（电力电子与电力传动专业论文）单片机无刷直流电动机控制系统的研究.pdf

s u b j e c t ：r e s e a r c ho nb r u s h l c s sd cm o t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do n m c u s p e c i a l t y ：p o w e r e l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e r n a m e ：w a n g x i a( s i g n a t u r e ) 盟! 塑 i n s t r u c t o r ：z h a n g j i a nj u n ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t ab r u s h 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 ri nw h i c hae l e c t r i c a l c o 岫m l 舡岍r e p l a c e sam e c h a n i c a lc o m m u t a t o r i th a sa d v a n t a g e so f v a r i a b l es p e e da sd c m o t o ra n ds i m p l ys t r u c t u r e ，r e l i a b l eo p e r a t i o n , e a s ym a i n t c n a n c 圮a sa cm o t o r b l d c m c o n t r o ls y s t e mb a s e do nam c ui sw i d e l yu s e db e c a u s eo fp c r f mc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s s i m p l ec i r c u 址h i g l le f f i c i e n t , 、耐d es p e e dr a n g e , l o wn o i s e , h i g hp o w e rd e n s i t y , l a r g es t a r t t o r q u e , l o n gl i f ep e r i o da a ds oo n a tt h eb e g i n n i n g , o nt h et h e o r yf u n d a m e n t a lo fm a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tb l d c m ，t h e b a s i cs t r u c t u r e ，t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e , r u n n i n gp e r f o r m a n c ea n dt r a n s f e rf u n c t i o nw e r e a n a l y z e da n dc y g n a lc 8 0 5 1 f 3 3 0 sm a i nc h a r a c t e r i s t i c s 黜p r o d u c e di nt h ep a p e r t h e n , a s o l u t i o no fc o n t r o ls y s t e mo fb l d c mu s i n gc y g n u lc 8 0 5 1 f 3 3 0i sp r e s e n t e d f o rab e t t e r e f f e c t , t h ec o n l r o ls y s t e mi n c l u d e st h r e ec l o s e dl o o p s ，w h i c ha r ec u r r e n tl o o pa n ds p e e dl o o p t h eh a r d w a r ec i r c u i t sa r ed e s i g n e da n dt h es o f t w a r ei sc o m p l e t e d s e c o n d l y , o nt h ep r o c e s sd e s i g na b o u th a r d w a r ec i r c u i t , d e t e c t e dc i r c u i ta n da d j u s t s t r a t e g yw e r ep r o p o s e d , s p e c i a l l yd i s c u s s e da d j u s ts t r a t e g y t oo v e r c o m et h ep r o b l e m st h a t p a r a m e t e r si nt h ec l a s s i c a lp i da l g o r i t h ma r cn o ts e l e c t e de a s i l y , t h ef u z z yc o n t r o li sa p p l i e d t 