（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp技术的直流无刷电机控制系统的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s tr a c t b r u s h l e s sd em o t o ri san e wm o t o ra n dt h ei n t e g r a t i o no fp o w e r s e m i c o n d u c t o r sa n dp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l s i th a st h ee x c e l l e n t s p e e dc o n t r o lp e r f o r m a n c eo fd cm o t o r s ，a n dm a n ys u c ha d v a n t a g e so f a cm o t o r sa ss i m p l es t r u c t u r e ，e a s i l yc o n t r o l l e d ，h i g hr e l i a b i l i t y ， h i g he f f i c i e n c y ，a n de a s ym a i n t e n a n c e a tp r e s e n t ，i nt h ef i e l do f i n d u s t r i a lc o n t r o l ，i th a sb e e nw i d e l yu s e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb r u s h l e s sd em o t o rc o n t r o ls y s t e md e s i g n b a s e do nd s pa n dt h ed e s i g np r o c e s s f i r s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h eb a s i cc o n f i g u r a t i o na n d t h e f u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo 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 n d t h e nf lb r u s h l e s sd cm o t o rm a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i i t t h ec o m m u t a t i o n p r o c e s sa n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ep w ms i g n a lo fab r u s h l e s sd cm o t o r a r ea n a l y z e d s e c o n d l y ，t h ef u z z ys e l f - t u n i n gp i d c o n t r o l l e ri s d e s i g n e d ， a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m , a n dt h es i m u l a t i o n m o d e lo ft h eb r u s h l e s sd em o t o r si se s t a b l i s h e d ，b a s e do nt h ef u z z y s e l f - t u n i n gp i dc o n t r o l l e r s i m u l a t i o ns t u d i e so ft h es t a r t i n gp r o c e s s ， o p e r a t i o np r o c e s s ，s w i t c h i na n ds w i t c h - o u to fl o a d ，a r ec a r r i e do u t c u r v e s o fr o t a t i o ns p e e d ，t o r q u e ，c u r r e n ta n db a c k e m f ，a r eg o ti n a c c o r d a n c ew i t hf u z z y s e l f - t u n i n g p i dc o n t r o la n dp i d c o n t r o l ， r e s p e c t i v e l y ，a n dt h e s ec u r v e sa r ec o m p a r e dt om a k ea n a l y s e s m e a n w h i l e ，c u r v e so fr o t a t i o ns p e e d ，w h i c ha r eg o tw i t hf u z z y s e l f t u n i n gp i da n dn o r m a lp i d ，r e s p e c t i v e l y ，a r ea n a l y z e d t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o np