（机械电子工程专业论文）捷联式通用化无刷直流电机控制器设计研究.pdf

南京 理工大学硕士学位 论文捷联 式通用化无刷直 流电机 控制器设计研究 ab s t ra ct b r u s h l e s sd cmot o r( b l dcm) hasb e e nu s e d 诩r eand口 o r ei nc o n t r o lf i e l d fori t s o u t s t a n d i n g 醉r f o r 田 a n c ee s 卯c i a l l y t h e mot o r 份 i t h o u t r o t o r 卯5 主 t i o n d e t e c t i o n s e n s or， buti t s a 讨o fes s i o n a l t e c hno l o g y o f t h i s . o t ors c ont r o l . a t p r e s e n t ，t e c h n i c i an u s u a l l yd e s i g na咖t o rc o n t r o ls y s t 朗 w h i c hi sa i 口 e d a tas p e c i a lmot o r .a n dt h ec o n t r o ls y s t 朗 份 ec an s e ei nt h e口 a r k e ta j 百 a y s s u i t f or s p e c i a l 咖t or t o o . i t s n o t e a s y t o u s e t h e mi n o t h e r c o 呻l e xs y s t e m s . thi sp a p e rp r e s e n t e dan e s y s t e m百 h i c hi sf o rme db yo n ec o n t r o l.d u l e andd i f f e r e n tdri v e r山dul e s t h i ss y s t 恤 c an b eu s e dt od r i v e山t o r si n d i f f e r e n t p 佣e r o r d i f f e r e n t 和r k i n g v o l t a g e sand t h i s s y s t 印1 5 刚1 t i f u n c t i o n a 1 t hat i t c anc o n t r o 1 mot o r s p e e d 、s y s t 胭 p o s i t i o n 、t e 叩e r a t u r e e t c .andt h e r ei so n l yo n ei n t e r f a c ec i r c u i tford i f f e r e n ts i g n 8 lf e e d b a c k s o f d i ffe r e n tfun c t i o n s . t h e n ， ana l y z e dt h e p e r f o 恤 n c e s o f d i f f e r e n t c o n t r o l s ， d i s cus s e dt h ea dvant 昭ea n dd i s a d v a n t 8geo fp i dc o n t r o 1met h o da n df u z z y c o n t r o l口 e t h o d ，andu s e df u z z y 一 p i dc o n t r o l 口 e t h o da st h ec ont r o lm e t h o do f t h i ss y s t e 孔 b a s e o n a b o v et h o u g h t ，t h i s砷p e ra d o p t e dt m s 3 2 0 f 2 4 0d s pa st h e 田 i c r o p r o c e s s o rt od e s i g n t h eh ar由areandt h es o f t 百 areo ft h e s y s t e 皿 fort h e h ar而 are ， t h i s p 即e r d e s i g n e d a p o 份 e r ful c o n t r o l m o d u l e whi c h c a n c o n n e c t ， 1 毛 h e ach d r i v e rmod u 1 et oc o n t r o 1d i f f e r e n t咖t o r s . a n d a sas a 功 p l e o ft h e d r i v e r modul e s ，t h i sp a p er d e s i g n e dad r i v e rmod u 1 eb a s e do nc h i pi r21 3 0份 h i c hc a n d r i v em0s f e tand1 g b t