（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp和自抗扰控制器的无刷直流电动机转速控制.pdf

摘要 基于d s p 和自抗扰控制器的 无刷直流电动机转速控制 学科：检测技术与自动化装置 研究生：张继祖 导师：李琦教授 任海鹏副教授 摘要 ( 签名： ( 签名： ( 签名： 无刷直流电动机采用电子换相电路解决了普通直流电动机换相存在的问题，由于其优良的机械和 电气特性而广泛应用于高精度运动控制系统中，如伺服控制、机器人，电动工具等，具有非常广阔的 应用前景 本文以1 m s 3 2 m 砣4 0 7 a 为核心，构建了无刷直流电动机速度控制系统主要介绍了主电路部分、 位置检测环节、电流检测环节、速度检测环节以及d s p 相关硬件知识，同时说明了软件开发的一般流 程和编程中需要注意的一些具体问题文中还对相电流检测问题进行了较深入研究，采用非换相相电 流检测技术，同时完成了对髓路电流采样环节的对称性校正 分别采用p i 控制和自抗扰控制器两种控制策略，编程实现了对无刷直流电动机转速的l 习环控制。 实验比较了p i 控制和自抗扰控制器两种控制策略的控制效果实验表明：当无刷直流电动机外部负载 突变时与p l 控制相比采用自抗扰控制器控制策略无刷直流电动机系统速度恢复时间短，转速波动小。 当无刷直流电动机参数变化时，p i 控制系统性能明显变差；丽采用自抗扰控制策略系统性能依然良好， 受电动机参数的变化影响 l d , 由此可见与传统p i 控制器相比，a d r c 控制器具有更强的鲁棒性。 关键词：无刷直流龟动机d s p 非换相相电流检测p l 控制器自抗扰控制器 筮 西安理工大学硕士学位论文 s p e e dc o n t r o lo fb r u s h l e s sd cm o t o r u s i n gd s pa n da d r c s p e c i a l i t y ： m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o ni n s t a l l a t i o n s c a n d i d a t e ： z h a n gj i z u s u p e r v i s o r ： p r o f uq i a s s o c i a t ep r o f r e nh a i p e n g a b s t r a c t e l e c t r i cc o m m u t a t i o nc i r c u i ti su s e di nb m s h i e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r l d c m ) t or e p l a c e m e c h a n i c a lc o m m u t a t i o ni nd cm o t o r w h i c hs o l v e st h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt r a d i t i o n a ld i r e c tc u r r e n tm o t o r d u et ot h eg o o de l t r l c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s , b l d c m sa r cw i d e l yu s e di nh i g hp r e c i s i o nm o t i o n c o n t r o ls y s t e m s , s u c ha ss e l v oa p p l i c a t i o n & r a b o t i c se t c b l d c m sh a v eab r i l l i a n tf u t u r e s p e e dc o n t r o ls y s t e mo fb l d c mi se s t a b l i s h e db a s e do i lt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p i nt h i sp a p e r m a i n c i r c u i t ，c i r c u i to fr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o n ，c u r r e n td e t e c t i o n , s p e e dd e t e c t i o na n ds o m eh a r d w a r ei n f o r m a t i o n o f d s p a r e i n t r o d u c e d g e n e r a l p 豁o f s o f t w a r e d e v e l o p m e n t , p r o b l e m s i n s o f t w a r e p i o g r a m m g a n d i t s s o l u t i o