高速电励磁双凸极电机驱动系统控制技术研究

发布时间：2020-08-11 23:47

【摘要】：电励磁双凸极电机具有结构简单、成本较低、可靠性高和功率密度较高等优点,在航空起动/发电、风力发电、电动汽车、智能家居等领域有着重要的应用价值。而提高电机的运行转速,可以减小电机的体积重量,增大功率密度,有利于减小安装空间。并且,高速电机与高速负载直接连接可以省去中间机械传动结构,进一步提高了系统效率和空间利用率。本文以高速电励磁双凸极电机驱动系统为研究对象,研究其控制技术,从而提高输出转矩和减小转矩脉动,并减小控制延时导致的电流尖峰。电机运行在高速状态时,反电势较大,相电流注入困难,导致电流有效值较低,输出转矩较小。且高速电机位置变化较快,若只采用DSP控制器,难以在一个中断周期内实现位置判断和角度位置控制。本文首先介绍了电励磁双凸极电机的结构和磁路特性,分析了它的工作原理,建立了分段线性电感模型。并基于该模型,指出了电励磁双凸极电机的三种基本电动工作方式。在基本工作方式的基础上,通过对相电流曲线的分析,深入研究了不同控制策略的工作特性和转矩输出能力。在此基础上,给出一种无死区九状态提前角控制策略,避免了死区的影响,提高了电机的输出转矩,减小了转矩脉动,还可以将两个角度控制参数简化为单个,减小了控制难度,更适合电机的高速运行。同时,对高速下的两个提前角控制参数之间的补偿关系,也作了相应的论述。之后,分析了最佳提前角与输入直流电压、电机转速、负载大小以及电机参数的关系。由于提前角度受影响因素较多,选取复杂,对提前角度进行了相应的简化分析,降低了选取难度。另外,分析了电流控制延时的产生及其对电流尖峰值的影响,并提出了一种电流分段斩波控制方法,减小提前角区间内的电流尖峰,提高功率管工作可靠性,使桥臂上、下管在整个工作期间发热较均衡,不会出现局部过热问题,因此系统能够安全稳定地运行。最后设计并搭建了电励磁双凸极电机驱动系统的实验平台,功率变换器采用叠层母排连接结构,减小了电机高速运行时寄生电感引起的电压尖峰。并采用以DSP和FPGA为核心的数字控制器,给出了系统的软件和硬件设计。利用并行算法实现角度位置控制,提高了电机高速运行时的稳定性。之后,通过仿真和实验对比了不同控制策略的输出转矩和转矩脉动,进一步验证了理论分析的正确性。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM355
【图文】：

高速电励磁双凸极电机驱动系统控制技术研究2.2 电励磁双凸极电机的磁路特性电励磁双凸极电机的定转子均为凸极结构，因此，存在明显的边缘效应和局部磁饱和现象，磁路分布复杂。电机的电感、磁链等随着转子位置、电枢电流和励磁电流呈非线性变化，无法用明确的数学解析式进行表示。在实际应用中，通常采用有限元分析方法研究其电磁场分布特性，利用 ANSYS 或 Ansoft 电磁仿真软件，计算不同转子位置的电机内部磁场分布情况。如图2.4 所示，基于 1/4 电励磁双凸极电机模型，转子按逆时针方向旋转，可以得到 0°、15°、30°以及 45°机械角度下的磁场分布图。由图可以看出，磁场路径随着转子位置角的变化而变化，实际的电感、磁链等也呈现明显的改变。电机转子旋转了 45°机械角度后，磁场曲线开始出现重复。根据多次的仿真结果可以得出结论，虽然电流也会影响电机内部磁场的分布，但相比之下，电机的电感、磁链和电磁转矩受转子位置的影响最为显著。因此，为讨论方便，忽略电机的磁路饱和和边缘效应，并忽略电流变化的影响，而只考虑转子位置变化对电机磁路的作用，对电励磁双凸极电机的磁路特性进行分析。

际的电感、磁链等也呈现明显的改变。电机转子旋转了 45°机械角度后，磁场曲线开始出现重复。根据多次的仿真结果可以得出结论，虽然电流也会影响电机内部磁场的分布，但相比之下，电机的电感、磁链和电磁转矩受转子位置的影响最为显著。因此，为讨论方便，忽略电机的磁路饱和和边缘效应，并忽略电流变化的影响，而只考虑转子位置变化对电机磁路的作用，对电励磁双凸极电机的磁路特性进行分析。(a)0°电机磁场分布图 (b)15°电机磁场分布图

计算不同转子位置的电机内部磁场分布情况。如图2.4 所示，基于 1/4 电励磁双凸极电机模型，转子按逆时针方向旋转，可以得到 0°、15°、30°以及 45°机械角度下的磁场分布图。由图可以看出，磁场路径随着转子位置角的变化而变化，实际的电感、磁链等也呈现明显的改变。电机转子旋转了 45°机械角度后，磁场曲线开始出现重复。根据多次的仿真结果可以得出结论，虽然电流也会影响电机内部磁场的分布，但相比之下，电机的电感、磁链和电磁转矩受转子位置的影响最为显著。因此，为讨论方便，忽略电机的磁路饱和和边缘效应，并忽略电流变化的影响，而只考虑转子位置变化对电机磁路的作用，对电励磁双凸极电机的磁路特性进行分析。(a)0°电机磁场分布图 (b)15°电机磁场分布图(c)30°电机磁场分布图 (d)45°电机磁场分布图图 2.4 三相 12/8 电励磁双凸极电机磁场分布图电励磁双凸极电机的定转子槽深远大于定转子齿间的气隙长度，因此齿槽对齐时的气隙磁

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本文编号：2789727