双Y永磁无刷直流电动机及其控制系统

1、双Y永磁无刷直流电动机及其控制系统0引言永磁无刷直流电动机发展至今，以下几个问题仍然是研究过程中的重点和难点： 电机本体优化问题：转子永磁磁钢材料尺寸及磁钢的排列方式的选择应该合理，在满足各项性能指标的前提下，使电机的成本尽量低；漏磁场分布问题： 漏磁场情况比较复杂，对电机性能有一定影响；转矩脉动问题，包括：齿槽效应引起的转矩脉动、非理想波形引起的转矩脉动、换相引起的转矩脉动。国内外对以上几个问题进行了深入研究，并取得了不小成就，研制成了一些性能相对较高的永磁无刷直流电动机，但没能彻底解决永磁无刷直流电动机中存在的这些问题。本课题研究的双Y永磁无刷直流电动机是其在原有普通永磁无刷直流电动机的结

2、构基础上增加一套驱动及Y形接法三相绕组，并且这个两套定子绕组空间上相差30º电角度，共用一个转子，并用六个霍尔位置传感器检测转子位置。驱动器由两个桥式逆变器组成，且两个桥式逆变器分别采用每相导通120º的两两导通的方波驱动，系统可按多重多相方法工作，进一步减小转矩脉动，同时具有进行较大范围的弱磁调速控制的能力，所以具有转矩脉动小和具有任意角度的磁场位置控制能力等优点。其结构模型图1所示。图1 永磁无刷直流电动机结构模型图1 研究内容本课题从以下5个问题进行了深入研究1.1、双Y永磁无刷直流的结构及控制逻辑的研究。双Y永磁无刷直流电动机与一般永磁无刷直流电动机一样，其气隙磁场

3、、反电势以及电流是非正弦的，因此采用直、交轴坐标变换已不是有效的分析方法。虽然定子上的两套绕组在电路上是独立的，但彼此之间存在耦合，各独立电路单元可互为备用，提高系统可靠性。在系统多重多相控制方式下，双Y永磁无刷直流电动机的两套绕组每个磁状态有个功率开关器件处于导通状态，一个周期共有个换相状态，每个区间为电角度。图2和表1分别给出了双Y永磁无刷直流电动机各相电流波形图以及其对应的开关管导通顺序表。由于两套绕组互差电角度启动运行的。因此，其开关管导通也应套推迟电角度。例如，在电角度之间，套由导通，当转子在之间使套导通。依次方式下去，两套绕组就一直相差电角度运行，保证了系统的正常运行。图2 双Y永

4、磁无刷直流电动机各相电流波形示意图 表1-1两相导通三相六状态时，两套绕组和开关管导通顺序表电机正反转运行控制。永磁体转子是通过永磁磁场与定子磁场的相互作用，推动转子按一定方向旋转。旋转方向由两者的合成磁场方向决定，也就是定子磁场的方向决定了转子旋转的方法。根据前面双Y永磁无刷直流电动机工作原理的分析可知，只要改变开关管的导通顺序，就可以改变定子磁场的方向，从而使转子反方向旋转。比如，设为双Y永磁无刷直流电动机的两套定子绕组，电动机正转时的导通顺序为：，；则反转时导通顺序为：，。只要根据相绕组的通电规律，控制开关管的导通顺序就可以实现电机转子的正反转运动。研究双Y永磁无刷直流电动机的另一个主要

5、目的就是实现无刷电机的弱磁调速。电机调速分为基速以下调速和基速以上调速两种。基速以下采用恒转矩调速；基速以上采用恒功率调速，通过减小电枢绕组与永磁转子交链匝数来实现弱磁。普通的永磁无刷直流电动机和永磁同步电动机一样，都无法调节转子磁通，只能通过电枢反应的去磁作用来实现弱磁调速。永磁同步电动机是通过改变电枢电流的轴分量来达到弱磁目的的；而一般的永磁无刷直流电动机是通过增加电流超前角，减小电枢绕组与永磁转子交链匝数来实现弱磁，而且超前角一般不大于，否则会出现时而助磁的情况，削弱去磁效果。所以，相对于永磁同步电动机，永磁无刷直流电动机的弱磁效果比较差，调速范围小，而且弱磁调速时还会产生较大的转矩脉动

