三次諧波法無傳感器控制的高速永磁無刷直流電機(jī)的研究.pdf

1、高速永磁無刷直流電機(jī)具有效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，因此在渦輪增壓器、高速加工中心、飛輪儲能、電動工具、空氣壓縮機(jī)、分子泵等許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，成為各國學(xué)者的研究熱點(diǎn)。高速永磁無刷直流電機(jī)設(shè)計牽涉到轉(zhuǎn)子損耗、軸承技術(shù)、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、等電磁技術(shù)與機(jī)械技術(shù)，必須重點(diǎn)考慮。
　　 高速永磁無刷直流電機(jī)正因為功率密度大、體積小，其損耗密度也很大，因此電機(jī)的溫升往往比較高，所以當(dāng)霍爾元件這一類的位置傳感器安裝在電機(jī)內(nèi)部時往往無法正常工

2、作。另外，位置傳感器的使用也會受到體積上的限制。在功率較大的電機(jī)中，位置傳感器信號也容易受到干擾。此外，永磁無刷直流電機(jī)高速運(yùn)行時通常需要不同程度的超前觸發(fā)控制，但直接使用轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行換相時無法實現(xiàn)可變的超前觸發(fā)控制。
　　 為了解決位置傳感器帶來的各種缺陷，許多學(xué)者開展了無傳感器控制技術(shù)的研究，其主要思想是利用電機(jī)繞組中的有關(guān)電信號，通過適當(dāng)?shù)姆椒ü浪愠鲛D(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，以此來取代轉(zhuǎn)子位置傳感器。在各種轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測

3、方法中，最常用的是通過檢測每相反電勢或三次諧波反電勢來獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。每相反電勢法容易實現(xiàn)，但續(xù)流二極管導(dǎo)通引起的電壓脈沖將干擾該信號。尤其是在高速、重載、或者繞組電氣時間常數(shù)大等情況下，續(xù)流二極管導(dǎo)通角很大，此時通過檢測每相反電勢過零點(diǎn)的方法并不適合無位置傳感器運(yùn)行。相對于每相反電勢法，三次諧波反電勢法不受二極管導(dǎo)通角和逆變器PWM斬波的影響，對濾波器要求低，有更寬的調(diào)速范圍。
　　 本文針對一臺80，000r/min，1

4、5kW的高速永磁無刷直流電機(jī)及其基于三次諧波反電勢的無位置傳感器控制策略，研究了電機(jī)設(shè)計和控制的若干重要問題。
　　 1、研究了不同定子結(jié)構(gòu)對三次諧波反電勢的影響。對3齒2極和6齒2極集中繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比研究，前者由于三次諧波的繞組系數(shù)為0，其相繞組中并不包含三次諧波反電勢，因此其磁鏈和相反電勢接近正弦分布，故不適合應(yīng)用三次諧波反電勢控制。后者的三次諧波繞組系數(shù)為1，其磁鏈和每相反電勢包含大量的三次諧波，其波形遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了正弦分

5、布，因此適合三次諧波反電勢控制，但基波繞組系數(shù)為0.5，繞組得不到充分利用。結(jié)合以上兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，對不同齒寬(注：小齒為輔助齒)的6齒2極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)既能利用三次諧波反電勢控制，又能提高繞組的利用率。同時，也對各種結(jié)構(gòu)電機(jī)的電感與單邊磁拉力進(jìn)行了對比分析。分析表明，由于3齒2極和不等齒寬6齒2極結(jié)構(gòu)均具有空間不對稱性，在電機(jī)運(yùn)行時，具有較大的單邊磁拉力，電機(jī)的噪聲較大，影響軸承的壽命。因此最終采用等齒寬6齒2極集中繞組

6、的對稱結(jié)構(gòu)。
　　 2、研究了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對電機(jī)氣隙磁場三次諧波和三次諧波反電勢的影響。對電機(jī)中的氣隙磁場進(jìn)行有限元分析與解析計算。在采用表面粘貼磁瓦時，隨著極弧系數(shù)的減小，氣隙磁場的分布越來越偏離正弦，氣隙磁場中的三次諧波也會相應(yīng)地增加。這有利于增大每相反電勢中的三次諧波。但同時，氣隙磁場中的基波隨永磁體極弧系數(shù)的減小而減小。由于氣隙磁場的畸變增加了氣隙磁場中的諧波，使電機(jī)定子鐵耗增大，將影響電機(jī)的性能。因此，為了提高氣隙磁場中的

