论文总字数：20998字

摘 要

双凸极永磁电机即DSPM电机，因为它所具有高效，节能等多项优点，受到了越来越多的关注。本文主要是对6/4极DSPM电机，深入研究它的驱动控制，设计驱动控制变换器，并提出合适的控制策略，完成对电机的驱动。

本文先是介绍了DSPM电机的结构，工作原理以及运行特点等。在此基础之上，得出电机的数学模型，进而搭建出电机的简化模型。驱动电路采用的则是三相桥式逆变电路，因为它简单而又高效。对驱动电路采用的是三相六状态的控制策略，并详细分析了驱动过程。利用仿真软件MATLAB搭建出电机驱动模型，并对其中相应模块根据物理量之间的关系进行了参数的设置，一定程度上增加了模型的可靠性。

最后，进行仿真分析，结合前面所提出的驱动控制策略，对电机的某一相的电压和电流波形进行深入探讨，从而证明了三相桥式逆变电路的可用性和驱动控制策略的可行性，并对以后的各项工作提出了展望。

关键词：双凸极永磁电机 变换器 驱动控制

Driving Control Design of Doubly Salient Permanent Magnet Motor

Abstract

Doubly salient permanent magnet motor that DSPM motor, because it has a high efficiency, energy saving and many other advantages, has been more and more attention. This paper is mainly on the 6/4 pole DSPM motor, in-depth study of its drive control, design drive control converter, and put forward the appropriate control strategy to complete the motor drive.

This paper first introduced the structure of DSPM motor, working principle and operating characteristics. On this basis, the mathematical model of the motor is obtained, and a simplified model of the motor is built. Driving circuit is used in three-phase bridge inverter circuit, because it is simple and efficient. The driving circuit is a three-phase six-state control strategy, which effectively completed the motor drive, and a detailed analysis of the drive process. The simulation model is used to build the motor drive model, and the corresponding modules are set according to the relationship between the physical quantities, which increases the reliability of the model to a certain extent.

Finally, the simulation analysis is carried out, and the voltage and current waveform of a certain phase of the motor are discussed in depth, and the feasibility of the three-phase bridge inverter circuit and the feasibility of the driving control strategy are proved. And put forward the future work of the future.

Keywords: Doubly salient permanent magnet motor；Converter；Drive control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2课题国内外的研究现状 2

1.2.1国外DSPM电机研究现状 2

1.2.2国内DSPM电机研究现状 4

1.3本文主要研究内容 5

第二章 双凸极永磁电机的基本理论 6

2.1DSPM电机的基本结构 6

2.2 DSPM电机的工作原理 7

2.3 DSPM电机的电磁分析 8

2.4双凸极电机的运行特点 12

第三章 DSPM电机的数学建模和驱动控制 15

3.1双凸极永磁电机的数学模型 15

3.2 双凸极电机的驱动系统的构成 17

3.3双凸极永磁电机的驱动控制方法 17

3.3.1电流斩波控制 18

3.3.2角位置控制 19

第四章DSPM电机驱动控制的仿真 21

4.1仿真前的知识储备 21

4.2 驱动电路的控制策略 23

4.3仿真模型的参数设计 25

4.4仿真波形分析 28

第五章 DSPM电机的驱动硬件 33

5.1 DSPM电机的硬件系统构成 33

5.2 DSPM电机驱动硬件模块概述 33

第六章 总结与展望 35

6.1工作总结 35

6.2工作展望 35

致 谢 38

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

近代来，电能走进了千家万户，用途也日益广泛，作为将电能转化为机械能的设备——电机，也在国民经济和生产生活中的使用变得越来越平凡。但是，经济的快速发展和各类能源不断短缺的矛盾日益加剧，所以如何进一步提高电能的利用效率和扩大使用范围就成了重中之重，科学家也都一直在研究新型电机及其驱动控制系统^[1-3]。

