硕士学位论文-无刷直流电机无位置传感器的研究.pdf

分类号 i 丛2 u d c密级。 学校代号 学号 v 7 8 6 7 3 5 1 0 5 6 1 2 0 0 2 3 4 0 0 0 2 0 1 0 8 2 华南理工大学硕士学位论文 无刷直流电机无位置传感器的研究 张半 指导教帅： 逊运搓越援 虫左堂瞳 论文提交日期：2 q q q 专业名称：电由皇皇电丑焦动 论文答辩日期：2 q q ：q 学位授予单位和日期：垡直堡王太堂 答辩委员会主席： 星瞧潼媸 论文评阅人： 壁垒是盘撞鍪扇三 叠囱宝煎蛰 摘要 摘要 由于无刷直流电动机有其自身固有的一些优点，如调速性能好、运行效率高、功率 密度大、转矩惯量比高等，所以在中小功率领域得到了广泛地应用。为了实现电子换相 以及转速控制。一般需要在转子轴上安装机械式传感器，测量电机的速度和转子位置。 机械传感器提供了电机控制所需要的转子位置信号，但也给调速系统带来了一些问题： 1 机械传感器增加了电机转子轴上的转动惯量以及电机空间尺寸和体积。2 机械传感器 容易受温度、湿度以及震动等的影响，使调速系统不能得到广泛应用。3 使调速系统的 成本增加。为了克服机械传感器给调速系统带来的缺陷，无速度传感器( 即利用电机绕 组中有关的电信号，通过信息辨识得到转子的位置和速度，从而取代机械传感器实现电 机的控制) 的研制成为一种发展趋势。本文重点围绕无刷直流电动机的转子位置检测来 进行讨论，为了避免反电动势法在转速较低时不适用的问题，本文采用了无论在低速还 是高速时都适用的方法一高频信号电压注入的方法来检测电机转子位置。提出利用高频 载波信号注入与观测器相结合，通过变频启动来将电机牵入自同步运行以及利用电压空 间矢量的方法来注入高频信号的方案。建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型，仿真 结果表明，系统能准确的检测具有凸极特性的电机转子位置，并且系统具有良好的动、 静态性能。 论文主要包括以下几部分工作： 1 简要分析了各种无刷直流电机转子位置检测方法以及其基本工作原理，然后给出 了各种检铡方法的优、缺点，同时给出了无刷直流电机的数学模型，这些为以后章节的 控制提供了理论基础。 2 基于空间矢量的p w m 波原理实现高频信号的注入，并给出在d s p 中产生三相 p w m 波的计算方法。由于8 个基本电压矢量作用时间的计算需要知道当前扇区，因此本 章介绍了两种判断扇区的方法。并利用m a t l a b 仿真工具箱，对p w m 的产生过程进行 了仿真。 3 对载波信号注入法来检测转子位置的工作原理以及观测器的性能和电动机的启 动问题进行了分析。考虑到正弦波反电动势的b l d c m 的数学模型与p m s m ( p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，永磁同步电动机) 模型相同，所以在利用 m 棚，a b s i m u l i n k 软件进行仿真时，直接利用了p m s m 的电机模型。建立的仿真模型 具有良好的动态和稳态性能，并分析了观测器的参数对系统性能的影响，以及不同的启 动方式对位置检测的影响。 4 对电机的无位置传感器实验系统进行了概述。设计了系统的硬件电路和软件。初 步建立起了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 的实验系统。 关键词：无位置传感器；转子位置检测：观测器；高频信号注入；电压空间矢量技术 兰要墨三查兰塑圭兰垄笙塞 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ss e v e r a li n h e r e n ta d v a n t a g e s ：s u c h a s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fs p e e d c o n t r o l l i n g , h i # p o w e rd e n s i t ya n de f f i c i e n c ye r e f o rt h e s e r e a s o n s ，i ti sm o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e di nt h es m a l la n dm e d i u mp o w e rf i e l d s t of u l f i l l i t se l e c t r i cc o m m u t a t i o na n ds p e e dc o n t r 0 1 o f t e nn e e d st oj n s t a l lm e c h a n i c a ls e n s o ro nt h e r o t o rs h a f tt od e t e c tt h er o t o rp o s i t i o na n ds p e e d t h i sm e c h a n i c a ls e n s o r g i v e st h e i n f o r m a t i o no ft h er o t o rp o s i t i o n ，w h i c ht h ec o n t r o ls y s t e mn e e d e d ，b u ti tg i v e sr i s et os o m e q u e s t i o n s ，t o o 1 t h em e c h a n i c a ls e n o ri n c r e a s e st h er o t a r yi n e r t i ao f t h er o t o rs h a f t , a sw e l l a st h ed i m e n s i o no ft h ee l e c t r o m o t o r 2 t h em e c h a n i c a ls e n s o ri se a s i l ya f f e c t e db y t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n ds h a k e ，w h i c hl i m i t si t sa p p l i e dr a n g e 3 t h em e c h a n i c a ls e n s o r i n c r e a s e st h ec o s to f t h es p e e d - c o n t r 0 1 i no r d e rt or e s o l v et h e s eq u e s t i o n s ，t h er e s e a r c ho f t h e s e n s o r l e s sc o n t r o lw i l lb ean e w d e v e l o p m e n tw a y t h eg o a lo f s u c hm e t h o di st oe s t i m a t et h e r o t o rp o s i t i o nu s i n gt h ep o w e rl e a d so ft h em a c h i n e s ，a n dt h ei n f o r m a t i o nd i s t i n g u i s h a b l e t e c h n o l o g yw i t h o u ts e p a r a t es e n s o t 1 1 1 i si n f o r m a t i o ni st h e nu s e df o rm o t o rc o n t r 0 1 i no r d e r t oo v e r c o m et h es h o r t a g eo ft h eb a c ke m f m e t h o d ，w h i c hi sn o ts u i t a b l ef o r t h ez e r oo rv e r y l o ws p e e do p e r a t i o n t h i sp a p e re m p h a s e so nt h er o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nm e t h o d s ，w h i c hi s a p p l i e dw h e t h e ri nv e r yl o wo rh i g hs p e e do p e r a t i o n , t h a ti st h eh i g l lf r e q u e n c ys i g n a l i n j e c t i o nm e t h o dt od e t e c tt h er o t o rp o s i t i o n ，t h em e t h o dc o m b i n e sw i t ht h eo b s e r v e r , u s i n g t h ev a r yf r e q u e n c ys t a r t - u pt op u l lt h em o t o rt oi t ss e l f - s y n c h r o n i z a d t i o nr u n n i n ga n du s i n g t h es p a c ev o l t a g ep w m ( s v p w m ) t e c h n o l o g yt oi n j e c tt h eh i g hf r e q u e n c ys i g u a l b u i l tt h e s i m u l a t i o nm o d e lb a s e do n 【a t l a b s i m u l n 暇t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mc a nd e t e c tt h er o t o rp o s i t i o n , w h i c hw i ms a l i e n t - p o l ec h a r a c t e r i s t i c a n dt h es y s t e mh a s g o o dp e r f o r m a n c e t h i sp a p e ri n c l u d e st h eu n d e r m e n t i o n e dc o n t e n t s ： f i r s t ，b yb r i e f l ya n a l y s i n gt h ec u r r e n tm e t