当前位置：文档之家 › 外转子永磁轮毂电机的转速控制

外转子永磁轮毂电机的转速控制

  • 格式：pdf
  • 大小：1.15 MB
  • 文档页数：4

第２１卷第５期　

２０１６年１０月　哈尔滨理工大学学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＡＲＢＩＮ　ＵＮＩＶＥＲＳｎＹ　ＯＦ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．２１　Ｎｏ．５　

Ｏｃｔ．２０１６　

外转子永磁轮毂电机的转速控制　

吕德刚，　都泽源，　马宪伟，　韩佳琳　

（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨１５００４０）　

摘要：针对电动车转速控制非线性的问题，提出一种电动车用外转子永磁轮毂电机转速的线　

・｝生控制方案．依据霍尔效应理论及采用ＣＯＲＤＩＣ算法进行轴角变换的方法，研究了一种新型传感　

器一磁编码器，利用该编码器对电机转速进行线性控制，并给出具体的设计方案和硬件电路．控制　

系统将电动车转把的转动范围从０。～９０。拓宽到０。一３６０。，控制精度可达到１Ｏ位，实现了电动车　

用外转子永磁轮毂电机转速的宽范围线性控制，克服了电动车转速非线性调节的缺陷．　

关键词：磁编码器；轮毂电机；转速控制；霍尔；传感器　

ＤＯＩ：１０．１５９３８／ｊ．ｊｈｕｓｔ．２０１６．０５．０１　１　

中图分类号：ＴＭ９２１．５　文献标志码：Ａ　文章编号：１００７—２６８３（２０１６）０５—００５６—０４　

Ｓｐｅｅｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｅｘｔｅｒｎａｌ　Ｒｏｔｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｗｈｅｅｌ　Ｍｏｔｏｒ　

Ｌｔ７Ｄｅ－ｇａｎｇ，ＤＵＺｅ—ｙｕａｎ，ＭＡ　Ｘｉａｎ—ｗｅｉ，ＨＡＮＪｉａ．１ｉｎ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００８０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ（ＥＶ），ａ　ｌｉｎｅａｒ　ｓｐｅｅｄ　

ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｍｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｒｏｔｏｒ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ（ＰＭ）ｗｈｅｅｌ　ｍｏｔｏｒ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ＥＶ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　

Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　Ｈａｌｌ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａ　ｎｏｖｅｌ　ｓｅｎｓｏｒ—ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｅｎｃｏｄｅｒ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＣＯＲＤＩＣ　ｂａｓｅｄ　ｒｅｓｏｌｖｅｒ－ｔｏ—　

ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｅｍｅ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｒｅ　

ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｘｔｅｎｄｓ　ｔｈｅ　ｒｏｔａｔｉｏｎ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＥＶ　ｈａｎｄｌｅ　ｆｒｏｍ　０。一９０。ｔｏ　０。一３６０。．　

ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｕｐ　ｔｏ　１０　ｂｉｔｓ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅａｌｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗｉｔｈｉｎ　ａ　ｗｉｄｅ　ｓｐｅｅｄ　

ｒａｎｇｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｒｏｔｏｒ　ＰＭ　ｗｈｅｅｌ　ｍｏｔｏｒ，ａｎｄ　ｏｖｅｒｃｏｍｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＥＶ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｅｎｃｏｄｅｒ；ｗｈｅｅｌ　ｍｏｔｏｒ；ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｈａｌｌ；ｓｅｎｓｏｒ　

０　引　言　

外转子轮毂电机具有特殊的结构…，与一般电　

机相反，定子在内、转子在外，具有节省绕组材料、散　

热性好　、转动惯量大　等优点，风叶等负载可直　接安装在转子上，能够减小整机安装尺寸，提高工作　

效率．因此，外转子电机应用十分广泛，本文以一台　

电动车用外转子永磁轮毂电机为控制对象，利用磁　

编码器进行调　］，设计了一套外转子永磁轮毂　

电机控制系统．　

收稿日期：２０１５—０８—０６　基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（１２５４１　１５７）．　作者简介：吕德刚（１９７６一），男，博士，副教授；　马宪伟（１９９５一），男，本科生．　通信作者：都泽源（１９９４一），男，硕士研究生，Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｕｚｅｙｕａｎ＠１３９．ｃｏｌｎ．

