基于PWM技術(shù)的無刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上B. 返回?cái)?shù)值表達(dá)式值的整數(shù)部分38. SQL語言具有兩種使用方式，分別稱為交互式SQL和_。C. 不依賴于數(shù)據(jù)庫的表 D. 不能修改的表C. 參照完整性約束 D. 視圖完整性約束假定名稱字段為字符型、寬度為6,那么下面程序段的輸出結(jié)果是C. 電冰箱 D. 電視機(jī)【答案】Areturn2 計(jì)算機(jī)【答案】A基于PWM技術(shù)的無刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) Brushless DC Motor Speed Control System Based On PWM 專心-專注-專業(yè)摘 要 無刷直流電機(jī)(BLDCM)具有調(diào)速性能優(yōu)異、運(yùn)行性能可靠和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，相較于有刷直流電機(jī)，

2、其采用電子換向取代機(jī)械換向，有效地提高了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，也使得其成品體積更加的輕巧。但是無刷直流電機(jī)也存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、控制器復(fù)雜、成本較高等缺陷，這些缺陷的存在也一定程度上影響了無刷直流電機(jī)作為高效、先進(jìn)電機(jī)在應(yīng)用上的普及，因此研究如何改善以及解決無刷直流電機(jī)存在的問題便具有更加明顯的現(xiàn)實(shí)意義。MATLAB是一款用于數(shù)據(jù)分析與計(jì)算、算法開發(fā)以及動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建立與仿真的數(shù)學(xué)軟件。最初是由美國(guó)MathWorks公司出品的商用數(shù)學(xué)軟件，其由Matlab和Simulink兩個(gè)重要組成部分構(gòu)成，現(xiàn)在更是應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。本文通過對(duì)無刷直流

3、電機(jī)結(jié)構(gòu)以及工作原理的研究與分析，找出導(dǎo)致其具有較大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因，并先從理論上得到如何抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，再通過Matlab建立起無刷直流電機(jī)的仿真模型，對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行分析與改善，從而有效地抑制無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，仿真模型Abstract Brushless DC motor (BLDCM) has excellent speed performance, reliable performance and easy maintenance, etc., compared to a brush DC motor, which uses electronic

4、ally commutated replace mechanical commutation, effectively improve the operating efficiency of the motor, but also so that the volume of the finished product more compact. But there brushless DC motor torque ripple controller complexity, high cost and other defects, the presence of these defects al

5、so affected to some extent, a brushless DC motor as efficient and advanced motor universal in application, how to improve and therefore research solve the problems of the brushless DC motor will have more obvious practical significance.MATLAB is a tool for data analysis and computation, algorithm de

6、velopment, and simulation of dynamic systems to establish and mathematical software. MathWorks was originally developed by the US company produced commercial mathematical software, which consists of Matlab and Simulink are two important parts, and now it is used in engineering calculations, control

7、design, signal processing and communications, image processing, signal detection, financial modeling design and analysis and other fields.Based on the brushless DC motor structure and working principle of research and analysis to identify the cause of which has a large torque ripple, and theoretical

8、ly first get how to suppress torque ripples, established through Matlab brushless Simulation Model DC motor, its simulation results are analyzed and improved in order to effectively suppress the torque ripple of the brushless DC motorKeywords: Brushless DC motor; The torque pulsation; The simulation

9、 model目 錄 第一章 緒論1.1 研究背景及研究意義對(duì)于工廠生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展而言，電力拖動(dòng)都有著舉足輕重的地位，為了滿足生產(chǎn)工藝的需求，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及位置，這樣就可以形成一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)，稱之為電力拖動(dòng)。因此對(duì)于優(yōu)異電動(dòng)機(jī)的研究與發(fā)明必定是促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展，社會(huì)發(fā)展的首要目標(biāo)。相較于交流電機(jī)，直流電機(jī)具有效率高、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異等不可取代的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于較為精密的電力拖動(dòng)而言，直流電動(dòng)機(jī)必定是發(fā)展的主流。直流電動(dòng)機(jī)也分為有刷與無刷兩種，相較于有刷直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)采用電子換向來取代機(jī)械換向，就可以做到無機(jī)械摩擦、無電火花、無磨損，免維護(hù)且能夠做到更加密封等特點(diǎn)，而

10、這些特點(diǎn)對(duì)于船業(yè)嚴(yán)苛的工作環(huán)境來說，無刷直流電機(jī)必定是首要選擇。近些年來，人們開始使用脈寬調(diào)制（以下簡(jiǎn)稱PWM）來對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，而且迅速發(fā)展的電力電子器件和微電子器件都為這種控制方式打下了良好的基礎(chǔ)，現(xiàn)在的主流即采用全控型的開關(guān)元件。20世紀(jì)50年代，大部分工廠一般采用直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)作為一組并通過水銀整流裝置來進(jìn)行調(diào)速。而到了60年代，隨著晶閘管技術(shù)的發(fā)展，工廠開始大幅應(yīng)用以晶閘管為基礎(chǔ)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。變流技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)極大地促進(jìn)直流電機(jī)的發(fā)展。再到脈寬調(diào)制 (PWM)變換器的發(fā)明，使得無刷直流電機(jī)在性能上得到了極大地提高，當(dāng)然，在其經(jīng)濟(jì)性以及可靠性上，都收獲了長(zhǎng)足的進(jìn)展，使電氣拖動(dòng)

11、完成了極大的飛躍。為了提高系統(tǒng)的性能以及擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合，我們需要使單片機(jī)的控制電路更加的集成化和小型化，而藉由計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，我們不僅實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，而且使其成本更加低廉，可靠性也大幅提高。當(dāng)然我們還是要采用直流電氣傳動(dòng)來應(yīng)對(duì)那些對(duì)調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合。當(dāng)下的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的主流方向之一即為以PWM技術(shù)為基礎(chǔ)，通過完善調(diào)速系統(tǒng)并使其系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，如此必將使其成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的重要組成部分1。1.2 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀正是由于微電子器件和電力電子器件的飛速進(jìn)展激發(fā)了人們研究無刷直流電機(jī)的熱情，并于1955年取得了突破性成果，美國(guó)的D.Harrison等

