（电力电子与电力传动专业论文）电动车用无刷直流电机无位置传感器控制研究.pdf

独创性声明 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 工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：甸翻历 沙f | 年1 r | s b 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：眚乖司瓦 p 1 1 年具幅b 指导教师签名：痧1 日乡旷 弘7 ，年6 月d 白 摘要 无刷直流电机利用电子换相代替机械换相，不但具有直流电动机的调速性 能，而且体积小、效率高，在许多领域己得到了广泛的应用，特别是电动车用直 流电机的应用上。采用无位置传感器控制技术之后，不但可以降低电机的制造成 本，而且使得无刷直流电机的使用寿命以及维修简便性都有了大大提高。目前， 无刷直流电机无位置传感器控制己成为无刷直流电机控制技术的发展方向。 本文纵观了无刷直流电动机及其控制技术的兴起、发展与现状，概括了无刷 直流电动机无位置传感器控制技术的现有水平及存在的问题。以研制、开发电动 车用无刷直流电机无位置传感器控制器为依托，针对其无位置传感器控制技术中 的两个关键问题一一转子位置信息检测和零起动问题，提出并设计了新的更适用 的转子位置信息检测硬件检测和零起动硬件电路。从理论和实践两个方面对这些 问题展开了较为全面的研究和讨论。 ( 1 ) 针对传统无位置传感器控制策略计算量大、可靠性不高、3 0 0 软件延时 等缺点，基于无刷直流电机反电势过零检测的原理，分析了三相端电压与中性点 的关系，提出了一种可完全替换3 相霍尔位置传感器的硬件设计方案，实现了无 刷直流电机的无传感器运行。 ( 2 ) 利用硬件r c 滤波电路对检测到的反电势过零点时刻进行3 0 0 电角度延 时，针对由于电机的速度变化会使得3 0 。电角度延时的不准确，从而导致逆变器 换相不准确，引起电机的失步的问题，提出了在硬件电路中设计相位自补偿电路 的想法，克服了以往传统方法相位补偿不准确的问题，提高了系统的稳定性和可 靠性。 ( 3 ) 对已有的各种电机零起动方案利弊进行分析，结合实际应用的需要， 综合成本、实现难易程度等各方面因素的考虑，本课题提出了新的“三段式”零 起动方案，并设计零起动硬件电路。对各个阶段中的一些关键问题一一转子预定 位过程中p w m 控制输出的频率选择、电机旋转方向的选择和电机由抖动转向自 控运行状态等问题进行了详细的分析，确定了具体的实施方案。 ( 4 ) 推导并分析了无刷直流电机的动态数学模型及其控制特性，基于 m a t l a b s i m u l i n k 建立了b l d c m ( b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e mm o t o r ) 控制系统的模块 化仿真模型，并对该模型进行了转速、电流双闭环串级控制系统的仿真。仿真结 果表明：波形能较为理想的反映电机的动静态特性分析。 本文设计了以美国c y p r e s s 公司的p s o c t m 为控制：苎= 片的无刷直流电机无位 置传感器控制系统，搭建了样机平台进行实验验证，实验证明：本控制系统具有 结构简单，适应性强等优点。 关键词：无刷直流电机，无传感器控制，转子位置信息检测，零起动 a bs t r a c t b r u s h l e s sd cm o t o rw i t hp e r m a n e n tm a g n e te x c i t a t i o n ，i nw h i c he l e c t r i c a l c o m m u t a t o ri su s e di n s t e a do fm e c h a n i c a l ，h a st h es a m eg o o dc h a r a c t e r i s t i c so fs p e e d c o n t r o la st r a d i t i o n a ld cm o t o r b r u s h l e s sd cm o t o r sh a v ef o u n dw i d ea p p l i c a t i o n d u et ot h e i rh i g hp o w e rd e n s i t ya n de a s eo fc o n t r 0 1 m o r e o v e r , t h em a c h i n e sh a v e h i g he f f i c i e n c yo v e rw i d es p e e dr a n g e u s i n gs e n s o r