（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的无刷直流电机控制系统研究.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 cm o t o ri sak i n do fn e wp r o d u c td e v e l o p i n gr a p i 嘶r e c e n t l y a f t e rt h e p o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o lt e c h n o l o g yh mb e e na d o p t e d , b r u s h l e s sd cm o t o rc o m r o l s y s t e ma v o i d st h ed i s a d v a l l t a g e sp r o d u c e db yr o t o rp o s i t i o ns e n s o r , t h ec o s to fm o t o ri s r e d u c e d , s y s t e mr e l i a b i l i t y a n da d a p t a b i u t yo ft h ee n v i r o n m e n ta r ea l s oe n h a n c e & m e a n w h i l et 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 mh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , p e n t m n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o ri ss u b j e c ti n v e s t i g a t e d ，m e s y s t e ms m l c t u r ea n dc o n t r o lh a w s ( r u l e ) a l es t u d i e d , t h eq u a r ew a v eb r u s h l e s sd cm o t o r s i m u l a t i o nm o d eb a s i i 培o nt h en o n - l i n e a ri n d u c t a n c ei sa l s oe s t a b l i s h e d a tt h es a m et i m e b r u s h l e s sd cm o t o rw i t h o u tp o s i t i o ns e n s o rc o n t r o ls y s t e ms t 咖m - d e p t hp h a s ea r e s t u d i e d t h es e l f - t u n i n gf u z z y p i dc o n t r o l l e ri se s t a b 陆e d ，a n di ti sa p p l i e di nb r u s h l e s s d cm o t o rw i t h o u t p o s i t i o ns e n s o r sc o n t r o ls y s t e m , r e c e i x 4 n gb e t t e rc o n t r o le f f e c t o nt h eb a s i so fb n t s h l e s sd cm o t o rc o n t r o ls y s t e mt h e o r ys i m u l a t i o n ，t h ec o n t r o l p r o g r a m m eb a s e i n g0 1 1d s pt e c h n o l o g y 诵t 1 1a n dw i t h o u tp o s i t i o ns e n s o ri sp r o p o s e d h a r d w a r ec i r c u i ts u c ha st h em a i nc i r c u i t , p o w e rd r i v e rc i r c u i t , v o l t a g ea n dc t m 踟tc i r c u i t , s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t , l o g i cc o n l r o la n dp r o t e c t i o nc i r c u i ta r ed e 啦皿畦c o m b i n i n g w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r sd s pc o n t m lc h i p st m s 3 2 0 f 2 8 1 2a sw e l l 嬲m 她a t h r e e - p h a s eb r u s n e s sd c m o t o ra st h ea s t r o e y t e sc o n t r o l 喇e c t a c c o r d i n gt ot h es y s t e m p r o g r