（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp无刷直流电动机模糊控制系统的研究.pdf

s u b j e c t la s t u d yo ff u z z yc o n t r o ls y s t e mo fb l i ) cm o t o rb a s e d0 1 1 i s p n 即a 嘲m e 姆：y a n gy 到u l i a 洒& 咖8 幽( s i g n 如a n t u 。b 丛 t 哟幽坐：竺 i n s t r u c t o r ：s u nl o n g j i e ( s i g n a t u r e a b s t r a c t b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) h a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o n si ni n d u s t r i a le n v i r o n m e n t s b e c a u s ei tp o s s e s s e so t h e rm o t o r se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ss u e l aa ss i m p l es i 矾k 血e 1 e a s s u r i l l g r u n n i n g , c o n v e n i e n tm a i n t c n 蛐c ea n dh i g he 瓶e i e n e y i no r d e rt o 们，e 啷ct h es h o r t c o m i n g so ft h eb i ，d c m sn o n l i n e a r i t ya n dm o d e l u n c e r t a i n t y , t h i sp a p e rd i s c u s s e sad e s i g ns o l u t i o no fe n l m e i n gb l d c mp e r f o r m a n c e sb y u s i n go n l i n 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 rb a s e do i ls t u d y i n gt h eb l d c m sw o r kp r i a e i p l e d e e p l y 1 1 圮t w od i m e n s i o n sf u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dw h i c ht a k et h e o ra n de l t o l d i f f e r e n t i a t i o n 嬲i n p u tv a r i a b l e st ot u t h et h r e ep a r a m c t e r sk p k ia n dk do nl i n e n l i s s y s t e ma d o p t sd s p f o rt h ed i g i t a lf u z z y - p i da l g o r i t h mb e c a u s et h e r ea 托m u c hd a t at od e a l b a c k e m fz e r oc r o s s i n gd e t 硎o ni sa d o 口t c dt od e t e c tr o t o r sp o s i t i o nc o n s i d e r i n go f t h e c h a r a c t e r i s t i co fn o - m a e l a i n ep o s i t i o ns c n s o r o 砸sd i 船e t l l t t i o nd e s i g nt h ee o n l r o ls y s t e mw i 血 t w o - c l o s e d - l o o pc o n t r o ls c h e m e ，p r e s e n t st h ef u z z yc o n t r o l l e rp r i m a r i l y , g i v et h el o o k u pt a b l e f o rt h ef i z z yc o n t r o l l e r t h i ss y s t e mw h i c ha d o p t e do n l i n 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 s s i m u l a t e do i lt h ep l a t f o r mm 枷，a b a n dt h er e s u l ts h o wt h es y s t e mh a v et h ea d v a n t a g e so f q u i c kr e s p o n s e ，l e s so v e r s h o o ta n dn os t a b i l 时e r r o r 1 1 