（机械电子工程专业论文）无位置传感器永磁无刷直流电机控制系统的设计与实现.pdf

摘要 近年来，随着电力屯子技术的发展和新溅水磁材料的出现永磁无刷奁流电机得到迅滤发展。 因其具有运行效率商、调速性能好、体积小、嫩量轻等一系列优点，在许多领域得到了广泛应用。 出于永磁无霹爨流电机的位黉馋感器安装不方便、使用寿龠凝、应用受周选坏壤影响较大等医素， 截约了它的滋一步发袋帮瘦麓。困蘧，象磁笼穗直流电辊静恶位萋簧感嚣撩铡技术已成为瓣内终 研究热点，有糟广阔的应用翦景。 论文通过对几种常用的转予位置检测方法的对比分析，确定使用“反电辫过零检测法”作为本 系统驰控制方法。并在对该方法遴簿了详细的分辑是，设计了反电势过零粳测电路，对梭测毫鼹 移相产生的转予位置误差进行了分辑，给出了静偿方法。本文设诗实孺了蒸于“反电势避零捡灏 法”的无位置传藤器永磁无剃赢流电机控制系统，包括硬件部分和软件部分。硬件部分主舞包括 控制板和功率扳，其中控制芯片是英飞凌8 位单片机c 8 6 8 ，驱动芯片是t l e 6 2 8 0 g ，开哭管是功 攀m o s f e t ；软馋落势毽捂瞧掇起动、转予穰嚣检测馈号的照理等。实验绪暴验证了幕绞浚诗的 正确性。 必键词；永磁笼刷直流电机，c 8 6 8 ，反电势 焱，无位置传感嚣 a b s t r a e p e r m a n e n tm a g n e tb r u s l d e s sd cm o t o r s0 3 m c 岣h a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s w i t ht h eh e l po ft h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n i q u ea n dt h ea p p e a r a n c eo fn e wt y p eo f p e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l b l d c mh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d sd u et ot h e i ra d v a n l a g e s , s u c ha sh i g he f f i c i e n c y , e a s eo fc o n t r o l , l i g h tw e i g h t , s m a l ls i z ea n ds o0 n 。h o w e v e r , d i s a d v a n t a g e s 瓣 a l s oe v i d e n td u et ot h ep o s i t i o ns e n s o r se m p l o y e di n s i d em o t o r sa n df u r t h e re x t e n s i o ni nt h ea p p l i c a t i o n i sf i m i t e d d u et ot h i s ，t h ec o n t r o lo fb l d c mw i t h o n tp o s i t i o ns e n s o r s ，i nr e c e n ty e a r s ，b e c o m e sah o t t o p i ci nt h ef i e l d + t h r o u g ha n a l y z i n gs e r i a lr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nm e t h o d sc o m m o n l yu s e d , t h ep a p e rd e t e r m i n e s t ou s et h ez e s s i n go fb a c k - e m fa st h em e t h o di nt h i sc o n t r o ls y s t e m a f t e rt h i sm e t h o di s a n a l y z e d ，t h ez e r o - c r o s s i n go fb a c k - e m fs e n s i n gc i r c u i t i sd e s i g n e d t h er e a s o n sc a u s i n gr o t o r p o s i t i o ne h d fi nt h ez e r o - c r o s s i n go fb a c k - e m fs e n s i n gm e t h o da r ea n a l y z e d ，a n dt h ec o m p e n s a t i o n m e t h o d sa r ea l s op r o p o s e d t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h ec o n t r o ls y s t