無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及控制

1、無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)James P. Johnson, Caterpiller公司本章的題目是無刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)。無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDC）的運(yùn)行仿效了有刷并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)或是永磁直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。通過將原直流電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)外對(duì)調(diào)變成采用包含電樞繞組的交流定子和產(chǎn)生磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)子使得該仿效得以可能。正如本章中要進(jìn)一步討論的，輸入到BLDC定子繞組中的交流電流必須與轉(zhuǎn)子位置同步更變，以便保持磁場(chǎng)定向，或優(yōu)化定子電流與轉(zhuǎn)子磁通的相互作用，類似于有刷直流電動(dòng)機(jī)中換向器、電刷對(duì)繞組的作用。該原理的實(shí)際運(yùn)用只能在開關(guān)電子學(xué)新發(fā)展的今天方可出現(xiàn)。BLDC電機(jī)控制是今天世界上發(fā)展最快的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)?？梢灶A(yù)見

2、，隨著BLDC的優(yōu)點(diǎn)愈益被大家所熟知且燃油成本持續(xù)增加，BLDC必然會(huì)進(jìn)一步廣泛運(yùn)用。2011-01-3023.1 BLDC基本原理在眾文獻(xiàn)中無刷直流電動(dòng)機(jī)有許多定義。NEMA標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)/定位控制電動(dòng)機(jī)和控制中對(duì)“無刷直流電動(dòng)機(jī)”的定義是：“無刷直流電動(dòng)機(jī)是具有永久磁鐵轉(zhuǎn)子并具有轉(zhuǎn)軸位置監(jiān)測(cè)來實(shí)施電子換向的旋轉(zhuǎn)自同步電機(jī)。不論其驅(qū)動(dòng)電子裝置是否與電動(dòng)機(jī)集成在一起還是彼此分離，只要滿足這一定義均為所指?！?圖23.1 無刷直流電機(jī)構(gòu)形2011-01-31 若干類型的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)被歸類于無刷直流電機(jī)，它們包括：1 永磁同步電機(jī)（PMSMs）；2 梯形反電勢(shì)(back - EMF)表面安裝磁鐵無刷直流電

3、機(jī)；3 正弦形表面安裝磁鐵無刷直流電機(jī)；4 內(nèi)嵌式磁鐵無刷直流電機(jī)；5 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置組合式無刷直流電機(jī)；6 軸向磁通無刷直流電機(jī)。圖23.1給出了幾種較常見的無刷直流電機(jī)的構(gòu)形圖。永磁同步電機(jī)反電勢(shì)是正弦形的，其繞組如同其他交流電機(jī)一樣通常不是滿距，或是接近滿距的集中式繞組。許多無刷直流電機(jī)的繞組也是這樣。表面安裝式磁鐵無刷直流電機(jī)的反電勢(shì)波形通常取決于磁鐵的磁場(chǎng)取向。要獲得正弦形反電勢(shì)的一般方法是采用磁鐵的并聯(lián)式磁化方向。而梯形反電勢(shì)則采用徑向磁化方向。最一般的無刷直流電機(jī)形式是4極，類梯形反電勢(shì)波形的表面安裝磁鐵電機(jī)。23.2 控制原理和控制策略一般的自同步無刷直流電動(dòng)機(jī)逆變器和驅(qū)動(dòng)的結(jié)

4、構(gòu)圖如圖23.2所示。圖中所示之驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常較多用于電壓源逆變器（VSI）。電壓源逆變器的對(duì)應(yīng)是電流源逆變器（CSI）。VSI之所以較為廣泛運(yùn)用是因?yàn)槠涑杀?、重量、?dòng)態(tài)性能，以及易于控制均優(yōu)于CSI1。兩種逆變器重量和成本的差異是由于VSI采用電容器進(jìn)行直流耦合，而CSI須要在整流器和逆變器之間接有笨重的電抗器。VSI在動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力上也與CSI不同。由于大的電抗器的作用就是滿足CSI作為恒流源的較大的換向重疊角的需要，防止電機(jī)繞組中電流的快速變化，抑制電機(jī)的高速伺服運(yùn)行。這就會(huì)加大驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中阻尼器的尺寸。對(duì)于CSI所期望得到的恒流控制和恒轉(zhuǎn)矩控制性能，在VSI中，也可通過其內(nèi)部的電流控制環(huán)中滯

5、后型電流控制而近似得到。2011-2-01術(shù)語“自同步”指的是為了定子相電流脈沖與電機(jī)各相反電勢(shì)一致所需正確的各管導(dǎo)通順序，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)即時(shí)轉(zhuǎn)子位置信息的要求。 圖23.2 基本的無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)圖23.3是無刷直流電動(dòng)機(jī)一經(jīng)典的位置和轉(zhuǎn)速控制方案的方框圖。如果僅僅期望轉(zhuǎn)速控制，可以將位置控制器和位置反饋電路去掉。通常在高性能的位置控制器中位置和轉(zhuǎn)速傳感器都是需要的。如果僅有位置傳感器而沒有轉(zhuǎn)速傳感器，那就要求檢測(cè)位置信號(hào)的差異，在模擬系統(tǒng)中就要導(dǎo)致噪聲的放大；而在數(shù)字系統(tǒng)中這不是問題。對(duì)于位置和轉(zhuǎn)速控制的無刷直流電動(dòng)機(jī)，位置傳感器或者是其他獲取轉(zhuǎn)子位置信息的元件是一定要的。圖23.3經(jīng)典轉(zhuǎn)速

