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中国石油大学硕士研究生学位论文华东 ( 申请工学硕士学位) 无刷直流电机电动与 回馈制动的研究 学科专业： 培养方向： 硕士生： 指导教师： 控制理论与控制工程 先进控制理论与技术 孙佃升 白连平( 教授) 论文完成日期：2 0 0 7 年4 月 翌 无刷直流电机电动与回馈制动的研究 孙佃升( 控制理论与控制工程) 指导教师：白连平( 教授) 摘要 无刷直流电机是近年来发展起来的一种新型电机，它利用电子换向 取代传统直流电机的机械换向，既具有直流电机的良好调速性能，又具 有异步电机结构简单、运行可靠等优点。随着对无刷直流电机及其控制 系统研究的不断深入，无刷直流电机在许多领域得到了广泛的应用。尤 其在电动汽车领域，已经成为电动汽车驱动的首选电机。在电动汽车驱 动方面，无刷直流电机的电动和回馈制动是重要的研究课题。因此本文 对无刷直流电机的电动与回馈制动进行了研究，主要完成了以下几个方 面的工作。 首先，学习研究了具有梯形波反电势的无刷直流电机的工作原理， 以及无刷直流电机在全桥斩波调制和半桥斩波调制下的电动和回馈制动 的运行状态和数学模型。 其次，设计了整个系统的硬件电路。包括：电源电路、功率逆变电 路、i g b t 驱动和保护电路、回馈充电限流斩波电路、上电延时保护电路、 d s p 外围电路、相电流检测电路、直流侧电压检测电路。 最后，研究了无刷直流电机的电动和回馈制动的控制方法，以及回 馈制动时对蓄电池回馈充电电流的控制方法，在此基础上完成了软件设 计。包括：换相控制程序、电流和电压采集程序、p w m 占空比重载程序、 转速计算程序、转速和电流双闭环调节程序、回馈制动最大可充电流控 制程序等。 实验结果表明，电机在电动运行时具有良好的动态和静态性能；回 馈制动时，能够保证有较大的制动转矩，制动效果明显，同时又避免了 出现过大的回馈充电电流，能够较好的实现回馈制动。 关键词：无刷直流电机，电动运行，回馈制动 s t u d yo nd r i v ea n dr e g e n e r a t i v eb r a k e o fb r u s h l e s sd cm o t o r s u nd i a n - s h e n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rb a il i a n - p i n g a b s t r a c t 1 1 1 eb r u s h l e s sd cm o t o r0 3 l d c m ) i sa n e w l yd e v e l o p e dt y p eo fm o t o r w h i c hr e p l a c e st h em e c h a n i c a lc o m m u t a t i o nb yt h ee l e c t r i cc o m m u t a t i o n i t h a st h em e r i t so fb o t ht h eg o o ds p e e dc o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h eb r u s hd c m o t o ra n dt h es i m p l es t r u c t u r eo ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o r w i t ht h er e s e a r c h d e v e l o p m e n to nb l d c ma n di t sc o n t r o ls y s t e m t h eb l d c mh a sb e e n w i d e l ya p p l i e di ni n d u s t r ye s p e c i a l l yi ne l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) f i e l di nw h i c h t h eb l d c mh a sb e c o m et h ep r e f e r r e dm o t o r t h er e s e a r c ho nm o t o rd r i v e a n dr e g e n e r a t i v eb r a k ei nd e v e l o p i n ge l e c t r i cv e h i c l ei ss oi m p o r t a n tt h a tt h i s p a p e rh a ss t u d i e dt h ed r i v ea n dr e g e n e r a t i v eb r a k eo ft h eb l d c ma n dt h e w o r kh a sb e e nd o n ea st h ef o l l o w i n g ： f i r s t l y ，t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h eb l d c m h a sb e e nd i s c u s s e da n d t h em a t h e m a t i cm o d e l so nd r i v ea n dr e g e n e r a t i v eb r a k es t a t e so f t h eb l d c m w e r ea n a l y z e d t h eb a c ke m fo ft h eb l d c mi st r a p e z o i d a lw a v e f o r mw i t h 1 2 0 。