6、。双Y永磁无刷直流电动机，其空间相差电角度的两个相互独立的Y形接法三相绕组，能产生电角度跳跃的定子磁动势，相对于其中一套绕组的每个磁动势（间隔电角度），在另一套绕组中总能产生一个与之正交且能时时去磁的磁动势。所以，双Y永磁无刷直流电动机在基速以上弱磁调速时，可采用一套绕组驱动，另一套绕组弱磁的控制方法。12、双Y永磁无刷直流伺服系统在数学模型的研究。在双Y永磁无刷直流电动机中，虽然定子上的两套绕组在电路上是独立的，但彼此之间存在耦合，反映在数学模型上即为两套绕组之间存在互感。双Y永磁无刷直流电动机结构是在单Y永磁无刷直流电动机结构的基础上增加了一套电枢绕组，同样需要增加一套逆变器。由于两套绕组

7、相差电度角，因此在通电情况下存在耦合，所以不能用两套绕组简单的并联来建立其数学模型。特别是在位置控制时，两桥电流的大小不同，其数学模型需重新建立。本课题通过比较相变量模型和直流电机模型来确定双Y永磁无刷直流电动机的数学模型。双Y永磁无刷直流电动机的电压方程可表示为： 其中：； ； ； 电阻矩阵为：； 电感系数矩阵仍为单Y永磁无刷直流电动机的形式，但增加了电枢两套绕组之间的互感。电感系数矩阵可以写为： 式中： 其中：，。因为电动机的两套绕组均采用Y形联结，则有： ； 从而得到： 由于电机工作在多重多相方式下，每个磁状态有个管子导通，比如套的和套导通，此时电磁转矩可以表示为： 双绕组电机共有个磁状

8、态，对应的有个电磁转矩方程，对此我们写成以下的电磁转矩表达方程： 式中：；运动方程为： 以上是双Y永磁无刷直流电动机相变量数学模型，相变量模型比较真实地反映了电机的结构和运行情况。通过这种模型可以分析出电机在每一周期中每相的换流情况，也可以分析出相绕组故障后电机的运行情况。13、双Y永磁无刷直流电动机的控制系统永磁无刷直流电动机的转子为永磁体，不需要励磁。同时，转子磁链是不可控的，可以控制的只有定子绕组的电流。因此，电动机的运行好坏，即转矩控制的特性的好坏仅依赖定子电流控制特性的好坏。由永磁无刷直流电动机的机械特性方程可知：其电磁转矩大小与电流的幅值成正比，所以控制电流的幅值即可控制电机的转矩

9、的大小。控制的目标是尽量消除转矩波动，使电机平稳运行。为了使系统更加稳定、控制更精确， 采取以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制的占空比，从而调节电动机的转速、转矩的控制方法。从闭环反馈的结构上看，电流调节环在里面，是内环；转速调节环在外面，成为外环。这样就组成了转速、电流双闭环调速系统。下面分别介绍电流调节器、转速调节器的设计思想。131电流环的设计电流调节器的作用是：在转速调节过程中使电机母线电流跟随其给定值变化，保证起动或制动时电机获得允许的最大电流，对电源电压波动起干扰作用，当电机过载甚至堵转时，限制母线电流的最大值。电机电流闭环的主要要求是：动态响应快、

10、跟踪性能好、工作稳定、超调小。根据上述要求，即要求系统稳态无静差，动态过程中电流超调小，应将电流环设计成为一阶环节。在设计电流环的时候，如果积分时间短，则起动电流大、转速超调小；积分时间长，则起动电流小、转速超调大。如果比例系数大，则起动电流大、转速超调小，因此要注意在保证起动电流小的前提下将转速超调量控制在一定的范围以内。1 32转速环的设计转速环调节器的作用是：使转速跟随其给定值变化，稳态无静差，对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定了允许的最大电流。设计转速调节器时，可以把已设计好的电流环当作是转速调节器中的一个环节，求出其等效传递函数，再用设计电流环相同的方法进行设计。在设计转速环的时