e mo fs e n s o r l e s sb l d c mb a s e do n b a c k - e m fm e t h o d ，i n c l u d i n gh a r d w a r ec o m p o n e n t sa n ds o f t w a r ec o m p o n e n t s h a r d w a r ec o m p o n e n t s i n d u d ec o n t r o lb o a r da n dp o w e rb o a r d ，i nw h i c ht h ei n _ f n e o nc 8 6 8i su s e d 端m c u ，t h em o s f e ti s u s e d 论k 斑dt h em a i np o w e rs w i t c hc i r c u i t , a n dt h ed r i v ec i r c u i ti sm a d eu po ft l e 6 2 8 0 s o f i w a r e c o m p o n e n t si n c l u d i n gs t a r t - u p ，r o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o ns i g n a lp r o c e s s i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s v a l i d a t e 山em e t h o di sc o r r e c t k e yw o r d s ：b l d c m , c 8 6 8 ，b a c k - e m f m e t h o d ，s e n s o r l e s s i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人融经发 表蓑撰写遭瓣獗究或栗，穗不包含为获键审国农整大学或其它教蠢撬掏静学佼或证毒 而使用过的材料。与我一阍工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并袭示了谢意。 研究生签名：巧关霸 时间。妒莎 年d 月，f 日 关于论文使用授权的说明 零久完众了鼹中国农渡大学有关僚黎、使薅学臻论文的援定，鼯：学校鸯校僚蟹 遴交论文的麓印伴和磁盘，允诲论文被纛阏和借阗，可以采用影印、缩印或扫攒等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 璨密豹学位论文在瓣罄磊窿遵魏豁浚) 聚究垒纛名；囊岛摘 对溺： 矽年多月，嚣 导耀签名：时阂：矽扩箩年艿嚣基 中塌农业大学磺士学位论文第一章靖论 i i i i i i i i ! , i i i i i i i l l 鼎! jh 黜嘲黛_ 1 1 磷究背繁 第一囊绪论 个多整纪鞋采，象鼗谗凳概瓷藏塞转揍装鬟，萁瘦粼黎器魏遴茇婆糖缀漭鹩骞争疆域隧获 大翻鹃嚣鬻雯懑之审。窀撬懿寨簧撵鼙骞嚣多电橇、舅步邀誊与纛痍奄撬i 耱。熏滚奄缀藏鸯鼹 杼效率高和调漓谯髓好等诸多伉点。因此被广涎您用于各种调滩撩统中，但傣统的有刷誊潲晦枫 均l 薮概棱抉辐方法避行换穗，眷巍糖霹鲍掘械潦拣，盎姥带来礤黪、炎花、滗懿瞧手捷及骼秘溅 落歉愈蕤煮，筑薅大夫连隈割了窀魏蠹臻簸辫。聪鹱建蠢释蠹躐嘏糖，茺鳓巍溅窀撬穗臻搦爨辨 瓠奔电子电臻彀我传统有耩赢滚藏辘的窀藕，馥箕毵其考糍稍纛浚整凝逡费绶搴离、褥穗憨糍好 嫦忧点，又具脊交流电机运杼鳓构简单、遴杼可靠，维护方便游优点【1 】【2 。聪前，艟着举释体技 术麴浚遘进步与永嫩鞲辩秘耩缎糯，蓑性翡，稳成本瓣采磁凭鼷艇流电辍醴成斑谴速领域魏镶鬻 菇囊+ 它其誊蒜：怒鹩嚣蓑港囊鞭广鲷豹盎爝黎繁。 为了实琏寐溅笼捌直流墩瓤控鼹| 系统鹣逮藏控铹，嚣黉翔遵电辊转子瓣链麓僖号鞘逮魔髂 母。避过位盛德母确定转子的嫩橛位置，然质杂控制定子绕组的捺相 3 1 。域常。转予位鬣俄母虑 一个巍邀或蒜承德黪器辕鑫。转争鳃速度蒜母避鬻婊靠安装在转辘上魏裁遴发墩瓣，巍暾缡黼豢 喾溅逡装鬟黎褥。内手丈多鼗窳激光臻壹溅魍撬翡褰量帮黎夺，簸苓蹇键箕辘土安装溺速发墩 搬镣黻融陵鬣，辫醛器前的泰磁焉捌宣流窀瓤滤常楚嚣瑁转予使鬻传感嚣群产垒静腺i 串镶雌寐魇 暾它的转速。由予滤些传感嚣的稃谯绘永溅冤坶4 巅流电机的麻用带来很多的不便；( 1 ) 为了擞敝健 黪器蕊媾趣壤椒搭较臻蔑率。黠乎餐薰翟戥嚣弧戳下药瘩避笼麟麓淹电撰，镳拣糕辫薮襞镬占了 懿穰赣菝静麓黻上，薹藏零道常为鸯羲零薅静缒茎志捌；( 移终感器连线盍多。爨翔，一套三 鞠泳磁无届l 直流嘏梳若采用饕尔傣拣器。至毋鼹簧j 王根连线，游滚蠲其它佟撩嚣时往往遴缝鼹雾。 爨魄枫密封起米逡释辩，这些遴蟪辩将成为举糊黼素。蔼且糖感器输出的信穆蘧鬻都是弱憩德镩， 戮藏度多太长虢灌绫鬣疆襄荔莓l 入警爨鼋；锵褒濑螓澄，露浊空气等工撵舔辘凝震穗，囊逡避程 嚣王终条辞，黎会酶蘸祷藩嚣麴霹嚣馒搿。麓蒸穗些瑟鸯王络嚣境孛，翔褰镦瓣棼空璃撬臻飒 审，由于制冷荆的强腐蚀挂，常溉的位置传麟器椴本就无法使瘸l ( 4 ) 传艨掰鹪密装精度囊撩蟛晌 淑搬麴运行性懿，戳戆也糖对媾热了生产工毯懿难度1 1 朋。 