（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的电动汽车用电机控制系统的研究.pdf

西北工业大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t t h et h e s i si sr e l a t i v et ot h ep e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) d r i v ed e v i c e w h i c hi su s e di ne l e c t r i c a lv e h i c l e i t sh a r dc o r ei st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p , c o m p o s i n g a h i 曲p e r f o r m a n c e c o n t r o ls y s t e m f i r s ti nt h i s p a p e r ，t h e c h a r a c t e r i s t i c sm a dc o n t r o lm e t h o d so fb l d c mi s d i s c u s s e d o nt h eb a s i so ft h er u ns t a t ea n dc o n t r o lm e t h o do ft h eb l d c m ， c o m b i n i n g t h ee l e c t r i cp o w e ra n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , m i c r oe l e c t r i ct e c h n o l o g y , s p e c i a li n t e g r a t e dc h i p sa n d t h et h e o r yo fm o t o rc o n t r o lt h e o r y , s e t t i n gu pt h em o d e l o fe l e c t r i cp o w e ri n v e r t e rs y s t e mb yu s i n gt h es i m u l a t i n gs o f t w a r e m a n a b t h e c o n t r o ls c h e m e sa r eg i v e nw h e nt h em o t o ri sw o r k i n gi nt h es t a t eo fe l e c t r o m o t i o n a n de l e c t r i c a lr e g e n e r a t i o n a f t e ru s ef o rr e f e r e n c et of o r m e re x p e r i e n c e s ，t h ec p l di sa d o p t e ds e r v i n gf o r t h el o g i cc i r c u i t ，w h i c hc a nr e d u c et h eb u l ko fc i r c u i t ，e n h a n c et h es y s t e mr e l i a b i l i t y a n da c c e l e r a t ed e v e l o p m e n t f o rt h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o nc i r c u i tb a s e dc a n b u s t h es y s t e mc a nc o m m u n i c a t ew i t hh o s tc o m p u t e rs t a b l ya n de x a c t l y u s i n gr t o s 一c o s - i if o rt h ef l a to f s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，t h es t a b i l i t y ， r e l i a b i l i t ya n d r e a l t i m ea b i l i t yo f t h es y s t e ma r ei n c r e a s e d k e y w o r d s ：b l d c md s pm a t l a bs i m u l i n ke e c t r i c a lr e g e n e r a t i o n c p l dc a nb u sr t o s c 0 s i i 2 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 第一节电动汽车技术的概念和发展1 3 2 1 3 3 1 1 1 1 电动汽车的概念和发展 电动汽车( e l e c t r i c a lv e h i c l e ，e v ) 是全部或部分由电能驱动电机作为动力 系统的汽车，包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车三种类型。电 动汽车技术从90 年代起步，在各国政府和各大汽车公司的推动下得到了飞速 的发展。