永磁无刷直流电机矢量控制系统实现毕业设计(论文)(编辑修改稿)

永磁无刷直流电机矢量控制系统实现毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

部分组成；跟踪转子的外观为一圆柱体，其由非导磁材料制作而成，一般有扇状形式的磁芯和不具有导磁性质的衬套两部分组成。 这种传感器输出的信号比较强、工作性能相对可靠、具有较长的使用寿命长、 对于应用环境场合要求不高、具有较强的适应性、物理结构紧凑可承受较大的振动冲击等；但是，这种传感器信噪比较低、体积较大，同时其输出波形为交流，一般需经整流、滤波后才可以使用，因而限制该传感器的使用范围。 无刷直流电机工作原理 无刷直流电机的工作原理以图 22 和图 23 所示为例说明。 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 图 永磁无刷直流电机系统图 图 无刷直流电机工作原理示意图 图 22 中 BLDCM 表示三相两极无刷直流电机本体， PS 为转子位置传感器，其 与电机转轴一同旋转，主电路采用三相逆变桥供电，由 V1V6 六个功率开关器件与 A、 B、 C 三相绕组连接。 通过检测转子的位置，经控制电路对转子信号进行逻辑变 换后产生脉宽调制 PWM 信号，驱动电路对 PWM 信号的放大后控制开关器件的开通 与关断让各相绕组按照一定顺序通电，从而保证电机连续旋转。 下面以两相导通三 相星形六状态无刷直流电机为例说明其工作原理。 如图 23（ a）所示，通过转子位置传感器感应出转子的位置信号，经控制逻辑变换后驱动逆变器的开关器件 V1 和 V6 导通，此时绕组 AB 通电，而且为 A 进 B 出， 经右手螺旋定则可判定电枢绕组在空间的合成磁势 Fa 如图中所示。 定子磁势 Fa 与 转子磁势 Ff 的相互作用，拖动转子以顺时针方向进行旋转。 该过程中电流的流经的 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 途径为： E+→ V1 管→ A 相绕组→ B 相绕组→ V6 管→ E。 当转子转过 60176。 电角度时，到达的位置如图 23（ b）所示。 由于转子位置的不同导致驱动的开关器件也不同，此时导通的开关器件为 V1 和 V2，与 V1 和 V2 连接的 AC 两相绕组通电， A 进 C 出，电枢绕组合成的气隙磁势 Fa 如图中所示。 定子磁势 Fa 与转子磁势 Ff 的相互作用继续拖动转子以顺时针方向进行旋转。 该过程中电流的流经的途径为： E+→ V1 管→ A 相绕组→ C 相绕组→ V2 管→ E。 为使转子磁场始终受定子合成磁场的牵引并按顺时针方向连续旋转，转子每当转过 60176。 电角度时，逆变器 中 的 开 关 器 件 要 轮 换 导 通 ， 其 导 通 的 逻 辑 为 V2V3 → V3V4→ V4V5→ V5V6→ V1V6→ V1V2„„，依次循环。 无刷直流电机的基本方程 理想的无刷直流电机反电动势是梯形波，本文在静止的 ABC 三相坐标系上以两相导通星形三相六状态为例，在分析无刷直流电机工作原理的基础上建立了它的动态数学模型。 为了简化模型便于分析，在不影响分析结果的前提下，特做出下面的假定条件： （ 1）假定气隙磁场是理想状态下按照平顶部分为 120176。 电角度梯形波分布的。 （ 2）假定磁路不饱和，不计涡流损耗和磁滞损耗。 （ 3）忽略齿槽效应和电枢反应。 （ 4）逆变电路中功率开关管以及续流二极管都有理想开关特性。 （ 5）三相绕组的参数都对称。 则根据无刷直流电机的特性，可得到如下电压、转矩和运动状态方程。 （ 1） 电压方 程 根据电机学原理，绕组可等效为纯电阻和纯电感的串联，故电机绕组上的电 压是电阻压降和电感感应电动势之和，任意绕组的电压方程为： xxxx eiRu  （ ） 其中， xu —— 相绕组电压； xR —— 每相绕组的电阻； xi —— 流过绕组的电流； xe —— 每相绕组的感应电动势，其中 dtdex ； x —— 每相绕组的磁链。 每相绕组的磁链包括自身电流产生磁通交链的磁 链、其他相电流产生磁通交链 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 的磁链和永磁体磁通交链的磁链三部分。 以 A 相绕组磁链为例，其表达式为： )(pmACBABAAA MiMiL  （ ） 将式（ ）带入式（ ）得 ))(( pmCABAAAA iMiLdtdRiu  ACACBABAAA eiMiMiLdtdRi  )( 则电机的电压方程为： cbacbaccbcabcbbaacabacbacbacbaeeeiiipLMMMLMMMLiiiRRRuuu000000 （ ） 式中 M 表示两相绕组之间的互感（ x、 y 代表 A、 B、 C）， p 为微分算子 dtdp。 由假设可以得到 cbacba LLLRRR 。 ；互感均相等为 M。 由于电机绕组是采用 Y 型 接 法 ，所 以 按 照 基 尔 霍 夫 电 流定 律 可 以 得 到0 cba iii ； 由于三相绕组为星形连接，且没有中线，所以有： 0 cba MiMiMi （ ） 综上所述，再将式（ ）带入（ ）得无刷直流电机的电压方程式（ ）： cbacbacbacbaeeeiiipMLMLMLiiirrruuu000000000000 （ ） （ 2） 转矩方程 电源提供的功率，主要部分通过气隙转换为机械能，其他部分作为损耗功率消 耗在了功 率开关器件上和电机的铜耗、铁耗上。 由电机学的知识可知：  eCCBBAAe TieieieP （ ） 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊  CCBBAACCBBAAeieieiepieieieT  （ ） 其中 Pe —— 电磁功率； Te —— 电磁转矩；  —— 电气角速度；  —— 机械角速度； P—— 电机极对数。 无刷直流电机的逆变模块采用两两导通的工作方式，任意时刻只有两相绕组导通存在电流，其余绕组关断，电流为零。 而被导通的两相绕组上电流方向和反电动势（依次记作 i， E）大小数量上相等，方向相反，所以电机的电子转矩也可以表示成式子（ ）  EiTe 2 （ ） （ 3） 运动方程 无刷直流电机的运动方程为： dtdJTTLe （ ） 式中 J 为转子转动惯量（ kg m2） ,dtd为转子角加速度（ rad/s2）， LT 为负载转矩（ N m）。 一般在实际工程应用中，通常采用转速 n 代替机械角速度Ω来表示转子速度，用飞轮惯量 2GD 代替转动惯量 J 表示机械惯性，换算方法式子（ ）和（ ）所示： 602 n （ ） gGDmpJ 4 22  （ ） 其中 m 是电机转动部分质量（ Kg）， G 为转动部分的重力（ N），ρ为系统转动惯量半 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 径（ m）， D 为转动惯性半径（ m）， g 为重力加速度（ ）。 将式子（ ）和（ ） 代入（ ）式子中得到： dtdnGDTT Le  3 7 52 （ ） 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第三章 矢量控制坐标变换 坐标变换 从一种坐标系转换到另一种坐标系的变换称为坐标变换。 坐标变换有很多种类，在研究矢量控制时有 3种坐标系，一般称作静止三相 ABC 坐标系、静止的两相α β 坐标系和旋转两相 dq 坐标系；将静止的三相到静止的两相变换称为 3s/2。