毕业设计（论文）-基于DSP的PWM电机驱动控制系统的设计.pdf

- i - 基于基于基于基于 dspdspdspdsp 的的的的 pwmpwmpwmpwm 电机驱动控制系统的设计电机驱动控制系统的设计电机驱动控制系统的设计电机驱动控制系统的设计 摘要摘要摘要摘要 无刷直流电机（bldcm）是具有定子（电枢）绕组和永磁（pm）或凸极 软铁转子结构的新型电机，具有大转矩、高效率、控制简单、易维护等优点。 随着电力电子技术、永磁材料及新型控制理论的发展，永磁无刷直流电机在高 性能的伺服驱动领域具有广阔的应用前景。 论文从研究永磁无刷直流电机的结构出发，详细论述了其工作原理。直接 利用电机的相变量建立的电机数学模型方便、准确，在此基础上分析了电机的 诸多特性。分析表明，与传统直流电机有相似的控制性能，即改变电源电压实 现无级调速，控制电枢电流即可控制电磁转矩。论文分析了永磁无刷直流电机 的电枢反应以及利用电流换向超前反电动势时直轴电枢反应的去磁效果达到等 效弱磁扩速的目的；讨论了电机的各种制动方式，重点研究了能量回馈制动方 式的原理。 系统采用电流环、速度环双闭环的控制策略，电流环与速度环均采用 pi 控 制。在比较了各种硬件控制方式的基础上，设计了以 16 位定点电机优化控制芯 片 tms320lf2407a 为核心的硬件控制系统，并完成了控制系统的软件设计和 系统调试。硬件控制系统的设计包括控制电路、电流采样电路、转子位置检测 电路以及驱动及逆变电路等；对各功能模块（转子位置捕获、电流采样、速度 计算、弱磁、电流调节、速度调节等）的软件实现、数字 pi 算法进行了详细论 述。 经实验验证，本文提出的永磁无刷直流电机数字化控制策略正确、可行， 控制系统硬件简单、可靠性高，控制系统具有良好的控制效果。论文所做的工 作为永磁无刷直流电机的广泛应用提供了一定的理论参考依据和工程实际方 法。 关键词关键词关键词关键词永磁无刷直流电机；dsp；数字控制；弱磁 哈尔滨理工大学学士学位论文 - ii - drivedrivedrivedrive a a a a designdesigndesigndesign ofofofof controlcontrolcontrolcontroll l l linginginging thethethethe systemsystemsystemsystem accordingaccordingaccordingaccording totototo thethethethe dspdspdspdsp pwmpwmpwmpwm electricalelectricalelectricalelectrical engineeringengineeringengineeringengineering abstractabstractabstractabstract the brushless dc motor(bldcm) is a new style motor that has stator(armature) windings and a permanent-magnet(pm) or salient-pole soft-iron rotor. permanent- magnet bldcm has lots of merits, such as high torque, high efficiency, simple control, low maintenance. as the development of power electronics, permanent- magnet materials and new control theories, permanent-magnet brushless dc motors have extensive application foreground in high performance servo and drive areas. this dissertation analyzes in detail on structure and operation principle of permanent-magnet bldcm. accurate mathematic model was built simply by using phase variables, and motor characteristics were analyzed. as the same as traditional dc motor, the torque produced by the motor is directly proportional to the current fed by the armature windings and generated voltage at the armature terminals is directly proportional to the motor velocity. armature reaction and breaking modes are discussed, especially emphasizing flux-weakening control and regenerative braking. double closed loop pi control strategy was adopted in this control system. based on the compare of various control modes that are applied on permanent-magnet bldcm, a dsp-based-control