（信号与信息处理专业论文）直流电机控制实验平台设计与实现.pdf

摘要 本文主要研究并设计以高性能d s p 作为核心控制芯片的无刷直流电机控制 试验平台，可用于多种电机控制和软件的开发。该文在对无位置传感器无刷直流 电机运行方式进行了全面的分析的基础上，围绕无位置传感器无刷直流电机 ( b l d c m ) 控制系统设计中的几个关键技术位置检测、起动和控制方法进 行了深入的研究。 文中首先讨论了无刷直流电机的数学、控制模型和p w m 调制方式的选择， 并对系统控制方案进行了设计。其次研究了无传感器控制下电机转子位置的检测 方法一瞬时检测法，避免了传统反电势检测方法精度差的弊端；研究了如何通过 两次定位和“三段式”方法可靠实现电机起动问题：在控制方法上采用基于数字 p i d 方法的速度闭环控制，保障了电机的稳定运转。最后，采用1 1 公司新近推 出的专用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 设计了高性能控制实验平台的硬件电路，及相 应的控制软件。 实验结果表明，整个系统的控制方案是可行的，硬件平台是稳定可靠、软件 运行平稳可靠，满足设计要求。该系统也适用于有位置传感器直流电机和永磁同 步电机的控制和试验，有广泛的应用前景。 关键词：直流无刷电机，无位置传感器，p i d 控制，高性能d s p a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nb r u s l d e s sa n ds e u s o r l e s sd cm o t o rc o n t r o l l i n g ( b l d c m ) s y s t e mb a s e do nh i g he f f i c i e n td s pc h i p i n - d e p t hr e s e a r c hi sc a r r i e do na n dm o t o r r u n n i n gm o d ei sa n a l y z e dg e n e r a l l yi nt h i sp a p e r , a i m i n ga ts o m ek e y st ob l d c m c o n t r o l l i n gs y s t e m - - p o s i t i o nd e t e c t i o n , j u m p - s t a r t i n ga n dc o n t r o l l i n gm e t h o d s a tf i r s t , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g n i n gs c h e m ea n dd i s c u s s e so nt h e m a t h e m a t i cm o d e lo f b l d c ma n dt h ec h o i c eo f p w mm o d u l a t i o n t h e nm o t o rr o t o r p o s i t i o nd e t e c t i o nu n d e rs e u s o r l e s sc o n t r o l l i n gi ss t u d i e da n dar o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o n m e t h o di su s e dt oa v o i dd i s a d v a n t a g e so fo l dm e t h o d a tt h es a m et i m eh o wt ou s e t h r e es t e p ”s t a r tt e c h n i q u et or e a l i z et h es t a b l es t a r to fm o t o ri ss t u d i e d b a s e do n p i d ，c o n t r o ls p e e dc l o s e dl o o pc o n t r o l l i n gi su t i l i z e dt or e a l i z et h es a b l er u no f m o t o r i nt h ee n d , a d o p t i n gn e wt y p ed s pc h i p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2a sc o n t r o l l i n gc o r e ，a c o n r o l l i n gs y s t e mi sd e s i g n e d t h e e x p e r i m e n t r e s u l t si n d i c a t et h a tt h e c o n t r o l l i n gs y s t e m h a sb e t t e r c a p a b i l i t i e s t h eh a r d w a r es y s t e mi sc r e d i b l ea n dt h es o f e w a r es y s t e mc a nc o n t r o lt h e m o t o rs t