不同相移角度绕组对双三相永磁同步电机电磁性能的影响分析

由于双三相永磁同步电机两套三相绕组之间可采用不同相移角度,以一台24槽22极双三相永磁同步电机为例,分析了相移角度对电机性能的影响规律.首先,基于各槽绕组磁动势间的相位关系,推导了在采用单层绕组和双层绕组时,两套三相绕组之间可行的空间相移角度,即0°、15°和30°,并对比分析了不同空间相移角度绕组产生的电枢磁动势频谱;然后,结合电枢磁动势谐波和电机电磁性能之间的关系,通过有限元仿真,验证了0°、15°和30°相移角度的绕组拓扑对不平衡磁拉力、反电势、平均转矩和转矩脉动等电磁性能的影响规律;最后,制作了2台单层和双层空间相移30°绕组的样机,并通过实验验证了理论和有限元仿真分析的正确性.结果表明:空间相移0°存在明显的不平衡磁拉力;空间相移30°电机平均转矩最大,转矩脉动最小.

积分型非奇异终端滑模PMSM无传感器控制系统

针对永磁同步电机中高速情况下传统的滑模观测器估算精度低且存在较强抖振的问题,提出一种基于改进型滑模观测器的PMSM矢量控制方法。基于非线性滑模面理论分析,构建一种积分型非奇异终端滑模面,有效降低了抖振现象,提高了系统的观测精确度;并设计了一种自适应反电动势滤波器,使反电动势能随观测器自适应调节,且谐波含量低,进一步提升动态精度;最后,利用正交锁相环原理调制出电机转子位置信息,将提出的新型控制方法应用到永磁同步电机调速系统,与传统滑模控制进行对比。仿真和实验表明,提出的基于新型滑模观测器的永磁同步电机控制系统跟踪精度高、鲁棒性强,动、静态响应好。

基于改进超螺旋滑模观测器的游标电机无传感器控制

针对游标电机的无位置控制,本文通过对磁场进行分析,指出游标电机经过调制作用产生多个工作次谐波,需根据合成反电势,采用矢量控制。同时,由于游标电机转子为多极对数的结构,使其在运行时,对于位置信号的准确性要求更为严苛,较小的位置信号误差便会引起较大的控制角度的差距,如何保证游标电机在无位置传感器控制时的观测精度,对其运行性能起着至关重要的作用。本文以一台外转子分裂齿游标电机为对象,分析其运行原理,建立基于合成反电势的数学模型,并采用基于改进超螺旋滑模观测器的无位置控制策略,保证了游标电机无传感器控制的稳态及动态性能。

Low-cost sensorless control of four-switch,brushless DC motor drive with direct back-EMF detection

We propose a position sensorless control scheme for a four-switch,three-phase brushless DC motor drive,based on the zero crossing point detection of phase back-EMF voltages using newly defined error functions(EFs). The commutation in-stants are 30° after detected zero crossing points of the EFs. Developed EFs have greater magnitude rather than phase or line voltages so that the sensorless control can work at a lower speed range. Moreover,EFs have smooth transitions around zero voltage level that reduces the commutation errors. EFs are derived from the filtered terminal voltages vao and vbo of two low-pass filters,which are used to eliminate high frequency noises for calculation of the average terminal voltages. The feasibility of the proposed sensorless control is demonstrated by simulation and experimental results.

End-effect of the permanent-magnet spherical motor and its influence on back-EMF characteristics

The permanent-magnet(PM) spherical motor has special configuration and complicated distribution of electromagnetic field.The spatial distribution of the effective flux density produced by permanent magnets is obtained,and the end-effect of the permanent magnets is analyzed.In the 3-dimensional(3-D) finite element(FE) analysis,the calculation of Back-EMF charac-teristics of the PM spherical motor needs to be conducted by steps,which leads to large computational burden.A novel ana-lyzing method to quantize the end-effect of the PM spherical motor is proposed,that is,the end-effect coefficient of the PM spherical motor is calculated to revise the back-EMF waveform obtained from the 2-D FE model.Under different outer radii of the stator coil and different pole arc coefficients of the PM spherical motor,the revised 2-D results are validated by the results obtained from the 3-D FE model and the experimental results.With this method,the special structural feature of the PM spherical motor is fully considered;the pure 3-D calculation of electromagnetic field is conducted only once;higher precision and less computational burden can be achieved.The method provides a new approach to investigating the back-EMF charac-teristic of the PM spherical motor.

