（电力电子与电力传动专业论文）直流无刷电机控制系统的研究.pdf

电路，驱动电路的设计，保护电路设计，位置检测电路，电流 检测电路以及d s p 的外围电路。完成了控制方案的软件程序设 计，包括：主程序、a 采样程序、电流调节程序、速度计算 程序、速度调节程序以及捕获中断等程序的设计。 最后，本文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，并在 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调速系统运行性能良好。 关键词：直流无刷电机，d s p ，5 6 f 8 0 3 ，电路设计，程序设计 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o r es i m p l ea n dr e l i a b l e d u a lc l o s e dl o o pb l d c mc o n t r o ls y s t e m b a s e do nd s pi s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h eb i j ) c mi s c o n t r o l l e db yt h em o d eo fp 、m 7 n l ec o n t r o ls y s t e mw i t hd u a l c l o s e dl o 叩d i g i t a lp lr e g u l a t o r sh a sg o o dp e r f o r m a n c e si nd y n a m i c a n ds t a t i cs t a t e s t h es y s t 锄h a r d w a r ei n d u d e st h e t h r e e - p h a s ei n v e r t e r ， t h e d r i v i n gc i r c u i t ，t h ep r o t e c t i o nc i r c u i t ，t h ep o s i t i o nd e t e c t i n gc i r c u i t ， t h ec u r r e n td e t e c t i n gc i r c u i ta n dm ep e r i p h e r yc i r c u i to fd s p n l e s y s t e ms o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e dt or e a l i z et h ec o n t r o ls t r a t e g y ， w h i c hi n c l u d e st h em a i n ，a ds a m p l i n g ，c u r r e n t f e g u l a t i o n ，s p e e d c a l c 【l l a t i o n ，s p e e dr e g i l l a t i o na n dc a p t u r ei n t e r m p t i o ns u b r o u t i n e a t l 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 s ：b l d c mc o n t r o l s y s t e m ，a n dt h et h e s i sl i s t si h es p e e d - v a r i a b l e w a v e si nv a r i o u sw o r kc o n d i t i o n s 1 1 l et h e s i sd r a w sac o n c l u s i o n a f t e f 曲s e r v i n gt h ew a v e so fc 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 ep r e s 锄t e da 1 1 dd e s i g i l e di nt h e t h e s i si sf e a s i b l ea i l dt h i ss y s t e mh a sah 蜘p e 渤珊a n c e k e yw o 如s ：b l d c m ，d s p ，5 6 f 8 0 3 ，c i r c u i t d e s i g n ，p r o g r a m d e s i g l l ” 北京交通大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 研究背景 第一章概述 2 0 世纪初，直流电动机的发展己趋于成熟。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【1 】。 