技术交底书电机节能

技术交底书实用新型名称： 一种无刷直流电机高效节能控制系统技术问题联系人： 刘朝荣 联系人电话：Fax：E-mail：术语解释： 一、技术领域：（用不超过300个字说明该发明属于何类技术？何种领域的应用？）本（实用新型）专利提供了一种无刷直流电机高效节能控制方案。具体内容如下：首先建立了无刷直流电机的数学模型，设计了基于改进趋近律的滑模变结构速度控制器，有效的消除了传统PID控制算法的不稳定性，并采用离散Kalman滤波器对随机干扰和测量噪声构成的组合干扰进行滤波，实现了对被控信号的准确估计，基于Matlab/Simulink仿真软件，参考数学模型，在学习传统的方波驱动上利用SVPWM新的驱动方式进行高效节能驱动，并建立了无刷直流电机高效节能控制系统的仿真模型，此系统可以减少谐波损耗，进而达到提高电机在运行时的效率。二、背景技术：（现有技术方案应详细介绍，详细描述现有技术的缺点，引用的技术文献、报刊杂志等成文资料，达到同等技术人员不参考其他文件能够完全看懂你的描述）现有的技术方案和技术缺点介绍如下：无刷直流电机在工作运行时，其驱动系统主要有以下四部分组成，一是电源由直流电源供电；二是驱动系统必须有功率驱动电路;三是无刷直流电机的核心即电机本体，四是无刷直流电机的位置传感器，有了位置传感器，才能通过实施检测位置的不同来观测电压电流，调节电流达到节能，由于无刷直流电机有许多不同的本体结构和不同的高效驱动方式，二二组合可以得出多种不同类型的组合形式。全桥式驱动作为目前无刷直流电机最常用的驱动方式，其原理是通过控制元器件（功率管）来控制无刷直流电机组成绕组电流，电流的导通和关断呈现周期性变化，全桥式驱动方式就是根据霍尔元件位置信号通过两两导通方式或三三导通方式。三相全桥式驱动电路如图1-1所示。图1-1无刷直流电机三相全桥式驱动电路无刷直流电机在节能控制中一共有两大类方式方法，在能量固定不变时，一是减小无刷直流电机工作运行时逆变电路损耗和空载运行时电机的损耗，统称减小控制系统能量的损耗，二是通过无刷直流电机在回馈制动时通过能量的控制方式来提高能量回馈使用，即控制系统能量的利用。1)减小能量损耗。当无刷直流电机控制系统能量一定时，一定要提高能量的有效使用率，在电机工作运行时，在一定范围内可通过减小能量损耗，来延长供电时间，进而提高驱动系统的效率。(1)减小逆变电路损耗。在开关器件上来进行分析，则可以知道在零电压ZVS或零电流ZCS开关条件下，通过开关器件的开通或关断来减小开关损耗，与此相同开关导通时，二极管的损耗减少就是利用开关器件的关断和导通来实现的称为无刷直流电机的同步整流技术。①软开关控制:无刷直流电机在运行时，对传统意义上的软开关并不是很适用，使用的软开关为谐振极开关，而传统意义上的软开关有两种，分别为谐振式软开关和Buck软开关。要想影响无刷直流电机整个系统的驱动效率，就要从无刷直流电机的功率损耗开始影响逆变电路的效率，在无刷直流电机逆变电路中，谐振直流环节下，逆变电路会产生多个驱动控制的方式方法，他们都会连接一个谐振单元，此谐振单元都会出现在逆变电路中，因此，无刷直流电机的的驱动效率由逆变电路上的谐振单元来决定的，此种情况下，谐振直流环节逆变电路如图1-2所示图1-2谐振直流环节逆变器在无刷直流电机的逆变电路中，增加一个开关，当无刷直流电机采用传统的方波驱动时，在调制过程中，6个功率晶闸管会随着直流母线的开通或关断周期性的变换，此为谐振电路，与其他三个模块共同组成无刷直流电机的控制系统，分别为:直流电源模块、逆变电路模块和电机本身。对此，增加一个电路就可以实现控制系统的节能。可在逆变电路前加降压斩波(Buck)电路，无刷直流电机逆变器Buck电路如图1-3所示。图1-3基于Buck电路逆变器驱动系统的工作原理是根据电机转速变化，控制Buck变换器功率开关器件的占空比来调节直流母线电压，进而控制电枢电流［｝as｝，后级的三相逆变电路仅负责换相，不进行调制，由此减小开关损耗。②同步整流技术。在无刷直流电机工作运行时，运用二极管导通，就会出现因为压降过高而产