na g ei n t r o d u c e d p h a s ec u r l e n td e t e c t i o ns t r a t e g yi sd i s c u s s e di nd e p t h , n o n - c o m m u t a t i o np h a s e c u r r e n ti su s e da sf e e d b a c ki nc u r r e n tc o n t r o ll o o p , t h ed i f f e r e n c eo ft w op h a s ec u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t si s c o m p e n s a t e d b o t hp ia n da d r ca l g o d t h m sa r ei m p l e m e n t e df o rb l d c m s p e e dc l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mb a s e do i l t m s 3 2 0l f 2 4 0 7 ad s pi nt h i sp a p e r t w ok i n d so fc o n t r o la l g o r i t h m sa r ec o m p a r e d ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tw h e nl o a dt o r q u ec h a n g e d ，a d r cp o s s e s s e sl e s sr e m e d yt i m e , l e s ss p e e df l u c t u a t i o nc o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a lp ic o n t r o h e r w h e nb l d c ms y s t e mp a r a m e t e rc h a n g e d ，t h ep e r f o r m a n c eo fp ic o n t r o l l e r o b v i o u s l yb e 咖鹉b a d w h i l ea d r c m m a mu n c h a n g e d a d r cc o n t r o l l e rh a sb e t t e rm b u s t a e s sc o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lp jc o n t r o l l e r k e yw o r d s ：b l d c md s pn o n - p h a s ec o m m u t a t i o ng ：l l l t e n td e t e c t p ic o n t r o l l e ra d r c 址弘紫骛 r r 盯 u 吾 吾 献 m m m 唧 唧 吗 副 9 s a a ( 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：矗妇蠡塑口7 年；月，7 日 学位论文使用授权声明 本人筮纽焦在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：知继粗导师签名： i 0 7 年 月，) 日 绪论 1 绪论 1 1 无刷直流电动机的历史及现状 1 1 1 无刷直流电动机的发展 1 9 世纪2 0 年代第一台永磁发电机出现标志着人类步入了电气化时代，至此电动机作 为机电能量转换装置，其应用范围己遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活当中。 电动机的主要类型有：同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小到几 瓦，大到上万千瓦。从控制性能来看，同步电动机调速困难、容易失步；异步电动机机械 特性软、起动困难、功率因数低、调速困难；而直流电动机的机械特性好、效率高、控制 简单、调速范围大优点明显。但是，传统的直流电动机均为有刷直流电动机，通过电刷以 机械的方式进行换相，在电动机运行时会产生火花、噪声、以及电磁干扰等，再加上制造 成本高，维修困难等缺点，大大限制了直流电动机的发展。 2 0 世纪3 0 年代开始有人研制以电子管换相来代替电刷机械换相的无刷直流电动机， 但限于当时的技术条件，找不到理想的电子换相器件使得这种电动机只能停留在实验室阶 段，无法推广使用。 直到1 9 5 5 年，美国d 哈利森等人申请专利用晶闸管换相电路代替电刷来换相，标志 着无刷直流电动机的诞生。1 9 6 2 年，采用霍尔元件来实现换相的无刷直流电动机终于问 世，从而开创了无刷直流电动机产品化的新纪元i lj 。