（测试计量技术及仪器专业论文）基于psoc的无刷直流电机控制系统研究.pdf

中文摘要 电动自行车具有环保、轻便、结构简单、易维护等突出优点。近几年电动自 行车的市场不断增长，电动自行车正在迅速的进入千家万户。无刷直流电机的控 制是电动自行车的关键技术，由于市场竞争激烈，厂家都是在严格控制成本的前 提下，尽可能提高控制器的性能。本文就是针对目前市场上控制器已经出现的问 题，引进新的技术和设计思路，在厂家要求低成本的前提下，设计可靠性好、功 能齐全的电动自行车无刷直流电机控制器。 本文从无刷直流电机的结构和工作原理出发，详细阐述了无刷直流电机在导 通、续流和换相三种不同状态下的电压方程以及无刷直流电机的转矩特性与其动 态数学模型，建立了无刷直流电机的传递函数。 本文根据产品改进的要求，设计了开关电源电路，改进了功率m o s f e t 的 驱动电路。同时还设计完善了电流检测信号的滤波放大电路和霍尔检测电路以及 速度显示电路。 在分析无刷直流电机电流和速度调节原理的基础上，提出了电流和速度控制 方案，引入了经典控制理论中的p i d 控制。 针对模拟控制系统理论进行了数字化的转换，完成了系统软件的设计，完善 了控制系统。分别在p w m 中断和1 k h z 中断实现了电流环和速度环，同时完成 了两个环路的传递。根据功能需求，完善了程序实现的功能。 最后，以额定电压4 8 v 、额定功率3 5 0 w 的电机为样机，对控制器的性能和 各项功能进行了严格的测试，给出了测试的图形、数据和结果，测试表明，该控 制器可靠性好，成本低，符合产品的开发要求。 关键词：无刷直流电机，可编程片上系统，p i d ，开关电源 a b s t r a c t t h ee l e c t r i cb i c y c l ei sp o p u l a rm o r ea n dm o r ef o ri t se n v i r o n m e n t a l ，p o r t a b l e ， s i m p l es t r u c t u r e ，e a s yt om a i n t a i na n do t h e ro u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s i nr e c e n ty e a r s t h em a r k e td e m a n di sg r o w i n gf a s t ，m o r ea n dm o r ep e o p l eb e g i nt ou s et h ee l e c t r i c b i c y c l e s t h ek e yt e c h n o l o g yf o re l e c t r i cb i c y c l e si st h ec o n t r o lo fb r u s h l e s sd c m o t o r ( b l d c m ) d u et oc o s tc o n s t r a i n t s ，a tp r e s e n t ，m a n yo fb l d c mc o n t r o l l e r sa r e p l a g u e dw i t hp r o b l e m s o u ro b j e c t i v e so ft h i ss t u d ya r et os e t t l et h ek e yt e c h n i c a l i s s u e s ，a n dd e s i g nab l d c mc o n t r o l l e rf o re l e c t r i cb i c y c l e st om e e tt h en e e d so f l o w c o s t , h i g hr e l i a b i l i t ya n dc o m p l e t ef u n c t i o n b a s e do i lt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fb l d c m ，t h ev o l t a g ee q u a t i o no f b l d c mi nc o n d u c t i o n ，f r e e w h e e l i n ga n dc o m m u t a t i o ns t a t ea r ep r e s e n t e d a f t e rt h a t ， t h ed y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l d c mi sa l s oi n t r o d u c e d o nt h i sb a s i s ，t h e t h e s i sh a sm a d eap r o f o u n da n a l y s i so fe l e c t r i cb i c y c l e s p e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do ft h ei m p r o v e m e n t so ft h ep r o d u c t sw ed e s i g