畢業論文-永磁無刷直流電機矢量控制系統實現(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 永磁無刷直流電機系統圖 圖 無刷直流電機工作原理示意圖 圖 22 中 BLDCM 表示三相兩極無刷直流電機本體， PS 為轉子位置傳感器，其 與電機轉軸一同 旋轉，主電路采用三相逆變橋供電，由 V1V6 六個功率開關器件與 A、 B、 C 三相繞組連接。通過檢測轉子的位置，經控制電路對轉子信號進行邏輯變 換后產生脈寬調制 PWM 信號，驅動電路對 PWM 信號的放大后控制開關器件的開通 與關斷讓各相繞組按照一定順序通電，從而保證電機連續旋轉。下面以兩相導通三 相星形六狀態無刷直流電機為例說明其工作原理。 如圖 23（ a）所示，通過轉子位置傳感器感應出轉子的位置信號，經控制邏輯變換后驅動逆變器的開關器件 V1 和 V6 導通，此時繞組 AB 通電，而且為 A 進 B 出， 經右手螺旋定則可判定電樞繞組在空間的合成磁勢 Fa 如圖中所示。定子磁勢 Fa 與 轉子磁勢 Ff 的相互作用，拖動轉子以順時針方向進行旋轉。該過程中電流的流經的途徑 畢業設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 為： E+→ V1 管→ A 相繞組→ B 相繞組→ V6 管→ E。 當轉子轉過 60176。電角度時，到達的位置如圖 23（ b）所示。由于轉子位置的不同導致驅動的開關器件也不同，此時導通的開關器件為 V1 和 V2，與 V1 和 V2 連接的 AC 兩相繞組通電， A 進 C 出，電樞繞組合成的氣隙磁勢 Fa 如圖中所示。定子磁勢 Fa 與轉子磁 勢 Ff 的相互作用繼續拖動轉子以順時針方向進行旋轉。該過程中電流的流經的途徑為： E+→ V1 管→ A 相繞組→ C 相繞組→ V2 管→ E。為使轉子磁場始終受定子合成磁場的牽引并按順時針方向連續旋轉，轉子每當轉過 60176。電角度時，逆變器 中 的 開 關 器 件 要 輪 換 導 通 ， 其 導 通 的 邏 輯 為 V2V3 → V3V4→ V4V5→ V5V6→ V1V6→ V1V2??，依次循環。 無刷直流電機的基本方程 理想的無刷直流電機反電動勢是梯形波，本文在靜止的 ABC 三相坐標系上以兩相導通星形 三相六狀態為例，在分析無刷直流電機工作原理的基礎上建立了它的動態數學模型。為了簡化模型便于分析，在不影響分析結果的前提下，特做出下面的假定條件： （ 1）假定氣隙磁場是理想狀態下按照平頂部分為 120176。電角度梯形波分布的。 （ 2）假定磁路不飽和，不計渦流損耗和磁滯損耗。 （ 3）忽略齒槽效應和電樞反應。 （ 4）逆變電路中功率開關管以及續流二極管都有理想開關特性。 （ 5）三相繞組的參數都對稱。 則根據無刷直流電機的特性，可得到如下電壓、轉矩和運動狀態方程。 （ 1） 電壓方程 根據電機學原理，繞組可等效為純 電阻和純電感的串聯，故電機繞組上的電 壓是電阻壓降和電感感應電動勢之和，任意繞組的電壓方程為： xxxx eiRu ?? （ ） 其中， xu —— 相繞組電壓； xR —— 每相繞組的電阻； xi —— 流過繞組的電流； xe —— 每相繞組的感應電動勢，其中 dtdex ??； x? —— 每相繞組的磁鏈。 每相繞組的磁鏈包括自身電流產生磁通交鏈的磁鏈、其他相電流產生磁通交鏈 的磁鏈和永 磁體磁通交鏈的磁鏈三部分。以 A 相繞組磁鏈為例，其表達式為： )(?pmACBABAAA MiMiL ?????? （ ） 畢業設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 將式（ ）帶入式（ ）得 ))(( ?pmCABAAAA iMiLdtdRiu ????? ACACBABAAA eiMiMiLdtdRi ????? )( 則電機的電壓方程為： ???????????????????????????????????????????????????????????????cbacbaccbcabcbbaacabacbacbacbaeeeiiipLMMMLMMMLiiiRRRuuu000000 （ ） 式中 M 表示兩相繞組之間的互感（ x、 y 代表 A、 B、 C）， p 為微分算子 dtdp? 