（电机与电器专业论文）基于dspic的bldcm无位置传感器控制系统研究.pdf

基于d s p i c 的b l d c m 无位置传感器控制系统研究 s t u d y o nb l d c ms e n s o d e s sc o n t r o ls y s t e mb a s e do i ld s p i c a b s t r a c t b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) i sak i n do fe l e c t r o m c c h a n i c a li n t e g r a t i o nm a c h i n e r y ， a n di th a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p i n gi nr e c e my e a r sw i t l lt h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c t e c h n i q u ea n dt h ea p p e a r a n c eo fn e wt y p eo fp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l i tt a k e se l e c t d c a l c o m m u t a t o ri n s t e a do fm e c h a n i c a lc o m m u t a t o r t r a d i t i o n a lb l d c mh a v eas e h s o rw h i c h d e t e c t st h ep o s i t i o l lo ft h er o t o ra n dt h ec o n t r o l l e rr c c e i v e st h er o t o rp o s i t i o ni n f o r m a t i o nb y s 朗t s o r 1 1 峙s e n s o r l e s st e c h n i q u ei nt h i sp a p e rg e t st h er o t o rp o s i t i o ni n f o r m a t i o nb yd e t e c t i n g t h ep h a s e - c u r r e ma n dp h a s e - v o l t a g e u s i n ga t t a c h m e n to fs e n s o r l e s sc o n t r o ln o to n l y o v e r c o m e ss o m ep r o b l e mg e n e r a t e db yt h es e n s o r ，b u ta l s oe x p a n d st h ea p p l i c a t i o nr a n g eo f b r u s h l e s sd cm o o rf u r t h e r w i t hw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s , s e n s o r l e s sc o n t r o li sm o r ea n d m o r en s e f u lt h a ns e n s o rc o n t r o li nm a n ya p p l i c a t i o n s 1 1 i i sp a p e ri n t r o d u c e st r a d i t i o n a lb a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ( b e m f ) m e t h o d , a n dt h e p r i n c i p l eo fb e m fm e t h o di sd i s s e r t a t e di nd e t a i l i na d d i t i o n , t h ez e r o - c r o s s i n go fb e m f s e n s i n gm e t h o di sc o n c r e t e l ys t u d i e di nt h ep a p e r , a n dt h ec i r c m ta b o u ts i m p l ez e r o - e r o s s i n g o fb e m fs e n s i n gi sd e s i g n e d 1 1 1 er e a s o no fr o t o rp o s i t i o ne 觥i nt h ez e r o - c r o s s i n go f b e m fs e n s i n gm e t h o di sa n a l y z e d , a n dt h ec o m p e n s a t i o nm e t h o d sa l - ea l s op r o p o s e di nt h e s o f t w a r ed e s i g n c o n s i d e r i n gb e m fi sn o te a