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稀土永磁无刷直流电机控制技术在电动汽车中的研究
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更新于2024-08-01
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"电动汽车用稀土永磁无刷直流电机的研究" 稀土永磁无刷直流电机(REPM BLDCM)在近年来的科技进步中扮演了重要角色,尤其在电动汽车领域,其优异的性能使得它成为了理想的驱动电机选择。这篇由江海蛟撰写的硕士学位论文详细探讨了这种电机的控制方式技术,并在导师季小尹副教授的指导下,针对不同功率需求和故障保护进行了系统的研究。 论文首先介绍了基于专用集成电路MC33035和MC33039的开环-闭环控制系统设计,此设计适用于小功率电机,确保了基础的稳定运行。随后,为了适应更复杂的工况和多重故障保护,作者在MC33035基础上增加了80C196KB单片机,构建了一个更高级的电机控制系统,该系统特别适用于电动汽车电机的控制,能够提供更加精细的动态响应和故障防护。 进一步,论文中提出了一种创新方法,即使用可编程固化EPROM替换MC33035,这使得控制系统具备了更强的智能控制功能。通过这样的改进,设计出了适用于大功率电动汽车电机的高性能控制系统,经过试制、调试和实验,证实了方案的有效性和优越性。 论文的亮点在于提出了一种新型电机控制方式,该方式专注于通过改变控制策略而非修改电机本身的结构来减少转矩波动问题。这为解决传统控制方式中可能出现的转矩不稳定提供了新的思路,有助于提升电机运行的平稳性和效率。 关键词:稀土永磁无刷直流电机,转矩波动,单片机80C196KB 这篇论文不仅深入研究了稀土永磁无刷直流电机的控制技术,而且在实践中不断优化,展示了控制策略对电机性能的重大影响。通过这些研究,不仅可以提高电动汽车的能效和驾驶舒适性,也为未来电机控制技术的发展提供了宝贵的理论和实践经验。
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2.2.1 电磁式位置传感器
电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用的,有开口变压
器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型。在无刷直流电机中,用得较多的是
开口变压器,其中用于三相无刷直流电机的开口变压器由定子和跟踪转子两部
分组成。定子一般由硅钢片的冲片叠成,或用高频铁氧体材料压铸而成,一般
有六个极,这六个极之间的间隔分别是 60 度,其中三个极绕上一次绕组,并相
互串联后通以高频电源,另外三个极分别绕上二次绕组 W
A
、W
B
、W
C
。它们之
间分别间隔 120 度。跟踪转子是一个用非导磁材料做成的圆柱体,并在它上面
镶上一块 120 度的扇形导磁材料,在安装时将它同电机转轴相联,其位置对应
于某一个磁极。假设跟踪转子处在某一位置时,一次绕组所产生的高频磁通通
过跟踪转子上的导磁材料耦合到绕组 W
B
上,故在上产生感应电压 U
B
,而在另
外两相二次绕组 W
A
、W
C
上由于无耦合回路同一次绕组相联,其感应电压 U
A
、
U
C
基本上为零。随着电机转子的转动,跟踪转子的导磁扇形片也跟着转动,使
之逐步离开绕组 W
B
而向绕组 W
C
靠近(假定为逆时针旋转),从而使其二次电压
U
B
下降、U
C
上升。就这样,随着电机转子运动,在开口变压器上分别依次感应
出电压 U
B
、U
C
、U
A
。
开口变压器由于结构简单、性能可靠,因而目前得到了广泛应用。扇形导
磁片的角度一般略大于 120 度电角度,常采用 130 度电角度。在三相全控电路
中,为了换相译码器的需要,扇形导磁片的角度为 180 度电角度,不是 120 度
电角度,也不是 130 度电角度。同时,扇形导磁片的个数应同无刷直流电机的
极对数相等。由于震荡电源的频率高达几千赫,故变压器的铁心往往采用铁氧
体材料,频率较低的铁心可以采用其他软磁材料。
设计开口变压器时,一般要求把它的绕组同振荡电源结合起来同意考虑,
以便得到较好的输出特性。
电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不
高、适应性强、结构简单和紧凑等优点;但这种传感器信噪比较大,体积较大,
