采用集成电路的无刷电机控制系统设计

SHANDONG 毕业设计说明书 采用集成电路的无刷电机控制系统设计 学 院：电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 李文瑞 学 号： 0812102395 指导教师： 张存山 2012 年 06 月 摘要 I 摘 要 无刷直流电动机是现代工业设备中重要的运动部件，保留了有刷直流电动 机宽阔而且平滑的调速性能，同时又克服了有刷直流电动机机械换向带来的一 系列的缺点，在各个领域中得到广泛应用。本论文阐述了无刷直流电动机的系 统构成和工作原理，分析了无刷直流电动机的数学模型、等效电路、传递函数 以及调速原理。采用转速电流双闭环控。与串励或者并励有刷直流电机驱动系 统相比，永磁无刷电机有着明显的优势，功率密度大、体积小、效率高、结构 简单牢固、易于维护等，且驱动系统运行和维护成本都比较低，因此，对于目 前电动汽车市场需求和已经达到的科技状况，开发出比较可行、运行良好，同 时能够控制生产成本的电动使用汽车永磁无刷电机驱动系统，于电动汽车行业 的促进有着深刻的意义。本文首先论述了无刷直流电机的组成，工作原理和数 学模型，然后基于 MOTOROLA 公司的专用控制芯片 MC33035 进行了无刷电 机控制系统的硬件设计。主要有主电路和控制电路，其中包括转子位置检测电 路，电流检测电路，驱动电路等。本设计拟用在电动汽车，作为电动汽车的调 速系统。 关键词： 无刷电机；MC33035；PWM 控制 Abstract II ABSTRACT Brushless DC Motor(BLDC)is an important moving part of modern industry equipmentsBLDC retains the performance of broad and smoothspeed control，at the same time BLDC overcomes a series of disadvantagesbrought by the Brush DC Motor mechanical commentatorTherefore，BLDC is widely used in various fieldsIn this paper，the system composition and working principle of BLDC is expandedThe mathematical model，equivalent circuit and transfer function of BLDC is derivedThe speed control principle of BLDC is analyzedSpeed、current closedloop control and the method of pulse width modulation are used to drive BLDCThe series-excited or by brush dc motor drive system is compared, permanent brushless motor has obvious advantages, power densities, small size, high efficiency, simple structure, easy maintenance firm, and drive system operation and maintenance cost is low, therefore, based on the electric car market development needs and technical status , design and development and reliable, low cost of electric car permanent brushless motor drive system, for the development of electric vehicle industry has important practical significance. This paper first discusses of brushless dc motor composition, working principle and mathematical model, then based on the special control chip MOTOROLA company MC33035 brushless motor control system for the hardware design. The main circuit and control circuit, including the rotor position detection circuit, the electric current detection circuit, drive circuit. This design to be in the electric car, as electric vehicle control system. Key words：BLDC；MC33035；PWM control 目录 III 目录 摘 要. ABSTRACT II 目录 .III 第一章第一章 