a m m et h ed s ps o t t w a r ec o n t r o ls y s t e mi sd e i g n e d , t h es o a 呲f l o wc h a r ta n d d a t a t x 0 ka r e c o m p i l e d t h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mo f t h ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d i nv i s u a lb a s i c6 0d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t f i n a l l y , t h ec o n t r o ls y s t e mi sd e b u g g e da n d t h ec l o s el o o ps y s e mr u n ss m o o t h l ya n dt h eb r u s h l e s sd cm o t o rc o n l r o ls y s t e mo f p o s i t i v e r o t a t i o nn e g a t i v er o t a t i o na n ds p e e dg i v e na r er e a l i z e d a l s ot h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di n t h ep r o c e s so f d e b u g g i n ga sw e l la ss o l u t i o n sa r ea n a l y z e da n de x p l a i n e d k e yw o r d s ：b r u s h l e s si x ；m o t o r s ( b l d c m ) ；p o s i t i o ns e n s o r l e s s ；s e l f - t u n i n gf u z z y - p 1 d c o m m l , d s pc o n t r o l 2 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 献的引用己在文中指出。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己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) 一乒遁玺二 日期：洲绰歹月z 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 近年来随着船舶电力推进技术的全面发展，对推进电动机的要求越来越 高，主要表现在小型化和高密度化( 功率密度、转矩密度) 两方面【l j 。作为永 磁电机系列的无刷直流电动机既具有调速性能优良的传统特点，又能很好满 足小型化和高密度化的要求，属于高效节能产品，因而在船舶电力推进领域 广受青睐2 1 。 为了对以无刷直流电动机为驱动的电力推进系统作深入研究，哈尔滨工 程大学自动化学院船舶电力推进实验室设计了动态仿真螺旋桨负载装置的无 刷直流电动机推进系统。结合无刷直流电动机推进系统这一课题，本文选择 了无刷直流电动机作为研究对象，研究基于自整定模糊一p i d 控制器的无位 置传感器无刷直流电动机控制系统起动和调速。 1 2 国内外发展现状 电力推进作为船舶的推进动力，目前各国都在进行深入研究。由于其具 有机动性高、安全可靠性好、自动化程度高以及环保效果好等特点，正成为 新世纪大型水面船舶青睐的推进方式。无刷直流电动机既具有直流电机的运 行特性，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，特别是低 速时的高效率是目前其它电动机所无法比拟的，在船舶电力推进系统中将得 到重要的应用。 1 2 1 无刷直流电动机的发展 无刷直流电动机( b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm 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 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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【3 j 。 1 8 3 1 年，法拉第发现电磁感应定律奠定了现代电机的基本理论基础。 据此理论，十九世纪四十年代，人们研制成功第一台直流电动机。1 8 7 3 年， 有刷直流电动机正式投入商业应用。自此，有刷直流电动机就以其优良的转 矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机 械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大， 影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺 点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。