t h e n， d e s i g n e ds o f t 份 are贾 h i c hm a d et h ec o n t r o l f u n c t i o n so ft h i ss v s t e 口c 伽i n 义t r u ew h e nc o o p e r a t i n gw i t ht h eh ard 百 are . key和r d s : c e n e r a l i z e d ， mod u l e ， b r u s h l e s s 优 m o t o r ( b l d c m ) ，d s p f u z z y 一 p i dc o n t r o l 声明 本学 位论文是我在导师的 指导下取得的 研究成果， 尽我所知，在本 学位论文中，除了 加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的 研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均已 在论文 中作了明确的说明。 研究生签名:利丫 含 必 、 利二 电妙 了 年 7 月 介日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档，可以 借阅或 上网公布本学位论文的 部分或全部内容，可以向 有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的 部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 :劝小 利决 ” 7 年7月” 日 南京理工大学硕士学位论文捷联式通用化无刷直流电机控制器设计研究 1绪论 1 . 1天 漏 四 直流电 机及其 控制系统的 发展和现状 1 . 1 . 1 无刷直流电 机发展 概述 作为 机电能量转换装置， 直流电 动机因具备 优越的调速性能， 其应用范围己 遍及 国民经济的各个领域以 及人们的日 常生活之中。 直流电 动机调速性能主要表现在可无 级调速、调速范围宽、低速性能好 ( 起动转矩大、 起动电 流小) 、运行平衡、效率高 等方面。 传统直流电动机采用机械机构( 电 刷) 进行换向， 期间 滑动机械不但严重影响电 动机的 精度、寿命和可靠性， 而且换向时电磁噪声较大，加上维护困难等缺点， 极大 地限制了它的发展和应用范围。 有位置传感器无刷直流电机是用电子换向 代替传统的机械换向的一种机电一体 化电动机。 一般的无刷直流电 机是在定子上安装位置传感器来检测转子相对于定子所 处的 位置， 并根据检测到的位置信号来决定电 机的换向输出。 通常是在电 机上安装霍 尔传感器来检测转子位置， 不仅增加了电机工艺的复杂性， 而且增加了电 机成本和电 机故障率，同时增加了几根信号线， 给电机的整机安装带来不便. 这样， 无位置传感 器无刷直流电机就诞生了。 通过检测无刷直流电机绕组上的电流或电压等信号， 从而 确定转子位置，决定换向输出，省去了 转子位置传感器。 在永磁材料上， 相继出 现了 杉钻、 钦铁硼等， 它们具有高剩磁密 度， 高矫顽力以 及高 磁能积等优异磁性能， 使永 磁电动机有了 较大发展. 但是杉钻的 价格昂 贵， 限 制 了 永磁无刷电 动机的前进步伐。 随着永磁材料的性能不断提高和完善， 特别是钦铁硼 永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改普， 加上永磁电 动机研究和开发经验的逐步成 熟，稀土永磁无刷直流电 机的应用和开发进入了一个新阶段。 目 前， 无刷直流电 机正朝着超高速、高转矩，高功能化、微型化方向 发展。 1 . 1 . 2无刷直流电机控制系统的 发展和现状 早期的 无刷直流电 机控制系统 主要是由 模拟器件构成的 模拟系统， 成本低， 系统 易 于实现。 但模拟系统存在着器件易于老化、 器件随温度变化造成参数漂移、 系统可 靠性下降及系统升级困难等缺点，这成为制约其发展的瓶颈。 数字控制系统能够很好地解决模拟系统存在的这些问 题， 它消除了系统参数的漂 移， 而且在保持较低成本的同时实现了系统的数字化处理和控制算法的可靠升级， 将 成为无刷直流电机控制系统发展的主流。 但传统的无刷直流电 机数字控制系统大多数 南京理工大学硕士学位论文捷联式通用化无刷直流电 机控制器设计研究 采用m c s 一 51、 9 6 系列微处理器， 这些处理器存在指令功能不强， 处理速度慢， 乘、 除法所用指令周期过多， 外围电 路数据转换速度慢等缺点， 使无刷直流电 机的 性能 得 不到充分发挥，难以构成高性能的控制系统。 高性能处理器的出 现， 如通用d sp， 其处理速度快， 弥补了传统微处理器的不足， 使无刷直流电 机的 转速控制能 够达到很高的精度， 大大提高了 无刷直流电 机控制系统 的性能。 但是无刷直流电 机控制系统除了高性能的处理器以 外， 还需要专用门 列组合 以及相应的存储器和外围芯片， 这就使得芯片数量增加， 价格提高。 由这种微处理器 组成的控制系统， 难以实用化。 