（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp及轴角数字转换器的直流无刷电机控制系统研究与设计.pdf

无刷直流电机通过电子换相取代了传统直流电机的机械换向电刷，减小 了电机体积并提高了电机寿命，但是电子换相却带来了电磁转矩波动。本文 针对无刷直流电机存在转矩脉动问题，提出了转矩脉动的补偿策略( 矩角特 性补偿策略) ，在分析了转矩脉动产生原因的基础上，提出一种新的电流控 制策略，时刻保证电磁转矩稳定不变，实现盏流无刷电机平滑无扰动换裙。 试验结果表明，该补偿策略比常规的控制策略的扰动明显减小，并且转速越 大时，转矩扰动越小。 关键词：直流无刷电机，d s p ，旋转变压器，转矩脉动，电压前馈 i l r e s e a r c ha n d d e s i g no f b r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o l s y s t e mb a s e do n d s pa n d r e s o l v e r - t o - a n g e ld i g i t a l c o n v e r t e r 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 ss m a l lv o l u m e ，l o n gr u n n 崦 l i f c t i m ea n dl i t t l ec o u p l i n gb e t w e e ne l e c t r i c a lt o r q u ea n df l u x e s ；i ti s u s e di ns e r v os y s t e mm o r ea n dm o r e b u tt h ee l e c t r i c a lt o r q u ev a r i e s e s p e c i a l l yw h e nc u r r e n te x c h a n g e sb e t w e e nt w op h a s e s ，a n dl o a dt o r q u e a n dp a r a m e t e r sv a r i a t i o n se x i s t i no r d e rt or e a l i z eb e t t e rp e r f o r m a n c e ， h i g h e rp e r f o r m a n c e d r i v ea n dc o n t r o ls t r a t e g yi se x p e c t e d 。 a tf i r s t t h ep r i n c i p l eo fb l d c mi se x p l a i n e d t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fb l d c mi sp r e s e n t e d c o n t r o lc i r c u i to fb l d c mi sb u i l t t h i s p r o v i d e sat e s t i n gp l a t f o r mf o ra d v a n c ec o n t r o ls t r a t e g i e s t h et h e s i sc h o s e e l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n g r e s o l v e ra st h e r o t o r - p o s i t i o ns e n s o ro fb l d c m r e s o l v e ra st h er o t o r - p o s i t i o ns e n s o r w h i c he n h a n c et h es y s t e ma b i l i t yo fe n d u r a n c et h eb a d n e s sw o r k e n v i r o n m e n ts u c ha si m p u l s i v ef o r c e 、s h o c ka n dt e m p e r a t u r ec h a n g e 。 t h eo u t p u tr o t o r - p o s i t i o ns i g n a lo fr e s o l v e ri sa n a l o gs i g n a l s ；t h ea n a l o g s i g n a l si sd e c i p h e r e dt od i g i t a ls i g n a l sb yr e s o l v e r - t o d i g i t a lc o n v e r t e r ( m a i nc h i p ：a d 2 s 8 0 a ) 砥ss y s t e mr e a l i z e dt h a tt h er o t o rp o s i t i o nw a s f i x e de x a c t l y i tp r o v i d e dt h ea c c u r a t ep o s i t i o nf o rm o t o rc o m m a t a t i o n 。 