l e s sc o n t r o lc a nn o to n l yr e d u c e t h em a n u f a c t u r i n gc o s to ft h em o t o r , b u ta l s oe x t e n dt h el i f eo ft h em o t o r a tp r e s e n t ， s e n s o r l e s sc o n t r o lh a sb e c o m ead e v e l o p m e n tt r e n do fc o n t r o lt e c h n i q u ef o rb r u s h l e s s d cm o t o r s t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sac o m p r e h e n s i v ev i e wo ft h er i s i n g ，d e v e l o p m e n ta n d p r e s e n ts i t u a t i o no fc o n t r o lt e c h n i q u ef o rb r u s h l e s sd cm o t o r , a n ds u m m a r i z e st h e p r e s e n tl e v e la n ds h o r t a g e so f s e n s o r l e s sc o n t r o lt e c h n i q u e d e p e n d i n go nt h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to fs e n s o r l e s sc o n t r o l l e ru s e di ne l e c t r i cb i c y c l ec o n c e n t r a t eo nt h e t w ok e y p o i n t _ r o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o n ，s t a r t i n g m e t h o d ，t h i sd i s s e r t a t i o n r e s e a r c h e sa n dd i s c u s s e st h ef o l l o w i n gp r o b l e m si nt h e o r ya n dp r a c t i c e ： ( 1 ) b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fb a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ( e m f ) z e r o c r o s s i n g t e s t i n gi nb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ，a n da n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e t h r e e - p h a s ev o l t a g ea n dn e u t r a lv o l t a g e p u tf o r w a r dak i n do fh a r d w a r ed e s i g nw h i c h c a nc o m p l e t e l yr e p l a c eh a l lp o s i t i o ns e n s o ri no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so f t r a d i t i o n a ls e n s o r l e s sc o n t r o ls t r a t e g i e s ，s u c ha sl a r g ea m o u n to fc a l c u l a t i o n ，l o w z e r o s t a r tw a sd e s i g n e d c o n d u c t e dad e t a i l e da n a l y s i so ns o m ek e yi s s u s e ss u c ha s 疗e q u e n c yo ft h ep w m c o n t r o lo u t p u tf o rt h er o t o rp r e - p o s i t i o n ，t h ed i r