（电力电子与电力传动专业论文）无刷直流电动机运动控制系统的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r u s b l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) i san e wt y p eo fm o t o rw h i c hi sd e v e l o p e dd u e t ot h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i c s c o n t r o lt h e o r ya n dm o t o rc o n t r o l t e c h n o l o g y b l d c mh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sb e c a u s et h i sm o t o rn o t o n l yh a st h em e r i to f t h ea c i n d u c t i o nm o t o rf o rs i m p l es t r u c t u r e ，r e l i a b l eo p e r a t i o n a n de a s ym a i n t e n a n c eb u ta l s oh a st h em e r i to ft h ed cm o t o rf o rh i i g hp e r f o r m a n c e a n de a s yc o n t r 0 1 t h eb r u s h l e s sd cm o t o rw i t h o u tu s i n gp o s i t i o ns e n s o r sc a nr e d u c e t h ee x t r ac o s ta n ds y s t e ms i z e ，a n di ta l s oc a ne n h a n c et h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m o nt h eb a s i so ft h es u m m a r yf o rd e v e l o p m e n t sa n da p p l i c a t i o n so fb r u s h l e s s d cm o t o rc o n t r o ls y s t e m ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o n a l p r i n c i p l eo fb l d c m ，t h e np r e s e n t st h em a t h e m a t i c a lm o d e l s ，a n dd i s c u s s e st h e m e t h o do f b l d c mr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nw h i c ht e s tt h eb a c l 【- e m fs i g n a l b e s i d e s t h e s et h ec i r c u i t r yd e s i g no f d e t e c t i n gr o t o rp o s i t i o ni sa l s op r e s e n t e x li nt h i st h e s i s i nt h i st h e s i s ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ed i g i t a lc o f i t r o ls y s t e mi s d i s s e r t a t e di nd e t a i l t h ec o n t r o l l e ro ft h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mi sb u i l tb yu s i n g t h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a st h em i c r o p r o c e s s o r t h ed e s i g no f d e t a i lc i r c u i ti n c l u d e s ：t h e b a c k e m fs i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i t ，c u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t ，r o t o rp o s i t i o na n ds p e e d d e t e c t i o nc i r c u i t b e s i d e s ，t h ed r i v ec i r c u i to ft h eb r u s h l e s sd cm o t o ri sd e s i g n e d w i mi r 2 1 3 0 t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mi n c l u d e s ：i n i t i a l i z a t i o np r o g r a mo fd s p 。 