（电机与电器专业论文）基于dsp的永磁无刷直流电机的控制.pdf

t h ec o n t r o lf o rp e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s sd cm o t o r b a s e do i ld s pt e c h n o l o g y a b s t r a c t b l d ci s i m p l e m e n t e d i ni o t sf i e l db e c a u s eo fi t sf a v o u r a b l e p e r f o r m a n c e a n db l d cc o n t r o lt e c h n i q u eb e c o m e sb e t t e ra n db e t t e ra l o n g w i t ht h en e wm a t e r i a la n dt e c h n i c s t h et ii n c ，p u to u ts p e c i a l p u r p o s eo fd s p s f o ra u t o m a t i o na n dm o t o rc o n t r 0 1 a n dh a sm a d ee n o r m o u ss u c c e s s f i r s t l y t h eb a s i c o p e r a t i o np r i n c i p l e ，c o m p o s i n gp a r t s ，r u n n i n g c h a r a c t er i s t i ca n dt r a n s f e rf u n c t i o no fb l d c ma r ed i s c u s s e di nt h j sa r t i c i e a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do f t h es y s t e mc o n t r o l ，t h ed s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai s c h o s e na st h ec o n t r o lc h i po ft h ed r i v em o t o r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f b l d c ma n dt h ef u n c t i o no ft h ed s p ，s e n s o r l e s sc o n t r o ls o l u t i o n sw h i c ha r e b a s e do nd s pt e c h n o l o g ya r ep r e s e n t e d t h e n ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g no ft h es y s t e ma c c o r d i n gt o t h ep r e c e d i n gs o l u t i o n sa r ed is c u s s e di n d e t a i l e d f o rt h eh a r d w a r ep a r ta f t e rad i s s e r t a t i o no nt h ew h o l ed e s i g nt h e d e s i g no fs e v e r a lc h i e fc i r c u i t si se x p o u n d e df o rt h es o f t w a r ep a r t w i t ht h e i n t r o d u c t i o no fm o d u l i z a t i o nd e s i g nc o n c e p ts o m ep r o c e d u r ef l o wc h a r t so f m a i np r o g r a ms u b r o u t i n ea r eo f f e r e d a tl a s tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n k e y w o r d ：b r u s h l e s sd cm o t o r ，d s p ，s i m u l a t i o n ，b a c ke m f 2 插图清单 表1 1 无刷直流电机市场份额 图2 一l 无刷直流电机的等效电路及主电路原理图 图2 2 二二导通上管p w m 调制方式示意图 图2 4 基于端电压的反电动势检测电路 图2 5基于相电压的反电动势检测电路 图2 6 延迟3 0 ”换相原理示意图 图2 7 反电动势相位延迟图 图2 8 反电动势过零检测软件实现方法示意图 图2 9 反电动势过零点硬件检测示意图 图3 1 铁芯电感的磁通与线圈电流的关系( l 。 