0t h ed e s i g ns y s t e m t h em o d e l so fs p e e dl o o pa n dc u r r e n tl o o p 伽e s t a b f i s h e db yu s i n g m a t i a b s i m u l i n lt h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eo u t p u tw a v e sa r et h es a m ea st h e o n e sa n a l y s e di nt h e o r y t h es i m u l a t i o nm o d e lc a np r o d u c tv a r i e t i e so fc o n t r o la l g o r i t h m , s h o r t e ns y s t e md e s i g nt i m ea n da c c e l e r a t et h ep r o c e s so fs y s t e md e s i g na n dd e b u g g i n g a sa r e s u l t , ai d e a lt e s t i n gp l a t ew a sp r o p o s e df o rt h eb l d c mc o n t r o ls y s t e m f i n a l l y , t h ed e s i g nr e s u l ts h o w st h a tt h eh a r d w a r ec i r c u i to f c o n t r o ls y s t e mb a s e dc y g n a l c 8 0 51 f 3 3 0m c ua n di r 2 1 3 0d r i v e rd e s i g n e ds i m p l y ，p r a c t i c a la n de c o n o m i c a l l y t h e e x p e r i m e n tr e s u l tp r o v e st h a t t h i ss c h e m a t i ci sr e a s o n a b l e ，s t a b l eo p e r a t i o na n db e t t e r k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r m c uc 8 0 5 1 f 3 3 0 f u z z yc o n t r o l 西妻料技大学 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：勺城日期：铆? 红j 2 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版。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；7 刁谚 1 绪论 l 绪论 1 1 研究背景及意义 在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无 论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中，还是 在日常生活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。据资料统计，现在有 9 0 以上的动力源来自于电动机我国生产的电能大约有6 0 用于电动机。可见，电动 机与人们的生活息息相关、密不可分。 由于直流电动机具有非常优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、简 单的控制电路等优点，长期以来一直广泛地应用在各种驱动装置和伺服系统中。但是， 直流电动机的电刷和换向器却成为阻碍它发展的障碍，机械电刷和换向器因强迫性接 触，造成它结构复杂、可靠性差，并且机械换相装置易产生火化、电磁干扰、不适用恶 劣环境以及需要定期维护等不足，严重影响了直流电动机的调速精度和性能。因此，长 期以来人们一直在寻找一种不用电刷和换向器的直流电动机。 随着电子技术、功率元件技术和高性能的磁性材料制造技术的飞速发展，这种想法 已成为现实。无刷直流电动机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器，因此，使 这种电动机不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单、运行可 靠、维护方便等优点，使它一经出现就以极快的速度发展和普及。 近年来，电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控 制。在选择单片机的过程中，过去很多学者认为8 位单片机不适合作为电机控制器，而 转向使用1 6 位单片机。但是由于现代8 位单片机的功能和速度都与1 6 位单片机不相上 下，而且价格便宜，易于与占多数的8 位芯片接口，同时越来越多的电动机专用集成电 路的使用也使单片机减轻了许多沉重的负担。因此，8 位单片机将会成为普通电动机控 制的主流处理器。 本文采用的是c 8 0 5 1 f 3 3 0 单片机，进行了基于8 位单片机的无刷直流电动机的控制。 