毕业设计（论文）-冰箱变频控制器设计.doc

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1、摘 要变频技术是近年来国际家电领域全面开发和应用的一项高新技术，它采用新型变频器，将50Hz的固定供电频率转换为30-130Hz的变化频率，实现电动机运转率的自动调节，达到节能和提高效率的目的。近年来，随着微电子技术、传感器技术以及控制理论的发展平的提高，变频冰箱也开始成为潮流。PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制就是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法，其PWM的调制方式分为同步调制与异步调制。直线电机驱动的压缩机简称直线压缩机，其主要是利用直线电机驱动技术驱动压缩机活塞作往复直线运动，其主要有以下特点： 1.不需要曲柄连杆机

2、构和机械传动系统，结构非常简单；2.活塞的驱动力始终与其运动方向保持一致，因此活塞不受侧向力作用；3.摩擦小，机械系统的能量损失非常少；4.容易实现无油润滑和气体轴承支撑；5.活塞行程不受机械系统的结构限制，通过变频控制可以使冷冻室的温度控制更加合理。当冷冻室需要制冷量比较大的时候，可以通过变频调控，使电机高速转动，就加强压缩机制冷；同理，当冷冻室制冷量比较小时，则使电机转速慢一些。就降低压缩机制冷。该系统具有控制精度高、性能可靠、省电等特点。关键词：变频；直线电机；脉宽调制ABSTRACTRecent yearsFrequency-conversion Technology bocomes

3、an advanced technology in design and application of household electric appliance in theworldItcantransform50Hz powerfrequency to mutative frequency from 30Hz to 130Hz SO that the movementFrequency of electromotor could be adjusted adaptivelyIn china,Frequency-conversion Technology is popular in air-

4、condition field firstly,Key words：Frequency-conversion；linear motor； Pulse Width ModulationXXXXXX第一章 绪论1.1 变频技术的发展变频技术，简单的说就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电再把交流电变成直流电。总之，这一切都是电能不发生变化，而只是频率发生变化。变频技术随着微电子学、电力电子技术、电子计算机技术、自动控制理论等的不断发展而发展，现已进入一个崭新时代，其应用也越来越普及。从起初的整流、交直流可调电源等已发展至高压直流输

5、电、不同频率电网系统的连接、静止无功功率补偿和谐波吸收、超导电抗器的电力储存等。在运输业、石油业、家用电器、军事等领域得到了广泛的应用。如超导磁悬浮列车、高速铁路、电动汽车、机器人；采油的调速、超声波驱油；变频空调、交频洗衣机、变频冰箱、变频微波炉；军事通信、导航、雷达、宇宙设备的小型化电源等。变频技术的发展除得益于微电子与电力电子技术以及异步电动机控制理论的发展，另一个巨大的推动力就是市场。一般占工业用电50一60的风机、泵与压缩机等通用机械上使用的变频调速装置，将节电30左右，因此有巨大的市场潜力。交流变频调速装置取代直流调速装置也已成为必然趋势。由于变频控制器销售量不断扩大，生产形成批量

6、，价格下调，相同容量的交流变频器与直流调速装置的价格已经接近，能为用户接受。而且在一些生产机械上使用变频调速已经成为机械更新换代的标志。变频技术的发展，大体可以从如下三个方面综述。(1)电力电子器件的更新变频控制器从采用晶闸半控器件到采用功率晶体管GTR全控器件，其输出波形从交流方波发展为脉宽调制PWM波形，大大减少了谐波分量，拓宽了电动机变频调速范围和减少了转矩的脉动幅度。(2)控制策略的发展第一代变频控制器采用的是压频比标量控制方式，它根据电动机等效电路确定的线性UF比进行变频调速。为提高低频时电动机产生的转矩，通常采用提升电压以及随负载变化补偿定子绕组压降的办法，可以拓宽变频调速范围至2