针对这一问 题，美国tl和 ad 公司相继研制成功以 d s p 为内 核的集成专用电 机控制芯片 如: tl公司的翎s 3 2 o x24x系列， ad公司的胡知 c 系列等。这些控制器不但具有高速信号处理和数字控制功能所必须的体系结构特点， 而且 有专为电 机控制提供单片解决方案所必需的外围设备。 采用电动机专用dsp 为核 心的电 机控制系统， 系统硬拌得到极大简化， 提高了 系统的可靠性， 减小了 体积， 降 低了成本。因此采用电动机专用d sp研制出的电动机控制系统具有高效性和实用性， 对这 一系 统的 研 制将 会使 无 刷直 流电 机的 普及 应用具 有 很 好的 前景sj 。 与此同时， 随着电力电子工业的飞速发展以 及超大规模集成电路技术的发展， 逆 变装置发生了根本性的变化。开关器件本身向 着高频化、大容量、智能化方向发展， 并出现集半导体开关、信号处理、自 我保护等功能为一体的智能功率模块( i pm) 和大 功率集成电路， 使作为无刷直流电 机的关键部件之一的逆变器的成本降低， 且向高频 化、 小型化发展。 无疑， 这些技术为无刷直流电 机控制系统的发展提供了良 好的基础。 但由于无刷直流电机的调速和驱动技术是一门技术含量较高的复杂技术， 迄今为止的 做法是， 由 专门的设计人员 对特定的机一电控制系统， 设计特定的无刷直流电 机控制 系统，设计调试成本较高。 而市场上能选购到的控制器， 大多是专用于一种型号的电 机，且功能较少，对用户而言，难以方便地嵌入控制系统中使用。 1 . 2无刷直流电 机的工作原 理分析 1 . 2 . 1 无刷直流电机的 基本 结构 传统无刷直流电机的基本结构如图1 一 1 所示， 它主要由 永磁电 机本体、 电子开关 换向电路和转子位置信号检测三部分组成。 呸 导 于 今 图1 一 1 无刷直流电机结构原理图 南 京理 工大学 硕 士学 位论 文捷联 式 通用 化 无 刷直 流电 机控 制器 设计 研究 1 、 永磁电 机本体 永 磁无 刷 直流电 机的电 机本 体由 定 子 和转 子两部 分 组 成。 定 子 绕 组一般分为 三相 且多 采用整距集中 式绕组; 转子则由 永磁钢按一定的极对数组成， 转子磁钢的形状呈 弧形， 气隙 磁通密度呈梯形分布。 无刷直流电 机的 转子结 构即 有传统的内 转子结构、 盘式结构、 外 转子结构和线性结构等新型结构形式。 伴随 着新型永磁材料钦铁硼的实 用化， 无刷直流电 机正朝着高力矩、高 精度、 微型化和多 用途等 方向 发展。 2 、电子开关换向电路 电 子开关换向电 路是由 功率开关和 位置信号处理电 路构成， 主要用来控制定子各 绕组通电的顺序和时间。 无刷直流电 机本质上是自 控同步电 动机， 电机转子跟随定子 旋转磁场运动， 因 此， 应按一定的 顺序给定子各相绕组轮流 通电 ， 使之产生旋转的定 子磁场。 由于采用了自 控式逆变器即电 子换向 器， 无刷直流电 机输入电流的频率和电 机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生震荡和失步。 3 、转子位置信号检测 转子位置信号检测获取无刷直流电 机中转子磁极位置， 为电 子开关换向电 路提供 正确的换向信息， 即将转子磁极的位置信号转换成电信号， 经位置信号处理电路处理 后控制定子绕组换向。 由于功率开关的导通顺序与转子转角同步， 因而转子位置信号 检测与功率开关一起， 起着与传统有刷直流电机的机械换向 器相类似的作用。 无位置 传感器无刷直流电 机转子 位置信号 检测技术也是本文将要讨论的 重点之一国。 1 . 2 . 2无刷直流电 机的墓本原理 无刷直流电 机为了 实现无电 刷换向， 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， 这与有刷直流永磁电动机的结构刚好相反。 但仅这 样做还不行， 因为用一般直流电 源给定子上各绕组供电， 只能产生固定磁场， 它不能 与运动中 转子磁钢所产生的 永磁磁 场相互作用， 以 产生单一方向的 转矩来驱动转子转 动。 所以， 无刷直流电 机除了由 定、 转子组成电 动机本体外， 还需要由 位置传感器、 控制电 路以 及功率逻辑开关共同构 成的换向 装置， 使得无刷 直流电 机在运行过程中定 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 始终保持 在 9 00 左右的电角度。 图1 一 2 是三相永磁无刷直流电 机的电 子换向主回路， 也就是由6 只功率开关元件 组成的 三相全桥式逆变电路。图 1 一 3是三相永磁无刷直流电 机的定子绕组的结构示 意图。 其中卜x表示与a 相绕组 轴线 相正交的 位置; 虚线于丫 表示与b 相绕组轴线 相正交的 位置; 虚线c-z 表示与c相 绕组轴 线相正 交的 位 置。 显 然由a 一 x 、 b 一 丫 、 c 佗 交叉形成了6 个6 。 。的 扇区，也称图卜 3 为“ 定子空间的 扇区图气 南京理工大学硕士学位论文捷联式通用化无刷直流电 机控制器设计研究 图1 一 2 三相永磁无刷直流电机的电 子换向主回路图 图卜3三相永磁无刷直流电 机的定子绕组的结构示意图 事实上， “ 定子空间的扇区图” 中共有6 个扇区， 这6 个扇区和转子位置检测器的 位置检测信号是 一一对应的。 