s yt od e t e c tw h e nv o l t a g ei s1 0 w jt h i sp a p e r i n t r o d u c e st h et h r e e - s t e ps t a r tt e c h n i q u ew h i c hi n c l u d i n gt h er o t o rp r e s e t t i n g , a c c e l e r a t i n g a n ds t a t e - c h a n g i n gs t e pi sd i s c u s s e dc a r e f u l l y i nt h i ss y s t e m , t h eb l d c mu s e do ne l e c t r i cb i c y c l ei st a k e na sas a m p l ea n dt h e d s p i c 3 0 f 3 0 11t y p ed i g i t a ls i g n a lc o n t r o l ( d s c ) i sc h o s e n 鹊t h ec o n t r o l l e rc o r e a tt h e s a n a et i m e ，t h eh a r d w a r eo f t h eb l d c mc e n 仃o ls y s t e mw i t hb e m fm e t h o di sd e s i g n e d ，e a c h p a r to f t h i ss y s t e mi si n t r o d u c e dd e e p l y i na d d i t i o n ，t h em e t h o d so f r e d u c i n ge l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea r ea l s oa n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h ea d v a n t a g e so f t h ed s p i c 3 0 f 3 0 1 1 ，t a k i n gf u l l a d v a n t a g eo f r e s o u r c ei nc h i p t h ec o n t r o ls o f t , w a r ei sd e s i g n e d n l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w l a tt h ec o n 订0 1s y s t e mc a nm a k et h em o t o rs t a r ts u c c e s s f u l l y h a t sm o r e ，t 1 1 ec o n t r o ls y s t e m r e a l i z e st h em o t o r sc o r r e c tc o m m u t a t i o na n ds m o o t hr u n n i n g f i n a l l y ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h e s y s t e md e s i g ni sp r o v e di nt h er e s u l t s k e yw o r d s ：b l d c m ；s e n s o r l e s s ；b e m f ：t h r e e s t e p s t a r tt e c h n i q u e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期：竺1 2 ：! ：丝 大连理：l ：大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论 文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大 学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，也可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：彤1 夕轴 导师签名：盘拯 毛 型2 年鱼月日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1电动机调速控制系统技术的发展 随着社会生产力的发展，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围己遍及国民经 济的各个领域及人们的日常生活之中。特别是以电动机为运动源的电动机调速系统，越 来越多地应用于精密自动控制、半导体制造领域，并成为一个不断进步与创新的工业领 域。因此，研究并开发高精度调速系统在技术进步和经济发展上具有重要意义【1 1 。目前 国内外大学和相关的公司投入了大量人力、物力对其进行研究，在上世纪8 0 年代已推 出了一系列商品化的调速控制系统，我国也有很多单位在研究、开发和引进高精度的电 机调速系统的技术、元器件和装备。