1 9 7 8 年联邦德国m a n n e s m a n n 公 司的i n f l m m a t 分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其m a c 永磁无刷直流电动机及其驱动 系统，标志着永磁无刷直流电动机真正进入了实用阶段【2 l 。 随着电力电子技术的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件如电力晶体管 ( o t r ) 、门极可关断晶闸管( g t o ) ，电力场效应晶体管( p o w e rm o s f e t 、绝缘栅极双极性 晶体管( i g b d 等相继出现，制造工艺日臻成熟。另外，高性能的永磁材料如钐钴、钕铁硼 等的问世为永磁无刷直流电动机的设计和应用开辟了广阔的前景，永磁无刷直流电动机相 关控制技术也得到迅猛的发展。现在，“永磁无刷直流电动机”的概念己经由特指的“电 子管换相的永磁直流电动机”，延拓至“所有具备有刷直流电动机外部特性的电子换相式 永磁电动机”1 3 j 。 1 1 2 无刷直流电动机的特点及应用领域 永磁无刷直流电动机根据永磁体在气隙中产生的磁场波形不同，可分为正弦波永磁无 刷直流电动机，习惯上称为永磁同步电动机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r - p m s m ) 1 西安理工大学项士擘住论文 和方波永磁无刷直流电动机( b m s h l c s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r - b l d c m ) 。p m s m 产生的反电 动势为正弦波，相电流波形也为正弦波；而b l d c m 产生的反电动势是梯形波，相电流 波形为方波。 p m s m 逆变器控制常采用s p w m 技术或滞环控制等，调制出正弦电压或电流，与电 动机反电动势保持相应的相位关系，从而产生比较平滑的电磁转矩。p m s m 控制需要提 供必需的转子位置信号，与方波型无刷直流电动机相比，它的结构较复杂，而且成本较高 但是从理论上来说，p m s m 不产生转矩脉动，调速比和定位精度高，所以在高精度速度 和位置控制场合应用较多 b l d c m 通过控制逆变器的输出电压和电流，使其与反电动势保持相应的相位即可以 产生有效电磁转矩。由于逆变器控制只需转子的六个关键位置信号，所以控制容易实现。 本文使用的无刷直流电动机指的是方波型无刷直流电动机( b l d c m ) ，无刷直流电动 机的优点归纳起来有以下几点： ( 1 ) 低噪音 与传统的直流电动机相比，电子换相电路取代了电刷换相，所以不会产生由于机械换 相引起的噪声和换相火花以及电磁干扰。 ( 2 ) 高效率，高功率密度 b l d c m 的转子采用永磁体，它可以提供恒定的磁场，不需要消耗能量，无需励磁线 路。由于永磁无刷直流电动机转子为永磁体没有绕组线圈，因此电动机体积较小，电动机 的发热主要集中在电动机定子上，有利于电动机的散热。另外，钐钴、钕铁硼等高性能永 磁材料的应用，进一步提高了无刷直流电动机的功率密度。 ( 3 ) 易于控制 如果忽略定子绕组的电阻，电动机的转矩与电流成正比，转速与电压成正比，只需知 道转子的六个关键位置信号就可以实现对无刷直流电动机的控制。因此，世界上许多半导 体器件公司如美国德州仪器公司c r d 、美国模拟器件公司( a d ) 、飞思卡尔公司( 鲰s c a l c ) 等都推出了b l d c m 的专用集成控制芯片，进一步降低了控制系统的成本。 无刷直流电动机控制系统随着技术的不断发展，控制单元功能日益完善，器件数目越 来越少，体积越来愈小，可靠性越来越高而成本日益降低。加之其自身特点使得无刷直流 电动机的应用日益普及，目前无刷直流电动机的应用主要在以下几个方面： ( 1 ) 电动汽车 我国科技部于2 0 0 1 年1 0 月公布2 0 0 1 2 0 0 5 年度的国家高新技术研究发展计划之电 动汽车专项( 8 6 3 计划) ，这个计划基本包括各项涉及电动汽车的专题研究。目前我国电 动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e s ) 产业方兴未艾，具有良好的发展前景。从控制特性、体积、效率 等各个方面来衡量，无刷直流电动机( b l d c m ) 被认为是电动汽车最具有竞争力的驱动电 动机之一。由于轻型电动车的快速产业化，极大地刺激了b l d c m 的发展，客观上为微 型电动汽车的发展奠定了重要的技术基础。从2 0 0 3 年开始，b l d c m 成为轻型电动车的 2 绪论 主流电动机，从设计结构、材料性能到成本特性等方面不断得到优化，稳居世界领先水平。 现有的b l d c m 升级为电动微型汽车驱动系统已无技术障碍，无刷直流电动机势必将会 在电动汽车上得到广泛应用i ”6 l 。 ( 2 ) 交流伺服系统 高精度的数控设备中越来越多地采用永磁无刷直流电动机，以取代直流伺服电动机， 特别是在机器人和机械手的驱动中，无刷直流电动机的应用非常广泛。联合国欧洲经济委 员会发表的2 0 0 2 年全球机器人报告曾预测，全球现在至少有7 6 万台机器人正投入使 用，在以后3 年内，全球机器人数量将接近百万台。