1 eh l l r d w l l l r ea n ds o t t w a r ei sd e s i g n e db a s e do nt h ed e s i g n e ds c h e m ea n dt h ee o n t r o l a l g o r i t h m 1 1 t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s po ft if o rm o t o re o n l r o li sa d o p t e dw h i c hh a v et h e c h a r a c t e r i s t i c so f m u e l al e s o u r o n e h i p ，h i g h - s p e e dd a t ac a l c u l a t i o nf o rt h es y s t e m ss t a b i l i t y a n ds i m p l ec i r c u i t 1 1 砖f l o wc h a r ti sd e s i g n e da n dt h ef l o t h v l l r ei sp r o g r a m m e db a s e do i lt h e t h o u g h to f m o d u l ed e s i g n 1 1 把e x p e r i m e n ti sd o n ea n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h eb l d c m sp e r f o m u m e ei si m p r o v e d m u c hf o ra d o p t i n go n l i n es e l f - t t m i n gf u z z y - p i dc o n t r o la l g o r i t h m k e y w o r d s ：d s p b r u s h l e s sd c ( b l d c ) m o t o r f u z z yp dc o n l x o l 西娄斜技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所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做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：欹专弓衫阳期：l 心 5 v 口 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子舨本人允许论文被查阅和借阅学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名：3 妒k 指导教师签名：r 多a 兹。殳 司年6 月z 口1 3 1 绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 1 绪论 电动机作为机电能量转换装置，近一个多世纪以来，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当中。直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优 点，但传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦， 由此带来噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困 难等缺点，从而限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上，大多数均采用三相异步 电动机。 针对上述直流电动机的弊病，早在2 0 世纪3 0 年代，就有人开始研制以电子换向来 代替电刷机械换向的无刷直流电动机，并取得了一定的成果。但由于当时大功率电子器 件仅处于初级发展阶段，没有能找到理想的电子换向元器件，使得这种电动机只能停留 在实验室研究阶段而无法推广应用。1 9 5 5 年，美国的d 哈利森等人首次申请了应用晶 体管换向代替电动机机械换向的专利，这就是现代无刷直流电动机的雏形。但由于该电 动机尚无起动转矩而不能产品化，尔后又经过人们多年的努力，借助于霍尔元件来实现 换相的无刷直流电动机终于在1 9 6 2 年问世，从而开创了直流无刷电动机产品化的新纪 元。直流无刷电动机真正进入实用阶段应从1 9 7 8 年开始，当时原西德m a n n e s m a n n 公司推出m a c 经典直流无刷电动机及其驱动器。无刷直流电动机系统按其绕组反电动 势波形的不同可大致分为两大类：正弦波无刷直流电动机和梯形波无刷直流电动机。一 般将正弦波无刷直流电动机称为永磁同步电动机( p m s m ) ，梯形波无刷电动机称为无刷 直流电动机( b l d c m ) 。二十世纪8 0 年代，先后研制成方波无刷电动机和正弦波无刷电 动机。在近二十多年的时间里，无刷电动机得到较为充分的发展 2 1 。 无刷直流电动机反馈装置简单，功率密度高，输出转矩大，控制结构简单且调速性 能优越，体积小，重量轻，转动惯量小，不存在励磁损耗。