（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的无刷直流电机控制器的设计.pdf

广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 l i l l ii itl i l yi i iirll lu i y 17 3 7 9 2 4 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 爿t 孝三 l 学位论文使用授权说明 伽佃年妇加 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 团即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 武耘乙 i 导师签名：j 蓑聃唁二秒，矿年j 月矽日 基于d s p 的无刷直流电机控制器的设计 摘要 无刷直流电机( b l d c m ) 具有维护方便、运行效率高的优点，已经 在家用电器、工业传动以及其它领域得到了广泛应用。本文针对无刷 直流电机的结构特点，采用基于d s p 的无刷直流电机控制器的设计方 案，并设计出1 5 k w 的b l d c m 控制器样机。 本文首先讨了b l d c m 的本体结构，并介绍了全桥式驱动电路，详 细推导出b l d c m 的数学模型。根据b l d c m 的结构特点，选用t m s 3 2 0 f 2 8 12 控制芯片作为总控制单元，开关管的导通和关闭采用电压型的单极性 p w m 脉冲来控制。采用速度和电流环双闭环控制结构，通过比较传统 的p i d 控制算法的不足，采用了改进的p i d 控制算法，最终选择非线 性变速积分p i d 控制策略。 在分析b l d c m 数学模型的基础上，利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真平 台建立该系统的仿真模型。在理论分析和仿真验证后搭建了硬件电路。 d s pf 2 8 1 2 输出6 路p w m 信号经过光耦隔离后送i r 2 1 3 0 驱动电路，驱 动i g b t 的开关。电路设计有各种保护功能，并充分考虑了电磁兼容设 计。另外从程序设计模块化思想入手，对整个系统的软件构成以及主 要软件模块进行了具体的编程。最后对整个实验系统进行了调试，实验 结果表明该控制器可以稳定运行。 关键词：无刷直流电机建模仿真t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 脉宽调制p i d 算法 d e s i g no f b r u s h l e ssd cm o t o rc o n t r o ls y s t e m b a s e do nd s p a bs t r a c t s i n c eb r u s h l e s sd cm o t o r s ( b l d c m ) h a se a s ym a i n t e n a n c eh i g h e f f i c i e n c y , i th a sb e e nw i d e l yu s e di nh o m ea p p l i a n c e s ，i n d u s t r i a ld r i v e s ，a n d o t h e rf i e l d s i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fb r u s h l e s sd cm o t o rs t r u c t u r ef e a t u r e s t h ed s p b a s e db r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e d 。a n d1 5 k wt h e p r o t o t y p eo fb l d c m h a sb e e ns u c c e s s f u l l yc o m p l e t e d t h i sp a p e rf i r s t l yd i s c u s s e st h eb l d c mo n t o l o g ys t r u c t u r e ，a n di n t r o d u c e s af u l l b r i d g ed r i v e rc i r c u i t d e t a i l e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l d c mi sd e r i v e d a c c o r d i n g t ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s f i c so fb l d c mw ec h o o s et h e t 】$ 3 2 0 f 2 812c o n t r o l l e rc h i pa st h et o t a lc o n t r o lu n i t ，u n i p o l a rp w mw i m v o l t a g ep u l s e st oc o n t r o ls w i t c ho n a n do f f - t y p e u s i n gd o u b l e - l o o ps p e e da n d c u r r e n tl o o pc o n t r o l s t r u c t u r e b yc o m p a r i n gt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l a l g o r i t h m ，w eu s eam o d i f i e dp i dc o n t r o la l g o r i t h m ，t h ef i n a lc h o i c eo f n o n l i n e a rv a r i a b l e i n t e g r a l p i dc o n t r o l s t r a t e g y a f t e rt h ea n a l y s i s o f m a t h e m a t i c a lm o d e l so fb l d c mb a s e do nt h eu s eo fm a = r i ，a b s i m ，i n k s i m u l a t i o np l a t f o r r n ，w ee s t a b l i s h e dt h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l s a f t e rt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nv a l i d a t i o nw eb u i l th a r d w a r ec i r c u i t 6p w m s i g n a l sf r o md s p f 2 812o u t p u tt h r o u g ho p t o i s o l a t i o nf o r 也13 0d r i v e rc i r c u i t t od r i v ei g b ts w i t c h t h e r ea r ev a r i o u sp r o t e c t i o nc i r c u i t ，a n df u na c c o u n to f t h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yd e s i g n t h em o d u l a ra p p r o a c hc o n s t i t u t e st h e w h o l es y s t e m ，a n dm a jo rs o f t w a r em o d u l e sh a v eb e e ng i v e ns p e c i f i cp r o g r a m s f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mh a sb e e nd e b u g g e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t 1 1 a tt h ec o n t r o l l e rc a ns t a b l yr u n n k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd c m o t o r ；m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ；t m s 3 2 0 f 2 8 12 d s p ；p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ；p i da l g o r i t h m h i 目录 摘寻要i a b s t r a c t 。i i 第一章绪论1 1 1b l d c m 的应用场合1 1 2b l d c m 发展历史、研究现状及发展趋势2 1 2 1b l d c m 发展历史2 1 2 2b l d c m 研究现状2 1 2 3b l d c m 的发展趋势4 1 3 本课题的研究目标、主要工作以及内容安排5 第二章无刷直流电机结构及其数学模型7 2 1b l d c m 本体结构和驱动方式介绍。