为进一步提高调速控制系统的性能，以满足不同的 应用场合，现阶段的有关研究工作主要围绕以下几个方面f 2 】： ( 1 ) 采用新型电力电子器件和脉宽调制( p w m ) 控制技术 电力电子器件的不断进步，为电机控制系统的完善提供了物质保证，尤其是新的可 关断器件，如双极结型晶体管( b j t ) 、金属氧化物半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 、 绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 的实用化，使得高频化p w m 技术成为可能。目前电力电 子器件正向高压、大功率、高频化、组合化和智能化方向发展。电力电子器件及其装置 是实现弱电控制强电的关键所在。典型的电力电子变频装置有电流型、电压型和交一交 型三种。其中p w m 电压型变频器在中小功率的调速控制系统占据主导地位。目前已有 采用m o s f e t 和l g b t 的成熟产品，开关频率可达1 5 2 0 k h z ，实现了无噪声驱动。 ( 2 ) 应用矢量控制技术及现代控制理论 上世纪7 0 年代初提出的用矢量变换的方法研究电机的动态过程，不但控制变量的 幅值，同时控制其相位，并利用状态重构和估计的现代控制概念，巧妙地实现了电机磁 通和转矩的重构和解耦控制，从而促进了电机控制系统走向实用化。目前国外用变频电 源供电的电机采用矢量控制技术己成功地应用于调速控制系统中。此外，为解决系统复 杂性和控制精度之问的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制、电压定向 控制和定子磁场定向控制等。 ( 3 ) 无位置传感器( s e n s o f l e s s ) 技术 一般来说，为了满足高性能调速传动的需要，转速闭环控制是必不可少的。为了实 现转速和位置的反馈控制，须用测速发电机或光电码盘( 增量式或绝对式) 来检测反馈 量，对于方波无刷直流电动机控制系统来说，还需要检测磁极位置。但由于速度传感器 的安装带来了系统成本增加、体积增大、可靠性降低、易受工作环境影响等缺陷使得成 基丁二d s p l c 的b l d c m 无位置传感器控制系统研究 本合理、性能良好的无速度传感器传动系统成为近年来的一个研究热点。该技术是在电 机转子和机座上不安装电磁或光电传感器的情况下，利用检测到的电机电压、电流和电 机的数学模型推测出电机转子位置和转速的技术，具有不改造电机和不怕环境影响等优 点。 ( 4 ) 计算机技术广泛应用 随着微电子技术和半导体技术的发展，数字式控制芯片的运算能力和可靠性得到很 大的提高，这使得以单片机为控制核心的全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系 统早已成为可能。计算机的应用主要体现在两个方面，一是控制用微处理器，电机数字 控制系统既可用专门的硬件电路，也可以采用总线形式，如s t d ，v m e 总线等，加上通 用或单片微机模板组成最小目标系统。对高性能运动控制来说，由于控制系统复杂，要 求存储多种数据和快速实时处理大量的信息，可采用微处理器加数字信号处理器的方 案，除实现复杂的控制规律外，还便于故障监视、诊断、保护和人机对话等功能的实现。 计算机的第二个应用就是数字仿真和计算机辅助设计，仿真时如果发现系统性能不理 想，则可用人机对话的方式改变控制器的参数、结构以致控制方式，直到满意为止。这 样得到的参数可直接加到系统上，避免了实际调试的盲目性及发生事故的可能性。 ( 5 ) 新型电动机技术 各种调速控制系统的发展对电机本身也提出了更高的要求，电机设计和建模有了新 的研究内容。目前在小功率运动控制系统中得到重视和广泛应用的是无刷直流电动机， 其物质基础是具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的新型永磁材料( 如 钐钴、钕铁硼) 的问世。另外还出现了许多新型特种电机，如超声波电机、静电电机、 微波电机、开关磁阻电机、步进电机等，这些电机的工作原理都有自己的特殊性。 1 2 无刷直流电动机系统的研究发展状况 永磁无刷直流电动机是随着现代控制理论、电力电子技术、计算机技术、材料科学 和微电子技术等的发展而出现的一种新型电机。它是在有刷直流电动机的基础上发展起 来的，有刷直流电动机具有运行效率高、调速性能好等诸多优点，在相当长的一段时间 里，一直在运动控制领域占据主导地位。但是机械接触的电刷、换相器之间存在机械磨 擦，由此带来了噪声、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，从而大大地限制了它的应用范围。 针对上述传统的有刷直流电动机的缺点。早在上世纪3 0 年代，就有人开始研制以 电子换相代替机械换相的无刷直流电动机，并取得了一定成果。但由于当时大功率电力 大连理t 大学硕士学位论文 电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换相元器件，使得这种电动机只能 停留在实验室研究阶段，而无法推广使用。1 9 5 5 年，美国的d h a r r i s o n 等人首次申请 了用晶体管换相线路换相代替有刷电动机机械电刷换相的专利，这就是现代无刷直流电 动机的雏形【3 】。 无刷直流电动机系统按其反电势的波形和绕组电流的波形可分为两大类：方波无刷 直流电动机系统和正弦波无刷直流电动机系统。 