（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的直流无刷电机无位置传感器调速系统的研究.pdf

摘要 种直流无刷电机无位置传感器控制系统。在系统的硬件设计 中，首先论述了系统的整体结构，分为主电路和控制电路两 大部分，主电路中逆变器采用智能功率模块( i p m ) p s 2 1 2 5 5 ， 控制电路中微处理器采用数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。然后给出了系统硬件中几个主要电路的设 计，论述了一些重要元件及其参数的选择。 在系统的软件设计中，给出了控制系统主程序和中断程 序的流程图。论述了部分软件的编制方法，给出了几个主要 子程序的设计，特别是电机的起动程序设计。系统的软件设 计结构合理，功能完善，占用系统资源少。 最后，对直流无刷电机调速控制系统进行了实验研究， 给出了电机分别在空载和带载情况下的调速性能波形。在 实验波形分析的基础上，给出了实验结论，实验证明本文所 提出和研制的直流无刷电机无位置传感器调速系统运行性能 良好。 此外，在直流无刷电机控制的前期研究中，为了便于系 统硬件和控制方法的学习，对异步电机的变频调速进行了研 究。文中给出了异步电机控制方法和变频调速实验波形，为 直流无刷电机控制系统的实现奠定了基础。 关键词：直流无刷电机，无位置传感器控制，反电势法，数 字信号处理器 ! ! ：! 垄塑查兰堡兰堂些丝苎 些塑墨竺! s t u d yo nt h ep o s i t i o n s e n s o r u 邑s s s p e e d 一气r i a l b l es y s t e m f o rb r u s h l e s sd cm o t o ru s i n gd s p a b s t r a c t t h eb r u s h l e s sd c m o t o r ( b l d c m ) s p e e d v a r i a b l es y s t e mo f f e r s e x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c so f o p e r a t i o n ，c o n t r o la n de c o n o m y , a n ds h o w sg r e a t d e v e l o p i n gp o t e n t i a l i t yi nt h ef i e l d so fi n d u s t r ya n dt r a f f i c ，e t c t h i st h e s i s p r o p o s e sa n dd e s i g n sak i n do fs p e e d v a r i a b l ec o n t r o ls y s t e mo fab m s h l e s s d cm o t o rw i t h o u tar o t o rp o s i t i o n s e n s o ru s i n gd s p b a s e do ni n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e ( i p m ) a n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，t h i ss y s t e m u s e sb a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ( e m f )m e t h o dt o i m p l e m e n t t h e p o s i t i o n s e n s o r l e s sc o n t r o lf o rb m s h l e s sd cm o t o r t h es y s t e mi sh i g h l y i n t e g r a t e dw i t h f l e x i b l ec o n t r o la n ds t r o n g r e l i a b i l i t y i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n to fa cm o t o rc o n t r o li no u rc o u n t r ya n d a b r o a di ss u m m a r i z e df i r s t o nt h eb a s i so ft h e s u m m a r y f o rt h e d e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no fb m s h l e s sd cm o t o r s p e e d - v a r i a b l es y s t e m ， t h ec o n t r o lm e t h o d so fb m s h l e s sd cm o t o ra r ei n t r o d u c e di nb r i e f t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eo p e r a t i o n a l p r i n c i p l eo