7 2 1 1b l d c m 本体结构。7 2 1 2 功率驱动电路8 2 2 无刷直流电机数学模型9 2 3 本章小结1 4 第三章无刷直流电机控制系统总体方案设计l5 3 1 控制系统的总体设计方案1 5 3 2 控制结构介绍。1 5 3 3 选择控制芯片16 3 4 控制技术16 3 4 1 调速原理1 6 3 4 2 电机电压的调节方法17 3 4 3p w m 波的产生17 3 5 控制策略18 3 6 本章小结一1 9 第四章无刷直流电机控制系统仿真分析2 0 4 1 基于m a t l a b s i m u l i n k 的b l d c m 系统模型的建立2 0 4 1 1b l d c m 本体、逆变器、p i 控制器2 0 4 1 2 换向逻辑2 0 4 2 整定p i 参数2 1 4 3 仿真结果2 1 4 4 本章小结2 3 i v 第五章控制系统硬件设计2 4 5 1 系统主电路2 4 5 2 整流电路设计2 5 5 3d s p 芯片及其外围电路2 6 5 4 逆变桥及其驱动电路2 8 5 5 信号采样电路2 9 5 5 1 转子位置信号检测电路2 9 5 5 2 电流的采样电路3 0 5 6 故障检测和保护部分电路3 2 5 6 1 过压欠压保护电路3 2 5 6 2 过流保护电路3 2 5 6 3 过温保护电路3 2 5 7 硬件系统电磁兼容设计3 3 5 8 本章小结3 3 第六章控制系统的软件设计3 4 6 1 软件开发环境介绍3 4 6 2 主程序设计。3 4 6 3 主要软件模块介绍3 5 6 3 1 霍尔信号捕获中断模块3 5 6 3 2a d 中断模块3 7 6 4 本章小结3 8 第七章系统调试与运行分析3 9 7 1 实验设备3 9 7 2p w m 脉冲信号实验3 9 7 3 实验总结4 0 总结与展望：4 1 参考文献4 2 致谢4 5 在学期间发表的学术论文和研究成果4 6 v f - 西大学硕士学位论文基于d s p 的嬲直流电机控制器的设计 第一章绪论 本文针对具有梯形波方波反电动势的无刷直流电机( b l d c m ) 进行研究，b l d c m 因 其运行可靠、维护方便、运行效率高、调速性能好等优点，非常适用于家用电器和工业 传动等。国外的大公司都纷纷推出比m c u 性能更强的d s p 电机控制器，如a d i 公司的 a d m c 3 x 系列，t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 、c 2 7 、c 2 8 系列及m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 f s x x 系列。 它们大部分都是将一个d s p 内核配以专用电机控制模块集成在一个芯片内，硬件成本大 大下降且体积缩小，嵌入式控制系统性能更强。与传统m c u 相比，数据处理能力增强， 进一步提高了控制系统的精度和实时性。d s p 构成的控制系统可以满足各种场合下的需 求，从家电领域到工业变频控制领域，无刷直流电机d s p 控制器得到了广泛的应用。 1 1 b d c m 的应用场合 b l d c m 因其突出的性能特点，已在汽车制造业、航空制造业、家用电器等行业有了 较好的发展，下面就无刷直流电机的应用场合作详细介绍。 1 b l d c m 在汽车行业的应用 电动汽车中的电机是驱动的重要部件，除此之外，电机也应用在汽车空调、安全气 囊、雨刮器、电动车门、电动椅等方面。汽车空调是汽车中较为重要的配套产品，汽车 空调性能的好坏不仅对汽车的舒适度有直接影响，而且也会间接影响人们对整部汽车的 性能好坏的评价。汽车空调中电机驱动技术与家用空调的压缩机用电机驱动相似，使用 无刷直流电机驱动的空调压缩机的将向更为节能、舒适的全直流化变频发展。 2 b l d c m 在航空工业中的应用 现今，航空航天工业已经开始尝试利用电机驱动代替气动和液压传动设备，这已经 成为未来的发展方向。航空航天行业由于其加工制造的产品的特殊性，导致其对于电机 的要求更为严格，体积小、结构简单的电机成为其对电机的基本要求。而无刷直流电机 具有特殊结构特点和可以用无位置传感器控制方式，使其在航空航天领域受到青睐。无 刷直流电机在航空航天行业中运行一般为变负载运行，要求其控制精度高和良好的动态 响应能力，陀螺仪和机械臂控制是其最为典型的应用。它们的工作原理为半闭环或闭环 速度反馈控制，相应系统一般采用先进的控制算法。 