r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m f i n a l l y ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e ma r e p r e s e n t e d a sf o rt h ep a r to fh a r d w a r ed e s i g n ，f i r s ta no v e r a l ld e s i g n o ft h ew h o l es y s t e mi sp r e s e n t e d ，a n dt h e ns e v e r a lm a i nc i r c u i td e s i g n s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s u c ha sd s pi n t e r f a c ec i r c u i t ，d r i v ec i r c u i t ，t h r e e p h a s ei n v e r t e r c i r c u i t ，l o g i cc o n t r o lc i r c u i t sa n dc i r c u i tp r o t e c t i o na r eg i v e n e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) o ft h ec i r c u i t ，a n ds o l u t i o n st o t h ep r o b l e mo fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a r ea l s od i s c u s s e d a s f o rt h ep a r to fs o f t w a r ed e s i g n ，t h eo v e r a l ld e s i g na n dt h em a i nf l o w c h a r ta r eg i v e na sw e l l t h e ns e v e r a lp r o b l e m so ft h es o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o ns u c ha sa c t i v a t e dm o d u l e ，i n t e r r u p tm o d u l e ，p o s i t i o n d e t e c t i o nm o d u l e ，t h em o d u l ef o rp h a s ec o n t r o l ，t h e s p e e dc o n t r o l m o d u l ec u r r e n tr e g u l a t o rm o d u l ea r ed i s c u s s e di nd e t a il a tl a s t ，t h e r e l i a b i l i t yo ft h es o f t w a r ei sd e s i g n e d k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c ) ：i ) s pc o n t r o l ：s i m u l a t i o n ；s o f t w a r e d e s i g n ；h a r d w a r ed e s i g n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：三些羞 日 期：2 d d 7 年? 月7 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第1 章绪论 电力推进是船舶推进方式之一，它由原动机带动发电机发电，再由电动 机驱动螺旋桨。船舶电力推进已有近百年历史，上世纪3 0 年代曾出现电力推 进的一个发展高峰。由于当时交流电机调速技术不成熟，多采用直流电力推 进，其调速系统简单，调速性能好，但直流电机结构复杂，体积及重量大， 并存在功率及转速极限等问题，故只能用在一些工程船舶及潜艇上。上世纪 8 0 年代以来，随着电力电子技术发展，大功率交流电机交频调速技术日臻成 熟，基于晶闸管整流逆变方案和i g b t 器件方案实现的船舶电力推进技术在国 外得以迅速发展，并在可靠性和运行效率等方面都有了突破，从而使电力推 进技术的应用领域不断扩大，除应用于破冰船、挖泥船、渡轮以外，还广泛 应用于大中型船舶，显示出广泛的市场前景。据统计，近几年来新建的油轮、 渡轮、邮轮、集装箱船有3 0 采用电力推进系统。可以预言，电力推进将是 一种被广泛采用的先进船舶推进系统【l l 。 1 1 1 船舶电力推进系统在国外的应用情况 1 ) 潜艇a i p 技术 所谓的a l p 技术是指不依赖空气推进的推进技术，目前实现的主要方式有 闭式循环柴油机、燃料电池、斯特林发动机等。其中燃料电池技术的应用前 景最广。目前的应用方式是联合推进，即在原有的柴一电推进的基础上，另外 配置一套小功率的a i p 系统以增加潜航时间。 2 ) 吊舱式电力推进系统 吊舱式电力推进系统是如今备受推崇的一种推进方式。它是一种全方位 转动的装置，电动机位于吊舱内，直接驱动螺旋桨。该系统的操纵性能和推 进效率非常好，而且由于不需要轴系、舵及助推器，节省了大量空间，自身 哈尔滨工程大学硕士学位论文 重量得到减轻，噪声和振动降低，机动性能更佳，安装也更方便。其中以a b b 开发的吊舱式电力推进器a z i p o d 最为成功，并得到广泛应用。 