（电机与电器专业论文）基于专用芯片的高压无刷直流电机控制器研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t 刚托t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c sa n dt h ew i d ea p p l i c a t i o no f b r u s h l e s s d cm o t o ri na i r c r a f t , a u t o m o b i l ep o w e rs y s t e m ，h o m ea p p l i a n c e sa n de t c ，t h e a p p l i c a t i o no fh i 【班v o l t a g eb r u s h l e s sd cm o t o rh a sb e e ng e t t i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n i th a sb e e nav e r yi m p o r t a n tp a r to ft h ea i r c r a f ta n da u t o m o b i l ep o w e r s y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e d o n ac o n t r o ls y s t e mo f h i g hv o l t a g eb r n s h l e s sd c m o t o rb a s e do ns p e c i a li n t e g r a t e dc i r e n i t s a tf i r s t ，b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fl o wv o l t a g eb r u s h l e s sd cm o t o ra n di t s m a t u r e dc o n t r o lm e t h o d s ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no ft h eb r u s h l e s sd cm o t o r c o n t r o l l e rw i t ht h ec o r eo fi r 2 1 3 0a n dm c 3 3 0 3 5 ，w h i c hh a sa p p l i e di nl o wv o l t a g e b l d c m w i d e l y t h em a i ns t r u c t u r ea b o u tt h i ss y s t e mh a sb e e np r e s e n t e da n da s e r i e s o ft h e o r e t i ca n a l y s i sh a sb e e nd o n ea r o u n dt h ee l e c t i o na n dp r o t e c t i o no ft h ei g b t t h e n , t h i sp a p e rd e s i g n st h ec i r c u i t sa r o u n dt h ec o n t r o l c h i pa n dt h ed r i v e c h i p ，i t m a k e sm ea c c u m u l a t i n gs o m ee x p e r i e n c ea b o u tt h ea p p l i c a t i o n so ft h ec o r r e l a t i v e c h i p s a tl a s t ，t h ew h o l eh a r d w a r es y s t e mi sa p p l i e di na ne x i s t i n gb l d c m ，t h e w a v e so fd i f f e r e n tl o a d sa t er e c o r d e da n da n a l y z e d b e s i d e s ，t h es t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a t h e m a t i c sm o d e lo ft h em o t o ra n dt h e c o n t r o l l i n gs y s t e ma r eg i v e nb yt h eb a s i cs t r u c t u r ea n do p e r a t i o np f i n c i p l e ，t h ep a p e r s h o w st h es i m u l a t i o ne x a m p l e sa b o u ti n a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( i p f c ) t h e t e s tw a v e f o n n