h o d sa n dt h e i rb a s i cp r i n c i p i l eo ft h e b l d c m sr o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o n ，t h e ng i v i n ge a c hm e t h o d sm e r i t sa n ds h o r t c o m i n g sa s w e l la st h eb l d c m sm a t hm o d e l ，w h i c hp r o v i d eat h e o r yb a s ef o rt h ef o l l o w i n gc h a p t e r s e c o n d l y , s v p w mp r i n c i p l ew h i c hp r o v i d e sab a s ef o rt h eh i g hf r e q u e n c ys i g n a l i n j e c t i o n 。g i v e st h ec a l c u l a t i o nm e t h o dt og e n e r a t et h et h r e e - p h a s ep w m i nd s p , a n d i n t r o d u c e st w om e t h o d st oi d e n t i f yt h es e c t o nt h e nu s i n gt h em a t l a b ss i m u l a t i o nt o o lb o x t os i m u l a t et h ep r o c e s so fp w mw a v eg e n e r a t i o n t h et h i r d ，a n a l y s e st h ep r i n c i p l eo fh i g h f r e q u e n c yi n j e c t i o nm e t h o d , t h e a b s t r a c t p e r f o r m a n c eo ft l l eo b s e r v e ra n dt h em o t o r ss t a r t - u p c o n s i d e r i n gt h eb l d c mw i t hs i n e w a v eb e m fa n dt h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) s h a r et h es a m em a t h m o d e l s ow ec a n u s et h ep m s m s m a t hm o d e lw h e ns i m u l a t e 稍mt h e m a t l a b s i m u l i n k t h cb u i l ts i m u l a t i o nm o d e lh a sg o o dp e r f o r m a n c e ，a n da n a l y s et h e i m p a c to f t h ep a r a m e t e r si nt h eo b s e r v e ro ns y s t e mc h a r a c t e r i s t i c ，i na d d i t i o nt ot h ei m p a c to f t h ev a r ys t a r t - u pw a yo nt h em t o rp o s k i o nd e t e c t i o n f i n a l l y , s u m m a r i z et h e m o t o r ss e n s o r l e s sc o n t r o le x p e r i m e n ts y s t e m t h e h a r d w a r ec i r c u i ta n dt h es o f t w a r eh a v eb e e nd e s i g n e d ap r e l i m i n a r ye x p e r i m e n ts y s t e m b a s o do nt m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pi sb u i l t k e y w o r d s ：s e n s o r l e s sc o n t r o l ；r o t o r p o s i t i o nd e t e c t i o n ；o b s e r v e r ；h i g hf r e q u e n c ys i g n a l i n j e c t i o n ；s v p w m i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：獬 日期：d 唾r 年月) 日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在- 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：强牟 导师签名：携2 胡 日期：扣呔年月7 日 e l 期：矽疹年月f 。