目前，包括中国、巴西和墨西哥在内 的一些发展中国家也在工业生产中使用机器人，且需求增长十分惊人，这已经成为无刷直 流电动机的主要应用领域。 ( 3 ) 家用电器 随着人们生活水平的提高，高效、节能、低噪音、环保功能的“绿色家电”越来越受 到人们的欢迎。在空调行业，永磁无刷直流电动机的应用已经成为衡量空调技术水准的重 要指标之一。空调变频技术已从异步电动机变频控制发展到无刷直流电动机的变转速控 制，即市场上所宣传的“直流变频空调”，其压缩机电动机以及用于室内外的风机都采用 永磁无刷直流电动机。与采用交流异步电动机交频空调相比，无刷直流电动机变转速空调 具有起动功率大、效率高、节能、抗电压波动能力强等优点。另外，采用无刷直流电动机 的洗衣机也已经出现 ( 4 ) 数码产品 在小电动机行业，无刷直流电动机是发展最快的品种。目前，个人视听产品日益朝着 “小、轻、薄”化发展，对无刷直流电动机需求量也将迅速增加。日本不少公司已将无刷 直流电动机应用到数码相机、微型收录机、摄影机、打印机以及硬盘驱动器等。世界各国 也都加快了开发新产品的速度和占领市场的力度。 1 2 无刷直流电动机的原理 1 2 1 无刷直流电动机的结构 无刷直流电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但是没有笼型绕组和其他起动 装置。其定子绕组一般制成多相，转子由永久磁钢按一定极对数组成。如图1 - 1 所示：为 三相一对极无刷直流电动机，三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联 接，位置传感器与电动机同轴联接。 当定子绕组某一相通电时，该相电流与转子磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩， 驱动转子旋转，再根据位置传感器输出的位置信号驱动电子开关线路，从而使定子各相绕 组按一定次序导通，定子绕组相电流随转子位置的变化而按照一定逻辑换相。由于电子丌 3 西安理工大学硕士学位论文 关线路的导通顺序与转子转角同步，从而起到了电刷换相的作用 t 一 图i - 1 无刷直流电动机示意图 f i 9 1 1s k e t c hm a po fb l d c m 从结构上来讲，无刷直流电动机可以认为是由电子开关电路、电动机本体以及位置传 感器三部分组成的“电动机系统”【如图1 2 所示： 图1 - 2 无刷直流电动机结构图 f i 9 1 - 2c o n f i g u r a t i o no f b l d c m 1 2 2 无刷直流电动机的工作原理 无刷直流电动机换相是基于电动机转子位置来完成的为了说明无刷直流电动机的运 行原型侧，以三相一对极无刷直流电动机为例，如图1 3 所示： 卑卑率率窜a 窜! ( a )c o )( c )( d )( e )( d 图1 3 无刷直流电动机的运行原理图 f i g1 - 3w o r k i n gp r i n c i p l eo fb l d c m 取图l - 3 ( a ) 中的转子位置为初始时刻，此时a b c 全部位于n 极磁极下，而a b c 全部 位于s 极磁极下，转子逆时针方向恒速转动。假设转子在图( a ) 时刻b c 相仍旧通电，电流 方向如图( a ) 所示，假设感应电动势方向与电流方向相同，假设图( a ) 为电流换相前时刻 同时假设电流换相为理想状态在瞬间完成，即c 相绕组断电同时a 相绕组通电，b 相绕 组在整个换相过程中一直反向通电，换相后时刻记为( b ) 。如图( b ) 所示，此时a b 两相绕 组通电。 4 绪论 当电动机转子开始旋转，转过6 0 度电角度后，使b 相绕组断电同时c 相绕组通电， a 相绕组在整个换相过程中一直正向通电，换相后时刻记为( c ) ，如图( c ) 所示。此时a c 两相绕组通电电流方向从a 到c 转子继续旋转，当转子再转过6 0 度电角度后，a 相绕组断电同时b 相绕组通电，c 相绕组在整个换相过程中一直反向通电，换相后时刻记为( d ) ，如图( d ) 所示此时b c 两 相绕组通电。如此循环下去，就得到如图1 - 4 所示的相电流和反电势的波形图： 卜。卜、卜。 。| 。 图1 - 4b l d c m 相电流和反电势的波形 f i g1 - 4c u r r e n ta n db a c ke m fw a v e f o r m so fb l d c m a 相绕组内感应电动势和电流波形对应关系： 图1 5a 相电流和反电势的波形 f i g1 - 5c u r r e n ta n db a c ke m fw a v e f o r m so f ap h a s e 从图1 - 4 和图1 5 可以看出，无刷直流电动机的电流和感应电动势具有以下特点： 1 感应电动势为三相对称的梯形波，波项宽度1 2 0 度电角度。 2 相电流为三相对称1 2 0 度电角度方波。 3 感应电动势与相电流在相位上严格同步。 在任意时刻，无刷直流电动机定子绕组只有两相同时通电，得到无刷直流电动机电磁 功率和电磁转矩的表达式为： 电磁功率：只- e , i + e b i 6 + g 。t ( 1 1 ) 电磁转矩：。曼生三型d 坚s 生 ( 1 2 ) 。 