sa r es h o w na n dd e m o n s t r a t et h ec o r r e c t n e s so f t h et h e o r e t i c a ls t u d ya n d d i g i t a ls i m u l a t i o n b a s e do nt h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n dt h ep r a c t i c i n ge x p e r i m e n t s ，t h er e s e a r c hw o r k i nt h i sp a p e ra p p r o v e st h ec o n t r o l l i n gs y s t e m sv a l i d i t y k e yw o r d s i - i v - b r n s h l e s sd cm o t o rs p e c i a li n t e g r a t e dc i r c u i t s “c3 3 0 3 5 、 i r 2 1 3 0s i m u l i n k s y s t e md e s i g n 东南大学学位论文独创性声明 本人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取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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了谢意。 签名：牝日期：牝 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆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。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阕，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：鎏途 导师签名： 东南大学硕士学位论文 0 1 课题背景 0 1 1 选用无刷直流电机的理由 绪论 众所周知。电动机作为机电能量转换装置，其应用已经遍及国民经济各个领域以及人们 的日常生活。从机电能量转换效率和电动机的调速性能等方面考虑，长期以来有刷直流电动 机以其调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程中。因此，2 0 世纪8 0 年代 以前，在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。 近几年来，随着微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率半导体器件 的快速发展。交流电动机变频调速性能的提高，有刷直流电机结构上的缺陷日益显露。由于 高磁能永磁材料( 钕铁硼等) 的问世，无刷直流电机( b l d c m ) 以其结构简单( 转子上安 装永磁体产生主磁场，电枢绕组安装在定子上) 、运行可靠、工作效率高、调速性能好等优 点，已成为近来电机发展的热点。 无刷直流电机的特点主要有以下几个方面【i 】： 1 电机损耗小这是由于取消了电刷，并采用电子换向代替机械换向，消除了电机的 摩擦损耗和电损耗；同时转子上没有了励磁绕组，消除了电损耗；励磁磁场恒定。不会在转 子上产生铁耗。 2 电机体积小，重量轻。对于异步电动机，由于其转子是由带齿、槽的铁芯构成，槽 中用来安装感应绕组，通过感应生成电流，产生转矩，所以转子的外径不能太小；而有刷直 流电机，电枢绕组放在转子上，也无法将外径减小，同时机械换向器的存在也限制了外径的 减小；而无刷直流电机的电枢绕组在定子上，因而转子外径可以相对较小。 3 电机发热小。这是由于电机的损耗小，同时电机的电枢绕组在定子上，直接和机壳 相连，因此散热条件好，热传导系数大 4 效率高。无刷直流电机应用范围广，功率范围大，替代的电动机种类不同，但是效 率都有不同程度的提高。 5 噪声降低，无线电干扰减小。 6 可靠性高，寿命长。电刷的去除，消除了电动机故障的主要根源，加上采用电子换 向替代机械换向，电机发热量的降低使电动机的可靠性明显提高，寿命延长。 此外，最重要的一点莫过于无刷直流电机的调速性能了。无刷直流电机调速性能好，当 电磁力矩( 或负载力矩) 一定时，无刷直流电机的转速g 随电压u 的变化关系g = ，( u ) ， 东南大学硕士学位论文 称为无刷直流电机的调节特性。在电磁力矩( 或负载力矩) 恒定时，转速n 随电枢电压的升 高而线性增加：在不同的电磁力矩下，可得到一组平行的调节特性曲线，曲线的斜率与磁通 量妒、电枢绕组的导体根数、磁极对数p 、电枢绕组的并联支路对数口有关，对于某一 种无刷直流电机来说，可以认为这些参数都是常数。无刷直流电机可以实现无级调速1 4 1 ”。 而普通的单相异步电机，根据交流电机的同步转速表达式仇= 6 0 ，j p 以及异步电机转 差率的定义s = ( 仇一功n l ，可知异步电机的转速为”= 甩。