绪论绪论 .1 1.1 课题选择的背景及意义.1 1.2 电动汽车发展现状2 1.2.1 我国电动汽车的发展 .2 1.2.2 国际电动汽车的发展 .2 1.3 无刷电机在电动汽车中的应用3 1.3.1 鼠笼式交流异步电动机 3 1.3.2 永磁无刷直流电动机 3 1.3.3 开关磁阻电动机 .4 1.4 无刷电机发展现状和控制研究现状4 1.5 本人在毕业设计中完成的任务.6 第二章第二章 无刷直流电机工作原理无刷直流电机工作原理 8 2.1 无刷直流电动机的概述.8 2.2 无刷直流电动机本体.10 2.2.1 无刷电机的定子部分.10 2.2.2 电动机转子.12 2.3 转子位置检测13 2.3.1 位置传感器检测法13 2.3.2 无位置传感器检测法.16 2.4 PWM 调制技术16 2.5 无刷直流电动机的运行特性19 2.5.1 机械特性.19 2.5.2 调节特性.20 2.5.3 工作特性.21 目录 IV 2.6 数学模型21 第三章第三章 无刷电机的控制系统无刷电机的控制系统25 3.1 控制系统框图.25 3.2 直流无刷电机控制系统的主电路设计.26 3.2.1 逆变电路.26 3.2.2 逆变开关元件选择和计算.26 3.3 基于 MC33035 的无刷直流电动机调速系统28 3.3.1 MC33035 无刷直流电动机控制芯片 .28 3.3.2 电子测速器 MC33039.32 3.3.3 电流检测电路33 3.3.4 过流保护电路34 3.3.5 反向器 4584.35 3.3.6 驱动电路设计 35 3.3.7 自举电路原理. 37 结论结论 .38 参考文献参考文献.39 致谢声明致谢声明.40 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪论 1.1 课题选择的背景及意义 环境污染和石油资源匮乏是目前世界汽车工业可持续发展所面临的两大难 题。汽车排放的废气主要含有铅化物二氧化碳、二氧化硫、碳氢化合物、氮氧 化合物等，这些有害物质对人类的身体健康带来很大的威胁也严重污染了我们 生存的环境，特别是近来人们对于国务院同意发布新修订的环境空气质量标 准中关于 PM2.5 监测指标的关注，而 PM2.5 产生的主要来源，是日常发电、 工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属 等有毒物质。城市 80的污染噪声是由燃油汽车造成的。目前汽车消耗的能源 几乎完全依赖于石油制品，随着汽车工业的发展，汽车保有量和年产量迅速增 加。 20 世纪 70 年代以来电动汽车的研究再度在全世界范围内兴起，世界各国 不惜投入大量的人力物力来研究和开发电动汽车。20 世纪 70 年代初，美国、 英国、法国、德国、意大利和日本都开始发展电动汽车，20 时 70 年代后期， 世界上许多国家的地区和公司，如澳大利亚、比利时、巴西、保加利亚、加拿 大、中国、丹麦、法国、德国、荷兰、印度、意大利、日本、墨西哥、芬兰、 瑞士、英国、美国和前苏联等都开始生产电动汽车，第一，因为新能源汽车的 使用清洁，首先，电动汽车的清洁能源使用效果（对于电能的利用率）在数字 上优于燃油车辆，并且这种新能源车辆在运行中出现制动情况就不会再像内燃 汽车一样继续消耗能量，在制动方面能够实现反馈制动，同时能够给电动汽车 所使用的电池进行蓄电，这样的制动方式和运行方式必然可以提高相应的能源 利用率。再次，电动汽车赖以使用的也是由地球储藏极大的煤炭、天然气、以 及现在很多国家都在使用的核能清洁能源水能、太阳能、风能等多种能源得来。 最后，电动汽车的能源补充也比较方便，白天用电高峰期的时候汽车一般都是 行驶状态，等到夜晚的时候再进行充电这样不仅避免了用电高峰期，而且还不 耽误正常的使用，现在很多大中型城市都配备了室外的电动汽车充电桩，随时 第一章 绪论 - 2 - 随地可以充电，方便了消费者的使用，节省了能源。电动汽车另一个比较大的 特点就是其维护方便，结构简单。与内燃机相比较运动部件减少，在很大程度 上减少了维修成本，而且电动汽车操作方便，维修简单，节省开支。 1.2 电动汽车发展现状 1.2.1 我国电动汽车的发展 电动汽车有纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车三种类型。这 是由不同的驱动原理设计的。 我们国家对于电动汽车的研究还得追溯到二十世纪六七十年代，电动汽车 控制系统的相关科研的创建“九五”期间，这对于美国和日本等国家的研究时 间足足迟到了二十年。但是在最近的几年的研究，由于我国相关能源计划的 （863 计划）的实施。使电动汽车的研究得以有序健康的发展，以至于近期以 来我们国家的新能源行业，特别是电动汽车得以迅速前进取得了长足的进步， 在研发过程中取得了很多的关键技术，而且我们在日常生活中也随处可见由我 国自行生产和研发的电动汽车产品，在有些领域已经大大缩小了与欧美国家电 动汽车产品研发的差距，甚至能达到相同的水准。 1.2.2 国际电动汽车的发展 目前世界汽车行业已经进入了一个转变时期，与此同时带来的事电动汽车 的快速发展，各国都开始对电动汽车的研发加大了投入，从上一节的数据来看， 我国对电动车的发展可谓是不遗余力，电动汽车的发展不仅仅是节约了不可再 生资源的利用，另一方面，电动汽车的使用代替了很大一部分燃油汽车，对解 决很久以来困扰人类的新能源动力交通提供的很大的帮助。