n e dt h e s w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya n di m p r o v e dt h ed r i v ec i r c u i to ft h em o s f e t t h ed e t e c t i n g c i r c u i t so ft h ec u r r e n ta n dt h eh a l ls t a t e sa r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r a f t e ra n a l y z i n gs o m eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fp i dm o d e l ，t h ed i g i t a lp ic o n t r o l l e r i sd e s i g n e dt oe n s u r ei t sb e t t e re f f e c t so ft h ec o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e r mi s i m p r o v e df o rt h ed e m a n d so ft h em a r k e t f i n a l l y , t h em o t o rw i t har a t e dv o l t a g eo f4 8 vr a t e dp o w e ro f3 5 0 wi ss e l e c t e d a sp r o t o t y p et ot e s tt h ep e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n so ft h ec o n t r o l l e r , t h eg r a p h i c sa n d d a t ao ft h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sc o n t r o l l e rc a ns a t i s f yt h en e e d so ft h em a r k e t w i 也l o wc o s ta n dg o o dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r , p r o g r a m m b l es y s t e mo nc h i p ，p i d ， s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储答名：修。 签字日期：了加7 学位论文版权使用授权书 年y - 月圹日 | 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 繇膨。诫 签字吼加哆年9 月7 日 导师签名： 签字醐：刁舢月矽日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 科学在发展，人类在进步，当人类不断满足自己需求的同时，也在不断地破 坏着人类自身的生存环境。科学技术以前所未有的速度和规模迅猛发展，增强了 人类改变自然的能力，给人类社会带来空前的繁荣。然而，资源的过度开采，污 染的不断加重，特别是二十世纪后期，由于严重的空气污染，造成了酸雨大面积 扩展，几乎蔓延至所有国家，造成农作物减产，大片森林死亡，给人类的生存和 发展带来巨大的损失。目前，全球大气还在进一步恶化，我国是仅次于欧洲和北 美的第三大酸雨区。随着人们环保观念的加强，我国的环境问题已经引起广大人 民群众和相关部门的高度重视。 研究表明，大气污染主要是由人类活动向大气输送的污染物造成的，这些污 染物主要有非甲烷有机物、氧化氮和一氧化碳等气体。据统计表明，这些有害气 体主要来源于燃油机动车排放的废气。 随着生活水平的提高，越来越多的人购买汽车，但我们还是一个发展中国家， 在家用轿车还没有普及的情况下，多数人选择摩托车和燃油助力车作为代步工 具，但是摩托车和燃油助力车排放的尾气和发出的噪音对我们的生存环境造成很 大污染，影响着人们的身体健康，而且使用者本身也会存在安全隐患。在这种情 况下，我国的一些城市如上海、广州、合肥、济南等，已相继出台相应的政策法 规，天津市也出台了限制摩托车和燃油助力车的法规。因此，如果能够研制生产 一种新的无污染、低噪音、骑行安全的交通工具以替代摩托车和燃油助力车，将 会大大改善人们的生存环境，并带给人们极大的便利。正是在这种客观背景下， 经过广大同仁的共同努力，电动助力车终于面世了。 虽然电动自行车很早就诞生了，但是因为种种原因，它起起伏伏很多次一直 没有形成良好的气候，直到上个实际九十年代中后期，它才逐步扩大了生产和销 售的规模，这主要还得益于政府对摩托车的限制和电动自行车控制技术的发展。 电动自行车与摩托车、燃油助力车性能相比较具有很多无法比拟的优点，它 无污染、低噪音、行驶安全、效率高，结构简单、轻便，易维护，从而逐渐受到 人们的欢迎，电动自行车正在迅速的进入千家万户。