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1、永磁无刷直流电动机的永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究设计和仿真研究答辩人答辩人:孙晓霞孙晓霞 指导老师指导老师:吴建华教授吴建华教授主要内容发展状况和优点控制系统的设计数学模型和仿真模型本体设计程序结果分析绕组电感的解析计算,及三相六状态下两两接通方式下的星形接法和三角形接法下的相电流波形一 发展状况u1955年，美国 DHarrison等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利，这就是现代直流无刷电动机的雏形。u1978年,MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出,是电子换向的永磁无刷直流电动机真正进入实用阶段.u20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电
2、力电子技术特别是大功率开关器件的发展，永磁无刷直流电动机得到了长足的发展。二 优点运行效率高无励磁损耗调速性能好结构简单运行可靠维护方便 .三 结构及运行原理图1永磁无刷直流电动机的结构原理图 图2永磁无刷直流电动机的原理框图 直流电源功率开关永磁电机位置传感器位置信号处理四 控制系统的建立 整个控制系统是实现永磁无刷直流电动机的稳定运行的核心环节.主要包括开关主电路（逆变器）、驱动电路和控制电路。本文设计了以Microchip Technology公司的PIC16F877A为核心部件的控制系统。系统总体硬件框图如下图。PIC16F877A永磁无刷直流电动机转子位置检测及转速计算隔离驱动电路M
3、OSFET功 率主电路过流欠压保护电路（IR2130）表表1 1 构成硬件电路的主要元器件构成硬件电路的主要元器件器件名用途数量PIC16F877A接受输入，产生PWM波，与上位机通讯1ATF16V8B组成解码器。输入为3相位置信号、正反、停机、PWM、保护信号；输出为6只MOSFET的导通信号16N137逻辑门输出光电耦合器，将驱动信号和主电路信号隔离6IR2130组成过流欠压保护电路1稳压电源提供+5V、+15V直流电压1IR540NMOSFET，组成功率主电路6五 数学模型 为了简化分析，做出以下假设：钕铁硼永久磁铁的磁导率与空气的磁导率相同，每相绕组的自感为一常数；不考虑齿槽效应和磁路
4、饱和；忽略磁滞、涡流、集肤效应和温度对参数的影响；三相定子绕组对称，Ra=Rb=Rc，La=Lb=Lc，Mab=Mbc=Mca；转子磁场为方波磁场（顶部宽度大于120o的梯形波）。电压方程电磁转矩方程运动方程图3 永磁无刷直流电动机的磁场，反电动势和相电流波形 六 仿真模型 在Matlab6.5Simulink环境下，在分析数学模型的基础上，提出了控制系统仿真模型的方法，系统设计框图如图7所示。图4 PMBLDCM控制系统仿真建模组成框图图图5 Matlab/Simulink5 Matlab/Simulink中中PMBLDCMPMBLDCM仿真建模整体控制框图仿真建模整体控制框图七 本体设计程
5、序 采用磁路分析法设计了一套永磁无刷直流电动机的电磁设计程序 总体方案确定转子激磁结构确定磁路设计 电路设计和转子位置传感器设计 开 始输入额定数据定子设计转子设计磁路计算电路计算j电枢反应计算性能计算符合结 束过大合适否是八 电感的解析计算 本文运用气隙系数 来考虑齿槽影响，直接运用能量法求出永磁无刷直流电动机相绕组的电感，给出了具体的电感计算过程和计算结果。和 ,式中八 结果分析实验结果仿真结果解析计算结果1.实验结果分析 图6 位置传感器输出信号图7 反电动势波形 图8 相电流的实验波形 表明了此控制系统的正确性和有效性.2.仿真结果分析图9 计及电感参数时转速、转矩、相电流波形图10
6、L=0时的转速、转矩和相电流波形3.故障仿真分析(1)A(1)A相一个功率管开路的波形相一个功率管开路的波形a）转速、转矩和相电流波形b）相电流波形(2)A(2)A相一个功率管短路波形相一个功率管短路波形a）转速、转矩和相电流波形b）相电流波形(3)A(3)A相绕组短路的仿真波形相绕组短路的仿真波形a）转速、转矩和相电流波形b）相电流波形(4)A(4)A相绕组开路下的仿真波形相绕组开路下的仿真波形a）转速、转矩和相电流波形b）相电流波形(5)(5)电源电压突降到电源电压突降到25V25V的仿真结果的仿真结果 a）转速、转矩和相电流波形b）相电流波形3.解析计算结果表2 整数槽下有限元计算结果
