（测试计量技术及仪器专业论文）无刷直流电机控制系统设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本课题源自大连集成电路设计产业化专项基金项目“电动自行车无刷直流电机控制 器开发”。无刷直流电机控制系统集电机、逆变电路、检测元件、控制软件和硬件于一 体，具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便等优点，在电动调速领域有着广泛的应用。 电动自行车的发明和使用对解决燃油车造成的严重环境污染和缓解日益突出的能源危 机问题有一定的现实意义。 根据项目参数要求，采用m c r o c h i p 公司的p i c l 6 f 7 2 单片机作为控制芯片，在硬件方 面，进行了微控制单元电路设计、逻辑互锁电路设计、转子位置信号采集电路设计、电 源电路设计、拜压电路设计、系统硬件保护电路设计、三相全桥逆变电路设计、逆变器 驱动电路设计和显示电路设计。采用开关型霍尔传感器作为电机转子位置传感器，微控 制单元根据转子位置信号向驱动电路传递p w m ( 脉宽调制) 信号、逆变器上下臂驱动 信号控制电机。 在软件方面利用汇编语言，采用模块化编程和结构化编程。根据无刷直流电机的控 制原理，对系统的控制部分进行了详细分析。设计了系统状态显示面板程序模块。利用 数字p i 控制理论实现电机速度的闭环调制，提出了一种电机控制系统的接线模式自识别 功能设计方案，能够自动识别电机的换相角度、霍尔相位和电机输出相位。在系统可靠 性方面。设计了系统的欠压、过流和堵转保护。本文还对影响控制器和单片机系统可靠 性的因素进行了分析，并且给出了解决方案。 本文所设计的无刷电机控制器实现了电动、定速、助力三种工作模式并且在系统出 错情况下具有自检功能。保护功能较完善、硬件结构简单、成本较低，具有升级空间， 便于用户二次开发。 关键词：无刷直流电机；p l c 单片机；电动自行车；控制系统 无刷直流电机控制系统设计 t h ed e s i g no ft h eb r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t t h i st h e s i si sp a r to ft h ep r o j e c tn a m e d “t h ec o n t r o l l e ro ft h eb m s h l e s sd cm o t o rf o r e l e c t r i c - b i k e w h i c hc o m e sf r o mt h ei ts p e c i a lf u n do f d a l i a n t h ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t s o f b m s h l e s sd cm o t o r , c o n t r o l l i n gp a r t ，s e n s o rp a r t ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n t r o l l i n gp a r t w i t hi t su n i q u ea d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y , h i 曲r e l i a b i l i t y , g o o dc o n t r o l l a b i l i t ya n d m a i n t e n a n c e f r e e ，i ti sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s t od e v e l o pt h ee l e c t r i c - b i k ew i l lb eh e l p f u l t os o l v et h ep o l l u t i o np r o b l e mc a u s e db yt h ew a s t eg a sf r o mt h eg a s o l i n e - a u t o m o b i l e sa n d e n e r g ys o u r c e sp r o b l e m s t h et a s ki st o d e s i g n ab m s h l e s sd cm o t o r0 3 l d c m ) c o n t r o ls y s t e mf o r e l e c t r i c - b i k e a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c t ，p i c l 6 f 7 2m c up r o d u c e db ym i c r o e h i pc o m p a n yh a s b e e ns e l e c t e d t h ed e s i g no fh a r d w a r ei n c l u d i n gm c u c k c u i t ，l c l g i cl o c kc i r c u i t ，p o s i t i o no f t h er o t o rc k c u i t ，p o w e rc k c n i t ，v o l t a g eu pe k c u i t ，h a r d w a r ep r o t e c t i o nc i r c u i t , e l e c t r o n i c c o m m u t a t o rc i r c u i ta n dd i s p l a yc