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单霍尔传感器高速永磁同步电机系统的研究 |
高速电机具有体积小、重量轻、功率密度高等优点。对于高速负载，用高速电机直接驱动可以省去机械传动装置，避免了传动装置引起的损耗、机械振动与噪声，从而使设备体积减小，运行效率和运行精度得以提高。高速电机在主轴、电动工具、泵、高速压缩机等领域得到了广泛的应用。目前国内外普遍采用感应电机进行高速直接驱动，虽然结构简单，但转子损耗大、效率低、寿命短，同时存在转差，稳速困难。方波驱动无刷直流电机采用电势换向、锁相控制，虽然去掉了传感器，但谐波损耗大，转矩波动大，一般仅用于小功率驱动。永磁同步电机具有效率高、噪音低、运行可靠、转矩波动小、控制特性良好等优点，最适合高速运行，但传统的永磁同步电机需要转子位置传感器。而高速电机对转子要求有足够的机械强度和刚度，因此高速电机的结构较一般电机更为紧凑，尽可能把转轴设计得短一些，以提高其刚度，这样要在高速电机的转轴上安装位置传感器，无论从电机结构上考虑还是传感器的装配与调试都有较大的难度。利用电机的三相电压或电流来估算电机转子的位置，但由于相电压上叠加有较大的PWM载波，给滤波带来一定的困难，且控制回路与主回路电气隔离较难实现。 本文以一台30,000r/min、3.3kW的高速永磁同步电机为例，对高速永磁同步电机的电磁设计和机械设计进行了研究。并采用了一种新型简易转子位置传感方法，即采用一个锁定型霍尔元件作为传感器。通过对位置信号的转化和补偿，可以得到高精度的转子信号。同时，转速信可以从位置信号处理电路中得到。基于这种位置传感方法，采用CRPWM电流控制法实现了磁场定向矢量控制。 电磁设计 由于采用电子换向和变频电源供电，无刷直流电机在极数的选择上有较大的余地。但电机定子绕组中的电流频率为:  图1 电机结构示意图 在高速永磁同步电机中，随着供电频率的升高，高频铁损的影响也将增大，为减少铁损，同时为避免磁路饱和，气隙磁密不易取得过高，本文设计的电机的气隙磁密为0.5T。 机械设计  图2 反电势波形  图3 反电势的频谱图 高速电机中，不但选用的轴承要适合高速运行，同时轴承档与轴承室的配合要合适，不能太紧也不能太松，还应对轴承施加一定的预紧力。 电机的转子应有足够的机械强度和良好的动平衡性，以避免高速运行时离心力作用使转子受到损坏。同时转子表面要求光滑，以减少高速运行时的噪声和机械损耗。磁钢外面用玻璃纤维带绑扎，以加强机械强度。绑扎匝数 可以表示为:  式中C为安全系数;Z为离心力（kg）;FT为绑扎带的强度（kg）。 转子位置的检测 在永磁同步电机中，在定子适当位置安放一个霍尔元件，转子匀速旋转时，霍尔元件就会输出一个上升沿和下降沿与转子磁场强度B0的过零点相对应的方波信号，将方波信号处理后，便得到数字式的转子位置信号θ，用这个数字量去查表，经D/A转换和放大后即得正弦波参考电压，如图4所示。本文采用了文献[5] 提出的位置转换电路，霍尔的输出与实际转子位置的相差可得到补偿。同时，超前角也可设定。  图4 霍尔输出与对应的转子位置关系 驱动系统 本文采用CRPWM实现了磁场定向适量控制，系统结构框图如图5所示。高速同步电机驱动系统由高速永磁同步电机（PMSM）、起动电路、霍尔传感器位置信号转换和补偿及测速电路、三相电流指令合成电路、电流调节器、速度调节器、SPWM电路和功率驱动部分构成。  图5 高速永磁同步电机驱动系统框图 由于该电机没有自起动能力，必须设计起动电路。本文研究的系统采用同步起动方式，为此设计了同步脉冲发生器，该起动电路原理简单，经实验证明，起动可靠。  式中L、Ra为绕组相电感和相电阻;Ke为相电势系数;ωr为角频率;Kp为电流比例调节器的增益;KS为SPWM逆变器等效增益;Kf为电流反馈系数;Iq为相交轴电流。 试验结果 本文采用精密磁滞测功机对高速永磁同步电机系统进行了试验研究。在10000r/min和1.1Nm时测得的相电流波形如图6所示，其频谱见图7。从实验结果可以看出，电流中低次谐波含量很小，所以低频转矩脉动很小;而由于电机绕组电感很小，PWM引起的高次谐波较大。  图6 A相电流与参考电压  图7 A相电流频谱 在10,000r/min时，对整个系统的效率进行了测试，输出力矩为1.1Nm系统的效率达80%。 结语 本文设计的高速永磁同步电机结构可靠，适合高速运行，并且线反电势中谐波含量少。 |