。由假設可以得到 cbacba LLLRRR ???? 。 ；互感均相等為 M。由于電機繞組是采用 Y 型接法，所以按照基爾霍夫電流定律可以得到 0??? cba iii ；由于三相繞組為星形連接，且沒有中線，所 以有： 0??? cba MiMiMi （ ） 綜上所述，再將式（ ）帶入（ ）得無刷直流電機的電壓方程式（ ）： ??????????????????????????????????????????????????????????????????cbacbacbacbaeeeiiipMLMLMLiiirrruuu000000000000 （ ） （ 2） 轉矩方程 電源提供的功率，主要部分通過氣隙轉換為機械能，其他部分作為損耗功率消 耗在了功率開關器件上和電機的銅耗、鐵耗上。由電 機學的知識可知： ????? eCCBBAAe TieieieP （ ） ? CCBBAACCBBAAeieieiepieieieT ??????? （ ） 畢業設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 其中 Pe —— 電磁功率； Te —— 電磁轉矩； ? —— 電氣角速度； ? —— 機械角速度； P—— 電機極對數。 無刷直流電機的逆變模塊采用兩兩導通的工作方式，任意時刻只有兩相繞組導通存在電流，其余繞組關斷，電流為零。而被導通的兩相繞組上電流方向和反電動勢（依次記作 i， E）大小數量上相等，方向相反，所以電機的電子轉矩也可以表示成式子（ ） ?? EiTe2 （ ） （ 3） 運動方程 無刷 直流電機的運動方程為： dtdJTTLe??? （ ） 式中 J 為轉子轉動慣量（ kg m2） ,dtd?為轉子角加速度（ rad/s2）， L T 為負載轉矩（ N m）。 一般在實際工程應用中，通常采 用轉速 n 代替機械角速度Ω來表示轉子速度，用飛輪慣量 2GD 代替轉動慣量 J 表示機械慣性，換算方法式子（ ）和（ ）所示： 602 n??? （ ） gGDmpJ 4 22 ?? （ ） 其中 m 是電機轉動部分質量（ Kg）， G 為轉動部分的重力（ N），ρ為系統轉動慣量半徑（ m）， D 為轉動慣性半徑（ m）， g 為重力加速度（ ）。將式子（ ）和（ ） 代入（ ）式子中得到： dtdnGDTT Le ??? 3752 （ ） 畢業設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第三章 矢量控制坐標變換 坐標變換 從一種坐標系轉換到另一種坐標系的變換稱為坐標變換。坐標變換有很多種類，在研究矢量控制時有 3種坐標系，一般稱作靜止三相 ABC坐標系、靜止的兩相α β 坐標系和旋轉兩相 dq 坐標系；將靜止的三相到靜止的兩相變換稱為 3s/2s 變換（ Clarke 變換），反之，則成為 2s/3s 變換；將靜止的兩相到旋轉的兩相的變換簡稱為 2s/2r 變換（ park變換又稱旋轉變換），反之，則稱為 2r/2s 變換。 畢業設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 坐標變換的原則 由機電能量轉換的基 本原理可知，電動機內氣隙磁場是進行能量轉換的媒介，由定子側輸入的能量正是通過氣隙磁場傳遞到轉子的。在進行坐標變換時，只要能使變換前后產生的氣隙基波合成磁動勢不變（幅值和空間相位相同），兩者就是等效的。因此，磁動勢不變是不同坐標系間進行變換的一項基本原則。 坐標變換的基本思路 矢量變換控制方法中，兩相旋轉坐標系的 d軸與轉子磁鏈軸線重合，為勵磁軸， q軸為轉矩軸。轉子磁場在 q軸分量為零，在磁場恒定且 d軸電流分量為 0的情況下，電磁