strategy has been put forward. then the control software and system debug were completed. the design of control hardware included control circuit, current sampling circuit, position detection circuit, drive and inversion circuit. in software design, functional modules and digital pi algorithm have been discussed in detail. the results of experiment show that the control strategy of permanent-magnet bldcm proposed by this dissertation is correct and feasible. control system has high reliability as well as excellent control effects. this dissertation offers some theory reference and practical methods for the applications of permanent-magnet bldcm. keywordskeywordskeywordskeywordspermanent-magnet bldcm; dsp; numerical control; flux-weakening magnetism 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iii - 目录目录目录目录 摘要.i abstractii 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景.1 1.2 无刷直流电机的发展.2 1.2.1 电力电子技术的发展2 1.2.2 新型永磁材料的发展2 1.2.3 dsp 的应用.3 1.2.4 控制策略4 1.3 论文主要内容.4 第 2 章 永磁无刷直流电机运行原理6 2.1 永磁无刷直流电机驱动系统构成.6 2.1.1 电机本体6 2.1.2 转子位置传感器7 2.1.3 逆变器电路9 2.2 永磁无刷直流电机的运行原理.9 2.2.1 基本运行原理9 2.2.2 永磁无刷直流电机的数学模型11 2.2.3 永磁无刷直流电机的电枢反应及弱磁扩速原理12 2.3 pwm 调制方式对转矩脉动的影响14 2.4 小结.14 第 3 章 永磁无刷直流电机的控制方案与硬件实现16 3.1 永磁无刷直流电机的控制方案.16 3.2 电机控制芯片概述.16 3.3 控制系统硬件设计.18 3.4 硬件可靠性设计.24 3.5 小结.24 第 4 章 控制系统的软件实现25 4.1 控制系统软件的总体要求.25 4.2 程序设计及实现.25 4.2.1 主程序25 4.2.2 捕获中断26 4.2.3adc 电流采样中断26 4.2.4 软件的可靠性设计30 4.3 数值表示方法.31 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iv - 4.4 小结.31 结论32 致谢33 参考文献34 附录35 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 课题背景课题背景课题背景课题背景 一个多世纪以来，电机作为机电能量转换装置，其应用遍及国民经济的各 个领域以及人们的日常生活中。电机的主要类型有：直流电机、感应电机和同 步电机。传统的直流电机因具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、 良好的起动性以及简单的控制电路等优点，长期以来一直广泛地应用在各种驱 动装置和伺服系统中。但是由于传统直流电机依靠机械电刷和换向器换向，机 械电刷和换向器强迫性的接触造成的电机运行时换向火花、噪声以及变化的接 触电阻等问题直接影响了传统直流电机的调速精度和性能。 无刷直流电机是在传统直流电机基础上发展起来的。1955 年，美国人 d.harrison 用晶体管换向电路代替传统直流电机的机械电刷，标志现代无刷直流 电机（bldcm）的诞生。无刷直流电磁结构上和传统直流电机一样，但是无刷 直流电机的电枢绕组放在定子上，转子则采用永磁材料制成的永磁体。无刷直 流电机以电子换向器取代了机械电刷和换向器，消除了电的滑动接触机构。其 电枢绕组类似于交流电机的绕组，一般采用多相形式，由直流电源经逆变器逆 变供电。电枢绕组通电相产生的电枢磁场和转子永磁体产生的主磁场之间相互 作用产生电磁转矩。无刷直流电机在保持了传统直流电机优点的基础上，性能 较之有很大提高，有逐步取代传统直流电机的趋势。无刷直流电机具有以下优 点 1）低噪声：因为没有了机械电刷或滑环式电刷，无刷直流电机消除了除支 承、连接以及负载以外的机械噪声； 2）高效率：无刷直流电机是目前电机中最高效率的一种电机，这要归功于 其利用永磁体产生的恒定、持续的磁场的缘故。在合适的操作条件下永磁无刷 直流 3）无励磁需要：如上所述，无刷直流电机利用永磁体产生恒定磁场，省去 了传统直流电机的电励磁部分； 4）易维护、寿命长：消除了机械电刷和换向器的无刷直流电机比传统直流 电机构造简单，更易维护，而且电机寿命更长； 5）控制结构简单：无刷直流电机的转矩正比于电机电流，反馈装置简单， 不需要采用绝对位置编码器或旋转变压器，因此较之交流电机更易于控制。