( 1 - s ) = 6 0 + f + ( 1 一s ) p 因 此异步电机的调速方法可以有改变转差率，改变磁极对数以及变频三种。由于变频调速在调 速时转差功率不变，在各种异步电机调速系统中效率最高，同时性能也最好，因此目前异步 电机的调速广泛采用变频调速方式【2 】f ” 但是单相交流电动机应用变频器调速存在一些问题： 1 单相电动机电容耐高频问题。单相电动机的运行电容是将副绕组的相位提前于主绕 组9 0 0 ，以便使电动机形成“圆型”旋转磁场，使电动机正常运行。应用变频器后有较高的 高频载波，一般高频载波为3 - 1 5 k h z ，而运行电容一般只能耐几百赫兹，因此高频载波会损 坏电动机运行电容，电容会发热甚至爆炸。 2 单相电动机电容会损坏变频调速器问题。单相电动机的电容应用变频器后具有对电 源的吸收与释放功能。这可能将变频器波形的“死区”堵塞，造成上下桥路的公共导通，即 短路，造成变频器保护或烧毁功率器件。 3 单相交流电动机的一致性差问题。单相电动机种类和规格多，应用变频器时遇到的 问题离散性大。即某种变频器对某类单相电动机适用，可能对另一类却不适用。 4 电机的效率低。在进行调速时，转差率随着转速的下降而加大，转子损耗增加，电 机的效率下降。 综上所述，与传统的单相异步电机相比，由于无刷直流电机结构简单、运行可靠、质量 轻、损耗少、效率高，电机形状尺寸可以灵活多样，如上可以无级调速，因此本课题选用无 刷直流电机。 表l 是单相异步电动机、有刷直流电动机，无刷直流电动机三种电动机的性能比较。 2 东南大学硕士学位论文 表13 种电动机的性能比较 性能 单相异步电动机i 有刷直流电动机无刷直流电动机 机械特性软 i ： 硬硬 过载能力小 i 大 i 大 调速性能难l易易 运行平稳性较好较好 好 噪声较小大小 电磁干扰小严重小 维修性易 难 易 寿命长短长 体积大较小小 效率低 高高 成本低较高较高 0 1 2 高压无刷直流电机控制技术现状 本课题无刷直流电机的电源是采用2 2 0 v a c 经整流后得到3 0 0 v d c 目前，无刷直流电机控制大体分为两种方式，即带位置传感器方式和无位置传感器方式。 带位置传感器控制方式，是指在无刷直流电动机定子上安装位置传感器来检测转予在运转过 程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信 息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换相， 在空间形成旋转磁场，驱动转子旋转。所用的位置传感器有电磁式位置传感器( 如磁 旋转变压器) 、光电式位置传感器( 如遮光板) 、磁敏式位置传感器( 如霍尔位置传感器) 等。 霍尔位置传感器具有体积小、简单可靠、安装灵活方便、易于实现机电一体化等优点，是目 前应用最为广泛的位置传感器一j 。无位置传感器控制方式一般指的是无机械位置传感器， 即不直接在无刷直流电动机的定子上安装位置传感器来检测转子位置，可是在电机运转过程 中，对电机进行换相的转子位置信号检测还是需要的。所以无位置传感器无刷直流电机控制 研究的核心是设计转子位置信号检测电路，从硬件和软件两方面来间接获得可靠的转子位置 信号。目前提出的检测方法，大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量进行转子 位置的估算以获取位置信号，其中较为成熟的有反电势法、定予三次谐波法、电流通路检测 法、电感法、状态观测法等，应用最广泛的是反电动势法f 6 】f 7 】【s 】。 东南大学硕士学位论文 无刷直流电机控制技术的发展跟电力电子技术、微处理器技术以及控制理论的发展是紧 密相关的，它们对无刷直流电机的控制有着直接的影响。 近年来，一方面，电力电子技术进步很大，功率半导体器件容量增大、开关速度提高， 这些进步极大地推动了无刷直流电机的发展。相对来说，电子元器件比较容易做到高电压、 低电流，如功率场效应管，不仅降低了损耗，而且管压降占总线电压的比例也随之下降，可 以有效地提高系统的效率。因此，高压、低电流应该是无刷直流电机的发展方向1 6 。另一 方面，微处理器技术飞速发展，专用控制芯片、高速微处理器和d s p 等器件的出现，大大 简化了无刷直流电机的控制电路，并显著提高了电机的性能。此外，随着控制理论的不断发 展，许多现代控制理论，如p i d 控制、矢量控制、模糊算法、神经元网络和专家系统等， 均被用于和0 直流电机的控制。但是其中有些控制理论还不是很成熟，需要进一步研究。然 而，随着微处理器和数字信号处理器技术的发展和控制理论的不断成熟，这些先进的控制方 法必将会进一步推动无刷直流电机的发展i ，】。 0 2 课题研究的意义 目前，在实际的应用场合中，对于低压无刷直流电机的控制已经比较成熟，但高压无刷 电机的应用还比较少。因此，研究如何控制高压无刷直流电机，使之也能广泛应用于各个领 域，这将具有重大的理论意义和经济价值”1 。 本论文主要研究了基于专用芯片的高压无刷直流电机的控制，采用了开环设计，有过电 流保护电路，并进行了闭环的仿真。 o 3 本论文研究的重点和难点以及各章节的安排 本课题研究的无刷直流电机及其控制装置，其最主要的特点是电机电压为3 0 0 v d c 。因 此如何对功率i g b t 器件进行选型和保护，对控制电路和驱动电路的设计和调试成为整个装 置控制系统部分研究和探讨的一个重要内容。