l 。) 图3 2a 相通电转子定位 图3 3b 相转子通电定位 图3 4c 相通电转子定位 图3 5 系统主控驱动电路示意图 表3 i 换相表( 转子顺时针方向旋转) 图3 6 检测脉冲的峰值电流波形 图4 1b l d c m 波形图 图4 2 无刷直流电动机等效电路图 图4 3 离流无刷电动机动态结构图 图4 4 无刷直流电动枧控制系统原理框图 图5 一l 对称p w m 波形的产生( x = l ，3 或5 ) 图5 2控制系统硬件结构图 图5 3 外接晶体与d s p 连接示意图一 图5 4j t a g 端口插针定义 图5 5i r 2 1 3 2 s 典型应用电路图， 图5 7 相电流检测电路 图5 8 相电压检测电路 图6 一f 主程序流程图 图6 2 电机起动子程序流程图 图6 3 反电动势电动运行子程序流程图 图7 一ib l d c 控制系统仿建模组成框图 图7 2b l d c m 本体模块结构框图 图7 3 电流滞环控制模块结构框图 6 卫一m 他 ! h m 伸 纠川丝孙”勰弛驺m弘弼妁引蛇们拍钉 图7 4 速度控制模块结构框图 图7 5 转矩计算模块计算框图 图7 6a 相电流波形 图7 7 a 相反电动势波形 4 8 4 8 4 9 4 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究_ - j _ = 作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得佥熙王些盔生 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：童丸严m签字日划：葛年月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆工业盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权金鲤兰些盔堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名i 燕所四 签字日期：如“年月，日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：7 5 支 签字e t 期：2 ，。年6 月4 日 电话 邮编 致谢 本文是在万文斌副教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、撰写，一 直到工作的完成无不凝聚着导师的心血。导师严谨的治学态度、渊博的学 识、高度的敬业精神使我终生受益匪浅。在此向万文斌导师致以最崇高的 敬意! 感谢他在这近三年的学习生活中对我无微刁；至的关怀和教导。 感谢杜士俊教授等老师对我的无私帮助和指导! 感谢合肥工业大学电机实验室的全体老师及3 0 8 实验室的所有同学在我 学习及论文中对我的帮助! 感谢我的父母及家人多年来给我的理解、支持和关怀! 作者黄夫阳 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1 永磁无刷直流电机的特点和应用 1 1 1 无刷直流电机的特点 一百多年来电机动作为一种进行机电能量转换的装置，己经广泛的应用到了 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。 电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际的应用中，一是要求其 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、运行效率高、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 存在机械式的电刷和换向器这一致命弱点，给实际应用带来了一系列的问题。而 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“1 ，而美国也有5 5 以上的电力 消耗在电动机运行上“，因此提高电动机的效率，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，转子上放置永磁磁钢。无刷直流电机的绕组像交流电机的绕组一样， 采用多相形式，经由逆变器按到直流电源上，定子各相逐次接通电流，和转孑磁 场相互作用，产生转矩。无刷电机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，电路相应简化很多，价格也下降很 多。尤其是在需要控制调速的场合，价格己经完全可以和有刷直流电机相比“” r n 】 a 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、功率因素高、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 机外围设备和家用电器等方面获得广泛应用。 