（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的电动高尔夫球车数字化驱动系统的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r i cg o l fc a r ti sa ni m p o r t a n tb r a n c ho ft h es m a l le l e c t r i cv e h i c l e ；i tc o n c e r n sv e h i c l e e n g i n e e r i n g ，m o t o ra n di t sd r i v i n gc o n t r o l ，e l e c t r o c h e m i s t r ya n do t h e rc r i t i c a lt e c h n o l o g y w h i c hr e l a t e st oi t i t su n i q u ep r o s p e c tm a k e sa c a d e m i ca n de n g i n e e r i n gc o m m u n i t yp a ym o r e a t t e n t i o nt oi ta th o m ea n da b r o a d t h et w oi n w h e e l sd r i v e ne l e c t r i cg o l fc a r ts t a n d sf o ro n e k i n do fs m a l le l e c t r i cv e h i c l e ，w h i c hh a sr e p r e s e n t e do n eo ft h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o n sf o r f u r t h e rs m a l le l e c t r i cv e h i c l e s ，a n dt h ed i g i t a ld r i v e nc o n t r o li st h ei n e v i t a b l et r e n di nt h e d e v e l o p m e n to ft h es m a l le l e c t r i cv e h i c l e t h ep a p e rb e g i n s 、析t hab r i e fd e s c r i p t i o na b o u te v s e l e c t r i cg o l fc a r t sr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ti n t h es t a t u sq u o ，t h e n ，p o i n t so u tt h eb a c k g r o u n da n dt h eb a s i so ft i t l e l e g i s l a t i o n c o m p a r e dw i t hs e v e r a lt y p e so fm o t o rw h i c ha r eu s e df o re l e c t r i cv e h i c l e s ，t h e p e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s sd c m o t o ri so n eo ft h eb e s td r i v e nm o t o r sf o re l e c t r i cg o l fc a r t ， a n dt h i sk i n do fm o t o rh a sg o o dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t a f t e rt h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e s t h es e m i c o n d u c t o rs w i t c h e sa n dt h ed e v e l o p m e n to fm o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y o fc o u r s e ，t h e p r o b l e mi nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cg o l fc a r ti sa l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r t h e s t r u c t u r ea n d o p e r a t i n gp r i n c i p l eo fb l d c m i sd i s c u s s e dn e x t t h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o ft h em o t o r , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt r a n s f e rf u n c t i o n sa r ep r e s e n t e d a f t e r w a r d st h e d o u