fb l d c m a n dt h e p o s i t i o n - s e n s o r l e s sc o n t r 0 1 t h eb a s i cs t r u c t u r e ，o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e a n d c h a r a c t e r i s t i c so fb l d c ma r es e tf o r t hi nt h i st h e s i s t h e nt h et h e s i s d e t a i l e d l y d i s s e r t a t e si t sr e s e a r c h p i v o t ：t h e s e n s o r l e s sc o m m u t a t i o n d e t e c t i o nb a s e do nt h em e t h o do fb a c k e m eb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sc o n t r o lm e t h o d sr e c e n t l yu s e di n 北京交通大学硕十学位论文 a b s r n l a c t p o s i t i o n s e n s o r l e s s b l d c mc o n t r o l ，t h ed e t a i l e d c o n t r o ls c h e m e sa r e p r o p o s e di nt h et h e s i s t h e nt h ep r i n c i p l eo fb a c k - e m fz e r oc r o s s i n gp o i n t d e t e c t i o na n dt h em e t h o do f c o n f i r m i n g c o m m u t a t i o n p o i n ta r ee x p l a i n e d t h i st h e s i s d e s i g n s ak i n do f s p e e d v a r i a b l e c o n t r o l s y s t e m o fa p o s i t i o n s e n s o r l e s sb l d c m i nt h ea r e ao fh a r d w a r ed e s i g n ，t h ew h o l e s t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sd i s s e r t a t e dw h i c hc o n c l u d e st h ep o w e rc i r c u i ta n d t h ec o n t r o lc i r c u i t t h e s y s t e m u s e st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pa s m i c r o p r o c e s s o r , a n du s e sp s 2 1 2 5 5i p m a si n v e r t e r t h ed e s i g no fs e v e r a l p r i m a r yc i r c u i t so f h a r d w a r ei sd i s c u s s e da n dt h ec h o i c eo fs o m ei m p o r t a n t e l e c t r o n i cc o m p o n e n t sa n dt h e i rp a r a m e t e r si nt h e s ec i r c u i t si sa n a l y z e d t h ec h a p t e ro fs o f t w a r ed e s i g np r e s e n t st h es o f t w a r ef l o wc h a r t so f m a i n p r o g r a ma n di n t e r r u p tp r o g r a m s t h ep r o g r a m m i n g m e t h o do f p a r t so f s o f t w a r ei s e x p o u n d e d ，t h e n af e wp r i m a r ys u b r o u t i n e sa r e e x p a t i a t e d ， s p e c i a l l yt h es t a r tp r o g r a m o ft h eb l d c m t h es y s t e ms o f t w a r eh a sp r o p e r s t m c t u r ea n d r e l a t i v e l yp e f f e dp e r f o r m a n c e a n d o c c u p i e s l e s s s y s t e m r e s o u r c e s a tl a s t ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi si m p l e m e n t e do nt h i sb l d c m c o n t r o ls y s t e m ，a n dt h et h e s i sl i s t st h es p e e d v a r i a b l ew a v e si nv a r i o u sw o r k c o n d i t i o n s t h et h e s i sd r a w sac o n c l u s i o na f t e r o b s e r v i n gt h e w a v e so f c o n t r o l l e r sw o r k i nc o n c l u s i o n ，p r o v e d b ye x p e r i m e n t s ，t h ec o n t r o ls c h e m e p r e s e n t e da n dd e s i g n e di nt h et h e s i si sf e a s i b l ea n d t h i ss y s t e mh a sah i g h p e r f o m m n c e i n a d d i t i o n ，a t t h es t a r t s t a g e o ft h eb l d c mr e s e a r c h ，ak i n do f v a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e ma p p l i e dt os p e e da d j u s t m e n to fi n d u c t i o n m o t o rw a s p r o p o s e da n dd e s i g n e d t h et h e s i sp r e s e n t st h ec o n t r o lm e t h o d s ! ! 室窒望查堂堡：兰鲎堕堡苎丝! 翌坠! ! o ft h ei n d u c t i o nm o t o ra n dt h ew a v e so ft h e e x p e r i m e n t s ，w h i c h l a i da f o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho ft h eb u ) c m k e y w o r d s ：b m s h l e s sd c m o t o r , p o s i t i o n s e n s o f l e s sc o n t r o l ，b a c k e m f , d s p 北京交通大学硕+ 学位论文 第幸绪论 1 1 概述 第一章绪论 1 1 1 现代交流电机控制的发展现状及趋势 随着现代控制理论、新型大功率电力电子器件、新型变频技术以及 微型计算机数字控制技术在实际应用中相继取得重要发展，电气传动领 域发生了重大的技术变革，变速传动中交流调速技术获得了飞速发展。 “交流取代直流”已成为必然趋势。 现代交流电机控制的发展现状及趋势可以概括为以下几个方面： 、控制理论方面 1 9 7 1 年，f b l a s c h k e 提出“异步电动机磁场定向的控制原理”， 即用矢量变换的方法研究交流电机的动态控制规律，在定向于转子磁通 的基础上，实现了交流电机磁通和转矩的解耦控制，使交流传动系统的 动态性能有了明显改善，开创了交流传动的新纪元。1 9 8 5 年由德国学 者m d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制理论，随后日本学者 i t a k a h a s h i 也提出类似的控制方案，并取得了令人振奋的控制结果。 直接转矩控制不需要复杂的坐标变换，也不需要依赖转予数学模型，其 新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的动、静态性能受到了普 遍的关注并得到迅速的发展。进入9 0 年代，交流电机的控制方案逐步 走向多元化。许多学者将智能控制方法( 如专家系统、模糊控制、人工 神经网络控制等) 引入电机控制系统，并取得了满意的效果。 二、控制器方面 微电子技术的迅速发展，微处理技术的日益更新，使得电机控制技 北京交通大学硕i 学位论文第章绪论 术开始由传统的模拟技术转向微处理措控制的数字技术。控制系统的精 度、稳定性、抗干扰性、多功能化、通用化等大大提高，而价格大体与 模拟控制系统相当。高性能的面向电机数字化控制的工业单片机和高速 数字信号处理器( d s p ) 的出现，使得电机控制系统的性能大大提高， 并大大简化了系统结构。 三、电力电子技术方面 电力电子技术一直是电机控制发展最重要的物质基础，大功率半导 体器件的发展也制约着电机控制的水平。目前，大功率半导体器件又向 集成化智能化方向发展。智能功率模块i p m 是向功率集成电路p i c 的过 渡产品，是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。采用i p m 作为功 率变换装置，4 i 但可以提高可靠性，而且系统的开发时间、开发费用都 将大幅减少。 四、计算机辅助设计方面 由于计算机和微电子技术的发展，现代计算机的功能越来越强大， 速度越来越快，为系统设计和仿真提供的软件越来越多，如m a t l a b 、 p s p c e 等，可以对系统主电路方面、控制理论方面进行完全的仿真。 