p l a t f o r mw i d t h s e c o n d l y , t h eh a r d w a r ec i r c u i t so ft h es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e dw h i c h i n c l u d e sp o w e ri n v e r s i o nc i r c u i t ，d r i v i n ga n dp r o t e c t i n gc i r c u i to ft h ei g b t ， c u r r e n tl i m i t e da n dc h o p p e rc i r c u i tu s e di nr e g e n e r a t i v eb r a k e ，t h ee l e c t r i f y i n g d e l a yc i r c u i t ，d s pp e r i p h e m lc i r c u i t ，c u r r e n td e t e c t i n gc i r c u i ta n dd cv o l t a g e d e t e c t i n gc i r c u i t l a s t l y , t h ec o n t r o lm e t h o do f b o t hd r i v ea n dr e g e n e r a t i v eb r a k eh a sb e e n s t u d i e d a n dt h em e t h o do fc o n t r o l l i n gt h er e g e n e r a t i v ec u r r e n tw a sa l s ob e f i i s t u d i e d t h es o r w a r ei sd e s i g n e dw h i c hb a s e do nt h a ti n c l u d i n gt h ep r o g r a m o ft h ec o m m u t a t i o n ，t h ep r o g r a mo fs a m p l i n gc u r r e n ta n dv o l t a g e ，t h e p r o g r a mo fr e g u l a t i n gt h ep w mw a v e ，t h ep r o g r a mo fc a l c u l a t i n gr o t a t e s p e e d ，t h ep r o g r a mo fr e g u l a t i n gt h ec u r r e n ta n d r o t a t es p e e di nc l o s el o o p ， t h ep r o g r a mo fc o n t r o l l i n gt h er e g e n e r a t i v ec u r r e n ta c c o r d i n g t ot h ec h a r g eo f t h eb a t t e r y t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h eb l d c m h a sa ne x c e l l e n t d y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c ea n dt h ee f f e c to ft h er e g e n e r a t i v eb r a k ei s n o t a b l e t h er e g e n e r a t i v ec u r r e n tw a sa l s oc o n t r o l l e da c c o r d i n g t ot h ec h a r g e s t a t eo f t h eb a t t e r y , s ot h em o t o rw o r k sw e l lo nt h er e g e n e r a t i v eb r a k e s t a t e k e yw o r d s ：t h eb r u s h l e s sd cr f i o t o r , d r i v e ，r e g e n e r a t i v eb r a k e i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名； 硷避 p7 年6 月2 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： p 7 年g 月2 日 0 7 年月z e t 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 无刷直流电机的兴起 传统的直流电机采用电刷和换向器以机械方式进行换向。