b l ec l o s e d - l o o ps p e e dm o d u l a t i o nc o n t r o li si n t r o d u c e da sw e l l b ya n a l y z i n gt h e c o o r d i n a t e dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ee l e c t r i cg o l fc a r td r i v e nb yt w ow h e e lh u bm o t o r s ，t h e p a p e rd e d u c e st w ow h e e lh u bm o t o r s s p e e dd i s t r i b u t i o n s i n c et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ah a st w o e v e n t sm a n a g e r , i t se a s yt oe s t a b l i s ht w or e a r - w h e e l si n d e p e n d e n td r i v e nc o n t r o ls y s t e mb y t h i sc h i p b e s i d e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i s p a p e r a n dt h ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do nt os h o wi t sv a l i d i t y a f t e ra l l ，as u m m a r yo fa l lt h e w o r kd o n ei nt h i st h e s i si sp r e s e n t e d ；s o m ef e a s i b l es u g g e s t i o n sa n dp r i m a r yb l u e p r i n tf o rt h e f u t u r ea r ea l s oo f f e r e d t h i sp a p e rc o m e sf r o mr e l a t e dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n dm yo w n e x p e r i m e n t si nm o t o r d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m a n dt h ec o n t r o ls y s t e mi sp r o v e dt ob ee f f e c t i v eb ye x p e r i m e n tr e s u l t s c o n s e q u e n t l yt h i sp a p e rh a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et ot h ef u r t h e rs t u d y i n go fe l e c t r i cg o l f c a r t k e y w o r d s ：e l e c t r i cg o l fc a r t ，b l d c m ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，w h e e lh u bm o t o r 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。尽我所知，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，也不包含本人为获得江南 大学或其它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。 签名： 旌垂姿 日 期：竺z 叠塑! ! ! 关于论文使周授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学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，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， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 丝垒塾导师签名：巫丛 日 期：坦z 至细塑 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着当今世界环境与能源双重危机的加剧，人类的环保观念和节能意识日益增强， 对汽车排放标准的要求也越来越高，促使相关科研人员致力于减少汽车排放的研究，开 发无污染的新能源汽车。电动汽车可实现零污染排放，而且电能来源途径多样化，因此 推广使用电动汽车是解决能源短缺和环境危机的有效途径之一。电动汽车作为燃油汽车 的替代产品，是汽车技术革命的重要内容，是2 1 世纪汽车工业发展的主要潮流。在电 动汽车领域，日本丰田和美国通用可以说是独领风骚，美国的通用福特公司日本的丰田、 日产及本田公司，欧洲的奔驰、雪铁龙公司都在电动汽车的研制与开发上显示了很强的 实力。