e c t i o no fm o t o r r o t a t i o na n dt h ec o n t r o l l e ds y n c h r o n o u ss w i t c h i n go ft h em o t o r ( 4 ) t h ed y n a m i cm o d e lo fb r u s h l e s sd cm o t o ri si n v e s t i g a t e d ，a n dt h em o d u l a r s i m u l m i o nm o d e ld e p e n do nt h em a t l a b s i m u l i n kw a se s t a b l i s h e d ，a n ds i m u l a t e dw i t h d o u b l e l o o pc a s c a d ec o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o nw a v e f o r ms h o w st h a tt h es y s t e mh a s g o o dd y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s t h i sd e s e r t a t i o n g i v e sad e s i g no fm o t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do np s o c t m m a n u f a c t u r e db yc y p r e s si nu s ，a n db u i l tap r o t o t y p ep l a t f o r m t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l tp r o v e dt h a tt h i sb l d c mc o n t r o ls y s t e mh a v eb r o a dp r o s p e c t sf o ra p p l i c a t i o n w i t hi t ss i m p l i c i t ya n ds u i t a b i l i t y k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ，s e n s o r l e s sc o n t r o l ，r o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o n ， z e r os t a r t i n g 目录 摘 要一i a b s t r a c t 一i i i 目录v 第一章绪论l 1 1 课题背景和意义l 1 2 电动车用直流电机研究的发展历程与现状现状一2 1 2 1 无刷直流电机技术的发展2 1 2 2 无传感器技术研究的发展历程3 1 2 3 无传感器技术的研究现状4 1 3 本文研究的主要内容一6 第二章无刷直流电机工作原理及建模仿真7 2 1 无刷直流电机的组成结构及控制原理7 2 1 1 无刷直流电机控制系统的组织结构一8 2 1 。2 无刷直流电机的控制原理8 2 2 无刷直流电机特性分析9 2 2 1 无刷直流电机等效电路9 2 2 2 无刷直流电机基本方程1 0 2 2 3 无刷直流电机稳态分析一1 3 2 2 4 无刷直流电机动态分析15 2 3 无刷直流电机双闭环串级控制系统仿真1 7 2 3 1b l d c m 本体模块18 2 3 2 参考电流模块2 0 2 3 3 电流滞环控制模块2 l 2 3 4 速度控制模块2 2 2 3 5 三相电压逆变模块2 2 2 3 6 转矩计算模块2 3 2 3 7 仿真结果及仿真结果分析2 4 v 2 4 本章小结2 5 第三章无刷直流电机无传感器转子位置信息检测2 6 3 1 转子位置信息检测方法比较2 6 3 1 1 磁阻法2 6 3 1 2 反电势法- 2 6 3 1 3 磁通链变换法2 7 3 1 4 电感法2 7 3 2 无位置传感器转子位置信息检测方案2 7 3 2 1 “反电势过零点法 控制换相工作原理2 8 3 2 2 转子位置检测电路设计与分析2 9 3 2 3 硬件检测电路引起的相移分析及补偿31 3 3 本章小结。3 2 第四章 无传感器控制的零初始速度起动3 3 4 1 零初始速度起动方法比较3 3 4 1 1 升频升压同步起动法3 3 4 1 2 “三段式”起动法3 4 4 1 3 检测脉冲转子定位起动法3 4 4 2 零初始速度起动方案及实现3 4 4 2 1 转子预定位阶段3 5 4 2 2 转子“抖动”阶段3 6 4 2 3 稳定运行阶段3 6 4 3 新“三段式”法与传统方法的区别3 7 4 4 本章小结。