　第５期　吕德刚等：外转子永磁轮毂电机的转速控制　５７　

１　磁编码器的原理与设计　

在理想情况下，对环形磁钢进行平行充磁后，磁　

钢表面为一个两极磁场，其剩余磁感应强度　，可以　

分解为径向分量曰　和切向分量曰　，其中：　

Ｂ，　＝Ｂ，ｃｏｓ０　

一　一　（１）　Ｂ　＝Ｂ，ｓｉｎ０　

磁钢表面的径向磁场在圆周上呈余弦规律变　

化，磁编码器正是利用这一原理构造的．在磁钢外　

围同一圆周上放置两个位置正交的线性霍尔元　

件　Ｊ，霍尔元件只敏感径向磁场分量，并输出反映　

磁场变化的电压信号，输出电压信号与切向磁场分　

量无关．对两片线性霍尔元件输出的两个相位正交　

的余弦电压信号求反正切值，进而得到磁场旋转的　

角位置信息，即磁钢安装轴旋转的角位置信息¨　，　

并进一步得到转速信息．　

反正切的具体实现方法是根据输入正余弦信号　

求解其相角，即求反正切值ｔａｎ　（　）＝　，这样　

可以直接得到位置角　Ｌｌ卜　Ｊ．通过稳态误差分　

析。。　和动态误差分析，并进行误差补偿　引，能够得　

到更高精度的角位置信息．采用反正切法进行轴角　

变换的电路结构如图Ｉ所示．对线性霍尔传感器输　

出的相位正交的余弦电压信号进行ｌ２位Ａ／Ｄ转　

换　Ｉ　，利用英飞凌单片机ＸＭＣ４５００进行数字信　

号处理¨　ｊ，并通过ＰＷＭ接口最终输出与转轴角　

度成正比的ＰＷＭ信号，对ＰＷＭ信号进行低通滤波　

得到与转轴角度成正比的电压信号．电压与角度的　

关系如图２所示．　

图ｌ磁编码器数据处理流程图　

５Ｖ　

ＯＶ　０Ｏ　３６０　０　

图２电压一角度关系　ＰＷＭ信号的脉冲宽度与测量角度成比例：　

ｄ＝　一－　

式：ｄ为位置；ｔ　为ＰＷＭ信号高电平持续时间（Ｓ）；　

ｆ　为ＰＷＭ信号低电平持续时间（Ｓ）．　

磁编码器输出的ＰＷＭ信号频率为８４０　Ｈｚ，即　

周期为１　１９０　ｔｘｓ．ＰＷＭ信号的最小脉宽为０．２９　Ｉｚｓ，　

对应位置０　ｄ，对应角度０。．随着角度的增加ＰＷＭ　

信号脉宽以０．２９　ｓ步长递增．最大脉宽ｌ　１８９．７１　

ｓ，对应位置４　０９５　ｄ，对应角度３５９．９１２。．ＰＷＭ信　

号最小脉宽０．２９　Ｉｘｓ，表明磁编码器的分辨率为　

４　０９６，即１２位．图３为磁编码器ＰＷＭ信号的实测　

波形．　

’’ｌ　Ｉ。　’　Ｉ。’　Ｉ’　。　’ｌ　Ｉ　’　’ｊ’　

