（信号与信息处理专业论文）车载电动空调无刷直流电机控制系统关键技术研究.pdf

一 ， 学位论文主要创新点 一、针对采用无位置传感器控制方式无刷直流电机启动时无法获得转子位置 的问题，对转子预定位过程进行了数学建模分析及计算机仿真，研究了一种电压 逐渐增加的转子预定位方法，使转子可以平稳旋转到指定平衡位置。 二、针对采用无位置传感器控制方式无刷直流电机在启动时获取最优加速曲 线的问题，对启动过程的强推加速阶段进行了计算机仿真，研究了采用指数、线 性以及对数三种加速曲线对无刷直流电机启动过程的影响，为设计实际系统的最 优加速曲线提供理论依据。 三、对车载电动空调无刷直流电机控制系统进行了软硬件设计与实现，建立 了车载电动空调无刷直流电机控制系统的研究平台，为进一步对车载电动空调各 项技术进行深入的研究奠定了基础。 摘要 为缓解石油资源短缺局面，降低汽车燃油对环境的污染，发展新能源汽车已 成为未来汽车工业发展的方向。车载空调作为重要的车身配套设备，其研究水平 直接影响新能源汽车产业的进一步发展：与传统的汽车空调相比，车载电动空调 在驱动方式、控制策略等方面都发生了很大的改变。本文对车载电动空调的电机 控制系统关键技术进行了研究。 针对采用无位置传感器控制的无刷直流电机启动时无法利用反电动势信号 获得转子位置的问题，利用计算机仿真方法对无刷直流电机启动过程进行研究， 首先对转子预定位过程进行了数学建模分析及计算机仿真，研究了一种电压逐渐 增加的转子预定位方法，使转子可以平稳旋转到指定平衡位置；然后对启动过程 的强推加速阶段进行了计算机仿真，研究了采用指数、线性以及对数三种加速曲 线对无刷直流电机启动过程的影响，为设计实际系统的最优加速曲线提供理论依 据。 本文的硬件电路设计了单片机外围电路、c a n 通信接口电路、电源电路、 逆变器驱动电路及反电动势过零检测电路。其中单片机外围电路设计包括接口电 路、时钟电路、复位电路以及调试接口电路；软件设计的重点是进行电机控制程 序的编写，包括电机的启动和调速两大部分。其中电机启动部分软件设计包括转 子预定位和强推加速；转速调节软件设计包括转子位置检测、加速去磁、换相及 电机实际转速的计算和p i 调节等。 搭建了实验平台对控制系统进行实验验证，结果表明本系统实现了对无位置 传感器无刷直流电机的快速启动和精确转速控制，电机运行平稳。 本文主要针对车载电动空调无刷直流电机控制系统关键技术进行了研究，建 立车载电动空调无刷直流电机控制系统的研究平台，为进一步对车载电动空调各 项技术进行深入的研究奠定了基础。 关键词：车载电动空调：无刷直流电机：计算机仿真；控制系统；电机启动 a b s t r a c t t os a v eo i lr e s o u r c ea n dr e d u c et h ep r e s so ft h ee n v i r o n m e n t , i tn e e d st os t u d y n e we n e r g yv e h i c l e s a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mo ft h en e we n e r g yv e h i c l ea st h e i m p o r t a n te q u i p m e n t ，c o m p a r ew i t ht h eo i l - u s e dv e h i c l e ，i th a st o b ec h a n g e di n d r i v i n g - - m e t h o da n dc o n t r o l l i n g - m e t h o da n dt h er e s e a r c ho fv e h i c l ea i r - c o n d i t i o n i n g t e c h n o l o g ya l s ow i l lh a v ead i r e c ti m p a c to nt h eq u a l i t yo fn e we n e r g ya u t ov e h i c l e p r o d u c t t h i st h e s i ss t u d i e ss o m ek e yi s s u e st od e s i g na l la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mo f t h en e we n e r g yv e h i c l eb a s eo nb r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ( b l d c m ) c o n t r o l l i n g u s et h es i m u l a t i o nm e t h o d , t os