o p e n - l o o pc o m m u t a t i o ns t a r t - u pp r o g r a m , t h ep h a s es w i t c h i n gp r o g r a ma n ds oo n t h o s ep r o g r a m sa c h i e v et h a tt h ep w mg e n e r a t i n g ，t h eo p e n - l o o pc o m m u t a t i o n s t a r t - u p ，t h ep h a s es w i t c h i n g , t h ec o n t r o lo f c u r r e n t , s p e e d ，p o s i t i o n f i n a l l y ，t h et h e s i sp r e s e n t st h es i m u l a t i o nm o d e lo fab l d c m c o n t r o ls y s t e m b yu s i n g 【a t l a b s i m u l n k b yt h em o d e l ，t h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e ，r o t a t e s p e e da n db a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c ec u r e sa r ep r e s e n t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s t e s t i f yv a l i d i t yo ft h eb a c k - e m fd e t e c t i o na n dp r o v et h er a t i o n a l i t yo ft h ec o n t r o l s y s t e m k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ，p o s i t i o ns e n s o r ，b a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ， p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 1 1 1 课题研究背景 一个多世纪以来，电动机作为机动能量装换装置，其应用范围己遍及国民 经济的各个领域以及人们的日常生活之中。其主要类型有同步电动机、异步电 动机与直流电动机三种。众所周知，由于传统的直流电动机均采用电刷以机械 方式进行换相，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、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，从而大大的 限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数采用三相异步电动机【l 】。 随着社会生产力的发展，人们生活水平的提高，需要不断地开发各种新型 电动机。科学技术的进步，新技术新材料的不断涌现，更促进了电动机产品的 不断推陈出新。针对上述传统直流电动机的弊病，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直流无刷电动机，并取得了一定 成果。但由于当时大功率电力电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的 电子换向的元器件。使得这种电动机只能停留在实验室研究阶段，而无法推广 使用。1 9 5 5 年，美国d 哈利森等人首次申请了应用晶体管换向待机电动机机械 换向器换向的专利，这就是现代直流无刷电动机的雏形。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，借助霍尔元件来实现换 向的直流无刷电动机终于在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。2 0 世纪7 0 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性 能半导体功率器件，如g t r 、m o s f e t 、i g b t 等相继出现，以及高性能永磁材 料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。 由于直流无刷电动机【l 】既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便 等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率商、无励磁损耗以及调速性能好 动能诸多特点，故在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、 轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。如计算机硬盘驱动器和软盘驱动器 武汉理工大学硕士学位论文 里的主轴电动机、录像机中的伺服电动机，均数以百万计地运用直流无刷电动 机。 1 1 2 课题研究的目的和意义 无刷直流电动机在小型机电设备驱动、数控机床进给伺服控制和主轴驱动、 工业机器人关节驱动、移动机器人运动驱动和电动机驱动等领域得到了广泛的 应用。无刷直流电动机采用高磁性材料和电子换向原理，克服了有刷直流电动 机换向器带来的可靠性和可维护性差的缺点，保持了直流电动机的良好控制性 能。