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工程设计吕梦婷

南通大学

工程应用综合设计

题目：

横向磁场开关磁阻电机转速控制电路设计

姓名：

　　吕梦婷　

班级：

电122

学号：

1212021035

指导教师：

　　　瞿遂春　

专业：

电气工程及其自动化　

南通大学电气工程学院

2016年01月

摘要

在各种新型特种电机中，横向磁场电机（TFM）是近年来开始研究的一种新型结构的电机，由于其在转矩与功率密度方面具有得天独厚的优越性，以及灵活的结构设计，多样化的拓扑结构成为目前研究的热点。

TFSRM电机是一种机电一体化系统，电机本体和控制系统是不可分割的，本课题以TFSRM电机的数学模型和转矩控制原理为基础，对电机的转速控制电路进行了设计。

对样机速度闭环控制系统进行了设计，速度控制采用工业用频压转换器LM2917，对位置检测信号进行处理，得到电机的转速。

通过LM2917对转速信号进行频率电压转换，实现样机的速度闭环控制。

在MATLAB软件中对样机系统进行建模和仿真，并对仿真结果进行了分析，仿真结果与预期设计要求相符，效果较为理想。

目录

摘要········································································2

第一章前言·······························································3

第二章横向磁场电机的基本原理·······································3

第三章横向磁场开关磁阻电机转速控制电路设计····················5

3.1TFSRM电机数学模型及其转矩控制原理····························6

3.2速度闭环及PWM调压调速电路的设计·····························7

第四章MATLAB软件仿真················································11

第五章总结······························································12

参考文献··································································13

第一章

前言

近十几年来，随着电力电子技术的发展、方波电机理论的深入研究和稀土永磁材料的应用，诞生出许多新型结构的特殊电机，电动车的兴起又进一步促进了高功率密度驱动电机的开发，西欧、北美和日本等工业发达国家将新型电机的研究开发作为一个新热点。

在各种新型特种电机中，横向磁场电机（TFM）由于其在转矩与功率密度方面具有得天独厚的优越性，以及灵活的结构设计，多样化的拓扑结构已经引起许多国家的极大兴趣。

TFM具有低速大功率、容错性好等特点，能直接驱动低转速、大转矩负载，在船舶螺旋桨直接驱动、武器装备转台的电动伺服系统、风力发电、电动车电机等方面有广阔的应用空间。

第二章

横向磁场电机的基本原理

在讲述TFM工作原理之前，首先对传统电机（径向磁场电机,简称为RFM）的电磁负荷关系进行简单分析。

图2-1所示为径向磁场电机横切面局部示意图。

图2-1径向磁场电机齿槽结构示意图

由电机学知识我们知道，电机气隙力密度

满足以下公式:

（2-1）

其中，

为气隙磁密，A为电机电负荷。

由公式看出，可以通过两条途径增加力密度:

一是增加气隙磁密

，二是增加电负荷A值。

但是，由图2-1可以看出，电机齿部和线槽位于同一平面内，因此它们之间不是独立的，其相互关系可以从下面公式看出来：

（2-2）

（2-3）

其中，

为齿部宽度，t为一个齿节距，

为齿部磁密，

为电流密度，A为槽面积。

由此可以得出，在电枢内、外径一定的情况下，若增加气隙磁密

，为保证电机齿部磁密

增加不会导致过磁路饱和，势必要增加

，由于线槽和齿部在同一个平面内，增加

就意味着减小线槽面积。

在电流密度

不变情况下，就必须减小电负荷A，否则不能有效提高力密度。

反之，若要通过增加电负荷A值来增加

，在保持

不变的情况下，需增大槽面积

，这样做的结果是导致齿部宽度减小。

此时若要继续保证磁密不变，必需降低气隙磁通密度，同样也不能达到目的。

由上述分析可以看出，由于电负荷和磁负荷存在竞争同一平面的矛盾，使得在增加力密度时受到限制。

图2-2是Weh教授发明的TFM原型机单相的局部结构简图。

图2-2TFM原型机单相结构图

转子采用聚磁式结构，沿周向相邻的两块永磁体极性相反，每块永磁体之间是转子铁心，对磁通起聚集的作用。

沿轴向并排的永磁体极性也相反，在对应的铁心中形成相反极性。

为提高永磁材料的利用率，电机采用双边（双定子）结构，内外定子沿周向错开一个极距。

如图所示，定子铁心为U形结构，图中箭头所指方向是某位置时永磁体产生磁通的主磁路路径:

由转子前端永磁体N极开始，到外定子U形铁心前端磁极，经U形铁心轭部到U形铁心后端磁极，到转子后端永磁体S极，经过永磁体内部到N极，到内定子U形铁心后端，经U形铁心轭部到U形铁心前端磁极，回到出发永磁体S极，经永磁体内部形成闭合回路。

