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无刷直流电机在国内外的发展与现状.pdf

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无刷直流电机在国内外的发展与现状.pdf

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二极管、换流等状态下的绕组电压、电流的变化。下式(2-6)为简化的电压方程:SUSu+Su+Su+V+V+V(2—6)S=OSASBSC式中:Us为母线电压;S为功率开关管的导通状态,导通S=1,截止S=0;S是每相开关管的导通状态;A/B/CV是导通压降,假设该压降为V;SA/SB/SCSWV是续流二极管的导通压降。D(1)两相导通时电流、电压分析举例:两相导通三相六状态工作方式中A、B两相导通,C相不导通状态,对该状态进行分析。由图(2-5)可得电机单相绕组的电压数学表达式为式(2-7):..u=2rI+2LpI+2e2-7)AOBOSSSe=e=-eSab在该状态下,式(2-5)中的各个状态量的值分别为S=1,S=1,S=-1,S=0,功率开关管的压ABC降分别为V=V=V,V=0,将式(2-7)代入式(2-6)得到式(2-8)SASBSWSCU=rI+2LpI+2e+2V(2-8)SSSSSW由式(2-8)可以看出无刷直流电机的外施直流母线电压Us由电阻压降、绕组电感压降、绕组反电动势与功率开关管压降四部分构成。由于A、B两相绕组呈串联的关系,因此在每个组成部分中都有2倍的关系,(2-8)式可以看出在表达式上,无刷直流电机与直流电机在电压方程极为相似。由于i=-i,e=-e,根据图2-5可以推导出A、B两相中性点O的电压与直流母abab线电压中点O’电压相等。在开关管导通的状态下,两中性点之间没有电流通过。但是当续流与换相时,情况就不同了。(2)两相续流与换相的分析举例:功率开关管VT1截止,VT2仍然导通时刻,对该电压模型分析续流过程,此时A相绕组不通电,B相绕组通电,C相绕组通电,无刷直流电机的A、B相绕组呈续流状态。续流状态的等效电路图如图2-7所示。根据图2-7可以得到续流状态下无刷直流电机的三相绕组的对地电压为式(2-9)将式(2-9)代入(2-5)可得VT1截止、VT2导通时续流状态下的数学模型式(2-10):..当电机绕组进入换相的状态时,同时进行续流和换相。如A、B两相绕组导通转换为A、C两相绕组导通的过程。换相是控制器根据转子的位置来调节开关管的状态,从而实现的电机的平稳运行的过程。电机顺时针旋转时,换相的逻辑状态如表2-,定义为无刷直流电机的电磁转矩。电磁功率为式(2-11)P=ei+ei+ei(2-11)从(2-11)我们可以看出在无刷直流电机运行过程中,电磁转矩由三相定子绕组的电流与感应电动势产生。电磁转矩的数学表达式为式(2-12),电磁转矩的大小与磁通和电流幅值成正比例。T=(ei+ei+ei)/ω(2-12)式中,ω为转子的角速度。在相电流与相电势幅值一定的情况下,要想电磁转矩最大,则要相电流的矩形波与电动势的梯形波平顶重合。如图2-8所示:..120°电角度的梯形波,根据电枢绕组每根导体在磁场中的感应电动势为式e=BLv(2-13)δa式中,La为电枢绕组的有效长度;v为导体线速度。v=2pτn/60(2-14)假设绕组每相串联匝数为Wφ则由以上两式可得感应电动势的幅值为Em=kΦn(2-15)eδ式中k为反电动势系数,k=pW/15αeeiφ为磁通量;α为极弧系数。i运动方程式为Jdω/dt=T-T-B(2-16)eLω式中,J为转子的转动惯量;T为电磁转矩;eT为负载转矩;LB为阻尼系数。,根据式(2-8)可得到电压方程的简化形式如式(2-17)U=2rI+2E+2V(2-18)ssmsw无刷直流电机的电磁转矩与电枢电流成正比关系,其关系式为(2-19)T=kΦI(2-19)eTδS将式(2-15)代入到式(2-18)中可得电机在稳态下的转速式(2-20)由(2-19)与(2-20)可以得到无刷直流电机电磁转矩与转速的关系如式(2-21)所示,即无刷直流电机的机械特性。:..2-9所示从上图可以看出,电机的转速会伴着电磁转矩的增加而下降。其运行特性与直流电机相似。,尤其是在反电动势的控制中,确定电机的起动初始位置一直是一个比较难解决的问题。