在1 9 1 7 年，b 0 1 i g e r 就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷， 从而诞生了无刷直流电机的基本思想。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机机械电刷的专利，标志着现代 无刷直流电机的诞生。1 9 7 8 年，原联邦德国的m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易展览会上正式推出了m a c 永磁无刷直流电机及其驱动， 标志着永磁无刷直流电机真正的进入使用阶段1 2 l 。 1 2 直流无刷电动机的优点 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。下面就一下几个方面具体分析 一下直流无刷电动机的优点之所在。 1 北京交通大学硕士学黩论文第一章概述 在快速性方颂，由于直流无刷电动机的转予是由永磁材料构成的磁极 体，电抠绕组在定子上，因魏转子乡 径褶对鞍小，转予转动惯麓因而像较 小；而在转矩方丽上，只有直流电动枫才能达到大的起动转矩和最大转矩， 而直流凭刷电动机具有瓴流电机的特性，因而起动转矩和最大转矩都较大。 因此壹流无剥嗽动扭可以实现快速的起、傍、热速帮减遮。 在可控性方丽，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，瑟嶷滚电动辍戆起动转矩又夫，困鼗霉控瞧缀好、缀方矮。蹇流无瓣 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 税输入激匿静大，j 、就可激实魂奁 琵大静范围巍遂行无缀调速。 在可靠性方颟，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。直流无刷电机的转予上由于没有绕组，因此转子上没有电的损 耗，又电子主磁场是恒定的，鄹此铁撰也是掇小驰( 在方波电流驱动时， 电枢磁势的轴线是脉动的，会在转予铁心内产生一定的铁损) 。总的来说， 除了辘熬旋转产生的摩擦损耗终，转予方嚣数攒越缀小，霆纛遴一步提褰 了可靠性。 簌繁l 谴方瓣，蠢浚无弱邀糗效率高。无论楚毫税设计还蹩系统设计， 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 戳上豹电力是消耗在电动祝豹运行上。美国g e 公司曾预测， 仅在制冷器具的应用中，若用蠢刷电机取代传统的异步电动枧，其效率可 提高2 0 ，全美翻一年可节电2 2 m k 硼。而且异步电动机运行在轻载时功率 因数低，增搬了线路和网终的损耗。摄摆有关掇遂，我国瀵耗凌电动枫上 的电力占整个电力系统总量的6 5 以上。因此，掇高电动机的效率，选择损 蕤最小、效率装瓷戆毫橇是键羹要筑。褥萎我鬻人墨众多，经济歪褰逮发 展，电力资源匮乏，更鼹节约能源，研制和开发出高效、节能、低耗的现 弋谲速系统。稳对子箕稳类型静电税，麓流无剩电动橇的损耗缀，j 、效率 2 北京交通大学硕士学位论文 第一章概述 最高。曾有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则可以达到9 2 4 。 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，而直流无刷电动机则是最好的选择1 1 j 。 永磁直流电机由于转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间上分 为正弦波和梯形波两种，转子旋转在定子上产生的反电势也分两种：正弦 波和梯形波。习惯上把反电势为正弦波的永磁同步电机称为正弦型永磁同 步电机( p m s m ) ，而把反电势为梯形波的永磁同步电机称为永磁无刷直 流电机( b l d c m ) 或方波电机l 。采用s p w m 或滞环控制的正弦型永磁同 步电机，需要提供连续的转子位置信号，但由于转矩波动小，因此往往多 用于高性能的伺服系统。只需提供几个关键位置的离散信号的永磁无刷直 流电机，相对于正弦波永磁同步电动机的正弦波驱动来讲，在相同的条件 下逆变器获取方波要比正弦波容易得多，再加上其控制也比正弦波永磁同 步电动机简单，因此，永磁无刷直流电动机更赢得了人们的广泛关注1 6 】。 永磁无刷直流电动机控制系统主要具有以下的优点1 7 】【8 】： 1 与直流调速系统比较：无刷直流电动机没有电刷和机械换向器、工作 可靠、无电火花产生、不存在励磁损耗，同时它又具有类似于普通直流电 动机的调速性能。 2 与一般变频调速的同步电动机比较：与采用矢量控制、直接转矩控制 的同步电动机相比，其控制结构简单，便于工程化。 3 与异步电动机调速系统比较：转子与定子磁场同步旋转，不存在转子 损耗，提高了效率和功率因数。 4 永磁无刷直流电动机出力大、重量轻、体积小、效率高，并且转动惯 量小。 北京交通大学硕士学位论文 第一章概述 模拟元件控制系统对温度敏感、易老化、升级比较困难，以被逐渐淘汰。 由单片机组成的控制系统外围扩展电路较复杂，而且存在速度慢的缺陷。 