日 第一章绪论 1 1 研究背景及问题的提出 第一章绪论 自1 8 3 1 年世界上第一台电机问世以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围 已遍及国民经济的各个领域以及人们的同常生活之中。电动机主要类型有同步电动机， 异步电动机与直流电动机三种。其容量小到几瓦大至上千万瓦。众所周知直流电动机具 有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电机均采用电刷以机械方法进行 换向，因而存在相对的机械摩擦并由此带来噪声、火花、无线电干扰以及使用寿命短等 致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围。致 使目前工农业生产上，大多数均采用三相异步电动机。 永磁无刷直流电动机( p m b l d c m ：p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ) 是指无机械电刷和换向器( 或集电环) 的永磁直流电机，又称无换向器永磁直流电机，它 是近年随着科学技术的进步，新技术新材料的不断涌现以及电子技术的迅速发展而发展 起来的一种新型电机，它用一套电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置， 保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能，同时又克服了有刷直流电动机机械 换向带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等一系列的缺点，且降低了制造成本， 简化了电机维修，因此在各个领域中得到广泛应用，如：计算机的软盘驱动装置，人工智 能机器人，c d 机、空调器、电动交通工具乃至航空、航天航海业等。除具有有刷直流 机的优点外，还具有高能量密度，高转矩惯性化高效率等特点，同时，现代电力电子技 术和永磁材料的发展又为其发展提供了便利条件，因此p m - b l d c m 具有很强的生命力 和发展前途。早在1 9 1 7 年，b o l i g e r 就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从 而诞生了无刷直流电机的基本思想。在上世纪3 0 年代，就有人开始研制以电子换向来代 替电刷机械换向的无刷直流电动机，并且取得了一定的成果。但是由于当时大功率电子 器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换相元器件，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 h a r r i s o n 等人首次申请了用晶体管 换向线路代替有刷直流电动机机械n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易博览 会上，正式推出m a c 经典无刷直流电刷的专利，诞生了现代无刷电机的雏形。无刷直流 电机真正进入实用阶段应从1 9 7 8 年开始，当时原西德m a 电机及其驱动器。 7 0 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件， 如o t r ，m o s f e t , i g b t 等相继出现，以及高性能永磁材料，如杉钻、钱铁硼等的问世， 为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。二十世纪8 0 年代在国际上对永磁无刷 华南理工大学硕士学位论文 电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机。目前，无刷直流电机 在国际上已得到较为充分的发展。我国无刷直流电机的研制上作始于二十世纪7 0 年代初 期，主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我国元器件水平及相关理论与实践相结 合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大，所以目前我国 无刷电机综合水平仍低于国际水平，有待进一步的研究和开剔0 1 1 2 。 由于永磁无刷直流电动机既具备感应电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一 系列优点，又具备赢流电动机调速性能好，以及永磁电动机运行效率高、无励磁损耗等 诸多特点，故在当今国民经济各个领域的应用日益普及。 1 1 1 永磁无刷直流电动机的优点及用途 如前面所述，永磁无刷直流电机和永磁真流电机相比，最大的特点就是没有换向器 和电刷组成的机械接触结构。加之，其转子采用永磁体励磁，没有激磁损耗；发热的电枢 绕组通常装在外面的定子上，热阻较小，散热容易。因此，永磁无刷直流电机在保持了 普通直流电机良好的调速和启动性能的同时，还具有无换向火花及无线电干扰，寿命长， 运行可靠，维护简便等优点。一般认为，永磁无刷直流电机既具有永磁有刷直流电机优 良的机械特性和控制特性，又克服了有刷电机的缺点，具有更强的竞争力。 即使与同样也是无刷结构的变频调速感应电动机相比，永磁无刷直流电机也有较多 的优越性。