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外电动自行车的发展现状 1 2 1 国外发展状况 国外发达国家的电动自行车主要作用是轻松代步工具，因为家用轿车的普 及，电动自行车只是用在在大型的停车场、超市和旅游区里。 日本发展电动自行车较早，其生产及技术都占世界领先地位。商品化的电动 自行车由日本雅马哈公司率先于1 9 9 4 年推出，并随着本田、三洋、松下、普利 斯通等知名公司的参与，生产规模日益庞大。据报道，日本本土1 9 9 6 年电动自 行车的销售量为2 0 万辆以上，并以每年5 - - - 1 0 的速度递增 3 1 。日本的电动自 行车的驱动系统多为永磁无刷电机，工作电压为2 4 v 或3 6 v ，功率在1 8 0 - - 一2 5 0 w 之间；蓄电池一般以镍铬或镍氢为主，容量在5 1 0 a h 之间，充电一次行驶里程 约2 5 - - 一4 0 k m ；车速低于2 4 k m h 。安全、可靠、舒适、简洁和轻量化始终是日本 电动t i 行车追逐的目标。 受环境污染和油价上涨等因素的影响，欧盟执委会在欧洲1 0 国赞助一项 e t o u t 计划，推动电动车车辆的发展，此计划以电动自行车为主。电动自行车在 欧洲市场的年销量在3 0 0 万至4 0 0 万辆【4 1 。德国为目前欧洲电动自行车的主要市 场之一，目前每辆电动自行车价格平均在2 5 0 0 马克左右。电动自行车在进入德 国市场之初，曾有专家表示，多半德国人皆视自行车为运动工具，因此销量有限， 并无太大市场，孰料1 9 9 8 年该类产品销售竞直线上升。因此，目前加入生产的 国家和制造商越来越多，就连原以制造摩托车为主的意大利著名厂商p i a g g i o 以 及m a l a g u t i 也加入制造行列，足见其市场具有相当的潜力。 美国近几年来电动自行车发展很快，由于美国政府提倡节省费用，鼓励少用 汽车，已有不少人转而使用电动自行车。1 9 9 9 美国电动自行车市场仅有6 5 万辆， 2 0 0 0 年，超过1 2 万辆，增长幅度惊人，已经引起了美国各大公司的兴趣。如克 莱斯勒汽车公司、通用汽车公司、尤尼克公司均参与电动自行车市场的产品开发 及竞争。只要产品进一步改善，地方政府提供安全骑车道路及停车场，美国电动 自行车市场还将进一步扩大【3 j 。 由于电动自行车的市场潜力巨大，德国的“奔驰”、法国的“标致”等许多 大公司也加入到电动自行车的研制开发行列。但是由于国外很多电动自行车价格 偏高、售后服务跟不上，不但无力进入中国市场，相反他们还要大量进口。 1 2 2 国内发展状况 我国是一个自行车大国，据报道，全国自行车拥有量为4 5 亿。电动自行车 天津大学硕士学位论文第一章绪论 在7 0 8 0 年代经历了几次大起大落后，到了9 0 年代初顺应环保的潮流，再度形 成热点。从1 9 9 6 年的“上海国际自行车展览会”到1 9 9 7 年在浙江上虞召开的 “全国电动自行车信息交流会”的短短的一年里，国内生产厂家从2 0 多家一跃 发展到1 0 0 多家f 3 j 。其生产企业囊括了我国现有的各类所有制企业，包括最权威 学术机构在内的大专院校、研究所以及装备精良的军工企业等，尤以江苏、上海 和浙江等省市最为集中。据中国自行车协会统计资料表明，目前我国从事电动自 行车开发生产的企业有6 0 0 多家，且还有不断发展的趋势。据统计，1 9 9 8 年我 国电动自行车的产量为5 4 万台，1 9 9 9 年为1 4 8 万台，2 0 0 0 年为2 9 3 万台，2 0 0 1 年为5 8 万台，2 0 0 2 年为1 5 9 万台，2 0 0 3 年为4 0 0 万台，2 0 0 4 年为5 5 0 万台， 截止到2 0 0 5 年，己突破1 0 0 0 万台，我国电动自行车已从导入期进入成长期【5 j 。 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，按车轮直径可分为四种：5 1 0 c m ( 2 0 英寸) 、5 5 0 c m ( 2 2 英寸) 、 6 1 0 c m ( 2 4 英寸) 和6 6 0 c m ( 2 6 英寸) ；按蓄电池标定电压可分为三种：2 4 v 、 3 6 v 和4 8 v ，大部分采用全封闭的免维修铅酸电池，也有极少部分采用镍氢电池， 充电一次行驶里程约5 0 k m 左右；车速低于2 0 k m h ，爬坡能力在4 。以上，百公 里耗电量1 k w h 左右。 相应的配套控制器也包括有无刷直流电机控制器，有刷直流电机控制器，还 有无霍尔传感器电机控制器。 1 3 电动自行车的控制技术简介 从基本组成结构出发分析技术构成，电动自行车主要包括三个方面的核心技 术：电机、控制器和电池。本文的工作主要针对电动自行车的控制系统，即电动 自行车的无刷直流电机控制器，首先简单介绍目前市场控制器的发展状况。 控制器是电动自行车的控制核心，电动自行车的运行、刹车，骑行的舒适程 度等靠的是控制器，没有控制器，电动自行车就只是一辆普通的人力自行车。电 动自行车的控制器是跟电机配套的。当前市场上的电动自行车所采用的电机已经 逐渐由有刷过渡到无刷直流电机。有刷直流电机采用机械换向，对控制系统的技 术要求较低，相对成本低于无刷电机，但是其寿命短、噪声大、效率低，较易损 坏。