电刷和换 向器间的机械摩擦带来了噪声、火花、电磁干扰等问题，再加上制造成 本高、使用寿命短及维修困难等缺点，在很多场合的应用受到了限制。 针对上述传统直流电机的弊病，早在1 9 1 7 年就有人提出可用整流管 代替机械电刷换向，为无刷直流电动机的诞生提供了理论基础。上世纪 3 0 年代有人开始研究以电子换相代替机械换向的无刷直流电机。但由于 当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的开关器件， 使得这种电机只能停留在实验室研究阶段，而无法推广使用。1 9 5 5 年， 美国d 哈里森等人首次申请了应用晶体管换相代替电动机机械换向器 的专利，这就是现代无刷直流电机的雏形。但由于该电动机尚无起动转 矩而不能产品化。而后又经过人们多年的努力，借助于霍尔元件来实现 换相的无刷直流电动机终于在1 9 6 2 年问世，从而开创了无刷直流电机产 品化的新纪元1 。 2 0 世纪7 0 年代以来，电力电子工业得到了飞速的发展，许多新型的 高性能半导体开关器件，如g t o ，m o s f e t ，1 g b t 等的相继出现，以及 高性能的永磁材料衫钻、钕铁硼等问世，均为无刷直流电机的广泛应用 奠定了坚实的基础。无刷直流电机真正进入实用阶段是从1 9 7 8 年开始的， 当时联邦德国的m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部正式推出m a c 经典 无刷直流电动机及其驱动器。2 0 世纪8 0 年代，国际上对无刷直流电动机 开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电动机。 2 0 世纪9 0 年代以后，控制技术尤其是控制理论发展十分迅猛，单片 机、d s p 、f p g a 、c p l d 等微处理器也得到了空前的发展，指令速度 和存储空间都有了质的飞跃。人们不断尝试着将一些先进的控制策略和 方法( 如滑摸控制、神经网络控制、变结构控制、模糊控制、专家控制等) 引入无刷直流电动机控制器。以微处理器芯片为核心的全数字电路取代 中国 i 油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 原来的模拟电路，使整个无刷直流电动机传动系统的性能大大提高，并 且简化了系统的复杂性，推动着无刷直流电动机朝着高智能化、柔性化、 全数字化方向发展，为其更好地满足新世纪数字化时代发展的需要开辟 了道路。新材料技术的发展，例如稀土永磁材料n d f e _ b 、磁性复合材料 的出现，给电机设计插上了翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。 我们国家稀土资源十分丰富，近年来，永磁电机的研究十分活跃。采用 永磁材料激磁，特别是采用高性能稀土永磁材料，可大大提高电动机效 率，缩小电机体积。据不完全统计，5 0 0 w 以下的直流微电机中，永磁电 机占9 2 ，而1 0 w 以下永磁电机占9 9 。而在无刷化方面，主要是发展无 刷直流电机，以提高产品的可靠性和寿命【l 】。 当前，电子产品正经历着从模拟到数字的转化，在这场数字化的革 命当中，d s p i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 器件适时而动，取得了飞速的发展。 今天，d s p 己经成为通信、计算机、网络、工业控制以及家用电器等电 子产品中不可或缺的基础器件。由于d s p 具有较强的计算能力和较好的 实时性，使得算法复杂的现代控制理论能够在实际中得到很好的应用， 特别是实时性要求很高的系统，也可以通过d s p 实现复杂的智能控制算 法。在电力传动这个实时性要求很高的领域，d s p 的应用越来越多，例 如机器人，机械手等工业自动化系统；火炮位置伺服等军用设备；洗衣 机，空调等家用电器设备；电动自行车等交通工具都用到了d s p 控制器 电力传动方案。 综上所述，电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展更使得电 机调速技术得到很快的发展；新的电力电子器件，高性能的数字集成电 路以及先进的控制理论的应用，使得控制部件功能日益完善，所需的控 制器件数目愈来愈少，控制器件的体积也日益缩小，控制器的可靠性提 高而成本日益降低。 1 2 无刷直流电机调速系统的研究现状 目前，无刷直流电机与传统的有刷直流电机及异步电机相比，已经 表现出明显的性能价格比优势。无刷直流电机和其他电机的比较见表 2 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 1 - 1 【2 1 。 表1 1 无刷直流电机和其它电机的比较 、类别 交流异步电机有刷直流电机无刷直流电机 拦彪 机械特性软硬硬 过载能力小大大 ， 可控性难易易 平稳性较差较好好 噪声较大大小 维护性易难易 寿命长短长 体积大较小小 效率低高高 成本低较高较高 无刷直流电机综合了永磁材料、电机设计、传感器技术、微电子技 术、功率变换技术以及现代控制理论等多学科的成果，代表了电气传动 技术的发展方向。