在U形铁心凹槽内是环形线圈，由于线圈为环形集中绕组，所以结构简单，制作起来也很方便。

当环形线圈中通过某一方向电流后，会在U形铁心中产生磁场，铁心两端相当于两个磁极。

定子磁场和转子磁场相互作用，产生转矩，使得转子沿某一方向旋转。

根据转子位置传感器的信号，在转子每转过一个极距（

电角度）后改变电流方向，就会产生持续的转矩，使得转子沿某一固定方向不停地旋转。

由以上分析可知，横向磁场电机由于定子铁心对磁场的导向作用，使得主磁路和线圈不竞争同一空间，实现了电磁负荷的解耦。

同时由于极与极之间为空气，相当于增加了散热面积，因此横向磁场电机的散热效果较好。

另外横向磁场电机可具有较高的气隙磁密和电负荷，从而可以获得较高的力密度。

第三章

TFSRM电机转速控制电路设计

横向磁场开关磁阻电机本体与调速装置紧密结合，是一种典型的机电一体化调速系统。

如果控制系统设计合理，可使整个TFSRM系统具有体积小﹑重量轻、可靠性高、性能价格比高等优点，并能使TFSRM电机具有较好的输出特性。

TFSRM电机系统主要由以下的几个部分组成：

TFSRM电机，位置检测器，功率变换器，控制器等，系统框图如图3-1所示。

图3-1TFSRM电机的系统框图

我们将该系统中除电机本体和电源以外的部分称为控制系统。

从图3-1中我们可以看出，整个TFSRM系统由功率系统和控制系统组成。

电源→功率变换器→TFSRM电机→负载构成的功率系统，实现电能到磁能到机械能的转换。

控制系统由三个闭环单元所构成：

（1）位置闭环由TFSRM电机→位置检测器→逻辑控制→驱动电路→功率变换器构成，它能确保电机不失步的同步运行；

（2）速度闭环由TFSRM电机→位置检测器→逻辑控制→速度检测→控制器→PWM调压→驱动电路→功率变换器构成，速度闭环确保了TFSRM系统优良的调速性能；（3）电流闭环由电流检测→PWM调压→驱动电路→功率变换器构成，实现电流控制及过流保护。

3.1TFSRM电机数学模型及其转矩控制原理

对任何永磁电机都有下式成立：

（3-1）

（3-2）

式（3-2）中的下标n为序列号，iR和

分别是每相定子阻抗压降和空载反电势力。

从式（3-2）中可以看出，电机磁链由绕组自感L、互感M和永磁体磁链λ（θ）（随转子位置而变化）有关。

由于TFSRM电机各相之间没有电磁耦合，互感M为0，所以式（3-2）可以简化为：

（3-3）

此时，磁链是相电流和转子位置的函数，将式（3-3）代入式（3-1）中，得到：

（3-4）

（3-5）

这里反电势

每相反电势是转子的速度和位置函数，图3-2为TFSRM电机的一相等效电路。

图3-2TFSRM电机单相等效电路

若忽略自感

，则电机功率由下式决定：

（3-6）

在式（3-6）中，

是定子损耗功率，

是电磁功率，那么电机的输出转矩为：

（3-7）

因此，我们可以认为反电势

是转子速度的线性函数

，则：

（3-8）

从以上分析可以看出，如果忽略定子绕组电感，则TFSRM电机的输出转矩与电流成正比，只要恰当控制定子电流和反电势的相位及幅值就可以控制电机的每相瞬时转矩，从而使电机转矩控制得到简化。

3.2速度闭环及PWM调压调速电路的设计

转速信号可方便的从位置检测信号得到，本样机位置检测器输出的三路信号依次相差120°电角度，高电平120°电角度，低电平240°电角度的方波信号，转子每转一个齿距角360°电角度，每相绕组各导通一次，TFSRM电机转子有16个齿极，电机每转一周，则位置检测器输出3×16=48个方波信号。

采用单稳4098将48个方波信号变成48个脉冲信号。

设电机转速为

，则每秒的脉冲数为

，即在1.25秒的采样周期内显示的计数脉冲即为电机的转速。

由此可知，位置控制器输出的方波信号的频率的大小反映了电机转速的大小。

在给定某一转速时，将转速信号经频压转换后，得到一个正比于转速的电压信号

将它与给定信号

比较，其差值通过PI调节器来控制TFSRM电机使转速n与给定值接近。

通过以上分析，并考虑到集成电路的功能，采用如图3-9所示电路来实现速度闭环及PWM调压调速控制。

转速信号是由位置传感器信号经逻辑处理后得到，接到频压转换器LM2917的输入端，则输出某一电压，LM2917的输出电压与输入频率有较好的线性关系，这个电压分压后与给定电压比较，若它小于给定电压，表明此时实际转速小于给定转速，则TL494输出的PWM信号占空比增大，加在电机绕组上的平均电压增大，电机转速增大，进而LM2917的输出电压增加，直到转速增加到给定转速，达到稳定运行状态。