i r c u i th a v eb e e nc a r r i e do u t t h e r ea r et h r e eh a l ls e n s o r sf o r t h ep o s i t i o no ft h er o t o r , a c c o r d i n gt ot h ep o s i t i o no ft h er o t o ra n dp w m ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) c o n t r o ls i g n a l s ，t h ee l e c t r o n i cc o m m u t a t o rw o r k s n 坞s o f t w a r ew a sd e s i g n e df o l l o w i n gt h ep r i n c i p l eo fm o d u l a r i z a t i o na n ds t r u c t u r e d p r o g r a m m i n ga n du s i n ga s s e m b l ya s t h ep r o g r a m m el a n g u a g e s t h ed i s p l a ym o d u l ei s d e s i g n e d t y p i c a lp ic o n t r o ls t r a t e g yi su s e dt oc o n t r o lt h es p e e d m o d ei d e n t i f i e dm o d u l ec a n i d e n t i f yt h ea n g l eo ft h eb l d c m ，t h ep o s i t i o no ft h er o t o ra n dt h eo u t p u to ft h es y s t e m a u t o m a t i c a l l y l e s sv o l t a g ep r o t e c t i o n ,c u r r e n te x c e s s i v ep r o t e c t i o n a n dw r o n ga n g l e p r o t e c t i o na r ed e s i g n e dt or e i n f o r c et h es y s t e m a l s o ，f a c t o r st h a ta f f e c tt h er e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e ma r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n ds o m em e t h o d sa r e i n t r o d u c e ds o o na f t e r t 1 1 i sc o n t r o l l e rr e a l i z e st h r e ew o r km o d e s - - e l e c t r o m o t i o n , s t a t i o n a r ys p e e da n da s s i s t i n g w o r km o d e a n o t h e rs e l f - t e s tm o d e , w h i e hw o r k su n d e re r r o r , i sa l s od e s i g n e d t h i sk i n do f b r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o ls y s t e mi ss u p e r i o ri nm a n yf i e l d ss u c ha sh i s hr e l i a b i l i t y , s i m p l e h a r d w a r es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，a n dc o n v e n i e n tf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：e l e c t r i cb i k e ；b r u s h l e s sd cm o t o r ；p i c ；c o n t r o ls y s t e m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盈z 蒸笼 日期：塑堑：! 尘坚 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 兹；= 兰叁 导师签名：孑晨乞 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 无刷直流电机的现状 有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽 阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换向装置的 存在，限制了其发展和应用范匿。直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成 其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性 能。 科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造 新型的无刷直流电动机带来生机。