（电力电子与电力传动专业论文）光伏水泵用无位置传感器直流无刷电机的控制技术研究.pdf

t h e r e s e a r c ho fs e n s o r l e s sb l d cm o t o r c o n t r o lu s e d i np h o t o v o l t a i c p u m p s a b s t r a c t 。i k sp a p e ra n a l y s e st h er e a l i z a t i o no f “n e u t r a ls i m u l a t o r t h e nu s ec i r c u i tt o m e a s u r et h e “a c r o s st h ez e r op o i n t ”sp a p e ra l s ot h i n k so v e rh o w t ou s em e c i r c u i ti nh i g h v o l t a g es e n s o r l e s sb i d em o t o r ，u s et h ec i r c u i tt or e a l i z et h ep r e c i s i o n c h a n g i n g o fc o i l t h ep h o t o v o l t a i cp u m p ss y s t e ms e l e c tt h es e n s o r l e s sb i d em o t o r t od r i v et h e p u m p w ea l s os e l e c tt h em i c m c h i pp i c l 6 f 8 7 7m a d eb ym i c r o c h i pc o l t da sa c o n t r o l c h i p t or e a l l z e m i c r o 。c o m p u t e rc o n t r 0 1 n l i ss y s t e mu s et h r e e s e p a r a t e c h a n n e lt 0f i n do u tt h e “a c r o s st h ez e r op o i n t o fe a c h b a c k e m f - t h ep r o 灯锄u s e d i g i t a lf i l t e rt ow i p eo 行血ep w mi n t e r f e r e n c e sa n dt h ec o m m u t a t i n gi n t e r f e r e n c e s i nt h i sp a p e rw ed i s c u s sh o w t or e a l i z et h ec v t o rm p p ti np h o t o v o l t a i cp u m p s s y s t e m ，a n dp r o g r a mt h es o f t w a r e 1 1 l er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o w t h a tt h i ss y s t e m ，w h i c hi sm a d e o i lt h eb a s e o ft h et h e o r ya b o v e ，c a l lc o n t r o lt h es e n s o r l e s sb i d em o t o rt 0 c o m p l e t et h ee x a c t c o m m u t a t i o n 1 h e s y s t e mp r e s e n t sg o o ds t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o m a a n c et h e d r a w b a c ko ft h e s y s t e m i ss h o wi n t h ee n d w ea l s o g i v e s o m ea d v i c ef o r i m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：b l d cm o t o r ，p h o t o v o l t a i cp u m p ss y s t e m ，d u m m yn e u t r a l ，m p p t ， m i c r o - c o m p e e r c o n t r o l 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及取得的研究成果。 据我所知，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 过的研究成果，也不包含为获得 盒g b 王些丕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 并表示谢意。 