同时具备交流电动机的结构 简单、运行可靠、维护方便和有刷直流电动机的运行效率高等一系列优点，同时降低了 制造成本，简化了电机维修，故无刷直流电动机在当今国民经济各个领域，如医疗器械、 仪器仪表、化工、及计算机驱动器以及家用电器等方面得到了广泛的应用i j j 。 有位置传感器的永磁无刷直流电动机均需一个附加的位置传感器，用以向逆变桥提 供必要的换向信号，它的存在给直流无刷电动机的应用带来很多的缺陷与不便：首先， 位置传感器会增加电机的体积和成本；其次，连线众多的位置传感器会降低电机运行的 可靠性，即便是现在应用甚为广泛的霍尔传感器，也存在一定程度的磁不敏感区；再次， 在某些恶劣的工作环境中，如在密封的空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的 西安科技大学硕士学位论文 位置传感器根本就无法使用。此外，传感器的安装精度还会影响电机的运行性能，增加 生产的工艺难度。所以对无位置传感器的永磁无刷直流电机控制系统的研究具有很现实 的意义 现阶段，电动机的控制方案逐步走向多元化。基于现代控制理论的滑模变结构控制、 采用微分几何理论的非线性解耦控制、模型参考自适应控制等等方法的引入，使系统性 能得到了改善和提高。但这些理论仍然建立在对象精确的数学模型基础上，有的需要大 量的传感器、观测器，因而结构复杂，有的仍无法摆脱非线性和电动机参数变化的影响。 由于模糊控制无需对象精确的数学模型并具有较强的鲁棒性，所以将模糊控制这一智能 控制方法引入电动机控制系统具有很重要的理论价值和实际意义。 1 2 无刷直流电动机的研究现状及发展 由于直流无刷电动机的广泛应用，因此b l d c m 成为国际国内研究的热门课题，数 十年经久不衰。在技术上研究方向主要分为电机本体和电子线路两方面。在本体方面， 转子永磁磁钢材料尺寸及磁钢的排列方式的选择应该合理，在满足各项性能指标的前提 下，使电机的成本尽量低，存在一个优化问题。另外永磁电机的漏磁场情况比较复杂， 对电机性能也有一定影响，所以研究永磁电机的漏磁场分布一直是一个研究方向。在电 子线路方面，用观测电量的方法替代位置传感器的作用是一个必然趋势，如何对电压和 电流进行采样，通过控制线路进行适当处理，使电机按正常的逻辑运行。向更高一步发 展，利用计算机发展数字信号，控制电机的运行，使电机的控制人工智能化，也是研究 的主导方向。 我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。八十年代以前，国内对方波无刷直流电动 机的研究几乎空白。1 9 8 7 年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，s m e n s 和b o s c h 两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注 意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮，逐渐缩小了与国际水平的技术差距， 生产和应用规模也快速增长。2 0 0 5 年全球微特电动机产量为8 0 多亿台，其中我国( 包括 台湾，香港地区1 总产量高达全球的7 0 。 尽管近几年来，国内的许多专家、学者在无刷直流电动机系统的研究方面倾注了不 少心血，也取得了不小的成绩，但是由于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程 度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大，所以目前我国无刷电 动机综合水平仍低于国际水平，有待进一步的研究和开发。 针对位置传感器带来的种种不利影响，近一二十年来，永磁无刷直流电枧的无位置 传感器控制一直是国内外较为热门的研究课题。从7 0 年代末开始，截至目前为止，针 对不同的电机性能和应用场合出现了很多不同的控制理论和实现方法。 所谓的无位置传感器控制，正确的理解应该是无机械的位置传感器控制，在电机运 2 1 绪论 转的过程中，作为逆变桥功率器件换向导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过 这种信号不再由位置传感器来提供，而应该由新的位置信号检测措施代替，即以提高电 路和控制的复杂性来降低电机的复杂性所以，目前永磁无刷直流电动机无位置传感器 控制研究的核心和关键就是架构一个转子位置信号检测线路，从软硬件两个方面来间接 获得可靠的转子位置信号，借以触发导通相应的功率器件，驱动电机运转。较为成熟的 位置信号检测方主要有反电势法、定子三次谐波法、涡流效应法、磁链法等1 4 1 。 ( 1 ) 反电动势过零点检测法 反电动势过零点检测法是目前技术最成熟，实现最简单，应用最广泛的转子位置检 测方法。在本论文中将要采用的就是这种方法，在下面章节中将给出详细的阐述。其原 理为：在无刷直流电动机稳态运行时、忽略电机电枢反应的前提下，通过检测关断相反 电动势的过零点来获得永磁转子的关键位置信号，从而可以控制绕组电流的切换，实现 了电机的运转。 ( 2 ) 反电动势三次谐波积分法 这种方法适用于1 2 0 度导通、绕组星型接法的无刷直流电动机的控制中，由于梯形 波的反电动势必然包含有三次谐波分量，获取此分量并对其进行积分，当积分值为零时 即得到相应的转子位置信息。