横向磁场永磁电机及其驱动系统研究

论文摘要

横向磁场永磁电机（TFPM）是在永磁同步电机的基础上发展起来的,作为一新型逆变器供电的永磁同步电机,具有转矩密度高、低速特性好、可靠性高等特点。近几年来,随着电动车、电力直接推进装置和风力发电等技术研究的深入,人们对高转矩密度、低速直接驱动电机的要求更加迫切,横向磁场永磁电机逐渐成为研究热点。但TFPM结构复杂、制造工艺困难,这限制了TFPM在实际中的推广应用。本文在总结了国内外现有TFPM电机主要研究成果的基础上,提出了一种新型定子组合式TFPM的结构形式,并对样机的设计、分析和驱动系统设计进行了全面的研究。第一,提出并研制了一种新型定子组合式横向磁场永磁电机的结构形式,该电机的定子由内定子铁心、外定子铁心和定子过渡铁心三部分组成。由于定子过渡铁心中具有定位功能的槽形口,内外定子磁极铁心可以积木式的直接插入公共联结铁心的槽形口中,简化了制造工艺,降低了生产成本,提高了定子部件的装配定位精度。在给出样机设计参数的基础上,根据TFPM磁场三维分布的特点,采用三维等效磁网络磁场数值计算方法,进行了不同工作情况下样机的磁场分析,计算了气隙磁密、感应电动势、电磁转矩、自定位力矩和绕组电感等TFPM电机的静态特性参数。计算结果与样机试验结果基本吻合。第二,分析了TFPM的数学模型,并由能量守恒定理,推导了正弦电流驱动时电磁转矩表达式。根据各相绕组独立的特点,提出了一种基于标量电流（电流的幅值和相位）概念的TFPM转矩控制。无须进行矢量变换,控制各相电流的幅值和电流与该相反电势之间的夹角即可控制电机的输出转矩,并分别对电流与反电动势同相和最大转矩/电流比两种控制方式进行了分析。研究了提高TFPM功率因数的方法,并给出了其约束条件。通过MATLAB/Simulink仿真平台,建立了TFPM极其控制系统的数字仿真模型,对不同控制方式下的TFPM控制系统进行了仿真研究。第三,分析了组成高性能TFPM驱动系统所必须的速度调节器和电流调节器。在分析了传统PI控制与模糊控制特点的基础上,设计了用于TFPM的模糊自整定PI控制器,仿真及实验结果表明该调节器具有较好的动静态性能,鲁棒性好。TFPM各相绕组相互独立,根据这一特点,本文研究了一种P+Resonant电流调节器,并应用于TFPM驱动控制系统中,直接在静止坐标系下对TFPM各相交流电流进行控制。该电流调节器的设计思想是基于通信系统中调制与解调制的原理,稳态时电枢电流能跟踪参考电流的变化,可以完全消除电流的相位和幅值误差。第四,设计了基于TMS320LF2407的TFPM全数字控制系统,研究采用低分辨率霍尔位置信号获得连续转子位置信息的转子位置预估技术,给出了具体的实现过程并对造成实际转子位置估计误差的各种因素进行了详细分析。第五,为了降低逆变器供电的TFPM驱动系统的电磁干扰水平,研究了SPWM扩频控制的基本原理,应用傅立叶频谱和k阶Bessel的函数分析,得出SPWM周期扩频的频谱分布情况。分析了混沌的定义和特征,利用其具有连续频谱的特点,提出了一种基于Full-logistic混沌序列的SPWM扩频控制技术。根据混沌序列伪随机性的特点,推导了混沌SPWM频谱分布的一般表达式,仿真和实验结果验证了混沌SPWM对降低逆变器供电的TFPM驱动系统电磁噪声的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 TFPM电机工作原理及特点
• 1.2.2 横向磁场永磁电机的分类
• 1.3 相关技术的发展
• 1.3.1 功率变换与电力电子技术
• 1.3.2 微处理器技术
• 1.3.3 先进控制策略的研究
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 TFPM设计的研究
• 2.1 组合式TFPM电机结构设计
• 2.1.1 转子结构设计
• 2.1.2 定子结构设计
• 2.1.3 电机总体结构设计
• 2.2 样机主要尺寸的确定
• 2.3 样机的电磁场计算分析
• 2.3.1 样机的三维磁场分析
• 2.3.2 气隙磁密分析
• 2.3.3 空载电势计算
• 2.3.4 转矩的计算
• 2.3.5 相电感计算
• 本章小结
• 第三章 TFPM驱动控制技术的研究
• 3.1 TFPM稳态数学模型
• 3.2 基于电流标量概念的转矩控制
• 3.2.1 电流与反电势同相控制
• 3.2.2 最大转矩/电流控制
• 3.3 TFPM运行时相电压与相电流约束条件
• 3.4 TFPM功率因数的研究
• 3.5 H型功率变换器及其PWM控制
• 3.5.1 电压型SPWM的控制模式及实现
• 3.5.2 电流跟踪控制PWM控制原理
• 3.6 TFPM控制系统仿真
• 3.7 仿真试验结果
• 本章小结
• 第四章 TFPM速度调节器与电流调节器的研究
• 4.1 模糊自整定PI控制器
• 4.1.1 PID控制器原理
• 4.1.2 数字PID控制算法
• 4.1.3 模糊控制
• 4.1.4 模糊自整定PI控制器设计
• 4.1.5 仿真试验结果
• 4.2 电流调节器设计
• 4.2.1 调制与解调
• 4.2.2 P+Resonant电流调节器的实现
• 4.2.3 系统仿真
• 本章小结
• 第五章 TFPM数字控制系统设计及实验研究
• 5.1 基于DSP的TFPM数字控制系统硬件电路设计
• 5.1.1 微处理器
• 5.1.2 主电路
• 5.1.3 驱动信号放大及保护电路
• 5.1.4 电流检测
• 5.1.5 转子位置信号检测
• 5.2 转速计算及位置预估原理
• 5.2.1 转速计算
• 5.2.2 转子位置估计
• 5.2.3 转子位置估计的误差分析
• 5.3 系统程序设计
• 5.4 实验研究
• 本章小结
• 第六章 混沌脉冲宽度调制技术的研究
• 6.1 SPWM扩频控制原理
• 6.2 SPWM周期频谱分析
• 6.3 混沌SPWM基本原理
• 6.3.1 随机SPWM频谱分析
• 6.3.2 混沌的定义和特征
• 6.3.3 混沌序列的产生
• 6.3.4 混沌SPWM的实现
• 6.4 仿真及实验结果
• 本章小结
• 第七章 总结
• 参考文献
• 附录 作者在攻读博士学位期间完成的主要工作
• 致谢