【正文】 機械工業(yè)出版社， 2021 [7] 潘建，永磁同步電機控制器 MC33035 的原理及應用。重慶大學出版社， 2021 [5]洪乃剛，電力電子拖動自動控制系統課程設計指導與仿真?？茖W出版社， 2021 [3]郭慶鼎，趙希梅，直流無刷電動機原理與技術應用。 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 36 參考文獻 [1]陳伯時 ， 電力拖動自動控制系統 。同時我還要感謝在我學習期間給我極大關心和支 持的各位老師以及關心我的同學和朋友。抑制永磁同步電動機的轉矩波動是本領域研究的重點和難點。 本系統的不足之處是僅采用了轉速單閉環(huán)控制，因此對電網 電壓波動沒有抑制作用。轉速負反饋得到的反饋電壓，與給定值進行比較后，產生了頻率一定，占空比可調的脈寬序列，并通過功率放大后，對主電路變換器的電力電子元件的導通和關斷進行驅動控制，從而改變電動機的轉速。 本設計中，調速是系統的主要功能，通過研究永磁同步電動機的運行原理，設計了基于霍爾位置傳感器的換相邏輯電路， 并利用 MC33035 和 MC33039 設計了一種無刷電動機的驅動方案。 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 34 5 結論 本文主要利用 MATLAB 對轉速單閉環(huán)無刷直流脈寬可逆調速系統的設計進 行仿真和調試。 仿真 波形如圖 ，圖 所示： 圖 轉速波形圖 圖 定子電流、線電壓波形圖 可以看出系統較好的實現了可 逆調速。因此在仿真中使用了電壓固定的直流電源，沒有對電源電壓波動的情況進行仿真。系統基本達到了無靜差調速。當加載階躍負載后，相電流出現波動，平均轉矩值增加以保持轉速不變。由于轉速很高，此時電機兩相繞組間的合成反電勢已經大于線電壓，母線電流由電機流向電源，電磁轉矩變?yōu)樨撝灯鹬苿幼饔?，電機運行在制動狀態(tài)，轉子的機械能轉化為電源儲存的電能，轉速開始下降。仿真波形如圖 ，圖 ，圖 所示。 圖 Function Block 仿真圖 系統的仿真、仿真結果的輸出及結果分析 當建模和參數設置完成后，即可開始進行仿真。當占空比為 100%時，在本系統的條件下電機轉速為 3000rpm，此時 Uref=+1；當 Uref=1是，電機轉速近似為 0（開關器件有漏電流，仿真結果中仍有微小的轉速）。這里使用的 PWM 發(fā)生器是 Simulink 中的Discrete PWM Generator 模塊，它可以產生占空比方波，頻率設置為 20k。 圖 PWM發(fā)生環(huán)節(jié)結構圖 MATLAB Function 是 Matlab 本身的取絕對值函數，這里的作用是將轉速調節(jié)信號統一轉換為正值，以為后邊計算 PWM 發(fā)生器的占空比提供方便，在這里丟失的 轉速調節(jié)信號的 正負信息將被 轉子位置譯碼子系統接收。送入轉子位置譯碼子系統的目的是實現電機的可逆調速，具體原理已在上一小節(jié)講述?；诖嗽?PI 調節(jié)器選取了圖示的系數。調節(jié)器結構如圖 所示。 本設計采用了轉速單閉環(huán)的控制方法 轉速調節(jié)器采用 PI 調節(jié)器， PI 調節(jié)器的傳遞函數可以直接調用 simulink 中的傳遞函數或零極點模塊，這些模塊是線性的，為 了充分反映在飽和和限幅非線性影響下調速系統的工作情況，需要構建考慮飽和和輸出限幅的 PI 調節(jié)器，線性 PI 調節(jié)器的傳遞函數為 11()P I p pisW S K KK S s???? ? ? () 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 29 式中： pK 比例系數， iK 積分系數， piKK?? 考慮飽和和輸出限幅的 PI 調節(jié)器中比例和積分調節(jié)分為兩個通道，其中積分調節(jié)器 integrate 的限幅 表示調節(jié)器的飽和限幅值，而調節(jié)器的輸出限幅值由飽和模塊 saturation 設定。常用的控制方法一般為雙閉環(huán)調速，內環(huán)為電流環(huán)（轉矩環(huán)），外環(huán)為速度環(huán)（電壓環(huán)）。