m 由公式可以看出：理想条件下，无刷直流电动机输出的电磁功率和电磁转矩都是恒定 的，不会产生转矩脉动，也不会产生转速波动。但是，实际中由于电网电压波动、无刷直 流电动机制造缺陷、电枢电感和续流二极管的存在以及电机参数摄动等方面的原因，无刷 直流电动机在运行过程中一定会产生转矩，电机输出转矩的脉动必然引起无刷直流电动机 转速波动。 5 西安理工大学硕士学位论文 1 3 无刷直流电动机的研究方向 目前，无刷直流电动机的研究主要集中在转矩脉动控制。无传感器控制以及控制算法 三个方面： 1 3 ，转矩脉动控制 转矩脉动的问题一直是交流伺服应用领域的一大难题，尤其是在直接驱动应用场合， 转矩脉动的问题更加突出。由于没有减速机构。电动机产生的转矩脉动直接传递到负载， 负载干扰就直接作用于电动机轴上这样就会引起转速波动、机械震动以及噪声，限制了 在一些高性能控制系统中的应用。 无刷直流电动机的转矩脉动抑制国内外这方丽的研究成果较多【”，但是真正应用到 实际生产的大部分是电动机本体优化设计方面的技术，通过控制策略抑制电磁转矩脉动在 实际中应用的并不多，特别是在国内这方面的差距较大。因此研究永磁无刷直流电动机转 矩脉动抑制技术，并将其实用化，具有非常重要的现实意义。 ( 1 ) 纹波转矩脉动 理想条件下，无刷直流电动机相电流为方波，反电动势波形为梯形波，平顶宽度为 1 2 0 度电角度，电磁转矩为恒值。实际中，由于设计和制造等方面的原因，反电动势波形 并不是梯形波，或者波顶宽度也不是1 2 0 度电角度，或者是由于转子位置检测和控制系统 精度不够，造成反电动势与相电流相位不能严格同步；或者电流波形不是方波只能近似地 按梯形波变化等，这些因素的存在都会导致电磁转矩脉动产生 ( 2 ) 齿槽转矩脉动 齿槽转矩是由于定子铁心与转子励磁磁场相互作用产生的。定子齿槽的存在使得永磁 体与对应的电枢表面的气隙磁导不均匀。当转子旋转时使得在一个磁状态内磁路磁阻变化 从而引起转矩脉动。 ( 3 ) 电枢反应 电枢反应使气隙磁场发生畸变，改变了转子永磁体在空载时的方波气隙磁感应强度分 布波形，使气隙磁场的前极尖部分被加强，后极尖部分被削弱。畸变的磁场与定子通电相 绕组相互作用，使电磁转矩随定、转子相对位置的变化而脉动。另外，在任一磁状态内电 枢反应磁场与连续旋转的转子主极磁场相互作用，产生的电磁转矩会随转子位置不同而变 化，从而产生转矩脉动。 机械加工和材料的不一致也是引起转矩脉动的重要原因之一以上转矩脉动的减弱或 者消除主要依靠提高电动机的设计水平和机械加工工艺。 “) 换相转矩脉动 无刷直流电动机由于电枢电感和续流二极管的存在，造成换相时存在换流延迟引起相 6 绪论 电流脉动，进而导致无刷直流电动机输出转矩脉动。关于换相转矩脉动的研究比较多，【2 2 】 详细分析了无刷直流电动机在换相期间的电流变化与转矩脉动的关系。有人根据换相过程 中端电压方程的推导，控制换相过程中的输出p w m 占空比，以减小换相转矩脉动i ”搿j 。 【2 5 采用电流预测的方式来抑制转矩脉动；f 2 6 】采用检测直流侧母线电流做为反馈信号， 抑制换相转矩脉动。但是，由于给无刷直流电动机通电的是交流侧电流，所以检测交流侧 电流更能反映实际电机相电流的真实值。现有的方法对于转矩脉动的抑制都起到了积极意 义，但也存在不足，更加完善的转矩脉动抑制策略还有待于进一步研究。 ( 5 】最优换相 最优换相l 明包括最优换相逻辑和最优换相位置两方面。最优换相逻辑解决如何换相， 最优换相位置决定什么时候换相。在最优换相逻辑的研究中，大多是采用固定的转子位置 信号和功率器件的逻辑表，丽缺乏系统的概括性的理论研究。尽管在理想情况下，最优换 相的位置已经研究得较透彻。但是在电机实际工作过程中，最优的换相位置研究还不够， 在理想电动机中所忽略掉的次要因素，实际上都会不同程度地影响最佳换相位置，使得理 论上的一些很好的想法很难在实际中得到应用。 1 。3 2 无传感器控制 传统的无刷直流电动机需要用位置传感器来检测电机转子位置，控制换相时刻。同时 在速度控制系统中，速度传感器也必不可少。但是，随着电动机额定功率的减小，传感器 的体积在整个系统中的比重越来越大，这就使得系统难以实现小型化，限制了无刷直流电 动机的应用。另外，传感器的存在也使得系统复杂程度提高、装配难度加大、造成整个控 制系统成本增加、可靠性下降、维修困难等，同时对无刷直流电动机的制造工艺也带来了 不利影响。 近年来，针对无刷直流电动机位置和速度传感器带来的种种不利影响，无位置和速度 传感器的无刷直流电动机研究成为研究热点之一1 2 s - 3 3 1 。无传感器控制充分发挥了无刷直流 电动机自身的优点，进一步减小无刷直流电动机控制系统的体积、成本，提高系统的可靠 性和控制精度。 目前，较为成熟的无位置传感器位置信号检测方法主要有4 类：反电动势法、续流二 极管法、电感法和状态观测法。 “反电动势法”是最常见和应用最广泛的一种，这种方法建立在忽略电枢反应影响的 前提下，原理上就存在一定误差。尤其是对于大功率无刷直流电动机，电枢反应对气隙合 成磁场的影响更加明显，将会导致检测出的转子位置误差增大。另外，当无刷直流电动机 静止或转速较低时，反电动势为零或很小。这样很难通过检测反电动势过零点得到正确的 位置信号，使电机在起动时刻比较困难，严重影响了无刷直流电动机的调速范围。 “续流二极管法”，无刷直流电动机三相定子绕组中，关断相电流不会在换相后立即 7 番安理工大学硕士学位论文 为零，而是通过续流二极管续流，直到该相反电势过零点的附近降为零。因此，只要在反 电势过零点附近检测续流二极管中电流较大降落，就可以检测出电机转予位置。 由于无刷直流电机中绕组电感和转子位置存在对应关系，“电感法”是通过检测无刷 直流机绕组电感的交化来判断出转子的位置。无刷直流电动机绕组采用星型接法，当两相 绕组电感相等时刚好对应反电动势过零点。但是这种方法需要对绕组电感进行实时检测， 增加了实现的难度。 “状态观测法”是将电机三相电压、电流作坐标变换，在派克方程的基础上估算出电 机转子位置的一种方法。状态观测器法一般适用于p m s m ，且繁琐运算量较大。 1 3 3 控制算法 快速性、稳定性和鲁棒性是衡量b l d c m 调速系统性能的重要指标，由于b l d c m 是 一个时交非线性系统，在高性能应用场合采用传统的p i d 控制很难满足系统的控制性能 要求d s p 具有高速的数据运算和处理能力；以d s p 芯片为核心。通过软件编程实现对 电动机的控制，为b l d c m 控制系统的设计和实现带来了很大的灵活性。现代控制理论 的许多先进的智能控制算法，可以通过利用d s p 的高速处理能力来实现。因此，研究先 进的控制算法成为无刷直流电动机控制系统的一个重要方向。 ( 1 ) 自适应控制 自适应控制力图克服系统参数变化带来的不利影响，通过系统运行中不断地辨识、校 正系统模型，使得系统模型逐步完善目前应用于电机控制中主要有模型参考自适应、参 数辨识i 刍校正控制等。但是，自适应控制对系统模型进行辨识，校正总需要过程，对于一 些参数变化较快的系统，控制效果不是很理想。 ( 2 ) 变结构控制 变结构控制与常规控制的区别在于控制的不连续性，即系统“结构”具有变化的特性 其主要特点是，根据被控量的偏差及其导数使控制系统按照设计好的方案运动。 无刷直流电动机结构与永磁同步电动机相似，同步电动机具有稳速精度高，开环控制， 简单方便等而无刷直流电动机具有起动和调速方便的特点。所以，当无刷直流电动机处于 起动和调速过程中，采用无刷直流电动机的运行模式，实现动态响应的快速性，当电动机 转速到达给定值附近时，切换为同步电动机运行模式，以保证稳速精度【l l a 这种控制方式 具有响应速度快、对控制对象参数变化及外部扰动不敏感、物理实现简单等特点。但是控 制策略本质上的不连续性使系统存在“抖动”，控制的关键是如何实现无刷直流电动机在 两种控制方式的无缝切换。 ( 3 ) 模糊控制 1 9 6 5 年，美国加利福尼亚大学z a d e r t 教授提出模糊集理论，耳前模糊控制已经成为研 究的热点，得到了快速发展。由于模糊控制不依赖于被控对象精确的数学模型，它利用制 8 绪论 定好的模糊控制规则使控制器能够模拟操作人员和专家的控制经验与方法进行推理，从而 获得合适的控制量模糊控制能够有效地处理多变量、非线性、强耦合的电机控制系统， 但是，简单地将模糊控制器应用于高精度电机控制系统，难以消除系统的稳态误差，控制 效果还不能得到令人满意。模糊控制只有与其他控制方法结合，才能获得良好的控制效果。 目前，已经有利用模糊方法来优化p m s m 伺服设计l 卅，应用于交流数字伺服系统【蚓以及 无刷直流电机的直接转矩控制m l 。 ( 4 ) 神经网络控制 神经网络具有非线性映射的能力，可以逼近任何线性和非线性模型，又具有自学习、 自收敛性。神经网络控制可以用于线性对象，也可以用于非线性对象，被控对象无需精确 建模，同时对参数变化有较强的鲁棒性。神经网络已经用于无刷直流电动机参数的在线辨 识、跟踪；磁通及转速控制器自适应调整；精确估计转子磁通幅值、位置以及转速：还可 以结合模型参考自适应控制，将神经网络控制器应用于自适应速度控$ 1 j 器 t m 。 目前，研究将多种智能控制方法相结合用于无刷直流电动机控制系统，已经取得了一 些成果【4 2 - 5 0 1 ，但是仍有许多问题需要解决。如智能控制主要凭借经验设计，对系统的稳定 性、鲁棒性缺少客观的理论预见性；另外，智能控制器设计中需要大量经验数据，使得设 计较烦工作量大。 1 4 本文主要内容及相关工作 本文主要以无刷直流电动机为被控对象，以1 r i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为核心， 设计并实现了全数字无刷直流电动机转速电流双闭环控制系统，并且在转速环完成了p i 控制和自抗扰控制两种方案。本课题研究的主要内容有以下几个方面： 研究了无刷直流电动机控制系统的相关硬件平台，应用公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 设计出基于d s p 的无刷直流电动机转速控制系统的软件总体结构。 完成了电流霍尔传感器的对称性标定。在分析了无刷直流电动机常用正向电流检 测方式存在问题的基础上，利用检测非换相相电流做为无刷直流电动机的电流反 馈信号来减小换相转矩脉动。 软件编程实现了无刷直流电动机转速和电流双闭环调节。其中，转速环分别采用 p i 控制和自抗扰控制器两种控制策略，控制系统顺利通过调试，实验控制效果达 到预期目标。 