12、人利用晶體管來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械電刷，從而標(biāo)志著無刷電機(jī)的產(chǎn)生。1978年MAC經(jīng)典無刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的推出更是標(biāo)志著采用電子換向的無刷直流電機(jī)真正進(jìn)入市場(chǎng)實(shí)用階段2。1983年高性能永磁材料-銣鐵硼為無刷直流電機(jī)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)3。隨著對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)越來越深入的研究，人們先后發(fā)明了正弦波直流無刷電機(jī)和方波無刷電機(jī)兩大類。而使得無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)入爆發(fā)式應(yīng)用則是因?yàn)殡娏﹄娮悠骷母咚侔l(fā)展。自上世紀(jì)70年代以來，各種電力電子器件層出不窮，發(fā)展異常迅速45。20多年以來，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)特別是大功率開關(guān)器件的發(fā)展，無刷電動(dòng)機(jī)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。區(qū)別于有

13、刷直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)采用電子換向電路來代替機(jī)械換向器，因此無刷直流電機(jī)具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速方便以及起動(dòng)力矩大等優(yōu)點(diǎn)。相較于有刷直流電機(jī)的脆弱與昂貴，無刷直流電機(jī)更是在適應(yīng)環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)性上完全超越前者。主要具有以下特點(diǎn)6： (1)與數(shù)字化技術(shù)、現(xiàn)代控制理論相結(jié)合，具有較好的可控性，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，使電機(jī)向智能化方向發(fā)展。 (2)電子線路部分和電動(dòng)機(jī)本體分開，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的良好控制。比如可以不改變電源電壓，通過邏輯信號(hào)順序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；通過改變邏輯控制部分PWM占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制；通過位置傳感器可以實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，使電機(jī)在一定的速度下穩(wěn)定運(yùn)行。 (3)可工作在惡劣的環(huán)境中，如高

14、真空、有腐蝕性氣體介質(zhì)、液體介質(zhì)、灰塵、潮濕、易燃易爆，以及不便于檢修等場(chǎng)合。 (4)與電子技術(shù)結(jié)合，采用電子控制器實(shí)現(xiàn)電子換向代替機(jī)械換向，不存在電刷和換向器直接接觸而產(chǎn)生磨損和電氣火花，電磁干擾小，可以高速工作，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，壽命長(zhǎng)。 (5)無刷直流電動(dòng)機(jī)可構(gòu)成無位置傳感器控制系統(tǒng)，在基本保持性能不變的基礎(chǔ)上，做到簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高可靠性，降低成本，擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。 (6)電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上是將定子作為電樞，定子繞組與機(jī)殼接觸，散熱面積大，效果好。永磁體在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子上無通電繞組，幾乎無損耗與發(fā)熱，效率高。當(dāng)然，無刷直流電機(jī)并非是完美的，它仍然具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、低速段特性差以及成本等問題。因此

15、，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于無刷直流電機(jī)的研究，主要集中于抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、更加精確地檢測(cè)無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置、如何解決弱磁調(diào)速問題以及相應(yīng)的控制算法的研究等問題。1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排主要研究?jī)?nèi)容分為以下幾個(gè)方面：（1）研究無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，分析其換相過程；（2） 研究無刷直流電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因并找出抑制其脈動(dòng)的方法；（3）設(shè)計(jì)由PWM控制的無刷直流電機(jī)系統(tǒng)，分析存在的問題并運(yùn)用Matalab中的Simulink軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。具體安排如下：第一章首先了解無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究背景以及意義，簡(jiǎn)要地概述了目前無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題。第二章介紹無刷直流電機(jī)的結(jié)

16、構(gòu)和模型。詳細(xì)地分析與理解無刷直流電機(jī)的工作原理以及換相過程，簡(jiǎn)要介紹無刷直流電機(jī)與其他電機(jī)的區(qū)別并了解無刷直流電機(jī)在當(dāng)下的應(yīng)用情況。第三章簡(jiǎn)要介紹PWM控制技術(shù)及Buck變換器，詳細(xì)分析無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生原因，并對(duì)其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行理論上的數(shù)學(xué)計(jì)算，從而有效地理解轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)并提出抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的具體方法，也對(duì)其進(jìn)行理論上的研究與計(jì)算。第四章在Matlab中建立無刷直流電機(jī)的系統(tǒng)仿真模型，對(duì)模型中各個(gè)模塊進(jìn)行分析與介紹，并詳細(xì)的呈現(xiàn)系統(tǒng)仿真的結(jié)果，從而以實(shí)踐結(jié)果來印證所提出解決方法的可行性。最后得出關(guān)于仿真的結(jié)論并致謝。第二章 無刷直流電機(jī)的基本原理2.1 無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 無刷直流電機(jī)

17、由其相數(shù)可分為單相、雙相以及三相直流電機(jī)，本文主要討論三相無刷直流電機(jī)，其由電機(jī)本體、位置傳感器以及電子開關(guān)電路三部分組成，簡(jiǎn)化框圖如圖2.1。直流電源電子開關(guān)電動(dòng)機(jī)位置傳感器圖2.1 無刷直流電機(jī)簡(jiǎn)化的組成原理框圖2.1.1 電機(jī)本體 電機(jī)本體主要包括帶有電樞繞組的定子和帶有永磁級(jí)的轉(zhuǎn)子兩個(gè)重要組成部分，下面將分別闡述電動(dòng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的構(gòu)成以及相應(yīng)的作用。 1.電動(dòng)機(jī)定子 電動(dòng)機(jī)定子是電機(jī)本體的靜止部分，其主要包括導(dǎo)磁的定子鐵芯、導(dǎo)電的電樞繞組以及固定鐵芯和繞組所用的一些零部件。通過疊壓硅鋼片來減少定子損耗且將硅鋼片沖壓成環(huán)形并帶有齒槽，根據(jù)繞組的相數(shù)和極對(duì)數(shù)在槽內(nèi)嵌放電樞繞組。在疊裝后的鐵