正 是因为这个原因，目前已有很多半导体厂家生产了适合无刷直流电机控制需要 的专用集成电路控制芯片； 目前，无刷直流电机的应用越来越普遍，国内近年来在永磁无刷直流电机 的设计及控制方面有很多的研究，但与国外成熟的产品化相比还有很多地方值 得提高。加之我国是稀土大国，稀土材料又是目前永磁体材料最主要的来源， 如何利用好我国自身资源优势，在永磁无刷直流电机方面做出积极的研究是很 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 有现实意义的。 1.21.21.21.2 无刷直流电机的发展无刷直流电机的发展无刷直流电机的发展无刷直流电机的发展 时至今日，无刷直流电机经历了半个世纪的发展，在电力电子技术、微电 子技术、新型永磁材料以及新型控制理论的推动下，应用遍及医疗器械、航空 航天、仪器仪表、计算机外设驱动、办公自动化及家用电器等方面，显示出广 阔的应用前景和强大的生命力。 1.2.11.2.11.2.11.2.1 电力电子技术的发展电力电子技术的发展电力电子技术的发展电力电子技术的发展 电力电子技术特别是电力电子器件的发展对无刷直流电机及其控制的广泛 应用奠定了坚实的基础。自上世纪 70 年代以来，各种电力电子器件层出不穷， 发展异常迅速。晶闸管（scr）是五十年代出现的第一代功率半导体器件。它 是一种半控性器件，由晶闸管构成的静止变频电源要想实现变频调速必须配以 强制换向电路才能可靠换流。因此，控制线路复杂，效率低，可靠性差。同 时，晶闸管的开关频率低，变频电流中含有大量谐波成分，转矩脉动大，噪声 及发热严重。 从上世纪八十年代开始，以全控化、集成化、高频化为特点的现代电力电 子技术得到迅速发展，各种高频、大电流、高可靠性的全控型功率器件，如门 极可关断晶体管（gto） ，大功率晶体管（gtr） ，功率金属氧化物场效应管 （power mosfet） ，静电感应晶体管（sit）等先后问世。其中的 mosfet 是单极性电压控制器件，不但具有场控自关断能力，而且具有输入阻抗大、管 压降小、工作频率高、无二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好及驱动 电路简单等优点，在小功率场合应用极广。 从上世纪八十年代开始，以全控化、集成化、高频化为特点的现代电力电 子技术得到迅速发展，各种高频、大电流、高可靠性的全控型功率器件，如门 极可关断晶体管（gto） ，大功率晶体管（gtr） ，功率金属氧化物场效应管 （power mosfet） ，静电感应晶体管（sit）等先后问世。其中的 mosfet 是单极性电压控制器件，不但具有场控自关断能力，而且具有输入阻抗大、管 压降小、工作频率高、无二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好及驱动 电路简单等优点，在小功率场合应用极广。 九十年代中期出现的智能功率模块（ipm）是将 igbt 与其驱动电路、控制 电路和保护电路集成在一个模块内。是功率器件发展的一个重要分支。目前， 发达国家正在向第三代功率半导体器件功率集成电路（pic）方向发展。与 ipm 相似，pic 包含一组功率器件以及一组独立的功能电路。pic 不但能提供一 定的功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功 能，这使装置性能和可靠性得到很大的提升。 1.2.21.2.21.2.21.2.2 新型永磁材料的发展新型永磁材料的发展新型永磁材料的发展新型永磁材料的发展 稀土永磁材料的出现对无刷直流电机的发展起着强有力的推动作用。采用 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 稀土永磁体的无刷直流电机不仅保持了一般无刷直流电机的优点，如可靠性 高、维护方便、结构简单、散热容易、转速不受机械换向限制、噪声小等，而 且还具有以下优越性： 1）由于稀土永磁材料的高磁能积，使得电机可明显降低重量、减小体积； 2）稀土永磁材料的矫顽力高，剩磁大，因而可以产生很大的气隙磁通，大 大缩小了永磁体转子的外径，从而减小转子的转动惯量，降低时间常数，改善 电机的动态特性。同时，在保持一定气隙磁感应强度的条件下，气隙宽度可以 选取较大值，这样可以减小由于齿槽效应引起的转矩波动，也可以抑制电枢反 应对转矩波动的影响； 3）稀土永磁材料的内禀矫顽力极高，磁场定向性好，因而容易实现在气隙 中建立近似于矩形波的磁场，电机可设计成方波电机，当与 120导通型三相逆 变器相匹配，可实现方波驱动，从而可有效地减少力矩波动，同时提高电机的 出力。而且，电枢反应对稀土永磁体的去磁作用较小，故稀土永磁无刷直流电 机更适合突然反转、堵转驱动等特殊运行场合的性能要求； 4）稀土永磁材料的去磁曲线是线性、可逆的，该特性给稀土永磁无刷直流 电机的工作点计算带来方便，简化了磁路设计和磁场分析方法。由于稀土永磁 无刷直流电机具有上述一系列优点，因而，其用途更广泛，特别适合于对性 能、体积、重量要求更高的场合。 1.2.31.2.31.2.31.2.3 dspdspdspdsp 的应用的应用的应用的应用 模拟驱动控制系统由模拟器件构成，系统只能实现简单的控制，功能单 一，而且由分立器件构成的系统精度不高，温漂严重，已经不适合现代工业发 展的需要。 在以前对电机的控制策略还不丰富，控制算法还不复杂的时候，人们普遍 使当系统的主控制器，比如 intel 公司的 51 和 196 系列，微芯公司的 pic 系列 等。随着控制策略和算法的复杂化，传统的微控制器已经很难胜任这样复杂的 工作了。