也就是说， 当电 动机的 转子位于每一 个扇区内时， 转子 位置检测器发出 来的代码是保持不变的， 而一旦电动机转子转出了 这个扇区， 转子位 置检测器就发出 新的代码， 这一新代码和电 动机转子处于的新扇区相对应. 如图1 一 4(a) 所示，假定电 动机正处于1 号扇区，电 动机转向也如图示，为了 使电动机转子能 获得连续的转矩， 定子磁场应当 与转子垂直， 这时， 定子的磁场必须 位于与b 一 y 线重合的位置(b端为n 极， y 端为5 极) 。 定子的磁场是由定子电 流产生 的，定子电流的 流向应当是:a 相绕组的电 流由a 端流入，由x 端流出， c 相绕组的 电流由2 端流入，由c 端流出， b 相绕组不通电。根据上面的分析， 从图1 一 2 所示的 三相永磁无刷直流电 机的电 子换向器主回路中 可以 看出， 这时， 应当 是1 号开关管和 6 号开关管导通，其余的开关管都关断. 随着电 动机的 转子的转动， 当转子转出1 号扇区， 进入6 号扇区时， 转子位置检 测器发出的代码发生了改变， 在逻辑电路的控制下， 使得1 号开关管和4 号开关管导 通， 其余的开关管都关断， 这时定子电流的流向应当是: a 相绕组的电流由a 端流入， 4 南京理工大学硕士学位论文捷联式通用化无刷直流电 机控制器设计研究 由x 端流出， b 相绕组的电 流由y 端流入，由b 端流出。 c 相绕组不通电 。 这时 定 子 磁场与c-z 轴重合(z端n 极， c 端5 极) ， 与刚才的情况相比， 定子磁场向前跨越了 6 00 电角度，仍然与转子保持近于垂直的位置。 如图1 一 4(b)所示。 气!卿 / 、 定 子 磁 场 图卜4转子位置与换向 关系图 同样， 可以分析电 机转子转动到其它扇区的情况， 分别如图1 一 4 的其它部分所示. 以上运用 “ 定子空间扇区图”分析了三相无刷直流电机在3 60。电角度内的换向 过程，这样就得到了 如表1 一 1 所示的扇区、绕组电平状态 ( “ 1 厅 代表流入相， “ 0 代 表流出相， “ * ” 代表非导 通相， 其实际电平状态将在第4 . 2 . 4 节中予以 讨论) 和功率 开关管导 通状态对应表。 不 难看出， 定子的 磁场是步 进地、 跨越地前进的， 每步 跨越 6 0 。电角度，而转子当 然是连续地运行的。 南京理工大学硕士学位论文捷联式通用化无刷直流电 机控制器设计研究 表卜1扇区、 位置检测信号和功率管导通状态对应表 扇区 绕 组 电 平 状 态 !功 率 管 导 通 状 态 abct 1t 2t 3t 4 t 5t 6 l 1 一 1 牢 0i q000l 210*100100 3l。 0100011 0 4l。 * l0 10010 50l 。1!。 llo00 6i。 l 。l 。 0lo01 1 . 2 . 3无刷直流电 机的数学 模型 永磁无刷直流电机转子采用永磁材料， 定子为电 枢绕组， 其三相绕组在空间上互 差1 2 0 。 永磁无刷直流电 机的 特征是各相反电势为梯形波， 意味着定子与转子之间 的互感是非正弦的，将 bl优 m三相方程变换为 d 、q 方程是比 较困难的，因为 d 、 q 方程适用于气隙磁场是正弦分布的电动机。 而直接利用电 动 机原有的相变量来建立数 学模型却比较方便，又可获得较准确的结果。为了简化分析，做如下假设: ( 1) 定子绕组为6 o .相带整距集中绕组，星型连接. (2) 忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗。 (3) 转子上没有阻尼绕组， 永磁体也不起阻尼作用. (4)不考虑电 枢反应， 气隙 磁场分布近似为矩形波， 平均宽 度为1 2 00 电角度. (5)忽略磁槽效应，绕组均匀分布于光滑定子的内表面。 因此永磁无刷直流电 机的三相绕组的电压方程可表示为: 乌 石 刀与 c 引十 尸 ， 编 乌 棍 ( 1 . 1 ) 灿 编 乓 式 中 u ， 、 u ， 、 。 。 一分 别 为 三 相 绕 组的 相电 压; 1 ， 、 了 。 、 ic 一 分 别 为 三 相 绕 组 的 相电 流; e 月 、e ， 、ec 一分 别 为 三 相 绕组的 反电 势; r ， 、r ， 、r 。 一分 别 为 三 相 绕 组的 相电 阻 ; l ， 、 几、lc 一分 别 为 三 相 绕 组的自 感; 句c-a 相和c 相 绕组间 的 互 感， 其它亦然; p一微分算子d 月t 。 对于凸装式转子结构， 可以 忽略凸极效应， 因此定子三相绕组的自感为常数， 三 南京理1大学硕士学位论文捷联式通用化无刷直流电 机控制器设计研究 相绕组间的 互感也为常数，两者都与转子的位置无关。因此可做如下假设: 凡二 r ， 二 凡二 r l 月 二 几二 lc二 l l 二 气 “ l = l cb 二 l 。 二 l 。 二 m 则电 压方程可写为: 闭川训月 r 0 0 0 r 0 0 0 r 福 卜 尸 m l mm ( 1 . 