1 9 9 3 年9 月，美国政府提出了1 0 年完成的“新一代汽车合作计 划”( p n g v ) ，由政府牵头，组织几十个公司和机构，制订并初步完成了提高燃 料经济性和开发电动汽车的规定目标。各大公司在政府的支持下，也制定了发 展电动汽车的长远规划，调动社会上各种力量参与电动汽车的研制。电动汽车 经历了关键性技术的突破，样机、样车的研制，区域性试用以及小批量实际应 用等探索阶段，现在已接近商业化生产。日本庆应大学与日本科技协会已经共 同研制出世界上跑得最快的电动汽车，虽然目前还在试验阶段，但时速已经超 过了300 公里。 尽管目前在价格、技术成熟度方面还不能与传统内燃机汽车比拟，但电动 汽车具有深厚的发展潜力，将最终在今后1o 20 年中逐步取代传统汽车。 1 1 2 混合动力汽车技术的概念和发展 电动汽车的研究是从单独依靠蓄电池供电的纯电动汽车开始的，但是由于 动力电池的性能和价格还没有取得重大突破，使得纯电动汽车存在续驶里程短、 动力性自2 差等弱点，加之成本太高，目前还无法大批量投入市场。因此，纯电 动汽车的发展没有达到预期的目的。 混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ，h e v ) 正是在纯电动汽车开 发过程中为有利于市场化而产生的一种新的车型，它兼顾传统燃油汽车和电动 汽车的优点，通过与先进控制系统相结合，可以大幅度降低油耗，减少污染物 排放。因为其具有投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、 市场接受度高等特点，虽然成本比发动机汽车还是高，但技术上比电动汽车要 容易实现得多，从而引起各国的广泛关注，具有广阔的发展前景。 西北工业大学硕士论文第一章绪论 所谓混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动 力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说， 就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池一电动机系统承担。这种混合 动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动 机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短。复合动力电动汽车 的优点是：1 、采用复合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率， 此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时， 由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续 工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。2 、因为有了电池， 可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。3 、在繁华市区，可关停 内燃机，由电池单独驱动，实现”零”排放。4 、有了内燃机可以十分方便地解决 耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。5 、可以利用现有的加油 站加油，不必再投资。6 、可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放， 延长其使用寿命，降低成本。复合动力电动汽车有三种基本的工作方式，即串 联式、并联式和串并联( 或称混联) 式。在并联形式中，电动机与蓄电池都控 制在最小范围内，有利于控制成本和质量；而混联的形式比较接近电动车，所 以燃油经济性较好。而这其中的技术焦点都集中在对电动机的控制上。 第二节电机控制技术的发展跚3 1 1 1 2 1 电机控制技术的发展 一个多世纪来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经 济的各个领域以及人们的日常生活之中。近些年来，随着现代电力电子技术、 控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产 品、新技术层出不穷。除了人们已经熟悉的普通电机外，许多不同用途的特种 电机也不断问世，如广泛应用于办公设备的无刷直流电机和高精度的步进电机、 用于照相机的超声波电机、用于心脏血液循环系统的微型电机等等。另一方面， 由于应用了电力电子技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高，如变 频器控制的异步电机及伺服系统即是典型的例子。 在实际中，电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上 2 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想 的要求。例如在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的 电机，几乎都采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期 望的机械运动。这种新型控制技术已经不是传统的“电机控制”“电气传动” 而是“运动控制”。运动控制使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、 加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。