随着各大公司先后推出以d s p 为核心的专用集成电机控制芯片，为设计出使 用先进控制算法的高性能数字控制系统打下了坚实的基础。 1 4 本论文主要工作 本文分析了永磁无刷直流电机的工作原理和数学模型，基于智能功率模 块p m 5 0 r s a l 2 0 及数字信号处理器d s p 5 6 f 8 0 3 ，对4 k w 永磁无刷直流电动机， 提出了基于m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 f 8 0 3 芯片的全数字控制系统方案；主要 工作包括： 1 根据电机特性和功率要求选择功率变换器主电路和主开关元件，并进 行制作与调试。 2 设计并研制了驱动电路，控制电路和保护电路。 3 研究了p i 控制，设计了p i 调节器结构，并针对本系统提出设计了电 流速度双闭环p i 调节的控制方案。 4 根据本控制方案绘制了软件流程，编写了d s p 程序，并进行了编译调 试。 5 对样机进行了试验，从而对控制系统的控制性能进行了验证。 北京交通大学硕士学位论文 第二章直流无刷电机的t 作原理 第二章直流无刷电机的工作原理 2 1 永磁无刷直流电动机基本结构 2 1 1 结构框图 直流无刷电动机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，如图2 1 所示，永磁直流无刷电动机主要由永磁电动机本体、转 子位置传感器和电子换向电路组成。无论从结构或控制方式上来看，直流 无刷电动机与传统的直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，用具有多相绕组的定子取代电枢，用由固 态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。 图2 1 直流无刷电动机的结构 f 塘2 - 1s t 埘d u 豫0 fb l d c m 置传感器 2 1 2 电动机本体 电动机本体与永磁同步电机( p m s m ) 相似，转子采用永久磁铁励磁， 6 北京交通大学硕士学位论文 第二章直流无刷电机的工作原理 目前多使用稀土永磁材料，但没有笼型绕组和其它起动装置。其定子绕组 采用交流绕组形式，一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转予由永 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 的转予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 d 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【”。 2 1 3 转子位置检测器 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几种形式： 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测量作用的，有开口变 压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型。在无刷直流电机中，用得较 多的是开口变压器，其中用于三相无刷直流电机的开口变压器由定子和跟 踪转子两部分组成。定子一般由硅钢片的冲片叠成，或用高频铁氧体材料 压铸而成，一般有六个极，这六个极之间的间隔分别是6 0 度，其中三个极 绕上一次绕组，并相互串联后通以高频电源，另外三个极分别绕上二次绕 组w 、w 名、。它们之间分别间隔1 2 0 度。跟踪转子是一个用非导磁材料 做成的圆柱体，并在它上面镶上一块1 2 0 度的扇形导磁材料，在安装时将它 同电机转轴相联，其位置对应于某一个磁极。假设跟踪转予处在某一位置 时，一次绕组所产生的高频磁通通过跟踪转子上的导磁材料耦合到绕组 7 j b 京交通大学硕士学健论文第二章艇流无捌电机的工作豫理 上故在上产生感应电服己k ，丽在另外两相二次绕组和冁上由于炙耦 合回路同一次绕组相联，其感应电压玑，基本上为零。随着电机转予的 转动，簇踪转予酌导磁崩形片也跟着转动，使之逐步离开绕组 k ，而向绕 缀致二嚣运( 缎定为逆瓣镑旋转) ，鼠褥使萁二次电匿玩下簿、莎。土势。 就这样，随着电机转子运动，在，1 ：口变压器上分别依次感应出电聪， u 。 开秘变压器巍于结稳褥单、靛能可靠，函蔼强前得到了广泛废用。精形 导磁片的角度一般略大于1 2 0 度电角度，常采用1 3 0 度电角度。在三相全控 电路中，为了换相译码器的需要，扇形导磁片的角度为1 8 0 度电角度，不是 1 2 0 度电角度，也不是1 3 0 度电角度。凰时，扇形导磁片的令数墩困无刷壹 流电机的极对数相等。娃! i 于震荡电源的频率高这几千赫，故变压器的铁心 缝往采瘸铁氧钵耪辩，频率较低懿铁心可戳采爱葵毽款磁稼瓣。 设计开口变艇器时，般要求把它的绕组同振荡电源结合越来同意考 虑，鞋便褥到较好懿赣爨特性。 电磁式位置传感器具有输出信号大、正作可靠、寿命长、使用环境要求 不商、邋应往强、结构简单和紧凑等优点：僵这种传感器信嗓比较大，体积 较大，同时其输出波形为交流，一般需整流、滤波后方可应用。 