目前，国内外主要从以下几个方面进行研究【2 l ： 1 、采用c a d 技术，通过合理的设计及加工工艺，将功率变换控制 器与电机本体组合成一个整体，以使整个调速系统体积小、材料省、应 用简便。 2 、对定子绕组不同相数结构以及功率变换器电路的选择进行研究， 以取得良好的性能价格比。 3 、通过电机优化设计改善磁场分布波形，减小转矩脉动，降低损耗。 4 、针对位置传感器，一方面研究新型高性能的位置传感器，采用信 号处理技术提高转角检测精度；另一方面研究基于“反电动势法”和“定 子磁链估计算法”的无位置传感器的无刷直流电机。 5 、选择性能高的微处理器( c p u ) 及智能功率集成电路( p i c ) ，提 高控制器的集成度与数据处理能力，简化控制线路，提高系统的可靠性 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 与灵活性。 6 、采用基于现代控制理论和智能控制理论的控制策略，如自适应控 制和模糊控制，实现速度、电流和位置的闭环调节，以增强系统的鲁棒 性，消除参数变化对系统性能的影响，增加系统对负载转矩变化的适应 性。 由于无刷直流电机既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方 便等一系列优点，又具有直流电机的运行效率高、调速性能好的特点， 故在当今国民经济的各个领域，如医疗器械、仪表仪器、化工、轻纺以 及家用电器等方面的应用日益普及。值得一提的是，在电动汽车研究领 域，无刷直流电机已经成为电动汽车驱动电机的首选【3 】。 1 3 无刷直流电机回馈制动的研究现状 1 3 1 研究无刷直流电机回馈制动的意义 首先，回馈制动是无刷直流电机较理想的电气制动方式【3 1 。回馈制 动是通过使运行中的电动机产生与电动时方向相反的电磁转矩，达到制 动的目的，同时，将电动机转轴上的机械能转化为电能回馈到电网或蓄 电池。无刷直流电动机可采用蓄电池供电运行，回馈制动时能够将电能 回馈到蓄电池上，相比异步电动机将电能回馈到电网，要方便的多。早 期动力旋转机械采用的机械式的磨擦制动，将系统动能转化为磨擦热散 失掉，不仅在可靠性上难以保障，而且造成能量的浪费。传统的电机能 耗制动通过在电机电枢回路中串接耗能电阻，制动能量也是通过热能消 耗掉，得不到利用。反接制动虽然具有较好的制动特性，但易产生较大 的制动电流，且电路的硬件实现相对复杂。因此，从系统可靠性，制动 性能以及节能上综合考虑，回馈制动是一种较理想的电气制动方式。 其次，无刷直流电机的回馈制动是研究开发基于无刷直流电机的电 动汽车的核心技术之一柳。汽车工业的迅速发展，在促进现代文明进步 的同时，也带来了很大的弊端，一是它排放的尾气及噪声对人类的生存 环境造成了很大的污染；二是他们消耗的燃油、天然气等资源是不可再 生的。随着环保、节能呼声的日益高涨，迫切需要诞生一种环保节能的 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 新型交通工具来取代目前的传统汽车。近年来，国内外电动汽车的研制 取得了长足的发展。与燃油汽车相比，电动汽车具有低噪声、零排放、 综合利用能源等优点，成为当今汽车工业解决能源、环保等问题的重要 途径吼 电动汽车上采用的电机必须能满足电动汽车不同工况行驶的要求。 第一，要有较大范围的调速性能，低速时要有大转矩，高速时具有商功 率；第二，减速时能够实现回馈制动，将能量返还蓄电池，使汽车具有 高的能量利用率；第三，电动机尺寸要尽可能小，同时能够适应于恶劣 的运行环境。无刷直流电机制造技术和控制技术的发展，使其在很多方 面都有着传统直流电机和其他电机难以媲美的优势。采用无刷直流电机 的调速系统以体积小、重量轻、效率高、坚固耐用、维护简便易于调速 的优势成为电动汽车领域动力电机的首选。能够实现能量回馈是电动汽 车的一大优点。这样就能够在最大限度上节约电能，提高电动汽车单次 充电的行驶里程。目前，电动汽车的开发大致分三个方向：( 1 ) 纯电动 汽车，( 2 ) 混合动力电动车，( 3 ) 燃料电池轿车【5 1 。无论哪一种，剑动 时电能回馈都是节约电能，提高能量利用率和延长单次充电行驶里程的 关键技术。 1 3 2 无刷直流电机回馈制动的研究现状 无刷直流电机回馈制动是采用无刷直流电机的电动汽车的核心技 术，因此，电动汽车的制动性能和电能利用率也就成为衡量无刷直流电 动机回馈制动技术发展程度的标志。 电动汽车有着悠久的历史，早在1 8 7 3 年英国人就研究出第辆电动 汽车，1 9 世纪后期，电动汽车处于黄金时代【4 j 。但由于电力电子技术和 相关控制技术的落后，此阶段的电动汽车均不具备回馈制动性能。此后， 随着内燃机技术的发展，燃油汽车取得优势地位，电动汽车的发展随之 处于停滞。2 0 世纪的石油危机和环境污染等问题使许多国家重新认识到 发展电动汽车的重大意义f 5 】。同时，大容量高频率电力电子器件的问世 和动力电池制造技术的提高以及控制技术的发展也为高性能纯电动汽车 和混合动力汽车的发展提供了条件。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 二十世纪九十年代开始，新一代电动汽车不断涌现。g m 公司推出 e v - 1 、s 1 0 ，法国在1 9 9 5 年建成了世界上第一条电动轿车生产线，日本 投入的科研力度较大，生产的电动汽车充电1 小时能行驶3 0 0 公里【4 】。 