t u d yt h es t a r t - u pp r o c e s so ft h eb l d c m g i v i n g t h em a t h e m a t i c a la n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i n gp r o c e s si nt h ef i r s t - s t e po ft h et h r e e s t e p s t a r t u p ，w h i c hi sc a l l e dp r e p o s i t i o n an o v e lm e t h o di sp r o p o s e dt oe l i m i n a t et h e o s c i l l a t i o nw h e nt h er o t o rr e a c h e st h ep r e p o s i t i o n ，a n dg i v i n gt h r e es i m u l a t i o nc u r v e s i nt h es t e po fs t a r t i n gr a m pu p t h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e st h ed e s i g no fs c mp e r i p h e r a lc i r c u i t , c a n c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t ，p o w e rc i r c u i t , i n v e r t e r - d r i v ec i r c u i ta n dt h eb a c k e l e c t r o m o t i v ef o r c e ( b e m f ) s i g n a ld e t e c t i n gc i r c u i t a n dt h es c mp e r i p h e r a l i n c l u d e st h ei n t e r f a c ec i r c u i t , t h ec l o c kc i r c u i t , r e s e tc i r c u i t , a n dt h ed e b u gc i r c u i t t h ei m p o r t a n tw o r ki nt h es o f t w a r ed e s i g ni st oc o n t r o lt h eb l d c mt or u ns t e a d y , w h i c hi n c l u d e st h es t a r t - u pa n dt h es p e e d a d j u s t i n g t om a k es u r et h es t e po fs t a r t - u p s u c c e s s f u l ，t h es t e p si n c l u d et h ep r e p o s i t i o no fr o t o r ，t h es t a r t i n gr a m p - u pa n dt h e s w i t c h i n g a f t e rt h em o t o r r u nf r o mf o r c e d s w i t c h e dm o d et oa u t o s w i t c h e dm o d e ，i t n e e dp ir e g u l a t i o nt oc o n t r o lt h em o t o rs p e e d a tl a s t , t h ee x p e r i m e n ti sd e s i g n e dt ot e s t i f yt h es y s t e m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s h o w st h a tt h eb l d c mc o u l ds t a r t - u pq u i c k l ya n dr u ns t e a d y i nt h et h e s i s ，t h em a i n l ys t u d yw o r ki so nt h ek e yi s s u e so fa i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e mo ft h en e we n e r g yv e h i c l ew h i c hb a s eo nt h eb l d c mc o n t r o l l i n g , a n