a b l y t h eh a r d w a r es y s t e ma l s oc 鼬b eu s e di ns e n s o rd cm o t o ra n d p 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 rc o n t r o la n de x p e r i m e n t s o i th a sw i d e a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r , s e n s o r l e s s ，p 1 dc o n t r o l ，d s p n 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校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。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：! j 益当：牟 7 年弓月易日 指导教师签名墼 c 7 年 只6 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。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表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。， 学位论文作者签名：墨皇垡# l p 年? 月6 日 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 研究背景简介 第一章绪论 该论文是以西北工业大学研究生创业种子基金项目基于t m s 2 0 f 2 8 1 2 的电机控制开发平台为背景展开研究的。该基金项目于2 0 0 6 年1 月开始研究， 同年5 月正式立项，1 2 月底研究结束，并通过了验收。 整个实验系统完成后已经用于教研室的本科和研究生教学、实验及毕业设计 等实际工作中，收到良好的效果，受到老师和同学的好评。 1 1 2 指导思想 电机的应用极为广泛，新型电机不断涌现，控制算法和软件更新迅速。而当 前几乎每次开发一种电机或验证一种新的算法都要重复设计硬件和软件平台，极 大的浪费了人力、物力和时间。因此迫切需要设计一种通用的电机控制开发平台， 在该平台上针对各种电机进行驱动程序设计和控制算法的试验，那么就能大大的 提高各种电机控制系统的研发速度。该实验平台就是为了解决该问题提出的。这 套开发平台的软件和硬件均采用模块化设计，只要对相应功能的部分加以修改就 能用于多种型号的电机控制，将控制系统的完全重建变为对现有模块的更改或新 模块的设计，减少设计任务和工作量；同时选用t i 新推出的控制专用芯片 t m s 2 0 f 2 8 1 2 作为控制核心也给软件提供了很大的发挥空间，完全能满足高精度 大运算量的算法实现。这样可以最大限度地继承与利用已有的硬件和软件研究成 果，从而降低研制风险，避免同一水平上的重复研制，缩短研制周期，提高开发 质量，节省研制费用。 随着控制精度和实时性要求的不断提高，市场上原有的电机控制类的单片机 和d s p 芯片已经难以满足要求。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是1 1 公司顺应这种需求而推出 的芯片，其运算速度最高可达1 5 0 m h z ，片上资源丰富，是以往同一类型的芯片 无法比拟的，采用该芯片可使开发平台满足不同运算量要求的算法实现。因此这 套系统具有现今同类产品所无法达到的性能和技术优势，为整个系统的应用提供 1 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 了较为广阔的前景。 该实验平台的控制板充分利用t m s 2 0 f 2 8 1 2 的强大功能，设计了丰富的外部 功能，主要包括反电势检测电路、电流电压信号采集电路、位置传感器信号输入 电路和其他应用功能电路。这样该实验平台不仅可以满足无位置无刷直流电机控 制的要求，也可以用于控制有位置传感器直流电机和交流永磁同步电机的控制及 实验。但是出于对这几种电机控制电路和算法的难易程度、论文的研究深度和论 文篇幅限制的考虑，在论文中只选择控制难度较大，控制电路比较复杂，也是近 几年研究的热点的无位置传感器无刷直流电机作为控制对象，对其进行深入的研 究和讨论。用于控制其他电机的电路设计主要在硬件设计一章加以突出和叙述。 1 2 无刷直流电机的发展及现状 从1 9 世纪7 0 年代，电力技术的革命改变了人类生活的质量，其中电机的发 明和广泛应用是驱动第二次工业革命的车轮，在科学技术发展史上留下一个多世 纪的发展轨迹。今天，从只有o 1 w 的小型录音机电机到炼钢厂的数千万瓦的大 型电动机，6 0 - 7 0 的电能就是通过这些大大小小的电机将电能转换为机械能， 为我们的生产和生活服务，提高了生产效率，创造了文明。经历了1 0 0 多年的技 术发展，电机自身的理论基本成熟。随着电工技术的发展，对电能的转换、控制 以及高效使用的要求越来越高。电磁材料的性能不断提高，电力电子技术和微电 子技术的广泛应用为电机的发展注入了新的活力。 直流电机是指通以直流电流而转动的电动机，是电机的主要类型之一。