7、0：1左右。第二代变频控制器的主要特征是采用矢量控制方式，它将电动机的定子电流空间矢量分解为转子励磁分量与转矩分量。首先要控制励磁，所以又把矢量控制成为磁场定向控制。矢量控制的主要缺点是需要复杂的坐标转换运算以及需检测转速信号。因此，进一步提出无速度传感器矢量控制的方案，它根据电动机实际运行的相电压与相电流以及定转子绕组参数推算出转速观测值，进而计算出转子磁链与转矩电流的观测值，以实现磁场定向的矢量控制。(3)功能综合化新一代的变频器由于有功能很强的微处理器的支持，除能完成电动机变频调速的基本功能外，还具有自动加减速、节电运行以及过欠压保护和过流保护等功能。1.2 课题背景众所剧知，电冰箱是现

8、代家庭中必不可少的家用电器。而目前市售冰箱大多采用传统的机械式温控，控制精度差，功能单一，控制方式简单难以满足现代冰箱发展的要求。随着经济的发展和人民生活水平的进一步提高，人们对多功能化的发展要求越来越高。电子技术的高速发展，变频技术是近年来国际家电领域全面开发和应用的一项高新技术，它采用新型变频器，将50Hz的固定供电频率转换为30-130Hz的变化频率，实现电动机运转率的自动调节，达到节能和提高效率的目的。据统计，我国家用冰箱在城市普及率达85，其电耗大约占居民总用电量的一半，据调查发现了这样两组数据：其一，未来15年内中国冰箱平均每年耗电将达到400亿度以上；其二，如果全部采用节能冰箱，

9、每年可节约的电力相当于葛洲坝水电站发电量的一半以上，在今后15年内至少将为国家节约100亿元的投资。这是两组无需任何说明的数字，推广节能冰箱的意义亦尽在此中。在此基础上，酝酿了数年之久的节能冰箱“新国标”家用电冰箱耗电量限定值及能源效率等级，终于2003年11月1日正式出台。“新国标”规定了电冰箱能源效率等级的判定方法，即依据电冰箱的实测耗电量和耗电量限定值，将电冰箱的能源效率等级由高到低分为1、2、3、4、5这样5个等级。并且明确表示，进入市场的每一款电冰箱产品即将被强制性粘贴家用电冰箱能效标识，用以标注能效等级等相关内容。 根据蒙特利尔协议，我国承诺2005 年在冰箱生产中停止使用氟里昂（

10、CFC）工质。由于得到蒙特利尔多边基金的支持以及企业自身的重视，这项工作进展顺利。中国家电协会有关人士称，目前正在执行中的“全球环境基金节能无氟冰箱的广泛商业化障碍消除项目”，在降低冰箱能耗方面起到了积极的促进作用，将从技术上提高冰箱的节能水平，扩大节能冰箱的市场供应。据国家环保局提供的数据，截止到2000 年底，我国已有15 家冰箱压缩机生产企业进行了CFC 替代技术转换，其中以R600a（异丁烷、2-甲基丙烷）为主要技术路线的有加西贝拉、黄石东贝及白雪等5 家，以R134a（四氟乙烷）为主要技术路线的有扎努西、万宝冷机、华意等8 家，恩布拉科雪花压缩机有限公司及无锡松下冷机压缩机有限公司两

11、种产品均可生产，尚未进行CFC 替代技术转换的企业总生产能力不到500 万台/年。统计表明2，冰箱用电大约占我国居民总用电量的一半左右，未来15 年内冰箱将消耗6010 亿度电，也就是说将增加5700 兆瓦的发电，消耗400 多亿元的投资。推广节能冰箱能促进冰箱在今后几年内平均每年节能增加20%，将少消耗1200 亿度电，相当于节能7170 万吨原煤，从而减排1.426 亿吨二氧化碳，对减缓全球气候变暖具有重要贡献。同时，这也使二氧化硫的排放也得到大幅度的削减，有益于地区环境的改善。随着我国签署蒙特利尔议定书以及加入 WTO，我国于2004 年底全面禁止使用CFCs(氟氯烃)工质，其替代品HC