dt h e r e s u l t sc a np r o v i d es u p p o r tf o rf u r t h e rd e s i g no f t h ea i r - c o n d i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l ea i r - c o n d i t i o n i n g ，b l d c m ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，c o n t r o l s y s t e m ，m o t o rs t a r t i n g 目录 目录i 第一章绪论l 1 1 课题的研究背景及意义1 1 2 课题的研究现状2 1 3 课题研究的主要内容2 第二章控制系统结构设计及关键技术分析5 2 1 车载电动空调电机控制系统的结构分析5 2 2 电机类型选择。6 2 3 无刷直流电机的控制方式选择。6 2 4 通信方式选择。7 2 5 控制系统总体结构设计。7 2 6 关键技术分析8 第三章无刷直流电机启动过程仿真研究9 3 1 无刷直流电机的数学模型9 3 2 无刷直流电机的控制原理1 0 3 3 三段式启动方法1 3 3 3 1 转子预定位1 3 3 3 2 强推加速1 4 3 3 3 运行状态切换。1 4 3 4 转子预定位过程的数学分析及仿真1 4 3 4 1 数学分析1 4 3 4 2 仿真分析。1 7 3 4 3 改进的转子预定位方法1 9 3 5 加速阶段仿真2 l 第四章硬件系统设计2 7 4 1 硬件系统总体设计框图2 7 4 2s t 7 f m c 2 s 单片机外围电路设计。2 7 4 2 1 单片机接口电路设计。2 8 4 2 2 时钟电路与复位电路设计2 9 4 2 3 调试接口电路设计。2 9 4 3c a n 通信接口电路设计3 0 4 4 电源电路设计 3l 4 5 逆变器驱动电路设计3 2 4 6 反电动势过零检测电路设计。3 3 第五章电机启动和调速过程软件设计3 5 5 1 软件开发环境3 5 5 2 电机启动程序设计3 5 5 2 1 转子预定位程序设计。3 5 5 2 2 强推加速程序设计3 6 5 3 调速过程程序设计3 8 5 3 1 电机转速闭环程序设计。3 8 5 3 2 中断程序设计。3 9 5 3 3 电机实际转速的计算4 6 5 3 4p i 调节器的实现4 7 第六章实验结果及分析4 9 6 1 实验准备4 9 6 2 实验结果_ 5 0 6 3 实验结果分析5 3 第七章总结与展望5 5 7 1 总结。5 5 7 2 展望。5 5 参考文献5 7 硕士期间发表论文和参加科研情况6 l 致谢6 3 第一章绪论 第一章绪论帚一早殖比 1 1 课题的研究背景及意义 随着资源与环境双重压力的持续增大，为缓解石油资源短缺带来的问题，以 及汽车燃油对环境的污染问题，发展新能源汽车已成为未来汽车工业发展的方 向。因为未来的驱动方式应符合低耗能、环保、可持续发展的能源战略要求。 目前，世界各国都在积极开发新能源汽车，美国奥巴马政府实施绿色新政， 把电动汽车作为国家战略的重要组成，计划到2 0 1 5 年普及1 0 0 万辆插电式混合 动力电动汽车( p h e v ) ；日本把发展电动汽车作为“低碳革命”的核心内容，并 计划到2 0 2 0 年普及包括电动汽车在内的“下一代汽车 达到1 3 5 0 万辆，为完成 这一目标，日本到2 0 2 0 年计划开发出至少1 7 款纯电动汽车、3 8 款混合动力车； 德国政府在2 0 0 8 年1 1 月提出未来1 0 年普及1 0 0 万辆纯电动汽车和插电式混合 动力汽车，并宣称该计划的实施。 从本世纪初，我国也加快了电动汽车技术发展的步伐。经过1 0 多年的努力， 已经在电动汽车整车技术、电池、电机、控制系统、技术标准、检测能力、基础 研究以及国际合作等方面得到了长足的发展。中国新能源汽车发展之路的特色在 于推广应用和市场开拓，在未来的5 到l o 年时间，混合动力汽车将成为传统汽 车节能技术改造、升级换代的主要方向，纯电驱动( 包括插电式、增程式) 汽车将 成为近期发展战略的主流。目前，我国电动汽车相关技术的研究处于由科研向产 业化转化的发展过程中，在一定程度上制约了电动汽车行业的进一步发展。由科 技部牵头制订了电动汽车科技发展“十二五 专项规划，确定了推动电动汽 车产业链发展，动力电池、电机、电控成为未来汽车行业发展的核心，并即将公 布电动汽车关键技术与系统集成，预计被科技部列入电动汽车关键项目的课 题方向有3 1 个，分为7 4 个课题n 1 。其中的1 8 号课题方向为电动汽车电动空调 系统研究与开发，研究目标是突破电动空调关键技术，实现高效、低噪音的电动 空调系统的研发和产业化。国家战略的发布实施，对产业发展有着十分重要的导 向作用，必将进一步加快电动汽车产业发展的进程。 