随着半导体技术的长足发展，数字信号处理器（dsp）的出现为人们 提供了一个新的硬件平台解决方案。dsp 是一门涉及许多学科而又广泛应用于 许多领域的新兴技术。其基本功能是快速读入数据并对这些数据进行复杂的计 算和处理，并实时输出运算的结果。 dsp 处理器往往包括多个空间并能同时访问这些空间。先进的数据并发存 取技术和成熟的 alu（算术逻辑单元）使 dsp 具有很强的实时数据处理能力。 dsp 通常应用于音频、视频或图象处理和工业控制。另外在通信、雷达、声纳 系统，以及生物医学等领域，dsp 也可以说是无处不在。到目前为止，dsp 芯 片的开发商已经研制出多种 dsp 体系结构，其中很多都是基于嵌入式应用。它 们把很多微处理器常用的子系统（如 uart、spi、adc 等）都集成到 dsp 的 内核中。同时其指令集也是 dsp 指令（执行数据的移动和运算）和传统微处理 器指令的混合。 在电机控制领域，dsp 体现出越来越突出的优势。相对于传统的处理器而 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 言，一个装有 dsp 芯片的嵌入式系统，在执行一些复杂软件和高级算法方面， 有着更高的效率。在电机的数字控制系统中，早期的 dsp 主要用于控制算法的 运算，现在，dsp 可以处理几乎所有的工作。许多控制算法，包括自适应、多 变量寻优、学习、自校正、神经网络、遗传算法和模糊逻辑，都可以用 dsp 实 现。对于许多系统，必须估计系统参数，dsp 有足够的能力在处理其它任务的 同时进行系统辨识和参数估算。在系统运行过程中，故障的诊断和保护功能是 必不可少的，由 dsp 作控制器的系统能够轻松地实现这些功能。另外，在许多 控制系统中 dsp 还可以实现非控制功能，包括与上位机的通信、界面任务和总 线操作协议等。 1.2.41.2.41.2.41.2.4 控制策略控制策略控制策略控制策略 电机控制系统常用 pid 控制。pid 控制是连续系统中技术成熟且应用广泛 的一种控制方法。它的结构简单，不一定需要系统的确切数学模型，参数更易 调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。将它应用到数字系统中，通过软件 予以实现，对于大多数控制对象都能获得满意的控制效果。故工程实践中多采 用 pid 作为系统控制算法。 由于永磁无刷直流电机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，针对 较高性能要求，近些年来，结合现代控制理论，提出了很多新型的电机控制方 法。如变结构控制、无传感器控制、智能控制等。变结构控制由于具有响应速 度快、对控制对象参数变化及外部扰动不灵敏、物理实现简单等优点，无刷直 流电机的位置伺服方式下的运行大都采用变结构控制。从控制系统的成本、维 护性、可靠性等方面来考虑，无传感器的传动系统对提高系统的可靠性和对环 境的适应性具有更重要的意义，为国内外学术界高度重视，成为近年来研究的 热点。智能控制是控制理论发展的高级阶段，一般包括模糊控制、神经网络控 制、专家系统等。智能控制系统具有自学习、自适应、自组织功能等，能够解 决模型不确定性问题、非线性控制问题以及其它较复杂的问题综合永磁无刷直 流电机的发展与现状，可以看出采用以微处理器为基础的数字控制技术，以现 代控制理论为代表的控制规律，实现全数字化、智能化是未来高精度、高可靠 性的永磁无刷直流电机控制的重要发展方向。 1.31.31.31.3 论文主要内容论文主要内容论文主要内容论文主要内容 本文在对永磁无刷直流电机进行详细的理论分析基础上，针对永磁无刷直 流电机全数字控制系统要求，做了以下工作： 1）详细分析永磁无刷直流电机结构和基本运行原理，在一定的简化假设基 础上，分析并建立永磁无刷直流电机的数学模型； 2）对永磁无刷直流电机的弱磁扩速问题以及控制方法进行研究，分析能量 回馈制动的原理；对不同的 pwm 调制方式进行对比阐述，最终提出永磁无刷 直流电机的全数字控制方案； 3）选定电流检测及速度反馈的方案，设计以 tms320lf2407a 为控制核心 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 的硬件控制电路，并以此为平台编写控制系统软件并完成基本功能的调试； 4）完成整个控制系统的测试工作，并且对实际得到的测试结果进行分析。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章 永磁无刷直流电机运行原理永磁无刷直流电机运行原理永磁无刷直流电机运行原理永磁无刷直流电机运行原理 2.12.12.12.1 永磁无刷直流电机驱动系统构成永磁无刷直流电机驱动系统构成永磁无刷直流电机驱动系统构成永磁无刷直流电机驱动系统构成 永磁无刷直流电机驱动系统包括：电机本体、转子位置传感器和逆变器 图 2-1 永磁无刷直流电机构成框图 2.1.12.1.12.1.12.1.1 电机本体电机本体电机本体电机本体 永磁无刷直流电机本体结构与永磁同步电机相似，电机本体主要包括转子 和定子。永磁无刷直流电机转子上装配高性能永磁材料制成的永磁体，常用的 有三种结构形式：如图 2-2 所示。其中图 2-2(a)结构是转子铁心外圆粘贴瓦片形 永磁体；图 2-2(b)结构是在转子铁心中嵌入矩形板状永磁体。图 2-2(a)和图 2- 2(b)结构的永磁无刷直流电机的转子外径套有一个紧圈，以防止电机在高速运行 时离心力将永磁体甩出，同时在盐雾等恶劣的环境中也对永磁体起保护作用。 紧圈的材料通常用不导磁不锈钢，也可用环氧无纬玻璃丝带缚扎。