j 1 2 永磁无刷直流电动机的应用 由于无刷直流电机的优异性能，使得世界上许多科研机构和公司都投入到 这一技术领域，使无刷直流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 预测公司的报告，就1 9 8 6 年美国市场而言，无刷直流电机的销售量为 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 力d 台， 约6 ，3 亿美元。在全部控制电机中，无刷直流电机1 9 8 6 年占7 ， 1 9 9 i 年将占 1 6 ，增长速度最快。表1 1 列出厂美国市场无刷直流电机在各应用领域所占得 份额”1 。 应用领域 1 9 8 6 年( ) 9 9 1 年( ) 办公自动化 2 16 2 66 家用产品 0 61 6 9 工厂自动化 6 0 1 45 国防和航天 8 9 2 0 1 仪表仪器 8 41 23 总计( 全部市场) 7 5 1 6 7 衰l 一1 无刷直流电机市场份额 从表中能够看到，无刷直流电机在各种应用的市场中占有较大得份额。在办 公自动化( 计算机，商务设备) 方面，工厂自动化方面，汽车和家电方面以及国防 和航天方面的应用获得了快速增长。 ( i ) 在办公自动化、计算机外部设备及音像处理设备方面的应用 这类设备要求驱动电动机具有稳速、调速、定位等功能，对电磁干扰和低噪 声要求特别高。如计算机软、硬盘驱动器，光盘驱动器，应急驱动器，激光打印 机，复印机，传真机鼓驱动，v c d ，d v d 装置及微型风扇等。而永磁无刷直流电 机刚好能够满足这些要求，因而被广泛采用。但是这类无刷直流电机属于精密型， 尺寸小，加上精度高，产量大，是技术密集型和高投资类产品，目前仍主要由发 达国家提供。这类产品的年产量均以亿台计，国内来源主要依赖进口或组装件， 尚难在此领域取得立足之地。因此，在这一领域的永磁无刷直流电机将有非常广 泛的发展空间。 ( 2 ) 在工业自动化方面的应用 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。但是传统的直流电机存在着制造成本高、体积庞 大、维护困难等缺点，使其应用范围受到一定限制，特别是在商性能的中i i , 功 率伺服驱动场合。8 0 年代以来，现代控制理论、电力电子技术、微机控制技术 以及大规模集成电路的发展和应用，尤其是矢量控制技术的不断成熟，交流伺服 驱动系统的性能可以和直流伺服驱动系统相媲美。加上永磁无刷自流电机技术发 展的日趋成熟，在一些高性能伺服驱动场合，交流伺服驱动系统甚至有取代直流 伺服的趋势。在数控机床、组合机床、自动纺织、印刷、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刷直流电动机来满足机械设备的 高效率、高精度、高性能的要求。在一般的轻工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无刷电 动机。特别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 s 的数度增长，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高，永磁 无刷直流电动机作为中小功率高性能调速电机和伺服电机在工业中的应用越来 越广泛。 ( 3 ) 在电动汽车方面的应用 为了减少燃油车辆造成的环境污染问题，电动车辆的研究被成为具有深远意 义的革命性措施。最早采用的是有刷直流电动机作为驱动电动机。因为只有直流 电动机的特性才能适合车辆运行的特点。在电子技术和电子元器件取得突破性进 展之后，交流异步电动机的调速问题得到解决，交流异步电动机作为驱动元件的 方案也被电动车辆采用，但是最有发展前途的还是永磁无刷直流电动机。因为它 的起动力矩大、过载能力强、体积小、省电、高效率、长寿命、免维修、控制方 便的特点正适合电动车辆的运行特性。目前，日本丰田的r a v 一4 ，本田的p iu s ， 日产的a l t r a e v 均采用了永磁同步电机作为了驱动电动机，并且开始小批量生产 t k l o ( 4 ) 在家用电器方面的应用 在家电电机领域，集有刷直流电动机和交流电动机的优点于一体的永磁无刷 直流电动机，正有逐步取代单相异步电机的趋势。在家用电器方面，过去大多采 用异步电动机作为驱动元件，随着家用电器的竞争激烈和性能、质量的提高，对 大量应用的电动机业提出了低噪声、高性能、长寿命、高可靠、小型化、多功能、 高效节能的要求。这样就势必促使了采用无刷直流电动机来代替性能差、效率低 的异步电动机。目前国外在高档的风扇中采用了无刷直流电动机：在新一代的空 调机、洗衣机、电冰箱、吸尘器及热水器等家电中，已出现了逐步采用各种类型 的无刷直流电动机的趋势。这些电机结合了新的控制技术、传感技术和新的电子 装备，大大提升了家电的自动化程度，节省了能量，改善了人们的物质生活水平。 ( 5 ) 在其他领域的应用 医用永磁无刷直流电动机也是一个新兴的领域，美国己经在“心脏泵”这个 高科技技术领域中应用。