通过并联于星型电机绕组一个星型电阻网络，通过电阻网 络中性点与直流侧中点之间的电压来获得三次谐波，省去了电极绕组与电阻网络两中性 点之问的连线。 与反电动势过零点检测法相比，三次谐波积分法和电机速度、负载情况无关，受逆 变器引起的于扰影响小，对滤波器要求低，移相误差小，有更宽的调速范围，低速时三 次谐波信号依然可以检测到，所以起动和低速性能要好些，在更宽的调速范围内这种方 法能获得更高的电机效率。 ( 3 ) 续流二极管法 续流二极管法又称“第三相导通法”，它是通过反并联于逆变桥功率开关管上续流二 极管的导通与关断状态的检测来确定转子位置。这种方法实际上是对反电动势过零点的 间接检测 5 1 。 ( 4 ) 反电动势积分法 反电动势积分法是对非导通相绕组的反电动势积分从而获得转子位置，当关断相的 反电动势过零点时开始对其绝对值进行积分，当积分值达到一个设定的阈值时停止积 分，此时获得了转子位置，对应于定子绕组的换流时刻。改变此阈值即可实现高速时为 提高转矩而采取的换流角超前控制。 从严格意义上讲，以上4 种方法都是在软硬件上处理电动机绕组的梯形波反电动势 信号来获得转子位置信息。 ( 5 ) 磁链估计法 3 西安科技大擘硕士学住论丈 磁链估计法是利用测量定子电压和电流而估算出磁链，再根据磁链与转子位置的关 系估计出转子的位置。该算法包含有两个电流环结构，内环矫正磁铁的估计值，外环调 整位置估计值。 还有一种检测转子位置的新方法，在永磁转子的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的导电材料上的涡流效应，使开路相电压大小随转 子位置角而改变。从而可通过检测开路相电压来判断转子位置，此法不依靠反电势。因 此能保证电机在低速时可靠运行和顺利起动。但此方法需特殊电机，对电机制造工艺有 很大要求。 1 3 本课题研究的目标 ， 本文综合模糊控制理论的先进性和d s p 的优势，构建出一个无位置传感器无刷直 流电机控制系统，旨在使模糊控制这种先进控制思想能从实验室走向应用实践。如何实 现更精确的位置控制和更高性能的速度控制，是本课题研究的重点。为了使直流无刷电 动机控制系统具有很好的控制性能，对系统的设计做出了如下的要求： ( 1 ) 实现速度环和电流环的全数字化。 ( 2 ) 将智能控制应用到控制器算法当中，提高系统的静动态性能 ( 3 耀高系统的稳定性和控制精度。 ( 4 ) 实现宽范围的变速控制，提高b l d c m 的调速性能。 本课题研究的这种系统适用于定速驱动机械：如自动门、电梯、水泵、风机等；调 速驱动机械：如包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆； 精密控制g 如扫描仪、摄影机、c d 唱机驱动、医疗诊断c t 、计算机硬盘驱动及数控 车床驱动等。 1 4 论文主要研究内容 。 在深入研究了用单片机实现的全数字无刷直流电机伺服系统的基础上，提出了新的 无刷直流电机智能控制系统d s p 解决方案。系统选用1 1 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 高性 能d s p 控制器，设计出基于d s p 的全数字b l d c 电机控制系统。论文共分为六部分， 内容如下所述： ( 1 ) 在查阅大量参考文献的基础上，介绍了无刷直流电动机研究现状及发展趋势，并 说明了课题研究的背景，目的和意义，最后对论文所完成的具体工作傲了一个简要的叙 述。 ( 2 ) 系统阐述了无刷直流电动机的结构和工作原理以及无刷直流电动机三相全桥驱 动原理。重点介绍了反电势过零检测换相点的理论基础，同时对电机的起动方法进行介 绍。最后对导致转矩脉动的原因进行分析，并提出了抑制转矩脉动的策略。 4 1 绪论 ( 3 ) 首先对系统总体结构进行了设计，然后对系统控制器进行设计，系统控制器被设 计为在线自整定模糊p i d 控制器，文中给出了详细的设计过程。在系统总体设计方案的 基础上，建立s i m u l i n k 仿真模型并进行仿真。仿真结果表明，采用在线自整定模糊p i d 算法，系统的响应速度快，静态误差小，具有很好的静态和动态性能。 ( 4 ) 根据第三章的控制策略，设计出以1 m s 3 2 0 u 之4 0 7 a 为核心的无位置传感器无刷 直流电机控制系统的整体硬件结构。对检测电路、驱动电路以及逆变主电路设计进行了 详细的说明。 ( 5 ) 在直流无刷电机控制系统的硬件基础上，编写出以c c s 2 2 为开发环境的系统软 件。软件的设计采用模块化的设计思想，文中给出了各部分的流程图。在软件部分和硬 件部分调试通过后，进行了系统控制实验，并对实验结果进行分析。 ( 6 ) 对本课题研究进行总结，对研究中的问题和不足之处进行了分析，对本课题下一 步的工作进行说明。 1 5 本章小结 本章介绍了无刷直流电动机研究现状及发展趋势，并说明了课题研究的背景、目的 和意义，最后对论文所完成的具体工作做了一个简要的叙述。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 无刷直流电动机的工作原理及控制原理 2 1 无刷直流电动机的组成和工作原理 2 1 1 无刷直流电动机的组成 无刷直流电动机( b l d c m ) 的结构如图2 1 所示。它主要由电动机本体、位置检测装 置和电力电子逆变装置三部分组成。