五、稀土永磁材料的应用和电机制造技术方面 异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。随着 稀上永磁材料的发展和电机制造技术的进步，永磁同步电机、直流无刷 电机、无槽电机等新型电机因其优良的性能在现代交流调速及伺服系统 中得以广泛应用。其中，永磁无刷直流电动机具有明显的不可替代的技 术优势，在很多场合正在取代其它种类的电动机，对其控制技术的研究 也成为近几年的研究热点。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 11 2 直流无刷电机的特点和与其它电机的比较 一、无刷直流电动机的特点 传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动系统中有 着广泛的应用，但机械电刷却是它的致命弱点。电刷的存在带来了一系 列的问题，如：存在机械摩擦、噪声、电火花无线电干扰、寿命短，再 加上它制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围。 直流无刷电动机是利用电子换向装置代替传统的机械换向( 电刷和 换向器) 的一种电动机，是为了既要保持有刷直流电动机的优异特性， 又要革除电刷和换向器的“顽疾”为目的而开发研究的。控制系统中的 执行电动机应该具有下列优点：快速性、可控性、可靠性高、体积小、 重量轻、节能、效率高、适应环境和经济性。下面就这些方面具体分析 直流无届4 电动机的优点所在。 在快速性方面，直流无刷电动机的转子是由永磁材料构成的磁极 体，电枢绕组在定予上，因而转子外径相对较小，转子转动惯量因而也 较小；在转矩方面，只有直流电动机才能达到大的起动转矩和最大转矩， 丽直流无刷电动机具有直流电机的特性，因而起动转矩和最大转矩都较 大。因此直流无刷电动机可以实现快速的起、停、加速和减速。 在可控性方面，直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关 系，直流电动机的起动转矩又大，因此可控性很好、很方便。直流无刷 电动机的输出特性和一般有刷的直流电动机很相似，只要简单地改变电 动机输入电压的大小就可以实现在很大的范围内进行无级调速。 在可靠性方面，因为其消除了电刷和换向器，所以也就是消除了故 障的主要根源。直流无刷电机的转子上由于没有绕组，因此转子上没有 电的损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的( 在方波电流 北京交通大学顾士学位论文 第一章绪论 驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转了铁心内产生定的铁损) 。 总的来说，除了轴承旋转产生的摩擦损耗外，转子方面的损耗很小，因 而进一步增加了可靠性。 从节能性方面，直流无刷电机效率高。无论是电机设计还是系统设 计，提高效率、节约能源都具有重要的意义，有着长远的社会和经济效 益。据报道，美国5 5 以上的电力是消耗在电动机的运行上，美国g e 公司曾预测，仅在制冷器具的应用中，若用无刷电机取代传统的异步电 动机，其效率可提高2 0 ，全美国年可节电2 2 m k w i i 。而且异步电动 机运行在轻载时功率因数低，增加了线路和网络的损耗。根据有关报道 我围消耗在电动机上的电力占整个电力系统总量的6 5 以卜：。因此，提 高电动机的效率，选择损耗最小，效率最高的电机是很重要的。而且我 国人口众多，经济正高速发展，电力资源匮乏，更要节约能源，研制和 开发出高效、节能、低耗的现代调速系统。相对于其他类型的电机，直 流无刷电动机的损耗最小、效率最高。一份资料作过对比分析，对于 7 5 k w 的异步电动机系统效率可达8 6 4 ，但是同样容量的直流无刷电 动机的效率可以达到9 2 4 。 在环境适应性方面，对于商性能的系统，如果只能采用直流电动机， 但同时要求长寿命、免维护，以及在防爆、易燃的环境条件下使用，有 刷直流电动机就无能为力了，而直流无刷电动机是最好的选择。 在经济性方面，随着电子技术的进步，电子工业的发展，电子元器 件的价格不断下降。在目外的市场上，直流无刷电动机驱动控制器的价 格已经和异步电动机的变频器相差不多了。不过由于稀土永磁材料的价 格较贵，电机的成本也相应较高。但是考虑到综合指标( 系统性能、重 量、能量消耗等) 之后，直流无刷电动机的应用仍处于上升的趋势。 二、直流无刷电机与其它电机的比较 4 - 北京交通人学碗十学位论文 第一章绪论 与其它类型的电动机相比，直流无刷电动机不仅较为可靠而且损耗 较小，它的电枢在定子上，直接与机壳相连，散热条件好，热传导系数 大，由于这样的原因，在相同的条件下，在相同的出力要求下，直流无 刷电动机可以设计的更小，重量更轻。 一挛流异步电机 有刷直流电机无刷直流电机 机械特性软硬硬 过载能力小大d 、 可控性难易易 平稳性较差较好好 噪声较大大小 电磁干扰小严重小 维修性易 难易 寿命长短长 体积大较小小 一 效率低较高 局 成本低较高较高 表1 1几种电动机的基本性能比较 t a b l e l lc o m p a r i s o nb e t w e e nt h es e v e r a lm o t o r s 表卜1 是目前应用较为广泛的几种电动机的基本性能比较。