6、和位置控制無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方框圖許多高性能的應(yīng)用場(chǎng)合為了轉(zhuǎn)矩控制還需要電流反饋1。至少，需要匯線電流反饋來防止電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)過流。當(dāng)添加一內(nèi)電流閉環(huán)控制就能實(shí)現(xiàn)非?？斓碾娏髟茨孀兤髂菢拥男阅埽恍枰绷黢詈想娍蛊?，它被稱為電流調(diào)節(jié)電壓源逆變器（CRVSI）1。驅(qū)動(dòng)中的直流電壓調(diào)節(jié)也可由作用類似直流電源的可控整流器來實(shí)現(xiàn)，或者既可通過在變換器中將PWM信號(hào)同時(shí)加在上下開關(guān)，也可通過僅僅加在上開關(guān)或下開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。2011-2-05采用僅通斷下開關(guān)或僅通斷上開關(guān)的PWM技術(shù)可減少開關(guān)損耗，而上下開關(guān)同時(shí)通斷則正相反。然而，如果運(yùn)用提前角技術(shù)，上下兩只管開和關(guān)，則由于在一個(gè)相臂上導(dǎo)通的開關(guān)管與另一

7、相臂上的續(xù)流二極管間存在閉合路徑，該路徑產(chǎn)生的電流會(huì)導(dǎo)致負(fù)轉(zhuǎn)矩。不運(yùn)用一個(gè)“斬波”開關(guān)來調(diào)節(jié)直流母線電壓可在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中省去一個(gè)開關(guān)，但是采用直流調(diào)節(jié)開關(guān)，也僅有一只功率半導(dǎo)體器件承受PWM的較高的載波頻率開關(guān)損耗。采用可控整流器來改變直流母線電壓要求額外的控制測(cè)量，增加開關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原初成本和輸電線功率因數(shù)控制的復(fù)雜性。當(dāng)該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由公用電站供電，通常在整流器后要裝一電抗器來降低公共電網(wǎng)的電流諧波含量。電抗器與直流耦合電容器共同工作形成一低通LC或比例-積分濾波器（CLC），該結(jié)構(gòu)的截止頻率足夠低，可于一極低頻率處封鎖PWM的載波頻率以及較低頻率分量（如果有的話），諸如在調(diào)速驅(qū)動(dòng)中。直流

8、耦合電容給逆變器的高頻紋波電流提供了通路，而電抗器則封鎖了較高的頻率，讓平均電流通過。如果驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由直流電源供電，也可以用一濾波器來減少流過電源的電磁騷擾。如果沒有采用PWM，單獨(dú)電流控制對(duì)于非調(diào)節(jié)直流母線的高性能轉(zhuǎn)矩控制也是有效的。圖23.3中的控制器方框“位置控制器”和“速度控制器”可以是如何型式的傳統(tǒng)控制器，如比例-積分控制器，或是一較為先進(jìn)的控制器?！半娏骺刂破骱蛽Q向定序器”向三相逆變器提供適當(dāng)?shù)亩ㄐ驏艠O信號(hào)，而將傳感器所測(cè)電流與參照電流相比較，以通過滯后（電流斬波）或由一電壓源（PWM）型電流控制來維持電流控制。滯后電流控制可以是恒頻滯后控制、頻段滯后控制，或電平滯后控制。電流控制可

9、用來產(chǎn)生正弦電流波形、限制峰值，或產(chǎn)生方波電流波形，尤其工作在較低頻率下的電機(jī)運(yùn)行在電機(jī)性能曲線的轉(zhuǎn)矩限制區(qū)域。運(yùn)用位置信息，換向定序器就使得逆變器實(shí)現(xiàn)“定子換向”，其作用如同直流電機(jī)中的機(jī)械換向器2。2011-2-06參考文獻(xiàn)3中給出開關(guān)的詳細(xì)說明。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置無刷電動(dòng)機(jī)的換向角以使電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)矩角曲線的峰值附近換向。就一臺(tái)三角形聯(lián)結(jié)或星形聯(lián)結(jié)三相電動(dòng)機(jī)來說，其換向發(fā)生在轉(zhuǎn)矩角曲線峰值的前30º電角度或后30º電角度。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置在峰值前移動(dòng)了30º電角度，于是換向傳感器就使得相應(yīng)的定子相通電，其繞組激勵(lì)后使得轉(zhuǎn)子迅速地移動(dòng)到相對(duì)于下一轉(zhuǎn)矩角曲線峰值的-30

10、86;電角度的位置。轉(zhuǎn)矩曲線既可由線與線間聯(lián)結(jié)的通電激勵(lì)強(qiáng)迫轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)而得，也可通過施力于轉(zhuǎn)軸，繞組加載，測(cè)量不同轉(zhuǎn)子位置的轉(zhuǎn)矩而得3。一臺(tái)梯形反電勢(shì)電機(jī)的這些曲線的實(shí)際形狀也應(yīng)是梯形的。然而，由于繞組構(gòu)形、局部飽和、大部分飽和，以及漏磁的原因，梯形（反電勢(shì)）電機(jī)的反電勢(shì)曲線和轉(zhuǎn)矩角曲線的形狀更接近于扁平峰頂?shù)恼倚?。2011-2-08位置傳感器通常既可以是一只3元件霍爾效應(yīng)傳感器，也可以是一只光學(xué)編碼器。角度控制器是另一選擇，它可讓電流脈沖相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置作相位移動(dòng)（超前），允許電流脈沖在電流脈沖/ 相反電勢(shì)基準(zhǔn)線前接近完全建立，從而能夠增加電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍。角度的提前是因繞