方波无刷直流电动机系统，国际上习惯称之为b r u s l d e s sd i r e c tc u r r e n t m o t o r ( b l d c m ) 系统，它是无刷直流电动机系统的最初形式。上世纪6 0 年代末至7 0 年 代初，方波无刷直流电动机系统一般采用光敏元件和遮光板作位置传感器，采用三相半 桥1 2 0 。导通驱动方式。由于受功率开关器件、永磁材料和驱动控制技术发展水平的制约， 这一时期的无刷直流电动机系统并未进入实用阶段。 正弦波无刷直流电动机系统是在永磁同步电动机的基础上演变过来的。最初，人们 利用永磁体代替同步电动机的励磁线圈和滑环，研制出永磁同步电动机。为了能够自启 动，常在转子表面附加一个鼠笼或特殊的转子结构和磁滞层，以增加异步转矩。随着变 频技术发展，永磁同步电动机的起动主要靠变频起动，附加鼠笼己没有必要，随之而来 的是永磁同步电动机结构形式的简化。 上世纪9 0 年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼材料的 热稳定性和耐腐蚀性的改善以及电力电子技术的进一步发展，加上对无刷直流电动机研 究和开发的经验的逐步积累，无刷直流电动机技术逐步走向成熟。使无刷直流电动机的 应用、开发进入一个新的阶段，呈现出许多新的特点，主要有以下几个方面： ( 1 ) 无刷直流电动机应用范围开始拓广到高温、高真空度或空间狭小等特殊场合。 ( 2 ) 无刷直流电动机系统发展趋势是将逆变驱动器装入电机内部，使之成为一体， 做到系统总体小型化。 ( 3 ) 无刷直流电动机正朝着微型化和超微型化发展。 ( 4 ) 无刷直流电动机已由传统的三相发展为五相、六相等多相化电机。 ( 5 ) 无刷直流电动机正朝着高转矩、大推力、大功率方向发展。 综上所述，在电机理论和其它相关技术发展的推动下，无刷直流电动机的概念已由 最初特指的具有电子换相的直流电动机发展为泛指一切具有有刷直流电动机外部特征 的电子换相式永磁电动机。无刷直流电动机的发展也得益于电机理论、电力电子技术、 微电子技术、计算机技术、现代控制理论及高性能材料的发展。如今，无刷直流电动机 集特种电机、变流机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成新一代电动伺服系统， 体现着当今应用科学的最新成果，是机电一体化的新技术产物。 基于d s p l c 的b l d c m 无位置传感器控制系统研究 1 3 永磁无刷直流电动机发展趋势 ( 1 ) 进军直流有刷电动机市场 在所有电动机中调速性能最好的是直流电动机，但是由于电刷、换相器的存在，便 产生了一系列不可克服的缺点，前面我们已经提到这些缺点。而无刷直流电动机既有有 刷直流电动机良好的性能，又依靠电子换相，除去了电刷和换相器而降低了成本。因此， 随着无刷直流电动机性能不断提高、价格逐渐下降，原来应用有刷电动机的场合，逐渐 由无刷直流电动机所代替。例如在信息处理系统( 包括计算机等) 和通讯系统，音响、视 像设备以及工业自动化系统中，在要求高性能、高可靠性的运动伺服系统中，现在也采 用了无刷直流电动机的系统。另外，航天、航空、武器装备等的运动控制系统中，也采 用了无刷直流电动机。在医疗设备中，例如牙钻、耳钻、骨钻以及离心分离泵的电机， 原来都是采用有刷直流电动机，目前新一代的设备己经是无刷直流电动机了。 ( 2 ) 进军步进电动机市场 在数字伺服控制之初，步进电动机经历了一个大发展阶段。然而随着技术的发展， 出现了要求伺服系统速度更快、定位更精确、分辨率更高的情况，步进电动机的开环控 制就无法满足了。由于步进电动机固有的特点，即使采用了闭环的步进电动机控制以及 细分技术，也无法实现这些要求。从目前的情况来看，步进电动机的发展正趋于平缓。 例如：在数控机床中，步进电动机系统只是用于低档的数控机床。因此，目前高速度、 高精度、高分辨率、高可靠性的伺服系统都采用闭环的无刷直流电动机系统。 ( 3 ) 进军异步电动机市场 作为微特电机中的异步电动枫主要用于这样几种场合：冷却风扇，家用电器及工业 驱动的变压变频控制电机( 、n 厂、，f ) 。在仪器仪表中采用的小的交流异步电动机风扇，目 前己有很大一部分被结构简单、尺寸紧凑、效率更高的无刷直流电机风扇所代替。在家 用电器方面，过去大多采用异步电动机作为动力，随着人们对家用电器的性能和质量的 要求逐步的提高，对大量应用的电动机也提出了低噪声、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、吸尘器及热水泵等家电中，也出现了逐步采用各种类型的无刷 直流电动机的趋势。这些电机结合新的控制技术、传感技术和电子技术，大大提高了家 用电器的性能，节省了能量，改善了人们的物质生活水平。 大连理j ：大学硕士学位论文 在上世纪8 0 年代和9 0 年代初期，异步电机的变频控制技术得到很大发展和应用， 但是随着电子技术的发展，无刷直流电动机的驱动控制器的价格大大下降，性能更好， 无刷直流电动机控制系统逐渐对原来的异步电机变频控制系统形成很大的冲击。 ( 4 ) 进军电动车辆市场 为了减少燃油车辆造成的污染，电动车辆的研制被称为是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。影响无刷直流 电动机普遍应用的主要是这样两点：价格比较高和控制电路比较复杂。但是随着电子技 术迅速发展、电子元器件大幅度降价和专用集成电路被采用之后，电路相应简化很多、 价格也下降了很多【4 】。 