由于各个国家都意 识到了发展新能源汽车的必要性，都不遗余力的开始在技术层面加紧电动汽车 的发展。从而出台了相应的电动汽车的发展策略以及相应的发展方向。美国政 府开始实行能源新型政策，重视新能源汽车特别是电动汽车的发展，产业规划 到 2015 年在全美推行一百万辆混合动力汽车。近年来各国开始重新制定燃油 排放税制改革，加大了燃油汽车的收税力度，日本从 09 年月日开始实行 第一章 绪论 - 3 - 新的燃油税制，同一时间英国也开始执行新的汽车消费税，同时对新能源汽车 的使用给予一定的鼓励和补贴，从一个侧面反映出对新能源汽车的重视。为了 加大产业发展加快电动汽车市场的认可各国政府提供信贷支持等措施。 1.3 无刷电机在电动汽车中的应用 电动汽车的核心部分还是它的驱动电机，利用驱动电机进行能量的转化， 通过电机能量转化将电能变为机械能，利用汽车电机外围的各种机械装置将 传动，促使车轮转动 。到现在为止，使用比较多的还是 直流串激电动机， 因为这种电机的机械特性很软， 单相串励电动机属于单相交流异步电动机， 是交直流两用的，所以又称为交直流两用串励电动机。由于它转速高、体积 小、启动转矩大、转速可调，既可在直流电源上使用，又可在单相交流电源 上使用，因而在电动工具中得到广泛的应用。但是由于存在 电刷换向出 现火花，重量功率比不大、效率较低， 保养成本高 ，电机技术可控制技术 日新月异的今天一定会 被直流无刷电动机（ BCDM）、开关磁阻电动机 （SRM）取代。 1.3.1 鼠笼式交流异步电动机 三相鼠笼式交流异步电动机是目前应用得最广泛的电动机，转子上不需电 刷，结构简单，其生产技术比较成熟，已经能够大批量的生产。 它主要由定子和转子两部分组成，定、转子之间是气隙。 转子绕组是用 作产生感应电势、并产生电磁转矩的，它分鼠笼式和绕线式两种。 鼠笼式转 子绕组是自己短路的绕组，在转子在每个槽中放有一根导体（材料为铜或铝）， 导体比铁芯长，在铁芯两端用两个端环将导体短接，形成短路绕组。若将铁芯 去掉，剩下的绕组形状似松鼠笼子，故称鼠笼式绕组。 1.3.2 永磁无刷直流电动机 永磁无刷直流电动机是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机，其性 能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似，可以由改变电枢电压来方便地调速。 与他励式直流电动机相比，具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点， 是小功率直流电动机的主要类型。 第一章 绪论 - 4 - 永磁无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化 产品。 1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相 似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电 动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是： 接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接 受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续 转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示 等等。 1.3.3 开关磁阻电动机 开关磁阻电动机（Switched Reluctance Drive ：SRD）是继变频调速系统、 无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微 电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和 制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交 流两类调速系统的优点。 英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统 的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数瓦直到数百千瓦，广 泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。 1.4 无刷电机发展现状和控制研究现状 目前世界上对无刷电机的定义可以两种：其一是认为梯形波/方波无刷直流 电机都是无刷直流电机。另一种则认为只有梯形波/方波无刷直流电机才可被称 为无刷直流带电机，正弦波无刷直流电机则被称为永磁同步电机（PMSM）。 电动机从分类来讲有两类，分别是交流电机和直流电机。其中直流电动机 有着一系列的特性而被广泛运用，包括其比较好的起动性能，还有调速特性。 就这些特点致使直流电机应用于电力机车以及其他等等常常需要进行调整速度 的机器上。直流电动机的换向有一个显著的特点就是利用换向器进行变换电流。 由于电机在使用过程中不免进行长期的转向换刷这就导致电刷的损耗非常严重， 必须长期不定期的进行维护和更换电刷。电机的换向频繁会产生电火花和电磁 第一章 绪论 - 5 - 类干扰，对其他设备的运行极大不利。