永磁無刷直流電動機(jī)的設(shè)計(jì)和仿真研究_答辯ppt

1、永磁無刷直流電動機(jī)的設(shè)計(jì)和仿真研究,答辯人:孫曉霞 指導(dǎo)老師:吳建華教授,主要內(nèi)容,發(fā)展?fàn)顩r和優(yōu)點(diǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型和仿真模型本體設(shè)計(jì)程序結(jié)果分析繞組電感的解析計(jì)算,及三相六狀態(tài)下兩兩接通方式下的星形接法和三角形接法下的相電流波形,一 發(fā)展?fàn)顩r,1955年，美國 D·Harrison等人首次申請了應(yīng)用晶體管換向代替電動機(jī)機(jī)械換向器換向的專利，這就是現(xiàn)代直流無刷電動機(jī)的雛形。 1978年,MAC經(jīng)典無

2、刷直流電動機(jī)及其驅(qū)動器的推出 ,是電子換向的永磁無刷直流電動機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段. 20多年以來，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)特別是大功率開關(guān)器件的發(fā)展，永磁無刷直流電動機(jī)得到了長足的發(fā)展。,二 優(yōu)點(diǎn),運(yùn)行效率高無勵磁損耗調(diào)速性能好結(jié)構(gòu)簡單運(yùn)行可靠維護(hù)方便 ….,三 結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理,圖1永磁無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖,圖2永磁無刷直流電動機(jī)的原理框圖,,四 控制系統(tǒng)的建立,整個(gè)控制系統(tǒng)是

3、實(shí)現(xiàn)永磁無刷直流電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行的核心環(huán)節(jié).主要包括開關(guān)主電路（逆變器）、驅(qū)動電路和控制電路。 本文設(shè)計(jì)了以Microchip Technology公司的PIC16F877A為核心部件的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總體硬件框圖如下圖。,表1 構(gòu)成硬件電路的主要元器件,,五 數(shù)學(xué)模型,為了簡化分析，做出以下假設(shè)：釹鐵硼永久磁鐵的磁導(dǎo)率與空氣的磁導(dǎo)率相同，每相繞組的自感為一常數(shù)；不考慮齒槽效應(yīng)和磁路飽和；忽略磁滯、渦流、集膚效應(yīng)和溫度對

4、參數(shù)的影響；三相定子繞組對稱，Ra=Rb=Rc，La=Lb=Lc，Mab=Mbc=Mca；轉(zhuǎn)子磁場為方波磁場（頂部寬度大于120o的梯形波）。,電壓方程電磁轉(zhuǎn)矩方程運(yùn)動方程,圖3 永磁無刷直流電動機(jī)的磁場，反電動勢和相電流波形,,,,,,六 仿真模型,在Matlab6.5\Simulink環(huán)境下，在分析數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了控制系統(tǒng)仿真模型的方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。圖4 PMBLDCM控制

5、系統(tǒng)仿真建模組成框圖,,圖5 Matlab/Simulink中PMBLDCM仿真建模整體控制框圖,七 本體設(shè)計(jì)程序,采用磁路分析法設(shè)計(jì)了一套永磁無刷直流電動機(jī)的電磁設(shè)計(jì)程序 總體方案確定轉(zhuǎn)子激磁結(jié)構(gòu)確定磁路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子位置傳感器設(shè)計(jì),八 電感的解析計(jì)算,本文運(yùn)用氣隙系數(shù) 來考慮齒槽影響，直接運(yùn)用能量法求出永磁無刷直流電動機(jī)相繞組的電感，給出了具體的電感計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果。

6、 和 , 式中,,,,,,,,,,,,,八 結(jié)果分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真結(jié)果解析計(jì)算結(jié)果,1. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,圖6 位置傳感器輸出信號圖7 反電動勢波形,圖8 相電流的實(shí)驗(yàn)波形 表明了此控制系統(tǒng)的正確性和有效性 .,2

7、.仿真結(jié)果分析,圖9 計(jì)及電感參數(shù)時(shí)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、相電流波形,圖10 L=0時(shí)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和相電流波形,3. 故障仿真分析(1) A相一個(gè)功率管開路的波形,a）轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和相電流波形,b）相電流波形,(2) A相一個(gè)功率管短路波形,a）轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和相電流波形,b）相電流波形,(3) A相繞組短路的仿真波形,,,a）轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和相電流波形,b）相電流波形,(4) A相繞組開路下的仿真波形,a）轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和相電流波形,b）相電流波形,