因此，在美国、西欧、日本等发达国家，电动汽车已进入实用化阶段。 我国的电动汽车的发展起步较晚，与发达国家尚有一定差距，许多从事 电动车的研发厂家主要从事两轮电动车的研发，四轮电动车的研发还主 要集中在科研院所及几家大的汽车公司，如二汽等。1 9 9 6 年，国家科委 组织了“国家重大科技产业工程项目电动汽车实施方案”综合评审会。 国家8 6 3 计划已将电动车列为“9 ，5 及1 0 5 国家重大科技产业”项目1 5 1 。 有理由相信，随着无刷直流电机回馈制动技术、动力电池等技术的发展， 电动汽车的普及在不远的将来一定会实现。 1 4 课题研究内容 本课题是自选研究课题，旨在研制一套蓄电池供电的无刷直流电动 机电动与回馈制动控制系统，该系统能够实现电动调速运行和回馈制动。 本课题的主要工作如下： 1 、对无刷直流电动机的电动运行和回馈制动的原理和控制方式进行 分析，针对控制对象具有梯形波反电势的2 2 k w 的无刷直流电动机， 选择适合的控制方案。 2 、设计无刷直流电机控制器的硬件电路。主要包括电源电路、功率 逆变电路、相电流检测电路、直流侧电压检测电路、电机转速检测电路、 转子位置检测电路、双限流斩波电路、上电延时保护电路、i g b t 驱动与 保护电路、d s p 外围电路。 3 、完成控制系统的软件设计。实现的主要功能有电动状态与制动状 态的切换、正反转切换、电动运行下的转速和电流的双闭环控制、电动 运行的换相控制、回馈制动运行的换相控制、电机运行速度的检测、a ，d 与d a 转换、回馈制动时对蓄电池充电的控制。 4 、完成硬件电路的青4 作，进行硬软件调试。对系统运行时有关参量 进行检测，记录实验结果并进行分析。 中国石油大学( 华东j 硕士论文第2 章无刷直流电机的运行原理 第2 章无刷直流电机的运行原理 2 1 无刷直流电机的基本结构 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换的装置，其应用己遍及 国民经济的各个领域以及人们日常生活。目前电动机主要有同步电动机、 异步电动机和直流电动机三种。无刷直流电动机作为一种永磁同步电动 机，它具备了交流异步电动机和传统直流电动机的共同特点f 6 】。 + 传感器 图2 1 无刷直流电动机的结构原理图 无刷直流电动机的结构原理如图2 1 所示。它主要由电动机本体、位 置传感器和电子开关电路及其控制器三部分组成【”。电动机本体在结构 上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置，其定子绕 组一般制成多相( 三相、四相、五相等) ，转子由永磁钢按一定极对数 ( 2 p = 2 ，4 ，) 组成，三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率 开关器件连接。在图2 1 中a 相、b 相、c 相绕组分别与功率开关管( v t l ， v t 4 ) ，( v t 3 ，v t 6 ) ，( v t 5 ，v t 2 ) 相接，转子位置传感器检测转予位置， 并将位置信号传给控制电路。 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生 的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章无刷直流电机的运行原理 钢位置变换成电信号输入控制器，控制器控制电子开关电路，从而使定 子各相绕组按一定次序导通。定子相电流随转子位置的变化而按一定的 次序换相。随着转子的转动，位置传感器不断的送出信号，以改变电枢 绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变， 这就是无刷直流电动机的换相原理。由于电子开关电路的导通次序是与 转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换相作用。 因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台 由电子开关电路、永磁同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机 系统”。其原理框图如图2 2 所示。 图2 2 无刷直流电机的原理框图 2 2 无刷直流电机的工作原理 众所周知，有刷直流电动机具有旋转的电枢和固定的磁场，因此， 有刷电动机必须有一个滑动的接触机构电刷和换向器，通过他们把 电流输给旋转的电枢。无刷直流电动机恰好与前者相反，他具有旋转的 磁场和固定的电枢。因此必须实时检测转子的位置，将得出的位置信号 送给控制单元由控制单元按照一定的换相次序控制电子开关电路中开关 管的开通与关断，实现电子换相pj 。 图2 3 是一个3 相2 极永磁电机示意图1 6 】。转子旋转方向为逆时针恒 速旋转，下面分别对这六个时刻的状态给予解释。 ( 1 ) 取图2 3 ( a ) 的转子位置为，- 0 一时刻，此时相带a b c 同处于 n 极下，而相带a 1 b c 同处于s 极下。b 相和c 相仍在导通，电流方向 如图所示。这一时刻为换相前时刻，因此记为f = 0 一 中国7 i 油人学( 华东) 硕士论文第2 章无刷直流电机的运行原理 ( 2 ) 当转子达到图2 3 ( a ) 所示的转子位置时，电机的位置传感器 会给出换相信号，假定电流换相是在瞬间完成的，即c 相绕组断开，a 相绕组导通( c 相和a 相进行换相) ，b 相绕组仍然反向导通。