电池供电的永磁电动机系统的再生制动

从脉宽调制（ＰＷＭ）驱动的微观角度和电机系统控制的宏观角度，对电池供电的永磁电动机系统的再生制劝、能量回馈进行了理论分析与电路仿真研究。研究表明：在ＰＷＭ驱动方式下，永磁电动机系统再生制动特性由ＰＷＭ调制比决定；不同的再生回馈控制策略有不同的制动、回馈特性。研究结果可用于电动汽车的工程实践。

三相PWM整流器的反馈线性化直接电压控制

为了提高整流器在负载大扰动范围内的电压响应速度,在现有的反馈线性化控制方法基础上,提出一种直接电压控制的方法及算法。该算法突破传统的双环级联的控制方式,由电压误差直接控制输入变量,从而达到母线电压快速镇定的目标。论文对现有的反馈线性化方法进行综述和分析,并对控制律进行适当的修正,建立一种由电压误差和负载电流误差并行的直接控制规律。利用整流器模型和电压误差方程对系统的稳态,以及不同负载扰动下的动态性能进行定量分析,给出系统参数存在误差时的影响。通过仿真对比及实验结果,验证系统的稳定性和收敛速度及理论分析的正确性。结果表明,论文提出的直接电压控制方法,在简化控制变量表达式和减少计算变量的同时,能够保证全局稳定收敛,并进一步提高电压在负载大范围扰动下的响应速度。

双三相永磁同步电机的建模与矢量控制

针对相移30°Y型连接双三相永磁同步电机,分别采用双d-q变换和矢量空间解耦的方法建立了电机的数学模型,前者从两套三相子系统的角度给出了电磁转矩的表达式以及两套绕组之间存在的耦合关系,后者则揭示了不同的电流谐波分量对机电能量转换所产生的不同的作用。根据两种不同的模型搭建了两套双三相永磁同步电机矢量控制系统,通过对两种控制策略的比较分析,指出了两者之间的内在联系和在控制效果上的等价性。开环的仿真实验对两种建模方法的一致性进行了验证,而闭环的仿真和实验结果则表明两种矢量控制方案在相同的控制参数下具有一样的控制性能。

一相开路双三相永磁同步电机建模与控制

根据一相开路故障状态下四种不同的中线连接方式以及相应的电流约束条件,采用矢量空间解耦的建模方法,确定了不同的坐标变换阵,建立了一相开路双三相永磁同步电机的数学模型。每一个模型都被分别映射到参与机电能量转换的d-q子空间和与机电能量转换无关的z1-z2-z3子空间中,各模型在d-q子空间的方程具有相同的结构形式和不同的系数矩阵。通过将z1-z2-z3子空间的电流给定值设为零,就可以得到各种连接方式下的定子铜耗最小矢量控制策略。仿真与实验结果表明,电机在各种连接方式下缺相运转正常,从而有效提高了整个系统的容错能力。

基于四阶混合滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制

提出一种以电流和磁链为观测对象的表贴式永磁同步电机(surface permanent magnet synchronous motor,SPMSM)的四阶混合滑模观测器。以实际电流与观测电流之差构成滑模面,并将等效信号与反馈矩阵相乘后输入到磁链观测方程,当滑模运动发生后磁链观测误差渐进收敛到零。给出磁链观测值的暂态响应,着重分析速度估计误差对磁链观测结果幅值和相位的影响,并以此为基础进行反馈矩阵的计算。根据磁链观测结果采用跟踪型算法进行位置和速度的计算。仿真和实验结果表明,该观测器可准确地观测磁链,并有效消除滑模观测器抖振的影响,位置和速度算法稳态精度高,跟踪速度快。

永磁同步电机转子位置与速度预估

针对永磁同步电机(PMSM)无位置估算算法复杂,易受干扰的问题,提出一种基于滑模观测器(SMO)来预估转子位置和速度的新方法。通过对静止坐标系下反电势(EMF)分量的估算,提取了转子位置信息,采用锁相环(PLL)的方法得到转子位置和速度,补偿了角度预估中产生的相位滞后,构建了Lyapunov函数证明滑模观测器的收敛性,解决了无位置预估算法中鲁棒性差、算法复杂的问题。通过建立PMSM全数字无位置传感的矢量控制系统平台,对该方法做了详细验证。实验结果表明:该方法解决了系统在暂态下估算转子位置不准确且容易受到干扰的问题,具有很好的鲁棒性,预估转子位置准确且易于工程实现。