如果轉子磁極的極對數不為 1，每完成一個通電周期并不會使轉子轉動一周，轉子轉動一周需要的通電周期數目和轉子上的磁極的對數相關，轉子有多少對磁極那么就需要多少個通電周期。每隔 60176。因為轉子為兩 極永磁極（極對數為 1），所以每個霍爾元件的 0 和 1 狀態(tài)都會維持 180176。時會產生最大的轉矩，當這兩個磁場重合時轉矩變?yōu)? 0，為了使轉子不停的轉動，那么就需要按順序改變定子的磁場，就像轉子的磁場一直在追趕定子的磁場一樣。 換相的原理：采用兩兩通電方式時，每一次換向都會有一組繞組處于正向通電；第二組反相通電；第三組不通電。這里采用相隔 120176。幾種。、 240176。霍爾元件位置的安排上，有 60176。下面將以采用兩兩通電方式的三相兩極永磁同步電動機控制系統為例，對其驅動過程進行系統的分析。相對于傳統 直流電機，永磁同步電動機驅動裝置要復雜一些。 此模塊結構如圖 所示： 圖 Decoder模塊框圖 此模塊有 3 個輸入端一個輸出端，它們分別為： Input1：三個霍爾信號 Input2： PWM 信號 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 27 Input3：轉速偏差信號 Output1：逆變橋開關器件控制信號 此模塊的重點在于 Hall2EMF Decoder、 EMF2ControlSingal Forward、EMF2ControlSingal Backward 三個子系統，它們結合起來共同實現了永磁同步電機的換相邏輯控制，下面重點敘述其設計原理。電角度 Inertia， fiction factor and pole pairs:轉動慣量 ^2，摩擦系數，極對數 4 在此參數條件下，可知當直流電壓為 450V，電機采用三相兩兩通電驅動方式，空載轉速為 3000rpm左右。電機參數設置如圖 所示。 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 25 圖 通用逆變橋模塊結構 永磁同步電動機模型：在 Matlab中，永磁同步電動機的模型即可以用 Simulink中提供的電感、電容等電路元件根據其數學模型建立仿真模型，也可以用Sfunction編程建立模型。模塊的 g 端子的功能為接收 6 個功率器件的導通信號。 逆變器采用了 Uinversal Bridage（通用逆變橋），此模塊即可以用于整流也可以用于逆變，具體跟電流的流通方向有關。 其中最關鍵的部分為轉子位置譯碼器、 ASR 和 PWM 波形發(fā)生器及控制電平轉換裝置，下面將重點敘述這幾部分的設計原理。 設計為永磁同步電動機轉速單閉環(huán)可逆調速系統，其主要部分為永磁同步電動機模型、逆變橋、轉子位置譯碼器、 ASR、控制電平轉換裝置及 PWM 波形發(fā)生器及等。 Simulink 中增加了功率系統環(huán)節(jié)庫 (Power System Blockset)，從而可以使其便地實現對電力電子系統的仿真分析。 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 24 4 永磁同步電動機調速系統的 MATLAB 仿真 Matlab 是以矩陣為基本編程單元的一種程序設計語言，它提供了各種矩陣的運算與操作， 并有較強的繪圖功能， 是目前國際上最流行的控制系統計算機輔 助設計軟件。MC33035 輸出驅動一個功率 MOSFET 相橋逆變器。在 MC33039 的管腳 5 出的輸出脈沖串波被 MC33035 的誤差放大器積分，以產生一個支流電平，該電平與與電機轉速成正比。被 MC33035 用作轉子位置譯碼的霍爾傳感器輸出信號同樣可以被 MC33039 使用。圖 采用的是 MC33039， MC33039 由 MC33035 的 平（管腳 8）供電。在電流波形上可能出現尖峰，這種尖峰會導致限流保護誤動作，因此在電流檢測管腳 處需要外加RC 濾波器，以避免這種情況的發(fā)生。圖中功率開關器件為 MOSFET 管，在任意給定的一個轉子位置，同時只有一個上橋臂和下橋臂開關管導通，兩個導通的管子分屬不同的的圖騰柱。而當該腳接地時，頂端驅動輸出將關閉，并將底部驅動強制為低，從而使電動機停轉。