3 b l d c m 在生活家电中的应用 随着人们的生活水平的提高和全社会对节能减排越来越重视，无刷直流电机成为许 多家电的驱动电机的首选，与异步电机相比，无刷直流电机的优点有：( 1 ) 高效率；( 2 ) 功率因数高，使逆变器的容量要求降低；( 3 ) 电源频率不再成为转速的限制因素，可以 将额定转速设计得较高，从而使压缩机的容量提高并减小体积；无刷直流电机在压缩机 广西大学硕士学位论文 基于d s p 的无扁直流电机控靠器的设计 中的应用，不仅可以满足国家对节能减排的要求，而且还可以改善压缩机的性能。另外， 盘式无铁心结构的无刷直流电机已经在v c d 、c d 等家用电器中应用。 4 、b l d c m 在办公设备中的应用 现今广泛使用的办公自动化设备和计算机外部设备中，大部分都是采用无刷直流电 机驱动，如新式打印机、复印机等以及光盘驱动器等。因为转子是稀土永磁材料，比较 耐高温同时也耐低温，可以在较恶劣环境中使用。 5 、b l d c m 在其他工业上的应用 b l d c m 综合了交流异步电机和有刷直流电机的优点，随着稀土材料技术的进步和电 力电子功能的提高，b l d c m 不再受价格的局限，将会越来越多地被运用在各种工业设备 上。目前在军、民用机器人的驱动设备中，传统的直流有刷电机和步进电机逐渐被b l d c m 所取代。 1 2b l d c m 发展历史、研究现状及发展趋势 1 2 1b l d c m 发展历史 长期以来，在各种工业应用中，有刷直流电机一直占据着重要位置，但随着电子和 材料技术的进步，从1 9 1 5 年开始，b l d c m 登上了历史的舞台。l a n g m u i r 在1 9 1 5 年采用 控制栅极的水银整流器并发明了该d c - a c 装置，从此把b l d c m 的理论变成了现实。随着 电子技术的进一步发展，h a r r i s o n 等人在1 9 5 5 年又发明晶体管换相技术取代传统的电 刷换相。使用霍尔元件捕获转子位置进行换相直到1 9 6 2 年才出现，随后的不久，高灵 敏度的磁敏二极管也相继出现。电子技术发展的同时，高性能的稀土永磁材料也不断出 现，如钐钴、钕铁硼等永磁材料为b l d c m 的广泛应用奠定了基础。b l d c m 真正进入实用 阶段还是在2 0 世纪8 0 年代，德国m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分公司首先推出m a c 无 刷直流电机及其控制器。自2 0 世纪9 0 年代以来，电力电子技术和微电子技术的不断发 展以及现代控制理论的进一步提高，单片机、复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 、数字信号 处理器( d s p ) 等处理器的大规模发展，运算速度不断提高，存储空间成指数级发展， 都为b l d c m 的发展起到了推动作用。很多先进的控制方法，如模糊控制、滑模变结构控 制、自适应控制等在b l d c m 控制策略上的运用，大大地抑制了转矩波动，在很大程度上 抑制了干扰。b l d c m 的性能的优越性又促进了其在各种行业的广泛应用。 1 2 2b l d c m 研究现状 现在国内外对b l d c m 的主要研究集中在以下三个领域：为了缩小电机体积，提高 可靠性，采用无位置传感器技术；为了抑制b l d c m 的转矩波动和进一步提高动态和稳 态性能，探讨各种控制方法，先进的控制理论在其领域不断被采用。控制器不断向集 成化、通用化方向发展。 2 广西大掌硕士学位论文基于d s p 的础u 直流电机控制器的设计 1 、无位置传感器控制技术 无位置传感控制技术不同于以往的通过位置传感器来检测电机转子位置的方法，无 位置传感控制技术则是通过测量电机内电压或电流的信号，获得相应的数据，经过特定 的数学算法的处理，从而获得转子位置信号【5 0 1 。转子位置间接检测法如图卜1 所示。 图1 - 1 转子位置间接检测方法 f i g 1 1i n d i r e c tr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nm e t h o d 变电机结构法是转子位置间接检测的方法之一，这一方法是通过改变转子或定子的 结构来获得转子位置信号的间接控制方法泓3 。 通过检测电机的电流、电压信号和转子位置信号之间的联系是无位置传感器进行检 测的新方法，而随着高智能控制技术的不断发展和应用，使得用最新的技术来对电机的 端电流、电压等信号进行检测成为可能，例如可以利用模糊控制技术等来进行检测。这 些方法也存在着显而易见的缺点，即这种方法往往需要复杂的运算程序和较长的时间， 所以成本也相应增加。 用无位置传感技术控制的无刷直流电机比有位置传感器电机启动较为困难嘲3 ，这一 直是该领域研究的难点和热点。 