7、表3 整数槽下有限元计算结果谐波次数相绕组自感L（mH）相绕组间互感M（mH）11.2666-0.63330.14070.140750.050664-0.02533270.0258490.02706890.0156370.015636110.010468-0.005234130.00749468-0.003746150.00562930.005623170.00438-0.00219190.0035085-0.001754总电感1.53093-0.482229电枢位置（rad）相绕组自感(mH)相绕组互感(mH)空载时负载时空载时负载时01.1696996351.170014208-0.351
8、240192-0.351723848/61.1807096831.179923251-0.350190305-0.349439263/31.1911692291.190933299-0.32139903-0.319727862/21.161717351.159790592-0.291903898-0.2905551672/31.320688641.131125146-0.295616789-0.296787645/61.0086208771.11795241-0.319334646-0.3206755121.1696996351.170014208-0.351240192-0.35172384
9、8电感平均值1.1598208391.159191694-0.323893532-0.323810956考虑磁路饱和时，相绕组自感1.1598mH，相绕组互感-0.365mH。九 两两导通方式下的星形接法 两两导通三相六状态星形连接方波永磁无刷直流电动机的整个运行过程，其运行模式可以分为换相和导通两种运行模式，六种运行状态，即ACBCBACACBABAC。由电机运行模式的周期性，仅以AC导通到BC导通的换相模式和BC导通模式为例分析永磁无刷直流电动机的运行模式，如图9。（a）AC导通模式（b）AC导通到BC导通的换向模式 c）BC导通模式图11 方波永磁无刷直流电动机运行模式图 根据三相绕组电
10、流的对称性，可以导出B相电流一个周期内的电流波形的解析表达式 从图从图1212和图和图1313中可以看出，相电流的解析计算波形和中可以看出，相电流的解析计算波形和仿真波形非常相似，基本接近矩形波，而相电流的下凹是是仿真波形非常相似，基本接近矩形波，而相电流的下凹是是由换相引起的。由换相引起的。图12 解析计算的相电流的波形图13 相电流的仿真波形十 三角形接法 两两导通三相六状态三角形连接方波永磁无刷直流电动机的整个运行过程，其运行模式可以分为换相和导通两种运行模式，以功率开关管导通顺序来区分六种运行状态，即12233445566112。由电机运行模式的周期性，仅以12导通到23导通的换相模式
11、和23导通模式为例分析永磁无刷直流电动机的运行模式，如图14。（a）12导通模式 （b）12导通到23导通的换向模式 （c）23导通模式图14 方波永磁无刷直流电动机运行模式图图15 三角形连接两两导通方式下的相电流波形与反电动势波形根据三相绕组电流的对称性，可以导出B相电流一个周期内的电流波形的解析表达式 从图从图1616和图和图1717中可以看出，三角形连接的两两导通方中可以看出，三角形连接的两两导通方式下相电流的解析计算波形和仿真波形非常相似，图中相电式下相电流的解析计算波形和仿真波形非常相似，图中相电流的上凸和下凹是由于反电动势出现线形增加或线形减小。流的上凸和下凹是由于反电动势出现线
12、形增加或线形减小。图16 解析计算的相电流的波形图17 相电流的仿真波形总结和展望 本文在研究过程中主要成果及结论总结如下：设计了一套以单片机PIC16F877A芯片为核心的永磁无刷直流电动机的控制器，并做了相应的实验。在数学模型的基础上建立了永磁无刷直流电动机的Matlab/Simulink仿真模型，并对其正常运行和故障情况下进行了仿真研究。运用磁路分析法，设计了一套永磁无刷直流电动机的电磁设计程序。对永磁无刷直流电动机相绕组的电感参数进行了解析计算，与有限元结果进行了对比。推导出永磁无刷直流电动机相绕组的电感计算公式，并用此解析式得到第四章中设计的永磁无刷直流电动机的相绕组电感；在星形连接的两两导通方式下，分析计算得到计及绕组电感的永磁无刷直流电动机的平均电流稳态电路模型。推导出了在三角形连接的两两导通方式下，计及绕组电感的相电流解析式。本课题虽然对永磁无刷直流电动机进行了研究，并得到了一定的结果，但是由于时间的缘故，仍有一些工作需要进一步深入。如：控制策略所引起的转矩脉动较大；采用无位置传感器控制策略；在电机磁场分析时，使用有限元法等等。谢 谢 2006.7