i n p o w e ri n v e r t e rm o d u l e ，t h ep a p e rd e s i g n s t h eg o o dp w m i s o l a t i o nd r i v ec i r c u i ta n dt h er e l i a b l ep r o t e c t i o nc i r c u i t t h eo u t p u tp w m s i g n a l so fd s p i s o l a t eb yh i g hs p e e do p t o c o u p l e r sm c p 5 0 4 ) ，w h i c h e f f e c t i v e l yg u a r a n t e et h es a f e t yo fd s p c o n t r o l l e ra n de f f e c t i v e l ye n h a n c e t h es y s t e mc a p a c i t yo fr e s i s t i n gd i s t u r b a n c e 。l p mo u t p u tf a u l ts i g n a li s t i m e l i n e s ss a m p l i n gb yd s p d s pc o n t r o l l e rw i l lc l o s eo f ft h ep w m i i i s i g n a l sw h e nt h ef a u l ts i g n a la r i s e s t h i sg i v e sa ne f f e c t i v e l yh a r d w a r e p r o t e c t i o nf o rt h ew h o l es y s t e m t h r o u g ht h ed i r e c t c u r r e n tb u sb a rv o l t a g ee x a m i n a t i o n ，t h ep a p e r h a sr e a l i z e dv o l t a g eh u n t i n gm o n i t o ro ft h ed i r e c t - c u r r e n tb u sb a r u s i n g t h ev o l t a g ef e e df o r w a r dc o n t r o ls t r a t e g y , t h es y s t e me l i m i n a t e db l d c m o u t p u tt o r q u er i p p l ew h i c hi n f l u e n c e db yt h eb u sb a rv o l t a g eh u n t i n g t h r o u g ht h eb l d c mt h r e e - p h a s ep h a s ec u r r e n te x a m i n a t i o n ，i th a s r e a l i z e dt h ec u r r e n tc l o s e d - l o o pc o n t r 0 1 i te n h a n c e dr a p i d i t yo ft o r q u e a n dr o t a t e - s p e e dd y n a m i cr e s p o n s e i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m c o n t r o lp r e c i s i o n ，t h e p a p e r u s e dp o s i t i o nd o s e d - l o o p 、r o t a t e s p e e d c l o s e d - l o o pa n dc u r r e n tc l o s e d l o o pc o n t r o ls t r a t e g i e s i te n s u r e st h e w h o l es y s t e mh a sh i g hv e l o c i t ym o d u l a t i o np r e c i s i o na n dt h ep o s i t i o n t r a c kp r e c i s i o n e l e c t r o n i cc o m m u t a t o rt os u b s t i t u t ef o r t h et r a d i t i o nb r u s h c o m m u t a t i o no fb l d c m ，i tr e d u c e dt h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yv o l u m ea n d e n h a n c e dt h ee l e c t r i c m a c h i n e r yw o r k i n gl i f e b u tt h e e l e c t r o n i c c o m m u t a t o rh a sa c t u a l l yb r o u g h tt h ee l e c t r o m a g n e t i s mt o r q u er i p p l e 。