此单片机虽然仅有2 0 个引脚，但是其内部具有p w m 口、比较和捕捉功能、a d 转换 器等，并还附加有看门狗、各种串行总线接口等功能，他们既可作为普通通用输入输出 口，又可作为特殊功能端口，比如u a r t 、p w m 、定时器输入输出及外部事件中断等。 端口最终是普通输入输出口，还是特殊功能端口，可通过交叉开关寄存器配置决定。 系统通过软、硬件的协调配合实现全数字闭环控制。以往在实现闭环控制过程中， 都采用的是模拟p i d 或者数字p i d ，由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信 号量以及评价指标不易定量表示，并且p i d 参数不易较满意调整，模糊理论是解决这一 西安科技大学硕士学位论文 问题的有效途径，运用模糊p i d 推理，即可实现对p i d 参数的最佳调型1 一。 1 2 无刷直流电动机的特点及发展历程 1 2 1 无刷直流电动机的特点 同其他电动机，如感应电动机、永磁同步电动机、有刷直流电动机相比，无刷直流 电动机具有非常优异的性能，具体如下p 棚： ( i ) 与感应电动机相比，无刷直流电动机具有更大的功率密度，更高的效率和更好的 控制性能，主要表现在以下几个方面： 由于采用高性能永磁材料，无刷直流电动机转子体积得以减小，可以具有较低的 惯性、更快的响应速度、更高的转矩惯量比。 由于没有转子损耗，也无需定子励磁电流分量，所以无刷直流电动机具有较高的 效率和功率密度。对于同等容量输出，感应电动机需要更大功率的整流器和逆变器。 由于没有转子发热，无刷直流电动机也无需要考虑转子冷却问题。 尽管感应电动机系统应用较为普通和成熟，但由于其非线性本质，控制系统较为 复杂。永磁同步电动机把交流电动机复杂的磁场定向控制转换为转子位置定向控制，而 无刷直流电动机则进一步将其简化为离散六状态的转子位置控制，也无需坐标变换。 ( 2 ) 与永磁同步电动机相比，无刷直流电动机也具有明显的优势： 无刷直流电动机采用方波电流供电，可以提供更高的转矩体积比，相同条件下输 出转矩大1 5 。 在电动机中产生梯形波的磁场分布和梯形波的感应电动势要比正弦波的磁场分 布和正弦变化的电动势简单，因此无刷直流电动机结构简单、制造成本低。 对于永磁同步电动机，由于定子电流是转子位置的正弦函数，系统需要高分辨率 的位置传感器，构造复杂，价格昂贵。 产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单，控制也简 单得多，因此无刷直流电动机控制简单、控制器成本较低。 ( 3 ) 由于采用电力电子器件代替机械换向器，无刷直流电动机克服了有刷直流电动机 的致命缺点。与有俐直流电动机相比，无刷直流电动机有以下特点： 可靠性高，寿命长。它的工作期限主要取决于轴承及其润滑系统。高性能的无刷 直流电动机工作寿命可达数十万小时。而有刷直流电动机寿命一般较短，在高温环境下 甚至只有几分钟。 无电气接触火花、无线电干扰少，不必经常进行维护和修理，可工作于高真空、 不良介质环境。 可在高转速下工作，专门设计的高速无刷直流电动机的工作转速可达每分钟l o 2 l 绪论 万转以上，并且机械噪声低。 发热的绕组安放在定子上，有利于散热，便于温度监控，易得到更高的功率密度。 必须与一定的电子换向线路配套使用，从而使总体成本增加，但从控制的角度看， 有更大的使用灵活性。 1 2 2 无刷直流电动机发展历程 一百多年来，电动机作为机电能量转换装置，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之中，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，其容量小到几瓦，大至上万千瓦。众所周知，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，以及机械方法进行换向，因而存 在相对的机械摩擦，由此带来的噪声、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，从而无刷直流电动机应运而生了网。 1 9 1 7 年，b o i l i g e r 就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了 无刷直流电动机的基本思想。 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，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代替电动机机械换向器换 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。 而后又经过人们的多年努力，借助于霍尔元件来实现换向的无刷直流电动机终于在 1 9 6 2 年问世，从而开创了无刷直流电动机的新纪元。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能大功率电 力电子器件，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，如钐钴、 铷铁硼等的问世，均为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。 无刷直流电动机发展至今已有4 0 余年历史。