1 9 5 5 年，美国人首次提出用晶体管换向线路代替机 械换向装置，经过反复实验，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷 直流电动机的机械换相装置，出现了磁电耦合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器 的无刷直流电动机，以后人们发现电量波形和转子磁场的位置存在着一定的对应关系， 因此又出现了通过观测电枢绕组中不同电量波形，监测转子位置的无位置传感器的电动 机【1 】 2 】。 8 0 年代初，无刷直流电机进入了实用阶段，方波和正弦波无刷直流电机先后研究成 功。“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指一切具 有传统直流电机外部特性的电子换相电机。现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检 测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。 无刷直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在：调速方便( 可无级调速) 。调 速范围宽，低速性能好( 启动转矩大，启动电流小) ，运行平稳，噪音低，效率高，应 用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、 小型清污机、数控机床、机器人等等。由于无刷直流电机具有这些优点，因此在2 0 0 4 年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。美、日、英、德 在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电机代替有刷电动机的转换。 美国福特公司率先把无刷直流电机应用于汽车2 0 世纪8 0 年代以来，随着微机控制 技术的快速发展，出现了各种称为无位置传感器控制技术的方法，是当代无刷直流电机 控制研究的热点之一。各国知名半导体公司如a l l e g r o ，p h i l i p s ，m i c r ol i n e a r , t o s h i b a 等， 先后推出了许多无刷直流电机无传感器控制集成电路。 2 0 0 4 年1 2 月我国电机制造业共1 1 6 7 家生产企业，全部从业人员3 8 8 2 8 2 人，资产 9 7 2 亿。我国生产的微特电机己经占世界6 0 以上，目前是全球最大的永磁体( 生产无 无刷直流电机控制系统设计 刷电机的主要原材料) 生产供应基地，中国还将会成为全球最大的无刷电机生产国。随 着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体 的车用小功率电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应商【3 1 。 1 2 电动自行车介绍和发展状况 ( 1 ) 电动自行车发展现状 目前在中国的石油消费中，交通运输业用油增长最为迅速。大力发展电动自行车是 缓解石油危机的重要途径之一【4 】。另外电动自行车具有环保的特点。为了解决燃油车对 环境造成的严重污染问题和缓解日益突出的能源危机，许多国家都在寻找替代燃油机车 的交通工具。相继开发了以天然气、甲醇为燃料的交通工具，相比之下，电动车以零污 染、高效率、低噪音的特点被认为是真正的“绿色”交通工具，而电动汽车受到机电、 电池的限制，批量进入市场还有一定的难度，电动自行车却可以得到迅速的发展吼由 于电动自行车具有轻便省力、环保节能、价格适中的特点，因此已经成为很多出行者的 交通工具之一。 许多国家也把电动自行车看作未来交通发展的趋势。自从1 9 9 3 年雅马哈公司的 p a s ( 能量辅助系统) 进入市场以来，电动自行车在日本已经成为短距离用交通工具的主 流。1 9 9 8 年6 、7 两个月日本共生产电动自行车2 9 4 3 2 辆，据报道日本电动自行车的需求 量在7 5 0 万辆，而且每年以5 1 0 速度递增，其中还有一半需进口。美国的电动自行 车年需求量在1 5 0 0 万辆左右，每年以5 1 0 速度递增，大部分依赖进口。欧盟许多国 家对电动自行车的年需求量在1 0 0 0 万辆左右。德国的m s g 公司、d i a m a n t 公司、s a g h s 公司、英国的a s g i - i b a g h 等公司的电动自行车己投入市场，销路很好，使得德国奔驰、 法国标致等大公司也把目标投入到电动自行车这一产品上来。 从7 0 年代起，我国电动车辆的研究开发便一直在进行之中，g l j l 9 9 3 年，已被确定为 国家十大重点科技工程之一，并制定了电动汽车的发展目标【们。1 9 9 9 年5 月国家质量技术 监督局发布了电动自行车通用技术条件国家标准，为电动车规模化生产提供了条件。 经过2 0 0 3 、2 0 0 4 连续两年的快速发展，中国电动自行车行业迅速呈现出一片欣欣向荣的 景象。2 0 0 5 年全行业的电动自行车产销量在1 2 0 0 万辆左右，对比2 0 0 4 年增长率在1 5 2 0 左右，行业中有不少品牌新诞生，销售规模在1 5 0 亿元左右。至2 0 0 5 年，全行业申领电 动自行车许可证的企业已经达到了上千家，品种出现近5 0 个。 