换相后的 时刻记t = o + ，即如图2 3 ( b ) 所示时刻。此时，逆变器a 、b 两相绕组 输入直流电，电流方向为= 一。 ttj r ( a ) m , t = o 。( 换相前)( b ) q f = 0 。( 换相后) ( c ) c o t = 6 0 。( 换相前)( d ) m , t = 6 0 。( 换相后) ( e ) m , t = 1 2 0 。( 换相前)( f ) c o , t = 1 2 0 。( 换相后) 图2 - 3 转子位置与电流换相关系 ( 3 ) 转子继续旋转，转过6 0 0 电角度后，位置传感器叉检测到换相 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章无刷直流电机的运行原理 信号，此时，b 相绕组断开，c 相绕组导通，即逆变器触发信号保证在 哆f - - 6 0 。的时刻使b 相和c 相进行换相，电流方向为= _ f c 。图2 3 ( c ) 表示的是q f = 6 0 。换相前的时刻，图2 3 ( d ) 表示的是q f = 6 0 。换相后 的时刻。 ( 4 ) 同理，不难理解图2 3 ( e ) 和图2 - 3 ( f ) 分别为蛾f = 1 2 0 0 时 的换相前后的电流分布图。 由图2 - 3 可以看出，在转子旋转角度q f = o 。至q f = 1 2 0 。区间内， a 相是始终导通的，且相带a 始终处于n 极磁场内，相带一始终处于s 极磁场内，所以感应电动势的幅值在q f = o 。至c o , t = 1 2 0 。区间内是始 终恒定的( 记为岛) 。当q f 1 2 0 。时，a 相关断，相带a 和a 分别超 出n 极区和s 极区，随之减小。因相带宽度为6 0 。，因此，当q f = 1 5 0 。 时，巳应降为零。过零后，随着转子旋转，吃改变方向。当时，相带a 和a 分别置于s 极和n 极磁场下，于是达到反向最大值一b 。并在1 2 0 。 的区间内保持不变。转子继续旋转6 0 。电角度后，巳又达到正向最大值 b 。如此，吒在0 。到3 6 0 。的区间内构成了完整的梯形波，梯形波平 顶宽为1 2 0 。因此，同理可知和e c 也具有同样的波形，并且三者互差 1 2 0 0 电角度，如图2 - 4 ( b ) 所示( 6 】o 1 0 中国石油大学( 华东) 硕七论文第2 章无刷直流电机的运行原理 ( b ) 电褫与感应电动势 图2 4 转子位置与电流换相关系 综上所述，可以得出无刷直流电机的电流和感应电动势有以下特点： ( 1 ) 感应电动势为三相对称的梯形波，其波顶宽为1 2 0 0 ； ( 2 ) 电流为三相对称的宽度为1 2 0 。的矩形波： ( 3 ) 梯形波反电势与矩形波电流在相位上严格同步。 由图2 - 4 可以看出，在任何时刻，定子上只有两相同时导通，于是 电磁功率为： 只= e 4 + e b i 口+ e c i c = 2 e s ( 2 1 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章无刷直流电机的运行原理 电磁转矩为： z ：旦；三盟 ( 2 2 ) 1 q ，q ， 。 根据b l v 的观点，可以得出反电势的幅值岛为： e s = n b ? 打q ， ( 2 3 ) 式中，q ，为转子机械角速度( r a d s ) ，为转子半径( m ) ，为转子铁芯 长度( m ) ，b 。为气隙磁通密度( w b m 2 ) ，n 为导体数量。 于是电磁功率为： 只=2nbgislrf2，(2-4) 电磁转矩为： t e = 2 n b s is l r = k 3 b s f s ( 2 5 ) 式中，k 。= 2 n l r 为常数。 式( 2 5 ) 与他励直流电机的电磁转矩公式相似。事实上，对于无刷 直流电机来说，如果忽略电枢反应，那么气隙磁通主要取决于永磁体。口。 可以认为是恒定的。于是电磁转矩正比于定子电流，这和他励直流电动 机励磁恒定时转矩正比于电枢电流是一样的。只要控制定子电流l 就可 以控制电机的输出转矩 6 1 1 7 1 。 通过前面的介绍可以知道，在一个3 6 0 0 电角度范围内，转子每旋转 6 0 0 电角度，定子电流需进行一次换相，也就是在一个电角度周期内定 子电流需要进行六次换相。为此，本文使用3 路h a l l 信号组成6 种( 去 掉0 0 0 和1 1 1 状态) 不同的状态表示位置传感器的信号，以表示转子在 3 6 0 。电角度范围内的6 个不同的位置。图2 5 说明了这种对应关系。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章无刷直流电机的运行原理 11 01 0 01 0 10 0 l0 110 1 01 1 0 圮厂 厂一 厂 绣厂 c a , t m f c ar 图2 - 5h a l l 状态与电机定子电流的对应关系 以上对具有梯形波反电势的无刷直流电动机的运行原理作了简单分 析，下面将介绍本系统的硬件设计。 毛o 咕 o o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章无刷商流电机控制系统的硬件设计 第3 章无刷直流电机控制系统的硬件设计 3 1 硬件系统结构框图 无刷直流电机控制系统的硬件部分主要由蓄电池及逆变电路、开关 管驱动和保护电路、电源电路、系统控制单元及其外围电路、电流及电 压信号检测电路等几部分组成。