电池、电机、电控和相关辅助系统是实现转型的基础和关键。因此研究开发 具有自主知识产权的车载电动空调对我国电动汽车产业的发展具有十分重要的 意义。 天津工业大学硕士学位论文 1 2 课题的研究现状 车载空调是重要的车身用电设备，与传统的汽车空调相比，车载电动空调在 驱动方式、控制策略等方面都发生了很大的改变。在电动汽车等新能源汽车系统 中，车载空调不再从发动机获取动力，因此需要研究由其他方式驱动车载电动空 调。 在国外发达国家，美国生产的油电混合型汽车车载空调系统全部由电机控制 系统驱动；法国露络路易斯公司将模糊控制理论应用于车载空调电机控制系统， 实现了新型能源汽车空调变频技术；欧洲，日本等汽车工业发达国家的汽车公司 也相继开发出各自的基于电机控制的车载空调系统产品心1 。 目前我国的汽车用电动空调最主要的开发和供应商是日本电装公司d e n s o 。 日本电装公司生产的电动空调已经在丰田混合动力轿车上得到应用，但是目前产 量有限。另一家日本企业三菱重工也已经开发出电动汽车空调，目前己成功获得 两家美国著名汽车厂商的订单。由华东理工大学和上海三电贝洱汽车空调有限公 司联合开发的电动空调压缩机系统在国内的一些电动汽车和混合动力汽车上试 用。其他一些研究多停留在实验室开发阶段，没有得到实际运行。 综上，电机驱动是车载电动空调的主要驱动方式，本课题主要研究工作是基 于无刷直流电机控制来驱动空调压缩机转动，实现车载空调功能。 1 3 课题研究的主要内容 本课题主要研究用于车载电动空调的无刷直流电机控制系统，首先对控制系 统的功能进行分析，并指出实现该控制系统功能的关键技术，主要包括基于无位 置传感器控制策略的电机启动方法与转速控制、控制系统软硬件设计等。 论文组织结构为： 第一章阐述课题的研究背景和意义，对当前车载电动空调的研究现状进行了 分析，并提出本文的研究内容和框架结构； 第二章对车载电动空调电机控制系统结构进行分析，并对电机进行选型，提 出总体设计结构，分析了需要实现的关键技术： 第三章介绍了无刷直流电机的数学模型和控制原理，对电机启动过程进行数 学分析及仿真，重点研究转子预定位过程的数学分析及仿真；利用计算机仿真的 方法研究加速曲线； 第四章实现了硬件电路的设计，包括控制芯片的选择及其外围电路的设计， 电源电路的设计，电机驱动电路的设计，通信电路的设计等； 第一章绪论 第五章重点完成了电机启动和调速程序的设计，启动部分包括电机强制定位 及加速程序设计；调速部分包括电机实际转速的计算以及p i 调节的实现等； 第六章对系统进行了调试和实验验证，并根据实验结果进行分析； 第七章对课题进行总结和展望。 天津工业大学硕士学位论文 4 第二章控制系统结构设计及关键技术分析 第二章控制系统结构设计及关键技术分析 随着人们对舒适性、可靠性、安全性的要求越来越高，各汽车厂家对空调的 研究开发特别重视。电动汽车的通风、采暖及冷气系统功能要求与普通汽车基本 相同。但是，电动汽车空调系统压缩机的驱动方式与传统汽车相比有很大差异， 下面将针对此问题进行分析。 2 1 车载电动空调电机控制系统的结构分析 电动汽车空调控制技术不同于传统的燃油汽车空调系统，其动力源是蓄电池 提供的直流电，因此，需要用电能驱动电动空调压缩机工作。一种可选方案就是 利用电动汽车的驱动电机为电动空调提供动力，但这种方案必然会使系统设计复 杂化，从而影响到整车控制系统设计的稳定性，导致安全隐患。所以一般采取的 方案是采用独立的电机控制系统驱动空调工作阻7 1 。 车载电动空调控制系统完成的主要功能包括：电机控制和数据通信。 l 、电机控制功能是通过控制电机转速，驱动压缩机和风机协调工作，以实 现调节车室温度和空气循环的功能。 2 、数据通信功能就是实现空调控制系统与汽车内其他功能系统的信息交换， 进行控制信号实时通信，以便实现整个汽车系统协调稳定的工作。 车载电动空调的一般结构如图2 1 所示。 图2 - 1 车载电动空调一般控制结构 通信模块、系统主控芯片和驱动电机是车载电动空调控制结构的重要组成部 分，本章将详细介绍电机和通信方式的选择，系统主控芯片将在硬件设计部分详 细介绍。 天津工业大学硕士学位论文 2 2 电机类型选择 目前电机的种类繁多，主要分为交流同步电机、有刷直流电机及无刷直流电 机等。在电动汽车的应用环境中，对器件的要求是，工作平稳性好、可靠性高、 噪音小、使用寿命长、维修方便和体积小等。在电动空调系统的压缩机中，充满 了制冷剂蒸汽。有刷直流电机的碳刷及换向器在电机转动时会产生火花、碳粉， 不但减小了电机的寿命还容易酿成事故，故不能采用有刷直流电机。针对上述应 用特点，对无刷直流电机和交流同步电机的性能进行比较，如表2 1 所示，从中 选出更适合应用于电动车载空调控制系统的电机。 表2 1 电机性能比较 无刷直流电机交流同步电机 机械特性线性非线性 运行效率高低 启动转矩大小 调速范围大小 控制结构简单 复杂 噪声小较大 体积 小大 无刷直流电机和三相交流同步电机相比表现为，反馈装置简单，功率密度更 高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机和逆变器各自的潜力得到充分的 发挥。 