由于 直流电动机能在宽广的范围内平滑而经济地调速，所以它在轧机、精密机床和以 蓄电池为电源的小型起重运输机械等设备中应用；在机器人等领域小容量直流电 动机的应用亦很广泛。 无刷直流电机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，它克服了有刷直流 电机有机械接触的电刷换向结构这一致命的缺点，大大提高了系统的可靠性，使 直流电机适用于更多的场合。直流无刷电动机的发展在很大程度上取决于电力电 子技术的进步。1 9 5 5 年，美国的d h f _ r r i s o n 等首次申请了用晶体管换向线路代 替有刷直流电机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电机的诞生。1 9 7 0 年 以来，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件( 如 g t r 、m o s f e t 、l g b r 等) 相继问世，加之高磁能积永磁材料( 如s m c o 、n d f e b 等) 陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础，无刷直流 电动机系统因而得到了迅速的发展。 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 无刷直流电机出力大、控制简单、成本低，其调速性能已能达到低速转矩脉 动小于3 、调速比大于l ：1 0 0 0 0 的水平，和其他电机相比直流无刷电机具有以 下优点：与感应电动机相比，其具有体积小，惯性低、响应快，有更高的转矩， 惯量比；有更高的效率和功率密度，没有转子发热而无需考虑转予冷却问题；控 制相对简单的特点。与永磁同步电动机相比，无刷直流电机可以提供更高的转矩 ，体积比，相同条件下输出转矩大1 5 ；电机本身结构简单、制造成本低；控制 简单、控制器成本较低。由于采用电力电子器件代替机械换向，无刷直流电机克 服了有刷直流电机的致命缺点，可靠性和寿命大大提高，不必经常维护和修理， 无电气接触火花、无线电干扰少、噪声低，可工作于高真空、不良介质环境，可 在高速下运行的突出优势。目前无刷直流电机广泛于国民经济的各个领域，特别 是家用电器、电动汽车、航天航空等。 传统的永磁无刷直流电机需要附加一个位置传感器向驱动电路提供必要的 换向信号，这个传感器给电机的应用带来很多不便之处：首先，位置传感器会增 加电机的体积和成本；其次，连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性； 再次，在某些恶劣的工作环境中，如在密封的空调压缩机中，由于制冷剂的强腐 蚀性，常规的位置传感器根本就无法使用。此外，传感器的安装精度还会影响电 机的运行性能，增加生产的工艺难度。因此无刷直流电机的无位置传感器控制是 近些年来研究的热门课题。其他还有转矩脉动控制、智能控制方法也是直流无刷 电机研究的主要方面1 】1 2 j 1 8 2 3 1 。 随着对电机控制精度要求的不断提高和控制算法的日趋复杂化、实时化，对 于控制芯片的性能、运算速度和精度也迸一步增加。为了顺应这种需求，世界知 名芯片厂商都推出了新型的电机控制专用单片机、d s p ，如美国t i 公司出品的 t m s 3 2 0 x 2 4 0 系列d s p 芯片，以及德国i n f i n e o n 最新推出的x c l 6 4 c m 电机控制1 6 位单 片机等。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司新近推出的基于代码兼容的新型高性能3 2 位混合 信号处理器。它专门为数字控制设计，具有高集成度，能提供整套的片上系统， 同时降低了板极空间及系统成本，实现简单，高效和经济的特点，使得该芯片特 别适合于那些要求有较强的数据处理能力，因此在其控制策略中可以使用先进的 实时算法，如k a l m a n 滤波、自适应控制、模糊控制和神经元控制等，从而可以 进一步提高系统的控制精度和实时性。因此控制系统采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片作为 无位置传感器电机控制系统的控制核心，既能充分利用其性能高，实时性好的特 点，又能充分发挥无位置传感器体积小，成本低，设计灵活，可移植性强的优势， 提高了整个系统得通用性和灵活性，体现了这套系统作为实验平台的优势。 3 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 论文涉及的关键技术 本文主要研究无位置传感器无刷直流电机开发平台的设计及其实现。针对控 制系统设计中的难点，对其中的几个关键技术进行了深入的研讨，主要包括以下 几个方面： 1 直流电机模型及p w m 脉宽调制技术 从直流无刷电机的建模入手，建立完整的数学模型，为后续的控制和研究打 下基础。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机控制中，当采用1 2 0 。导通方 式时，每隔6 0 0 有两个开关器件切换，p w m 调制方式有五种类型。每一种调制 方式对系统会产生不同的影响，如何选择一种合适的调制方式，使其对系统的不 利影响减至最小是非常重要的。因此，我们要对每一种调制方式进行详细地探讨 和分析，提出最优的方法。 2 电机转子位置检测技术和电机静止启动技术 无刷直流电机的运行需要知道转子相对于定子的位置，以此为依据准时切换 功率器件的触发组合状态，来实现对电机转速的精确控制。