3 ) 超导电磁推进技术 超导电磁推进技术是利用安装在船上的超导线圈产生的磁场，与通过海 水的电流之间作用，产生一个沿着船的纵轴方向的劳伦磁力，并由向船尾运 动的海水喷射而获得推力【”。 美国于1 9 8 0 年完成t 3 0 0 k w 的电磁推进船海上试验，并制造了2 2 5 0k w 的 样机。日本在这一领域进展很快，1 9 9 2 年，世界上第一艘载人超导电磁推进 船“大和一号”在日本神户港正式试航成功，标志着超导电磁推进技术进入 实用阶段。 4 ) 永磁电机技术 现代永磁电机采用稀土材料励磁，不仅使电机尺寸大大减少，重量减轻， 而且使之维护方便，运行可靠、效率提高。与同容量的异步电机相比，永磁 电机效率提高了4 1 3 ，功率因子提高了5 2 0 i s 。 1 1 2 船舶电力推进系统在国内的应用情况 目前，我国的电力推进技术还处于起步阶段，电力推进技术的应用还不 广泛，使用的新产品和船型不多。我国的船舶电力推进技术的研究主要集中 在海军工程大学和中船重工七一二所。 海军工程大学多年来致力于舰船电力系统研究，创建并发展了十二相发 电机整流供电系统的理论体系，研制出具有自主知识产权、达到国际先迸水 平的十二相整流发电机，发明了世界上第一台能同时发出交直流电的双流发 电机。 七一二所是我国唯一的舰船电力推进装置专业研究所，拥有亚洲第一、 世界第三的大容量交流、直流开关断流容量试验站；世界先进水平的电力推 进系统陆上联调试验站；亚洲第一的永磁电机及其控制系统试验室；国际先 进水平的舰船综合电力推进试验室。近几年来，其在交流和永磁电力推进系 统及成套装置、舰船动力电池、某产品动力电池的技术开发等方面取得了长 足的进步。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 直流无刷电机的发展及应用概况 直流无刷电机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，以下简称b l d c m ) 是近年来随着 微处理器技术、新型电力电子器件、新型控制理论的发展，以及低成本、高 磁能积的永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电机。直流无刷电机是 集交流电机和直流电机的优点于一体的机电一体化产品，它既具有交流电机 结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、 调速性能好的特点，同时无励磁损耗。直流无刷电机在电磁结构上和有刷直 流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上安装永久磁钢，电枢绕组 一般采用多相形式，经逆变器接到直流电源，定子采用电子换向代替有刷电 机的电刷和机械换向器，各相绕组逐次通电，在气隙中产生跳跃式的旋转磁 场，与转子磁极主磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机连续运转。 表1 1 从机械特性、过载能力、可控性等9 个方面对交流异步电机、直 流有刷电机和直流无刷电机作定性的比较。结果表明，直流无刷电机和其它 电机相比具有高可靠性、高效率、优良的调速性能等诸多优越性，并且随着 新型稀土永磁材料性能的提高与价格的下降，带来直流无刷电机成本的降低， 这种优越性将更加明显【2 】。 表1 13 种电机性能比较 拦毖 机械过载可控平稳 噪声维护体积效率成本 系统、特性 能力性性 交流异步电机软小滩较差较大易大低低 直流有刷电机硬大易较好大 难 较小高较高 直流无刷电机硬大易好小易小高较高 1 2 1 直流无刷电机在国外的发展状况 早在上个世纪3 0 年代，己经有学者开始研究以电子换相取代机械换相的 直流无刷电机，但由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段，使这种电 机只能停留在实验室研究阶段，无法推广应用。1 9 5 5 年美国d h a r r i s o n 等 人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代直流无刷 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电机的诞生1 9 7 8 年，原西德姒n n e s m a n n 公司在汉诺威贸易博览会推出了 m a c 方波直流无刷电机及其驱动器，标志着利用电子换相的直流无刷电机真 正进入实用阶段4 j 。1 9 8 6 年，h r b o l t o n 对方波直流无刷电机进行了全 面系统的总结，成为方波直流无刷电机研究的经典文献，它标志着方波直流 无刷电机在理论上达到了成熟。之后，国际上对直流无刷电机进行了深入的 研究，先后研制成方波直流无刷电机和正弦波直流无刷电机。正弦波型直流无 刷电机反电势波形和供电电流波形均为正弦波，其控制需要较为精密的转子 位置信号，位置传感器结构较为复杂，成本较高，但其控制方法灵活，转矩 波动较小，所以一般用于伺服控制系统。方波型直流无刷电机，或者称为方 波电机，其反电势为梯形波，供电电流为方波，控制系统对转子位置信号要 求不高，只需获得若干个转子关键位置的离散信号就可以了，成本较低，加 上其结构简单、控制方便，因此应用范围很广。大多数情况下，直流无刷电 机是指方波型直流无刷电机，在本论文中不作特殊说明的地方均指这类电机。 1 2 2 直流无刷电机在国内的发展状况 我国直流无刷电机的研制工作起步较晚，始于2 0 世纪7 0 年代初期，主 要集中在一些科研院所和高等院校。