从表中 可以看出，考虑到综合指标( 系统性能、重量、能量消耗等) ，直流无 刷电机在快速性、可控性、可靠性、体积、重量、效率以及耐受环境方 面，具有明显的优势。随着稀土永磁材料和功率半导体器件性能价格比 的不断提高，直流无刷电机作为中小功率高性能调速电机和伺服电机在 工业上的应用将越来越广泛。 j ! 蔓至望奎堂堡主兰焦笙壅 r 塑二兰堕丝 1 2 直流无刷电机发展状况及发展趋势 一、直流无刷电机发展状况 为了解决传统的直流电动机带来的种种问题，早在1 9 1 7 年， b o l i g e r 提出用整流管代替传统的机械电刷以实现换流的思想。1 9 5 5 年 美国d h a r i s o n 等人申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械 电刷的专利，标志着现代直流无刷电机的诞生。 2 0 世纪7 0 年代、8 0 年代初，随着电机技术以及相关学科的迅猛发 展，直流无刷电机进入了实用阶段，在计算机外设等领域开始应用，还 先后研究成功方波和f 弦波直流无刷电机。“直流无刷电机”的概念已 由最初的具有电子换向器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电 机外部特性的电子换向电机。如今的直流无刷电机集特种电机、变速机 构、检测元件、控制软件与硬件于。体，形成新代电动调速系统，且 体现着当今戍用科学的许多最新成果。因此直流无刷电机是机电一体化 的高科技产物，在各个领域得到了广泛的应用。 2 0 世纪8 0 年代，直流无刷电机得到了迅猛的发展和推广应用，这 主要是由于大功率开关器件和大规模专用集成电路技术高速发展的结 果。性能优良、价格低廉的电子元器件加快了直流无刷电机更新换代的 步伐：8 0 年代与7 0 年代同类型直流无刷电机相比较，体积缩小到只有 原来的1 1 0 ，价格只有原来的1 1 0 ，从而提高了直流无刷电机的性能 价格比，为其大量应用创造了先决条件。高性能永磁材料，如钐钻，铷 铁硼的应用，也使直流无刷电机的性能得到提高，并且降低了成本，为 其得到广泛的应用奠定了坚实的基础。直流无刷电机作为机电一体化的 高科技产物，在各个领域得到了广泛的应用，如在计算机中的磁盘、光 盘驱动器、c d 唱机的光盘主轴驱动、随身昕的磁带主动轮驱动、数控 6 - 北京交通大学硕上学位论文 第一章绪论 加工设备、宇航自动机器、各种记录仪和绘图仪表的驱动等等。 2 0 世纪9 0 年代以后，直流无刷电机调速系统逆变装置中的开关元 件1 i 仅成本降低，而且向高频化、大容量化、小型化、智能化发展，同 时永磁材料的性能不断提高和完善，加上永磁电机研究和开发经验的逐 步成熟，稀土永磁直流无刷电动机的应用和开发进入了一个新的阶段。 在国外，直流无刷电动机已经得到了较为充分的发展。目前在工业 先进的国家( 如美国、英国、日本、德国、法国等) ，在其工业自动化 领域中已经实现了以直流无刷电动机代替有刷电动机的转换。直流无刷 电动机还在其它领域得到了很广泛的应用，如办公自动化领域、视昕领 域、汽车和电动车辆中的应用、现代家用电器中的应用等。而且随着人 们对环境问题和能源问题的日益关注，直流无刷电动机在电动汽车中的 应用更是成为近年来研究的热点，如美国福特汽车公司率先把直流无刷 电机应用于电动汽车，并于9 0 年代初推出了第三代电动轿车；日本四 国电力株式会社设计的电动小客车p i v o t 由四个单机为6 8 k w 的真流无 刷电动机驱动。针对家用电器( 空调、洗衣机) 、电动车的使用，需要 较高的转速和高转矩的要求，日本h o n d a 公司开发了一种车用直流无刷 电动机，其转子是用非导磁的不锈钢将稀土永磁材料卷嵌入转子迭片 中，具有坚固可靠、输出力矩大和效率高( 超过8 5 ) 的特点。 在我国，直流无刷电动机的研制始于7 0 年代初期。直流无刷电机 作为高科技产品受到了我国基础工业落后的制约，其综合水平低于国际 水平，大约相当于国外7 0 年代米8 0 年代初的水准。目前，国内高校、 研究单位开展直流无刷电机的研究已有时日，积累了丰富的设计理论和 设计经验，只是由于受到自身条件限制而没有达到规模化生产，大部分 仍处于仿真或实验室阶段。因此，与生产厂家共同开发此类科技成果， 使之产业化是必须的。 北京交通= ：i _ = 学硕十学位论文 第章绪论 二、直流无刷电机发展趋势 如今，随着永磁材料的不断完善，特别是铷铁硼的热稳定性和耐腐 蚀性的进一步发展和改进，加上电力电子器件的大容量、高性能化，功 率变换技术和传动控制技术的确立，以及用于控制的d s p 、m c u 、a s i c 等电子设备的高速、低价格化，使得直流无刷电动机系统控制技术因使 用了最新控制理论而取得了匕跃发展，在扩大应用领域和提高性能等方 面都取得了长足的进步。其动向主要有以下几点： 1 、无传感器矢量控制 近些年来，国际上对这方面的研究热情比较高，使之有了长足的发 展。但是其性能却比有传感器系统差，尚处于研究阶段，有待于实用化。 该方式需要很多复杂计算，但是如果采用d s p 高速微处理器，便可使用 能够改善速度控制特性的新方法而使应用范围急速扩大。 2 、永磁材料的高性能化 电机永磁材料由铁氧体向铷铁硼永磁材料发展，以减小体积、重量 和转子惯量，提高系统的快速性。 3 、功率模块的智能化 伺服系统的逆变器从采用双极性大功率晶体管6 t r 向采用m o s f e t 、 i g b t 新型功率集成模块p t c 方向发展。大大方便了使用并提高了可靠 性。 