综上，无刷直流电机具有一般直流电机的运行效率高、起动转矩大、调速范 围广和机械特性为线性等优点，又具有交流电机运行可靠、维修方便等特点。因 此，电动空调压缩机驱动电机的最佳选择是无刷直流电机。 2 3 无刷直流电机的控制方式选择 无刷直流电机利用电子换相代替传统直流电机的机械换相。它没有换向器和 电刷这些外在的换相装置，所以需要采用特殊的方法进行控制；可以进行有位置 传感器或无位置传感器的转子位置检测。 无刷直流电机的有位置传感器控制，主要采用电磁式、光电式、磁敏式等多 种形式的位置传感器检测转子位置，控制绕组正确换相，使电机正常运转。但位 置传感器的存在限制了无刷直流电机在某些特殊场合的应用，主要体现在：加上 位置传感器，使电机系统的体积增大，对于安装精度要求较高，不易安装，且在 高温、高压和湿度较大等工况下运行时灵敏度变差；与控制系统之间的导线增多， 第二章控制系统结构设计及关键技术分析 容易受外界干扰。这都会降低电机控制系统的性能和可靠性。 无刷直流电机无位置传感器控制，即去掉机械的位置传感器，代之以转子位 置信号检测线路，从软硬件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号。随着检测 手段、控制技术的发展以及微控制器性能的提高，无位置传感器技术得到迅速发 展睁1 2 1 。因此，无刷直流电机选用无位置传感器控制。使用无位置传感器控制技 术后，电子控制电路和电机的连接只需要3 根导线，系统结构简单、可靠性更高， 而成本更低。 2 4 通信方式选择 c a n 总线作为一种实时性现场总线广泛应用于汽车领域。车载电动空调作 为电动汽车的一个子系统，可以将其设计成一个c a n 总线通讯节点，实现与整 车的数据通信。可用于控制系统设计初期的调试以及后期使用可扩展性( 与其他 汽车电子系统通信1 。 c a n 总线废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多 主方式工作，满足车载网络的网络节点可增加和软硬件可更新，具有可扩展性； 通信采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，数据传输时间短，受干扰的概 率低，重新发送的时间短；每帧数据都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数 据传输的高可靠性，适于在高干扰环境下使用。 它采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传输数据时，优先级低 的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避 免了总线冲突；节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与 总线的联系，使总线上其他操作不受影响。 基于以上特性，c a n 总线通信被广泛的应用于汽车通信网络设计。 2 5 控制系统总体结构设计 为实现系统功能，进行了控制系统总体结构框架的设计，如图2 2 所示：其 中虚框内的部分为电机控制系统部分，可完成对无刷直流电机的一般控制功能， 通过调节电机旋转速度，来驱动和控制压缩机和风机协调工作，实现空调调节车 室温度和空气循环的基本功能。形成以控制器为核心，控制电机转速，经过速度 反馈，形成速度闭环控制；利用c a n 通信功能获取温度等信号，实现电机启动、 停止等控制，也可以实时显示电机运行的各种参数。 天津工业大学硕士学位论文 2 6 关键技术分析 ；二 图2 2 系统总体设计框图 根据本课题研究的内容，以及控制系统需要实现的功能，进行关键技术分析： l 、符合要求的硬件电路设计 系统硬件电路的设计部分包括：主控芯片最小系统及接口电路设计，以及电 源电路、驱动电路、数据通信电路和隔离电路的设计等。 2 、采用无位置传感器的无刷直流电机启动方法的研究 由于采用无位置传感器控制，需要获取转子位置信息，以便进行换相控制， 实现无刷直流电机的正常运行。目前，比较成熟的方法是反电动势过零检测法， 但电机在静止或低速时，反电动势为零或比较小，无法确定转子位置，因此保证 电机顺利启动也是关键技术。 3 、转速闭环的无刷直流电机控制 根据压缩机工作方式，要求电机控制系统能够快速响应，进行调速，并能稳 定运行，这是控制系统要解决的关键问题。 根据电动汽车电动空调系统研究与开发的主要内容，关键技术还包括研究电 动汽车空调系统及其关键零部件一体化优化设计、系统集成的优化设计；研究空 调控制策略及效率优化关键技术；研究系统及零部件的可靠性、电安全技术等。 