3 8 第五章无刷直流电机无传感器控制系统软、硬件设计一3 9 5 1 控制系统硬件电路总体结构3 9 5 2 主控芯片p s o c t m 。4 0 5 3 控制系统电源设计4 l 5 4 功率管驱动电路设计4 2 5 5 负载电流采样及过流保护电路设计4 4 v l 5 5 1 负载电流采样电路设计4 4 5 5 2 过流保护电路设计4 5 5 6 软件任务分析4 5 5 6 1 软件总体结构方案4 5 5 6 2 数字双闭环串级控制软件设计一4 7 5 6 3 软件的转速计算4 7 5 7 本章小结4 8 第六章试验结果及分析4 9 6 1 系统测试结果及分析说明4 9 6 2 反电势检测试验结果及分析说明5 0 6 3 零起动试验波形分析5 2 6 4 系统动态性能试验结果及分析5 3 6 5 本章小结5 4 第七章结束语5 5 7 1 本文的主要工作5 5 7 2 工作展望5 6 参考文献5 7 攻读硕士期间发表的论文和参见科研情况说明：6 1 致 谢6 3 v l i 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论弟一旱瑁比 随着社会的发展，我国汽车工业发展迅速，2 0 0 9 年我国汽车产销量突破1 3 0 0 万辆，同比增长创历年最高，中国成为世界第一汽车生产和消费国。2 0 1 0 年我 国汽车产销量双双突破1 8 0 0 万辆，不仅蝉联世界第一，且创全球历史新高。而 汽车工业的发展给我们的生活带来巨大变化的同时，人类也面临着石油危机、环 境污染和交通堵塞等问题的困扰【。 而作为汽车主要能源的石油的需求量一直持续大幅度上升。根据海关总署的 统计数据，2 0 0 8 年中国石油净进口量已超过2 亿吨，占石油消费总量的5 2 。 据专家预测，未来中国的石油和天然气供应将出现更大的供需缺口，预计到2 0 2 0 年将达到6 1 亿吨。石油供应缺口将超过4 1 亿吨【2 1 。 目前为止，交通拥堵已经成为制约我国经济发展所面临的严重问题之一。因 此，在石油危机、环境污染和交通拥堵的强大压力下，节能减排、提高能源的利 用效率已经成为我国当前社会的一项重要任务，解决城市交通问题也迫在眉睫。 而在此环境下，电动自行车以其小巧方便、节能、环保、占地面积小等特点，在 我国深受广大消费者特别是工薪阶层、工人和农民的喜爱和欢迎，得到了迅速发 展。 据不完全统计，2 0 1 0 年中国的电动自行车实现产值约7 0 0 亿元。目前，中 国轻型电动自行车产销量占全球的9 0 以上，己成为全球最大的电动车生产、 消费和出口国。预计到2 0 1 5 年，全国轻型电动自行车的保有量将达4 0 0 0 万辆， 出口量将达8 0 0 万辆，总产值将达到1 5 0 0 多亿元【4 矧。 电动自行车之所以得到迅速发展，是由于其具有显著的优点。首先，在同样 的道路上骑行自行车，单位时间内可通过人的数量要比乘坐小轿车多很多；其次， 电动自行车每天的耗电为1 千瓦时左右，相对于汽车的高能耗来说，电动自行车 可以称得上是节能的、绿色无污染的交通工具；第三，电动自行车摆脱了单纯对 石油的依赖，而电力的来源途径很多，如核能、太阳能、风力、水力、氢动力( 燃 。另外电动自行车还有一个特性，就是可以在晚上利用电力“谷底” 江苏大学硕上学位论文 时间充电，大幅度提高了电力资源的利用效率。因此电动自行车行业的发展对于 方便人们的出行、建设节能社会、国民经济的健康发展都能做出重大的贡献。 我国是传统的自行车消费大国，目前由于人民生活水平和对于代步工具要求 的提高使得人民对电动自行车的需求量很大，如果有一半的自行车保有量被电动 自行车所替代，则会产生一个巨大的市场空间，因此，电动自行车产业具有良好 的发展前景和广阔的市场潜力。 1 2 电动车用直流电机研究的发展历程与研究现状 1 2 1 无刷直流电机技术的发剧8 郴1 由于直流电动机具有运行效率高、调速性能好等优点，在我国被广泛用于电 动自行车行业。电动自行车行业起步阶段时所用电机主要为传统的有刷直流电 机，但由于电刷的存在，带来了很多缺点，尤其是因为机械摩擦会产生噪声、火 花、电磁干扰等，并且有刷直流电机的制造成本很高、难于维修保养，使得有刷 电机的使用寿命大大减短，因此其使用范围受到了很大的影响。 针对传统有刷直流电动机的这些缺点，从2 0 世纪3 0 年代开始，就不断有人 开始研究不用电刷换相转而以电子换相来代替机械换相的永磁无刷直流电机，但 限于当时的大功率电子器件处于发展的初步阶段，找不到理想的电子换相元件， 因而使得这种电机只能停留在实验室阶段，无法推广应用。