組電感的永磁無刷直流電動機的平均電流穩(wěn)態(tài)電路模型 推導(dǎo)出了在三角形連接的兩兩導(dǎo)通方式下