这归根结底是要研究 在无位置传感器无刷直流电机控制中如何精确的检测到转子位置，因而研究无位 置传感器转子位置检测技术是本文一个重要的研究内容。 当直流无刷电机静止或转速很低时，反电动势幅值为0 或者很小，不足以用 来确定转子磁极当前的位置，所以电机的启动问题成了控制的关键问题。通常是 按他控式同步电动机的运行状态从静止开始加速，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。这是要研究的一个关键问题。 3 电机闭环控制方法 解决了上述问题，电机控制系统就可以顺利实现启动，调速和正常运行，但 这远远没有满足高性能控制系统的要求，要提高控制系统的控制精度、稳定性和 抗干扰能力就必须选择高效稳定的控制方法使系统有较高的性能，这也是本论文 研究的一个问题。 4 硬件系统的设计 硬件系统设计是这篇论文讨论和介绍的重点，包括：a c - d c 开关电源电路、 i p m 逆变器电路、控制板电路设计等。与以往电机控制电路设计不同的是由于 d s p 的运算频率可高达1 5 0 m h z ，高频信号容易产生干扰、噪声，这将严重降 低系统性能，因此需认真做好e m c 设计，保证系统稳定可靠。 5 软件系统的设计 系统软件包括：反电势过零点位置检测，平滑预测软件，电机启动软件，自 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 适应p w m 驱动脉冲序列产生软件及系统控制和故障保护等。利用 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 这款芯片的强大运算能力和高实时性特点，运用数字滤波和新型 p i d 控制算法，提高控制精度和调速能力。 1 4 本人在项目中承担的任务 在该项目中，本人承担了方案论证、系统设计、算法设计；完成了全部硬件 电路和电路板的设计、制作、调试，参与了控制软件设计、编写、调试等工作。 并对无刷直流电机反电势位置检测技术，电机启动技术，电机闭环控制技术等进 行了深入探讨和研究。 1 5 论文内容安排 第1 章绪论 第2 章方案设计及论证 第3 章关键技术研究 第4 章系统硬件设计 第5 章系统软件设计 第6 章实验与结论 5 西北工业大学硕士学位论文第二章方案设计及论证 第二章方案设计及论证 2 1 系统的总体结构 本项目的目的是研究并开发一套基于新型d s p ( 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 的高性能 无刷直流电机实验开发平台，并提供一套完整的无位置传感器无刷直流电机的控 制方法及运行方案，系统的基本参数指标如下： 1 输入电压：交流市电2 2 0 v + 1 0 2 额定输出功率：1 5 k w 3 频率变化范围：1 5 h z 一5 0 0 h z 4 输出频率精度5 静差，电机稳定工作 5 启动时间小于3 s ，成功率9 5 6 控制方式：p w m 控制 整个系统由电源变换电路，i p m 功率模块电路和信号检测及控制电路三大部 分组成，如图2 - 1 所示： 图2 - i 控制系统结构图 1 硬件研究内容如上图，主要包括以下几部分： 交流市电由整流桥、开关电源和变压器转换为直流电，一部分经过稳压后输 出5 v 作为d s p 芯片和其他控制电路的供电电源，一部分输出1 5 v 驱动m m 模 块，3 0 0 v 的直流输出作为电机驱动电源。口m 模块中包括三相桥式逆变电路和 6 西北工业大学硕士学位论文第二章方案设计及论证 电流反馈电路，由d s p 控制芯片给出p w m 波驱动信号驱动电机转动，同时将 瞬时电流信号反馈给d s p 进行电流反馈控制。电机转子位置检测信号d s p 中形 成电机位置反馈控制，并根据计数器测得时间算出电机转动速度，完成速度反馈， 构成闭环伺服系统，提高直流调速系统的控制性能。d s p 除给出电机控制信号外 还扩展了e 2 p r o m 、外部显示，键盘控制，与电脑主机串行通信，e v b 信号输出 扩展等智能化功能。 2 算法及软件设计主要包括： 通过硬件的数据采集将相电压、电流等数据送回d s p 芯片，软件实现数字 滤波、闭环控制算法、p w m 脉冲产生和中断保护，控制电机能够平稳的转动， 并进行灵敏的速度调节。要解决的软件问题为：启动子程序，紧急停转子程序， 速度设置和支流电压测量子程序，闭环控制子程序，转换子程序的设计与优化。 2 2 直流无刷电机原理及数学模型 2 2 1 直流无刷电机原理n 1 直流无刷电机是一种典型的机电一体化产品，主要由电机本体、位置检测器、 逆变器和控制器组成，如图2 2 所示： 图2 - 2 无刷直流电机系统组成 位置检测器检测转予磁极位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理， 并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件， 将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生持续不 断的转矩。 本项目以应用最多的三相星形直流无刷电机为控制对象，进行分析。