t h e t h e s i sh a s p u t f o r w a r dt h e t o r q u er i p p l ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g y ( t o r q u e - a n g l ec h a r a c t e r i s t i cc o m p e n s a t i o ns t r a t e g y ) i nv i e wo fb l d c m t o r q u er i p p l e a f t e ra n a l y z i n gt h er e a s o no ft o r q u er i p p l e ，t h et h e s i s p r o p o s e dan e wc u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yw h i c hg u a r a n t e e ss t a b l eo fo u t p u t e l e c t r o m a g n e t i s mt o r q u e i tr e a l i z e dn ot o r q u er i p p l ew h e nc o m m u n i c a t e o fb l d c m t h et e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h i sc o m p e n s a t i o ns t r a t e g y o b v i o u s l yr e d u c e st h et o r q u er i p p l ec o m p a r i n gt ot h ec o n v e n t i o n a | c o n t r o l s t r a t e g i e s ，a n dt h et o r q u er i p p l ei ss m a l l e ra st h et o r q u e s p e e di sh i g h e r k e y w o r d s ：b l d c m ，d s p , r e s o l v e r , t o r q u er i p p l e ，f e e df o r w a r d v o l t a g e i v 基予d s p 及轴角数字转换器的宜流无利电机控制系统研究与设计 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果尊 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责任由本人承担。 论文作者签名： 答l 垄复 日期： 2 q q 星生堑屋 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件匆电子 版，允许论文被查阅和借阚；本人授权陕西科技大学可以将本学 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全 文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：掣导师签名t ：i 燧日期：巡芝生o - ， 基予d s p 及轴角数字转换器的直流无刷电机控制系统研究与设计 第l 章绪论 l 。l 直流无刷电动机的特点及应用 1 1 1 直流无刷电机的特点 电机作为一种进行机电能量转换的装鼍，已经广泛的应用到了国民经济的各 个领域以及人民的日常生活之中。根据采用的电流制式的不同，电动机分为直流 电动机和交流电动机两大类。 毫动机作失把电裁转换为机械能的主要设备，在实际的应用孛，是要求其 具有较高的机电能量转换效率：二是要根据生产机械的工艺要求控制和调节其的 旋转速度。众所周知，直流电机具有调速性能好、运行效率离、起动转矩大、过 载能力强、动态性能好等诸多优点。但是传统的有刷直流电机由于其本身结构上 存在机械式的电蒯和换向器这一致命弱点，给实际应用带来了一系列的闯题。两 交流电机虽然具有结构简单，运行可靠，寿命长，保养维修方便的优点，但是与 直流电机相比，其机械性能差，效率低，起动转矩小，过载能力低，调速控制困 难，电动机轻载运行时功率因数低，增加了线路和电网的损耗。根据有关报道我 国消耗在电动机上的电力占整个电力的6 5 以上【l l ，而美国也有5 5 以上的电力 消耗在电动祝运行上疆】，因此提高电动枫的效率，节约能源具有重要意义。 永磁无刷直流电机则保留了有刷直流电机的优良调速性能，又省去了机械的 电刷和换向器。它采用一种位置传感器和电子开关变换器替代电刷和换向器，既 有传统直流电机的优良特性，又有交流电机的结构简单、运行可靠、寿命长的优 点。在电磁结构上，永磁无刷直流电机和有刷直流电机一样，但是它的电枢绕组 放在定子上，转予上放置永磁磁钢。无利直流电机的绕组像交流电机的绕组一样， 采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子备相逐次接通电流，和转子磁 场穗互作用，产生转矩。