随着微电子技术和功率集成电路的技术进步，各种无刷直流电动机专用控 制和驱动芯片大量出现，给高性能无刷电动机驱动控制提供了多种有效的解决 方案，使得无刷直流电机在控制领域具有很好的应用前景。 在无刷直流电机应用领域，对成本的敏感和微型化、可靠性的要求越来越 高，而转子位置传感器不仅增加额外费用，而且增大了系统体积，并降低了可 靠性，无位置传感器应运而生，它一般利用电枢绕组的感应反电动势来间接获 得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去了位置传感器，简化了电动机本体 结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的应用。 本课题基于现场总线的分布式控制是目前工业控制领域倍受关注的应用课 题之一。将分布式控制的思想用于运动控制系统，通过总线将运动控制器和驱 动器进行连接，将简化现场布线，方便系统结构的改变和扩展。同时，由于采 用总线数据通信实现控制信号和反馈信号的传输。 设计一种具有网络控制功能的无刷直流电动机驱动控制器和多轴运动控制 器，构成分布式运动控制系统。基于该系统硬件平台，研究电机驱动控制方法、 系统运动控制的智能控制策略以及网络通信控制策略。本课题的研究成果具有 通用性，可用于制造系统多轴运动控制、电动车的电动转向控制和多轮驱动控 制等应用领域。 1 2 无刷直流电动机的发展状况 1 2 1 国内外无刷直流电动机的发展现状 早在1 9 1 7 年，b o l i g c r 就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从 2 武汉理工大学硕士学位论文 而诞生了无刷直流电机的基本思想【2 j 。在上世纪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，并且取得了一定的成果。但是 由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换相元器 件，使得这种电机只能停留在实验室研究阶段，而无法推广使用。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向线路代替有刷直流电动机机械电刷 的专利，诞生了现代无刷电机的雏形。无刷直流电机真正进入实用阶段应从1 9 8 7 年开始，当时原西德m an 1 q e s m n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易博览会 上正式推出m a c 经典无刷直流电机及其驱动器。7 0 年代以来，随着电力电子 工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如g t r ，m o s f e t ，i g b t 等相继出现，以及高性能永磁材料，为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实 的基础。 我国的无刷直流电动机的研制【3 】开发始于2 0 世纪7 0 年代，主要是为我国自 行研制的军事装备和宇航技术产品配套而展开的。8 0 年代起，随着高性能永磁 材料和电力电子技术，微电子技术的飞速发展，无刷直流电动机才异军突起， 形成了具有我国特点的专业研究和生产体系，产量、产品和各项性能指标均取 得了革命性的变化，如汽车行业，在高档轿车中需永磁电机5 0 6 0 台，一般轿车 也需要2 0 3 0 台，特别是近年来受能源危机之影响，汽车节能倍受关注，汽车用 无刷电动机如喷油泵电动机，将不断增加，从而逐步取代有刷电动机，还有在 信息处理系统合通讯、音响、视听设备中，在要求高性能、高可靠性的运动伺 服系统中都采用性能好、体积小、效率高的直流无刷电动机1 2 】。 我国目前直流无刷电动机发展现状是：国内企业正在不断扩大生产规模和 寻求扩展市场份额，但还存在着技术落后、产品老化、管理不善、成本偏高等 问题：而且真正技术含量较高的产品，其关键零部件与其技术还掌握在外资企 业手中，自主开发能力尚薄弱。外资企业随着全球化进程的到来，纷纷到国内 投资建厂，以现代化管理高品质产品，实现大规模生产，赢得可观的经济效益， 但新产品的研发机构还设在本国内。由于无刷直流电动机是机电一体化的产物， 是基于材料科学、微电子技术、计算技术、控制技术之上的高技术含量产品， 受我国基本工业薄弱的影响，无刷电动机的发展与国际先进水平相比还存在着 比较大的差距，高品质零部件，高性能原材料，先进的制造设备检测仪器，自 主研发能力等都急需学习和掌握。虽然目前的无刷电动机的成本高于有刷电动 机，但随着节能高效的倡导，无刷电动机在工业、农业、消费内电子产品中会 武汉理工大学硕士学位论文 有进一步的作为，元器件成本的降低、永磁材料性能的提高、技术开发能力的 增强会使无刷电动机竞争力更强，性能大幅度提升。 在国外【3 j ：无刷直流电动机的生产和应用取得很大进展，如日本仓毛电器公 司研究出的k r k 系列产品，德国西门子公司推出的a d 系列产品。在大功率无 刷直流电机方面，工业级的无刷直流电动机及驱动系统已达到7 3 5 9 8 7 5 w 的功 率范围，特别是在美国，一些公司的直流无刷电机产品己占据了不同的应用领 域，例如f u n k 、u s a 的产品主鹞鹰用于工厂自动化领域，p a p s t 的产品主要 应用于仪器设备领域，k o l l n n o r g 的产品主要应用于国防和航天领域。自上 世纪末起，逐渐形成直流无刷电机的研究热潮，针对其存在的问题，各国研究人 员纷纷推出自己最新科研成果，其中美国的a h mr u b a a j 博士及其同事共同研制 出一种新型的永磁直流无刷电机，其转子跟普通的电机一样，而其定子却和普 通的有刷直流机的转子极为相似，并能以转子位置传感器及逻辑开关电路，使 定予绕组依次换向。