五相步进电机技术的现状与发展趋势

文章来源:步进电机 时间:2019-07-05 09:00:40 浏览:

  我国自2010年开始已经连续8年成为世界汽车产销第一大国,但是随着汽车保有量的高速增长,燃油汽车排放出大量的固体悬浮微粒、一氧化碳、碳氢化合物、硫氧化合物以及氮氧化合物等尾气,给大气环境带来非常大的污染。2017年7月开始,以欧美国家相关政府部门、各大汽车集团为代表,先后推出禁售传统燃油汽车时间表,同时我国也传出即将出炉传统燃油汽车禁售时间表。在推出燃油车禁售时间表的同时,五相步进电机各大汽车企业都提出未来将重点发展新能源汽车,特别是电动汽车。

  目前汽车业界根据动力来源的不同,通常把新能源汽车分为纯电动、混合动力以及燃料电池汽车三类。在不能有效解决电池技术之前,纯电动汽车由于受到续航里程的限制,过渡时期的混合动力必将是发展的主力。目前发展最好的混合动力汽车又细分为四类,包括微混合动力汽车、轻混合动力汽车、全混合动力汽车及插电式混合动力[1]。在混合动力电动汽车上,驱动电机要完成提供动力和制动能量回收等不同工作模式切换;同时,驱动电机是燃料电池汽车和纯电动汽车上唯一的动力来源。因此不管是哪种类型的新能源汽车,驱动电机都是汽车动力的核心元件之一,其性能的好坏将直接影响新能源汽车整车的动力性、经济性、操纵稳定性等性能,因此研发具有高密度、高效率、宽调速的驱动电机系统具有举足轻重的意义。

  

五相步进电机

 

  1 五相步进电机技术

  传统的由逆变器供电的电机驱动系统的相数一直受到供电相数的限制而不能有效发展,近年来计算机技术、电力电子技术以及现代控制理论的高速发展逐渐克服了这一瓶颈[2]。多相电机驱动系统相比传统三相电机驱动系统,在一些低压大功率、高可靠性等应用环境下具有非常明显优势,因此多相电机驱动系统非常适用于电动汽车、航空航天、全电船舶推进等场合,并得到广大科研人员的格外关注和重视。

  与传统三相步进电机驱动的电动汽车相比,采用五相电机驱动系统,具有以下四个非常明显的优势:(1)可以使用低成本的低压功率器件来实现电动汽车整车大功率驱动控制;(2)在整车供电电压受限的情况下,为了避免功率器件的并联引起均流问题,可以用单个功率器件实现中大功率的逆变器;(3)五相电机在转矩脉动幅值比三相电机小的同时,其脉动频率却增加;(4)五相感应电机在设计的时候采用了相冗余的理念,因此当一个定子绕组出现开路或逆变器的一个桥臂开路时,不会显著改善驱动系统的可靠性,从而不明显影响电机的正常启动和运行。基于五相电机驱动系统的以上优势,将五相电机用于电动汽车驱动系统比目前采用的三相驱动电机具有广阔的市场前景。

  2 五相步进电机技术研究现状

  2.1 国外研究现状

  相比国内对多相电机的研究起步晚、基础薄,国外的研究起步较早,积累也更为深厚,可以追溯到半个世纪以前,但由于受到当时技术水平的限制,真正大量研究则是20世纪80年代以后。随着世界范围内计算机技术、电力电子技术以及现代控制理论的高速发展,才有力推动了高性能的多相电机驱动系统[3]。国外对于多相电机系统的研究主要有以下四个方面。

  2.1.1 多相绕组理论

  国外对于多相电机绕组的研究起步较早,其中E.A.Klingshim在多相电机绕组理论发展中发挥了十分重要的作用,他率先提出了现代多相电机的分类方法,即按照电机相数来进行分类,并指出电机的相数应该按照电机绕组的相带角来定义。该理论假设某多相电机每对极距内有n个均匀分布的相带,则每个相带占360o/n电角度,即每个相带电流的时间差为360o/n,那么从电机内部看就是一个n相的对称绕组。