8、(5) 電源電壓突降到25V的仿真結(jié)果,a）轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和相電流波形,b）相電流波形,3.解析計(jì)算結(jié)果表2 整數(shù)槽下有限元計(jì)算結(jié)果 表3 整數(shù)槽下有限元計(jì)算結(jié)果,考慮磁路飽和時(shí)，相繞組自感,,＝1.1598mH，相繞組互感,＝-0.365mH。,九 兩兩導(dǎo)通方式下的星形接法,兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)星形連接方波永磁無刷直流電動機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過程，其運(yùn)行模式可以分為換相和導(dǎo)通兩種運(yùn)行模式，六種運(yùn)行狀態(tài)，即AC→BC→BA→CA→CB→A

9、B→AC。由電機(jī)運(yùn)行模式的周期性，僅以AC導(dǎo)通到BC導(dǎo)通的換相模式和BC導(dǎo)通模式為例分析永磁無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行模式，如圖9。,,（a）AC導(dǎo)通模式 （b）AC導(dǎo)通到BC導(dǎo)通的換向模式 c）BC導(dǎo)通模式圖11 方波永磁無刷直流電動機(jī)運(yùn)行模式圖,,,,根據(jù)三相繞組電流的對稱性，可以導(dǎo)出B相電流一個(gè)周期內(nèi)的電流波形的解析表達(dá)式,,從圖12和圖13中可以看出，相電流的解析計(jì)算波形和仿真波形非常相似，基本接近矩形波，而相電流的下凹是是

10、由換相引起的。,圖12 解析計(jì)算的相電流的波形,圖13 相電流的仿真波形,十 三角形接法,兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)三角形連接方波永磁無刷直流電動機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過程，其運(yùn)行模式可以分為換相和導(dǎo)通兩種運(yùn)行模式，以功率開關(guān)管導(dǎo)通順序來區(qū)分六種運(yùn)行狀態(tài)，即12→23→34→45→56→61→12。由電機(jī)運(yùn)行模式的周期性，僅以12導(dǎo)通到23導(dǎo)通的換相模式和23導(dǎo)通模式為例分析永磁無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行模式，如圖14。,,（a）12導(dǎo)通模式 （b）

11、12導(dǎo)通到23導(dǎo)通的換向模式 （c）23導(dǎo)通模式圖14 方波永磁無刷直流電動機(jī)運(yùn)行模式圖圖15 三角形連接兩兩導(dǎo)通方式下的相電流波形與反電動勢波形,,,,,根據(jù)三相繞組電流的對稱性，可以導(dǎo)出B相電流一個(gè)周期內(nèi)的電流波形的解析表達(dá)式,,從圖16和圖17中可以看出，三角形連接的兩兩導(dǎo)通方式下相電流的解析計(jì)算波形和仿真波形非常相似，圖中相電流的上凸和下凹是由于反電動勢出現(xiàn)線形增加或線形減小。,圖16 解析計(jì)

12、算的相電流的波形,圖17 相電流的仿真波形,總結(jié)和展望,本文在研究過程中主要成果及結(jié)論總結(jié)如下：設(shè)計(jì)了一套以單片機(jī)PIC16F877A芯片為核心的永磁無刷直流電動機(jī)的控制器，并做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立了永磁無刷直流電動機(jī)的Matlab/Simulink仿真模型，并對其正常運(yùn)行和故障情況下進(jìn)行了仿真研究。運(yùn)用磁路分析法，設(shè)計(jì)了一套永磁無刷直流電動機(jī)的電磁設(shè)計(jì)程序。對永磁無刷直流電動機(jī)相繞組的電感參數(shù)進(jìn)行了解析計(jì)算，與

13、有限元結(jié)果進(jìn)行了對比。推導(dǎo)出永磁無刷直流電動機(jī)相繞組的電感計(jì)算公式，并用此解析式得到第四章中設(shè)計(jì)的永磁無刷直流電動機(jī)的相繞組電感；在星形連接的兩兩導(dǎo)通方式下，分析計(jì)算得到計(jì)及繞組電感的永磁無刷直流電動機(jī)的平均電流穩(wěn)態(tài)電路模型。推導(dǎo)出了在三角形連接的兩兩導(dǎo)通方式下，計(jì)及繞組電感的相電流解析式。 本課題雖然對永磁無刷直流電動機(jī)進(jìn)行了研究，并得到了一定的結(jié)果，但是由于時(shí)間的緣故，仍有一些工作需要進(jìn)一步深入。如：控制策略所