【摘要】：電勵磁雙凸極電機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、可靠性高和功率密度較高等優(yōu)點,在航空起動/發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電動汽車、智能家居等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。而提高電機的運行轉(zhuǎn)速,可以減小電機的體積重量,增大功率密度,有利于減小安裝空間。并且,高速電機與高速負載直接連接可以省去中間機械傳動結(jié)構(gòu),進一步提高了系統(tǒng)效率和空間利用率。本文以高速電勵磁雙凸極電機驅(qū)動系統(tǒng)為研究對象,研究其控制技術(shù),從而提高輸出轉(zhuǎn)矩和減小轉(zhuǎn)矩脈動,并減小控制延時導(dǎo)致的電流尖峰。電機運行在高速狀態(tài)時,反電勢較大,相電流注入困難,導(dǎo)致電流有效值較低,輸出轉(zhuǎn)矩較小。且高速電機位置變化較快,若只采用DSP控制器,難以在一個中斷周期內(nèi)實現(xiàn)位置判斷和角度位置控制。本文首先介紹了電勵磁雙凸極電機的結(jié)構(gòu)和磁路特性,分析了它的工作原理,建立了分段線性電感模型。并基于該模型,指出了電勵磁雙凸極電機的三種基本電動工作方式。在基本工作方式的基礎(chǔ)上,通過對相電流曲線的分析,深入研究了不同控制策略的工作特性和轉(zhuǎn)矩輸出能力。在此基礎(chǔ)上,給出一種無死區(qū)九狀態(tài)提前角控制策略,避免了死區(qū)的影響,提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩,減小了轉(zhuǎn)矩脈動,還可以將兩個角度控制參數(shù)簡化為單個,減小了控制難度,更適合電機的高速運行。同時,對高速下的兩個提前角控制參數(shù)之間的補償關(guān)系,也作了相應(yīng)的論述。之后,分析了最佳提前角與輸入直流電壓、電機轉(zhuǎn)速、負載大小以及電機參數(shù)的關(guān)系。由于提前角度受影響因素較多,選取復(fù)雜,對提前角度進行了相應(yīng)的簡化分析,降低了選取難度。另外,分析了電流控制延時的產(chǎn)生及其對電流尖峰值的影響,并提出了一種電流分段斬波控制方法,減小提前角區(qū)間內(nèi)的電流尖峰,提高功率管工作可靠性,使橋臂上、下管在整個工作期間發(fā)熱較均衡,不會出現(xiàn)局部過熱問題,因此系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定地運行。最后設(shè)計并搭建了電勵磁雙凸極電機驅(qū)動系統(tǒng)的實驗平臺,功率變換器采用疊層母排連接結(jié)構(gòu),減小了電機高速運行時寄生電感引起的電壓尖峰。并采用以DSP和FPGA為核心的數(shù)字控制器,給出了系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計。利用并行算法實現(xiàn)角度位置控制,提高了電機高速運行時的穩(wěn)定性。之后,通過仿真和實驗對比了不同控制策略的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動,進一步驗證了理論分析的正確性。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM355
【圖文】：

高速電勵磁雙凸極電機驅(qū)動系統(tǒng)控制技術(shù)研究2.2 電勵磁雙凸極電機的磁路特性電勵磁雙凸極電機的定轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，因此，存在明顯的邊緣效應(yīng)和局部磁飽和現(xiàn)象，磁路分布復(fù)雜。電機的電感、磁鏈等隨著轉(zhuǎn)子位置、電樞電流和勵磁電流呈非線性變化，無法用明確的數(shù)學(xué)解析式進行表示。在實際應(yīng)用中，通常采用有限元分析方法研究其電磁場分布特性，利用 ANSYS 或 Ansoft 電磁仿真軟件，計算不同轉(zhuǎn)子位置的電機內(nèi)部磁場分布情況。如圖2.4 所示，基于 1/4 電勵磁雙凸極電機模型，轉(zhuǎn)子按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，可以得到 0°、15°、30°以及 45°機械角度下的磁場分布圖。由圖可以看出，磁場路徑隨著轉(zhuǎn)子位置角的變化而變化，實際的電感、磁鏈等也呈現(xiàn)明顯的改變。電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了 45°機械角度后，磁場曲線開始出現(xiàn)重復(fù)。根據(jù)多次的仿真結(jié)果可以得出結(jié)論，雖然電流也會影響電機內(nèi)部磁場的分布，但相比之下，電機的電感、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩受轉(zhuǎn)子位置的影響最為顯著。因此，為討論方便，忽略電機的磁路飽和和邊緣效應(yīng)，并忽略電流變化的影響，而只考慮轉(zhuǎn)子位置變化對電機磁路的作用，對電勵磁雙凸極電機的磁路特性進行分析。

際的電感、磁鏈等也呈現(xiàn)明顯的改變。電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了 45°機械角度后，磁場曲線開始出現(xiàn)重復(fù)。根據(jù)多次的仿真結(jié)果可以得出結(jié)論，雖然電流也會影響電機內(nèi)部磁場的分布，但相比之下，電機的電感、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩受轉(zhuǎn)子位置的影響最為顯著。因此，為討論方便，忽略電機的磁路飽和和邊緣效應(yīng)，并忽略電流變化的影響，而只考慮轉(zhuǎn)子位置變化對電機磁路的作用，對電勵磁雙凸極電機的磁路特性進行分析。(a)0°電機磁場分布圖 (b)15°電機磁場分布圖

計算不同轉(zhuǎn)子位置的電機內(nèi)部磁場分布情況。如圖2.4 所示，基于 1/4 電勵磁雙凸極電機模型，轉(zhuǎn)子按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，可以得到 0°、15°、30°以及 45°機械角度下的磁場分布圖。由圖可以看出，磁場路徑隨著轉(zhuǎn)子位置角的變化而變化，實際的電感、磁鏈等也呈現(xiàn)明顯的改變。電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了 45°機械角度后，磁場曲線開始出現(xiàn)重復(fù)。根據(jù)多次的仿真結(jié)果可以得出結(jié)論，雖然電流也會影響電機內(nèi)部磁場的分布，但相比之下，電機的電感、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩受轉(zhuǎn)子位置的影響最為顯著。因此，為討論方便，忽略電機的磁路飽和和邊緣效應(yīng)，并忽略電流變化的影響，而只考慮轉(zhuǎn)子位置變化對電機磁路的作用，對電勵磁雙凸極電機的磁路特性進行分析。(a)0°電機磁場分布圖 (b)15°電機磁場分布圖(c)30°電機磁場分布圖 (d)45°電機磁場分布圖圖 2.4 三相 12/8 電勵磁雙凸極電機磁場分布圖電勵磁雙凸極電機的定轉(zhuǎn)子槽深遠大于定轉(zhuǎn)子齒間的氣隙長度，因此齒槽對齊時的氣隙磁

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