图3 - 1 是硬件系统的示意图。 医习 i j 图3 1 硬件系统示意图 图3 - 1 描述了硬件系统各部分之间的关联，图中粗箭头表示能量传 送方向，细箭头表示控制或检测信号的传送方向。系统运行时，通过操 作面板下达的控制指令( 电动正向运行、电动反向运行、加速、减速、 回馈制动等) 进入控制单元，控制单元根据控制指令以及检测到的有关 信号发出开关管驱动控制信号控制无刷直流电机的运行。本系统采用铅 蓄电池组作为电能储存装置，当电机电动运行时，蓄电池输出电能；当 电机工作于回馈制动状态时，电机将电能回馈至蓄电池。 3 2 功率逆变电路的设计 图3 2 为蓄电池组、功率逆变电路以及无刷直流电机的电路连接图。 图中无刷直流电机额定功率为2 2 k w ，电枢绕组y 接。功率逆变电路采 用电压型三相全桥逆变电路，电阻胄1 、恐起到平衡电容c 1 和q 电压及 整个系统断电时对电容c l 、c 2 放电的作用。在系统加电的瞬间，为了防 止电容充电引起过大的浪涌电流，需要采取一定的措施，本系统采用了 电阻和接触器并联网络。当充电电压小于1 0 0 v 时，接触器j 断开，电阻 r 流过电流，把浪涌电流限制在一个安全的范围。当充电电压接近蓄电 1 4 中国后油大学( 华东) 硕士论文第3 章无刷商流电机控制系统的硬件设计 池组端电压时，接触器闭合，把r 短路以减小电路损耗。 图3 - 2 功率逆变电路图 无刷直流电动机调速系统的总体成本和运行可靠性在很大程度上依 赖于功率开关元件的价格和工作性能。无刷直流电动机调速系统对其应 用的开关器件的要求主要有： ( 1 ) 满足系统电流电压值的要求，并有一定裕量。 ( 2 ) 尽可能低的导通压降和关断以后的漏电流，降低系统损耗。 ( 3 ) 尽可能高的开关速率和尽可能低的开关损耗。 ( 4 ) 尽可能小的驱动功率，尽可能简单的驱动电路。 ( 5 ) 开关管及其驱动电路综合考虑具有较低的价格。 在无刷直流电动机的控制系统里，通常采用全控型器件如g t r 、 g t o 、功率m o s f e t 、i g b t 等。绝缘基极双极型大功率晶体管( i g b t ) 则是集m o s f e t 的电压控制与双极型大功率晶体管的大电流、低导通电 阻特点与一体的新型复合场控器件，非常适合电机驱动逆变电路的设计 要求。本设计选用富士公司的i g b t ，型号为1 m b h 6 0 1 0 0 。此型号采用 单管封装，内部不含反并联续流二极管，额定电流6 0 a ，额定电压1 0 0 0 v 。 对于本控制系统的功率电路，1 m b h 6 0 1 0 0 能够适应开关频率的要求并具 有足够的电流和电压裕量。 3 3i g b t 的驱动与保护电路的设计 i g b t 驱动和保护电路的性能直接影响到i g b t 性能的发挥和整个系 中国7 i 油大学( 华东) 硕十论文第3 章无刷直流电机控制系统的硬件设计 统的可靠，因此，设计好驱动和保护电路是i g b t 应用中的关键问题。 以下首先介绍一下功率i g b t 对驱动和保护电路的要求，然后着重介绍 本系统所设计的驱动和保护电路。 3 3 1 功率1 6 b i 对驱动和保护电路的要求 功率i g b t 驱动电路的参数主要有：栅极驱动电压、栅极电阻 以及栅射电阻r 。栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大， 上升沿陡峭的栅极正偏电压能使i g b t 快速开通，达到缩短开通时间和 减小开通损耗的目的。同样，下降沿陡峭的栅极反偏电压能够达到快速 关断器件，减小关断损耗的目的。此外，为保证i g b t 正常工作，对栅 极电压幅度也有要求，当i g b t 开通后栅极正偏电压应有足够的幅度， 以使i g b t 能够适应短时过载，以免其退出饱和区导致损坏。但栅极正 偏电压的幅值也不是越大越好，因为当其增大到一定程度后，对i g b t 承 受短路电流的能力以及d 。d t 都具有不利影响。实验证明，室温状态 下，6 0 a 1 2 0 0 v 以下的i g b t 的阖值电压电压一般为5 弗v ，实际应用时 应选其1 5 - - - 2 5 倍，b p + 1 5 v 较合适【8 1 。关断i g b t 时在栅射极之间施加反 偏电压，有利于管子的快速关断并抑制擎住现象的发生。受栅射极之间 最大耐压限制，一般取反偏电压为。5 v 。为了改善输入脉冲的前后沿陡度 和防止震荡，需在栅极串联电阻胄。，一般为几十至几百欧姆。为避免 i g b t 受外界干扰使栅射极之间电压超过。( 腩) 引起器件误导通，可在 栅射极之间并接一电阻，通常大小为( 1 0 0 0 5 0 0 0 ) r 。为防止栅射极 出现电压尖峰，在栅射极间并接2 只反向串联的稳压管，其值分别与+ 。 和一相掣9 】。本设计选用的r g 为2 5 0 f 2 ，为3 0 0 k f 2 。 同时，还要加一系列的保护措施。i g b t 的保护措施包括：过电流保 护、过电压保护、d v d t 抑制以及过热保护等。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章无刷直流电机控制系统的硬件设计 当集电极电流增大时，i g b t 饱和压降迅速上升，二者大体成线性关 系。