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，标志着现代无刷电 动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1 9 7 8 年的m a c 经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直 流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波无刷直流电 机。2 0 多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电 子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。 我国无刷直流电动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。我国的无刷直流电动机在小功率( 几 十瓦到几百瓦) 范围内，已从科研转向生产，但大功率的无刷直流电动机尚 处于研究阶段【4 j 。在我国首先大批量生产和应用的无刷直流电动机是风机系 列产品，这种产品具有体积小、效率高、长寿命、无噪音、无干扰、一易调速 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。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，目前我国无刷直流电动机的综合指标仍低于国际水平。 自2 0 世纪8 0 年代开始，国外发达国家在民用领域推广，并形成无刷直 流电动机及驱动器件的规模化产业。全球无刷直流电动机生产基地主要在日 本、北美、欧洲和亚太地区。从产品构成上分析，日本大批量生产办公设备 和家用电器类应用的无刷电动机，并占据此领域的市场；欧洲厂家主要倾向 于工厂自动化，电动机功率较大，生产批量不大，应用行业广泛。目前，国 内研发和生产的无刷直流电动机品种和数量不多，主要用于军工国防设备。 近年来在空调器、电冰箱、洗农机、电动自行车及微型风机等应用，一般是 输出功率不大的微型与特种无刷直流电动机【5 1 。 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 1 3 无刷直流电动机转子位置检测方法概述 无刷直流电动机之所以能够自同步运行并且具有有刷直流电机良好的调 速性能，是因为电力电子逆变器功率器件的导通与关断( 即使电机换相) 取决 于电机转子的位置，因此电机转子位置信号必不可少。为了获得转子位置信 号，几十年来各国有不少的专家学者致力于这方面的研究，提出了一些控制 策略，现概述如下。 1 3 1 利用位置传感器检测转子位置 传统的永磁无刷直流电机往往采用外置式位置传感器进行位置检测【6 】。 常用的位置传感器主要有：利用电磁效应制成的电磁式位置传感器、利用光电 效应制成的光电式位置传感器、利用霍尔效应和磁阻效应制成的磁敏式位置 传感器以及正余弦旋转变压器和编码器等等。它们是将转子磁钢磁极的位置 信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。制造精密的位置传感器能精 确测量转子位置，并且不受换相时候的谐波影响。 但是，使用位置传感器会给无刷直流电机带来诸多不利因素：首先是位 置传感器难于安装在有限的电机内部空间，且维修困难；其次安装位置传感 器会增加电机的体积和成本；同时增加了转轴的惯量；系统的连线增加，降 低了系统的抗干扰能力；在某些高温、振动或者强腐蚀环境，位置传感器会 降低系统的可靠性或根本无法安装。 由于外置式位置传感器所存在的诸多弊病，使得外置式位置传感器在一 定程度上限制了永磁无刷直流电动机的推广和应用。为了促进无刷直流电机 的发展，人们就考虑省去外置式位置传感器而采用其他方法检测电动机转子 的位置，从而将无位置传感器无刷直流电动机的控制提到日程上来，提出了 不少控制策略。 1 3 2 无位置传感器转子位置检测 在无刷直流电动机的控制中取消了位置传感器之后，就必须借助于对与 3 哈尔滨工程大学硕十学何论文 电机转子位置有关的各种量如电机的磁链、电流和电压等物理量的检测和计 算来获得电机转子的位置信息。由此产生了许多不同的控制方案： 1 、反电动势法【8 】【9 】 反电动势检测法是目前较成熟的一种检测手段。由于它实现比较简单， 己应用于许多领域。这种检测方法主要用于绕组星型连接、1 2 0 0 两两导通方 式的三相六状态无刷直流电机中。其检测依据是：无刷直流电机在忽略电枢反 应的前提下，稳态运行时通过检测电机未导通相的反电势过零点以获得转子 位置信号，从而控制电流的切换，实现电机的正常运行。因为电机处于静止 状态或低速运行时，绕组反电动势为零或极小，无法利用反电势法进行检测， 故采用反电势法进行转子位置检测时必须用其他方式解决电机的起动问题。 2 、定子三次谐波法 1 0 1 【1 1 1 由于无刷直流电动机具有梯形波反电动势，而梯形波可分解为基波、三 次谐波和更高次谐波之和。定子三次谐波法就是通过检测反电势波形中的三 次谐波分量，其过零点即对应着反电动势的过零点，获此分量后对其积分， 当积分值为零时就可以得到相应的换相信号。此方法在低速时也可以获得， 故其起动及低速性能优于反电动势法。 3 、续流二极管检测法【1 2 j 无刷直流电机中的电力电子逆变器功率器件上反并联有二极管，由于功 率管在关断过程中要通过二极管续流。