由于电机起动时的反电动势为0,因此由(2-18)可以得到起动时的电枢电流为式(2-22)I=(U-2V)/2r(2-22)sssw电机效率和电枢电流与输出转矩的关系如图2-10所示,为无刷直流电机的工作特性曲线。无刷直流电机具有效率高、损耗低的优点。:..、数学模型和运行特性三个方面对无刷直流电机进行了深层次的分析。从基本的控制原理来看无刷直流电机的控制并不是很复杂,然而因为无刷直流电机的绕组电枢磁场是跳跃的,以及功率开关元件一些固有的特性,使得其在运行时无法避免的引入了转矩脉动。对于如何抑制转矩脉动也是目前业内比较热门的专研方向。在运行特性上,无刷直流电机与直流电机基本相同,既保持了直流电机的伺服控制的优异特点,又提高了运行效率。第三章无刷直流电机的仿真研究无刷直流电机的仿真是通过Matlab/simulink实现的。仿真控制系统主要应用了双闭环调速方法进行的。本文对无刷直流电机的滞环电流控制换相法与PWM电压调制方式两种仿真方法进行了系统仿真,并对两种调节方式的实验结果进行了分析。,在该仿真系统中采用了分段线性法实现了梯形波反电动势。电机仿真模型是根据第二章中的数学模型建立的。反电动势是根据图2-8所示的反电动势波形与转速的关系等参数实现的。无刷直流电机模块输入变量为三相绕组电流(ia、ib、ic)、转子位置量(pos)和转速(ω).输出变量为反电动势(ea、eb、ec)、电磁转矩、电角度等。根据公式(2-5)、(2-12)和(2-16)可以计算出电机的电磁转矩和转速等电机参量。电机模块如图3-1所示:..,主要是通过电流的控制来实现逆变器的换相。仿真系统通过电流的参考值与实际值的差值来控制逆变器。滞环控制仿真模块如图(3-2),由逆变器的输出端获得。仿真模块中的三相参考电流是根据转子位置角度、转速误差的PI调节值及绕组电流的幅值三者的关系获得的。参考电流的确定如表3-。:..,两相导通星形三相六状态接法的无刷直流电机的反电动势波形为梯形波,同时三相反电动势波形在相位上互差60°电角度。具体的三相的反电动势与转子位置的线性关系由表3-2给出。依据表3-2的线性关系应用Matlab中的S函数编程可以得到无刷直流电机的反电动势值。:..,仿真实现简单。在仿真中无刷直流电机的参数选取为:定子三相绕组相电阻都相等为R=1(Ω),电机转动惯量J=(),电机转速n=2124(r/min),极对数p=1。在仿真系统运行中电机以空载起动,(Nm)的负载转矩。图3-3到图3-5分别为无刷直流电机的速度运行波形、电磁转矩变化波形与获得的反电动势电动势波形。:..n=2124(r/min)时,转速仿真结果可以较快达到速度的稳定状态。由数学分析编程得到的反电动势波形很好的匹配了理论分析的分段线性梯形波。图3-4的转矩波形表明:在空载起动后电机较快的达到了恒定转矩,电磁转矩值为零。,转矩波形如图3-4所示,突加负载转矩后电机也能很好的恒定在新的转矩运行状态。从上面的实验结果可以看出上述仿真建模方法的可行性与有效性。,无刷直流电机的控制方法多数采用的是双闭环数字控制系统、PWM调制,上面的仿真模型不能符合实际的控制策略。在本节中设计了PWM调制法的仿真系统,该系统体现了脉宽调制的作用。系统中采用的是半桥双管PWM调制,即在开关管各自导通的120°范围内,每个开关管的前60°恒通、PWM调制后60°起作用,如图3-6所示。该调制方式有利于减少功率开关管的动态损耗,且改善开关管的散热问题,有利于提高系统的稳定性。:..-7所示。主要包括电机模块、逆变桥模块、逻辑换相模块等部分。其中逻辑换相模块采用的是半桥双管PWM调制。PWM信号是通过速度的误差值经过PI调解与周期序列信号产生的。换相时刻由位置信号与PWM信号产生的。逻辑换相模块输出6个信号Q1~Q6来控制逆变器的导通与截止。每个开关管的前60°恒通,后60°采用PWM调制。、换相时序、转矩脉动等几个方面进行了观测。图3-8为电机一相绕组电流波形图与电机转矩波形。在结果分析中对转矩脉动的发生点进行了观测。:..-9中可以看出电机的转矩脉动正好发生在电机换相的瞬间。,以Matlab为工具进行了无刷直流电机的仿真。在仿真模型中滞环控制电机换相的仿真由于引入了电流滞环,在实际应用中需要三个电流互感器来测量三相电流,这样会提高控制系统的成本,并且带来较大的开关噪声。通过两种电机仿真模型的搭建,可以很好的分析电机的运行状态,有利于后续理论的分析与实验的完成。