11、候，如果积分时间短，则转速调节时间短；积分时间长，则转速调节时间长。如果比例系数大，则转速超调量大；比例系数小，则超调量小。因此要注意在保持调节时间短的前提下将转速超调量控制在一定的范围内。基于以上设计思想，本控制系统中速度调节器和电流调节器均采用了数字化算法。在组成双闭环调速系统时必须解决的另一个问题是调节器限幅值的整定问题。的输出限幅(饱和)值决定了给定电流的最大值，它完全取决于电动机的过载能力和系统对最大加速度的需要；输出电压的正限幅表示对驱动输出电压最大值的限制。下图是双Y永磁无刷直流电动机双闭环控制系统的原理框图。 图 3 双Y永磁无刷直流电动机双闭环控制系统原理框图首先速度给定，系

12、统判断是转速大小，确定系统运行策略，即移相或者移相调速。由于系统在进行移相时，系统两套绕组电流相同，因此在这里我们采用同一个转速调节器和电流调节器；在进行移相调速（即弱磁调速）时，两套绕组电流不相同，必须有两套不同的转速调节器和电流调节器，因此电流反馈环节也不同。转速信号通过光电编码器及其测量电路，得到转子的实际转速。形成转速闭环控制14、双Y永磁无刷直流电动机的性能仿真系统根据以上分析，得到双Y永磁无刷直流电动机控制系统的仿真模型：图 4 双Y永磁无刷直流电动机系统的仿真模型本系统电机模型的参数为：额定功率：；额定电压：；额定转速：；极对数：；每相绕组电阻：；绕组漏感：；气隙电感：； 转矩系

13、数：；转动惯性常数：。在仿真研究中，采用了一套分别超前二套及电度角的运行方式。在运行时，两套绕组相隔电度角，之间有互感，经过计算，其值为，其中为每个磁状态中流过绕组正电流的值；为三相相绕组互感；而在弱磁时，两套绕组之间的互感相互抵消，两套绕组定子磁动势正交，相当于两套绕组各自独立运行。在进行弱磁仿真之前，一些参数需进行重新计算。包括：反电动势系数、转矩系数。其仿真结果如下：单绕组转矩波动明显大于双绕组转矩波动；从图中转速波形图可以得到：控制系统双闭环控制比开环控制，转速超调明显减少，仿真中闭环控制几乎没有超调；基于恒功率的弱磁调速，其转速大幅度提高。转矩脉动一直是永磁无刷直流电动机的突出特点，

14、怎样使得转矩脉动进一步减小，是国内外研究的重点，从仿真结果看，本课题提出的双Y永磁无刷直流电动机，其定子绕组由空间相差30º电角度的两个相互独立的Y形接法三相绕组组成，能产生30º电角度跳跃的定子磁动势，较普通永磁无刷直流电动机，可以减小一半的转矩脉动。另外，提高永磁无刷直流电动机的调速范围是提高其性能的重要环节，一般的永磁无刷直流电动机和永磁同步电动机一样，都无法调节转子磁通，只能通过电枢反应的去磁作用来实现弱磁调速，调速范围狭窄，本课题研究的双Y永磁无刷直流电动机通过理论和仿真分析，可以使一套绕组驱动，另一套绕组弱磁的控制方法，使双Y永磁无刷直流电动机在基速以上弱磁调速。15、双Y永磁无刷直流电动机控制系统的硬件构成系统总体设计框图如图5。整个系统工作原理可概述为:首先电动机按照一定方式顺利启动后，采用方式实现对的双闭环控制。在对电动机的闭环调节过程中交流输入经过整流电路、稳压电路后形成直流，为逆变电路提供直流电源。转速给定由的捕捉单元口输入，经片内程序计算得到转速的参考值。根据程序的控制来使产生一定占空比的脉冲，通过调整脉冲宽度控制功率管的开关时间，实现对