本文主要研究上述电机启动和调速技术，以及电机控制和数据通信的软硬件 实现等内容，建立软硬件平台，进行实验验证。 第三章无刷直流电机启动过程仿真研究 第三章无刷直流电机启动过程仿真研究 本章首先介绍无刷直流电机的数学模型及其控制原理。本系统无刷直流电机 为无位置传感器控制，转子位置检测采用目前比较成熟的反电动势过零检测法， 针对电机静止和启动时反电动势信号为零或很弱的问题，讨论了无刷直流电机无 位置传感器控制的启动方法，并着重对三段式启动法的转子预定位和强推加速过 程进行数学分析和仿真。 3 1 无刷直流电机的数学模型 本文讨论的无刷直流电机的数学模型，是以两相导通y 连接三相六状态为 例。为简化分析，做如下假设u 引： 定子三相绕组完全对称，在空间上互差1 2 0 。电角度；三相绕组电阻阻值、 电感值完全相同；转子永磁体产生的气隙磁场为方波，三相绕组反电动势波形为 梯形波；忽略定子绕组电枢反应的影响；电机气隙磁导均匀，磁路不饱和，不计 涡流损耗。公式中u 。、u b 、酢、砜分别为三相绕组端电压和中点电压( v ) ，r 、 三和m 为三相绕组电阻( 锄、电感( m 和互感( h ) ，e 。、玩和毋为三相绕组反电 动势( v ) ，i 。、i b 和为三相绕组电流( a ) ，尸为微分算子。可将无刷直流电机 每相绕组等效为电阻、电感和反电动势串联。 式为 刚嘲批撇 + 刻 p 。 由于三相绕组为y 连接形式，没有中线，则厶、j b 和k 三相绕组电流关系 将式( 3 3 ) 代入式( 3 - 1 ) ，得 阱嘲* 三删骨网 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 。l p 1j m m 三 m 三m 天津工业大学硕士学位论文 在电机运行过程中，电磁转矩的表达式为 互= 二( e a 厶+ 毛，b + & 丘) ( 3 - 5 ) 彬 式中，缈为转子的角速度( r a d s ) ，无刷直流电机的电磁转矩是由定子绕组中 的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用而产生的。由上式可以看出，无刷直流电 机的电磁转矩方程与普通直流电机相似，其电磁转矩大小与电枢电流的幅值成正 比，电机在调速过程中只要控制电枢电流就可以控制电磁转矩，从而快速接近目 标转速。在转子位置相同的情况下，只要改变功率开关器件的逻辑状态，使得电 枢绕组电流相反，就可以产生反方向的电磁转矩。 电机的机械运动方程为 百d o ) = 专( 乙。五- 知) ( 3 - 6 ) d 国 式中，百为转子角加速度，正和五分为电磁转矩和负载转矩( n m ) ，为转子 转动惯量( k g m 2 ) ，厂为阻尼系数( n m s ) 。 理想状态下电磁转矩恒定不变，这是因为任何时刻总有两相绕组导通，并且 电流和反电动势大小都相等，恒定电磁转矩可表示为n 町 乙= 乏掣聊- ( 3 - 7 ) = k t i | 其中，p 为电机极对数，三为轴向导体有效长度，d 为定子电枢内径，形为 电枢绕组的每相串联匝数，b 为气隙磁密分布，厶为电枢电流，秭为转矩常数。 每相绕组感应的反电动势表达式为 e = 急5 a ：啪( 3 - 8 )l ( 3 - 8 ) = k 玎 其中，口为极弧系数，矿为每极磁通( 肌) ，刀为电机转速( r a d m i n ) ，k 为反 电动势系数。反电动势大小与气隙磁感应强度及转速有关，波形与磁感应强度b 一致，为梯形波，梯形波的幅值与电机的转速成正比，且波顶宽度为1 2 0 。电角 度。 3 2 无刷直流电机的控制原理 一般的无刷直流电机的控制结构原理如图3 1 所示。主要组成部分：电机本 第三章无刷直流电机启动过程仿真研究 体、逆变器和检测转子位置部分。 电机本体主要部件有转子和定子，结构上与永磁同步电机相似，但没有笼型 绕组和其他启动装置。其定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转 子由永久磁钢按一定极对数( 2 p = 2 ，4 ，) 组成。通常情况下，定子绕组多采 用集中整距绕组，转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气 隙磁密，因此感应的反电动势也是梯形波。 这里所说的逆变器就是由功率开关器件组成的电子换相电路。本设计系统采 用双极性逆变器，即由六个功率开关器件组成的桥式换相电路。电枢绕组内的电 流可以沿着正反两个方向流通，绕组利用率高，电机的输出功率或输出力矩大。 图3 1 无刷直流电机控制结构原理图 本文采用反电动势过零检测法检测转子位置，即实现图中“检测转子位置” 部分功能，为逆变器电路提供正确的换相信息。根据转子位置控制逆变器电路中 的功率开关管的开关状态，保证电机各相按顺序导通，在空间形成旋转磁场，驱 动永磁转子连续不断地转动。 无刷直流电机转子是永磁体，其主要作用是在电机气隙中产生磁场。其定子 电枢绕组通电后产生反应磁场。