图 2-2(c)结构 是在转子铁心外套上一个整体粘结永磁体环，适用于体积和功率较小的永磁无 刷直流电机，该种结构的转子的制造工艺性较好。 永磁无刷直流电机的定子结构与普通的同步电机及异步电机相同，铁心中 嵌放对称多相绕组，绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器中各开关管相 连接。除了上述基本结构形式外，还有一种外转子式结构，即带有永磁极的转 子在外，嵌有绕组的定子在里。电机运行时，外转子旋转。这种结构形式主要 用于电动车的驱动。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - (a) 瓦型径向磁化(b)矩形切向磁化(c)环形径向磁化 图 2-2 电机本体转子结构形式 2.1.22.1.22.1.22.1.2 转子位置传感器转子位置传感器转子位置传感器转子位置传感器 转子位置传感器是永磁无刷直流电机的关键部件。它对电机转子位置进行 检测，其输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各相绕组 按顺序导通，保证电机连续工作。转子位置传感器也由定、转子组成，其转子 与电机本体同轴，以跟踪电机转子的位置；其定子固定于电机本体定子或端盖 上，以感应和输出转子位置信号。转子位置传感器的主要技术指标为：输出信 号的幅值、精度，响应速度，工作温度，抗干扰能力，损耗，体积重量，安装 方便性以及可靠性等。其种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正 余弦旋转变压器式以及编码器等。其中最常用的有以下几种： 霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。它是一种半导体器 件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即 输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。用霍尔元件作 转子位置传感器通常有两种方式。第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机端盖内 表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体，如 图 2-3 所示。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空 间彼此相隔 120电角度，永磁体的极弧宽度为 180电角度。这样，当电机转子 旋转时，三个霍尔元件便交替输出三个宽度为 180电角、相位互差 120电角的 矩形波信号。 第二种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧 靠铁心处，利用电机转子上的永磁体主极作为传感器的永磁体，根据霍尔元件 的输出信号即可判断转子磁极位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。 霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、可靠，但对工作温度 有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低， 不能正常工作。因此，在对性能和环境要求不是很高的永磁无刷直流电机应用 场合，大量使用霍尔元件式位置传感器。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 图2-3霍尔元件式位置传感器结构（1 永磁体架；2 永磁体；3 霍尔元件） 1）霍尔元件式位置传感器 霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、可靠，但对工作温度 有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低， 不能正常工作。因此，在对性能和环境要求不是很高的永磁无刷直流电机应用 场合，大量使用霍尔元件式位置传感器。 2）电磁式位置传感器 电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成。转子由 扇形磁芯和非导磁衬套组成。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当 转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦合， 输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器工 作。这种传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天 领域。电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开 关管，但此输出电压是交流，必须先整流。由于这种传感器过于笨重复杂，因 而大大限制了其在普通条件下的应用。 3）光电式位置传感器 电式位置传感器由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的 遮光板所组成。几个光电耦合开关沿圆周均布，每只光电耦合开关由相互对着 的红外发光二极管和光敏三极管组成。遮光盘处于发光二极管和光敏三极管中 间，盘上开有一定角度的窗口。红外发光二极管通电后发出红外光，当遮光盘 随电机转子一同旋转时，红外光间断的照在光敏三极管上，使其不断导通和截 至，其输出信号反应了转子的位置，经过放大后去驱动逆变器开关管。