9 西安理工大学硕士学位论文 2 无刷直流电动机控制系统实验平台 2 1 系统总体结构 本文中，无刷直流电动机采用兰州电机厂生产的1 f t 5 0 4 2 型无刷直流电动机采用浙 江天煌科技的实验直流发电机与无刷直流电动机同轴联接做为负载。无刷直流电动机转速 控制系统总体结构框图如图2 - 1 所示： 图2 - l 无刷直流电动机转速控制系统结构框图 f i 9 2 - 1f r a m e w o r k o f s p e e dc o n t r o l s y s t e m o f b l d c m 系统主要由两部分组成：硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括由无刷直流电动机 和智能功率模块i p m 组成的主电路，以及位置、电流和速度信号的检测电路。软件部分 基于1 1 公司t m s 3 2 0 lf 2 4 0 7 a d s p 来实现。采样得到的位置、电流以及转速信号送入d s p ， 通过编程实现合理的控制策略，使无刷直流电动机控制性能达到系统设计要求。 2 2 系统硬件平台 2 2 1 主电路及控制电源 1 0 主电路：主电路采用常见的交直交变换形式如图2 - 2 所示： 图2 - 2 主电路形式 f 蟾2 - 2f o r mo fm a i n c i r c u i t 来自电网的三相工频电经过调压器先送入整流电路进行整流，整流单元采用日本富士 无厣j 直流电动机控制系统实验平台 公司6 r 1 3 0 g 6 0 三相不可控整流桥来完成。整流单元提供给逆变单元所需直流电源，逆变 单元采用日本三菱公司p m 2 0 c s j 0 6 0 智能功率模块( 口m ) 。逆变单元输出的三相交流电用 来直接驱动无刷直流电动机。 控制电路电源部分：本文中控制部分电源主要有四个不同等级部分，如图2 3 所示： d s p 上外扩控制电路板电源为+ 5 v ；i p m 驱动模块需要四组相互独立的+ 1 5 v 电源；电流 h a l l 元件需要4 - 1 5 v 以及用于极性变换的+ 5 v 基准电源，无刷直流电动机位置传感器工作 所需的+ 5 v 电源。 稳压 图2 - 3 控制部分电源分配图 f i g2 - 3c o n t r o lp o w e ra s s i g n m e n tc h a r t 2 2 2 电流信号检测单元 电流检测通常采用霍尔模块，文中无刷直流电动机绕组采用三相星型连接，所以有三 相电流i + + f ，0 ，只要在任意两相上安装两个电流h a l l 元件就可以检测出全部三相电 流。如图2 4 所示：无刷直流电动机相电流经霍尔元件输出为微弱的电流信号，经过精密 电阻冠将电流信号转换为电压信号再送入运算放大器放大，由于d s p 中a ，d 转换单元输入 为单极性，输入电压0 3 3 v ，必须最终将信号转换为单极性0 3 3 v 之间的电压信号送入d s p 中a d 转换单元入口。 2 2 3 转速信号检测单元 图2 4 电流采样电路 f i g2 - 4c u r r e n ts a m p l ec i r c u i t d c i n x 无刷直流电动机速度检测采用内置的光栅编码器来进行。光电编码器由槽型光电耦合 器、光码盘、光电整形放大电路组成。光电编码器每单位时间输出的脉冲数与无刷直流电 西安理工大学硕士学位论文 动机速度成正比。为了提高检测精度，一种方法是选用高密度的光栅编码器，使单位时间 内输出的脉冲数增大，但是这样做就增加了成本。另外可以采取在一个周期信号内插入多 个计数脉冲，即相当于“倍频” 文中光电码盘的输出脉冲送入d s p 内部q e p 单元，完成4 倍频后进行软件计数。如 图2 5 所示： 。 q e p i厂 厂 厂 厂 厂 nr 厂 厂 厂 q e p 2r 厂 厂 厂 厂 厂 厂 r 厂 厂 c l k 哪1 0 1 0 1 1 唧1 1 0 0 0 1 0 1n 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 肿 d i r 厂一 图2 - 5 正交编码脉冲和编码定时器时钟及方向 h g 2 - 5q u a d r a t u r ee n c o d ep u l s e , c l o a ka n dd i r e c t i o no f t i m e r 信号四倍频是通过d s p 中事件管理器的正交编码脉冲单元q e p ( q u a d r a t u r ee n c o d c r p u l s e ) 来实现的 当q e p 电路被使能时，软件禁止捕获单元1 和2 ，配置相应的输入引脚给q e p 电路。 q e p 电路的方向检测逻辑测定哪个脉冲序列的相位领先，然后产生一个方向信号作为选 定定时器的方向输入。如果c a p l q e p l 输入为相位领先的脉冲序列，选定的定时器递增 计数，如果c a p 2 q e p 2 输入为相位领先的脉冲序列，选定的定时器为递减计数。q e p 电 路通过对引脚c a p l q e p l 和c a p 2 q e p 2 上的正交编码输入脉冲进行解码和计数获取速 度信息。 