因此续流二极管检测法即通过检测非 导电相续流二极管的导通和截止情况来判断转子的位置。这种方法在电机静 止时无法检测到位置信号，且需在二极管上并联检测电路，这对于集成的功 率器件很难实现，同时二极管的导通时刻并不是绕组的过零时刻，必须另加 补偿电路，使得硬件电路相当复杂。 4 、电感检测法【1 3 】【1 4 】 电感法是通过检测绕组相电感的变化来判断转子的位置角，当两相电感 的大小相等时，对应于反电势过零点，此时绕组中性点的电位为直流侧的中 点电压。这种方法需要对绕组进行实时检测，难度较大。 5 、卡尔曼滤波法【1 5 】 卡尔曼滤波法是在得到反电势的基础上，用k a l m a n 算法在线递推转子的 位置，以确定定子绕组换流时刻。由于这种方法算法复杂，对硬件要求高， 4 哈尔滨下程大学硕士学位论文 且需大量调试才能确定合适的模型参数，故不宜推广。 6 、涡流效应法【1 6 j 涡流效应法是在永磁转子表面粘贴一些非磁性的导电材料，利用定子绕 组高频开关工作时非磁性材料上的涡流效应，使开路相电压的大小随转子位 置角而变化，从而通过检测开路相电压来判断转子位置。这种方法不依靠反 电势，能保证电机的顺利起动和可靠运行，但对电机的制造工艺有很大要求。 7 、基于状态观测器的估算方法【l 7 】 基于状态观测器的估算方法是将电机二相电压、电流经过坐标变换，在 派克方程的基础上估算出电机转子位置。这种方法有稳定性好、鲁棒性好、 适用面广的特点，但它的算法复杂，计算量大。 8 、人工智能控制检测法【l s 】 人工智能控制检测法利用模糊控制策略建立相电压、相电流和转子位置 角之间的关系，用检测到的电压和电流信号来估计转子位置信息，这种方法 是随着微机技术的发展而发展起来的，目前还只是用于一些特殊的场合。 综合比较上述无位置传感器转子位置检测方法，结合d s p 控制的特点， 本文无位置传感器控制系统采用反电动势检测转子的位置换相。 1 4 课题研究的主要内容 本课题的主要研究如下内容： 1 、分析了无刷直流电动机的结构及其工作原理，建立了基于非线性电感 特性的方波无刷直流电动机仿真模型。对无位置传感器无刷直流电动机 控制系统的三段式起动方法和反电动势换相原理作了深入的探讨。 2 、结合模糊控制和传统p t d 控制理论建立了自整定模糊矾d 控制器。 3 、基于m a t l a b 仿真环境建立了无位置传感器无刷直流电动机的控制 系统，并将自整定模糊_ i d 控制器用于该系统的控制中，并将其与传 统p i d 有位置传感器无刷直流电动机控制系统作了对比研究。 4 、结合t i 公司的d s p 控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点，以三相星形无 刷直流电动机为控制对象，设计主电路、功率驱动电路、电压、电流采 样电路，串口通讯电路，逻辑控制及保护电路等硬件电路。 5 哈尔滨工程大学硕七学位论文 5 、根据系统方案设计了d s p 软件控制系统，并详细介绍了本控制系统 中主要用到的软件模块。并根据系统方案在v i s u a lb a s i c6 0 程序开发环 境下设计了本控制系统的微机监控系统。 6 、对系统进行联合调试，同时对调试过程中碰到的问题以及解决办法进 行分析和阐述。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章无位置传感器无刷直流电动机控制原理 2 1 永磁无刷直流电动机的控制系统和工作原理 2 1 1 永磁无刷直流电动机的结构和控制系统 无刷直流电动机的电机本体在结构上和永磁同步电动机相似，但是没有 笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般为多相( 三相、四相、五相等) 结构，转子按一定极对数( p = 1 ，2 ，) 组成【1 9 l 2 0 1 。无刷直流电动机的运行方式 因电动机本体的绕组型式不同而各异，多数无刷直流电动机的定子绕组是三 相绕组，本文主要针对这种结构的无刷直流电动机来进行分析研究。 永磁无刷直流电动机的控制系统基本组成如图2 1 所示，它主要由电动 机主体、转子位置检测和电子开关控制电路三部分组成。 图2 1 无刷直流电动机控制系统的原理框图 在上述无刷直流电动机控制系统中中，电子开关及其控制电路是用来控 制电动机定子上各相绕组的导通顺序与时间，主要由功率管、驱动电路以及 位置信号处理环节等组成。位置检测是检测转子磁极相对于定子电枢绕组轴 线的位置，并向控制器提供位置信号进行换相，根据工作原理的不同，分为 有位置传感器方式和无位置传感器方式。有位置传感器控制方式常见的有磁 敏式、磁电式、光电式、机电式和接近开关等：无位置传感器传感器控制方 式有反电动势法、续流二极管法、磁链估计法等。本文采用的是无位置传感 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 器控制方式，利用反电动势法检测转予的位置。 2 1 2 永磁无刷直流电动机的工作原理 无刷直流电动机为了实现直流电动机的无电刷换相，一般将电枢绕组放 在定子上，把永磁磁钢放在转子上，与传统永磁直流电动机的结构刚好相反。 无刷直流电动机用位置检测器( 有位置传感器或无位置传感器) 、电子换相电 路来取代有刷直流电机的电刷和换相器，即用电子换相取代机械换相，由位 置检测器提供转子位置信号，经控制器逻辑处理后，控制电子换相电路换相， 使定子绕组所产生的电枢磁场与转子磁钢产生的永磁磁场相互作用，产生持 续不断的转矩，保证电机连续运转【2 。 