其优点为：大大减少了转矩波动，可在较大范围内自然换 向，充分提高了电机体积的利用率。针对位置传感器的改善，美国的k e i t ha c o r z i n e 博士等人最近研制出一种混合观测装置，通过固定于定予上的霍尔元件 获得信号监测转子位置，以此代替价格不菲的光学编码器，大大降低了电机成 本，且提高了监测精度，可谓物美价廉。 相信随着国际、国内对直流无刷电机的研制和开发工作的日臻成熟和完善， 直流无刷电机会愈发显示出其独特的经济价值和实用价值。 1 2 2 无刷直流电动机控制技术的发展 1 2 2 1 控制电路 无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、 转向、转矩以及保护电机。控制电路【4 】最初采用模拟电路，控制比较简单。如果 将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高 其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发 展到数字电路。目前，控制电路一般有专用集成电路、微处理器和数字信号处 理器等三种组成形式。8 0 年代出现了高性能处理器，如通用d s p ，其处理速度 快，弥补了传统微处理器的不足，使无刷直流电动机的转速控制能够达到很高 的精度，大大提高了无刷直流电动机控制系统的性能。但是无刷直流电动机控 4 武汉理工大学硕士学位论文 制系统除了高性能的处理器，还需要专用门列组合以及相应的存储器和外围芯 片，这就使得芯片数量增加，价格提高。由于这种微处理器组成的控制系统， 难以实用化。针对这一问题，美国t i 和a d 公司相继研制成功以d s p 为内核的 集成专用电机控制芯片1 1 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列，a d 公司的a d m c 系 列。这些控制器不但具有高速信号处理和数字控制功能所必须的体系结构特点， 而且有专为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备。采用电机专用 d s p 为核心的全数字电机控制系统，系统硬件得到极大简化，提高了系统的可 靠性，减小了体积，降低了成本。因此采用电机专用d s p 研制出的电机控制系 统【5 】具有高效性和实用性，对这一系统的研制对无刷直流电动机的普及应用将会 有很好的前景。 1 2 2 2 驱动电路 驱动电路的作用是输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电 路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才 从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力 的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步 提高。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， 如可关断晶体管( g 1 d ) 、功率晶体管( g t r ) 。这些全控功率器件取代了普通晶闸 管系统，提高了工作频率，简化了电路结构，提高了系统的效率和可靠性。原 来谐波成分大、功率因数差的相控变流器已逐步由斩波器或p w m 交流器所取 代，使电机的调速范围明显增加。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( i g c t ) 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，号称第四 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，它将半导体功率器件与驱动电路、逻辑控制电路、检测和诊断电 路、保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。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的 驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、 体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽 调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路， 为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 3 转子位置检测电路 永磁无刷电动机是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号， 因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换，是无刷 直流电动机正常运行的关键。 为了得到转子的绝对位置，较常用的方法有两种，一种是采用传感器检测， 另一种是通过间接测量其它量进而得出转子位置，例如反电势过零检测法等。 常用的无接触式方法有：电磁式、磁敏式，光电式、间接式等几种检测方法， 根据不同的应用条件，选择不同的检测方法。 ( 1 ) 位置传感器 目前用于位置检测的磁敏组件很多，如霍尔组件、磁敏电阻、磁敏二极管、 晶体管等。霍尔组件与其它磁敏组件相比，具有体积小、灵敏度高、输出功率 大、工作可靠、性能稳定等明显优点，并已做成集成芯片式，便于使用。有位 置传感器的永磁无刷直流电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。 ( 2 ) 无位置传感器 所谓的无位置传感器 6 1 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。 用位置传感器作为转子的位置检测装置是直接有效的方法，它一般将位置 传感器安装于转子的轴上，实现转子位置的实时检测。最早的位置传感器是磁 电式的，既笨重又复杂，已被淘汰；目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于 无刷直流电动机中，另外还有光电式的位置传感器。位置传感器的存在，增加 了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机的小型化；旋转时传感器难 免有磨损，且不易维护；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运 行性能；另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号。为适应无刷电动机 的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利用电枢绕组的感应反电动势 6 武汉理工大学硕士学位论文 来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去了位置传感器，简化了电 动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的应用。但对于采用反电动 势进行位置检测的无位置传感器无刷电动机，由于静止时不产生反电动势，因 而如何顺利启动是该电机需要解决的问题。近年来，国内外均出现了很多的位 置信号检测方法，其中较为成熟的主要有四类：反电势法、续流二极管法、反 电势积分法和状态观测器法。 1 3 论文主要内容 本文主要在分析无刷直流电动机的工作原理的基础上，重点讨论了无位置 传感器无刷直流电动机转子位置检测方法反电动势检测方法，并针对反电 动势法换相检测所出现的转子位置误差原因进行了分析，然后利用m a t l a b 仿 真工具对所研究的问题进行了分析，验证了可行性，主要内容如下： ( 1 ) 对无刷直流电动机的发展历史，国内外无刷直流电动机的发展状况作了 简单的介绍，并详细的介绍了无刷直流电动机控制技术的发展。 ( 2 ) 介绍了无刷直流电动机的基本结构及工作原理，给出了无刷直流电动机 的数学模型，并分析了无刷直流电动机无传感器控制技术中最常用的转子位置 检测方法一反电势法的工作原理，设计出了反电动势法的实现电路，对转予 检测方法的误差原因进行分析。 ( 3 ) 分析了无刷直流电动机各种转子位置检测方法，比较了各种控制器的优 缺点，最终确定以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为控制芯片，反电动势法的位置检测方法， 位置环、速度环、电流环三环控制的整体设计方案。 “) 基于1 1 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制芯片，设计了无刷直流电动机控制 器的硬件电路部分；给出电流，转子位置，速度等检测电路；并以i r 2 1 3 0 作为 驱动芯片设计了直流无刷电机的驱动电路。 ( 5 ) 阐述了无刷直流电动机的软件的整体设计思想，并给出了各个部分的软 件设计框图。 ( 6 ) 建立了基于s i m u l i n k p o w e r s y s t e m 的无位置传感器无刷直流电动机调速 系统整体仿真模型，对反电动势过零检测法进行了仿真研究，验证了反电动势 过零检测法的有效性。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章反电动势法转子位置检测的工作原理 无刷直流电动机( b r u s h l s sd cm o t o r ) 是随着半导体电子技术发展而出现的 新型机电一体化电机，是现代电子技术( 包括电力电子、微电子技术) 、控制 理论和电机技术相结合的产物。无刷直流电动机采用无位置传感器检测转子位 置，不仅减少了因转子位置传感器而增加额外费用，而且减少了系统体积，并 大大的提高了系统的可靠性。本章主要介绍了直流无刷电机的工作原理，并在 此基础上给出直流无刷电机的数学模型，阐述反电动势法转子位置检测的工作 原理。 2 1 无刷直流电动机工作原理 2 1 1 无刷直流电动机基本组成环节 无刷直流电动机的结构原理们如图2 1 所示。它主要由电动机本体、位置传 感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似， 但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相( 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 ，) 组成，图2 l 中的电动机 本体为三相两极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联 接，图2 1 中，a 相、b 相、c 相绕组分别与功率开关管k 、匕、巧相接。位置 传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接。 + 电子换向线路 l 一一一一一一一一一_ j 图2 1 无刷直流电动机的结构原理图 武汉理工大学硕士学位论文 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场 相互作用而产生转矩，驱动转子旋转再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电 信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电 流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序与转 子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子 开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统” 8 1 。