常见的数字测速方法有m 法、t 法、m r 法三种。m 法是在规定时间内测量码盘所 产生的脉冲数获得被测速度的方法，当速度越高时在规定时间内输出的脉冲就越多，检测 精度也就越高。但是这种方法当电动机转速很低时，在规定时间内只有几个脉冲，甚至不 到一个脉冲，这样检测就不精确。所以m 法仅适于在高速时检测使用，为了提高检测精 度可以提高码盘的分辨率或者增加检测时间。 t 法是测量两个脉冲之间的时间来确定被测速度的方法。当速度越低时，相邻两个脉 冲之间的时间就越长，检测精度也就越高。当电动机转速很高时，相邻的两个脉冲之间时 间很短，甚至低于参考周期，这样检测就不精确，所以t 法仅适于在低速时使用。 m t 法同时兼顾了m 法和t 法的优点，在高速时采用m 法，低速时采用t 法本 文中速度检测选用m 法。无刷直流电动机速度传感器每转发出2 5 0 0 脉冲，脉冲送入d s p 内部q e p 单元4 倍频后进行软件计数，在6 m s 内的计数值刚好等于无刷直流电动机实际 的转速值。即6 m s 内每一个计数脉冲就代表1r m i n ，这样控制系统在低速时精度受到限 制，只能控制l r p m 以上。 1 2 无刷直流电动机控制系统实验平台 2 2 4 位置信号检测单元 由于采用电子换相装置取代了换相器，无刷直流电动机的换相依靠电机转子的位置信 号来进行。位置传感器的作用是检测转子磁场相对于定子绕组的位置。目前，常用的位置 传感器有电磁式、光电式和磁敏式 霍尔位置传感器是磁敏式位置传感器的一种，霍尔元件通电后，当有外加磁场时输出 霍尔电势信号，没有外加磁场时无输出信号。本文中无刷直流电动机三相绕组采用星形接 法，电动机采用三相六状态两两导通方式，三个霍尔元件在空问上彼此相隔1 2 0 度电角度。 当无刷直流电动机转子旋转时，输出三个相位相差1 2 0 度电角度，宽度为1 8 0 度电角度矩 形波信号如图2 - 6 所示： 图2 - 6 位置传感器输出信号 f i g2 - 6o u t p u ts i g n a lo fp o s i t i o n $ g l l s o t 位置传感器输出波形通过硬件滤波，对信号整形后直接送入d s p 中i 0 端口。文中将位 簧信号u v w 送入d s p 中p e d a t d i r 寄存器的b i t 9 ，b i t l 0 ，b i t l l 位。还可以采用硬件电路来 处理，由于位置信号u v w 任意一路信号发生跳变，无刷直流电动机就需要换相。采用硬 件电路使三路位置信号做异或操作后，送入d s p 中外部中断x i n t l ，在每个上升沿和下降 沿产生中断，进入换相中断服务子程序。 2 3 5 无刷直流电动机换相逻辑 无刷直流电动机的电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的次序和时间， 主要由功率器件控制单元和位置传感单元两个部分组成。 功率器件控制单元是控制电路的核心，其作用是按特定逻辑关系给无刷直流电动机定 子各相绕组通电，使电动机产生持续的电磁转矩。由于无刷直流电动机的换相是基于电动 机转子位置来完成的，换相与转子磁极位置之问有确定的对应关系，无刷直流电动机结构 如图2 7 所示：图2 7 中，u v w 为无刷直流电动机位置传感器输出的三路信号无刷直 流电动机采用三相六状态两两导通方式，按表2 1 中1 - 3 2 6 4 5 1 次序逆时针旋转，换相 逻辑及各相电流对应关系如表2 1 所示： 西安理工大学硕士学位论文 o n 图2 - 7 无届9 直流电动机结构图 f i g2 - 7s t r u c t u r eo fb l d c m 根据位置传感器输出的三路信号0 j v w ) ，可以组合出无刷直流电动机转子6 种位置状 态。针对不同的位置状态，在d s p 中给比较动作控制寄存器a c t r a 写入不同控制字， 使相应功率器件导通，给三相绕组正确供电，实现无刷直流电动机正常运行 位置信号状态0 0 0 、1 1 1 属于非正常信号当检测到这两种状态时无刷直流电动机保 持原来导通方式不变。由于无刷直流电动机按特定的逻辑关系去触发功率开关器件，与一 般逆变器不同，它的输出频率取决于转子位置信号，因此使b l d c m 输入电流和电动机 转速始终保持同步 表2 1 无届4 直流电动机换相逻辑 o 研w v u开通器件a c 姒km i a 10 0 1 t 3 ，t 4 0 x e 硼+o 20 1 0 t 2 , t 6 0 x b f b h +0 30 1 1 t 2 , t 4 0 】【f b b ho + 4l t 1 ，t 50 x e 聊 o + 51 0 1t 3 t 50 】【e e f h +0 61 1 0 t i , t 6 0 x b f e ho+ 其他 0 0 0 ，1 1 10 x f l f 甩 2 2 6p w u 驱动单元 无刷直流电动机换相是依据位置传感器的信号来进行的。但是，位置传感器的信号一 般不能直接用来驱动控制功率开关器件，必须要经过一定的逻辑处理后才能去驱动功率单 元。本文采用脉宽调制( p w m ) 技术，主回路功率开关器件采用以i g b t 为核心的智能功率 模块，本文选用三菱公司p m 2 0 c s j 0 6 0 智能