无刷电桃综合性能优于有刷电机，影响无刷直流电机普 遍应用的主要是价格比较高和电路比较复杂。但是在电子技术飞速发展，电子元 件大幅度降价以及专用集成电路被采用之后，电路相应筠化很多，价格也下降很 多。尤其是在需要控制调速的场合，价格己完全可以和有刷直流电机相比 p 】【4 】【5 】【6 1 o 与传统的电励磁同步电动机相比，永磁无刷直流电动机具有结构简单、体积 小、重量轻、效率高、功率因素离、转矩重量比高，转动惯量低、易于散热， 易于维护保养等优点，因而应用范围极为广泛，尤其是在要求高控制精度和高、 可靠性的场合，如航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车、计算 机外爨设备和家用电器等方面获褥广泛应用。 1 1 2 直流无刷电机在工业自动化方面的应用 陕西科技大学硕士论文 壶于无劂直流电视的优异性能，使得世雾上许多科研枕构和公司都投入到这 一技术领域，使无刷直流无刷电机的技术得到了充分展示，和更加广泛的应用。 据美国m t t 预测公霹的报告，就1 9 8 6 年美国市场焉言，无刷直流电机的镄售量 为5 6 0 万台，在全部电机中占1 6 ；1 9 9 1 年无刷直流电机的消费量达到2 6 0 0 万 台，约6 3 亿美元。在全都控制电机中，无刷蛊流电机1 9 8 6 年占7 ，1 9 9 1 年将 占1 6 ，增长速度最快。 在2 0 世纪8 0 年代以前，由于相关技术发展的限制，直流伺服驱动系统一直 在伺服驱动领域占据主导地位。但是传统昀直流电视存在着制造成本高、体积庞 大、维护困难等缺点，使其应用范围受到一定限制，特别是在高性能的中小功率 偶服驱动场合。8 0 年代| 以来，现代控制理论、电力电子技术、微机控京技术以 及大规模集成电路的发展和应用，尤其是矢量控制技术婀不断成熟，交流何服驱 动系统的性能可以和直流伺服驱动系统相媲美。搬上永磁无刷自流电机技本发展 的日趋成熟，在一些高性能何服驱动场合，交流伺服驱动系统甚至有取代直流何 服的趋势。在数控机床、组合机床、自动纺织、印尉、包装、冶金、邮政机械、 自动化生产流水线和各种专用设备等都采用无蓐g 直流电动枫来满足机械设备的 高效率、高精度、高性能的要求。在一般的轻正机械中一些要求精密控制速度和 位置的设备如数控缝纫机、彩扩放大机、高速食品搅拌机也大多采用永磁秃刷电 动机。特剐是在机器人和机械手的驱动中，无刷直流电机的应用极多。目前全世 界机器人的拥有量超过1 0 0 万台，且每年按2 0 酶数皮增长，是永磁无刷直流 电机的重要应用领域。总之，在工业应用中，无刷直流电动机在快速性，可靠性， 可控性，体积，重量，节能，效率，耐受环境和经济性等方面具有明显优势。特 别是近几年来，随着稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比的不断提商，永磁 无刷直流电动机作为中小功率高性能调速电机和何服电机在工业中的应用越来 越广泛| 7 lt a l 9 1 【1 l 嘲。 1 2 选题背景及意义 重2 。l 选题背景 永磁无刷直流电动机( b l d c m ) 具有高效率、高转矩、高精度的三高特点， 同时具有体积小、重量轻、可做成各种体积形状等优点，是当今效率最高酶谓速 电机之一，在工业、家甩电器以及航空航天等各个领域得到了广泛应用，它的设 计与控制是当今电机领域的热门研究课题。 本课题选题来源于国家“8 6 3 计划 研究课题搿旋转导向钻井系统工程样机 的研制，是该项目的一个子部分。在垂直自动钻井系统中，自动防斜垂直钻井 系统( 简称a a d d s ) 是我国自主研熹 的特别针对我国地形梅造特点的石油钻井工 具。其主要由封装在导向活套内的可控稳定器、井下微处理器和井斜角测量传感 2 基予d s p 及轴角数字转换器的直流无刷电机控制系统研究与设计 器组成。在钻井的时候，如果井斜焦测量传感器捡渊到的井斜角达到预设的编差 值，井下微处理器就发出指令让可控稳定器工作，可控稳定器则使安装在其内部的 液压系统输出降斜力，使井眼轨道逐渐回到垂直状态藤实现纠偏f 1 3 1 。其旋转导向 纠偏系统采用的是直流无刷电机驱动，要求驱动系统具有高精度转速控制和精确 的位置定位，并能工作在高温耐撞击的环境中。为实现此控制要求，论文在控制 方案上选用了基于d s p 的永磁光刷直流电机控制系统，直流无刷电机( b 王d c m ) 转子位置传感器采用正余弦型旋转变压器。正余弦旋转变压器作为转角、位置检 测元件，相对予增量式脉冲编码器，旋转变压器可以测量电枧转子的绝对位置， 而且精度高，工作可靠1 1 4 ) 。 1 2 。2 课题意义 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”为目的而开发研究开发的。控制系统中的执行电动机应该具有下 列优点：响应速度快、可控性好、可靠性高、体积小、重量轻、节能、效率高和 环境适应能力强。下面就一下凡个方面具体分析一下宣流无刷电动机的优点之所 在。 在快速性方面，由予直流无刷电动机的转子是豳永磁材料构成的磁极体，电 枢绕组在定子上，因此转子外径相对较小，转子转动惯量因而也较小：而在转矩 方面上，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，由于直流电动机的输出转矩 和绕组流过的电流成线性关系，而直流电动机的起动转矩又大，因此可控性很好、 很方便。