一－—　：　＾●■　

；　

｛　，　

＿Ｉ・一～・Ｊ　１～　

图３磁编码器ＰＷＭ信号实测波形　

ＰＷＭ信号低通滤波电路后，可以输｝ｎ电压值与　

旋转轴角位置成正比的模拟电压信号，实测电压模　

拟信号如图４所示．　

图４实测模拟电压信号　

２　转速控制系统设计　

本文针对额定功率３５０　Ｗ、标称电压４８　Ｖ、额定　

转速３　０００　ｒ／ｍｉ

ｎ、相数ｍ．＝３的外转子永磁轮毂电　５８　哈尔滨理工大学学报　第２１卷　

机控制系统进行设计　．外转子永磁轮毂电机采　

用分数槽集中绕组，定子槽数Ｚ＝６３，极对数Ｐ＝　３５．选用ＭＣ６８ＨＣ（９）０８ＪＩ３单片机作为核心控制部　

件．电路硬件设计如图５所示．　

图５外转子永磁轮毂电机控制系统电路图　

电动车转把工作原理如图６所示，平行充磁的　

两极磁钢表面的磁场有径向和切向两个分量，根据　

霍尔效应原理，霍尔元件只敏感磁场的径向分量，磁　

场的径向分量呈正弦分布，因此线性霍尔元件输出　

的电压信号也按正弦变化．通过转动两极磁钢来改　

变径向磁场分量的大小，以此来改变线性霍尔元件　

输出的电压大小，通过这个电压控制外转子永磁轮　

毂电机控制系统６个开关管的导通脉冲宽度，从而　

达到调速的目的．但是，采用这种调速方法，轮毂电　

机转速调节是非线性的，通常将磁钢的旋转角度范　

围限定在０。～３０。，因为在０。～３０。范围内可以近似　

认为正弦曲线按线性变化．　

：　Ｖ　Ｊ　１　

２．５Ｖ　

．个　

－＇ｎ－／２／　０＇ｒｒ／２　１ｒ　：　＼　／　～　

磁钢　

图６转把工作原理图　

本文采用磁编码器代替转把，能够实现轮毂电　

机转速的线性控制，并且手柄转动范围可达到０。～　

３６０。，更有利于转速调节的平稳性．　

本文基于磁编码器设计了外转子用磁轮毂电机　

转速控制系统，并搭建了试验平台，如图８所示．图　

９所示为开关管桥臂电压实测波形．　图８外转子永磁轮毂电机控制系统试验平台　

３　结　论　图９开关管桥臂电压波形　控　制　器　

本设计实现了一种全新的跟踪型位置传感器一　

磁编码器，基于磁编码器设计了外转子永磁轮毂电　第５期　吕德刚等：外转子永磁轮毂电机的转速控制　５９　

机速度控制系统并搭建了试验平台，试验数据及电　

机的实际运行状况表明，该系统完全满足电动车对　

控制系统的要求，并具有转速线性调节、转速调节平　

稳等优点．　

参考文献：　

［１］辜承林．轮毂电机发展思考［Ｊ］．电机技术，２００６（３）：２—６．　

［２］梁培鑫．永磁同步轮毂电机发热及散热问题的研究［Ｄ］．哈　

尔滨：哈尔滨工业大学，２０１３：３—９．　［３］　江从喜，赵兰萍，杜旭之，等．整车环境下加装散热翅片对轮　

毂电机散热性能的影响［Ｊ］．计算机辅助工程，２０１５，２４（４）：５　

—１２．　

［４］　汪志强．轮毂电机对车辆操纵稳定性和平顺性的影响研究　

［Ｄ］．长春：吉林大学，２０１４：１７—１８．　

［５］　吕德刚，李铁才，杨贵杰．无刷直流电动机集成霍尔传感器　［Ｊ］．电工技术学报，２００８，２３（２）：３１—３６．　

［６］　吕德刚，李铁才，杨贵杰．多模式磁编码器设计［Ｊ］．电机与控　

制学报，２００８，１２（３）：２８１—２８７．　［７］　吕德刚，李铁才，杨贵杰．高性能磁编码器设计［Ｊ］．仪器仪表　

学报，２００６，２７（６）：１３４７—１３５０．　［８］　王力，杜坤梅，胡博，等．基于磁编码器永磁同步电动机转速　

及位置的检测［Ｊ］．哈尔滨理工大学学报，２００７，１２（６）：８Ｏ　

一８３．　

［９］　张梦，吴克刚，朱庆功．基于霍尔效应的车用角位置传感器线　性化研究［Ｊ］．汽车零部件，２０１３（６）：８３—８５．　［１Ｏ］杜春洋，刘胜，赵凯岐．基于ＤＳＰ的快速轴角变换方法［Ｊ］．　

