永磁式雙凸極電機(jī)新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究.pdf

1、永磁式雙凸極電機(jī)既有開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，又有永磁無刷電機(jī)高的功率重量比、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，因此受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。 本文主要致力于永磁式雙凸極電機(jī)新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究。在電機(jī)本體有限元計(jì)算的基礎(chǔ)上，分析轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的形成機(jī)理，研究電機(jī)開通關(guān)斷角與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的關(guān)系、轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、速度調(diào)節(jié)器的魯棒性控制以及位置信號(hào)的故障診斷與容錯(cuò)控制等。 針對(duì)6/4極永磁式雙凸極電機(jī)，采用ANSOFT公司的Maxwell軟件對(duì)電

2、機(jī)內(nèi)磁場進(jìn)行分析計(jì)算，研究了電機(jī)的磁場分布、氣隙磁密、繞組電感、繞組磁鏈、磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩等基本靜態(tài)特性。模擬了實(shí)際電流的換相過程，給出了電機(jī)帶載后的磁場分布和參數(shù)變化規(guī)律。還對(duì)6/4極電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)和12/8極永磁式雙凸極電機(jī)進(jìn)行空載有限元分析，說明了換相前后磁鏈變化率基本相同這一特征是永磁式雙凸極電機(jī)的共性。在有限元計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了基于MATLAB/SIMULINK的非線性電感和磁鏈的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，為研究永磁式雙凸極

3、電機(jī)新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。 研究永磁式雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的形成機(jī)理，從換相脈動(dòng)和穩(wěn)態(tài)脈動(dòng)角度出發(fā)，分析換相脈動(dòng)的產(chǎn)生原因，給出了換相脈動(dòng)是電機(jī)主要轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的結(jié)論。為減小換相時(shí)三相同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷引起的換相脈動(dòng)，提出了新型開通關(guān)斷角控制策略，提高了換相期間輸出轉(zhuǎn)矩，減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。同時(shí)結(jié)合理論分析，研究了換向相電流比大小對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響，推導(dǎo)出換向相的最優(yōu)電流比，減小系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

4、通過對(duì)永磁式雙凸極電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩的分析，得出永磁轉(zhuǎn)矩是電機(jī)的主要輸出轉(zhuǎn)矩，以及永磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是電機(jī)主要脈動(dòng)的依據(jù)。由于永磁式雙凸極電機(jī)的電流與轉(zhuǎn)矩之間呈較嚴(yán)重的非線性，為進(jìn)一步減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，以及適合車載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提出了轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的控制策略，并構(gòu)造了轉(zhuǎn)矩觀測器。由于電機(jī)無中線，為得到轉(zhuǎn)矩觀測器所需的相電壓，推導(dǎo)了線電壓到相電壓的轉(zhuǎn)換公式，并設(shè)計(jì)了二階濾波器對(duì)線電壓進(jìn)行濾波，同時(shí)利用過采樣和數(shù)字濾波的方法，提高了電壓的采樣精度，快速準(zhǔn)確

5、計(jì)算三相相電壓，進(jìn)而實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，與電流控制相比，轉(zhuǎn)矩控制時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，低速時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小。 由于電動(dòng)機(jī)長時(shí)間運(yùn)行后磁飽和、繞組溫度變化等內(nèi)部參數(shù)改變，以及外部擾動(dòng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和控制性能變壞。為減小參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾性能，對(duì)具有強(qiáng)魯棒性的滑模變結(jié)構(gòu)控制進(jìn)行理論分析。建立了系統(tǒng)狀態(tài)方程，推導(dǎo)了滑?？刂戚敵隽颗c電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，根據(jù)等效控制理論，利用一階濾波器減小

6、滑?？刂贫墩?。引入了前饋控制，首次在雙凸極電機(jī)上設(shè)計(jì)了基于新型比例滑模控制的速度調(diào)節(jié)器，減小了一階濾波器對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。根據(jù)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，給出了前饋控制增益和滑模控制參數(shù)的調(diào)節(jié)方法。 為提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，開展了永磁式雙凸極電機(jī)位置信號(hào)的故障診斷與容錯(cuò)控制研究。分析了位置信號(hào)故障后電機(jī)電流與轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律、故障前后位置信號(hào)電平的變化以及故障瞬間可能形成的邊沿對(duì)系統(tǒng)觸發(fā)中斷的影響。根據(jù)三相位置信號(hào)的特征及邊沿觸發(fā)模