国外发达国家在民用领域推广，并形 成无刷直流电动机及驱动器件的规模化产业；国内研发和生产的无刷直流电动机品种和 数量不多，主要用于军工国防设备。由于它具有的一系列优点，近年来在空调器、电冰 箱、洗衣机、电动自行车及微型风机等应用，一般是输出功率不大的微型与特种无刷直 流电动机。机械、纺织、印染、冶金、轻工等行业所需的与小型交流异步电动机功率等 级对应的永磁无刷直流电动机( 功率在0 7 5 一1 8 5k w 范围) 应用才慢慢展开。随着国际 经济一体化趋势的到来，我国的无刷直流电动机产业充满发展机会【l o l 。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 2 3 无刷直流电动机控制专用集成电路 随着微电子技术的发展，各国半导体厂商不断地推出无刷直流电动机专用控制集成 电路，解决了电机和电子电路结合问题，也有利于控制器的小型化和可靠性的提高。特 别是随着专用控制集成电路的批量生产，价格大幅度下降，解决了妨碍无刷直流电动机 向民用领域发展的高价格问题，使无刷直流电动机的应用更方便、更容易推广普及。随 着电动机应用技术越来越复杂，系统设计者正在通过利用电动机控制集成电路寻求开发 工作的简化。使用电动机控制集成化的一个重要因素是使应用者容易获得最佳的硬件软 件解决方案，人们可用最少的开发时间，就能迅速将其最终产品推向市场销售。各国电 子元件制造商瞄准无刷直流电动机这一巨大市场，十分重视无刷直流电动机专用控制集 成电路芯片的开发和生产，如美国的国家半导体公司、摩托罗拉公司、德州仪器公司、 仙童公司、无线电公司、日本的东芝公司、三洋公司、松下公司、日立公司、三菱公司， 还有德国、英国、法国、荷兰、意大利等国家的公司等【l 卜1 5 1 。 1 3 单片机对电动机控制所起的作用及新型单片机的特点 1 3 1 单片机对电动机控制所起的作用 电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制。微处理 器取代模拟电路作为电动机的控制器有如下特点网： ( 1 ) 使电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路复杂。采用微处理器后，绝 大多数控制逻辑可通过软件实现。 ( 2 ) 可以实现较复杂的控制 微处理器有更强的逻辑功能，运算速度快、精度高、有大容量的存储单元，因此有 能力实现复杂的控制，如优化控制等。 ( 3 ) 灵活性和适应性 微处理器的控制方式是由软件完成的。如果需要修改控制规律，一般不必改变系统 的硬件电路，只需修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数， 非常方便。 ( 4 ) 无零点漂移，控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论被控量的大或小，都 可以保证足够的控制精度。 ( 5 ) 可提供人机界面，多机联网工作 在电动机的控制中，要用到键盘和显示器作为人机界面。现在普遍采用单片机作为 4 1 绪论 电动机的控制器，单片机是世界上使用量最大的微处理器。 1 3 2 新型单片机的特点 单片机产生于2 0 世纪7 0 年代。在我国经历了z 8 0 单板机时代和m c s 5 1 单片机时 代。随着各种各样的单片机不断出现，新一代的单片机除具有以往m c s - 5 1 单片机的特 点外，并且还具有一些新的发展趋势【1 6 - 2 0 1 。 ( 1 ) 功能大大增强 许多单片机公司将1 6 位单片机的性能下移到8 位单片机，在单片机内部增加了 p w m 口、比较和捕捉功能、a d 转换器等，并增加了看门狗、各种串行总线接口等功 能，使新一代的单片机功能更强大。p w m 口广泛地应用在直流电动机控制中。它一经 初始化设定后会自动地发出p w m 控制信号，c p u 只在需要调整参数时才介入。捕捉功 能在电动机控制中可用于测频。它相当于在老式单片机中用计数器与外中断联合测频功 能。在有模拟信号存在的情况下( 例如用直流测速发电机测速，或测量电动机绕组的输 出电压或电流) ，如果要将模拟信号输入单片机，a d 转换器是必不可少的，将a d 转 换器集成在单片机内，将带来极大的方便。 近年来，单片机的一个重大变化是出现了各种同步串行总线，如s 总线、，2 c 总 线。同步串行总线由于使用的信号线少( 如s p l 使用3 条信号线，2 c 总线只使用2 条 信号线) ，所以电路占用电路板的面积大大减小。与并行总线相比，其信号受干扰的可 能性也小。还有一个最突出的优点是单片机可利用的引脚相对增多。这就是同步串行总 线风靡起来的原因，它大有取代并行总线之势。在电动机的控制中，要用到键盘和显示 器作为人机界面，有时还要用到外接存储器，这时使用有同步串行总线接口的芯片将会 大大减小电路的尺寸，降低成本。 ( 2 ) 速度更快 速度更快了是新一代单片机的又一个最大特点。用单片机对电动机进行实时控制， 经常采用一些优化算法，如数字p i d 控制、数字滤波等。对于实时性很强的控制，速度 低的单片机往往不能胜任。新一代单片机的速度比老式单片机的速度提高了1 倍多，例 如，p h i l i p s 公司生产的8 9 c x x 系列8 位单片机的工作频率己达3 3 m h z ；w i n b o n d 公司生产的w 7 8 系列8 位单片机的工作频率高达4 1 m h z ；s i e m e n s 公司的s a l l c 5 系列8 位单片机的工作频率已达4 8 m h z 。 