1 4 课题的研究背景和主要内容 本课题以电动自行车用无刷直流电动机为样机，以美国微芯公司( m i c r o c h i p ) 的 d s p i c 3 0 f 3 0 1l 数字信号控制器( d s c ) 为主控制器，结合电机控制理论、电力电子技 术、微处理器及计算机软硬件等技术，采用反电动势过零检测法控制无位置传感器无刷 直流电动机，开发了一套性能较好的控制系统。本课题研究的主要内容有以下几个方面： ( 1 ) 阅读参考了大量文献，了解了永磁无刷直流电动机无位置传感器控制技术的 发展和现状，研究了永磁无刷直流电动机的结构和原理，在分析对比各种无位置传感器 永磁无刷直流电动机转子位置检测方法的基础上，在系统中采用了反电动势过零检测技 术，对其控制原理迸行了深入研究。 ( 2 ) 针对反电动势过零检测技术，结合d s p i c 3 0 f 3 0 11 数字信号控制器( d s c ) 的 特点，设计无位置传感器无刷直流电机控制系统的硬件电路，包括控制电源的设计、反 电势过零点检测电路、驱动电路、逆变电路和保护电路的设计等，在设计中充分考虑了 硬件电路的电磁干扰问题，并采取了有效的抗干扰措施。 ( 3 ) 深入分析了反电动势过零点检测电路中滤波电路产生的相移对转子位置检测 造成的误差，并在软件中给出了补偿办法。 ( 4 ) 针对永磁无刷直流电动机在低转速的情况下，反电动势比较小，不容易检测 这一特点，运用了传统的三段式启动方法。 基丁d s p i c 的b l d c m 无位置传感器控制系统研究 ( 5 ) 用c 语言编制整个系统的控制程序，实现电机的启动、停止、按给定速度运 行、故障保护等功能。 ( 6 ) 调试整个系统的软硬件，结合实验结果，总结全文。 人连理i ：人学硕十学位论文 2永磁无刷直流电动机结构特征及运行原理 2 1永磁无刷直流电动机的结构特征 无刷直流电动机通俗的讲就是没有电刷的直流电动机，主要由电动机本体、位置传 感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有 笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转子由 永久磁钢按一定极对数( 2 1 = 2 4 ) 组成。当定子绕组的某一相通电时，该绕组的电流 与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传 感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定予各相绕组按一定 次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导 通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换相器的换相作用。 因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、 永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”，其原理框图如图2 1 所 不。 图2 1 无刷直流电动机原理结构图 f i g 2 ，1p r i n c i p l ed i a g r a mo f t h eb l d c m 众所周知，一般的永磁式有刷直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在 电动机气隙中产生磁场，其电枢绕组通电后产生电枢反应磁场，由于电刷的换相作用， 使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终相互垂直，从而产生最大转矩而 驱动电动机转子不停地运转。无刷直流电动机为了实现无电刷换相，首先要求把般直 流电动机的电抠绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转予上，这与传统直流永磁电动机的 基t - d s p i c 的b l d c m 无位置传感器控制系统研究 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的各绕组供电，只 能产生固定磁场，它不能与运动中的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，直流无刷电动机除了有由定子和转子组成的电动机 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相装置，使 得直流无刷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9 0 。左右的电角度，这样才能使转子不停的转动起来。 永磁无刷直流电动机电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序 和时间的，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻 辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给直流无刷 电动机定子上的各楣绕组，以便使电动机定子绕组产生持续不断的转矩。