眼下，电动汽车正迅速从研制试验阶段走向商品生产及应用阶段，但纯电动汽车 由于受到电池续航能力、充电时间的困扰，目前还没有一款非常完善的产品推向市场j 。 我国发展电动车产业也取得一定成绩。随着全球能源危机的不断加深，石油资源的 日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，我国政府及汽车企业普遍认识到节 能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这两个技术难点的最 佳途径。电动汽车由于具有环保特性，因此代表着汽车产业未来的发展方向。据相关资 料显示：我国虽然在传统汽车领域落后于发达国家近二三十年，失去了追赶的机会，但 在电动汽车领域，我国与国外的技术水平和产业化程度差距相对较小，基本处在同一起 跑线上，并有机会在该领域获得重要席位。这也为我国汽车工业技术实现跨越发展提供 了一次历史性的机遇，更重要的是我国还有后发优势。我国“八五”以来电动汽车被正式 列入国家攻关项目，对电动汽车的投入显著增加。我国的汽车企业和高校、科研院所等 2 0 0 多家单位投入了大量的人力、财力和物力研发电动汽车，并取得了一系列科研成果。 开发电动汽车项目也被列入了国家“九五”、“十五”与“十一五”期间重大科技产业工程项 目中。科技部又于2 0 0 1 年启动了电动汽车重大科技专项，使我国电动汽车技术水平和 产业化程度与国外处在同一起跑线上。我国电动汽车的研发已具备一定的基础，一些企 业在2 0 世纪9 0 年代中期就推出了电动汽车样车。目前，我国在燃料电池汽车、混合动 力电动汽车、纯电动汽车等多个领域的自主研发中不断取得突破，已经具备了一定的基 础，在车用电池的攻关上已经取得了群体性突破，使我国在电动汽车领域初步构建起自 主知识产权技术体系，通过开发自己的电动汽车，申请专利，制定相关技术标准，保护 自己的汽车工业，并有望为中国汽车工业开拓新的增长点，展示了电动汽车技术的未来 发展前景i 】。 电动高尔夫球车作为一种特殊的小型电动汽车，是融合了现代电力电子技术、微电 子技术、电机及其驱动技术和新材料技术等多种高新技术的综合产品。电动高尔夫球车 是高尔夫球场上短距离、低速出行的理想交通工具，其品种和车型也很多，在国外发展 非常迅速，根据美国纽约的“国家竞争评估公司i c a ( i n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i v e a s s e s s m e n t s ) 的调查，在北美2 0 0 5 年高尔夫球车类型的电动车辆总交易量超过6 2 万 江南大学硕十学位论文 辆，而且呈现不断增长的趋势。近年来我国高尔夫产业发展非常迅速，电动高尔夫球车 产业将面临巨大的商机。尽管传统的燃油高尔夫球车仍在当今市场上占据一席之地，但 是发展清洁无污染、低噪声的电动高尔夫球车已是大势所趋，相信在不久的将来燃油高 尔夫球车必将被电动高尔夫球车淘汰。 1 2 高尔夫球车驱动相关技术的发展状况 1 2 1 高尔夫球车驱动电机的特点及选型趋势 电动高尔夫球车驱动系统非常复杂，对电机的运行性能要求自然也就比较高，它的 驱动电机一般要满足以下条件： ( 1 ) 起动转矩大，过载能力强、过载系数应为3 - 4 倍，加速性能良好，使用寿命长。 ( 2 ) 有宽广的调速范围，包括恒功率区和恒转矩区。在恒功率区，要求低转矩时具 有高的速度；在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动及爬坡的要求。 ( 3 ) 应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高蓄电池1 次充电的续驶里程。 ( 4 ) 可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行 时噪音低，使用维修方便，价格便宜等。 早期开发的电动高尔夫球车主要采用有刷直流电动机来驱动，其优点是它的调速性 能好、技术成熟，即使到现在，仍有一些电动高尔夫球车上使用直流电动机。但有刷直 流电动机体积与质量大、价格昂贵，且存在电刷与机械换向器，不仅限制了电动机的过 载力能与速度的进一步提高，而且运行时碳刷和换向器会产生火花，长期运行需要维护 电刷磨损又会带来麻烦。另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，限制了电机转 矩质量比的进一步提高。鉴于直流电动机存在以上缺陷，在新研制的电动高尔夫球车上 已基本不采用直流有刷电动机。 随着电子技术的迅速发展和交流调速技术的逐步成熟，在电动高尔夫球车上开始广 泛采用交流感应电动机。交流感应电动机其定子和转子采用硅钢片叠压而成，定子之间 没有相互接触的滑环、换向器等部件，结构简单，运行可靠，经久耐用，便于维护，而 且其效率和功率密度均比直流电机高。在车载电池容量较小的情况下，选择效率更高、 体积更小的交流感应电动机对改善电动高尔夫球车的续使里程尤为重要。但是交流感应 电动机也有不足之处，它的转子发热损耗较大，电动机的功率因数较低，使得变频调速 装置的输入功率因数也较低，因此需要采用较大容量的变频调速装置，交流感应电动机 控制系统的造价远远高于交流感应电动机本身，增加了电动高尔夫球车的成本，而且交 流感应电动机的调速性能也不好。 开关磁阻电动机( 又称为s r 电机) 是一种新型电动机，其转子无绕组，也不加永 久磁铁，定子为集中式绕组，比传统的直流电机和感应电机都简单，制造和维护方便， 它的损耗小，运转效率高，低速时可提供很大的转矩，而且功率变换器比较简单，主开 关元件数较少，成本低，在高尔夫球车等电动汽车驱动领域有很好的发展前景。