11、組電氣時(shí)間常數(shù)的要求。電流脈沖的建立需要一給定的時(shí)間值。在較高的轉(zhuǎn)速下，要求在電流脈沖與反電勢(shì)一致前電流脈沖建立時(shí)間短一點(diǎn)也還可以。這種形式運(yùn)行的一個(gè)問題是其驅(qū)動(dòng)或會(huì)“軟”一些，例如在直流電機(jī)弱磁運(yùn)行的場(chǎng)合?！败洝碧匦则?qū)動(dòng)是那種具備與正常的硬特性驅(qū)動(dòng)相比在同樣給定負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速變化較大的轉(zhuǎn)速/ 負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的驅(qū)動(dòng)。參考文獻(xiàn)5中推斷，若考慮系統(tǒng)是正弦系統(tǒng)（永磁同步電動(dòng)機(jī)），或僅僅考慮準(zhǔn)方波驅(qū)動(dòng)電流和梯形反電勢(shì)電壓波形的基波，在角度超前運(yùn)行中所需要的反應(yīng)功率要增加。23.3 轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生圖23.4給出一臺(tái)三相、4極、12槽、滿距、表面安裝磁極、梯形反電勢(shì)無刷直流電機(jī)的剖面圖，等值電路圖和相應(yīng)的波形圖

12、。圖中的Vab，Vbc和Vca是線反電勢(shì)，它們是由永久磁鐵的徑向磁通穿過氣隙，以與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比的速率切割定子線圈而產(chǎn)生的。波形Van，Vbn和Vcn是線對(duì)電機(jī)中性點(diǎn)的反電勢(shì)，或相反電勢(shì)電壓，它們是由電機(jī)等值電路中的電壓源來表示的。定子線圈按標(biāo)準(zhǔn)三相滿距集中布置，從而相梯形反電勢(shì)波形彼此相差120º電角度（120ºe）。圖23.4中所示電流脈沖發(fā)生方式是120º電角度通電，60º電角度斷電，平均每相電流流通于每360º電氣周期的三分之二時(shí)間，正向120º電角度，反向120º電角度。在一相各“通電”期間之間是60º電

13、角度的“斷電”時(shí)間，在此期間該相標(biāo)記為“靜默相”?！办o默相”期間典型用于無刷直流電機(jī)的“無傳感器控制”中對(duì)反電勢(shì)進(jìn)行觀測(cè)來確定轉(zhuǎn)子位置。圖23.4 三相、4極無刷直流電機(jī)剖面圖，等值電路圖和相應(yīng)的波形圖另一開關(guān)規(guī)則系統(tǒng)的可能性包括改變電流脈沖的閉鎖時(shí)間，也就是改變脈沖的“通電”時(shí)間。閉鎖時(shí)間理論上可以增加至180º電角度，然而，在一帶有電感的實(shí)際電路中存在換向滯后，所以為換向的交搭，脈沖必須保持一些重疊余地（通常不到15º電角度）。參考文獻(xiàn)6中測(cè)定出通過系統(tǒng)地增加閉鎖時(shí)間角，從低速時(shí)的120º電角度開始到高速時(shí)的180º電角度，在所有轉(zhuǎn)速下都能獲得最大轉(zhuǎn)

14、矩。要獲得最大轉(zhuǎn)矩/電流比下的驅(qū)動(dòng)，就得要求線電流脈沖要被特定相的線-中性點(diǎn)反電勢(shì)電壓所交搭。由轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的基本物理原理，即 轉(zhuǎn)矩 = 總作用力×力臂，可得出最大轉(zhuǎn)矩輸出，式中的作用力由轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的磁通與定子線圈中的電流相互作用而產(chǎn)生。由洛倫茲力方程式中 N = 每相每槽匝數(shù)I = 線圈電流 B = 磁通密度矢量 L = 線圈邊有效長在任意給定時(shí)間里都有兩相通有直流電流。對(duì)于以相同方向流動(dòng)的電流，一給定極性的徑向磁化磁鐵在圓周方向上足夠?qū)?，足以覆蓋兩相鄰的槽，從而在兩槽中的線圈上產(chǎn)生力，這些力相加就形成一極下的總電磁力。而電機(jī)總的力就是所有磁極下的力的總和。例如，對(duì)一臺(tái)徑向磁化磁鐵的

15、無刷直流電機(jī)，整距繞組，兩相同時(shí)與方波激勵(lì)相互作用，磁鐵圓周方向的跨距差不多等于磁極極弧，則轉(zhuǎn)矩可由下式給出7：式中 Np= 工作相的數(shù)目Nt = 每相每槽匝數(shù)Nspp = 每相每極槽數(shù)P = 磁極數(shù)I = 直流電流大小Bg = 由磁鐵給出的氣隙徑向磁密L = 定子和轉(zhuǎn)子重合部分的鐵心長度R = 轉(zhuǎn)子外圓半徑（力臂長）對(duì)于一臺(tái)特定的電機(jī)幾何形狀的最為精確的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩輪廓，在電機(jī)制造前，是采用一有限元軟件包中的數(shù)值方法來確定的。有限元方法用于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，它需要冗長的時(shí)間來算得相對(duì)于只要求近似的手工計(jì)算要高度精確得多的解。無刷直流電機(jī)的有限元方法在本章稍后討論。2011-2-0923.4 優(yōu)點(diǎn)和缺