根据位置检测装置提供的电机转子磁极的位置信 号，通过控制器的处理产生相应的开关状态，以一定的顺序触发逆变装置中的功率开关， 将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，从而使电动机产生持续不断 的转矩。 r 一一一一一一一一一一一一。一一一一一一一一一一一一一。一一+ 。一一一一 ( 1 ) 无刷直流电机本体 - 一一一l 图2 1 无刷直流电动机的结构框图 图2 2 无刷直流电机结构示意图 ， 无刷直流电动机本体的基本结构见图2 2 无刷直流电动机的转子是由永磁材料制 6 2b l d c m 工作原理及控制原理 成的，具有一定的磁极对数的永磁体。与永磁同步伺服电动机非常类似，转子的结构分 为两种：第一种是将瓦片状的永磁体贴在转子外表上，称为凸极式；另一种是将永磁体 内嵌到转予铁心中，称为嵌入式。但直流无刷电动机与永磁同步伺服电动机的转子有所 区别，为了能产生梯形波感应电动势，无刷直流电动机的转子磁钢的形状呈弧形( 瓦片 形1 ，磁极下定转子气隙均匀，气隙磁场呈梯形分布。定子上有电枢，这一点与永磁有 刷直流电动机正好相反，永磁有刷直流电动机的电枢装在转子上，而永磁体装定子上 无刷直流电动机的定子电枢绕组采用整距集中式绕组。绕组的相数有二，三、四、五相 不等，但应用最多的是三相和四相。各相绕组分别与外部的电子开关电路相连，开关电 路中的开关管理受位置信号控制。 ( 2 ) 转子位置检测装置 位置检测装置在直流无刷电机中起着检测转子磁极位置，为逆变装置提供正确换相 信息的作用。转子位置的检测包括有位置传感器和无位置传感器两种检测方法。 有位置传感器检测方法中，位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子与电机 本体同轴，其定子固定在电机定子或端盖上，用于检测和输出转子位置信号。转子位置 传感器包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器、编码器等。 无位置传感器检测方法是通过监测和计算与转子位置有关的物理量从而间接获得转 子位置信息，主要有反电动势检测法、电流检测法、磁链检测法、状态观测器法，人工 智能法等。 。 ( 3 ) 逆变器 逆变器的输出不是独立的，而是受控于转子位置信号，即根据位置检测装置检测到 的转子的位置信号，按一定的逻辑触发功率开关。由于逆变装置中的各功率开关元件的 导通次序与转子转角同步，因而起到了机械电刷和换相器的换相作用。逆变装置可分为 桥式和非桥式两种，逆变装置中的主开关元件一般采用功率m o s f e t 或i g b t 等全控型 器件，它们具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。有些逆变主电路已经开 始采用集成的功率模块( p i c ) 和智能功率模块0 p m ) 。 2 1 2 无刷直流电动机的工作原理 普通直流无刷电动机的电枢在转子上，而定子产生固定的磁场。为了使直流电动机 旋转，需要通过换向器和电刷不断地改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始 终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。 无刷直流电动机的转子采用永磁体励磁产生直轴位置的励磁磁场，而定子为电枢绕 组通过功率控制器控制各相绕组的通断状态。由于定子电枢绕组通断状态的组合方式是 有限的，因此定子电枢绕组产生的电枢磁场位置也是有限的，不可能像交流感应电机一 样产生幅值恒定又连续旋转的定子磁场，所以无刷直流电机定子电枢绕组产生的磁场必 7 西安科技大学硕士擘位论文 定是跳跃式前进的，这也是无刷直流电机不同于直流电机和交流电机电枢磁场运动的特 征之一l 引。但是，这种跳跃式前进的磁场仍然要与转子磁场保持相对同步。如果定子磁 场相对于转子磁场始终超前9 0 0 电角左右的范围内运动，那么电枢磁场总是吸引转子永 磁励磁磁场，它们之闻能够产生正的平均电磁转矩。虽然定转子之间存在相对运动，但 是转子能够不停的跟随定子磁场正向旋转。同样，如果定子磁场相对于转子磁场始终滞 后9 0 0 电角左右的范围内运动，那么定子电枢磁场同样能吸引转子永磁励磁磁场，它们 之间也能够产生负的平均电磁转矩。虽然定转子磁场之间存在相对运动，但不会影响转 子跟随定子磁场反向旋转。否则定子电枢磁场与转子励磁磁场之间的相对运动将导致产 生的平均电磁转矩很小甚至为o ，不能驱动负载连续运行，最终转子停止不动，导致失 步。 总之，要保持定转子磁场产生恒定的平均电磁转矩，必须保证定转子磁场在空间保 持相对静止。这种相对静止有两层含义：一是恒定的平均电磁转矩而不是恒定的瞬时电 磁转矩，即瞬时转矩是可以变化，但总体上存在一定大小的平均值，这种电磁转矩瞬时 变化由具有机械惯性的转子起到平滑作用，即转速波动随着转子转动惯量增大而减小。 二是定转子磁场在空间保持相对静止而不是绝对静止。即使瞬时定转子磁场之间存在相 对运动，但总体上始终保持同步以产生恒定的平均电磁转矩唧。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样的 结构正好与普通直流电动机相反。