开关磁 阻电机也存在不足之处，由于其磁极端部的严重磁饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，使 开关磁阻电机设计和控制非常困难，而且开关磁阻电机的震动和噪声较大。 2 第一章绪论 永磁无刷直流电动机是近年来随着电力电子器件及新型永磁材料而迅速发展成熟 的一种高性能的新型电机。它采用功率电子开关和位置传感器代替电刷和换向器，既保 留了直流电机良好的运行性能，又具有交流电机结构简单，运行可靠，维修简便的特点。 同时，永磁无刷直流电动机系统具有较高的能量密度和效率，在电动高尔夫球车中有着 很好的应用前景。当然，永磁无刷直流电动机也有不足之处，永磁材料在受到振动、高 温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电机的性能， 严重时还会损坏电动机，在使用中必须要进行过载保护。 以上简要介绍了在高尔夫球车驱动系统中应用较为典型的四种电动机的优缺点，根 据电动车辆电机驱动系统要求电机调速性能好，起动转矩大，结构简单，损耗小，运转 效率高等特点，并结合研究任务，选定永磁无刷直流电动机作为驱动电机，对电动高尔 夫球车驱动控制系统进行研究和设计【7 】。 1 2 2 功率驱动周半导体器件的发展状况 电力电子技术是电动高尔夫球车的核心控制技术之一，电力电子器件的特性对电动 高尔夫球车的性能有很大的影响，如何选择合适的器件以适应不同的电气驱动系统。从而 使功率变换器获得尽可能高的效率，这是一个非常重要的问题。 第一代电力电子器件半控型器件。上世纪5 0 年代，美国通用电气公司发明的硅 晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。此后，晶闸管( s c r ) 的派生器件越来越多， 到了7 0 年代，已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控 型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低( 一般低于 4 0 0 h z ) ，严重限制了它的应用领域。此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整 体重量和体积增大、效率和可靠性降低。目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为 主。 第二代电力电子器件全控型器件。随着关键技术的突破以及需求的发展，早期 的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控 型器件可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自7 0 年代后期以来，可关 断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r 或b j t ) 及其模块相继实用化。此后各种高频全控型器 件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有电力场控晶体管( 即功率m o s f e t ) 、绝 缘栅极双极晶体管( i g t 或i g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 和静电感应晶闸管( s i t h ) 等。 现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展，电力电子模块化是 其向高功率密度发展的重要一步。近年来将保护和驱动电路与i g b t 器件封装在一起形 成的智能功率模块( i p m ) 获得了迅速发展。目前最新的智能功率模块产品已用于高速 子弹列车牵引这样的大功率场合。电力电子器件的蓬勃发展为电动的发展提供了新的活 力。m o s f e t 和i g b t 目前在电动高尔夫球车电机控制系统中应用的比较广泛，m o s f e t 适宜用于驱动中小功率的变换器；i g b t 是电力m o s f e t 与g t r 的复合型器件，其高 输入阻抗、高开关速度和低导通损耗等优点，在现实电机驱动控制中应用的也比较多， 不过对它的驱动和保护十分重要，如果m c t 的性能继续提高和商品化，则是替代i g b t 的最好器件m l 。 江南人学硕十学位论文 1 2 3 电机控制技术的发展状况 电机控制的基本手段就是如何控制p w m 波形，使得功率控制器件输出的电压和电 流波形能满足电动机高性能运行的要求。可控性功率控制器件的不断进步为电动机控制 系统的完善提供了硬件保证，尤其是新的可关断器件的实用化，使得高频、高压、大功 率p w m 控制技术成为可能。直流电动机由于控制简单、调速平滑、性能良好，在早期 的电动机驱动领域一直占据主导地位。早期对直流电机主要采用开环控制，这在对直流 电机控制精度要求不高的场合还基本能满足要求。随着速度及位置检测元件在电机控制 领域的应用，半闭环位置控制系统和高精度的全闭环位置控制系统逐渐取代开环控制系 统。 直流电机固有的机械结构特点使它具有难以克服的缺点，随着电力电子技术、微电 子技术和稀土永磁材料的飞速发展，高性能电动机控制系统技术不断更新，成本不断降 低，新型电动机不断出现，交流电动机驱动系统不断地取代直流电动机控制系统。与直 流电机相比，交流电动机是多变量，强耦和的非线形系统，要实现良好的转矩控制非常 困难。