学位论文作者签名：陶磊 签字日期：翮3 年p 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒罂王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 胆王些盍堂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，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：陶磊 签字日期：吐年 胃n 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期：豇矽年分月歹日 电话 邮编 致谢 首先感谢我的导师孙佩石老师，三年以来，孙老师在学习、课题研究、生 活等诸多方面都给予了悉心指导和无微不至的关怀。在此，谨向孙佩石老师表 示诚挚的敬意及深深的谢意! 感谢苏建徽副研究员对我的谆谆教导，从论文的最初选题到最终定稿，都 是在苏老师的关怀下完成的。没有苏老师的教诲，我是不可能完成我的硕士论 文。在此，特向苏老师表示衷心的感谢! 余世杰教授、沈玉棵研究员的渊博的 知识、严谨求实的学风也是我一生学习的榜样! 在能源所的三年期间，我还得 到了能源所里其他老师的无私的帮助，在我遇到困难的时候，他们总是耐心的 给予讲解。在此向能源所的所有老师表示真诚的谢意! 在课程学习和课题研究期间，我还得到了能源所里的各位同学的帮助，我 们一起学习、交流，他们的友情使笔者终生难忘! 在此表示深深的谢意! 同时借此机会，还要感谢合肥工业大学研究生部、电气工程学院的各位领 导和老师对本人各方面的支持和帮助。 向关心和帮助过我的所有老师和同学们表示我最深切的敬意和衷心的祝 福! 陶磊 2 0 0 3 年7 月2 日 第一章概述 1 1 太阳能光伏利用在国内外的发展概况 1 1 1 太阳能的光伏利用是人类新能源利用的趋势 随着人类文明的发展，人类对能源的需求量在急剧增长，但由于地球上 所存储的矿物燃料是有限的，而且大部分的矿物燃料在释放能量时也会对周 围的自然环境产生破坏，这就导致了地球沙漠化、大气变暖等全球性气候问 题的产生，这些问题出现引起了全世界各国政府的高度重视其中包括我国政 府。在1 9 9 2 年联合国召开的发展大会上，我国政府签署了环境与发展的 里约宣言，之后又率先制定了中国的2 1 世纪议程，把可持续发展 作为国家的基本发展战略之一。2 0 0 2 年8 月在南非召开的世界首脑峰会 上，可再生能源成为会议的主要议题之一，会议指出，如果在能源问题上再 不采取坚决有效的行动推广和使用清洁的可再生的能源，全球将不会有可持 续发展，与会代表们呼吁，国际社会必须采取切实可行的措施，加快可再生 能源的发展，因此，走可持续发展道路已成为各国共同的长期发展战略，发 展新能源和可再生能源已成为各国共同长期的发展战略。在人类新能源的利 用中太阳能的光伏利用是一种现实可行的利用方式，它具有无污染、安全等 优点，且随着新材料科学的发展，光电转换板的价钱正在逐步下降，而光电 板的光电转换效率则逐步得到提高，这使得太阳能光伏利用系统中初期投资 大的缺点正在逐步得到淡化。 太阳能的光伏利用作为一种新型的可再生能源的利用方式，与煤炭、石 油、核能等矿物燃料相比较，有着独具的特点： 1 普遍性。阳光普照大地，处处都有太阳能，可以就地利用，不需要到 处寻找，而且更不需要火车、轮船等交通工具进行不停的运输。这对解决偏 僻边远地区不便架电的山区以及交通不便的乡村、海岛的能源供应，具有很 大的优越性。 2 无害性。利用太阳能的辐射能做为能源，没有普通矿物燃料燃烧释放 能量时所产生的废渣、废料、废水、废气等污染物，也不会产生对人体有害 的物质，因而不会污染环境，没有公害，是一种清洁能源。 3 长久性。只要太阳还存在，就一定会有太阳辐射能。因此，利用太阳 能做新能源，可以说是取之不尽、用之不竭的。 4 巨大性。一年之内到达地面的太阳辐射能的总量，要比地球现在每年 所消耗的各种能量的总量大几万倍。 因此太阳能的光伏利用是人类对新能源利用的一个新的趋势。如果能够 很好的利用太阳能将有助于解决世界上的能源危机。 1 1 2 太阳能光伏利用技术在国外的发展情况 太阳能的光伏利用技术在国外得到了迅猛的发展。全世界中，欧盟可再 生能源利用在一次能源利用中所占比例较高，许多欧盟国家都制定了自己的 光伏发展计划。瑞士在2 0 世纪9 0 年代初提出“e n e r g i e2 0 0 0 ”计划，在 光伏方面目标为容量达到5 0 m w p ，在2 0 0 0 年又提出了后续的 “e n e r g i e s c h w e i z ”计划。荷兰能源与环境部( n o v e m ) 在1 9 9 4 年制定了 n o z p v 计划，该计划规定到2 0 1 0 年的光伏方面安装容量的目标为 1 4 0 0 m w 。德国在1 9 9 卜1 9 9 5 年实施了第一个全国光伏计划“千屋顶”计 划，1 9 9 9 年起又开始实施“十万屋顶”计划。意大利在1 9 9 8 年提出“万屋 顶计划”，2 0 0 1 年公布“p r o g r a m m if o n t ir i n o v a b i l i 2 0 0 1 ”计划，其中包括 光伏屋顶项目“t e t t i f o t o v o l t a i c i ”，其安装容量的目标为7 m w 。