因此现代电 机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展。 1 2 1 1 功率半导体器件的发展 电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大， 它们是密切相关、相互促进的。近几十年来，电力电子技术的迅猛发展，带动 和改变着电机控制的面貌和应用，而功率器件的发展是电力电子技术发展的动 力，一代新型功率器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。 自从上个世纪5 0 年代，硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究取得了 飞速的发展。6 0 年代后期，可关断晶闸管g t o 实现了门级可关断功能，并使斩 波工作频率扩展到l k h z 以上。7 0 年代中期，高功率晶体管和功率m o s f e t 问世， 功率器件实现了全控功能，使得高频应用成为可能。8 0 年代，绝缘栅门控双极 型晶体管( i g b t ) 问世，它综合了功率m o s f e t 和双极型功率晶体管两者的功 能，是当前应用最为广泛的功率器件。 在功率器件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展，目前，对每一类 功率器件都有相应的专用驱动集成电路可供选用。这些专用驱动集成电路都是 经过优化设计而定型的，它的使用可大大提高整机豹可靠性，为整机设计者带 来极大的方便。现在已可以做到使用一片驱动器件，一个驱动电源来驱动三相 逆变器的六个开关管，而不必为每个开关元件单独提供电源、隔离驱动等，大 大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。 由于功率器件工作在开关方式，所以特别适合子数字控制、驱动，即便是 模拟p i d 闭环，也必须将最终的输出转化为数字电平。因此，在功率器件的控 制中采用数字控制技术明显优于模拟控制技术，具体来讲，数字控制技术在用 于功率器件控制时有如下独特优点： 可严格控制最小开通、最小关断时间； 可严格控制死区时间； 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 对于编码盘、位置传感器、同步信号一类数字输入、反馈信号，可直接 使用无需变换； 可以非常简单地实现s p w m 控制； 可将整个控制系统划分为若干不同工作状态，针对不同的状态施加不同 的控制策略； 借助于电流传感器、比较器，可实现限流保护、限流关断达到恒转距控 制； 可进行时序滤波，进一步提高抗干扰能力； 多个数字芯片可相互监视、互为看门狗； 强干扰环境、远距离控制可方便地采用奇偶效验、光电隔离、电流环等 数字通信技术： 可进行故障自诊断、显示。 1 2 t 2 电机的控制器的发展 调速电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。由于模拟器 件的一些参数受外界因素影响较大，并且它的精度也差。所有这些都使得模拟 控制器的可重复性比较差，控制效果不理想。因此调速电机的控制器逐渐朝数 字化方向发展。数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方 便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。 随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的增 加，用户也不断提高对电机控制技术的要求。总是希望能在驱动系统中集成更 多的功能，达到更高的性能。许多设备试图使用8 位或是准1 6 位的微处理器实 现电机的闭环控制，然而它们的内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要求的 实现。例如，在很多领域( 如工业、家电和汽车) ，用户希望使用效率高且去 掉霍尔效应传感器的电机。这种电机的控制可以通过使用先进的电机控制理论、 采用高效的控制算法来实现。但是这可能超出上述微处理器的计算能力。 使用高性能的数字信号处理器( d s p ) 来解决电机控制器不断增加的计算 量和速度需求是目前最为普遍的做法。将一系列外围设备如模数转换器( a d ) 、 脉宽调制发生器( p w m ) 和数字信号处理器( d s p ) 集成在一起，就获得一个 既功能强大又非常经济的电机控制专用的d s p 芯片。近年来，各种集成化的单 片d s p 的性能得到很大的改善，软件和开发工具越来越多，越来越好；价格却 4 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 大幅度降低，低端产品的价格已接近单片机的价格水平，但却比单片机具有更 高的性能价格比。越来越多的单片机用户开始选用d s p 器件来提高产品性能， d s p 器件取代高档单片机的时机已成熟。 首先，与单片机相比，d s p 器件具有较高的集成度。d s p 具有更快的c p u ， 更大容量的存储器，内置有波特率发生器年 i f i f o 缓冲器，提供高速、同步串口 和标准异步串口。有的片内集成了a d 和采样保持电路，可提供p w m 输出。更 为不同的是，d s p 器件大多数指令都能在一个周期内完成，并且通过并行处理 技术，使一个指令周期内可完成多条指令。同时d s p 采用改进的哈佛结构，具 有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。