交流异步电动机虽然结构简单、运行可靠、价格低廉、结实耐用，一直是工 业和家用动力的主要来源，但它的力能指标、效率、功率因数却不是很好。 实践表明，比之异步电动机，永磁无刷直流电机具有以下一些优点： ( 1 ) 转动惯量较小，响应更快，具有更高的转矩，惯量比； ( 2 ) 无需电励磁，具有更高的效率和功率因数； ( 3 ) 永磁转子不发热，发热部分在定子上，散热条件较好，可以取相对高一些的电 磁负荷，体积减小，功率密度增大； ( 4 ) 气隙主磁通是由转子永磁体产生的，使定子绕组电流与产生的转矩可设计成线 性关系，控制性能比异步电动机更好。 无刷直流电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、耐 受环境和经济性等方面具有明显的优势，故在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪 器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。无刷直流电动机和其它电机 的比较见表1 1 。 从表中可以看出，无刷直流电动机与有刷直流电动机相比，前者去掉了电刷和换向 器，克服了换向电磁干扰、可靠性差、寿命短、维修困难、噪声大等各种缺陷。随着无 刷直流电动机的性能的不断提高，成本的不断降低，会逐渐替代有刷直流电动机。 同样，与步进电机相比，在高速度、高精度、高分辨率、高可靠性的伺服系统应用 2 第一章绪论 中，闭环控制的永磁无刷直流电动机可以满足步进电机所满足不了的各种要求。这是步 进电机固有特点所决定的，即使采用闭环控制的步进电动机控制以及细分技术，步进电 机也无法适用于速度更快、定位更精确、分辨率更高的情况。 表1 1 无刷直流电机和其他电机比较表 t a b l e l 1d i f f e r e n c eb e t w e e nb l d c ma n do t h e r sm o t o r 藤卜警 无剩筋 有剐赢跣电机异步热电机 电帆 机撼特性 硬硬软 过载能力大大小 可控陛舄 易难 平貉睦 好较好较差 噪声 小丈较大 维修性景蛙 易 寿命长短 长 体积小 较小大 效宰内 高低 成本 暂陶黼低 小功率感应电机的应用领域主要集中在家用电器，而随着家用电器对性能和质量的 要求不断提高，对配套应用的电动机也提出诸如低噪声、高性能、长寿命、小型化、高 效率等许多更高的要求。这样以高性能无刷直流电动机来代替性能差、效率低的小功率 感应电动机也就成了必然趋势。 现在电动车辆在污染、能源等关系国计民生重大问题上已经越来越表现出深远的革 命性的意义。在电动车辆上曾经采用的有刷直流电动机、交流感应电动机作为驱动电机。 但是现在由于永磁无刷直流电动机的起动力矩大、过载能力强、体积小、效率高、寿命 长、控制简单等特点，更多的电动车驱动方案已经开始采用其作为驱动设备。 结果表明，永磁无刷直流电机和其它电机相比具有高可靠性、高效率、优异的调速 性能等诸多优越性，并且随着新型钦铁硼永磁的性能的提高和价格的下降，电机的制造 成本将不断下降，其优越性将更加明显。 1 1 2 无刷直流电动机及其控制系统的研究发展方向 近几十年，稀土永磁材料迅速发展，其本征矫顽力高、抗去磁能力强，且常规去磁 曲线在大范围线性可逆等特点为永磁无刷直流电动机的设计开辟了广阔的前景。随着稀 土永磁材料性能的不断提高，特别是钦铁硼永磁材料的热稳定性、耐腐性的改善和价格 的逐步降低以及电力电子器件技术的进一步发展，稀土永磁电机的开发和应进入了一个 新阶段，一方面，原有开发的成果在国防、工农业和日常生活等方面得到广泛的用；另 华南理工大学硕i ：学位论文 一方面，正向大功率化( 高转速、高转矩) 、高功能化和微型化方向发展，扩展新的电机 品种和应用领域。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1 0 0 0 k w ，最高转速已超过 3 0 0 0 0 0 r p m ，低转速低于o 0 1 r p m ，最小电机外径只有0 8 m m ，长1 2 m m 。 在技术上研究方向主要分为电机本体和电子线路两方面。在本体方面：转子永磁磁 钢材料尺寸及磁钢的排列方式的选择应该合理，在满足各项性能指标的前提下，使电机 的成本尽量低，存在一个优化问题，另外永磁电机的漏磁场情况比较复杂对电机性能也 有一定影响，所以研究永磁电机的漏磁场分布一直是一个研究方向。 转矩波动是p m b l d c m 存在的突出问题，特别是在低转速、高精度、调速范围广 的情况下，更要求尽量减少转距波动，目前国际国内的研究人员正通过各种途径来解决 这个问题，如为了抑制由电机的齿槽效应引起的转矩波动，优化电机本体设计来减少转 矩波动是又一主要研究方向。 在电子线路方面，传统的位置检测方法是采用电子或机电式的位置传感器来获得所 需的转子位置信号。如磁敏式的霍尔位置传感器、光电编码器、旋转变压器等。由于各 种传感器对环境条件比较敏感；传感器的引入，增加了电气连接线数目，使得整个系统 的可靠性降低，有悖于电机小型化的发展趋势，也增加了电机制造的工艺要求和成本， 潮湿和震动劣化了传感器的性能。所以用观测电量的方法替代位置传感器的作用是一个 必然趋势，如何对电势或电流进行采样，通过控制线路进行适当处理，使电机按正常的 逻辑运行，都是目前课题的研究任务，向更高一步发展，可以利用计算机发展数字信号， 控制电机的运行，使电机的控制人工智能化，也是研究的主导方向【3 j 。 