4 、控制技术的数字化 直流无刷电动机控制系统正由传统的模拟控制技术转向微处理器 _ 控制的数字技术。数字控制技术使得许多硬件工作都由软件来完成。这 样，减少了硬件电路，提高了可靠性和性能，减小了尺寸，提高了效率。 数字控制技术不仅使系统获得高精度、高可靠性，还为新的控制理论( 如 矢量控制、直接转距控制、参量自适应控制、模糊控制、滑模变结构控 & 北京交通大学硕上学位论文 第章绪论 制等) 的应用提供了物质基础。特别是适用于实时控制的工业单片机和 高速数字信号处理器( d s p ) 在调速系统中的应用，大大简化了系统结 构，提高了系统的性能。因此在今后的相当氏时间内，发展基于微处理 器的全数字式变频调速系统将一直是研究的重点。 5 、最新控制理论的应用 由于采用了位数更高、速度更快的微处理器，使得最新控制理论在 交流伺服系统中的应用有了硬件基础。负荷转矩观测、自适应、滑模变 结构、状态反馈控制等最新控制理论正被应用到交流伺服系统中来，以 期提高系统的性能。 6 、智能化 近年来，国内外关于智能控制的研究十分活跃。智能控制就是将人 工智能与控制理论结合起来，完成一定的控制功能，主要是应用专家系 统、模糊逻辑及神经网络理论来实现自学习或自组织控制。因此，实现 智能控制有三条途径，即基于专家系统的专家控制，基于模糊集合理论 的模糊控制，以及基于人工神经网络的神经控制。目前智能控制主要应 用于过程控制领域，将其应用于交流电机调速系统的研究才刚刚开始。 以上对直流无刷电机系统的发展趋势做了介绍和分析，从中可以看 出，它的发展与控制理论、电力电子技术等相关技术的发展密不可分。 可以预见，随着这些相关学科的日新月异，直流无刷电动机系统也将日 趋成熟。 1 3 直流无刷电机控制方法 1 3 1 直流无刷电机的分类 直流无刷电机是指没有电刷但具有直流电机特性的电动机，包括方 北京交通人学硕上学位论文 第一章绪论 波型永磁直流无刷电动机和正弦型永磁直流无刷屯动机。 方波型永磁直流无刷电动机，习惯上称为b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ，其电机本体的反电势( 即激磁电势或空载电势) 设计+ 成梯形 波，而逆变器输出方波电压或方波电流并且与电机反电势保持适当的相 位关系，从而产生有效电磁转矩，在这种情况下，转子位置传感器只需 要提供转子的若干个关键位置的离散信号就可以了。方波电机结构简 单、控制方便、成本较低，一般用于对转矩波动要求不太高的调速传动 系统。 正弦型永磁直流无刷电动机，由于源于同步电动机，国外许多文献 习惯称为p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm ol o r ( p m s m ) 。其电机本体 的反电势设计成正弦形，而逆变器采用s p w m 技术或滞环控制技术等调 制出正弦电压或电流并与电机反电势保持适当的相位关系，从而产生比 较平滑的电磁转矩。在这种情况下，位置传感器需要提供连续的转予位 置信号。j 即玄型永磁直流无刷电机的结构比较复杂且成本较高( 尤其是 位置传感器) ，控制方法灵活，一般转矩波动较小，因此往往用于对转 矩脉动要求比较严格的驱动与控制系统中。 二者比较，j ：f 弦型永磁直流无刷电动机性能更为优秀，是直流无刷 电机的发展方向，但是它比方波型永磁直流无刷电动机需要更高精度的 位置传感器，成本会更高一些，所以一般用在控制精度要求更高的情况 下。而在大多数要求不太高的场合，方波型永磁直流无刷电动机得到了 广泛的应用。 本课题的研究对象为方波型永磁直流无刷电动机，文中所提直流无 刷电动机均指方波型永磁直流无刷电动机。 1 32 直流无刷电机控制方法 型堕堕墅坠墨! 坠兰些丝苎 塑二里笪丝 目前，直流无刷电机的控制有带位置传感器、无位置传感器以及智 能控制三种。 一、带位置传感器控制 带位置传感器控制是在直流无刷电动机定了上安装位置传感器来 检测转子位置而控制定子绕组换向。所用的位置传感器有电磁式( 如磁 阻旋转变压器) 、光电式( 如遮光板) 、磁敏式( 如霍尔传感器) 等， 其中霍尔传感器使用最为广泛。 二、无位置传感器控制 无位置传感器的直流无刷电动机控制法，不直接在直流无剧电动机 的定子上安装位置传感器来检测转子位置。它一般采用直接反电势检 测、反电势三次谐波法、电流通路监视法、开路相电压检测法、相电感 法、反电势逻辑电平积分比较法等方法来间接检测转子的位置。 三、智能控制 智能控制是控制理论发展的高级阶段，一般包括模糊控制、神经网 络控制、专家系统等。智能控制系统具有自学习、自适应、自组织等功 能，能够解决模型不确定性问题、非线性控制问题以及其它较复杂的问 题。严格来说，b l d c m 是一个多变量、非线性、强耦合的对象，因此利 用智能控制可以取得较满意的控制结果。目前，已有许多较为成熟的智 能控制方法应用于直流无刷电动机控制，例如：模糊控制和p i d 控制相 结合的f u z z y - p i d 控制、模糊控制和神经网络相结合的复合控制、隶属 度参数经遗传算法优化的模糊控制、单神经元自适应控制等。 1 4 选题意义及本课题主要研究内容 一、选题意义 直流无刷电动机有着很多其它电动机无可比拟的优点使得它在很 北京交通大学烦l 学位论文 第一章绪论 多领域得到了很广泛的应用。 1 、直流无刷电动机在家用电器中的应用。 在空调器行业，永磁直流无刷电动机的应用已成为衡量空调技术水 准的重要指标之一。