我国的直流无刷电机在小功率( 几十瓦 到几百瓦) 范围内，已从科研转向生产，如西安微电机研究所研制的4 5 z w - 1 ， 5 5 z w - 1 ，7 0 z w - 1 系列产品，上海交大研制的卫星上专用的直流无刷电机， 上海微电机研究所的直流无刷力矩电机等，但大功率的直流无刷电机尚处于 研究阶段。在我国首先大批量生产和应用的直流无刷电机是风机系列产品， 这种产品具有体积小、效率高、长寿命、无嗓音、无干扰、易调速等优点， 一经问世就获得大量应用，目前在机座号上完全与交流型兼容，有逐步取而 代之的可能。其后又逐步开发了s t 、i f 、t s 、a s m 等系列产品。近年来， 我国在家用电器和车用电机方面亦开发了很多新品，在军用方面也已开发出 各种用途的直流无刷电机，广泛地应用于航空、舰船和特殊使用环境的设备 上，为我国宇航和国防事业现代化作出了重要贡献。但由于各方面的条件制 约，特别是元器件工艺水平与国际上尚有较大差距，目前我国直流无刷电机 的综合指标仍低于国际水平i 州“。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 但是，我国的稀土资源丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4 倍左右，号称“稀土王国”。稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列。稀土 永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了世界先进水平。因此，充分发 挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的 各种永磁电机，对我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 3 直流无刷电机的应用 目前在工业先进的国家里，工业自动化领域中的有别直流电机已经逐步 被直流无刷电机所替代。现在从国外进口的设备中，已经很少看到以有刷直 流电机作为执行电机的系统，一些国家( 如美国、英国、日本、德国等) 的 相关公司已经不再大量生产伺服驱动用的有刷直流电机。直流无刷电机已在 航空航天、电力推进系统、工业自动化设备、办公自动化设备、电动车、医 疗器械和计算机外围设备等方面获得了广泛应用。与此同时，直流无刷电机 的应用也深入到了民用领域，其数量和品种都以相当快的速度发展着。目前， 国外在高档的风痢中采用了直流无刷电机，在新一代的空调、洗衣机、电冰 箱、吸尘器等家用电器中，也大量采用直流无刷电机来驱动。近年来国内空 调厂商不断推出的“直流变频”空调，就是采用了直流无刷电机来驱动，综 合节电效果比普通空调高3 0 - 4 0 蜊”。 总之，由于直流无刷电机的优点，随着永磁材料性能的不断提高和价格 的不断降低，电力电子技术日新月异的高速发展，各应用领域对电机的要求 越来越高，直流无刷电机应用领域将不断扩展，这是必然的结果。 1 ，3 课题研究的主要内容 通过以上对船舶电力推进技术和直流无刷电机的介绍可以发现，采用直 流无刷电机作为船舶电力推进系统中的驱动执行元件当是一种较为理想的选 择。因此，在我校实验室船舶综合全电力推进技术建设中加入了直流无 刷电机推进系统。 该系统由直流无刷电机、直流无刷电机专用变频器、仿真螺旋桨负载装 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 置、转矩、转速传感器等部分组成。系统框图如图1 1 所示： 3 8 0 v 5 0 h z 3 8 0 v 5 0 1 i z 图1 1 直流无刷电机推进系统框图 该系统通过调整直流发电机电枢电流实现调节发电机转矩模拟螺旋桨的 负载特性，对直流无刷电机带载情况的研究提供实验设备，并能准确提供各 种负载情况下的转矩、转速数据。该系统工作时将直流无刷电机产生的机械 能通过直流发电机转变成电能，回馈给电网，实现节约能源及能源的可再生 利用。与发电设备等其他船用设备组成专用网，实现与主机的数据传送及网 内资源共享。 在该系统中，本文选择了直流无刷电机控制系统作为研究和设计的内容， 通过对直流无刷电机控制特点的研究，设计并制作基于d s p 技术的直流无刷 电机控制系统，并在此基础上进行永磁电力推进系统的研究。在这一年时间 里主要完成了以下的工作： 1 ) 分析了直流无刷电机的结构及其工作原理，建立了直流无刷电机的数 学模型。 2 ) 运用m a t l a b 以及模糊控制理论对直流无刷电机及其控制系统进行了 仿真，得到了电机在启动、运行、突加负载等情况下的转速、电流、转矩及 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 反电动势的波形。 3 ) 设计并制作了系统的硬件电路，并实现了系统的可靠性保护。 4 ) 对所设计的驱动控制系统进行了软件设计。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章直流无刷电机的原理和数学模型 2 1 直流无刷电机的控制方式 直流无刷电机的控制方式按照有无转子位置传感器来划分，可以分为： 有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。 2 1 1 有位置传感器控制方式 有位置传感器控制方式，实质上可看作是一台用电子换相装置取代机械 换相装置的直流电机。它是指在直流无刷电机定子上安装位置传感器来检测 转子在运转过程中的位置，将转子磁极的位置信号转换成电信号，为电子换 相电路提供正确的换相信息，来控制电子换相电路中的功率开关管的开关状 态，保证电机各相按正确顺序导通，在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永 磁转子连续不断地旋转。