控制工程，２０１０，１７（１）：３５—４１．　

［１１］鲍宜鹏．一种ＣＯＲＤＩＣ算法优化及３２位浮点反正切函数ＦＰ．　

ＧＡ实现［Ｊ］．电子与封装，２０１５，１５（３）：２２—２５．　

［１２］刘小会，许蕾，刘海颖，等．基于ＣＯＲＤＩＣ改进算法的反正切　

函数在ＦＰＧＡ中的实现［Ｊ］．计算机技术与发展，２０１３，２３　

（１１）：１０３—１０７．　［１３］王成元，边际．一种控制系统中稳态误差分析方法［Ｊ］．控制　

工程，２０１４（１１）：１１５—１１６．　［１４］于海．小型绝对式光电编码器动态误差检测系统及方法研究　［Ｄ］．长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，　

合集下载

BLDC永磁电机及其控制原理

BLDC永磁电机及其控制原理

BLDC永磁电机及其控制原理

BLDC（Brushless DC）永磁电机是一种无刷直流电机，也被称为无刷永磁同步电机（PMSM）。相比传统的有刷直流电机，BLDC永磁电机具有更高的效率、更低的噪音和更长的寿命。它广泛应用于电动车、航空航天、工业自动化等领域。

BLDC永磁电机的控制原理是通过对电机的三相电流进行控制来达到转速和转矩的调节。在BLDC电机中，转子上有若干个磁极，而定子上有三个相位相差120度的绕组。当电流通过绕组时，会产生旋转磁场，而与磁场同步旋转的转子也会跟随旋转。根据BLDC电机的永磁特性，当电流通入发磁绕组时，转子磁极与定子绕组之间会产生磁力吸引或排斥的作用，从而产生转矩。

BLDC永磁电机的控制可以分为传感器反馈控制和无传感器反馈控制两种方式。传感器反馈控制通常使用霍尔传感器或编码器等装置来检测转子位置和速度，并将反馈信号送回电机控制器，通过控制器来调整电机相位和电流。这种方式可以实现高精度的转速和转矩控制，但需要额外的传感器装置，增加了成本和复杂度。

而无传感器反馈控制则是通过估算转子位置和速度来实现控制。无传感器反馈控制算法通常使用反电动势（Back EMF）估算转子位置和速度。反电动势是由于转子磁极与定子绕组之间的磁感应产生的电势，它与转速成正比。通过测量电机相电流和反电动势，可以估算出转子位置和速度，并通过控制器来调整电机相位和电流。这种方式不需要额外的传感器装置，减少了成本和复杂度，但精度较传感器反馈控制略低。 在BLDC永磁电机的控制中，还需要考虑到换相问题。换相是指在相位旋转时切换绕组的通电顺序，以保持转子与磁场的同步。传统的换相方式是基于霍尔传感器或编码器等装置来获取转子位置，然后通过控制器来调整相位。而在无传感器反馈控制中，需要使用特定的换相算法来估算转子位置，并实现正确的换相。常见的换相算法有霍尔换相法、反电动势换相法和电角度法等。

总之，BLDC永磁电机的控制原理是通过对电机的三相电流进行控制来实现转速和转矩的调节。传感器反馈控制和无传感器反馈控制是两种常见的控制方式。在控制中还需要考虑到换相问题，以保持转子与磁场的同步。BLDC永磁电机因其高效、低噪音和长寿命的特点，正在越来越广泛地应用于各个领域。

