（电机与电器专业论文）无刷直流电动机无位置传感器控制技术研究.pdf

东南大学硕l ：学位论义 a b s t r a c t e l e c t r o n i cc 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 lc o m m u t a t o ri nb r u s h l e s sd c m o t o r ( b l d c m ) ，w h i c hm a k e si th a v en o to n l yg o o dc h a r a c t e r i s t i c so fs p e e dr e g u l a t i o na s t r a d i t i o n a ld cm o t o r , b u ta l s om a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss m a l lv o l u m e ，h i g he f f i c i e n c ya n dp o w e r d e n s i t y w i t hb l d c me v e r - i n c r e a s i n g l yu t i l i z e di nm a n yf i e l d s t h ea d v a n t a g eo fs e n s o r l e s s c o n t r o lt e c h n i q u ei sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yo b v i o u s b e c a u s ei to v e r c o m e st h ed r a w b a c k so ft h e e x t e m a lp o s i t i o ns e n s o ra n df u r t h e re x p a n d st h ea p p l i c a t i o nf i e l d so fb l d c m a tp r e s e n t t h e 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 sd c m o t o r s t h ep r i n c i p l eo f 也ec o n t r o lm e t h o do fb l d c mi si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h ep r o c e s so f s e n s o r l e s sc o n t r o lc a nb ed i v i d e di n t ot h r e em a i ns t a g e s ，i e s t a r t u p ，s w i t c h ，a n db a c k e m f c o m m u t a t i o n t h ed e t a i l so ft h ec h a r a c t e r i s t i e sa n dc o n t r o lm e t h o do ft h et h r e es t a g e sa r e d i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y a tp r e s e n t ，t h et h r e e s t e ps t a r t i n gm e t h o da n dt h ea n t i - r e v e r s er o t a t i o n s t a r t i n gm e t h o da r ec o m m o n l yu s e di nt h es e n s o r l e s sc o n t r 0 1 t h e s et w om e t h o d sa r ec o m p a r e d a n da n a l y z e di nt h i st h e s i s ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n ts c h e m e so ft h e ma r ep r o p o s e d 刀 eb a c k - e m fd e t e c t i o nm e t h o dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ns e n s o r l e s sc o m m u t a t i o n c o n t r 0 1 b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h et h e o r yo fb a c k e m fm e t h o d ，an e wb a c k - e m f z e r o c r o s s i n gp o i n td e t e c t i o nm e t h o di sp r e s e n t e d ，w h i c hu s i n gs o f t w a r ea l g o r i t h mr a t h e rt h a n h a r d w a r ep o s i t i o nd e t e c t i n gc i r c u i tt oa c q u i r et r u ez e r o c r o s s i n gp o