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。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。在环境适 应性方面，对于高性能的系统，如果只能采用直流电动机，但同时要求寿命长、 免维护，以及能在防爆、易燃的环境条件下使用，有刷直流电动机就无能为力了， 丽直流无刷电动机则是最好的选择。 本课题的研究首先具有重要的工程应用价值。此外，论文中关予基于的无刷 直流电机控制系统设计理论与方法的研究结果对于无刷直流电机控制技术的发 展具有定的理论意义。本文提毒的高精度控制算法和软硬件实现结架对于无刷 直流电机在其他国防和囡民经济建设中的应用将起到借鉴作用。 1 3 直流无刷电动机的研究现状 1 3 1 无刷直流电机本体的发展 3 陕西科技大学硕士论文 电动机作力机电能量转换装置，其应用范围已经遍及国民经济酶各个领域， 电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。直流电动机具有 运行效率离和调速性宾毫好等诸多优点，因此被广泛应熙予各种调速系统中，但传 统的直流电动机均采用机械电刷的方式进行换向，存在相对的机械摩擦，和由此 带来的噪声、火花、无线电子扰以及寿命短等致命弱点。因此，旱在1 9 1 7 年， b o l i g e r 就提出了辫整流管代替有利直流电机的机械电尉，从而诞生了无刷直流 电机( b l d c m ) 的基本思想。 1 9 5 5 年，美雷d h a r r i s o n 等人曾次申请了用晶体管换自线路代替有霉直流 电机机械电刷的专j i ! i ，标志着无刷直流电机的诞生。1 9 7 8 年，原联邦德国公司 m a 豫娓s m 越瞄的i n d r a m a t 分部在汉诺藏贸易展览会上正式攫毖其永磁无蓐囊直 流电机及其驱动系统，标志者永磁无刷直流电机真正进入了实用阶段。二十世纪 8 0 年代国际上对无尉电机开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无尉直 流电机，在1 0 多年的时间望，无刷直流电机在国际上已得至 l 较为充分的发展。 近年来，稀土永磁材料迅速发展，其矫顽力高、抗去磁能力强，且常规去磁曲线 在大范謇线性可逆等特点为永磁无剃盥流电动枫的设计开辟了广阔静前景。同时 现代电力电子器件工艺日臻成熟，出现了功率晶体管( g m ) 、可关断晶闸管 ( g 约 、功率场效应晶体管( m o s f e t ) ，特别是绝缘栅双极蒜体管( 羹啜疆) 、 m o s 可控晶闸管( i g c t ) 的开发成功，使无刷直流电机功率驱动电路的可靠性 和稳定性得到保障。现在，永磁无届4 盛流电动机的概念已经由最期 特指的具有电 子换向的永磁直流电动机延拓至所有具备有刷直流电动机外部特性的电子换向 式永磁电动机。永磁无刷直流电动枫黻展也使得传统的电机学科同当代许多薪 技术的发震密切相关。随着大功率半导体器件、电力电子技术、微电子技术、数 字信号处理技术、现代控制理论的发展以及高性能永磁材料盼不断出现，如今盼 永磁无捌点流电枫系统己经成为集特种电动枫、功率驱动器、检测元件、控截软 件与硬件予一体的典型的机电一体化产品，体现了当今工程科学领域的许多最新 成果。 我国无刷直流电机的研制工作始予二十世纪7 0 年代栅期，主要集中在一些科 研院所和离等院校。限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，所以目前我国无尉电机 综合水平仍低于国际水平，寄待进步的研究和开发。 1 3 2 直流无刷电机控制技术的发展 无刷直流电机既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优 点，又具备直流电动枫运行效率高、秃励磁损耗以及潺速性能好等特点，放在当 今国防和囡民经济的各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺、家电和航 4 基予d s p 及轴角数字转换器的直流无刷电机控制系统研究与设计 空航天等方面的应用圜益普及。由子无刷童流电机不存在机械电刷，会带来电机 的电子换向问题，在无刷电机控制中的一个关键问题是要解决电子换向控制器的 设计和实现。 随着科技的发展，电子换向控制器经历了模拟控制电路、模拟数字混合控制 电路、专用集成控制电路、微处理器控制电路、数字信号处理器控制电路等阶段。 传统的无利直流电机控制器一般由模拟器件以硬接线的方式构成。模拟控制系统 价格便宜，使用方便，在很长的一段时间里，它们是构成各类电机控制系统的主 要手段。然而模拟元件的物理特性决定了它们具有些本质上的缺陷，例如元器 件的老化和温漂问题等，由于采用了硬接线，系统升级困难。 由予模拟控制系统的本质缺陷，使它缀难满足现代电子系统的设计要求，因 此，数字控制系统应运而生。最初的数字控制系统都是以单片机为主控芯片，受 单片机本身结构的限制，以其为核心所组成的单片枫控制系统仍然需要较多的钋 围器件，系统中元器件的增加使得系统的可靠性、可维护性降低。在单片机控制 系统发展的同时，一些厂家开发出了电动机控制专用芯片，如用于无刷直流电机 控制的u c c 3 6 2 6 等，电祝专用芯片不具有用户可编程的特点，它数硬件方式对电 机的各类传感器信号进行检测，根据外部输入命令输出相应的控制信号。