目前，变频空调技术已从异步电机变频控制发展到 无刷电动机的变转速控制，即市场上宣传的“直流变频空调”，其压缩 机电机和室内、室外风机都采用永磁直流无刷电动机，与采用异步电机 的交流变频空调相比，直流变转速空调具有起动功率大、高效节能，抗 电压波动能力强等优点。目前直流变转速空调电控系统的技术难点主要 包括：压缩机控制系统的换相转矩脉动抑制技术，无位置传感器控制技 术，高效率低噪音的室内外风机驱动系统。 变频洗衣机是近年来进入居民家庭消费的又热门产品。目前应用 于变频洗衣机的电机类型主要有三相异步电动机，开关磁阻电动机和直 流无刷电动机三大类。永磁直流无刷电动机直接驱动洗衣机具有机械传 动结构简单、高效节能、洗涤脱水运行噪音低等一系列优点，代表了未 来的发展趋势。 2 、直流无刷电动机在计算机外设和办公自动化设备中的应用。 3 、直流无刷电动机在工业中的应用。 4 、直流无刷电动机在汽车、摩托车、自行车等交通工具中的应用。 5 、直流无刷电动机在其他领域中的应用。 综上所述，由于永磁直流无刷电动机具有效率高、功率密度大、转 动惯量小、调速性能好等一系列优点，已经在工业、交通、航空航天、 军工、伺服控制领域以及家用电器领域得到广泛应用， 虽然我国和国外在电机制造技术方面的差距不大，但是控制系统的 研究和开发却需要加大力度。从另外一个角度来讲，我国的稀土资源特 别丰富，占世界总储量的7 5 ，发展永磁直流无刷电动机产业对发展我 北京交通大学硕上学位论文 第一章绪论 目的经济有特殊的意义。 出于直流无刷电动机固有的特点，常规的控制方法必须有位置传感 器，这带来了种种限制。因此，研究无位置传感器直流无刷电动机调速 系统也很有必要。 二、本课题主要研究内容 本课题以永磁直流无刷电动机为被控对象，设计了一种无位置传感 器直流无刷电机的变频调速系统，该系统基于智能功率模块p s 2 1 2 5 5 及 数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，采用反电势法实现了无位置传感器的 直流无刷电机控制。本课题主要研究内容有以下几个方面： l 、研究目前直流无刷电动机无位置传感器控制的各种方法，选择反电 势法作为本系统的基本控制方法，同时在熟悉d s p 的基础上设计了 系统的总体控制方案。 2 、结合t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 适合于电机数字化控制的特点，设计本系 统的整套硬件电路。包括主控芯片的选择、主控制器外围电路设计、 位置信号检测电路设计、电流检测电路设计、主电路设计、保护电 路设计等。 3 、根据设计的电路图，制作p c b 板并制作整个硬件系统。 4 、根据控制系统功能要求，编写直流无刷电动机控制系统的软件程序。 5 、直流无刷电动机控制系统的调试。包括硬件电路调试、软件硬件系 统联调，并对实验结果进行分析，检验控制方案的正确性，研究探 讨实际应用中存在的问题。 6 、在直流无刷电札控制的前期研究中，为了便于系统硬件和控制方法 的学习，首先对异步电机的变频调速进行研究。完成异步电机恒压 频比控制的整个软硬件调试，为直流无刷电机控制系统的实现奠定 基础。 北京交通大学硕l 学位论文第一：幸直流无刷电机及其无位置传感器控制的i ：作原理 |摹l位置传感器 北京交通大学顾 学位论文第一二章直流无刷电机及其无位置传感器控制的工作原理 组采用交流绕组形式，一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转子 由永久磁钢按一定极对数( 2 p = 2 、4 、6 ) 组成。希望在定子绕组中 获得顶宽为1 2 0 。的梯形波，因而绕组形式往往采用整距、集中或接近 整距、集中的形式，以便保留磁密中的其它谐波。b l d c m 的转子结构既 有传统的内转子结构，又有近年来出现的盘式结构、外转子结构和线性 结构等新型结构形式。伴随着新型永磁材料铷铁硼( n d f e b ) 的实用化， 电机转子结构越来越多样化，使b l i ) c m 正朝着高出力、高精度、微型化 和耐环境等多种用途发展。 三、转予位置检测器 转子位置检测器即位置传感器，按动作原理可分为电磁式、光电式、 磁敏式等。位置传感器的种类比较多，且各自有各自的特点，目前在直 流无刷电动机中常用的位置传感器有以下j l 种形式： 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实现其位置检测作用的，其中 包括有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型。在直流无刷 电动机中，用的较多的是开口变压器。电磁式位置传感器具有输出信号 强、工作可靠、寿命长、对使用环境要求不高、适应性好、结构简单和 紧凑的优点；但这种传感器信噪比较低、体积较大，同时其输出波形为 交流，一般需要整流、滤波后方可应用。 2 、光电式位置传感器 这种传感器是利用光电效应制成的，由跟电动机转子一起旋转的遮 光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。光电式位置传感器的性能 较稳定，输出信号信噪比较大，但存在光源灯泡寿命短，使用环境要求 较高等缺陷。若采用新型光电元件，可以克服这些不足。 3 、磁敏式位置传感器 ! ! 塞奎望叁堂堕二! 兰竺笙苎笙三皇皇塑歪型皇堑! 丝! ! 