18、心槽內(nèi)放置槽絕緣和電樞，然后整形、浸漆，最后把主定子鐵心壓入機(jī)殼內(nèi)。定子繞組是電機(jī)本體的一個(gè)最重要部件。當(dāng)電機(jī)通電后，電流經(jīng)電樞繞組產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，該磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)帶著負(fù)載開始運(yùn)轉(zhuǎn)后，便在繞組中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，吸收電功率，并通過轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械功率，從而實(shí)現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過程。為了讓電機(jī)順利的實(shí)現(xiàn)這一過程，對(duì)電樞繞組便有了相對(duì)嚴(yán)格的要求，首先它必須能夠負(fù)荷一定的電流，才能產(chǎn)生足夠的磁動(dòng)勢(shì)以得到足夠的轉(zhuǎn)矩，其次它必須滿足電機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠的要求。電樞繞組由許多線圈連接而成。每個(gè)線圈也叫繞組元件，由漆包線在繞線模上繞制而成。線圈的直線部分放在鐵心槽

19、內(nèi)，其端接部分有兩個(gè)出線頭，把各個(gè)線圈的出線頭按一定規(guī)律連接起來，便得到所需要的繞組。無刷直流電機(jī)的定子繞組可以分為梯形繞組和正弦繞組，它們分別對(duì)應(yīng)的是繞組的Y型和星型繞組，所體現(xiàn)的反電動(dòng)勢(shì)波形如圖2.2所示。圖2.2 反電動(dòng)勢(shì)波形2. 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是電機(jī)本體的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，可以產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，由永磁體、導(dǎo)磁體和一些支撐所用的零部件。由永磁材料和制成的永磁體和導(dǎo)磁體是產(chǎn)生磁場(chǎng)的核心?，F(xiàn)代工廠一般采用鐵氧體、汝鐵硼以及鋁鎳站等材料作為無刷直流電機(jī)的永磁材料。轉(zhuǎn)子類型可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型，其區(qū)別在于2到8對(duì)永磁體是處于轉(zhuǎn)子的外部還是內(nèi)嵌于轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，如圖2.3所示。圖2.3 內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子

20、結(jié)構(gòu)2.1.2 位置傳感器無刷直流電機(jī)通過把有刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞放在定子上，把定子永磁極放在轉(zhuǎn)子上，從而實(shí)現(xiàn)了電子換向取代機(jī)械電刷換向。而要求電樞磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)能夠相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩并實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，就必須確定轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置，因此無刷直流電動(dòng)機(jī)還需要位置傳感器才能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)行。位置傳感器也由定子和轉(zhuǎn)子組成，位置傳感器的定子和電機(jī)的定子固定在一起，而位置傳感器的轉(zhuǎn)子則和電機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸運(yùn)動(dòng)，從而我們可以通過位置傳感器的定子與轉(zhuǎn)子來直接獲得電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的位置。 本文主要通過霍爾傳感器來介紹位置傳感器的作用過程?；魻栃?yīng)：當(dāng)通電導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中，由于磁場(chǎng)的作用力使得導(dǎo)體內(nèi)的電荷會(huì)向?qū)w

21、的一側(cè)聚集，由于電荷在導(dǎo)體一側(cè)的聚集，從而使得導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。圖2.4即為霍爾效應(yīng)的示意圖。一方面，由于定子是電機(jī)的靜止部分，我們通過將霍爾傳感器嵌入到定子中即可實(shí)時(shí)的獲得電機(jī)定子的位置；另一方面，我們通過安插數(shù)個(gè)（一般為3個(gè)）霍爾傳感器在電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)路徑上，這樣當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁極通過霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器就會(huì)輸出相應(yīng)的高低電平，從而可以實(shí)時(shí)地檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)電子換向。圖2.4 霍爾效應(yīng)原理圖對(duì)于霍爾元件的位置以及配置數(shù)目，其應(yīng)滿足以下兩個(gè)方面。第一，霍爾元件一個(gè)周期內(nèi)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)量應(yīng)該對(duì)應(yīng)于電機(jī)的磁狀態(tài)數(shù)量；第二，在電機(jī)的一個(gè)周期內(nèi)，開關(guān)狀態(tài)不重復(fù)且平分電角度?；?/p>

22、這些條件，一般我們采用三個(gè)霍爾元件，使其在空間上相互間隔120度電角，即兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)電機(jī)控制。2.1.3 電子開關(guān)電路目前無刷直流電機(jī)的電子開關(guān)電路通常采用基于三相全控整流電路原理的全控開關(guān)器件，如圖2.5所示。以鐵心中的多相繞組為核心(三相、四相、五相)。繞組可以連接到星形或三角形圖2.5 三相全控整流電路如圖中所示三相全控電路的IGBT開關(guān)管數(shù)量是相數(shù)的兩倍，每一組上下橋臂連接一相繞組。使用這種三相全控電路作為電子開關(guān)電路是應(yīng)注意，必須防止任意一組上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致電路短路燒毀電源。 通過控制這種全控電路，即可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻都有兩相導(dǎo)通，導(dǎo)通角為120度且均擁有六個(gè)狀態(tài)

23、的電機(jī)控制方式。2.2 無刷直流電機(jī)的工作原理及換相過程本文中采用三相橋式星型全控電機(jī)，因此將以此為基礎(chǔ)詳細(xì)地分析與理解無刷直流電機(jī)的工作原理及換相過程，圖2.6即為電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。圖2.6 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.2.1 無刷直流電機(jī)的工作原理無刷直流電機(jī)各相電樞繞組的導(dǎo)通與關(guān)斷是由IGBT功率管來控制，本文采用三相橋式星型全控電機(jī)，即定子電樞繞組相數(shù)為三相且固定，因此我們可以羅列出電樞繞組的通斷狀態(tài)，也就是其具有有限的組合數(shù)量。不同于交流電機(jī)可以產(chǎn)生幅值恒定的定子磁場(chǎng)，為了使電機(jī)正常運(yùn)行，無刷直流電機(jī)的定子磁場(chǎng)就必須是跳躍式的，且這種跳躍式的定子磁場(chǎng)必須保持與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同步，這樣才能夠產(chǎn)生恒定的

24、電磁轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。 由前文敘述可知，電機(jī)通過電磁轉(zhuǎn)矩來拖動(dòng)負(fù)載工作，查閱文獻(xiàn)可知，我們通過令定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)保持90度左右的恒定電角度就可以獲得最大的電磁轉(zhuǎn)矩7?；谶@個(gè)原理，我們通過位置傳感器獲得轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置，通過多開關(guān)電路的控制即可實(shí)現(xiàn)正確的換相過程。下面我們從電機(jī)結(jié)構(gòu)圖出發(fā)，研究開關(guān)電路的工作方式。首先我們從VT1和VT6開始，電流i經(jīng)由VT1、Ra、La、Ea、Eb、Lb、Rb、VT6回到電源，保持60度以后關(guān)斷VT6打開VT2，電流i經(jīng)由回到電源VT1、Ra、La、Ea、Ec、Lc、Rc、VT2回到電源，保持60度以后關(guān)斷VT1打開VT3，電流i經(jīng)由回到電源VT3、Rb、L