16、點(diǎn)本節(jié)的目的是清楚討論永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)（PM - BLDC）的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和運(yùn)行基本原理。也提出一些更為重要的性能特點(diǎn)。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)給汽車工業(yè)和航空工業(yè)制造商們帶來很多優(yōu)點(diǎn)： 1 低噪聲。 PM BLDC不需要機(jī)械電刷或滑環(huán)。這就從根本上消除了除了軸承、耦合以及負(fù)荷以外的所有機(jī)械噪聲。從電磁角度，換向頻率取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的極數(shù)，其關(guān)系式為 ，式中e是電氣（換向）頻率（每相），單位為每秒電氣弧度（rad/s）；是轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率，單位為每秒機(jī)械弧度（rad/s）；P是電機(jī)的極數(shù)。2011-2-10在驅(qū)動(dòng)變換器中換向所需的每一單獨(dú)的半導(dǎo)體器件的開和關(guān)按電氣頻率的速率出現(xiàn)，即每一開關(guān)每電氣周

17、期開、關(guān)各一次。由于在逆變器中經(jīng)常采用脈寬調(diào)制（PWM）來控制母線電壓的占空比，所以也得考慮PWM的載波頻率的高低。在較小功率系統(tǒng)中，10kW, PWM的載波常常選擇高于音頻，即15kHz，從而PWM也就不因載波而產(chǎn)生噪聲。如果工作于高載波頻率，由占空比改變而產(chǎn)生的諧波在較高載波頻率附近被調(diào)制，因而也是非音頻的。甚至對(duì)于基波頻帶中的諧波，在無刷直流電動(dòng)機(jī)中其磁致伸縮也只是產(chǎn)生微不足道的噪聲。因?yàn)闊o刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行情況下不工作于磁飽和狀態(tài)，而磁飽和是要引起磁致伸縮的（象工作于飽和狀態(tài)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)那樣產(chǎn)生噪聲。）。2 高效率。 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)（PM - BLDC）已顯示出是目前可用的最

18、高效率的電機(jī)1，6。1985年的一項(xiàng)研究（參見參考文獻(xiàn)8）揭示，由于整馬力PM BLDC的高效率，若將現(xiàn)使用的整馬力感應(yīng)電動(dòng)機(jī)全部換用PM BLDC，則一年就可能節(jié)省電能量達(dá)2.8×1010kWh。這是基于全部感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一年要消耗6.6×1011kWh的電能量。此項(xiàng)節(jié)省等效于每年節(jié)省2000萬桶原油，或是節(jié)省70億美元的發(fā)電設(shè)施建設(shè)費(fèi)用，還要加上每年公用電網(wǎng)的20億美元燃油的運(yùn)行維持費(fèi)用。參考文獻(xiàn)9中類似的研究表明不僅是能源的節(jié)省，而且所節(jié)省下來的能源成本可在電機(jī)運(yùn)行不到一年內(nèi)就抵償?shù)鬚M BLDC較高的初期成本。PM BLDC額定容量越大，其經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)越明顯。PM BLDC

19、之所以高效率主要是因?yàn)橛谰么盆F提供了幾乎恒定不變、持續(xù)的磁場(chǎng)而不消耗電功率。另一個(gè)重要的特點(diǎn)是它的長壽命，在合適的工作條件下永久磁鐵交變磁化系數(shù)相當(dāng)小7；也即是永久磁鐵能夠在很長時(shí)間內(nèi)保持它們的磁性能不變。另一個(gè)效率因數(shù)是采用永久磁鐵后省去了在直流電機(jī)和部分交流電機(jī)中電刷和滑環(huán)所引起的附加轉(zhuǎn)矩。3 省卻勵(lì)磁。 如上所述，永久磁鐵提供一恒定磁場(chǎng)，它通過省卻了大多數(shù)其他電動(dòng)機(jī)中所需要建立的電磁場(chǎng)的勵(lì)磁而提高了效率。4 低維護(hù)和較長壽命。 因無需電刷和滑環(huán)，故電機(jī)的壽命僅取決于絕緣、軸承和磁鐵的壽命。5 易于控制。 控制和逆變器半導(dǎo)體組件的持續(xù)進(jìn)步降低了對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和制造的技術(shù)要求。許

20、多半導(dǎo)體制造商生產(chǎn)了專用于無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制集成電路（ICs），促成了相當(dāng)便宜的單片驅(qū)動(dòng)控制器的發(fā)展。近來，專為滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器要求而將電力半導(dǎo)體器件與門驅(qū)動(dòng)電路在ICs中的集成產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)用化，減少了系統(tǒng)開發(fā)總成本和驅(qū)動(dòng)的初期成本。6 較輕及更為緊湊的結(jié)構(gòu)。航空和汽車應(yīng)用要求較輕及更為緊湊的部件來提高燃油效率和降低燃油存儲(chǔ)需要。最近，更高能量密度的磁鐵，釤鈷和銣鐵硼被用在這些應(yīng)用領(lǐng)域中的更高功率密度的電機(jī)中。2011-2-117 易于冷卻。 由于電樞（定子）繞組在電機(jī)的外側(cè)，所以PM BLDC具有易于散熱處理的固有特性。大家知道PM BLDC中所產(chǎn)生的損耗的主要部分是繞組中的I2R銅耗

21、10。既然繞組安放在電機(jī)的外側(cè)，所以熱就可以自由地通過外表面從電機(jī)散逸。這是直流電機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，在直流電機(jī)中繞組的熱往往被堵在轉(zhuǎn)子（電樞）中。與所有的現(xiàn)代電機(jī)一樣，PM BLDC也有其固有的缺點(diǎn)：1 永久磁鐵的成本。 在相較對(duì)得到上述所列所有優(yōu)點(diǎn)的系統(tǒng)更為在意其初期成本的場(chǎng)合，較高能量密度的磁鐵的高成本就妨礙了它在其中的應(yīng)用。典型的有，陶瓷磁鐵是最便宜的也是能量密度最低的。銣鐵硼磁鐵具有最高的能量密度，但其成本差不多是陶瓷（鐵氧體）磁鐵的3倍。釤鈷磁鐵具有與銣鐵硼差不多的能量密度，其成本幾乎是陶瓷磁鐵的6倍11。成本是原料是否能夠用于制造磁鐵的可能性的第一位考慮的因素，然而，正如我們后面要