静瓣整嚣抟薅耧爨豢寒翦辩释军程彩襄，趣一= 手年来，承糕羌瓣妻漶魄瓣懿秃整饕祷感器 褴稍盎莛嚣斑多 疆究嚣熟燕，壤憝泰罐笼掇寒流奄撬控麓瓣静发蓑方彝捌。 l 2 茏位置俺惑器控裁掖求的研炎璇状 瓣蘸无簿l 囊激怒撬荛辩黪嚣羧铡羧为葵熬鹣撩剃方遗窝藏敬势法、霆子三次港浚法，壤滤遴 瓣嫩视法和磁穗情计法等f 9 】f “。对于稳态运栉的电机来说，艨如辫法是最简肇、最实用盼穷法。 逡麓瞧气姆秘公礴“选予按朝嗽撬”獭跚) 发嘲麓转愚曲m 媒髑了秘反窀势辍羚法。它可魁韵潢 带避变纂嚣嚣帮燕鞭麴鞋瓤虢疆旋转子逮袭麓饿勰。爱壤势獠势法基零纂毽鼹采蘑蓥跨逡铎嘏 赫。掰选耩帮受寨蟹逶魏绕瓣。警麓奄势遘霉悫爱拜始j i | 蕊戆慰镶透行蔽势+ 鬏分毽遮舞壤瓷渡 中国农业大学硕士举位论文 第一嚣雒 论 定的门限篷囊，霰产生换糖债警。r 。e b e c e 螨这秘方法应嬲予e c m 鲍露象激运靠+ 果磁g e 约遥 霸e c m ? 铡蕊骨u e c m , 离燕壤戒托援驱动魂路和集藏了窀流传感器菸穗率帮蓑嚣蒋采窭瑗l q 。 为了降低其在低渡时对逆变器扦关噪声的荧敏度，还采用了一种特殊的p w m 技术，即崔胤1 2 0 曼 婚通期间的后半段。使功率管处于最高频率的“导通关断”状态，这一技术使德在速度低歪几 转分对蛰德穰好蟪鼹踪转孑整慧。除了上述捌攀静且秘方法外，露努戆一热公司还盛霸了一些其 健位釜捡溺方法，如续流= 额嚣尊遥检测方法，溪定电篷懿枪溺方蘧、预测反电势进零静稳溅方 法等。日本松下公司生产的盛赢流变速空调申无刷直流永磁腻缩机采用的就是阐定电压的检测方 法。而羼前富士滤全点流变遮空调所采用的方式是预测反电势过零点法，磷是从阻容网络产生相 穆貔阕露出发，鳝决辍蓼对换撩控键嚣繁寨黪苓霞。挺兰褥端邀燕弱取样绩峰经蓬电霞分鹾蘑整 接接劐( 警u 管脚上，不经过任何电容滤波。这样从营脚进入c p u 酌信号与转予实蕲位置糈诧裁没 榭任何相移，但此信号中夹带潜藏波信号，软件就是对这些宙有载波的电腻倩号进行处瑕。根据 裁波个数、调翎波的周期时阅等霹预测出过零点出现的时剩，然嚣依照预测出的过零点惰弩进舒 3 辽虔楚豸垂挨裙，遮样蘸霹竣使蠢鹚塞漉电魂擞燕整建换髓簿。一簸来说，蟪寿洼颈裁黪避零焘 的位置与实酥的过零点位鬻褶麓一个到两个载波周期，稳定饿稍差一些，程瞻机高频运转时尤为 獬出【1 ”。 我量永磁蠢剃壹滤电规蛉研制始子上世纪七十年代裙瓣，妻要集中在魑科研院所嬲越蒋院 校。1 9 寒殍，臻蕊京举办瓣联邦德邃盘震嚣工设备凄羹会，s l e m e n s 帮b o s 疆嚣登嚣器融彳塞 磁自同步伺服祭坑和驱动器，掀起了研制开靛和技术引进的熟潮。目前，鞠内对无位置传麟器永 磁无刷直流电帆控制做了较多的研究工作。沈建新等人提出剁用绕组端电照榆测转子位甓的方法 ；宫二勇、寒平瓷等太提黩越过检测逆交褥串反著联予舞关管懿续流二掇簧导遥与否，麴是连 转子整霉瓣方法【1 鬈；豫爨、藏荣渡等天提瓤酶遥蓬l 盘灏最电势孛三凌疆滚来藏褥转予链鬣黥努法 l 。哈尔滨工业大学张福恩教授把反电势法廊用于洗衣机电机的无传惑器摊制，取得了令人满意 的效果。 1 3 漂蘧磷突意义及蠹饔 近几年来，恩然国内的i 牛多专家学者在舞位置传感器的永磁无刷直流电机的研究上倾淀了不 必豁盘；也取褥? 不小戆成绩，毽与萎势静纛键嚣传感器躺永鼹无群壹渡电撬蕊兖东平述京在不 小静差疆。翻姥，谤究无蹙饕鼹感器鹣隶磁蠢弼壹藏亳彀对缔夺与袭这嚣窳之阕懿差鞭，满足鞫 鼹生产、生活的满要都有着煎大的意义。 本课题本蔚硬件软化的思想，通过借鉴强有的控制方紫和对现有控带i 方法与算法的硝究，控 蓟一餮据霹宠蛰妁控截方案著褥箕庭瘸子实鞲。漂疆墩实瑷茏熊翼传感嚣歇溅秃尉妻滚墩概控裁 系统兔研究舀黔。采瘸反电势过零橙铡法辩辩子短鲎痿弩进行橙瓣，弼穗辫葵飞凌辩援的c 8 6 8 作为主控单元究成电机的控制。研究的主要檄义在于提高丁聪统可靠性的间时，降低了成淞。 围绕着设计和实现无位爨传礴器永磁无删意流电机控制懋统，本课题进行了以下几个方面的 磷究： 1 隶磁无捌慧流电税数学攒攒建立 研究分析永磁无刷直流电机本体结构和工作原理，明确错个参数的物理意义并建立冀数学模 2 中国农业大学 嚼士学位论文第一章绪论 型； 2 转予位麓梭测技术的研旁 永磁无刷赢流电机的运行是通过逆变器功率器件随转予的不同位鬣相应地改变触发组合状 态来实现的，因此准确检钡4 转子的位置并根据转子位簧准确切换功率器件的触发组台状态是 控篱l 隶磁笼捌直流电极委嚣运嚣戆必要条转； 3 起动技术的研究 永磁无刷崴流电动机在静止或低速运行时原电势为零域很小，无法用来判断转子位糍，因此 对于无位鬣传感器的永磁凭刷直流电机髓器采用特殊的起动技术。起幼方式的选取和设计是 反电势法燹黉戆纂羟翻瓣一令关键环磐 4 控制系统的设计与实现 设计实现熬于英飞凌8 位单片机的无位鬣传感器永磁焉刷直流电机控制系统，包括硬件平台 的搭建和软件流程的设计。其中硬件部分主要包括功率扳和控制板；软件部分包括电机起动、 整鐾检溅穗号戆楚理等 5 系统调试和结果分析 完成软硬件设计后，必须嫩行系统调试。通过对调试结果的分析，验诚撼个系统的设计是否 正确可行。 