一种无位置传感器无刷直流电机制动换相方法

无刷直流电机在制动时,由于转子转速发生变化,电机反电动势波形将受到影响,在无位置传感器无刷直流电机控制中,常规的反电动势过零延后30°的换相方法无法准确获得换相点,从而影响电机运行性能。该文提出一种基于反电动势斜率的无位置传感器无刷直流电机制动过程换相方法,通过对非导通相的反电动势斜率的分析,构建基于反电动势斜率的位置信号函数,并提出相应的控制策略。该换相方法不依赖于反电动势过零点检测,在电机降速较大的工况下也能准确地找到换相点,控制电机良好制动。实验结果验证论文所提方法的正确性和可行性。

一种电机测试的检测平台设计与应用

通过自主设计的电机检测平台的装置及设备,在测试之前初步了解被试电机整体设计及装配是否存在问题。数字万用表检测被试电机三相绕组与机壳是否有短路现象,兆欧表摇测相间及三相对地绝缘是否符合标准,LCR数字电桥测试仪确认被试电机的线圈绕组阻值和电感是否三相平衡。利用测功机台架,以单拖动被试电机的形式,通过示波器及振动传感器初步检测被试电机不同转速下空载反电势波形情况及被试电机振动情况,同时用测温枪检测被试电机的电机温度,转子表磁装置测量转子表磁分布情况,做到提前预判被试电机是否存在磁路与整体装配问题。通过仪表装置及设备,对被试电机绕组与机壳通断、阻值电感、空载反电势、不同转速下振动的检测,可以检测出被测电机是否有绕组损坏、磁钢退磁、磁路问题、电机装配设计问题,能够有效判断出被试电机是否能够进行后续测试,解决了耗时长、台架资源短缺的问题。

新能源汽车用永磁同步电机转子表磁检测方法及应用

为解决转子异常装配导致的整机性能下降的问题,分析了转子总成装配过程中可能存在的磁钢漏插及缺角故障模式,其中漏插模式可以通过表磁检测防错,而缺角模式在业内无法通过表磁检测设备检测识别,为此,提出了一种通过整机反电动势及振动特征阶次分析防错识别方法,该方法能够识别电机较高特征阶次振动幅值超出标准值的大小,在实际生产制造过程中关注整机下线振动信号采集进行异常判断,经验证,该方法可以有效识别磁钢漏插及缺角故障模式。

基于反电动势法的直流无刷电机的无感控制应用

提出了一种通过检测直流无刷电机反电动势判断电机转子位置实现直流无刷电机无传感器的驱动,分析了反电动势法的基本原理、过零信号的判断处理及实现无位置传感器直流无刷电机的软启动,根据试验搭载的硬件平台,在实验中调整延时换向处理程序,使得直流无刷电机启动平稳、高效。

Rotor Position Estimation for Single-and Dual-Three-Phase Permanent Magnet Synchronous Machines Based on Third Harmonic Back-EMF under Imbalanced Situation

In this paper,an improved rotor position estimation strategy based on third harmonic back-EMF for single-and dual-three-phase permanent magnet synchronous machines(PMSMs)under imbalanced situation is proposed.Due to the imbalanced machine impedance,back-EMF or sensing resistor network,the measured triplen harmonic back-EMF will contain certain fundamental component distortion which may severely deteriorate the performance of rotor position estimation.With the aid of the fundamental component compensator,this distortion can be significantly compensated,and the rotor position estimation error can be minimized considerably.The proposed strategy has been implemented on a dSPACE platform with a prototype of dual-three-phase PMSM with serious imbalanced parameters,and operate at single-and dual-three-phase conditions.The experimental results prove that the proposed strategy can significantly improve the steady-state and dynamic performance of rotor position estimation under imbalanced situation.

An Analytical Method of Calculating Back-EMF in Dual Consequent Hybrid Excitation Synchronous Machine

In order to solve the problem of asymmetric bidirectional flux control capability in hybrid excitation machine,a novel structure called dual consequent hybrid excitation synchronous(DCHES)machine is presented in this paper.Generally,the analysis of back-EMF for the machine with complex electromagnetic structure such as DCHES machine should utilize 3-D finite element analysis(FEA),which will require huge resources and computing time.In order to avoid using 3-D FEA to analyze the back-EMF of complex structure,an analytical method of calculating back-EMF is presented in this paper.The electromagnetic field in 3-D space can be simplified as a 2-D field by dividing the 3-D field into several simple zones,the resultant effect equals to the summation of every single 2-D field's effect.According to electromagnetic theory,the analytical formula of back-EMF is obtained on the basis of Fourier series.The influence of main parameters on back-EMF waveform under sine and trapezoidal flux distribution is discussed respectively.The theoretical result shows that the trapezoidal air-gap flux distribution would generate a sine back-EMF.Finally,the presented analytical method is verified and evaluated with experimental results.