西班牙在 1 9 9 1 2 0 0 0 年间实行可再生能源计划，安装容量的目标为5 m w ，1 9 9 9 年制 定2 0 0 0 2 0 1 0 年计划“p l a nd ef o m e n t od el a se n e r g i a sr e n v o a b l e s ”，其中 规定2 0 1 0 年光伏安装容量的目标为1 3 5 m w 。芬兰的应付气候变化国家计 划中规定2 0 1 0 年光伏安装容量为4 0 m w 。希腊能源部与美国a m o c o e n r o n s o l a r 公司签订合同在c r e t e 岛上建造5 0 m w 的光伏电站，预计2 0 0 3 年底完 成，将是世界上最大的光伏电站，是现有最大光伏电站f 意大利3 3 m w ) 的 1 5 倍。日本在1 9 9 6 年提出新阳光计划，规定2 0 0 0 年的目标为4 0 0 m w p ， 2 0 1 0 年的目标为4 6 0 0 m w p 。 在欧盟之外，美国也在积极的发展太阳能光伏利用技术。美国实施可再 生能源投资搭配标准( r e n e w a b l ep o r t f o l i os t a n d a r d s ，r p s ) ，要求确保电力 生产中可再生能源发电所占的比例不得低于某一数值。r p s 政策要求电力 零售商须以可再生能源积分( r e c s ) 的形式，持有一定比例的可再生能源 发电量。获得可再生能源积分有三种途径：1 ) 若零售商本身拥有可再生能 源电站，生产1 k w h 电代表1 r e c s ：2 ) 零售商也可从可再生能源电站处直 接购买所需的r e c s ；3 ) 零售商可从电力经销商处直接购买r e c s ，不必购 买实际能源。美国已有几个州实行了r p s 。1 9 9 7 年1 2 月日本京都会议之 后，美国总统克林顿宣布实施”百万屋顶光伏计划”，装机总容量在l o o o 一 3 0 0 0 m w 之间，预计到2 0 1 0 年完成。 在发展中国家中，泰国在1 9 9 7 年通过光伏应用扶持政策，计划在 1 9 9 8 2 0 0 2 年安装2 0 m w p 。截至1 9 9 7 年3 月，印度总的光伏系统容量达到 3 0 m w ，1 9 9 8 2 0 0 2 年计划安装1 5 0 m w ，2 0 0 2 年生产能力将达到5 0 m w 年，印度在光伏技术方面已经成为发展中国家的排头兵。 由此可见，无论是发展中国家还是发达国家目前都在利用投资或政策积 极发展本国的光伏利用技术。 2 1 1 3 光伏利用技术在我国的发展情况 在我国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。全国各地太阳能总辐射 量为3 3 4 0 8 4 0 0 m j ( m 2 口) ，中值为5 8 5 2 m j ( m 2 - a ) ，其中全年日 照时数大于2 0 0 0 h ，太阳能总辐射量高于5 0 1 6 m j ( m 2 a ) 地区约占全国 总面积的2 3 。因此我国具有利用太阳能的良好条件。 我国于1 9 5 8 年开始研究太阳电池，1 9 7 0 年后将其应用于我国的各个领 域。1 9 8 0 年以前，我国光伏产业还处于比较分散、手工作坊式的生产状 态，全国太阳电池年产量一直徘徊在1 m w 以下。由于产量少，价格高，市 场发展缓慢，地面太阳电池应用仅限于小功率电源系统，如航标灯、铁路信 号系统等，功率一般很小，仅在几瓦到几十瓦之间。 在“六五”和“七五”计划( 1 9 8 1 1 9 9 0 年) 期间，原国家科委和有关 部委开始对光伏技术研发和光伏产业发展给予大力支持，扩大了太阳电池的 应用领域，建立了一些太阳电池应用示范系统，如光伏供电的微波中继站、 部队通信系统、小型户用系统等。 同时在“七五”期间，由国家科委主持，引进了南北2 条太阳电池生产 线，从根本上改变了我国太阳电池落后的、手工业式的生产方式，使当时生 产的太阳电池组件接近了发达国家水平。此后，云南、秦皇岛、哈尔滨等省 市又相继引进了一批单晶硅和非晶硅的太阳电池生产线，使我国太阳电池的 生产能力猛增到4 5 m w p 年。但由于引进设备不配套，又受到国内市场的 制约，实际上太阳电池年产量不到2 m w p 。但太阳电池应用面已进一步扩 大，开始广泛应用于通信、交通、石油、农村电气化、民用产品等各个领 域。 “九五”( 1 9 9 6 2 0 0 0 ) 期间，原国家科委将太阳电池列入国家攻关计 划，要求进一步提高太阳电池的转换效率，降低其成本，使单晶硅太阳电池 转换效率从1 2 提高到1 4 ，同时建成了我国第一条兆瓦级太阳电池多晶 硅片生产线，填补了我国多晶硅硅片产业的空白。至2 0 0 1 年，我国太阳电 池年产量已经达到4 m w p ，累计装机容量已达到2 3 m w p 。 “十五”期间，科技部又将太阳电池的研究开发和推进产业化发展列入 了相应的国家计划，如在“国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) ”中列入 “低价、长寿命新型光伏电池基础研究”项目，在国家高科技研究发展计划 ( 8 6 3 ) 中列入了“新型薄膜太阳电池研究”课题。在“十五”科技攻关计 划中列入了“高效晶硅电池工业生产技术”，“5 0 k w 、2 0 k w 并网型光伏 发电示范电站”等课题。国家的投资力度较以前有了大规模的增加。 我国目前的光伏市场主要有两部分组成，一部分是通讯领域，包括通 信、卫星接收等。