PMSM扩展状态滑模观测器及转子位置和速度估算

针对永磁同步电机(PMSM)反电势滑模观测器抖振问题,提出一种基于电流和磁链为变量的PMSM扩展状态方程的自适应滑模观测器。以实际电流与观测电流之差构成滑模面,当滑模运动发生时,电流观测误差为零,等效控制信号包含磁链误差相关信息。通过反馈矩阵将等效信号输入到磁链观测方程中,磁链观测误差渐进收敛到零。在磁链观测结果中,抖振现象被很好的抑制,转子角度可以由磁链直接计算。分析了速度估计误差对磁链观测影响,并以此为基础进行反馈矩阵的计算。建立了速度自适应率,并采用Lyapunov方法证明了算法的收敛性。仿真和实验结果表明,通过该观测器和速度辨识方法能够准确计算出电机角度和速度,具有良好的稳态精确度和动态性能。

高性能磁编码器设计

本磁编码器采用奥地利micro systems公司的AS5040芯片,该芯片能够用于360°全角度精确定位,提供10位分辨率的瞬时位置指示,可以同时以两种不同的方式输出转速与位置信号:增量输出(积分A／B输出、LSB输出、三相无刷直流电机转换模式输出)和绝对输出(PWM输出、同步串口输出);通过模拟输出,可以完全取代电位计,通过硬件和软件可实现磁场强度自诊断和电源故障的监测功能。实验证明,本磁编码器可完全取代同等精度的光电编码器,而且成本极低。

无刷直流电机换相力矩波动抑制

针对无刷直流电机换相时产生力矩波动的问题,在分析了各种电流采样方式和目前广泛应用PWM控制器的转矩脉动抑制方案基础上,提出了一种新型的电流采样拓扑结构,采用单电流传感器实现了力矩电流的检测,以此建立了通过力矩电流闭环来调节直流母线电压的无刷直流电机控制系统模型,并分别给出了电机在低转速及高转速下的数学仿真分析和实验论证。仿真和实验结果表明:力矩电流采样拓扑结构实现了对产生力矩的电流的准确采集;通过在电机高速和低速运行时动态改变母线电压,保持了关断相电流和开通相电流变化速率的平衡,消除了换相所引起的力矩波动。

PMSM无位置传感器控制中数字滑模观测器抖振现象分析与抑制

通过对永磁同步电机(PMSM)反电动势滑模观测器观测结果进行加窗快速傅里叶变换(FFT)频谱分析,发现抖振信号频谱范围较宽、幅值较大,观测结果无法直接使用,低通滤波器使得观测信号发生变化,难以精确补偿。本文提出了一种以电流和磁链为观测对象的扩展滑模观测器,磁链观测结果由磁链实际值和经过滤波后的抖振信号组成。根据磁链观测结果的频谱分析,抖振现象的影响可以忽略不计,转子角度可以由磁链观测结果直接计算,不需要低通滤波,避免了相位滞后。着重分析了速度估计误差对观测结果和转子角度计算的影响,并以此为基础进行反馈矩阵计算。仿真和实验结果表明该方法能够准确计算出电机的位置和速度,使系统具有良好的稳态精度和动态性能。

六相电压源逆变器PWM算法

针对相移30°双Y联结六相电机,建立了一种基于邻近最大四矢量的六相电压源逆变器空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法。根据基波电压调制系数的大小,将调制范围分为正弦调制区和非正弦调制区。在正弦调制区内,逆变器输出正弦相电压;在非正弦调制区内,提出了两种调制策略,通过注入适量的6k±1(k=1,3,5,…)次谐波电压来提高基波电压的幅值。其中的第二种调制算法同时考虑到了参考电压矢量幅值和相角的变化,所以得到了更少的谐波含量。针对算法中PWM波形不对称难以硬件实现的问题,根据电压平均值相等的原则对PWM波形进行了中心化处理,转变成易于硬件实现的形式。实验结果验证了算法的有效性。

基于矢量控制的高性能交流电机速度伺服控制器的FPGA实现

提出了一种全数字化的基于电流矢量控制算法的交流电机速度伺服系统控制器的硬件设计方案,并在一片现场可编程门阵列FPGA中得到了具体验证和实现。该方案综合运用了矢量控制算法、M/T测速算法、PI调节算法、SVPWM算法以及EDA设计方法学等,在速度伺服或位置伺服等高性能运动控制系统中有重要的应用价值。所设计的控制器集成电路提供了标准的主机通信接口,可以对各种控制参数进行在线调整,其电流环和速度环的采样频率均可以达到20kHz以上。实验结果表明,该控制器在低速与高速运行状态下均能获得良好的动态和静态性能,其可 控转速范围为0.2-10000r/min。

准无位置传感器永磁同步电动机驱动系统中霍尔传感器位置检测误差的分析及解决方案

结合一套只采用2个低成本霍尔传感器的永磁同步电动机驱动系统,文中分析了准无位置传感器方案中的位置检测误差,给出了误差的补偿方法。为充分抑制位置检测误差,采用了一种基于3D有限元分析的方法,评价并实际确定了永磁同步电动机中霍尔传感器的安装位置。最后通过实验证实了相关的3D有限元分析结果。