25、b、Eb、Ec、Lc、Rc、VT2回到電源，保持60度以后關(guān)斷VT2打開VT4，電流i經(jīng)由回到電源VT3、Rb、Lb、Eb、Ea、La、Ra、VT4回到電源，保持60度以后關(guān)斷VT3打開VT5，電流i經(jīng)由回到電源VT5、Rc、Lc、Ec、Ea、La、Ra、VT4回到電源，保持60度以后關(guān)斷VT4打開VT6，電流i經(jīng)由回到電源VT5、Rc、Lc、Ec、Eb、Lb、Rb、VT6回到電源，保持60度以后關(guān)斷VT5打開VT1，電流i經(jīng)由回到電源VT1、Ra、La、Ea、Eb、Lb、Rb、VT6回到電源，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)循環(huán)，即依次打開VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開關(guān)控制。分析可

26、知，功率管有6種觸發(fā)狀態(tài)，每次只有兩只管子導(dǎo)通，每隔1/6周期即60°電角度換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每一個(gè)功率管導(dǎo)通120°電角度。由于采用兩兩導(dǎo)通方式，所以每次只有兩相導(dǎo)通，一相截止。導(dǎo)通相電流大小相等，方向相反，非導(dǎo)通相電流為零。非導(dǎo)通相在此期間其反電勢(shì)有一次過零。圖2.7 反電動(dòng)勢(shì)波形圖 無刷直流電機(jī)的反電勢(shì)過零法換相控制正是基于這種方法，即檢測(cè)斷開相的反電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)其過零時(shí)，轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組重合，延時(shí)30°電角度依照開通順序進(jìn)行換相。圖2.7為電機(jī)運(yùn)行時(shí)三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形圖。理想的反電動(dòng)勢(shì)波形為梯形波，由圖中可以發(fā)現(xiàn)每一相在每個(gè)換相點(diǎn)的前30&

27、#176;(即/6)電角度反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)。因此，只要檢測(cè)到各相反電勢(shì)的過零點(diǎn)，即可根據(jù)當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速獲得轉(zhuǎn)子的6個(gè)換相點(diǎn)。2.2.2 無刷直流電機(jī)的換相過程 為了說明的方便，假設(shè)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為1，下面給出轉(zhuǎn)子位置與定子電樞繞組換相過程。圖2.8中所示的為定子電樞繞組在一個(gè)周期內(nèi)的換相步驟，其他的周期類比可得：圖2.8 三相無刷直流電機(jī)的換相過程與前面所述相對(duì)應(yīng)，開始的時(shí)候A、B相導(dǎo)通，電流由A相流入，B相流出，如圖中a所示，此狀態(tài)維持60°電角，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°電角時(shí)，如圖中b的位置，此時(shí)開始進(jìn)行換相。c圖所示是第一次換相后的狀態(tài)，A、C兩相導(dǎo)通，電流由A相流入

28、，由C相流出。由b、c兩圖可以看出，第一次換相的過程是關(guān)斷B相，開通C相，A相保持原來的狀態(tài)不變。第一次換相后，定子電樞繞組導(dǎo)通狀態(tài)維持60°電角不變，當(dāng)轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過60°電角開始換相，第二次換相時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置如圖d所示，e圖為第二次換相后的定子電樞繞組中的電流狀態(tài)。以后每次換相都依照此方法，定子電樞繞組根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置依次導(dǎo)通與關(guān)斷，這樣轉(zhuǎn)子就在定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)帶動(dòng)下不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。由圖2.8中所示的各個(gè)狀態(tài)不難看出，定子電樞繞組每隔60°電角換相一次，每次換相只有一相關(guān)斷并有一相導(dǎo)通，而且每個(gè)電樞繞組在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通120°電角。2.3 無刷直流電機(jī)的應(yīng)用 無

29、刷直流電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，由于其外形簡(jiǎn)潔、效率高以及良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使得其無論是在要求低的電動(dòng)拖動(dòng)場(chǎng)合還是在精度要求很高的航海航天方面都擁有舉足輕重的地位，根據(jù)其適用場(chǎng)合的區(qū)別，我們大致上可以將其分為三個(gè)方面。首先，對(duì)于一些持續(xù)負(fù)載的機(jī)械，其大多都不需要太高的精度，當(dāng)然對(duì)轉(zhuǎn)速要求也相對(duì)較低，例如家中常見的電風(fēng)扇、吹風(fēng)機(jī)、吸塵器等家用電器以及用作農(nóng)業(yè)用途的抽水泵等器械，它們均可以采用無刷直流電機(jī)作為它們的動(dòng)力輸出。 說完持續(xù)負(fù)載的應(yīng)用，在可變負(fù)載的應(yīng)用方面，無刷直流電機(jī)更是以其高精度以及良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)占得很大比例，例如民用的洗衣機(jī)、烘干機(jī)等設(shè)備以及軍用的航天航海陀螺儀等，當(dāng)然，其工業(yè)用途不僅僅于

30、此，在汽車制造和運(yùn)行方面，它們的發(fā)動(dòng)機(jī)控制，車內(nèi)電器控制均需要無刷直流電機(jī)來高效地實(shí)現(xiàn)。這些應(yīng)用對(duì)轉(zhuǎn)速和精度均有較高的要求，需要無刷直流電機(jī)采用更加復(fù)雜的控制算法才能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的控制，包括一些閉環(huán)控制。當(dāng)然，無刷直流電機(jī)作為新型的直流電機(jī)，它不僅僅保留了有刷直流電機(jī)高精度，響應(yīng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，也使得其相對(duì)于交流電機(jī)，在定位領(lǐng)域有著明顯的優(yōu)勢(shì)，例如自動(dòng)控制領(lǐng)域，這類機(jī)器通常都擁有復(fù)雜的工作環(huán)境，不光是外部，其自身也面臨包括啟動(dòng)、轉(zhuǎn)向、加速、減速、制動(dòng)等多種問題，這就需要無刷直流電機(jī)采用雙閉環(huán)或者更加高級(jí)的控制算法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。2.4 本章小結(jié) 本章前兩節(jié)分別詳細(xì)地介紹了無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理