i n ti n f o r m a t i o na n de l i m i n a t e t h ee f f e c to ff r e e w h e e l i n gc u r r e n to ft h ed i o d ew h e nc o m m u t a t i o no c c u r s t h es e l e c t i o no ft h es w i t c h i n gm o m e n ti sak e yp o i n tt ot h es t e a d yo p e r a t i o no fb l d c m ， b u ti nt r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o dt h i sm o m e n ti sh a r dt od e t e r m i n e 。s oar e v i s e ds w i t c h i n g m e t h o di sp r e s e n t e d ，b yw h i c ht h em o t o rc a nb es w i t c h e ds m o o t h l y a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls t r a t e g y , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma r e d e s i g n e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to nm a n ym o t o r s ，t h er e s u l t sh a v ev e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t ya n d v a l i d i t yo fs u g g e s t e dm e t h o d s k e y w 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 ，t h r e e s t e ps t a r t u p ，a n t i r e v e r s er o t a t i o n s t a r t u p ，s w i t c h ，b a c k - e m fm e t h o d i i 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。 研究生签名：立暨翌盏日 期： 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 文被查阅和借阅，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：墨垦翌：銎导师签名： 峭学日期：舡 第一章绪论 第一章绪论 对于永磁同步电动机而言，由于转子的结构和永磁体的几何形状不同，转子激磁磁场 在空间的分布有正弦波和梯形波之分，因而在定子绕组中产生的反电势也有两种波形：正 弦波和梯形波。两种永磁同步电动机在原理、模型及控制方法上均有所不同。通常将反电 势为梯形波、电枢电流为方波的永磁电机称为无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r , 简称 b l d c m ) ，而将反电势和电枢电流均为正弦波的永磁电机称为永磁同步电动机( p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，简称p m s m ) 。也有人把它们分别称为方波无刷直流电动机( 简 称方波电机) 和正弦波无刷直流电动机( 简称正弦电机) 【l 捌。 现代电力电子技术的发展为永磁同步电动机实现无刷控制打下了坚实的基础。正弦电 机虽然控制复杂，但是定位准确，多用于工业机器人、数控机床等要求高精度、高动态性 能的场合。而无刷直流电机结构简单，控制方便，成本较低，多用于家电产品、电动车辆、 办公自动化设备等只要求调速而对性能指标要求不是很高的场合。 无刷直流电机之所以能够自同步运行并且具有传统直流电机良好的调速性能，是因为 电力电子逆变器功率器件的导通和关断( 对应于电机换相) 取决于电机转子的位置，因此电 机转子位置信号必不可少。为了获得转子位置信号，传统的无刷直流电机往往采用电磁式、 光电式、霍尔磁敏式等各种外置式位置传感器进行检测。但外置式位置传感器增大了电机 的体积和成本，不能适应高温、高湿、污浊空气等恶劣的工作环境，且电机连线多，易受 干扰。因此，外置式位置传感器在一定程度上限制了永磁无刷直流电机的推广和应用。如 果能够省去外置式位置传感器而采用其他方法检测电机转子位置，则必将促进无刷直流电 机的发展，因此，无刷直流电机无位置传感器控制开始受到越来越多的关注【3 j 。 本章首先介绍无刷直流电机的组成、原理及其发展概况，对比有位置传感器和无位置 传感器控制的优缺点，之后根据电动车用无位置传感器控制系统的要求确定研究方向及重 点，最后列举论文的主要研究内容。 1 2 无刷直流电机的研究现状及发展概况 无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。有刷直流电动机从1 9 世 纪4 0 年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制 领域占据主导地位。