2 ) m 毛 l 因为定子三相绕组为y型连接，且没有中线，故有: 1 ， + 1 ， + ic =() ( 1 3 ) 式 ( 1 . 3) 可改写为: 娜日 + 娜亡 一mi月 ( 1 . 4 ) 综合 (l. 2) 一(l. 4) 式，得到化简后的电 压方程为: 闪闪同 旧囚曰 叫叼洲 r 0 0 0 r 0 0 0 r ial+ p . 0 l 一 材 0 写成状态方程的形式，即: 、月刀.、!.j ，月1.es、esij 月sc 几厂1比 一 ，.十t!.j 几尸汤卜氏 ，卫!.1.j 00r 0r 左00 rwesesel 1 l一五 f l一材 1一一uo 一l 一l 一阮卜户氏 p. 根 据 式(1 . 4 ) ， 可 得 如图卜 5 所 示 的 电 机 等 效电 路， 图 中u 、 为电 机中 点电 压。 l，俘 几 凡 外 图1 一 5永磁无刷直流动机等效电路图 南京理工大学硕士学位论文捷联式通用化无刷直流电机控制器设计研究 由电机学原理知， 永磁无刷直流电 机的电磁转矩为: 几二 压介 ， .1 ， + ， ib + 君 ， ，。 )( 1 . 5 ) 式中 毋 一电 机角速度: 几一电 机极 对数。 为产生恒定的电磁转矩， 要求定子电 流为方波， 反电势为梯形波， 且在每半个周 期内， 方波电 流的持续时间为1 2 00 电角度， 梯形波的反电势的平顶部分同样也要持 续1 2 。 。电 角 度以 上， 二者应严格同步。 在 理想情况下， 任何时刻定子 绕组只有两相 导通，且每一相电流和反电动势完全相等，则电磁功率为: 凡， e ， j ， + ， j ， + ， j ， “ 2 。 。 j . ( 1 . 6 ) 于是得到电磁转矩: 几 二二z e 二 . . 压 ( 1 . 7 ) 式 中 e ， 一定 子 每 相 绕组 的 反电 动势 幅 值 ; 1 。 一定 子 各相 绕 组 的 相电 流 幅 值。 1 . 4本论文选题的 背景和意义 一方面， 由 于无刷直流电机的卓越性能及技术的不断进步， 军事工业、 航空航天、 航海、医疗、信息、家电、工业自 动化等领域对其的需求越来越旺盛。 另一方面， 如本文1 . 1 . 2 节所述， 由 于无刷直流电机控制系统的 技术门 槛较高且 不能选购到易于嵌入自 动控制系统中应用的通用化、 系列化无刷直流电 机控制器， 这 在很大程度上限 制了 无刷直流电 机的 应用范围 的 扩大。 为了 解决 上述问 题， 本文提出 了 捷联式和通用化技术设计方案， 研究实 现对不同功率、 电压电动机控制的通用化控 制器: 1 、将系 统分为控制模块和驱动模块， 其中， 驱动模块针对不同电 压， 功率的无 刷直流电机分级设计，客观标准化、系列化产品。 2 、控制模块技术含量较高，应实现通用化和标准化，功能尽可能完善， 方便于 拓展应用到多 种控制系统中。如集散系统、随动系统等。 3 、接口 标准化，以实现控制模块与各驱动模块之间、系统与系统之间的捷联。 这样做具有以下优点: 1 、 在研制开发新的内嵌无刷直流电 机的控制系统时， 无儒从头设计无刷直流电 机控制器， 只 需围 绕通用化和标准化的 控制模块构建控制系统， 大大降低了 使用无刷 8 南京理工大学硕士学 位论文捷联式通用化无 刷直流电 机控制器设计研究 直流电机的技术门 槛。 2 、 将发热量高的驱动模块分离开来，既利于散热又实现了系统强电和弱电的隔 离， 增强了系统的可靠性。 3 、 对于产品开发者，当需要调试控制不同功率电 动机时，无需配备多套完整的 控制系统， 从而节约了 成本。 同时本设计对不同功率电 动机的控制系统结构上保持一 致， 对于这类用户而言控制系统没有变化， 这就避免了开发不同型号的此类产品时需 要调整或重新设计电 机控制系统的外围设备以 及由 此造成的 人力、财力的浪费。 4 、对于工业生产中 使用内 嵌无刷直流电 机的机器设备的用户，这种设计使得电 机控制系 统的维护、 检修和更换更加灵活、 方便， 利于生 产。 并且从电 动机控制系统 备品角度出发， 也使得用户只需以 发热量高、 相对易老化的驱动模块为重点备品， 从 而节约了备品成本。 因此， 本选题对进一步拓展无刷直流电机的应用领域及促进自 动控制系统的发展 具有十分重要的现实意义。 1 . 5本论文的 研究内 容 本论文以 无位置传感 器三相永磁无刷直流电 机为控制对象，以控制器的模块化、 捷联化、 通用化和智能化为目 标， 设计了基于d sp的“ 反电势法” 无位置传感器无刷 直流电机捷联式通用化控制器。整个控制器由无刷直流电 机控制模块和驱动模块组 成， 这两套子模块的捷联能够实现: 无位置传感器无刷直流电机转子位置检测、 电机 变频调速、 电动机转动速度和电 流的闭环控制、 电 机正反转控制。 外部接口 增加了系 统位置、 温度或压力等状态参数的数字化反馈通道， 辅以 相应的软件实现对相应参数 的控制， 拓展了 控制器的应用范围。同时本控制器还具备过压、 欠压、 过流等保护功 能。本文主要研究内 容有: 1 、无刷直流电 机控制系统的 控制策略的 确立。主要通过分析无刷直流电 机运动 学特性和数学模型， 建立控制系统的传递函数， 进而确立控制策略。 