垄焦蔓堕壁堂堡型塑三堡璺里 磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按定规律随周围磁场变 化的半导体敏感元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前，常见 的磁敏式位置传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏一二 极管等多种。磁敏式位置传感器也是由定子和跟踪转子两部分组成。定 子由一组霍尔元件及导磁体组成，霍尔元件数一般与绕组相数相等，也 可能比绕组相数少一半。磁敏式位置传感器具有性能稳定，工作可靠， 频率响应宽，反应速度快，体积小，结构牢固，易于安装等优点，目前 已经越来越多的应用于直流无刷电动机中。 四、电子换向电路 电子换向电路由功率变换电路和控制电路两大部分组成，它与位置 传感器相配合，去控制电动机定子各相绕组通电的顺序和时问，超到与 机械换向相类似的作用。 当系统运行时，功率变换器接受控制电路的控制信息，将系统工作 电源的功率以定的逻辑关系分配给商流无刷电动机定子上各相绕组， 以便使电动机产生持续不断的转矩。逆变器将直流电转换成交流电向电 机供电，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 转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。b l d c m 由于采用自控式逆变 器，电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会 产生振荡和失步，这也是b l d c m 的重要优点之一。 电机各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信 号，但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来驱动功率变换器的功 率开关元件，往往需要经过控制电路一定逻辑处理、隔离放大后才能去 驱动功率变换器的开关元件。驱动控制电路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，去触发功率开关 管。 北京交通火学硕士学位论文 第二章直流无刷电机及其无位置传感器控制的工作原理 2 1 2 直流无刷电机工作原理 众所周知，有刷直流电动机具有旋转的电枢和固定的磁场，因此， 有刷电动机必须有一个滑动的接触机构电刷和换向器，通过他们把 电流馈给旋转的电枢。直流无刷电动机却与前者相反，它具有旋转的磁 场和固定的电枢。它利用半导体逆变器及无接触式的位置传感器代替换 向器和电刷，从而具有直流电动机的性能。 图22 为最基本的只有三片换向片的直流电动机模型。通电后电动 机将顺时针旋转。从图示可见，在转动一周的过程中，电流通电的次序 为a b ，a c ，b c ，b a ，c a ，c b ，即每隔6 0 。通电状念改变 一次，每一绕组每次连续通电1 2 0 。的时问。电枢绕组通电后产生的电 枢磁动势方向，就平均来说，总是与磁极轴线相垂直，因而能产生最大 转矩。 一l ? j i f 碧趁 、 图2 - 2 只有三片换向片的直流电动机模型 f i g u r e 2 2d cm o t o rw i t ht h r e ec o m m u t a t i n gc h i p s 在直流无剧电动机中，磁极在转子上，定子三绕组分别通过各自反 并联的开关管同直流电源相接，如图2 3 所示。如果按电枢绕组与磁极 的相对位置，由位置传感器控制，依次触发开关管6 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ， 并使每个丌关管导通1 2 0 。时间后关断。可见，它与三片换向片的直流 北京交通人学硕上学位论文第二章直流无刷电射l 及其无位置传感器挣制的工作原理 电动机中电枢电流导通的情况完全相同。如果通过位置传感器的调整， 使得磁极与各相绕组在恰当的相对位置时发出触发信号，使各相电流和 三片换向片的直流电动机中的电流相同，那么它们将产生完全一样的转 矩，这就是直流无刷电动机的工作原理。由上述分析可知，三相直流无 刷电动机等效于三片换向片的直流电动机，因而它具有直流电动机的特 性。 功率变换器 电机 图2 - 3 三相直流无刷电动机系统示意图 f i g u r e 2 3 s k e t c hm a po f3 p h a s eb l d c m 为了更加清晰地阐述直流无刷电动机的工作原理和特点，下面以三 相星形绕组全控桥为例，来加以简要说明。图2 3 为三相直流无刷电动 机全控桥系统示意图，由六只功率开关管t 1 ，t 2 ，t 3 ，t 4 ，t 5 ，t 6 构 成功率逆变器。它的运行原理简述如下： 当转子处于图2 4 ( a ) 所示的位置时，功率开关t l ，t 6 导通，电 流从a 相绕组流入，b 相绕组流出，此时a ，b 两绕组电流产生的合成 北京交通人学硕士学位论文 第二帝直流无剧电机发其无位置传感器控制的工怍原理 电枢磁动势f a 与磁场b r 之间的夹角为1 2 0 。电角度，两者互相作用产 生电磁转矩，该转矩使转子逆时针方向旋转。随着转子的转动，转子磁 场b r 与定子磁动势f a 之间的夹角逐渐减少。当转子磁极旋转到定子磁 动势f a 与转子磁场b r 之间的夹角为6 0 。电角度时，定予绕组开始换 流，由t 1 ，t 6 导通变为t l ，t 2 导通，此时定子磁动势f a 跳跃前进6 0 。电角度变成图2 4 ( b ) 中所示的