现代无刷直流电动机 诞生的标志是在1 9 5 5 年，美国的d h a r r i s o n 首次实现了用晶体管电子开关代替 传统直流电动机的电刷。但是，这种直流电动机没有起动转矩，仍然无法产品化。 随后，一大批科研人员集中于克服这一缺点的研究，终于借助于霍尔元件来实现 换相的无刷直流电动机在1 9 6 2 年问世，实现了无刷直流电动机的产品化。 自2 0 世纪7 0 年代开始，随着电力电子器件技术的不断迅速发展，许多如 g t r 、m o s f e t 、i g b t 等高性能的半导体功率器件相继问世，还有如钐钴、钕 铁硼等高能永磁材料的出现，均为永磁无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基 础。因此，永磁无刷直流电机凭借着其无换向火花、运行可靠、维护方便、结构 简单、无损耗等众多优点，越来越广泛应用于电动自行车行业中，极大地促进了 电动自行车行业的快速发展。 2 江苏大学硕士学位论文 由于要克服无刷直流电机无起动转矩的缺点，需要在电机上附加一个位置传 感器，凭其输出的转子位置信号向逆变桥提供及时的换向信号，体现了无刷直流 电机较之传统无刷直流电机具有很大的优势，但同时位置传感器的存在也给无刷 直流电机的应用带来很多的缺陷与不便：首先，要在电机上安装位置传感器必然 会增加电机的体积、成本和工艺难度；其次，位置传感器基本上都存在一定程度 的磁不敏感区因此会降低电机的运行可靠性；再次，传感器在安装时要保证其安 装精度，否则会影响换相可靠性。针对位置传感器给无刷直流电机所带来的这 些缺陷与不便，无刷直流电机的无位置传感器控制成为了国内外较为热门的研究 课题。 1 2 2 无传感器技术研究的发展历程纠3 】 无传感器控制技术，具体来说就是通过跟踪电机相绕组中的相关变量的变化 来实现电机换相控制，如定子根据电流、定子电压等可估算出转子的位置和速度， 取代机械传感器获得转子信息。f r u s 和k u o 最先提出了“波形检测 的无位置 传感器控制方法，他们通过对电流波形的分析，实现了基于电压源型控制器的变 磁阻步进电机无位置传感器控制。随后，有许多研究人员对此方法进行了研究。 近些年来，无位置传感器控制方法得到了迅速发展。同时，“非直接位置检测”也 取代了“波形检测”的方法。 德国的w m i e s l i n g e r 在1 9 6 8 年提出了采用电容移相实现换流的方法，最早 提出了问接位置检测的概念。1 9 7 6 年，德国的r h a n i t s c h 等人在w m i e s l i n g e r 研究的基础上开发出了利用数字式环绕分配器和过零点鉴别器组合来实现换相 的无位置传感器的永磁无刷直流电机控制。到1 9 8 0 年，h l e h u y 等人根据转子 旋转时定子绕组中的感应电动势对应于转子位置的原理检测位置信息，即利用 “反电势法”检测转子位置信息。“反电势法 具有原理简单，可操作性强，检 测效果好等许多优点，在随后的无传感器控制研究中大多学者都是基于这种方法 来检测转子位置信息。k l i z u k a 等人在1 9 8 5 年第一次将微处理器用于无位置传 感器的控制中，并且对利用“反电势法 来检测转子位置信息的方案作了软件和 硬件两方面的补充，从此无位置传感器的无刷直流电机控制进入到了一个新的领 域。随后，研究人员对“反电势法”作了变形，提出了以“端电压法”来间接检 3 江苏大学硕- 上学位论文 测转子的位置，通过检测各相端电压就可以计算出转子的位置。“端电压法”直 接检测各相端电压，易于检测，这就使得检测的外围电路更加简单，因此“反电 势法 也就更加实用了。 2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初，各国学者相继提出了各种间接转子位置检 测方法，如定子磁链法、续流二极管法、电感测量法和电流电压方程法。1 9 9 4 年有研究人员提出磁链法，其基本原理是通过对相电压和线电流信号的计算，得 出定子绕组各相的磁链，再根据磁链来判断转子的位置信号。这种方法的缺点是 计算量大而复杂，对微处理器要求较高，但利用此种方法算出来的转子位置信号 误差小，并且适用于较大的调速范围，分别用于正弦波和方波电动机，其对转子 位置信息的检测效果比较理想。 近年来，有研究人员基于新的控制理论( 直接转矩控制、如矢量控制、滑模 变结构控制、模糊控制、参量自适应控制等) 提出了利用卡尔曼滤波法和状态观 测器法来实现对转子位置信息的检测。其缺点是计算量非常之大。随着实时控制 的工业单片机和高速数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的大量出现， 计算量大的问题也随之解决了，这些成果使得现代控制理论能够逐渐在实际中得 到应用，比如模糊控制和神经网络控制法等。 