12、FCs（含氢氟氯烃）也将不久的将来全面停止使用。为此国内外的冷冻空调研究人员对此进行了大量的CFCs 以及HCFCs 工质替代试验研究，但其中一些较有前途的工质(如R407C, R410A)属于非共沸混合工质，不但价格昂贵，而且必须严格防止泄漏；另外最重要的一点就是工质热力性质等综合性能较CFCs 以及HCFCs 工质降低，但这一点降低(哪怕1%)也将给广泛使用的标准制冷机配置带来诸多的问题，并消耗无数的电力资源。例如，日本从1996 年全面禁止生产CFCs冰箱，一般采用R134a 及R22(二氟一氯甲烷)替代CFC-12(氟里昂12)，为此冰箱制冷性能下降5%10%。目前正在广泛使用的电冰箱

13、、空调器是CFCs 工质替代首先冲击的目标，如何提高电冰箱、空调器等制冷机的能源效益是制冷界最紧迫的课题之一。由于改善制冷工质的热力特性及适用性能难以大幅提高制冷机的能源效益，因此通过改善压缩机性能来实现节能显得更加实际、更加可行。目前发达国家己经研制开发出了新一代制冷压缩机直线压缩机3-7，图1.1是美国SUNPOWER3公司开发的一种直线压缩机的结构示意图。这是一种活塞电机一体化设计的特种压缩机，其活塞用直线电磁驱动系统驱动做往复直线运动，因为不存在旋转运动以及将电机的旋转运动转变为活塞往复直线运动的转换机构，使得压缩机结构紧凑、体积小、能耗低、效率高。并且由于活塞的驱动力方向始终与其运动

14、方向保持在同一条直线上，因此活塞上没有侧向力的存在，这可以显著地降低活塞的摩擦损耗，从而延长压缩机的寿命。另外，该压缩机的活塞行程不受驱动系统的结构限制，可以“自由”移动，使得通过控制环路可以在线调节扫气容积来直接实现能量调节，从而达到节能的目的。直线压缩机与现有的家用旋转式往复活塞压缩机相比，效率可提高15%到25%4。据美国环境保护署(EPA)统计6，如果全美现有的冰箱都换成由直线压缩机驱动，那每年将节省12 亿美元。图 1.1 直线压缩机结构示意图: 图 1.1 直线压缩机结构示意图 第二章 动圈型直线电机数学模型的建立 2.1 直线压缩机介绍直线电机驱动的压缩机简称直线压缩机，其主要是

15、利用直线电机驱动技术驱动压缩机活塞作往复直线运动，根据所采用的驱动源直线电机的类型来划分，目前主要有直线同步振荡电机驱动的压缩机(简称电磁振动压缩机)、直线步进电机驱动的压缩机以及复合次级直线电机驱动的压缩机(简称直线电动压缩机)三种类型。其区别于传统往复活塞式压缩机主要有以下特点：1. 不需要曲柄连杆机构和机械传动系统，结构非常简单；2. 活塞的驱动力始终与其运动方向保持一致，因此活塞不受侧向力作用； 3. 摩擦小，机械系统的能量损失非常少；4. 容易实现无油润滑和气体轴承支撑；5. 活塞行程不受机械系统的结构限制，可以通过控制系统对压缩机的排量进行连续地调节。2.1.1 动圈型直线压缩机当

16、电流通过动子绕组时，由于磁场的作用绕组会受到安培力的作用。如果电流是交变的，绕组上所产生的力也是交变的。动圈型(Moving Coil)直线压缩机正是利用了这一原理，图 2.1所示是该种压缩机的一种结构示意图。当交变的电流通过动子绕组时，绕组电流与气隙磁场相互作用，在绕组上产生交变电磁推力，从而使得动圈带动活塞作往复振动，完成压缩气体的工作。 图 2.1 动圈型直线压缩机 动圈型直线电机动子绕组中的电流大小与极性分别决定了输出力的大小和电机动子的运动方向，所以动圈型直线电动机容易被控制。相对于动铁型和动磁型直线电机，动圈型直线电机还具有以下优点: 1. 动子质量轻，反应灵敏，动子绕组电感和机电