2 光电式位置传感器 光电式位置传感嚣是列震光电效应制成戆，塞鼹睫电撬转子一起旋转瓣 遮光板和固定不幼的光源及光电管等部件组成。遮光板开有1 2 0 魔电角度左 农戆缝藩，显缝滚豹数瓣等子茏鞠壹滚赧撬转予磁摄瓣扳对数。当缝骧对 着光电晶体管钟峨时光源g 射到光电晶体管噬上，产艇“亮电流”输嫩 光电晶体管p 置和阡；，因遮光板挡住光线，只有“暗电流”输出。在“亮电 g 北京交通大学硕士学位论文 第二章直流无刷电机的工作原理 流”作用下，三相绕组中一相绕组将有电流导通，其余两相绕组不工作。 遮光板随着转子旋转，光电晶体管随转子的转动而交替输出“亮电流”和 “暗电流”的信号，以此来检测转子磁极位置，控制电机定子三相绕组轮 流导通，使该三相绕组按一定顺序通电，保证无刷直流电机正常运行。与 开口变压器一样，遮光板所开的缝隙也可以为1 8 0 度电角度。光电式位置传 感器性能较稳定，但存在输出信号信噪比较大、光源灯泡寿命短、使用环 境要求较高等缺陷，不过现在已经有新型光电元件出现，可克服这些不足 之处。 3 磁敏式位里传感器 磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一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 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。磁 敏元件的主要工作原理是电流的磁效应，它主要包括霍尔效应，现介绍如 下。 任何带电质点在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时，都要受到磁 场的作用力，称为洛伦兹力。洛伦兹力的大小与质点的电荷量、磁感应强 度及质点的速度成正比。例如，在长方形半导体薄片上加上电场e 后，在没 有外加磁场时，电子沿外电场e 的反方向运动，当加以与外电场垂直的磁场 b 时，运动着电子受到洛伦兹力作用向左边偏转了一个角度，因此，在半导 体横向方向边缘上产生了电荷，由于该电荷积累产生了新的电场，称为霍 尔电场。该电场又影响了元件内部的电场方向，随着半导体横向方向边缘 上的电荷积累不断增加，霍尔电场力也不断增大，它逐渐抵消了洛伦兹力， 使电子不再发生偏转，从而使电流方向又回到平行于半导体侧面方向，达 到新的稳定状态。这个霍尔电场的积分，就在元件两侧间显示出电压，称 为霍尔电压，这个就是所谓的霍尔效应。 9 北京交通大学硕士学位论文第二章直流无刷电机的工作原理 上述霍尔元件产生的电动势很低，在应用时往往要外接放大器，很不 方便。随着半导体集成技术的发展，将霍尔元件与半导体集成电路一起制 作在同一块n t 型外延片上，这就构成了霍尔集成电路。这种集成电路包括 线性型和开关型两种，一般而言，无刷直流电机的位置传感器宜选用开关 型。 4 无传感器位置检测 近年来，还出现了无位置传感器无刷直流电机，此种电机利用定子绕组 的反电动势作为转子磁钢的位置信号，该信号检出后，经数字电路处理， 送给逻辑开关电路去控制无刷直流电机的换向。由于它省去了位置传感器， 使得无刷电机的结构更加紧凑，所以应用日趋广泛2 6 1 。 2 1 4 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间，起到与机械 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 源的功率以一定的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。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予位 1 n 北京交通大学硕士学位论文第二章直流无刷电机的工作原理 置信号进行处理，按一定的逻辑代码输出，去触发功率开关管呱 2 2 永磁无刷直流电动机的工作原理 永磁无刷直流电机的控制系统如图2 2 所示，主要由永磁无刷直流电 机、整流器、逆变器、位置传感器和控制器几部分组成，采用“三相六拍 一1 2 0 。方波型”驱动。 框图l 流无 电机 图2 2 直流无刷电机的控制器的原理图 f i g 2 2c 0 n t m u e rs c h e m a t i co fb u ) c m 永磁无刷直流电动机的工作是通过逆变器功率管按一定的规律导通关 断，使电机定子电枢产生按6 0 。电角度不断前进的磁势，带动电机转子旋转 来实现的。分析如下：图2 3 ( a ) 是理想条件下对应的电枢各相反电势和电 流；每个功率管导通1 2 0 。电角度，互差6 0 。电角度，当功率管v 3 和v 4 导通时，电机的v 相和一u ( 取电流流进绕组为正向) 相通电( 如图2 1 ) 。定 子电枢合成磁势为图2 3 ( b ) 中所示的f a 4 ；若功率管v 3 关断，而功率管v 5 l 】 北京交通火学硕士学位论文 第二章赢流无刷电觇的工作艨理 导通，此时电机的w 相和一u 相通电，电枢合成磁势变为f a 5 ，f a 5 比f a 4 颓时针前进了6 0 。