高速永磁无刷直流电动机及其控制系统的研究
发布时间：2020-05-01 11:50
【摘要】：永磁无刷直流电机具有可控性好、功率密度大、动态响应快、运行效率高等一系列优点,因而在高速领域中得到了越来越广泛的应用。高速永磁无刷直流电机需要配备相应的控制系统才能运行,由于传统有位置传感器无刷直流电机在一些条件恶劣的场合呈现出诸多弊端,近些年来永磁无刷直流电动机无位置传感器控制越来越成为研究的热点。本文研究的高速永磁无刷直流电动机主要应用在小型复合分子泵中,小型复合分子泵是一种分子真空泵,这种分子泵是在分子流区域内依靠高速运动的刚体叶片传递给气体分子动量,从而使气体分子产生定向流动以达到抽气获得真空的目的。在电机本体方面,由于高速电机位于分子泵内部,电机正常工作环境接近真空,这就给电机的散热带来了很大的困难,而课题要求电机工作时温升不超过20K,因此在电机本体设计时必须着重考虑电机的发热问题。鉴于此,设计电机本体时我们采取了很多措施,如电机定子采用了 0.2mm厚的硅钢片,转子采用无铁心结构,永磁体采用低电导率的粘接钕铁硼配合不导电的碳纤维套筒进行保护。这些措施大大降低了转子的涡流损耗,减少了电机的发热。在电机的控制方面,为提高电机效率,降低电机的转矩波动,改善电机的运行性能。在分析了不同PWM斩波方式下绕组中性点电压变化特点和不同PWM斩波方式下非导通相绕组续流情况的基础上,决定采用上下桥均斩波的驱动方式,位置检测方法则采用以直流电源中点为参考电压点的“端电压法”。为解决电机的换相误差问题,本文提出了基于非导通相绕组非导通期间中点时刻电压的闭环相位校正方法。该方法可以对电机的换相误差进行实时监测和校正,使电机时刻处于最佳换相状态运行。采用该方法后,电机绕组的换相误差大大降低,转矩波动明显减小,同时提高了电机的效率和运行的稳定性。最后通过实验证明,该方法是正确有效的。无位置传感器高速永磁无刷直流电机的另一个问题是起动问题,由于分子泵是一种大惯量负载,电机起动时间较长,其起动环节可以分成开环起动和闭环升速两部分,针对开环起动部分,在传统硬件升频升压起动法的基础上,我们采用了改进的软件升频升压起动法,该方法可以在不增加任何硬件电路基础上实现电机的可靠起动,且起动步长和起动电压参数可以通过上位机实时调整,大大提高了控制系统的鲁棒性;针对闭环升速部分,在电机的闭环升速阶段加入了基于转速和绕组电流的双闭环PI调节并对绕组电流加以限幅,这样既能保证电机转速平滑上升又能避免因绕组电流冲击而导致换相失败,提高了电机起动成功率。最后,基于上述研究,本文以dsPIC30F3011为主控芯片,设计开发了基于“端电压法”的高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统,并通过RS485串口通讯实现上位机对电机实时控制和状态监测,试验证明,本系统可以安全可靠运行,满足小型分子泵的控制要求。
【图文】：