这里以y 联结三相全控桥两两导通方式( 也称为1 2 0 0 导通方式) 为例进 行介绍，电路如图2 2 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6 0 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 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 4 v 5 一v 5 v 6 一 v 1 v 6 一v 1 v 2 ，当功率管v 1 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。 + 图2 2 星形连接三相全控桥两两导通电路 无刷直流电动机转子位置与换相过程如图2 ，3 所示。假设当转子处于图 2 3 中( a ) 位置时为0 0 ，相带a 、b 、c 在n 极下，相带a f 、b 、c 在s 极 下，这时a 相正向导通，c 相反向导通，b 相不导通，产生的定子磁场与转 子磁场相互作用，使转子转动。 当转过6 0 0 后，转子位置如图2 3 中( b ) 所示。如果没有换相，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。 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 c ( a ) a 相正向通电， c 相反向通电 c ( b ) b 相正向通电 c 相反向通电 c ( c ) b 相正向通电， a 相反向通电 ccc ( d ) c 相正向通电( e ) c 相正向通电( f ) a 相正向通电， a 相反向通电b 相反向通电b 相反向通电 图2 3 无刷直流电动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 3 中( b ) 的位置时， 就必须换相，使a 相断电，b 相正向导通，c 相反向导通。转子继续旋转， 转过6 0 。后到图2 3 中( c ) 所示位置，同上所述也要进行换相，即c 相断电， b 相正向导通，a 相反向导通如图2 3 中( c ) 所示。这样如此下去，转子每 转过6 0 。就换相一次，电机就会平稳地旋转下去。 表2 1 三相y 联结两两导通方式的导通规律 导通顺序正转( 逆时针) 转子位置 0 6 0 - -1 2 0 1 8 0 -2 4 0 3 0 0 ( 电角度) 6 01 2 01 8 02 4 03 0 03 6 0 开关管 1 ，22 ，33 ，4 4 ，55 ，6 1 ，6 电流方向 a + c b + c b + a c + a c + b a 十b 一 注：表中“+ ”表示正向导通；“一”表示反向导通。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 根据图2 3 的导通方式，三相y 联结两两导通方式的导通规律如表2 1 。 c ( a ) c 一冗 c ( b ) ( a ) v l 和v 6 导通时合成转矩c o ) v 5 和v 6 导通时合成转矩 ( c ) 两两导通时的合成转矩矢量图 图2 4y 联结绕组两两导通时的合成转矩矢量图 图2 4 给出了两种开关状态下的磁场旋转示意图。图2 4 ( 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 4 ( a ) 所示的电枢磁势e 、以及 e 。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 4 ( a ) 所 示，其大小f o 。为, f 3 f o ，方向在e 和一e 的角平分线上。但是转子是连续旋转 的，当电动机转过6 0 0 电角度后，由v 1 v 6 导通换成v 5 v 6 导通。这时，电流 从v 5 流入c 相绕组再从b 相绕组流出，经过v 6 回到电源，此时合成的转 矩如图2 4 ( b ) 所示，其大小同样为, f s f 。但合成转矩只，的方向转过了。电, 6 0 角度。而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 4 ( c ) 示出了全部合成转矩的方向。 2 2 无刷直流电动机的数学模型 对于采用绕组y 型联结，三相六状态1 2 0 。两两导通方式的永磁无刷直流 电动机。假定在下列前提条件下【2 2 】【2 3 】 2 4 1 ： 1 0 哈尔滨_ 亡程大学硕士学位论文 i i mi - - - m e 一m 一一- - i 葺 ( 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 2 1 电压方程 萋 = 言吾兰 差 + p 冬l 乏a b 毒 差 + 圣 c 2 ， 由于转子是永磁体，其影响可忽略，故可以认为厶、厶、t 、如、k 、 k 、乞、乞。、k 为常数，与转子位置无关。且乞= 厶= 厶= 三， 厶一2 厶。2 k 2 k 2 k 2 如2 m ( m 为定子绕组间互感) 。令兄= r b = 疋= r ， 则： 萋 = 鼍 呈 差 + 尸 是笔参 茎 + 圣 q 2 ， ；鳖墼鎏型丝垄丝丝毫一 匿 ： 罨 兰 氍 + 工_ 誊彳 i 三呈 l 尸臣 + 窿 c 2 - 5 ， 2 2 2 状态方程和等效电路 也 = 1 弛吾胸1 蒜蚴，童j 髓 瓣忙， 由( 2 6 ) 得到的无刷直流电动机电压方程的等效电路如图2 5 所示。 