在PWM调制方法的仿真也为基于ARM的无刷直流电机数字控制系统提供了理论比较的依据。第四章无刷直流电机在电动车辆中的应用:..,电机驱动系统技术的进步和新材料、计算机技术和电力电子技术的发展密切相关。在有限能源的条件下,电机驱动系统的效率直接影响电动车的主要整机指标,它的体积、重量和外观也直接影响整车的造型,而且电机驱动系统的可靠性也直接影响电动车能否被广大消费者接受。电机技术的进步主要表现在小型、轻量、高效率上。这对本来意义上就需具轻捷灵便的电动车来说是个极大的推进。电机的小型轻量高效率和磁性材料的发展息息相关。磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段,发展最早的是铝镍钴,这种磁性材料磁能积低,合金中含钴,价格贵,但温度特性好,所以至今某些场合还是用到它。后来开发出铁氧体磁性材料,这种磁性材料磁能积并不高,但价格低,因此在很长一段时间内占了主导地位。再后来是钐钻合金的开发成功,这种磁性材料一下子突破了传统磁能积数值,效能成倍提高,但是合金元素钐是稀土元素,价格昂贵,合金元素也是比黄金贵几倍的材料,且是战略控制物资,因此大大局限了这种高性能磁性材料的推广应用范围。一九八三年日本人发明了钕铁硼(NdFeB),引起了磁性材料的一场革命。钕铁硼磁性材料磁能积高,不含价格昂贵的合金元素,钐和钕同为稀士元素,但钕价格便宜得多,因此使电机效率的提高和小型化出现了转机。,要求电机高效率,高适应性;由于成本及空间的限制,电机的高密度小型轻量化和低成本对整车来说至关重要。高密度小型轻量化:采用良好的冷却方式、高电磁负荷、高性能磁钢、高转速以及超短端部长度绕组技术等措施,使电机小型轻量化,从而实现高密度。与一般工业用电动机相比,大小和重量都需要减少到一半以下;,这是一般电机不可想象的。高效率:由于电动车辆是以电池为电源,一次充电的行车距离应尽可能长;汽车驱动电动机的最高效率可达到97%,其它汽车辅助电机也希望有高的效率。因此,随着稀土永磁材料价格的下降,其将替代汽车辅助电机用的铁氧体磁钢;目前,汽车辅助电机绝大部分是永磁直流电机。可靠性、耐久性、适应性:由于车辆的振动及发动机室的高温环境,使得车用电机处于恶劣环境条件下运行,振动大、冲击大、灰尘多、湿度变化大。因此,车用电机必须适应环境条件的要求,使电机可靠、稳定、安全运行。低速时的高转矩:由电动机起动车辆,行车中起动发动机要求高转矩。此外,车用电机的低噪声与低成本技术也至关重要。、高效率、轻量化、宽调速的牵引驱动电机是燃料电池轿车和纯电动轿车的关键部件,其主要性能指标与外形结构如下。:控制器:额定功率(轴输出):25KW输入额定电压:312V最大功率(轴输出):60KW正常电压范围:250—350V峰值效率:≥93%最大输入电压:400V高效区:效率≥85%的工作区占50%以上:..控制方式:,直接驱动电动汽车的驱动轮,这样既提高传动系统的效率,又不占用电动汽车车身和底盘的空间;由此扩大了乘坐空间和腾出了底部空间来安装蓄电池,而且还减少了车辆的悬挂质量。轮毂电机驱动系统,J可以是两轮驱动,也可以是四轮驱动。由电子控制系统来保证几个车轮问直线行驶时的同步转动和转弯时的差速转动。采用不同数量和不同功率的轮毂电机,可以组成系列化的电动汽车。轮毂电机驱动系统还广泛地用于铁路电力机车驱动和重型电动轮自卸汽车上。用电动轮毂驱动系统取代原来集中传动的办法省去了传动轴,,设计安装方便。轮毂电机的主要性能指标如下::..、燃料电池空气压缩机电机目前在所有可选择的车辆驱动系统中,燃料电池系统及其技术是晟具有发展潜力和光明前景的方案,为电动车辆在环保领域内的竞争提供了优势,但研发投资和技术难度也最大;目前遇到最大的技术困难是燃料电池系统的高功率密度、轻量化、高可靠性和低成本技术的开发。燃料电池中空气压缩机电机是燃料电池系统的关键控制部件,该电机的要求是高功率密度、高速、高效率及快速响应;我们开发的产品可以配套于燃料电池汽车及其驱动系统,并挤入国际市场的竞争行列。这必将缩小我们与国际大公司之间的差距,并直接得到国际汽车工业界的发展动态和市场信息,尽快地掌握有关的国际惯例与规则,提高产品的知名度与竞争力。同时,也为我国发展燃料电池汽车做好前期的关键零部件开发工作。燃料电池汽车压缩机电机外形示意图:..,电动自行车成了真正零污染的绿色工具。其整个系统的供电源还是来自燃料电池,因此空气压缩机系统的