单片机速度提高的原因是采用了流水线技术，执行指令与提取指令可同时完成。 另外，有些单片机采用了r i s c ( r e d u c , e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 结构技术，使指令执 行的速度得到提高，如美国国家半导体公司的c o p g s k 系列8 位单片机、美国m i c r o e h i p 公司的p i c 系列8 位单片机。 ( 3 ) 小型化和低功耗 5 西安科技大学硕士学位论文 采用同步串行总线可以减少无用的引脚，另外，由于采用了内部f l a s h 存储器， 没有必要保留外接并行存储器的引脚，这些都使单片机引脚的数目可以大大减少。这样 一来，一方面提供了更多的引脚作为f o 口使用，另一方面也可以去掉众多引脚而使芯 片小型化。例如，美国m i c r o c h i p 公司推出8 引脚和1 8 引脚的8 位p i c 系列单片机；中 国台湾义隆公司的1 8 引脚的8 位e m 7 8 系列单片机；中国武汉力源公司和l g 半导体 公司合作生产的2 0 引脚的8 位g m s 9 7 c 1 0 5 1 2 0 5 1 单片机；美国a t m e l 公司生产的 2 0 引脚的8 位a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机。小型化的单片机给用户提供了低成本、电路尺寸小 的选择。 单片机的低电压和低功耗也是新一代单片机的特色。大多数单片机都有休眠省电工 作方式，一些单片机还采用3 v 电压供电，这些措施都可以减少单片机耗电。这对于移 动设备的电动机控制提供了帮助。例如，数码摄像机、便携式仪器、便携式视听设备、 笔记本电脑中的光盘驱动器和磁盘驱动器等。 1 4 本论文主要研究内容 国内在无刷直流电动机控制系统领域理论研究多，而基于单片机实现的系统少，本 论文针对这种发展现状，将侧重点放在系统的基本实现上，开发设计出一套能够实现无 刷直流电机控制的完整软硬件系统。 本文的主要内容如下： 1 通过对无刷直流电动机的组成和基本工作原理的简要介绍，分析推导了无刷直 流电动机的运行特性及其传递函数，为之后进行的的仿真研究、实际系统的设计和调试 提供了有效依据。 。 2 对c 8 0 5 l f 3 3 0 ，l 的c i p - 5 1 微控制器内核和片内存储器、端口输入输出、片内可 编程计数器定时器阵列以及片内调试电路等特性进行系统介绍。 3 概括介绍了本系统采用电流、转速双闭环控制总体设计方案，其中包括相应的 检测方案和采用模糊策略对p i d 控制器的调节方案，并对其设计方法进行了相关介绍。 4 在硬件设计过程中，介绍了驱动m o s f 王t 的集成芯片取2 1 3 0 和电源设计。 5 采用软件模块化实现了无刷直流电动机系统速度、电流的双闭环软件设计，其中 包括转速环、电流环和其他环节的实现，结合软硬件调试整个电路。 6 2 无刷直流电动机控制原理 2 1 无刷直流电动机的组成 与交流电动机相比，直流电动机具有运行效率高和调速性能好等优点。但传统的直 流电动机采用电刷一换向器结构，以机械方式进行换向，不可避免地存在噪声、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，大大限制了 它的应用范围，致使目前工农业生产中大多采用三相感应电动机。 那么，能不能既保持直流电动机的优良特性，又去掉机械换向装置呢? 无局4 直流电 动机正是在直流电动机的基础上发展起来的一种新型电机。 无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、控制电路和转 子位置传感器3 部分组成，其原理图如图2 1 所示。 图2 1 无刷直流电动机系统组成 图2 1 中，直流电源通过控制电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测转 子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制功率开关管的导通和截止，从而自动地控 制了哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现电子换向。 2 1 1 电机本体 无届0 直流电动机的基本结构如图2 2 所示。无刷直流电动机最初的设计思想来自普 通的有刷直流电动机，不同的是将直流电动机的定、转子位置进行了互换 s l 。 件 图2 2 无刷直流电动机结构示意图 无刷直流电动机的转子是由永磁材料制成的，具有一定的磁极对数的永磁体，产生 气隙磁通。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，如图2 3 7 盼刀冈阪i 谚雠万一询 移影影一7 墨违f 图2 4 星形连接三相桥式主电路 图中，桥臂上六个开关管v t l v ，r 6 是n 沟道功率m o s f e t ，栅极电位高电平时 导通。位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制 方式有两种：二二导通和三三导通方式。 ( 1 ) 二二导通方式 二二导通方式是指在任一瞬间使两个开关管同时导通。这种方式就是两相导通星形 三相六状态方式。下面根据反电动势和电磁转矩的概念来分析其导通规律及特点。 