3 中国农业大学硕士学位论文第二章永磁无刷直流电机结构、原理及数学模型 第二章永磁无割直流电棍结构、原理及数学模型 永磁无制崴流电机( b l d c m ) 是近十几年来随着电力电子技术的迅速发展而发展越来的一 耱舞型电机，其基本原理是倦驹转子位置信鸯，通过驱动魄銎舞驱动逆变电然的功率开关戴馋，使 瘫枢绕缍依一定颁穿导逶，扶褥在电橇气藤巾产生旋转磁场，拖动隶藏体瓣转。藐着转孑豹转动， 转子位置信号按一定规律变化，从而改变电枢绕组的导通状态，实现永撒焉刷直流电机的运转。 2 。1 永磁无捌直流电枧的结构 永磁无刷岚流电机是由电机本体、转予能置传感器和电予开关线路兰鄢分组成t ”，其原理框 l l| | 勰| i一j 永磁无刷点流电机的基本结构如图2 - 2 所示，其各主要构成部分介绍如下f 1 8 1 ： 匿2 2 承硪嚣捌直流毫壤静蒸奉结掏 4 中国农业大学硕士学位论文第二二章永磁无雕直流电机结构、原理及数学模型 2 。1 1 电毒a 本体 永磁无刷点流电机本体包括定子和转子。其中，定子魑指电机在运行时不动的部分，主要由 硅刚冲片和分布在它们槽内的绕组以及机壳、端j 赢、轴承等部分组成：转予是指电机在送行时可 疆转动的部分，逶攀虫j 转鞠、承磁体积磁辘镣辩分组成。邋索，转子的续掏分为两种：一孽申为凸 极式，即将嚣嚣弑的束磁体嵇在转子多 表上 另一种为内嵌斌，e # 箍承越体肉嵌蓊转子镶心中。 2 1 2 电子开关线路 永疆无蒯豢流电辊电子搿蔗线路壤子控粼电视定子备辍绕组通电蹶弗鞠嚣重蠲，主要国功率逻 辑开关单元和位震传感器信号处理单元两个部分组成。功率避辑开关单元怒控制电路的横心，它 将电源的功率以一定逻辑关象分配给电机定予上各相绕组，以便使电机持续不断的转动。位置传 惑器靛售号毅震要经过是逻辑娃理羼秀去控案l 遂辑拜芙攀元，遘纛决定各摇绕组导逶豹顺痔 和薅闯。 电子开关线路中的逆变器主电路有桥式和非桥式两种，凰然电枢绕组釉逆变嚣的联接膨式多 种多样，但应朋擐广泛的是三棚星形六状态和三相星形三状态。大功率、低频时逆变器多由g t o 、 g t r 器转缍戒，瑟孛小凌率瓣奄撬审遂交嚣雾由功率m o s f e t 或i g b t 缀残。 2 1 _ 3 转子位鬣传感器 转子位鬟馋感器在隶磁光露l 壹流电班孛起萋捡溅转子溅掇经受的终粥，为邂辑开关懿跨挺餐 正确的换相信息，即将转子磁镅磁稷的位饕储号转换成电储母，然后去控稍定子绕组换棚。位置 传感器种类很多，且各具特点，常用的位置传感器有下列几种【l 】= 1 ， 电磁式位鬣传感器 毫避式髓黧褥感篓是嚣翊窀磁效寝来蜜囊莛经嚣溅量傍蠲戆，有嚣瓣魄嚣嚣、铁磁谴缀毫籍， 接近开关等多种类型。在永磁无利直流电帆巾，用得较多襻楚开口变压器，它由转子和定予两部 分组成。电磁溅位置传感器具有结构简单紧凑、输出信号大、工作可靠、邂应性强、寿命长等优 点，但是其信噪比较低，体积犬，输出是交流信号。需要经过蹙流、滤波艏才能使用。因此现在 汪逐溪逶遗使翔。 2 光电式馥鬣传感器 光电式位糍传感器是利用光电效应研制的。它由跟随电机转子一起旋转的遮光板和圈宓不动 的光源及光电赞等部件组成。光电式位置传感器性能较稳定，但存在输出惯母信噪比较低、光源 磐遵毒鑫踅、襞耀琴凌要采悫铸蛱蠡。羞莱耀薮型是毫嚣镑，琴尧瓣这些琴楚之薤。 3 磁敏式彼鬣传感器 磁敏式位鬣传感器是指农的某些参数按一定规律随周嘲磁场变化的半辱体敏感元件，熊基本 原理为霍尔效成和磁阻效应。目前，常见盼黻敏式位置传感器有霍尔元件溅翟尔集成电路、磁敏 穰疆器及磁壤= 较营等多释。撵尔式往耋铸黪器垂予结褥箍擎，睦藐可靠，藏奉羝，毽魏燕蟊蠢蓍 在永磁无利童滚赶机上应用最多的一种位置佟感器。 5 中国农业大学硕士学位论文第二章永磁无厢直流电机结构、原理及数学模型 嬲穗篁篁墨墨曩量鼍笪删iii, i h i l l ! 墨囊皇尊皇尊曩群鼎螺墨曩囊 2 2 永磁无刺直流电机的工 乍原理 永磁有刷赢流电机的定予由永磁体组成，其主要的作用是在电机气隙巾产生磁场。电枢绕组 j 鼹电后产生反臌磁场。由于电刷的换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电机运行的趱程中始 终保持摆互羹纛，获磊产生簸大转矩两驱动彀楗不箨她运转。永磁无剥壹滚奄瓿先了实现笼电刷 换檑，首先簧求粑有霉日直流滚枫的电疆绕缒救在定子上，积永磁俸救在转予上，这正好与传统豹 燕流电机的结构相反；然而，却使这样改变述不够，因为定子上的电枢通入赢流电以后，只能产 生不变地磁场。电机依然转不起来。为了使电机的转子转起来，必须使定予磁场与转子檄场始终 镶撩9 。左右煞龟角度，产生转矩推动转予麓转。 为了清晰蟪阐述永磁无利赢流电机的工作原理，下西以三相永磁无捌豢流电机为铡，来势析 它的转动过程1 1 w 。图2 - 3 为三相永磁无刷直流电机半桥式驱动电路原理圈。此处采用光电瓣件作 为位置传感器，l ；三只功率晶体管v 、和v c 构成功率邂辑单元。三只光电器件v l 、 豹安装位耋各鞠蓑1 2 0 4 ，均匀分毒在电掇一臻。岱韵安装焱毫辊辘主静凌转遮毙援豹搏鬻，捷褥 从光源射来的光线依次照辩在各个光电器件上，并依照菜个光电器件是否照射到光线来判断转子 磁极的位置。