2 0 世纪7 0 年代德国工程师f b l a s c h k e 首先提出异步电动机矢量控制理论来解决交 流电机转矩控制问题。1 9 8 5 年，德国的d e p e n b r o c k 教授提出了异步电动机直接转矩控制 方法。近年来，矢量控制和直接转矩控制技术不断发展，且有各自不同的应用领域。随 着现代控制理论和电子技术的发展，各种控制方法和器件不断出现。目前，异步电动机 矢量控制技术、直接转矩控制技术乃至无传感器的直接转矩控制技术已实用化，人工神 经网络、自适应控制状态观测器等方法己得到广泛采用。未来，交流电机控制技术将随 控制理论、计算机技术和电子技术的发展，围绕解决异步电动机非解藕性及参数依赖性 等问题，致力于新的控制策略、器件及系统的研究。采用高速电动机控制专用d s p 、嵌 入式实时软件操作系统，开发更实用的转子磁场定向方法和精确的磁通观测器，使变频 器获得高起动转矩、高过载能力，将是未来矢量控制技术的重要发展方向。无速度传感 器的交流异步电动机驱动系统和永磁电动机驱动系统控制也是开发热点之一。永磁电动 机驱动系统由于它的高效、高功率因数、高可靠性而得到越来越多的关注，无刷电动机 的无位置传感器控制和正弦波电流控制，在应用方面己趋成熟p 。1 。 未来，具有更高速、方便的周边功能模块的电机专用d s p 是电机控制微处理器的方 向；直接集成f p g a 、c p l d 等大规模逻辑器件，将两者的优势相结合，设计混合式 c p u d s p 也是发展方向之一。更高效的支持c c + + 等高级语言编程、采用更强大的集成 调试环境、从硬件上更好地支持实时在线调试将是应用是软件方面的发展方向。 1 3 电动高尔夫球车研究和开发中存在的问题 近年来，电动高尔夫球车的研究和丌发虽取得了一定的进展，但还存在如下的一些 技术难题亟待解决： ( 1 ) 蓄电池一次充电续驶里程太短，这主要是由于电池的比能量低。 ( 2 ) 蓄电池充电时间长，通常需要8 1 0 小时才能完成；电池的循环寿命短、更换率 4 第一章绪论 高。 ( 3 ) 电动高尔夫球车的动力性能还不够理想，电机驱动控制系统和球车专用驱动电机 的技术还不成熟。 ( 4 ) 多电机独立驱动系统中的电子差速控制理论有待完善。 由此可见，制约电动高尔夫球车发展的瓶颈是蓄电池、电机及其驱动控制技术。电 机驱动控制技术的发展是提高球车动力性、续驶旱程和可靠性的保证。尤其是在目前蓄 电池技术未取得突破的背景下，电机驱动控制技术的研究是提高续驶里程并使之实用广 泛化的关键。 1 4 论文拟作的主要工作 根据电动高尔夫球车电机驱动系统的特点，本文采用两台永磁无刷直流轮毂电机作 为驱动电机，建立了高尔夫球车电机驱动控制系统；该论文主要对电动高尔夫球车驱动 用的两台永磁无刷直流电机的数字化控制技术进行研究。本论文拟做的主要工作包括： ( 1 ) 对驱动电机的结构及原理进行分析，研究它的数学模型、机械特性和传递函数， 建立驱动电机的双闭环调速系统。 ( 2 ) 对后轮独立驱动的高尔夫球车双轮毅电机的速度协调控制策略进行研究，通过 球车转向行驶模型推导出两驱动轮的速度分配状况。 ( 3 ) 设计电动高尔夫球车数字化驱动控制的硬件与软件系统。 ( 4 ) 对建立的高尔夫球车数字化驱动控制系统进行试验，并对实验结果进行分析。 本文的内容安排如下： 第一章，阐述了本论文研究的背景及选题意义，介绍了高尔夫球车电驱动相关技术 的发展现状，并分析了高尔夫球车研究和开发中存在的问题。 第二章，具体分析了永磁直流无刷电机的结构原理和运行特性。 第三章，详细介绍了后轮独立驱动的高尔夫球车双电机协调控制策略。 第四章，设计了基于d s p 的电动高尔夫球车驱动控制系统的硬件电路。 第五章，基于d s p 的球车驱动控制系统的软件设计，通过实验论证了方案的可行 性和实用性。 第六章，首先对本文的工作进行了总结，然后对后续研究工作做了展望。 第一二章永磁无刷直流电机的结构及运行特性 第二章永磁无刷直流电机的结构及运行特性 永磁无刷直流电机是近年来随着电力电子器件及新型永磁材料的迅速发展而产生 的一种新型电机，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便，又具备直流电机 良好的调速性能而没有机械式换向的优点，现已被广泛应用于数控机床、航空航天、计 算机外围设备、电动汽车等高科技领域中。电动高尔夫球车要频繁地起动、加速、制动， 系统能量利用效率高，永磁无刷直流电机能够很好地满足这些要求，是理想的电动球车 驱动用电机之一。 2 1 永磁无刷直流电机的结构 2 1 1 永磁无刷直流电机及其基本工作原理 永磁无刷直流电机与永磁同步电机的结构相似，定子结构与普通的同步电机及异步 电机相同，铁心中嵌放对称多相绕组，绕组可结成星形或三角形。由于转子采用永磁结 构，所以无刷直流电机没有励磁损耗，比传统的交直流电机体积小、效率高。这种结构 的电机根据磁路结构和永磁体的形状不同，其气隙磁场波形可以是方波、梯形波或者正 弦波，电机运行时对应的反电势波形也为方波、梯形波以及正弦波。通常，反电势为正 弦波的电机叫做永磁同步电机，反电势为方波或梯形波的电机称为永磁无刷直流电机。 永磁无刷直流电机主要由永磁电机本体，转子位置传感器和功率电子开关三部分组 成，无刷直流电动机为了去掉电刷，采用电子开关与位置传感器进行电子换相，便将电 枢绕组放到定子上，而转子做成永磁体，其结构正好与普通直流电动机相反。即使这样， 定子上的电枢绕组通入直流电以后，只能产生不变的磁场，电动机依然不会转动。为了 使电动机的转子转动起来，则必须使定子电枢绕组的各相绕组不断地换相通电，方能使 定子磁场随着转子的位置在不断地变化，让定子磁场与转子永磁磁场始终保持9 0 。