主要的重点和难点如下所述； 第一、高压无刷直流电机会带来一系列问题。从交流2 2 0 v 到直流3 0 0 v 的整流、滤波过程中，电 源的转换效率比较低，再加上电网的波动，会引起整流后的直流电压的波动，从而对电机电 压影响比较大，这将直接影响到电机的运行效率。另外，高压电对控制部分的影响比较大， 一旦某功率器件损坏，会使得高压电直接串入整个控制部分，容易使控制器部分的电子器件 击穿，造成永久性损坏，增加了成本。 第二、由于驱动电路采用i r 2 1 3 0 ，虽然该芯片对高压驱动有诸多优点，但是在实际应用中，i i c 2 1 3 0 的设计还存在些不合理之处：由于i i ；1 2 1 3 0 的故障输出只有个通道，在实际应用中很难 4 东南大学硕士学位论文 判断是过电流还是欠电压故障，特别是在上电过程中，控制电源必然从0 上升至某值，在此 过程中，i r 2 1 3 0 的故障输出端因内部欠压而动作，将此信号作为过电流信号去触发前级保护 电路时，可能会使电路无法启动；由于i r 2 1 3 0 的电流检测输入端直接与主电路连接，很容 易引入干扰而使系统停机或出现故障；由于i r 2 1 3 0 采用不隔离的驱动方式，因此如果 主电路功率器件损坏，高压电将直接串入i r 2 1 3 0 ，引起i r 2 1 3 0 的永久性损坏，严重时 还会将i r 2 1 3 0 的前级电路击穿。必须采取必要的措施，以把损失减到最小【i ”。 第三，本课题采用开环p 咖调制来实现调速。这种方法直接在三相位置信号产生的1 2 0 。导 通逻辑信号上叠加p 嘲信号。通过外部给定p 删的占空比来实现转速变化，硬件实现容 易，成本较低。但是，常规的p w m 调制方式会在换相期间非导通相上引起二极管的续流 现象，从而引起电磁转矩脉动”1 ”】【“】。此外，无刷直流电机是一种电子电机，对抗干 扰的要求比较高，其控制器是强、弱电共存的电路，像本课题采用p w m 调速，调制频 率很容易对控制器其它线路产生干扰，故存在电磁干扰和电磁兼容的问题。 本文针对高压无刷直流电机的控制进行了设计，根据其使用要求，着重提高其效率，各 章节主要内容如下： 1 绪论这一部分主要介绍高压无刷直流电机的概况和本课题研究的意义和背景； 2 第一章简单介绍了高压无刷直流电机控制原理，并建立了高压无刷直流电机控制系 统的仿真模型及仿真结果； 3 第二章主要介绍本控制系统的设计，包括功率i g b t 器件的选择和保护；控制电路 和驱动电路的设计； 4 第三章对交流供电的无刷直流电机存在的问题进行了分析，提供了相应的理论，并 进行了仿真和实验。 5 第四章系统的调试，介绍了系统的整个调试过程，对遇到的问题进行了分析并提出 了解决方案，给出了实验的数据和波形，并进行分析。 6 第五章总结和展望。对全文工作进行了总结，提出了下一步的研究方向和展望。 5 东南大学硕士学位论文第一章高压无刷直流电机控制系统仿真研究 第一章高压无刷直流电机控制系统仿真研究 1 1 高压无刷直流电机及其控制系统基本结构 ! 舫踊 f 峰墼墼l足机 一咚晦雨舣 j li 。矿 ，? 。 图1 - 1 高压无刷直流电机及其控制系统基本结构图 图1 - 1 为一台高压无刷直流电机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，简称b l d c m ) 及其控制系统的 典型结构图。从图中可以看出，高压无刷直流电机控制系统主要由交流整流电路、逆变电路、 电机本体、位置传感器和控制器五部分组成。图中虚线框部分为交流整流电路，一般大功率 时采用三相整流，由于本课题为小功率( 2 0 0 w ) ，故采用单相整流电路。 1 1 1 电机本体 电机本体包括定子和转子两部分。定子绕组采用交流绕组形式，一般为多相绕组( - - 相、 四相、五相不等) ，图1 - 1 中电机定子绕组即为三相。对于方波气隙磁场，当定子绕组采取 集中整距绕组，即每板每相槽数q = l 时，方波磁场在定子绕组中感应的电势为梯形波。对 于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，方波气隙磁感应强度在空间应大于1 2 0 0 电角 度，在定子电枢绕组中感应的梯形波反电势应大于1 2 0 0 电角度。b l d c m 的转子结构有传 统的内转子结构，也有近年来出现的外转子结构、盘式结构和线性结构等新型结构形式。而 且，伴随着新型永磁材料钕铁硼( n d f e b ) 的广泛采用，电机转子的结构越来越多样化，使 b l d c m 朝着大转矩、微型化、高精度等多用途方向发展。本文中所采用的电机正是以钕铁 硼( n d f e b ) 为永磁材料，两相导通星形三相六状态永磁无刷直流电动机。 6 东南大学硕士学位论文第一章高压无刷直流电机控制系统仿真研究 1 1 2 转子位置传感器 在b l d c m 中，位置传感器起着测定转子位置，为逆变器提供正确换相信息的作用。 由于逆变器的导通顺序是与转子转角同步的，因而转子位置传感器与逆变器一起，起着与有 刷直流电机的机械换相器和电刷相类似的作用。位置传感嚣种类较多，特点各异。比较常用 的有电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器等n 6 1 【1 9 】 1 1 3 控制器 控制器包括逆蓟整流器及其驱动、控制电路。