遮光板安装在转予上。安装的能篝与图中转乎的位置相对应。为了简化，转予只有 一对磁极。 圈2 - 3 永磁菇尉直流电机工件积理眶 当转子楚予强2 4 ( 8 ) 联暴懿整耋嚣，遴搬叛遮住巍敏接毂元律v 2 、，鬟有醵鼙淤透巍。 因此，v l 输磁商电平使开关管v 一导通，a 相绕组通电，谢b 、c 两相处予断电靛态。a 褶绕组 通电使定子产嫩的磁场与转予的永磁磁场相蕊作用，产生的转矩推动转子逆时针转动。当转子转 刘圈2 4 ( b ) 胼示的位置时，遮光板遮住v t 。并使遗光。因此，v 1 输出低电平使开荚管v 馥垂，a 档凝奄。弱黠，碱簸瘗毫邀孚使弹荚管v s 导逶，瑟摇逶电，c 籀捩态苓交。这撵密予 通电相发生了改变，使转子磁场方向也发生了变化，与转子永磁磁场相互作用，仍然会产艇与前 酾过程同样犬的转矩，推动转予继续逆时针转动。当转子转剿圈2 4 ( c ) 的位置时，遮光撤遮住 ，羼时使v 3 遴光。因此，b 捆断电，c 相谶瞧，定子磁场穷向又发生变化，继续攘倒转予转到 疆2 - 4 ( d ) 静健鬻，使转子转过一瘸鑫又圜麴派始位置。翔既援拜下去，魄辊就转动起来了。 6 ( b ) 图2 4i 蒜嫩绕组与转子位量芙系 圈2 绘爨了各相导遴黪颓痔。上述过獠霹鞋著残按一定耀痔换穗遴激豹过程，或者滋磁场 旋转的过程。在换相过程中，定子各耜绕组谯工作气陈中澎成的旋转磁璐撼鼹跃式运动静。这种 旋转磁场在一周内有3 种状态，每种状态持续1 2 0 。它们躐踪转子，井与转子的磁场相氨作用， 能够产生推动转予继续转动的转矩。 0 u b 0 1 2 0 ，2 4 0 3 6 0 。4 8 0 4蚰t 1 2 0 。2 4 0 。3 6 0 。4 8 0 。 t 嗣2 - 5 各相相电压涟搿 7 中国农业大学硕士学位论文第二章永磁无刷直流电机结构、原理及数学模型 2 3 三相星彩联结全疆驱动方式 在永磁光刷真流电机的工作原理中所介绷的例予属于兰相半桥式驱动方式。这种方武县有结 构簿单的优点，瞧由匿2 - 5 霹数看出。每相每转逶电时闯只霄l 廖即1 2 0 。，另外2 3 时瓣处于断 搿状态，箕绕缀稻臻率穰蕺辫井，蕨圈2 辩鲡，在运行娥程中萁转楚戆浚动较丈，跌甄，2 弱 瓦。所以在要求比较高的场裔，一般均采用众桥式驱动。 t 6 0 41 2 0 41 8 扩2 4 8 。3 43 6 0 。 2 豳2 - 6 篓桷半桥式驱动的转矩波形 全桥式驱动下的绕组又分为星形联结和缃形联结。因为本系统中采用的电机绕组是墅形联结 躲，所以在本文中仅奔绍三相攫形联结全桥驱动方式，角形联结可以参考其它文献。 垂2 - 7 燕三糖星澎联缍垒耢驱动电路。滋巾，功奉管v l 、砖戆挚湾遵m o s f e t 确率 管，低电平时鼯通；功率管、v 4 、魑n 沟遵m o s f e t 功率管，辩电平时导通。转予位 鼹信号通过逻辑电路控制这些歼关管的导通和截至，其控制方式有2 种：三二导通方式和置三导 遴方式f l l l “。 圉2 - 7 萎胡曩形联结全桥驱幼电路 s 2 3 。1 二二导潺方式 所谓二二姆通方式是指每瞬间有两个功率管导通，缚隔1 ，6 周期( 6 0 。电角度) 换相一次， 缚次换相一个功率管，每个功率管导通1 2 0 。根据图2 - 7 功率管命名关系。功率管的导通顺序为： 妫，v 2 - 纷，v 3 _ 张，v 4 _ v 4 ，v 5 - 野，v 6 _ v 6 ，v 1 一 当功率营v ，和v 2 导遗时，电流飙v l 镑流入a 据绕瓣，再麸c 褶绕组流壅，经v 2 镑强到 电源。假设流入绕组的电流所产生的转矩为贩，流出绕组的电流产生的转瓶为负，那么它们的合 转矩如图2 - 8 ( 8 ) 所示，熟大小为五：- 3 t ( 假设l 一瓦一巧) ，方向在l 与一的角 警分线上。鹭转子转过6 0 。鬃，由v t 、v 2 零逶挨成v 2 、v 3 导逶。这辩，耄流扶确溅入b 辐 绕组再从c 楣绕组流出，经阐到电源，就时合成的转矩嚣，如图2 - 8 ( b ) 所示，其大小仍然是 z k 一3 r 。，假方向却逆时针转过6 0 。按照这一规律，每换一次导通状淼，台成转矩的矢量方 向就转过6 0 4 啜角度。对应6 个导通状态，6 个含成转矩的矢量方向如图2 - 8 ( c ) 所示，假它们 艟太小始终保持不变。 与三耜半桥式驱动方式相比较，三相叠桥星形联结二= 导通方式的合成转矩大小增加了4 3 倍，每隔6 0 6 电角度的空闻分布，每个功率瞥导通1 2 0 。每相绕组通电2 4 0 。，绕组的利用率增 加了，输出的转矩波动小得多。 ( a ) 2 。3 。2 三三喾滚方式 t b ， 网2 - 8 兰相墨琳联结：二导通转螺矢量围 所谓三兰姆通方式是指姆一瞬间均有三只功率管嗣时通电，每隔6 0 。换相一次，每个功率管 通电1 8 0 。檄据图2 7 功率错命名关系，功率管的导通顺序为：v t 、一v 2 、 妫_ 转，v 4 、v s 婚，v s ，v , s _ 盼，纷，v 1 _ 珏，v 1 ，佟。 当功率管、v 、v 2 姆通时，电流从v ，管流入a 相绕组，经b 相和c 相绕组分别从v 6 和v 2 流出( b 、c 两相绕组为并联) 。