有位置传感器式直流无刷电机的原理框图如下所示： 图2 1 有位置传感器式直流无刷电机的原理框图 2 1 2 无位置传感器控制方式 无位置传感器控制方式是指直流无刷电机不直接安装转子位置传感器， 但在电机运转过程中，控制电机换相的转子位置信号还是需要的，因此，直 流无刷电机无位置传感器控制研究的关键是架构转子位置信号检测电路， 通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号。 目前比较成熟的位置检测方法主要有：磁链计算法、反电势法、反电势 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 次谐波积分法、续流二极管法、电感法、状态观测器法等。在这些方法中 最常用的是反电势过零检测法 本套系统所采用的电机为上海安乃达驱动技术有限公司研发的有位置传 感器式直流无刷电机，后面章节中所提到的直流无刷电机在不做特殊说明的 情况下均为有位置传感器式直流无刷电机。 2 2 直流无刷电机的基本结构 直流无刷电视从结构上来看，与传统的直流电机主要区剐在于：用装有 永磁体的转子取代有刷直流电机的定子磁极；用具有多相绕组的定子取代电 枢；用由固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电 刷。因此，直流无刷电机一般由永磁电机本体、逆变器和转子位置传感器组 成。 图2 2 直流无刷电机的组成框图 电机本体由主定子和主转子组成，逆变器由功率逻辑开关线路和位置信 号处理电路组成，位置传感器则由定子传感器和转予传感器组成。综上所述， 组成直流无刷电机各主要部件的框图如图2 2 所示。下面分别介绍各个部分。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 1 电机本体 电机本体首先必须满足电磁方面的要求，保证在工作气隙中产生足够的 磁通，电枢绕组允许通过一定的电流，以便产生一定的电磁转矩；其次要满 足机械方面的要求，保证机械机构牢固和稳定，能传送一定的转矩，并能经 受住一定环境条件的考验。此外，还要考虑节约材料、结构简单、紧凑、运 行可靠和温升不超过规定的范围。 电机本体通常由永磁同步电机构成。其转子采用永久磁铁励磁，目前多 使用稀土永磁材料。由于转子磁场的几何形状不同，使得转子磁场在空间的 分布为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时在定子上产生的反电势波 形也有两种。这两种直流无刷电机在原理、模型及控制方法上有所不同，对 于正弦波直流无刷电机，希望在绕组中获得正弦波形式的反电势，其绕组形式 采用短距、分布或分数形式，以尽可能削弱其它次谐波，从而保留基波。而 方波直流无刷电机为了获得顶宽为1 2 0 0 的方波或梯形波，定子绕组采用整距、 集中的形式，以保留磁密中的其它谐波。 1 ) 主定子是电机本体的静止部分。它由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕 组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、 绝缘片、槽楔，引出线及环氧树脂等。 2 ) 主转子是电机本体的转动部分，是产生激磁磁场的部件。它由三部分 组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是产生磁场的核心，系 由永磁材料和导磁材料组成。 2 2 2 转子位置传感器 位置传感器在直流无刷电机中起着测定转子磁极位置的作用，为逆变器 提供正确的换相信息。位置传感器与电机同轴安装，由于逆变器的导通次序 是与转子转角同步的，因而与逆变器一起，起着与直流有刷电机的机械换相 相类似的作用。位置传感器种类较多，特点各异。目前，直流无刷电机系统 的位置传感器多为电磁式、光电式和磁敏式。也有少数用正余弦旋转变压器 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和编码器等位置传感器的，但这些元件成本较高、体积较大、配套线路复杂， 在一般直流无刷电机中较少采用。 1 ) 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置的，其具有输出信号 大、工作可靠、寿命长、对环境要求不高等优点，但这种传感器体积较大， 信噪比较低，同时，其输出波形为交流，一般需经整流、滤波方可使用。 2 ) 光电式位置传感器 光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电动机转子一起旋转的遮光 部分和固定不动的光源及光电管等部件组成。其性能比较稳定、体积小、重 量轻、安装精度高、抗干扰能力强、调整方便，但输出信号信噪比较大、光 源灯泡寿命短、对环境要求较高。 3 ) 磁敏式位置传感器 磁敏式传感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随周围磁 场变化而变化的原理制成。其基本原理是霍尔效应和磁阻效应。一般来说， 这种器件对环境适应性很强，成本低廉，同样，精度不高。 在本系统中，电机的位置传感器采用的是磁敏式位置传感器中的霍尔位 置传感器。霍尔位置传感器是利用电流的磁效应进行工作的，由与电机同轴 安装、多只空间均匀分布的霍尔元件构成。由于直流无刷电机的永磁转子多 用钕铁硼等稀土永磁材料，瓦片型永磁体直接粘贴在转子铁心上，故其气隙 磁场在空间呈矩形分布。霍尔元器件在磁场作用下会产生霍尔电势，经整形、 放大后即可输出所需转子位置电平信号，构成了原始的位置信号。