而无刷电机由于采用电子换向，并且不需要齿轮减速，从根本上消除了电刷 磨损和齿轮磨损，不需要定期更换电刷，具有噪音小，无干扰、寿命长、效率高、 运行可靠、维护简单等优点，而且由于转速不受机械换向的限制，可在宽广的范 围内平滑地调速。与有刷直流电机相比，无刷直流电机的控制系统复杂，成本要 高。但是随着集成电路的发展，控制技术的进步，无刷直流电机的控制技术日趋 天津大学硕士学位论文第一章绪论 完善，无刷直流电机及其控制系统最终会取代有刷电机。 电动自行车常用的无刷直流电机控制器目前主要有两种类型：一种是采用专 用集成电路作为主控芯片的控制器，厂商根据无刷直流电机的控制要求，将控制 逻辑电路和一些保护电路集成到一个芯片内，它提高了系统的抗干扰性，使控制 器更加可靠；另一种是采用单片机作为主控芯片的控制器，由设计人员根据无刷 电机的控制要求，编写相应的控制程序和保护程序，虽然这种设计方案加大了设 计的难度和设计人员的工作量，但是这类控制器的使用灵活，可以根据市场需要 方便的增加功能，并且可以实现较为高级的控制理论，通常将此类控制器称为数 字式控制器。数字式无刷直流电机控制器是目前市场发展的主流，它的应用前景 十分广泛。 近几年台湾的电动自行车控制技术发展较快，研制的控制器拥有内部的r c 时脉，并包含过电压保护电路、过电流保护电路、过热保护电路、低电压侦测， 以及可选择霍尔效应感测元件或反电动势侦测，转子位置也可先择6 0 0 1 2 0o 感 测器相位。控制器具有典型电机运行的功能，如开关启动，加速，正反转，刹车， 且可以有效率的控制无刷直流电机运行。 目前国内的一些单位针对电动自行车控制技术进行了改进和发展。目前国内 市场上电动自行车a b s 刹车功能j1 ：1 助力控制，基于“p i d ”模拟控制技术， 就是目前比较先进的单片机控制，亦是如此。本控制技术，是大范围的相位调节 自动助力，基于新型数字控制技术，能经济可靠地对的电动助力自行车实现智能 控制，改善整车运行性能。 1 4 本课题的任务 巨大的市场，必然引起众多厂家的激烈竞争，仅仅天津市，电动自行车控制 器的生产厂家就有一百多家。目前我国对该类产品的管理规范尚不是十分完善， 可以说市面上的控制器也是良莠不齐，为了在这个激烈的市场上能够占有一席之 地，我们研究设计的控制器比起其他厂家的产品，一定要高于他们的性能，低于 他们的成本。本课题的任务是根据当前的市场需求，研制出一款新的低成本的用 于电动自行车的直流无刷电机控制器，从而解决电动自行车控制、驱动中不完善 的地方，以便更加贴近用户的要求，投入市场使用。 本论文的主要内容包括： 1 、根据直流无刷电机的原理，分析了无刷直流电机不同状态的数学模型， 建立无刷电机的传递函数。 2 、根据产品的升级需要设计了开关电源，改进了驱动电路，设计了电机霍 天津大学硕士学位论文第一章绪论 尔检测电路和速度显示电路。 3 、引入闭环设计思路，针对目前的系统设计了电流环和速度环。 4 、根据市场功能的需要，完善了控制系统程序，实现了闭环控制的软件实 现。 5 、结合电路板，对控制器的各种功能加以调试，最终完成系统的整体功能 及性能的测试，并对结果进行分析，得出结论。 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题的研究背景，阐述了发展电动自行车的积极意义，接着 介绍了国内与国外电动自行车领域的最新发展动态，并对当前电动自行车控制器 技术的发展状况及方向进行了阐述，最后叙述了本文的意义以及本文的主要工 作。 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的结构、原理及数学模型分析 第二章无刷直流电动机的结构、原理及数学模型分析 本章从我们课题研究的电动自行车所用的无刷直流电机的组成结构出发，分 析了电机的工作原理，建立了无刷直流电机不同工作状态的数学模型，得到了电 机的传递函数，为后面章节的工作打下了基础。 2 1 无刷直流电机的组成结构及工作原理 2 1 1 无刷直流电机的组成结构 本课题采用有位置传感器的无刷直流电机作为样机，在电机的内部安装有霍 尔位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置变换，永磁体安装在转子侧， 转子位置传感器与电子换向线路替代了有刷直流电动机的机械换向装置，这种有 位置传感器的无刷直流电机的结构原理示意如下图2 - 1 所示【6 】。 电子换相 i 直流电源功率开关 。厂直流无、。 负载 7 刷电机 7 jl 丫 位置信号处理位置传感器 图2 1 无刷直流电动机的结构原理框图 当无刷直流电机的定子绕组的某一相通以电流时，该电流与转子永久磁钢的 磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子 磁钢位置信息变换成电信号，去控制功率驱动电路，从而使各相定子绕组按照一 定的次序导通。驱动电路中的功率开关器件的导通次序是与转子转角同步的，从 而起到了机械换向器的换向作用。 无刷直流电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的 本质作用相似，都是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于直流无 刷电动机中永久磁钢装在转子上，而有刷电动机的磁钢装在定子上。 