又配有内置高速硬件乘 法器、多级流水线，使d s p 器件具有高速的数据计算能力。而单片机为复杂指 令系统计算机( c i s c ) ，多数指令要2 3 个指令周期来完成。单片机采用冯诺 依曼结构，程序和数据在同一空间存取，同一时刻只能单独访问指令和数据。 a l u 只能做加法，乘法需要由软件来实现，因此占用较多的指令周期，也就是 说速度比较慢。 所以，结构上的差异使d s p 器件比准1 6 位单片机单指令执行时间快8 1 0 倍，完成一次乘法运算快1 6 3 0 倍。d s p 器件还提供了高度专业化的指令集， 提供了f f t 快速傅立叶变换和滤波器的运算速度。此外，d s p 器件提供了j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方 便。 其次，基于d s p 芯片制造的电机控制器可以降低对传感器等外围器件的要 求。通过复杂的算法达到同样的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于专利 技术的保密。现在各大d s p 生产厂家都推出自己的内嵌式d s p 电机控制专用集 成电路。如占d s p 市场份额4 5 的美国德州仪器公司，凭借自己的实力，推出 了电机控制器专用d s p t m s 3 2 0 c 2 4 x ( t m s 3 2 0 cf 2 4 x 片内r o m 为可擦写) 。 t m s 3 2 0 c 2 4 0 x 作为新一代数字电机控制器的专用d s p 系列，可支持用于电机控 制的指令产生、控制算法处理、数据交流和系统监控等功能。集成化d s p 核、 最佳化电机控制器事件管理器和单片式a d 设计等诸多功能块加在一起，就可 以提供一个单芯片式数字电机控制方案。另外，美国模拟设备( a d ) 公司也不 甘落后，与著名的i n t e l 公司合作，生产出a d m c3 x x 系列电机控制专用d s p ，性 能与t i 公司的产品相差不大，也是基于a d 公司的1 6 位定点d s p 设计的，并且也 集成了三相p w m 发生器( 1 6 位) 和a d 转换器。其他比较有名的生产d s p 的厂商还 西北工业大学硕士论文第一章绪论 有m o t o r o l a 公司和n e c 公司。 第三，d s p 运算速度快，控制策略中可以使用先进的实时算法，如自适应 控制、卡尔曼滤波、状态预估等，大大提高控制系统的品质。而且d s p 控制软 件可用c 语言、汇编语言编写或者二者嵌套使用。因此采用d s p 芯片制造的电机 控制器便于用户的调试和应用。 最后，在越来越多的场合，如电动汽车、纺织行业、水泵变频调速系统等， 他们往往是规模比较大，时序、组合逻辑都很复杂的情况，这时如果同时运用 d s p 芯片和一些其它的可变程控器件可以大大减小系统的体积、提高系统运算 能力。实现复杂的实时控制。可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp l d ) ，是在p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，可编程逻辑器件) 、g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c 通 用阵列逻辑) 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的逻辑器件相比较，它 更适合于时序、组合等逻辑电路。在电机调速、变频控制中，存在大量的逻辑 与、或、非运算，运用c p l d 可以快速的实现这种逻辑运算。因此使用d s p 和c p l d 共同对电机实施控制，使c p l d 分担逻辑运算并对d s p 进行监视，无疑可以对电 机更方便、更好地进行控制。 1 2 2 本论文的研究内容和解决的主要问题 本论文对基于d s p 的电机控制器进行了研究，完成了相关控制功能的设计与 试验。具体来讲，有以下几个方面： 充分了解了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的各种功能模块，对c o f f 文件格式的概念 作了较深入的了解，为后来的软件编制奠定了较好的基础： 对电机处于电动状态和能量回馈制动状态做了理论分析，结合所用d s p 的事件管理器产生p w m 波的方法，给出了相应的控制策略。并且在位置检测、 驱动、主功率电路应用等方面展开了对电机控制的讨论及实际的控制方法； 利用c p l d 器件实现了对功率主电路的开关控制逻辑和其它电路所需要 的译码信号； 设计了基于c a n 总线的通讯电路： 设计了c o s i i 为开发平台控制软件，提高了系统的可靠性和响应时 间。 6 西北工业大学硕士论文第二章系统综述 2 1 1 系统组成 第二章系统综述 第一节系统组成 蓄电 i g b t 无刷 池输 逆变 直流 入 器电机 。l _l 、r1 r l 电流检测 l 保护电路j 电平转换电路 l 位置传感l 。 十 。 ， r， l p d p i n tp w ma d c c a p q e p r c a nv o 微控制器 a d c ：ff f 通讯接口i 控制指令ff 油门给定f 图2 i 混合动力汽车电机控制系统组成 混合动力汽车电机控制系统由数字式电机控制器、功率集成电路、无刷直 流电机、c a n 收发电路组成。 无刷直流电机 为整个装置提供机械能，可以独立地向汽车传动系统提供扭矩。 功率集成电路 功率集成电路采用的是智能功率模块。 