31、以及換相過程，第三節(jié)主要是簡(jiǎn)單介紹了無刷直流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域及前景。第三章 基于PWM技術(shù)的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制3.1 PWM控制技術(shù)簡(jiǎn)介PWM控制（Pulse Width Modulation）就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制。通過對(duì)同一信號(hào)的一系列脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，就可以得到等效的波形（包括形狀以及幅值）。PWM控制技術(shù)在逆變電路的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻。當(dāng)然，近些年來，PWM技術(shù)在整流電路中也開始應(yīng)用，并顯示了突出的優(yōu)越性14。3.1.1 PWM控制技術(shù)的基本原理理論基礎(chǔ)：在采樣控制理論中，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。若將各環(huán)節(jié)

32、輸出波形進(jìn)行傅里葉變換，則它們僅在高頻段有所差異，在低頻段基本相同15，如圖3.1所示。圖3.1 各形狀單位脈沖其中a為矩形脈沖、b為三角形脈沖、c為正弦脈沖，它們的形狀雖然不同，但是面積均為1，則當(dāng)它們作用于一個(gè)具有慣性的相同環(huán)節(jié)時(shí)，環(huán)節(jié)輸出響應(yīng)基本相同。將這三種脈沖輸入到典型的R-L電路上，可得到的響應(yīng)如圖3.2所示。圖3.2 各單位脈沖響應(yīng)通過對(duì)理論基礎(chǔ)的分析，我們就可以用一系列等幅但不等寬的脈沖來代替典型的一個(gè)正弦半波，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大部分波形的PWM變化。圖3.3 PWM波代替正弦波如圖3.3所示，我們將正弦半波等分成N份，則可以將正弦半波等效成N段連續(xù)的脈沖。這些脈沖的寬度都等于/N,但

33、幅值不相等，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。通過將這些脈沖序列用相同數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，并讓它們面積相等16，從而得到如圖3.3的波形即為PWM波形。3.1.2 PWM控制技術(shù)的控制方法PWM控制技術(shù)一般采用計(jì)算和調(diào)制兩種方式，當(dāng)我們已知正弦波的輸出頻率、幅值以及半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，我們就可以計(jì)算出PWM波形中矩形波的幅值和寬度，但是這種方式計(jì)算十分繁瑣，且需要的已知信息很多，因此在實(shí)際應(yīng)用中并不常見。我們通常采用調(diào)制法來實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的PWM調(diào)制。所謂調(diào)制法，即將希望得到的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過信號(hào)波的調(diào)制的到我們想要

34、的PWM波形。我們一般采用等腰三角波或者鋸齒波作為載波，因?yàn)榈妊遣ㄉ先我稽c(diǎn)的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，正好符合PWM控制的要求。3.2 Buck變換器的原理及控制方式 本設(shè)計(jì)中采用的是對(duì)無刷直流電機(jī)的控制電路添加前一級(jí)Buck控制器，并對(duì)Buck變換器進(jìn)行PWM調(diào)制的方法，下面就簡(jiǎn)單介紹一下有關(guān)Buck變換器的基本知識(shí)。3.2.1 Buck變換器的原理Buck變換器也被稱為降壓斬波電路，從其名字即可得知其用于調(diào)節(jié)直流電壓，簡(jiǎn)單來說，Buck變換器由全控型開關(guān)器件IGBT、二極管VD以及相應(yīng)的電感和電阻

35、組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。圖3.4 降壓斬波電路圖中V即為全控型開關(guān)器件IGBT，Em為電路中的反電動(dòng)勢(shì)，下面我們通過如圖3.5所示的電流波形來簡(jiǎn)單分析降壓斬波電路的工作原理。圖3.5 電流連續(xù)時(shí)工作波形當(dāng)t=0時(shí)令V導(dǎo)通，則電流i0從電源E出發(fā)，流經(jīng)V、L、R、Em回到直流電源E形成回路，我們成V導(dǎo)通的這段時(shí)間為Ton，在這段時(shí)間內(nèi)，電壓U0等于直流電源電壓E，而電流則因?yàn)殡姼蠰的存在呈指數(shù)型上升。當(dāng)t=t1時(shí)令V關(guān)斷，則電流i0流經(jīng)L、R、Em并通過二極管VD進(jìn)行續(xù)流，我們將t1到T這段時(shí)間稱為Toff，在這段時(shí)間內(nèi)，電壓U0為0，電流也應(yīng)電感L的存在呈指數(shù)型下降，值得一提的是，為了

36、保證電流的連續(xù)，電感L一般取值較大。綜合來看，在整個(gè)周期T內(nèi)，我們可以得到： （3-1）同樣地，我們也可以得到電流i0的計(jì)算公式： （3-2）3.2.2 Buck變換器的控制方式根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制方式的不同，Buck變換器一般有三種控制方式：1) 保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton，稱為脈沖寬度調(diào)制，也就是本設(shè)計(jì)中采用的調(diào)節(jié)方式，下文會(huì)詳細(xì)介紹。2) 保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。3) ton和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。3.3 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生 誠然，無刷直流電機(jī)具有許多明顯的優(yōu)勢(shì)，較于有刷直流電機(jī)，它具備高轉(zhuǎn)速、高效率

37、的特性，較于交流電機(jī)，它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)明顯更加優(yōu)異。但除開這些優(yōu)勢(shì)，無刷直流電機(jī)也存在一些問題，首先制作成本是一方面，但這方面可以根據(jù)實(shí)際的需要合理選擇，它主要存在的問題就在于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。要解決如何抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問題，我們就必須要了解它的產(chǎn)生原因。無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要包括電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、電磁引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及傳導(dǎo)區(qū)和換相區(qū)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等。對(duì)于前三個(gè)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)而言，其主要是電機(jī)固有的一些問題，我們只能通過改善其制作方式以達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的作用，本文只做一些簡(jiǎn)單的介紹。電樞反應(yīng)及電磁引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)一般是由電機(jī)的制作導(dǎo)致的，它會(huì)使電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的平頂寬度小于120度甚至沒