奄角度。由魏可知，定子电糕产生的磁势将随着功率管 有规律的不断导通关断，按6 0 。电角度不断地顺时针转动。逆变器功率管 获有六种触发组合状态，每种触发组合状态只脊与确定的转子位置或反电 势波形澎援对瘦，才熊产生最大的平殇电磁转矩。两个磁势彝激当其夹角 为9 06 时，相互作用力最大。而电子电枢产生的磁势是以6 0 。电角度往前 遂，莲魏在每静魅菱摸式下，转予磁势与定予蔽势熬夹氖在1 2 e 。爨6 9 。 之间变化才能产生最大的平均电磁转矩。见图2 3 ( c ) ，假如在t 1 时刻， 转子酌磁势曩鲶于线圈u x 平面肉，丽鼠要佼转予颓时针旋转；此时应该导 逶功率警v 5 弱￥4 ，楚定予的台戏隧势魏5 与f 豹夹建残1 2 0 。转子在 f a 5 与e 相互作用产生的电磁转矩的作用下顺时针旋转，到t 3 时刻，f a 5 与f ；的夹角成6 0 。，此时关断功率管v 4 ，导通功率管v 6 ，定予合成磁势 为f a 6 ，与只豹夹角成1 2 0 。，两者产燮静电磁转矩傻转子迸一步旋转糌妇。 2 3 永磁无制赢流电动机的运行特性 与一般直流电动机一样，永磁无刷誊流电动机的运行可分为网种情况， 霹垂转魄动、及转毫磅、正转割魂彝反转剑动。逆交绣率管熬六令导避缀 合状态产生六个定予磁势，每个相差6 0 6 ( 以一对极为例) ，如图2 3 所示， 转予霞嚣分尧六令区窝。 当电机正转( 顺时针) 电动时，以产生最大的正的平均电磁转矩为原则， 定予电瓶合成磁势瓦应当顺时钟超前转予磁势t1 2 0 。到6 0 。，即当嚣处 予区藩嚣，是子磁势瘫隽，导逶功率管￥3 窝￥4 ，帮当f ；簸予透瓣5 1 2 北京交通大学硕士学位论文 第二章直流无刷电机的工作原理 时，定子磁势应为f a 5 ，导通功率管v 4 和v 5 具体对应关系见表2 一l 和 表2 2 。 当电机正转制动时，则以产生最大的负的平均转矩为原则，定子电枢 o 0 o 屯 l 屯 t 圭少兰 彳z 一 z 。， i ； 举翟u 祭一嗥49 珍”掣 b y x 北京交通人学硕士学位论文 第二章直流无刷电机的工作原理 图2 3 幂磁无刷直流电机的工作原理 f i g 2 - 30 p e r a t m gp r m c i p l e0 fp mb u ) c m 合成磁势c 应当顺时针滞后转子磁势1 2 0 。到6 0 。，当处于区间2 时， 定子磁势为f a 5 ，导通管v 4 和v 5 ，当，；处于区间3 时，定子磁势为f a 4 ， 导i l = 【ii l v 4 和v 3 依此类推，具体对应关系见表2 1 和表2 2 。 理，当电机反转电动时，定予电枢合成磁势c 反时针超前转子磁势 f 12 0 。到6 0 。；当电机反转制动时，定子电枢合成磁势e 反时针滞后转 子磁4 净1 2 0 。到6 0 。 f6 图2 4 定子磁势向量图 f i g 2 - 4s t a i o rm a g n e i o i m t i v ev e c t o f 启 l爹 区区区区区区 子f j 磁 墨 间间间问间间 弋涎 123456 恭心 正转电动 fa1fa2 fa3fa4 fa5 fa6 1 4 北京交通大学硕士学链论文第二章囊流无刷嗷桃舶工作原理 正转制动 fa4 fa5 fa6 fa1fa2 fa3 反转电动 fa4 fa5fa6 fa1fa2 fa3 反转制动 f 拽lfa2 fa3 fa4 fa5 fa6 表2 一l 四象限运行致和f l 的对应关系 1 a b l e2 * 1e a n d 憨e 。r f e s j ，o n d j n 善谢a 晒no f f o u f lq u 丑d 删艟so p e 穗珏。n 定予合成 fa fa2 f83 fa4fa5fa6 磁辨 浮通的功 v 】静v 】翔v 2 翱v 3 和 ￥4 和v 5 和 率管 v6v 2 v3 v4 v5 v6 表2 2 导通酶i g b t 和定子合成磁势的对应美系 t a b l e2 2c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n0 f o ni g b ta n ds t a t o rs y l l t h e t i cm m f 毒叛主分辑露籍，当表磁秃溺壹滚彀劫辊耍转露，逶交器磅牵管静静通 顺序为v 6 一v 1 一v 2 一v 3 一v 4 一v 5 一v 6 ：当永磁无刷岚流 电动机反转时，遂交器功率管静母通颓撵为v l 一v 6 + v 5 一v 4 一，v 3 一v 2 一v l ；当永磁凭刷直流电动机正转制动时，逆变器功率管的嚣通 顺序为v 6 一v l 一v 2 一v 3 一v 4 一v 5 - v 6 ；当永磁无刷赢流 电动壤旋转剑动时，逆变器功攀簪载导逶顺序为v l 一￥6 一v 5 一v 4 一v 3 + v 2 + v 1 ：反转电动、正转电动、雁转制动和反转制动运行的 鞠毫滚与爰毫势关系懿蠲2 - 5 掰示圜。 北京交通大学硕士学位论文第二章直流无刷电机的_ t 作原理 匕兰乡，8 0 0兰型5 4 矿。 寻，田后一 兰型兰型 庐a ，f 习。 ! 