这类芯 片价格便宜，执行速度快，但是所能实现的控制功缝简单，难以满足高性能控制 场合的需要。 从霹前的发展趋势来看，以数字信号处理器( d s p - d i 基t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 为核心的控制电路将代表无刷直流电机电子换向控制器的发展方向。针对电机控 制所设计的d s p 芯片运算速度远远高于单片机，而且片内集成了模拟数字转换 器、数字i o 以及专门用予电机控制的p w m 事件管理器等，使得它们从硬件枫制 上可以较好地满足电机控制系统的要求。此外，d s p 强大的事件管理器可以实时 地执行些高精度的复杂控制算法，减少传感器信号采样到控制命令输出之阅的 延迟，改善速度控制中的动态行为。 可以看到，基于d s p 控制器构成的电机控制系统具有传统单片机电机控制系 统和专用芯片电机控制系统的优势，同时又克服了它们的各自缺点。而且，随着 电子技术的不断发展，d s p 芯片的成本在不断下降。 对于电机控制系统，功率驱动技术至关重要。电力电子技术和功率半导体器 件的发展对无刷直流电机控制技术的发展影响极大，它关系到电机的功率驱动。 电力电子功率器件经历了从半控( 只能控制开不能控制关) 到全控阶段，从电流 控制到电压控制( 场控) ，从几k h z 到5 0 0 豳舷以上的开关频率的变化：而电机 + 的控制也相应默相控电流转变到脉宽调制技术。 从2 0 世纪7 0 年代开始先后出现了几种有自关断能力的全控型功率器件，如可 陕西科技大学硕士论文 关断晶阑管管( 簖o ) 、功率晶体管( g 腿) 。这些全控功率器佟取代了普通晶阐 管系统，提高了工作频率，简化了电路结构，提高了系统附效率和可靠性。原来 谐波成分大、功率因数差的相控变流器已逐步由轿波器或p w m 变流器所取代，使 电机的调速范围明盟增加。其后又出现了功率场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极 晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( 姗) 等，形成第三代功率器件。这些新型功 率器件采用场控，工作频率可以更高，驱动电路更简单。目前，号称第爵代的功 率集成电路己崭露头角。功率集成电路是电力电子技术与微电子技术相结合的产 物，它将半导体功率器律与驱动电路、逻辑控穰电路、检测和诊断电路、僳护电 路集成在一块芯片上，使功率器件含有某种智能功能，因此又称为智能功率集成 电路。半导体功率器件发展的另一个方南是智德功率模块( 习隧磅。它是将单个或 多个功率器件组成半桥或全桥，并集成了快速恢复二极管、栅极或基极驱动电路、 保护电路，丽形成的一个混合模块f 1 5 l 。所有这些功率器件盼发展都促进了无刷 直流电机控制技术酶进步。 无刷童流电机是当今效率最高的调速电机之一，与其相关的控制技术研究是 当今电枫领域的熟门谋题，其中有很多| 蠡题值得深入研究，如无蓐l j 直流电概自孽转 矩脉动、最佳换向和转子位置检测阿题。本文对相关的主要问题进行了研究。 1 4 论文主要研究虑容 本文研究的内容是设计并实现一个基于d s p 的无刷矗流电机转速控制系统。 本系统主要研究盼内容为： 直流无刷电机转子位置检澳8 技术白净研究，实现电机转子位置的精确定位： 实现电机转速控制和实现电机转子位置控制； 电机裙电流监测，实现电流闭环控制； 功率逆变电路，驱动电路及保护电路的研究； 消除转距脉动的孝 偿策略研究； d s p 的p w m 产生及控制方法研究。 薹。s 本章小节 本章酋先介绍永磁无刷直流电机的特点及其在工业自动化方面的应用，综合 分析无刷壹流电机的发展以及研究现状，预测今后的发展趋势。然后对课题盼背 景和意义以及本文盼主要工作进行详细说瞻。 6 基予d s p 及轴角数字转换器的直流无刷电机控制系统研究与设计 第2 章直流无刷电机工作过程分析 无捌直流电动机是遥几十年来隧着电力电子技术的迅速发展丽发展起来的 一种新型电动机，其基本工作原理是借助反映转子位置的位置信号，通过驱动电 路驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定顺序导遴，从丽在电机气隙 中产生旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，转予位置信号依一定规 律变化，从丽改变电枢绕组的通电状态，实现无刷直流电动机的机电能量转换 嘲。 2 。l 直流无刷电机的基本组成 无刷直流电机又名自控式同步电动机，实际上可以看作是一台用电子换相装 置取代机械换相的直流电动机，它由永磁同步电动机、逆变器和位置检测器等主 要部分构成。无论从结构或控制方式上来看，无利誊流电机与传统的宣流电机都 有很多相似之处用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，用具有多 褶绕组的定子取代电枢，由固态逆变器和电祝转子位置检测器组成电子换相器和 电刷，这样就得到了无刷直流电动机【1 7 1 。无刷直流电动机一般由无刷直流电动 机本体、转子位置检测器和驱动控制电路组成，见图2 薹。 图2 1 真流无刷电机的基本缎成 f i g 。