而各相绕组导 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 能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关 单元。 永磁无刷直流电动机有着类似于有刷直流电动机的电磁转矩方程，在气隙磁场保持 恒定的假设下，其电磁转矩近似与电枢电流成正比。因此为了控制永磁无刷直流电动机 的转矩与转速只要调节其电枢电流即可。对于普通的直流电动机，可以通过改变加在电 枢上的电压来调节电枢的电流，这也就是所谓的“调压调速”。在直流电动机调速系统 中，既可以利用相控整流调压，也可以利用斩波调压以达到调速的目的。后者即是斩波 调速，又称脉宽调速，是在直流电源电压基本不变的情况下通过电子开关的通断，改变 施加到电机端的直流电压脉冲宽度( 占空比) ，以调节输入到电机的电压平均值。由于永 磁无刷直流电动机已经具备了向电枢绕组分配能量的功率主回路，因此实现永磁无刷直 流电动机的p w m 调速不需要增加功率开关器件上的开销。 通常的永磁无刷直流电动机都配有位置传感器以便检测转子的位置从而保证其自 同步运行。位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位簧的作用，为逻辑开关 电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定 子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点，目前在无刷直流电动机中常用的位置 传感器有电磁式、光电式和磁敏式三大类位置传感器，除了上述三大类位置传感器外， 还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位置传感器，但由于这些元件成本较高、体积较 大、所配线路复杂，因而在一般无刷直流电动机中很少采用。 霍尔位置传感器和电动机本体一样，也是由静止部分和运动部分组成，即位置传感 器定子和位置传感器转子。其转子与电机主转子一同旋转，以指示电机主转子的位置， 大连理工大学硕士学位论文 既可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其他位置上另外安装永磁转子。位置 传感器定子是由若干个霍尔元件按定的间隔、等距离地安装在传感器定子上，以检测 电机转子的位置。图2 2 为霍尔位置传感器的结构示意图。位置传感器的基本功能是在 电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关状态数。也就是说电动机传感器的永磁 转子每转过一对磁极( n 、s 极) 的转角，就要产生出与电机逻辑分配状态相对应的开关 状态数，以完成电动机的一个换流全过程。如果转子充磁的极对数越多，则在3 6 0 0 机械 角度内完成该换流全过程的次数也就越多。 要构成一个霍尔位置传感器必须满足以下两个条件：( a ) 位置传感器在一个电周期 内所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度应相等；( ”位置传感 器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。如果位置传感 器输出的开关状态能满足以上条件，那么总可以通过一定的逻辑变换将位置传感器的开 关状态与电动机的换相状态对应起来，进而完成换相。 茬 图2 2 藿尔位置传感器的结构示意图 f i g 2 2h a l ls e n s o rs t r u c t u r ed i a g r a m 2 2 永磁无刷直流电动机的运行原理 目前，无刷直流电动机的电机本体大多采用三相对称绕组，由于三相绕组既可以是 星形连接，也可以是角形连接，同时功率逆变器又有桥式和非桥式两种。因此，无刷直 流电动机的主电路主要有星形连接三相半桥式、星形连接三相桥式和角形连接三相桥式 基于d s p i c 的b l d c m 无位置传感器控制系统研究 形式。对于星形连接三相桥式电路，主电路用六个功率m o s f e t ，它们的导通方式有二 二导通方式和三三导通方式，二二导通方式是指在任一瞬间使两个开关管同时导通。三 三导通方式是指在任一瞬间使三个开关管同时导通。在三三导通方式下，每个管子导通 时间为1 8 0 。电角度，如果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。而二二通电方式下，每个管子均有6 0 。电角度的不导通时间，在一个周 期有六个不同的状态，不可能发生直通短路，并且这种工作方式很好的利用了方波气隙 磁场的平顶部分，使电机出力大，转矩平稳性好。所以两相导通三摆六状态工作方式最 为常用【5 j 。本文研究的系统也是采用的这种工作方式。 图2 3 为一台典型的三相桥式永磁无刷直流电机原理图。图中1 1 t 6 为电力电子开 关器件，常用i g b t 、m o s f e t 或g t r ，d 1 - d 6 为与开关器件反并联的续流二极管，三 相绕组电流及反电势正方向如图所示，o 为定、转子磁势夹角的电角度。 从无刷直流电机的工作原理可知无刷直流电机是根据转子位置信号决定导通相次 序和换相时刻，现以一台原型样机为例分析其工作原理和换相过程。图2 4 为无刷直流 s n 图2 3 三相永磁无刷直流电动机原理图 f i g 2 3p r i n c i p l ed i a g r a mo f t h r e e - p h a s ep e r m a n e n tm a g n e tb l d c m 电机三相六状态的相电流和转子位置图，其中假定三相定子电流流出纸面为正方向，流 入纸面为负方向，如爿面表示a 相绕组中电流流出纸面，b 相绕组中电流流入纸面。 