逆交灌流器构成方式有三相半桥、三相 全桥等，比较常用的是三相全桥结构。控制、驱动电路则根据电机运行状态和控制要求，发 出相应的驱动信号到逆变器，从而控制电机运行【2 l 】【“。无刷直流电机功率开关电路一般采 用桥式或非桥式驱动，由于三相星型桥式驱动方式，其绕组利用率较高、力矩波动小，因而 被大量采纳脚】本系统中，电机本体的三相绕组为星型联结，逆变桥电路工作在全控桥两 两导通方式m c 3 3 0 3 5 为主控电路，1 r 2 1 3 0 为驱动电路。位置传感器反馈信号经主控电路 译码成6 路驱动输出信号，控制逆变桥电路正常工作。本课题的电机电压，采用2 2 0 v 5 0 h z 市电输入、单相全桥整流、电容滤波后得到3 0 0 v 直流电压 1 2 高压无刷直流电机运行原理 c a ) a - b 相通电( b ) a - c 相通电 图1 - - 2永磁无刷直流电机工作原理示意图 如图1 - - 2 所示，控制电路对转子位置传感器的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制p 张 信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电机各相绕组按一定顺序工作， 在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。下面就两相导通的三相六状态无刷直流电机为例说明其 工作原理【1 6 1 1 ”。 7 擎 、 e 戮，蓼 东南大学硕士学位论文第一章高压无刷直流电机控制系统仿真研究 当转子永磁体转至图l 一2 ( a ) 所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过 控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率管k 、圪( 见图1 一1 ) 导通，即绕组a 、b 通 电，a 进b 出，电枢绕组在空间的合成磁势e ，如图1 - - 2 ( a ) 所示。此时定转子磁场相 互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极一 k w - a 相绕组一 曰相 绕组一 圪管一 电源负极。当转子转过6 0 0 电角度，到达图1 - - 2 ( b ) 位置时，位置传感器输 出信号，经过逻辑变换后使开关管截止，匕导通，此时巧仍然导通。则绕组a 、c 通 电，a 进c 出，屯枢绕组在空间合成磁场如图2 2 ( b ) 中冗。此时定转子磁场相互作用 使转子继续沿顺时针方向转动。电流流经路径为：电源正极一 k 管一 4 相绕组一 c 相绕 组一 匕管一 电源负极，依次类推。当转子继续沿顺时针每转过6 0 0 电角度时，功率开关 管的导通逻辑为巧一 匕一 以匕一 一 巧圪，则转子磁场始终受到定子合 成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。在图l 一2 ( a ) 到( b ) 的6 0 0 电角度范围内，转 子磁场顺时针连续转动，而定子合成磁场在空间保持图1 - - 2 ( a ) 中c 的位置不动，只有 当转子磁场转够6 0 0 电角度达到图1 - - 2 ( b ) 中乃的位置时r 定子合成磁场才从图l 一2 ( a ) 中只位置顺时针跃变至( b ) 中c 的位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场， 而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是6 0 0 电角度。当转子每转过6 0 0 电角度时，逆变器 开关管之问就进行一次换流，定子磁状态就改变一次可见电机有六个磁状态，每一状态都 是两楣导通，每相绕组中流过电流的时间相当于转子旋转1 2 0 0 ，故该逆变器为1 2 0 0 导通型。 两相导通星形六状态无刷直流电机的三相绕组与各个开关管导通顺序的关系如表1 1 所 示。 8 东南大学硕士学位论文第一章高压无刷直流电机控制系统仿真研究 表1 - - 1 绕组和开关导通顺序表 电象庭0 。 6 0 01 2 0 01 8 0 02 4 0 0 3 0 0 0 3 6 0 0 导通岍4占ic 占c占 k 吒 吒 l 巧 l 吒 ll 1 3 高压无刷直流电机控制模型及仿真 1 3 1 高压无刷直流电机的数学模型 由于b l d c m 的感应电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，并且b l d c m 的电感为非线 性，若采用感应电动机等d 、q 变换理论进行分析并不是很有效的方法，因此在分析和仿真 b l i p l 控制系统时，直接采用相变量法，根据转子位置，采用分段线性法表示感应电动势。 在此，为简化仿真模型的建立，作以下的假设2 3 h 2 q ： ( 1 ) 定子绕组为6 0 。相带整距集中绕组，y 型联接； ( 2 ) 忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑的定子内表面； ( 3 ) 转子上没有阻尼绕组，电机无阻尼作用。