型烂7 t t t ( a ) 正转电动电动势、电流波形 ( a ) b a c k - e m f a n d p h a s e 叫玎e n t w a v e f o m o f f 0 邢a r d 叩e r a t j o n ( b ) 反转电动电动势、电流波形 ( b ) b a c k - e m f 蛐dp h 船ec n f r e n tw a v e 砌t n0 fh i v e f s eo p e m t i o n t t t 1 6 t t t 北京交通大学硕十学位论文 第二章直流无刷电机的工作原理 f ，为相电流，e j 为相反电势，平台阶段幅值为e ；r 为每相定子的电阻，l j 驴丢一半 z ， 假设三相绕组对称，则：l = 厶= t = 三， 荔1 2 言丢主】 耋】+ 基三薹 p 睦 + 匡】 c 2 一s ， 由于三相定子绕组对称，为y 联结，故有f 。+ + f c = 0 ，将+ 一， + f c = _ f 4 ，t + = 代入( 2 3 ) 整理得； 【荔】2 爹亭曼 睦】+ 手m 量】p 睦】+ 【圣 姑一们 j ! 塞銮望查兰堡主堂竺笙兰 丝三主皇亟重型皇垫堕三堡堡里 电磁转矩的表达式仍为： 和言= 华 c z 当采用1 2 0 。导通逆变器为永磁无刷直流电机供电时，在通电期间，方 波永磁无刷电机的带电导体处于相同的磁场下，则各相绕组的感应电动势 为： e = 薹q = 萋肌点裟出等= 彘叩。e 叩c z 川， 热v = 等肚裟； n 一一为电机转速。 中。一一为气隙主磁通； p 一为极对数： a 一为并联支路数； n 一一为总导体数； 艮一为电势系数，匠= 。 r1 _ m 图2 6 永磁无刷直流电机的等效电路 f i g 2 - 6e q u i v a l tc i r 锄i to fp mb l d c m 从变频器的直流端看，星型联结的永磁无刷直流无刷电动机的感应电动 势易由两相绕组经逆变器串联组成，所以有： 1 9 北京交通大学硕士学位论文 第二章直流无刷电机的工作原理 易2 e 2 2 k 中。n ( 2 7 ) 因此，电磁转矩的表达式可以表示为： 纠易驯q 2 彘叩兰州篆慨l = 巧l ( 2 - 8 ) 式中：l 一方波电流的幅值： 巧一一转矩系数，玛= 善巳中。 q = 加l 6 0 。 由此可见，永磁无刷直流电动机的电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正 比，所以控制方波电流的幅值可以控制电机的转矩。 转子的运动方程为： d q d t = ( 乃一互) i ， ( 2 9 ) 式中：巧为负载转矩，他包括转子上承受的外旌机械转矩乙。和阻 力转矩瓦 j 为转子与负载的转动惯量。 由式( 2 8 ) 可得 乃一王2 器鲁 1 0 ) 式中：g d 2 电动机转子飞轮力矩( m 2 ) ，g d ：= 4 9 j 2 4 2 永磁无刷直流电动机的调速原理 在理想情况下，任何时刻只有两相定子绕组通电，令加在两相通电绕 x 北京交通大学硕上学位论文 第二章直流无刷电机的工作原理 2 5 无刷直流电机的调速方法和机械特性 2 5 1 电势和调速方法 e = 洲= 加以中；h 急l 中一e 锄 ( 2 1 7 ) n ，为相绕组等效匝数。 式中e = h 裔l ，l 为电势系数； 若考虑线路损耗及电机内部压降( 己归入r ) ，而且，1 2 0 。导通型逆变器 的输出电压幅值为u 。三，则电机电势e 与外加电压相平衡，u = e + 三玑， 即： 主u 。；c 。中n + 三l r 。 竹；逛掣 式中r 。，为回路等效电阻，包括电机两相电阻和管压降等效电阻。式 ( 2 1 8 ) 表明，无刷直流电机的转 x 北京交通大学碰士学位论文 第三章直流无刷电机的控制策略 第三章直流无刷电机的控制策略 永磁无刷直流电机的转子为永磁体，不需要励磁；同时，转子磁链是不 可控的，可以控制的只有定子绕组的电流。电动机的运行好坏，即转矩控 制的特性的好坏仅依赖定子电流控制特性的好坏。由式( 2 2 0 ) 可知：永磁 无刷直流电动机的电磁转矩大小与电流的幅值成正比，所以控制电流的幅 值即可控制电机的转矩的大小；控制的目标是尽量消除转矩波动，使电机 平稳运行。 3 1 几种电压斩波p w m 调速方法比较 在三相六状态1 2 0 。导通方式下，根据p w m 作用时间，作用管子的不 同，把p w m 调制方式分成五种类型1 1 1 j ，如图3 1 所示( 其中i g b t 管子的 连接如图2 - 2 所示) 。图i a 】为0 n p w m 型：每个功率管的1 2 0 。导通区间中， 前6 0 。恒通，后6 0 。进行p w m 调制：图【b 】为p w m o n 型：各功率管前 6 0 。进行p w m 调制，后6 0 。