38、有產(chǎn)生梯形波。除此之外，電機(jī)的位置檢測(cè)部分以及電子換向部分若是精度不夠也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，為了解決此類轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，我們可以采取優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)，提高控制精度，轉(zhuǎn)矩反饋等方法。齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是因?yàn)槎ㄗ育X槽的存在，它是無刷直流電機(jī)的必然特性，特別是電機(jī)在低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)表現(xiàn)的更為明顯，我們可以通過以下幾種方式來抑制和削弱齒槽轉(zhuǎn)矩：1、 斜槽：通過采用定子斜槽或者是轉(zhuǎn)子斜極來抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，我們可以通過計(jì)算來獲得最佳的斜槽系數(shù)13。但是這種方法會(huì)明顯的影響電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，是其由梯形波偏向于正弦波，因此它多被應(yīng)用于定子槽數(shù)較多的場(chǎng)合。2、 分?jǐn)?shù)槽：通過復(fù)雜的制作方式使得定子槽數(shù)和轉(zhuǎn)子級(jí)數(shù)呈分?jǐn)?shù)關(guān)系，

39、這樣就可以大幅減小齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值，但是明顯地，它會(huì)使反電動(dòng)勢(shì)梯形波的平頂寬度減小。3、 磁極分塊移位：通過將分塊磁鋼按一定角度安放可以獲得一種類似于交流電機(jī)的連續(xù)磁場(chǎng)，這一角度則需要計(jì)算磁極的級(jí)弧系數(shù)，當(dāng)然，它也會(huì)使得電機(jī)的制作成本大大增加。 對(duì)于以上的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，其基本上都是由于無刷直流電機(jī)的固有特性或者是制作方式所引起的，人們可以根據(jù)需要具體的選擇，因?yàn)樵趯?shí)際實(shí)現(xiàn)的過程中，對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的削弱，也是對(duì)電機(jī)整體性能的削弱。下面我們主要討論傳導(dǎo)區(qū)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及換相區(qū)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，以下仍以圖2.6為例。3.3.1傳導(dǎo)區(qū)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩： （3-3） ：電機(jī)機(jī)械角速度 ：各相電流 ：各相反電動(dòng)勢(shì)由于三相控制方

40、式的相似性，我們可以列舉其中一組作為考量，我們?nèi)T1和VT6這一組，電流i流經(jīng)VT1、Ra、La、Ea、Eb、Lb、Rb、VT6回到電源，分析我們可知電流在A相和B相之間相等，反電動(dòng)勢(shì)三相大小相等，則我們計(jì)算可得電磁轉(zhuǎn)矩： (3-4)即為電磁轉(zhuǎn)矩在傳導(dǎo)區(qū)只與相電流大小成正比，那么我們通過在主路上設(shè)置一個(gè)采樣電阻獲得采樣電流即可實(shí)現(xiàn)控制。過去我們采用PWM-ON型控制方式8，即各功率管在其工作時(shí)前60度采用PWM調(diào)制，后60度保持恒通，如圖3.6所示。圖3.6 PWM-ON型控制方式 分析可知，當(dāng)VT1在PWM調(diào)制中斷開而VT6保持恒通，即上半橋調(diào)制時(shí)，電流會(huì)經(jīng)VT6與VD4進(jìn)行續(xù)流，從而導(dǎo)致

41、為零，無法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制；同理，當(dāng)VT2在PWM調(diào)制中斷開而VT1保持恒通，即下半橋調(diào)制時(shí)，電流會(huì)經(jīng)VT1與VD5進(jìn)行續(xù)流，從而導(dǎo)致為零，無法有效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。因此，我們必須消除這類傳導(dǎo)區(qū)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)才能對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行有效地控制。3.3.2換相區(qū)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由于各相電感的存在，電流的升降均需要一定的時(shí)間，這就不可避免的導(dǎo)致了換相時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，下面我們以6-1區(qū)換相至1-2區(qū)為例具體的分析轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。前文已經(jīng)具體的介紹了電流走向，接下來便用數(shù)學(xué)來分析轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 (3-5)：直流母線電壓 ：?jiǎn)蜗嘧愿袦p去雙相互感 ：A相對(duì)地偏電壓：C相對(duì)地偏電壓 ：中點(diǎn)與參考地點(diǎn)間電壓基于三相全控電路的特點(diǎn)，求解這個(gè)

42、方程可以得到 （3-6）當(dāng)PWM調(diào)制頻率較高時(shí)，可以得到從而可以求解出 （3-7）：換相前穩(wěn)態(tài)值 且有則 （3-8）由前文可知： （3-9）則 （3-10）且有當(dāng)VT2打開時(shí) （3-11）當(dāng)VT2關(guān)斷時(shí) （3-12）其他換相區(qū)同理也可得到相似結(jié)果。通過查閱資料可知，當(dāng)大于時(shí)，電機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)隨著PWM調(diào)制波占空比的減小而減?。欢?dāng)小于時(shí)，電機(jī)則處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)且在其整個(gè)換相期間轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)將減小9。3.4 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制通過3.3對(duì)于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的介紹，我們了解到傳統(tǒng)控制方式PWM-ON的不足，因?yàn)樗葧?huì)引起傳導(dǎo)區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，也會(huì)加劇換相區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，那么首先就需要對(duì)傳統(tǒng)方式

43、進(jìn)行改良，為此設(shè)計(jì)出一種基于Buck變換器的PWM控制方式，下文將詳細(xì)介紹。首先圖3.7即為基于Buck變換器的改良型無刷直流電機(jī)控制電路，我們將基于此圖進(jìn)行分析。圖3.7 新型無刷直流電機(jī)控制電路 從圖中我們可以看出，我們即在原有的基礎(chǔ)上添加前一級(jí)Buck變換器，通過調(diào)節(jié)Buck變換器的占空比來調(diào)節(jié)母線電流，從而實(shí)現(xiàn)控制的目的，這樣我們就可以將PWM-ON控制方式中前60度PWM調(diào)制后60度恒通改變?yōu)橐恢焙阃?，如圖3.8所示。圖3.8 功率管導(dǎo)通情況通過添加Buck變換器，我們可以發(fā)現(xiàn)，它不僅可以完全消除了傳導(dǎo)區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)也消除了換相區(qū)中開關(guān)斷開的部分，使得轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到進(jìn)一步減小。當(dāng)然