在这些研究领域上，各国研究人员推出了自己的最新科研成果，其中美国的a h m e d r u b a a j 博士研制出一种新型的p m b l d c m ，其转予跟普通的p m b l d c m - - 样，而其定 子却和普通的有刷直流机的转子极为相似，并能以转予位雹传感器及逻辑开关电路，使 定子绕组依次换向。这样，大大减少了转矩波动，可在较大范围内自然换向，充分提高 了电机体积的利用率。再如，美国的j yh u a n g 博士，利用定子电流谐波的最优权重的 设计方法，通过电流调节器等装置有效减少了电磁转矩及齿槽引起的转矩波动。英国的 y s c e n 。z o z h m 及d a v i dh o w e r 博士研制成功了无齿槽的p m - b l d c m ，其主要作用也是 减少转矩波动，提高电机效率1 4 j 。 无位置传感器无刷直流电机是近年来发展比较快的一种无刷直流电机。它结构简 单、体积小、可靠性高且有利于批量生产。如何实现无刷直流电机的无位置传感器控制 一直是近一、二十年来的研究熟点。对于位置传感器。如美国的k e i t h a c o r z i n e 博士研 制出一种混合观测装置，通过固定于定子上的霍尔元件获得信号来监测转子位置，代替 了成本较高的光学编码器，大大降低了电机成本，且提高了监测精度。另外，台湾的h g c h e n 及c m l i a r 博士，通过智能换向调节装置实现了无位置传感器的控制，其主要原 理是，监测电机端电压，通过开关信号发生特性和智能自调系统对换向瞬间进行微调1 5 j 。 由于位置传感器固有的上述缺点，2 0 世纪7 0 年代，随着控制理论、数字信号处理和计算 4 第一章绪论 机技术的飞速发展，无位置传感器技术开始成为研究的热点并得到了普遍的重用。转子 位置估算方法主要有 6 】【7 】【8 l 【9 】： 1 反电动势法 由于定子绕组的反电动势随转予位置的改变而变化，利用在定子绕组中感应出的反 电动势，可以得到转子的位置。这种方法一般需要在电机的三相端电压进行检测或者计 算出反电动势，从而得到转子的位景信号。该方法在1 2 0 0 运行的方波直流电动机中最为 常用，因为在这种类型的无刷直流电动机中，任何瞬间3 个绕组中只有2 个导通，未导通相 绕组的端电压即为反电动势信号。针对这一特点，可以利用未导通相的端电压来检测转 子的位置。其中一种方法是将检测到的反电动势信号的过零点直接移相3 0 。，对逆变器 的6 个功率管进行控制，称为直接反电动势法，直接法会在换相时引入较大的干扰；间接 反电动势法是利用检测的端电压经电压方程解出反电动势，但由于方程中有电流微分项 易引入噪声，一般采用低通滤波器对信号进行处理。间接反电动势的典型方法：将三相 端电压经过低通滤波器，延时9 0 。电角度，再经比较电路得出触发逻辑信号，控制逆变 器的功率管的开关。为了克服开关噪声对电机的性能的影响，还可以采用反电动势积分法 该方法对开关的噪声不很敏感，且可以自动调节逆变器的开关时刻以适应转子速度的变 化，较过零检测方法有明显的改进【10 】( 1 l 】。 反电动势法是在忽略电枢反应的基础上提出来的，在原理上就存在误差。尤其对于 大功率的无刷直流电动机，其电枢反应对气隙磁密的影响更明显，所以产生的误差也更 大。另一方面，电机在启动和低速时反电势为零和很小，很难通过反电动势来检测转子 位置，从而使得利用反电动势法来估算无刷直流电动机的转予位置存在启动问题。因此， 如何在大功率无刷直流电动机中补偿反电动势法造成的转子位盏信号的误差，以及如何 克服反电动势法中电动机的启动问题都是有待解决的问题。对于启动问题，一般采用先 用其他方法启动之后再切换到这种基于反电动势法检测的无位置传感器的运行方式。通 常是按它控式同步电机的运行状态从静止开始加速，直至转速足够大，再切换至无刷直 流电机运行状态。这个过程称为“三段式”起动技术，它包括转子定位、加速和运行状 态切换三个阶段。 2 三次谐波检测法 由于方波电机的反电动势为典型的梯形波，它包含了基波及其高次谐波分量，通过 对电枢三相相电压的简单叠加，反电动势的基波分量和其它高次谐波分量由于相位互差 1 2 0 。而相互抵消，只有3 次谐波及其奇数倍谐波由于同相而叠加，可以从中提取反电 动势的3 次谐波分量，以检测转子的位置。该方法只适合于星接连接有中性点引出的方波 电机，利用电机中性点和并联于机端的三相星型网络的中性点来得到反电动势的3 次谐 波分量；在没有中性点引出的电机，可以利用赢流侧中性点和电阻网络的中性点来获得 反电动势的3 次谐波分量；然后对获得的信号进行滤波，滤掉3 次谐波的高次分量，由于高 次分量的最低为9 倍的基波频率，对滤波器要求低。因而它比反电动势直接过零比较有更 华南理工大学硕士学位论文 宽的运行范围。与反电动势方法相同，该方法低速时很难检n n 3 次谐波电压，且需要 特殊的启动方式【1 2 1 1 1 引。 3 逆变器开关状态监视法 该方法是通过逆变器中的电流通路来检测转子的位置的。由于在b l d c m 中，任何瞬 间3 个绕组中，总有一相处于断开状态，通过监视反并联于功率管上的续流二极管导通与 否，每6 0 。电角度获得一个转子位置信号，但得到的转子位置信息超前下一个换相时刻 3 0 。，因而逆变器的换相信号由移相器给出。该文在每个功率管的1 2 0 。导通期间的前半 段采用载波控制，实验表明，该方法在4 5 2 3 0 0r mi n 可有效运行。