17、常数小，适合于快速控制；2. 较小的动子质量，意味着能容易设计满足直线压缩机的谐振弹簧； 3. 动子骨架为非导磁体，消除了永磁电机固有的电枢和磁极之间的吸力，降低了启 动电流；4. 动子中无磁滞损耗，能量损失小、效率高；5. 动圈型直线电机为单极电动机，磁钢的利用较充分，漏磁小； 6. 易于计算机控制，动圈型直线电机和闭环控制结合在一起，可精密地控制动子位移其速度和加速度控制范围广，调速性好。另外，该种压缩机的定子磁通的产生可以方便的采用永磁材料或者通电线圈来励磁，这使得它的制造成本可以根据自己的需求方便的选择电机的结构形式。从以上特点可以看出，动圈型直线压缩机非常适合于作为家用冰箱的制冷机,

18、研究动圈型直线电机具有非常大的现实意义。2.2 动圈型直线电机数学模型的建立动圈型直线电机结构简单，易于设计。用它设计的冰箱压缩机性能优良，检修方便，而且与其它几种类型压缩机相比还有驱动系统原理简单，易于分析设计的特点。虽然它还有制造成本偏高、驱动力相对较小的缺点，但随着永磁材料价格的不断下降22，这种类型的压缩机依然有很大的发展前景。本节将介绍动圈型直线电机的工作原理，并建立其机械系统和电磁系统数学模型。2.2.1 电机驱动工作原理前一节己经简单介绍了动圈型直线压缩机的工作机理及其性能特点，并在图 2.1中给出了一种应用形式。图 2.2是这种压缩机主体部分的另一种结构示意图。虽然它们的结构形

19、式不完全相同，但它们都是由永久磁铁或者直流励磁绕组产生定子磁路气隙磁场，通交变电流的动子绕组在该磁场中受到周期电磁力作用而带动活塞作往复直线运动，因此都是动圈型直线压缩机。这种压缩机活塞驱动力的产生是利用通电导线在磁场中将受到一定方向安培力作用的特性。如图 2.3 所示，当动子绕组中流过电流 i，并且其工作气隙处的磁感应强度恒为Be时，作用在动子绕组上的推力23 为 ：F= Belei (2.1)式中le为磁感应强度作用范围内动子绕组的有效长度，力的方向可由左手定则判定。假如 Be 和 le 都是常数，电流 i 随时间交流变化，则作用在绕组上的电磁力也将随着时间变化，并且推动动子做往复直线运动

20、，这就是直线电机的驱动工作原理。 图 2.2 动圈型直线压缩机结构示意图 图 2.3 动圈型直线电机驱动原理图 2.2.2 电机电磁系统数学模型的建立本文选择动圈型直线电机作为研究对象，研制了电励磁型动圈式直线电机原理样机，并对原理样机进行了深入的理论分析和特性试验研究，掌握了电励磁型直线电机的基本特性参数，为进一步的试验研究打下了基础。图2.4为电机电磁系统简化物理模型。 图 2.4 电机电磁系统简化物理模型 由分析可知电机定子磁路中有两类磁通通过： 一类是永磁体产生的磁通 （用实线表示其磁力线走向）；另一类是有电流流过的动子绕组产生的磁通（用虚线表示其磁力线走向， 如果动子绕组中电流是交变

21、的， 那么其方向也是交变的） 。设电机运行时动子绕组接交流电源， 电压为 u,则动子绕组中就有交变电流流过，其方向与定子磁路气隙中的磁力线相正交，因此动子绕组会受到安培力的作用而在磁场中运动,从而产生动生电动势d及自感电动势l,用i 表示两者之和，即i=d+l。由电源电压 u 及i共同作用于电路所产生的回路电流为i ，并由于动子绕组电阻R（包括线圈本身电阻和与它串联的驱动电路的电阻)而造成电压降u (此处不计漏磁和铁损)，由此构成的电路如图 2.5所示： 图 2.5 电机动子简化电路 根据基尔霍夫第二定律得: (u+i)-uR =0即： u=iR-i (2.2)当不计漏磁时， 设(x,i) 是