7、三次諧波同時又不減小氣隙磁場中的基波，采用“平行充磁且每極分兩塊”的結(jié)構(gòu)。對不同的轉(zhuǎn)子磁瓦分塊數(shù)的氣隙磁場進(jìn)行分析，可知隨著分塊數(shù)的增加，氣隙磁場分布趨于徑向充磁結(jié)構(gòu)的分布，接近方波。隨著分塊數(shù)的增加，氣隙磁場中基波分量也隨之增加，但當(dāng)每極轉(zhuǎn)子分塊數(shù)為2塊時，氣隙磁場中的三次諧波最大。因此為了提高利用三次諧波反電勢控制時的抗干擾能力，采用轉(zhuǎn)子每極磁瓦分塊數(shù)為2的結(jié)構(gòu)。對“平行充磁且極弧系數(shù)小于1”、“平行充磁且每極磁瓦分兩塊”、“徑向充

8、磁且極弧系數(shù)為1”共三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)“平行充磁且極弧系數(shù)小于1”、“平行充磁且每極磁瓦分兩塊”這兩種結(jié)構(gòu)均能在電機(jī)相繞組中產(chǎn)生足夠大的三次諧波反電勢。其次，由于轉(zhuǎn)子損耗在中、低速無刷直流電機(jī)中往往是可忽略的，但是在高速無刷電機(jī)中比較嚴(yán)重，能引起轉(zhuǎn)子永磁體過熱和不可恢復(fù)性退磁。因此，對三種不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)引起的額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)子渦流損耗進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明：“平行充磁且極弧系數(shù)小于1”結(jié)構(gòu)引起的轉(zhuǎn)子渦流損耗小于“平行充

9、磁且每極分兩塊”的結(jié)構(gòu)，“徑向充磁且極弧系數(shù)為1”結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子渦流損耗小于“平行充磁且極弧系數(shù)小于1”和“平行充磁且每極分兩塊”的結(jié)構(gòu)。但“徑向充磁且極弧系數(shù)為1”的結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少，永磁體充磁時需要專門的工裝夾具，加工困難?！捌叫谐浯徘覙O弧系數(shù)小于1”結(jié)構(gòu)和“平行充磁且每極分兩塊”的結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)。
　　 3、研究了基于三次諧波反電勢的無位置傳感器超前觸發(fā)控制。利用三次諧波反電勢控制時，用比較器產(chǎn)生的過零點(diǎn)信號與電機(jī)觸發(fā)信號密切相關(guān)。

10、在實際系統(tǒng)中并不能確保比較器產(chǎn)生的過零點(diǎn)信號并不包含噪音信號。如果信號中噪音信號被控制系統(tǒng)誤認(rèn)為有效信號，將導(dǎo)致錯誤的換向信息，并且一旦產(chǎn)生一次錯誤的換向狀態(tài)，將導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)的崩潰。因此為了濾除噪音信號，有必要從軟件上進(jìn)行數(shù)字濾波，判斷是否真正的發(fā)生信號跳變。采用數(shù)字濾波，必然導(dǎo)致信號滯后，進(jìn)而引起電機(jī)的滯后換相。滯后的時間與數(shù)字濾波的深度有關(guān)。對于高速電機(jī)，將產(chǎn)生較嚴(yán)重的滯后。由于數(shù)字濾波引起滯后觸發(fā)，電機(jī)電流變大，同時整個系統(tǒng)的

11、功率因數(shù)、效率、功率輸出能力降低、電機(jī)的溫升更嚴(yán)重，對電機(jī)的冷卻系統(tǒng)也提出了更高的要求，因此有必要采取超前觸發(fā)控制。電機(jī)運(yùn)行時，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的作用，其電周期不會發(fā)生突變，可以認(rèn)為前一個換向周期的時間基本等于后一個換向周期，因此，如果知道前一個換向周期的時間，同時知道由于數(shù)字濾波產(chǎn)生的滯后時間，然后用延時導(dǎo)通來實現(xiàn)下一拍換相的正常觸發(fā)控制甚至超前觸發(fā)控制，研究表明超前觸發(fā)可以明顯的提高系統(tǒng)地功率因數(shù)、效率、輸出功率，同時減小了損耗。<