22、討論的，除了成本之外的其他考慮，如熱，就可能迫使我們?cè)谀承?yīng)用中不得不采用特定類型的磁鐵材料。2 永久磁鐵退磁的可能性。 在用永久磁鐵時(shí)得相當(dāng)小心，因?yàn)樵谟谰么盆F遭受到很大的去磁力或磁鐵遭受到高溫時(shí)都可能退磁。2011-2-133 大型磁鐵的危險(xiǎn)性。 永久磁鐵電機(jī)較少運(yùn)用在大型驅(qū)動(dòng)中，例如，100Hp。一個(gè)原因是處理較大型永久磁鐵時(shí)的困難以及大型永久磁鐵所呈現(xiàn)的危險(xiǎn)。曾有報(bào)道說一次制造大型永磁電機(jī)導(dǎo)致金屬物體越過房間飛向永久磁鐵而造成事故。還有，要將預(yù)先充磁的磁鐵放進(jìn)電機(jī)中，其尺寸越大，就要求大功率的加工手段，相對(duì)高精度的控制能力，以避免損壞磁鐵。更為安全及更實(shí)際的在原位置處磁化要求既可通過專

23、門設(shè)計(jì)的可以圍繞和在組合式電機(jī)內(nèi)部的線圈系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，也可通過裝在電機(jī)中的附加繞組對(duì)磁鐵提供磁化來實(shí)現(xiàn)。兩種方法都顯著增加了系統(tǒng)的成本。23.5 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)確實(shí)是無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中的一個(gè)問題。無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有種種原因：換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是由于各相以60º電角度間隔開與關(guān)。該脈動(dòng)的頻率為6倍的基波頻率。產(chǎn)生這種脈動(dòng)類型的原因是在一相關(guān)斷（換向）時(shí)另一相導(dǎo)通，各自相電流上升和下降的速率不相等，如此這兩相電流在換向期間產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不能即時(shí)相加到另一完全勵(lì)磁相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩值上，這就引起了在換向間隔中出現(xiàn)一不夠平滑的轉(zhuǎn)矩。在參考文獻(xiàn)16中，采用了一種依賴于速度斜坡的斜坡電流來控制開

24、通的那一相和換向的那一相。憑借這兩相的斜坡電流波形使得這兩相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩等于完全電流水平的一相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。參考文獻(xiàn)6就曾報(bào)告閉環(huán)控制能夠消除換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，它所提供的這些脈沖的頻率低于閉環(huán)速度的帶寬。2011-2-14在低速時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩是明顯的，它是由于磁鐵對(duì)于定子齒的自然吸引和排斥。一些人更傾向認(rèn)為是磁阻轉(zhuǎn)矩，即，齒槽轉(zhuǎn)矩是由于磁鐵的磁通試圖將轉(zhuǎn)子或定子向磁鐵齒部移動(dòng)對(duì)齊而找到磁阻的最短路徑6。一典型的磁阻轉(zhuǎn)矩分布是在有槽定子中的轉(zhuǎn)子的角位置的函數(shù)，而且是周期為極距的周期函數(shù)12。齒槽轉(zhuǎn)矩可由各種設(shè)計(jì)方法來克服。減小齒槽效應(yīng)的最為普通的電機(jī)設(shè)計(jì)方法是將磁鐵或定子槽斜一槽距。不過，這會(huì)增加反電勢(shì)波形

25、的畸變，且可能會(huì)增加軸向力。梯形反電勢(shì)波形的畸變也可能由轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起。這些畸變可以是由于磁鐵間的漏磁路徑引起，使得反電勢(shì)波形的兩角處變成圓形1。也還要各種各樣的其他原因，諸如，極靴處局部飽和，由于很大的定子電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)，并由定子磁場(chǎng)影響到轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)，永久磁鐵部分或局部去磁，有繞組分布帶來的電機(jī)特定的性能，幾何的原因，設(shè)計(jì)的原因。相反電勢(shì)的畸變使其產(chǎn)生不足120º電角度的雞冠波峰（平頂），阻止了相反電勢(shì)與相電流在120º電角度（斷續(xù)的13）內(nèi)完全同相運(yùn)行的可能性。如果每一相電流沒有在120º電角度范圍內(nèi)完全與對(duì)應(yīng)相反電勢(shì)同相位，又不采用特殊的控制技術(shù)，在CRV

26、SI BLDC驅(qū)動(dòng)中得到零轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是不可能的14。 2011-2-15轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的出現(xiàn)也可能來自滯后電流控制頻率，或是來自在PWM載波頻率速率下對(duì)電流波形的斬波。由電機(jī)開槽以及分布繞組與準(zhǔn)方波電流激勵(lì)的耦合造成的諧波也會(huì)引起除基波之外的轉(zhuǎn)矩分量。一般說來，電機(jī)在低速和重載時(shí)其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是最顯著的。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)常常是由其轉(zhuǎn)速脈動(dòng)來說明，而轉(zhuǎn)速脈動(dòng)要易測(cè)得多。轉(zhuǎn)速脈動(dòng)也還與電機(jī)與負(fù)載的耦合有關(guān)，與電機(jī)及負(fù)載的機(jī)械（動(dòng)態(tài)）特性有關(guān)。一高度順從的（轉(zhuǎn)矩剛性不足）耦合或負(fù)載將較容易遭受以轉(zhuǎn)速脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)形式出現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，就象一小旋轉(zhuǎn)慣量的系統(tǒng)那樣。一般的解決辦法是在可能的情況下盡量采用電機(jī)與負(fù)載之間的較為硬