基于自适应滑模观测器的无位置传感器控制

本文就三相内置式永磁同步电机基于滑模观测器的设计方法展开研究。传统滑模观测器采取扩展反电势建立观测器模型,针对抖振和相位滞后问题,研究了归一化锁相环与反电势估计器相结合的自适应滑模观测器。自适应滑模观测器采用饱和函数及变滑模增益抑制抖振,运用自适应反电势估计器提取扩展反电势信息,并结合归一化锁相环进行转子位置角估计,提高了系统估计精度。通过仿真和实验对比了两种滑模观测器的运行效果,结果表明,自适应滑模观测器能够有效地估计转子位置和转速,具有良好的动态性能。

基于半周反电势残差的永磁同步电机局部退磁故障诊断

永磁体退磁故障的精准定量诊断,对于预防电机发生灾难性故障和系统运行维护策略的制定至关重要。为实现退磁永磁体定位及程度评估,本文提出了一种基于半周反电动势残差的局部退磁故障诊断方法。在定子槽内安装一个探测线圈,提取其反电动势残差信号并进行分区;将分区后的反电动势残差峰值作为特征量进行退磁故障类型识别,进而确定相邻两个永磁体的健康状态及退磁程度,利用一个旋转周期的信号确定所有永磁体的状态,具有侵入性小、计算量小和精确度高的特点。首先,介绍了探测线圈的安装及检测机理,建立了永磁同步电机退磁故障下的探测线圈半周反电动势残差数学模型;然后,提出了考虑支路环流的反电动势残差提取算法,有效提高了探测线圈反电动势残差提取的精确度;最后,建立了反电动势残差峰值与退磁永磁体位置及退磁程度的映射关系,并提出了退磁永磁体定位及程度评估算法,实现了永磁同步电机局部退磁故障的精准定量诊断。仿真和实验结果验证了所提方法的正确性和准确性。

人工心脏血泵无刷直流电机无位置传感器控制研究

轴流泵电机属于一种永磁微特电机,具有体积小、流量高以及稳定性好的运行特性,其在人工心脏上的应用日益广泛。一般的无刷直流电机绕组常采用星形接法,而轴流泵电机通常将绕组设计为无铁心绕组,其绕组一般采用三角形接法。当对轴流泵电机进行无位置传感器控制时,用于星形接法的传统反电动势过零检测方法不再适用。因此,提出一种新的反电动势过零检测方法实现轴流泵电机无位置传感器控制,试验结果证明该方法适用于三角形接法的轴流泵电机。

永磁同步电机匝间短路故障短路线圈定位方法

为了研究基于电机外部电信号的直驱永磁同步电机早期匝间短路故障检测及定位方法,提出一种基于探测线圈阵列的DDPMSM的ISF短路线圈定位方法。首先,提出一种基于电机绕组分布及连接方式的探测线圈阵列;其次,分析了探测线圈工作机理,建立了考虑短路线圈位置的探测线圈反电势矩阵;然后,利用所建立的探测线圈反电势矩阵,分析用于ISF短路线圈位置的故障特征量。提出了利用探测线圈反电势差值进行ISF故障检测和故障线圈组的定位,利用探测线圈反电势残差进行短路线圈的定位,提出基于上述定位特征量的ISF定位方法。仿真和实验结果验证了所提出方法的正确性和有效性。最后,以样机为例,将所提出的定位方法与现有故障定位方法进行比较,进一步证明方法的准确性和灵敏性。