但是，传统直流电机采用电刷和换向器，以机械方式进行换相，因而 存在机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰等问题，再加上制造成本高，维修困 难的缺点，限制了其在很多场合的应用。 为了取代机械换相装置，人们开始研究以电子换相取代机械换相的无刷直流电动机。 在1 9 1 7 年，b o l g i o r 就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，诞生了无刷直流电 东南人学硕上学位论文 机。1 9 5 5 年，美国的d h a r r i s o n 等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电机的机械 电刷的专利，标志着现代无刷直流电机的诞生。1 9 6 2 年，借助于霍尔元件位置检测装置实 现换向的无刷直流电机研制成功。 无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步。在无刷直流电机发 展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永 磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电机自发明以后的一个相当长的时期内 性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广应用。1 9 7 0 年以来，随着电力半导体工 业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件( 如g t r 、m o s f e t 、i g b t 等) 相继问世， 加之高磁能积永磁材料( 如钐钴s m c o 、钕铁硼n d f e b ) 陆续出现，这些均为无刷直流电机 的广泛应用奠定了坚实的基础，无刷直流电动机系统因此得到了迅速发展。在1 9 7 8 年汉 诺威贸易博览会上，前联邦德国m a m e s 压a n n 公司正式推出了m a c 无刷直流电机及 其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮， 这也标志着无刷直流电机走向实用阶段。 随着人们对无刷直流电机特性了解的日益深入，无刷直流电动机的理论也逐渐得到发 展和完善。1 9 8 6 年，h r b o l t o n 对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直 流电机的研究领域，成为了无刷直流电机的经典文献，标志着无刷直流电动机在理论上走 向成熟。 现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机仍在传动应用中占主导地位，但无刷直流 电动机正受到普遍关注。自2 0 世纪9 0 年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、 办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高 智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点， 无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电 机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。 无刷直流电动机的转子采用了永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适 合于恒转矩运行；对于恒功率运行，无刷直流电动机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制， 但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁 大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在 要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如数控机床、机器人等应用中， 无刷直流电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。目前无刷直流电机的 应用范围已遍及国民经济的各个领域，并日趋广泛，特别是在家用电器、电动汽车、航空 航天等领域已得到了大量应用。 目前，无刷直流电动机的研究主要集中在以下方面： ( 1 ) 无转子位置传感器控制。转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部分，不 仅增加了系统的成本和复杂性，而且降低了系统的可靠性和抗干扰能力，同时还需要占据 一定的空间位置。在很多应用场合，例如空调器和计算机外设都要求无刷直流电机以无转 子位置传感器方式运行。 2 第一章绪论 ( 2 ) 转矩脉动控制。存在转矩脉动是无刷直流电动机的固有缺点，特别是随着转速升 高，换相导致转矩脉动加剧，并使平均转矩显著下降。减小转矩脉动是提高无刷直流电动 机性能的重要方面。 ( 3 ) 智能控制。随着信息技术和控制理论的发展，在运动控制领域中，一个新的发展 方向就是先进控制理论，尤其是智能控制理论的应用。目前，专家系统、模糊逻辑控制和 神经网络控制是三个最主要的理论和方法。