光电式 位置传感器轻便可靠，安装精度高，抗干扰能力强，调整方便，因此获得了广 泛的应用。近年来，无位置传感器的永磁无刷直流电机发展比较快。它省去了 转子位置传感器，因而电机结构简单、体积小、可靠性高。当电机体积较小、 位置传感器难以安装时或电机工作在恶劣环境中以致于位置传感器工作的可靠 性难以保证时，这种无位置传感器的永磁无刷直流电机更显示出其独特的优越 性。无位置传感器的无刷直流电机的主要弱点是起动转矩比较低，一般只适用 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 于空载或轻载条件下起动。当电机转子采用永磁体励磁时，永磁体的强磁场使 得电机在较低速度时就可以检测到电枢绕组反电动势，在较低转速下实现电机 的自同步运行状态切换，从而加快电机的起动过程，实现宽的调速范围。 2.1.32.1.32.1.32.1.3 逆变器电路逆变器电路逆变器电路逆变器电路 永磁无刷直流电机中的逆变器电路起到类似于传统直流电机中换向器的作 用。逆变器电路形式主要有桥式和非桥式两种。图 2-4 和图 2-5 分别给出了三相 星形三状态（三相半波）逆变器电路和三相星形六状态（三相全波）逆变器电 路，及其对应输出的方波电流。图 2-4 电路简单，但每项绕组仅通电 120电角 度，绕组利用率差；图 2-5 桥式逆变电路向电机绕组提供宽为 120电角度的三 相对称方波电流，每相绕组通电 240电角度，与图 2-4 相比提高了绕组利用 率。并且由下一节的永磁无刷直流电机的运行原理分析可知，三相六状态电路 中，定子磁场步进角为 60电角度，相较三相三状态电路的定子步进磁场 120 电角度小，降低了转矩脉动。事实上，应用最广泛的就是三相星形六状态的逆 变器电路。 图 2-4 三相半波逆变电路 图 2-5三相全波逆变电路 2.22.22.22.2 永磁无刷直流电机的运行原理永磁无刷直流电机的运行原理永磁无刷直流电机的运行原理永磁无刷直流电机的运行原理 2.2.12.2.12.2.12.2.1 基本运行原理基本运行原理基本运行原理基本运行原理 永磁无刷直流电机是 在传统直流电机基础上发展起来的，其内部发生的 电磁过程与普通直流电机类似。以两相导通星形三相六状态永磁无刷直流电机 为例说明其工作原理。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - 图 2-6 永磁无刷直流电机工作原理示意图 当转子永磁体位于图 2-6(a)所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信 号，经过控制电路以及驱动电路处理后，导通功率开关管 t1、t6，即绕组 a、 b 通电，且电流方向为 a 进 b 出，电枢绕组在空间的合成磁势为 fa。此时定转 子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流经路径为：电源正极 t1a 相绕组b 相绕组t6电源负极。当转子转过 60电角度到达图 2- 6(b)所示位置时，转子位置传感器输出位置信号改变，再经过控制电路及驱动电 路处理后使 t6 截至，t2 导通，t1 仍然导通。则绕组 a、c 通电，且电流方向 为 a 进 c 出，电枢绕组在空间合成磁场如图 2-6(b)。此时，定转子磁场相互作 用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流经路径为电源正极t1a 相绕组 c 相绕组t2电源负极。依此类推，当转子继续沿顺时针每转过 60电角度 时 ， 逆 变 器 中 功 率 开 关 管 的 导 通 逻 辑 为 t3t2t3t4t5t4t5t6 t1t6，则转子磁场始终受定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转 动。 在图 2-6(a)到 2-6(b)的 60电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定 子合成磁场 fa 在空间保持不动，只有当转子磁场转过 60电角度到达图 2-6(b) 中的 ff 的位置时，定子合成磁场才从图 2-6(a)中的 fa 位置，顺时针跃变至 2- 6(b)中的 fa 位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳 跃式的磁场，每个步进角是 60电角度。每当转子转过 60电角度时，逆变器开 关管之间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次。可见，电机在 360电角度 内有 6 个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕组中流过电流的时间相当于 转子旋转 120电角度，每个功率开关管的导通角为 120电角度，故称之为 120 导通型。两相导通星形六状态无刷直流电机的三相绕组通电与各开关管导通逻 辑如表 2-1 电机逆时针旋转时的分析与顺时针相同，只是逆时针旋转的开关管 导通逻辑与顺时针时相反，见表 2-1。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - 表 2-1 回馈制动时逆变器开关管导通逻辑表 磁状态123456 hahbhc110010011001101100 通电组a,ba,cb,cb,ac,ac,b 顺时针t1t6t1t2t3t2t3t4t5t4t5t6 逆时针t3t4t5t4t5t6t1t6t1t2t3t2 2.2.22.2.22.2.22.2.2 永磁无刷直流电机的数学模型永磁无刷直流电机的数学模型永磁无刷直流电机的数学模型永磁无刷直流电机的数学模型 数学模型 永磁无刷直流电机的特征是反电动势为梯形波，梯形波反电动势意味着定 子和转子间的互感是非正弦的，将永磁无刷直流电机三相方程变换为 dq 方程是 比较困难的，因为 dq 方程适用于气隙磁场为正弦分布的电机。