永磁无刷直流电动机控制方法

永磁无刷直流电动机控制方法

永磁无刷直流电动机控制方法

永磁无刷直流电动机控制方法有很多种，以下列举几种常见的方法：

1. 基于电压的控制方法：这种方法通过调节电机的驱动电源电压来控制电机的转速。可以通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来控制电机的转速。

2. 基于电流的控制方法：这种方法通过控制电机的相电流来控制电机的转矩。可以通过调节PWM信号的频率来控制电机的相电流。

3. 位置控制方法：这种方法通过检测电机的转子位置来控制电机的转速和位置。可以使用轴编码器、霍尔传感器等装置来检测转子位置，并根据实际位置与期望位置之间的差异来调整电机的输入信号，从而实现位置控制。

4. 矢量控制方法：这种方法通过测量电机的电流和电压来实时计算出电机的控制矢量，进而控制电机的转速和转矩。矢量控制方法可以提供更精确的转速和转矩控制，并且可以减小电机的振动和噪音。

以上仅为常见的几种控制方法，实际应用中可以根据具体需求和系统要求选择合适的控制方法。

双绕组切换型轮毂电机的结构设计及控制

双绕组切换型轮毂电机的结构设计及控制

双绕组切换型轮毂电机的结构设计及控制

孙振杰;许东来;万梦;郑然

【摘 要】In order to improve the maximum mileage, maximum speed, the

performances of starting and climbing of the wheel hub motor for electric

vehicle, the control system of the double-windings series-parallel switched

wheel hub motor was designed. The motor type selection and the pole

pairs were analyzed. And the motor performances with low speed high

torque and wide-range speed were analyzed. Two sets of stator windings

were adopted for motor, and double-windings series-parallel switched

circuit was analyzed and designed. Two sets of stator windings were

adopted for motor, and double-windings series-parallel switched circuit

was analyzed and designed. As a result, the motor can run with high speed

when the windings are in parallel operation. When the windings are in

serial operation, the motor torque can increase by one time with the same

永磁同步电动机调速控制系统的设计

永磁同步电动机调速控制系统的设计

永磁同步电动机调速控制系统的设计

永磁同步电动机调速控制系统的设计

永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）是一种典型的高性能电动机，具有体积小、高效率、高功率密度和响应速度快等优点，因此在工业领域得到广泛应用。PMSM调速控制系统的设计是实现电机精确控制的关键。

PMSM调速控制系统通常包括电机、传感器、功率器件、控制器和运算平台等组成部分。电机是PMSM调速控制系统的核心，它通过传感器获取电机运行状态信息。功率器件负责将控制器输出的指令转化为电机的控制信号。控制器根据电机的运行状态信息和控制目标，通过对功率器件输出合适的控制信号实现对电机的调速控制。运算平台则负责数据处理和算法运算，将控制器输出的指令与电机运行状态信息进行比较，得出合适的控制策略。

PMSM调速控制系统设计的关键是确定合适的控制算法和参数。一般来说，常用的控制算法包括传统的PID控制算法和先进的模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）算法等。PID控制算法简单易实现，但对于非线性系统来说，控制效果可能不够理想；而MPC算法可以更好地解决非线性系统的控制问题，但其实现较为复杂。在具体的PMSM调速控制系统设计中，需要根据实际情况选择合适的控制算法和参数。

PMSM调速控制系统设计还需考虑到系统稳定性、鲁棒性和响应速度等因素。稳定性是衡量系统控制质量的重要指标，一般通过系统的闭环传递函数分析和极点配置等方法来实现。鲁棒性是指系统对参数变化和扰动的抵抗能力，通过增加控制器的鲁棒性设计和采用适当的控制策略来实现。响应速度则是指系统对控制输入的快速响应能力，通过优化控制算法和参数，减小信号传递延迟等方法来实现。

永磁同步电动机调速控制系统的设计需要综合考虑电机的运行状态信息、控制目标、控制算法和参数、系统稳定性、鲁棒性和响应速度等因素。只有在系统的各个方面都进行合理设计和优化，才能实现对PMSM的精确控制。