直流无刷电动机的电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的 天津大学硕士学位论文 第二章无刷直流电动机的结构、原理及数学模型分析 逻辑顺序和先后时间，主要由功率电子器件的逻辑开关单元和位置传感器信号处 理单元两个部分组成。功率器件逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电 源的功率以一定逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上各相绕组，使得电动机产 生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的 检测信号。但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单 元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。综上所述，组成直 流无刷电动机的各主要部件框图，如图2 2 所示【6 j 。 图2 2 无刷直流电动机的组成框图 2 1 2 无刷直流电机的基本工作原理 无刷直流电动机的控制电路分桥式和非桥式两种，按电机绕组结构分星形和 三角型两种方式。桥式星形接法的电机有转矩脉动小，输出转矩大等特点。本课 题的样机即采用三相桥式星形结构的电机，下面就以此类电机为例来说明永磁无 刷直流电机的工作原理。 图2 3 无刷直流电机的工作原理图 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的结构、原理及数学模型分析 三相无刷直流电机的定子一般是由3 个空间完全对称的单相集中绕组组成 的。三相绕组采用星形接法。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，有位置传感 器的直流无刷电机为了检测电动机转子的极性，从而反馈电机位置信号。 无刷直流电动机的控制原理如图2 3 所示，通过电机内部的转子位置传感器 的反馈信号得到电机当前的位置信号，然后微处理器根据转子的位置反馈信号输 出驱动信号，通过换相驱动电路打开功率逆变桥的相应功率管，从而实现对电机 三相绕组的通电。三相星形结构的无刷电机采用两相导通六状态控制方式，在运 行时只有两相绕组导通，第三相绕组处于悬空状态。三相逆变电路高压侧与低压 侧都只有1 个功率开关器件导通，也就是其中一相的2 个功率开关器件始终处于 关断状态。 下面根据图2 3 来说明无刷直流电机的换相原理。设无刷直流电机的开始导 通的是a 、b 两相绕阻，此时功率管t 1 和t 6 导通，电流由a 相流入，由b 相 流出。这种状态维持6 0 。电角度后开始换相，t 6 关断，t 2 导通，此时导通相为 a 、c 相，电流由a 相流入，由c 相流出，这种状态维持6 0 。电角度后又开始 换相，依次类推，整个过程形成了三相六拍状态，各功率管的导通顺序为： t 1 t 6 - t 1 t 2 - t 3 t 2 t 3 t 4 - t 5 t 4 - t 5 t 6 一t 1 t 6 。电流状态由a b 、a c 、b c 、b a 、 c a 、c b 形成六个状态，每个状态维持6 0 。电角度，每相绕组导通1 2 0 。电角度， 控制过程逻辑状态如表2 1 所示h 1 、1 - 1 2 和h 3 是对应的霍尔位置传感器输出的 逻辑电平。 表2 i 三相无刷直流电机顺时针导通顺序表 电角度 0 0 6 0 06 0 0 1 2 0 01 2 0 0 18 0 018 0 。2 4 0 。2 4 0 0 3 0 0 。3 0 0 。- 3 6 0 。 a bc 导电顺序 bcab t 1 导通 t 2导通 t 3 导通 l 导通 t 5 导通 t 6导通导通 电流流向 a ba cb cb ac ac b h 1 l100o1 h e o1 1 1o0 h 3 0001ll 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的结构、原理及数学模型分析 2 2 无刷直流电机的数学模型 无刷直流电机电气部分是由电动机本体和功率逆变器组成的。运用不同的控 制策略可构成方案各异的无刷直流电动机伺服驱动系统。 对这些伺服驱动系统，除了稳态性能外，常常需要了解和分析它的动态性能。 为了更好的理解电机，应用合理的控制方法，需要建立伺服驱动系统的动态数学 模型。这个数学模型应能严格模拟各种馈电方式和不同的电流控制策略，并能给 出各种运行方式下的特性曲线。 要建立系统的动态模型，首先要建立每个单元的数学模型，然后根据具体控 制方式构建整个系统的动态模型。 对于无刷直流电动机，它的气隙磁场不是正弦分布的，感应电动势也为非正 弦波，因此如果按照分析交流电机的坐标变换法进行分析就会在一定程度上影响 计算精度。本文采用状态变量法，在时域求解就可以不进行坐标变换。 本文选取的三相无刷直流电机的绕组是星形接法，采用两相通电六状态控制 方式，为了更好的控制无刷直流电机，有必要了解无刷直流电机的特性方程及其 运行过程中的数学模型。为了便于分析，作出如下假设【7 j ： 定子三相绕组完全对称，空间互差1 2 0 。