若实际转速高于给定转速，则TL494输出的PWM信号占空比减小，电机绕组上的平均电压减小，转速下降，直到下降到给定转速。

因此，图3-9电路即可实现速度闭环控制，又可实现平滑的调节转速。

对于TFSRM电机，要实现速度的检测，进而实现速度闭环控制，只要对转速信号进行频率电压转换即可。

而LM2917可完成频率到电压的转换，LM2917是具有高增益运算放大器/比较器的频压变换器，内部结构及应用电路如图3-10所示。

LM2917的核心是充电泵，下面针对充电泵输出电压与输入频率的关系进行讨论。

当输入级状态改变时，定时电容器C1在差值为

的两个电压之间线性地充电或放电，那么在输入频率的半个周期（即

）的时间内，在定时电容器C1上的电荷变化等于

，则电容泵入（或泵出）的平均电流为：

（3-9）

图3-9速度闭环及PWM调压调速电路

图3-10LM2917内部框图及应用电路

输出电路非常精确的反射这个进入接地空载电阻R1和积分电容C2的电流（K为增益常数，典型值为1.0），那么可求得：

（3-10）

考虑到最佳性能R1和C1的选择有一定的限制，要适应输入、输出量程范围，并要兼顾动态特性，而C2的大小仅取决于可允许纹波电压的数值及所需的响应时间。

本样机中，选择

，

。

LM2917的稳态传输特性如图3-11所示。

按TFSRM电机的额定转速为400r/min计，由于电机每转对应LM2917输入48个脉冲，因此

，由式（3-10）得：

由以上分析计算可知，选择以上参数，转速即使超过实验转速许多，频压转换器特性仍工作在线性区域，说明所选参数是合理的。

近似为

。

本样机中

，

，则频率f=17.8KHz，反馈控制信号、死区控制信号与锯齿波一起送入比较器，信号的交截结果为方波脉冲，其频率决定于锯齿波，宽度决定于反馈信号。

图3-11LM2917稳态传输特性

当TFSRM电机全压起动时，由于反电势小，瞬间冲击电流较大，导致转速超调过大，稳定时间长，所以在硬件上设置了软起动功能。

由TL494及附加电路可实现软起动，电路如图3-12所示。

图中TL494的4管脚为死区控制端，附加电路为阻容延时网络。

图3-12软起动电路

当开关S打向复位位置时，TL494的4管脚接高电平，此时TL494输出的PWM信号占空比为零，关断主开关。

当开关S打向起动位置时，9V电压通过电容C和一部分R1缓慢充电使4管脚电平由高变低，当4管脚电位降到2.2V时，TL494开始有PWM信号输出，且随4脚电位的降低，TL494输出的PWM信号占空比逐渐增大。

因此，在启动过程中，加在电机绕组上的电压是逐渐增大的，相绕组不会出现较大的冲击电流，输出最大的占空比可由电位器R2来限定。

第四章

MATLAB软件仿真

4.1TFSRM电机模型

对TFSRM电机的方程组求解，得对应的电机的模型：

（4-1）

根据式（4-1）电机的

的求解，在Matlab/Simulink中建立TFSRM单相绕组数学模型图4-1所示。

图4-1TFSRM单相绕组数学模型

4.2其他控制器模型

在TFSRM整个控制系统中，除了TFSRM电机和功率变换器之外，还包括一些其他的控制单元，用来对整个控制系统进行调节控制，主要包括角度控制器和PID调节器两部分。

在MATLAB/SIMULINK中的模型如图4-2和图4-3所示。

图4-2角度控制器模型

角度控制器模块主要是实现TFSRM电机转速信号，同时用来优化开通角和关断角。

将角度控制器计算的速度与给定速度进行比较，把比较结果输入PID调节器中，进行PID调节，以实现TFSRM电机的速度闭环控制。

图4-3PID调节模型

4.3仿真结果

图4-4转速波形

第五章

总结

TFSRM电机是一种机电一体化系统，电机本体和控制系统是不可分割的，本课题以TFSRM电机的数学模型和转矩控制原理为基础，对电机的转速控制电路进行了设计，主要包括以下内容：

（1）对TFSRM电机的数学模型进行了分析研究，并得到电机的转矩控制原理，为下面的控制系统建立奠定了基础。

（2）对样机速度闭环控制系统进行了设计，速度控制采用工业用频压转换器LM2917。

（3）位置控制器输出的方波信号的频率的大小反映了电机转速的大小。

（4）通过LM2917对转速信号进行频率电压转换，实现样机的速度闭环控制。

（5）在MATLAB软件中对样机系统进行建模和仿真，并对仿真结果进行了分析，仿真结果与预期设计要求相符，效果较为理想。

参考文献

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