2 、转矩波动抑制的研究 无刷直流电机常常采用电子换相控制的方式，因为绕线电感的存在，这样的方式会 比较难以实现理想的方波，也就会造成系统的换相转矩波动，对转矩波动进行有效的抑 制则是无刷直流电机的重要研究课题枷。对转矩波动进行抑制则应该根据其产生的原 因来采取相应的应对措施以改善无刷直流电机转矩波动的问题h 钔，但现在对无刷直流电 机转矩波动的抑制所采用的一些方法多是对控制方式及转矩结构提出的改进和补救措 施哺副，并没有真正从根本上消除无刷直流电机转矩波动的问题，因此，今后这方面的问 题仍需进行更为深入的研究。 3 、无刷直流电机控制器研究 无刷直流电机控制器的发展经历了分立元件到数字集成电路控制方式，而采用分立 电子元器件的无刷直流电机控制器不仅可靠性较差，而且也存在结构复杂、体积庞大的 缺点。由此，现在的无刷直流电机的控制器大多采用f p g a 、d s p 、单片机、专用集成电 广西大掌硕士学位论文 基于d s p 的元屏直流电机控靠器的设计 路控制器等方式。 f p g a 具有灵活多变的特性，可以对硬件进行灵活的修改；而d s p 具有非常先进的数 据计算处理能力，因此它经常用于智能控制系统呻3 。近年来，人们越来越注意到d s p 的 这种优势，因此把d s p 用于无刷直流电机中，从而提高了无刷直流电机的精度和稳定性， 尽管运用d s p 的控制算法的技术还不成熟，但关于d s p 在无刷直流电机中的智能化应用 将是未来的必然发展趋势。典型的数字控制系统如图i - 2 所示。 图i - 2b l d c m 控制系统结构 f i g 1 - 2b l d c m c o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e 1 2 3b l d c m 的发展趋势 无刷直流电机涉及多项电子技术与控制理论，因此许多电子技术与理论的发展都对 无刷直流电机产生了重要的影响。 一、电力电子技术和微处理器技术对b l d c m 的影响力 1 、体积小与集成化 将微机电系统应用于电机控制系统中，可以使传统的电机控制系统的体积小型化、 集成化。例如，无刷直流电机的材料是稀土永磁材料，它可以使无刷直流电机内部的 温度升高较少，从而可以使逆变器放入电机里，使逆变器与机体相结合，形成一体化 结构，使得整个控制系统朝小型化和大规模集成化方向发展。另外，无刷直流电机将 各种内部信号融合后一起进行反馈，从而电机的运行更加稳定可靠。 2 、控制器全数字化 控制器性能的提高也对无刷直流电机系统整体的优化起着重要作用。高速的数字控 制器在无刷直流电机中的应用可以大大优化电机系统，促使无刷直流电机性能及结构的 更加优化。比如，d s p 芯片具有强大的数字计算处理能力，d s p 在无刷直流电机中的应 用可以大大改善传感器控制的方式，使无位置传感器控制成为可能n 1 。传统设计中一些 必须使用硬件才能完成的工作，也可以由软件控制的方式来完成，这样可以进一步减小 系统硬件的体系，提高系统的稳定性和可靠性。对控制系统中一些复杂的计算方法，往 4 广西大掌硕士掌位论文基于d s p 的无刷直流电机控制器的设计 往都是采用d s p 、c p l d 等芯片，这样既可以使无刷直流电机更加可靠，也可以为其接口 及硬件电路结构的数字化的发展提供条件。总之，控制器的数字化发展促进了无刷直流 电机硬件和性能的优化。 3 、采用p 删控制 当b l d c m 的逆变桥采用两两导通时，基于p w m 的调制方式可以分为双极性和单极性 调制两种方式口1 。双极性调制时，上下开关管都进行p w m 斩波控制，而单极性调制时， 同一个时刻只有上半桥或下半桥采用p w m 控制，而另一半桥采用常开模式。可以根据转 矩波动以及控制系统的效率来权衡考虑，每种方式都有其自己的优点和缺点。p w m 的开 关频率通常选择大于人耳的听觉范围之外，这样也可以避免绕组电感过小使得电流波形 不连续。p w m 在几十千赫兹的频率时通常选择m o s f e t 或者i g b t 作为功率开关管，同时 可以采用软开关技术保证开关管的开关寿命口】。为了提高系统的效率，通常选择高电压， 小电流来驱动电机，这样同时也降低了开关管的损耗。 二、新型b l d c m 的研究 无刷直流电机根据其应用的不同场合，需要有不同的特性要求，像应用于计算机、 d v d 、v c d 及航空航天等领域的无刷直流电机，则需要无刷直流电机有更高的稳定性、精 确度的性能要求，这就要求无刷直流电机必须改进其相应的性能，使其噪声小运行稳定 等。这时，推动了遗传算法和小生境算法等在电机设计中的运用，研究出最优的气隙磁 场和各种电机结构参数。经过改进的电机有无槽式h 羽、无铁心式、轴向磁场盘式等无刷 直流电机等。 三、控制策略的最优化 无刷直流电机性能的改善还可以从优化无刷直流电机的控制策略来实现，传统的无 刷直流电机控制器多采用典型的p i d 控制，该算法的优点是算法简单比较易于实现。