图2 5 无刷直流电动机电压方程的等效电路 2 2 3 电磁转矩方程 无刷直流电动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。定子绕组产生的电磁转矩表达式为： t = 丢( p 口屯如螺i c ) ( 2 - 7 ) 由于在任何时刻，定子只有两相导通，则电磁功率可表示为： = 屯+ e b i b + q 之= 2 e , i , ( 2 - 8 ) 电磁转矩又可表示为： 疋= 口= 2 e , i , c o ( 2 9 ) 1 2 o r o 巳 玑 阢 旷。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由式( 2 9 ) 可以看出无刷直流电动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 可控制无刷直流电动机的转矩。 2 2 4 运动方程 运动方程： 乙一一b o o ：j 譬 口z 式中：z 一电磁转矩，n m 正一负载转矩，n m b一阻尼系数，s 。1 国一电动机械角速度，r a d s ，电动机的转动惯量，k g n 1 2 2 3 无刷直流电动机的机械特性和传递函数 2 3 1 机械特性 ( 2 - 1 0 ) 无刷直流电动机定子绕组相电势幅值为 肚国= 2 , , r f n i o = 2 x 裔l 锄= c , o ，z ( 2 - 1 1 ) 式中：e = 2 7 r 鲁1 为电势系数 n i ， n i 一一相绕组等效匝数 若考虑线路损耗及电机内部压降( 已归入r z ) ，而且1 2 0 。导通型逆变器 的输出电压幅值为u = = tu d ，则电机电势e 与外加电压相平衡， u = e + l i , r ，即： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 丢：c e t b n + 丢恐( 2 - 1 2 ) 去( 一t 岛) 肛l 矿( 2 - 1 3 ) c 7 式中：疋一回路等效电阻，q f 流过电机的电流，a 在式( 2 - - 9 ) 中，e = 去( 一t 琏) ，则将式( 2 - - 1 1 ) 、( 2 - 1 3 ) 代入 ( 2 - 9 ) 得 t = 2 n , l ( 2 1 4 ) 将( 2 - - 1 4 ) 代入( 2 1 3 ) 可得无刷直流电动机的机械特性为： 肛旦一菇杀t = 长一r ! ：, 2te2cea4cen(b ( 2 - 1 5 ) 2 e 2 l 。2 e 、。 式( 2 - - 1 3 ) 和式( 2 1 5 ) 表明，无刷直流电动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 流电动机的转速公式与直流电机完全一样，无刷直流电动机的转速调节可通 过改变直流电压来实现。 2 3 2 传递函数 图2 6 无刷直流电动机动态结构图 无刷直流电动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 6 所示： 由无刷直流电动机的动态结构图可以求得其传递函数为： 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 吣) = 忐附惫瓦 式中： 墨为电动势传递函数，墨= 1 e ，e 为电动势系数； k 2 为转矩传递函数，丘= r q q ，r 为电动机内阻， ( 2 一1 6 ) c f 为转矩 系数； 乙为机电时间常数，焉= r g d 2 3 7 5 6 , 6 , ，g 为转子重量，d 为转子直径。 2 4 无位置传感器“反电动势法 b l d o m 控制原理 “反电动势法是国内外应用最广泛的一种无位置传感器无刷直流电动 机控制技术。反电动势法是通过检澳r j j d 各相绕组反电势的过零点，判断出转子 若干个特殊位置，以此来确定无刷直流电动机的换相时序，保证电机运行。本 章详细介绍该方法。 2 4 1 “反电动势法”b l d o m 控制原理 在无刷直流电动机中，受定子绕组产生的合成磁场的作用，转子沿着一 定的方向连续转动。电机定子上放有电枢绕组，因此，转子一旦旋转，就会 在空间形成导体切割磁力线的情况，根据电磁感应定律可知，导体切割磁力 线会在导体中产生感应电势【2 5 1 。所以，在转子旋转的时候就会在定子绕组中 产生感应电势，即运动电势，一般称为反电动势或反电势【2 6 】。 对于稀土永磁无刷直流电动机，其气隙磁场波形可以为方波，也可以是 梯形波或正弦波，与永磁体形状、电机磁路结构和磁钢充磁等有关，对于径 向充磁结构，稀土永磁体直接面对均匀气隙，由于稀土永磁体的取向性好， 所以可以方便的获得具有较好方波形状的气隙磁场，对于方波气隙磁场的电 机，当定子绕组采用集中整距绕组，即每极每相槽数q = 1 时，方波磁场在 定子绕组中感应的电势为梯形波，如图2 7 所示 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 图2 7 方波气隙磁场与梯形波反电势 对于两相导通星形连接、三相六状态控制的永磁无刷直流电动机，方波 气隙磁通密度在空间的宽度应大于1 2 0 0 电角度，在定子绕组中感应的梯形波 反电势的平顶宽也应大于1 2 0 。电角度。方波无刷直流电动机一般采用方波电 流驱动，即与1 2 0 0 导通型逆变器相匹配，由逆变器向方波电机提供三相对称 的、宽度为1 2 0 0 电角度的方波电流。