然而即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直 流电以后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为子使电动机的转子转起来， 必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转予的位置在不断 的变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持9 0 0 左右的空间角，产生转矩推动转子旋 转。在换相的过程中，定子各相绕组在工作气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式运动的。 这种旋转磁场在一周内有三种状态，每种磁状态持续1 2 0 。它们跟踪转子，并与转子的 磁场相互作用，能够产生推动转子继续转动的转矩。 2 2 三相无刷直流电动机星形联结全桥驱动原理 目前三相星形全桥驱动方式的无刷直流电机因为绕组利用率高、转矩波动小以及电 路成本较低的原因而使用最多，下面对三相无刷直流电动机星形联结全桥驱动的原理进 行阐述。 图2 - 3 是三相无刷直流电动机星形联结全桥驱动方式的电路图。在这种方式下，对 驱动电路开关管的控制原理可用图2 3 和图2 4 加以说明( 图中假设转子只有一对磁极， 定子绕组a 、b 、c 三相对称，按每极6 0 。相带分布) s 2b l d c m 工作原理及控制原理 + 每碜玲 | ) a 堡毛望翌苎 ( b ) 转过e 矿 (c)继续旋转b相反向通电 一 w 一” 硷翁 cc 艘牌宴璺妻( e ) b 相正向通电 c 相反向通电转过6 0 0 c 箱发高运宣 图2 4 无刷直流电机转子位置与换相的关系 当转动6 0 0 角后，转子位置如图2 4 ( b ) 所示。这时如果转子继续转下去就进入图2 4 ( c ) 所示的位置，这样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，它们 相互抵消，削弱磁场，使电磁转矩减小。因此，为了避免出现这样的结果，当转子转到 图2 4 ( 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 截d ) 所示位置，根据上面讲的道理必须要进行 换相，即a 相断电，b 相正向通电，如图2 4 ( e ) 所示。这样如此下去，转子每转过6 0 。 角就换相一次，相电流按图2 5 所示的顺序进行断电和通电，电动机就会平稳地旋转下 去。 9 西安科技大学硕士学位论文 - i i | i i 一 l ，i 氐e ，。斤一 1 2 0 0 些3 6 0 0 曩 0 0 - i - e e 0 0 l 斤二x 二。 一6 0 占厂戌3 0 0 。一 j - 2 0 02 4 飞l d 气 j 、一 l 扩。听邗t 兰一2 4 0 0 3 6 0 。乩 图2 5 电流与感应电动势波形 按照图2 3 的驱动方式，就可以得到如图2 5 所示的电流和感应电动势波形。下面 对照图2 5 中电流波形来分析一下相绕组内感应电动势的波形。 以a 相为例，在转予位于0 。1 2 0 0 区间内，相带始终在s 磁极下，相带a f 始终在 n 磁极下，所以感应电动势“是恒定的。在转子位于1 2 0 。1 8 0 0 区间内，随着a 相的 断电，相带a 和相带a 分别同时逐渐全部进入n 磁极下和s 磁极下，实现换极。由于 磁极的改变，使感应电动势的方向也随之改变，c 经过过零点后变成负值。在转子位于 1 8 0 0 3 0 0 0 区间内，a 相反向通电，相带a 和相带a - 仍然分别在n 磁极下和s 磁极下， 获得恒定的负感应电动势。在转子位于3 0 0 。3 6 0 0 区间内，a 相断电，相带a 和相带 a 又进行换极，感应电动势的方向再次改变，“经过过零点后变成正值。因此，感应电 动势是梯形波，且其平顶部分恰好包含了1 2 0 。电流方波。转子每旋转一周，感应电动势 变化一个周期。 对于b 相和c 相，感应电动势的波形也是如此，只不过在相位上分别滞后于a 相 1 2 0 0 和2 4 0 0 。实际上，感应电动势的梯形波形取决于转子永磁体励磁磁场和定子绕组空 间分布，以及两者的匹配情况。感应电动势的梯形波形有利于电动机产生一个恒定的转 矩。由于在换相时电流不能突变，因此实际的相电流波形不是纯粹方波，而是接近方波 的梯形波，这会使转矩产生纹波【瑚。根据图2 4 的通断电顺序，图2 3 的三相星形联结 全桥驱动的通电规律如表2 1 所列。 i 0 2b l d c m 工作原理及控制原理 裹2 1 三相墨形连结全桥驱动的通电规律 兰竺 正转( 逆时针) 反转( 顺时针)止将也叼节r j 顺序 转子 6 0 -1 2 0 -1 8 0 -2 4 0 -3 0 03 6 02 4 01 8 01 2 0o - 6 0 - 1 2 0 位置1 2 01 8 02 4 03 0 0 3 - 3 0 0 - 3 0 0 2 4 0 1 8 0 6 0 开关管l ，41 ，63 ，6 3 ，25 ，25 ，43 ，6l ，6 l ，45 ，45 ，23 ，2 a 相 + 一+ - 一 b 相 - + - + + c 相 + + ( 注：表中“+ ”表示正向通电；i j 表不反向通电) 2 3 利用感应电动势检测转子位置原理 位置传感器虽然为转子位置提供了最直接有效的检测方法，但是它也使电动机增加 了体积、需要多条信号线，更增加了电动机制造的工艺要求和成本。