若将电感表示为 级数形式且采用多参考坐标理论，也可进行这种坐标变换，但运算繁琐。若仅 仅取其基波进行变换，计算结果误差大。相反，直接利用电机原有的相变量来 建立数学模型却比较方便，能获得较准确的结果。为简化分析，做如下假设： 1）定子绕组为 60相带整距集中绕组，星形连接； 2）忽略齿槽效应，三相绕组完全对称，均匀分布于光滑定子的内表面； 3）忽略磁路饱和，且不计涡流和磁滞损耗； 4）不考虑电枢反应，气隙磁场分布近似为矩形波，平顶宽度为 120电角 度； 5）转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用； 三相绕组的电压平衡方程可表示为： 00 00 00 aaaa bbbb cccc uiierlmm urimlmp ie rmmluiie =+ (2-1) 式中 u-定子相绕组电压（v） i-定子相绕组电流（a） e-定子相绕组电动势（v） l-每相绕组自感（h） m-每两相绕组的互感（h） p-微分算子 p=d/dt 由于转子磁阻不随转子位置变换而变化，因而定子绕组的自感和互感为常 数。对于星形连接的三相绕组，且没有中线，则有 0 abc iii+=(2-2) 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 16 - 0 abc mimimi+=(2-3) 将式(2-2)和式(2-3)带入式(2-1)中，得到永磁无刷直流电机的电压方程为 1 00 00 1 0000 00 1 00 aaaa bbbb cccc lm uiier urip ie lm ruiie lm =+ (2-4) 电压方程还可以写成状态方程形式： 1 00 00 1 0000 00 1 00 aaaa bbbb cccc lm iuier p iurie lm riuie lm = (2-5) 电磁转矩为 1 () a ab bc c te ie ie i =+(2-6) 根据电压方程式(2-4)，可以得到永磁无刷直流电机的等效电路图，如图 2-7 所 示。 图 2-7 永磁无刷直流电机等效电路图 2.2.32.2.32.2.32.2.3 永磁无刷直流电机的电枢反应及弱磁扩速原理永磁无刷直流电机的电枢反应及弱磁扩速原理永磁无刷直流电机的电枢反应及弱磁扩速原理永磁无刷直流电机的电枢反应及弱磁扩速原理 电枢磁动势和电枢反应 电机负载时电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与磁路饱和 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 17 - 程度、转向、电枢绕组连接方式、导通顺序等因素有关。现对其电枢反应进行 分析。设电机工作在 a 相和 b 相绕组导通的磁状态范围，a 相绕组和 b 相绕组 在空间的合成磁势 a 如图 2-8 所示。在 a、b 相定子绕组通电状态下，转子顺时 针旋转从位置到位置。在刚进入此磁状态时，即转子位于，电枢磁势 af 分解为直轴分量和交轴分量，此时=cos60adaff，方向与转子磁势 ff 反向。随 着转子的转动直轴分量逐渐变小，当转子转动到和垂直，即位置时，电枢磁 势直轴分量直轴分量等于零，在此期间直轴分量与转子磁势 ff 一直反向，对转 子磁场表现为去磁作用。此后，随着转子继续转动，直轴分量又渐渐变大直至 为最大，在此期间直轴分量方向与转子磁势同向，对转子磁场表现为增磁作 用，此时转子永磁体转到位置。 图 2-8 电机转子磁势和定子绕组磁势 纵观整个磁状态，直轴电枢反应在半个磁状态对转子磁场起去磁作用，在 另外半个磁状态内则对转子磁场起增磁作用。整体表现为直轴电枢反应既无去 磁作用，也无增磁作用。交轴电枢磁势对转子磁场的作用是使转子磁场波形畸 变。 永磁无刷直流电机的电枢反应对转矩脉动有影响，体现在两个方面： 1）电枢反应使气隙磁场发生畸变，改变了转子永磁体在空载时的方波气隙 磁感应强度分布波形。该畸变的磁场与定子通电绕组相互作用，使电磁转矩随 定、转子相对位置的变化而脉动； 2）在任一磁状态内，相对静止的电枢反应磁场与连续旋转的转子主极磁场 相互作用而产生的电磁转矩因转子位置的不同而发生变化。 弱磁扩速原理 永磁无刷直流电机由于采用永磁体励磁，所以具有高效率、大功率密度等 优点。也正是因为永磁体取代了直流励磁，所以和传统直流电机相比，不能通 过调节励磁电流来实现电机调速。实际上，为了在逆变器输入电压限定的情况 下扩展电动机的调速范围，在电动机的高速区常使电流超前换向，即电流换向 角大于零。 由前述永磁无刷直流电机的电枢反应的分析可知，在理想情况下，由矩形 波气隙磁通与矩形波定子电流相互作用，合成产生恒定的电磁转矩，或者说， 由于供电电流波形为矩形波，为了减少转矩脉动，永磁无刷直流电机的气隙磁 密波形也应该呈矩形波分布，并且要求电枢电流与反电动势同相位，即电流换 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 18 - 向角=0。 这种情况下的直轴电枢反应总体上看既不体现去磁亦不体现增磁。图 2-9 为理想的矩形波永磁无刷直流电机气隙磁密和相电流示意图。为了要实现利用 电枢反应使电机等效去磁，就必须调整电流换向角，使得电枢电流超前相反电 势，即=0。