27、的剛性耦合。不管是什么負(fù)載，除非在系統(tǒng)中提供了附加的剛性、阻尼，或是提高了其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，否則機(jī)械負(fù)載和耦合就要限定其系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的固有靈敏度的某個(gè)限值。23.6 設(shè)計(jì)考慮磁路、有限元分析的使用、一系列深入細(xì)致的幾何計(jì)算，還有遞推設(shè)計(jì)和再設(shè)計(jì)使得無刷直流電機(jī)的原理得以實(shí)現(xiàn)。典型的，最初設(shè)計(jì)是計(jì)算和磁路分析。接著，一段較為耗時(shí)的借助于有限元分析的“脂肪修剪”工程或?qū)㈤_始。“脂肪修剪”工程包括在不犧牲所要求的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的前提下盡可能減小電機(jī)的尺寸。由于通過有限元分析可以得到磁通分布，因而使用者就可能確定電機(jī)在任意工作點(diǎn)和任意轉(zhuǎn)子位置時(shí)電機(jī)材料的飽和和非飽和狀態(tài)。一種簡化的、針對(duì)磁鐵表面安裝，假定磁

28、鐵材料具有無限大磁導(dǎo)率的梯形反電勢(shì)電機(jī)的一次通過的設(shè)計(jì)可以由Matlab程序很容易地開發(fā)出來。有關(guān)方程和方法可在參考文獻(xiàn)15中查得。一簡單的計(jì)算機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)程序可以提供典型的快速初步試算方法，然后借助于有限元包進(jìn)行建模、分析和調(diào)整。2011-2-1623.7 BLDC的有限元分析和設(shè)計(jì)考慮要獲得一特定電機(jī)的靜態(tài)的轉(zhuǎn)矩分布，就要將其相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的磁通圖，或是其他圖解表示或數(shù)據(jù)輸入到有限元包中。將電機(jī)的每一部分給以恰當(dāng)?shù)牟牧闲阅苜x值，如，給磁鐵賦以Br、Hc、recoil值，或許還有其他磁鐵參數(shù)，如表示它們磁場(chǎng)定向的方向或方向函數(shù)的賦值，磁性材料的磁導(dǎo)率賦值，如果磁性材料各向異性的話，則還要給出極

29、化參數(shù)。電流密度（或總電流）被賦予期望電流流動(dòng)的銅材料區(qū)域。一些軟件包具有允許電機(jī)的幾何組成旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，或允許材料性能對(duì)每一有限元解法作某量級(jí)上的數(shù)值改變的參量特征。典型的，我們發(fā)現(xiàn)有許多對(duì)電機(jī)的解法則是通過某些參數(shù)改變來確定位置或材料性能變化對(duì)電機(jī)性能的影響。作為例子，無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分布可以通過轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的小角度增量的旋轉(zhuǎn)及找出在每一角度增量上作用于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩而得到，此時(shí)相應(yīng)的相電流保持工作。在電機(jī)設(shè)計(jì)中有限元分析能夠確定的其他要素還包括磁性材料的飽和程度、遍布電機(jī)的磁通密度大小、熱性能和可能的熱點(diǎn)，以及在振動(dòng)分析中所研究的渦流和磁致伸縮的影響。在設(shè)計(jì)中，通過觀測(cè)在整個(gè)計(jì)算過程中的磁密分布

30、，就可確定電機(jī)中使用什么材料，進(jìn)而允許材料可否做得更薄一些。例如在峰值轉(zhuǎn)矩條件下磁極背鐵軛的磁密過低，則其厚度就可減少。還有，在開頭的手工計(jì)算后，磁鐵的圓周和徑向長度得以優(yōu)化，然后用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行第一步試算。更為復(fù)雜的有限元包具有進(jìn)行機(jī)械的、電磁的、熱的、靜電的、還有渦流的分析功能。甚至還能在電機(jī)通電的條件下，將電路和機(jī)械負(fù)載在有限元模型中相聯(lián)結(jié)來核實(shí)功能、分析電氣波形及機(jī)械響應(yīng)。它不僅能提供用戶電磁約束的設(shè)計(jì)，而且確保機(jī)械性能指標(biāo)的滿足。23.8 永久磁鐵永久磁鐵是BLDC的基本要素。在1950年代，被認(rèn)為是最早的BLDC電機(jī)的是采用鋁鎳鈷磁鐵的永磁同步電動(dòng)機(jī)1。圖23.5畫出的是最普通型的

31、永久磁鐵的典型去磁特性圖。該圖中的曲線事實(shí)上僅僅是永久磁鐵的特性在B-oH平面的第2象限中的那部分。去磁特性與oH坐標(biāo)軸的交點(diǎn)處的H值被稱為磁性材料的矯頑磁力Hc。B-軸的交點(diǎn)則被稱為剩磁Br。第2象限的去磁特性的拐點(diǎn)上面部分的斜率等于磁鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率。矯頑磁力定義圖23.5 最普通型的永久磁鐵材料的典型去磁特性；A燒結(jié)鐵氧體，B釤鈷 C銣鐵硼， D鋁鎳鈷為欲將磁鐵的磁通密度減少到零所要求的磁化力的數(shù)量。這是一去磁力，因而是負(fù)值。它與磁鐵產(chǎn)生的磁通的固有特性反向。磁鐵的剩磁被認(rèn)為是在外部磁化力完全失去后磁鐵磁通產(chǎn)生表面仍保有的磁通密度。這是當(dāng)磁鐵被衛(wèi)鐵閉合后其中的磁通密度，或當(dāng)一具有無限大導(dǎo)磁