目前，我国市场上国产电动自行车的品种规格较多，驱动多数用有刷或无刷的轮式 直流电机，工作电压为2 4 v 、3 6 v 或4 8 v ，功率在1 5 0 w 4 0 0 w 之间；蓄电池一般用的是 免维护铅酸蓄电池，容量为1 2 a h ，充电时间在3 8 - j 时左右，充电一次行驶里程约5 0 k m 大连理工大学硕士学位论文 左右；车速低- t - 2 0 k m h ，爬坡能力在4 度上下；车型有普通型和豪华型，车重约3 5 k g ， 载重量约7 5 k g ，百公里耗电量l 则随左右。图1 1 为两款国内生产的电动自行车闸。 图i i 两款国内生产的电动自行车 f i g a 1t w ok i n d so f e l e c t r i cb i k e sm a d ei nc h i n a ( 2 ) 电动自行车的组成都分 电动自行车一般由动力部分、传动部分、行车部分、操纵制动部分、电气仪表部分 组成门。 动力部分 电动自行车的动力部分通常由蓄电池和电机构成，是电动自行车的动力来源。其性 能的好坏，直接影响电动自行车的动力性和经济性。 传动部分 电动自行车传动部分的作用是将动力部分输出的功率传递给驱动轮，驱使电动自行 车行驶。通过变速器或调速器，使电动自行车获得行驶所需要的驱动力和速度，并保证 电动自行车的平稳起步和停车。它由变速器、后传动装置组成。 行车部分 行车部分的作用是使电动自行车构成一个整体，支撵全车的总重量，将传动部分传 递的扭矩转换成驱使电动自行车行驶的牵引力，同时承受吸收和传递路面作用于车轮上 的各种反作用力，确保电动自行车正常、安全行驶。它主要由车架、前减震器、前后轮、 座垫等组成。 操纵制动部分 操纵制动部分的作用是直接控制行车方向、行驶速度、制动等，以确保电动自行车 行驶安全。它由车把、制动装置、调速手把等组成。 电气仪表部分 无刷喜流电机控制系统设计 电气仪表装置是保证车辆安全行驶并反映车辆运动状态的主要装置，它使骑行者能 正确、有效地对车辆行驶适时地进行控制。它由数据显示装置、充电器等组成。 ( 3 ) 电动自行车的特点 作为一种新能源绿色交通工具，电动自行车具有以下特点： 无污染：电动自行车是以蓄电池发出的电能作为驱动能源，运行过程中无废气 排放，不会对大气造成污染； 低噪音、振动小：电动自行车采用电动机驱动，与用内燃机的摩托车相比，运 行中产生的噪音显著减小，通常要低1 0 1 5 d b ，且运行比较平稳； 效率高：摩托车、燃油助动车的效率一般只有3 0 左右，而电动自行车采用电 机驱动系统，无空转损失，电池能量的8 0 以上转化为动力，而且可以在制动时进行髓 量回馈，更加提高了它的能量利用率，其效率可达到7 0 到8 0 以上； 安全、轻便、易维护：电动自行车的最高时速限制在2 0 k m h 以内，只能在非机动 车道行驶，可以快速起停，安全可靠。相对于摩托车，它的速度是大受限制，但在人口 密集的城市城镇是足够了，能让大众普遍接受。而且它体积小、重量轻，整车质量大概 在3 0 - 3 5 蚝，即使没电时脚踏骑行也不会很费劲。蓄电池是免维护的，电机的故障率也较 低。 以上的这些基本特点使电动自行车成为了当前交通工具市场的一大亮点，市场需求 不断扩大，因此其未来的发展潜力很大【刀。 ( 4 ) 电动自行车的发展前景 电机是电动自行车的关键部件。为使电动自行车有良好的使用性能，驱动电机应具 有宽调速范围、高转速和足够大的起动转矩。此外，由于电动自行车的驱动电机是车载 形式运行的，这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有较好的能量回馈性能。 稀土永磁无刷直流电机是近2 0 年发展起来的一类电机，电力电子技术，微电子技术、 微机和稀土永磁材料的发展为无刷直流电机的研究奠定了基础。目前无刷直流电机的发 展已经和大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论及电机 理论的发展紧密结合，显示出广泛的应用前景和强大的生命力。与其它电机相比它具有 几个明显优点：永磁无刷直流电机没有电刷、而是利用电子换相，故克服了任何由 电刷引起的问题。永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产 生的热量更容易散发出去；结构也变得简单，并且节省了空间，使其磁场损失也得到了 减少。它的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失步、震荡等现象，在节约能 量方面也有明显优势。 大连理工大学硕士学位论文 近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技 术也得到了进一步发展，新产品、新技术层出不穷。许多电动车生产厂家都应用了一系 列的电动车新技术，大大增强了自身品牌在市场上的影响，也颇受消费者的关注。麦科 特集团电助动车公司研制出智能变频电机，变频控制器和变频高效电机共同组成高效动 力系统，充分利用小电流大扭矩原理，在骑行过程中根据路况和载重情况及时调整输出 功率；北京新日公司研制开发了双动力电动车，与普通电动车相比，双动力电动车拥有 两个动力源，可实现在两个不同额度电流下的效能转换，即实现高效动力档和高速动力 档的转换；莫拉克公司开发出在骑行的同时就能给蓄电池充电的电动车，可以提高电动 自行车一次充电续驶里程。 电动自行车作为自行车史上具有革命性的交通工具，在绘人们生活带来方便的同时， 也对整个社会的经济产生了积极的影响。价廉物美的电动自行车有着巨大的市场需求。 电动自行车在整车设计、驱动系统、电池管理，尤其是锂电池、燃料电池等高性能电池 的研制方面不断取得突破。驱动系统的可靠性与高效率对整个电动自行车系统有着非常 重要的作用，不但可以提高整个系统的可靠性与安全性，促进整车效率，而且可以节约 能源和降低自行车的维护成本，从而推动电动自行车的广泛应用。 