电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得： 8 2 无刷直流电动机控制原理 互= 丛萼警蔓 ( 2 1 ) 式中气、a 、b 、c 三相绕组的反电动势 o 、a 、b 、c 三相绕组的电流。 q 转子的机械角速度。 可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转速下，如果电流一定，反电动 势越大，转矩越大。 图2 5 给出了无刷直流电动机三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的开关 管导通规律。 图2 5 三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律 为了使电机获得最大转矩，在二二导通方式下，开关管的导通顺序应为v t i 、 v 亿一v l r 2 、v 1 3 州t 3 、v t 4 + v t 4 、v t 5 一v t 5 、v t 6 _ v t 6 、1 。在这种工作方式 下，每个电周期共有六种导通状态，每隔6 0 0 电角度工作状态改变一次，每个开关管导 通1 2 0 0 电角度。 由此可见，如果忽略换相过程的影响，当梯形波反电动势的平顶宽大于等于1 2 0 电角度时，电机的转矩脉动为0 。因此，无刷直流电动机在设计时，应尽量增大磁极的 极弧系数，以获得足够宽的磁密度分布波形，从而得到平顶部分较宽的反电动势波形。 同时，如果假定电流为平顶波，电机工作在两相导通星形三相六状态方式时，总的 电磁转矩是每相电磁转矩的两倍。 ( 2 ) 三三导通方式 三三导通方式是任一瞬间使三个开关管同时导通。各开关管导通的顺序为：v t i 、 9 西安科技大学硕士学位论文 v t 2 、v t 3 _ 2 、v t 3 、v t 4 v t 3 、v t 4 、v r 5 _ v t 4 、y r 5 、v t l 卜“r r 5 、v t 6 、v t l - v t 6 、 v t l 、v t 2 。由此可见，三三导通方式也有六种导通状态，同样也是每隔6 0 0 改变一次 导通状态，每改变一次工作状态换相一次，但是每个开关管导通1 8 0 。，导通的时间增加 了。 比较两种通电方式可见：在二二通电方式下，每个管子均有6 0 0 电角度的不导通时 间，不可能发生直通短路故障。而在三三通电方式下，因每个管子导通时间为1 8 0 0 电 角度，一个管子的导通和关断稍有延迟，就会发生直通短路，导致开关器件损坏。而且， 两相导通三相六状态工作方式很好地利用了方波气隙磁场地平顶部分，使电机出力很 大，转矩平稳性好 + 2 1 2 控制电路 无刷直流电动机需要用功率电子开关器件组成的功率控制器才能工作。功率逆变器 主电路与绕组的联接形式、电机的功率等有关。目前以星形三相三状态和两相导通星形 三相六状态两种方式最为常用。 逆变器功率开关管是主电路的核心部分。目前，无刷直流电动机中功率开关管主要 为功率m o s f e t 和i g b t 。在大功率电机的控制中，也可选择m c t ，它是m o s f e t 与 晶闸管的复合器件，具有高电压、大电流( 2 0 0 0 v 、3 0 0 a ：1 0 0 0 v 、1 0 0 0a ) 、电流密 度大( 6 0 0 0 a c m 2 ) 、工作频率高( 2 0 k h z ) 、控制功率小、易驱动、可以采用低成本集 成驱动电路控制等优点。 为了提高逆变器的可靠性、缩小体积，还可以选择近年来迅速发展的功率集成电路 ( p i c ) 。p i c 将多个( 如2 个或6 个) 功率开关管及其快恢复二极管集成为一体。这 样，无刷直流电动机开关主电路的逆变电路就可以由一个功率开关管集成块来实现。目 前，三相半桥和三相桥式逆变器主电路均有商品化功率集成电路出售，在设计时可以选 用。 在功率半导体器件与微电子技术结合的基础上，还出现了智能功率模块( m m ) 它是将功率半导体器件与具有信号处理功能、自我保护功能、各种诊断功能等的电路集 成或组装在一起，可以实现无刷直流电动机的逆变电路、驱动电路和许多控制电路的功 能，使得电机控制器具有体积小、重量轻、设计简单和可靠性高等显著特点，是高性能 无刷直流电动机的理想器件。如三菱公司生产的智能功率模块已有完整系列，电压有 6 0 0 v 和1 2 0 0 v 两个等级，电流包括1 0 6 0 0a 多种规格。 2 1 3 转子位置传感器 无刷直流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向装置，使得无刷直流电动机在运行过程中定 l o 2 无刷直流电动机控制原理 子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁铁产生的永磁磁场，在空间始终保持在兰m d 左 2 右的电角度。 位置传感器与电机本体一样也是由静止部分和运动部分组成，即由位置传感器定子 和位置传感器转子组成。转子位置传感器目前主要有敏感式、耦合式、谐振式和接近式 等。 敏感式位置传感器是利用敏感元件来感受转子位置信息，并输出电信号去控制各相 绕组的导通顺序。常用的敏感元件有光敏元件( 如光电二极管和光电三极管等) 和磁敏 元件( 如霍尔元件、磁敏二极管和磁敏三极管) 。 耦合式是指变压器耦合( 即磁电式) 和高频空心线圈耦合等。 谐振式是利用电感和电容等元件组成的谐振电路，当满足谐振条件时，输出信号最 强，以此控制电枢绕组的导通或关断。 