但 b l d c m 是个多变量耦合、非线性的系统，利用传统p i d 控制的缺点是控制精度难以达到 较高的标准。随着先进的各种现代控制技术的不断成熟，一些高智能控制理论的控制技 术例如模糊控制陆刀、变结构控制等等已开始应用于b l d c m 控制系统中，从而大大提高了 无刷直流电机的控制性能，这些利用非线性控制的控制方法随之带来的问题是其控制的 复杂程度也相应增加。但随着d s p 高速处理器的应用，使无刷直流电机逐渐朝精度高、 稳定性好、智能化的方向发展。 1 3 本课题的研究目标、主要工作以及内容安排 本文以一台额定电压为3 1 0 v d c ，1 5 k w 的无刷直流电动机作为研究对象，研究的目 标是开发出一款基于d s p 控制的无刷直流电机控制器。要求该控制器结构简单、运行可 靠、控制系统具有良好的动、静态性能。本文的主要工作有：分析无刷直流电动机的本 广西大学硕士学位论文基于d s p 的无刷直流电机控制器的设计 体结构、工作原理和相关的数学模型，并设计双闭环控制系统；在m a t l a b 仿真的基础 上进行软、硬件设计。本设计采用德州仪器公司电机控制专用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作 为主控制器，用于对b l d c m 的速度控制，设计目标为： 1 要求响应快，超调量小，控制精度高； 2 采用电流、转速双闭环控制； 3 对系统电流、电压、温度实时监控，防止出现过流过压过温现象； 4 将改进的数字p i 算法应用到设计中，提高系统的控制性能； 全文共分为六章，内容安排如下： 第一章介绍无刷直流电机的发展和研究现状，然后提出本文将要研究的内容。 第二章先介绍无刷直流电机本体的结构特点和工作方式，然后推导出无刷直流电机 数学模型。 第三章详细介绍了本设计的控制方法和控制策略。在介绍传统的p i d 算法的不足后， 采用了一种改进的p i d 算法一非线性变速积分p i d 的方法。 第四章基于m a t l a b s i m u l i n k 的b l d c m 系统模型的建立，采用转速、电流双闭环控 制，采用离散p i 模块，对b l d c m 系统进行仿真分析。 第五章介绍控制系统硬件设计，包括整流电路设计、d s p 芯片及其外围电路、逆变 桥及驱动、信号采样、故障检测和保护等电路设计。最后介绍了硬件系统设计所应该注 意的电磁兼容问题。 第六章介绍控制系统的软件设计，包括软件开发环境、主程序以及相关程序模块。 第七章是实验结果分析，通过实验证明了本设计方案的可行性。 最后是总结和展望。总结了自己的研究工作，并提出待进一步研究的地方。 6 广西大学硕士学位论文基- - 3 pd s p 的无刷直流电机控制器的设1 4 - 第二章无刷直流电机结构及其数学模型 要对b l d c m 的性能进行分析和设计其控制系统，必须首先建立相应的数学模型。而 建立模型又不得不了解b l d c m 本体的结构和工作方式。一般来说，b l d c m 由电机本体、 位置传感器和驱动电路这个三个主要的工作部分。不同电机本体的驱动方式不一样，而 基于d s p 技术的b l d c m 可以针对电机本体进行个性化设计。接下来的内容先分析电机本 体结构和驱动方式，在此基础上详细地推导了一般的b l d c m 数学模型。 2 1 b l d c m 本体结构和驱动方式介绍 2 1 1b l d c m 本体结构 把有刷直流电机的机械换向机构用电子开关电路来替代，就成了b l d c m 。普通的直 流电机使用电刷进行不断的换向，这样主磁场就始终能够垂直电枢磁场，使得电机的转 矩能够产生最大值，电机就能够保持运动。而b l d c m 转子和定子与有刷直流电机的位置 正好相反，把磁钢部分作为转子，而把电枢绕组作为定子。为了测量转子位置，必须要 能够测得转子磁钢的位置，以便转子始终保持和定子绕组相互垂直。这就产生了转子位 置传感器电路和控制电路以及相应的逆变桥电路部分。 跟永磁同步电机不同的是，为了充分利用永磁材料，b l d c m 采用方波或者叫梯形波 的励磁方式，这样增大了电机的力矩和减小了电机本体的体积，同时在降低能耗和制造 成本等方面具有很大意义旧。 跟永磁同步电机相似的是，在电机本体机构上都是采用永磁材料作为转子，电枢绕 组作为定子，其结构图如下所示。 图2 - 1b l d c m 本体截面示意图 f i g 2 - ls c h e m a t i cc r o s s s e c t i o no f t h eb l d c mn o u m e n o n 1 定子 b l d c m 的定子铁心中嵌有一相或两相以上对称绕组，可以接成y 型或者型。y 型 电枢比较节省绕线材料，成本较低，应用较广泛，一般不引出中性点。