综述了以上直流有刷电机的缺点可以发 现，无刷电机的产生就是一种必然，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运 而生。20 世纪 50 年代美国人首次提出了一项特有的专利，利用晶体管组成的 换相电路代替有刷电机本来的结构，这一举动是无刷电机产生的前奏，现在的 无刷电机由此开始有了发展方向。然而这中特点的无刷电机真正投入使用实在 20 世纪的 70 年代后期，此时相应驱动器已经有了，世界上对这种电动机的研 究也已经深入了一个层次，成功的开发出方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。 在小型无刷直流电动机中，逆变器由晶体管组成。由于晶体管具有自关断能力， 只要其基极上的控制信号消失，晶体管就自行关断，所以控制比较简单。在容 量较大的无刷直流电机中，逆变器由晶闸管组成。晶闸管没有自关断能力，不 能靠除去触发信号使其关断。所以当一相电流需要截止，让另一相通电时，如 何关断原先导通的晶闸管，把电流转移到新的一相晶闸管，即晶闸管之间的换 流问题是晶闸管电机的技术关键。装在电动机轴上的转子位置检测器是无刷直 流电机的重要部件。它决定着电枢各相绕组开始通电的时刻。它的作用相当于 一般直流电机中的电刷。改变位置检测器产生信号的时刻（相位），相当于直 流电机中改变电刷在空间的位置，对无刷直流电机的特性有很大的影响。位置 检测器的结构型式很多，它通常包括一组静止的探测元件和一个随电机转子一 起转动的位置信号形成器。在由霍耳元件构成的位置检测器中，霍耳元件就是 探测元件，而电机转子磁极本身就是位置信号形成器。在其他的结构中，如电 磁感应式、光电式、按近开关式中，常利用一个带缺口的圆盘作为位置信号形 成器。 在使用的对比中可以发现无刷电机很多的优点，运行时能够得到较好的扭 矩转速特性和速度很快的动态响应；有比较高的效率；电机使用年限较长；高 转速。此外，无刷电机有着独特的外形这是其一大优势，可以占据对体积要求 和灵敏度要求较高的场合。 所以，在日常生活用具、汽车工业、航空、消费 电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表无刷直流电机被广泛的用 起初在高尖端领域才会使用到无刷电机，随着制造技术和电力电子技术的 发展，生成无刷电机的工艺大大提高随之而来的事成本降低，直接导致无刷直 流电机在工业和民用领域得到广泛的应用，目前在电脑硬盘、打印机、音箱、 第一章 绪论 - 6 - VCD，家电领域的空调、洗衣机、冰箱、微波炉，工业领域的纺织机械、数控 机床，农业领域的灌溉设备等都得到广泛的应用。因此，研究无刷直流电机的 驱动，不仅具有理论意义，而且具有现实意义。 世界上的无刷直流电机的控制技术已经比较成熟。民用产品使用的无刷电 机控制方面日本的研究比较突出，而美国更注重军事工业方面的研究。目前的 研究主要集中在三个方面：首先是研发体积小灵巧度高的通用性比较强的强的 无刷直流电机控制器。然后是从电机设计与控制方法各个特点考虑，注重转矩 波动的控制使其达到最小从而可控性 ，扩大应用范围；最后研究无位置传感 器控制技术以提高系统可靠性。 无刷电机控制器的发展模式也是从分立的元件控制方法数字可编程集成电 路控制方法的发展历程。分工的组件设计控制器结构复杂、体积庞大、可靠性 使用性能不好,不利于批量生产。无刷直流电机控制方式很多，近年来应用比较 多的是专用集成电路控制器、单片机、DSP 控制器等等控制手法。现在针对各 种用途的电动机开发出的专用控制集成电路很多，专门控制无刷直流电机的就 有摩托罗拉公司的生产的 MC33035 专用集成控制芯片、MicroLinear 公司的研 发的 ML4425/4428 无位置传感器控制芯片等等。 1.5 本人在毕业设计中完成的任务 本文主要研究设计基于集成电路的无刷直流电机的控制系统，本文涉及讨 论的问题主要包括以下内容： (1)永磁无刷直流电动机数学模型的建立与分析。 所谓无刷直流电动机系统，就是将电机本体、逆变驱动电路和电流反馈控 制电路作为一个整体加以考虑。建立无刷直流电动机系统的数学模型，就是准 确地描述系统的各组成部分，并将它们有机地结合，给出系统的完整描述。 (2)控制系统实现方面的研究 系统采用 MOTOROLA 公司 MC33035 作为控制芯片是专门为了电机控制 和运动控制而设计的，其事件管理模块所内含的定时器、比较单元、积分编码 脉冲电路使其拥有比较宽范围的电机控制应用场合。系统主电路采用电力 第一章 绪论 - 7 - MOSFET 模块作为开关元件构成逆变器，电网电压首先经过不可控整流，再由 大电容滤波输出直流电压，经 6 个电力 MOSFET 开关为电机三相绕组供电，其 实质是一种电流控制的电压源型交一直一交变频器，电力场效应晶体管的一个 显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；第二个显著特点是开关速度快、工作 频率高，电力 MOSFET 的工作频率在所有电力电子器件中是最高的。 (3)系统硬件电路设计主要包括：功率逆变器电路设计、功率驱动电路的设 计、电流检测电路设计。 第二章 无刷直流电机工作原理 - 8 - 第二章 无刷直流电机工作原理 2.1 无刷直流电动机的概述 一般有刷直流电动机换向方法是机械结构的换向，在换向的过程过不可避 免的产生大量的摩擦，进而导致带来了大量的噪声换向火花和信号干扰以及使 用寿命不长、稳定性差等等缺点。