1 2 3 无传感器技术的研究现状 目前，无刷直流电机无传感器控制技术还不能够用一种单一的控制技术同时 适用于各种运行条件。对于无刷直流电动机的无位置传感器控制，其关键是要能 够获得准确的转子位置信息，但是b l d c m 的优点在于其不需要向p m s m 那样 需要获得转子的连续位置信号，其只需要准确检测出电机换相时刻的转子位置信 息即可。近些年，国内外的研究人员提出了多种多样的转子位置信号检测方法， 大致可分为卡尔曼法、位置函数法、电感测量法、反电势法、智能控制法、状态 观测器法等检测方法【1 4 1 。这些方法的基本原则都是通过检测较容易获取的物理 量如定子电压、电流等来计算获取转子的位置。 ( 1 ) 卡尔曼( k a l m a n ) 法 该方法通过检测端电压得到反电势，然后用卡尔曼算法在线递推出转子位 置，从而确定定子绕组换流时刻【1 引。不过要保证位置检测的快速和准确性则必 4 江苏大学硕士学位论文 需要快速实时的处理器才行。 ( 2 ) 位置函数法 借助于一个独立于转速的函数进行转子位置估算，在理论上可适用于整个转 速范围1 1 6 1 ，通过软件来完成算法，计算出转子位置，大大降低了硬件电路成本。 ( 3 ) 电感测量法 通过检测内嵌式无刷直流电动机绕组电感的变化来判断出转子位置，克服了 “反电势法”的低速知e i 厶匕f i l 5 ，但是检测绕组电感值的难度非常大【1 7 】。 ( 4 ) “反电势法” 这是目前最常用的一种检测转子位置信号的方法，这种方法利用电机旋转时 各相绕组内的反电势信号来控制电机换向，主要有以下几种方法。 1 ) 反电势积分法 通过对非导通相的反电势进行积分来获得转子位置信息，反电势积分自开路 相反电势过零开始，设置一个门限对应于换向时刻用来截止积分信号，当积分达 到一定阀值大小时认为换向时刻到，但其存在积分累计误差与阀值设置等问题。 2 ) 反电势过零检测法 反电动势过零点检测法实现简单，技术成熟，应用非常广泛，此方法的基本 工作原理是：在检测到各相反电势的过零点时刻延迟3 0 0 电角度，既是对应的换 相时刻。但是存在相位延迟问题，需要对采集到的位置信号进行校正。 3 ) 三次谐波检测法 将电枢三相相电压简单叠加后，只有3 次谐波及其奇数倍谐波由于同相而叠 加，基次谐波和其他高次谐波都会相互抵消。从而可以提取反电动势的3 次谐波 分量，以检测转子的位置【1 8 - 1 9 1 ，但是在电机为低转速时，检测到的三次谐波严重 畸变，不能准确估计转子的位置。 4 ) 续流二极管法 这种方法实际上是反电动势过零点的间接检测，通过检测反并联于逆变器中 的6 个续流二极管中的不导通相绕组续流二极管的开关状态，间接检测电机反电 势过零点。此方法获得了更宽的调速范围，但是其外围检测电路比较复杂【捌。 ( 5 ) 人工智能控制法 智能法利用模糊控制和神经网络控制策略来建立相电压、电流和转子位置之 江苏大学硕士学位论文 间的关系，基于检测到的电压和电流信号通过神经网络的训练来估算出转子位 置，取得很好的控制效果1 2 0 。2 2 l 。 ( 6 ) 状态观测器法 状态观测器可以通过易于检测的输入输出变量来估计系统的其它状态变量 【2 3 1 。无刷直流电机的无位置传感器控制问题和状态观测器问题相类似，也是通 过电流、电压等电机变量来求解电机转子位置，因此可以设想通过设计状态观测 器来观测转子位置，从而实现无位置传感器控制。 国内外许多学者还提出了诸如电气稳态法【2 4 1 ，电流法【2 5 1 ，涡流法等其他一 些无位置传感器控制理论和方法，但这些方法实现难度大。 1 3 本文研究的主要内容 目前，无刷直流电机的无位置传感器控制大多数采用传统的“三段式 起动 法，但传统“三段式”起动法存在着一些不足之处，特别是在电机负载较大的情 况下，电机起动成功率往往较低。本文在前人研究的基础上，以一台4 8 v , 3 5 0 肌 3 相2 3 对极无刷直流电动机作为研究对象，采用反电动势过零点检测方法，通 过改进反电动势检测电路和无位置传感器的零起动方法，开发出了一款新型的无 刷直流电机无位置传感器控制器。 论文的主要工作有以下几个方面： l 、研究分析了无刷直流电动机的本体结构、工作原理和动、静态数学模型， 为控制器的设计打下了良好的基础； 2 、分析了反电势过零点法检测转子位置信息的工作原理，设计了具体的反 电势过零检测电路，并此方案需要解决的重点问题进行探讨； 3 、针对反电势过零检测电路中造成的电机相位延迟问题，提出了具体的解 决方案。 4 、分析了传统“三段式 零起动方案的工作原理及其利弊，提出新的“三 段式 零起动方案，并对该方法实施过程中的重要问题进行了分析和探讨； 5 、针对无位置传感器无刷直流电机控制器的主要功能设计了外围硬件电路 并对各部分的硬件电路作了详细介绍和分析； 6 、搭建样机平台，进行实验验证。 