左右 的空间角，产生转矩推动转子旋转。图2 1 所示为直流无刷电机工作原理框图，直流电 源通过功率电子开关( 如m o s f e t ，i g b t ) 向电动机定子绕组供电，由位置传感器检 测电动机转子位置并发出电信号去控制功率电子开关的导通和关断，从而改变电枢绕组 的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向保持不变使电机转动【1 2 06 l 。 图2 1 永磁无刷直流电机原理图 f i g 2 1t h ep r i n c i p l eo fb l d c m 三相直流无刷电机采用二二导通、三相六状态p w m 调制方式，电机定子绕组轴向 示意图如图2 2 所示。 7 江南人学硕士学位论文 a - c _ 一 ab c 图2 2 永磁无刷直流电机定子绕组轴向示意图 f i g 2 2t h es c h e m a t i co f l d c m sa x i a ls t a t o r 当电流从a 到b 时，定子绕组产生的磁场为图2 2 中a b 方向，如果电机顺时针 运行，此时，永磁转子磁场应位于i i i 区，产生的扭矩最大。当转子转过i i i 区和i v 区 的交界，到达i v 区时，定子绕组电流应相应改变成为从a 到c ，即产生的磁场成为图 2 2 中a c 方向。这样，定子磁场总超前转子磁场约9 0 0 ，使转子不断的向前跟进。实 现这个过程的关键是取得转子位置，在转子分别位于图2 2 中的i 到v i 各区时，输出信 号相应为：0 1 1 、0 0 1 、1 0 1 、1 0 0 、1 1 0 、0 1 0 。这样，通过捕捉编码器任一路输出上的跳 变沿，读取跳变沿后的编码器输出状态，就可以确定转子的新位置，实现定子绕组电流 换向。同时，利用定时器检测两次换向之间的时间间隔，计算出电机运行的速度，再通 过调整p w m 信号的占空比，调整定子电流，实现调速。 2 1 2 转子位置传感器 转子位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，它为逻辑开关 电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换为电信号，然后去控制定 子绕组正确换相。位置传感器的种类很多，且各具特点。目前，在直流无刷电动机中常 用的位置传感器有以下几种类型： ( 1 ) 光电式位置传感器 采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了 光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或者小灯泡。转子旋转时， 由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇性产生脉冲信号。 光电式位置传感器的性能相对比较稳定，但存在光源灯泡寿命短、使用要求较高等缺陷， 若采用新型光电元件，可克服这些不足之处。 ( 2 ) 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测量的，主要有开口变压器、铁磁 谐振电路、接近开关等多种类型，在无刷直流电动机中，用的最多的是开口变压器。电 8 第二章永磁尢刷直流i 乜机的结构及运行特性 磁式位置传感器具有输出信号大、工作性能可靠、寿命长、使用环境要求不高、结构简 单和紧凑等优点，但是这种传感器的信噪比比较低，体积较大，同时输出信号为交流， 一般需要整流、滤波以后才能使用。 ( 3 ) 磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器利用电流的磁效应进行工作，所组成的位置检测器由与转子同极 数的永磁检测转子和多只空间均匀的磁敏元件构成。目前，常见的磁敏传感器有霍尔元 件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。本文介绍的高尔夫球车驱动控制 系统中无刷轮毂电机的位置传感器就采用霍尔集成磁敏式位置传感器。 除了上述介绍的三大类位置传感器外，还有正余弦旋转变压器和旋转编码器等多种 位置传感器。但是，这些元件成本较高，体积较大，而且所配电路复杂，因而在一般的 直流无刷电动机中很少采用i l 川。 2 1 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。与一般逆变器不同的是，直流无刷电机逆变器的输出频率 不是独立调节的，而是受控于转子位置检测信号，是一个自控式逆变器。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 有桥式和半桥式两种，电机电枢绕组只允许单方向通电的电路，属于半控型逆变器；电 机电枢绕组允许双向通电的电路，属于全控型逆变器。主电路电枢绕组既可以接成星形 也可以接成三角形，因此电枢绕组与逆变器主电路的连接可以有多种不同的组合。虽然 电枢绕组与逆变器的联结形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态和三相星型 三状态。早期的直流无刷电动机的逆变器多由六个晶闸管组成，由于其关断要借助反电 动势或电流过零，造成换流困难，而且晶闸管开关频率较低，使得逆变器只能在较低频 率范围内工作。随着新型可关断全控型电力电子器件的发展，现在的逆变器在大功率、 低频率时多由g t o 、g t r 等器件组成，在中小功率的电动机中逆变器多由功率m o s f e t 或i g b t 构成，具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。