控制电 路如示意图2 3 ： 7 西北工业大学硕士学位论文第二章方案设计及论证 逆变罂 k 磁| 厂 = _ k 确彝 图2 - 3 三相星形无刷直流电机控制系统 电机本体绕组为三相星形，当转子旋转到图2 - 4 ( a ) 所示的位置的时候，转子 位置传输器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使k l 、l ( 6 导通，即a 、 b 两相绕组通电，电流从电源正极流出，经开关k l 流入a 相绕组，再从b 相绕组 流出，经过开关i ( 6 回到电源负极。电枢绕组在空间产生的磁动势r 如图2 - 4 ( a ) 所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。 ( a ) k l 、k 6 导通，a 、b ：i m e b , ( b ) k l 、k 2 导通，a 、c 通电 ( c ) k 3 、k 2 导通，b 、c 通电 o x ( d ) k 3 、k 导通，b 、a 通电 图2 4 无刷直流电机工作示意图 8 西北工业大学硕士学位论文 第二章方案设计及论证 当转子在空间转过6 0 0 电角度，到达图2 4 ( b ) 所示位置时，转子位置传感 器检测器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使开关k 。、k ：导通，a 、 c 两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经k l 流入a 相绕组，再从c 相绕组流 出，经k 2 回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势如图2 - 4 ( b ) 所示， 此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。 转子在空间每转过6 0 0 电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的 导通逻辑为k 。、l ( i - - - - k ，、k 2 一l 【3 、k 2 一l 【3 、l 【一l ( 5 、l ( 一l ( 5 、l ( 6 一k l 、l ( b 。在此期 间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。 在图2 - 4 ( a ) 到图2 4 ( b ) 的6 0 0 电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋 转，而定子合成磁场在空间保持图2 4 ( a ) 中f l 的位置静止。只有当转子磁场 连续旋转6 0 。电角度，到达图2 4 ( b ) 所示的f r 位置时，定子合成磁场才从图2 4 c a ) 的f l 位置跳跃到图2 - 4 ( b ) 中的f 位置。所以定子合成磁场在空间不是连 续旋转的，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是6 0 0 电角度。 转子在空间每转过6 0 0 电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的 磁状态就发生一次跃变。可见电机有六种磁状态，每种有两相导通，每项绕组的 导通时间对应于转子旋转1 2 0 0 电角度。这种工作方式称为两相导通星形三相六状 态，这也是无刷直流电机最常用的工作方式。 2 2 1 直流无刷电机的数学模型 对于直流无刷电机的设计和应用使得有必要建立它的数学模型【7 1 1 8 1 来获得解 析描述。图2 - 5 表示电机一个电枢的等效电路图，及各个变量参数定义如下： r sl 图2 - 5 直流无刷电机一个电枢等效电路 i o ( t ) 一相电流三，一电枢电感系数 9 西北工业大学硕士学位论文 第二章方案设计及论证 兄一电枢电阻 e ( f ) 一反相电动势 ，一瞬时转动惯量 k 一力矩常数 吃一粘性摩擦系数 可以得到图2 - 5 的因果方程： 玑一为外加相电压 k 。一反电动势常数 乙一电机转动力矩 瓦一载荷力矩 口o ) 一转子的位置 专 = 专虬一鲁屯c r ，一丢e c r ， ( 2 1 ) t d c o ( t ) = l r ( o 一号瓦( f ) 一了w r at d o ( t ) ( 2 - 2 ) 其中掣：国( f ) ，e a t ) ：疋( f ) ( 2 - 3 ) t o = 硪0 0 ( 2 4 ) 式( 2 一1 ) ( 2 4 ) 都是以相电压为起因，皇挚是由乩作用产生，力矩乙是 由相o g 流i o ( t ) 产生，而力矩乙产生了角速度( f ) 和转子位移口( r ) 。如果定义 乞o ) 、蛾( f ) 和e ( t ) 为系统的状态变量，可以得到直流电机系统的状态方程为： 屯 击 d c a ( t ) i ： 击 a o ( t ) 毋 0 1 j o 五( ，) ( 2 5 ) 如果之考虑式( 2 1 ) 中相电压虬与相电流o ) 的关系可得方程： u 。= 即一) + 掣蹦f ) ( 2 6 ) 其中的电枢电感系数厶包括a 相绕组的自感厶和它与其它两相绕组的互感k 、 k ，即丘= 厶+ k + k 。同理可以得到其他两相的相电压与相电流的方程， 因此无刷直流电动机三相绕组电压平衡微分方程组为： 1 0 o o o鳖o。 一 墨墅，o墨墨，o 西北工业大学硕士学位论文 第二章方案设计及论证 【厂。= r 。f 。( f ) + 坐磐( 。+ 工。