其 原理框图如图2 2 所示。 图2 - 2 无刷直流电动机的原理框图 电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相 似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于，直流无刷电动 机中永久磁钢装在转子上，而直流有刷电动机的磁钢装在定子上。 无刷直流电动机电子开关线路是用控制电动机定子上各相绕组通电的顺序 和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。 功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系 分配给直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。 而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控制功率逻辑开关单位，往往需要经过一定 逻辑处理后才能去控制逻辑开关单位。 2 1 2 无刷直流电动机基本工作原理 众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作 用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的 换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂 直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无 电刷换向，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放 在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的， 9 武汉理工大学硕士学位论文 因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动 中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转 动。所以直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外，还要有由 位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷 电动机在运行的过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁 磁场，在空间始终保持在万2r a d 左右的电角度。 为了详细说明无刷直流电动机的工作原理 1 l u l ，下面就以三相星形联结绕组 半控桥式电路为例，来加以简要说明。图2 3 是三相无刷直流电动机的工作原理， 以光电器件作为位置传感器，以三只功率管k 、k 和k 构成功率逻辑单元。 + 图2 3 三相绕组直流无刷电动机 图2 - 3 中，三只光电器件嘲、聊；、陀。的安装位置各相差1 2 0 。，均匀分布 在电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转遮光板的作用，使得从光源射来 的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来 判断转子磁极的位置。图2 3 所示的转子位置和图2 - 4 a 所示的位置相对应。 由于此时光电器件p z 被光照射，从而使功率管k 呈导通状态，电流流入绕 组4 4 ，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转予的磁极按图2 4 a 中的箭头方向( 顺时针方向) 转动。当转子磁极转到图2 - 4 b 所示的位置时，直 接装在转子轴上的旋转遮光板也跟着同步转动，并遮住阡：而使阡；受光照射， 从而使功率管k 截止，功率管以导通，电流从绕组a a 断开而流入绕组曰一f ， 使得转子磁极继续朝箭头方向转动，并带动遮光板同时朝顺时针方向旋转。当 转子磁极转到图2 4 c 所示位置时，此时旋转遮光板已经遮住阡；，使得阡：被光 照射，导致功率管k 截止、功率管巧导通。因而电流流入绕组c c ，于是驱 动转予磁极继续朝顺时针方向旋转，并重新回到2 - 4 a 所示的位置。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器阡：、p e 、 腿的控制下，便一相一相地依次通电，实现了各相绕组电流的换相。不难看出， 在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃的。这种 旋转磁场在3 6 0 。电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续1 2 0 。电角度。各 相绕组电流与电动机转子磁场的相互关系如图2 4 所示。图2 - 4 a 位第一状态，e 为绕组彳一彳通电后所产生的磁动势。显然，绕组电流与转子磁场的相互作用， 使转子沿顺时针方向旋转；转过1 2 0 。