基于这些弱点，新型的无刷直流电机的研发 逐渐被提上日程，Belager 于 20 世纪 20 年代曾经提出了无刷直流电机的思想。 由于当时的电力电子技术不够先进没能开发出成功的产品，之后由于技术的发 展和相关产业的崛起，美国人 Herrison 在 1956 年提出了利用晶体管制作的系 列换向线路来代替有刷电机的机械电刷，这是现代无刷直流电机诞生的标志。 表 2.1 为无刷直流电机与交流异步电机、有刷直流电机综合特性的比较。 表 2.1 各种电机综合特性对比 性能 系统 机械 特性 过载 能力 平稳性可控性效率维护体积成本 无刷直 流 硬大好易小易小较高 有刷直 流 硬大较好易大难较大较高 交流异 步 软小较差难较大易大低 无刷直流电机工作的时候转子和定子产生的磁场的频率是同步的，所以可 以说无刷直流电机是同步电机的一个小的分支。由此可以分析得到，无刷直流 电机运行过程中不会产生频率差的现象，无刷直流电机按其定子绕组的个数可 以分为几个大类，单相两相和三相，直流电动机时一种集成度高的产品，像其 他电动机一样直流电动机有电机本体，包括定子转子，其中比较特殊的是直流 无刷电机有内置的位置传感器，用以检测无刷直流电机的转子位置，可以参考 下章讲述的转子位置检测方法，其另一部分就是电子开关线路。其中直流无刷 电机的定子绕组部分通常是连接成三相对称星形，与其他形式的电机大同小异。 无刷电机的驱动器由功率电子器件以及相应的集成电路组成，主要是控制的电 第二章 无刷直流电机工作原理 - 9 - 机的启停，制动转向灯。接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥 各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和 调整转速；提供保护和显示等等 图 2.1 无刷直流电动机工作原理 从图 2.1 可见，直流无刷电机的定子绕组通常都是多向的，同时转子部分 都是有永磁材料构造。无刷直流电机的电动机本体与永磁同步电动机在结构上 并没有太大差别，不同的是其不存在笼型绕组和其它起动装置。无刷电机的定 子部分是与电子开关线路中驱动器件相连。嵌入到电动机本体的位置传感器记 录转子位置传给控制芯片的转子位置译码器。 无刷电机工作是定子绕组一相有电流，定子电流与转子永久磁钢的上面附 着的磁极产生的磁场作用而有了力矩，促使驱子旋转动。嵌入的位置传感器的 作用是将转子位置信号转变为电流信号，通过控制芯片的译驱动定子各相绕组 固定的顺序依次导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。这 种方式工作的电机导通顺序与转子转角同步，因此平常所说的直流无刷电动机， 就其基本结构而言，指的是这三部分组成的整个电机系统。直流无刷电动机的 组成原理框图如图 2.2 所示。 逻辑控制直流电源功率驱动电动机本体 转子位置检测 图 2.2 无刷电机控制原理框图 第二章 无刷直流电机工作原理 - 10 - 2.2无刷直流电动机本体 2.2.1 无刷电机的定子部分 定子是电机中固定不动的部件，直流无刷电机的的定子是的作用主要是产 生磁场和做机械支撑，这些个定子主要有硅钢片的叠压冲压制作而成，在电机 的每个冲槽里分布着一些线圈构成绕组。从一般的定义上来说，无刷电机所固 有的定子部分与感应电机在很大程度上相似，只是在定子的排列上有所不同， 大部分的无刷直流电机的定子部分的绕组是呈 Y 型连接的，偶数个定子绕组排 列在其的四周就形成了偶数磁极。与一般的有刷电机比较，无刷直流电机的绕 组的排列方式为分布在定子侧，更有利于散热。无刷电机的电枢绕组可以分为 Y 接法和接法，但是考虑到系统的性能和成本较多应用 Y 接、三相对称且无 中性点引出的无刷直流电机。 图 2-3 Y 接和接法 AB 通电情形 AC 通电情形 （a）(b) 第二章 无刷直流电机工作原理 - 11 - BC 相通电情形 BA 相通电情形 (c) (d) CA 相通电情形 CB 相通电情形 (e) (f) 图 2-4 定子绕组两两通电示意图 正如上图所显示的，主要表现了定子的相互联系方式。三个定子经过其中 的各个连接点以星型方式连接一块。无刷直流电机向外导出三根线。两两导线 通电时，可以分为六种情况，循环一圈是 AB, AC, BC, BA, CA, CB 上图详细描 述各个线圈在通电情况下的磁感应强度的方向以及矢量方向上合成磁感应强度。 在上图中，AB 相通电，中间的转子因为受力，会向中间的箭头方向对齐。 按照这种趋势下去转到中间箭头位置时，外圈的线圈开始进行换相，成为 AC 相通电，这是转子会继续运动，向第二个图中的方向对齐，一旦当转子到达图 中箭头位置时，会变成 BC 相通电，之后依次循环。当外部完成了六次换向之 后，内转子正好旋转一周 360。是否换相只跟转子位置有关系与转速无关。 第二章 无刷直流电机工作原理 - 12 - 图 2-4 中换相前后合成磁场所有的方向和转子位置的具体联系已经表示出 来。无刷直流电机的定子绕组划分为梯形和正弦两种，这两个绕组的连接的根 本区别是不同的连接方式使他们产生的反电动势各不相同。如下图所示 梯形绕组的反电势波形 正弦绕组的反电势波形 图 2-5 定子绕组两种波形 2.2.2 电动机转子 直流无刷电机的转子部分组成结构为由若干对永磁体固定在电动机本体内， 永磁体的 n 极和 s 极是两两交替放置的。