另一部分是国家示范项目和国际合作项目，如“西藏无电 线建设”、“西藏阿里地区太阳能应用工程”、“光明工程”、“g e f ”、 “u n d p ”、“日本n e d o ”、“荷兰”以及我国在津巴布韦的“太阳能 村”等一批光电建设和合作项目，这些项目的实施也有力的推动了我国光伏 发电的大规模推广应用。 但由于我国光伏事业发展较晚，且国家尚未形成一套较完整的鼓励发展 可再生能源的经济激励政策，导致我国的光伏发电技术水平落后于发达国 家。我国目前的光伏电池的总产量只占到世界总产量的l ，而且国家还没 有制定相关的行业的标准，这也影响了我国光伏事业的推广。目前国家正在 制定有关政策与行业标准扶持我国光伏技术的发展。 在我国的西部地区长期处于缺水状态，但地下却蕴藏着丰富的地下水资 源，因此如何取出地下水是解决西部缺水状况的一条切实可行的方法。由前 述可知，我国西部地区日照资源丰富，因此可以采用光伏水泵系统抽取地下 水供西部地区灌溉、饮用，这有力的推动了我国西部大开发。 1 2 光伏水泵系统所用电机的发展历程 光伏水泵系统所用驱动电机可分为直流电动机和交流电动机两大类别。 采用直流电机的光伏水泵可与太阳能电池直接连接，或通过简单的功率 变换装置与太阳能电池阵列进行连接。当光伏水泵系统采用带有m p p t ( 最 大功率跟踪) 功能的功率变换装置时，功率变换装置会跟随太阳辐射强度的 变化自动调节直流无刷电机转速，使太阳能电池阵列始终工作在最大功率点 附近，以保证水泵系统的效率达到最大。 交流电机具有结构简单、可靠性高、维修工作量小、成本低等优点。但 采用交流电机驱动的光伏水泵必须通过专用的变频装置才能和太阳能电池进 行连接，且交流电机调速需要用变频器，同时交流电机的效率通常较同等功 率的直流永磁无刷电机低得多。在目前的光伏水泵系统中电池板的价钱较 高，提高光伏水泵系统的效率很重要，因此在小功率的光伏水泵系统中多采 用直流永磁无刷电机驱动水泵。 由于普通的直流电动机采用电刷和换相器以机械方法进行换向，因而带 来了可靠性低、寿命短等缺点。针对上述普通的直流电动机的所存在的弊 病，早在2 0 世纪3 0 年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直 流无刷电动机，经过了几十年的努力，至2 0 世纪6 0 年代终于实现。由于直 流永磁无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一 系列优点，又具有普通的直流电动机的运行效率高、励磁损耗小以及调速性 能好等诸多优点，所以直流无刷电机是目前光伏水泵系统中驱动电机的理想 选择。 根据直流无刷电机有无位置传感器可将直流无刷电机分为有位置传感器 型和无位置传感器型的直流无刷电机，但有位置传感器的直流无刷电机的引 4 出线较多、结构比较复杂，易受到环境等外界因素的干扰。综上所述，在本 系统中选用无位置传感器的直流无刷电机做为光伏水泵系统所用的驱动电 机。 1 3 光伏水泵系统组成简介 一个光伏水泵系统的构成如图1 1 所示。其基本原理是利用太阳电池 将太阳辐射能转换成电能，驱动电机带动水泵从水源处抽取水以供饮用、灌 溉之用。 成 图1 1 光伏水泵系统结构图 由上图可知，典型的光伏水泵系统由：太阳能电池阵列、功率变换器、 水泵三部分组成。 1 ：太阳电池阵列 太阳能电池阵列收集太阳光的辐射能量，将该能量转换成电能，完成由 光能到电能的转换功能。 2 ：功率变换器 由于光伏水泵系统中所用的驱动电机一般并不采用普通的带换相电刷的 直流电机( 在本系统中选用直流无刷电机) ，而太阳能电池阵列所能提供的 能量一般并不适合于直接驱动直流无刷电机，需要由功率变换器进行变换， 因此在太阳电池阵列与直流无刷电机之间加上功率变换环节，此功率变换环 节同时还包含对电机绕组进行正确换相、太阳电池的最大功率点跟踪、对电 机当前运行状态进行监控等功能。最后功率变换环节直接驱动直流无刷电机 旋转、带动水泵打水。 3 ：电机与水泵 在不同系统中使用的驱动电机也不相同。目前在小于1 0 k w p 功率等级 的光伏水泵系统中，为获得尽可能高的系统效率，多采用直流无刷永磁电机 驱动，在大型光伏水泵系统中，也有采用交流异步电机的。 斗田电池阵纠 对于光伏水泵系统而言，水泵类型的选择同样也很重要。在功率不是 很大的系统中，若用户要求的扬程较高但流量较小的情况下，可以选用容积 式正位移水泵，在其它情况下也可采用离心式或轴流式水泵。 1 4 本课题的主要任务 由于光伏水泵系统的驱动电机所选用的直流无刷电机不方便引出中性 线，所以本论文采用了“虚拟中性点法”直接虚拟出电机的中性点，实现电 机的准确换相。 本论文主要内容包括： l ：分析了“虚拟中性点”的实现思想并给出了具体的推导过程。检测 判断电机反电势的过零点，实现电机的准确换相。利用硬件电路实 现了对不同电压等级的直流无刷电机的过零点检测。在硬件电路中 利用三相独立通道分别检测出三相绕组的过零点，并在软件中利用 数字滤波技术使检测到的过零点的更加准确可靠。 2 ：利用单片机实现了对直流无刷电机的数字控制，并分析了如何在光 伏水泵系统实现太阳电池最大功率点跟踪控制。 3 ：由于光伏水泵系统长期工作在恶劣的环境下，所以系统采用软硬件 结合的方式使系统有完善可靠的保护功能。 4 ：实验、计算、并分析所得结论。 