牙科和耳科用的电动医疗器械，要求小尺寸、高可靠、 长寿命、低噪声、免维护的微型高速电动机，用永磁无刷电动机替代永磁高速有 刷电动机应是一个发展方向。 由于永磁无刷直流电动机具有直流电动机的优越性能，而且可靠性高，也已 经广泛的应用于航天飞行器中，卫星上太阳能帆板驱动己经逐步采用了永磁无刷 直流电动机。 总之，永磁无刷直流电动机经过2 0 多年的发展，在技术上己经逐步成熟， 在大量应用中已经显示其优良特性，应用领域几乎可覆盖所有电动机驱动领域， 并可以起到其他类型电动机不能达到的功能。国际上有些专家预言2 1 世纪是无 刷直流电机广泛应用时期，永磁无刷直流电动机的应用领域将不断扩展，这已经 是必然的结果。 1 2 永磁无刷直流电动机的发展概况 一直以来，有刷直流电机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的 应用。但是，机械电刷却是有刷直流电机的一个致命的弱点。为此人们进行了无 穷的探索。1 9 1 7 年，b o l i g e r 提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电枢，从 而产生了无刷直流电机的基本思想。1 9 5 5 年，美国d t l 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，标志着现代无利直流电 机的诞生。但是由于该电动机没有起动转矩而不能产品化。经过多年的努力，借 助于霍尔元件的位置检测装置实现换向的无刷直流电机终于在1 9 6 2 年研制成 功。7 0 年代以来，现代电力电子器件上艺日臻成熟，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，使永磁无刷直流电机的功率驱动 电路的。可靠性和稳定性得到保障。另一方面，稀土永磁材料迅速发展，其本征 矫顽力高、抗去磁能力强，且常规去磁曲线在大范围线性。可逆等特点，为永磁 无刷直流电动机的设计开辟了广阔的前景。1 9 8 3 年，日本住友特殊金属公司和 美国通用汽车公司成功研制出了价格相对较低的钱铁硼永磁体。所有的这些都为 永磁无刷直流电机的发展奠定了坚实的基础。由于电机本体及其相关科学的迅猛 发展，“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向的直流电动机发展到泛 指一切具有有刷直流电机外部特性的电子换向电机“”。无刷直流电机的发展亦 使得电机理论与大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代 控制理论以及高性能材料的结合更加紧密。如今，无刷直流电机集特种电机、变 速机构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成为新一代电动伺服系统，且体 现了当今应用科学的许多最新成果。 无刷直流电机真正进入使用阶段应从1 9 7 8 年开始，当时原西德m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易博览会上，正式推出m a c 经典无刷直流电机 及其驱动器。8 0 年代在国际上开展了深入的研究，先后研究成方波无刷直流 电机和正弦波无刷直流电机，在1 0 多年的时间里，无刷直流电机在国际上已经 得到充分的发展，在一些较为发达的国家里，无刷直流电机逐渐成为主导电机， 逐步取代其他类型的电机。 自上世纪末起，逐渐形成永磁无刷直流电机的研究热潮，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 m e dr u b a a j 博士及其 同事共同研制出一种新型的永磁无刷直流电机，其转子跟普通的永磁无刷直流电 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，使定子绕组依次换向。其优点为：大大减少了转矩波动，可 在较大范围内自然换向，充分提高了电机有效材料的利用率。再如，美国的i y 。 h u n g 博士等人，利用定子电流谐波的最优权重的设计方法，通过电流调节器等 装置有效减少了电磁转矩及齿槽引起的转矩波动。还有英国的y s c e n ，z 0 z h u 及d a v jdh o w e r 博士，研制成功了无齿槽的永磁无刷直流电机，其主要作用 也是减少转矩波动，提高电机效率1 。针对位置传感器的改善，美国的 k e t h a c o r z i n e 博士等人最近研制出一种混合观测装雹，通过固定于定子上的霍 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。另外，台湾的h ，gc h e n 及c m l i a n 博士，通过智 能换向调节装置实现了无位置传感器的控制，其主要原理是，监测电机端电压， 通过开关信号发生器对换向位置作粗略估计。然后给出最佳转矩产生特性通过智 能自调系统对换向瞬间进行微调。