当前具有的转子中潜入的永磁体基本 上用的是钕铁硼材料进行制作的。无刷电机的转子结构有三种形式：表面粘贴 式磁极。这种形式就是在铁心的外侧沾上径向充磁的瓦片形稀土永磁体。在电 机的设计过程中如果使用瓦片形永磁体径向励磁并且时期其磁弧的宽为大于 120，就会产生方波形式的气隙磁通密度，从而减少了励磁转矩的波动。无 刷电机嵌入式磁极也就是在电机本体的铁心之内部放入永磁体，这样做的一个 特点就是同一个极距下面的磁通可以由相邻的两个磁极相互并联，而与此同时 聚磁的产生可以提供非常大的磁通，致使采用如此结构需要准备隔磁处理即使 用环形磁极。该种结构的转子制造工艺相对简单，适用于体积和功率较小的电 机。 2.3 转子位置检测 无刷直流电机由于利用了永磁同步电机的结构代替了传统直流电机的结构 需要转子位置检测结构和逆变装置来实现“换相”过程。转子位置检测的方法 第二章 无刷直流电机工作原理 - 13 - 主要分为两大类，位置传感器检测法和无位置检测传感器检测法。 2.3.1 位置传感器检测法 位置传感器在无刷电机的控制中起着很大的作用，位置传感器通过检查转 子位置然后传给测速器进行 f/v 转换。另外就是为通过控制芯片的译码为开关 电路提供正确的换向信息。现在各种位置传感器分类非常多，而使用较多的无 刷电机位置传感器主要还是电磁式光电式磁敏式等位置传感器和旋转变压器等。 电磁式位置传感器的特点是使用电磁效应测量转子位置。它的主要特点就 是输出的信号比较大、寿命较长、使用环境的并不苛刻。但是它也有自己的缺 点就是其体积较大，抗噪能力比较低，其输出的波形就是交流，还需要经整流、 滤波方才能变成直流以供使用。 第二种应用比较多的就是光电式位置传感器，它的工作原理主要是利用光 电效应，分为绝对编码器和增量式编码器，跟随电机转子一起旋转的遮光部分 和固定不动的光源等部件组成。光电式的位置传感器主要的特点是精度相比较 而言较高，但是价格非常便宜，并且具有方便加工的特点，主要不足之处是不 能适应太恶劣的环境，并且输出信号要经过整形电路。 磁敏式位置传感器工作原理是应用一些半导体敏感元件的电参数会伴随着 它周围的相应磁场的改变而发生改变这些原理。使用比较多的有霍尔元件、磁 敏电阻等。 旋转变压器主要应用在多相电机的控制中，旋转变压器的特点是其能够输 出多路的位置信号，以此达到对多相电机等的控制需求，但是这种位置检测器 的缺点也很明显；安装不方便，购买价格很贵，一般使用的三相无刷直流电动 机基本不采用这种形式。 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应 的一种。霍尔效应在半导体、导电流体等有所表现，且半导体所具有的霍尔效 应远远大于其他金属的霍尔效应。因此这种元件被广泛地应用于工业生产的自 动化技术和检测技术等各个方面。 第二章 无刷直流电机工作原理 - 14 - 霍尔传感器的分类大概可以分为两种，线性型和开关型的霍尔传感器。其 中线性的霍尔传感器的组成部分主要有射极跟随器、霍尔元件、线性放大器等。 其次是开关型霍尔传感器它的组成部分与线性型器件大同小异，主要由差分放 大器，施密特触发器以及稳压器、霍尔元件输出级组成。两种传感器的另一个 区别就是前者输出的是模拟量而后者输出的事数字量。 也有才有按照被测对象进行分类的这样可以分为直接应用和间接应用。直 接应用的特点是能够直观的测出要接受检测对象所固有的磁场，而间接应用则 是检测人工设置的磁场，人为设置的磁场来作为一种载体传递信息。由这个人 为磁场可以讲很多的其他物理数据转变为可以直接测量的电量进行控制。 由电电磁感应的原理可知，当霍尔元件的相对位置发生改变时，电磁感应 产生相应的电势和方向会发生改变。霍尔元件的这种特性就是达到了反应传感 器的作用。但是由于霍尔元件电磁感应产生的电动势很微弱，使用过程中一般 会加上一个发达器，这样做比较麻烦。由于集成技术，半导体的发展，可以将 这两者集中到一个芯片上组成霍尔集成电路，如图 2-6 所示。 反向保护器 VOUT2 稳压电源 差分放 大器 VOUT1 4GND 霍 尔 元 件 施密触 发器 输出级 Vcc 图 2-6 霍尔元件集成电路 第二章 无刷直流电机工作原理 - 15 - 由上描述可知霍尔元件传感器大致分为两类，线性型和开关型，无刷直流 电机应用的一般是开关型的。将开关型的霍尔元件放置在电机本体内，放置位 置传感器到电机定子上很复杂，要充分考虑到与转子磁场相切，如果安装不当 就会导致霍尔元件测量结果存在较大误差，不能准确的反应转子当前的位置， 针对这种情况，为了使开关型的器件安装更为方便，一般会在电机的转子位置 放置一个多余的磁体，用这个冗余的磁体来感应霍尔元件，达到和转子磁体感 应的相同效果， 霍尔元件位置的安排上，有 60、120、240等多种形式。 2.3.2 无位置传感器检测法 目前转子位置检测的技术比较成熟了，而目前研究热门是无位置传感器控 制技术，国际电机控制研究的很多学者已经有无位置传感器检测方面的研究， 并且获得了一定的成果。利用无位置传感器控制方式的无刷直流电机有着独特 的优势例如控制系统比较可靠、抗干扰能力很强等，还能在一定程度上克服因 为在电机本体安装传感器不方便导致位置安装不准确引起的换向转矩波动。其 中反电势法目前研究的各种无位置传感器控制方法系列中比较娴熟而且使用很 广泛的一种。使用这种反电势法获得的反电势过零点的信号可以延迟 30电角 度，从而可以取得六个离散的转子位置信号，为逻辑开关电路提供可靠的换相 信息，进而实现无刷直流电机的无位置传感器控制。 