数字式控制器 数字式控制器是整个系统的核心部件，它以高性能d s p 为核一i i , ，实现了以 电机电流和转速为负反馈的内环控制，运用智能控制律来实现对整个系统的协 调控制。 以下章节将对上述各部分作详细介绍。 第二节永磁无刷直流电机 无刷直流电机( b l c d c m ) 经历了4 0 余年的发展，近1 0 多年才得以迅速 推广应用。其原因是由于电力电子技术，微电子技术，微机和稀土永磁材料的 西北工业大学硕士论文第二章系统综述 发展为无刷直流电机的研究和制造奠定了基础。目前无刷直流电机的发展已经 和大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论及电 机理论的发展紧密结合，体现着当今应用科学的许多最新成果，因而显示出广 泛的应用前景和强大的生命力。 稀土永磁无刷直流电机是上世纪7 0 年代初期出现的一种新型永磁电机，它 具有体积小、重量轻、效率高、特性好等一系列优点，成为新一代航空、航天 和航海用电机的重要发展方向。无刷直流电机既具备交流电机结构简单、运行 可靠和维护方便等优点，又具有直流电机动态特性好、调速性能优良的优点， 因而在当今国民经济各个领域广泛应用。 从电动汽车的性能要求看，希望电磁转矩大，脉动小。因此，本系统采用 气隙磁场即相感应电势为1 2 0 。顶宽梯形波、绕组电流为1 2 0 。顶宽方波，分布 整距绕组的三相永磁同步电机，使电机的中、高、低速度时的性能均比较好。 2 2 。1 工作原理及基本结构1 3 7 1 3 8 1 稀土永磁无刷直流电动机的基本结构包括电动机本体、控制器、位置传感 器三部分，如图2 2 所示。其中控制器由逆变器、驱动电路、和控制电路组成。 转子位置传感器是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置，向控制器提供位 置信号的一种装置。 图2 2 稀土永磁无剧直流电机系统构成框图 在有位置传感电机中，利用转子位置传感器对电机位置进行检测，对输出 信号进行逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各绕组按顺序导通，保 证电机连续工作。转子位置传感器由定、转子组成，其转子与电动机同轴，以 跟踪电机本体转子的位置；其定子固定于电机本体定子或端盖，以敏感和输出 转子位置信号。转子位置传感器的主要技术指标为：输出信号的幅值，精度， 西北工业大学硕士论文 第= 章系统综述 响应速度，工作温度，抗干扰能力，损耗，体积重量，安装方便性和可靠性等。 本系统采用霍尔元件位置传感器。 霍尔元件位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。它是一种半导体器件， 是利用霍尔效应制成的，当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出 霍尔电势信号，当不受外磁场作用时，其输出端无信号。用霍尔元件作转子传 感器通常有两种方式，第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机端盖外表面，靠近 霍尔元件并与之有- - d , 间隙处，安装着与电机同轴的永磁体。第二种方式是直 接将霍尔元件敷帖于定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机 转子上的稀土磁体主极作为传感器的永磁体，根据霍尔元件的输出信号即可判 断转子磁极的位置，将信号放大处理后即可驱动逆变器工作。霍尔元件式位置 传感器结构简单、体积小、价格低、可靠，但对工作温度有定的要求，同时 霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。 下面以两相导通星型三相六状态无刷直流电机为例说明其工作原理。图2 - 3 中v f 为逆变器，r e p m m 为稀土永磁电动机本体，p s 为与电动机同轴联结的 位置传感器，控制电路对传感器的检测的信号进行逻辑变换后产生调制p w m 信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各项绕组 按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。 图2 3稀土永磁无刷直流电机系统示意图 假设电机中安装了三个霍尔元件，它们分别沿圆周均匀分别粘贴于电机端 盖上，彼此相差1 2 0 6 电角度，并分别与定子三相绕组首端所在槽中心线对齐， 霍尔传感器转子永磁体为1 8 0 。电角度的薄片，与转子同轴安装，其产生的磁场 的端面与霍尔元件的气隙为l m m 左右，传感器永磁体轴线与转子主磁极轴线垂 直，如图2 4 所示。 9 西北工业大学硕士论文第二章系统综述 3 a 窜 o x ( 旬 z 丑 图2 4 位置传感器与定子绕组、磁极的相互位置 l 一霍尔元件片2 一转子永磁体3 一转子主磁极 图2 5 稀土永磁无刷直流电机工作原理示意图 舭 0 b 2 假设转子在如图2 5 ( a ) 所示的位置，a 、c 正处于换相状态，b 相绕组 中有流出电流，在这一瞬间，b 相绕组在主磁场作用下产生电磁力，根据左手 定则，产生的电磁力使定子沿逆时针方向旋转，而定子是固定不动的，因此使 转子沿顺时针方向旋转，位置传感器检测到转子磁极的位置信号，经过控制电 路逻辑变换驱动逆变器，使a 相绕组通电，即使功率开关管v l 导通，丽v 6 是导 通的，定子合成磁势的方向如图a 所示，在定转子磁势的相互作用下拖动转子 继续沿顺时针方向转动。在a 、b 相绕组导通的磁状态初始位置，霍尔元件a 、 b 传感器磁场作用下，有高电平输出。