永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究-答辩PPT

永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究答辩人:孙晓霞指导老师: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1955年，美国D·Harrison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。1978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.20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ET1T3T5T4T6T2ABCPS驱动电路控制电路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MicrochipTechnology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MOSFET功率主电路过流欠压保护电路（IR2130）表1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000000aaaabbbbcccciieuRLMMuRiMLMpieRMMLuiiessemaabbcc2EI1T=(ei+ei+ei)=wwemLT-T-Bw=JdwdtIaeaeaB30o150o330o210o0θ六仿真模型在Matlab6.5\Simulink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4PMBLDCM控制系统仿真建模组成框图逆变器电流测量电流滞环控制器每相参考电流位置计算速度控制器无刷直流电动机BA相B相C相开关信号ACIarIbrIcrW参考速度WIsθ图5Matlab/Simulink中PMBLDCM仿真建模整体控制框图七本体设计程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k2()2omwHd221122maaaababbbbwLiLiiLi212()cos()23dpabsakMLL2()dpaasakLLL224efsaoeflLNp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10L=0时的转速、转矩和相电流波形3.故障仿真分析(1)A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0.150.20.250.30.350.40.450.50102030speed(rad/s)speed(rad/s)0.150.20.250.30.350.40.450.5-2002040torque(N.m)torque(N.m)0.150.20.250.30.350.40.450.5-10010Time(s)current(A)current(A)0.150.20.250.30.350.40.450.5-10010A0.150.20.250.30.350.40.450.5-2002040B0.150.20.250.30.350.40.450.5-40-20020Time(s)C(2)A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0.30.350.40.450.5102030speed(rad/s)speed(rad/s)0.30.350.40.450.5-50050torque(N.m)torque(N.m)0.30.350.40.450.5-2002040Time(s)current(A)current(A)0.30.350.40.450.5-2002040AA0.30.350.40.450.5-40-20020B0.30.350.40.450.5-40-20020Time(s)C(3)A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0.150.20.250.30.350.40.450.518202224speed(rad/s)speed(rad/s)0.150.20.250.30.350.40.450.5-1001020torque(N.m)torque(N.m)0.150.20.250.30.350.40.450.5-50050Time(s)current(A)current(A)0.150.20.250.30.350.40.450.5-50050A0.150.20.250.30.350.40.450.5-50050B0.150.20.250.30.350.40.450.5-50050Time(s)C(4)A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0.250.30.350.40.450.50102030speed(rad/s)speed(rad/s)0.250.30.350.40.450.5-2002040torque(N.m)torque(N.m)0.250.30.350.40.450.5-10010Time(s)current(A)current(A)0.250.30.350.40.450.5-10010A0.250.30.350.40.450.5-40-20020B0.250.30.350.40.450.5-2002040Time(s)C(5)电源电压突降到25V的仿真结果a）转速、转矩和相电流波形b）相电流波形0.20.250.30.350.40.450.510152025speed(rad/s)speed(rad/s)0.20.250.30.350.40.450.5-10010torque(N.m)torque(N.m)0.20.250.30.350.40.450.5-10010Time(s)current(A)current(A)0.20.250.30.350.40.450.5-10010A0.20.250.30.350.40.450.5-10010B0.20.250.30.350.40.450.5-10010Time(s)C3.解析计算结果表2整数槽下有限元计算结果表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01.1696996351.170014208-0.351240192-0.351723848π/61.1807096831.179923251-0.350190305-0.349439263π/31.1911692291.190933299-0.32139903-0.319727862π/21.161717351.159790592-0.291903898-0.2905551672π/31.320688641.131125146-0.295616789-0.296787645π/61.0086208771.11795241-0.319334646-0.320675512π1.1696996351.170014208-0.351240192-0.351723848电感平均值1.1598208391.159191694-0.323893532-0.323810956考虑磁路饱和时，相绕组自感L'M'＝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AC→BC→BA→CA→CB→AB→AC。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。RaRbRcLσLσLσeaebecUQ1Q3Q5Q4Q6Q2iaibicunVD1ecVD3VD5VD4VD6VD2（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LσiaLσLσeaebecRcRaQ1Q2icibULσiaLσLσeaebecRcQ2Q3RbibicVD4LσiaLσLσeaebecRcQ2Q3Rbibic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12341122334452222,033(2)(2)2,22(32)44(),33(2)(2)2,22(32)22(),330,tttssttsttssttsUEEUettRRUERIUEUEetttRRRIUEUEEUIetttRRUERIUEUEetttRRRIUEUEUEIetttRRti7894566778899102222,33(2)(2)2,22(32)44(),33(2)(2)2,22(32)22(),33tttssttsttssttsttUEEUetttRRUERIUEUEetttRRRIUEUEEUIetttRRUERIUEUEetttRRRIUEUEUEIetRR101111120,ttttt从图12和图13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-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5t/msi/A(