方波电流应与反电势相位一致或位于梯 形波反电势的平顶宽度范围内，这样才满足“最佳换相逻辑”，如图2 8 所示。 图2 8 绕组反电势与电流波型 当b l d c m 的某相绕组反电势过零时，转子直轴与该相绕组轴线恰好重 合，因此只要检测到各相绕组反电势的过零点，就可获知转子的若干个关键 位置，再根据这些关键的转予位置信号，做相应的处理后控制b l d c m 换相， 实现b l d c m 连续运转，这就是“反电动势法”无位置传感器b l d c m 控制。 从图2 9 中可以看出w t = 3 0 0 电角度为a 相反电势过零点时刻，控制电路检 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 测到这一时刻，延时3 0 0 电角度，切换到a 相导通，a 相导通1 2 0 。电角度后， 到1 8 0 。电角度时关断a 相，切换到b 相导通。依此类推，就可以实现电机的 连续运转，并且满足“最佳换相逻辑”。图2 9 给出了反电势波形与逆变器功 率管导通顺序逻辑关系，这样可以保证电机换相满足“最佳换相逻辑”，减小 转矩脉动。 e j i )熟 - e r l3 0 q o 1 t e b ji e b jf； 0 f i t e ! i e c ll o 1 7i - 一 t 图2 。9 反电动势过零点与换相时刻图 2 4 2 “反电动势法”特性分析 为了确定电机转速和反电势大小的关系，同时给后面“三段式，起动技术 提供理论依据，这里来推导b l d c m 反电势的计算公式，分析无刷直流电动 机的反电势特性口7 1 。为了便于分析，公式推导过程中忽略开关管动作的过渡 过程和电枢绕组的电感。单根导体在气隙磁场中感应的电势为： p = 展l v ( 2 1 7 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中： 乓一气隙磁感应强度，t 三一一导体有效长度，m v 一导体相对于磁场的线速度，m s v = 丝6 0 嘞斋( 2 - 1 8 ) 2 r l v = 一刀= 6 0 式中：n 一电机转速，r m i n d 一一电枢内径，m f 极距，m p 一极对数 设电枢绕组每相串联匝数为，则每相绕组的感应电势为： = 2 e 将式( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 7 ) 得 p = 2 8 6 l p r 丽n 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为 中62b 6 a i r l 式中o l i 为计算极弧系数，则有 e 一印s 志 将式( 2 - 2 2 ) 代入式( 2 1 9 ) 得每相绕组感应电势 2 忐嘞 则线电势，即电枢感应电势为 e = 2 = 惫。胛= c e 咖 式中：c e = 素鲁为电势常数 1 8 ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 无刷直流电动机的反电势计算公式和一般直流电机相同，反电势大小与 每极磁通量及转速有关。如保持每极磁通量不变，无刷直流电动机的反电势 便和转速成正比；反之，如保持转速不变，无刷直流电动机的反电势将和每 极磁通量成正比。从公式( 2 2 4 ) 中也可以看出，当电机静止或转速很低时， 反电势为零或很小，无法利用绕组反电势获得转子位置信号，电机无法自起 动。因此“反电动势法”无刷直流电动机控制必须采用其他方法来使电机起动， 这将在第2 4 4 节中作详细介绍。 2 4 3 反电势过零检测方法分析 本文利用d s p 高速的运算和数字处理能力，将电机三相绕组端电压信 号经过d s p 的a d 转换器转换成数字信号，利用三相绕组端电压与非导通相 反电势之间的关系，通过d s p 计算，求得非导通相绕组反电势过零点。此 方法的无位置传感器的无刷直流电动机控制系统采用1 2 0 。导通方式【2 8 1 ，如图 2 1 0 所示。 + 图2 1 0 相电压反电动势过零点检测示意图 但定子绕组的反电动势难以直接检测，在实际应用中通常采用“相电压 法”即通过测量相电压间接的获得反电动势的过零点信息。图2 1 0 中 z a 2 z b = z c = r 咖l ( 其中r 为绕组电阻，工为绕组电感) ，圪是电机内部星形 连接点到地的电压；假设当前a 相、b 相导通，电流从v l 管流入a 相绕组，再 从b 相绕组流出，经v 4 管回到电源；由于c 相没有电流，可得下面一组方程： d l 圪镏l 也= + 乞+ 圪 ( 2 2 5 ) 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k = r i b + l d 饿l b + 乓+ k ( 2 - 2 6 ) k = 巨+ k ( 2 - 2 7 ) 由图2 1 0 可知： l 2 - k ( 2 2 8 ) 由( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 三个方程可得： 圪+ 圪4 - k = e + 瓦+ 臣+ 3 圪 ( 2 2 9 ) 因为在任一相的反电动势过零点有： 毛+ 民+ e c = 0 ( 2 - 3 0 ) 由方程( 2 2 9 ) 、( 2 - 3 0 ) 可知： 半= 圪( 2 - 3 1 ) 当检测到三相端电压圪、k 、k 之后，可由式( 2 - 3 1 ) 计算出中心点到 地的电压圪，因此在a 、b 两相导通，c 相的反电动势就可以通过( 2 - 2 7 ) 得 出： 疋= k 一圪 ( 2 3 2 ) 因此只要检测圪一圪的过零点就能知道c 相反电动势疋的过零点，同理 也可以确定反电动势e 、民的过零点，延时3 0 。