；h 日= l ，霍尔元件c 不受磁场作用， c = 0 。故a 、b 相绕组导通的磁状态对应的霍尔元件信号逻辑为，、l b 、 1 0 。 西北t 业大学硕士论文第二章系统综述 。，。当转子转过6 0 。电角度，到达如图b 所示的位置时，位置传感器输出检 测信号，经过控制电路逻辑变换后，使绕组a 、c 相通电，即使开关管v 6 截止， v 2 导通，而v 1 仍导通。电枢绕组在空间的合成磁势方向如图b 上所示，在定 转子磁势的相互作用下使转子继续沿顺时针方向旋转。此时霍尔元件b 处于传 感器永磁体下，有高电平输出。= 1 ，霍尔元件a 、c 不受磁场作用，胁4 = z c = o 。故a 、c 相绕组导通的磁状态对应的霍尔元件信号逻辑为m 、，钿、 玩，。以此类推下去，可得电机转一周时对应的各项绕组导通顺序和功率开关 管的导通逻辑以及三个霍尔元件输出信号的逻辑关系，如表2 1 所示。 霍尔元件正转反转 信号 导通绕组导通管子导通绕组导通管子 弘i i ap h 8 弘ka b v lv 6 曰彳 v 3v 4 “u “h b - t c 爿c v lv 2 c 爿 v 5v 4 雒弘惦；h 虻b c v 3v 2 c b v 5v 6 p 硭h bp i t ( = b v 3v 4 4 b v 1v 6 ；“弘h b “h c c v 5v 4 彳c v 1v 2 “u ”h 8 ；u ” c b v 5v 6 b c v 3v 2 表2 1 正反转的逻辑关系 通常采用改变逆变器开关管的逻辑关系，使电枢绕组各相导通顺序变化来 实现电机的反转。同样也可得电机转一周时对应的各项绕组导通顺序和功率开 关管的导通逻辑以及三个霍尔元件输出信号的逻辑关系，如表2 1 内所示。这 里就不再重复。 另外，从图a 到图b 的6 0 。电角度范围内，可以看出转子磁场顺时针连续 转动，而定子合成磁场在空间保持图a 中的f a 的位置不动，只有当转子磁场转 过6 0 。电角度到达图b 中的r 的位置时，定子合成磁场才从图a 中f 。的位置顺 时针跳变至图b 中f a 的位置。因此定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场， 而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是6 0 。电角度。 当转子每转过6 0 。电角度时，逆变器各开关管之间就进行一次换流，定子 磁状态就改变一次。可见电机有六个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕 西北 二业大学硕士论文第一二章系统综述 组中流过电流的时间相当于转子转过1 2 0 。电角。每个开关管的导通角为1 2 0 。，故该逆变器为1 2 0 。导通型。为便于直观，将电机正转时的三相绕组与各 开关管得导通关系示于图2 6 。 电麓睫口-b 0 1 2 8 1 蚶州柏旷r 0c 毒曩序 荐 | c i t | 嚣 l v 2 ll ” i w l1 li w 一 图2 6 两相导通星型六状态绕组和开关管导通顺序图 2 2 2 功率变换器 2 2 2 1 功率变换器主电路 夥夥秒 箩 件二 婶婶婶 ( a ) 三相星形六状态 图2 7 逆变器主电路 ( b ) 三 目星澎三状态 逆变器是把直流电变换成频率固定或可调的交流电，其主电路有桥式和非 桥式两种。应用最广泛的是桥式电路，桥式电路有多种多样的连接方法，其中 三相星形六状态( 如图2 7 a ) 和- * h 星形三状态( 如图2 7 b ) 为普遍用法。本 系统中采用的是三相星形六状态的连接方法。 1 2 西北t 业大学硕士论文第二章系统综述 2 2 2 2 功率开关管器件 逆变电路由功率开关管v i v 6 组成，是逆变器主电路的核心部分。功率开 关管v 1 v 6 通常为功率晶体管g t r 、功率场效应管m o s f e t 、绝缘栅晶闸管 i g b t 、可关断晶闸管g t o 以及m c t 等功率电子器件。整个逆变器属于电压型逆 变器。 晶闸管适用于中大功率电机，晶体管适用于中小功率电机，m c t 是8 0 年 代后期初露锋芒的又一理想大功率半导体器件，它是m o s f e t 与晶闸管的复合 器件，具有高电压，大电流( 2 0 0 0 v 、3 0 0 a ，1 0 0 0 v 、1 0 0 0 a ) ，电流密度大 ( 6 0 0 0 a c m 2 ) ，工作频率高，控制功率小，易驱动，可采用低成本的集成驱动 电路控制器等优点，被称为是分立半导体器件的一次革命性变革。 在分立半导体器件方兴未艾的同时，功率集成电路( p i c ) 也得到迅速发展。 p i c 将多个( 如2 个或6 个) 功率晶体管及快速恢复二极管集成于一体。这样，无 刷直流电动机开关主电路的逆变电路就可以由一个功率开关管集成块来实现， 大大提高了控制器的可靠性，有效的缩小了体积。在这种功率半导体器件与微 电子技术结合的基础上，又诞生了智能化功率半导体器件。这种智能模块( i p m ) 是以i g b t 为基本功率开关器件，构成一相或三相逆变器的专用模块。它克服了 采用分立式驱动电路驱动i g b t 电路的很多缺点，如很难得到良好性能，特别是 由于i g b t 内寄生晶体管、寄生电容的存在，门极信号受主电流影响等原因， 使驱动电路的设计复杂，又由于分立元件参数的离散性很大，保护电路设计复 杂，电路易受干扰，不易调试等等。 i p m 的特点是集功率变换、驱动及保护电路为一体。