  2.1.2 多相电机建模

  在多相电机的研究中,建立电机的数学模型是一项非常重要的工作内容。D.C.White和E.A.Klingshim等人就对多相电机的数学模型进行了深入研究,他们采用瞬时对称分量法,成功建立了适用于定子绕组正弦分布的多相感应电机的数学模型和等效电路。与此同时,T.A.Lipo更是利用傅里叶级数变换的方法分析了多相电机,完成了集中绕组感应电机在自然坐标系下的建模。L.YXu和H.A.Toliyat等人则是利用广义Park变换对相同步磁阻电机进行了数学建模研究,并通过矢量控制技术对电机实现了控制。

  2.1.3 五相步进电机控制策略

  相比三相电机,五相电机的控制更为复杂,在五相电机的控制策略方面,H.A.Toliyat采用直接转矩控制理论来研究五相电机驱动控制系统,他将五相逆变器总共32个空间电压矢量中的30个非零空间电压矢量按照 l:1.618:1.6182的幅值分成三组来使用。同时,T.A.Lipo和YF.Zhao等人提出基于空间电压矢量解耦的多相电机矢量控制策略,将研究对象放在以正弦分布绕组相移30o双Y型感应电机上,将六维空间中的电压矢量映射到新的六维空间,从而有效实现对三个相互正交的二维子空间上的控制。

  2.1.4 五相步进电机容错控制策略

  为了保证多相电机的抗干扰运行,多相电机容错研究一直是多相电机的研究热点。早在20世纪80年代,T.M.Jahns在国际上最早提出了相冗余的概念,指出多相电机中一相或者多相发生故障时不会显著影响多相电机运行 [4]。同时,J.R.Fu也提出了一种对多相电机容错进行控制的简化算法,该算法假设多相电机的某一相出现开路,而电机为维持该故障前后定子绕组磁动势不变,则多相电机剩余各相定子绕组电流幅值不是唯一的,应该将定子铜耗最小化作为约束条件来控制。在J.R.Fu的研究基础上,L.Parsa和H.A.Toliyat等人将J.R.Fu的研究成果用来研究五相电机的容错运行情况,通过实验,当分别调整基波电流和三次谐波电流时,可以有效保证基波和三次定子谐波磁动势与正常情况相同。

  2.2 国内五相步进电机研究现状

  相比国外,国内对多相电机研究起步较晚,对五相电机的研究就更少了,目前国内对五相电机的研究重点主要集中在以下几个方面:电机结构、容错控制的改进、短路故障的避免、扭矩波动减少、电压矢量等,其中容错控制方面是目前研究的热点。

  2.2.1 五相步进电机结构

  

五相电机驱动器

 

  2011年以来,哈尔滨工业大学的郑萍教授等学者对多相电机展开研究,并根据电动汽车这一实际应用场景,分别对4、5、6相分数槽集中绕组永磁同步电机展开研究[5]。课题组采用绕组设计和不等齿设计等方法来减少气隙磁动势中的谐波含量,重点研究了五相电机的电磁参数计算问题,创造性的提出了绕组匝间短路时采取T型等效电路进行分析的方法,最后还按照设计要求制造了实验样机并进行相关实验验证,取得不错的研究结果。

  2011年至今,江苏大学的刘国海教授等学者进行了20槽18极结构的五相容错永磁电机的研究,该类型的五相电机的定子采用单层分数槽集中绕组的总体结构,而转子则采用表面嵌入式和表贴式、内置V型和一字型、及切向式转子的多种拓扑形式结构。该课题组除了进行该五相电机设计,并最终成功制造了采用切向式和内置V型转子的五相电机样机,同时基于该样机展开相关实验验证,取得了一系列的成果。

  2.2.2 五相步进电机容错控制策略

  国内对五相步进电机的容错研究较晚,在2005年的时候,来自中国科学院电工研究所薛山博士对五相电机的容错控制策略进行了系统性研究。他独自建立了五相永磁同步电机在一相绕组开路故障下的数学模型,对该模型进行研究分析,重点解决五相永磁同步电机在绕组开路故障下抗干扰运行的条件,并针对性的提出了在出现故障的情形下电机定子电流进行优化方法。