不同于传统的有 7 广西大掌硕士掌位论文基于d s p 的天塥u 直流电机控制器的设计 刷直流电机的定子形式。 2 绕组形式 整距集中绕组在b l d c m 较为常用，其他的绕组形式还有整距分布式、短距分布式绕 组等。不同的绕组形式对反电动势的波形影响较大，对电机的性能有重要作用。 ( 1 ) 整距集中绕组的结构形式是，同相绕组的绕线放在同一个定子槽中，并且处于 相同的磁极下，各导体的磁通密度都相同，这样所得到的反电动势相互叠加的结果波形 形状与磁通密度相似，反电动势波形与磁通密度分布的波形具有相同的平顶宽度。 ( 2 ) 分布式绕组跟整距集中绕组不同的是，它将不同绕组分开绕在定子的表面，而 不是集中在哪一个定子槽中。这种方式的优点是有利于散热，但磁通密度分布不容易达 到方波波形。 ( 3 ) 短距分布式绕组的最大优点是因为缩短了绕组端接线，节约了绕线材料。有利 于转矩波动的抑制，但转矩相应地也被削弱了。 3 转子 在铁芯的表面粘贴一定的极对数的永磁材料或者在铁芯内部嵌入永磁体就构成了 b l d c m 的转子，其中的永磁材料常用钕铁硼稀土作为原料，它具有矫顽力高、剩磁感应 密度高的特点。和有刷直流电机的永久磁钢相类似，均是为了在电机的气隙中建立特定 方向的、有一定强度的磁场，不同点就是一个装在转子上一个装在定子上。常见的转子 结构类型有以下几种： ( 1 ) 表面粘贴式或叫瓦形磁极，即在转子的铁芯表面粘贴永磁体，并且充磁方向为 径方向。通常大多数的b l d c m 的径向励磁的表面粘贴永磁体的的极弧宽度大于1 2 0 0 电角 度，这样在转子铁芯表面可以形成方波磁通密度，使得转矩波动减小。 ( 2 ) 矩形磁极或叫嵌入式磁极，是把矩形永磁体嵌入到铁芯内。他的优点是相邻的 两个磁极共同作用在一个极距下，使得磁通增大。所不利的是该结构需要用不锈钢做轴 或者采样隔磁处理。 ( 3 ) 环形磁极结构是在把一个整体的环形永磁体套在铁芯的外表面，采用某种方式 把该磁体进行径向充磁处理为多极结构，常用于小功率电机中。 4 位置传感器 要使电子逻辑开关正确换向，必须先要判断转子的磁极位置，使得转子磁极和绕组 的磁场方向垂直。通常使用位置传感器将永磁体的位置转换为换向的电信号，控制定子 绕组的开关顺序，这样才能使得电枢绕组按着一定的规律进行换向，在电机的气隙中才 能形成旋转磁场，从而不断地推动转子的转动。常用的的位置传感器有霍尔传感器、光 电传感器和电磁式等。为了降低成本，一般常使用价格低廉并且体积还较小的霍尔位置 传感器。 2 1 2 功率驱动电路n 本文采用全桥式三相y 型电路驱动，如下图所示嘲。其中t 1 、t 2 、t 3 、t 4 、t 5 、 8 广西大学硕士学位论文基于d s p 的元刷直流电机控制器的设计 t 6 为功率开关管，开关管的导通和关断按照位置传感器的逻辑信号依次导通，采用两两 导通方式。 图2 - 2 全桥式驱动电路 f i g 2 2f u l l - b r i d g ed r i v e rc i r c u i t 该方式是在电机的运转中只有两相导通，另外一相处于悬空状态，位置传感器得到 的转子位置信息控制定子绕组相的导通顺序。两相合成磁场在空间中每隔6 0 0 电角度旋 转一次，从而成为步进式跳变。两两导通方式使得在3 6 0 0 电角度中有6 个磁状态，并且 电枢绕组的续流时间为转子转过1 2 0 0 电角度的时间，每6 0 0 电角度逆变桥就换流一次。 在两两导通时，流过两电枢绕组的电流方向相反，产生的转矩也就相反，两绕组的的合 成转矩为两个绕组的转矩矢量和，每6 0 0 电角度换向一次。 对于全桥式还有三三导通方式，其缺点是在同一时刻上下开关管容易同时导通，从 而容易导致烧坏开关管等故障发生。 一 此外还有半桥式、c - d u m p 式、h 桥式悖3 、四开关结构驱动方式等，在综合控制成本 和转矩特性方面的考虑，本文选择全桥式、两两导通方式的驱动电路。 2 2 无刷直流电机数学模型h 】 以两相导通三相六状态的b l d c m 为例，来分析b l d c m 的数学模型。设其感应电动势 为梯形波，电流为方波。为了突出主要问题，简化分析，基于无刷直流电动机的主要特 点假定：定子绕组为y 形连接方式，6 0 。相带整距集中绕组；忽略磁路饱和，涡 流和磁滞损耗都不予考虑：转子上没有阻尼绕组，并且永磁体不起阻尼作用；不 考虑电枢反应，气隙磁场分布为梯形波，平顶宽为1 2 0 。电角度；忽略齿槽效应，绕 组均匀分布于光滑的定子内表面。电子开关管以及续流二极管看作理想元件。简化 后的电机结构如图2 - 3 所示。 按照图2 3 ( c ) 所规定的正方向，b l d c m 的任一相相电压可以表示为 z=疋屯+bh(21) 其中：甜，相电压，三相绕组a 、b 、c 都用下标x 表示： t 相电流； ，相感应电势； r 。