它将半导体器件与具 有信号处理功能，自我保护功能，各种诊断功能的电路集成或组装在一起，可 以实现无刷直流电动机的逆变电路、驱动电路和许多控制电路的功能，其保护 功能主要有过流、短路、欠压和过热等保护。使用i p m 模块，仅需提供各桥臂 对应i g b t 的驱动电源和相应的开关控制信号，从而大大方便了应用和系统的设 计，并使可靠性大大提高。也使得电机控制器具有体积小，重量轻，设计简单， 可靠性高的优点，是高性能稀土永磁无刷直流电机的理想控制器件。 功率半导体器件工作时，器件上施加一定的电压，流过较大的电流，在芯 片上产生内部功率即内损耗，内损耗会引起芯片温度增加。芯片温度高低除与 器件内损耗大小有关外，还与芯片到环境的传热结构、材料和器件冷却方式以 及环境温度有关。器件的芯片温度不论在什么状态下都不允许超过器件的最高 西北工业大学硕上论文 第一二章系统综述 允许结温，否则，将引起器件电的或热的不稳定而导致器件失效。因此功率半 导体器件的散热问题对器件的可靠性工作有决定性的影响。一般做法是将功率 器件固定放在一块散热片上，某些场合还要添加适当的通风设备爿1 可保证器件 的安全工作。 在电机因意外断电等原因突然停止运行时，电机绕组会产生瞬间的反向高 压，该瞬间高压可能高达几千伏，将损坏i p m 中的预驱动电路或功率元件，因 此，必须设置保护电路，以保证元件的安全使用。该电路应具备响应速度快、 瞬态功率大、箝位电压易控制和体积小、低成本的特点。在系统中，主要采取 了以下两个措施： 1 电容吸收回路。在系统直流母线上并联一只高耐压电容。在意外断电时， 母线上会产生瞬间高压，但由于电容两端电压不能突变，使瞬间高压得到抑制。 2 t v s 瞬态电压抑制管。在直流母线上也并联了一只t v s 瞬态电压抑制 管，其作用是在瞬间高压产生时，以微秒级的速度产生雪崩效应，将其两极问 的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，将直流母线上的电压箝位 在t v s 管的额定电压范围内，有效地保护了功率元件，免受各种浪涌脉冲的损 坏。 2 2 2 3 驱动电路 由于i p m 内部已含有驱动电路，使用i p m 模块时，仅需提供相应的驱动电源 和开关控制信号即可。但对驱动电源和提供的开关控制信号必须考虑以下问题： 首先要考虑的是驱动电源的功率。驱动电源的典型电压值为1 5 v ，一般每 一路i g b t 所需的驱动功率约为0 2 5 w 。此外各保护电路也须供电，有时驱动电 源还须向多路i g b t 供电，因此驱动电源要有一定的驱动功率。 另外要考虑的是高速i p m 模块的高频开关工作能力。要求开关控制信号的 传输隔离电路应该有尽可能短的传输延迟时间。 因此，为了使高速i p m 模块可靠的工作，对其驱动控制应有如下基本要求： ( 1 ) 提供稳定的、具有一定功率的1 5 v 驱动电源； ( 2 ) 开关控制信号与i p m 模块有良好的电气隔离： ( 3 ) 开关控制信号传输延迟时间应小于0 5 u s ； ( 4 ) 驱动控制电路应简单可靠、体积小、成本低。 在本论文当中采用了m o t o l o r a 公司的使用c m o s i 艺制造的6 通道电平 1 4 西北工业大学硕士论文 第二二章系统综述 转换器m c l 4 5 0 4 b 。该转换器将t t l 电平转换成c m o s 电平，以提供任何在5 v 1 5 v 之间的c m o s 电压。通过控制输入，还可以使c m o s 电压从一种逻辑电平转 换为另一种逻辑电平，即高低电平的转换是通过对供电电压v d d 平a v c c 的电平 的选择来实现的。它的输出电流典型值为1 0 m a ，输出延迟时间最大为3 2 0 n s 。 m c l 4 5 0 4 b 有一个模式选择输入管脚p i n l 3 ，具体用法见图2 8 。 l o g i c1 2 1 a g r a 巍 v c cv d d i m 柏轴m l h p 。u t l o 。g k o u t p u tl o l 目c l v i l ( v c c ) i t t lc m o s l 0 ( v s s ) i c m o gc m o s 图2 8m c l 4 5 0 4 b 内部原理及模式控制位说明 第三节功率变换器的控制规律 2 3 1 电机理论中常用的定律简介2 9 1 2 3 1 1 电磁感应定律 设有一匝数为n 的线圈处在磁场中，它所交链的磁链为、壬，= n 中，则不 论由于什么原因，当该线圈所交链的磁链发生变化时，在线圈内就有一个感应 电势产生。这种现象称为电磁感应。它的大小和该线圈所链的磁链变化律成正 比；它的方向是该电动势企图在线圈内产生电流( 即感应电流) ，该感应电流所 建立的磁通用来阻止线圈磁通的变化。感应电动势的正方向与磁通的正方向符 合右手螺旋关系： d 、壬， ，d 中 e = 一日v 一 斑d t 当导体在恒定磁场中运动时，若导体、磁力线和运动方向三者互相垂直， 导体长度为z 。当导体在外力作用下移动很小的距离d x ，在d x 范围内可视磁通 密度b 为均匀的。则在d t 时间内，由导体构成的回路内的磁通变化为： 西北工业大学硕士论文 第一_ = 章系统综述 d m = 一b 出= 一b ，出 式中负号表示磁通在减少。则感应电动势为： p ：一丝：堕! ! ! 型：占z 鱼 斑md f = b ，v 式中v = 鲁为导体运动线速度，b 为导体所处的磁通密度，单位为t 1 为切割磁力线的导体的有效长度，单位为m ； v 为导体相对于磁场的运动线速度，单位为m s ； e 为导体中感应电动势，单位为v ； 电动势的正方向符合右手螺旋关系。 2 3 1 2 电磁力定律 载流导体在磁场中将受到力的作用，这是磁场与电流相互作用所产生的 若磁场与导体相互垂直，则电磁力的大小为f = b l e v ，方向符合左手定则。 