22、单匝动子有效绕组所包围的永磁体产生的磁通与通电的动子绕组自身产生的被单匝动子有效绕组所包围的磁通之和（并且假定每匝动子有效绕组情况一样），即单匝动子有效绕组所包围的磁通为：(x,i)=o(x)+i(x,i) (2.3)式中,o(x)为单匝动子有效绕组包围的永磁体产生的磁通，与电流无关；i(x,i)为动子绕组自身产生的被单匝动子有效绕组所包围的磁通，是位移和电流的函数，但当振幅不太大时，位移的影响比电流的影响小得多25，故可近似地认为i(x,i)=i。由电磁关系可知，在o(x) 的作用下，动子绕组动生电动势为: d=-Ndo(x)/dt (2.4)式中，N为动子有效绕组匝数。d可以这样来求取。如

23、图 2.6所示,Be 为气隙磁感应强度,ds 为线圈直径，当单匝线圈向下移动时，通过它的磁通增量为： 图 2.6 单匝线圈在磁场中运动磁通增量示意图 do=Be dsdz从而 (2.5)当线圈为N匝时，则为: (2.6)若不计位移对有效匝数的影响，则Nds=le,le 为动子绕组有效长度。所以： (2.7)则, 通电的动子绕组产生的磁通通过定子磁路形成回路，由磁路第二定律得: (2.8)式中，iN 为磁动势；Hl为除气隙以外各段磁路上的磁压降之和,H为定子各段轭铁中磁场强度，l为对应的定子各段轭铁的长度； Hg为气隙磁压降，其中 为气隙径向间隙，Hg 为气隙磁场强度。 在定子磁路中，由于定子铁

24、芯的磁导率比空气的磁导率要大得多，因此定子磁路气隙磁压降远大于定子铁芯内部磁压降之和，故近似可认为： iN=Hg (2.9)己知，Hg=Bg/0，而 Bg=i/s，式中，Bg为动子绕组电流产生的交变磁场在气隙中的磁感应强度；0 （410-7 H/m）为真空磁导率；s为气隙平均中径处的环形截面积。 由法拉第电磁感应定理，线圈在其自身磁场作用下产生的自感电动势为: (2.10)式中，L为回路自感。从而： (2.11)将式（2.11）代入式(2. 2)得： （2.12）电压微分方程(2.12)是动圈型直线电机的基本数学模型。 由于它是非线性的， 在一般情况下只能通过数值解法(如龙格一库塔法等)求得其

25、数值解。用它们建立起来的直线电机系统模型能精确地反映直线电机工作的实际过程。因此，直线电机的设计理论首先要解决的是合理地简化电机系统的模型，即电机非线性系统的合理线性化，建立电机系统的线性近似模型。而电机设计的一般方法就是：首先基于某个线性近似模型进行电机的初步设计，然后通过计算机仿真和实验研究改进电机的设计。 具体的说直线电机的设计应包括以下四个层次的设计工作: 1线性近似设计：主要是将电机工作负荷简化为线性负荷，目的在于对多种设计因素进行粗略的估计，定性的确定其影响。同时以重量和运行效率为主要参考，评价设计机型的经济性。这种设计一般可由微分方程的解析解得到明确的结果。2线性程序法设计：主要

26、是对某些不精确的设定条件进行修正，利用计算机程序辅助设计。采用迭代和逐次逼近的方法得到封闭微分方程组的更为精确的解。 3.数学模拟设计：建立精确的电机数学模型按照可能出现的负荷调整最终设计参数，拟定各种设计方案。通过可行性研究详细地了解可能采用的设计方案。 4.试验模型设计：利用实验模型可以弥补理论设计之不足。通过数学模拟和实验模型和比较可以了解数学模型中未加考虑的因素所造成的影响，同时也便于一边试验，一边改进设计。 在以上的四个层次中，设计方法逐次更为精确与周密，同时也更为复杂与困难。为了使设计研究取得最大效率，所制定的设计目标应与所进行的设计层次相互协调，保持对应。2.2.3 动圈型直线电