接近式是利用某物而动作的原理所组成的一种位置传感器，如接近开关。 由于永磁无刷直流电动机的转子是永磁，因此常用磁敏式霍尔位置传感器检测转子 位置。世界上第一台无刷直流电机就使用了霍尔元件式位置传感器，故在本文中采用霍 尔元件式位置传感器。霍尔式位置传感器由于结构简单、性能可靠，成本低、是目前在 无刷直流电机上使用最多的一种位置式传感器。 霍尔式位置传感器是利用“霍尔效应”来进行工作的。利用霍尔式位置传感器工作的 无刷直流电动机的永磁转子，同时也是霍尔式传感器的转子。通过感知转子上的磁场强 弱变化来辨别转子所处的位置。 如图2 6 所示，在长方形半导体薄片上通以电流l ，当将半导体薄片置于外磁场中， 并使其与外磁场垂直时，则在与电流和磁感应强度口构成的平面相垂直的方向上会产 生一个电动势乓，称其为霍尔电动势，其大小为： eh 2 k h l h b q 式中是霍尔元件的灵敏度。 图2 6 霍尔效应原理 西安科技大学硕士学位论文 当磁场强度方向与半导体薄片不垂直，而是成0 角时，霍尔电动势的大小改为 e = k 1 s b c o s o ( 2 3 ) 利用永磁转子的磁场，对霍尔元件通入直流电，当转子的磁场强度大小和方向随着 它的位置不同而发生变化时，霍尔半导体就会输出霍尔电动势，霍尔电动势的大小和相 位随着转子位置而发生变化，从而起到了检测转子位置的作用。 2 2 无刷直流电动机的基本工作原理 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。无刷直流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予上，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，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，无刷直流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向装置，使得无刷直流 电动机在运行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 间始终保持在兰r a d 左右的电角度，从而使电机能不停的运转。 z 为了更加清晰地阐述这种无刷直流电动机的工作原理，下面以三相星形连接绕组为 例来加以说明。 如图2 7 所示，电动机本体的电枢绕组为三相星形连接、位置传感器与电动机本体 同轴，控制电路对位置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，使电动机的各相绕组按一定的顺序工作。 u 图2 7 三相无刷直流电动机系统 2 无刷直流电动机控制原理 当转子旋转到图2 8 ( a ) 所示的位置时，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v t 6 、v t l 导通，即a 、b 两相绕组通电，电流从电源的正极 流出，经v t l 流入a 相绕组，再从b 相绕组流出，经v t 6 回到电源的负极。电枢绕组 在空间产生的磁动势e 2 8 ( a ) 所示，此时定转子磁场互相作用，使电机的转子顺时针 转动。 当转子在空间转过6 0 。电角度，到达图2 8 ( b ) 所示的位置时，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l 、v 砣导通，a 、c 两相绕组通电， 电流从电源的正极流出，经1 流入a 相绕组，再从c 相绕组流出，经y r 2 回到电源 的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势e 如图2 8 ( b ) 所示，此时定转子磁场相互作用， 使电机的转子继续顺时针转动。 转子在空间每转过6 0 0 电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻 辑为v t 6 、v t l _ v t l 、v 他- v 1 2 、v 1 r 3 + v t 3 、v t 扣4 、v t 5 _ 5 、v t 6 _ v t 6 、 v t l 。在此期间，转子始终受到顺时钟方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。 在图2 8 ( a ) 到图2 8 ( b ) 的6 0 0 电角度范围内，转予磁场沿顺时钟连续旋转，而 定子合成磁场在空间保持图2 8 ( a ) 中的兄位置静止。只有当转子磁场连续旋转6 0 。电 角度，到达图2 8 ( b ) 所示的e 位置时，定子合成磁场才从图2 8 ( a ) 的位置跳跃到图 2 8 ( b ) 中的e 位置。可见，定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是一种跳跃式旋 转磁场，每个步进角是6 0 0 电角度。 z b ( a ) v t l 、v r 6 导通，a 、b 相通电( b ) v t l 、y r 2 导通，a 、c 相通电 z 是 ( c ) y 1 3 、v t 2 导通，b 、c 相通电 。 ( d ) v t 3 ，v t 4 导通。b 、a 相通电 图2 8 无刷直流电动机工作原理示意图 转子在空间每转过6 0 。