【正文】 電式傳感器、磁敏式位置傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器等。它具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境要求小等優(yōu)點(diǎn)，但這種傳感器體積較大，信噪比較低，同時(shí)其輸出波形為交流，一般需要經(jīng)整流、濾波方可使用。它具有定位精度高、價(jià)格便宜、易加工等特點(diǎn)，但對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力較差，輸出信號(hào)需加整形電路處理。常見(jiàn)的類(lèi)型有霍爾元件、磁敏電阻和磁敏二極管等?；魻杺鞲衅鞯膽?yīng)用比較廣泛 旋轉(zhuǎn)變壓器一般用在多相電機(jī)的控制中，它可以輸出多路位置信號(hào)，滿足多相電機(jī)控制的要求，但安裝不易，價(jià)格較昂貴，普通的 三相永磁同步電機(jī)很少用旋轉(zhuǎn)變壓器?；魻栃?yīng)是指當(dāng)通電導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中，由于磁場(chǎng)的作用力使得導(dǎo)體內(nèi)的電荷會(huì)向?qū)w的一側(cè)聚集，當(dāng)薄平板通電導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中時(shí)這種效應(yīng)更為明顯，這樣一側(cè)聚集了電荷的導(dǎo)體會(huì)抵消磁場(chǎng)的這種影響，由于電荷在導(dǎo)體一側(cè)的聚集，從而使得導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象就西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 稱(chēng)為霍爾效應(yīng)， 霍爾在 1879 年發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，故以此命名 。；兩個(gè)輸出端輸出霍爾電壓，兩個(gè)控制端輸入控制電流。從霍 爾片的結(jié)構(gòu)來(lái)看，它的制作和半導(dǎo)體元件將近。由砷化鎵制成的霍爾元件性能最好但是價(jià)格高限制了應(yīng)用。上述霍爾元件所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)不夠大，在應(yīng)用時(shí)往往要外接放大器，很不方便。霍爾集成電路按功能分有線性型和開(kāi)關(guān)型兩種。 霍爾元件安放在電機(jī)的固定位置，將霍爾元件安放到電機(jī)的定子是比較復(fù)雜的，因?yàn)槿绻卜艜r(shí)位置沒(méi)有和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相切那么就可能導(dǎo)致霍爾元件的測(cè)量值不能準(zhǔn)確的反應(yīng)轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，鑒于以上原因，為了簡(jiǎn)化霍爾元件的安裝，通常在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝一顆冗余的磁體，這個(gè)磁體專(zhuān)門(mén)用來(lái)感應(yīng)霍爾元件，這樣就能起到和轉(zhuǎn)子磁體感應(yīng)的相同效果，霍爾元件一般按照?qǐng)A周安放在印刷電路板上并配備了調(diào)節(jié)蓋，這樣用戶就可以根據(jù)磁場(chǎng)的 方向非常方便的調(diào)節(jié)霍爾元件的位置以便使它工作在最佳狀態(tài)。、 120176。等多種形式。無(wú)位置傳感器控制方式下的永西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 磁同步電動(dòng)機(jī)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在一定程度上克服了位置傳感器安裝不準(zhǔn)確引起的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。因此無(wú)位置傳感器控制技術(shù)越來(lái)越受到重視，同時(shí)，隨著檢測(cè)手段、控制技術(shù)的發(fā)展以及微控制器性能的提高，無(wú)位置傳感器控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展，部分技術(shù)已經(jīng)實(shí)用化。 在各種無(wú)位置傳感器控制方法中，反電勢(shì)法是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種位置檢測(cè)方法。電角度，得到六個(gè)離散的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制。 圖 反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)與換相時(shí)刻的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖 還有一方面需要考慮：當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比較低的時(shí)候，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)比較小，以致過(guò)零檢測(cè)電路無(wú)法正常檢測(cè)，因而難以實(shí)現(xiàn)電機(jī)自啟動(dòng)。目前，在無(wú)位置傳感器控制算法中，轉(zhuǎn)子初始位置的估值主要是電感法。西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 由于永磁體的磁阻大，繞組電感小，電感法判斷轉(zhuǎn)子初始位置計(jì)算量大且需要精確測(cè)量電流。轉(zhuǎn)子定位法使用簡(jiǎn)單，但對(duì)整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程而言 ，啟動(dòng)前轉(zhuǎn)子初始位置未知，電機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)且定位期間電流較大。 無(wú)位置傳感器控制方法可以簡(jiǎn)化制造節(jié)約成本。 PWM 調(diào)制技術(shù) 前面已經(jīng)講過(guò)，永磁同步電動(dòng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)系統(tǒng)和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。 