本系统驱动电机的 功率属于中小功率范围，采用功率管i r f 2 8 0 7 ( m o s f e t ) i ：匕较合适，每个电机由三相全桥 逆变器驱动。 2 2 永磁无刷直流电机的数学模型 永磁无刷直流电动机由三相定子绕组、逆变器、永磁转子、转子磁极位置检测器等 组成，其转子采用永磁体，进行特殊的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，定子采用 整距集中绕组，由逆变器供给方波电流。由于电机反电势为梯形波，包含有较多的高次 谐波，并且直流无刷电动机的电感为非线性，因此，采用d 、q 变换理论进行分析比较 困难，若直接利用电动机原有的相变量来建立数学模型将比较简单，而且能够获得准确 的结果。为简化分析作以下假设： ( 1 ) 定子绕组为6 0 度相带整距集中绕组，星形( y ) 联接。 9 江南人学硕十学位论文 ( 2 ) 磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。 ( 3 ) 忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子的内表面。 ( 4 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用。 此时无刷直流电动机的等效电路图如图2 3 所示： u a u b u c 图2 - 3 无刷直流电动机等效电路图 f i g 2 - 3e q u i v a l e n tc i r c u i to fb l d c m 于是，无刷直流电动机三相定子电压的平衡方程式可用下列状态方程表示： -t0 0i 1 0 0 愿 不i + 尸i 乞 i尽ll 乏li 乇 k 厶k 乞乞 ( 2 1 ) 式中，为三相定子电压；愿为定子每相绕组电阻；，如，t 为三相定 子电流；p 为微分算子( p = d d t ) t ，l b ，k 为三相绕组的电感；l a b ，k ，l f ，t _ ， ，厶c 等为定子绕组间的互感；，e c 为三相定子电动势。 由于永磁材料的导磁率十分接近于空气，因此对于表面式永磁转子，可以忽略永磁 体的磁极效应，视为隐极电机，于是三相绕组的自感为常数，对称的三相绕组间的互感 也为常数，两者均与转子位置无关。即有： k lk 篡l 群l 芒：l o b ：m 亿2 ， 【一b = k = 一c = 如2b c = = p 一7 若定子三相绕组为y 连接，且无中线，则有： 乙+ + 芒20(23) 可得： m i 占+ m i c = 一m i 4( 2 4 ) 将( 2 2 ) 和( 2 4 ) 式代入( 2 1 ) 式可以得到电压方程式为： 1 0 第二章永磁无刷直流电机的结构及运行特性 又由 z 2 谚p 可知永磁无刷直流电动机电磁转矩的表达式为： 瓦= ( e a i a + + 吃芒) q 在通电期间，直流无刷电动机的带电导体处于相同的磁场下， 势为： ( 2 7 ) ( 2 8 ) 各相绕组的感应电动 e = ( f p n 6 0 ) 0 。 ( 2 9 ) 式中，z 为电动机的转速；为总导体数；。为主磁通。 从逆变器的直流端看，星形联结的直流无刷电动机感应电动势易由两相绕组经逆 变器串联而成，所以有： 局= 2 e , = ( n p n 3 0 ) 。疗 ( 2 1 0 ) 因此电磁转矩的表达式可化为： t = ( 2 e l ) q = ( n p n 石) 。厶 ( 2 1 1 ) 式中l 为方波电流的幅值，即逆变器的直流测电流；而q = 2 万刀6 0 。 由式( 2 1 1 ) 可以看出，直流无刷电动机的电磁转矩表达式和普通直流电动机相同， 其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，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。当送入1 2 0 。电角度的三相方波电流；并使每相感应电动势同 相( 与转子磁动势相差9 0 。) 时，直流无刷电动机的转矩脉动等于零。 永磁无刷直流电机的转子运动方程为： t 。：t l + r q + j 票 ( 2 1 2 ) 式中t 为电动机的负载转矩；r 为机械黏滞系数；为电动机的转动惯量。以上分 析的就是三相无刷直流电动机完整的数学模型1 1 8 】f l 9 】。 2 3 直流无刷电机的机械特性和传递函数 永磁无刷直流电机定子绕组相电势幅值为： p e = 国y = 2 7 r f n p = 2 j r 景l 甩= c e 聆 ( 2 1 3 ) o u 式中e = 2 万品1 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的压降，而且1 2 0 。导通型逆变器的输出电压幅值 11 泸寺，则电机电势e 与外加电压相平衡，u = e + 去l 磁，即： 11 寺= c ：刀+ 丢i 恐 ( 2 1 4 ) 江南人学硕十等：位论文 去( 一l 尺z ) n = 互j - ( 2 1 5 ) c 。 、 。 式中b 为回路等效电阻，包括电机两相电阻和管压降等效电阻，c 为流过电机的电 流。 在式( 2 1 1 ) 中，巨= 去( 一l 垦) ，则将式( 2 1 3 ) ，( 2 1 5 ) 代入( 2 1 1 ) 可得： 乙= 2 n , 啦 ( 2 1 6 ) 将( 2 16 ) 代a ( 2 15 ) 可得直流无刷电机的机械特性为： ，z = 旦2 c e l l ) 一杀z = 去2 c e 一志4 c e n , e ( 2 1 7 ) 2 e 2 1 8 2 。 