44、，通過添加Buck變換器可以在一定程度上減小無刷直流電動(dòng)機(jī)在換相區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但我們?nèi)孕枰扇∫欢ǚ绞绞箵Q相區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到有效地抑制。我們可以采用一種重疊換相的方法來抑制換相區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，下面將進(jìn)行具體介紹。首先我們?nèi)砸?-1區(qū)換相至1-2區(qū)為例，當(dāng)采用Buck變換器進(jìn)行調(diào)制后，各相電流則可以簡(jiǎn)化為： （3-11）通過對(duì)和電流的斜率分析，我們令其斜率相等，則可以得到，根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，我們就可以將和的電流相關(guān)性分為三種情況，首先即斜率相等，如圖3.9所示。圖3.9 斜率相等時(shí)換相電流然后當(dāng)?shù)南陆邓俾矢哂诘纳仙俾蕰r(shí)，即，如圖3.10所示。圖3.10 下降斜率大于上升斜率時(shí)電流 最后的下降速率低于

45、的上升速率時(shí)，即，如圖3.11所示。圖3.11 下降斜率小于上升斜率時(shí)電流分析電流示意圖可得，當(dāng)下降斜率和上升斜率不等時(shí)，就會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，那么我們就可以采取重疊換相法來抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，即當(dāng)上升斜率大于下降斜率時(shí)，我們可以提前關(guān)斷相應(yīng)開關(guān)，使下降電流在時(shí)間上能夠與上升電流同步完成，同樣的，當(dāng)上升斜率小于下降斜率時(shí)，我們可以提前打開相應(yīng)開關(guān)，也使下降電流在時(shí)間上與上升電流同步完成，這樣就可以大幅的抑制和削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。3.5 本章小結(jié) 本章首先簡(jiǎn)要介紹了電機(jī)固有的一些轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)原因，接著詳細(xì)地闡述了傳導(dǎo)區(qū)以及換相區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，針對(duì)這兩種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分別提出應(yīng)對(duì)方法，并做具體分析，為下一章的仿真實(shí)現(xiàn)提

46、供理論基礎(chǔ)。第四章 無刷直流電機(jī)的仿真分析4.1 MATLAB和SIMULINK的介紹MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)稱。它可以提供符號(hào)計(jì)算，可視化建模仿真，文字處理和實(shí)時(shí)控制等功能，當(dāng)然，它還具備優(yōu)異的數(shù)值計(jì)算能力。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與以往的數(shù)學(xué)形式十分相似因此使用MATLAB來解決問題要簡(jiǎn)潔得多。具體來說，MATLAB具有以下的語言特點(diǎn)：1、 語言簡(jiǎn)潔，使用靈活，庫函數(shù)十分豐富；2、 運(yùn)算符豐富且具有結(jié)構(gòu)化的控制語句；3、 語法限制不嚴(yán)格，使用更加的靈活；4、 程序的可移植性，圖形的可視化相當(dāng)?shù)膬?yōu)異；5、 具有十分強(qiáng)大的工具箱，包括功能性工具箱以及學(xué)科性工具箱，

47、前者主要用于擴(kuò)充符號(hào)計(jì)算、文字處理和硬件交互等功能，而后者則主要應(yīng)用于較為尖端的領(lǐng)域，由專家編寫而成；6、 源程序的開放性，用戶可以修改源程序并可以添加自己的算法進(jìn)入MATLAB，并可以隨時(shí)調(diào)用；7、 MATLAB的程序執(zhí)行速度與其他相似軟件相比較慢，這是因?yàn)镸ATLAB程序相較于其他仿真軟件沒有編譯預(yù)處理等環(huán)節(jié)。MATLAB作為一款性能優(yōu)異，仿真功能強(qiáng)大的軟件，其最重要的仿真部分，就是由基于MATLAB的SIMULINK來實(shí)現(xiàn)的。SIMULINK是MATLAB軟件下的附加軟件包，用于對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行初步建模、中期的仿真以及最后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。它可以支持連續(xù)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、離散的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)或是兩者

48、都具備的混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它也可以支持多采樣速率的仿真模型。SIMULINK中具有大量的仿真模塊，可以用于系統(tǒng)建模仿真，并可以隨時(shí)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)以獲得最佳的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。SIMULINK的主要使用步奏為：1、 選擇基本的功能模塊，SIMULINK的功能模塊一般都存放在模塊庫中，用戶可以搜索選擇加入到模型中；2、 建立結(jié)構(gòu)模型圖，并設(shè)置初步的仿真參數(shù)進(jìn)行仿真；3、 得出仿真結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和測(cè)試，得出最佳的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并進(jìn)行分析和比較，得出結(jié)論。SIMULINK模塊庫提供了大量的基礎(chǔ)模塊，包括信號(hào)源模塊庫、連續(xù)系統(tǒng)模塊庫、離散系統(tǒng)模塊庫、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫、邏輯和位操作模塊庫等，同時(shí)也為用戶提供了

49、一個(gè)功能強(qiáng)大的工具箱。SIMULINK為用戶提供了一個(gè)合適的界面，其用方框圖來表示，利用鼠標(biāo)的移動(dòng)和拖曳，即可將各個(gè)模塊用短線連接，十分的直觀方便。它不但實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)可視化的動(dòng)態(tài)建模，也實(shí)現(xiàn)了與MATLAB以及硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞，極大地增強(qiáng)了它的功能。4.2 無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型本文采用的是永磁方波無刷直流電機(jī)且采用星型三相繞組，相關(guān)參數(shù)如下：額定電壓為210，各項(xiàng)電阻為1.1，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.0021，極對(duì)數(shù)為3，額定轉(zhuǎn)速為2000，負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定為2。為了便于分析，我們假設(shè)了以下一些條件：1、電樞繞組均勻分布于定子表面；2、三相繞組對(duì)稱且產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子電流也對(duì)稱；3、磁路不飽和且忽略