，参数相同； 转子永磁体产生的气隙磁场为梯形波，三相绕组反电势为梯形波，波顶宽 度1 2 0 0 电角度； 忽略定子铁心齿槽效应的影响； 忽略功率器件导通和关断时间的影响，功率器件的导通压降恒定，关断后 等效电阻无穷大； 忽略定子绕组电枢反应的影响； 电机气隙磁导均匀，认为磁路不饱和，不计磁滞损耗与涡流损耗。 无刷直流电机绕组等效电路如图2 - 4 所示 。 l m o a 图2 - 4 三相直流无刷电机等效电路 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的结构、原理及数学模型分析 蒌 = 喜吾曼 差 + 豪荔攀 茜 圣 + 圣 c 2 - ， “加、u 口0 、i , i c o 武_ 子三相绕组相电压： 则r a2 = r c2 ，l 一= l b2l c = l ，m 一占= m c2m b a = m 占c = m 翻= m c s = m 。 由于三相绕组采用星形接法，三相绕组的电流之和等于0 ，有+ + 毛= 0 ，则 三三 = 三三兰 差 + c 一誓，鲁 兰 + 圣 c 2 2 ， 1 两相导通状态 三相星形接法的无刷直流电机通常采用两相导通状态，如图2 5 所示。 图2 5a 、b 两相导通等效电路 假设a 、b 两相导通，c 相不导通，并且是高压侧斩波导通，低压侧全导通， 这时，导通的两相电流等于厶，方向相反，反电势等于五，方向相反，不导通相 的电流为0 ，可得： 甜彳。一= 2 红+ 2 犯一聊磊d 五+ 2 e ( 2 - 3 ) 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的结构、原理及数学模型分析 2 两相续流状态 无刷直流电机在绕组导通过程中，为了限制电流过大，通常采用电流斩波控 制来关断功率开关器件。关断方式分为硬关断和软关断两种，硬关断方式开关损 耗比较大，在实际应用中多采用软关断方式，软关断方式只关断一个功率开关器 件，另一个继续导通。软关断方式又有两种情形：高压侧斩波低压侧全导通，或 者是低压侧斩波高压侧全导通。这两种情形下直流母线电流都等于0 。以高压侧 斩波控制为例，软关断控制续流方式等效电路如图2 - 6 所示。 o 图2 - 6 软关断续流方式等效电路 可得续流状态下的电机的数学模型为： 0 = 2 r + 2 ( l m ) ，+ 2 e + + 珞矿 ( 2 - 4 ) 其中： 续流二极管上的压降； 珞旷功率管导通的压降。 3 换相状态 当控制器接到位置传感器的换相信号时，输出相应的驱动逻辑，控制电机的 绕组进入换相状态，换相状态同时存在着续流和换流的过程。假设电机绕组由原 来的a 、b 两相导通转换为a 、c 两相导通，即b 相低压侧功率开关器件关断， 而c 相低压侧功率开关器件全导通，a 相高压侧斩波控制，如图2 7 所示。 o 图2 7 换流过程等效电路 这样在关断b 相导通c 相的换相过程中，b 相通过高压侧功率二极管处于 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的结构、原理及数学模型分析 续流状态，b 相绕组反电势和电流都衰减。c 相绕组换流，电流逐步增加，c 相 绕组的反电势等于a 相绕组的反电势，但方向相反，a 相绕组电流会先下降再 上升，但是三相电流之和仍然等于0 ，即： + + f c = 0 。 ( 2 - 5 ) 通过以上的介绍，我们对三相无刷直流电机不同运行状态下的特性有了较好 的了解，详细推导过程及分析可参阅文献【7 】o 2 2 2 逆变器的数学模型 可以用一个非线性电阻来模拟逆变器的功率开关，导通时，电阻值等于功率 管的正向电阻，关断时，具有高电阻值。这种模拟的缺陷是造成系统状态转换只 是“硬”过渡，通常需要特殊的积分程序求解，否则容易出现数值上的不稳定。 如果用如图2 8 所示的l 琅电路来模拟功率开关，令其开路和闭路阻抗的 时间常数相同，并尽量与实际功率管一致，这样就避免了上述问题。 功率开关两端的电压可表示为： 坼= 碍+ 岛+ i d ( 2 - 6 ) 式中= 叼吗t r r ，呱】7 = 毛订 岛= 疏昭 厶l 2 厶厶】 辱= 墨心恐墨】 阱剐引 刚瓣 ! ! ， 图2 8 逆变器模型 ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 效等 关开 俸 川 功 0 一流 电相组绕相 三 一 她 ， 珞 盎压效电等 1，j矧、型，朝虢帙 l = h k 直开 一 一率、r卜啐一；毛叫u功 i_。l 1 一 = 圳h r 1lllj-r舀y和镂流 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的结构、原理及数学模型分析 2 2 3 转矩方程 永磁无刷直流电动机的电磁转矩是由定子绕组中的磁钢与转子磁钢产生的 磁场相互作用而产生的。定子绕组产生的电磁转矩表达式为： r e = - 去( e a i a + + e c i c ) ( 2 1 0 ) 式中： 乃一三相绕组产生的合成电磁转矩； q 一转子的机械角速度。 从式( 2 1 0 ) 中可知，无刷直流电机的电磁转矩的大小与电流成正比，所以 控制逆变器输出的方波电流的幅值就可以控制无刷直流电机的转矩。为了产生恒 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 波电流的持续时问为1 2 0 。