换相过程如下： 一l o 大连理工大学硕士学位论文 x 谤喇孕一给 x 硷臼碴 假定转子初始位置如图2 4 ( a ) 所示，此时假定开关元件t 3 、t 4 导通，则定子绕组a 、 b 通电，电流方向如图所示，可由右手定则判断定子磁势如图中箭头方向，此时超前转 子磁势1 2 0 。这样转予永磁体和定子磁场相互作用而逆时针旋转。当位置传感器检测到 转子磁势落后于定子磁势为6 0 0 ( 图2 4 ( b ) ) 时，由位置传感器出来的信号经过单片机运 算处理，变成触发信号，控制导通功率器件t 5 、t 4 ，此时定子绕组变为a 、c 通电，电 流方向如图所示，这样定予磁势就重新超前转子磁势1 2 0 0 ，定子继续旋转，下一状态导 通的是t 5 、t 6 ，以后的顺序依次t 1 、t 6 ，t 1 、t 2 ，t 3 、t 2 ，再下个状态就是t 3 、 t 4 。又回到第一个状态；这样随着位置传感器信号的变化电枢绕组一相一相地依次馈电， 从而实现各相绕组的换流，功率变换器件依据转子位置信号依次触发可使转予连续旋 转。转子每旋转一周，开关元件实现六次换流，定子电流形成的定子磁动势在空问发生 六次跳变，即定子磁势是不连续的，定、转子磁势夹角始终在1 2 0 0 6 0 0 范围内变化，周 而复始，整个过程如图2 4 所示，六个状态形成个循环。 2 3无刷直流电动机的数学模型 上面分析的两相导通三相六状态工作方式控制方法比较简单，性能比较好，下面以 这种工作方式为例，分析无刷直流电动机的数学模型。为简化分析，傲如下的假设：( 1 ) 电动机的气隙磁感应强度在空间里梯形( 近似为方波) 分布；( 2 ) 忽略定子齿槽的影 响；( 3 ) 忽略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 ) 基于d s p l c 的b l d c m 无位置传感器控制系统研究 三相绕组完全对称。由于转子的磁阻不随转子位置变化而改变，因此定子绕组的自感和 互感为常数，则相绕组的电压平衡方程可表示为嘲： 难獬恫 c z - ， 式中、m 、船定子相绕组电压( v ) 。 厶、如、拓定子相绕组电流( a ) 。 e a 、e b 、& 定子相绕组电动势( v ) 。 ，每相绕组的电阻( q ) 。 上每相绕组的电感( h ) 。 m 每两相绕组间的互感( h ) 。 由于三项绕组为星形连接，i a + i b + i c = 0 ，因此讹+ 梳+ 胁= 0 ，所以式( 2 1 ) 可以变为： 工“渊+ i i 亿z ， 工一mo l 生i 站l + i 踟l ( 2 2 ) o 三一m j 出叫引 由此可以得到无刷直流电动机的等效电路如图2 5 所示。图中，u a 为直流侧电压， 玎玎6 为功率开关器件，v d i p d 6 为续流二极管，“= l m ，图中标出的相电流和 相反电动势的方向为其正方向。 圈2 5 无刷直流电动机的等效电路图 f i g 2 5e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo f t h eb l d c m 膨三m上膨膨 ，。，l + 、， o r o r o o ，。l = 、， ：堇 珊 ；兰i ，。l 膨 一o o l ，。l + ， ，如，踣k ，。l、；， o o ，o ，o r o o ，。l | i 、j ：皇 撕 撕 ，。 火连理： 大学硕士学位论文 式( 2 2 ) 所代表的是一个等价地实现相间磁路关系解耦的相电压模型。但是由于电 机的中性点是悬空的，各相之间仍不可避免地存在电路上的耦合关系。由于中性点电位 不可直接测量，因而相电压实际上是未知量，已知量为直流侧电压，所以该模型还不能 直接求解相电流的变化规律。 2 4 无刷直流电动机稳态性能的简化分析 利用软件或数学仿真的方法可以得到无刷直流电动机的相电流和电磁转矩波形，但 是计算较复杂，并且得出的控制参数与性能之间的关系也不够直观。 为简化分析，假设不考虑开关器件动作的过渡过程，并且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； 勰一2 研= e 4 - 2 r l a( 2 3 ) 式中昕开关器件的管压降。 如电枢电流。 e 钱电动势，即电机的反电动势。 下面分析三相六状态工作方式下的无刷直流电动机的电动势、转矩、转速等基本公 式。对于这种工作方式，任一时刻都有两相绕组导通，故电机的反电动势为( 后面将详 细推导反电动势表达式) ： e ：2 e m ：2 p w , 0 5 一：6 打( v )( 2 i ) 1 5 0 c 式中c p 电机的反电动势常数，c e ；冬当。 1 ) 电枢绕组的电流为： 厶：u s - 2 u r - ec a )( 2 5 ) 口= 一 厶u ， 2 r 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： t e ：坐：丝：塑慨i 。：c r 删。( n m )( 2 6 ) 式中d 电机的转矩常数，c ，：! 型垡。 7 “ q 转予的机械角速度，q = 等。 