近年来，随着电力电子、微电子、现代控制和微机技术的快速发展，加上新型永磁材料的不断涌现，基于传统电机，科学家又研制出了多种新型电机，包括现代无刷直流电机、开关磁阻电机、永磁电机等^[4]。其中现代开关磁阻电机（SR），依靠着它的特点，在问世不久便引起各国科学家的广泛关注。SR电机在工业中的应用十分广泛，因为它们具有简单的结构，坚固的电机本体，可靠的工作性能，较低的成本，灵活的系统控制，优越的调速性能，较高的运行效率等诸多优点^[5]。除此之外，它还综合了交流变频调速系统适用于恶劣环境和直流调速系统的可控性能好等多个优良特性，被科学家们看作是电气传动系统飞速发展过程中的一个里程碑。但SR电机通常为了高效运行，一般都会工作于磁饱和的状态^[7]。这一事实也导致了SR电机主要的缺陷：即固有的非线性和实际上的转矩波动。非线性会给数学建模带来一定的困难；而转矩波动则会对电机的应用范围有所限制。为了解决SR电机的这些缺点，科学家将SR电机与永磁材料相结合，即将简单结构和高性能完美融合，研制出效率更高的双凸极永磁同步电机（DSPM）^[6-10]。DSPM电机利用高性能的永磁体激发磁场，因为它工作在双极性状态下，所以其能量转化效率和绕组的利用率相比于传统的SR电机要高，因此DSPM具有更高的转矩密度，相比于同功率等级的传统SR电机，它的体积更小^[11]。由于采用了高性能永磁体激磁，在设计DSPM电机的绕组匝数时，相比于同功率等级的SR电机要少，加上采用了集中绕组方式使得电机体积减小，绕组端部长度也相应变小，所以DSPM电机铜耗相比于传统的SR电机要小。铜耗在总损耗中所占的比重在小功率应用范围内较大，所以它与传统的SR电机相比，在效率上有了很大的进步。总之，由上面的分析可以归纳出DSPM电机具备的多个特点^[12-16]:

（1）永磁电动机的体积小、重量轻；

（2）永磁电动机励磁损耗小，效率高、节电；

（3）永磁电动机调速范围大；

（4）温升低、噪声小、结构简单、便于维护；

（5）由于高性能永磁体的引人，电机具有较高的转矩体积比；

（6）转子上无绕组，因此转子惯量小，具有较高的转矩惯量比，反应迅速；

DSPM电机特性优良，并解决了开关磁阻电机的一些缺陷，所以DSPM电机从一问世就受到了国内外学者的广泛关注，科学家也对其展开了多方面的研究。本课题以现有的6/4极样机为基础，从实用化的角度，设计DSPM电机的驱动控制，为该电机的进一步研究及应用打下基础，因此本课题有着重要的理论和现实意义。

1.2课题国内外的研究现状

1.2.1国外DSPM电机研究现状

DSPM电机具有很多优点，国内外对其也一直保持着高度关注。国外很多国家都实施了对DSPM电机的研究工作，20世纪60年代，它的概念就被提出，一开始它所搭载的永磁材料是铝镍钴，造成它的体积很大，应用起来不方便，这也困扰着科学家许久。随着科学技术的飞速发展，永磁材料也在不断更新换代，钕铁硼的出现，使电机的改进迈出了重要的一步。

90年代初，世界著名电机学专家T.A.Lipo教授带着他的学生研究了DSPM电机，并最早提出了现代DSPM电机的概念，是现代DSPM电机的奠基人。他们最先研究的结构是6/4极结构，电机模型如下图1-1所示，可以清楚地看到，定、转子均为双凸极结构，转子上无绕组，定子上有集中绕组，永磁体嵌在定子上。T.A.Lipo教授他们进一步探索，建模分析，分析了它的磁路特性和工作原理，还提供了驱动电机的方法，视电机运行速度而定，高速运行时，使用单脉冲控制，反之则用斩波控制。他们还做了一台模型机，用来实际验证方法的正确性。他们做了很多工作，唯一缺陷就是没有解决非线性因素和互感的影响^[17]。

图1-1 6/4极DSPM电机截面图 图1-2 单相DSPM发电机

T.A.Lipo教授他们显然不会止步于此，而后他们又研发出一种双定子的电机结构，这种结构对于减小电机的转矩脉动有着很大的功效。不仅如此，他们还研究出弱磁控制的方法用来改变电机转速幅值，使电机的应用范围更为广泛。最后，教授他们还研发出一种结构，可作发电机运行，结构如下图1-2所示^[18]

T.A.Lipo教授作为现代DSPM电机的奠基人，为DSPM电机的发展出了很大的力。其余国家的科学家们在教授的指引下，也加入了研究这种电机的行列。

小型家电里面或多或少会存在电机，这种电机比较特殊，因为它要求有较为显著的定位力矩，而DSPM电机则恰恰拥有。一位科学家就根据这个特性，开发出了家用电机，结构如下图1-3所示

图1-3 家用电器用DSPM电机

罗马尼亚的Ion Boldca和英国的R.P. Deodhar等人在T.A.Lipo等人的基础上提出并研制出专用于发电的双凸极永磁电机FRM，如图1-4所示。

图1-4 FRM发电机

丹麦的Frede Blaabjerg等人则提出通过改变绕组正负电流的开断角来保证两个电容器电压相等，同时在平均转矩不变的情况下进一步优化开断角达到效率最大的目的。