2.4 PWM调制技术 无刷直流电机由三部分组成，分别是电动机本体、电子开关线路、转子位 置检测系统电子开关线路还能有两种分布，即电子逻辑信号处理和功率逆变这 两部分。 电力电子技术的研发日新月异，随着技术不断的发展人们研制出了自关断 电力电子器件，也就是全控式器件。这些全控性器件有大功率晶体管、电力场 效应晶体管（MOSFET),可关断晶闸管(GTO)等，这用使用全控型的开关型实现 脉冲宽度的调制比较容易，并且有体积较小的，效率高，功率因数高等特点。 直流脉冲宽度调制(PWM-M)调速控制系统因为其开关频率的提高就有很多优势， 比如电流连续谐波少损耗小等。 第二章 无刷直流电机工作原理 - 16 - 脉冲宽度调制简称 PWM，主要原理是可以通过功率管的开关频率来控制 恒值电流与电压从而将其转换为 f 不变，脉冲宽度可以调节的方波脉冲电压， 然后经过脉冲电压的宽度的变化来调节输出电压的平均值。PWM 极数可以很 方便的进行谐波抑制，运用这种控制方法可以再很大程度上提高逆变电路可控 性。上节已经叙述了 PWM 的调节原理，根据这些原理而构成的逆变器，输入 恒流恒压，经过逆变器最终可以达到调压和调频的效果。使用这样的逆变器可 以使主电路和控制回路非常方便和简化。其另一个不可或缺的特点就是可以集 调压、调频等功能，具有调节速度快和系统相应的动态性能比较好。在采样控 制理论江苏的非常重要的结论是：在形状上不一样但是本省的冲量相等的窄脉 冲，如果把这些具有相同冲量的窄脉冲加在具有惯性的环节上，产生的效果大 致不变，这是所有 PWM 技术的最根本的理论基础。 F(t) t F(t)F(t) F(t) t tt 图 2-7 冲量等效原理 在一半的周期里面，可以把电压输出的如图所示波形，看做很多脉冲，分 割开来的这些脉冲将其的时间宽度定义为，把两个这种脉冲之间的宽度为 1 t 2 t 将脉冲的占空比定义为： 21 1 tt t 第二章 无刷直流电机工作原理 - 17 - （2-1） 图 2-8 PWM 调制原理 由以上冲量等效原理分析可知，电压大小是和占空比的数字成正比的，因 此改变其调节频率并不能改变直流电电压的幅值大小，仅仅西其脉冲的 发 生了相应的变化，这样也能达到实现调频调压的目的，因此使用这种方法调节 占空比足以达到改变输出电压的目的,并且可以实现无级连续调节。PWM 调制 主要使用两种方法，分别是等脉宽 PWM 法和 SPWM 法，早期有一种装置叫做 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)，这种方法实现的 PWM 控制致使输 出频率可以调节的方波电压，但是在具体的调压方面就不能达到要求，所以为 了克服这个调制方法出现的问题，研制出了等脉宽 PWM 法。这种方法是 PWM 调制中比较简单的，主要的工作原理是将每一个宽度相同的脉冲作为 pwm 波，实现的调频调压，具体方法是改变周期实现前者，而改变占空比可以 实现后者。另一种使用比较多的方法叫做 SPWM 法，这种调制方法的研究现在 已经非常可行了，目前使用比较广泛的 PWM 调制方法。它的原理是把分的一 个正弦波的一半周期均等的进行分割，每一部分的波形与做标注所围成的面积 可以用一个矩形来替代，前提是矩形的面积与此波形的面积相等。这样就可以 第二章 无刷直流电机工作原理 - 18 - 是等幅不等宽的矩形脉冲面积来代替正弦波的面积，实现等效，工程中主要研 究的事基波分量，是矩形脉冲的幅值，是固定值，在半个周期以内 N 的值也 d V 不发生变化，基波的幅值和脉冲宽度i 之间具有如下关系： m V1 （2- 1 1 421 sin() 222 N md i ii VV 2） 从这个式子可以得知通过逆变器得到的基波电压的幅值会随着调制脉宽发 生改变，如果采用控制信号来调整脉冲宽度就可以实现调节基波幅值的目的。 在实现以上控制方法是可以使脉冲的占空比按照正弦波的规律排。正弦值 与脉冲的宽度总是保持一致，同时变大变小。而他们与脉冲之间的时间间隔变 化则是相反的。 2.5无刷直流电动机的运行特性 2.5.1 机械特性 无刷直流电动机的机械特性为： （2- 2 2222 STasT e eeet UUrIUUr nT CCC C 3） UT-开关器件的管压降 Ia-电枢电流 Ce-电机的电动势常数 -每级磁通量 可见无刷直流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同， 机械特性较硬。在不同的供电电压驱动下，可以得到如图所示机械特性曲线簇。 第二章 无刷直流电机工作原理 - 19 - 图 2-10 机械特性曲线簇 当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时，管 压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示 的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。 2.5.2 调节特性 无刷直流电动机的调节特性如图 2-11 所示。 图 2-11 调节特性 调节特性的始动电压和斜率分别为： 第二章 无刷直流电机工作原理 - 20 - （2-4） 0 2 2 e T T rT UU C （2-5） 1 e K C 从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样， 具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。