这时流出b 相和c 相绕组的电流分别为流过a 相绕组的一 半，萁台成转矩如图2 - 9 ( a ) 赝示，方向同a 相，而大小为1 s e 。经过6 0 。电角度后，由、 v t 、v 2 导逶羧藏v t 、v 2 、v 3 导逶，鼯惫装羝辘磊螽等遵v 3 ( 注意，一定要先美砜嚣屠导 通v ，否则就会出现和同时通电，则电源被v 6 和短路，这是绝对不允许出现的) 。这 时电流分别从v 和v j 流入，疑a 相和b 相绕组( 相当于a 相和b 相并联) 再流入c 褶绕组， 拿 经v 2 流出，合成转矩翔2 - 9 ( b ) 所示。其方肉与一c 耜弱，转过7 6 0 。，大小仍然为1 s 以e 秀 经过6 矿电角壤蓐，换为v 2 、v 3 、v 4 导遗，褥后依次类攘t 它们戆合成转矩矢量圈窝圈各9 ( c ) 所示。 l 瑶， is 2 缸，2弧 赫 h c b ) 嘲2 - 9 兰相萋搿联结三三导避转姬矢量圈 2 4 永磁无刷直流电机的数学模型 粗 b “ ( c ) 永磁无嚣赢流电橇转子袋周瓦磁钢，经专门疆路竣诗，使其气豫磁场舞梯形渡，定予浮翔集 中整矩绕组，因而感应电动势也是梯形波。所以采用直、交轴坐标变换理论已经不是有效的分析 方法。通常，囊接利用电机本身的相变量来建立数学模型即简单又具有较好的准确度。 为夔纯数学模型戆建立，缀竣：避路不魄秘，不诗涡溅和磁滞损耗；悫予绕组力6 0 4 穰豢整 矩集中绕组，攫形连接；不计巍槽效应，绕缀均匀势森予搬漪定子表嚣；转子上没有疆照绕组， 电机无阻尼作用。 永磁无届4 懑流电机在运行过程中，每耜绕组通过的不是持续不变的电流，所以该电流和转子 话覆产生的转艇，以及绕鳃上姻感应电动势搬罄不是持续熬。嚣毙这里匏糖楚帮反电势郡蘩用平 均值的概念。搬据跃上假设。由永磁无蓐l 誊流电机特性，帮建立其电压方稷、转矩方程、等效电 路和状态方程【1 8 m ”。 2 4 。l 毫压蠢褪 u 。r i l 壁! e e ! 】- 【孳吾童1 x 【l 】+ 三兰i ；i 】x p x 医】+ f 圣】 ( 2 - i ) ( 2 2 ) 中国农业大学硕士学位论文第二章水磁无刷直流电机结构、原理发数学模型 i l ll l , l l , i , , l ! i l l l l l l 嘲舞鼻舞皇墨鞭皇自量 娃、毛、曩定予樽绕箍电滤( a ) ； 岛、定予柱绕组电动势( v ) ； k 、r 。定予相绕组电阻( o ) ； l 。、h h 、l 。定子相绕组自感( h ； l 女、k 。、l h 、l k 、l 。、己。每嚣糖绕缎藏斡互尊 h ) ； 静为镦分箨子p = 4 d ! 。 由于转乎徽阻不随转子能销变化而变化。因而定子绕组的自感和互感为常数。即： l “。l - - - - l = ：l l t b = l 鞋= l k 端l 醅= l 斑盘l 啼= 瓤 戢= r b - - - - = r 当三相绕缀为y 连接，盥没有中线，则谢： 毛十+ 乏一0 ( 2 - 3 ) 匿；j f 喜三兰】臣】+ f 玉乏_ 工嚣互】x p x l ；】+ 臣 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 无刷妻流峨动静电磁转雉鸯穗与传统螅直流电机盼槎锹，其电磁转矩大小与磁遵鹈啭溅幅值 成正毙，霹： r 。三0 。+ e b i b + 气i o ) 。三k 。】x p 。f 6 # 。r ( 2 - 6 ) 0 3 0 1 ) 式中： 挣一奄瓤爨囊遘菠。 假设忽略转动式的粘济系数，永磁羌剃赢流电视羽运动方程可写为： tm 孙，警 2 _ 7 ) 袁孛： i 电机的负载转矩； j 一电机的转动惯黼。 2 。4 3 等效毫凝和状态方臻 根据电睚方程式( 2 - 5 ) ，可得到电机的等效电路图，如图2 1 0 所示a 圉2 1 0 表磁蠢捌直流电机的等效电路图 电篷方程式( 硒) 还萄叛表示戎装态方壤形式； l 口 屯 l c 上00 o j 一0 互一艇 oo j 一 己一m 1 2 “4 u # ro o o 霞o oo 霁 1 4 ， b l c e 口 气 卜 第兰章无位蠢俦惑嚣攘制技术熬磷究 3 1 反电势邋零检测法 掰谗翡戈位黉穗戆器获裁是臻逶遥控灏已经存在弱篷莲每魄流痿号，旋漕定戆簿法整理， 得剥转子位簧信号，也称间接德鬣检测法。目前，永磁无届8 意流电机无戡餮传撼器控制研究的袋 键和核心是架构转予位置信号检测电路，从软硬件两个方丽来阍接得到可靠的转予位髭信母借 鞋黻发导遘攘癍嚣琏率器箨，骧动瞧凝鹣运转。蹿蕊，禽蠹辩磷巍太曼携避报多秘转子甓譬糗溅 方法，茭孛羧鸯残熬蘸毒蛰一f 托瓣： 1 反电势法 反电势法怒目黼最常用的种检测转予位麓佰号的方法，京利用电机旋转肘各褶绕织内魇电 势嵇母控剿抉辐。掇攫黠爱港势靛举隧赴骥穷法，菠电势漩霹绷分戈；反壤势进零检涮法、爱瞧 势稷努法窝骥摆玮澎“。 反电势过零检测法 反电势过零检钡4 法是目前技术煅成熟，实城煅简单，虚用激广泛的转予位鬣检测方法。此法 懿蕊本蘸毽蔗；在瘩磁无翳豢滚彀撬穗态运簿对，怒酶电枫奄舔艇鹰嚣瞬趣前掇下，运避糗测“美 麟糖”( 递交器上下功率器粹觜矬予关瑟翡鄂一鞠) 的复奄势道零点，俄次获褥转子静六个关键 位鬣信号，井以此作为参考依据，轮流触发爵通六个功事管，驱动电机运转， 这种方法的缺点是电机静止绒转子转速较低附，反电势为零臻报小，滩以避过反电势避零糗 溅求褥臻垂臻静袋豢馕号，鼓逮秘方法捷饕奄撬越旗避难。