6 + 工。) + e 。( f ) u 。：r b i b ( t ) + 笔导( 三。+ k + k ) + e ) ( 2 - 7 ) u 。：即以) + 笔导( 工。+ 工，。+ k ) + e c 厶= 厶= t = 上，兄= 毛= r = 置，k = k = k = k = 乞= 瓦= m ，p = 丢为 阱融淞哥睢珊； + 黧卜， 由于三相绕组为星形连接，所以( f ) + ( r ) + ( f ) = o 。将( 2 8 ) 式简化得到最终 荔 = 喜昙量 1 萎) + p 三j _ 工 m 三乙oj l l r ：1 ：；j 1 + e a ( t ) c 2 9 ， 图2 - 6 无刷直流电机三相绕组等效电路 l l 西北工业大学硕士学位论文第二章方案设计及论证 2 2 2 直流无刷电机的运行特性与- i , q 速原理 直流无刷电机一般都用于单轴电力拖动系统口】嗍，即电机与负载同一个轴、同 一转速。如图所示，其中n 为电动机转速，t 。为电动机电磁转矩，t l 为电动机 负载转矩，其中包括了空载转矩t 0 。单轴电力拖动系统中电磁转矩、负载转矩 与速度变化的关系用运动方程描述，并忽略黏性摩擦的情况下方程为： 瓦一瓦= j 警 ( 2 - l o ) j 表示系统的机械惯性，q 表示系统的角速度。 图2 - 7 单轴电力拖动系统 电机的固有机械特性是指给电机加上一定的电压u 和一定的励磁电流i f 时， 电磁转矩与转速的关系，栉= 厂( z ) 如下所示：其中2 石u 万为理想空载转矩。 捍：u - i o r o q m ( 2 1 1 ) 从式( 2 1 0 ) 与( 2 1 1 ) 可以看出直流无刷电机调速的特点和运行特性，直 流电动机的稳态转速是由稳定工作点 瓦= t ，行 决定的，工作点改变了电机的转 速也就改变了。但是一般情况下，负载是一定的，所以转矩特性也就一定了。为 了达到调速的目的，我们可以人为的改变电机的机械特性而使其与负载特性的交 点随之变动，可以达到调速的目的。由( 2 1 1 ) 我们可以看出改变电机机械特性 的方法有三种：变电枢电压、变励磁电流弱磁和在电枢回路中串入电阻。其中最 常用的是变电枢电压调速的方法，即保持电机磁通不变，电枢回路中不串电阻， 降低电枢的电源电压为不同的大小使电机拖动负载运行于不同的转速上。电压调 1 2 西北工业大学硕士学位论文第二章方案设计及论证 速法有以下优点： 1 电动机机械特性的硬度不变。比起电枢回路串电阻调速使机械特性 变软这一点，变电压可以使电机在低速范围运行时，转速随负载变 化而变化的幅度较小，转速稳定性要好的多。 2 当电源电压连续变化时，转速可随之连续变化，这种调速称为无级 调速，这种调速方法要平滑的多，并且还可以得到任意多级的转速。 3 在实际工程应用中电压调速法比其它两种方法更易于实现，易于调 节，所以变压调速法在直流电力拖动系统中被广泛采用。 2 3 州m 调制方式的选择 要调节直流无刷电机的转速就应该控制电机的转矩，由上节中的式( 2 i i ) 以及讨论可以得到只要调节电机端电压即可调节转速。通常采用p w m ( p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ，脉宽调制) 方式，通过改变p w m 控制脉冲的占空 比来调节输入直流无刷电机的平均电压，以达到调速的目的。 对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，在一个周期内，每个功率开 关器件导通1 2 0 0 电角度，每隔6 0 0 有两个开关器件切换。因此p w m 方式可以有 以下五种卅： i o np w r n 型：在1 2 0 0 导通区间内，各开关管前6 0 。恒通、后6 0 。采用p w m 调制，如图2 8 所示。 m 1 im 1 m 1 m f l1 0 0 01 0 0 0 l那f 1 1 图2 - 8 半桥p w m 调制( o n _ p w m 型) 2 p w mo n 型：在1 2 0 。导通区间内，各开关管前6 0 。采用p w m 调制、后6 0 0 恒通，如图2 - 9 所示。 西北工业大学硕士学位论文第二章方案设计及论证 3 调制， 4 桥臂功 1 l l f l f i n f l l lf i i nf 1f i 1 f lf i f i1 h l l l l l l f l r l 1 f l f lr l f 1 1 1f lr l f l l l n f l 1 n l l l l1 ff i n1 h f lf i f i f t h1 i l l l f l 图2 1 0 半桥p w m 调制( 1 - l _ o n - l _ p w m ) 5 h _ p w m - l _ p w m 型：上下桥臂各管皆为p w m 调制方式，如图2 1 l 所示。 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章方案设计及论证 r 1 1 0 11 1 f 1 0 r 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 01 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0r 1 0 0 1 11 0 1 f 11 兀1 1 n 1 11 0 0 1 图2 - 1 1 全桥p w m 调制( h _ p w m l _ p w m 型) 前四种方式又称为半桥调制方式，即在任意一个6 0 0 只有上桥臂或下桥臂开 关进行斩波调制。