1 3 无刷直流电机控制器概述 无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简单无需 维护的优点，因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。在电机转速控制方面， 绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。目前，数字调速系统主要采用两种控 靠4 方案：一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但 不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制，应 用范围广，且灵活方便【8 1 1 9 1 。 电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主 要完成以下功能：对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号：产生 p w m 脉宽调制信号，实现电机的调速；对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有 较好的动态和静态性能；实现短路、过流、欠压等故障保护功能。 控制器是电动自行车的驱动系统，它是电动自行车的大脑。其主要作用是在保证电 动自行车正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池， 以及降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度。 目前，市场上常用的电动自行车无刷直流电机控制器主要采用专用集成电路为主控 芯片，像m o t o l o r a 公司研制的专用集成电路m c 3 3 0 3 5 ，其针对无刷电机的控制要求， 无刷直流电机控制系统设计 将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟式控制器，其工作原理是用电子装 置代替电刷控制电机线圈电流换向，根据电机内的位置传感器( 霍尔传感器) 信号，决定 换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速【1 0 1 1 1 】【1 2 l 【1 3 】。该控制系统的缺点是智能 性差，保护措施有限，系统升级空间小。 本文采用单片机做为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点 是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便，如电机缺 相保护、堵转保护、添加力矩传感器等等，可根据不同结构的电机进行控制的优化以达 到良好的匹配，通常将此类控制器称为数字式控制器。 近几年，国外一些大公司纷纷推出较m c u 性能更加优越的d s p ( 数字信号处理器) 芯片电机控制器，如a d i 公司的a d m c 3 x x 系列，t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 系列及m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 f 8 x x 系列，都是由一个以d s p 为基础的内核，配以电机控制所需的外围功 能电路，集成在单一芯片内，使体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。但是这 些专用芯片价格昂贵，外围电路设计复杂，在广大的民用市场无法大规模推广应用。 无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。在有位置 传感器的控制方法中，现今，由于霍尔传感器性价比高，安装方便，被广泛应用作为无 刷直流电机的位置传感器。当前，国内外对无刷直流电机无位置传感器的控制方法主要 有反电势法、定子三次谐波法、续流二极管检测法、脉冲检测法神经网络控制法等。但 是由于无位置传感器控制方法在低速时无法实现精确的速度调制，所以现阶段在电动车 领域只是处于研究阶段，无法推广到工业生产当中f 1 4 1 。 1 4 本设计的主要工作 本课题源于大连i c 专项基金。论文对无刷直流电机的控制原理进行了详细分析， 依据无刷直流电机特性，针对电动自行车的控制需求，进行了无刷直流电机控制系统的 设计。技术指标如下：系统正常工作电压3 6 v ；最低工作电压3 lv ；最大工作电流1 0 a ； 最大输出功率3 6 0 w 。 ( 1 ) 硬件部分 硬件部分以p i c l 6 f 7 2 单片机作为控制芯片，逆变器由6 个m o s f e t 管组成。通过微 控制单元电路、逆变器驱动电路等电路模块的设计，实现了电机的智能控制以及欠压保 护、过流保护、堵转保护等保护功能，可靠的对电动车电机和电池进行保护，确保电动 车使用及安全。， ( 2 ) 软件部分 大连理工大学硕士学位论文 在软件方面利用汇编语言，采用模块化编程和结构化编程。实现了信号的采集及处 理，实现了电动自行车的电动、定速和助力三种工作模式并且在系统出错情况下具有自 检功能。利用数字p i 控制理论实现电机速度的闭环调制。 具体设计如下： 选用p i c l 6 f 7 2 单片机作为主控芯片； 采用开关型霍尔传感器作为电机转子位置传感器； 通过对p i c 单片机编程，实现电动车电动、定速和助力三种工作模式； 通过硬件电路和软件编程，实现系统自检、欠压、过流、堵转保护功能； 通过软硬件设计，实现电动自行车仪表盘显示控制； 利用p i 控制理论实现电机速度的闭环调制； 提出一种软件电机接线模式自识别设计方案。 本设计实现了无刷直流电机的自动控制，硬件结构简单、成本较低，具有升级空间， 便于用户二次开发。