则根据b l d c m 特性，可建立其电压、 转矩、状态方程以及等效的b l d c 麓电路。 1 电压方程 b l d l - 三相定子电压的平衡方程可以用以下的状态方程表示： 式中：。，地，甜。为三相定子电压；乞，e c 为三相定子的反电动势；，f 。为三相定子相 电流；乞，厶，l c 为三相定子自感；，乞。，厶。，厶。，上k ，三为三相定子绕组之间的互感 见，兄，r 为三相定子绕组的相电阻；d 为微分算子。 9 东南大学硕士学位论文第一章高压无刷直流电机控制系统仿真研究 由电机的结构决定，在3 6 0 0 电角度内，转子的磁阻不随转子位置的变化而变化，并假 定三相绕组对称，则有： l o = l b = t = 厶乞= k = k = k = l 乩d = m ，r o = r b = r c = 墨 ( 1 2 ) 又由于是三相对称的电机，所以+ + t = o ，m ( i t , + t ) = 一m i o ，则式( 卜1 ) 可改写为： 虬 陬 l = lo 0 oop r s 08 0 b 山。+l一0m三!m三0啦ih+圣ec1-3)0 0 lm + l 三一 i 叫l + l 。l ( 1 一 iif 1ip ，l ：t + b w + j d 口，j ( 卜5 ) i = 1 “i m - 代三 。“兰m ，i ； 一 孳吾量 i 一 圣 c - 一e ， 图l - 3 无刷直流电机等效电路图 对电机模型的建立和仿真，其本质是对式( 1 4 ) 和式( 1 6 ) 状态方程的联立以及调用龙格一 库塔函数o d e 4 5 的求解。本文利用s i m u l i m n k 仿真可以避免烦琐的编程过程，把建模过 程图形化，输出结果可视化、直观化。 1 0 东南大学硕士学位论文 第一章高压无刷直流电机控制系统仿真研究 1 3 2b l d o “控制系统仿真模型的建立 实际的b l d c i i 控制系统的结构，一般可分为三个主要部分： ( 1 ) b l d 咧电机本体：包括三相星形连接的定子绕组，转子为永磁磁钢以及转子位置检测 装置( 霍尔传感器) ； ( z ) 逆变器：包括整流回路、滤波回路和功率开关器件，它接收控制器所发送的p 髓控 制信号； ( 3 ) 控制器：般的控制策略为双闭环控制结构，外环为速度环，内环为电流环，根据 给定信号( 电流或转矩) 及反馈信号( 速度和相电流) 进行p i 调节，其输出为硎 控制信号，调节逆变器功率开关器件导通时间的长短，相应的改变了输出到b l i k 瑚 的电压和电流。 本文建立了如下图l - 4 所示的b l d 咧控制系统的仿真模型”h “，各部分的结构和功能分 述如下： 1 b l i ) 0 l 电机模型 由图卜3 所示的等效电路，根据状态方程式( 1 - 6 ) ，通过s i - u l i n k 中的加、减、乘、 除、微分、积分等模块和自编函数搭建电机的模块。如图1 - 5 所示，其中反电动势模块的建 立利用可控的电压源，由输入的相电流进行调节，动态的输出反电动势( e 肝) ，其输出为 q = f u n ( i , ) ，k = 口，b ，c 。反电动势模块的输出为梯形波。 圈1 qb l i ) 饿控制系统仿真模型 东南大学硕士学位论文 第一章高压无刷直流电机控制系统仿真研究 o j i n 图l - 5b l d c m 模块图 2 p 强功能模块 由于b l d c g 控制系统要求的相电流为方波电流，p g g 调制信号只需为等幅、等宽、等距 的信号，则由一个固定频率的三角波。及直流电压信号“，的合成就可以产生所需要的信号。 此p w m 信号就可以方便的控制逆变器的功率开关器件。p w g 信号的产生如图1 - 6 所示： u u c u r 人人人人人人一 。 眦 u i p 唧 厂 r r 厂 厂 厂 1 腑 图l - 6p w 信号产生图 3 换相逻辑单元 b l d c g 控制系统中逆变器的可靠换相是通过b l i ) b 珊内部的转子位置信号进行控制的。当 某一相的反电动势波形达到波峰时，该相所对应的上桥臂功率开关导通，经过1 2 0 0 电角度 后关闭；当反电动势波形到达波谷时，下桥臂的功率开关导通，经过1 2 0 。电角度后关闭 于是，可以利用b l d c i h 的反电动势波形的几个关键时间点作为b l i ) c g 的换相时刻。逆变器各 功率开关的换相逻辑信号如图1 - 7 所示： 东南大学硕士学位论文第一章高压无刷直流电机控制系统仿真研究 i t 1 厂 厂 t 2 厂厂厂 t 3 厂厂厂。 t 4 厂 厂 厂 一 t 5 厂 厂 厂一 t 6 厂 厂 r - t 图1 - - 7 逆变器换相逻辑信号 4 转速测量模块 由( 1 - - 5 ) 得鲁= 一竽+ 孕，可撇如图一s 所示的转黻电臌麟 块。 6 a i n l 图1 - - 8b l d c m 转速掼i 量模块 5 转矩测量模块 由式( 1 - - 4 ) 可得转矩输出的仿真模块，如图1 - 9 所示，三相相电流与相应的反电动势相 乘，求和后与计算出的转速信号相除，得到b l d c m 的电磁转矩 1 3 东南大学硕士学位论文第一章高压无刷直流电机控制系统仿真研究 图l 一9b l d c m 转矩测量模块 6 b l d 叫控制系统控制器的设计 b l d c m 控制系统的控制结构，一般采用双闭环控制，外环为速度环，内环为电流环，不同 的是所采用的控制器算法，在此，仿真系统采用了通用的p i 调节器进行速度和电流的控制。 