6 第二章直流无刷电动机的运行原理 1 2 2 直流无刷电动机的发展概况 直流无刷电动机是随着电子技术的发展而迅速发展起来一种新型直流电 动机。由于其没有采用普通的直流电机所用的机械换相结构，而采用电子换 相装置，因此电机在换相时就不会产生电火花。同时由于直流无刷电动机通 常采用永磁体作为电机转予，因而就没有电的损耗，铁损极小( 在方波电流 驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁芯内产生一定的铁损) ，提 高了电机的整体效率；在直流无刷电机中发热的定子电枢绕组可以安装在外 面，这样热阻相对较小，散热比较容易。同时直流无刷电机还具有寿命长， 运行可靠，维护简便等优点。下面将简述直流无刷电机的发展历史。 随着科学技术的发展，带来了半导体技术的飞跃前进，开关型晶体管的 研制成功，为创造新型直流电动机直流无刷电机带来了新的希望。经过 人们反复的研究和不断的实践，终于找到了采用位置传感器和电子换向线路 来代替普通的有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电机的发展开辟了 新的途径。随着半导体新技术的飞速发展，1 9 6 2 年试制成功了基于霍尔效应 的霍尔元件位置传感器并应用在直流无刷电机上。随着比霍尔元件检测灵敏 度高千倍左右的磁敏二极管的出现，在七十年代初期，又试制成功了借助于 磁敏二极管实现绕组换相的直流无刷电机。直流无刷电机最初只运用于宇航 和军事等领域，后来日益扩展到工业和民用等领域，如计算机的外围设备、 办公自动化设备和音响设备中，如软驱、硬盘、光驱，激光打印机的棱镜驱 动、传真机、c d 机、v c d 机和摄象机等。在国外，目前无刷直流电动机己 在洗衣机、空调和电冰箱等家用电气中得到比较广泛的应用。在工业控制领 域，如数控机床的进给伺服控制、机器人关节驱动和自动化生产线等设备上 现在也大量使用了直流无刷电机。直流无刷电机有很好的发展前景。 由于直流无刷电动机大多数应用于中、小功率场合，电机本身的体积就 很小，或者如光伏水泵系统用的直流无刷电机长期位于深井之中，这些条件 都给安装直流无刷电机的位置传感器带来很大的难度，因此，在试制各种类 型的位髭传感器的同时，人们又在试图寻找一种没有附加位置传感器结构的 新型直流无刷电动机。1 9 6 8 年西德w 米斯林格( m i e s l i n g e r ) 提出采用电容 移相实现换流的新方法。在此基础上，西德r 哈屈特司( h a n i t s c h ) 等人试制成 功了借助于数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换流的无附加位置 传感器的直流无刷电机。随着人们的不断努力，又实现了依靠定子绕组反电 势来获取电机转子位置信号的方法，由于此方法简单实用，所以此种方法现 在得到了越来越广泛的应用。 2 0 世纪7 0 年代以来，电力电子工业得到了飞速发展，许多新型的高性 能半导体功率器件，如g t r 、m o s f e t 、i g b t 等相继出现，以及高性能永 磁材料的相继问世，这些为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础， 特别是我国稀土材料的储量为世界第一，为发展我国高性能的直流无刷电机 创造了良好的条件。随着直流无刷电机控制技术新的发展，国外出现了针对 无位置传感器直流无刷电机驱动的专用芯片，比如美国的m i c r o l i n e a r 公 司生产的无位置传感器直流无刷电机驱动专用芯片m l 4 4 2 5 ( m l 4 4 2 8 ) ，以 及p h i l i p s 公司生产的t d a 5 1 4 0 t i ) a 5 1 4 1 t d a 5 1 4 2 t 系列，它们不需要安 装霍尔元件或其它类型的位置传感器，而是采用三相电机定子绕组在不激励 期间的反电势的过零点作为转子换相位置的检测信号，实现电机绕组的正确 换相，这些专用芯片使得无位置传感器直流无刷电机的控制变得更简单而且 更加可靠。本论文的主要任务是要利用单片机辅以相应的硬件电路，通过检 测三相定子绕组在不激励期间的反电势作为转子位置的检测信号，找出电机 绕组反电势过零点后的3 0 0 点，此点是电机的最佳换相位置，从而驱动电机 旋转。 2 。2 直流无刷电机的工作原理 直流无刷电动机和传统的直流有刷电机在原理上极其相似。直流有刷电 动机通过电刷与换相器使得电机的电枢绕组里面所流过的电流是交变电流， 有刷电机的磁极本身是静止的，而电枢是旋转的交流绕组，旋转的交流绕组 在换相器和电刷的作用下使得电机的转子不停的旋转。直流有刷电动机中的 电刷也就相当于直流无刷电机中的磁极位置检测器，其中的换向器相当于直 流无刷电机中的电子逆交器。直流无刷电动机为了实现无刷换相，将普通的 直流电动机的定、转子之间调换了位置。直流无刷电机把普通直流电动机的 电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上。直流无刷电动机的转子采用 永磁结构，产生气隙磁通密度，定子通常为三相分布绕组。如果流过电机绕 组的电流方向不变，那么在电机绕组中只能产生固定方向的磁场，它不能与 运动中的转子磁钢产生的永磁磁场一直相互作用，以产生单一方向的电磁力 矩来驱动电机的转子连续转动，所以直流无刷电动机除了由定子和转子组成 的电机本体以外，还需要有由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同 组成的电机转子位置检测和换相装置。