32、率的材料用作從磁鐵這端到另一端的導(dǎo)磁路徑中的磁通密度7。磁鐵通常是兩種類型中的一種：燒結(jié)型或鑄造（粘結(jié)）型11。盡管兩種類型磁鐵均有很寬的可用磁性能范圍，但通常電機(jī)中用得更多的是燒結(jié)型，因?yàn)樗鼈兊奶匦愿m應(yīng)電機(jī)的較高性能運(yùn)行15。永久磁鐵在B-oH平面所有4象限中的特性曲線實(shí)際上是一大的磁滯曲線。正常地，在電機(jī)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)考慮中還是僅僅考慮其在第2象限中那部分，因?yàn)榈?象限才是合乎需要的工作點(diǎn)出現(xiàn)的地方。在設(shè)計(jì)一臺(tái)BLDC時(shí)，用來表示等效為一磁極的電機(jī)的一個(gè)區(qū)域的磁路必須由包括由永久磁鐵和定子繞組安匝共同構(gòu)成的磁勢(shì)源構(gòu)成。等效磁路的其他組成部分還包括磁性材料所有部分的磁導(dǎo)或磁阻，即定子和轉(zhuǎn)子軛鐵

33、、定子齒（或極身）、極靴，還有電機(jī)的非磁性材料部分，氣隙、鐵心槽、繞組和磁鐵。2011-2-17磁路在任意瞬時(shí)的總磁導(dǎo)，在將磁鐵作用看成是一磁通源的角度看來，決定了磁鐵的瞬時(shí)工作點(diǎn)，如圖23.6所示。負(fù)載線斜率的絕對(duì)值由電機(jī)的容量決定。參考文獻(xiàn)7中定義了“磁導(dǎo)系數(shù)”PC。負(fù)載線的斜率為PC×o的絕對(duì)值。參考文獻(xiàn)7中所給出的一極簡單的圖23.6 去磁特性與負(fù)載線表達(dá)式就將PC與磁鐵的磁通密度BM、剩磁磁密Br、和反向磁導(dǎo)率rec聯(lián)系在一起：它又是電機(jī)工作在開磁路條件下去磁曲線位置下降多少的測(cè)量。電樞通電后產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)在電樞電流增大時(shí)將負(fù)載線向左移動(dòng)。在圖23.6中，隨氣隙長度的增加負(fù)

34、載線繞原點(diǎn)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。在工作點(diǎn)移近拐點(diǎn)或是移離拐點(diǎn)的任何工作點(diǎn)改變，或?qū)⒐ぷ鼽c(diǎn)從右移到左邊后，再反向改變，則其返回路徑就要沿著反向磁導(dǎo)率的斜率。因此，切記要盡可能避免將工作點(diǎn)越過拐點(diǎn)移動(dòng)向左，因?yàn)檫@樣做蘊(yùn)含導(dǎo)致很大的不可逆轉(zhuǎn)退磁的可能性，取決于磁鐵本身的去磁特性。無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)這樣設(shè)計(jì)，在其正常運(yùn)行時(shí)，其靜態(tài)磁導(dǎo)特性（靜態(tài)負(fù)載線）要選擇在第2象限與磁鐵的去磁特性曲線相交，靜態(tài)負(fù)載線的斜率常常取-4左右15。靜態(tài)負(fù)載線與第2象限內(nèi)磁鐵去磁特性曲線的交點(diǎn)越高，電機(jī)的磁路的磁導(dǎo)在繞組未通電流時(shí)的磁導(dǎo)越高。當(dāng)繞組通入電流后，磁性材料的磁阻的大小隨著磁路的飽和程度（局部的還是整體的）而改變。這就造

35、成負(fù)載線由靜態(tài)而變化。如果負(fù)載線由曲線的第2象限部分向下至X軸方向移動(dòng)，再反過來沿著特性曲線的直線部分向Y軸方向移動(dòng)，則磁鐵的工作點(diǎn)保持在特性曲線上。如果繞組中的電流在磁鐵產(chǎn)生的磁通使得電機(jī)嚴(yán)重飽和，則磁導(dǎo)要降低，負(fù)載線旋轉(zhuǎn)趨向與B-oH平面的負(fù)X軸對(duì)齊。在設(shè)計(jì)中需要特別小心以確保提供給電機(jī)的磁鐵最大矯玩磁力不能導(dǎo)致負(fù)載線與去磁特性曲線的交點(diǎn)在拐點(diǎn)下方。包含在其內(nèi)的還有在溫度變化對(duì)去磁特性曲線位置變化的考慮。由于象釤鈷、銣鐵硼這些高能量密度磁鐵的負(fù)溫度系數(shù)，它們?nèi)ゴ盘匦缘某C頑力在溫度提高引起去磁特性上的拐點(diǎn)上升時(shí)在幅度上趨于減小，使得電機(jī)在較高溫度下易于退磁。對(duì)于鐵氧體永磁電機(jī)的情況，鐵氧體磁

36、鐵具有正矯頑溫度系數(shù)，它在較低溫度下對(duì)去磁更敏感一些，隨著溫度上升其去磁特性在第2象限或第3象限的拐點(diǎn)降得更低16。然而在所有的情況下，剩磁的溫度系數(shù)是負(fù)的，從而隨著溫度升高特性曲線總是垂直下降。對(duì)于燒結(jié)氧化體磁鐵，除非達(dá)到其居里溫度或稍稍超過一點(diǎn)，它的溫度影響總是可逆的。而對(duì)于稀土磁鐵，即使其工作溫度還不到其居里溫度，只要它不發(fā)生冶金的改變，溫度對(duì)它的影響也是可逆的7。在BLDC中最常用的磁鐵，燒結(jié)鐵氧體、釤鈷和銣鐵硼的居里溫度分別是450、700800和310Cº。常常給予磁鐵以基于“最大能量密度”的評(píng)價(jià)。在參考文獻(xiàn)7中，將B和oH數(shù)值的乘積定義為最大磁能積或最大能量密度，它們形