27、机设计注意事项 综上所述，可以得出动圈型直线电机设计的注意事项如下： 1为了提高效率，可以加大电机的磁负荷、减小电机的电负荷以及选择导电性能更高的材料。但加大磁负荷会增加定子励磁线圈绕组电流，会增加成本、损耗和电机体积。另外选用导电性更高的材料（如银）也会带来成本的增加。 2欲增加电机功率，可以加大电机的磁负荷和电负荷，但是增加电负荷会导致电机效率下降。当要增加功率又要维持效率水平时，就需要增加有效导体体积Vc ，而这样又会导致导体使用量增加，成本增加。 3为达到电压设计要求，可以调整动子绕组匝数（也就是调整导体线径） ，也可以改变绕组平均直径。但是磁路结构要求绕组的外径和长度之比要处于相对合

28、理的范围之内，而且线圈的长度和动子的行程之比也应合理，因此应先确定线圈绕组的主要尺寸，后选择导体的线径和绕组匝数。2.3 动圈型直线电机原理样机的研制直线压缩机由直线电机直接驱动，电机性能直接影响着压缩机的运行状况和效率高低，因此，在直线压缩机的设计过程中，直线电机的设计和参数的优化就显得尤为重要。应用于冰箱制冷直线压缩机的直线电机必须满足以下要求27-30：1.体积小，效率高； 2.结构紧凑，且体积和形状适合于具有普通汽缸尺寸的冰箱压缩机3. 易加工，成本低； 4. 噪音低，振动小； 5. 满足冰箱制冷所要求的可长期运行的高可靠性。图2.7为本文设计的动圈型直线电机原理样机结构图，本文采用励

29、磁线圈来永磁体产生动子工作气隙磁场。电机主要由动子、定子、定子励磁线圈、电机外壳、轴、谐振弹簧和直线轴承组成。定子磁线圈通入直流电，产生的磁场通过定子磁路形成磁通回路，在定子磁路气隙处形成近似于恒定的磁场，其方向垂直于动圈圆筒面。当动子绕组中通入交流电时，动子绕组就受到周期的安培力作用，从而带动动子整体做往复直线运动。 图 2.7 原理样机结构图 2.3.1 电机定子设计定子的设计需要保证动子的工作气隙拥有足够的磁感应强度，并使磁路系统的几何尺寸最小，以减小压缩机的体积和重量，降低成本。定子气隙的设计应该尽量使励磁线圈产生的磁通尽可能多的通过气隙，从而减少无用的漏磁通以提高电机性能。电机内建立

30、进行机电能量转化所必须的气隙磁场，可以有两种方法：一种是设计定子励磁绕组代替永磁体来产生，这种方法成本低，但是需要不断的给绕组通入电流来维持气隙磁场；另一种是由永磁材料来产生，这种方法设计的电机损耗少、效率高，但是由于目前稀土永磁材料价格还比较高，所以限制了这种材料的广泛使用。本文根据实际情况，采用第一种方法来设计原理样机。 电机主要包括定子和动子两部分，定子材料选择导磁性能优良的电工纯铁。为使电机的结构更为优化，减少漏磁，本文设计电机定子结构如图2.8所示。由图可知，定子主要由轭铁和励磁线圈组成。轭铁分为内轭和外轭，在内外轭铁之间形成一道环形气隙，由励磁线圈产生的磁通将通过这个环形气隙构成磁

31、通回路，在气隙处产生电机的工作磁场。当气隙一定的时候，若增加励磁线圈中的电流，气隙磁感应强度也随之增大，但当线圈中电流增加到一定程度时，磁路饱和，气隙磁感应强度就不再增加。如果电机定子采用永磁材料钕铁硼(牌号为 N-35H,这种磁钢有很大的最大磁能积和较高的剩余磁感应强度。查这种磁钢的性能曲线得到其最大磁能积点对应的磁感应强度为 0.7T，磁场强度为5000 奥斯特)来励磁， 气隙磁感应强度的选择应充分利用磁钢的性能， 但不能取的过高，一般取值范围为 0.6T1.0T。因此在选择气隙磁感应强度Be 时，为增加电机定子的线圈励磁和永久磁钢励磁的互换性，本文在电机设计的时候把定子磁路气隙磁感应强度