相电阻，我们知道，在对称三相绕组中1 l a = r s = r c 9 广西大学硕士掌位论文 基于d s p 的元刷直流电机控制器的设喧- i - ( a ) b l d c m 结构 ( a ) b l d c ms t r u c t u r e 线 ( b ) 绕阻连接方式( c ) 正方向规定( a 相) ( b ) w i n d i n gc o n n e c t i o nt y p e ( c ) p r o v i d e dp o s i t i v ed i r e c t i o n ( ap h a s e ) 图2 - 3 无刷直流电机示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fb r u s h l e s sd cm o t o r 三相绕组中的每一相的感应电势与通过该相的闭合磁链的变化率有关，它的大小等 于 d w e v x = ( 2 2 ) “l 在三相绕组中的每相磁链不仅与该相电流引起的磁通有关，还与其它两相的电流引 起的磁通有关，同时还受到永磁材料的磁通影响，例如a 相的磁链大小为： 甲_ = l + m 他+ m 彳c + 甲册( 口) ( 2 3 ) 式中：甲脚( p ) _ a 相绕组受到永磁材料引起的磁链； 9 转子位置角，指a 相绕组轴线和永磁转子直轴之间的夹角； 三。a 相绕组自感； 心口、m a c 分别为a 相绕组与b 相、c 相绕组的互感。 y 。( 日) 的大小跟气隙中永磁体的磁场分布有关，b l d c m 永磁体引起的径向气隙磁场 在定子内表面的分布形状为梯形，如图2 - 4 所示。当永磁转子沿逆时针方向旋转时，绕 组沿0 轴正方向向前移动，穿过绕组的磁链随着转子的旋转角度发生变化。当0 = q 时， 穿过a 相绕组的永磁磁链为： 甲朋( 口) = 朋( a ) ( 2 4 ) 三 妒。 ) = j2 。b ( o ) s d o ( 2 5 ) 1 ” 其中：妒肭 ) 当0 = q 时a 相绕组通过的永磁磁通； b ( 日) 永磁体径向气隙磁通密度分布，在定子内表面呈梯形分布； 绕组匝数； s 绕组所围成的面积，等于导体有效长度和极距的乘积。 1 0 基于d s p 的元刷直流电机控制器的设计 届 厂 矾山一 l l u 乙1 删刁 x a ( a ) 转子位置( b ) 磁通分布 图2 4a 相绕组永磁磁通 f i g 2 - 4ap h a s ew i n d i n gp e r m a n e n tm a g n e tf l u x 将式( 2 2 ) 式( 2 5 ) 代入式( 2 1 ) ，可得 2 矾+ 盖( l + + 鸠c t + 甲朋) = 矾+ 丢( l + 鸠口+ 心c f c ) + 丢 胭睡二b ( x ) 出】 = r + 盖( l + m 肋+ m a c 之) + ( 2 6 ) 式中：巳a 相反电势。 在忽略磁饱和的条件下，绕组的自感和互感分别为 幺= n 2 a ( 2 7 ) = 2 人仰 ( 2 8 ) 式中：人a 相绕组自感磁通相应的磁导； 人肋绕组a b 之间互感磁通相应的磁导。 b l d c m 的转子结构通常采用表面粘贴式隐极形式，绕组的电感量是与时间无关的常 数( 不同于随时间变化的凸极结构) ，同时三相绕组中因为结构对称，自感和互感都相 等，即l = 厶= k = l ，= 蚝= = 蚝= 鸠c = 蚝= m 将其代入( 2 6 ) 得 虬= 矾+ zd _ l + m 堕+ m 生+ m 堕+ e a (29)d 44 td td td t 、7 式中： = 丢 淞口( x ) 捌= n s 曰呼+ 日) 一b ( 一兰+ 鲫警 = 7 s 召( 詈+ 日) 一召( 一要+ 9 ) 】 ( 2 1 0 ) 式中：电机电角速度。 b ( o ) 以2 z 为周期，图2 - 9 ( b ) 所示，并且占( 8 + 丌) = 一b ( o ) ，所以 = 一城 b 每+ p ) 一b ( 丢+ p ) 】 广西大学硕士学位论文 基于d s p 的删直流电机控制器的设计 ：n s 缈【b + p ) 一b + 0 + i f - - 2 万) 】_ 2 n s c o b ( - 等+ 9 ) ( 2 1 1 ) 可见，气隙磁密分布b ( 日) 比相反电势相应角度的波形要滞后t r 2 电角度，可写为 e a = 2 n s c o b , f ( p ) = y 。无( 9 ) ( 2 1 2 ) 式中：吃转子气隙磁密的最大值； y 。永磁磁链通过每相绕组匝链的最大值，l f ，肿= 2 n s b , , , ； 无( 日) - a 相反电势的波形函数； 这里无( a ) 的波形为梯形波，无( 日) 嗍= l ，无p ) 曲- - 1 ，与b ( 9 ) 和的相位关系如 下图所示。