图2 3 为 霍尔集成电路及其开关型输出特性。 u n ，v 4 3 2 l ( a ) 霍尔集成电路( b ) 开关型输出特性 图2 3 霍尔传感器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 3 逆变器 逆变器的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定 的逻辑代码输出，去触发末级功率开关管。与一般逆变器不同，它的输出频 率不是独立调节的，而受控于转子位置检测信号，是一个“自控式逆交器”。 直流无刷电机由于采用了自控式逆变器，电机输入电流的频率和电机转速始 终保持同步，电机和逆变器输出之间不会产生振荡和失步。这也是直流无刷 电机的重要优点之一。 逆变器主电路有桥式( 图2 4 ( a ) ) 和非桥式( 图2 4 ( b ) ) 两种。电枢绕组与 逆交器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形联结。 驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使 其饱和导通和可靠关断的驱动信号。 + ( a ) + 图2 4 桥式与非桥式逆变电路 2 3 直流无刷电机的工作原理 有刷直流电机用电刷来换向，使电机运转。直流无刷电机的运行原理和 有刷直流电机基本相同，但是它用转子位置传感器代替电刷，依靠转子位置 传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各 功率开关管的导通与关断，达到换相的目的，使电机运转起来。 直流无刷电机三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三 相半控电路的特点是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通电 1 3 的时间，另外2 3 时间处于断开状态，没有得到充分的利用。所以我们 采用三相全控式电路。众所周知，三相绕组的联结方式有和y 之分，而它 哈尔滨工程大学硕士学位论文 + 图2 5 三相全控桥两两通电电路 们的通电方式又可分为两两导电方式和三三导电方式两种。 这里以y 联结三相全控桥两两通电方式为例进行介绍，电路如图2 5 所 示。所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔1 6 周期 ( 6 0 。电角度) 换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通1 2 0 。电 角度。各功率管的导通顺序v l v 2 一v 2 v 3 一v 3 v 4 一v “5 一v 5 v 6 一v 6 v 1 一v l v 2 ， 当功率管v l v 2 导通时，电流从v 1 管流入a 相绕组，再从c 相绕组流出，经 v 2 管回到电源。 直流无刷电机转子位置与换相关系如图2 6 所示。 假设当转子处于图2 6 中c a ) 位置时为0 a ，相带a 、b 、c 在n 极下， 相带a 、b 、c 在s 极下，这时a 相正向通电，b 相反向通电，c 相不通电， 产生的定子磁场与转子磁场相互作用，使转予转动。 当转过6 0 。角后，转子位置如图2 。6 中( b ) 所示。如果转子继续转下去 进入图2 6 中( c ) 所示的位置，就会使同一磁极下的电枢绕组中有部分导体 的电流方向不一致，他们产生的磁场相互抵消，削弱磁场，使电磁转矩减小。 ( a ) a 相正向通电，转过6 0 。( c ) 继续旋转 b 相反向通电 图2 6 直流无刷电机转子位置与换相的关系 哈尔滨工程大学硕士学位论文 cc ( j ) 转过6 0 。( k ) c 相正向通电( 1 ) 转过6 0 。 b 相反向通电 图2 6 直流无刷电机转子位置与换相的关系 因此，为了避免出现这样的结果，当转子转到图2 ，6 中( b ) 的位置时， 就必须换相，使b 相断电，c 相反向通电。转子继续旋转，转过6 0 0 角后到 图2 6 中( d ) 所示位置，同上所述也要进行换相，即a 相断电，b 相正向 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通电如图2 6 中( e ) 所示。这样如此下去，转子每转过6 0 0 角就换相一次， 电机就会平稳地旋转下去。 根据图2 6 的通电方式，三相y 联结两两通电方式的通电规律如下： 表2 1 三相y 联结两两通电方式的通电规律 通电顺序正转( 逆时针) 转予位置0 0 6 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 ( 电角度o ) 6 01 2 01 8 02 4 03 0 03 6 0 开关管 1 ，61 ，2 3 ，2 3 ，45 ，45 ，6 a 相 + + b 相 + c 相 + + 通电顺序反转( 顺时针) 转予位置 3 0 0 2 4 0 1 8 0 1 2 0 6 0 o ( 电角度o ) 3 6 03 0 02 4 01 8 01 2 0 6 0 开关管 3 。2l ，2l ，6 5 ，6 5 ，43 ，4 a 相 + + b 相 + c 相 + 注：表中“+ ”表示正向通电；“一”表示反向通电。 图2 7 电流与感应电动势的波形 哈尔滨工程大学硕士学位论文 按照图2 6 的驱动方式就可以得到如图2 7 所示的电流与感应电动势的 波形。 