生很大的续流损耗，在无刷直流电机的续流损耗中，运用晶闸管器件导通进行续流，可以降低在此过程中的损耗，进而达到节能的目的，无刷直流电机的PWM控制使用传统方法，假设总会改变开关桥臂VT1PWM斩波器，下桥臂C相开关臂VT2保持不变。当PWM刺激电流电路如图1-4所示，当PWM在功率器件关断的电路，电流通过电源设备VT4二极管电流。当电流通过二极管的压降，也就是说，开态电压下降，其规模一般是0.6-1V。绕组电流续流期间的PWM断开，续流后二极管所造成的损失很大，特别是在低速和高电流条件BLDCBLDC图1-4传统PWM调制电流回路同步整流技术分慢速衰减方式和快速衰减方式两种。缓慢的衰变模式VTI调制，同步传导VT4,那么当前阶段通过A相-C相-VT2-VT4续流电路如图1-5(a)所示。VT1调节快速衰变模式时关闭，VT4和VT5开放同步。此时，电流流经阶段A相-C相-VTS-电源-VT4续流电路如图1-5(b)所示。快速衰减模式正在迅速变化，噪声大，所以较少应用。当开关装置阻力很小，同步整流技术的使用可以显著减少任意二极管上的电压降，减少持续流动损失。(a)慢速衰减方式(b)快速衰减方式(2)减少电机损失。基于整个传动系统，当逆变器电路的效率难以提高，减少电机损耗的方式实现有效控制。电动机损耗主要包括铁损耗、铜损耗和机械损耗在电机的操作。减少的主要方法包括电动机的优化设计和优化控制的效率。电动机的优化设计是减少能量损失从电动机本身。最好的方法是优化电机结构，合理选择永磁材料和改变绕组连接方法。和效率优化控制是提高电机运行效率的软件控制。优化控制策略，改变驱动模式。①电机优化设计。电动机的主要损失铁损耗，铜损耗和机械损失，包括铁损耗、磁滞损耗和涡流损耗。电动机电流越高，铜损越大。高速永磁无刷直流电机，铜消费的比例很小，可以忽略机械损失主要是风穿，和速度，机械结构和协调;与磁通密度和速度，还和大小变化。电动机损耗、铁消费占很大一部分的电机优化设计的关键。在一定的磁场频率的情况下，铁损耗和磁通密度的大小和变化。降低磁通密度可以降低电动机的铁损失，提高电动机的效率涡流损耗的铁损失主要包括三个部分，这是当前时间谐波造成的损失，主要取决于控制策略。当前空间谐波造成的损失和造成的损失变化的气隙磁导率主要取决于定子结构以及槽开口的大小，气隙长度和其他结构性维度。无刷直流电机与钦铁硼永磁体优于使用铁氧体永久磁铁，无刷直流电机的转矩和传动效率钦铁硼永磁材料比铁氧体永磁材料成本较高，但使用钦铁硼材料电动机具有效率高的优势，所以在某种程度上，构成了成本高等缺陷。②效率优化控制。效率优化控制软件控制主要是为了减少电机损耗，实现高效的无刷直流电机驱动控制，具体方法，包括优化控制策略和改变驱动。此外，不同的控制策略对驱动系统的效率产生影响。理论分析和实验结果表明，滑模变结构控制和PID控制驱动系统的效率是不同的。与PID控制相比，电动机的滑模变结构控制具有更好的性能和更高的效率。此外，模糊控制比PID控制驱动系统性能有明显改善，效率改善。由于电枢反应的影响，电机在不同的驾驶策略的损失己经发生了改变。为反电动势波形近似正弦波永磁无刷直流电机，都可以使用方波电流驱动，也可以使用正弦波电流驱动模式。无刷直流电机和永磁同步电动机的身体结构相同，如正弦波驱动的使用，因此，当前波形为正弦波或方波，你可以显著抑制主要脉动转矩，降低噪音，提高驱动系统的效率2)提高能源效率。提高能源效率主要用于能量回收、储存、利用能量回馈制动和适合应用在汽车制动频繁下来。由于电动机的可逆性，电动机可以在某些情况下，成为一个发电机，多余的动能转化为电能并反馈给储能设备。