电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态 1 3 西安科技大学硕士学位论文 2 3 无刷直流电机的数学模型 医 = 窿；! 医 + 兰兰笺 鲁 差 + 医 g l o = 厶= 厶= l= r b = = ，k = k = k = k = 乞= 以= m 1 4 三 = 臣；习睦 + 妻兰錾 丢匿 + 医 。国 又由于三相绕组星形接法，厶+ + - - 0 ，因此 纯+ 拖+ 崛- - 0 ，所以，式( 2 5 ) 塞 = i ；习 1 + j m 三三膨工乙oj 1 丢【r ：, j 1 + | ； g 。 图2 9 无刷直流电动机的等效电路 2 4 无刷直流电机的运行特性和传递函数 要十分精确地分析无刷直流电动机的运行特性是很困难的。它涉及非线性理论及数 值解法等诸多问题，在一般工程应用上尚无此必要，故通常均作如下假定唧 ( 1 ) 电动机的气隙磁感应强度沿气隙按正弦分布。 ( 2 ) 绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙磁通的影响忽略不计。 ( 3 ) 控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降a u 为恒值。 ( 4 ) 各相绕组对称，其对应的电路单元完全一致的，相应的电气时间常数忽略不 计。 ( 5 ) 位置传感器等控制电路的功耗忽略不计。 1 5 西安科技大学硕士学位论文 下面以三相全控电路，两两通电模式为例来分析无刷直流电动机稳态运行时的特 性。其电路图如图2 4 所示： 由于假设转子磁钢所产生的磁感应强度在电动机气隙中是按正弦规律分布的，即 b - - b , , s i n o ，这样一来，如果在定子中某一相( 例如b 相) 绕组中通入持续的直流电流， 所产生的转矩为 = z 乒r i s i n o ( 2 7 ) 式中：2 0 每相绕组的有效导体数； 工绕组中导线的有效长度，即磁钢长度，单位m ； ，电动机中气隙的半径，单位m ； ，绕组相电流，单位a 在三相全控电路两两通电时，共有六种通电方式，每种方式都由两个绕组线圈串联 通电，这时，转子转矩为两个绕组的转矩合成，其大小为： “ “t = 4 3 乙 ( 2 8 ) 就是说某一相通以持续不变的直流后，它和转子磁场作用所产生的转矩也将随转子 位置的不同而按正弦规律变化，如图2 1 0 所示。 o t 图2 1 0 在恒定电流下的单相转矩 它对外负载讲，所得的电动机平均转矩为零。但在无刷直流电动机三相全控电路的 工作情况下，实际上各相绕组中通过的不是持续不变的直流电流，只是通过1 6 周期的 矩形波电流，那么该电流和转子磁场作用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线中相当于 1 6 周期的一段，且这一段曲线与绕组开始通电时的转子相对位置有关。显然在绕组通 电的时间里，如果载流导体正好处在比较强的气隙磁场中，它所产生的转矩脉动小，转 矩平均值较大。电动机一旦在电动转矩的作用下转动后，旋转了的转子磁场就要切割定 1 6 2 无刷直流电动机控制原理 子绕组，在各相绕组上感生出电动势，当其转速n 不变时，该电动势波形也是正弦波， 相位同转矩相位一致。感生电动势波形如图2 1 1 所示。 六六六六六六 入 入入 y 图2 1 1 三相无刷直流电动机全控电路的反电势 由上述分析，可以很方便的求出输出转矩的平均值疋和感生电动势的平均值e 。由 平均转矩和平均反电动势便可求得无刷直流电动机稳定运行时的电压平衡方程式，为此 首先定义反电动势系数e 和转矩系数q ： e 一 ：墨 ， ( 2 9 ) 对于某个具体的电动机，它们为常数。当然，其大小同主回路的接法( 如三相半控 或三相全控) 以及开关管的换相方式( 如两两换相或三三换相) 有关口1 ，2 2 l 。 前己指出，为简便计算，假定各相绕组对称、相应的时间常数忽略不计。由图2 4 可得电动机的电压平衡方程为： u 一u = e + i r ( 2 1 0 ) 其中，e = c , n = q j ，将其代入式( 2 1 0 ) 整理后，可得其机械特性方程为： 甩= 半一西r 式中：疗电动机转速，单位r n f i n ； u 电源电压，单位v ； a u 功率管管压降，单位v ； 置电动机的内阻，单位q ； 佗1 1 ) 西安科技大学硕士学位论文 由式( 2 1 1 ) 可知，无刷直流电动机的机械特性方程同一般直流他励电动机的机械特 性方程在形式上完全一致。只不过其中的转矩和反电势运用平均转矩和平均反电动势的 概念。这是由于它的反电动势和转矩的波动比较大的缘故，式( 2 1 1 ) 表示电动机在稳定 运行时的机械方程，即一般所说的静态方程。 同理，在上述假设条件不变的情况下，无刷直流电动机的动态特性可由下列方程组 来描写： 前已指出，为简便计算，假定各相绕组对称、相应的时间常数忽略不计。在a b 相 导通时，= o ，由于绕组中性点电流为零，则i o = = 可得到如下电压平衡方程组 为： 两式相减得； 玑= 疋+ r + 哮= 疋+ r + 哮讲讲 = 磊+ r + 哮= 毛一置一哮 = 伽似2 哮 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 这里= u o 一为逆变器输出电压，e = 毛一历为平均反电动势。 又因为 互= c d 。 乏一瓦= 罢鲁 ( 2 1 5 )