2 3 1 3 系统中电机模型分析 在分析本系统所使用的电机模型时，假定电机铁芯不饱和，忽略电机齿槽和 电枢反应( 由于稀土永磁材料的导磁系数接近于空气，故可忽略电枢反应。电枢 反应是指电机不论在发电运行状态或是电动状态，其带负载时的电枢磁动势对 气隙磁场的影响。) 的影响。电机绕组为三相对称、y 接，忽略转子内的感应电 流( 由于转子是永磁体，导磁率高，转子电阻很大，故可等效为恒流源磁场) 。电枢 电动势尾、电磁转矩t 、电磁功率昂是直流电机通过电磁感应作用实现机电 能量转换的三个最基本的物理量。 下面以本论文所用的二相导通星形三相六状态为例，分析方波电动机的电 磁转矩、电抠电流和反电势等特性。假设不考虑开关管开关动作的过渡过程和 电感。 电枢绕组感应电势为 已= 既v = q 色三v ( v ) ( 3 1 ) 式中b 为气隙磁感应强度；l 为导体的有效长度；v 为导体相对于磁场的线速 1 6 西北工业大学硕士论文 第一二章系统综述 度：必为计算相弧系数。 v ：丝：2 所一n n ( 一3 - z 一) v = 一= z 所 lj 6 0 1 6 0 式中，2 为电机转速( r m i n ) ；d 电枢内径；f 为极距；p 为极对数。 若电枢绕组每相串联匝数为w m ，则每相绕组的感应电势为： r = 2 w e ( v )( 3 3 ) 将( 3 - 2 ) 代入式( 3 - 1 ) 得： e = a , b s l 2 p f 丽n ( v )( 3 4 ) 每极磁通为： 中5 = 坟口l r l ( w b )( 3 5 ) 将( 3 - 5 ) 整理代入( 3 - 4 ) 得： p = 2 p 5 丽n (v)(3-6) 将式( 3 - 6 ) 代入式( 3 - 3 ) 得每相绕组感应电势： = 去吼门( v ) ( 3 - 7 ) 则线电势： e = 2 氏= 鲁。a o n = e 叱胛( v ) ( 3 删 式中e = 鲁称为电势常数。 电枢电流 每个导通时间内有两相绕组导通，两个开关管导通，则可得以下电压平衡 方程式。 v 一2 a u = e + 2 ，。屹 ( 3 9 ) 式中v 为电源电压v ；a u 为开关管饱和管压降；l a 为每相绕组电流；吃为每 相绕组电阻。整理( 3 - 9 ) 式得： l ：v - 2 - = a u 一- e (a)(3-10) ， = 一 ， 1 7 西北工业大学硕士论文 第二章系统综述 电磁转矩 电机任一时刻的电磁转矩t e 。由两相绕组的合成磁场与转子永久磁场相互 作用而产生。则： ( n m )( 3 - 1 1 ) 正m = 5 _ 历w 丽e ) 一j n l ：4 _ 2 石_ p d l ：g d l ( n m ) ( 3 1 2 ) 将式( 3 - 8 ) 代入式( 3 - 9 ) 得 。一v 一2 a u 一2 1 r o 九= 一 e 中j ( 3 - 1 3 ) 2 警2 岽以s 丽v - 2 a u ( r r a i n ) 驴百2 和磊2 7 j 丽 。4 电势系数与转矩系数 电势系数为k 。= 鲁= e 中。2 l p ) w 。 转矩系数为峰= q 啥等m a 当电机转速以角速度q 来表示时，则电势系数为 砭= 告2 壹2 罢k 6 0 1 8 ( v r p m ) ( n m a ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 度 得 速 ，鲁一 i i 电 入乙玳丝| i | c ； 将 数常 潍 6 转为 望丌 g 撼 斛 划 西= i l q ：- 业大学硕士论文 第二章系统综述 将式( 3 - 1 5 ) 代入式( 3 1 7 ) ，得 砭= 罢警。= 等。= q ( s 枷) 所以当电机转速以角速度q 来表示时，则电势系数与转矩系数k e 和k t 相当。 2 3 2p 删调制方式 p w m 信号控制电流大小的方式有以下两种： ( 1 ) 所有开关元件t l 到t 6 都进行脉宽调制，即“全桥调制”； ( 2 ) 对上半桥t 1 ，t 3 ，t 5 ( 或下半桥t 2 ，t 4 ，t 6 ) 进行脉宽调制，即“半桥调制”。 半桥调制时，p w m 信号只对导通周期内的一对元件中的一个起作用。以 t 1 和t 6 到通的6 0 度时间为例，这时e a 、e b 、e c 波形见图2 9 的t l t 3 。电动 运行时，设e 为相电势幅值，e u d 。t 5 的反并联二极管d 5 处于正偏置，导致c 相导通产 生电流i c ，此即非换相期间的第三相导通现象。 1 9 西北工业大学硕士论文 第二章系统综述 全桥调制时，仍以t 1 t 3 为例，p w m 信号对t 1 及t 6 都起作用。t l 、t 6 导通时的电流与半桥调制时相同，当t 1 、t 6 截止时，电机a 、b 两相的电流 通过d 4 、d 3 及电容构成回路，中点o 的电位v 。= u d 2 ，c 点电位在u d 2 + e 到 u d 2 一e 之间变化，即6 0 度内，都有0 v c u d ，d z 与d 5 均不导通。即全桥调 制不存在非换相期间的第三相导通现象。 两种p w m 方式的开关频率不同。当电机从静止到最高转速时，相电势幅 值e 从零变化到e m “( e m a x u d 2 ) 。i g b t 的工作频率可达2 0 k h z ，即每个 p w m 的导通、截止时间都很短，而电机的时间常数相对而言要大得多，故假设 元件导通和截止后电机电流呈线性上升和下降，可得到半桥调制时开关频率与 相电势e 的关系近似为： 肛老 当e = e