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟经 验和规则有机地融入到传动控制策略当中，现已成功地应用到许多方面。随着无刷直流电 动机应用范围的扩大，智能控制技术将受到更广泛的重视。 1 3 无刷直流电机的组成及工作原理 1 3 1 无刷直流电机的组成 无刷直流电机是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、位置检测器、逆变 器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机系统，如图1 1 所示。位置 检测器用来检测转子磁极的位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的 开关信号，开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件，将电源功率以一定的逻 辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。 i 直流电源 i - l 电机本体i；1 输出 i 一逆变器 ljl l i i l1r i i i 位置检测器 i i i l i 控制信号 i l 控制器 一 i i 一 i l j i 图1 1 无刷直流电动机系统的组成 1 电机本体 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，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对 称绕组。原直流电动机的电刷和机械换相器被逆变器和转子位置检测器代替。所以无刷直 流电动机的本体实际上是一种永磁同步电机。由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电 机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机。 定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同，铁芯中常嵌有三相对称绕组。绕组 可以接成星型或三角形，并分别与逆变器中的各开关管相连。 东南大学硕。l ：学位论文 目前，无刷直流电动机中多采用钐钻( s m c o ) 和钕铁硼( n d f e b ) 等高矫顽力、高剩磁密 度的稀土永磁材料，其常见的转子结构有三种形式： ( 1 ) 表面式磁极：在铁芯外表面粘贴径向充磁的瓦片形稀土永磁体，有时也采用矩形 小条拼装成瓦片形磁极，以降低电机的制造成本。 ( 2 ) 嵌入式磁极：在铁芯中嵌入矩形稀土永磁体，这种结构可以获得较大磁通，但需 要作隔磁处理或采用不锈钢轴。 ( 3 ) 环形磁极：在铁芯外套上一个整体稀土永磁环，环形磁体径向充磁为多极，适用 于体积和功率较小的永磁无刷直流电动机，该种结构的转子制造工艺 性较好。 除了普通的内转子无刷直流电动机之外，在电动车驱动中还常常采用外转子结构，将 无刷直流电动机装在轮毂之内，直接驱动电动车辆。 2 逆变器 逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独 立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器 。由于采用自控式逆变器， 无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机不会产生振荡和失步，这 也是无刷直流电动机的重要优点之一。 逆变器主电路有桥式和非桥式两种，而电枢绕组既可以接成星形也可以接成三角形， 因此电枢绕组与逆变器主电路的连接可以有多种不同的组合。 目前，无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用i g b t 或功率m o s f e t 等全控型器件， 有些主电路已有集成的功率模块( p i c ) 和智能功率模块( i p m ) ，选用这些模块可以提高系统 的可靠性。 无刷直流电动机定子绕组的相数可以有不同的选择，绕组的连接方式也有星形和角形 之分，而逆变器又有半桥型和全桥型两种。不同的组合会使电动机性能不同，其成本也有 差异，这是每一个应用系统设计者都要考虑的问题。目前，星形连接三相桥式主电路结构 应用最多。 3 位置检测器 位置检测器的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的 换相信息。位置检测包括有位置传感器检测和无位置传感器检测两种方式。 转子位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机本 体转子磁极的位置；其定子固定在电机本体定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号。 转子位置传感器的种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式 以及编码器等。 在无刷直流电动机系统中安装机械式位置传感器解决了电机转子位置的检测问题，但 是位置传感器的存在增加了系统的成本和体积，降低了系统可靠性，限制了无刷直流电动 机的应用范围，对电机的制造工艺也提出了更高的要求。因此，国内外对无刷直流电动机 4 第一章绪论 的无转子位置传感器控制方式给予了高度重视。 无机械式位置传感器的转子位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的物理量间 接地获得转子位置信息，主要有反电势检测法、续流二极管工作状态检测法、定子三次谐 波检测法和瞬时电压方程法等。 