2 、 捷联模块化技术方案设计。主要研究控制模块的通用化、多功能性、驱动模 块分级的实现和模块捷联的实 现以 及在此基础上实 现的 对不同功率、 电 压电 动机的 通 用化控制和控制器应用领域的拓展。 3 、 硬件系统的 构成 和控制软 件的设计。 具体实 现无位置 传感器无刷直 流电 机转 子位置检测、 电机转动速度的闭环控制、 电动机转动电 流的闭环控制、 正反转控制及 控制器嵌入到不同控制系统中 ( 如随动系统)的系统状态参数反馈通道设计。 南京 理1大学硕 士学位论文捷联 式通用化无刷直流电 机 控制器设计研 究 2总体设计 2 . 1捷联式 通用化设计方 案概述 通常， 无 刷直流电 机控 制器总体结 构如图2 一 1 ， 它由 微处理 器控制电路、 驱动电 路、 逆 变器电 路、 转子 位置检测电路 及保护电 路 构成。 其中， 微处理器控制电 路是整 个系统的 核心， 它主要包 括电 动 机转子 位置检测电路、 控 制参量输 入电 路、 显示电 路， 完成 输入控制、 系统状态显示、 保护信 号处理、 电 机 逆变驱 动信号输出以 及转速控制 等任务。 一圈、 冈吟 一 控 伪 一 礴引二 “ 1 二 【 一里旦种 、 j 器】、 七 -目 一一 j 一.-一- .-.一 户一，-一 ，.一_一 .一_一_ _ 吟 逆 变 器 电 路 ! 奈 司 2一 州曰 图2 一 1 无 刷直流电 机控制 器简图 图2 一 1 所示的控制系统具有较强的专用性， 即对一档功率、 电压的电机需配备特 定的控制器。 基于本文第 1 . 4 节中所述的目的和意义， 本文将图2 一 1 的系统改进和创 新设计为捷联式通用化无刷直流电机控制器。 其系统结构如图2 一 2 所示，为实现捷联 和通用化要求， 采用了模块化设计， 将整个控制器分为控制模块和驱动模块两个模块。 ( d 控 制模块 控制模块是 一种与电 机型 号和功率 无关的 通用化设 备， 即 控制模块能 够适 用于各 个功率、电压级 别的 驱动模块。 同 图2 一 1 的 系统相比 ， 控制模块除了 具备设计精良 的 控制 参量输入电 路和显示电 路， 以 满足本控制器的基 本人机 对话功能， 从而实现本控 制器的 基本功能 一对 无刷直 流电机的 速度控制外， 还增加了 集散控制 接口 电路和反 馈 信号接口 电路。 集散 控制接 口 ， 可 使本控制器加入到计 算机 集散 控制系统中运行， 作为系 统的一个终端。 而反馈 信号接口， 则是对系统功能 的进一步拓 展， 本接口 通过 读取反 馈输入信号， 获取控制 系统 状态参数的当前值 并调节电 机转速， 从而完成对控制 量的精 确控制。 例如可以 实 现:1 、 机械系统位置控制， 将本系统的 应用拓展到随动 控制等需要精确定位的控制 领 域中。 2 、 温度控制， 如制 冷机， 排 风机等， 3 、 压力控 制， 如恒压供水。 上述功能 的实现将在第2 . 3 . 2 节中予以详细介绍。 南 京理工大学 硕士学位论 文捷联 式通 用化无 刷直流电机控 制器设计 研究 ( 2 ) 驱动模块 驱动 模块为与 不同 功率、 电 压级别电 机 相匹配的专用设备。 驱 动模块按电 机功率、 电 压逐级设 计并且可 逐步实现标 准化。 需 要强 调的 是， 标准 化是 行业发展的趋势， 同 时它需要 行业内多 方力量的协作 努力， 并非 本文所能完全解决的。 故本文重在阐述这 个思想， 在后文的设 计中 仅能根 据目 前的 实际 情况对驱动模块功 率分级进行初步分 析， 且具体以 设计一 个特定的驱动 模块为例。 当 然，随 着新器 件的 不断 涌现， 用户可 以 基于本 文的 通用化控制模块自 行进行驱 动模 块的 设计， 这一部 分只是一些 逻辑器件 的组合， 投有繁 琐的 程序编写工 作， 技术门 槛比 较低，实现 起来也 就比 较容易。 另外， 为了实现捷联和通用化， 不同功率、电压级别的驱动模块必须满足与控制 模块的信号接口 要求，并且两种模块之间必须配备使用便捷的机械接口来紧固。 驱动模块 劳 逆 变 器 电 路 嘟 全 _一 函 画画圈 劳翻伪 一_竺 鹦_圈 _一 图2 一 2捷联式通用化无刷直流电机控制器结构简图 2 . 2驭 动模块的 分级设计 2 . 2 . 1 逆变器常 用功率开关元件的工 作特性分 析 如2 ， 1 节 所述， 通用化的设计方案 要求设 计不同功率、 电 压级别的 驱动模块以匹 配不同 功率的电 机。 实质上，从 对无刷直流电 机的 工作原理的 分析可 知: 不同 功率、 电压级 别的驱 动模块是指根据电 机功率、 电 压的不同 在驱动模 块逆变电 路中 采用了 相 应的功 率开关 元件， 同时 采用具备相应驱动 能力的 驱动器件 和外围电 路设计而成的。 要 实现对驱 动模块合理的 分级 设计， 了 解 功率开关器件的特 性是非常必要的， 逆 变电 路的功率开 关元件通常 采用功率朋s f et和工 阳t ， 下面 分别介绍 二者的 工作特性。 ( 1)功率 m osf et 的工作特性 功率m os f et分为n 沟道和p 沟 道两种， 其 中， 前者的 导通电 流从漏极d 流向 源 极5 ， 而后 者的导 通电 流从源极5 流向 漏极d . 