6 江苏大学硕上学位论文 第二章无刷直流电机工作原理及建模仿真 本章详细分析了无刷直流电机控制系统的工作原理，建立了电机不同工作状 态下的数学模型，对无刷直流电机的工作特性作了分析。通过建立与数学模型对 应的电气模型，进行相关性能的仿真，从而对控制器的算法设计起到指导性作用， 加快开发速度。 2 1 无刷直流电机的组成结构及控制原理 2 1 i 无刷直流电机控制系统的组织结构 如图2 1 、2 2 所示为有霍尔传感器无刷直流电机的结构原理框图，其内部安 装的霍尔传感器可以检测电机运行过程中的转子位置，图中虚线框所示电子换相 部分替代了传统有刷直流电机的有刷换向【2 6 1 。 一+ 。一。一。+ 一+ + 。 电予换相j i 一。lf 一，i i 且训”乜“i ，r i 圳1 v 。兀l 一丫叫 t 位置信号处理 卜-一位置传感器i 无 刷 直 流 电 动 机 图2 1 无刷直流电动机的结构原理框图 电动机奉体 电子线路开关 位置传感器 兰兰三i 赢翮 图2 2 无刷直流电动机的组成框图 当无刷直流电机的某相定子绕组通以电流时，该电流产生的磁场与转子永久 7 江苏大学硕士学位论文 磁钢产生的磁场相互作用产生转矩，驱动转子旋转。霍尔位置传感器将电机转子 的位置信号变换成电信号，控制电路对此电信号进行逻辑变换后产生驱动信号， 驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按 一定的顺序工作。 2 1 2 无刷直流电机的控制原理 无刷直流电动机的控制电路分桥式和非桥式两种，按电机绕组结构分星形和 三角型两种方式。桥式星形接法的电机有转矩脉动小，输出转矩大等特点。因此 本文中无刷直流电机与驱动电路采用三相桥式星形结构h 6 1 ，i 作原理图如图2 3 和2 4 所示。 图2 3 无刷直流电机的工作原理图 当电机转子旋转到图2 4a ) 所示的位子时，转子位置传感器输出的信号经 控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使胁和v t 6 导通，电流从a 相流入口相。此 时的定子磁动势为图2 4a ) 中所示凡。由于定转子磁场的相互作用，使得电机 转子顺时针转动。 当转子转过6 0 。电角度后达到图2 4b ) 所示位置时，转子位置传感器输出的 信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使肠、v t 2 导通，电流从a 相绕组流 入c 相绕组。从图中可看出两个磁场的相互作用将会继续使得电机的转子顺时 针转动。 通过对图2 4 的分析可知：逆变器开关每当转子在空间转过6 0 0 电角度就会 发生一次切换，在3 6 0 0 电角度周期中，转子受电磁转矩的作用始终沿顺时针方 向连续旋转。 8 江苏大学硕士学位论文 从图2 4 的前两个转子状态中可以得出：在6 0 0 电角度范围内，电枢绕组产 生的合成定子磁场保持位置不变，而转子磁场则沿顺时针方向连续旋转。当转子 磁场在空间旋转6 0 0 电角度到达图中下一状态所示位置时，r 的位置才从前一状 态跳跃到下一状态的位置。由此可知，定子合成磁场在空间是一种跳跃式旋转磁 场，步进角为6 0 0 电角度。 每3 6 0 0 电角度为一个周期，每经过6 0 0 电角度，电枢绕组就切换一次开关状 态，其电枢合成磁场的状态也发生一次跃变。因此，电机的电枢绕组合成磁场有 六种磁状态，在每一状态下会有两相绕组导通，并且每相绕组的导通时间对应于 转子旋转1 2 0 。电角度。这种工作方式被称为两相导通星形三相六状态。本文中 即采用无刷直流电机的此种工作方式。 b ) 腑、v 7 2 导通，a 、f 相通电 固x c ) m 、胁导通，及f 相通电d ) 胁，v t 4 导通，及a 相通电 图2 4 无刷直流电动机工作原理示意图 2 2 无刷直流电机特性分析 2 2 1 无刷直流电机的等效电路 由于无刷直流电动机的气隙磁场、反电动势以及电流是非正弦的，采用直、 交轴坐标变换己不是有效的分析方法。因此我们直接利用电动机本身的相变量来 9 江苏大学硕士学位论文 建立数学模型。为了简明起见，现做如下假设【2 7 1 ： 1 电动机的气隙磁场感应强度在空间呈梯形( 近似为方波) 分布； 2 忽略不计定子齿槽的影响； 3 忽略不计电枢反应对气隙磁通的影响： 4 忽略电机中的磁滞和涡流损耗； 5 三相绕组完全对称； 6 忽略功率器件导通和关断时间的影响，功率器件的导通压降恒定，关断后 等效电阻无穷大。 由于转子的磁阻不随转子位置的变化而改变，因此定子绕组的自感和互感为 常数，则在上面简化条件下，得到无刷直流电机绕组的等效电路，如图2 5 所示。 