4 控制器 控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成 以下功能： ( 1 ) 对转子位置检测器输出的信号、p w m 调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合， 为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。 ( 2 ) 产生p w m 调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环 调速。 ( 3 ) 对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。 ( 4 ) 实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护功能。 控制器的主要形式有：分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统、基于专用集成 电路的控制系统、数模混合控制系统和全数字控制系统。 1 3 2 无刷直流电机的基本工作原理 以图1 2 所示的无刷直流电动机系统来说明无刷直流电动机系统的工作原理。电机本 体的电枢绕组为三相星形连接，位置传感器与电机本体同轴，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 机的各相绕组按一定的顺序工作。 逆变器 机 图1 2 三相无刷直流电动机系统 当转子旋转到图1 - 3 ( 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 5 东南大学硕上学位论文 换后驱动逆变器，使v t l 、v t 6 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 生的磁动势凡如图1 - 3 ( a ) 所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。 当电机转子在空间每转过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 i 、v t 6 一v t l 、v t 2 一v t 3 、v t 2 一v t 3 、v t 4 一v t 5 、v t 4 一v t 5 、v t 6 一v t l 、 v t 6 。在此期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。 在图1 - 3 ( a ) 和1 - 3 ( b ) 的6 0 0 电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋转，而定子合成磁 场在空间保持图1 - 3 ( a ) q b 凡的静止位置。只有当转子磁场连续旋转6 0 0 电角度，到达图1 3 ( b ) 所示的e 位置时，定子合成磁场才从图1 3 ( a ) 的凡位置跳跃到1 - 3 ( b ) 中的r 位置。在图 1 - 3 ( b ) 所示通电状态之后的连续两个通电状态如图1 - 3 ( c ) 和图1 - 3 ( d ) 所示。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，每一步的步进角是6 0 0 电角度。 转子在空间每转过6 0 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就 发生一次跃变。可见，电机有六种磁状态，每一状态有两相绕组导通，每相绕组的导通时 间对应于转子旋转1 2 0 0 电角度。我们把无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星形 三相六状态，这是无刷直流电动机最常见的一种工作方式。 由于定子合成磁势每隔1 6 周期( 6 0 0 电角度) 跳跃前进一次，在此过程中，转子磁极上 的永磁磁势却是随着转子连续旋转的，这两个磁势之间平均速度相等，保持“同步”，但 是瞬时速度却是有差别的，二者之间的相对位置是时刻有变化的，所以，它们相互作用下 所产生的转矩除了平均转矩外，还有脉动分量。 x ( a ) v t i 、v t 6 导通，a 、b 两相通电 6 z o b o ( b ) v t i 、v t 2 导通，a 、c 两相通电 第一章绪论 o x o x ( c ) v t 2 、v t 3 导通，b 、c 两相导通( d ) v t 3 、v t 4 导通，b 、a 两相通电 图1 - 3 无刷直流电动机工作原理示意图 1 4 无刷直流电机的控制方式 目前，无刷直流电机的控制方式按照有无转子位置传感器可以分为：有位置传感器控 制方式和无位置传感器控制方式两种。 1 4 1 有位置传感器控制方式 位置传感器在无刷直流电机中起着测定转子磁极位置的作用，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。 位置传感器的种类很多，有电磁式、光电式和磁敏式等。它们各具特点，然而由于磁敏式 位置传感器具有结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化等优点，目前得到越 来越广泛的应用。磁敏式位置传感器又可分为磁阻元件、磁敏二极管、磁敏晶体管、磁抗 元件、方向性磁电元件、霍尔元件和霍尔集成电路等，以及以霍尔效应原理构成的磁电转 换组件。