设计中，利用p i c 开发环境完成软件编写和调试；利用逻辑分析仪 和示波器等完成硬件调试；借助于电动自行车实体，对软硬件参数进行测试，实现结构 优化。 无刷直流电机控制系统设计 2 无刷电机控制系统分析 直流电机具有响应快速、起动转矩较大，以及从零转速至额定转速具备可提供额定 转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定 转矩，则电枢磁场与转子磁场须恒维持9 0 0 ，这就需要碳刷及整流子。碳刷及整流子在 电机转动时会产生火花、碳粉，因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。 交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直 流电机的性能须用复杂控制技术才能实现。现今半导体发展迅速，功率组件切换频率加 快许多，提升了驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置 于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，可达到类似交流 电机的控制并有与直流电机相当的性能。无刷直流电机即是以电子方式控制交流电机换 相，得到类似直流电机特性且结构上优于直流电机的一种电机【1 6 】【1 ”。 2 1 电机的基本原理 2 1 1 稀土永磁无刷直流电机的基本结构 稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机基体、开关电路、位置传感器三部 分【1 8 】【1 9 1 ，如图2 1 所示。 图2 1 无刷直流电动机的组成 f i g 2 1d i a g r a mo f b r u s h l c s sd cm o t o r ( 1 ) 电机基体 稀土永磁电动机基体是由带有电枢绕组的定子和永磁转子组成。常用的有三种结构 形式：转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体；转子铁心中嵌入矩形板状稀土永磁体：转 子外套上一个整体粘结稀土磁环的环形永磁体。还有一种外转子式结构，即带有稀土永 磁极的转子在外，嵌有绕组的定子在里。电机运行时，外转子旋转。 ( 开关电路 大连理工大学硕士学位论文 开关电路由逆变器和驱动电路组成。逆变器主电路有桥式( 图2 2 a ) 和非桥式( 图2 2 b ) 两种。电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态( 图 2 2 a ) 。驱动电路将控伟4 电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导 通与关断的驱动信号。 图2 2 桥式( a ) 与非桥式( b ) 逆变电路 f i g 2 2m i d g e ( a ) a n dn o n _ b r i d g e ( b ) i n v e a e rc i r c u i t ( 3 ) 转子位置传感器 转子位置传感器是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置，向控制器提供位置信 号的一种装置。它由定、转子组成，其转子与电动机同轴，以跟踪电机本体转子位置； 其定子固定于电机本体定子或端盖，以感应和输出转子位置信号。 2 1 2 电机的基本工作原理 一般永磁直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙中产生磁 场，其转子一电枢绕组通电后产生反应磁场，由于电刷的换相作用，使得这两个磁场的 方向在直流电动机的运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩驱动电动机不停 地运转。直流无刷电动机为了实现无刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放 在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构正好相反，而且还 要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同组成换相装置，使得直流无刷电动机 在运行过程中由定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场，在空间中 始终保持在9 0 0 左右的电角度，从而产生转矩推动转子旋转。 无刷直流电动机按驱动方式可以分为半桥驱动和全桥驱动，按绕组接法又可分为星 形连接和角形连接。不同的绕组接法和驱动方式的选择将会使电动机产生不同的性能并 且成本也不同，主要从以下三个方面来进行分析： ( 1 ) 绕组利用率 无刷直流电机控制系统设计 无刷直流电动机的绕组是断续通电的，适当的提高绕组通电利用率将可以使同时通 电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度来看，三相比四相好，四相比五相 好，全桥比半桥好。 ( 2 ) 转矩的波动 无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机大，因此希望尽量减小转矩波 动。一般相数越多，转矩的波动越小，全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小。 ( 3 ) 电路成本 相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高，全桥驱动比半桥驱动所使用 的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高。 