《无刷直流电机转矩脉动分析及控制方法研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无刷直流电机转矩脉动分析及控制方法研究（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 江南大学硕士学位论文无刷直流电机转矩脉动分析及控制方法研究姓名：李发启申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：纪志成;沈艳霞20080601 痩 琣 琾 ， 日关 于论 文使 用 授 权的 说明名： 壅 筵 左。日 随 着永磁无 刷直 流电 机 控制 技 术 的日 渐 成 熟 ， 其 优越 性越 来越 明 显 。如何保证 永磁无 刷直 流电 机 在价 格 、 出 力、 体积等 方 面 优势 的同 时进 一步 提 高 电 机 的性能， 拓展其 应用 领域， 是永磁无 刷直 流电 机 研究 的焦 点 和趋 势 。众 所 周 知 ， 电 磁转矩 是衡量 电 机 性能的重 要指标， 也是
2、提 高 电 机 控制 性能的关 键 因 素 。但 是无 刷直 流电 机 特 有的结构 和控制特 性在为它 带来新 的机 遇 的同 时又带来了难 以 克服 的转矩 脉 动问 题， 它 在应 用 中会 引起电 机 的使 用 寿命 和驱动系 统 的可 靠性， 限 制 了其 在高 精 度 、 高 稳 定 性场 合 的应 用 和推广。多 年 来转矩 脉 动成 为无 刷直 流电 机 高 性能控制 和应 用 的一个瓶 颈 ， 如何有效抑制 转矩 脉 动成 为国 内 外 学 者 和专 家 一直 关 注的重 要研究 课 题， 并在国 内 外 一些核 心 期 刊上发表 了诸多 相关 的学 术 论文 和研究 成 果
3、 ， 但 是真正 应 用 到 实际生产 的大 都 是基 于 电 机 本 体优化设 计方 面 的技 术 ， 如斜 槽 法、 分数 槽 法等 。而 不改 变 电 机 的结构 通 过 控制 策 略来抑制 电 磁转矩 脉 动的技 术 在实际应 用 中并不多 见 ， 尤其 是在国 内 这 方 面 的研究 更 加 缺 乏 。凶此 研究 永磁无 刷直 流电 机 转矩 脉 动的控制 策 略， 并将 其 实用 化具 有重 要的理 论意义和应 丌 】 价 值。本 文 正 是基 于 这 个出 发点 ， 力图 通 过 分析永磁无 刷直 流电 机 在换 相过 程 中转矩 脉 动产 生的原 因 ， 研究 易于 实现的减
4、小 永磁无 刷直 流电 机 的换 相转矩 脉 动的控制 策略， 以 求 能进 一步 拓宽永磁无 刷直 流电 机 的应 用 范围 。 齿 槽 转 矩 是 由 转 子的永 磁 体 磁 场 同 定子铁心的齿 槽 相 互 作 用 在 圆 周 方向 产 生 的转矩 。 此 转 矩 与 定 子的电 流 无 关 ， 它 总是 试图 将 转 子定 位 在 某些 位 置 。 在 变 速 驱 动 中， 当转 矩 频率与 定子或 转 子的机 械 共振 频率一 致 时， 齿 槽 转 矩 产 生 的振 动 和噪 声将 被放 大。齿 槽 转 矩 的存 在 同 样 影 响了 电 机 在 速 度控制 系 统 中的低 速 性
5、能 和位 置 控制 系 统 中的高精度定 位 。 褡埂S窈乙纭 羖 !猨 兰 竺 一式中：瓦。 、瓦 、乙为电 磁 转矩的 最 大 值、最 小 值、平 均值；卢为气 隙 磁 感 应 强度 分 伟 图。 理 想 情况 下 ， 定 子 电 流为方 波 ， 反电 动势 波 形 为梯 形 波 ， 式 中的 卢为 电 角 度 ， 电 磁 转矩为恒 值。 而 实 际电 机 中， 由 于设 计 和 制 造 方 面 的 原 因 ， 使 得 反电 动势不 为理 想 的 梯 形 波 ， 或者 使 梯 形 波 平 项 宽 度 不 为 电 角 度 ；或者 由 于转子 位 置 检 测 和摔 制 系统精 度 不 够 ，
6、造 成 反电 动势 和 电 流不 同 步 ；或者 电 流波 形 不 为理 想 的 方 波 ， 而 是近似 为梯 形 波 等 ， 这些 因 素都 导 致 了 转矩脉 动的 产 生 。设 计 法、最 佳 换 相 法、谐波 消 去 法、转矩闭 环 法等 。 罴 鸦 幌 喾 通 过 优化电 机 设 计 可以 消 除 转矩脉 动， 但 也有 不 足 之 处 ， 例 如：由 于电 机 绕 组 电 感的 作用 ， 使 电 机 电 流在 换 相 过 程 中不 能突 变 ， 即电 机 绕 组 的 电 流不 为方 波 电 流；另 外，实 际上， 电 机 的 气 隙 磁 通 很 难 为理 想 的 方 波 分 布 ，