电角度，梯形波反电势的平顶部分也为1 2 0 。电角度， 两者应严格同步。由于无刷电机采用两相导通方式，任何时刻，只有两相绕组导 通，则电磁功率为： r = ea a + e 8 i 8 + e c i c 2 2 e s is ( 2 1 1 ) 因此，电磁转矩又可以表示为： 乏= q = 2 e z n ( 2 1 2 ) 电机的运动方程为： 互一互一a 衍n + 艘 ( 2 1 3 ) 其中： 死一负载转矩； 卜电机的转动惯量； 口一阻尼系数。 2 2 4 无刷直流电动机的传递函数 为了更好地分析无刷直流电机的特性，寻求一种有效的控制方法以得到良好 的动态性能，有必要推出无刷直流电机的传递函数，而无刷直流电机与普通直流 电机的差别仅在于它换相时不用电刷，因此，其动态特性分析与普通直流电机是 相同的。由于无刷直流电机采用两相绕组导通运行的方式，根据前面推导的电压 方程，可得两相绕组导通时的电压方程为： 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的结构、原理及数学模犁分析 = 一2 v s w = 2 r l , + 2 ( l - m ) d i , + 2 e , 定义恐为反电势系数，则有： e5 = k p 定义厨为电磁转矩系数，则： t 。= k t l3 对式( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 进行拉氏变换可得： c ( s ) 一无( s ) = 皆q ( s ) + b n ( s ) 甜加( s ) = 2 r l ( s ) + 2 ( l m ) s l ( s ) + 2 巨( s ) e ( s ) = k 。n ( s ) 一 r e ( s ) = k 7 l ( s ) 根据上述状态画出无刷直流电机的动态模型如图2 8 所示。 ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 图2 培无刷直流电机动态数学模型 、 在上述无刷直流电动机的动态模型中，将直流母线的电压甜加o ) 作为电动机 的输入量，输出量为电机的机械角速度) ，负载转矩作为系统外部的扰动量。 2 3 本章小结 本章首先介绍了电动自行车所用的无刷直流电机的结构和工作原理，为了使 读者能更好地理解论文的内容，参照有关书籍列出了无刷直流电机在不同状态下 的电压方程，以及无刷直流电机的动态数学模型。建立了逆变器的模型和转矩方 程。最后给出了无刷直流电机的传递函数。有关无刷直流电机详细的特性分析， 请参考文献【6 】 7 】。 天津大学硕士学位论文 第三章系统硬件的设计和改进 第三章系统硬件的设计和改进 本章将详细介绍电动自行车控制系统硬件部分的设计和改进。 3 1 系统的总体硬件电路设计 本系统的硬件电路原理框图如图3 1 所示，整体系统的作用简单的说，就是 让用户可以通过旋转转把来控制电动自行车的行驶速度，给出刹车信号后自行 车减速，脚蹬踏板有助力效果。单片机接收电动自行车转把给定的速度信号， 并根据电流和转速反馈调整输出的p w m 信号的占空比，控制着电机转子的转 速。电机内部的霍尔元件在电机转动时输出高低电平信号，将电机转子的当前 位置信息反馈给单片机，单片机根据此反馈信号计算出电机的转速同时输出对 应的换相信号。驱动电路根据单片机的输出指令控制三相桥功率开关电路上下 功率管的导通顺序和导通时间，从而实现对无刷电机的旋转驱动。开关电源可 以高效率的实现压降，提供电路需要的低电压。 图3 1 硬件电路系统框图 天津大学硕士学位论文 第三章系统硬件的设计和改进 3 2 可编程片上系统( p s o c ) 简介 首先对我们选择的单片机作一个简单的介绍。p s o c ( p r o g r a m m a b l es y s t e m 0 1 1c h i p ) 是美国赛普拉斯微系统有限公司推出的新一代功能强大的8 位可配置 的嵌入式单片机，它的出现使设计者逐步摆脱了板级电子系统设计方法层次而 进入芯片级电子系统设计【1 0 j 。 p s o c 与传统单片机的根本区别在于其内部集成了数字模块和模拟模块【1 2 】， 用户可以根据不同设计要求调用不同的数字和模拟模块，完成芯片内部的功能 设计，实现使用一块芯片就可以配置成具有多种不同外围元器件的微控制器， 从而建立一种可配置嵌入式微控制器，用以实现从确定系统功能开始，到软硬 件划分，并完成设计的整个过程。因此，p s o c 能够适应非常复杂的实时控制需 求，使用它进行产品开发可以大大提高开发效率，降低系统开发的复杂性和费 用，同时增强系统的可靠性和抗干扰能力；因此，它特别适用于各种控制和自 动化领域。 p s o c 的另一个重要特性就是具有动态重新配置能力，在设计时，可以调用 已构建的模块，将之组合成需要的模拟的或数字的外围设备，就好像是f p g a 设计中做的一样，即使是在系统运行时，也可以对其硬件进行升级【1 3 】。也就是 说，当p s o c 芯片工作时，根据系统不同时刻的需求，可以通过编程动态地改变 存储在片内闪速存储器中设定的参数，重新定义系统所需要的功能模块的种类 和数量，动态地完成芯片上资源的重新分配，实现新的外围元器件的功能。p s o c 的这种动态重新配置能力大大增强了芯片的灵活性，提高了芯片资源的使用效 率，节约了成本，给设计人员带来极大的便利。 