1.2.2国内DSPM电机研究现状

我国对DSPM电机的研究起步比较晚,目前在小功率调速和伺服领域取得了初步成就。但由于电机结构为双凸极并且存在着永磁体，整体呈现为一强非线性，在分析电机性能、设计控制电路及计算静态特性时，必须考虑到电机的非线性特性和电枢反应产生的影响。目前,对DSPM电机的研究中 ,还有几个方面的问题需要解决^[19-21]。

（1）磁路结构和设计计算

为充分发挥永磁材料的磁性能，并用最少的永磁材料，最低的加工费用制造出高性能的永磁电机，就不能简单地套用传统永磁电机或电励磁电机的结构和设计计算方法，而要建立新的设计理念，重新分析磁路结构，改进控制系统；应用现代设计方法，提高设计计算的准确度；采用先进的测试方法及制造工艺。

（2）弱磁控制问题

DSPM电机有着简单、坚固的转子结构，应用广泛。但在高速运行时，会产生很高的永磁感应电势，所以减弱气隙中的永磁磁场以维持恒定的输出功率变得十分重要。一种方法是通过机械力将铁磁材料靠近定子上的永磁体，起到“短路”一部分永磁磁通的作用；另一种方法是通过旋转外壳，即由铁磁和非线性材料交替排列，套在定子外部，从而达到弱磁控制的目的。

（3）成本问题

永磁转矩在DSPM电机中起主要作用，故永磁材料用量多少对电机的性能有较大影响，增加永磁体，可以提高电机的输出转矩，但磁路过于饱和，损耗会增加，机体过热，同时电机成本增加。DSPM永磁体尺寸的设计要综合性能，价格，工艺等多个方面进行取舍。

目前，国内外对DSPM电机的研究并不是很深刻，在电机参数计算、模型建立、分析方法、控制策略等基础理论方面还有待深入研究。相信随着微电子和电力电子技术的进一步发展、电子元器件成本的下降、单片机功能的日益完善、高性能的永磁材料的普及和成本的下降，以及DSPM电机设计理论、系统优化设计、控制策略等的深入研究，DSPM电机将会全面服务于社会生产生活中，为世界带来便利和财富。

1.3本文主要研究内容

第二章从双凸极电机的定义出发，介绍了DSPM电机的基本结构，再从控制的角度描述了DSPM电机的工作原理，并用机电能量转换的相关公式进行推导。最后，同样是用公式进行描述，呈现出双凸极永磁电机的运行特点。

第三章主要讲述DSPM电机的驱动方法，先是对它的驱动系统图进行分析，得到双凸极永磁电机的数学模型。进而得出它的两种驱动方法，电流斩波控制和角位置控制，分别对其进行叙述。

第四章主要主要是对DSPM电机驱动进行仿真，从公式，器件，所用软件着手，建立驱动系统简易模型；进而对模型中的各个模块进行参数设计；最后对仿真结果进行深入分析。

第五章主要对全篇文章展开总结，总结了过去几个月内所做的一些工作，指出其中存在的不足，并为今后的研究提出了展望。

第二章 双凸极永磁电机的基本理论

2.1DSPM电机的基本结构

DSPM电机的结构和它电机本身的特性有着莫大的联系，值得我们深入了解。它的定转子极都是凸极结构，永磁体在定子上，产生励磁磁场。绕组只有定子上有，定转子极数是不等的，但径向对称，显然电机构造要符合力学标准，不至于运行时不稳。这就要求定转子极数不能为奇数。实际运用中，一般是12/8极，6/4极等等。下面给出电机定转子极数与相数关系式。

其中：m为电机相数；

为转子极数；

为定子极数；

K是正整数。

现有文献上得知，定转子极数不是越大越好，虽然它对电机脉动有减小的作用，但同时带来的就是效率问题，电机效率会下降，因为极数的增加必然导致损耗的增加，从而降低了效率还会增加成本。

1993年，T.A.Lipo教授提出的三相双凸极电机结构，即6/4极DSPM电机，结构如图2-1所示：电机定转子均为凸极结构，定子铁芯左右两侧各嵌有一块永磁体。电机为6/4极结构，绕组只有定子上有。从结构上可以看出，该电机转子只有铁耗，没有铜损，结构较为坚固，适合在高温高速下运行。

图2-1 6/4极DSPM电机截面图

香港大学的陈清泉教授提出了一种8/6极结构的DSPM电机，它的静态特性

请支付后下载全文，论文总字数：20998字