电角度后，便进入第二状态，这时绕组一一 断电，而绕组曰一随之通电，即定子绕组所产生的磁场1 2 0 电角度，如图2 - 4 b 所示，电动机转子继续沿顺时针方向旋转；再转过1 2 0 电角度，便进入第三状 态，这时绕组b 一断电，c c 通电，定子绕组所产生的磁场又转过1 2 0 。电角 度，如图2 4 c 所示；它继续驱动转子沿顺时针方向转过1 2 0 。电角度后就恢复到 初始状态了。这样周而复始，电动机转子便连续不断地旋转。 镑露7 按警 图2 - 4 开关顺序及定子磁场旋转示意图 2 2 无刷直流电动机的数学模型 以绕组星形三相六状态为例，分析b l d c m 的数学模型8 1 及电磁转矩特性。 为了便于分析，假定： ( 1 ) 三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称； ( 2 ) 忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； 武汉理工大学硕士学位论文 塞 = 言吾量 医 + 芝乏l a b 篷 p 医 + 圣 + e i q - ， 囊 = i ；习 1 + 三j m 三 二上互 1 + | ； + 隆 c 2 4 ， 图2 5 无刷直流电动机等效电路图 武汉理工大学硕士学位论文 永磁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 = e j o + e b i b + e c i c ( 2 - 5 ) f o 由( 2 5 ) 式可看出，无刷直流电动机的电磁转矩方程与普通直流电动机相 似，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 的幅值即可控制无刷直流电动机的转矩。为产生恒定的电磁转矩，要求定子相 电流的持续时间为1 2 0 0 电角度，梯形波反电动势的平顶部分也为1 2 0 0 电角度， 两者应严格同步。由于在任何时刻，定子只有两相导通，则： 电磁功率可表示为：只= 岛+ + p 。= 2 e , l ( 2 - 6 ) 电磁转矩又可表示为：= = 2 e i , d o ( 2 - 7 ) 机械运动方程： t t - - 厂! 竽 ( 2 8 ) 讲 式中： 死电磁转矩 r 负载转矩 b 阻尼系数 w 电机机械转速 - - - - - - 电机的转动惯量 2 3 无刷直流电动机反电动势法检测原理 在无刷直流电机应用领域，对成本的敏感和微型化、可靠性的要求越来越 高，而转子位置传感器不仅增加额外费用，而且增大了系统体积，并降低了可 靠性。如何实现无位置传感器的无刷直流电机控制呢? 通过查阅国内外文献，了 解了多种转子位置信号检测方法，其中较为成熟的主要有四类：反电动势法、 续流二极管法、反电势积分法和状态观测器法，其中最常用的是反电动势法。 反电动势法是迄今为止最成熟、最有效，也是最常见和应用最为广泛的一种转 子位置信号检测方法。这种方法的基本原理就是在忽略永磁无刷直流电机电枢 反应影响的前提下，通过检测断开相的反电势过零点，来依次得到转子的六个 关键位置信号，并以此作为参考依据，轮流触发导通六个功率管，驱动电机运 转。由于无刷直流电动机电枢绕组的反电势波形直接反映转子位置与换相时刻 武汉理i ：大学硕士学位论文 的关系，因此可以利用电枢绕组的反电动势来获取转子位置信息，从而获得正 确的换相逻辑。下面将详细的阐述反电动势法的工作原理。 2 3 1 无刷直流电动机反电动势 无刷直流电动机定子采用集中绕组方式，以获得良好的梯形波反电动势 9 1 形状。在通电期间，无刷直流电机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组的 感应电动势为： e _ = b l r w ( 2 - 9 ) 式中：卜气隙磁通密度 卜一导体有效长度 r 导体所在位置至旋转中心的距离 一转子的电角速度 由式( 2 9 ) 可以看出，由于对某一台具体的电动机而言，其导体有效长度和 电动机的气隙半径均已确定，且磁感应强度b 取决于永久磁钢的磁性材料及磁 路结构，其对特定的电动机来说也为常数。故屯= 肼为常数，定义为反电动势 常数。而反电动势e ，与w 成正比关系。 2 3 - 2 无刷直流电动机反电动势检测原理 处于运行中的无刷直流电动机，转子的永磁磁镉要切割定子绕组而产生反 电动势，其大小正比于无刷直流电动机的转速及其气隙中磁感应强度。当转子 磁钢极性改变时，反电动势的波形的正负也随着改变，故只要测出反电动势波 形的过零点【j 啦，就可以确定转子磁钢的精确位置，进而控制直流无刷电机的换 相。 对于稀土永磁无刷直流电机，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，由此把无刷直 流电机分为方波电机和正弦波电机。对于径向永磁结构，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绕组，即每极 每相槽数q = l 时，方波磁场在定子绕组中感应的电势为梯形波，如图2 6 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 梯形波反电动势及绕组通电流波形 无刷直流电机定子绕组采用星形接法，其电枢绕组具有梯形的反电动势波。 为保证一相断路，系统采用两两导通、三相六状态p w m 调制方式，主电路如图 2 - 7 所示。每相绕组正反向分别导通1 2 0 。电角度，即每一瞬间有两个功率管导 通，每隔6 0 。电角度换相一次，功率管的导通顺序为； 虼一一呻巧巧圪。当功率管k 和匕导通时，电流从功率管k 流 入a 相绕组，再从c 相绕组流出，经k 回到电源。在忽略永磁无刷直流电机电 枢反应影响的前提下，通过检测未导通相的反电动势过零点l l l 】，获取转子的位置 信号1 1 2 1 ，以此作为逆变桥功率器件的触发信号，轮流触发导通，实现电机的正 确换相，以驱动电机运转。 