该方法是通过监视 功率管的导通与否，因而对连续导通的正弦波电机失效，同时它需要附加检测电路、特 殊的载波方式及其他方法以起动电机，因而其应用受到限制n “ 。 4 相电感检测方法1 1 5 i i “1 凸极永磁电机的定子绕组电感随转予位置的变化有较大的改变，定子电感是转予位 置和相电流的函数，利用这个原理，文献【1 5 】提出简单的电感检测方法来估计转子位置： 在未导通相中注入高频载波信号，定子绕组中的电流与相电感的瞬时值成反比，这样就 可以检测载转子的位置。虽然该方法检测的是阻抗而不是电感，但如果选择合适的注入 脉冲，就可以得到一个很好的估算结果。该方法可用于载波模式，其显著优点是在反电 动势很小甚至为零的低速和静止情况下，都具有很好的可靠性。但是，电流的变化率和 转子位置之间的关系比较复杂，且在高速时反电动势对定子电流有较大的影响，产生无 法忽略的误差。 文献i t s 介绍了一釉自校正的转子位置估计方法一电流注入法：在定予绕组中注入 一个微弱的高频交流诊断信号，通过计算d 轴和q 轴定子电感的差值来估计转子的位置， 实际上电流注入法也是一种电感检测方法。该方法对转予位置的估计不受电机参数、转 速及运行状况的影响，但由于机械的或磁的结构不对称会带来位置估计的误差，而转予 位置角的微分作为速度信号，就引入了转速的周期性误差。文献 1 5 ，1 6 】基于模糊控制 和神经网络技术以及m a r s ，对估计出转子位置进行了自动校正。虽然电机的特性参数 不尽相同，该方法都可以对估计出的转子位置角进行自动校正。为了避免测量过程中旋 转的影响，电压脉冲的宽度要足够窄。但在高速时，由于计算时间的影响，其校正精度受 到限制。 5 卡尔曼滤波法 对于具有随机干扰的非线性系统，卡尔曼滤波器是最优的递推估计器，适合在计 算机上实现，文献 1 7 】以口一卢坐标系下由p m s m 方程中以定子电流、如、转子角速度 m 和位置口作为状态变量，建立系统的扩展状态方程，这样电流的导数与电流、电压呈 线性关系。采用了特殊的算法，并将舍入误差和截断误差也计入到系统噪声，该算法可 用于位置和速度的实时估计。扩展卡尔曼滤波器一般计算量大，对系统参数敏感以及需 要初始位置信息，这些缺点阻碍了它的实际应用。 6 第一章绪论 6 假想坐标系法 电机的方程可以用与转子同速旋转的d q 坐标系表示。由于在d q 坐标系下实际 电机的转子位置未知，可以假想一个用于估计的旋转坐标系z 一占以代替d q 坐标，在 该假想坐标系下对电机进行控制，在任何瞬间它与d ，q 坐标系有位置角差，这也就是 转子位置估计值与实际值之差，这个误差的存在使得实际状态量( 如电流电压1 与估计 的状态量也不尽相同。文献【18 】、【1 9 以电流作为被监视的状态量，用估计的状态量计 算出在z 一占坐标系下的模型电流，由模型电流与实际电流的差别来估计在两个坐标系 下转子位置的差值，利用这个差值对转子位置进行修正，得到实际的转子位置。文献 1 81 利用瞬时功率作为检测量，从瞬时功率的差值可以估计出速度的误差，这样就可以从模 型电机的速度和速度的误差计算出电机的实际速度。同样模型电机的位置通过估计的位 置误差而获得。但由于瞬时功率与转子速度成比例，因而在低速时很难用这种方法来实 现对转子位置的准确测量。假想坐标系方法是针对正弦波电机而提出的，但它同样适合于 方波电机。但是模型电机与实际电机参数的误差，会影响估计的准确性。在静止时失效， 它需要特殊的起动方法。 7 观察器法 近年，随着现代控制理论的发展、应用及d s p 的迅速发展，观测器方法也得到广泛 应用。滑模观察器对干扰( 包括测量噪声) 具有较强的鲁棒性，被应用于无刷直流电动机 转子位置的估计，文献【2 0 】采用非线性方程，以静止口一声坐标系下的定子电流作为状 态变量，建立了包括参数变化等扰动在内的状态方程，构造一个滑模观测器，来实现圆 柱型转子的无位置传感器无刷直流电动机的控制，并分析了由于参数变化引起的估计误 差，提出了一种参数调整方法。但是由于它采用非线性模型，存在稳定性问题。文献【2 1 】 由于采用电机的线性模型，在滑模模式下观察器的误差方程得以简化，转子的位置较易 获得，且其稳定性容易得到保证。采用该方法估计出的转子位置对转予速度和参数差异 具有较强的鲁棒性。文献 2 0 】为了利用现代控制理论，将电机模型方程中的非线性量一 载有位置和速度信号的反电动势看成是干扰信号，就可以获得无刷直流电动机的线性方 程，即可利用干扰观察器和自适应的速度来估计反电动势，从而得到转子的位置。该方 法的稳定性是可以保证的。观察器方法，可以在较大运行范围内实现对电机转子位置和 速度的精确估算，但它需要复杂的估计技术，且需要特殊的启动方法。 以上方法各有其特点，但在电机静止或极低速时，均有其局限性。本课题就是在这 种背景下提出来的。 1 2 本论文的研究目的 通过本课题的研究应达到以下目的： 1 掌握无刷直流电机的结构特点、数学模型、以及运动规律。 华南理_ 大学硕士学位论文 2 深入领会s v p w m 的控制方法，实现对p w m 波的三相调制。 3 采用m a t l a b 进行仿真，进一步理解p w m 产生原理和控制方法。 4 采用高频载波信号注入法实现无刷直流电机的转子位置检测。 4 初步建立基于d s p 的实验系统，验证控制方法的可行性。 5 对起动过程以及起动方法进行研究。 