可通过检测饱和压降来判断i g b t 是否过流。一般情况下，i g b t 在 过电流开始的1 0 k t s 内允许承受l o 倍的过电流。因此必须在过流的瞬间 迅速降低栅极电压，但也不是说，栅极电压的撤除越快越好，应当在规 定的时限内对i g b t 进行慢速关断【9 】。 当i g b t 集射极间电压变化率d v d t 过高时，可能引起i g b t 发生动 误导通，甚至可能被击穿。因此应设计好关断缓冲放电电路。如图3 3 所示f 。 r s 图3 - 3 缓冲放电电路 为使i g b t 正常工作，应考虑其散热问题。为i g b t 配置合适的散热 片，创造好的通风条件，都有利于其散热。如有必要还可用温度传感器 测量其壳温，如果高于允许温度，应使主电路跳闸或关断栅极信号。 3 3 2 用e x b 8 4 1 设计的i g b t 驱动和保护电路 由以上分析可知，调速系统的控制单元输出的信号无法直接驱动开 关元件，需在二者之间加一驱动电路达到减小开关时间、提高驱动效率， 改善开关元件的开关特性的目的。目前，国外多数i g b t 生产厂家为了 解决i g b t 驱动的可靠性问题，都针对各自型号的i g b t 开发了具有一定 保护功能的专用驱动电路。富士公司的e x b 系列专用混合集成驱动电路 是国内应用较多、性能较好的一种i g b t 驱动电路。本设计即采用了e x b 系列中的e x b 8 4 1 作为驱动保护模块。 e x b 系列具有高速型和标准型，标准型的驱动信号最大延迟为4 t s ， 高速型的驱动信号延迟最大为1 5 t s e x b 系列内部有2 5 0 0 v 的高隔离 1 7 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章无刷赢流电机控制系统的硬件设计 电压的光耦合器，有过流保护电路和过流保护信号输出端子。e x b 8 4 1 适 合驱动3 0 0 a 1 2 0 0 v 以下的i g b t ，其最高工作频率为4 0 k h z ，单2 0 v 电源供电，可产生+ 1 5 v 的正偏电压和- 5 v 的反偏电压，有过流保护和软 关断功能。应用e x b 8 4 1 可大大简化i g b t 驱动和保护电路的设计，同 时也提高了可靠性。用i g b t 构成的电路系统在调试或发生故障时，往 往会出现过流或短路的情况，如果能够设计可靠的过流( 短路) 保护电 路，就能够避免故障时器件的损坏。本设计在过流( 短路) 保护中加了 r s 触发器，能够在发生过流或短路时将栅极控制信号封锁，同时故障指 示灯亮，当排除故障时，手动按动复位按键，解除对栅极控制信号的封 锁。图3 4 是用e x b 8 4 1 构成的i g b t 驱动和保护电路图，电路板实物照 片见第7 章。 r l g n d l + 1 5 v r 而 6 1 52 嚣 爨3 1 4 1 5 9 e r a 3 4 - 驶o v c lc 2 r 6l s = = _ 一qr 计k 和 黹隶再多( i h c h “5 l 1 二 一r 4 l 1 g n d 3 图3 _ 4 用e x b 8 4 1 构成的驱动和保护电路 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章无刷直流电机控制系统的硬件设计 图3 - 4 中e r a 3 4 1 0 是反向恢复时间为1 5 0 n s 的快恢复二极管。如果 采用其他不满足这种性能指标的二极管，将会降低驱动电路过流保护的 速度，造成过流保护的失败。图中r s 触发器采用c d 4 0 4 3 构成，与门采 用7 4 l s 0 9 构成。t l p 5 2 1 为快速光耦。保护电路部分中，t l p 5 2 1 的信 号延迟时间为2 至3 个p s ，c d 4 0 4 3 的信号延迟时间最大为几百个n s 而 7 4 l s 0 9 的信号延迟时间最大为几十个n s 。因此，保护电路在信号响应上 是足够快的。 当i g b t 发生过流时，e x b 8 4 1 的5 脚电平收高为低，k s 触发器s 端电平变为高电平，k s 触发器输出端q 输出高电平。这个高电平信号 经过三极管，加到与门上的电平为低电平，此时e x b 8 4 1 的1 4 管脚电位 为高电位，这样e x b 8 4 1 的输入信号就被封锁，它的3 管脚电平收高为 低，由此达到及时撤出栅极信号，保护i g b t 的目的。发生故障时，r s 触发器将q 端输出的高电平锁住，当排除故障后，可以按动复位按钮， 解除对栅极控制信号的封锁。 综上所述，本系统功率逆变电路采用三相全桥电路，开关管采用 i g b t ，驱动电路采用e x b 8 4 1 构成，另外，为抑制d v d t ，对每个i g b t 都附加了关断缓冲放电电路( 如图3 3 ) 。实验证明，该功率逆变电路和 驱动保护电路具有良好的性能。 3 4 控制电路设计 3 4 1d s p 5 6 f 8 0 3 的特点 m o t o r o l ad s p 5 6 f 8 0 x 系列是适用于电机控制的数字信号处理器，它 们把d s p 的运算功能和m c u 的控制特点集中到一块芯片上。d s p 5 6 f 8 0 x 系列提供了基于c 语言的开发工具、i d e 的集成环境以及s d k 等先进的 开发工