夔接，圆巍羡奄势避零捡瓣法惫臻了 魄椴厦应对气黻台娥磁场的影响，掰鲢在礞瑗上就存在一定舶谶麓。敲表健用菠电势过零捡渊法 时，必须要有一寇的误差补偿措施。 发电势糗势法l 删 魇奄势辍分法怒遘过霹激撬誉搏逶糖绕簸麓魄势夔彀势整垮获褥饕子靛灌蕊号。姿荚鼙 鞠羧 斑发电势过零点时，开始对冀绝澍值进行积分，溺积分值达到一个设定阂德时停止积努，此时获 得转子位置，对皮予寇子绕绷的换流时刻，旖遽时为提商电机转矩，改变阕值可以实现按流角超 嚣控谁。此法的甓患是只嚣检测# 譬逮挂反电势的极性，鸯剩予掩蕊低遮性熊。毽是，出予嚣舞 避鼯积势琵鞍，蠲翔了捡测鸯黪静簸杂霉，纛邀潮了较孬翡运黪爨，嚣辩逐璜细了盛奉，不壤察 际戏阁f 2 l j 。 锁相环法【刎 镟糨琢法楚避进镱骧一个骥状杰，镂定泰警遗裙缝缎黪爱壤势波形，踌睫定避交器下个器 美瓣准旗号逶辩剡。数字镜耩拜法( d p l l ) 蔽拳镥害舂菠蠢势稔瓣、弊藩滤波，可控壤蹑掇端 器和分频器，经过数字锁相环的端电压信号降低溅消除各种噪声，可以得到较为理想的反电辨俗 号。此法硬件上需梁三分频电路、锁相环电路等，电路结构较为复杂。 2 续滚二投管法 续瀛二援篱法是逶过捡溺爱势袋予遵变嚣璃搴秀美簧童装流= 授警零邋与燕凝获态采确定 转予位置t 2 3 l 。嶷际上，此法是对反电势过零点的间接检测，能敬普永磁无刷赢流电机的低瀵性能， 中国农业大学硕士学位论文 第三章无位鬣传感罂控制技术的研究 鹱褥更好豹逮艘蓬重。但它撩澳电流结构鬟袈，要求逆变瓣必须工作在上下功率器件轮流处予 p w m 靳波方式，控制的难度较大，虽盛颈蕊软硬俘两个方程去除二稷管续流导通的无效嫠号和 豳毛刺干扰而产生的误导通储号。此法还存裰着较大的检测误差，反电势祭数、绕组电感摄不是 常数、反电势波形不是标准的梯形波等都会渍成转孑位置误麓。 3 。 电感法 电感法有两种形式：一种爨用予凸极式柬磁无掰壹藏嘏祝；另一种跫瘸于内嵌式磁钢缩构的 永磁无刷直流电机。第一种电雅法主要通过襁起动过程中对魄机绕组旖加撵测电压来判断蕻电感 的变化。在凸极电机中，绕组自感可表示成绕组轴线预转子嫩轴间夹角的偶次余弦函数，遇过检 测绕缓鑫黪的变铯，裁可刿浆溅转子辘线的丈致位里，霉援撰铁心逮羁程度瓣交纯趋势确定其极 性，从而最终襻到正确位鬣信碍。这种方法滩度较大，且只能应用于凸辍电枫，所班现柱较少应 用。第二种方法尾指在内嵌式永磁无刷直流电机中，绕组电艨会因为转子位置的变化而发嫩相应 购改变，通过梭测这些变化，再经过一定计爨，目# 可锝到转乎位置信号。此法需要对绕组电感进 褥实孵捡涮。 4 磁链估计法 磁链估计法是利用电机备相瞬态电压和电流方程，实时计算电机由静此到正常运转到任一时 刻的转子位置，从而控制电机的运荦亍。该法戗含两个电流环结构，内环娇嫩磁铁的估计值，外环 调整经耋嫠诗壤，敖箕莓皎藏耱准确度。援浃薏爨专幻瓣起动奄舔，置嫠秘转瘫较大，冀襞轰廷 对电机本体的数学模型依赖性大，在电机参数发生变化时会遣成建模误差，影响控制的精确性； 另外，由于在线计算复杂，此法对控制器的避算速度也较高隳求。 除了上述几种位置检期i 方法之外，近年来还出现了基予状态蕊测嚣的储舞方法将电机三 穗趣歪、电流黢避壅掭交换，褒涯壳方程豹蒺硝土话葬出奄辊转子霞耄刚。逶静方法鸯稳定整努、 锫棒性好，适用面广的特点，但是它的算法复杂，计算量犬；人工智能控制检援4 法 2 5 l 确j 用模 糊控制策略建藏相电压、相电流和转子位簧角之间的关系，用检测到的电压和电流信号来估计转 予位置信号，这种方法是髓饕徽桃技术的发鼹丽发展起来的。强前还只是用于一些特殊的坜合。 综台考虑系统靛可靠槛、技术成熬幢聱舞发藏本等方掰，奉系统最终逸蹋匏是爱遗势遘零检 测法。 3 1 1 永磁光剃矗流电毫陲的爱毫势 永磁无刷巍流电机中，受定子绕组产生的合成磁场的作用，转子沿着一定的方向连续转动。 f 瓤机定子上安装有电枢绕组。因此转子旋转时就会在空间烨成导体切割磁力线的情况，根据电磁 感应定律可知，港电导体切割磁力线会在导体孛产生感应呶势。所以，在转予旋转时靛会攘定予 绕组中产生感藏电势，一般称为爱电动势或麓电势。对于方滚气豫磁场，懑定子绕组采用纂孛整 距绕组，即每檄每相槽数为d ，1 时，方波磁场在定子绕组中感应的电势为梯形波。对于= 相导 通星形三相六状态永磁无刷威流电机，方波气隙磁感应强度在空间的宽度艘太于1 2 0 。电角度，在 定子电抠绕缀中感应的梯形波反电势的平项宽瘦大于1 2 0 。电惩褒。这秘其露方波气骧磁感藏强度 分布、梯形渡发电势的永磁蠢剃宣流电机遴常采瑗方渡电流凝动，静与1 2 0 辱遥型三褶逆燮器相 旺配，由逆变器向永磁无刷窟流电机提供三相对称的、宽度为1 2 0 。电角度的方波电流1 1 8 1 。方波电 1 4 滚发与鬯势瓣糨霞或往于梯形渡反电势的乎 顼塞度范围内，妇露3 1 所承。 l i i bi c 6 孛t 鞠。中矿瑚+ 妒4s 赫。 銎3 - t 方渡电漉与梯形波嚣毫势 为了便予分析，假设不计开关管开关动作的过渡过程和电枢绕组的电黪。 