因此，近年来推出 了几种无刷直流电动机的无位置传感器控制方法，其中感应电动势法是最常见和应用最 广泛的一种方法。本节将介绍这种方法的工作原理。 三相无刷直流电动机每转6 0 0 就需要换相一次，每转一转需要换相六次，因此需要 六个换相信号。在图2 5 中发现，每相的感应电动势都有2 个过零点，这样三相共有六 个过零点。如果能够通过一种方法测量和计算出这六个过零点，再将其延迟3 0 0 ，就可 以获得六个换相信号。感应电动势位置检测法正是利用了这一原理来实现位置检测。 图2 6 电动机定子相电模型 图2 6 给出了电动机某一相的模型，图中，l 为相电感；r 为相电阻； 电动势；i x 为相电流；、k 为相对地端电压；v n 为星形联结中性点电压。 根据图2 6 ，可以列出相电压方程： 圪= 弘+ 上警+ e + 圪 e x 为相感应 ( 2 1 ) 西安科技大学硕士学位论文 对于三相无刷直流电动机，每次只有两相通电，两相通电电流方向相反，同时另一 相断电，相电流为零。因此，利用这个特点，将x 分别等于a 、b 、c 代入式2 1 ，列出 a 、b 、c 三相的电压方程，并将三个方程相加，使髓和工粤项相抵消，可以得到： 讲 匕+ + = e a + e b + 岛+ 3 v ( 2 2 ) 又因为对于星形接法两相通电模式下的三相无刷直流电机，导通两相的反电动势大 小相等符号相反，所以得到不导通相反电动势与绕组端点电压和中性点电压的关系为： e x = 匕+ + - 3 ( 2 3 ) 由于不导通相相电流为0 ，该相绕组端电压、反电势和中性点电压的关系为： e x = 一吒 t ( 2 4 ) 将式2 4 代入式2 3 ，消去中性点电压后得到： r1 以= 引一；眈+ + ) l z l j j ( 2 5 ) 即当a 相为非导通相时，有： 1 ， e = 匕一眈+ + ) ( 2 6 ) j 同理，当b 、c 相分别为不导通相时，存在： 1 。 易= 一眈+ + ) ( 2 7 ) ) 1 ， = 圪一( 圪+ + )( 2 8 ) j 由式2 6 2 8 可知，在不导通相绕组电流等于0 的情况下，该相绕组反电动势只与 三相绕组的端电压有关。 当未导通相的反电动势大于0 时，未导通相的端电压大于导通三相端电压和值的 1 3 ；当未导通相的反电动势等于0 时，未导通相的端电压等于导通三相端电压和值的 i 3 ；当未导通相的反电动势小于0 时，未导通相的端电压小于导通三相端电压和值的 1 3 。所以不断检测未导通相的端电压与三相端电压的1 3 的逻辑关系，来判断感应电动 势的符号变化，以确定过零点时刻。 得到未导通相反电动势过零点时刻再延时t 1 2 ，则是无刷直流电机的换相时刻。按 照事先设定的开关管导通顺序进行相应的导通和关断则进行了正确的换相。 2 4 无刷直流电动机的起动方法 解决了无位置传感器直流无刷电动机换相的问题后，另一个重要的问题就是起动及 向自同步运行的切换【1 1 】。反电势法无刷直流电动机省去了传统直流无刷电动机的位置传 感器，采用检测反电动势法实现自同步，但当直流无刷电动机在静止或低速时，反电势 为零或很小，无法用来识别转子位置，所以反电势法直流无刷电动机起动和低速时无法 2b l d c m 工作原理及控制原理 依靠转子位置信号实现正确的换相【1 2 , 1 3 。本节将介绍本课题中采用的步进起动方法。 因为无刷直流电动机的结构和永磁同步电动机相似，所以无刷直流电动机起动时可 以采用他控式同步电动机的起动方式( 又称为外同步方式) 。无刷直流电机的绕组是两两 导通的，据此可强制触发逆变器中的任意两功率管导通，如g l 和( 3 4 。此时对电机 b 两相通电，电流从a 相流入b 相，使其导通一段时间，将转子磁极拖到与定子合成磁 势轴线重合的位置，实现预定位。然后从静止开始加速，直至转速足够检测到反电动势， 再切换到直流无刷直流电动机的运行方式( 自同步方式) ，其原理框图如图2 7 信号琏择 图2 7 外同步起动原理框图 起动过程中，反电势法的转子位置信号a ，b ，c 无效，所以图2 7 的信号选择器 将它们屏蔽掉，而选通了由信号发生模块产生的一系列外同步信号a - ，b ，c 。，这三 路外同步信号与三路转子位置信号一一对应，它们被选通送入译码模块，产生逆变器的 触发信号，送往逆变器的驱动电路，用以驱动逆变器的功率器件。与转子位置信号类似， 三路外同步信号有六种组合状态。如果先将外同步信号的某个组合状态保持一段时间， 再按序改变其组合状态并逐步提高频率，按他控式同步电动机的运行方式由静止开始加 速。当转速足够大时，转子位置信号有效，当满足切换条件，发出切换命令，使得信号 选择器屏蔽掉外同步信号，选通转子位置信号并送入译码模块用以产生逆变器的触发信 号，这样就建立了转子位置闭环，完成了从他控式同步电动机运行状态到直流无刷电动 机运行方式的切换。当保护信号有效时，逆变器功率器件被关断，以实现对功率器件的 保护措施。在本论文中，信号选择及译码均由d s p 的软件算法实现。 起动时，信号发生模块需要按序改变三路外同步信号的组合状态，并且每个状态所 保持的时间根据加速曲线逐渐缩短，即逐渐提高逆变器的输出频率，那么在电机不失步 的前提下转予转速也逐渐提高，在本论文中，采用如图2 8 所示的斜率为k 的加速曲线， 斜率k 可以根据负载转矩惯量的大小人为调整。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 图2 8 固定斜率加速曲线示意图 图2 8 中，纵坐标，为转子电角速度，横坐标为加速时间，那么哦即为转子转 过的电角度啦。