目前在无刷直流电机中常用的位置传感器有下述几种1 4 , 5 】。 1 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用的，有开口变压器、铁磁谐 振电路、接近开关等多种类型。 2 光电式位置传感器 光电式位置传感器是利用光电效应制成的，由跟随电机转子一起旋转的遮光板和固定 不动的光源及光敏晶体管等部件组成。 3 磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体磁敏元 件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。 7 东南大学硕上学位论文 1 4 2 无位置传感器控制方式 所谓无位置传感器控制，正确的理解应该是无机械式位置传感器控制，在电机运转的 过程中，作为逆变桥功率器件换相时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这种信号不 再由位置传感器来提供，而是由其他的转子位置信号检测方法来代替，所以，目前永磁无 刷直流电机无位置传感器控制研究的核心和关键就是架构一个转子位置信号检测电路，从 软、硬件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借以触发导通相应的功率器件，驱动 电机运转。近年来，国内外推出了多种的位置信号检测方法，其中较为成熟的主要有以下 几类【6 , 7 , 8 , 9 】： 1 反电动势检测法 通过检测电机反电动势( b a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ，以下简称b a c k e m f ) 来获得位置信 号的方法，称为“反电势法”。 对于最常见的两相导通星形三相六状态工作方式，除了换相的瞬间之外，在任意时刻， 电机总有一相绕组处于断电状态。当断电相绕组的反电动势过零点之后，再经过3 0 0 电角 度，就是该相的换相点。因此，只要检测到各相绕组反电动势的过零点，就可确定电机的 转子位置和下次换流的时间。 由于反电动势难以直接测取，通常通过检测端电压间接获得反电势过零点。故这种方 法又称为端电压检测法。 反电动势法的缺陷是当电机在静止或低速运行时，反电动势为零或很小，因而无法利 用。一般需采用专门的起动方法将电机以他控变频方式起动，当电机具有一定的初速度和 电动势后，再切换到自控变频状态【1 0 】。 2 续流二极管工作状态检测法 通过对逆变器开关管加以特殊时序的斩波控制信号，使电机绕组的续流电流沿着特定 的回路流通。当断开相绕组的反电动势过零时，与断开相开关管并联的续流二极管中将流 过续流电流，通过对该续流二极管导通与否的检测就可以确定出绕组反电动势的过零点， 从而得到电机的转子位置信号。 这种检测方法实际检测的也是绕组的反电动势，但是检测的灵敏度相对较高，在电机 额定转速的2 以上有效，起动容易，调速范围宽，缺点是实现电路较复杂。 3 三次谐波检测法 对于无刷直流电动机，绕组反电动势为梯形波。经过f o u r i e r 级数分解，可以发现除了 基波分量以外，还含有较大的三次谐波分量。三次谐波分量的一个周期对应基波分量的1 2 0 。电角度，其相邻两次过零点间隔6 0 。电角度，正好与电机相邻两次换相的时间间隔相同， 只是相位相差9 0 。电角度，因此，将反电动势的三次谐波分量移相9 0 。电角度后，得到 的信号就可以作为转子位置信号，其每一个过零点均对应着一个电流的换相点。 反电动势三次谐波的检测有两种方法：一是在星形连接的绕组三端并联一组星形连接 8 第一章绪论 的电阻，两个中性点之间的电压即为三次谐波。当电机的中性点没有引出线或不便引出时， 可采用另一种方法通过星形连接电阻的中性点与直流侧中点之间电压来获取三次谐 波分量，不过它需要滤波器来消除高频分量。滤波器的引入，会使信号产生一定的相移 【l l ，1 2 , 1 3 o 4 瞬时电压方程法 利用电机各相瞬时电压和电流方程，实时计算电机由静止到正常运转任一时刻转子的 位置，控制电机的运行。该方法不需专门的起动线路，电路简单，起动转矩大。但对电机 本体的数学模型依赖性大，当电机参数因温度变化发生改变时，容易造成建模误差，使控 制精确性受到影响；另外，由于在线计算复杂，计算量大，考虑到转子位置检测的实时性， 必须采用具有快速运算能力的d s p 和高速a d 转换器。这种方法还可用于正弦波无刷直 流电动机的控制。 此外，国内外许多学者还提出了其他一些无位置传感器无刷直流电机的控制理论和方 法。如涡流法( 在转子表面安装非磁性材料，通过检测因该材料中涡流而造成的断开相电压 改变来获得转子位置信号的方法) 和电流法( 根据电流波形决定换相时序的方法) 以及矢量 表法等。这些方法实现难度较大，应用条件比较苛刻，只适用于一些特殊场合。 随着控制理论的不断发展，智能控制在无位置传感器控制中的应用已经成为一种新趋 势。许多现代控制理论如p i d 控制、模糊算法、神经元网路和专家系统等，均被用于无刷 直流电动机的控制中。其中，经典p i d 控制与模糊控制相结合的f u z z y p i d 控制，人工神 经网络和模糊控制相结合的复合控制，以及遗传算法和模糊控制相结合的控制方法代表了 当前智能控制的研究方向。智能控制法是控制理论发展的高级阶段，其最大特点是具有自 学习、自适应、自组织等功能，能够解决模型不确定性问题、非线性控制问题以及其它较 复杂的问题。严格来说，无刷直流电机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，利用 智能控制方法可以建立被测相电压、电流和转子位置的相互关系，获取转子位置信号。