由此产生的制动力矩反馈电流用于减速或制动的目的。图1-6回馈制动等效电路综上所述，基于整体无刷直流电机驱动系统，驱动效率的众多因素的影响，不同的因素及其原因，有不同的高效驱动控制方法。各种方法从不同方面和角度可以实现高效的电机驱动系统的控制。但看各种各样的方法，可以分为两类，一是减少能量损失，另一种是提高能源的使用。每个方法对应于一个不同的具体实现，每种方法都有自己的优点和缺点。针对无刷直流电机的高效控制驱动系统，各种因素应该考虑实现整个系统的最优化效率从不同方面和角度。引用的技术文献和报刊杂志如下：[18]AdibE,FarzanehfardH.FamilyofZero-CurrentTransitionPWMConverters.IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2008,55(8):3055-3063.[19]崔彬，汤宁平.同步整流技术在降低BLDC控制器损耗中的应用[J].福州大学学报(自然科学版).2011,39(03):410-414.[20]张晓翠.无齿槽高速永磁无刷直流电机参数计算与结构优化的研究 [D].山东济南：山东大学,2011KwonSO,LeeJJ,LeeBH,etal.LossDistributionofThree-PhaseInductionMotorandBLDCMotorAccordingtoCoreMaterialsandOperating])].IEEETransactionsonMagnetics,2009,45(10):4740-4743.[22]王迎发.无刷直流电机换相转矩波动抑制与无位置传感器控制研究①].天津大学，2012.JangGHLeeCI.DualwindingmethodofaBLDCmotorforlargestartingtorqueandhighspeed.IEEETransactionsonMagnetics,2005,41(10):3922-3924.[24]荆会彦.无刷直流电机机械特性快速测试理论及方法研究①].中国计量学院，2014.TerkiA，MoussiA，BetkaA，etal. AnimprovedefficiencyoffuzzylogiccontrolofPMBLDCforPVpumpingsystem[J]. AppliedMathematicalModelling， 2012，36(3):934-944.[26]BinggangC,ZhifengB,WeiZ.Researchoncontrolforregenerativebrakingofelectricvehicle[A].VehicularElectronicsandSafety[C].Shaan,xi:IEEEPress,2005.92-97.[27]刘刚，王志强，房建成.永磁无刷直流电机控制技术与应用[M].北京:机械工业出版社，2008.1-5[29]庄凯.永磁无刷直流电机控制系统设计[D].重庆:重庆大学，2010[30]周杰，侯燕.无刷直流电机转矩脉动抑制方法综述[J].机电产品开发与创新，2007，34(3):35-37.[31]ShoukatChoudhury，M.A.A.，N.F.Thornhill，S.L.Shah.ModelingValueStiction[J].ControlEngineeringPractice，2005，13(5):641~658[32]王国伟.基于DSP2812的无刷直流电机控制系统研究①].安徽大学，2010.[33]蔡耀成.无刷直流电动机中的霍尔位置传感器[J].微特电机，1999,27(5):55〜58[34]谭斌.基于DSP的异步电机SVPWM矢量控制系统研究与实现[D].