控制系统成本总体较低。③方波驱动无刷直流电机有较高的材料利用率，逡逑在相同有效材料情况下，其输出转矩可增加约１５％。本课题应用的的正是方波逡逑类永磁无刷直流电动机，图１－２为方波驱动无刷直流电动机基本控制框图。逡逑ｍ邋ｍｉ邋ｔ逡逑＾１＿＿｜ＶＤＩ逦＿｜ＶＤ３邋＾｜＿ＪＶＤ５逡逑＾ｒ－逦１邋ｙＴ邋ｓ邋＼逡逑＾＿＿｜ＶＤ４逦｜ＶＤ６邋＾邋｜ＶＤ２逡逑？＞逡逑主－惫统Ｈ逦１位置检测ｈ—逡逑图１－２方波驱动无刷直流电机控制框图逡逑由上图１－２可以看出，方波无刷直流电动机正常工作需要获得检测转子的位逡逑置信息，而后经过控制器逻辑运算驱动逆变器完成换相Ｗ。例如本文采用的是三逡逑相六状态１２０度换相方式，则每个电周期需要六个转子位置信号来确定换相时逡逑刻。传统的获取转子位置信息的方式是在电机内部安装位置传感器，如霍尔传感逡逑器、光电传感器等。而实际应用中，使用位置传感器会带来以下问题：逡逑（１）
图２－１不同齿槽结构图逡逑有齿槽定子铁心结构我们可以选择２极３槽或者２极６槽，，利用ＭＡＴＬＡＢ逡逑软件对高速电机空载下的气隙磁密进行傅里叶分解可得下图２－２，由图２－２邋（ａ）逡逑可知，３槽结构的电机气隙磁密中含Q嚪到洗蟮呐即涡巢ǎ巢ū戎氐脑黾踊徨义显谧又胁艽蟮奈辛魉鸷摹６布恫劢峁蛊洞懦〉幕ǚ涤耄巢劢峁瑰义舷嗖畈淮螅巢ê棵飨约跎伲虼宋档偷缁臃⑷任颐茄∮茫布恫劢徨义瞎埂ｅ义希埃玻觯觯觯觯觯觯觯澹埃玻浚浚浚觯义希埃保稿濉鲥澹咤危咤澹模保稿危咤义希埃保跺澹澹儒危埃保跺濉鲥义希埃保村巍鲥危埃保村危危儒义希埃保插澹澹儒
本文编号：2646614
【图文】：
控制系统成本总体较低。③方波驱动无刷直流电机有较高的材料利用率，逡逑在相同有效材料情况下，其输出转矩可增加约１５％。本课题应用的的正是方波逡逑类永磁无刷直流电动机，图１－２为方波驱动无刷直流电动机基本控制框图。逡逑ｍ邋ｍｉ邋ｔ逡逑＾１＿＿｜ＶＤＩ逦＿｜ＶＤ３邋＾｜＿ＪＶＤ５逡逑＾ｒ－逦１邋ｙＴ邋ｓ邋＼逡逑＾＿＿｜ＶＤ４逦｜ＶＤ６邋＾邋｜ＶＤ２逡逑？＞逡逑主－惫统Ｈ逦１位置检测ｈ—逡逑图１－２方波驱动无刷直流电机控制框图逡逑由上图１－２可以看出，方波无刷直流电动机正常工作需要获得检测转子的位逡逑置信息，而后经过控制器逻辑运算驱动逆变器完成换相Ｗ。例如本文采用的是三逡逑相六状态１２０度换相方式，则每个电周期需要六个转子位置信号来确定换相时逡逑刻。传统的获取转子位置信息的方式是在电机内部安装位置传感器，如霍尔传感逡逑器、光电传感器等。而实际应用中，使用位置传感器会带来以下问题：逡逑（１）
图２－１不同齿槽结构图逡逑有齿槽定子铁心结构我们可以选择２极３槽或者２极６槽，，利用ＭＡＴＬＡＢ逡逑软件对高速电机空载下的气隙磁密进行傅里叶分解可得下图２－２，由图２－２邋（ａ）逡逑可知，３槽结构的电机气隙磁密中含Q嚪到洗蟮呐即涡巢ǎ巢ū戎氐脑黾踊徨义显谧又胁艽蟮奈辛魉鸷摹６布恫劢峁蛊洞懦〉幕ǚ涤耄巢劢峁瑰义舷嗖畈淮螅巢ê棵飨约跎伲虼宋档偷缁臃⑷任颐茄∮茫布恫劢徨义瞎埂ｅ义希埃玻觯觯觯觯觯觯觯澹埃玻浚浚浚觯义希埃保稿濉鲥澹咤危咤澹模保稿危咤义希埃保跺澹澹儒危埃保跺濉鲥义希埃保村巍鲥危埃保村危危儒义希埃保插澹澹儒
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