32、Be设计在 0.7特斯拉31左右，同时也保证了电机推力要求。 图 2.8 定子结构图 2.3.2 电机动子设计动子是电机的出力部分，由杯体和环体绕线槽中的线圈绕组组成。线圈绕在采用非导磁材料制成的杯体上，同时在杯体底部设计减轻动子重量的通孔，从而使动子易达到较高的谐振频率，获得较大的动子位移，提高电机效率。另一方面，杯体尺寸的设计必须要保证动子的强度要求。 动子绕组的直径、线径及匝数是影响电机效率和出力的重要参数，也决定了绕组的电阻、电感及系统热损等，是电机优化设计的主要对象。动子绕线的直径需根据允许的电流密度选取，不单要考虑导线的承载能力，也要考虑电机长期运行的稳定性和线圈的散热条件等因素。

33、电流密度大，线径细，工作气隙小，有利于增大电机出力，减小电机重量和提高电机效率，但同时因为线径细，电阻大，发热量就大，线圈散热面积小，温升高，因此也就容易烧毁电机，缩短电机寿命。反之，电流密度小，线径粗，工作气隙大，电机的工作条件就得到改善，但是电机的出力和效率就会降低，同时电机的成本和重量也会相应增加。 为了提高电机的效率，改善其性能，应尽可能减小电机动子绕组的电感，因为动子绕组电感的大小影响其通过的电流的上升率。绕组电感越大，其通入的交变电流上升就越慢，从而影响电机的出力。 动子绕组的有效长度将直接影响到驱动系统的体积和铜损量。绕组有效长度增加一方面可以提高驱动系统的比推力，从而在激振力幅

34、值不变的情况下降低输入电流的幅值；另一方面绕组长度增加势必增加其总电阻，而且会增大整个机构的体积。因此动子绕组导线有效长度的选择必须综合考虑系统的结构和效率。设计时可以根据电流幅值能达到的水平初步选择合适的值，本文初步选择动子绕组有效长度为:le=45 m 。故驱动系统的比推力=Bele=31.5N/A。 电机振动系统的运动质量主要包括三部分：线圈和杯体质量mc ，电机轴的质量 ma 以及弹簧的有效质量ms ，这三部分决定了振动系统的固有频率。一般圆柱压缩弹簧的有效质量折算系数可以取1/3。所以系统的运动质量为: m=mc+m+2ms/3 图 2.9动子实物图 第三章PWM脉宽调制技术PWM(

35、Pulse Width Modulation)脉宽调制就是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法。PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波状，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压大小，也可变输出频率。31 PWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其基本效果相同。这里所说的效果基本相同

36、是指该环节的输出效应波形基本相同。如把各输出波形用傅立叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。如图3.1所示，图3.1(a)为矩形脉冲，图3.1(b)为三角形脉冲，图3.1(c)为正弦半波脉冲，它们的面积(即冲量)都等于1。把它们分别加在具有相同惯性的同一环节上，输出效应基本相同。脉冲越窄，输出差异越小。 (a)(b) (c) 图31形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 上述结论是PWM控制的重要理论基础。下面来分析如何用一系列等幅而不等宽的脉冲代替正弦半波。如图32(a)所示的正弦半波波形分成N等份，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于

37、N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中与相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲与相应正弦部分面积(冲量)相等，就得到图32(b)所示的脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的宽度按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形与正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到P删波形。像这种脉冲宽度按正弦规律变化而与正弦波等效的PWM波形，也成为SPWM(Sinusoidal PWM)正弦波脉宽调制波形。 图3.2 PWM控制的基本原理示意图 PWM波形中，

38、各脉冲幅值是相等，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。根据上述原理，在给出了正弦波频率、幅值与半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度与间隔都可以准确计算出来。按照计算结果就可以控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形，但是，这种计算是很繁琐的，正弦波的频率、幅值等变化时，结果都要变化。较为实用的方法是采用调制的方法，即把所期望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。一般采用等腰三角形作为载波，因为等腰三角形上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波正交时，如果在