舀丘渤 ( a )( b )( c ) 图2 8y 联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图 ( a ) v l 和v 6 导通时合成转矩( b ) v l 和v 2 导通时合成转矩 ( c ) 两两通电时的合成转矩矢量图 图2 8 给出了两种开关状态下的磁场旋转示意图。图2 8c a ) 为v 1 与 v 6 导通时的情况，由于v 1 与v 6 持续导通有一段时间，流经a 、b 相绕组 的电流也将持续一段时间。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那 么从绕组流出所产生的转矩则为负，如图2 8 ( a ) 所示的电枢磁势e 、e 及 兄的方向和幅值也将有一段时间内保持不变。他们合成的转矩如图2 8 ( a ) 所示，其大小吃为q 3 f ，方向在乞和峨的角平分线上。但是转予是连续旋 转的，当电动机转过6 0 。电角度后，由v l v 6 导通换成v i v 2 导通。这时，电 滚从v l 流入a 楣绕组再从c 相绕组流出，经过v 2 回到电源，此时合成的转 矩如图2 8 ( b ) 所示，其大小同样为3 e 。但合成转矩兄的方向转过了6 0 0 电角度。雨后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过6 0 0 电角 度，但大小始终保持3 e 不变。图2 8 ( c ) 示出了全部合成转矩的方向。 2 4 直流无刷电机的数学模型 直流无刷电机的结构多种多样，既有气隙磁场按正弦分布，又有按近似 梯形波分布的，因此，简单的假定其为正弦分布，将直流无刷电机三楣方程 变换为d q 方程是不恰当的。若将电感表示为级数形式且采用多参考坐标理 1 6 晗尔滨工程大学硕士学位论文 论，也可进行这种坐标变换，但运算太繁琐；若仅仅取其基波进行交换，则 计算误差大。相反，直接利用电机原有的相变量来建立数学模型却比较方便， 又能获得较准确的结果。为简化分析，在允许的范围里作如下假设： ( 1 ) 定子绕组为三相星形连接，无中线引出； ( 2 ) 忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子的内表面； ( 3 ) 忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗； ( 4 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用。 2 4 1 电压方程 匿 = 言墨三 i + p 乏芝篓 1 + 圣 c 2 一， 由于转子是永磁体，其影响可忽略，故可以认为乞、厶、厶、k 、k 、 k 、乞、k 、k 为常数，与转子位置无关。且厶= 厶= t = ， 隧 = 童毫兰 1 + p 妻兰； 1 + 圣 c z z ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 并且 乞+ + 之= 0 饩+ 峨+ 拖= 0 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 荔 = 乏 呈 i + i 工罢m 三蔓 户 i + 圣 c z s ， 2 4 2 状态方程和等效电路 计，尚。悯! o 。v lp 4 j 1 0 0 h 0r0 -j00 v ( l - 岣jl o 0 协s ， 纠 l = i 1 姬一岣 1 i ( 2 6 b jl峻j 玑 以 玑 图2 9 直流无刷电机电压方程的等效电路 2 4 3 电磁转矩方程 直流无刷电机的电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁钢产生的磁场 相互作用而产生的。定予绕组产生的电磁转矩表达式为： l z = ( 气乞+ 气+ e o o ( 2 - 7 ) 叫 由于在任何时刻，定子只有两相导通，则电磁功率可表示为： = + e 4 + 吃= 2 巨 ( 2 8 ) 1 s 哈尔滨工程大学硕学位论文 -mm l - - i i ；i ；i ；i j e ；j i ；i ；i i ；j ；i j ；i 宣 电磁转矩又可表示为： t = c o = 2 9 , ，国 ( 2 - 9 ) 由上述两式可以看出，为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波， 反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流与梯形波反电动势的平顶 部分应严格同步。直流无刷电机的电磁转矩与普通的直流电机相似，其电磁 转矩大小与电流幅值成正比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制 直流无刷电动机的转矩。 2 4 4 运动方程 运动方程： 互一毛一b 口9 - - j 警( 2 - l o ) 其中：z 一电磁转矩，n - m z 一负载转矩，n 恤 丑一阻尼系数，s 1 国一电动机械角速度，r a d s ，一电动机的转动惯量，坶矿 2 5 直流无刷电机的机械特性和传递函数 2 5 1 机械特性 直流无刷电机定子绕组相电势幅值为 e = 国= 2 z f i v 。= 2 疗嘉l 锄= c ：西阼 ( 2 一1 1 ) d 式中e = 2 丌裔l 为电势系数； m 为相绕组等效匝数。 若考虑线路损耗及电机内部压降( 已归入恐) ，而且1 2 0 。导通型逆变器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的输出电压幅值为u = 去吼，则电机电势e 与外加电压相平衡， u = e + 妄恐，即： 丢= e 锄+ 吾t 慝( 2 - 1 2 ) 去( 一恳) 疗= - = 一 ( 2 - 1 3 ) e 式中届为回路等效电阻，包括电机两相电阻和管压降等效电8 t l 为流过电机的电流。 