2 - 1t h eb a s i sc 黔m p o s i n go fb l d c m 2 1 1 直流无刷电机本体结构 电动机本体通常由永磁同步电机构成。永磁同步电机的转子采用永久磁铁励 磁，目前多使用稀土的永磁材料。由于转子磁场的几何形状不同，使得转子磁场 在空间的分布有正弦波和梯形波两种。因此当转子旋转时在定子上产生的反电动 势波形也有两种。这两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了 区别由它们组成的永磁同步电动机调速系统，习惯上，又把正弦波永磁同步电动 帆组成的调速系统称力正弦型永磁同步电动机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o v p m s m ) ，而梯形波( 方波) 永磁同步电动机在原理和控制方法上基本与 直流电动机相似，故称为无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r - - b l d c m ) 或方 波无刷电机。本文的研究对象就是方波无利直流电机。 2 1 2 转子位置检测传感器 7 陕西科披大学硕士论文 转子位置检测器也就是位置传感器，按动作缀理可分力敏感式、耦含式、谐 振式和接近式等p 9 1 【刎( 2 2 jf 刎1 2 4 j 【2 5 l1 2 6 】。敏感式利用敏感元件如光敏元件 ( 光电二极管或三极管) 和磁敏元件( 如霍尔元件、磁敏电阻期磁敏二援管等) 来感应出转子位置，并给出信号，信号经过处理放大，便可以驱动逆交器工作， 以控制定予各相绕组的导通。本文选用电磁耦含式旋转变压器作为转子位置 传感器。用旋转变压器作转子位置传感器可适应冲击震动和温湿度变亿等恶劣的 工作环境，普通检测转子位置的光电编码器很容易损坏，而旋转变压器e l l 于其坚 露耐用且可靠性高，可_ 以很好地解决这一褥题。旋转交鹾器输出的转子位置的模 拟信号经轴角数字转换器r d c ( r e s o l v e r - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ) 解码为高精度的 数字信号，透过微控篱l 器( d s p ) 处理蜃，实现转子使置盼精确定位。 2 1 3 驱动控制电路 驱动控制电路的作用是将位置传感器检溅到的转予位置信号进行处理，按一 定的逻辑代码输出，去艋发功率开关。根据电磁感应定律，通电后的定子绕组在 转子永磁体中将受电磁力的作用，从而在定子绕组上产生跳跃式的旋转磁场，拖 动主转子按一定的方向旋转。当转过一定的角度后，位置检溅元件所处盼磁场发 生了变化，检i 贝! i 到的信号也相应改变，这样经电子换相电路后，依次导通各功率 开关，实现定子绕组的换瀛，完成对电动祝的驱动，电动橇就会连续莳运转起来 1 2 7 1 ( 2 8 1i 柳。 2 。2 直流无刷电视的控制原理 一般的直流电机由于电刷的换相，使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通 电后产生的磁场在嗽视运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，搜电动机运 转。无刷直流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相阿，即在一个具有恒定 磁通密度分布的磁极下，保涯电枢绕缀中通过的电流总量恒定，以产生恒定转矩， 而且转矩只与电枢电流的大小有关。 由于转子的气隙磁通为梯形波，由电机学原理可知，电枢的感应电动势亦失 梯形波，大小与转子磁通和转速成正比。b l d c 电机三相电枢绕组的每相电流为 1 2 0 。通电型的交流方波，反电动势为1 2 0 。梯形波。只要控制好逆变器各桥臂功 率器件的开关时刻就能满足上述要求。但是定子方波电流的通电时刻与感应电动 势波形、转子磁极位置有严格的对应关系，否贝i j 会产生大的转矩脉动，使平均转 矩减小。 b l d c m 三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电 路的特点是简单，一个可控硅控翩一相的通断，每个绕组在一个羼期晦只通电1 3 的时问，另外2 3 的时间处于断开状态，电机本体没有得到充分的利用，在运行 过程中的转矩波动较大。所以最好采用三相全控式电路。如图2 0 示出了种三 基予d s p 及轴角数字转换器的直流无刷电机控制系统研究与设计 相全控电路，在该电路中，电动机的绕组为y 型联结。 图2 - 2 童流无刷电机等效电路及逆变器主电路原理图 f i g 2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i to fb l d c m a n di n v e r t e rc i r c u i ts c h e m e 电动机的绕组导通方式为两两通电，两两导通方式是指每一瞬间有两个功率 管导逶，每隔1 6 周期( 6 妒电惫度 换相次，每次换楣一个功率管，每一个 功率管导通1 2 0 4 电角度。各功率管的导通顺序为t lt 6 、t 6t 3 、t 3 、t 2b 、 砖瓦、kt l 、。当功率管t l 和r 导通时，电流从t l 管流入a 相绕组， 再从c 相绕组流出，经管回到电源。