图2 7 无刷直流电机主电路等效电路图 由式( 2 - 4 ) 可得三相端电压公式： 。= 且l + ( 上一m ) a l o a t + e 。+ 甜。 “6 = 足+ 仁一m ) d i d a t + e 6 + 甜。 ( 2 1 0 ) 1 , l c = r 】e + q m 、d lc d + e c + t l n 以 一1 l 刮 对于星形接法两相通电模式三相无刷直流电机，满足三相电流之和为零， 并且在反电动势波形过零附近，导通两相反电动势绝对值大小相等符号相反。 将( 2 1 0 ) 中三式相加，得到各相反电压与绕组端点电压和中性点电压的关系为： e 。+ p 6o r e c = u 。+ “6 + 甜c 一3 “ ( 2 - 1 1 ) 假如此时功率管k 和圪导通，电流从功率管k 流入a 相绕组，再从b 相绕 组流出， 图2 - 8 无刷直流电机a 相和b 相导通主电路等效图 此时c 相不导通，相电流为零，该相绕组端电电压、反电势和中性点电压 关系为； e 。= u 。一”。 ( 2 1 2 ) 式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 消去中性点电压得到c 相反皂动势与各相端电压的关系： 口。= ：兰i “。三c ”。+ ”。+ “。，j c 2 1 3 ， 同理可以得到： e 。= 兰。一了1 ( 。+ “a + ”c ) ( 2 - 1 4 ) = 3 u a1 i ( u a + u b + u c ) ( 2 - 1 5 ) 因此可以得到不导通相反电动势与端电压的关季为： 铲卦一号c u a + b + 1 1 c ， 协1 6 ) 由式( 2 1 6 ) 可以知道，不导通相绕组电流等于零，该相绕组反电动势只与 三相绕组端点电压有关。不导通相绕组反电势过零的条件是不导通相绕组端电 只；等于三相端电压之和的1 3 ，即： 1 6 c 一 _ 划d 武汉理工大学硕士学位论文 也= ( 。+ “ + u o ) ( 2 1 7 ) j 其中，式( 2 1 7 ) 的右边称为虚拟中性点1 1 2 1 ，它等于三相绕组端点电压平均 值，但并不是真正的中性点。只有当不导通相绕组反电动势过零且电流等于零 时，虚拟中性点电压等也实际中性点电压。 转子转速恒定时，根据理想状态反电判1 3 1 波形可以得到不导通相绕组的反 电势波形，如图2 - 9 所示。由图2 - 9 可以看出，反电势过零后移相3 0 。电角度电 机进行换向，因此首先要判断反电势过零点，然后确定换向点。 2 4 本章小结 l ： - 一 万 - 一_ - 6 l t 小、； 弋l 卜_ 、一 人 人 人 o 一 vv iv c 相：b 相a 相：c 相：b 相： 图2 - 9 三相反电动势波形 本章首先介绍无刷直流电动机的组成及工作原理，接着给出了无刷直流电 动机的数学模型，分析了无刷直流电机无传感器控制技术中最常用的转子位置 检测方法“反电势法”的工作原理，为后面的转子的位置检测和仿真提供了理 论基础。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章无位置传感器直流无刷电动机控制方案设计 3 1 无刷直流电动机的控制器选择 无刷直流电机调速性能好、控制方法灵活、效率高、启动转矩大、过载能 力强、无换向火花、无励磁损耗及运行寿命长等诸多优点，故其应用范围遍及 各个领域，并且日趋广泛。但直流无刷电机的控制算法复杂、监控软件编写难 及其硬件成本偏高等实际问题限制了其发展。一个性能优良的直流无刷电动机 控制系统，微机【1 4 】要完成的工作主要有： ( 1 ) 将来自直流无刷电动机主电路的电流信号转化为数字信号，并进行电流 环的运算处理； ( 2 ) 检测转子的位置，完成直流无刷电动机的换相控制； ( 3 ) 将转子的位置信号转换成相应的速度信号，并进行速度环的运算处理； “) 监视用户界面、进行人机对话、故障诊断以及同上级计算机通信联系等 多重任务的实时控制功能。 这就使得一般的单片机【”1 往往很难胜任，为了解决这一矛盾，近几年国外 一些大公司纷纷推出比m c u 性能更加优越的d s p 1 6 1 ( 数字信号处理器) 单片电机 控制器，如a d i 公司的a d m c 3 x x 系列，t i 公司的1 m s 3 2 0 c 2 4 系列及m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 f 8 x x 系列。 d s p 是2 0 世纪8 0 年代开发出来的新一代微处理器芯片，具有很强的指令 系统和硬件支撑。其中t m s 3 2 0 x 2 4 0 是直接面向电动机控制的d s p 芯片，它集 一般d s p 的信号高速处理能力和适用于电动机特点的优化外部电路于一体，具 有1 6 位定点计算功能的d s p 内核和指令集。一条指令的执行时间只需要5 0 n s ； 1 6 位的硬件乘法器，完成一次1 6 位的乘法运算只需要一条指令；多路p w m 输 出，可直接控制电动机的转速；两路1 0 位a d 转换器：两个串行口和看门狗定 时器等，特别适合于包括直流无刷电动机在内的各种电动机控制系统。故本文 设计的直流无刷电机驱动控制器中，采用1 1 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为控 制器【r 丌。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 无位置传感器直流无刷电动机转子位置检测方法 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。近年来，国内外均出现了很多的位置 信号检测方法，其中较为成熟的主要有四类：反电势法【1 8 1