【正文】 s i n)(751751531???????????????????????????????tItItItitItItItitItItItimmmCmmmBmmmA () 將式子（ ）、（ ）代入式子（ ）整理之后可以得到無刷直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的另一種表達(dá)方式，如式子（ ）所示： ...24c o s12c o s6c o s 241260 ????? tTtTtTTT eeeee ??? （ ） 式子中， 0eT 等的具體表達(dá)式如式子（ ）所示： )(2 3 11117755110 mmmmmmmmmeIEIEIEIET ???? ? （ ） ? ?? ?? ?...)()()(23...)()()(23...)()()(237173151929123252471125513231171918711155111576?????????????????????mmmmmmmmmmemmmmmmmmmmemmmmmmmmmmeIEEIEEIEETIEEIEEIEETIEEIEEIEET??? 可以從式子（ ）看到，無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩分解后，它的諧波僅僅由含六倍次基頻率的轉(zhuǎn)矩紋波組成，它的幅值由對(duì)應(yīng)的電流和反電動(dòng)勢(shì)幅值的乘積所決定的，在紋波中，六次諧波轉(zhuǎn)矩是電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要分 量，而在 ABC 三相反電動(dòng)勢(shì)中五次、七次諧波是主要分量，所以把三相反電動(dòng)勢(shì)寫成如式子（ ）所示： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ???????????????????????????????????????????????????347s i n34534s i n327s i n32532s i n7s i n5s i n751751751???????????????tEtEtEetEtEtEetEtEtEemmmCEmmmBEmmmAE () 由 3s/2s 變換和 2s/2r 變換可將式子（ ）在 M、 T 坐標(biāo)系，或者 d、 q 坐標(biāo)系下，變換為（ ） : tEtEetEtEemmqEmmdE????6s i nc o s6s i ns i n5151???? （ ） 在 d、 q 軸坐標(biāo)系下的電磁 轉(zhuǎn)矩公式如式子（ ）所示 : )(23 qqEddEmPe ieieNT ?? ? （ ） 其中， Np為極對(duì)數(shù)， dEe 和 qEe 分別為反電動(dòng)勢(shì)的 d 軸和 q 軸分量，三。單位安培定子電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大，可以獲得最高的轉(zhuǎn)矩電流比，電機(jī)的銅耗也最小。 綜上所述的各種控制策略各有不同的應(yīng)用場(chǎng)合，本文所采用的控制方式為 id=0 控制。而反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速和氣隙磁通乘積成正比，因此必須維持電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速和氣隙磁通乘積不變，也就是使氣隙磁通隨轉(zhuǎn)速增大而減小，即所謂的弱磁控制。同樣與（ 1）相比，在同樣大小定子電流情況下，這種方式的轉(zhuǎn)矩相對(duì)較大。 （ 3）恒磁鏈控制 恒磁鏈控制的原理是控制電動(dòng)機(jī) id、 iq，讓電動(dòng)機(jī)定子繞組產(chǎn)生磁通保持恒定，并且使它產(chǎn)生的磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈相等。這種控制方法簡(jiǎn)單易行，轉(zhuǎn)矩性能良好、計(jì)算簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好。目前無刷直流電動(dòng)機(jī)矢量控制的方法主要有以下幾種： （ 1） id = 0 控制 id=0 控制也稱作（轉(zhuǎn)子）磁場(chǎng)定向控制，在這種控制策略中，將三相電流進(jìn)行坐標(biāo)變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上面的電流 id 和 iq，實(shí)現(xiàn)了 d、 q 軸電流的解耦。但如果直接使用三相電流來控制，計(jì)算很復(fù)雜，所以需要將定子側(cè)的各個(gè)物理量經(jīng)過坐標(biāo)變換變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，從這個(gè)坐標(biāo)系上看，電流等空間矢量就變成了直流矢量，所以找到這個(gè)坐標(biāo)系中 的各個(gè)分量和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，就可以計(jì)算出控制轉(zhuǎn)矩所需要的各個(gè)分量的值，然后將這些值逆變換回三相靜止坐標(biāo)系，這就能夠獲得像直流電動(dòng)機(jī)一樣的控制性能。