其中，方式l 和2 为双管调制方式，即在调制过程中上、下桥 臂的开关管均参与斩波调制。方式3 和4 称为单管调制方式，即在调制过程中只 有上桥臂或者下桥臂的功率开关参与斩波调制。方式5 称为全桥调制方式，在任 意一个6 0 0 区间内上、下桥臂功率开关同时进行斩波调制。 全桥调制方式中，功率开关管的动态功耗是半桥调制方式的两倍，给散热带 来了困难，降低了系统的可靠性，因此选择半桥调制方式。 同时在半桥调制方式中，双管调制的方式将功率开关的动态损耗分摊给两个 功率管，利于散热，提高了可靠性，所以采用双管调制的方式。 研究表明，在双管调制中采用p w m的方式的时候，换相过程中的转矩脉on 动最小。但是这种方法不能正确检测开路相的反电动势过零点，所以无位置传感 器直流无刷电机系统不宜采用这种方法。 综上所述，为了保证系统的稳定性和可靠性，在本系统中选择o l lp w m 的调 制方式。 2 4 转子位置检测方式选择 所谓的无位置传感器控制，即无机械的位置传感器控制。在电机运转的过程 中，作为逆变桥功率器件换向导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这 种信号不再由位置传感器来提供，而应该由新的位置信号检测措施来代替。目前 永磁无刷直流电机无位置传感器控制研究的核心和关键就是架构一个转子位置 信号检测单元，从软硬件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借以触发导 西北工业大学硕士学位论文 第二章方案设计及论证 通相应的功率器件，驱动电机运转。 无刷直流电机无位置传感器的位置估计方法大体上可以分为以下五种：反电 势法、电流法、磁链估计法、状态观测器法和人工智能方法。前四种方法的研究 相对比较成熟，且已得到一定范围的应用。而采用人工智能方法估计转子位置的 研究则刚刚处于起步阶段。综合考虑系统的可靠性、技术成本和成熟性等问题， 本系统位置检测采用反电势过零点检测法来检测转子的位置，控制无刷直流电机 的换向。 反电势法是目前最常用的一种检测转子位置信号的方法，它利用电机旋转时 各相绕组内反电势( e 咿) 信号控制换向。反电势检测主要有三种方法：过零点法、 积分法和锁相环法。其中过零点检测法是目前技术最成熟，实现最简单，应用最 广泛的转子位置检测方法。这种方法的基本原理是：在无刷直流电机稳态运行时， 通过检测“关断相”( 逆变桥上下功率器件皆处于关断的那一相) 的反电势过零 点，依次获得转子的六个关键位置信号，并以此作为参考依据，轮流触发导通六 个功率管，驱动电机运转。 这种方法也有它自身的弱点起动困难和误差补偿。当电机静止时或转速 较低时，反电势为零或很小，很难通过反电势过零点检测来得到正确的位置信号， 故这种方法使得电机起动困难；此外，因为反电势过零检测法忽略了电枢反应对 气隙合成磁场的影响，所以在原理上就存在一定的误差，且反电势系数越小或电 机转速越低，误差就越大，所以在反电势法的永磁无刷直流电机的无位置传感器 控制中，必须要有一定的误差补偿措施。下面将对反电势法的关键技术进行详细 研究和论述。 1 6 西北工业大学硕士学位论文第三章关键技术研究 第三章关键技术研究 3 1 反电动势转子位置检测技术 “反电动势”是一种简单实用的无位置传感器无刷直流电机控制方法。无刷 直流电机的绕组反电动势过零点严格反映了转子的位置，因此只要准确检测到绕 组反电动势的过零点信号，就可以判断转子的位置，确定绕组的换向时刻，实现 换向操作，保证电机的正常运转。“反电势法”虽然有简单，实用的优点，但也 存在实现问题。反电势信号与驱动电路的p w 8 驱动信号混合在一起，在功率开关 导通或关断时产生严重的尖峰干扰和噪声，使反电动势不易正确检测。现在最常 用的方法是用模拟低通滤波器将混合信号滤波，获取反电势，但这种方法会产生 较大的相移，而且当p w m 输出的频率不同时相移的大小会发生变化，不易使用补 偿的方法进行校正。如果不能准确检测到反电动势过零点，将会影响驱动器换向 时间的准确度，影响电机的正常运行。本项目用d s p 在p i l l 的特定位置采样电机 绕组端电压避开干扰，再通过计算获得准确的反电势过零点的方法。 3 1 1 反电势法的基本原理 无刷直流电机中，受定子绕组产生的合成磁场的作用，转子沿一定方向连续 转动，电机定子上放有电枢绕组，因此，转子一旦旋转就会在空间形成导体切割 磁力线的情况。根据电磁感应定律可知，导体切割磁力线会在其中产生感应电动 势。所以，在转子旋转的时候就会在定子绕组中产生感应电势，称为反电动势。 由上一章的论述可知，本系统采用两两导通、三相六状态6 0 。o n _ p w m 的调制 方式，这种方式比其他的调制方式能更好的检测到过零点，其主电路的原理如图 3 - 1 所示。根据电路图和式( 2 9 ) 可以得到三相电枢绕组输出段对直流电源地 的电压方程为： 1 7 西北工业大学硕士学位论文第三章关键技术研究 u4 = i o r + l h ub = k r + l m u c = i c ，+ l ， 告+ e 4+un 鲁+ e 。+ u 。 ( 3 - 1 ) 告+ e c + un 其中也、以为三相电枢绕组输出端相对直流地电压，【，为三相绕组 中点n 对电源负极电压。