飞机电动环控用高速电机全速域无位置控制稳定性分析

以飞机电动环控用高速永磁同步电机(High-speed permanent magnet synchronous motor,HSPMSM)控制系统为研究对象,考虑到HSPMSM无传感器控制的研究主要集中在算法实现和转子估计误差消除方面,本文提出了一种基于小信号分析的无传感器全速控制全局稳定性分析和参数设计方法。该方法在扩展反电动势法的基础上设计了位置估计环的参数,并建立了位置估计环和速度环的参数对系统稳定性的影响。其次,本文使用根轨迹来设计I/f控制能够运行的最高转速和扩展反电动势法能够运行的最低转速,以确定算法切换的稳定转速。同时分析了电机参数在高温下的灵敏度。最后,在45 kW、4000 r/min表贴式HSPMSM上进行了全速域电动环控实验。结果表明,本文设计的回路参数和切换转速具有更好的动态和稳态性能,参数的灵敏度与理论分析一致,为HSPMSM的全局参数设计和灵敏度分析提供了可行的思路。

基于线反电动势的三相PMSM角度传感器零位标校方法

角度传感器零位的精确标校是实现永磁同步电机高精度控制的前提。针对现有零位标校方法复杂及标校精度低的问题,提出一种基于线反电动势观测的三相永磁同步电机角度传感器零位标校方法。根据电磁感应定律,分析外力矩带动电机旋转时相反电动势随机械角变化的规律,并从三相电机结构入手,推导线反电动势和相反电动势之间的相位关系。利用角度传感器过零信号触发捕捉线反电动势波形,并基于线性插值法精确定位线反电动势过零点,再通过移相得到角度传感器零位;借助扰动法分析角度及电压测量误差对角度传感器零位估计精度的影响。理论与测试结果表明,基于线反电动势观测的方法可有效估计角度传感器零位,精度可达0.018°;补偿角度传感器零位后,电机运行效率提升显著。所提方法便捷、经济,对提升永磁同步电机的控制性能具有重要的作用。

基于不等匝绕组的交替极永磁电机转矩脉动抑制技术

交替极电机的永磁体被凸极铁心替换会形成不对称的空载气隙磁密,导致气隙磁密偶次谐波,进一步在相反电动势中感应出偶次谐波,增加电磁转矩脉动。当交替极永磁电机的极槽配合符合Ns=k(2P±1)(k是正整数,Ns和P分别是定子槽数和转子极对数)时,相反电势中会存在偶次谐波。为此,提出不等匝绕组技术消除交替极永磁电机的低次反电势偶次谐波,抑制电磁转矩脉动。首先推导了消除2次和4次反电势谐波的最优比例,然后以27槽30极电机为例,采用2维有限元方法对比分析了交替极和传统永磁电机的反电势和转矩特性,结果表明,采用不等匝绕组的交替极电机转矩脉动仅为1.2%,与传统电机相比下降了7.84个百分点,最后加工了不等匝绕组27槽30极交替极永磁电机对对理论和有限元分析进行了验证。

开绕组异步电机零序电流控制策略

零序电流抑制是共母线和共中线开绕组拓扑应用所必须解决的技术问题,为了探讨虚拟信号重构思想在零序电流控制上的应用,并对比各种虚拟信号重构控制方案间的差异。通过对虚拟三相电流和虚拟两相电流方案进行数学分析,建立了虚拟电流方案的统一数学模型,并依据控制系统频域分析方法,从理论上揭示了各方案间的性能异同。基于三相时延、正交时延、一阶全通滤波器、二阶低通滤波器、二阶全通滤波器以及巴特沃斯滤波器搭配微分的虚拟信号重构方案间具有类似的控制性能,在应用中可以互相替换;而基于二阶广义积分器的方案相较于上述各方案具有更突出的动态响应性能,但会在控制带宽过大时失去稳定。最后,通过共中线开绕组异步电机零序电流的控制对理论分析的正确性进行了验证。

非正弦反电势五相永磁电机开路故障容错控制研究

与正弦波电机相比,具有非正弦反电势波形的多相电机可提升转矩密度,但容错运行时,反电势谐波会产生额外的转矩脉动。为此,该文提出一种非正弦反电势五相永磁同步电机缺相容错控制策略。基于单相开路故障下转矩方程,推导平稳运行时同步坐标系下的电流表达式,给出利用谐波电流抑制转矩脉动的理论依据;并提出在同步旋转坐标系下注入低阶谐波电流,抑制由3次谐波反电势引起的转矩脉动。为了求解最优谐波电流,分别在最小铜耗或最大转矩模式下协同优化电流系数。相比现有方法,该方法在最小铜耗模式下,能够产生相同的定子铜耗;在最大转矩模式下,能够提高转矩输出能力。最后,通过五相永磁同步电机的缺相容错实验,验证所提控制策略的准确性及有效性。