通過電動(dòng)機(jī)外部的控制系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)電樞磁場(chǎng)和勵(lì)磁磁場(chǎng)進(jìn)行定向控制，也就是控制磁場(chǎng)間的空間電角度，進(jìn)一步說，想要獲得和普通直流電動(dòng)機(jī)一樣的調(diào)速特性，那么只要電樞電流矢量能夠按照我們的意愿變化就可以了。 確定了 id、 iq 的控制策略后，只要進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)反變換就能得到三相 ABC 電流的控制方法，這樣就能像控制普通直流電動(dòng)機(jī)一樣控制無刷直流電機(jī)了。但與 ɑβ 坐標(biāo)系相比， dq 坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的方法不同：它是在同步旋轉(zhuǎn)的 d,q 繞組中通入兩直流量 id,iq，合成磁動(dòng)勢(shì) F1相對(duì) dq 坐標(biāo)系是靜止的，依靠 dq坐標(biāo)系本身的同步旋轉(zhuǎn)，使 F1成為同步旋轉(zhuǎn)的圓 形磁動(dòng)勢(shì)。不過需要特別注意的是，這里的電流都是空間矢量，而不是時(shí)間矢量。圖 繪了三相 ABC 和兩相αβ坐標(biāo)系，為了方便分析，取 A 軸和α軸方向一致并且相互重合假設(shè)三相 繞組每相的匝數(shù) N3，兩相繞組每相有效匝數(shù) N2，每相的磁動(dòng)勢(shì)等于各自相電流乘以對(duì)應(yīng)的匝數(shù)，他們的空間矢量都與各相的坐標(biāo)軸相重合。更進(jìn)一步如果磁通方向是固定在 d 軸上，那這個(gè)模型基本上就等效于直流電動(dòng)機(jī)物理模型。類似的在圖 (c)中有兩個(gè)互相垂直的繞組 d 和 q，它們的匝數(shù)相等，分別通電流 id和 iq,產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢(shì) F，合成磁勢(shì)的位置相對(duì) d、q 坐標(biāo)系來說是靜止的。永磁無刷直流電機(jī)的物理模型可以等效變換成類似直流電機(jī)模型，分析和控制就可以大大簡(jiǎn)化，而這些都是基于坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式是 iCT Te ?? ? ，式中 eT 為電磁轉(zhuǎn)矩， TC 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，i 為電樞電流， ? 為磁通。在三相靜止坐標(biāo)系上，永磁無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜模型。因此，磁動(dòng)勢(shì)不變是不同坐標(biāo)系間進(jìn)行變換的一項(xiàng)基本原則。將式子（ ）和（ ） 代入（ ）式子中得到： dtdnGDTT Le ??? 3 7 52 （ ） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第三章 矢量控制坐標(biāo)變換 坐標(biāo)變換 從一種坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一種坐標(biāo)系的變換稱為坐標(biāo)變換。而被導(dǎo)通的兩相繞組上電流方向和反電動(dòng)勢(shì)（依次記作 i， E）大小數(shù)量上相等，方向相反，所以電機(jī)的電子轉(zhuǎn)矩也可以表示成式子（ ） ?? EiTe 2 （ ） （ 3） 運(yùn)動(dòng)方程 無刷直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為： dtdJTTLe??? （ ） 式中 J 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kg ；互感均相等為 M。 （ 1） 電壓方 程 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，繞組可等效為純電阻和純電感的串聯(lián)，故電機(jī)繞組上的電 壓是電阻壓降和電感感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和，任意繞組的電壓方程為： xxxx eiRu ?? （ ） 其中， xu —— 相繞組電壓； xR —— 每相繞組的電阻； xi —— 流過繞組的電流； xe —— 每相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其中 dtdex ??； x? —— 每相繞組的磁鏈。 （ 3）忽略齒槽效應(yīng)和電樞反應(yīng)。 無刷直流電機(jī)的基本方程 理想的無刷直流電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)是梯形波，本文在靜止的 ABC 三相坐標(biāo)系上以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，在分析無刷直流電機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上建立了它的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。定子磁勢(shì) Fa 與轉(zhuǎn)子磁勢(shì) Ff 的相互作用繼續(xù)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以順時(shí)針方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。