北京永光高特微电机有限公司
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新型盘式无刷直流电动机及其控制器的设计

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:457

摘要:盘式无刷直流电机低速下力矩大,在电动车辆中能够直接驱动前轮或后轮,从而省去了机械变速装置,不仅减轻了整车重量,而且还提高了系统效率。文章介绍一种新颖的盘式电机绕组结构及其计算方法,论述了控制器中能量反馈功能的原理。实现这一功能在一定程度上延长了电池一次充电的使用时间,在电动车辆中具有特别的意义。

1概  述

  盘式无刷直流力矩电机除了具有一般力矩电机所具有的优点一低速下力矩大,直接驱动外,其本身还具有轴向尺寸短的特点,特别适合于在轴向空间较紧张的场合,例如在电动车辆的前后轮直接驱动中。尽管蓄电池技术已有较大发展,除目前使用较广的铅酸、镍镉、铁镍电池外,研究人员还开发出了钠硫电池、锌溴电池以及太阳能和铝一空气等高能电池,但是提高电池一次充电的运行距离仍然是蓄电池技术所面临的一大难题。此次设计在控制器中实现能量

 反馈的功能,在一定程度上可以提高电池一次充电的运行距离。当然,在电动自行车中能量反馈的实验意义要大于实用意义,但是这可以作为在电动摩托车和电动汽车中实现相同功能的一项预研。

2盘式电机的基本结构和原理

2.1基本结构和原理

为便于直接驱动,此次设计了双转子结构的盘式无刷直流电机,其基本原理如下:定子置于两片转子之间,采用无槽结构,每个线圈按照矩形直接绕在定子铁心上。与常规的印刷绕组或粘贴的扇形绕组相比,具有更坚固的机械强度和更短的端部长度和较高的绕组利用率(>60%)。转子内表面安装有轴向磁化的磁极。主磁路从一个极出发,轴向穿过气隙,沿周向经过定子铁心,再穿过轴向气隙和相邻的另一磁极,最后沿转子轭部闭合如图l~3所示。径向通电的导体在轴向磁场的作用下产生切向的电磁力。控制器根据位置信号,在合适的时机对电机绕组换相,便可以在电机中产生一个跳跃式的旋转磁场,从而带动转子转动。双转子结构有利于消除单转子所造成的单边磁拉力的不利影响,此外,在旋转时磁极具有风扇的作用,有利于改善电机散热。

 图1     图2定子轴向视图    图3转子轴向视图

2.2轴向气隙磁场分析的结论

   就扇形磁极,利用有限元法对某一半径处轴向气隙磁场的分布进行分析,空载的磁力线如图4所示。

    1.1/2铁心;2.磁钢;3转子

                图4

   可见,在磁极中心线两侧很大的范围内,气隙磁密基本不变,而在两磁极交界处磁密迅速下降。因此,在某一半径处,气隙磁密可以近似认为是梯形波。但是应注意在不同半径处,梯形波的幅值是不同的,在平均半径处附近的幅值最大,而在最大和最小半径处的幅值最小。

   此外还可见,由于绕组置于气隙中,电磁气隙较大,这类电机的漏磁系数比较大。

2.3设计中的基本公式

由于气隙磁密接近梯形波,因此可以方便地用平均值的概念。

 图5

   如图5所示,当导体以ωm。的角速度旋转时,考虑在半径r处长度为dr的一段导体中感应的反电势:

de=Bavωmrdr  (1)

则在一个盘面下整段导体中感应的反电势为: (2)

考虑到双转子结构,则相电势的平均值为:    (3)

类似地,可以推导出平均转矩为: (4)

其中:ωm一机械角速度;

   NP一每极每相串联匝数;

   p一极数;

   Bav一气隙平均磁密;    。

   r2一定子外半径;

   r1一定子内半径;

   J1一定子内径处线负荷。

2.4设计中应注意的问题

   设计中应注意以下一些问题:

   (1)理论上,当定子外径是其内径的倍时,在给定定子外径的条件下,电机可获得最大的输出功率。但在实际设计中还应该考虑效率和漏磁等因素的影响,特别是当内径太小时,内径处的排线很困难;

   (2)由于铁心采用了无槽结构,在下线时线圈的定位应加以特殊的考虑。

3控制器    

3.1控制器主电路

   控制器主电路如图6所示,它采用三相桥式拓扑结构,以提高电机绕组的利用率。电压源供电,功率管采用VMOS,铅酸蓄电池电压36V。

    图6控制器主电路

   控制器设计选用的ADMCF328是一种专门针对电机控制的DSP产品,具有以下特点:

  (1)28脚SOIC或PDIP封装;

 (2)20 MIPS定点DSP内核;

 (3)512×24位程序RAM,512×16位数据RAM.4K×24位程序ROM,4K×24位程序闪存(Flash):

  (4)6路3相16位PWM发生器,可进行PWM周期、占空比、死区时间编程以及窄脉冲消除,具有2路8位辅助PWM输出;

  (5)内部集成ADC,共有5路模拟输入加一路专用电流检测输入;

  (6)共9个数字I/O口。

   此外,ADMCF328的编程相对简单,程序风格接近高级语言,具有较高可读性。当然,最具吸引力之处在于其具有较高的性能价格比。DSP的基本任务是根据输入的霍尔信号对电机换相,实现PWM脉宽调制和过电流保护,此外还控制能量反馈电路。

3.2控制器框图

   控制器结构框图如图7所示,ADMCF328根据转子的位置信号,决定桥式电路功率开关管的导通顺序,并根据指令信号,决定PWM的占空比,方便地实现了速度调节,当电流超过设定值时,关断功率管。但是,为了充分发挥其性能,在有些电机的控制中可以运用更加复杂的算法,以实现无位置传感器的结构,这包括从一般的中点电位检测到需要大量运算的Kalman算法。

   图7控制器结构框图

   此外,DSP还控制能量反馈电路的过程。在反向充电的过程中,DSP需要监视充电电流的大小,使充电电流维持在合适的水平。

3.3能量反馈

   当在可以进行能量反馈制动时,例如在下坡时,或在非紧急情况下停车时,可以让反馈电路运行,对蓄电池反向充电,使一部分能量不致白白浪费。

3.3.1能量反馈基本原理

   由于在大部分情况下电机的反电势都小于电源电压,而且随着制动的进行,反电势的值在不断下降,因此要实现电机的再生制动就需要对反电势进行升压处理。能量反馈的原理如图8所示。

    图8能量反馈腺理图

   实际上并不需要额外的整流电路,而是可以利用VMOS的续流二极管组成三相整流桥,得到一个逐渐减小的直流电压E,E再经过升压电路被提升到稍大于电池电压Ud的电压值,从而实现电机对电池的反向充电。在充电的过程中,DSP监视充电电流的大小,使其在E较大的变化范围内维持在一个合适的水平。

3.3.2升压电路的基本原理

   能量反馈的难点在于升压电路的合理设计,一方面,要保证即使E很低时仍能够进行充电,另一方面,应维持一定的充电电流。升压电路的基本原理见图9。开关S以一定的频率工作,当S闭合时,电流通过电感L和开关S形成回路,而二极管D由于反压而截止,此时,流过电感的电流开始增长,电感中开始储能,与此同时,电容对电池充电;当S断开时,由于L中的电流要维持原有的方向,它所产生的自感电势加上E对电容C和电源充电,使C两端的电压值升高,实现电感中的储能向电容和负载的转移,而在充电过程中流过电感的电流将逐渐减小。

   图9升压电路基本原理

   设计升压电路的重要工作就在于选择合适的电感和电容值,并且在反馈的过程中应合理控制S的占空比,使反馈电流维持在一个合适的水平。

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