恒通；图【c 】为hp x 北京交通大学硕士学位论文 第三章直流无刷电机的控制策略 v l 靶 0 v 1 v 3 v 5 v 4 1 2 01 8 02 柏s 0 00 【a 】o n - p w m 型调制 【a 】o n - p w mm o d u l a t i o n 8 删厂 ； l 脏i i广_ l i l 06 0 2 4 03 0 03 6 0 4 2 0 【b 】p 一0 n 型调制方式 【b 】p w m 帕nm o d u l a t i o n 北京交通大学硕士学能论文 第三章巅流无刷电机的控制策略 【c 1h m i 印r m 型调制方式 【蝴珏p w 糙- l 。p w ml n c i d 一a l i 秘 ；l i l ； ； 黜猢 ： 厂 一1 ! ； l ! ； 一一1 ； ； ： ： 阐h 胛，l - l _ - o n 爨调制穷式 【d 1 h 即r m lo n m o d u l “o n 北京交通大学硕士学位论文 第三章直流无刷电机的控制策略 【e 】h _ _ 0 n l j l w m 型调制方式 【e 】h i _ 0 n - l l p w mm o d u l 撕o n 图3 1 五种p w m 调制方式 f i g 3 - lf i v ek i n d so fp w mm o d u l a t j o nm o d e 在这五种p w m 调制方式中，【a 】、【b 】、【d 】、【e 】又称为“单斩”方式， 即在三相六状态任意一个状态区间，只有上桥臂或下桥臂的一个功率管进 行p w m 斩波控制；【c 】则称为“双斩”方式，即任意一个状态区间中开通 的两个功率管都进行p w m 斩波控制。下面将对“单斩”方式和“双斩” 方式下的电流最大值进行分析。 在某个6 0 。范围内由逆变器的功率器件v l 和v 2 工作，当v 1 和v 2 都 开通时，电流的流向如图3 2 所示，电流的上升率为 堕。匕二堡 ( 3 一1 ) 出2 一m ) 鸵隶交通夹学磺士学位论文第三牵基滚舞粼魄枧瓣控制藏路 鞠3 3v i 争v 2 燕斯时电流流向馥 巧嚣4 0 黔i 豫c 蛀o n 缱e h f 豫n 毛妯e n v l 毪n d v 2 a 砧。髓 懿式( 3 - 5 健入( 3 2 ) 褥到； 越。睾撼。坚l 垫二弛蔓。曼；蔓q = 盟竖f 3 一秘 感 2 ( 五一彤) ，( 一膨) ， 、7 当蟛= 喜对，褥到双轿p w m 控制下奄滤波动嬲最大馕为： 虬一2 面焉河 。 如果怒单轿p w m 控制，後功率管v l 处于p w m 状态，则当功率管v 2 开通褥功率管v l 关凝蠡幸，毫滚经避v 2 秽续滚警掰续滚，( 翻甏3 ，4 掰忝) ， 惑滤娓下疑率为： 则电流酌减小蹩海： 拿；黑洛8 ) d t 2 t l m 、 北京交通大学硕士举位论文第三三章蛮流光利电梳鹩控策略 率嚣鹣损耗是攀轻方式载亵嫠，降低了控剑爨粒效攀，著鼠不爨j 予教热， 透鼗为了减小惑流默动葶瑟功搴管戆开关功糕，瘩磁燹捌点滚电磅槛的p w m 技术采用荦轿控制。荦轿方式哭轿上桥臂韵f d l 方式或只斩下桥臀瀚【e 】方式， 会造成主下功率管的开关损耗不同，丽阁和汹l 两静擎鞭方式，其帮关攒耗 与【d 】和【e 】的相间，睫簿个管子都有相同的损耗，减小了功率开关的应力， 提离了系统的可靠瞧。因此实际系统中多采用【a 】或湖的单管斩波方式进行 p w m 斩波控制较为有利。 男努，程耀同螅p w m 绩号( 载波频率帮占空如均相同) 控制下，属于 “罄裁”方式。静p w m 靼p w m ，蝴产生媳乎均电磁转矩相差不大，面“双斩” 方式静毽p w 玳一l o w m 翔下降穰多，尼乎哭鸯豢鞠半，这是戮为双鞣 方式下，p w m 信譬无效爵，绕缝嘏滚经毫源形成续滚，壹滚母线惫压反囊 加到绕组两端，因为电流衰减很快，造成嘏流上升缓慢，激终影响电磁转 矩酌产生，所戳双增大平均电磁转缒考虑，躐好选耀“单赣”调青方式。 综上所述：为了减小电流脉动、功率管的开关功耗和减小了功率开关的 应力，提裹了系统的可靠性，增大平均电磁转矩，本系统采髑了“单斩”调 制方式o n _ 洲m 。 3 2 永磁鲞流无刷电机控制系统的问题 无测直流电动机控割系绫罄只通过p 硼( 或s p 删) 敬变驱动电路的控制电 歪浓达銎| 镄繁窀韵凝转速瓣基酌，裂称该系统为器强调速系绫。豢嚣环诵 速系统孛，控翩毫援鸯辕感转速之漓哭套羰囱箨羽嚣盂爱辖联系，鄹控制 是雄方向进行的，输出转速并不影响控制电聪，撩割电压矗搂由给定电压 产艇翔巢难产梳械对静蓑率( 静蔑率寝示诵逮系绕在受载变纯下转速稳定 的程度，静麓率越小，转速的稳定程度就越高) 要求不高，开环调遽系统也 畿实现一定范围内的冤级调遣，丽且开环调速系统结构简单。但髓，在实 3 1 北京交通大学硕士学位论文第三章直流无刷电机的控制策略 际中许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求( 也就 是要求调速系统在一定的负载下的转速变化要尽可能的小) ，不能允许很大 的静差率。例如，龙门刨床加工各种材质的工件，刀具切入工件和退出工 件时为了避免刀具和工件碰坏，由调节速度的要求：又由于毛胚表面不平， 加工时负载常有波动，为了加工的精度和表面光洁度，不允许有较大的速 率变化，所以当电动机的调速性能要求较高时，必须采用闭坏调速系统。 单闭环控制系统是最简单的控制系统，它在多数情况下能满足生产的要 求。