、。 式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 7 ) 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，还可证明，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的转 速公式完全一样，无刷直流电机的转速调节可通过改变直流两端电压来实现。 直流无刷电机的运行特性和传统直流电动机的运行特性基本相同，其动态结构图可 以采用直流电机通用的动态结构图表示，如图2 4 所示。 图2 4 直流无刷电机动态结构图 f i g 2 - 4 t h ed y n a m i cs t r u c t u r eo fb l d c m 由直流无刷电机的动态结构图可以求得其传递函数为： 以曲2 惫叭d 一惫瓦 ( 2 18 ) 其中：k 为电动势传递函数，k 1 = l c ，e 为电动势系数，k ：为转矩传递函数， k 2 = r c c , ，r 为电动机内阻，c 为转矩系数，乙为机电时间常数，乙= r g d 2 1 3 7 5 c 。c , ， g 为转子重量，d 为电机转子的直径。 2 4 直流无刷电机的换相和p w m 信号的分配 由直流无刷电动机的调速原理知道，直流无刷电动机定子的方波电流与转子位置有 严格的对应关系，受转子磁极位置检测信号的控制。高尔夫球车电机驱动系统采用三相 全桥驱动形式，绕组两两换相方式，根据绕组换相方式找出三个转子磁钢位置传感器信 号的相对相序及其与转子实际位置的关系，进一步推导出它们与6 只功率开关管导通之 间的关系，然后由控制单元进行p w m 波形的产生与分配。位置信号使用霍尔型转子位 置检测器，其输出为三相互差1 2 0 。电角度、宽1 8 0 。电角度的矩形波，定子各相绕组 1 2 第一二章水磁无刷直流电机的结构及运行特性 在工作气隙内所形成的磁场是跳跃式的。图2 5 中，( a ) 为三相逆变桥，( b ) 中p a 、p b 、 p c 为三路转子位置信号，经位置信号处理单元后就可得到逆变器功率开关的使能信号， 如图( c ) 所示。由于电动机所处的运行状态不同，使能信号所对应的功率开关管也不同。 因此，必须经过运行状态( 正反转、电动、制动) 判别后，再经由控制逻辑单元把使能信 号与p w m 信号分配给各个功率开关管，使能信号与p w m 相“与 后，输出到驱动电 路，控制功率管的导通与关断。 这里需要注意的是，在直流无刷电机反向电动运行时，转子位置检测器的三个位置 信号的相序也发生了变化，在分析反向电动换相与p w m 信号分配时应多加小心【l7 1 。 v o v 0 o ( a ) p a 18o o 3 b o o p b l2 0 o 3 00 o p c 6 0 o 2 4 0 o 4 2 0 o ( b ) v1v1 v3 v5 v6v6 v2 l v 4 i 1 2 0 o 2 4 0 o 3 6 0 o t t t ( c ) 图2 - 5 直流无刷电机换相波形图 f i g 2 - 5t h ep h a s ew a v e f o r m so fb r u s h l e s sd cm o t o r t + t t t t 国 江南人学硕士学位论文 2 5 无刷直流电机的双闭环调速控制 无刷直流电动机转速、电流调节的速度反馈从位置传感器的输出信号获得。由于每 两个换相信号之间相差6 0 。电角度，因此电动机的转速可用下式表述： c o ：竺 ( 2 1 9 一) = l z ij = f 式中a 0 为转子在两个换相信号之间转过的机械角度；r 为两个换相信号之间的时 间差。 由于霍尔传感器的位置相对于电动机固定不变，在每两个换相信号之间，电动机转 过的角度是一定的，所以通过计算两个换相信号之间的时间差，就可以得到电动机的转 速大小。 为了保证转速检测的准确性，在实际系统中，显示部分显示的速度其实是国，即数 个相邻测量值的平均值，图2 - 6 为数字控制转速p i 调节流程图。 ，_ 、 ( 速度p i 调节) 土 读取速度给定值n 水 r 计算偏差ec k o = n 一j ，2 上 计算 力= 弓 g 一e ( k t 一力 r 计簋q ( k t ) = 辟 毋 r 计算a ( 1 m = ( k t ) + r 】i ( k t ) j r 处理防积分饱和 ， 根据i 1 ( k t ) 给出电流给定i ( k ) i ( 结束) 图2 - 6b l d c m 转速调节流程图 f i g 2 6t h ef l o wc h a r to fb l d c ms p e e da d j u s t m e n t 无刷直流电动机调速采用双闭环控制，转速调节是外环，电流调节为内环，两个环 节都采用p i 调节器。无刷直流电动机转子转速估算的目的是为了实现转速调节计算出 1 4 第二苹水磁无刷直流电机的结构及运行特性 电枢电流的指令值。无刷直流电动机的电磁指令值与电枢绕组电流指令值成正比，因此 有了电枢绕组电流指令值，便可以根据转子位置霍尔信号确定定子电枢绕组的正确导通 顺序，最终根据实际电枢绕组电流检测值确定定子电枢绕组导通所需要的电压平均值， 即p w m 信号的占空比。电流调节器就是为了确定并更新电压平均值或p w m 信号的占 空比。 电流调节过程中还有一个物理量也是必不可少的，即直流母