但 是这些方法在理论上还需要进一步研究，技术上实现还有一定困难。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，智能控制方法必将进一步推动无刷 直流电动机控制技术的发展。 1 5 课题背景及主要研究内容 用电子换相代替机械换相开创了无刷直流电机产品化的新纪元，但是，位置传感器不 仅增加了小容量设备的硬件投资，而且有损无刷直流电动机的坚固性、简单性以及广泛实 用性，因此，开展对无位置传感器无刷直流电动机控制这一课题的研究，具有良好的应用 价值及前景【1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 。 在无位置传感器控制方式中，比较成熟和应用较为广泛的是“反电势法”，但是由于 传统“反电势法”使用低通滤波电路来获得反电势过零点，使得在检测过程中转子位置信 9 东南人学硕r 上学位论文 号产生相移，不能得到准确的过零点信息，也即不能提供准确的换相信息。因此，有必要 进一步对反电势法进行研究，以简化控制方法，调高控制精度。 在无刷直流电动机中，定子绕组中的感应电动势与换相时刻保持着一定关系，也即在 某相绕组反电势过零点出现之后，再延时3 0 0 电角度就是该相绕组的换相时刻，根据“反 电势法”换相的无刷直流电机正是基于这一原理工作的。而感应电动势的幅值与电机转速 成正比，当电机静止或转速很低时，感应电动势幅值为零或很小，不足以用来确定转子磁 极当前位置，所以在无刷直流电机起动时不能根据反电动势进行换相，需要采用其他替代 方法。 目前，最为常用的无位置控制起动方式为“三段式起动法，但是这种方法对负载变 动的适应性差，在不同运行状态切换时容易失步，这些缺点都限制了此方法的适用范围， 有必要加以改进。 三段式起动法虽然实现起来相对简单，但是由于从静止状态起动时无法预期转子位 置，需采用“预定位 的方式将转子固定在某一初始位置，在这一过程中电机转子可能会 反向转动，对于诸如电动车、电动汽车这样的应用场合，这一反转情况是不能允许的，因 此必须采用新的检测转子初始位置的方法。 鉴于上述无位置传感器无刷直流电机控制中存在的问题，本课题对以下几个方面进行 研究，提出相应的改进方案，设计控制系统硬件电路并编制软件，并通过试验结果验证本 文所述方法的可行性和有效性。 主要研究内容包括： ( 1 ) 三段式起动法。分析传统三段式起动方法存在的问题，并提出可以适应一定负载 变化的改进方案。 ( 2 ) 无反转起动法。利用定子铁芯饱和效应，通过检测在短时电压脉动下定子绕组电 流响应的方法来确定转子初始位置，并使电机加速。 ( 3 ) 切换方法。针对无刷直流电机由起动状态切换至反电势换相运行状态时存在的切 换时刻不易选择的问题，提出一种新的切换时刻确定方法，该方法能够实现电机的平滑切 换。 ( 4 ) 反电势法。通过构建简单的端电压分压网络，由微控制器的a d 单元对分压后的 端电压进行采样，通过软件算法确定真实的反电势过零点，滤除掉因换相阶段二极管续流 引起的虚假过零点。这种方法可以简化硬件控制电路，避免位置检测信号因低通滤波而造 成的附加相移。 ( 5 ) 控制系统硬件和软件 本课题使用i n f i n e o n 公司生产的8 位高性能单片机x c 8 6 6 作为控制核心，设计一套基 于反电势法的无刷直流电机控制系统硬件电路，编制经过改进的三段式起动控制程序和无 反转起动控制程序，经过在多台电机上的试验，证明本文所述方法的实用性。 l o 第二章无位置传感器控制起动技术研究 第二章无位置传感器控制起动技术研究 在各种无位置传感器无刷直流电机的控制技术中，最简单实用的是基于反电势检测的 方法，只要测出各相反电势的过零点就可获得三相电机所需的转子六个关键位置信号。但 当电机起动或转速很低时，反电势电压为零或很小，反电势法已不再适用，需要采用其他 方法起动并加速电机。 本章首先介绍目前较为常用的两种起动方法，即由转子预定位、外同步加速、运行状 态切换三个阶段构成的“三段式”起动法，和基于定子铁芯饱和效应的“无反转起动法。 阐述每种方法的控制原理，分析各自存在的缺点和问题，提出相应的改进方案。 切换阶段是连接起动与运行的中间环节，由于在上述两种控制方式中的切换过程既有 差异也有共通之处，因此将在论文后续章节单独讨论，本章只涉及无位置控制的初始定位 和加速两个阶段。 2 2 “三段式”起动法 常用的三段式起动方法包括【1 9 2 0 】： ( 1 ) 硬件电路起动方式 在无位置传感器无刷直流电机控制中，设计一个专门的起动电路，来产生电机的起动 信号。起动电路框图如图2 1 所示。 扁 飓 形成换相信号 图2 1 硬件起动电路框图 在硬件起动电路中，当电路通电后，电容c 上的电压缓慢提升，此电压加到压控 振荡器的输入端，压控振荡器的输出经分频后加到环行分配器上，环行分配器输出的信号 将作为换相逻辑信号加在功率器件驱动电路上，控制绕组的导通及换相。同时，加到 p w m 生成电路的输入端，使p w m 信号占空比随魄变化，控制施加到绕组上的平均电压。 这样绕组上的电压与频率就随着魄的上升而逐渐上升，驱动电机运行。另外，将与设 东南大学硕j ：学位论文 定的阀值进行比较，当阮达到一定数值后，即电机转速上升至一定数值后，经逻辑电路 将电机切换到反电势换相运行方式。 这种起动方式通过硬件电路实现了电机的升压升频起动，可以带一定的负载，起动条 件也不苛刻，但是其最大的缺点是附加的起动电路增加了控制系统的复杂性，不利于电机 的可靠运行。 ( 2 ) 预定位起动方式 为了克服硬件起动电路的缺陷，人们提出了许多软件起动方法。