按前述电枢反应分析方法可知，当=0时电机直轴电枢反应去磁 作用大于增磁作用，总体表现为去磁，起到了等效弱磁的作用。理论分析表 明，的增大也导致转矩脉动增大，但由于这些脉动转矩的频率较高，不会对电 机的运行产生大的影响。此外，由于采用三相桥式逆变电路供电的永磁无刷直 流电机每 60电角度都存在转矩过零点，为了减小转矩脉动，要求电流换向角 =60。此时相电流和反电动势的波形见图 2-10。 图 2-9 气隙磁密和相电流示意图图 2-10 相电流和反电势波形 2.32.32.32.3 pwmpwmpwmpwm 调制方式对转矩脉动的影响调制方式对转矩脉动的影响调制方式对转矩脉动的影响调制方式对转矩脉动的影响 转矩脉动问题是永磁无刷直流电机中一直存在的问题。永磁无刷直流电机 中引起转矩脉动的因素较多，主要有以下几个方面：齿槽效应和磁通畸变引起 的转矩脉动、谐波引起的转矩脉动、电流换向引起的转矩脉动等。下面分析不 同的 pwm 调制方式对电枢电流及转矩脉动的影响。 永磁无刷直流电机当定子绕组采用集中整矩绕组，即每极每槽数 q=1 时方 波磁场在定子绕组中感应的电势为梯形波，电机的反电势及相电流波形。采用 120导通方式时，每个周期内转子位置发生 6 次变化，每个开关管导通 120电 角度。 2.42.42.42.4 小结小结小结小结 本章从电机的基本结构入手，详细分析了永磁无刷直流电机的运行原理。 利用电机本身的相变量建立了电机的数学模型，该方法既简单又具有较好的准 确度对电机的电磁转矩、电枢电流和反电动势等特性的分析，得出永磁无刷直 流电机的机械特性与传统直流电机机械特性相似的结论，并且具有和传统直流 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 19 - 电机一样好的控制性能，可以通过改变供电电压实现无级调速，调节电枢电流 达到转矩控制的目的。针对永磁无刷直流电机的永磁体磁场不可调节的特点， 分析了利用直轴电枢反应等效去磁的弱磁扩速原理。永磁无刷直流电机的制动 采用能量回馈动，该制动方式可以有效地将制动时电机的动能回收。另外，不 同的 pwm 调制方式对电磁转矩也有影响。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 20 - 第第第第 3 3 3 3 章章章章 永磁无刷直流电机的控制方案与硬件实现永磁无刷直流电机的控制方案与硬件实现永磁无刷直流电机的控制方案与硬件实现永磁无刷直流电机的控制方案与硬件实现 本章在建立永磁无刷直流电机控制方案的基础上，选用数字信号处理器 tms320lf2407a 作为核心单元设计控制系统硬件。控制系统硬件主要由控制电 路、驱动及逆变电路、转子位置检测和电流采样电路等部分组成。 3.13.13.13.1 永磁无刷直流电机的控制方案永磁无刷直流电机的控制方案永磁无刷直流电机的控制方案永磁无刷直流电机的控制方案 由上章的分析知，通过改变供电电压实现对永磁无刷直流电机的速度调 节，控制电枢电流即达到控制电机转矩的目的。系统采用电流环、速度环双闭 环的控制策略，电流环与速度环均采用 pi 控制。 系统设置转速和电流两个调节器，调节器实行串级连接。控制过程为：用 设定的速度值和由转子位置传感器检测的信号计算得到的电机实际速度值相比 较，经过速度调节器的调节，输出电流给定值。检测到的电流实际值与电流给 定值比较，经过电流调节器，输出得到供给电机的电压。采用在工业中获得广 泛应用的传统 pi 控制器，具有算法简单、参数调整方便、鲁棒性强和抗高频干 扰强的诸多优点。采用这种转速、电流双闭环控制方式，能够恰当的发挥电流 截止负反馈和转速负反馈的作用。从静态特性上看，单独的电流负反馈有使静 态特性变软的趋势，但是有转速负反馈在外环，当转速调节器不饱和时（如稳 态运行时） ，静态特性上可能由电流负反馈产生的速度降落，完全被转速调节器 的作用消除了。又由于转速调节器采用 pi 调节，整个系统将是一个无静差的调 速系统。从动态响应过程来看，突加设定转速或启动过程中，转速调节器很快 就达到饱和，只剩下电流环起作用，系统在最大电流受限的条件下，在大转速 偏差下实现最短时间控制策略，直到转速超调后，转速 pi 调节器才真正发挥作 用，使转速渐渐稳定下来。速度、电流双闭环控制系统，在突加给定的暂态过 程中表现为一个恒电流调节系统，在稳态时又表现为无静差调速系统，控制系 统从而具有良好的动、静态品质。 3.23.23.23.2 电机控制芯片概述电机控制芯片概述电机控制芯片概述电机控制芯片概述 目前，针对永磁无刷直流电机的控制大致有以下三种方式：采用专用集成 电路控制芯片、基于 51/196 系列单片机、以及利用高性能的数字信号处理器 （dsp） 。利用专用集成电路控制芯片（如 motorola 公司的 mc33035）组建的 控制系统，系统结构简单、成本低廉。但是由于集成电路控制芯片在硬件上完 成了从位置检测、译码到 pwm 调制输出的所有工作，系统功能不能进一步扩 展，例如不能进行助磁和弱磁的控制，限制了专用集成电路控制芯片在一些场 合的应用。大部分情况下，单片机发挥了作用，但是基于一般的 51/196 系列单 片机的永磁无刷直流电机控制系统无论是处理速度还是控制精度，都难以和高 性能的数字信号处理器（dsp）相媲美。dsp 的快速运算能力能够使数字控制 系统实时地进行运算，而不是用查表的方法得到近似的结果；其内部结构使控 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 21 - 制系统能实现更复杂的控制算法，可以将速度环和电流环都以数字方式实现， 形成全数字形式的永磁无刷直流电机控制系统。 本文提出了基于