长安大学，2013.[35]王超.无刷直流电机直接转矩控制[D].长沙：中南大学，2011.[36]周漩.减速驱动型轮毅电机的研究①].河北联合大学，2014.[37]张亚军.双能量源纯电动汽车驱动与再生制动控制策略研究①].西安:长安大学，2011.[38]齐听，周坷，王长松，等中高功率交流电机逆变器的低开关频率控制策略综述[J].中国电机工程学报，2015,35(24):6445-6458.[39]谢宝昌，任永德.电机的DSP控制技术及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.25~46[40]刘栋，荣军，曾可，等.基于MATLAB的无刷直流电机调速技术研究力.电子技术，2013(8).[41]邱建琪.永磁无刷直流电动机转矩脉动抑制的控制策略研究①].浙江杭州:浙江大学，2002.[42]郭晓明基于DSP的异步电机矢量控制系统的研究与实现[D].河北工程大学，2015.[43]谭亚丽，郭志大无刷直流电机方波正弦波复合驱动器设计[J].电气传动，2011，41(6):11-13[44]庞向坤，姚福安，魏欢欢.基于DSP的无刷直流电机测试系统的设计[J].自动化仪表2008,29(7):53-56.三、本发明(实用新型)解决的技术问题是：(对应现有技术的所有缺点，正面描述本发明(实用新型)要解决的技术问题；并且提供在比如生产率、成本、节能等方面的相关关系，可以用定性和定量的语言)根据无刷直流电机的转子和定子结构，以及无刷直流电机的运行工作原理，推导出数学模型。根据此数学模型，利用MATLAB/Simulink进行仿真，梳理无刷直流电机控制系统的反电动势模块、给定电流模块、逆变器等各模块，并在MATLAB仿真图中进行整体的综合，无刷直流电机驱动控制系统的仿真模型。传统的无刷直流电机采用PWM技术对电机进行调速，会产生很大的转矩脉动，从而增大电机的杂散损耗，基于此不足，利用SVPWM技术采用正弦波驱动的方式代替方波驱动，可以减少无刷直流电机在运行工作中的杂散损耗，进而节能；传统的PID控制算法很难实现系统在运行过程中的性能，在此基础上本论文设计了基于Kalman滤波下改进趋近律的滑模变结构节能控制系统，并运用李雅普诺夫对系统进行稳定性分析，实现了对被控制信号的准确估计，采用离散Kalman滤波器对由随机干扰和测量噪声构成的组合干扰进行滤波，保证在工作运行时有很好的动态响应，运行平稳。四、发明内容：(用技术语言描述发明内容，尤其是改进点与效果的对应关系，可以用1、2、3等分级说明)无刷直流电机数学模型：无刷直流电机自身的模型系统：多重变量、不是线性的组合系统、带有比较强祸合电路，这样的系统通常是复杂多变的，为了实现转子转矩的高效节能控制，必然要对转矩的内置参数进行分析重置。在无刷直流电机中，以二二导通形式下三相六状态的丫形连接为例，在此状态下，无中线引出，则对应的无刷直流电机的等效电路如图2-8所示，将电机在工作时，电机铁耗中的损耗忽略不计，在三相全桥逆变器功率开关时，气隙磁场分布被认为是理想的120电角度梯形波，则三相绕组的电压平衡方程（2-1）:图2-8无刷直流电机等效电路五：附图说明：（用图示说明在二、三、四中所涉及的结构、线路、流程等，图中具体部件请用专业术语标明。最好提供CAD图）六、本发明技术方案的详细阐述（实施例）：（本部分为专利申请最重要的部分，需要详细提供）发明（实用新型）中每一功能的实现都要有相应的技术实现方案；（专利必须是一个技术方案，应该阐述发明（实用新型）目的通过什么技术方案来实现的，不能只有原理，也不能只做功能介绍）提供结构图及文字说明（工艺步骤、结构说明，原理说明，动作关系说明等）；所有附图都应该有详细的文字描述，以别人不看附图即可明白技术方案为准；同时附图中的关键词或方框图中的注释都尽量用