同时其输出波形为交流,一般需整流、滤波后方可应用。
2.2.2 光电式位置传感器
光电式位置传感器是利用光电效应制成的,由跟随电机转子一起旋转的遮
7
光板和固定不动的光源及光电管等部件组成,其原理如下图 2-2 所示。遮光板
开有 120 度电角度左右的缝隙,且缝隙的数目等于无刷直流电机转子磁极的极
对数。当缝隙对着光电晶体管 VP
1
时,光源 G 射到光电晶体管 VP
1
上,产生“亮
电流”输出光电晶体管 VP
2
和 VP
3
因遮光板挡住光线,只有“暗电流”输出。
在“亮电流”作用下,三相绕组中一相绕组将有电流导通,其余两相绕组不工
作。遮光板随着转子旋转,光电晶体管随转子的转动而轮流输出“亮电流”和
“暗电流”的信号,以此来检测转子磁极位置,控制电机定子三相绕组轮流导
通,使该三相绕组按一定顺序通电,保证无刷直流电机正常运行。
和开口变压器一样,遮光板所开的缝隙也可以为 180 度电角度。
光电式位置传感器性能较稳定,但存在输出信号信噪比较大、光源灯泡寿
命短、使用环境要求较高等缺陷,不过现在已经有新型光电元件出现,可克服
这些不足之处。
-
V1 V2
VP1
+
C
B'
V3
B
A'
C'
A
VP2
VP3
图 2-2 光电式位置传感器示意图
2.2.3 磁敏式位置传感器
磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导
体敏感元件,其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前,常见的磁敏传感器有
霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。
8
磁敏元件的主要工作原理是电流的磁效应,它主要包括霍尔效应,现介绍
如下。
任何带电质点在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时,都要受到磁场的
作用力,称为洛伦兹力。洛伦兹力的大小与质点的电荷量、磁感应强度及质点
的速度成正比。例如,在图 2-3 所示的长方形半导体薄片上加上电场 E 后,在
没有外加磁场时,电子沿外电场 E 的反方向运动(2-3a),当加以与外电场垂直的
磁场 B 时,运动着电子受到洛伦兹力作用向左边偏转了一个角度(2-3b),因此,
在半导体横向方向边缘上产生了电荷,由于该电荷积累产生了新的电场,称为
霍尔电场。该电场又影响了元件内部的电场方向,随着半导体横向方向边缘上
的电荷积累不断增加,霍尔电场力也不断增大,它逐渐抵消了洛伦兹力,使电
子不再发生偏转,从而使电流方向又回到平行于半导体侧面方向(2-3c),达到新
的稳定状态。这个霍尔电场的积分,就在元件两侧间显示出电压,称为霍尔电
压,这个就是所谓的霍尔效应。
B B B
E E E
I 2-3a I 2-3b I 2-3c
B
d
I IH E
L
2-3d
图 2-3
研究结果表明,在半导体薄片上产生的霍尔电动势 E(2-3d)可用下式表示:
9
E=
d
BI
R
H
H
R
H
=
ρµ
π
8
3
式中 R
H
霍尔系数
(
m
3
/C
)
H
I 控制电流
(
A
)
B 磁感应强度
(
T
)
d
薄片的厚度
(
m
)
ρ
材料电阻率(
m•Ω
)
µ
材料迁移率(m
2
/(V•s))
若在式中常数项用 K
H
表示,那么有
E= K
H
I
H
B
K
H
霍尔元件的灵敏度
(
mV/(mA•T)
)
, K
H
=R
H
/d
当磁感应强度 B 和霍尔元件的平面法线成一角度
θ
时,那么实际上作用于
霍尔元件的有效磁场是其法线方向的分量,此时,霍尔电动势为
E= K
H
I
H
B cos
θ
上述霍尔元件产生的电动势很低,在应用时往往要外接放大器,很不方便。
随着半导体集成技术的发展,将霍尔元件与半导体集成电路一起制作在同一块
N 型外延片上,这就构成了霍尔集成电路。这种集成电路包括线性型和开关型
两种,一般而言,无刷直流电机的位置传感器宜选用开关型。
2.2.4 无传感器位置检测
近年来,还出现了无位置传感器无刷直流电机,此种电机利用定子绕组的
反电动势作为转子磁钢的位置信号,该信号检出后,经数字电路处理,送给逻
辑开关电路去控制无刷直流电机的换向。由于它省去了位置传感器,使得无刷
电机的结构更加紧凑,所以应用日趋广泛。
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