主電路是由電力電子器件組成的，擔(dān)負(fù)著電能的變換和調(diào)控任務(wù)。電力電子器件以開(kāi)關(guān)方式工作，通過(guò)控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達(dá)到變壓變頻，從而把直流電壓變成交流電壓驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)所謂的 PWM 控制。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可控關(guān)斷的即自關(guān)斷電力電子器件，即全控式器件。同時(shí)由于開(kāi)關(guān)頻率的提高，直流脈沖寬度調(diào)制 (PWMM)調(diào)速控制系統(tǒng)與 VM 調(diào)速控制系統(tǒng)相比，電流容易 連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較小，低速性能好，穩(wěn)精度高，系統(tǒng)通頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。下面簡(jiǎn)要介紹一下 PWM 控制技術(shù)的原理。 PWM 極數(shù)可以激起有效的進(jìn)行諧波抑制，在頻率、效率方面有著明 顯的優(yōu)點(diǎn)，使逆變電路的性能與可靠性得到了明顯的提高。由于這種逆變器，只有一個(gè)可控的功率級(jí)，簡(jiǎn)化了主電路和控制回路的結(jié)構(gòu)，因而體積小、重量輕、可靠性高。此外， PWM 技術(shù)還提高了逆變器對(duì)交流電網(wǎng)的功率因數(shù)。這是所有 PWM 技術(shù)的最 根本的理論基礎(chǔ)。把每半個(gè)周期內(nèi)，輸出電壓的波形分割成若干個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的寬度為 t1， 每?jī)蓚€(gè)脈沖間的間隔寬度為 t2，則脈沖的占空比為 ? 112ttt?? ? () 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 PWM 調(diào)制原理 此時(shí)，電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率是，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，也同樣可以實(shí)現(xiàn)變頻變壓 的效果， 所以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比 ,可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的 ,而且輸出電壓可以無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié) 。 它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM 波 ， 通過(guò)改變 脈沖列的周期可以調(diào)頻 ,改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓 ，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化 。 ② SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的 ，是 目前使用較廣泛的 PWM法 。在工程應(yīng)用中感興趣的是基 波分量，假定矩形脈沖的幅值 Vd 恒定，半周期內(nèi)的脈沖數(shù) N 也不變，通過(guò)理論分析可知，其基波的幅值 V1m 與脈寬 δ i 有線性關(guān)系，如下式 1 14 2 1[ s in ( ) ]2 2 2Nmd i iiVV ??? ? ?? ? ?? () 上式說(shuō)明，逆變器輸出基波電壓幅值隨調(diào)制脈沖的寬度而變化，只要采取措施，西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 利用控制信號(hào)去調(diào)節(jié)脈寬，即可調(diào)節(jié)基波幅值。 在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按正弦波規(guī)律來(lái)安排。反之，當(dāng)正弦波值較小時(shí)，脈沖的寬度 也最小而脈沖間的間隔則較大。 在一般的直流電動(dòng)機(jī)中，電樞繞組元件有某一支路進(jìn)入另一支路式，元件中的電流和電動(dòng)勢(shì)都要改變方向。 為消除一般直流電動(dòng)機(jī)所存在的一些弊病，人們研發(fā)出的以電子換相代替機(jī)械換向的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)由電動(dòng)機(jī)本體、功率開(kāi)關(guān)主電路及轉(zhuǎn)子磁極位置 傳感器等三部分組成的閉環(huán)系統(tǒng)。把基本系統(tǒng)中的功率開(kāi)關(guān)電路、轉(zhuǎn)子磁極位置傳感器及相關(guān)的電子電路合并在一起稱(chēng)為電機(jī)換向器。 由于位置傳感器、功率開(kāi)關(guān)在前面一節(jié)已經(jīng)講述，故這里只涉及到永磁同步電機(jī)定子繞組通定子換相器之間的各種連接方法和特點(diǎn)，由于大多數(shù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組為三相繞組，故以三相繞組作為重點(diǎn)講述。圖中， LA、 LB、 LC 分別是電機(jī)定子 A、 B、 C三相繞組， T T T3為功率器件，分別于電機(jī)三相繞組相連。在換相過(guò)程中，定子各相繞組在氣隙中所形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是跳躍的，在一個(gè)周期內(nèi)每相通電 120176。由此可見(jiàn)，采用三相半橋式驅(qū)動(dòng)方式的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)元件少、成本較低、控制簡(jiǎn)單，但是其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大、電機(jī)繞組利西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 用率低， 每個(gè)繞組只通電 1/3 周期時(shí)間，在運(yùn)行過(guò)程中其轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)較大， Tm/2到 Tm 而且直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電源線需要引出中性線 ，而且反轉(zhuǎn)控制相對(duì)困難。 