  2011年,来自哈尔滨工业大学的教授杨贵杰和其指导的博士赵品志等学者,成功建立了同步旋转坐标系下的转矩方程,并用此方程解决了长期困扰的五相电机的绕组开路故障,并从最大转矩电流比和最大转矩两个角度分别提出了不同的电流优化方法。

  同年,来自江苏大学的颜黎浩针对电动汽车用的轮毂式五相永磁无刷电机展开研究,针对常见结构的永磁无刷电机 (Permanent magnet brushless motor,简称PMBL电机)、五相无刷交流电机(Brushless AC motor,简称 BLAC 电机)、五相无刷直流电机(Brushless DC motor,简称BLDC电机)这三种五相永磁无刷电机驱动系统,并分别建立了这三种电机的数学模型。具有开创意义的是他首次将目前比较先进的神经网络控制技术用于五相电机的容错控制策略研究,将五相永磁无刷电机驱动系统的容错研究推向了一个新的高度。

  关于电动汽车五相步进电机的容错研究,最近的就是2015年,哈尔滨工业大学随义博士,为了给下一代电动汽车的高性能电力驱动提供更好的执行方案,提出了不约束中性点电流的重构圆形旋转磁场容错控制策略,从而有效解决在五相电机的1-3相绕组的开路故障。同时,随义博士还提出了基于最大转矩铜损比的全桥驱动下五相容错永磁同步电机的容错控制策略,重点分析了五相容错永磁同步电机的典型绕组短路故障,并研究了五相容错永磁同步电机的短路故障的分析和检测方法。

  同年,同样来自哈尔滨工业大学王鹏飞博士的博士学位论文,文中对电动汽车用的五相永磁电机的容错运行控制进行了详细的研究。该研究主要针对电动汽车电机驱动控制系统工作于低速大转矩,并且需要具备较宽的调速范围的工作场景,从适用于该场合的五相永磁容错电机的矢量控制策略方面进行研究。

  3 五相步进电机技术的发展趋势

  五相电机在传统三相电机基础上不仅增加了电机的相数,其驱动系统也比传统三相电机驱动系统复杂的得多,绝不是简单的叠加。因此五相电机实际应用于电动汽车还有很长的路需要走,还有很多问题需要去解决,这也是五相电机技术未来的发展趋势。

  在五相电机的主要研究内容中,电机容错控制占据了很重要的位置,其主要技术要求往往包括电磁转矩输出较大、转矩脉动较小等性能。目前矢量控制是电机驱动控制系统的主流方法,而使用直接转矩控制的方法也能够对电机转矩实现更好的控制,因此如何将矢量控制和直接转矩控制与软计算方法结合,并得到适合于五相电机驱动控制系统的方法是未来的研究重点。而要提高实际应用中五相电机驱动系统可靠性,必须解决五相电机驱动系统在缺相时的容错策略,以保证电机驱动系统具有较强的抗扰运行能力。

  电动汽车的另外一个趋势就是把五相电机作为轮毂电机使用,这样电动汽车可以取消复杂的变速传动系统,而采取两轮或四轮直接驱动的方式工作,这将极大的简化整车的动力布置,也可以显著改善电动汽车的驱动性能和行驶性能。但是,这样也带来一个问题,当电动汽车正常行驶过程中,出现一台或者多台驱动轮毂电机发生故障,这将导致其他驱动轮毂电机间的匹配关系发生变化,因此未来必须研究一台或者多台电机出现故障情况下其余电机的驱动联合控制问题,只有这样才能保障轮毂电机驱动电动汽车行驶的稳定性。

  4 结语

  五相电机具有传统三相电机所不具备的诸多优势,但是由于技术条件的限制,目前还没有进入电动汽车产业化生产销售阶段。但是随着欧美国家燃油车禁售时间表的相继出炉,未来燃油汽车在我国禁售也是不可避免,可以预见未来数十年混合动力汽车和纯电动汽车将迎来高速发展。因此,国内相关企业、科研单位应当将电动汽车用新型五相电机技术作为研发重点,争取在电动汽车核心动力部件上掌握话语权,真正将我国从汽车大国变为汽车强国。

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