39、交点时刻控制电路中开关器件有通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求，当调制信号为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。在PWM型逆变电路中，使用最多的是图33(a)中的三相桥式逆变电路，其控制方式一般采用双极性方式。U、V与W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波Uc，三相调制信号urU、ury与urW的相位依次相差1200。U、V与w各相功率开关器件的控制功率相同，现以u相为例来说明。当urUUc时，给上桥臂晶体管V1以导通信号，给下桥臂晶体管v4以关断信号，则u相相对于直流电源假想中点N的输出电压uUN，=Ud2。当urUUc时，给V4以导通信号，给V1以关断

40、信号，则uUN，=-Ud2。Yl与V4的驱动信号是互补的。当给V1(v4)加导通信号，可能是Vl(V4)导通，也可能是(a) 图3.3三相PWM逆变器电路与波形二极管VDl(VD4)续流导通，这要由感性负载中原来电流的方向与大小决定。V相和W相的控制方式与U相相同。uUN，、UrN，和UWN，的波形如图33(b)所示，这些波形都只有Ud两种电平。图中线电压uUV的波形可由uUN，-uvN,得出。当臂1与6导通时,uUV=Ud，当臂3与4导通时，uUV=Ud，当臂1与3或4与6导通时，uUV=O，因此逆变器输出线电压由Ud、0三种电平构成。在双极性PWM控制方式中，同一相上下两个臂的驱动信号都是

41、互补的。但实际上为了防止上下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟t时间，才给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。这个延迟时间将影响输出的PWM波形，使其偏离正弦波。3.2 PWM的调制方式如图33(b)所示，在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数为载波频率比。在变频过程中，即调制信号周期变化过程中，载波个数不变的调制成为同步调制，载波个数相应变化的调制成为成为异步调制。3.2.1 同步调制在改变信号周期的同时成比例的改变载波周期，使载波频率与信号频率的比值保持不变。这种调制的优点是在开关频率较低时可以保证输出波形的对称性。对于三相系统，为

42、了保证三相之间对称，互差1200相位角，通常取载波频率比为3的整数倍。而且，为了保证双极性调制时每相波形的正、负半波对称，上述倍数必须是奇数，这样在信号波的1800处载波的正、负半周恰分布在1800处的左右两侧。由于波形的左右对称，就不会出现偶次谐波问题。但是，这种调制在信号频率较低时，载波的数量显得稀疏，电流波形脉动大，谐波分量剧增，电动机的谐波损耗及脉动转矩也相应增大。而且，此时载波的边频带(载波与基波的差频)靠近信号波，容易干扰基波频域。另外，这种调制由于载波周期随信号周期连续变化而变化，在利用微处理机进行数字化技术控制时，带来极大不便，难以实现。随着高速半导体功率器件，比如IGBT的开

43、发与普及应用，功率器件的开关频率可以做的很高，比如lOlOOkHz。当然在变频器中通常很少用到15kHz以上，否则开关损耗与输出电流的交越失真变得相当严重。在这样高的载波频率下，多一个或少一个载波对输出电流对称性的影响微之甚微，以致可以忽略不计。因此，在载波频率较高时同步调制几乎失去了应用的价值。3.2.2 异步调制在调制信号周期变化的同时，载波周期仍保持不变，因此载波频率与信号频率之比随之变化。这种调制的缺点恰好是同步调制的优点，即如果载波频率较低，将会出现输出电流波形正、负半周不对称，相位漂移及偶次谐波等问题。但是，在IGBT等高速功率开关器件的情况下，由于载波频率可以做的很高，上述缺点实际上已小到完全可以忽略不计的程度。反之，正由于是异步，在低频输出时，一个信号周期内，载波个数成数量级增多，这种抑制谐波电流、减轻电动机的谐波损耗及转矩脉动大有好处。而且，由于此时载波频率比很大，载波的边频带远离信号波频率，因此，不存在载波边频带与基波之间的相互干扰问题。另外，由于载波频率是固定的，也便于微处理机进行数字化控制。323 分段调制对于BJT双极结型晶体管与GTO门极关断晶闸管之类开关频率不是很高的功率器件，单使用同步调制或异步调制都有失偏频，此时多采用分段同步调制。即在恒转矩区，低速段采用异步调制，