圖 三相半橋式驅(qū)動(dòng)電路 三相全控電路 圖 全控橋電路圖 圖 給出了一種全控橋電路，電動(dòng)機(jī)繞組為 Y 聯(lián)接。他們的導(dǎo)通方式又可分為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種方式。電角度。如設(shè)流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，則從繞組流出的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)，它們的合成轉(zhuǎn)矩，其大小為 aT3 。電角度后，由 T1T2通電換成 T2T3 通電，這時(shí)電流從 T3流入 B相繞組再?gòu)?C 相繞西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 組流出，經(jīng) T2 回到電源，此時(shí)合成的轉(zhuǎn)矩，其大小同樣為 aT3 ，但合成轉(zhuǎn)矩 bcT的方向轉(zhuǎn)過(guò)了 60176。而后每次換相一個(gè)功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過(guò) 60176。 所以，同樣一臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)，每相繞組通過(guò)與三相半控電路同樣的電流時(shí)，采用三相 Y 連接全控電路，在兩兩換向的情況下，其合成轉(zhuǎn)矩增加了 aT3倍。電角度換向一次 ，每個(gè)功率管通電 120176。其中正相通電和反向通電各 120176。 (2)三三通電是指每一瞬間均有三只功率管同時(shí)導(dǎo)通，每隔 60176。它們的導(dǎo)通次序是 T1T2T3, T2T3T4, T3T4T5, T4T5T6, T6T1T2, TIT2T3。這時(shí)流過(guò) B相和 C相繞組的電流分別為 流過(guò) A 相繞組的一半，其合成轉(zhuǎn)矩大小為 。電角度后，換向到 T1T2T3 通電，即先關(guān)斷 T6 而后導(dǎo)通 T3(注意，一定要先關(guān) T6而后通 T3，否則就會(huì)出現(xiàn) T6 和 T3 同時(shí)通電，則電源被 T3 和 T6 短路，這是絕對(duì)不允許的 )。其方向與 C 相同，轉(zhuǎn)過(guò)了 60176。再經(jīng)過(guò) 60176。在這種通電方式里，每瞬間均有三個(gè)功率管通電。換向一次，每次有一個(gè) 功率管換向，每個(gè)功率管通電 180176。電機(jī)定子繞組為 Y 接集中整距繞組，轉(zhuǎn)子采用隱極內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)， 3 個(gè)霍爾元件在空間相隔 120176。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，另作如下假設(shè)以簡(jiǎn)化分析過(guò)程： (1) 忽略電機(jī)鐵心飽和，不計(jì)渦流損耗和磁滯損耗； (2) 不計(jì)電樞反應(yīng)，氣息磁場(chǎng)分布近似認(rèn)為是平頂寬度為 120176。 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 可得三相繞組電壓平衡 方程為： 0 0 M 0 0 M M0 0 M M a a a ab b b bc c c cu i i er L Mu r i L p i erLu i i e? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? () 式中： ua ub uc 定子繞組相電壓 (V) ia ib ic 定子繞組相電流 (A) ea eb ec 定子繞組相電動(dòng)勢(shì) (V) p — 微分算子 p=ddt L — 每相繞組的自感 (H) M — 每?jī)上嗬@組的互感 (H) 由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子的位置變化而變化，因此，定子繞組的自感和互感為常數(shù)當(dāng)三相繞組為 Y 連接，并且沒(méi)有中線時(shí)，則有： ia+ib+ic=0 Mib+Mic=Mia 將式式代入式可得電壓方程為： ??????????????????????????????????????????????????????????????????cbacbacbacbacbaeeeiiipMLMLMLiiiRRRuuu000000000000 () 電磁轉(zhuǎn)矩為： ? ?ccbbaad ieieieT ???? 1 ( ) 式中：Ω 電機(jī)的角速度 (rad/s) 在通電期間，永磁同步電動(dòng)機(jī)的帶電導(dǎo)體處于相同的磁場(chǎng)下，各相繞組的 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： 30mmmpNEn?? () 式中 ： pm — 極對(duì)數(shù) 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 n — 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 從變頻器的直流端看， Y 型聯(lián)結(jié)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E。另外電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程為： didT J B Tdt?? ? ? ? () 進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得 1 ()dldBTTd t J J??? ? ? () 式中： lT — 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 J — 轉(zhuǎn)子與負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 B— 粘滯阻尼系數(shù) 由于本系統(tǒng)采用 120176。 圖 永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 3 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖 所示電網(wǎng)電壓一般為三相交流電，直流電源如圖 所示，逆變橋驅(qū)動(dòng)器件的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C 濾波，以獲得恒定