一种消除无刷直流电动机换相转矩脉动的PWM调制策略

无刷直流电动机由于本体设计和特有的控制策略存在较严重的转矩脉动问题。为了解决这一问题,提出一种简单的消除换相转矩脉动的换相区PWM调制策略。在换相时,通过三相配合调制,将换相过程中的每个PWM周期分成包含5个中心对称区间的3个功能区。通过计算给三相中的每一相分配不同的调制占空比,使关断相电流的下降速度和导通相电流的上升速度在每个PWM周期内保持相等。所提方法不仅可以消除转矩脉动,还可以通过不同的功能区比例组合来调节换相持续时间。给出所提方法的推导过程,并通过实验验证了所提方法的正确性和可行性。

基于DSP的电机控制器通用开发平台的研究

以嵌入式DSP芯片为核心 ,采用可重构的模块化硬件结构 ,构造了一个面向电机控制的通用开发平台 .将面向对象的软件开发方法移植到电机控制器的硬件开发中 ;通过编写API应用子程序 ,实现各种通用控制和算法 ,构造软件库资源 .通过连接和集成多个API应用子程序 ,即可快速实现面向特定电机的控制器开发 .

三段式门极驱动抑制MOSFET关断过冲振荡的研究

针对电机等感性负载电路中,金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconduc-tor field effect transistor,MOSFET)关断瞬间容易产生高幅值的高频电压振荡,不仅增加了系统的电压应力,还为系统带来严重的电磁干扰的问题,对MOSFET的关断行为进行研究,通过分析低侧功率驱动电路中门极电压对MOSFET关断过程的影响,推导出了关断过冲电压随门极电压变化的关系式;基于分析提出了闭环的三段式门极电压控制方法,并设计了电路,电路在漏极电压首次超过母线电压的瞬间,自动生成一段辅助电平信号,并施加至门极,用以抑制电压过冲和振荡。分析及实验结果表明,该电路简单、灵活、动态响应迅速,可以非常有效的抑制高幅值的高频电压振荡。

用于方波无刷电动机驱动的新型三相逆变器

针对由MOSFET组成的传统三相逆变器存在高开通损耗、高du/dt、高噪声以及高EMI等问题,提出了一种应用于永磁方波电动机驱动的三相软开关逆变器拓扑电路。依据软开关逆变理论,采用在传统三相全桥逆变电路的基础上增加辅助网络的方法,实现了三相逆变器的零电压开通。分析了软开关逆变器的工作原理,并以FPGA为主芯片,设计了基于新型逆变器的150W永磁方波无刷电动机数字控制系统。实验结果表明,新型逆变器实现了零电压开通,克服了大开通损耗、大du/dt、大噪声以及强EMI等缺点,证明了数字控制系统的正确性。

定子无铁心飞轮电机绕组涡流损耗分析

定子无铁心飞轮电机的绕组完全暴露于变化的磁场中,高速运行时绕组导体产生的涡流损耗很大,严重影响电机效率。本文推导了圆形导体在变化磁场中的涡流损耗模型,进而建立了飞轮电机绕组涡流损耗的计算模型。涡流损耗模型由两部分组成,一部分是由径向磁场产生的损耗,另一部分是由切向磁场产生的损耗,径向磁场和切向磁场可以通过求解电机静磁场或有限元仿真计算得到。文章结合有限元仿真计算得到的磁场对绕组的涡流损耗进行了估算,并对飞轮电机样机进行实验,实验结果证明了相关理论的正确性。

方波无刷电动机的倍频PWM控制方法

针对传统PWM方波控制方法受开关频率限制,很难应用于某些小电感方波无刷电机驱动场合,提出了一种倍频PWM控制方法。这种方法力图在功率开关的开关频率不变的情况下,使永磁无刷电动机绕组的充放电频率提高为开关频率的二倍,减小绕组电流波动,改善绕组电流波形。分析了倍频PWM控制方法的工作原理,采用XC886为主控芯片实现了对一个相电感为125μH永磁无刷电机的倍频PWM控制。实验结果表明绕组的充放电频率升高一倍后,稳态电流的纹波小于10%,绕组的电流波形很接近方波,验证了相关分析的正确性。

惯性飞轮电机力矩伺服控制系统

惯性飞轮是航天空间飞行器姿态控制系统的执行元件。姿态控制需要对惯性飞轮做四象限力矩伺服控制。本文采用双重电流闭环方法，即同时进行桥臂脉宽调幅与三相半桥脉宽调制综合控制，实现了飞轮电机的四象限精确力矩伺服控制。