并 且功率m o s f et有增强 型和耗尽型之 l 1 南京理工大学 硕士学 位论交捷联式通用 化无 刷直流电 机控制器设计 研究 分，限于篇幅， 这 里以n 沟 道增强型功率m o s p et为例， 简单讲述其 工作 特性。 曰 q 一习一， 几 图2 一 3n 沟道增强型 功率朋 o s f et 电 气符号图 n 沟道增强 型功率m osf 曰的电气符 号如图分3 所示， 它的主 要参 数有:开启电 压珠、 导 通 电 阻踢 和 额 定 漏 极电 流1 。 等 。 其 导 通 特 性为 : 漏 极 和 源 极 电 压心为 正 ， 栅 极 和 源 极 之 间 的 电 压心控 制 器 件 的 导 通 状 态 ; 当峪 凡时 ， 器 件 处 于 导 通 状 态 ， 电 流 从 漏 极d 流 向 源 极5，多 数 器 件 的 心为10 一 巧 v，额 定 值 为 士 3 o v.导 通电 阻 r ds 器 件 产 生 功 耗 的 主 要 因 素， 是由 其 沟 道的 工 作 状 态 决定 的 ， 即 与几有关，几大 则r ds 小 目 前 的 l o g i c 一 e v e l 的 功 率m os f et ， 其心只 要s v ， 便 可 保 证rds很 小 功率m 璐f e t 的另一个重要的特性是它具有很大的输入电阻， 可达 1 0k 欧姆以上， 即它对驱动电 流的要 求很低， 属于压控型 功率 开关器件， 即只 需要 在提供 一定的栅极 和源极电压就 可使其导 通， 驱动电 路简单。 (2) ig bt的工 作特性 与功率m o sf曰的工 作特性 相似， i g bt也是 一种压控型器件， n 沟道i gbt 电 气符 号如图2 一 所 示。 但i g b t 除了具 备功率m o s 沌t 的工作速度快、 输 入阻抗高、 驱动电 路简单等优点 外， 还具备了 载流量 大、阻 断电 压高的特点。 图2 一 4n 沟道i gbt 电 气 符号图 i g bt不但载 流量大， 且和功率m o s f et相比 较， i g bt具有更小的通 态电 阻， 通态 压降小， 通态损 耗小，而功 率m o s f et 通态电 阻 大， 在大功率开关电 路中导 通压降可 高达数伏， 会造 成很大的 通态损耗，所以 在大功 率场合宜使用 i g bt; i g b t 在关断时 会出 现电 流拖尾 现象，所以 关断 时间长， 在高频工 作区开 关损耗较功率m o s f et 大， 所以 在高频段宜 使用功率 诩s f e t 。 可见二者 各有 优缺点，使用时可以 根据使用 场合 进行选择， 当然 特殊场合也 可以 采用二者 组合的方 式，即 采用 工 g b t 导 通电 路，功率 m osf et 关断电 路， 既实现了通 态压降小、通 态损耗低又实现了快速关断。 这样就 避 开了各自的缺点充分发挥了它们的优点。 l 2 南京理工大学硕士学位论文捷联式 通用化 无刷直流电 机控制器设计 研究 2 . 2 . 2驱动模块分级的 初步构想 如前文所述， 驱 动模块为 与不同 功率、 电 压级别电 机相匹 配的系 列设备， 它按电 机功率逐级设计。 如 果能够实 现驱动 模块的 标准化， 那么对 使用者而言， 无论使用何 种功率的电 机， 只需要选 用相 应功率、 电 压级 别的驱 动模块与 控制模块相捷联即可构 成所需要的控制器。 无疑， 这就 大大降低了使用门 槛， 不但 推进了 使用者的工作进度， 同时也减少了使用者多花精力和财力去 自 行设计造成的资源浪费. 标准化的优点显 而易 见， 但是 必须看到要实 现标准化并 非易事， 它需要 多方合力 才能实 现， 最基 本的需 要是 功率开 关元件及其驱动 元件的生产 方生产标准化的分级产 品 ，这也是驱动模块 分级实 现的基本条 件。 作为向驱动模块 分级标 准化的迈 进， 本文就 利用目 前 市场上己 有功率、 电 压级别 的功率开关元件和驱 动元件 来初步或部 分实 现驱动 模块的 分级设计。 本文的 设计思路 是分级驱动模块的各元件特别是驱动元件尽量采用某一系列的产品， 利用系列产品在 性能上的连续性和接口上的一致性， 实现分级， 同时利于实现与控制模块的接口统一， 实现捷联。 目 前， 市 场上的 功率开关 元件虽 没有统一的 标准， 但是各 功率、 电压级 别功率开 关元件已有很多。 部分 驱动元 件厂家有系列的产品， 如美国国际 整流器公司 ( i r f) 工 r21x系列和 工 r 2 2x系 列的三 相逆变器 栅极驱动 器， 这两个系列都采用了浮 地技术驱 动高侧n 沟道m osf et和 i g bt， 最高电压达 6 o 0y 和 1 2 o 0v， 同时还具备电压故障保护、 电流故障保护等功能。 这样， 这些器件就可以在保证捷联和通用化的前提下有选择地 为驱动模块的分级设计所用。 本文拟采用这两个系列的驱动器进行驱动模块的分级设 计， 但由 于不可能对分级的 各个模块均作叙述， 所以 ，在硬件设计章节中 就是以的 i r21 3 o芯片作为逆变器 功率元 件驱动器为例， 进行了 相应的 驱动模块设计， 在阐述 了 分级设计的思想的同时 也 证明了 分级设计的可 行性。