即可得到无刷直流电动机下 一状态的换相点【2 9 1 。 2 4 4 “反电动势法”b l d c m 起动技术 由式( 2 2 4 ) 可知无刷直流电动机的反电势与电机转速成正比，当无刷 直流电动机在静止或低速时反电势为零或者很小，无法准确的检测到反电动 势过零点信号，也就无法用“反电动势法”判断转子的位置，因此电机无法 自起动，而需要通过其他方法来起动【3 0 1 。反电动势法b l d c m 常用的起 动方法主要有： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 、外同步驱动起动方式i 3 l j 外同步驱动方式是指以变频方式同步拖动电机转子旋转，即按永磁同步 电机起动方式起动。这种起动方式的缺点是转子的旋转方向是不可知的，转 子可能顺时针旋转也可能逆时针旋转：另外，如果频率上升太快，电机很容 易失步。 2 、预定位起动方式【3 2 1 电机的初始转向决定了无刷直流电动机的转向，预定位方式起动是在起 动开始时使电机有一个确定的导通状态，这样转子有一个确定的位置。然后 改变电机的导通状态，在电磁力矩的作用下使转子向下一个确定位置转动， 在转动过程中把电机切换到无刷电机方式。 在外同步驱动起动方式和预定位方式起动的基础上，本文采用“三段式 起动技术，即转子预定位、外同步加速和外同步到自同步的切换。这样既可 以使电机转向可控，又可以保证电机达到一定转速后再进行切换，保证了起 动的可靠性。 2 5 本章小结 本章详细分析了无刷直流电动机的结构，以y 联结三相全控桥两两导通 方式为例，详细分析了无刷直流电动机的工作原理，给出了电机的导通规律， 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 无刷直流电动机的数学模型，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。然后详细讲解了无位置传感 器无刷直流电动机“反电动势法”换相原理和特性，然后结合d s p 控制的特 点，给出了反电动势过零点的检测方法；最后给出了“反电动势法 无刷直 流电动机的起动方法。 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章自整定模糊一p id 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 单一模糊控制和传统p i d 控制的基础上，结合模糊控制和传统p i d 控制的各 自优点，设计了适合本系统的自整定模糊p i d 控制器。 3 1 模糊控制的基本原理 一个完整的模糊控制过程如图3 1 所示，包括将过程参量从观测值转换 为模糊变量值，这称为模糊化，形成模糊集合【3 3 】；将技术熟练的专家经验编 成指令程序作为控制规则；按照模糊逻辑和似然推理的方法得出逻辑推理结 论：然后将其转换成一个确定的调整( 或操作) 量，这称为非模糊化【3 4 1 。 3 1 1 模糊化 图3 1 模糊控制过程 将确定的观测值转换为模糊变量值( 集合) 的工作由模糊化单元来行。模 糊变量值通常划分为3 级以上，比如7 级划分的情况是：负大q m ) 、负中 ( n m ) 、负小( n s ) 、零( 0 ) 、正小( p s ) 、正中( p m ) 、正大( p b ) 。如果划分的级 数更多，可以在负中左右加上“负中大”和“负中小”等。若从7 级中去掉n m 和p m 就是5 级；若将5 级划分中间的。改为n o 和p o 就是6 级。只有使 用这些模糊变量的赋值词( 集合) 作为输入量，才能进行模糊逻辑推理【3 5 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 2 模糊控制规则 若将观测的误差作为输入e ，输出的调整量记为u ，则使用人工手动控 制的经验可陈述为： 若p = n b ，则萨p b ； 若p = n s ，则萨p s ； 若p = 0 ，则萨0 ； 若p = p s ，则铲n s ； 若e = p b ，则萨n b 。 根据语言逻辑，这5 条规则在论域u x 矿上形成模糊关系r ，即控制规 则r 。记为： r = ( n b o 碱) u ( n s o x p s ) u ( 0 。x0 。) o ( e s o m s o ) u ( 哩城) ( 3 - 1 ) 3 1 3 逻辑推理 为了使这些规则能对输入的任何模糊集都能给出响应，就需要进行推 理： 若a ，则b 。若a ，则怎样? 其中“若a ，则b ”是大前提，“若a 7 是小前提，所求答案“则b 7 是推论。 这里a 7 允许离已知a 很远，仍然要求能找出b 。这就要求事先有比较丰富 的知识和经验。例如，在规则中包含若干个条件句：若a 。，则b ；若a ， 则b ，等，并将这些规则合并成一个模糊关系r 。现在的问题是：由输入误差 量的模糊集，根据r 找出调整量的模糊集( 在论域v 上的模糊集) 。 3 1 4 非模糊化 将语言逻辑推理得出的模糊集，转换成一个确切的调整量，这就是。非 模糊化”单元的功能。具体算法有3 种： (