如图1 - 4 所示，速度给定信号与速度反馈信号比较后，送入速度调节器( p i 控制器) ；速度调 节器的输出与电流反馈信号比较后，送入电流调节器( p i 控制器) ，输出p w m 调制信号，对三角 波进行调节，根据换相逻辑信号，顺序控制功率开关器件的导通，由此可以控制逆变器输出的 电压幅值，相应的就可以控制定子绕组的相电流，从而使逆变器输出的电流跟随给定电流的 变化，且稳态运行时无静差”h “。 7 逆变器 逆变器模块用p s b 提供的3 对i g b t 功率开关器件，并各自反并联续流二极管，构成三相 逆变桥，如图1 - - 1 0 所示。逆变器根据电流调节器所控制的p 删信号，顺序导通和关断，产生 方波电流输出。 图1 1 0 逆变器模块 1 4 东南大学硕士学位论文第一章高压无刷直流电机控制系统仿真研究 i 3 3 仿真试验及结果 b l i ) c m 的参数以实际b l d 凸l 控制系统所用的电机参数为参考：定子绕组电阻e = 6 1 6 0 ， 定子绕组自感= 1 2 7 m h ，互感m = 4 5 6 m h ，转动惯量，= 1 4 k g c m 2 。额定电流 1 = o 8 a ，额定转速盯= 4 0 0 0 r m p ，额定转矩= o 4 4 n j n 。极对数p = 4 。 1 4 0 反l t 0 0 5 电弱 势0 3 5 t “c - ? 0 y 一1 0 5 一1 4 0 茁f 6 丽一0 1 1 0 + 1 1 5 0 1 2 0 1 2 3 0 i 1 3 0 。i 簦也1 4 0 + 1 4 5 1 t ，： 图l 一1 1 电机反电势仿真波形 根据上面建立的电机及控制系统的仿真模型，进行仿真。图卜1 1 给出了电机反电势波 形图。图1 - 1 2 、1 - 1 3 给出了相电流和电磁转矩的仿真波形，其中电磁转矩波形中出现的尖 峰是由于电机换相时产生的，即换相转矩脉动，而中间的凹坑则是由于反电势波形梯形波项 不平引起的。 2 踅- 流o 一l 一2 l l 0 0 ”隅r蕊 + l 事 毒毒蚺 囊，量 一毒 一毒。毒毒。毒 0 5 窀 磁 转0 2 5 矩 了 0 i i 俄i 磊爆0 i i o 。i 蟮0 1 2 0 1 符o 1 3 0 + l 舔o 1 4 0 i + 5 0 + 1 5 n “s 蚓喇嫩 。l l 。毒喜 善。毒。二 。 卜扣争一 _ 专 扣分十一 |；| | iil i 圈l 1 2 相电流仿真波形图l 1 3 电磁转矩仿真波形 为验证所设计的b l d c m 控制系统仿真模型，给定转速聆= 4 0 0 0 r p m ( 阶跃响应) ，空载启 动，在转速达到稳态后，于t = 0 0 5 s 加入负载( 负载突变) ，得到三相定子转速和转矩的响应 曲线，分别如下图卜1 4 和卜1 5 所示。在给定转速4 0 0 0 伊埘的阶跃输入下，系统速度响应如 东南大学硕士学位论文第一章高压无刷直流电机控制系统仿真研究 图卜1 4 所示，由图中可见，系统在很短的时间内就进入了稳态，当负载突变时( f = 0 0 5 s ) 转 速有轻微的波动。系统对负载的扰动有较好的抗干扰性能。系统的转矩响应曲线如图卜1 5 所示，在启动初始阶段，转矩有较大的峰值，这是因为在b l i x x 启动时，b l d c x 的反电动势还没 有来得及建立起来，相电流较大，造成了转矩峰值，在反电动势建立后，转矩迅速下降到稳态 值，并保持较为平滑，转矩脉动很小；当负载突变时，转矩迅速调整到相应的稳态 1 4 小结 n ( r p m ) 厂 l n 毛；乙 7 r | | r ”r f i ，i ； r ； “ | - j ； t s 图1 1 4 给定转速4 0 0 0 r l m ，系统电流响应曲线 图l 一1 5 给定转速4 0 0 0 r 叩，系统转矩相应曲线 本章简单介绍了永磁无刷直流电机的基本构成，并以一三相六状态无刷直流电机为例说 明了无刷直流电机的控制运行原理；在分析无刷直流电机数学模型的基础上，建立了b l d o ( 控制系统的仿真模型，对各部分模块进行了简单的说明；最后利用该模型结合实际电机参数， 进行了控制系统的仿真试验，结果表明该模型的正确性，加快了实际系统设计和调试的进程。 1 6 东南大学硕士学位论文第二章控制系统设计 2 1 被控电机参数 第二章控制系统设计 本控制系统所采用的试验样机是一台医疗搅拌用无刷直流电机，其具体参数如下： 整机电压：2 2 0 v a c 电机电压：3 0 0 v v c 输出功率：2 0 0 w ( 最大转速时) 转速：0 4 0 0 0 r m p 可调 转速误差：5 整机效率：8 0 以上( 包括控制器) 2 2 控制方案选择 一套完整的永磁无刷直流电机系统除了电机本体之外，还必须有良好的控制系统。控制 系统设计的出发点主要是，系统工作稳定可靠、功耗小、寿命长、成本低，为此设计时不但 要抓住问题的主要方面，满足性能指标要求，工作稳定可靠；还要综合考虑诸如功耗、成本 等各种因素，以达到最佳的控制效果。 目前低压无刷直流电机的控制方式一般有两种：一是用电机专用集成芯片进行控制埘； 一是用单片机、d s p 等进行控制。