7、 绕 组 的 反电 动势 也并 非 理 想 的 梯 形 波 ，这样 就无 法实 现 从 硬 件 设 计 上完全 消 除 转矩脉 动。 因 此 ， 只 有 通 过 换 相 过 程 中的 控 制 策略来 实 现 转矩脉 动的 消 除 。 如采 用 最 佳 换 相 法， 通 过 计 算 电 磁 转矩脉 动和 换 相 时 刻 的 关系， 求 出 使 电 磁 转矩脉 动最 小 的 换 相 时 刻 ， 即为最 佳 的 换 相 时 刻 。 采 用 最 佳 换 相 法能够很 好的 抑制 由 于换 相 过 程 中反电 动势 不 理 想 带 来 的 转矩脉 动。率， 使 得 定 子 绕 组 的 电 流不 可能为理
8、 想 的 方 波 ， 而 是 近似 于梯 形 波 。 而 且 ， 磁 链 波 形 的水 平 平 顶宽 度 一般 也会 小 于 ， 使 得 不 同 次 的 磁 链 谐波 与 电 流谐波 之 间 相 互作用 产 生的 电 磁 转矩含有 谐波 转矩， 造 成 了 转矩的 脉 动。 根据 转矩脉 动与 相 电 流、反电 动势 之 间的 密 切关 系， 可以 通 过 控 制 电 流的 谐波 成 分 来 消 除 由 谐波 产 生 的 转矩脉 动。 谐波 消 去 的基 本 思 想 是 ：采 用 富氏级 数 可以 将非 正 弦 的定 子 电 流和 反电 动势 进行 分 解， 由 分 析可知： 构 成 部 分
9、平 均 转 矩 渲校琺 为 相 数，6 拥缌鞯 牡 趉次 谐 波 ，7吹 缍 频 牡 趎波 电流 的 难度 越来 越大，因 此限制了 谐 波 消 去 法在 实 际 中 的 应 用 。从 谐 波 消 去 法的 工 作 原 理 可 知 ，谐 波 消 去 法的 作 用 是 有 限的 ，而 且 是 开 环 控 制，肖绕 组不 对 称 、 所 测电流 有 误 差等干 扰 时 ，控 制精度 会受 到 影 响。为 了 克 服 开 环 控 制的 缺点 、 提 高 系 统的 动 态 响应 性 能 ，近 年 来 又 提 出 了 转 矩 闭环 控 制的 方 法。这 种 方 法以 电机的 瞬时 电磁 转 矩 为 控
10、制对 象 ，根据 实 际 转 矩 反馈 信号 ，通过 转 矩 调节器 实 现对 瞬时 转 矩的 直接控 制，从 而 减 小转 矩脉动 。间接转 矩 反馈 法是 指 转 矩 反馈 信号 通过 间接测量 方 法得 到 ，一 般是 利用 电机的 结 构参 数和一 些 容 易测量 的 状态 变 量 ，如 电压 ，电流 ，角 位 移 及 角 速 度 等，构 成 转 矩观 测器 ，进行 转 矩 闭环 控 制。对 于 空 间磁 场正弦 分 布 的 永磁 同 步电机该 方 法可 以 获 得 较 好 的 控 制效果 ，但 是 当 电机的 气 隙 磁 场分 布 为 非 正弦 时 ，由 于 反电动 势 谐 波 与
11、定 子 电流 谐 波 柑 瓦作 用 也会产 生 恒 定 电磁 转 矩 及 各 次 谐 波 转 矩 ，因 此转 矩 观 测要复 杂 得 多，需要高 性 癴 突 返缌鞯 鹘 谄，通过 比 较用 于 低 速 。其电流 反馈 信号 由 直流 侧取出 ，主要控 制电流 幅值 。由 于 直流 侧电流 反馈 控 制是 根据 流 过 直流 电源 的 电流 信号 进行 的 ，因 此只 需要一 个 电流 传 感器 便可 以 得 到 电流 反馈 信号 。其基 本原 理 是 ： 换 相 的 动 态 过 程 中 ，反馈 信号 反映的 是 待 建 立 的 相 电流 信息 。当 待建 立 的 电流 信号 未 达到 给 定
12、值 时 ，通过 电流 的 控 制使 其绝对 值 向 增 长的 方 向 变 化，直至换 相 完成 。 氐 幌喾 】下 进行电 流 调节 ， 保持 厶 籐 嗳 谱 榱较嗟 纪 相 与 嗷 幌辔 ， 控 制 藕潘 杂 哪 姹 淦 鞯目9刈 刺 灰 狿 的开 关 频 率 足 够高 ， 就 可将 换相 过程 中 非换相 电 流 抑 制在 较小 的范 围内， 对应 的换相 转 矩脉 动 也 得 到 了 抑 制。 实 验 表明：非换相 电 流 在 不 同 的速 段 都得 到 了 控 制， 转 矩脉 动 较小 ， 换相 效果较好 。 斩 波法 第 二章 基 于腂 建 模 与 仿 真 研 究无 刷 直 流 电动 机 是 在 保 持 有 刷 直 流 电动 机 优良 控 制 特性的 基 础 上，以 革 除 电刷 和 换图 。 望堕 盔 兰 婴 ： 兰 兰 堡笙茎管 。根 据 电 磁 感应定 律 ， 通电 后的定 子 绕 组在 转 子 永 磁 体 中 将 受 电 磁 力 的作 用， 从而 在定 子 绕 组上 产生 跳 跃 式 的旋 转 磁 场 ， 拖动主 转 子 按一定 的方 向 旋 转 。当 转 子 转 过 一定 的角度 后， 霍 尔 元 件 所 处 的磁 场 又 发生 了 变 化 ， 检 测到 的信 号 也相应改 变 ， 这样 经 电 子 换相电