1 3 论文的主要内容 本课题主要分析了无刷直流电动机转子位置检测的方法，提出利用高频载波信号注 入与观测器相结合，通过变频启动来将电机牵入自同步运行以及利用电压空间矢量的方 法来注入高频信号的方案。并利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了相应的仿真模型，验 证了方案的可行性，并初步建立了基于d s p 的实验系统。 具体工作内容包括： 第二章首先简要叙述了无刷直流电机的分类与结构以及其基本工作原理，然后给出 了无刷直流电机在不同坐标系下的数学模型以及各坐标系间的相互转化方法。这些数学 模型和电磁约束关系为以后章节的控制提供了理论基础。 第三章和第四章是全文的重点章节。介绍了基于空间矢量的p w m 技术( s v p w m ) 的 原理以及高频信号的注入、载波信号注入法来检测转子位置的工作原理并对观测器的性 能以及电动机的启动问题进行了分析。考虑到正弦波反电动势的b l d c m 的数学模型与 p m s m ( p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ，永磁同步电动机) 模型相同，所以在利 用m a t l a b ，s i m u l i n k 软件进行仿真时，直接利用了p m s m 的电机模型。建立的仿真模 型具有良好的动态和稳态性能，并分析了观测器的参数对系统性能的影响，以及不同的 启动方式对位置检测的影响。 第五章对无刷电机无位置传感器实验系统进行了概述。设计了系统的硬件电路和软 件。初步建立起了基于d s p 的实验系统。 1 4 本章小结 本章简要地介绍了课题的研究背景、研究目的及研究内容，介绍了无刷直流电机转 子位置检测的常用方法，并分析了各自的优、缺点。提出了采用高频信号注入法来检测 转子位置的思想 第二章无刷直流电机的数学模型以及运动规律 第二章无刷直流电机的数学模型以及运动规律 2 1 无刷直流电机基本组成环节“1 图2 1 永磁无刷直流电动机系统的结构原理图 f i g 2 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f p m - b l d c m s y s t e m 无刷直流电动机的结构原理如圈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 和其他启动装置。其定子绕组一般成多相( 三相、四相、五相不等) ，转子由永久磁钢按 一定极对数( 如2 ，4 ，) 组成。图2 1 中的电动机本体为三相两极。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联接，在图2 - 1 中a 枢、b 相、c 相绕组分别与功率开 关管v 1 ，v 2 ，v 3 相接。位置传感器是用来检测转予位置的，与电动机转轴相联接。 当定予绕组的某一相通电时，该电流与转予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钢位置变换成电信号，去控制电 子开关线路，从而使定子各相绕组以一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按 一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械 换向器的换向作用。 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线路、 永磁式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。 电动机转子的永久磁刚与永磁有刷电动机中所用的永久磁刚的作用相似，均是在电 动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于无刷直流电动机中永久磁钢装在转子 上，而直流有刷电动机的磁钢装在定予上，图2 3 示出了典型无刷直流电动机本体的基 9 华南理工_ 人学硕士学位论文 本结构图。 图2 2 永磁无刷直流电动机的原理框图 f i g 2 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f p m b l d c m 图2 3 永磁无刷直流电动机本体的基本结构图 f i g 2 - 3t h eb a s i cs t r u c t u r ed i a g r a mo f t h em a i nb o d yp m b l d c m 无刷直流电动机电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时 间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关 单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分首己给无刷直流电动机 定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主 要取决于来自位置传感器的信号。但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功 率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。综上所述， 组