实验结果表明样机不论稳态还是瞬态均运行良 好“。相信随着国际、国内对永磁无刷直流电机的研制和开发上作的日臻成熟和 完善，永磁无刷直流电机会更加显示出其独特的经济价值和实用价值。在国内， 我国的永磁无刷直流电机在小功率范围内，己从科研转向生产，如诬安微电机研 究所研制的4 5 z w 一1 ，$ s z w l ，7 0 z w l 系列产品，上海交大研制的卫星上专用的永 磁无刷直流电机，上海微电机研究所的无刷直流力矩电动机等，但大功率低转速 的无刷直流电动机的研究方面发展不快，还未形成系列产品。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较国际 水平差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平，大约相当于国 外7 0 年代末8 0 年代初的水平，有待进一步的研究开发。 1 3 永磁无刷直流电机发展趋势 永磁无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，主要由电动机本体、位 置传感器和电子开关线路组成，它的发展与永磁材料、电力电子技术、计算机控 制技术和检测技术的发展密切相关。而这些技术作为极具发展潜力的新兴技术， 必将在新技术蓬勃发展的2 1 世纪，获得更快、更大的发展，为永磁无刷直流电机 技术的高速发展提供不竭的动力。 ( 1 ) 高性能永磁材料的发展 与传统交、直流电动机相比，永磁无刷直流电动机的结构特点之一就是转子 磁极是由永磁材料组成，因此，永磁材料性能的优劣将自接影响到永磁电动机的 磁路尺寸、电动机本体体积、成本及其功能指标和运行特性等，可以说：永磁材 料技术是永磁无刷直流电动机最为重要的物质基础和支撑技术之一。自q ( ) 年代以 后，钱铁硼永磁材料得到了大范围的应用，在己制成的永磁无刷直流电机转子永 磁材料中几乎占据了一半以上，从而为高性能永磁无刷直流电动机的大量诞生奠 定了坚实的物质基础；同时，随着微电机制造工艺技术尤其是微细加上技术的快 速发展，在减少电动机本体制造成本及抑制齿槽转矩脉动上取得了令人可喜的成 果”。1 。今后，随着作为2 l 世纪新兴技术之一的“新材料技术”的蓬勃发展，必 将进一步加快永磁材料上业发展的速度，一些更高性价比的永磁材料也将相继问 世，从而进一步推动永磁无刷自流电动机朝着高性能，多品种化方向发展，同时 也将使得中、大容量永磁无刷直流电动机进入大范围实用化阶段，从而大大扩展 永磁无刷直流电动机的应用领域。 ( 2 ) 电力电子技术的发展 电力电子器件是现代永磁无刷直流电机发展的支柱，自接决定和影响永磁无 刷直流电机的发展。永磁无刷直流电机本身就是采用大功率电子开关元件组成的 逆变器供电的永磁同步电动机，可以说，除了永磁材料技术外，电力电子技术是 永磁无刷直流电动机发展最为重要的支撑技术之一，其中大功率半导体器件的发 展严重制约着永磁无刷直流电动机的发展水平。 电力电子技术自2 0 世纪5 0 年代后期诞生以来，发展速度很快，其主功率器 件经历了从最初的晶闸管- - g t r m o s f e t i g b t ，从而使永磁无刷直流电动机具 有更大的容量和更高的过载能力。特别是7 0 年代后期，各种高速全控型器件先后 问世，使电力电子技术朝着全控化、集成化、高频化和多功能化方向发展，为逆 变器实现智能化、高频化和小型化等创造了条件。在p w m 技术中采用功率场效应 晶体管( m o s f e l ) 和绝缘栅双极性晶体( i g b t ) ，开关频率，可达1 0 k h z 以上，电磁 噪声和电流波形都得到了改善。这些为永磁无刷直流电动机的驱动电路性能的提 高开辟了道路。电力电子技术作为一门极具发展潜力的新兴技术，相信在2 1 世纪 必将获得更快更大的发展，从而为永磁无刷直流电动机技术的高速发展提供强大 的动力。 ( 3 ) 计算机及其控制技术的发展 微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为永磁无刷 直流电机系统的成功应用提供了重要的技术手段和保证。微机控制技术微型计算 机自2 0 世纪6 0 年代后期诞生以来，发展速度迅猛，其应用领域几乎成几何级数增 长，如今已成功进入国民经济及社会发展的各个领域，电机控制也不例外。永磁 无刷直流电动机性能的改善和提高，除了与电动机本体及电子驱动电路有关外， 更与其控制器密切相关。自2 0 世纪8 ( ) 年代以来随着微型计算机技术、控制技术、 控制理论等的飞速发展，人们从提高控制器性能这条途径来提高永磁无刷直流电 动机的性能，并取得了一些可喜的成果“”。特别是进a 9 0 年代以后，高速微 处理器和d s p 器件的出现，保证了无刷直流电动机性能的快速提高。此外先进的 控制方法例如滑模控制、变结构控制、模糊控制和专家控制等被相继引入无刷电 机控制器，从而推动着永磁无刷直流电动机朝着高智能化、柔性化、全数字化方 6 向发展，为其进入数字化时代开辟了新纪元。 ( 4 ) 转子检测技术的发展 永磁无刷直流电动机必须通过转子位置信号实现电子换向逻辑，准确检测转 子位置，并根据转子位置准确切换功率器件来实现换向过程，是控制无刷直流电 机正常运行的关键。永磁无刷直流电动机的转子磁极位置检测有直接位置检测 ( 有位置传感器) 和间接位置检测( 无位置传感器) 两种方法。早期大都采用直接位 置检测法，在转子上安装位置传感器来实现对转子位置的实时检测，常用的位置 传感器有霍尔元件式、增量式编码器、绝对值光电编码器和旋转变压器等，这种 是最直接有效的方法。但是安装一套复杂的位置传感器，这对电机的可靠性、制 造工艺要求等带来不利的影响。另外，随着电动机尺寸的缩小，控制精度要求的 提高，使用霍尔元件的弊端日渐明显，如传感器信号线较多，易引入干扰：易受 环境限制，降低传感器的可靠性与灵敏度，直接影响电机运行性能。去掉位置检 测元件，采用无位置传感器的无刷直流电机控制方法成为目前研究的热点，与之 对应出现了许多实用方案。其中最简单的一种是根据永磁无刷直流电动机本体， 通过辩识的方法实现转子磁极位置的间接测量，即利用检测定子绕组的感应电动 势过零点间接获得转子磁极位置，故称间接法。与直接法相比，它省去了位置传 感器，从而简化了电动机本体结构的复杂性，特别适合于小尺寸、小容量永磁无 刷自流电动机。由于反电势大小和电机的转速成正比，因而在起动和低速运行时， 必须采取其他方法。通常是按他控式同步电动机的运行状态从静止开始加速，至 转速足够大，再切换至无刷直流电动机运行状态。但外同步运行的成功与否和负 载的大小、形式自接相关，如负载的惯性很大，则对外同步的频率控制显得尤为 困难。同时无传感器位置检测也难以满足精度和实时性的要求，2 0 世纪8 0 年代以 后，随着微机技术的快速发展，使得无转子磁极位置传感器的永磁电机进入实用 化阶段。随着检测技术的进一步发展，更为先进的速度及转子位置辩识方法 必将推动无传感器永磁无刷直流电动机走向实用化。 1 4 课题意义及本文的主要工作 2 ( ) 多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子 技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。但是国内的 研究和国外相比还有较大的差距，研究上作也主要集中在一些科研院所和高等院 校，相关理论和实践相结合的程度还比较低。因此结合目前国内外的最新研究成 果，从工程实践出发，研究设计实用的永磁无刷直流电机控制系统，对国内的永 磁无刷直流电机的研究能够起到一定的借鉴作用。 本文从无刷直流电机电机无位置传感器的控制难点出发，逐步深入的解决问 题。主要任务如下： 1 ：研究无刷直流电机无位置传感器的位置检测问题。 2 ：研究无刷直流电机无位置传感器的起动问题。 3 ：研究基于d s p 无刷直流电机的软硬件设计问题。 4 ：利用m a t l a b 实现对控制系统的仿真。 1 5 小结 本章主要介绍永磁无刷直流电机的特点及其应用，综合分析无刷直流电机 的发展以及研究现状，预测今后的发展趋势。然后对课题的意义以及本文的主要 工作进行说明。 第二章无刷直流电机的无位置传感器磁极位置检测 2 1 引言 位置传感器在无刷直流电动机控制中起着测定转子磁极位置的作用。取消位 置传感器后，就必须在电机中找到一个能够反映电机转子磁极的信号。无刷直流 电机的反电动势波形是一个很好的检测电机转子磁极位置的信号。反电动势波形 严格地反映无刷直流电机转子磁极的位置。因此，检测电机反电动势波形以确定 电机转子磁极的位置是目前比较常用的方法，也称为“反电动势法”。下面 将对此方法加以介绍。 2 2 反电动势过零点检测方法 具有梯形反电动势波形的三相无刷直流电机主电路原理图如图2 l 所示， u 。，u 。是各相输出端对u 负极的电压。设系统采用二二导通、三相六状 态的1 2 0 0 导通方式，调速时各桥臂上管采用p w m 调制电机的输人电压，下管恒通， 调制策略如图2 2 所示，其中疋+ ，瓦一，瓦+ ，瓦一，r + ，r 一分别为a ，b ，c 三相 桥上、下桥臂控制电压。 图2 一l 无刷直流电机的等效电路及主电路原理圈 n u n 6 - 11 - 22 - 33 _ 44 55 - 6 m 旧衄1 1 1 1 1 1 1 1 t 【 l m m 0 | 】i | | 娅叫0 8 咖| 0 1 圈2 - - 2 二= 导通上臂p 麟调制方式不惹幽 电机三相电压平衡方程为：虬= 尉。+ 鲁+ e 。+ u w ( n _ 1 ) 蜘尉警w 一州“ 2 ) u 划哮w 。州w ( 2 _ 3 ) 在这种导通方式下，每6 0o 电角度内只有两相导通在图2 2 6 一l 扇区内， 相和b 相导通，且a + ，b 一，则电流回路如图23 所示这时a ，b 两相电流大小相等 方向相反，c 相电流为零，则( 2 - 3 ) 式可简化为： u 。= e 。+ u 。 ( 2 4 )或 e ，= u ，一u 。( 2 5 ) 图2 - - 36 - 1 扇区内电流回路图 由于f ，= - i 。，e 。= 一，将( 2 一1 ) 式和( 2 - - 2 ) 式相加得中性点电压为 u 。：昙( u 。