无刷直流电机控制的原理是：定子绕组产生的磁 场和转动中的转子永磁体产生的永磁磁场在空间上始终保持在9 0 。左右的电角 度，从而产生最大转矩而驱动电机连续旋转。 具体工作过程为：以一对极三相绕组无刷直流电机为例，说明无刷直流电机 的控制过程，如图3 2 所示，其中正对面的绕组为同一线圈，即整距绕组。图3 3 所示的波形为三相绕组轮流导通时的电流波形图，其中的聊幸表示未导通相的过 零点，矿表示换相点。 本文的控制方法为两两通电方式n 射，所谓两两通电方式是指，每个瞬间只有 天津工业大学硕士学位论文 两个功率管导通，每隔6 0 。电角度换相一次，每次换相一个功率管，每一功率 管导通1 2 0 。电角度。同一相绕组的上下两管不能同时导通。规定电流的正方向 为从a 、b 、c 端流入，x 、y 、z 端流出。凡、厢、凡为a 、b 、c 三相绕组产生 的正向磁动势。假设电机顺时针旋转，当电机转子嘲处在如图3 - 2 ( a ) 所示位置 时，t l 、t 4 管导通，电流从a 相流入b 相流出，c 相为不导通相，与图3 3 f l c e 队 e b e c i h b k 图3 2 一对极三相绕组无刷直流电机的控制过程 ， 印6曲印ls t e p 2s t e p 3s t e p 4s t e p 5蛔1 6 vj m 、 m 0哆 n 5 m 。k i i 。n l ： ： 0 ：l!：1 0 l：l 一 0 百i 7 图3 - 3 三相绕组的反电动势和电流波形图 d 第三章无刷直流电机启动过程仿真研究 的s t e p l 相对应。在合成磁动势f a b 的作用下( 磁动势为负表示与规定正方向相反) ， 转子顺时针旋转，转子转过3 0 。电角度时，转子瑚与垂直，此时为c 相反电 动势过零点m l ，当转子再转过3 0 。电角度时如图3 - 2 ( b ) 所示，此时为换相点行l ， 换成t l 、t 6 管导通，电流从a 相流入c 相流出，在合成磁动势艮的作用下，转 子顺时针旋转6 0 。电角度，如图3 - 2 ( c ) 所示，继续换相，t 3 、t 6 管导通，依此 类推，转子每转过6 0 。电角度，就需换相一次，可得功率管导通顺序为：t l t 4 ， t 1 t 6 ，t 3 t 6 ，t 3 t 2 ，t 5 t 2 ，t 5 t 4 ，t l t 4 ，( 电机顺时针旋转) 或t l t 6 ，t l t 4 ， t 5 t 4 ，t 5 t 2 ，t 3 t 2 ，t 3 t 6 ，t 1 t 6 ，( 电机逆时针旋转) 。 由以上分析可知，在检测到未导通相反电动势过零点后，再延时3 0 。电角 度，即为换相点。要控制电机持续不断的旋转，就要预先知道转子的位置，从而 进行正确的换相，使三相绕组产生的磁场与转子磁场保持同步。最佳换相位置如 图3 - 4 所示。 3 3 三段式启动方法 图3 4 最佳换相位置 利用反电动势过零检测法检测转子位置，由式( 3 8 ) 可知，反电动势的大小正 比于电机的转速，在低速时很难被精确测量，只有当电机被启动并有一定转速后， 才能精确测定反电动势的过零点。所以无法在电机启动阶段利用反电动势过零检 测法进行转子位置检测，需要采用特殊的起动方法。本文采用三段式启动法，它 由转子预定位、强推加速和状态切换三个过程组成n h 钔。 3 3 1 转子预定位 由于电机在工作前转子位置是随机的，所以就无法确定先导通哪两个 m o s f e t 管，与其花费大量的精力和时间设计各种系统判断转子的初始位置， 倒不如用控制芯片控制转子的初始位置，即先将电机转子预定位，也就是将转子 拉到一个确定的位置，以便我们在启动时可以确定先导通哪两个功率管。 天津工业大学硕士学位论文 3 3 2 强推加速 转子位置确定后就可以进行外同步加速，按照预先设置好的换相顺序对 m o s f e t 管轮流导通，同时，换相频率不断提高。这样在空间形成一个频率不 断加大的旋转磁场，带动转子沿着预定转向连续旋转。 转子预定位和强推加速属于外同步运行，这种运行方式是指电机根据外部施 加的控制信号进行换相，与之相对的是自同步运行，它是指电机根据转子自身的 位置信息一反电动势过零信号，进行换相。 3 3 3 运行状态切换 当电机启动后达到一定转速，可以准确检测反电动势过零点时，就可以从外 同步运行切换到自同步运行方式，即根据反电动势过零点信号来运行矧。 由于三段式启动法与电机的自身特性、负载转矩、外施电压、加速曲线等密 切相关，因此实际应用中，需要进行多次的调试来确定最佳切换时刻、加速曲线 以及起动过程的p w m 占空比控制等参数，保证电机正常起动。在各种参数都不 确定的情况下，盲目进行试验可能导致电路板烧毁或电机出现故障，考虑到成本 及进度因素，本文做了基于m a t l a b s i m u l i n k 的无刷直流电机启动过程仿真研究。 借助建模与仿真技术，可以研究、分析整个电机系统的各类定量关系，提取设计、 分析和调试电机及其驱动系统所需的信息、数据和资料。