但不能通过 调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。 2.5.3 工作特性 电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图 2-12 所示。 图 2-12 工作特性 在输出额定转矩时,电机效率高、损耗低是无刷直流电动机的重要特点之一。 2.6 数学模型 无刷电机的数学建模来分析和计算具体数值，下面以两极三相电机作为一 个例子具体来构造无刷电机的数学模型。假定无刷电机的定子绕组为 Y，定子 绕组与整距绕组连接，它的转子部分则采用一种隐极内的结构，再就是呈 120空间距离的霍尔元件 3 个。要进行数学建模还有进行具体情况的简化， 比如不能计算铁心的饱和，涡流与磁滞损耗也必须忽略，电枢反应也忽略不计。 电机内部的齿槽之间的相互反应也要忽略，这样就认为电枢导体是平均的分布 在电枢表面的。在上述分析的前提下得到直流无刷电机三项绕组电压平衡方程 第二章 无刷直流电机工作原理 - 21 - 为 (2-6) 0 0 M 0 0M M 0 0 M M aaaa bbbb cccc uiierLM uriLp ie rLuiie 上个公式中： 是定子的绕组相电压； a U b U c U 是定子绕组相电流； a i b i c i 是定子绕组相电动势； a e b e c e P 的公式是 P=； d dt L 为各个绕组的自感； M 每两相绕组的互感(H)。 因为无刷直流电机转子的磁阻不会随着子的相对位置改变，所以其定子绕组所 具有的自感和互感为一个固定数，无刷电机的三相绕组结成星型连接时有： ia+ib+ic=0 （2-7） Mib+Mic=-Mi （2-7） 由上面的公式可得 (2-9) 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 aaaa bbbb cccc uiieRaLM uRbiLMp ie RcLMuiie 电磁转矩为： Td=(eaia+ebib+ecic)/ (2-10) P 其中 是电机的角速度(rad/s) 运行时电动机的带电导体各相绕组所具有的感应电动势如下所示： 第二章 无刷直流电机工作原理 - 22 - (2-11) 30 m mm p N En 其中： 为无刷电机的极对数； m P N 电机的总导体数； 是无刷电机的主磁通； m 是电动机转速。n 采用星型方式联结的电机，其感应电动势为 E。 (2-12) 2 15 m dmm p N EEn 无刷电机的电磁转矩为： （2- 24 mdm dmd E Ip N TI n 13） 是直流电动机方波电流的幅值。 d I 为直流无刷电机的角速度 （2- 2 60 n 14） 从式(2-10)可得，直流无刷方波电机的电磁转矩表达式与普通直流电机相 同，直流无刷电机转子方程为： (2-15) di d TJBT dt 化简得到 (2-16) 1 () dl dB TT dtJJ 第二章 无刷直流电机工作原理 - 23 - 其中：是无刷电机的负载转矩； i T J 转子与负载的转动惯量。 控制系统采用了 120三相逆变器，在任一时刻只有两相通电，直流无刷 方波电机的输出相电压幅值为，对于每相绕组有如下动态方程式： s UU 2 1 (2-17) 1 2 d sdaa di UUi RLE dt 式中电源电压。 S U 忽略粘性摩擦，电动机的转矩平衡方程式为： (2-18) 2 375 a dl em RGD MM C C 由式(2-10)可得： (2-19) m dL a T dE ii Rdt 对式(2-9)和式(2-11)两边分别进行拉式变换后得： (2-20) 1 ( ) 1 1 ( )( ) 2 da L s IsR T s UsE s (2-21) ( ) ( )( ) a dLm RE s IsIsT s 考虑到，可得直流无刷方波电机的动态结构图，如图 2-13 所示。ncE e 第二章 无刷直流电机工作原理 - 24 - 图 2-13 动态结构图 第三章 无刷电机控制系统 - 25 - 第三章 无刷电机的控制系统 3.1 控制系统框图 基于集成电路的无刷电机控制系统，其中主回路由直流电源直接供电，然 后滤波电路电路进行滤波，电机的驱动使用的是三相逆变桥电路构成。其中逆 变桥部分是由三对 MOSFET 组成的。控制电路部分由根据课题要求，控制电路 部分的主控芯片选用的是 MOTOROLA 公司生产的电动车专用集成电路芯片 MC33035 和 MC33039。转子位置检测电路，由第二章的描述可知，转子位置 传感器是与无刷电机集于一体的霍尔元件传感器。 滤波电路 控制电 路供电 电路 控制电路驱动电路逆变电路 电流检测 转子位置检测 电机 图 3-1 控制系统框图 第三章 无刷电机控制系统 - 26 - 3.2直流无刷电机控制系统的主电路设计 3.2.1 逆变电路 第二章已经介绍过 PWM 调制。脉冲宽度调制简称 PWM，主要原理是可 以通过功率管的开关频率来控制恒值电流与电压从而将其转换为 f 不变，脉冲 宽度可以调节的方波脉冲电压，然后经过脉冲电压的宽度的变化来调节输出电 压的平均值。PWM 极数可以很方便的进行谐波抑制，运用这种控制方法可以 再很大程度上提高逆变电路可控性。