该检测和换相装置使得直流无刷电动 机在运行过程中定子绕组所产生的旋转磁场和转动中的转子磁钢所产生的永 久磁场的方向在空间上始终保持一定的电角度。在直流无刷电机中是磁极旋 转，而电枢绕组是静止的，由磁极位置信号控制电子逆变器换相给电枢绕组 换相供电。在这里，用电子逆变器和位置传感器代替了普通直流有刷电动机 中的换向器和电刷，没有电刷换相时所带来的换相火花，电机的寿命也得到 延长。 8 一般来说，永磁式直流无刷电动机的转子都由永久磁钢组成，其主要作 用是在电动机的气隙中建立磁场，其电枢绕组通电后产生反应磁场，由电子 逆变器所供给电枢绕组的电流并不是标准的正弦波，而是1 2 0 0 的方波，因而 定子各绕组在工作时气隙内所形成的是跳跃式的旋转磁场。这种旋转磁场在 3 6 0 0 电角度范围内共有三种磁状态，每种磁状态各持续1 2 0 0 电角度。它和旋 转的转子磁场相互作用产生的电磁转矩除了平均转矩之外，还包含有转矩脉 动分量。控制电子逆变器的给绕组的换向时间，使得这两个磁场的方向在电 动机运动的过程中始终保持一定的电角度，从而产生最大的平均转矩而驱动 电动机转子不停地运转。对于三相六拍式的直流无刷电机，直流无刷电动机 的转子每旋转一圈，定子绕组需要换相六次，每个极下换相三次，此时的直 流无刷电机相当于只有三个换向片的直流有刷电动机。 w u 图2 一l电子逆变器主电路 电子逆变器的主电路如图2 1 示，电路采用全桥结构，u 、v 、w 分别 代表直流无刷电机的三相定子绕组，电机的定子绕组采用y 型连结方式，电 子逆变器采用两两导通方式，即每一瞬间有且只有两个功率管导通，每隔1 6 周期( 6 0 0 电角度) 绕组换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通 1 2 0 0 电角度。下面具体分析其运行原理。 首先假设电机的转子处于图2 2 ( a ) 所示的初始位置，若此时使功率 管v t 3 、v t 4 导通，则电流从v 端绕组流入，u 端绕组流出，w 相悬空， 定子产生的合成磁动势为f 。，如图2 2 ( a ) 示。在磁动势f 。的作用下，转 子将顺时针方向旋转，当电机的转子转过6 0 0 ，到达如图2 - 2 ( b ) 所示的新位置 时，此时再继续使功率管v t 4 、v t 5 导通，则电流由w 端绕组流入，u 端 绕组流出，此时v 相绕组悬空，定子的合成磁动势为f b ，在磁动势f b 的作 用下，转子将继续顺时针旋转，依此类推，如果每隔6 0 0 电角度按一定顺序 9 使功率管v t l 和v t 2 、v t 2 和v t 3 、v t 3 和v t 4 、v t 4 和v t 5 、v t 5 和v t 6 、 v t 6 和v t l 两两导通，可使定子所产生的合成磁动势分别如图2 2 ( a ) 、 图2 2 ( b ) 、图2 2 ( c ) 、图2 2 ( d ) 、图2 2 ( e ) 和图2 2 ( f ) 所示，从而 形成连续旋转的磁动势，在此连续旋转磁动势的作用下，永磁体的转子也会 随之连续旋转。如果使开关管按上述规律反复导通，即可使电机的转子持续 旋转下去，而且定子的合成磁动势总是超前于转子磁极轴线电角度在3 0 0 9 0 0 之间。由上述的运行过程的分析可见，要使直流无刷电机正确的换相运行， 必须知道图2 2 中所示的转子的六个关键位置，此六个关键位置即对应着直 流无刷电机的绕组反电势的过零点后的3 0 0 ( 电角度) 处。如果是有位置传 感器的直流无刷电动机，这六个位置则可以通过安装的位置传感器来直接获 得。如果是无位置传感器无刷直流电动机，则必须要通过其它方法来间接获 得电机的转子位置，在本光伏水泵系统中采用绕组的反电势来获得电机转子 的位置信息。下面将分别介绍有位置传感器和无位置传感器直流无刷电机的 控制方法。 y 露y 照v ( d )( e ) 图2 2 无刷直流电动机的运行原理图 v 2 2 1 有位置传感器直流无刷电机的控制方法 有位置传感器的直流无刷电机在电机的转子上几个关键换相位置处直接 安装了转子位置检测传感器，该位置传感器与无刷电机的转轴直接联接，利 用位置传感器的检测信号直接控制电子逆变器的换相时间和顺序。因此，有 位置传感器的直流无刷电机控制系统可以看成由电子换向逆变器、直流无刷 电动机以及位置传感器三部分组成，其控制原理框图如图2 3 所示。 由图2 3 可知，直流无刷电机的电子换相逆变器是用来控制电机定子上 各相绕组通电的时间和换相顺序。电子逆变器主要由逻辑开关单元和位置传 感器信号处理单元两个部分组成，逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能 是将直流电源按一定的逻辑关系分配给直流无刷电机定子上的各相绕组以产 生旋转的磁场，使直流无刷电机能产生持续不断的电磁转矩。而各相定子绕 组导通的顺序和时间则取决于来自位置传感器的检测信号。下面以位置传感 器是光电器件的直流无刷电机为例，简述其的控制过程。 