本文选用p s o c 系列中的c y 8 c 2 4 4 2 3 作为系统的主控芯片，它的价格约在 0 8 美元，十分适合产品低成本的需要。 综上所述，p s o c 将传统的单片机系统集成在一颗芯片里，并辅以外围的模 拟和数字阵列，可供设计人员根据设计需要随意配置，从而减少了外围电路的 设计，提到了设计效率，具有很大的灵活性和性价比。 3 3 系统电源设计 本系统的外接供电电源是一组直流铅酸电池。其标准电压是4 8 v ，但实际 的电压在4 2 v - 5 6 v 之间变化。电路系统的供电分为两大部分。其一，大功率驱 动部分：其电压直接由外接电源接入电路，供给上管驱动的m o s f e t 漏极d ， 用以实现电机的功率驱动。其二：小电流控制部分。驱动模块的m o s f e t 的栅 天津大学硕士学位论文第三章系统硬件的设计和改进 极g 的开关需要一个1 3 v 左右的电压差保证功率管的正常开关。单片机和外围 功能模块的供电电压为5 v 。 3 3 1 电源设计方案 电源是电子设备正常工作的基础部件，有很高的要求，包括使用要求和电 气性能要求。电源要有高的可靠性、好的可维修性、小的体积重量、低的价格 及使用费用和好的电气性能。 我们系统电路的供电存在强电和弱电同一个板子的现象，这种现象的存在 会比较容易出现电磁干扰的问题，所以电路板在布局的时候要考虑好电磁兼容 的问题。同时在高压向低压转换的时候，电源降压的效率也是一个非常重要的 问题，如果处理不好4 8 v 降压到1 3 v ，这个过程3 0 多伏的压差不管加载到哪个 器件上都会产生较大的功率消耗，而这些消耗的功率都是白白浪费掉的，不仅 产生了浪费而且会使得器件发热，造成不必要的隐患。 我们第一代开发的产品的供电电源是3 6 v 的直流电源，我们采用的电源方 案是通过功率电阻的降压，然后把经过降压后的电压送入l m 3 1 7 线性电源模块 的方式来得到需要的1 3 v 电压，再将1 3 v 的电压送给7 8 0 5 ，可以得到5 v 的电 压。这个电压转换过程存在着一些隐患和弊病，如果输入电压过高，用分压电 阻降压方案会使电阻产生大的热量，浪费了大量的功率，同时电源整体的静态 电流较大。不能满足很多客户的要求。 我们现在开发的产品是4 8 v 和6 0 v 的两款，原来的电源方案不能满足现在 的要求，在实际工作中，要求自举电压平稳，单片机控制稳定，各个功能模块 工作电压纹波小，系统电路静态电流小，电源效率高等等，这就要求具有抗干 扰性强、输出电压波动小的直流变换器电路。 所以我们对电源做了重新设计，引入了开关电源。 3 3 2 开关电源的种类及应用 1 开关电源的分类 目前常用的开关电源分为直流开关电源和交流开关电源两类，他们分别输 出质量较高的直流电和交流电。开关电源的核心是电力电子变换器。电力电子 变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能的装置， 按转换电能的种类，可分为四种类型：1 、直流一直流变换器，它是将一种直流 电能转换成另一种或多种直流电能的变换器，是直流开关电源的主要部件；2 、 逆变器，是将直流电转换为交流电的电能变换器，是交流开关电源和不间断电 天津大学硕士学位论文第三章系统硬件的设计和改进 源u p s 的主要部件；3 、整流器，是将交流电转换为直流电的电能变换器；4 、 交交变频器，是将一种频率的交流电直接转换为另一种恒定频率或可变频率的 交流电，或是将变频交流电直接转换为恒定频率交流电的电能变换器。这四类 变换器可以是单向变换的，也可以是双向变换的。单向电能变换器只能将电能 从一个方向输入，经变换后从另一方向输出；双向电能变换器可实现电能的双 向流动。 直流开关电源是具有直流变换器且输出电压恒定或按要求变化的直流电 源，其输入为直流电，也可以是交流电。直流开关电源部分或全部具有以下特 征：l 、电源电压和负载在规定的范围内变化时，输出电压应保持在允许的范围 内或按要求变化；2 、输入与输出问有良好的电气隔离；3 、可以输出单路或多 路电压，各路之间有电气隔离。直流开关电源与直流线性电源相比有：1 、电力 电子器件在开关状态工作，电源内部损耗小，效率高；2 、开关频率高，电源体 积和重量小。 2 开关电源的应用及特性 开关电源主要用于向模拟或数字电子设备供电。 平均故障间隔时问是衡量开关电源和其他设备可靠性的重要标志。减小损 耗、提高效率和改善散热条件，从而减小电源的温度升高，是提高可靠性的基 本方法。 提高开关频率是减小开关电源体积和重量的基本措施，因为变压器和电感 电容等滤波元件的体积和重量随频率的提高而减小。降低开关电源生产成本和 使用费用是提高市场竞争力的主要条件。 电源的电气性能对电子设备的工作有重要影响，电子设备的发展对开关电 源的电气性能要求也不断提高。开关电源在家用电子电器和个人计算机中的应 用，对安全性提出了更高的要求，应防止电源故障损害电器的使用。 3 3 3 开关电源的设计 1 工作原理 我们的电路应用的是降压开关电源，降压式( b u c k ) 变换器是输出电压等于 或小于输人电压的单管非隔离直流变换器。图3 2 给出了它的工作原理电路图。 b u c k 变换器的上电路由开关管q ，二级管d ，输出滤波电感，和输出滤波电容 g 构成。q 打开和关断的两种工作状态如图3 - 2 ( b ) 和i3 - 2 ( c )