将转子的初始位置记p e 0 ，转6 0 0 电角度后的位置记为啦i ，再转过6 0 0 的位置记为魄2 这样依次类推，假如转子转过6 0 t = k 6 0 。电角度后，达到了需要的转速， 那么由这一系列位置对应的时刻t o ，t n ，t 2 ，k 的值，即可确定逆变器的每一个逆变 状态的改变时刻。令t o = 0 ，由t d ，t t ，t 2 ，k 的值可得： m = t l t o ( 2 9 ) a t 2 = t 2 一t l ( 2 1 0 ) a t i - t = t t - l t k 一2 ( 2 1 1 ) a r k = t k t t - l ( 2 1 2 ) 将m ，& ：，转换成定时器在一定分辩率下的定时值啊，一：，存放在一个 加速曲线表格中。加速时，由程序从表格中依次取出，形成外同步加速信号。电机外同 步加速时，定子磁动势步进旋转的速度取决于逆变器改变节拍的频率，而逆变器改变节 拍的频率将完全取决于加速曲线中的定时值。实际电机加速时，将很快检测到反电势的 位置信号，进而用反电势位置信号代替外同步信号，切入自同步运行。 2 5 转矩脉动原因及其改进策略 无刷直流电机在理想假设条件下才满足电磁转矩恒定，实际上总是存在电磁转矩脉 动的。转矩脉动的主要原因有如下几个方面：。 ( 1 ) 定子铁心开槽存在齿槽效应，引起齿槽转矩 由于定子铁心面对气隙开槽，使得转子永磁体面对的定子电枢表面的气隙磁导不均 匀，其分布与转子位置角有关。当转子旋转时，即使定子电枢没有电流，转子永磁体产 生的气隙磁场也因为磁路磁阻的变化而变化，除了径向磁拉力变化以外，还引起切向磁 拉力大小和方向的周期性变化，变化周期为一个定子齿距，即齿槽转矩按照齿谐波周期 脉动。切向磁拉力的大小与定子铁心齿槽相对宽度、永磁体材料、磁路结构和尺寸等因 素有关，齿槽转矩与切向磁拉力和定子铁心内径的乘积成正比。无刷直流电机的齿槽转 矩是电机本身固有的，普通无刷直流电机空载时用手转动转轴就能感觉到这种齿槽转矩 1 4 2b l d c m 工作原理及控制原理 的存在。 削弱无刷直流电机齿槽转矩的方法必须通过电机优化设计，只要保证定子绕组下线 工艺要求应尽可能采用槽口尺寸远小于齿顶宽度的槽形，在特殊工艺情况下( 如组装式 定子铁心) 可以采用闭口槽。对于开槽的情况还可以使用磁性槽楔，定子铁心采用斜一 个齿距的斜槽或转子永磁极采用斜磁极。在转子永磁磁极极数一事实上的情况下，尽可 能增加定子铁心齿数，必要时可以在定子齿面开小槽，形成多个小齿来提高齿槽转矩基 波次数，次数越高，齿槽转矩幅值越小，这种方法也称为辅助凹槽法。闭口槽和磁性槽 楔会增加漏磁场，斜槽、斜磁极和辅助凹槽法都是以削弱气隙磁场、降低有效转矩为代 价来削弱齿槽转矩的。因此在电机设计时要全面兼顾，选择最佳方案。 但) 定子绕组电流脉动引起转矩脉动 定子绕组理想通电状态要求电流波形为方波，并且与绕组反电势严格同相位，即 1 2 0 。电角平顶宽度重合。实际上，由于转子位置变化过程中定子绕组电流要进行电子换 相，即使在不发生换相的情况下也要采用斩波控制定子绕组电流，使得相绕组电流平均 值满足等于或接近理想方波要求。由于定子绕组存在电感，电子换相过程中相电流的上 升沿或下降沿不可能很陡，与理想电流波形总是有差别的。增加换相时刻电流上升沿与 下降沿陡度的有效方法是，控制过程中提高电子换相期间直流母线的电源电压，并采用 硬关断换相方法，这种方法需要增加辅助电源与控制部分。另一种方法是利用反电势上 升过程适当超前换相进行电枢电流补偿，即对需要导通的一相绕组提前一段时间导通， 这种方法是电机转速转高时由于绕组反电势较大，正常换相直流电压与反电势相差不 多，电流上升缓慢，超前换相时反电势较小，电压差增大可以加快绕组电流上升。 消除斩波控制过程中定子绕组电流脉动引起的转矩脉动，可以通过电流反馈抑制电 流脉动。非换相相绕组在换相过程中电流脉动也可以通过引入中性线方式解决，但这样 会削弱换相相电流的增长或衰减。 其他引起转矩脉动的原因( 如磁极极弧宽度不足) 使得气隙磁场和反电势波形平顶小 于1 2 0 0 电角造成电磁转矩波动；由于定子绕组电流产生的磁场是跳跃式前进的，定子 绕组电流较大时，电枢反应的影响使得气隙磁场发生畸变，这种畸变程度随转子位置变 化而变化，从而引起转矩脉动；制造工艺不良也会引起转矩脉动，如永磁体磁极充磁不 一致性，转子偏心气隙不均匀，绕组空间分布不对称或绕组参数不对称等。 2 6 本章小结 本章首先对无刷直流电机的组成以及工作原理进行了介绍。因为三相星形全桥驱动 方式的无刷直流电机因为绕组利用率高、转矩波动小以及电路成本较低的原因而使用最 多，同时本文中转子位置的检测采用反电动势过零点检测方法，接下阐述了三相无刷直 流电动机星形联结全桥驱动的原理和利用感应电动势检测转子位置的原理。反电势法无 1 5 西安科技大学项士学位论文 刷直流电动机省去了传统直流无刷电动机的位置传感器，但当直流无刷电动机在静止或 低速时，反电势为零或很小，无法用来识别转子位置，所以反电势法直流无刷电动机起 动和低速时无法依靠转子位置信号实现正确的换相，本章对用于本控制系统的步进起动 方法进行了说明，最后对无刷直流电机转矩脉动原因进行了分析，并提出了改进策略。 1 6 3 系统控制方案设计及仿真 3 系统控制方案设计及仿真 3 1 系统总体设计方案 根据控制系统的