該過程中電流的流經(jīng)的 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 途徑為： E+→ V1 管→ A 相繞組→ B 相繞組→ V6 管→ E。通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，經(jīng)控制電路對(duì)轉(zhuǎn)子信號(hào)進(jìn)行邏輯變 換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制 PWM 信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路對(duì) PWM 信號(hào)的放大后控制開關(guān)器件的開通 與關(guān)斷讓各相繞組按照一定順序通電，從而保證電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。 (3)電磁式位置傳感器 電磁式位置傳感器由定子和跟蹤轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子一般用硅鋼片或者用高頻鐵氧體材料壓鑄而成，一般有磁芯、高頻激磁輸入繞組和輸出繞組三部分組成；跟蹤轉(zhuǎn)子的外觀為一圓柱體，其由非導(dǎo)磁材料制作而成，一般有扇狀形式的磁芯和不具有導(dǎo)磁性質(zhì)的襯套兩部分組成。 霍爾位置傳感器體積較小、制造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較高、價(jià)格相對(duì)比較低， 但是其抗干擾能力較差，受工作環(huán)境的溫度影響比較大，因此，該傳感器一般應(yīng) 用于對(duì)性能要求不高和環(huán)境適宜的場(chǎng)合。速度和電流信號(hào)采集、處理模塊所輸出的信號(hào)決定各相繞組導(dǎo)通的順序和通斷時(shí)間。單一繞組的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比較大，但是用戶一般對(duì)無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要求較高，通常為了獲得較為平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩而采用多相繞組結(jié)構(gòu)。 第四章、第五章為無刷直流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)及仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)前幾章對(duì)理論的研究，結(jié)合推導(dǎo)的數(shù)學(xué)方程，建立 MATLAB/SIMULINK 仿真模型，得出仿真結(jié)果，根據(jù)結(jié)果驗(yàn)證控制理論并對(duì)結(jié)果進(jìn)行說明分析。主要內(nèi)容及章節(jié)安排如下： 第一章為緒論。它以定子電流和頻率為控制量，保持電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)大小不變，而改變磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)控制。日本在研究無速度傳感器方面較為先進(jìn)，主要體現(xiàn)在結(jié)合了通用變頻器的應(yīng)用方面；美國(guó)則是對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的識(shí)別進(jìn)行了深入地研究，并且將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等一些智能控制技術(shù)應(yīng)用其中；而德國(guó)則致力于大功率系統(tǒng)中矢量控制方法的應(yīng)用，西門子 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 公司已經(jīng)開始在交流傳動(dòng)電力機(jī)車等兆瓦級(jí)功率場(chǎng)合應(yīng)用矢量控制技術(shù)。從同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系看，電機(jī)各空間矢量就變成了直流矢量，繼而根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的形式，找到被控矢量（電壓或者電流）各個(gè)分量和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，就可以實(shí)時(shí)地計(jì)算出轉(zhuǎn)矩控制所需要的被控矢量的各個(gè)分量值。若電樞電流矢量的幅值也能控制，就可以獲得與直流電動(dòng)機(jī)同樣的調(diào)速性能。矢量控制系統(tǒng)是通過坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)在按照磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上等效成直流電機(jī)，從而模仿直流電機(jī)進(jìn)行控制，使交流電機(jī)的調(diào)速性能達(dá)到或 超過直流電機(jī)的性能。 矢量控制策略概述 矢量控制理論以及基于磁場(chǎng)定向控制技術(shù)