+ ) ( 2 6 ) 再将( 2 6 ) 代入( 2 5j 式得c 相反电动势过零检测方程为 1 p 。= u 。一考( u 。+ u 。) ( 2 - - 7 ) n u n 同理，a 相和b 相反电动势过零检测方程为 1 p 。= u 。一去( u + u 。) ( 2 - - 8 ) 1 = u 一去( u 。+ u 。) ( 2 - - 9 ) 由于系统采用p w m 调制方式，所以实际应用中将端电压u 。分压后，经过滤 波得到检测信号u 。、u 。、u 。，检测电路如图24 所示，此时检测电路的( ) 点与 u 。负极相连因此 圈2 - - 4 垂十嚼黾地田反咀动秀植翮黾蟠 式( 27 ) 、( 2 - 8 ) 和( 29 ) 转化为 p 。，：u 。，一；( u 。+ u 。) ( 2 1 0 ) e a o ：u 。，一三( u 。+ u ) ( 2 1 1 ) p 。，= u 。一三( u 。+ u 。，) ( 2 1 2 ) 其札，地，卢a a = 彘 如图2 5 所示，若将o 点与u ，负极断开，根据对称性原理，此时( ) 点电压 u 。“u 。，因此检测电路的输人电压为相电压按电机三相相电压建立方程为 u 。= 尺f 。+ 百d i + p 。( 21 3 ) 图2 5 基于相电压的反电动势检测电路 u = r + l d i ，, + e ( 21 4 ) “f 己，= 月i 。+ ! + p 。 ( 21 5 ) “f 按上述同样方法整理得电机反电动势过零点检测方程为 e 。= u 。，e 。= u 。p h ，= u ( 2 一1 6 ) 由式( 2 1 6 ) 可知，这种算法中不包含电机中性点电压。 根据上述结论检测到反电动势过零点后，再延迟3 0 0 电角度即为无刷直流电 机换相点。换相原理示意图如图2 5 所示，相应的功率开关切换顺序如表2 一l 所示。 八m 3。 穗 。，夕 p m 。 ； n 5 ： ，。 、i s o o1 2 0 0 1 8 0 02 4 0 03 d o o3 6 0 0 图2 6 延迟3 0 0 换相原理示意图 p： _ 煮晰m 薪高一1式 一 孓1 i 孓1 i 过零点 延时角度 换相点 切换开关 m 1 3 0 0 n 1v 6 v z m 23 0 0 n 2 v 1 一 、 -v 3 m 3 a o on 3v ， v 4 m 4 a o o n 4v 3 - v s m sa o on 5 v4-v 6 m s a o o n 6v 6 一一v 1 表2 一l 功率开关切换顺序表 2 3 反电动势过零检测中的相位移及其修正 实际的位置检测信号是经过阻容滤波后得到的，其零点必然会产生相移， 使位置检测不准确，这是缺点。应用中必须进行适当的相位修正“。 根据图25 ，很容易算出检测电路产生的相位移输入输出电压比。如下： 一u o ： 墨! ( 2 - - 1 7 、 u ，( r i + 月2 + j 2 h r l r 2 c 1 ) 其中：u ，为输入相的端电压：u 。为经过分压和低通滤波后相的端电压：，为 反电动势频率。 相角位移为： 口：2i嘎rir2ci(2-1arctan8 )口= ( zhj r 】r 2 e a e b e c 尘! 二 1 、。 一一一一 一 一一i l l 一一一 e a 十 ， i j卜 卜 1 ri _ t t t _ _ t = 丁一t _ 一 印i _ _ _ f 斗+ 斗一一 一 e c r l i 卜j 广一一厂t = = ：了= 二一二_ r j t _t _ i 。 ( a ) l 一一 、一 一， i m 一一7 l l 一一7 而 一- 一 1 一 一一 ；一 7 一 t _ + a + 6 卜l ，iii i - 一 l ii 一，r ii 、 一 ji 。前 iii ! t 1 9 ii一i 1 ( b ) 图2 - 7 反电动势相位延迟图 ( 1 ) 当当0 0 旺3 0 0 时 如图2 7 a 所示，此时反电动势过零点从m 点移n m 点，检测到反电动势过零 后，相位延迟角丫应调整为3 , = 3 0 - - a ，即再延迟y 角进行换相。 ( 2 ) 当3 0 0 a 6 0 0 时 如图2 7 b 所示，此时检测电路中的反电动势过零点m 已经移相到换相点n 点或其右侧，这样就不能再检测m 点来换相。为保证准确换相，必须直接检测 出换相点1 3 点。从图中分析可知，能够检n n 点的区域为6 ，在此区间内，对原来的 算法进行修正，如图2 - 7 b 所示，即让e 。等于零时为换相点n 。下面推导修正后的 算法。 假设直流无刷电动机的运行角频率为，则在1 2 0 0 导通区间内，本相电枢反 电动势大小为 e = k o ) ( k 为电机常数)( 2 一1 9 ) 又尘苎：趔( 22 0 ) 3 0 七。m 所以 峨如非k 悔川( n _ 2 1 ) 其中风为反电动势修正偏移量，x = a ，b ，c ，故有 。 。= k ( 虽 一 或。n = 一足 ( 蠹 一， 甜c z z z ， 相应的( 2 1 0 ) ，( 2 11 ) ，( 2 - - 1 2 ) 式修正为： p 。