在式( 2 - - 9 ) 中，e = 去( 一恐) ，则将式( 2 - - 1 1 ) 、( 2 - - 1 3 ) 代入 ( 2 9 ) 得 瓦=2n,ml(2-14) 将( 2 - - 1 4 ) 代入( 2 一1 3 ) 可得直流无刷电机的机械特性为： 捍= 畚一l = 南一砭r w zt 2 c ：, 2 n , ， c 2 邯， 2 e m。2 e 中4 e 1 0 2 。 式( 2 1 3 ) 和式( 2 - - 1 5 ) 表明，直流无刷电机的转速和机械特性与直 流电动机的转速公式十分相似，并可证明，当气隙分布为方波时，无刷直流 电机的转速公式与直流电机完全一样，无刷直流电机的转速调节可通过改变 直流电压以来实现。 2 。5 2 传递函数 图2 1 0 直流无刷电机动态结构图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 直流无刷电机的运行特性和传统的直流电动机基本相同，其动态结构图 可以采用直流电机通用的动态结构图，如图2 。l o 所示： 由直流无刷电机的动态结构图可以求得其传递函数为： 删= 恚一1 + k 和2 z z ( 2 1 6 ) 其中：墨为电动势传递函数，墨= 1 1 e ，e 为电动势系数； 为转矩传递函数，如= r e g ，r 为电动机内阻，q 为转矩 系数； 乙为机电时间常数，瓦= r g d 2 3 7 5 c , c , ，g 为转子重量，d 为转子直径。 2 6 本章小结 本章详细分析了直流无刷电动机的结构，简要的介绍了直流无刷电机的 各种工作方式，并以y 联结三相全控桥两两通电方式为例，详细分析了直流 无刷电机的工作原理，给出了电机的通电规律，并介绍了反电动势与电流的 波形和开关顺序与转子磁场之间的关系。 建立了直流无刷电机的数学模型，给出了电机的电压方程、电磁转矩方 程和运动方程。并对其机械特性和传递函数进行了分析。 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章自整定模糊- p l d 控制器设计 本章根据模糊控制的基本理论及模糊控制器的基本设计方法，在分析自 整定模糊- p i d 控制和传统p i d 控制的基础上，采用自整定模糊p i d 控制方 式，设计了适合本系统的模糊控制器。 3 1 模糊控制的基本原理 模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言 规则与模糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要分支。模糊集合和模 糊控制的概念是由美国加州大学教授l a z a d e h 在其 f u z z ys e t s 及 f u z z y a l g o r i t h m ) ) 等论著中首先提出的。模糊控制是根据对控制对象的租 略知识以及人们的生产技能等知识，导出自然语言的控制规则，利用模糊理 论进行控制的一种控制方法。 模糊控制有以下的主要特点： 1 ) 模糊工程的计算方法虽然是运用模糊集理论进行的模糊算法，但最 后得到的控制规律是确定性的、定量的条件语句。 2 ) 不需要根据机理与分析建立被控对象的数学模型，对于某些系统， 要建立数学模型是很困难的，甚至是不可能的。 3 ) 与传统的控制方法相比，模糊控制系统依赖于行为规则库，由于是 用自然语言表达的规则，更接近于人的思维方法和推理习惯，因此，便于现 场操作人员的理解和使用，便于人机对话，以得到更有效的控制规律。 4 ) 模糊控制与计算机密切相关。从控制角度看，它实际上是一个由很 多条件语句组成的软件控制器。 模糊控制以模糊集合论为基础，把人的控制策略的自然语言转化为计算 机能接受的算法语言来实现。模糊控制必须解决三个基本问题：第一，先通 过传感器把要监测的物理量变成电量，再通过模数转换器把它转换成精确的 数字量，精确量输入至模糊控制器后，把这个精确量转换成模糊集合的隶属 哈尔滨工程大学硕士学位论文 函数，这一步称为精确量的模糊化，其目的是把传感器的输入转换成知识库 可以理解和操作的变量格式；第二，根据有经验的操作者或者专家的经验制 定出模糊控制规则，并进行模糊逻辑推理，其目的是得到一个模糊输出集合， 即一个新的模糊集合隶属函数，这一步称为模糊控制规则的形成和推理，其 目的是用模糊输入值去适配控制规则，为每个控制规则确定其适配的程度， 并且通过加权计算合并规则的输出，得到输出控制模糊集合；第三，根据模 糊逻辑推理得到的输出模糊集合隶属函数，用恰当的方法找一个具有代表性 的精确值作为控制量，这一步称为模糊输出量的解模糊判决，其目的是把分 布范围概括合并成单点的输出值，加到执行器上实现控制。 3 2 自整定模糊一p i d 控制器的结构 目前，常规的p i d 调解器大量应用于工业控制控制，并取得了较好的控 制效果。可把模糊理论与p i d 控制算法结合起来构成模糊- p i d 控制器，其 中自整定模糊一p i d 控制器的应用较为广泛。采用计算机实现的p i d 控制算 法，其离散p i d 控制规律为： 旦 甜( 后) = k j e ( | i ) + k g ( f ) + 乙巳( d ( 3 1 ) l 。l 式中：p ( d 一系统偏差 e o ( k ) 一系统偏差变化率 k 。一比例系数 五一积分作用系统 j 匕一微分作用系数 由于常规p i d 调解器不具有在线整定参数的功能，因此不能满足在不同 工况下系统对参数的自整定要求，从而影响其控制效果的进一步提高。自整 定模糊一p i d 控制器以偏差e 和偏差变化率e c 作为输入，可以满足不同时刻偏 差p 和