综合上述分析，三相电机星形连接全桥驱动方式综合性能最好，应用最多，本系统 即是选择的这种控制方式，下面介绍三相无刷直流电动机星形连接全桥驱动的基本原 理。 2 1 3 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理 无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响，在转子极 数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机控制器 包括电源部分和控制部分，如图2 3 所示。电源部分提供三相电源给电机，控制部分则 按照需求转换电源频率。电源部分可以直接以直流电输入或者以交流电输入，如果是以 交流电输入就需先经转换器( c o n v c f t e r ) 转成直流电。不论是直流电输入或是交流电输入， 送入电机线圈前须先将直流电压由逆变器( i n v a t c r ) 转成三相电压来驱动电机。逆变器一 般由六个功率晶体管，分为上桥臂和下桥臂，连接电机作为控制流经电机线圈的开关。 控制部分则提供p w m 脉冲宽度调制信号决定功率晶体管开关频率及逆变器换相的时 机。对于无刷直流电机，当负载变动时，一般希望速度可以稳定于设定值而不会有太大 的变动，所以电机内部装有霍尔传感器( h a l l - s a n s o r ) ，作为速度的闭回路控制，同时也 作为相序控制的依据。 电机转动由霍尔传感器感应到的电机转子所在位置，决定开启或关闭逆变器中功率 晶体管的顺序来控制，如图2 4 所示，逆变器中的a h 、b h 、c h ( 上桥臂功率晶体管) 及a l 、b l 、c l ( 下桥臂功率晶体管) ，使电流依序流经电机线圈，产生顺向或逆向旋转 磁场，并与转子磁铁产生的磁场相互作用，使电机顺向或逆向转动。当电机转子转动到 霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环， 电机就可以实现转动。功率晶体管的开启方法举例如下：a h 、b l 一组一a h 、c l 一 组一b h 、c l 一组一b h 、a l 一组一c h 、a l 一组一c h 、b l 一组，但不能使a h 、a l 大连理工大学硕士学位论文 或b h 、b l 或c h 、c l ，即同相上下桥臂同时导通。此外，因为电子零件总有开关的响 应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上 臂( 或下臂) 尚未完全关闭，下臂( 或上譬) 就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率 晶体管烧毁。设电机转子位置传感器采集的位置信号为h a 、h b 、h c ，分别对应于逆变 器的a 相、b 相、c 相，则当前位置与下一位置电子开关导通相的对应关系如表2 1 所 示。 在电机转动时，控制部分会根据系统设定的速度决定功率管的导通时间。若系统要 求加速，则增长功率管导通的时间，若要求减速，则缩短功率管导通的时间，此部分工 作由p w m 脉宽调制信号控制。 扯厅d 羹 图2 3 三相无刷直流电机工作原理 f i g 2 3p r i n c i p l eo f t h r e ep h a s eb l d c m 图2 4 逆变器原理图 f i g 2 4i n v c r t e r p r i n c i p l ed i a g r a m 无刷直流电机控制系统设计 表z 1 霍尔位置信号与换相的关系 t a b 2 1h a l ls i g n a l sa n dp h a s e s 2 2 电机的特性分析 2 2 1 电机的运行特性分析 电动机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械【2 2 】【2 3 2 4 1 ，因此我们最关心的 是它的转矩、转速，以及转矩和转速随电压、负载变化的规律。据此，电动机的运行特 性可分为：起动特性、电动运行特性、机械特性及调速特性。对于无刷直流电机，其电 势平衡方程式为： u = e + 1 0 9 儿口+ u( 2 1 ) 式中【，一一电源电压( v ) ： e 一一电枢绕组反电势( v ) ； 一一平均电枢电流( 4 ) ； ，唧一一电枢绕组的平均电阻( q ) ； a u 一一功率器件的饱和管压降( v ) 。 对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式，电枢反电势均可表示为： 大连理工大学硕士学位论文 e = k e 幸，l 式中撵一一电动机转速( ，m i n ) ； k e 一一反电势系数( 矿，r l n 血) 。 由式2 1 、2 2 可知 eu 一u i q r q 以h 一 尼正 在转速不变时，转矩平衡方程式为： t = 死+ 如 式中丁一一电磁转矩( n m ) ； 死一一输出转矩( n 研) ； f o 一一摩擦转矩( n 川) 。 这里 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) t = k r i ,( 2 5 ) k r 一一转矩系数( n 7 1 1 a ) 。 在转速变动情况下，则有 r ；t l + t o + ，辈 ( 2 6 ) 甜 式中系数： ，一一转动部分的转动惯量( n m s 2 ) ； 掣一一转子的机械角加速度( 阳d s z ) 。 口r 下面从这些基本公式出发，来讨论无刷直流电动机的各种运行特性。 ( 1 ) 起动特性 由式2 1 、2 5 、2 ，6 可知，电动机在起动时，由于反电势为零，因此电枢电流( 即起动 电流) 为 厶：u - a u ( 2 7 ) 厶= 一 l z ，j ，聊 其值可为正常工作电枢电流的几倍到十几倍。所以起动电磁转矩很大，电动机可以 很快起动，并能带负载直接起动。随着转子的加速，反电势e 增加，电磁转矩降低，加 速力矩也减小，最后进入正常工作状态。 ( 2 ) 电动机运行特性 在电动运行状态下，6 只开关管任意时刻只有2 只开关管导通，分别属于上桥臂和下 桥臂。 无刷直流电机控制系统设计 h _ 图2 5 电动运行等效电路图 f i g 2 5t h es i m p l ec i r c u i to f w o r k i n gs y s t e m 由图2 5 的运行等效电路图可得，在电动运行时a h 管和c l 管导通时通电回路的回路 电压方程如下： 觇：翻+ 池+ 厶坐+ 尬霉一i s r a m b a 坐一厶竺一厶堂一靠( 2 8 ) 出出出出出 式中臼、臼一一相电势，电动运行时最大幅值e 0 。由于r 很小，可 以忽略，故在电路接通后过渡过程结束前，l 正向增加，电路工作在吸收电功率状态， 吸收的电功率为： p 1 = u a ( 2 1 0 ) 对a h 管和c l 管进行脉宽调制，改变占空比，就可控制电流f 的平均值，从而控制 平均转矩。 2 2 2 机械特性和调速特性分析 机械特性是指外加电源电压恒定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系。由式2 1 、 2 2 、2 3 可知，式2 1 2 等号右边的第一项是常数( 当不计a u 的变化和电枢反应的影响时) 。 大连理工大学硕士学位论文 所以电磁转矩随着转速的减小而线性增加。当速度为零时，即为起动电磁转矩。当式2 1 1 右边两项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即为理想空载转速。实际上，由于电动机 损耗中可变部分及电枢反应的影响，输出转矩稍稍偏离直线变化。又因为功率晶体管的 饱和管压降随着集电极电流的变化而变化，在基极电流不变时，功率晶体管的饱和压降 和集电极电流之间成正比的关系。所以，随着转速的减小，电动机的反电势也减小，电 枢电流增加，a u 增大，到一定值以后，增加较快。所以其机械特性是在接近堵转( 即转 速很低) 时，加快下跌。 岛u - a u n k ,( 2 1 1 ) 4 口= 一 l ，4 印h 荦 f ：k r u - a u n k , k r( 2 1 2 ) r a e pr a e p 若假定外加直流电压一定，减小电机负载，转速升高，逆变器的触发频率也会提高， 同时反电势增加，电流减小，电磁转矩也减小。当电磁转矩和负载转矩平衡时，电机就 维持在一个较高的转速下运行。如果负载不变，提高外加直流电压，则转速升高，逆交 器的频率提高，反电势增大，使电流减小，电磁转矩又呈现减小趋势，这样就使电机维 持在一个较高的转速下运行。由此可见，由于无刷直流电动机的自同步性，其调速方法 与有刷直流电动机非常相似，可通过调节直流电压来实现。又从式2 1 2 可见，改变电源 电压，可以很容易地改变输出转矩( 在同一转速下) 或( 在同一负载下) 。所以在电子换相 线路及其它控制线路保持不变的情况下，无刷直流电动机调速性能很好，可以利用改变 电压来实现平滑的调速。 2 2 3 其他特性分析 无刷直流电机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电动势和转速等。这些物理 量的表达式与电机气隙磁场分布、绕组形式有十分密切的关系。对于稀土永磁无刷直流 电机，其气隙磁场波形可以为方波，也可以是正弦波或者梯形波，本文主要研究方波无 刷直流电机的特性及其控制策略，其气隙磁场的理想波形如图2 6 所示。岛为气隙磁感 应强度。 对于二相导通星形三相六状态无刷直流电机，方波气隙磁感应强度在空间的宽度应 大于1 2 0 9 电角度，在定子电枢绕组中感应的梯形波反电势的平顶波宽度应大于1 2 0 。 电角度。这种具有方波气隙磁感应强度分布、梯形波反电势的无刷直流电机称为方波电 机。方波电机通常采用方波电流驱动，即与1 2 0 。导通型三相逆变器相匹配，由逆变器 无刷直流电机控制系统设计 玩 既 厂? u 。u 7 图2 6 方波气隙磁场分布 f i g 2 6t h ed i s t r i b u t i o no f s q l l a r cw a v em a g n e t i cf i e l d 图2 7 梯形波反电势与方渡电流 f i g 2 7 c u r r e n to f s q u a r e w a v ea n d b a c ke m f o f t r a p e z i u m w a v e 向方波电机提供三相对称的、宽度为1 2 0 。电角度的方波电流。方波电流应与电势同相 位或位于梯形波反电势的平顶波宽度范围内，如图2 7 所示。其中b 为磁通密度，e a 和i a 分别为一相的反电势和相电流。 2 3 直流电动机的p w m 调速原理 直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法就是调节电枢电压。改变电枢电压调速 的方法有稳定性较好、调速范围大的优点【2 5 】【2 6 】。为了获得可调的直流电压，利用电力电 子器件的完全可控性，采用脉宽调制( p w m ) 技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大 小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调遽，这种调速系统就 称为直流脉宽调速系统。它被越来越广