北京永光高特微電機有限公司
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新型盤式無刷直流電動機及其控制器的設計

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:497

摘要:盤式無刷直流電機低速下力矩大,在電動車輛中能夠直接驅動前輪或后輪,從而省去了機械變速裝置,不僅減輕了整車重量,而且還提高了系統效率。文章介紹一種新穎的盤式電機繞組結構及其計算方法,論述了控制器中能量反饋功能的原理。實現這一功能在一定程度上延長了電池一次充電的使用時間,在電動車輛中具有特別的意義。

1概  述

  盤式無刷直流力矩電機除了具有一般力矩電機所具有的優點一低速下力矩大,直接驅動外,其本身還具有軸向尺寸短的特點,特別適合于在軸向空間較緊張的場合,例如在電動車輛的前后輪直接驅動中。盡管蓄電池技術已有較大發展,除目前使用較廣的鉛酸、鎳鎘、鐵鎳電池外,研究人員還開發出了鈉硫電池、鋅溴電池以及太陽能和鋁一空氣等高能電池,但是提高電池一次充電的運行距離仍然是蓄電池技術所面臨的一大難題。此次設計在控制器中實現能量

 反饋的功能,在一定程度上可以提高電池一次充電的運行距離。當然,在電動自行車中能量反饋的實驗意義要大于實用意義,但是這可以作為在電動摩托車和電動汽車中實現相同功能的一項預研。

2盤式電機的基本結構和原理

2.1基本結構和原理

為便于直接驅動,此次設計了雙轉子結構的盤式無刷直流電機,其基本原理如下:定子置于兩片轉子之間,采用無槽結構,每個線圈按照矩形直接繞在定子鐵心上。與常規的印刷繞組或粘貼的扇形繞組相比,具有更堅固的機械強度和更短的端部長度和較高的繞組利用率(>60%)。轉子內表面安裝有軸向磁化的磁極。主磁路從一個極出發,軸向穿過氣隙,沿周向經過定子鐵心,再穿過軸向氣隙和相鄰的另一磁極,最后沿轉子軛部閉合如圖l~3所示。徑向通電的導體在軸向磁場的作用下產生切向的電磁力??刂破鞲鶕恢眯盘?,在合適的時機對電機繞組換相,便可以在電機中產生一個跳躍式的旋轉磁場,從而帶動轉子轉動。雙轉子結構有利于消除單轉子所造成的單邊磁拉力的不利影響,此外,在旋轉時磁極具有風扇的作用,有利于改善電機散熱。

 圖1     圖2定子軸向視圖    圖3轉子軸向視圖

2.2軸向氣隙磁場分析的結論

   就扇形磁極,利用有限元法對某一半徑處軸向氣隙磁場的分布進行分析,空載的磁力線如圖4所示。

    1.1/2鐵心;2.磁鋼;3轉子

                圖4

   可見,在磁極中心線兩側很大的范圍內,氣隙磁密基本不變,而在兩磁極交界處磁密迅速下降。因此,在某一半徑處,氣隙磁密可以近似認為是梯形波。但是應注意在不同半徑處,梯形波的幅值是不同的,在平均半徑處附近的幅值最大,而在最大和最小半徑處的幅值最小。

   此外還可見,由于繞組置于氣隙中,電磁氣隙較大,這類電機的漏磁系數比較大。

2.3設計中的基本公式

由于氣隙磁密接近梯形波,因此可以方便地用平均值的概念。

 圖5

   如圖5所示,當導體以ωm。的角速度旋轉時,考慮在半徑r處長度為dr的一段導體中感應的反電勢:

de=Bavωmrdr  (1)

則在一個盤面下整段導體中感應的反電勢為: (2)

考慮到雙轉子結構,則相電勢的平均值為:    (3)

類似地,可以推導出平均轉矩為: (4)

其中:ωm一機械角速度;

   NP一每極每相串聯匝數;

   p一極數;

   Bav一氣隙平均磁密;    。

   r2一定子外半徑;

   r1一定子內半徑;

   J1一定子內徑處線負荷。

2.4設計中應注意的問題

   設計中應注意以下一些問題:

   (1)理論上,當定子外徑是其內徑的倍時,在給定定子外徑的條件下,電機可獲得最大的輸出功率。但在實際設計中還應該考慮效率和漏磁等因素的影響,特別是當內徑太小時,內徑處的排線很困難;

   (2)由于鐵心采用了無槽結構,在下線時線圈的定位應加以特殊的考慮。

3控制器    

3.1控制器主電路

   控制器主電路如圖6所示,它采用三相橋式拓撲結構,以提高電機繞組的利用率。電壓源供電,功率管采用VMOS,鉛酸蓄電池電壓36V。

    圖6控制器主電路

   控制器設計選用的ADMCF328是一種專門針對電機控制的DSP產品,具有以下特點:

  (1)28腳SOIC或PDIP封裝;

 (2)20 MIPS定點DSP內核;

 (3)512×24位程序RAM,512×16位數據RAM.4K×24位程序ROM,4K×24位程序閃存(Flash):

  (4)6路3相16位PWM發生器,可進行PWM周期、占空比、死區時間編程以及窄脈沖消除,具有2路8位輔助PWM輸出;

  (5)內部集成ADC,共有5路模擬輸入加一路專用電流檢測輸入;

  (6)共9個數字I/O口。

   此外,ADMCF328的編程相對簡單,程序風格接近高級語言,具有較高可讀性。當然,最具吸引力之處在于其具有較高的性能價格比。DSP的基本任務是根據輸入的霍爾信號對電機換相,實現PWM脈寬調制和過電流保護,此外還控制能量反饋電路。

3.2控制器框圖

   控制器結構框圖如圖7所示,ADMCF328根據轉子的位置信號,決定橋式電路功率開關管的導通順序,并根據指令信號,決定PWM的占空比,方便地實現了速度調節,當電流超過設定值時,關斷功率管。但是,為了充分發揮其性能,在有些電機的控制中可以運用更加復雜的算法,以實現無位置傳感器的結構,這包括從一般的中點電位檢測到需要大量運算的Kalman算法。

   圖7控制器結構框圖

   此外,DSP還控制能量反饋電路的過程。在反向充電的過程中,DSP需要監視充電電流的大小,使充電電流維持在合適的水平。

3.3能量反饋

   當在可以進行能量反饋制動時,例如在下坡時,或在非緊急情況下停車時,可以讓反饋電路運行,對蓄電池反向充電,使一部分能量不致白白浪費。

3.3.1能量反饋基本原理

   由于在大部分情況下電機的反電勢都小于電源電壓,而且隨著制動的進行,反電勢的值在不斷下降,因此要實現電機的再生制動就需要對反電勢進行升壓處理。能量反饋的原理如圖8所示。

    圖8能量反饋腺理圖

   實際上并不需要額外的整流電路,而是可以利用VMOS的續流二極管組成三相整流橋,得到一個逐漸減小的直流電壓E,E再經過升壓電路被提升到稍大于電池電壓Ud的電壓值,從而實現電機對電池的反向充電。在充電的過程中,DSP監視充電電流的大小,使其在E較大的變化范圍內維持在一個合適的水平。

3.3.2升壓電路的基本原理

   能量反饋的難點在于升壓電路的合理設計,一方面,要保證即使E很低時仍能夠進行充電,另一方面,應維持一定的充電電流。升壓電路的基本原理見圖9。開關S以一定的頻率工作,當S閉合時,電流通過電感L和開關S形成回路,而二極管D由于反壓而截止,此時,流過電感的電流開始增長,電感中開始儲能,與此同時,電容對電池充電;當S斷開時,由于L中的電流要維持原有的方向,它所產生的自感電勢加上E對電容C和電源充電,使C兩端的電壓值升高,實現電感中的儲能向電容和負載的轉移,而在充電過程中流過電感的電流將逐漸減小。

   圖9升壓電路基本原理

   設計升壓電路的重要工作就在于選擇合適的電感和電容值,并且在反饋的過程中應合理控制S的占空比,使反饋電流維持在一個合適的水平。

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