这两种方式各有优点：电机专用集成芯片是纯硬件控制， 无需编写软件，省去了调试程序的麻烦，相对比较稳定，但是对于要经常进行扩展的应用不 适合；而用单片机控制，很容易扩展，但外围电路比较复杂，软件调试困难。 综合考虑本系统的实际情况( 电机电压为3 0 0 v d c 且需要做成产品，要降低成本) ，本文采 用前一种控制方式，即采用模拟电路来实现，由无刷直流电机专用芯片结合功率驱动芯片构 成。由于电机电压为3 0 0 v d c ，因此对系统的驱动电路和逆变电流要求较高，对功率器件的 选择和保护较为苛刻，对控制芯片和驱动芯片的应用也有着特殊的要求，这些都是该控制系 统设计中的重点和难点。 2 3 控制系统整体硬件结构 根据前文所述的无刷直流电机的工作原理，在论述硬件电路的整体结构之前，先给出硬 件系统的整体结构图。如图2 - 1 所示。 1 7 东南大学硕士学位论文第二章控制系统设计 圈2 一l 硬件系统整体结构图 如图2 - 1 所示，在永磁无刷直流电机控制系统中，以m o t o r o l a 公司的无刷直流电机 专用控制芯片m c 3 3 0 3 5 作为整个电路的控制核心芯片，采用美国国际整流公司的i r 2 1 3 0 完成功率逆变器的驱动控制，其只需要一个供电电源就能即可驱动三相桥式逆变电路的6 个功率开关器件，可以使整个驱动电路简单可靠。功率逆变器采用i g b t 管i r f p c 5 0 l c 构 成，虽然其内部都并联了续流二极管，但是实际的续流效果往往并不是很好。因此外接二极 管来续流。以下就从控制电路、驱动电路的设计以及功率器件的选型及保护几个方面进行探 讨。 2 4 三相全桥逆变电路 无刷直流电机功率开关电路一般采用桥式或非桥式驱动，由于三相星型桥式驱动方式， 其绕组利用率较高、力矩波动小，因而被大量采纳。本系统中，电机本体的三相绕组为星型 联结，逆变桥电路工作在全控桥两两导通方式叫【4 8 1 【“。主电路图如图2 - 2 所示。 1 8 东南大学硕士学位论文第二章控制系统设计 图2 2 三相全桥逆变主电路 2 4 1 功率半导体器件的选择 三相逆变桥中的功率管的选择直接关系到控制系统的性能。常用的功率半导体开关元件 主要有：可关断晶闸管g t o 、大功率晶体管g t r 、功率场效应管m o s f e t ，绝缘栅双极性 晶体管i g b t 、场控晶闸管m c t 和功率集成电路p i c 。 g t o 是一种门极可关断的电流控制型高压元件，其性能和普通晶闸管s c r 很相似，但 具有自关断能力，可控制的电流峰值和有效值之比较高，也提供了在过电流情况下的可靠关 断能力，安全系数比较搞。缺点是关断增益低，需要大功率的关断驱动电路和吸收电路，通 态压降高和工作频率低【3 ”。 g t r 也称双极晶体管，允许容量较大，导通压降小，但同样属于电流控制型元件，需 要较大的控制电流，驱动功率大且驱动电路复杂，开关速度低、损耗大3 ”。 m o s f e t 是7 0 年代中期发展起来的电压控制型半导体器件，输入阻抗高，驱动功率小， 驱动电路简单，而且有较高的开关速度，安全工作区宽且过载能力强，易于并联使用。缺点 是额定工作电压低，内阻大，导通压降随漏极电流的增加而线性增加，只适用于高频小功率 场合【3 l j i g b t 是在m o s f e t 和g t r 之间取长补短的p n p n 四层器件，相当于一个用m o s f e t 驱动的双极性晶体管，属于电压控制型元件，它兼有m o s f e t 和g t r 的优点，具有输入 阻抗高、驱动功率小、工作频率高、开关速度快、开关损耗小、安全工作区宽等诸多优点。 m c t 即m o s 栅控制晶闸管，相当于m o s f e t 控制的g t o ，属于电压控制型元件，是 一种大功率、耐压高、快速的全控型电力器件，极有可能在高频大功率领域取代g t o ，但 目前该器件技术尚不够成熟。p i c 是电力电子器件技术与微电子技术结合的产物，它将 1 9 东南大学磺士学位论文第二章控制系统设计 电力电子器件和驱动电路、保护电路、检测电路甚至与微机的接口都集成在一个芯片里，故 称为功率集成电路，也称智能功率集成电路p i c 使得整个装置的可靠性大为提高，而且具 有体积小、材料省、功能多、成本低等优点，使用十分方便。但由于技术限制，目前产品只 能达到低压小功率水平，智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 作为p i c 的过渡产 品，目前得到比较广泛的应用i 。 鉴于i g b t 的诸多优点，同时考虑到电机电压较高的要求，本系统采用了额定电压6 0 0 v ， 最大电流i i a 的i g b t 作为逆变器功率元件i r f p c 5 0 l c 具有低内阻、开关迅速、动态相 应快、工作稳定范围大等优点”】。 o o 0 t v d 8 td r a i n - t o - s o u r c ev o l t a g e v ) 图2 - - 3i r f p c 5 0 l c 正向偏置安全工作区曲线 图2 - 3 所示为i r f p c 5 0 l c 正向偏置的安全工作区曲线。它的四条边界线分别为：i g b t 管漏源通态电阻限制线( 1 ) 、最大漏极电流限制线( 2 ) 、最大功耗限制线( 3 ) 和最大漏源 极耐压限制线( 4 ) 。其中