但如果在那些被控对象比较复杂、扰动因素较多、控制精度要求较高 的场合单回路控制系统就很难满足要求，而需要采用新的控制手段，组成 较为复杂的控制系统。本系统采用双闭环的控制，内环控制电流，外环控 制速度，调节器采用p 1 调节。由于永磁无刷直流电机的转矩与电流成线性 关系，控制电流从而的控制电机的输出转矩，可以采用先进的控制策策略， 减小电机的输出转矩脉动；速度控制可以使电机具有很好的调速性能，如 图3 5 。 图3 5 双闭环系统图 f i g3 - 5s c h e m a i i co fd o u m ec l o d d o 叩s y s t e m 3 3 永磁无刷直流电动机的p i 控制 用于速度环的调节器大都采用从模拟发展而来的p i 调节器，这种调节器 在微处理器实现过程中又演化出许多的改良措施，例如积分分离、变速积 分、抗积分饱和等，参数匹配良好的p i 调节器具有良好的动、静特性，但 北京交通大学硕士学位论文 第三章直流无刷电机的控制策略 它对系统的参数依赖性较大，不同的工况下需进行参数的重新调整，否则 将严重地影响到系统的性能，下面将详细地讨论数字式p i 调节器的实现。 3 3 1 常规的p 1 调节器 在模拟控制系统中，p i 调节器的控制规律为： “2 巧 ，+ 毒。矽 。d 。， 其中，u ( t ) 为调节器的输出，k 。为比例增益，正为积分时间，e o ) 为被 控量与给定量之间的偏差。 为便于计算机实现，须将式( 3 1 4 ) 进行离散化。为此，可作如下近似， 即： 户o ) 出4 荟捌) 3 。1 5 其中，瓦为采样周期，k 为采样序号，e ( j ) 为第j 次采样所得的偏差信 号将式( 3 1 5 ) 代入到式( 3 1 4 ) ，可得到离散化的方程为： “ ，= k ， e ，+ 号塞瓦e c ，】 c 。1 e ， 式( 3 1 6 ) 称为位置型算式，计算机实现不够方便，这是因为要累计偏差 e ( j ) ，不仅要占用较多的存储空间，而且也不便于程序的书写。为此，p i 调 节器一般采用增量型算式。 根据式( 3 一1 6 ) ，利用递推原理，不难得到第k 一1 时刻的控制量u ( k 一1 ) ，即： “c 七一，= - 。 e c 七一，+ ；羹瓦e c ，】 c s 一t ， 两式相减，得到第k 次时刻控制量的增量血 ) 为： 北京交通犬学硕士学位论文 第三章直流无刷电机的控制策略 触 ) 2 巧【e ( t ) 一( 七一1 ) + e 纰) 】。k 【e 一啦一1 ) 】+ 蜀m ) c 。s ， 其中，墨一砟鲁，称为积分系数，式( 3 1 8 ) 为p i 调节器的增量型算式， 则第k 一1 时刻的控制量为： “( 七) = h ( t 一1 ) + “( 七) ( 3 一1 9 ) 采用增量型增量式( 3 一1 8 ) 和( 3 一1 9 ) 计算u ( k ) 的优点是编程简单( 3 1 9 ) 历史数据可以递归调用，且占用的存储单元少，计算速度快。 为编程方便，可将算法整理成如下形式： 船嚣芝荔 净z 。， i 毒( 七) ；( 七) 一五0 p ( 七) 。 其中，k 一峰+ 墨，= 缉，“ ) 和 ( t ) 的初始值“( o ) 和毒( o ) 均 为零。显然，式( 3 2 0 ) 是( 3 1 8 ) 和( 3 1 9 ) 组合的结剿矧【3 0 】。 3 3 2 p i 调节器的改进 在p i 调节器中，积分项的作用是为了消除残差，但当有较大的扰动或大 幅度的给定值变化时，由于系统的惯性和滞后，在积分项的作用下，往往 会产生较大的超调和长时间的波动。为进一步提高控制的性能，必须将积 分项进行改进，本系统采取了积分分离和抗饱和技术，下面分别讨论。 3 3 2 1 积分分离 积分分离的基本思想是当输入偏差e ) 的绝对值大于某个门限制值s 时，不作积分调节，只作比例调节，使得磊8 ( j ) 不至于过大，从而避免p 1 调节器深度饱和，同时也有利于p i 调节器退饱和：当输入偏差p ( 七) 较小时， 北京交通大学硕士学位论文 第三章直流无刷媳帆船控制媾略 才引入积分作用，以消除残差。 将式( 3 一1 6 ) 段写成翔下的形式： 州2 卟m 等扣 泞z 一， 其中，为输入偏羞# 仲) 的门限值，也称积分分离饿。 叫蹦薹 睁z z ， 实际应用中，积分分离值成根据具体对象及要求确定。若值过大， 选不至l 较分分离静嚣静：若毽过枣，一里被控嚣无法魏蠢积分分离嚣，廷 进行p 调节，将会出现残差【2 3 1 。 如果执行机构已达到了极限状态，仍然不能消除偏差时，由于积分作用， 尽管计算p i 差分方程式所得的络果继续增大或减小，而执行机构已无楣应 的动作，这就称之为积分饱和。当出现积分饱秘时，势必弓l 起趣调量蛉增 加，控制品质的变坏。作为防此积分饱和地方法之一，有效偏藏法，可对 运算密熬控毒l 鳖嚣转) u ( k ) 进行羧辐，嗣时配合积分分离，簿： f um i 。 甜( 惫) = u ( k ) 【u 。牡 3 3 3pi 调节器的算法流程图 u ( k ) s l l 妇 u 耐。 u ( k ) o o 。 n u 一k 一l 一k 快熔3 0 ai l