图2 3 有位置传感器直流无刷电动机的控制原理框图 此种直流无刷电机将光电器件在空间上相差6 0 0 均匀的分布在电机的一 端，借助于安装在电机轴上随电机轴旋转的遮光板( 亦称截光器) 的作用， 使得光源依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光 线来判断转子磁极的当前的位置，将此位置信息反馈给电子换相逆变器，然 后决定导通定子的哪一相绕组，使电机产生连续的电磁力矩，驱动直流无刷 电机旋转。 2 2 2 无位置传感器直流无刷电机控制方法 由于有位置传感器的直流无刷电机需要安装位置传感器，这就增加了电 机的体积，同是由于所安装的位置传感器容易受到外界干扰，在环境恶劣时 有可能检测不出电机的转子位置，而且位置检测精度也会受到位置传感器安 装精度的影响。如果能够不依靠位置传感器，而采用其它方法直接检测出电 机换相所需的几个关键点就可以避免由于安装位置传感器所带来的缺点，因 此无位置传感器的直流无刷电机的驱动方法近年来得到了大力发展，目前最 方便、可靠和实用的方法是利用电机的定子绕组的反电动势检测出电机换相 时所需的几个关键点。 当永磁直流无刷电机运转时，由直流无刷电机的原理可知，定子的各相 绕组所产生的反电动势( e m f ) 与转子当时所在的位置是密切相关的。对于 三相六拍两两导通方式的直流无刷电机，由于其各相绕组是交替导通工作的， 在每一瞬间必有一相绕组处于不导通悬空状态，该相绕组的端电压波形也就 是绕组的反电势波形，由于此时的端子悬空，所以此时波形没有p w m 波干 扰可以直接被检测出来。利用反电势波形中的某些特殊点，可以得到我们需 第三章光伏水泵系统控制原理及方案 3 1 直流无刷电机的换相策略 无位置传感器的直流无刷电机驱动中，最重要的部分是如何确定电机转 子的几个关键位置以决定电机绕组的换相时间。绕组的准确换相时间是在相 电势的过零点后的3 0 0 电角度处，因此如何准确检测出相电势的过零点就很 重要。对于采用反电势法换相的直流无刷电机驱动系统，绕组的反电势中一 般都已经包含有高频p w m 波的干扰，只有去除此种干扰，才能检测到实际 的绕组反电势，这是实现电机准确换相的前提。由于电机反电势的频率相对 于p w m 波的频率低很多，因此目前一般采用电容滤除p w m 波等高频干扰， 但由于所加电容会造成反电势波形的相移，使检测到的反电势过零点与实际 反电势过零点之间存在一定的相位差，造成了检测到的绕组换相点不准，因 此有的文章提出根据电机当前的转速对其相位差在软件中进行补偿，这又造 成了软件的运算量过大，实现困难。因此本文采用新的方法“虚拟中性 点法，直接检测出直流无刷电动机的反电势的过零点，然后延时3 0 0 再进行 换相，以实现电机绕组的正确换相。 3 1 1 虚拟中性点法对直流无刷电机的反电势过零点的检测 在本系统中直流无刷电机驱动换相采用三相六拍，两两导通方式。由直 流无刷电机理论可知，其准确的换相点应在相电势过零点后的3 0 0 电角度处， 幅僵 少一、l 。 0 3 。 ”0 1 ”t 、一，矿 电角度 图3 1a 相绕组端电压波形 图3 1 所示为a 相绕组的端电压波形。在3 0 0 1 5 0 。之间a 相绕组处于正 向导通状态；在1 5 0 0 2 1 0 0 之间a 相绕组处在悬空状态；在2 1 0 0 3 3 0 0 之 间a 相绕组又处于反向导通状态。在1 5 0 0 与2 1 0 0 时，关断a 相使之处于悬 空状态，此时a 相绕组没有p w m 波加在上面也没有直流电压加在上面完全 悬空，所以此时a 相绕组波形是实际上的绕组反电势波形。由上图可以看出 在a 相反电势过零点_ o 点后延时3 0 0 电角度就是正确的绕组换相时间。 所以如何确定绕组反电势的过零点是绕组换相准确的前提。由图3 1 可知在 相电势过零点附近处反电势中没有高频p w m 波的干扰，因此可以准确的检 测到相电势的过零点。 图3 1 所示的a 相绕组的电势波形是以电机中的中性点为参考电压，所 以为了确定相绕组的反电势过零点就需要引入直流无刷电机的中性点的电 压，利用该电压与电机绕组的端子电压作比较所得到的电位之差即为电机绕 组反电动势的实际波形。绕组的端电压可以从绕组的端子上直接取出，但由 前面章节的分析可知直流无刷电机的中性点在许多场合下无法从直流无刷电 机中直接引出，这给如何确定绕组反电势的过零点造成了很大困难。因此就 必须采用其它方法引出电机绕组的中性点与端电压进行比较以确定反电势的 过零点，而其它方法所引出的中性点在电位上还必须与电机中的实际中性点 的电位相等。由于电机绕组是采用y 型接法，因此想到可以采用y 型电阻网 络模拟出电机中的实际中性点，本论文中采用硬件电路模拟出电机中的实际 中性点，但此中性点并不是电机绕组中的真正的中性点，因此我们称之为“虚 拟中性点”。由于此虚拟中性点与电机绕组中的实际的中性点电位相等，因此 利用处于不激励、悬空状态下的相绕组的端子电压与该虚拟中性点进行过零 比较，就可以获得该相绕组反电势的过零点。硬件实现电路如图3 2 所示， 下面简要证明此种方法的可行性。 p 图3 2虚拟电机绕组中性点电路原理图 幅懂( v ) _ 灯搠。 二 p 1 ，这说明正在向最 大功率处搜索目前的搜索方向是正确的。继续改变负载向右搜索，搜索到 v 。，这时太阳电池的输出功率为p 。，p 。a x p 2 ，这说明目前的搜索方向仍 然是正确的。继续向右搜索，搜索到v 3 处，此时的太阳电池的输出功率为 p 3 ，此时p 3 p 。，已经越过目前太阳电池的最大功率点。