37、成了位于第2象限的曲線。特定磁鐵的參量是其B×oH曲線，而磁鐵的退磁特性曲線恰恰是B×oH曲線的正切。23.9 BLDC仿真模型本節(jié)提出可以用于BLDC電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)程序仿真模型的方程組。所考慮的驅(qū)動(dòng)采用120º電角度開通，60º電角度關(guān)斷模式或是準(zhǔn)方波激勵(lì)電流的間歇型開關(guān)模式。該仿真模型可以改進(jìn)來兼容連續(xù)方波運(yùn)行，或180º電角度開通，180º電角度關(guān)斷型，或正弦激勵(lì)和反電動(dòng)勢(shì)型。為了確定一臺(tái)BLDC電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)程序仿真運(yùn)行所要求的是什么方程，必須先考察驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和方式。電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的原理圖請(qǐng)參見圖23.2和圖2

38、3.4.。每一相的開關(guān)和繞組的總的電阻被合并成一單個(gè)的R值，繞組的互感抗和漏感抗則并入繞組總電抗L中。我們首先考察該驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)模式。第一個(gè)模式是上橋臂開關(guān)和下橋臂開關(guān)都導(dǎo)通時(shí)的模式。第二個(gè)模式則是在換向期間，在一個(gè)開關(guān)關(guān)斷，另一個(gè)開關(guān)開通時(shí)，其余開關(guān)則保持導(dǎo)通。2011-3-01參見圖23.2和圖23.4，首先考慮開關(guān)1和開關(guān)6開始導(dǎo)通，同時(shí)開關(guān)2正在狀態(tài)轉(zhuǎn)換（開斷），線-線間電壓方程為 (23.1) (23.2) (23.3)已知 (23.4) (23.5) (23.6) (23.7)由方程23.1得 (23.8)由方程23.2得 (23.9)由方程23.3得 (23.10)將方程23.6代

39、入方程23.8中 (23.11)將方程23.10代入方程23.11中 (23.12)將方程23.7代入方程23.9中 (23.13)將方程23.8代入方程23.13中 (23.14)將方程23.5代入方程23.10中 (23.15)將方程23.9代入方程23.15中并整理后得 (23.16)方程23.12、23.14和23.16是分別表示A、B、C三相電流的微分方程，只要換相相電流未降到零（在此處，即ic = 0的情況），該微分方程都是成立的。ic = 0以后，直到下一整個(gè)換相時(shí)序，電壓方程為 (23.17) (23.18) (23.19)以上3方程是將關(guān)系式23.20代入方程23.1、方程2

40、3.2及方程23.3的結(jié)果。 (23.20)由方程23.17得 (23.21)現(xiàn)在，有ia = -ib，將ib代入方程23.21中，經(jīng)過一些變換處理后得 (23.22)在ic = 0的情況下，上式是成立的。不過，就充要性來說，在VBC和VCA不確定時(shí)，方程23.18和23.19是不成立的。通過下一順序的運(yùn)算就可得結(jié)果。下一步，開關(guān)5和開關(guān)6開始導(dǎo)通，而開關(guān)1轉(zhuǎn)換，在ia = 0時(shí)，有 (23.23) (23.24) (23.5)由方程23.23得 (23.26)由方程23.24得 (23.27)由方程23.25得 (23.28)將方程23.6代入方程23.26，)= (23.29)將方程23.

41、28代入方程23.29， (23.30)將方程23.7代入方程23.27，)= (23.31)將方程23.26代入方程23.31， (23.32)將方程23.5代入方程23.28，)= (23.33)將方程23.27代入方程23.33后再整理后得， (23.34)在ia = 0，ib = -ic，ia = dia/dt = 0后，唯一成立的電壓方程是方程23.24，將它重新整理后就得到如下微分方程 (23.35)第一組方程表達(dá)的是一下臂開關(guān)狀態(tài)正在轉(zhuǎn)換的情形，其時(shí)開關(guān)1和開關(guān)6正開始導(dǎo)通，開關(guān)2狀態(tài)正在轉(zhuǎn)換。第一組方程表達(dá)的是一上臂開關(guān)狀態(tài)正在轉(zhuǎn)換的情形，其時(shí)開關(guān)6和開關(guān)6正開始導(dǎo)通，開關(guān)1狀

42、態(tài)正在轉(zhuǎn)換。在這兩種情況下除了符號(hào)V，這三道微分方程完全相關(guān)聯(lián)。概括地說，W相是保持狀態(tài)的相，X相是剛要導(dǎo)通的相，Y相則是正要關(guān)斷的相。逆變器的上臂狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的V也是正的，而其下臂狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的V則是負(fù)的。此處，開關(guān)1、3和5是上臂開關(guān)，開關(guān)4、6和2是下臂開關(guān)。從而一般方程就如下所示：在iY = 0之前， (23.36) (23.37) (23.38)在iY = 0之后， (23.39)為建立計(jì)算機(jī)程序仿真模型，經(jīng)由方程23.39的方程23.36的求解方法可以有很多選擇。選擇最多的方法是數(shù)值積分法和離線分析法。離線分析法可以在能夠在拉普拉斯域中進(jìn)行，而三相電流則可得到時(shí)域方程的解。該方法如下所示。考慮