下 面对 工 r 2130 芯片作简要 介 绍 。 ir z130是一种高电压、 高速 度的功率淤sfet和i g bt驱动 器，工作电压为10 2 0v，逻辑输入与c m o s 或lsttl 输出兼 容，最小 可以 达到2 . sv逻辑电 压; 输出分别 有三个 独立的高端通 道 h ol h 03 和三个 独立的 低端通道l oll03 ， 并可以 对同一 桥 臂中 上 下两个功率器件的 栅极驱动 信号产生 z us 的互 锁延时时间。它内部设计 有过 流、 过压及欠压保护、封 锁单 元， 应用中可以 方便地用来自 保护和保护功率器件。 i rz13 0 的高侧浮动通 道能 够 用来驱动n 沟道功率m o s f et和i g bt， 最高电 压达6 0 o v ; 经过外部辅助电路调 节， 其 高、 低侧驱动电 压最大 可到2 0v; 输出 最大正向 峰值电 流 为2 5 0 ma，反向 峰值驱动电 流为500 毗。 这样， 结合图 1 一 2 ，通过 i rz13 0 高端 输出 hol h 03 分别控制三 相全桥电路 上半桥tl、 t3、 ts的导 通关断， 低端输出l ol一 l 03 南京理工 大学 硕士学位论文捷 联式通 用化无刷直流电 机控制器设 计研究 分别 控制下半 桥tz、 t 4 、 t6的导 通关断， 从而达到控 制电 机转 速和正反转的目 的。 2 ， 3 控制模块 通用化设计的 实现 2 . 3 . 1控制模 块工作过程简述 首先 确立 本文的 通用化 控制模块 所采用的 微处 理器，从 而明 确 控制信号的 特性。 如1 . 3 节 所述， 电 动机专 用d sp微处 理器不 但具 有高速信号 处理 和数字控制功能所必 须的体系结 构 特点， 而且有专 为电 动机 控制提供单片 解决方案 所必需的外围设备。 因 此采用电 动机 专用dsp 为 核心的电动 机控制系 统， 系 统硬件得 到极大简化， 提高了系 统的可 靠性， 减小了 体积， 降低了 成本。 在此基础上研 制出 的电 动机控制系统具有高 效性 和实用性。 本文的 通用化控制 模块选 用tl公司的tms 3 2 0 f 2 40d s p 作为本系统的 控制芯 片，输出 信号为+5v 和ov 的 逻辑电 压。 本控制器当 作用最基本的 调速控制时， 信号道路如 下: 从本控制 器的控制参量输 入电 路直 接输入数字的或 模拟的转 速值， 经微处理器 整 理 后产生p 恻信号， 并输入驱 动电 路。 经驱动电 路放大 后， 驱 动逆变器使电机速 度改 变， 转子位置检测信号同时输入微处理器，以保证 p 恻 信号频率及相变与转子位置改 变同 步。 p 侧信号的占 空比 决定了 逆变 器电 子开关 ( 功 率肋s fe t 或 i g b t) 在一 个频 率 下的通断时 间比， 该时间比的 变化， 使电 机转子电 压均值发生 变化， 这是电 机 速度 变化的根本依据。 当本控制 器嵌入复杂的控制系统中 运行时，系统的目 标参量由 集散控制 接口 输 入， 同时系 统状态参量反 馈信 号也被 读入微控 制器， 两个参 量的 差即形成控制参量。 以 本控 制器嵌入随 动系统为 例， 本控制器 从上位计算机 获取系统 位置 的目 标值 ( 静止 的或变化的) 。同时读入安装在电机轴或减速器上的位置传感器发送而来的系统位置 当 前 值。 本控制 器微处理器将两者求差， 并运 用相应的 控制 算法， 产生 不同频率 和占 空比的p 栩 信号。一般而言，当位置差值越大，要求电机转速越高。 2 . 3 . 2 控制模块的多功能设计 为了 使本无 刷直流电 机控制 器可以 方 便地嵌入各种 控制系统中， 控制模块的功能 必须齐全。 如图 2 一 2的系统结构图所示，控制模块具备了人机对话所必须的键盘和显示电 路， 同 时也具 备了集散控制接口电 路和反 馈信号接口 电 路. 这样， 本控制器除了 能 够 满足最基本的人机对话外， 还能够实现多个本控制器或本控制器与其他子系统构成的 计算机控 制网 络， 使 本控制 器作为子系 统能 够应用于相 关的复杂 系统即 计算机集散 控 南京理工大学 硕士学位论 文捷联 式通用 化无刷直流电 机控制器设计 研究 制系统中， 通过上位 机进行 集中 控制。 同时 若辅以 系统 状态检测电 路， 通过反馈信号 接口电 路读 取信号， 加以 相应的控制算 法， 本文所设计 的通用化 控制模块就可应用于 众多的工业 控制场合: ( 1) 电 机转 速控制 控制电 机按照预 先设定 好的 速度运 转。 这种 情况适用于纺 织、 家用电 器( 如风 扇、 洗衣机等) 等应用场 合。 这是最基 本的应 用。 (2) 系统位置 控制 通过读取 和处理 机械装置或电 机轴上的位置传感器 信号可以 判断系统是否到达 预先设定的 位置， 从而实 现系 统的 位置 控制。由 于位置 传感器种 类繁多，型号各异， 考虑到 减少 程序编写 的复 杂性， 本控制模 块的 反馈 信号接口 作为 位置信号接口