单根导体程气隙磁场中的感应电势为： e 一艇r 甜 ( 3 - 1 ) 式孛：嚣气骧磁臻糍强度( t ) l 一导体有效长度( m ) ； r 导体所在位鬣至旋转中心的距离( m ) ； 掰转子鲍电角速度( t a d s ) 。 设导嚣总数为n ，置它嚣秘目互串联，刘总爱电势荛； enblr(3-2) 对一具体的电机丽言，其导体有效长度和电机的气隙半径均已确定，且磁感应强度b 取决于 永磁俸的磁性材料瘸磁路结掬，其对特定的甑娃来说也是誉数。令电势常数k 一蛙l ，剃毒： em k 缈 ( 3 - 3 ) 因此可以得到反电势在0 - 2 ，t 区间内的函数表达式( 以a 相为捌) ： e 一 羔屯掰：f k , m 一曼硒：f + 瓯甜 - k 。t o 至起2 f 1 2 k 甜 0 墨t o t 兰 6 嚣5硝 一墨“ 66 鼢勋 一6 甜一6 ( 3 4 )l j 4 ， 铆1 b r 66 堡墨研 鞘( 3 1 2 ) 亿灸： e 。一c ，。一昙( u 。+ u 。 。- 秽。i 1 掣。+ 玩t 吒一言吼+ 吒 ( 3 1 3 ) ( 3 ，1 4 ) ( 3 1 5 ) 其中： 瓦媳点啦* 彘- 击一丽9 6 检测到发电势过零点后，蒋延迟3 0 。电角度即为换相点。其换相原理耀辑见图3 - 4 和液3 - 1 。 。 弋 p t 。 r u t l 。 r 曰t ，e口4“l d 。】田。玉0 93 f岫4引 0 。 垂3 0 莲避3 扩电囊寝揍糖蒸瑷豳 表3 - i 琏燃3 0 。电角度换棚j 鼹辑表 3 1 3 反电势嫩零检测中的相位移及修礁 壶子经过黻容滤波后得剿的发电势检测壤号存在搬位镳麓，使接穗点举褥是反电势过零点曩 延迟3 0 。电角壤，因此需要进行适当的籀彼褂偿攀1 。以a 栩为铡，u 。为a 相端电压，虬。为滤 波后输出电压，为反电势频率可算出输入输出电压比为； u , o垒(3-16) u 。蜀+ r 2 + j 捌羁r 2 c 】 1 8 蟠角延迟必； 攫。燃鼬婪墨刍 琏+ 异2 。c a p c o m 6 e 其备茨下特 性： 1 2 个独盎魏带硬势频器瓣1 6 位谤露器； t 1 2 嶷毒三个搐瓣 = | ：较逮邀，每巾攥灌毒爨令翰囊，露翅终搂获潺遘或豫较遴遴，棼且 巽套鞭嚣港溺控秘，霹避受奄添邀媵篷理矮鼹。t 1 2 蠢孛心辩务、逑缘瓣赛、攀躲挣激 发模斌和滞环控制锋控制模式。对予b l d c 电机羧制，通道0 研用于捕获速度+ 懑道1 可磺终糖位延迟，聪遁遵2 霹黯律趣对功能； t 1 3 骞巾疆立懿魄较逶瀵和1 黯瓣出，霹袅成褒遴p w m 嫠弩，舞控糕砉空魄。t 1 3 也支持单辣 中触发横式，与1 1 2 间步。p w m 倍母w 自动叠加粼t t 2 的6 路输出中饪 何一路域全部的静散穰平t 。对b l d c 电橇控铡，遗遗t 1 3 p w m 静占斑眈调节电瓤速 度。 2 检测转予镪鬻，并其寄凝声滤躲瑭穗； 3 紧急中断输入c t r a p 确保电早降低时，c a p c o m 6 e 巾1 1 2 的6 个输出处于用户预兜设定 状态。 如蹦4 2 所拳，c c 6 0 - c c 6 2 靼c o u t 6 0 - c o u t 6 2 是耀予驱动电视的6 个蕊枣输出僚露。对 于b l d c 露嘏控锻，痊当遴避三个赣入ga 瀚o 一s 2 转子燕鬣艇馈蔼弩) 魏敬褰来控 制输出信号。t 1 3 生成的商籁p w m 信号其有商这5 0 a s 鹃分辨率，加麓t 1 2 静c c _ 6 0 - c c 6 2 和 c o u t 6 0 c o i 胛6 2 输出中的任意一个有效电平。c t r a p 遐紧急中断输入。如粜该输入为低， c c 6 0 - c c 6 2 积c o l r r 6 0 - c o u t 6 2 褥斑鼙变海蘸定爻黪瞧擎，虢实瑷过滚趱燕爨护。熙声投嚣没 鬻各种寄存嚣豹德，籀周期褥存器、滗较寄存撩、犏移寄存器簿，帮可戳捷捷趣控稍c a p c o m 6 e 。 舅终，嗣产涟霹滚黉动c a p c o m 6 e ，逶过载停建立镁拜块交羧表或捩懑辘，嗣瓣垂硬终生成糖 威的p w m 输出信号。这样就可以j e 常灵活地实现任何控制舞求。 毋4 - 2c a p c o m f i e 框潮 | 毒2 。3c 8 0 8 擦隶| j 系统硬搏浚计 4 2 3 1c 8 6 8 的最小系统设计 设计时，我们善先剥离步 郄功能得翦c 8 6 8 的最小系统。最小系统氆瓣奄滚部分，晶攮部分， r s 2 3 2 通信接鞠部分，乡 部扩震的e e p r o m 和一些关键雩l 瓣的处理。由予c 8 6 8 有赣鞠珲( p l l ) 技术，我们使用低的无源1 0 m h z 晶体搭配p l 电路的阻容湖络，在c 8 6 8 内部倍频后得到4 0 m h z ， 降低了外部晶搬的干扰频率。通过r s 2 3 2 串鼹来调试和下载摆序，r s 2 3 2 魁标准接口，必颁严格 羧爨觏范设谤。逡用a t m e ! 公司的e 聊r o 赫一a 砭5 6 ，俸必c 8 6 8 羚郄扩展程序存撩器和蠖 磁引导程痔加裁嚣时使用。对于c 8 6 8 豹一燕荚键 脚，拱：