50、磁滯損耗。由于我們采用星型三相繞組，則有 （4-1）通過簡(jiǎn)化無刷直流電機(jī)電路，我們可以得到所對(duì)應(yīng)的電壓方程為： （4-2）其中、為相電壓，、為相電流，、為相反電動(dòng)勢(shì)，為自感與互感的差值。由前文可知，電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為： （4-3）因此為了保證電磁轉(zhuǎn)矩恒定，仿真中我們應(yīng)使方波電流和相反電動(dòng)勢(shì)在半個(gè)周期內(nèi)均保持120度電角度。電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程1017為： （4-4）其中為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為電機(jī)角速度，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。為了便于分析，本文采用的是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。4.2.1電機(jī)本體模塊 電機(jī)本體的模塊圖如圖4.1所示。圖4.1 電機(jī)本體模塊由電壓方程變換可以得到： （4-5）即相電壓減去負(fù)載電壓再減去相反

51、電勢(shì)除以電感，最后進(jìn)行積分便可以求得對(duì)應(yīng)的相電流。4.2.2轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊如圖4.2及圖4.3所示。圖4.2 轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊圖4.3 角速度及位置信號(hào)模塊 由前文可以得到轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方式，這里不再重復(fù)。通過電機(jī)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的差值再除以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，得到的值進(jìn)行積分即可求得角速度，對(duì)角速度進(jìn)行積分并進(jìn)行一些處理就可以得到位置信號(hào)Theta20。4.2.3速度控制模塊 速度控制模塊如圖4.4所示。圖4.4 速度控制模塊速度控制模塊較為簡(jiǎn)單，即通過PID控制器來實(shí)現(xiàn)1819。PID控制器在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，在運(yùn)動(dòng)控制、速度控制以及過程控制等場(chǎng)合均可以看見PID控制的身影，PID控制作為經(jīng)久不衰的控

52、制方法，它具有穩(wěn)定、可靠、使用簡(jiǎn)單等多種優(yōu)勢(shì)。在速度控制模塊中，輸入即為實(shí)際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差值，輸出則為額定轉(zhuǎn)矩Te_ref,其中PID控制的比例環(huán)節(jié)Kp設(shè)定為1，積分環(huán)節(jié)Ki設(shè)定為10.4.2.4電流控制模塊電流控制模塊如圖4.5所示。圖4.5 電流控制模塊對(duì)額定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的差值進(jìn)行PID控制以及限幅器Saturation限幅后得到Speed1，再通過Subsystem1中的CPID算法求得Duty，通過對(duì)反饋電流Ia、Ib、Ic以及位置信號(hào)POS進(jìn)行Flag22算法運(yùn)算即可以得到電壓逆變模塊的標(biāo)志信號(hào)Flag1，對(duì)其取反后與Duty相乘后與其本身相加即得到Duty2，均應(yīng)用于電壓逆變

53、模塊。對(duì)于Simulink中沒有的模塊以及算法，我們可以向系統(tǒng)函數(shù)中添加自己的算法1112，附錄中有用M文件編寫的CPID算法以及Flag22算法用于此項(xiàng)模塊。4.2.5電壓逆變模塊電壓逆變模塊如圖4.6所示。圖4.6 電壓逆變模塊圖中Duty1通過增益環(huán)節(jié)與直流電壓相乘即可得到Udc；而通過位置信號(hào)POS與Duty的pulse運(yùn)算即可得出轉(zhuǎn)子位置；通過與相反電勢(shì)以及Un和Flag的電壓運(yùn)算即可得到三相相電壓21。環(huán)節(jié)中所采用的算法即為pulse算法和Uabcdef算法。4.3無刷直流電機(jī)的仿真結(jié)果無刷直流電機(jī)的整體模型圖如圖4.6 所示。圖4.6 無刷直流電機(jī)整體模型圖為了更好地反應(yīng)電動(dòng)機(jī)在

54、空載和負(fù)載情況下低速運(yùn)行及高速運(yùn)行時(shí)的響應(yīng)變化，我們首先設(shè)定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)每分鐘，并且令其空載啟動(dòng)，在其穩(wěn)定后于t=0.05處添加負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=2，觀察得到電動(dòng)機(jī)在低速區(qū)的仿真響應(yīng)圖。圖4.7 低速區(qū)轉(zhuǎn)速圖圖4.8 低速區(qū)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)圖圖4.9 低速區(qū)A相電流圖圖4.10 低速區(qū)三相反電勢(shì)圖同樣地，在高速區(qū)設(shè)定轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)每分鐘，令電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后于t=0.05處添加負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=2，觀察得到電機(jī)高速區(qū)仿真響應(yīng)圖。圖4.11 高速區(qū)轉(zhuǎn)速圖圖4.12 高速區(qū)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)圖圖4.13 高速區(qū)A相電流圖圖4.14 高速區(qū)三相反電勢(shì)圖通過觀察，我們發(fā)現(xiàn)無刷直流電機(jī)在低速區(qū)動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有

55、比較明顯的優(yōu)勢(shì)，無論是其響應(yīng)時(shí)間或者是響應(yīng)過程中的脈動(dòng)幅度及頻率等，都比高速區(qū)響應(yīng)要好。同樣地，當(dāng)我們?cè)陔姍C(jī)空載運(yùn)行穩(wěn)定后添加負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速僅僅在一瞬間有所波動(dòng)并很快的又達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這也是無刷直流電機(jī)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)上的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，在轉(zhuǎn)矩方面，我們發(fā)現(xiàn)無論是低速區(qū)還是高速區(qū)，當(dāng)添加負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩都具有較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這是因?yàn)樘砑迂?fù)載轉(zhuǎn)矩后引起的電流換向以及電流環(huán)的切換所導(dǎo)致的。4.4本章小結(jié) 本章首先建立起無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并基于數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建起MATLAB仿真模型，通過分別分析各個(gè)模塊，理解無刷直流電機(jī)的整體模型。架構(gòu)完成后，分別在低速區(qū)和高速區(qū)對(duì)電機(jī)進(jìn)行仿真，獲得了良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通過分析這些動(dòng)態(tài)響應(yīng)，得出具體的仿真結(jié)果。結(jié)論本文首先分析了無刷直流電機(jī)的工作原理和換相過程，然后詳細(xì)地介紹了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因以及消除或是抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，最后通過添加前一級(jí)BUCK變換器，并對(duì)其進(jìn)行PWM調(diào)制運(yùn)行得出仿真結(jié)果。通過建模仿真，我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)電機(jī)的設(shè)定