基于d s p l c 的b l d c m 无位置传感器控制系统研究 电机的转速为： 空载转速： 疗：坠型( 栅n ) c i ) s 、 一百u s - 2 u r2 装= 7 5 c t , 2 p w , m 篱m ， 肋2 百一面鬲州咖 1 5 。 电动势系数为： 转矩系数为： 尼：墨：三出如( v m i 晰) 厅1 5 a ， k r ：墨l e ：c i ) s ：丝坠瓯烈m a ) 一：! 竺瓯烈 厶舭 、 2 5 无刷直流电动机的运行特性 2 5 1 机械特性 由式( 2 7 ) 可以得出无刷直流电动机的机械特性为： ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 疗：u s - 2 u r - 2 r l ：u s - 2 u r 一三二一l( 2 1 1 ) c o sc , 4 ) sc t m 0 t s , lt s , 2t s , ，如4n 图2 6 无刷直流电动机的机械特性曲线 f i g 2 6m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cc h a r to f t h eb l d c m 1 4 - 胁 胁 大连理工大学硕士学位论文 从式( 2 1 1 ) 可以看出，无刷直流电动机的机械特性与一般的直流电动机的机械特 性的表达式是相同的，如图2 6 所示，是在不同的供电电压驱动下的机械特性曲线。舢、 h 0 2 、n 0 3 、m 是空载时的转速。在实际的情况下，当转矩较大、转速较低时，流过开关 管和电枢绕组的电流很大，这时，管压降随着电流增大而增加加快，使加在电枢绕组上 的电压有所减小，在图中靠近横轴的直线部分会向下弯曲。 2 5 2 调节特性 调节特性曲线如图2 7 所示。由式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 可以得出调节特性的起始电压 和斜率分别为： u o ：竺竺+ 2 u t ( 2 1 2 ) c 狲 x ：= l _ ( 2 1 3 ) c o 心s 从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样，具有良 好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。 n t e 4 t e 3 t e 2 t e l ou o lu 0 2 u 0 3 u 0 4 u s 图2 7 无刷直流电动机的调节特性曲线 f i g 2 7r e g u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i cc h a r to f 1 1 eb l d c m 基于d s p i c 的b l d c m 无位置传感器控制系统研究 3无位置传感器永磁无刷直流电动机的运行原理 3 1永磁无刷直流电动机的反电动势( b e m f ) 无位置传感器无刷直流电动机的结构原理和有位置传感器无刷直流电动机结构原 理基本一样，唯一不同就是没有位置传感器。前面一章分析了有位置传感器永磁无刷直 流电动机的结构和运行原理，它的定子绕组的换流时刻是由位置传感器的信号决定的， 而无位置传感器永磁无刷直流电动机定子绕组的换流显然不是由传感器的信号来决定 的，而主要是依靠电机的电压和电流信息间接的获得转子磁极的位置信号，进而控制绕 组的换流顺序和时刻。目前，比较常用的无位置传感器位置检测方法有岭j ：( 1 ) 反电动 势法包括直接反电动势法、间接反电动势法以及派生出来的反电动势积分法等；( 2 ) 定子三次谐波检测法；( 3 ) 续流二极管工作状态检测法：( 4 ) 瞬时电压方程法；( 5 ) 状态观察法。 文中系统采用的控制方法是反电动势法，以两相导通星形三相六状态工作方式为 例，这种工作方式在任意的时刻总有一相绕组处于断电状态，我们就是通过检测这一断 开相的反电动势来确定换相时刻的。由电机学原理可知，无刷直流电动机的气隙主磁通 密度成的分布波形如图3 1 所示，当转子旋转速度为恒值时，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，通常认为是梯形波，如图3 2 所示，为了减小转矩的 脉动，反电动势的平顶宽度应该大于或等于1 2 0 。电角度，通常把每相反电动势看成平顶 宽度为1 2 0 0 电角度的梯形波，如图3 2 所示。三相绕组的反电动势依次相差1 2 0 0 ，如图 3 3 所示。 假设电枢绕组导体的有效长度为厶，导体的线速度为v ，则单根导体在气隙磁场中感 应的电动势为： e = b 5 l 。v ( v ) ，：坐胛：迦f 劬) 6 06 0 式中d 电枢直径。 口电枢的极对数。 t 极距。 ”电机的转速，单位为转分。 如果电枢绕组每相串联的匝数为，则每相绕组的感应电动势幅值为： ( 3 1 ) ( 3 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 厶：2 w e ：p w 9c b 6 聆：c ，狮( v ) ( 3 3 ) 1 5 c tj 式中晚每极磁通量，单位为韦伯，中5 = 丑嘏 幻。 c o 相电动势常数，c 二：罢垒。 i ) a 1 o f , 计算极弧系数。 由公式( 3 3 ) 可以看出，反电动势与转速和每极的磁通量有关，由图3 1 和图3 2 可以看出，反电动势有一个过零点。由电机学原理可以知道，换相就是在反电动势过零 点以后荐延