= u 。，一言( u 。，+ u ，) + 丝。 ( 2 - 2 3 ) p 。= u 。，一( u m + u 。) + a e 。 ( 2 - 2 4 ) z 1 p 加= u h 。一( u 。，+ u 。，) + e m ( 22 5 ) z 实际应用中合理地设计反电动势检测电路，使其相角位移在整个调速运行频 率范围内不超过6 0 0 。根据位置检侧很容易计算出电机当前运行角频率出，再计 算出相移角口的大小，便能按式( 2 2 3 ) 、式( 2 2 4 ) 、式( 2 2 5 ) 计算换相点， 进行正确换相。 2 4 反电动势过零点检测算法的实现 2 4 1 软件实现方法 无位置传感器无刷直流电机反电动势过零点检测的算法一般有两种实现的 方法：一种是软件实现，另一种为硬件实现。软件实现方法是将电机转子位置检 测信号u 。，、【，。和u ，。输人控制芯片的三路a d 转换接1 ：3 ( 如图2 8 所示) ，根据上 述推导的公式计算反电动势过零点。 图2 8 反电动势过零检测软件实现方法示意图 2 4 2 硬件实现方法 反电动势过零点硬件检测电路示意图如图2 9 所示由图2 4 或图2 5 所示电 路检测到的三相检测信号v 。、。和u 。，分别与参考信号u 。通过比较器进行比 较，则在比较器输出端得到周期为t 。= l f ，占空比为d = 5 0 ，且相位互差1 2 0 ”的 三相反电动势过零点信号u 。、u 。和 ，。其中，c 为当前反电动势运行频率。 图2 9 反电动势过零点硬件检潮示意图 比较器输出波形的每一次翻转对应着相应的反电动势过零点。c p u 检测反电 动势过零点信号的翻转，并判断翻转时刻三路输人信号的状态，根据电机当前运 行频率计算出过零检测电路造成的相移，进行换相控制。 2 5 小结： 本章首先阐述了无位置传感器无刷直流电机检测反电动势过零点的控制原 理，推导了两种检测信号下的反电动势过零点算法，同时文中给出了软件和硬件 两种实现方法。 第三章无位置传感器无刷直流电动机的起动技术 反电动势过零点检测法是目前最成熟，实现最简单，应用最广泛的转子位置 检测方法。本文的控制系统将采用这种方法作为非低速时的转子位置检测法，但 该技术的缺点是静止或低速时反电动势信号为零或很小，难以得到有效的转子位 置信号，本章将对此问题加以分析解决。 3 1 常规三段式起动技术 三段式起动技术通常是按他控式同步电动机的运行状态从静止开始加速，直 至转速足够大，然后再切换至无刷直流电机运行状态。这个过程称为三段式起动 技术，它包括转予定位、加速和运行状态切换三个阶段。 3 1 1 定位与加速 电机转子静止时的初始位置决定了逆变器第一次应触发哪两个功率器件。可 先把逆变器的某两相导通并控制电机电流，经过一定时间后使转子转到一个须知 的位置。这个过程称为定位。之后电机加速，在加速过程的第一个逆变状态期间， 电机定子磁势与转子直轴的夹角应小于1 8 0 0 电角度，转子才能按期望的方向旋 转。仿真研究表明”：该夹角在6 0 0 一1 8 0 0 电角度范围内取不同值，对后续的 整个加速过程影响很小。加速时，处理器按序改变三相同步信号的组合状态，并 且各组合状态所保持的时间逐渐缩短，同时通过p w m 控制逐渐提高电机外旌电压， 那么在电机不失步的前提下转子转速也逐渐提高。信号发生器预先设定和要求的 转子转速理想变化规律称为加速曲线。 设激磁电势信号超前同步信号的相位角为母。在每一个逆变状态，电机转子 直轴滞后定予磁势的电角度在( 1 2 0 一平) 到( 6 0 一【p ) 之间变化，换言之，转子磁势 平均位置滞后定子磁势( 9 0 一【p ) 电角度。定、转子磁势相互作用产生的电磁转矩是 关于币的函数。如果不考虑磁阻转矩，那么当中= 0 时平均电磁转矩最大：当( p o 时， 母的绝对值越大，平均电磁转矩越小。 若母 ( ) 时他控式同步电动机的运行是稳定的。另一方面，如果不考虑 铁心饱和影响，则当q = o 时可认为定子磁势在宏观上对转子不表现去磁或增磁作 用但是当母o 时，定子磁势在宏观上具有去磁或增磁的作用，并且该作用的强 弱不仅与母的绝对值有关，而且正比于定子电枢电流。所以，他控式同步电动机 在运行特性上类似于一台复励式直流电动机。当中甲 o 时类似积复励。差复励可能导致电机运行不稳定、失步。而积复励电机起动转矩 大、运行稳定，性能优越。受加速曲线、外施电压( 如逆变器直流侧电压) 、电机 参数、负载大小以及转动惯量等诸多因素的影响。以上分析表明，只要电机能以 他控式同步电动机状态起动并加速到其一预定转速，那么必定( p o 。由于转子磁 势位置与激磁电势信号对应，而定子磁势与同步信号对应，并假定端电压检测器 中的无源滤波器的相移角在有效频率范围内恒为9 0 ”，那么激磁电势信号超前同 步信号的相位角正是( p ，由于c p 角的存在，这时如果直接用激磁电势信号代替同 步信号来确定变时序( 即直接将电机从他控式同步电动机状态切换到无刷电机状 态) ，则转矩与转速不平稳，甚至可能失步。有关实验证实了这种现象的存在， 但国内外文献均未对此做深入研究