对于无刷直流电机的运 行特性分析及控制策略的研究都是很有必要的。 在仿真研究阶段主要做的工作包括转子预定位阶段的数学分析及仿真，和加 速阶段加速曲线的确定等。 3 4 转子预定位过程的数学分析及仿真 3 4 1 数学分析 由上述分析知，启动前的电机转子位置是未知的，这时就需要预定位阶段来 决定转子位置。本文采用的方法是通过给定子三相绕组全部通电，实际中，可以 使t l 、t 4 和t 6 这三个m o s f e t 管导通，即电流从a 相绕组流入，从b 、c 相 绕组流出。 根据定子绕组产生的磁场和转子永磁体产生的永磁磁场在空间上为9 0 。电 角度时，能产生最大电磁转矩原理。将三相绕组产生的磁动势分解为两个相互垂 直的分量，分别平行于和垂直于转子d 轴，其中，平行于转子d 轴的分量产生的 第三章无刷直流电机启动过程仿真研究 电磁转矩为零，垂直于转子d 轴的分量能够产生最大电磁转矩。根据电磁转矩方 程进行三种条件下的仿真，得到三相绕组全部导通的情况下电磁转矩与电机速度 和转子转角的关系，进而明确预定位阶段转子的运动情况。 首先根据矢量控制方法进行坐标变换，各坐标关系如图3 5 和图3 - 6 所示。 矢量控制所用到的坐标系包括：静止坐标系a b c 坐标系，筇坐标系；旋转坐标 系由坐标系。 l 、a b c 坐标系 电机三相绕组的轴线分别为a 、b 、c ，彼此互差1 2 0 0 空间角度，构成a b c 坐标系。根据电流方向，得到r ，厢，氏在a b c 坐标轴上的方向如图3 5 所示( 根 据右手定则确定磁动势方向) 。 声 民1 7r f 一 图3 5 矢量变换图 2 、三相两相变换 定子三相绕组a 、b 和c 的轴线在空间上是固定的，以a 轴为参考坐标轴，口、 为两相静止坐标系，它不随转子旋转而转动，口轴与a 轴重合，轴超前口轴 9 0 。电角度。三相空间相差6 0 。的磁动势n ，风，r 分解到筇轴上，按照合 成旋转磁动势相同的原则，得 以= f a + 凡+ 圭足 ( 3 - 9 ) 易= 孚疋孚昂 ( 3 - 1 0 ) 根据f = n i ，其中为绕组匝数，伪绕组电流，设三相绕组每相匝数为3 ， 两相绕组每相匝数为2 。规定a 相电流为正，则b ，c 相电流为负。则式( 3 9 ) 和 式( 3 - 1 0 ) z 写成 名- 1 2 2 一- 并1 1 2 i i r a 尼豳 仔mo k _l m m = 1j l l p。l 天津工业大学硕士学位论文 其中j l d 为零序电流。根据c m 和c m _ 1 两矩阵的乘积等于单位矩阵e ，求 出m n 2 ：历，k = 1 2 ( 具体计算过程参考文献【3 3 】) 。 3 、两相静止坐标系和两相旋转坐标系之间的变换 砌坐标系固定在转子上，坐标系随转子以同步转速旋转，d 轴为转子轴，口 轴超前d 轴9 0 。空间角度，就构成了由轴坐标系，它是坐标轴旋转的等效两相 坐标系。 g 争 、“ 一 口 图3 - 6 矢量变换图 筇坐标系到由坐标系的坐标变换为 2 = 。一c o s 访s0 秒c s o i i l s 目o i l ，g 。 ( 3 - 1 2 ) 其中，曰表示d 轴与口轴之间的夹角，随时间而变化。规定当d 轴在口轴上 方时，口为正，在a 轴下方时，目为负。由于电流由a 相流入，b 、c 相流出， 电流方程为 i k = i b + i c 0 1 3 ) 将式( 3 11 ) 和式( 3 - 1 3 ) 带入式( 3 1 2 ) ，得 厶：鱼2 幸i a * c o s 0 + 鱼2 ( l - i b ) s i l l p ( 3 1 4 ) ：一鱼2 * i a * s i n 0 + 鱼2 ( 如- i b ) 宰c 。s 口 ( 3 一1 5 ) 由坐标系是与转子同步旋转的，由此得的到两个相互垂直的分量也是与转 子同步旋转的，j r a 是与转子d 轴垂直的分量，等于电机的转矩电流分量。由于转 子初始位置未知，当转子d 轴位于第一二象限时，p 的范围是0 - 1 8 0 。，当转子d 轴位于第三四象限时，口的范围是0 一1 8 0 0 。 由式( 3 - 7 ) 知，恒定电磁转矩大小可表示为：= 断，此处可以写成 乙2 峰 ( 3 1 6 ) 第三章无刷直流电机启动过程仿真研究 3 4 2 仿真分析 1 、假设1 ：不考虑负载( 包括摩擦) ，并令厶为一定值，且届爿0 情况下，得 乙= 墨卜竽”s i i l 口 ( 3 - 1 7 ) = k s i n 矽 其中尺= 一墨笋厶，可以假定为一常数。 口：生：k s i n 0 ：一d m mm d t d 2 出 ( 3 一i s ) 其中a 为角加速度，m 为转动惯量，缈为角速度。 在假设1 条件下得到式( 3 一1 8 ) ，并经过编写m a t l a b 的m 函数，得到电机转速 和臼仿真波形如图3 7 和图3 - 8 所示。 喾 矗 霜 挥 图3