在反电动势检测法中， 传统的软件起动方式为预定位起动，即在起动开始时给电机一个确定的通电状态，使转子 定位，然后改变电机的通电状态，使转子在电磁力矩的作用下向确定方向转动。当转子达 到一定转速后，定子绕组中已感应出足够大的反电动势，这时就可以选择合适的时机将电 机切换到反电势换相运行方式，完成电机的起动。该种起动方式中，需要离线计算切换时 间，将计算结果存入相应软件换相时间寄存器用以对电机进行换相。 这种起动方式虽然实现起来比较简单，不需要外接电路，但对切换时间要求严格，一 般只用于空载起动，当电机惯量不同或带一定负载起动时，就要调整切换时间，否则会造 成起动失败。 ( 3 ) 升压升频同步起动方式 无刷直流电机通常采用p w m 控制方式，改变p w m 信号占空比可以改变输入电机绕 组的电压平均值。现在用于电机控制的微控制器都集成有p w m 信号生成电路，可以同时 多路输出p w m 控制信号。升压升频起动方法的控制原理是，在起动阶段使逆变器的换相 频率从d , n 大逐渐提高，同时不断增大p w m 调制信号占空比，提升加在无刷直流电机定 子绕组上的平均电压，当电机转速上升到足够大后选择适当的时机将电机切换到反电动势 控制运行状态。 这种起动方式完全通过软件参数的调整实现对电压与频率的控制，控制方法简单，但 需要事先确定换相频率与p w m 信号占空比之间的对应关系，同时要控制好两者的变化速 率。为了保证电机顺利起动，需通过试验不断修正软件参数。 2 2 1 转子预定位方法 综上所述，为了简化控制过程，本文以预定位法的控制原理为基础，提出了对于三段 式起动的改进方法。本节介绍电机转子初始定位过程，下一节分析转子加速过程。 为了保证无刷直流电机能够正常起动，首先需要确定转子的起始位置，对于具有梯形 波反电动势波形的无刷直流电机来说，一般采用电磁制动的方式将电机转子固定在某一初 始位置。系统上电后，任意给定一组触发脉冲，在气隙中形成一个幅值恒定、方向不变的 磁通，只要保证磁通的幅值足够大，那么就能在一定时间内将电机转子强行定位在这个方 向上。 如图2 2 所示给a 、b 两相绕组通电，定子绕组合成磁势为，转子直轴磁势为e ， 当两个磁势方向相同，即夹角为零时转子定位完成。如果转子磁势e 的初始方向与定子绕 组磁势方向f 曲的夹角为1 8 0 0 ，则转子在定位过程中不会旋转，定位失败。为了解决这一 1 2 第一二章无位置传感器控制起动技术研究 问题，可采用“连续二次 定位的方法，即在第一次定位的基础上，接着导通下一个状态， 这样不论第一次定位成功或失败，第二次定位一定是成功的。 a x 图2 2 转子预定位示意图 实际控制中，由于电机初始定位时转子易产生抖动，可按照第二次定位的通电状态再 通电一次，确保电机定位准确。 2 2 2 外同步加速方法 当电机转子完成了初始定位后，就可以按照预先设定的旋转方向给相应的绕组通电驱 动电机旋转。换相时间存储在微控制器的某一寄存器中，为了适应对一定负载变化的要求， 换相时间的设定需遵循一定的规律。即在起动开始阶段，换相时间加长，使电机工作在“滞 后 换相状态，也就是实际换相时刻滞后于理想换相时刻，这种情况下端电压的波形如图 2 3 所示，可以看到定子绕组端电压波形不是左右对称的梯形波。当电机开始转动后，逐 渐减小换相时间，绕组端电压波形将逐渐趋于左右对称，图2 4 通道1 波形显示了这一变 化过程。 图2 5 所示“梯形波 为上述变化过程结束后的端电压波形，这是无刷直流电机正常 运行时的典型波形。此时电机具有最大的平均电磁转矩，电机的这种工作状态称为“最佳 换相逻辑状态”。这种左右对称的梯形波也即是在安装有霍尔位置传感器情况下无刷直流 电机运行时所具有的端电压波形。 “梯形波的对称性不仅影响到电机的运行性能，也对“反电势法 的应用具有重要 影响。通常，无刷直流电机采取两两导通三相星形六状态控制方式，每一时刻只有两相绕 组导通，逆变桥的上下桥臂各有一个功率器件开通，其中一个采用p w m 控制方式，另一 个采用恒通方式。由于对于反电势过零点的检测是针对非导通相进行的，当我们采用软件 方式对非导通相端电压进行采样以检测过零点时，如果端电压波形的对称性较差( 电机工 作在严重超前或者滞后换相运行状态) ，如图2 4 通道1 的开始部分，则有可能检测不到反 电势过零点，只有当梯形波波形趋于左右对称时，反电势的过零点才可以被检测到。 在图2 4 中，通道2 脉冲波形的上升沿对应于反电势过零点位置，可以看出，当端电 1 3 东南大学硕上学位论文 压波形的对称性较差时，反电动势的过零点无法检测到，而当逐渐减小换相时间使得波形 趋于左右对称时，过零点开始被检测到了，图中通道l 仅显示了一相绕组的端电压波形变 化情况，其他两相绕组具有相似的变化规律，只是相位之间相差 2 0 0 电角度。 图2 3 滞后换相运行状态端电压波形 i 。i 。il 。】。i 。i 。i 。 j _ - 一 ； f r u i i_ - _i 。il 1 - - u f 一t i v 一_ 1 ：；_ ：。；i i l 二 矗- l ；舢帆阳 ：_ 。1 ，c h 1 v 2 5m s t e y m i r i a r 矿b l t a g e 一：一。：。：一= ：2 l c h 25v2 5m sb a c k - f _ m f 。d e t e c t j o n ii - i i 。- - i ii - - i - 。i - i - - f - ii 1i - 。ii。 东南大学硕上学位论文 ( a ) 定、转子磁通方向相同( b ) 定、转子磁通方向相反 ( c ) 定子极面中的转子合成磁通为零 图2 - 6 定子绕组电流与永磁体产生的磁通 当按图2 6 所示方向给