如果认定流入绕组的电流产生的转矩为 正，那么从绕组流出所产生的转矩为负，它们的合成转矩如图2 - 3 a 所示，其大小 为西z ，方向在互和哆的角平分线上。当电动机转过6 0 。后，由t lt 6 通电 换成t 6t 3 。这时，电流从t 3 管流入b 相绕组再从c 相绕组流出，经t 6 管回 到电源，此时合成转矩如匿2 3 b 所示，其大小同样为3 乏，但合成转矩的方 向转过了6 0 。电角度。而后每次换相一个功率管，合成转矩市两方向就随着转 过6 0 。电焦度，但大小始终保持怕乏不交。图2 - 3 c 示出了全部合成转矩的方向。 同样一台直流无刷电动机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采 用三相y 联结全控电路，在两两换相的情况下，其合成转矩是半控电路的3 倍。 每隔6 0 。电角度换相一次，每个功率管通电1 2 0 。，每个绕组通电2 4 0 。，其中 正向通电和反向通电各1 2 0 。三相全控时的转矩波动比半控时小得多。 毫) 墨鲁逶野馘转踅) 醌甏逶黠合成糍 图2 - 3 联结绕组两两通电时的合成矢量图 陕西科技大学硕士论文 f i g 。2 - 3r e s u l t a n tv e c t o ro f t w o - t w ow i n d m gs w i t c h e do n 2 3 无刷直流电机的数学模型 方波无刷直流电机的主要特征就是反电动势为梯形波，它包含有较多的高次 谐波，这意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且无刷直流电机的电感为非线 性。在本课题孛，采用的电机力三相六极方波供电永磁无劂直流电视。现在我俯 首先给出一般化旋转电机的电压方程和电磁转矩表达式，并且可以推导出方波供 电无刷直流电动机的电压方程和电磁转矩方程【蚓【3 n 。 为简化分析，以一台三相两极无尉直流电动机为例，在允许的范围里作如下 假设： 定子绕组为相带整距集中绕组，星形连接。 忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子的内表面。 忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗。 不考虑电枢反应，气隙磁场分布近似梯形波，平顶宽度为电角度。 转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作雳。 2 3 1 电压方程 j ： 由电机电压平衡方程式：u = r i + l 睾+ 嚣可知，定子三相绕组的电压方程 磁 可表示为： 阡 r0嘲00 0ri i 二p 墨籍毛| + p l 厶kk k 厶k kk 丘 | 】+ | ；】 其中o 、u b 、毪表示电机曼相相电压； 气、气、气表示电视各项绕组感应盼爱电动势： 、 表示电机兰相相电流； 乞、厶、t 表示电机三相绕组酶自感； k 、k 、瓦表示a 相栅b 相绕组的互感( 其他亦然 p 为微分算子出出。 由于转子是永磁体，转予的影响可以忽略，可潋认为： 厶= 厶= 丘= l ； 乞= 瓦= k 勰乞= k = k = 材 那么，上面的式子可以简化为： l o 基于d s p 及轴角数字转换器的直流无刷电机掇制系统研究与设计 阡 墨0 0 0 曩0 00 墨 + p lm 醚鹾 lm ml ( 2 2 ) 塞 拦 耄罢主 妻 + p 三j _ _ - 三互 差 + 圣 t 2 3 ， 乃= e o f o + c a + 味】 ( 2 乏一乏一b e o ：，掣= 埘沏 ( 2 力 p 差 = 髟三主膨v 三三m 眵三兰彪 囊 一 言昙墨 搴睦 一匿卫 c 2 8 ， 1_1 吃吃巳 。l + 1_l。ik。l 陕西科技大学硕士论文 n 鞠盼毒重溅元羽电撬麓等效电路 f i g 2 - 4e q u i v a l e n tc i r c u i to fb l d c m 2 4 无刷直流电机的控制系统方案 由式( 2 4 ) 可知对于一对极电机的转矩公式，如果是多对极电机，则可得 下式： r _ 一一 互=了e月(eoio+e,i,+ea)啮ke b 乞1 j ； = 半 ( 2 9 ) 国 l 7 ” 仞 乏毛 式中只为电机的极对数；砭，z 分另| j 为反电动势和相电流的相量形式。 爱电动势置又可以写隽： 巨= 2 n l r b e o ( 2 1 0 ) 在反电动势的公式( 2 。1 0 ) 中可见，反电势与电机的转速成正比。在转矩公 式( 2 9 ) 中，显然，转矩互的大小与电机的相电流成正比，改变相电流， 相应的也就改变了转矩z 的大小，以达到改变转子转速的目的。医此，如何改变 无刷直流电动杌楣电流云成了调速靛关键一环。具体实现时，我们是通过调节 电动机的盛流占空比( p w m ) 的方法来达到改变相电流l 的目的，相应地改变 了转矩豹大小。 电机转子盼绝对位置可以通过控制器递增式给定，通过转子位置传感器( 旋 转变压器) 和轴角数字转换器实现位置跟踪和转子位置的精确定位。 由以上分析，可以确定系统的控镱方案如图( 2 - 5 ) 所示； 图2 6 控制系统原理雷 f i g 2 - 5t h es c h e m eo fc o n t r o ls y s t e m 基予d s p 及轴角数字转换器的直流无刷电机控制系统研究与设计 这种控制方案采用位置环、速度环、电流环三环控制，最内部的一个环路为 电流环，