电机的一个通电有六种工作状态，每种状态呈现一定 的对称性或重复性，因此对v t 6 和v t l 导通的情况进行分析，如图所示，a 、b 两相电枢通电，c 相关断。a 、b 电流大小相等，方向相反，而c 电流为0 ，i o = ， 图3 - - 1a ，b 电枢导通时的电流回路图 e = 一毛将( 3 - - 1 ) 种的一式、二式相加得到【0 的表达式： = l ( u o + ) ( 3 2 ) 可以得到三相电枢绕组反电动势过零点检测方程组的形式为： e = u o 一三( + 虬) 岛= 一l ( u o + 以) ( 3 3 ) 疋= 饥一i ( u o + ) a 、b 导通，c 相关断根据图( 3 1 ) 和式( 2 9 ) 得 1 8 西北工业大学硕士学位论文第三章关键技术研究 = 以一u o = 一( i o r + 匕等+ e o ) 巩= 也= - 配且醵 时判断反电势过零点。 ol2345o 卜a ， b 矗 i 、。悻i 电式 i o i 。 (， ! t、i z _ 一 u 相 r rj 1 r 一 v 相 j l _ r w 相1 几 u ui l l x 相 1j l rj l _ n y 相 毗j u - l i l r z 相m丌几 a 相 删lr灿l蹴删 _ - b 相 m易侧川【j0 兀z c 相 脚绷兀几几栅l 叮胂 电式 1 矗。h2 _ 1_ 1 ；r lin ； |r l 零点 相点铷l n几h 九nn 测点生酆l 几 n 几l；几l几n l 测失 。；i 护；。1 ； j l 图3 - 2 电机控制时序图 简化将计算反电势曲线近似为直线，可以得到方程： 螋：u , - u 2 f l 一岛一f 2 简舸得：一糍) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 点 西北工业大学硕士学位论文 第三章关键技术研究 厶即为反电势过零点时间。当检测到过零点的时候延时3 0 。即可得到准确的转子 换相点，控制功率开关进行导通模式切换。如果过零点距离上次过零点的时间超 过1 2 0 。电角度时，认为检测失败。 反电动势的检测仅在电枢的不导通相进行，并不是连续检测，只在p 硼w _ o n 时可检测，并在开关相导通后一段 时间进行采样避开开关干扰。如图 $ - 3 所示，采样点取在脉冲的中点 左右其中垃表示采样点在开关管 导通后的延时时间，为了提高可靠 性可连续采样n 次，当连续采样到 n 次过零点则确认反电势过零点。 图3 - 3 在p 哪一0 n 时刻进行采样 综上所述对于无位置无刷直流电机的反电动势检测可以归结为以下几个主要 部分： 1 在不导通( 即f _ 0 ) 电枢相进行反电动势检测，在该项功率管关断后1 5 。开 始反电动势检测，避开关断项续流干扰。 2 在检测期间，并不是连续检测，在m v mo n 期间进行，且延时一段时间& 在中点附近采样，避开功率管开关干扰。 3 当检测到反电势过零点，延时3 0 。点角度对功率管开关模式进行切换。 4 若在1 2 0 ”内未能检测到过零点，认为丢失转子位置信息，报错。 3 2 电机启动技术 本系统采用反电动势检测转子位置的方法，但这种方法并不适用于电机的启 动。电机在静止或低速运行时反电动势为零或非常小，无法用来判断转子的位置， 因此无位置传感器无犀4 直流电机需要特殊的启动方法，使电机启动到一定转速， 反电动势能够正确检测后再切换到反电势检测闭环运行方式。 现在常用的无位置传感器无刷直流电机启动方法有：硬件启动方式，预定 位方式，三段式三种。其中硬件启动是在电机控制电路中设计一个专门的启动电 路来产生电机的启动信号，这种方式可以实现升频升压启动，并在一定负载下启 西北工业大学硕士学位论文第三章关键技术研究 动，启动条件宽松；缺点在于启动电路加大了电机尺寸，降低了可靠性和应用范 围。 预定位启动方式是传统的软件启动方式，方法是先对a 、c 两相绕组通电，b 相绕组关断，稍加延时等转予稳定后使b 、c 相通电，a 相关断转子磁极中心线在 磁场力的作用下，k a 相绕组轴线向b 相绕组轴线位置转动，这样，使三相绕组 依次导通截止。当转子达到一定速度后，就能够在定子绕组中感应出足够大的电 动势，这时就可以选择合适的时机将电路转换到反电动势换向工作状态，完成了 电机的起动。这种启动方式的启动时间需要离线计算，要知道电机启动时的转矩 和转动惯量。其优点是实现简单，不需附加外围电路，但对切换时间要求准确， 当电机带载发生变化时切换时间就需要相应变化，所以一般只适用于电机的空载 启动，有很大的局限性。 三段式启动方法是按他控式同步电机的启动方式，从静止开始加速，直至转 速足够大时，再切换到无位置传感器无刷直流运行方式。这种方式包括：转子定 位，加速和运行状态切换三个控制阶段。本系统就采用三段式启动方式，实现电 机的开环启动。下面将分别讨论三个阶段的实现。 3 2 1 转子定位洲 转子的初始位置决定了逆变器的导通顺序，但电机在启动前转子的位置是未 知的，因此首先要给转子预定位。当直流无刷电机任意两相绕组通电产生一个合 成磁场，在这个磁场作用下转子会向合成磁场的轴线方向旋转，其d 轴与这个合 成磁场磁动势只重合。在实际应用中，可对a 、c 两相绕组通电，产生合成磁场， 把转子至于预定位置。 o ao a 蕊阏 o x ( a ) o x ( b ) 图3 4 转子位置预定位示意图 2 2 西北工业大学硕士学位论文第三章关键技术研究 如图3 - 4 ( a ) 所示：通电前转子位置是随机的，因此转子磁场和定向磁场间 电磁转矩是不确定的值，最大值和最小值都可能出现。