當輸入狀態(tài)改變時，指定的傳感器輸入編碼將從高電平變?yōu)榈碗娖?，從而改變整流時序，以使電機改變旋轉方向。電氣相位的窗口內分辨出電機轉子的位置。其三個傳感器輸入有八種可能的輸入編碼組合，其中六種是有效的轉子位置，另外兩種編碼組合無效?；? 300176。、 120176。 / 120176。 用 MC33035 系列產品控制的三相電機可在最常見的四種傳感器相位下工作。傳感器輸入可直接與集電極開路型霍爾效應開關或者光電耦合器相連接。電傳感器相位的永磁同步電機，并且還能有效地控制 有刷直流電機?；?120176。MC33035 設計為操作帶 60176。該器件一個用于良好整流序列的轉子譯碼器、可提供傳感器電源的帶溫度補償的參考電壓、頻率可編程的鋸齒波振蕩器、三個集電極開路的頂部驅動器、以及三個非常適用于驅動大功率 MOSFET 的大電流推挽地步驅動器組成。下面將講述 MC33035 的基本工作原理和應用。而將控制器內嵌到電機內部更是不可能。這種控制方式可以減小開關損耗但是當電機電流較小時會出現電流斷續(xù)的現象。 本設計采用受限單極式控制方式。脈寬調制變換器是采用脈沖寬度調制的一種直流斬波器。 圖 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 19 本設計由于采用 MATLAB/Simulink 仿真平臺進行電路仿真， Simulink 模型庫中的電力系統模型庫 (Power System Blockset)里提供了直流、交流電源模塊，因此在仿真電路設計中，可直接用直流電源代替三相不控整流直流電源。這時，可以采用圖 中的鎮(zhèn)流電阻 Rb 來消耗掉部分動能。 電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調速系統所需的電容量達到數千 微法 。 圖 直流電源圖 對于 PWM 變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當電機制動時吸收運行系統動能的作用。型三相逆變器，任一時刻只有兩相通電 ，永磁同步電動機的輸出相電壓幅值為 12sUU?，因此，對于每相繞組有如下動態(tài)方程式： 12 ds d a a diU U i R L Edt? ? ? ? () 式中： sU 電源電壓 忽略粘性摩擦，電動機的轉矩平衡方程式為： 2375 adl emRGDMM CC?? () 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 17 由式 ()可得： mdLaT dEii R dt?? () 對式 ()和式 ()兩邊分別進行拉式變換后得： 1()1 1( ) ( )2daLsI s RTsU s E s ? ?? () ()( ) ( ) ad L mREsI s I s T s?? () 聯合式 ()和式 ()，并考慮到 eE Cn? ，得到永磁同步電動機的動態(tài)結構圖，如圖 所示。由兩相繞組經逆變器串聯組成，所以有 2 15md m mpNE E n? ? ? () 因此，電磁轉矩表達式可化為： 24m d md m dE I p NTIn?? ? ?? () 式中： Id —— 方波電流的幅值 ? — 電機的角速度， 260n??? 由式 ()可以看出，永磁同步電動機的電磁轉矩表達式與普通直流電機相同，其電磁轉矩大小與磁通和電流的幅值成正比，所以控制逆變器輸出方波電流的幅值即可控制直流無刷方波電機的轉矩。電角度的梯形波； (3) 忽略齒槽效應，電樞導體連續(xù)均勻分布于電樞表面； (4) 驅動系統逆變電路的功率器件和續(xù)流二極管均具有理想的開關特性。對稱放置。 以兩極三相永磁同步電動機為例來說明數學模型的建立過程。每隔 60176。電角度后，換向到 T1T2T3 通電，而后依此類推。大小仍然是 Ta。這時電流分別從 T1 和 T3 流入，經 A相和 B 相繞組 (相當于 A 相和 B相并聯 )再流入 C相繞組，經 T2流出。經過 60176。當 T6T1T2 導通時，電流從 T1 管流入 A相繞組，經 B相和 C相繞組 (這時 B和 C兩相繞組為并聯 )分別從 T6和 T2 流出。換向一次，每個功率管通電 18