必须向相反方向 搜索。通过这种方法进行搜索，最后太阳电池的输出功率会在最大功率点左 右进行小范围摆动。其摆动幅度受所设定的搜索精度的影响。本系统中采用 单片机进行控制，单片机的运行速度很快，而外界的环境变化速度相对于单 片机的运行速度非常缓慢，如果因为的外界环境发生变化导致太阳电池的最 大功率点偏移，则采用此种方法进行搜索依然可以很快的跟踪上最大功率点 的变化。 图3 9 通过调节占空比搜索最大功率点 光伏水泵中电子逆变器的主电路一般采用三相全桥结构，水泵所用的直 流无刷电机通常采用p w m 斩波调速，直流母线输入电压也就是太阳电池阵 列输出电压经p w m 斩波后直接提供给直流无刷电机，驱动电机旋转。在光 伏水泵系统中，机泵的转速与机泵的输出功率关系是单调非线性的：对于普 通离心式水泵，机泵轴功率与电机转速的三次方成正比；对于容积式水泵， 机泵的轴功率大致与电机的转速成正比。因此，电机转速的变化趋势可以间 接反映出电机轴功率的变化趋势，通过判断电机转速的变化趋势可以判断出 电机的轴功率变化趱势。通过p w m 斩波调节加在电机绕组上的等效电压调 节直流无刷电机的转速，可以搜索出太阳电池的最大功率点( 即电机的最大 转速) 相应的电压。所以，可以直接通过调节光伏水泵所用的直流无刷电机 的转速来调整太阳电池阵列的输出功率的大小，亦即可以凭借对太阳电池输 出电压进行p w m 斩波，调节太阳电池阵列的输出负荷的大小，使太阳电池 阵列的输出功率始终保持在其最大功率点上。由图3 9 ，可知我们可以通过 调节p w m 波的占空比直接搜索出最大功率点p 。 第四章控制系统的硬件设计 4 1p i c 单片机概述 本电子逆变器的控制电路选用m i c r o c h i p 公司推出的8 位微控制器 p i c l 6 f 8 7 x 作为主控制芯片。p i c 系列的8 位微控制器是首先采用r i s c 结构 的高性能嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r ) 。它具有的高速度、低工 作电压、低功耗、强大的驱动能力、低价格和o t p ( o n et i m ep r o g r a m m i n g ) 等技术都体现了当今单片机工业技术的新的发展趋势。p ic 单片机在从计算机 外设、家电控制、电讯通信、智能仪器仪表到汽车电子、金融电子等各个领域 均获得了非常广泛的应用，有很高的市场占有率。 p i c l 6 f 8 7 x 是m i c r o c h i p 公司采用f l a s h 工艺制造的芯片，所以它极适合 于那些可能会经常改动程序编码的应用场合。下面将简述其特性： 1 高性能r l s c 结构c p u 1 )精简指令集，仅有3 5 条单字节指令。 2 )除地址分支指令外，其余全为单周期指令。 3 )执行速度快，d c 4 0 0 n s 4 )1 4 位e 2 p r o m 型的程序存储器，电可擦写。 5 )最大带有8 k 1 4 的f l a s h 程序存储器。 6 )带8 位f l a s h 型的数据寄存器。擦写次数可达1 0 0 万次。 7 )有多种硬件中断。 8 )有8 级硬件中断功能。 9 )有直接、间接、相对三种寻址方式。 2 功能部件 1 )带有l o 位a d 转换输入。 2 )有高驱动电流的i o 脚，可直接驱动l e d 显示。 每根i o 口线最大拉电流为2 0 m a ； 每根i o 口线最大灌电流为2 5 m a 。 3 )所有i o 引脚均双向可独立编程设置。 4 ) 8 位定时器计数器，带有8 位的周期寄存器及预分频器和后分频器。 5 ) 1 6 位定时器计数器，睡眠中仍可计数。 6 )带有2 个p w m 输出。 7 )r b 口有电平变化中断功能。 由上述特点可知p i c l 6 f 8 7 x 是一款性价比极高的单片机。由于该种单片机具有 多个a d 口、多个i o 口、定时器、p w m 输出、可重复擦写，因此本系统采 用此种单片机作为主控制芯片。 4 2 系统实现方法 图4 一l 所示的为系统实现框图，三相绕组的过零点由单片机的r b 7 、r b 6 、 r b 5 检测出。i o 引脚检测输入信号与用户的设定信息，同时单片机的输出信号 经p w m 调制后，控制功率管的导通与关断。系统中采用a d 中断采样太阳电池 的电流与电压。 图4 1 系统实现示意图 4 3 直流无刷电机反电势检测电路 在第三章中，已详细的叙述了如何采用“虚拟中性点法”实现直流无刷电 机反电势过零点的检测。具体实现电路如图4 2 所示。具体实现电机绕组过零 点检测的原理已在论文第三章中详细叙述，在这里就不赘述。由于在本检测电 路中，比较器l m 3 3 9 采用+ 1 2 v 电源进行驱动，而单片机输入脚的电平仅为0 + 5 v ，为了匹配两者之间的电平，在比较器l m 3 3 9 的输出脚加上对+ 5 v 电源的 上拉电阻，以满足单片机输入电平需要。 当电机绕组反电势发生过零跳变时，比较器l m 3 3 9 的输出脚也就会产生电 平跳变，要捕捉住反电势的过零点也就是要捕捉住比较器l m 3 3 9 的电平跳变。 由于所选用的单片机p i c l 6 f 8 7 7 仅有两个捕捉比较脉宽调制p w m ( c c p ) 复用 脚，其中一个引脚已经用来输出p w m 波信号对电机进行斩波