永磁無刷直流電動機的設計和仿真研究 答辯人 孫曉霞指導老師 吳建華教授 主要內容 發展狀況和優點控制系統的設計數學模型和仿真模型本體設計程序結果分析繞組電感的解析計算 及三相六狀態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 一發展狀況 1955年 美國D Harrison等人首次申請了應用晶體管換向代替電動機機械換向器換向的專利 這就是現代直流無刷電動機的雛形 1978年 MAC經典無刷直流電動機及其驅動器的推出 是電子換向的永磁無刷直流電動機真正進入實用階段 20多年以來 隨著永磁新材料 微電子技術 自動控制技術以及電力電子技術特別是大功率開關器件的發展 永磁無刷直流電動機得到了長足的發展 二優點 運行效率高無勵磁損耗調速性能好結構簡單運行可靠維護方便 三結構及運行原理 圖1永磁無刷直流電動機的結構原理圖 圖2永磁無刷直流電動機的原理框圖 四控制系統的建立 整個控制系統是實現永磁無刷直流電動機的穩定運行的核心環節 主要包括開關主電路 逆變器 驅動電路和控制電路 本文設計了以MicrochipTechnology公司的PIC16F877A為核心部件的控制系統 系統總體硬件框圖如下圖 表1構成硬件電路的主要元器件 五數學模型 為了簡化分析 做出以下假設 釹鐵硼永久磁鐵的磁導率與空氣的磁導率相同 每相繞組的自感為一常數 不考慮齒槽效應和磁路飽和 忽略磁滯 渦流 集膚效應和溫度對參數的影響 三相定子繞組對稱 Ra Rb Rc La Lb Lc Mab Mbc Mca 轉子磁場為方波磁場 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環境下 在分析數學模型的基礎上 提出了控制系統仿真模型的方法 系統設計框圖如圖7所示 圖4PMBLDCM控制系統仿真建模組成框圖 圖5Matlab Simulink中PMBLDCM仿真建模整體控制框圖 七本體設計程序 采用磁路分析法設計了一套永磁無刷直流電動機的電磁設計程序總體方案確定轉子激磁結構確定磁路設計電路設計和轉子位置傳感器設計 八電感的解析計算 本文運用氣隙系數來考慮齒槽影響 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果 和 式中 八結果分析 實驗結果仿真結果解析計算結果 1 實驗結果分析 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的正確性和有效性 2 仿真結果分析 圖9計及電感參數時轉速 轉矩 相電流波形 圖10L 0時的轉速 轉矩和相電流波形 3 故障仿真分析 1 A相一個功率管開路的波形 a 轉速 轉矩和相電流波形 b 相電流波形 2 A相一個功率管短路波形 a 轉速 轉矩和相電流波形 b 相電流波形 3 A相繞組短路的仿真波形 a 轉速 轉矩和相電流波形 b 相電流波形 4 A相繞組開路下的仿真波形 a 轉速 轉矩和相電流波形 b 相電流波形 5 電源電壓突降到25V的仿真結果 a 轉速 轉矩和相電流波形 b 相電流波形 3 解析計算結果表2整數槽下有限元計算結果表3整數槽下有限元計算結果 考慮磁路飽和時 相繞組自感 1 1598mH 相繞組互感 0 365mH 九兩兩導通方式下的星形接法 兩兩導通三相六狀態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通兩種運行模式 六種運行狀態 即AC BC BA CA CB AB AC 由電機運行模式的周期性 僅以AC導通到BC導通的換相模式和BC導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導通模式 b AC導通到BC導通的換向模式c BC導通模式圖11方波永磁無刷直流電動機運行模式圖 根據三相繞組電流的對稱性 可以導出B相電流一個周期內的電流波形的解析表達式 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 兩兩導通三相六狀態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通兩種運行模式 以功率開關管導通順序來區分六種運行狀態 即12 23 34 45 56 61 12 由電機運行模式的周期性 僅以12導通到23導通的換相模式和23導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導通模式 b 12導通到23導通的換向模式 c 23導通模式圖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通方式下的相電流波形與反電動勢波形 根據三相繞組電流的對稱性 可以導出B相電流一個周期內的電流波形的解析表達式 從圖16和圖17中可以看出 三角形連接的兩兩導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 總結和展望 本文在研究過程中主要成果及結論總結如下 設計了一套以單片機PIC16F877A芯片為核心的永磁無刷直流電動機的控制器 并做了相應的實驗 在數學模型的基礎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行了仿真研究 運用磁路分析法 設計了一套永磁無刷直流電動機的電磁設計程序 對永磁無刷直流電動機相繞組的電感參數進行了解析計算 與有限元結果進行了對比 推導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態電路模型 推導出了在三角形連接的兩兩導通方式下