乩 砺 玖 图2 5 三相无刷直流电机等效电路 2 2 2 无刷直流电机的基本方程 在无刷直流电机中，其基本物理量如反电动势、电枢电流等的表达式与电机 的气隙磁场分布、绕组形式有密切的关系。在永磁无刷直流电机中，气隙主磁通 密度的分布波形如图2 6 ( a ) 所示，当定子绕组采用集中整距绕组转子且旋转速 度为恒值时，定子每相绕组反电动势波形与磁通密度分布波形应该一致，为了简 化分析，可将它近似为梯形波1 4 6 1 。为了减小转矩脉动，反电动势波形的平顶宽 度应大于1 2 0 0 电角度。通常把相反电动势看成平项宽为1 2 0 0 电角度的梯形波， 如图如图2 6 ( b ) 所示，三相绕组的反电动势依次相差1 2 0 0 电角度。这种具有 方波气隙磁感应强度分布、梯形波反电势的无刷直流电动机称为方波电动机。方 波电动机在控制时通常采用方波电流驱动，即与1 2 0 。导通型三相逆变器相匹配， 由逆变器向方波电动机提供三相对称的、宽度为1 2 0 0 电角度的方波电流，且与 电动势同相位。 江苏大学硕上学位论文 l u 成 jlf 州2 石、 3 x 2 厂2 i l l r 1 i ：石。吐 舶一舶3 加俨 ( a )( b ) 图2 6 无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形 反电势的表达式 设电枢绕组导体的有效长度为，导体的线速度为1 ，则单根导体在气隙磁 场中感应的电动势为： e = b d v e( 2 1 ) y ：丝刀：2 p f 旦 ( 2 一2 )y = 刀= z 口f l z 夕 6 0 6 0 式中协一气隙磁感应强度。 1 7 一电机的转速，单位为r m i n 。 d 一电枢直径。 r 一极距。 p 一电机的极对数。 如果电枢绕组每相串联匝数为职则每相绕组的感应电动势幅值为： e p h = 2 耽 ( 2 3 ) 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为： 占= b 6 0 t i r l( 2 4 ) 其中讲为计算极弧系数。 将式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 和式( 2 4 ) 代人式( 2 3 ) 得到每相绕组感应电动势 则线电动势的表达式为： 厶：j 生占n 1 5 翻 ( 2 5 ) 江苏大学硕上学位论文 e = 勘2 去占刀= 巴占刀 式中，g 为电势常数，g ：三堡 1 5 a , 二、电枢电流 ( 2 6 ) 为了简化分析，假设不考虑开关器件动作的过度过程，并忽略电枢绕组的电 感，这样无刷直流电动机的电压方程可以简化为： u 一2 u = e + 2 l r o( 2 7 ) 式中，4 u 一开关器件的管压降。 厶一电枢电流。 e 一线电动势，即电机的反电动势。 由式( 2 7 ) 得： 厶：u - 2 , , u - e ( 2 8 ) 2 r o 三、电磁转矩 在任一时刻，电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产 生，则电机的电磁转矩表达式如下： 兀：一2 e p d 口：堡 ( 2 9 ) s 2s 2 式中，q 为电机的机械角速度，q = 专孑 则有： 兀：竺占o ：c 7 1 j 厶( 2 1 0 ) y 口 式中，c r 为转矩常数竺 , 7 - 口j 四、转速 将式( 2 6 ) 代人式( 2 7 ) 得： u 一2 u 一2 厶h 力= 一 c 。占 空载转速为： 1 2 ( 2 1 1 ) 江苏大学硕上学位论文 ：u - 2 a u ：一5 口f u - 2 a u(212)no = 一= 口f l 厶 c 5 p w a o 五、电势系数与转矩系数 电势系数为： 转矩系数为： 心：墨：c 占：卫形占( 2 1 3 ) ，1 5 m 骼：丝：c ，j ：! 旦j i 口嬲l 2 2 3 无刷直流电机稳态分析 机械特性 ( 2 1 4 ) 所谓机械特性，就是电机输出转速与输出转矩的关系。该特性反映了系统的 带载能力，该特性曲线与电机负载特性曲线的交点就是系统的稳态工作点。 由式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 4 ) 可以得到永磁无刷直流电动机的机械特性： ：u - 2 a u 一生兀(215),= 一_ _ fe l z ( 力占c , c 7 占 由上式可见，无刷直流电动机的机械特性较硬，在不同的供电电压驱动下， 可以得到如图2 7 所示的机械特性曲线簇。 从图中可观察到，首先，随着输出转矩的增加，转速呈线性下降，这一特点 表示了无刷直流电机输在负载变化时输出转速的稳定度：其次，该特性曲线随着 给定端电压的增大向上方线性平移，即通过改变端电压的值就可以改变电机的机 械特性曲线，这一特性表明通过调压可以